1、1第二章第二章 邏輯門電路邏輯門電路2.1 數(shù)字集成電路的特點和分類數(shù)字集成電路的特點和分類 集成電路按內(nèi)部器件類型分類：集成電路按內(nèi)部器件類型分類：雙極型晶體管集成電路（TTL電路、TTL電平）（ECL電路、ECL電平）：工作速度高、驅(qū)動能力強，但功耗大、集成度低絕緣柵場效應管集成電路（NMOS、CMOS集成電路）（CMOS電平或TTL電平）。集成度高、功耗低、但工作速度略低。2集成電路按集成度分類：集成電路按集成度分類：小規(guī)模：每片組件內(nèi)包含有10100個元件（1020個等效門）（SSI）；中規(guī)模：每片組件內(nèi)包含有1001000個元件（20100個等效門）（MSI）；大規(guī)模：每片組件內(nèi)包含

2、有100010000個元件（1001000個等效門）（LSI）；超大規(guī)模：每片組件內(nèi)含有10000個以上的元件（或1000個等效門以上）（VLSI）。3常用的中、小規(guī)模集成電路組件：常用的中、小規(guī)模集成電路組件：集成門電路、集成觸發(fā)器、譯碼器、多路選擇器、加法器、算術(shù)邏輯單元、寄存器、計數(shù)器、移位寄存器等。常見的大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路組件常見的大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路組件：只讀存儲器、隨機存取寄存器、可編程邏輯器件、大規(guī)模的移位寄存器、微處理器、單片微處理機、位片式微處理器、高速乘法累加器。通用和專用的數(shù)字信號處理器等。4集成電路按照芯片的設(shè)計方法分類：集成電路按照芯片的設(shè)計方法分類： 通用

3、芯片，如大，中，小規(guī)模集成的各種市售功能確定的商品。優(yōu)點是價格低廉，缺點是受器件技術(shù)指標的限制，所實現(xiàn)的數(shù)字系統(tǒng)體積和功耗都較大。 可編程邏輯器件。如 PROM、EPROM、FPLA和PAL器件，它們的共同特點是可以由用戶對器件內(nèi)部的連線進行編程，使器件達到預期的邏輯功能。同通用的產(chǎn)品相比，使用更靈活，減少了系統(tǒng)的芯片數(shù)量和功耗。5 半制定集成電路。如門陣列、標準單元等構(gòu)成的集成電路。其器件的內(nèi)部連線是生產(chǎn)廠家針對用戶提出的要求專門進行設(shè)計和制作的，而其余工藝是通用的。當器件的需求較大時，采用半定制設(shè)計較前兩種方法更經(jīng)濟，性能也更好。 全定制集成電路。這種器件是針對用戶的技術(shù)要求由器件生產(chǎn)廠家

4、專門進行設(shè)計和制作的，其設(shè)計時間和費用都很高，只適用于生產(chǎn)批量很大的情況。62.2.1 晶體二極管的開關(guān)特性晶體二極管的開關(guān)特性 直流等效電路 二極管的伏安特性如下頁圖所示。在數(shù)字電路中二極管常常工作在開關(guān)狀態(tài)：截止，或?qū)ā６O管在導通時，伏安特性曲線的斜率很陡，硅管正向壓降在0.7V左右（鍺：0.2-0.3V)，這時硅二極管可以看成是一個0.7V恒壓源；在截止時，硅二極管反向電流很小，一般在1A以下，近似一個斷開的開關(guān)。 7 二極管的伏安特性二極管的伏安特性+iDvD-R0 D/V0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 405101520 10 20 30 40iD/ AiD/m

5、A死區(qū)死區(qū)VthVBR硅二極管硅二極管2CP102CP10的的V V- -I I 特性特性0 D/V0.2 0.4 0.6 20 40 605101520 10 20 30 40iD/ AiD/mAVthVBR鍺二極管鍺二極管2AP152AP15的的V V- -I I 特性特性二極管的伏安特性曲線可用下式表示。二極管的伏安特性曲線可用下式表示。硅二極管硅二極管2CP10的的V-I 特性；鍺二極管特性；鍺二極管2AP15的的V-I 特性。特性。8半導體二極管模型 1. 理想模型理想模型3. 折線模型折線模型 2. 恒壓降模型恒壓降模型92 . 半導體器件的開關(guān)特性半導體器件的開關(guān)特性 在數(shù)字電路

