第11章電子技術(shù)

第十一章集成邏輯門(mén)電路第一節(jié)半導(dǎo)體二極管和晶體管的開(kāi)關(guān)特性11.1.1晶體二極管的開(kāi)關(guān)特性11.1.2晶體管的開(kāi)關(guān)特性11.1.3由二極管與晶體管組成的基本邏輯門(mén)電路第二節(jié)TTL“與非”門(mén)電路11.2.1典型TTL“與非”門(mén)電路11.2.2TTL"與非"門(mén)的電壓傳輸特性11.2.3TTL“與非”門(mén)的主要參數(shù)11.2.4TTL門(mén)電路的改進(jìn)11.2.5集電極開(kāi)路TTL門(mén)(OC門(mén))11.2.6三態(tài)TTL門(mén)(TSL門(mén))

第三節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管與MOS邏輯門(mén)11.3.1N溝道增強(qiáng)型MOS管的開(kāi)關(guān)特性11.3.2NMOS反相器11.3.3CMOS邏輯門(mén)電路第四節(jié)正邏輯與負(fù)邏輯11.4.1正負(fù)邏輯的基本概念11.4.2正負(fù)邏輯變換規(guī)則研究對(duì)象：邏輯門(mén)電路的組成以及一些特殊門(mén)電路。關(guān)注焦點(diǎn)：TTL與非門(mén)的工作原理。第一節(jié)半導(dǎo)體二極管和三極管的開(kāi)關(guān)特性理想開(kāi)關(guān)元件的特點(diǎn)①接通狀態(tài)時(shí)電阻為零；②斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，阻抗為無(wú)窮大；③斷開(kāi)和導(dǎo)通之間的切換時(shí)間瞬間完成。半導(dǎo)體器件雖與理想開(kāi)關(guān)元件特性有差異，但在速度不高的場(chǎng)合仍作為開(kāi)關(guān)元件使用。1.晶體二極管的開(kāi)關(guān)特性(1)晶體二極管開(kāi)關(guān)的靜態(tài)特性曲線

I(mA)2010-40-20

0

0.4

0.8

U(V)-10

-20(nA)(a)硅二極管的伏安特性曲線

I(mA)

20

10-60

-30

0

0.20.4

U(V)-10

-20(μA)(b)鍺二極管的伏安特性曲線

iD

Ⅰ

UR

Uon

uD

Ⅱ

Ⅲ(c)

二極管線性化特性曲線

iD

uD

0(d)

理想二極管開(kāi)關(guān)特性(2)二極管的瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性

iD

IF0

t(c)理想二極管開(kāi)關(guān)特性

uD

0

t

UR(b)

ui

UF0

t

UR(a)

iD

IF0

t-IR

tr

ts

tf

trr二極管瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性

uD

0t2

t

t1

(b)

ui

UF0

t1

t2

t

UR(a)(3)產(chǎn)生反向恢復(fù)過(guò)程的原因

nP區(qū)多余少子N區(qū)多余少子(電子)濃度分布(空穴)濃度分布

x(距離)二極管多余的少數(shù)載流子濃度分布自建場(chǎng)耗盡區(qū)

P區(qū)N區(qū)UF+U/RU/R-當(dāng)二極管加正向偏置電壓時(shí)，外加電場(chǎng)與自建電場(chǎng)方向相反，使PN結(jié)的耗盡層變窄，如圖所示。實(shí)際上，由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，不會(huì)全部與電子復(fù)合而立即消失，而在一定路程內(nèi)，邊擴(kuò)散，邊復(fù)合逐漸減少。這樣，就在N區(qū)內(nèi)產(chǎn)生一定數(shù)量的空穴積累，靠近耗盡層邊緣的濃度最大，隨著距離的增加空穴濃度按指數(shù)規(guī)律衰減，形成一梯度分布。同理，N區(qū)的電子擴(kuò)散到P區(qū)后，也將在P區(qū)出現(xiàn)一定的電子積累，這些擴(kuò)散到對(duì)方區(qū)域并積累的少數(shù)載流子稱為多余少子，把PN結(jié)兩側(cè)出現(xiàn)的少數(shù)載流子積累現(xiàn)象稱為存儲(chǔ)效應(yīng)。當(dāng)輸入電壓ui突然由UF變?yōu)楱CUR時(shí)，由于正向?qū)〞r(shí)二極管存儲(chǔ)的電荷不可能立即消失，這些存儲(chǔ)電荷的存在，使PN結(jié)仍然維持正向偏置。在外加反向電壓UR的作用下，P區(qū)的電子被拉回N區(qū)，N區(qū)的空穴被拉回P區(qū)，使得這些存儲(chǔ)電荷形成漂移電流，使存儲(chǔ)電荷不斷減少，從ui負(fù)跳變開(kāi)始至反向電流ID降到0.9IR所需的時(shí)間稱為存儲(chǔ)時(shí)間ts。這段時(shí)間內(nèi)，PN結(jié)處于正向偏置，反向電流IR近似不變。經(jīng)過(guò)ts時(shí)間后，P區(qū)和N區(qū)存儲(chǔ)電荷已顯著減少，反向電流一方面使存儲(chǔ)電荷繼續(xù)消失，同時(shí)使耗盡層逐漸加寬，PN結(jié)由正向偏置轉(zhuǎn)為反向偏置，二極管逐漸轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)。向電流由IR逐漸減小至反向飽和電流值。這段時(shí)間稱為下降時(shí)間tf。2.晶體三極管的開(kāi)關(guān)特性(1)晶體三極管的穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)特性

