第3章-集成邏輯門(mén)課件

第三章集成邏輯門(mén)

本章主要介紹以下內(nèi)容：晶體管的開(kāi)關(guān)特性

TTL集成邏輯門(mén)

CMOS電路對(duì)發(fā)射極耦合邏輯（ECL）和MOS邏輯門(mén)電路作一般性介紹。第一節(jié)晶體管開(kāi)關(guān)特性

數(shù)字電路的基本細(xì)胞是晶體管，數(shù)字電路是由千千萬(wàn)萬(wàn)個(gè)晶體管組成的。數(shù)字電路的工作特性實(shí)際上取決于晶體管的特性。在數(shù)字電路中晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，本章將簡(jiǎn)要介紹晶體管的開(kāi)關(guān)特性，并介紹二極管限幅器、鉗位器，三極管反相器。一、PN結(jié)特性

（一）、PN結(jié)的構(gòu)成半導(dǎo)體材料經(jīng)不同摻雜過(guò)程，可使其內(nèi)部的電子和空穴的濃度各不相同。濃度大的稱(chēng)為多數(shù)載流子，濃度小的稱(chēng)為少數(shù)載流子。多子為電子的是N型材料；多子為空穴的是P型材料。晶體二極管和三極管由P型和N型半導(dǎo)體材料復(fù)合而成，P型和N型半導(dǎo)體材料貼在一起，其接合部稱(chēng)為結(jié)。二極管有一個(gè)結(jié)，三極管有兩個(gè)結(jié)。

（二）、擴(kuò)散電流和漂移電流擴(kuò)散電流：由于PN結(jié)兩邊載流子的濃度差別，載流子會(huì)從濃度高的一方向濃度低的一方運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，它產(chǎn)生擴(kuò)散電流。漂移電流：由于電位差的存在，載流子在電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為漂移運(yùn)動(dòng)，它產(chǎn)生漂移電流。電位差來(lái)自外加電壓和電荷積累構(gòu)成的內(nèi)電場(chǎng)。流過(guò)PN結(jié)的總電流

=擴(kuò)散電流+漂移電流（三）、外加電壓對(duì)PN結(jié)的影響

PN結(jié)的通斷，流過(guò)PN結(jié)的電流大小，與PN結(jié)處的少子濃度有關(guān)，而少子濃度直接受PN結(jié)外加電壓的影響，

因此我們分析一下外加電壓的幾種情況：

無(wú)外加電壓：濃度造成的擴(kuò)散和內(nèi)電場(chǎng)造成的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，PN結(jié)面的凈電荷為零，PN結(jié)沒(méi)有電流流過(guò)。

外加正向電壓：外加電場(chǎng)克服內(nèi)電場(chǎng)，其形成的少子運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)一致，PN結(jié)處少子濃度加大，有較大電流流過(guò)PN結(jié)。

外加反向電壓：加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)，抑制了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，PN結(jié)處少子濃度很低，只有很小的反向電流。

三種情況下的少子濃度分布圖見(jiàn)書(shū)。

這可用中俄邊貿(mào)的情況作個(gè)比喻。（四）、PN結(jié)的電容效應(yīng)

PN復(fù)合結(jié)構(gòu)可細(xì)分為兩部分，接合部附近稱(chēng)為結(jié)，也叫空間電荷區(qū)。結(jié)兩邊的區(qū)域稱(chēng)為擴(kuò)散區(qū)。在上述兩區(qū)域內(nèi)，離子電荷、載流子濃度隨外加電壓的變化而變化，是影響PN結(jié)電流電壓特性的根本原因。這兩個(gè)區(qū)域的變化過(guò)程類(lèi)似于電容的充放電過(guò)程。空間電荷區(qū)等效為位壘電容，擴(kuò)散區(qū)等效為擴(kuò)散電容。了解PN結(jié)內(nèi)部的變化過(guò)程，對(duì)理解二極管的開(kāi)關(guān)特性具有重要意義。二、晶體二極管的開(kāi)關(guān)特性

二極管（就是一個(gè)PN結(jié)）具有單向?qū)щ娦?，理想二極管如同一個(gè)開(kāi)關(guān)。但實(shí)際二極管與理想的二極管還是有一些區(qū)別的，特別是在高頻電路中，必須加以注意。（一）、二極管穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)特性

i=Is(eqv/(kT)-1)v=0時(shí)

I=0；v為負(fù)時(shí)，I=-Isv為正時(shí)，I=Iseqv/(kT)

理想/實(shí)際二極管：導(dǎo)通：端電壓=0/VD截止：I=0/-IS（二）、瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性二極管瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性的細(xì)節(jié)，同學(xué)們自己再看一看，主要問(wèn)題是：反向恢復(fù)時(shí)間是影響二極管開(kāi)關(guān)特性的主要因素、正向恢復(fù)時(shí)間往往可以忽略。出現(xiàn)反向恢復(fù)時(shí)間的原因是電荷存儲(chǔ)效應(yīng)（外加正向電壓時(shí)，非平衡少子的積累）。