6、中，二極管、晶體管和場效應管一般是工作在在數(shù)字電路中，二極管、晶體管和場效應管一般是工作在開關(guān)狀態(tài)，其開關(guān)特性表現(xiàn)在導通（放大區(qū)或飽和區(qū)）與截開關(guān)狀態(tài)，其開關(guān)特性表現(xiàn)在導通（放大區(qū)或飽和區(qū)）與截止這兩種不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程。它表現(xiàn)在完成兩種狀態(tài)止這兩種不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程。它表現(xiàn)在完成兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要一定的時間之間的轉(zhuǎn)換需要一定的時間,決定了器件可以工作的決定了器件可以工作的最大速最大速度度。圖2.2.1 存儲電荷分布變化圖 當管子正向?qū)〞r，當管子正向?qū)〞r，PN結(jié)處結(jié)處于正偏狀態(tài)，多數(shù)載流子的擴于正偏狀態(tài)，多數(shù)載流子的擴散運動得到加強，散運動得到加強，P區(qū)中的多數(shù)區(qū)中的多數(shù)載流子

7、空穴和載流子空穴和N區(qū)中的多數(shù)載流區(qū)中的多數(shù)載流子電子不斷向?qū)Ψ絽^(qū)域擴散，子電子不斷向?qū)Ψ絽^(qū)域擴散，并在對方區(qū)域內(nèi)建立起一定的并在對方區(qū)域內(nèi)建立起一定的非平衡載流子濃度梯度分布。非平衡載流子濃度梯度分布。這種非平衡載流子的積累現(xiàn)象這種非平衡載流子的積累現(xiàn)象叫做叫做電荷存儲效應電荷存儲效應。10二極管的開關(guān)特性二極管的開關(guān)特性 右圖所示是典型的二極管開關(guān)電路及其右圖所示是典型的二極管開關(guān)電路及其工作波形。工作波形。當當VI=VF為正值時：為正值時：IF=(VF-VD)/RL與正向電流相對應的在與正向電流相對應的在PN結(jié)的擴散區(qū)有結(jié)的擴散區(qū)有一定濃度電荷分布，電流越大，存儲電一定濃度電荷分布，電流

8、越大，存儲電荷就越多。荷就越多。 當當VI=-VR為負值時：由于二極管結(jié)電容為負值時：由于二極管結(jié)電容的作用，在的作用，在ts時間內(nèi)有：時間內(nèi)有：-IR=-VR/RLts: 存儲時間，存儲時間，即為反向電流維持時間。即為反向電流維持時間。11 之后，反向電流不僅使存儲電荷繼續(xù)之后，反向電流不僅使存儲電荷繼續(xù)消失，而且使空間電荷區(qū)逐漸變寬，消失，而且使空間電荷區(qū)逐漸變寬，PN結(jié)由正偏開始轉(zhuǎn)為反偏，反向電流結(jié)由正偏開始轉(zhuǎn)為反偏，反向電流也基本上趨于也基本上趨于 （反向漏電流）。這（反向漏電流）。這段時間為段時間為下降時間下降時間tf 。 0I 二極管由導通轉(zhuǎn)為截止的二極管由導通轉(zhuǎn)為截止的反向恢反向

9、恢復時間復時間：fsRttt 和管子本身的特性有關(guān)。正向電和管子本身的特性有關(guān)。正向電流越大，存儲電荷越多，反向恢復時間流越大，存儲電荷越多，反向恢復時間越長；反向電壓越大，存儲電荷消失得越長；反向電壓越大，存儲電荷消失得越快，反向恢復時間越短。越快，反向恢復時間越短。 Rt12 二極管由反向截止轉(zhuǎn)為正向二極管由反向截止轉(zhuǎn)為正向?qū)ㄋ钑r間稱為導通所需時間稱為開通時間開通時間。由于正向壓降很小，電路中的由于正向壓降很小，電路中的正向電流主要由外電路參數(shù)決正向電流主要由外電路參數(shù)決定，幾乎與二極管無關(guān)。所以定，幾乎與二極管無關(guān)。所以二極管的開通時間比二極管的開通時間比 短得短得多多，可以忽略不計