Ucc

uo

Rc

10

Rb

uo

截飽ui

T5

止放和區(qū)大區(qū)區(qū)

ui

0.5

11.5(a)單管共射電路(b)單管共射電路傳輸特性三極管開(kāi)關(guān)的穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)特性如圖所示。輸出電壓uo是隨著輸入電壓ui的改變而分別工作在截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。(2)晶體三極管的瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性三極管的瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性與二極管的瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性類似，即在飽和和截止?fàn)顟B(tài)之間轉(zhuǎn)換所具有的過(guò)渡特性。若三極管是一個(gè)無(wú)惰性的理想開(kāi)關(guān)，則輸出電壓波形與輸入電壓的波形同步，只是幅度增大、相位相反。但實(shí)際的是三極管是有惰性開(kāi)關(guān)，即截止與飽和狀態(tài)的轉(zhuǎn)換不能瞬間完成。具體波形如右圖所示。

ui

U(a)t-U

ic

td

tr

ts

tf(b)0

t

uo

ton

toff(c)0

t開(kāi)啟時(shí)間ton是由延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr組成。它反映了三極管從截止轉(zhuǎn)向飽和所需的時(shí)間。關(guān)閉時(shí)間toff則是由存儲(chǔ)時(shí)間ts和下降時(shí)間tf組成，它反映了三極管由飽和轉(zhuǎn)向截止所需的時(shí)間。①延遲時(shí)間(delaytime)td產(chǎn)生

當(dāng)輸入電壓ui由–U跳變到U，隨即出現(xiàn)基極電流Ib，但三極管不能立即導(dǎo)通，因?yàn)橐拱l(fā)射結(jié)由反偏轉(zhuǎn)為正偏、阻擋層由寬變窄、使發(fā)射結(jié)電壓由–U上升到門(mén)限電壓Uon，這時(shí)發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子，注入基區(qū)電子在基區(qū)內(nèi)形成電子濃度梯度分布。擴(kuò)散到集電結(jié)邊緣的電子被集電區(qū)吸收，形成集電極電流ic。由此可知，ic的出現(xiàn)比ui上跳時(shí)刻要延遲一個(gè)時(shí)間td。這就是td產(chǎn)生的原因。②上升時(shí)間tr的產(chǎn)生

發(fā)射結(jié)開(kāi)始導(dǎo)通后，發(fā)射極不斷向基區(qū)注入電子，但集電極電流不能立刻上升到最大值。這是因?yàn)榧姌O電流的形成，要求電子在基區(qū)中有一逐步積累的過(guò)程，需要一定的時(shí)間，不會(huì)隨ib躍變而躍變。

③存儲(chǔ)時(shí)間ts的產(chǎn)生

當(dāng)輸入信號(hào)ui由U下跳到–U時(shí)，基極電流ib為–U/Rb，這使基區(qū)存儲(chǔ)的電子在反向電流作用下逐漸消散。隨著多余電荷的消失，三極管由飽和退到臨界飽和所需要的時(shí)間就是存儲(chǔ)時(shí)間ts。

④下降時(shí)間tf的產(chǎn)生

當(dāng)基區(qū)超量電荷消散完后，三極管脫離飽和，集電結(jié)開(kāi)始由正向偏置轉(zhuǎn)向反向偏置，在反向驅(qū)動(dòng)電流–U/Rb繼續(xù)驅(qū)動(dòng)下，基區(qū)存儲(chǔ)電荷開(kāi)始消散，電子濃度梯度下降。從而使集電極電流ic隨之減小，并最后降至0。因此，下降時(shí)間tf就是三極管從飽和經(jīng)過(guò)放大區(qū)轉(zhuǎn)到截止區(qū)的時(shí)間。

(3)提高三極管開(kāi)關(guān)速度的途徑提高三極管的開(kāi)關(guān)速度，可以選擇內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同的高頻管外，在設(shè)計(jì)外電路時(shí)可以設(shè)法減小ton和toff，最有效的方法是采用如圖所示的加速電容方法來(lái)提高三極管的開(kāi)關(guān)特性。