反向恢復(fù)時(shí)間與哪些因素有關(guān)？

trtstf的定義？（三）、晶體二極管開(kāi)關(guān)參數(shù)

自己看書(shū)，應(yīng)知道有哪些主要參數(shù)，它們的物理意義取值的大致范圍。比如：最大正向電流、最大反向電壓、反向電流和反向恢復(fù)時(shí)間等。

三、晶體二極管限幅器及鉗位器（一）、二極管限幅器（掐頭去尾）

利用二極管的單向?qū)ㄌ匦裕拗颇承┬盘?hào)的通過(guò)。1、串聯(lián)限幅電路

串聯(lián)限幅電路是指二極管處于與輸入、輸出首尾相連。

可以上限幅、下限幅和雙限幅。

串聯(lián)下限幅電路可調(diào)整限幅電平的下限幅電路串聯(lián)雙限幅電路

V2>V1

理想二極管2、并聯(lián)限幅電路

二極管處于與輸出、輸入相并的狀態(tài)。并聯(lián)下限幅電路限幅電平可調(diào)的并聯(lián)下限幅電路

雙限幅的另一個(gè)例子是輸入保護(hù)二極管限幅。并聯(lián)雙限幅電路上述限幅器都假定二極管為理想二極管，限幅電路

的實(shí)際輸出波形會(huì)差一些。比如：

二極管正向?qū)娮璨粸?，輸出電壓幅度會(huì)由于分壓而減小。

二極管反向截止電流不為

0，且有結(jié)電容輸出電壓會(huì)有殘留波形。輸出端容性負(fù)載或分布電容，對(duì)輸出波形的影響：

充電電阻小，放電電阻大

對(duì)后沿影響較大。

（二）、二極管鉗位器（挪上搬下）

鉗位器的作用是將輸入波形的頂部或底部搬移到某

一電平處，不剪裁波形。四、晶體三極管開(kāi)關(guān)特性

在數(shù)字電路中，三極管是作為開(kāi)關(guān)使用的。三極管

截止相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；三極管飽和相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合；因此我們最關(guān)心三極管截止和飽和時(shí)的情況。

（一）、穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)特性

理想穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)特性：關(guān)態(tài)：輸入低電平，三極管截止，C、E極間無(wú)電流。

IC等于0，輸出為VCC。開(kāi)態(tài)：輸入高電平，三極管導(dǎo)通，C、E極電壓為零。

IC等于VCC/RC，輸出為0V。

實(shí)際穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)特性：關(guān)態(tài)：基極接負(fù)電壓，集電結(jié)、發(fā)射結(jié)均反偏，IC=ICBO

輸出約等于VCC。C、E之間無(wú)導(dǎo)通電流。晶體三極管工作于截止區(qū)的說(shuō)明見(jiàn)下圖

發(fā)射極開(kāi)路

IE=0基極開(kāi)路

基極加反壓

-VBO

開(kāi)關(guān)理想斷開(kāi)C、E之間有穿透可使IE=0，臨界截止

但不實(shí)用，此時(shí)

電流

ICEO不可靠，使負(fù)壓負(fù)于

IB=-ICBO發(fā)射結(jié)正偏

VBO-VBO才可靠實(shí)際穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)特性：開(kāi)態(tài)：希望VC（即輸出電壓VO）接近于0V，應(yīng)工作在飽和區(qū)，C、E結(jié)電壓最小。

在放大區(qū)時(shí)，IB增加，IC成倍增加，但隨著IC的增加VC逐漸下降，當(dāng)達(dá)到VC=VB

(硅管約0.7v）時(shí)，CE結(jié)零偏，稱(chēng)為臨界飽和此時(shí)IB叫臨界飽和基極電流IBS，此時(shí)IC叫臨界飽和集電極電流ICS。

達(dá)到臨界飽和之后，IB再增加IC也增加不多了，進(jìn)入飽和區(qū)，隨著IB增加，飽和深度增加，VC有所降低，最低約0.3v(硅管)。

總之，晶體三極管的穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)特性要求：

1、關(guān)態(tài)應(yīng)可靠截止，條件是：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均反偏

VBVE，VBVC

通常在基極接負(fù)電壓。

2、開(kāi)態(tài)應(yīng)可靠飽和，條件是：發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均正偏

VB>VE，VB>VCVCC—VCE（SAT臨）ICS

使IB

>IBS

=————————————=——

RC

上述公式是今后我們判斷飽和與放大的依據(jù)。

判斷工作狀態(tài)的例題見(jiàn)書(shū)，自學(xué)?。ǘ?、瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性

當(dāng)晶體三極管發(fā)生由截止到飽和，或由飽和到截止

的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)，其工作特性稱(chēng)為瞬態(tài)特性。

瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性也分理想特性和實(shí)際特性，由于三極管也是PN結(jié)結(jié)構(gòu)，存在電荷的積累和消散的過(guò)程，仍可等效為位壘電容和擴(kuò)散電容，所以狀態(tài)轉(zhuǎn)換不可能瞬間完