10、。，可以忽略不計。 影響二極管開關(guān)速度的主要影響二極管開關(guān)速度的主要因素是反向恢復時間因素是反向恢復時間 。 RtRt133.二極管開關(guān)參數(shù)二極管開關(guān)參數(shù) 最大正向電流： 二極管正向電流的最大允許值。 正向電壓降：二極管工作在一定的正向電流下的正向電壓。硅管約為0.7V。 反向擊穿電壓：當管子的反向電流增加到100A時所對應的反向電壓值。 反向電流: 一般小于1A。溫度每升高10，反向電流增加一倍。 反向恢復時間: 在一定負載上,一定的反向電流條件下測定的反向恢復時間,一般為幾納秒。142.2.2晶體三極管的開關(guān)特性晶體三極管的開關(guān)特性三極管的三種工作狀態(tài)三極管的三種工作狀態(tài) 截止狀態(tài)截止狀態(tài)

11、: 發(fā)射結(jié)和集電極都處于反向偏置狀態(tài)，Ib=0, Ic=0, Vbe0，Ic=Ib，管子有電流放大能力。 飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)：發(fā)射結(jié)和集電極均正向偏置的導通狀態(tài)，IcIBS=ICS/飽和深度：S=iB/IBSS越大，帶灌電流負載能力越強。越大，帶灌電流負載能力越強。 18波形參數(shù)：延遲時間td: ic從0上升到0.1ICS的時間發(fā)射結(jié)面積越小，勢壘電容越小，充放電時間越快，延遲時間越短；晶體管在截止狀態(tài)時，反偏電壓越大，空間電荷區(qū)越寬，延遲時間越長；同理，正向驅(qū)動電流越大，延遲時間越短。上升時間tr: ic從0.1ICS上升到0.9ICS的時間晶體管基區(qū)越薄，正向驅(qū)動電流越大，上升時間越短。 開

12、通時間ton: ton=td+tr19波形參數(shù)：存儲時間ts: ic從ICS下降到0.9ICS的時間晶體管基區(qū)越薄，基區(qū)存儲電荷越少，存儲時間越短；晶體管飽和得越深，存儲的多余電荷就越多，存儲時間越長。 下降時間tf: ic從0.9ICS下降到0.1ICS的時間晶體管基區(qū)越薄，反向驅(qū)動能力越大，下降時間就越短。 關(guān)斷時間toff: toff=ts+tf一般：toffton當飽和深度較深時， 時間延長，成為影響工作速度的主要因素。ts202.3 二極管邏輯門二極管邏輯門利用二極管的開關(guān)特性可以構(gòu)成二極管與門電路和二極管或門電路。1 二極管與門電路二極管與門電路 A、B是信號輸入端，F(xiàn)為輸出端。輸

13、入信號電平為:低電平（0V）和高電平（5V）。當當輸入有一個或一個以上為低電平0V時，輸出F就為低電平（0.7V左右）。 A、B均為高電平5V時，兩個二極管均不導通，輸出F為5V。21下表為電平和邏輯關(guān)系，該電路可完成與操作，稱為二極管與門電路。表達式為：F=ABVAVBVF000.7050.7500.7555ABF00001010011122 A、B是兩個信號輸入端，F(xiàn)為信號輸出端。 輸入低電平（0V）和高電平（5V）。 當輸入信號中，有一個或一個以上為高電平5V時，相應的二極管導通，輸出F就為高電平4.3V左右。 A、B均為低電平0V時，兩個二極管均截止，輸出F為低電平0V。2. 二極管或