Ucc

Cj

Rc

uoui

T

Rb3.二極管、三極管組成的基本邏輯門(mén)電路(1)二極管“與”門(mén)和“或”門(mén)電路+Ucc(5V)

R

IR

DA

AF

DB

B

DC

C&AB

FCA

DAB

DB

FC

ADCF

R

IR

B

C≥1(2)三極管“非”門(mén)電路與復(fù)合門(mén)電路

Ucc

Rc

FA

T

A

F

Rb1+Ucc(5V)

R1

Rc

F

D1

D4D5

AA

D2

bTBFB

P

D3

R2

CC&第二節(jié)TTL”與非“門(mén)TTL門(mén)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、工作速度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，它的生產(chǎn)歷史最長(zhǎng)、品種繁多，所以它被廣泛應(yīng)用的數(shù)字電路之一。+Ucc(5V)

R2750Ω

R5100Ω

R13kΩ

T3

T4

R43kΩ

F

A

T2

B

T1CT5

R3360Ω

輸入級(jí)倒相放大器輸出級(jí)

b1ABC

b1eA

eB

eC1.電路結(jié)構(gòu)下面分析TTL門(mén)電路。在分析時(shí)我們假定三極管深飽和輸出電壓為0.1V，三極管結(jié)壓降為0.7V；輸入高電平為3.6V，輸入低電平為0.3V，然后估算電路各點(diǎn)的電位。2.傳輸特性關(guān)門(mén)電平uoff，當(dāng)ui<uoff輸出為高電平。開(kāi)門(mén)電平uon，當(dāng)ui>uon輸出為低電平。噪聲容限：低電平噪聲容限：UNL=Uoff-UIL高電平噪聲容限：UNH=UIH-Uonuo(V)

AB3.62.7

C

UNL

UNH

D

E

Uoff

UT

Uon

ui(V)

0.35

0.81.41.82.7

0~0.6V0.6~1.3V3.主要參數(shù)①輸出高電平。輸出端空載時(shí)的輸出電平。典型值3.5V，標(biāo)準(zhǔn)電平2.4V②輸出低電平。輸入全高時(shí)輸出電平。標(biāo)準(zhǔn)值為0.4V③輸入端短路電流。一端接地，其余端開(kāi)路，流過(guò)這個(gè)輸入端電流，主要是衡量對(duì)前級(jí)負(fù)載電流④扇出系數(shù)。輸出端最多可與幾個(gè)同類門(mén)連接。⑤開(kāi)門(mén)電平。使與非門(mén)開(kāi)通時(shí)的最小輸入電平⑥關(guān)門(mén)電平。使與非門(mén)關(guān)斷所需的最大輸入電平。⑦平均延遲時(shí)間。4.TTL門(mén)電路改進(jìn)①淺飽和TTL電路+Ucc(5V)

R2750Ω

R5100Ω

R13kΩ

T3

T4

R43kΩ

F

A

T2

B

T1CT5

R3360ΩR3

R6

T6②肖特基TTL電路肖特基二極管的特點(diǎn)是：正向電壓降小，導(dǎo)電機(jī)制是多數(shù)載流子，幾乎沒(méi)有電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，開(kāi)關(guān)速度比一般PN結(jié)二極管高一萬(wàn)倍

c

cb

b

e

e+Ucc(5V)

R2750Ω

R5100Ω

R13kΩ

T3

T4

R43kΩ

F

A

T2

B

T1CT5

R3360Ω5.集電極開(kāi)路TTL門(mén)（OC門(mén)）直接將邏輯門(mén)輸出連接起來(lái)，有時(shí)候可以電路大大簡(jiǎn)化。但直接將門(mén)電路連接起來(lái)會(huì)產(chǎn)生很大電流。+Ucc

+Ucc門(mén)1輸出高電平門(mén)2輸出低電平

R5

R5

T3

T3

T4

T4

R4

R4

T5

T5OC門(mén)就是用RL換與非門(mén)中的T3、T4即可。+Ucc(5V)+Ucc

R2

RLR1

F

T2

T1T5

R3

6.三態(tài)TTL門(mén)電路（TSL門(mén)）三態(tài)是指輸出除高電平和低電平外，還有高阻輸出狀態(tài)。+Ucc(5V)

R2

R5

R1

UC2

T3

T4

F

A

T2

B

T1E

T5

D

R3

R4三態(tài)門(mén)真值表使能端數(shù)據(jù)輸入端輸出端EA

BF10001101111100xx高阻第四節(jié)正邏輯與負(fù)邏輯1.正、負(fù)邏輯的