成，要有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程。如下圖所示，在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，存在著位壘電容充電、擴(kuò)散電容充電、擴(kuò)散電容放電和位壘電容放電幾種過(guò)程。也定義了開(kāi)通時(shí)間（延遲+上升）、關(guān)斷時(shí)間（存儲(chǔ)+下降）幾個(gè)參數(shù)，請(qǐng)看：由上圖可知：與理想瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性相比，實(shí)際電路的輸出波形會(huì)發(fā)生畸變，邊沿變差。作為定量分析，將波形的畸變細(xì)分為：

對(duì)上升沿：三極管從截止到導(dǎo)通，稱(chēng)為開(kāi)通時(shí)間TON它包括：TON=TD+TR

延遲時(shí)間TD，主要對(duì)應(yīng)位壘電容的充電過(guò)程。上升時(shí)間TR，主要對(duì)應(yīng)擴(kuò)散電容的充電過(guò)程。

對(duì)下降沿：三極管從導(dǎo)通到截止，稱(chēng)為關(guān)斷時(shí)間TOFF它包括：TOFF=TS+TF

存儲(chǔ)時(shí)間TS，主要對(duì)應(yīng)擴(kuò)散電容的放電過(guò)程。下降時(shí)間TF，主要對(duì)應(yīng)位壘電容的放電過(guò)程。由于不同三極管的開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間不盡相同，為便于綜合性的對(duì)比，常用平均延遲時(shí)間Tpd

來(lái)表示：

影響瞬態(tài)特性的內(nèi)部和外部因素有哪些？（三）、晶體三極管的開(kāi)關(guān)參數(shù)

由書(shū)第118頁(yè)的參數(shù)表可見(jiàn)，開(kāi)關(guān)參數(shù)分為穩(wěn)態(tài)參數(shù)和瞬態(tài)參數(shù)：穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)參數(shù)：（飽和結(jié)壓降、反向漏電流）

ICBO、ICEO、VCE（SAT）和VBE（SAT）瞬態(tài)開(kāi)關(guān)參數(shù)：（延遲時(shí)間）

ton和

toff五、晶體三極管反相器

顧名思義，反相器的作用是將輸入信號(hào)極性求反，高電平變低電平，低電平變高電平。

（一）、工作原理

根據(jù)反相的要求：當(dāng)輸入電壓VI為低電平VL時(shí)，輸出VO應(yīng)為高電平VH；此時(shí)三極管應(yīng)可靠截止。當(dāng)輸入電壓為高電平時(shí)，輸出應(yīng)為低電平，此時(shí)三極管應(yīng)可靠飽和。

如何才能“可靠”呢？要合理地選擇元件參數(shù)。1、可靠截止使B、E之間相當(dāng)于開(kāi)路。

由等效電路，基極電壓VBE為

R1VBE=VL—————（VL+VBB）

R1+R2為可靠截止，VBE應(yīng)小于等于0，故應(yīng)滿(mǎn)足關(guān)系式：

R1VL—————（VL+VBB）0R1+R2可見(jiàn)VBB、R1加大，R2減小對(duì)截止有利。

2、可靠飽和使C、E間為飽和壓降由等效圖

IB=I1-I2

VH—VBE（SAT）

I1=——————————R1VBE（SAT）—VBBI2=——————————R2

VCC—VCE（SAT）

IBS=——————————

RC應(yīng)使IBIBS，我們定義飽和

IB系數(shù)S=——S大，飽和深減小R1，增大R2，IBIBS

對(duì)飽和有利。將上述表達(dá)式代入IB=SIBS但對(duì)截止不利，兩者矛盾。由反相器可靠截止、飽和的關(guān)系式，我們就可以設(shè)計(jì)

反相器基本電路了。

由于可靠飽和、可靠截止對(duì)R1、R2的要求相反，所

以選擇R1、R2時(shí)應(yīng)兼顧兩方面的要求。

書(shū)中舉例說(shuō)明選定元件的方法，自己看一看。計(jì)算元件參數(shù)的題目，無(wú)外是給定一部分參數(shù)，利用上述關(guān)系式計(jì)算其他參數(shù)，應(yīng)理解了公式的推導(dǎo)過(guò)程，不要死記硬背。

在保證電路穩(wěn)態(tài)參數(shù)（可靠截止、飽和）的同時(shí)，應(yīng)注意到：深度的飽和和截止，會(huì)對(duì)反相器的瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性產(chǎn)生不利的影響，使開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間加長(zhǎng)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)全面考慮。（二）、提高開(kāi)關(guān)速度的兩種方法

由于晶體三極管有位壘電容和擴(kuò)散電容，在加上外部電的分布電容、負(fù)載電容，所以輸出波形失真，時(shí)間延

遲，為提高反相器的開(kāi)關(guān)速度，可采用以下兩種方法：

1、基極加速電容法

對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，加大瞬間電壓幅度，縮短時(shí)間。

2、鉗位二極管法

對(duì)輸出信號(hào)加以處理，利用電容充電的起始部分比較陡峭的特點(diǎn)，改善輸出信號(hào)的上升沿。輸出波形上升時(shí)間的對(duì)比

由圖可知：Vc1應(yīng)為所需要的幅值不采用鉗位二極管時(shí)，最終電壓為任何值，上升時(shí)間都是相同的。

Tr=o.23RcC0采用鉗位二極管時(shí)，需用高低兩組電源，高拉低走，能夠達(dá)到改善輸出波形的目的。

VccTr=RcC0ln---------------Vcc-Vc1（三）、反相器的帶負(fù)載能力

負(fù)載能力是指當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，輸出電路能夠保證其輸出指標(biāo)不變的能力。先說(shuō)明幾個(gè)概念：

灌電流：流入反相器的負(fù)載電流，叫灌電流

Ioi。

產(chǎn)生灌電流的負(fù)載叫灌流負(fù)載。

拉電流：流出反相器的負(fù)載電流，叫拉電流Iop。

產(chǎn)生拉電流的負(fù)載叫拉流負(fù)載。負(fù)載能力可用保證反相器正常工作條件下的最大灌流IoIM和最大拉流IopM表示。

1、帶灌流負(fù)載的能力

(1)三極管飽和時(shí)的灌流負(fù)載

Ic=IRC+IOI

灌電流加大，IC加大，飽和深度減小，過(guò)大則退出飽和。因此應(yīng)滿(mǎn)足：

IC=IRC+IOI

IB

即

IOIMIB—VCC/RC

進(jìn)一步推論：

三極管飽和程度越深，IOI

加大使IC加大后，退出飽和的可能性越小，負(fù)載能力越強(qiáng)。

另外，還要滿(mǎn)足IC=IRC+IOIM

ICM

以免損壞三極管。ICM為集電極最大額定電流。

（2）三極管截止時(shí)的灌流負(fù)載灌電流全部流入鉗位二極管，只要不超過(guò)二極管的允許的最大值即可，通常負(fù)載能力很強(qiáng)。

2、帶拉流負(fù)載的能力

（1）三極管飽和時(shí)拉流負(fù)載

IOP=IRC-ICIRC不變，

IOP越大，IC越小，有利于飽和，負(fù)載能力強(qiáng)。

IOPM

VCC/RC（2）三極管截止時(shí)拉流負(fù)載

IRC=IDC1+IOPIRC一定，IOP越大，IDC1越小，應(yīng)保證鉗位二極管的正向?qū)娏?，使其起到鉗位作用。其中：

VCC-VC1IRC=——————RC

總之

VCC-VC1IOPM—————

RC

第二節(jié)邏輯門(mén)電路

基本的邏輯關(guān)系是與或非，一個(gè)復(fù)雜的邏輯函數(shù)是

由這些基本關(guān)系組合而成的。

基本的邏輯門(mén)是與或非門(mén)，一個(gè)復(fù)雜的邏輯電路是

由這些基本邏輯門(mén)連接成的。

門(mén)電路是邏輯關(guān)系的基本硬件單元。按制作工藝的

不同，可分為雙極型邏輯門(mén)和MOS型邏輯門(mén)。

本章主要介紹兩種工藝的代表類(lèi)型：TTL集成邏輯

門(mén)和CMOS邏輯門(mén)。

一、分立元件門(mén)電路

（一）、二極管門(mén)電路

首先看由二極管構(gòu)成的“與門(mén)”和“或門(mén)”：這種門(mén)電路串聯(lián)使用時(shí)，高低電平會(huì)逐步提高。是一大缺點(diǎn)。下圖是二極管或門(mén)，它的缺點(diǎn)是串聯(lián)使用時(shí)，高低電平將逐步降低。從邏輯功能上，二極管實(shí)現(xiàn)“與門(mén)”、“或門(mén)”是沒(méi)有問(wèn)題的。但都有一個(gè)問(wèn)題，不利于串聯(lián)使用。

書(shū)中講了一下正負(fù)邏輯問(wèn)題，其結(jié)論是：如果我們對(duì)同一邏輯問(wèn)題，采用完全相反的兩種定義方式，一種叫正邏輯，另一種叫負(fù)邏輯，則正邏輯的與等于負(fù)邏輯的或，正邏輯的或等于負(fù)邏輯的與。

例如：通常我們將高電平定義為1，低電平定義為0，此為正邏輯。如果將高電平定義為0

，低電平定義為1，則稱(chēng)為負(fù)邏輯。

有一實(shí)際邏輯電路，其特點(diǎn)是輸入有低電平時(shí)，輸出為低電平?？擅枋鰹椋?/p>

對(duì)正邏輯來(lái)說(shuō)，輸入有低0，則輸出為低0。（與關(guān)系）對(duì)負(fù)邏輯來(lái)說(shuō)，輸入有低1，則輸出為低1。（或關(guān)系）

（二）、三極管門(mén)電路

下圖就是前面講過(guò)的具有基極加速電容和鉗位二極管

的三極管反相器電路，它就是一個(gè)“非門(mén)”。三極管反相器電路常常作為門(mén)電路的輸出級(jí)。下圖是將二極管與門(mén)和三極管反相器串聯(lián)，構(gòu)成“與非門(mén)”，由于是二極管（Diode）串聯(lián)三極管（Transistor）的結(jié)構(gòu)，

稱(chēng)為DTL電路。L=(Logic)

功能表、真值表見(jiàn)書(shū)P140DTL或非門(mén)二、TTL集成邏輯門(mén)

DTL電路的缺點(diǎn)是速度較慢，早已被晶體管—晶體

管邏輯TTL（Transistor-Transistor-Logic）電路所取代。

目前，我們使用的TTL門(mén)電路和中、小規(guī)模集成電路以74/54系列為主，包括做實(shí)驗(yàn)時(shí)所使用的芯片，都是這一系列產(chǎn)品。

74/54系列又根據(jù)功耗的大小，速度的快慢等分為幾個(gè)子系列，如74SXX、74LSXX、74ALSXX、74HXX和74FXX等等。

（一）、TTL門(mén)電路我們以TTL與非門(mén)電路為例，分析一下TTL電路的特點(diǎn)，特別是輸出級(jí)的結(jié)構(gòu)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)TTL門(mén)電路的輸出級(jí)都是這種結(jié)構(gòu)。

5vABC任一

1v2.1v1v為0.3v0.4v1.4v

3.6v0.7v0.3v0v

ABC均

3.6v1、與非門(mén)內(nèi)部電路和原理2、推拉輸出電路和多發(fā)射極輸入

推拉輸出電路：

推拉輸出因T3和T4你通我止，你止我通而得名。它也叫圖騰柱（Totempole）輸出，有源上拉電路（Activepull-up）。

本推拉輸出電路由T4、T3、D4及R4組成，它的特點(diǎn)是無(wú)論輸出電平是高是低，輸出阻抗始終較低，負(fù)載能力強(qiáng)。同時(shí)，電路轉(zhuǎn)換速度快。此電路相當(dāng)于反相器電路有一個(gè)阻值可變的集電極電阻RC，三極管飽和時(shí)變大，有利于加大飽和程度，降低輸出電壓；三極管截止時(shí)變小，有利于三極管退出飽和，降低高電平輸出阻抗。多發(fā)射極三極管

多發(fā)射極三極管作為“與”輸入代替二極管與門(mén)。有利于提高開(kāi)關(guān)速度：輸入端全為高電平時(shí)，T1處于倒置放大狀態(tài)，T2、T4飽和。當(dāng)輸入端有低電平出現(xiàn)時(shí)，T1變?yōu)檎７糯鬆顟B(tài)，會(huì)產(chǎn)生較大的集電極電流IC1，該電流就是T2的基極反向電流，使T2迅速退出飽和而截止。進(jìn)而使T3導(dǎo)通，相當(dāng)于T4的負(fù)載電阻減小，IC4瞬間加大，加速T4退出飽和。全過(guò)程：

IC1IB2T2截止VC2=VB3T3導(dǎo)通IC4T4截止

提高與非門(mén)的速度，主要是提高輸出管T4、T2從飽和到截止的轉(zhuǎn)換速度。（二）、TTL與非門(mén)的主要外部特性

1、電壓傳輸特性V0隨

Vi變化的規(guī)律

ab段：截止區(qū)

Vi<0.6vT1飽和，T2、

T4截止，T3、D4飽和。V0=VHbc段：線性區(qū)VI=0.6~1.3T4截止，其他導(dǎo)通，V0隨VI增加線性下降。

cd段：轉(zhuǎn)折區(qū)

VI>1.3v以后，T4

開(kāi)始導(dǎo)通，V0加速下降。

de段：飽和區(qū)

VI增大，T4飽和。TTL與非門(mén)的幾個(gè)主要參數(shù)

(1)輸出邏輯高電平VOH：截止區(qū)對(duì)應(yīng)的輸出電平。

輸出邏輯低電平VOL：飽和區(qū)對(duì)應(yīng)的輸出電平。

(2)額定邏輯高電平VSH=3v

額定邏輯低電平VSL=0.35V(3)開(kāi)門(mén)電平Von

在保證輸出為VSL的條件下，允許的輸入高電平的最小值。一般Von1.8v

關(guān)門(mén)電平Voff

在保證輸出為VSH的90%的條件下，允許的輸入低電平的最大值。

一般Voff0.8v

閾值電平Vth

轉(zhuǎn)折區(qū)中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入電壓

(3)噪聲容限

當(dāng)輸入低電平處于標(biāo)準(zhǔn)輸入低電平VIL和Voff之間時(shí)，輸出高電平可以得到保障，此區(qū)間稱(chēng)為低電平噪聲容限:

VNL=Voff-VIL

當(dāng)輸入高電平處于Von和標(biāo)準(zhǔn)輸入高電平VIH之間時(shí)，輸出低電平可以得到保障，此區(qū)間稱(chēng)為高電平噪聲容限。

VNH=VIH-Von

由表達(dá)式可見(jiàn)，Voff越大，Von越?。ɑ騼烧咴浇咏┰肼暼菹拊酱?，抗干擾能力越強(qiáng)。

2、TTL與非門(mén)輸入特性

輸入電壓與輸入電流的關(guān)系

VI=0時(shí)，Ii=IIS,稱(chēng)為輸入短路電流。與非門(mén)的IIS

是前級(jí)的負(fù)載灌電流，約1.6mA

AB段：T4截止，T1飽和，T2先截止后導(dǎo)通，Ii較大，略有減小。

BC段：T4開(kāi)始導(dǎo)通，T1

倒置放大態(tài)，電流反向且減小。

輸入端直接接地，是輸入恒為低電平的情況。得到

輸入短路電流。

有時(shí)將輸入端下拉一個(gè)電阻RI接地，一般作為缺省

低電平。要注意RI的取值，只有RI在小于某一阻值時(shí)，才能保證輸入低電平小于Voff。

如果RI值大于某一數(shù)值，即使接地，也不能保證輸出高電平的幅度。

輸入下拉電阻取值分析電路圖如下，推導(dǎo)自己看看。

RI越大，P點(diǎn)向右方移動(dòng)

Ii減小，VI加大，不能大于關(guān)門(mén)電平。RI對(duì)T4飽和的影響

IB1一定，Ii大，則IB2小

2.1vV001.4vIi=1.4v/RiRi不能太小

多余輸入端的接法：為避免串入干擾，不用的輸入不應(yīng)懸空。

接為無(wú)效電平或并聯(lián)使用。3、TTL與非門(mén)的輸出特性

灌電流越大，飽和拉電流越大，飽程度越輕，輸出V0

和加深，V0下降

加大。4、平均延遲時(shí)間tpd

第三章已講過(guò)了，是一個(gè)綜合速度參數(shù)。

5、空載功耗P=VCC

IE

與非門(mén)不接負(fù)載時(shí)，電源電壓與電源總電流的乘積稱(chēng)為空載功耗。分兩種情況：

空載導(dǎo)通功耗PL：輸出低電平，T4飽和（T1倒置，T2導(dǎo)通，T3、D4截止），計(jì)算見(jiàn)書(shū)P155，約為16mw。

空載截止功耗PH：輸出高電平，T4截止（T1飽和，T2截止，T3、D4導(dǎo)通），計(jì)算見(jiàn)書(shū)P155，約為5mw。

平均功耗P=（PL+PH）/2

約為10mw。

TTL與非門(mén)穩(wěn)定在開(kāi)態(tài)或關(guān)態(tài)時(shí)，截止時(shí)總電流較小而飽和時(shí)總電流較大，因?yàn)榻刂箷r(shí)T2、T4無(wú)電流。值得注意的是，在開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的瞬間，由于所有管子都處于導(dǎo)通狀態(tài)，瞬間總電流很大，約32mA。

因此：考慮極限電流時(shí)，不能只計(jì)算穩(wěn)態(tài)電流。工作頻率高，轉(zhuǎn)換次數(shù)多，瞬時(shí)功耗大，散熱問(wèn)題。6、其他參數(shù)

（1）輸入漏電流（高電平輸入電流）IIH

（a）所有輸入端均接高

T1倒置放大，IIH=i

IB1

其中

i

為倒置放大倍數(shù)，很小，約0.05，所以IIH很小。（IIH指流過(guò)接高輸入端的電流）

(b)

輸入端有高有低因有高電平輸入，仍可與基極，集電極構(gòu)成倒置放大，所以倒置放大電流仍存在i

IB1

。

另外，高電平輸入端（作為集電極）、基極和低電平輸入端（作為發(fā)射極）構(gòu)成寄生晶體管，放大倍數(shù)為j,j值也很小?？傊琁IH=（I+j）IB1

約50輸入漏電流示意圖總之，輸入漏電流是前級(jí)門(mén)電路的拉流負(fù)載，漏電

流太大，會(huì)使前級(jí)輸出高電平幅度下降。

(2)扇入、扇出系數(shù)

扇入指輸入端的個(gè)數(shù)。扇出是指一個(gè)輸出端，在保證輸出低電平VOL不大于0.35v的條件下，能驅(qū)動(dòng)同類(lèi)門(mén)的最多個(gè)數(shù)。用N0表示。

IOMAXIOMAX為VOL0.35V的最大灌流

N0=————IISIIS為輸入短路電流通常NO

8（三）、TTL或非門(mén)、異或門(mén)、OC門(mén)和三態(tài)門(mén)

1、TTL或非門(mén)2、TTL異或門(mén)

P

X

WY=W

W=P+XP=AB

Y=AB+AB

X=AB

3、集電極開(kāi)路的TTL與非門(mén)（OC門(mén)）

線與：如果電路的兩個(gè)輸出端可以直接連在一起使用完成邏輯與的功能，叫線與。例如：

注意：并不是所有的輸出端都可以實(shí)現(xiàn)線與如圖騰輸出的門(mén)電路，如果輸出線與，有可能因存在低阻回路而損壞電路。為使TTL門(mén)也能線與，直接將T4的集電極引出，即集電極開(kāi)路（OC），

去掉T3、D4，由外電路提供RC電阻。

OC門(mén)電路可以實(shí)現(xiàn)線與，高電壓、大電流的驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)，但失去了推拉輸出速度快的優(yōu)點(diǎn)。

OC門(mén)的并聯(lián)（線與）使用舉例

RC的取值要考慮輸出高電平時(shí)，內(nèi)阻不要太大，還要考慮輸出低電平能否足夠低（飽和深度）使用OC門(mén)時(shí)，別忘了外加拉高電阻RC。那是你要做的事！

4、三態(tài)輸出門(mén)

三態(tài)：電路輸出端可以處于三種狀態(tài)：高電平、低電平和懸空態(tài)。

推拉輸出的特點(diǎn)是T3、T4輪流導(dǎo)通，如果我們使T3、

T4全都截止，則輸出端處于懸空態(tài)，也稱(chēng)高阻態(tài)。

EN為高，一切如常，

EN為低，T3，T4全斷

Y如風(fēng)箏斷線。

（四）、其他系列TTL門(mén)電路

除前面分析的74XX標(biāo)準(zhǔn)系列外，TTL門(mén)電路還有其他

幾個(gè)系列，主要區(qū)別在于功耗的大小，速度的快慢。

功耗和速度指標(biāo)是相互制約的，通常用功耗--延遲積

（pd積，越小越好）來(lái)綜合評(píng)價(jià)門(mén)電路的性能。

為提高速度，常用的改善方法是：減小電阻值，以減小時(shí)間常數(shù)采用達(dá)林頓管代替T3、D4，降低輸出電阻，加大電流。輸出管的基極采用有源泄放回路。采用抗飽和二極管、三極管降低飽和程度。其他方法

74LSXX系列是最常用的、pd積較小的一種TTL門(mén)電路，性能價(jià)格也比較高。74HXX系列與非門(mén)電路74SXX系列與非門(mén)電路74LSXX系列與非門(mén)電路三、發(fā)射極耦合邏輯（ECL）門(mén)

了解基本原理

主要特點(diǎn)：ECL門(mén)的優(yōu)點(diǎn)是速度快，因?yàn)樗挥蔑柡蛻B(tài)。另一優(yōu)點(diǎn)是工作電流平穩(wěn)，沒(méi)有動(dòng)態(tài)尖峰。ECL門(mén)的缺點(diǎn)是高、低電平太接近（約0.8V）抗干擾能力差。另一個(gè)缺點(diǎn)是功耗較大。附：集成注入邏輯（I2L）

也叫合并型晶體管邏輯（MTL），其優(yōu)點(diǎn)是以恒流源供電的非門(mén)為基本單元，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成度高、功耗較低，延遲小，速度快。缺點(diǎn)是高低電平擺幅較小，約0.6V，抗干擾能力差。

四、MOS邏輯門(mén)

MOS型電路是另一種常用電路，MOS意為金屬—氧

化物半導(dǎo)體（Metal-OxideSemiconductor）

（一）、MOS晶體管晶體三極管有：E發(fā)射極B基極

C集電極

機(jī)理是：基極電流IB

控制集電極電流IC。

結(jié)構(gòu)有：

NPN

PNP

MOS三極管有：S源極G柵極

D漏極機(jī)理是：柵極電壓VG控制漏極電流ID

結(jié)構(gòu)有：N溝道

P溝道

MOS管的標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)和簡(jiǎn)化符號(hào)都要會(huì)。

MOS管除分N溝道、P溝道外，還分增強(qiáng)型和耗盡型。

增強(qiáng)型柵壓為0無(wú)溝道，耗盡型柵壓為0也有溝道。

1、MOS管的基本結(jié)構(gòu)以N溝道增強(qiáng)型為例源、漏極結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，可以互換使用

P襯

P型襯底，N型溝道

2、N溝道增強(qiáng)型MOS管的工作特點(diǎn)為：柵極電壓VGS小于開(kāi)啟電壓VGS（th）時(shí)，無(wú)溝道形成，漏極電流ID為0。VDS愛(ài)多大多大?。ń刂箙^(qū)）柵極電壓VGS大于等于開(kāi)啟電壓VGS（th）時(shí)，溝道形成，有ID形成，分兩種情況：

a、VDS較大，大于VGS—VGS（th），ID隨VGS的增加而增加。VDS已使

ID

飽和，沒(méi)什么影響了。（飽和區(qū)）

b、VDS較小，小于VGS—VGS（th），ID隨VGS的增加也增加，但與VDS的大小密切相關(guān)?；蛘咭部梢赃@樣說(shuō)：對(duì)某一VGS，ID隨VDS線性增加，且VGS越大，斜率越大，等效電阻越小。

（非飽和區(qū)

or可調(diào)電阻區(qū)）用輸出特性曲線說(shuō)明三個(gè)區(qū)的情況：

3、轉(zhuǎn)移特性和跨導(dǎo)gm

VGS和IDS的關(guān)系通常用跨導(dǎo)表示：

IDSgm=————VGSVDS=常數(shù)它代表VGS對(duì)IDS的控制能力。gm與溝道寬度和長(zhǎng)度有關(guān)。溝道寬度越寬、長(zhǎng)度越短，gm越大，控制能力越強(qiáng)。4、MOS管的輸入電阻和輸入電容

MOS管的輸入阻抗指柵極到源極（或漏極）的電阻，由于有SiO2絕緣層的阻隔，電阻極大，通常在1012歐姆以上。作為靜態(tài)負(fù)載對(duì)前級(jí)幾乎沒(méi)有什么影響。

MOS管的柵極、源極之間有很小的寄生電容，稱(chēng)為輸入電容，雖然很?。◣譖或更小），但由于輸入阻抗極高，漏電流很小，所以可用來(lái)暫時(shí)存儲(chǔ)信息（如動(dòng)態(tài)RAM）。

另外，由于輸入阻抗極高，很少的電量便可能感應(yīng)出很強(qiáng)的電場(chǎng)，造成氧化層擊穿，所以沒(méi)有良好保護(hù)的MOS器件比較容易因靜電而損壞。5、直流導(dǎo)通電阻RON

直流導(dǎo)通電阻是指MOS管導(dǎo)通時(shí)，漏源電壓和漏源電流的比值：

RON=VDS/IDS

（二）、MOS反相器

MOS反相器有四種形式，我們只簡(jiǎn)單講一下E/E型，在下一節(jié)重點(diǎn)講CMOS反相器。

E/EMOS反相器有兩個(gè)增強(qiáng)型MOS管組成，一個(gè)作為輸入管，一個(gè)作為負(fù)載管，兩個(gè)管子的特性（如跨導(dǎo)）完全不同。由N溝道管構(gòu)成的反相器叫NMOS反相器。見(jiàn)圖：

TL是負(fù)載管，柵極接漏極，同為VDD，該管恒導(dǎo)通，且處于飽和區(qū)，因?yàn)椋?/p>

VGS—VGS（th）〈VDS

當(dāng)輸入VI

為低電平時(shí)，因小于開(kāi)啟電壓，T0不導(dǎo)通，則

V0=VDD—VGS（th）

高

當(dāng)輸入VI為高電平時(shí)，T0

也導(dǎo)通，輸出與兩管跨導(dǎo)比有關(guān)：

gmL

V0=———（VDD—VGS（th））

2gmo

=0

因?yàn)間mogmL

E/EMOS反相器的特點(diǎn)：?jiǎn)我浑娫?，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。TL始終飽和，速度慢，功耗大。高電平不為VDD，有所損失。輸出高低電平，取決于兩管跨導(dǎo)之比。負(fù)載管跨導(dǎo)小，電阻大，影響工作速度。

CMOS反相器與之相比，更有優(yōu)越性。

五、CMOS電路

（一）、CMOS反相器工作原理

CMOS電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：一個(gè)N溝道管和一個(gè)P溝道管配對(duì)使用，即N、P互補(bǔ)（Comp-lementary）。

P管作負(fù)載管，N管作輸入管，兩管柵極接在一起。

注意：P溝的開(kāi)啟電壓是負(fù)值

柵極電壓要低于源極。兩管導(dǎo)通時(shí)的電阻較小為RON

兩管截止時(shí)的電阻很大為ROFF

當(dāng)輸入電壓VI為低電平時(shí)，VI=0P管導(dǎo)通，N管截止，輸出電壓V0為：

ROFFV0=——————VDD

VDDROFF+RON

當(dāng)輸入電壓VI為高電平時(shí)，VI=VDDP管截止，N管導(dǎo)通，輸出電壓V0為：

RONV0=——————VDD

0VROFF+RON

與E/EMOS反相器相比，輸出高電平=VDD且總有一個(gè)管子是截止的（穩(wěn)態(tài)），工作電流極小，功耗極低。（二）、CMOS反相器的電壓、電流傳輸特性

電壓傳輸特性是指輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系。首先由CMOS反相器電路，我們先確定VI、VO與兩個(gè)管子極電壓之間的關(guān)系：

對(duì)N管VGSN=VIVDSN=VO

對(duì)P管VGSP=VI—VDDVDSP=VO—VDD

對(duì)N溝輸入管，我們關(guān)心VI在兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的情況：第一點(diǎn)截止或?qū)?/p>

標(biāo)志點(diǎn)在于

VGS(th)N

第二點(diǎn)飽和或非飽和標(biāo)志點(diǎn)在于：

VGSN—VGS(th)N=VDSN

由于VGSN=VI

所以可改寫(xiě)為：VI—VGS(th)N=VO

VDSN=VO

VI=VO+VGS(th)N因此，由上述兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，可將VI變化分為三個(gè)區(qū)間：

0VGS(th)N

VO+VGS(th)NVDD

同理，對(duì)P溝負(fù)載管，我們關(guān)心VI在兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的情況：第一點(diǎn)截止或?qū)?/p>

標(biāo)志點(diǎn)在于VDD+

VGS(th)P

第二點(diǎn)飽和或非飽和標(biāo)志點(diǎn)在于：

VGSP—VGS(th)P=VDSP由于VGSP=VI—VDDVDSP=VO—VDD可改寫(xiě)為：VI—VDD—VGS(th)P

=

VO—

VDD

VI=VO+VGS(th)P由上述兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，可將