14、門電路二極管或門電路23二極管或門電路。表達式為：F=A+BVAVBVF000054.3504.3554.3ABF000011101111242.4 反相器反相器1. 三極管反相器的組成和工作原理三極管反相器的組成和工作原理要求晶體三極管工作在開關(guān)狀態(tài)。輸入為低電平（0V）時，三極管截止；輸出為高電平輸入為高電平（3V）時，三極管飽和，輸出為低電平。Ec=12V25；121RRREVVVbiLiLbVVb92. 0VEVCOH12可見：晶體管截止。加入負電源Eb 是使輸入低電平時發(fā)射極反偏，保證VT可以可靠截止。電路輸出高電平為：反相器的基本工作狀態(tài)和參數(shù)反相器的基本工作狀態(tài)和參數(shù) 輸入低電平

15、0V時，若基極電位Vb滿足條件：VbIbs時晶體管飽和導通。 （Ibs為基極臨界飽和電流。）可計算基極電流： （集電極臨界飽和電流）Ec=12V27mAREIccbs4 . 0bsbII 由于：VVVcesoL3 . 0則Ib=0.82mA； 而晶體管進入飽和狀態(tài)，輸出低電平：VVbes7 . 0其中發(fā)射結(jié)正向壓降：30電路放大系數(shù)飽和壓降VVces3 . 0Ec=12V完成了反相器的功能。完成了反相器的功能。 28bsbIIS 飽和深度：飽和深度越深，表明晶體管反相器帶負載能力（灌電流負載）越強。292.反相器性能的改進：電路增加了加速電容Cj和鉗位二極管VDq，以改善反相器的動態(tài)特性。 當

16、輸入信號正向跳變時，由于加速電容相當于短路，驅(qū)動信號可以通過電容瞬時提供一個較大的基極電流，因而加快了管子的開啟時間。電容也同時被充電。當輸入信號負跳變時，電容將通過發(fā)射結(jié)反向放電，從而產(chǎn)生一個較大的反向基極電流，大大縮短了管子的關(guān)閉時間。因而加速了管子開關(guān)速度。30qDqqOHVEV二極管 VDq和電源Eq組成鉗位電路。它可以使輸出高電平穩(wěn)定在規(guī)定的標準值上：當晶體管截止時，流經(jīng)Rc的電流分為兩部分。一部分流經(jīng)二極管VDq到Eq，另一部分流入負載RL當負載加重時，流入負載的電流增加，流經(jīng)二極管的電流減少。只要負載的變化不足以使VO下降到VOH以下，即只要VDq導通，輸出的高電平將被鉗制在這個

17、電平上。這樣既改善了輸出波形的上升沿，同時也提高了反相器的負載能力。313. 反相器的負載能力反相器的負載能力灌電流負載：負載電流流進反相器拉電流負載：負載電流流出反相器 灌電流負載 ：見圖 當晶體管當晶體管VT飽和時，基極電流飽和時，基極電流 。灌電流IL流入集電極 ，IC=IRC+ILIL/bCIICCRCREI其中飽和深度會隨著IL的增加而減小，當IL進一步增加，VT將退出飽和，Vo將不再保持為低電平。32bbsIImAIIbscs6 .2482. 03030灌電流負載能力為三極管從飽和退到臨界飽和時所允許灌入的最大負載電流ILMAX 例如, 輸入高電平VIH=3V時，基極電流為Ib=0

18、.82mA加灌電流負載后，在臨界飽和時: 則Ec=12VIL33因此，在保證管子飽和的前提下最大可能的集電極電流是24.6mAmAREICCRC12由于：mAIIIRCCLMAX6 .12126 .24所以：Ec=12VIL34Ec=12VIL當輸出為高電平時，灌電流負載對輸出電平?jīng)]有影響352 .拉電流負載 當反相器輸入低電平時三極管截止，輸出為高電平，負載電流IL從反相器中流出來，形成拉電流，三極管截止，所以IC=0。ILLVDqRCIII流經(jīng)電阻RC的電流IRC分為兩部分，一部分為流入鉗位二極管的電流IVDq另一部分流入負載成為IL。即： 36ILmARUEEICDqqCRC3 . 8

19、式中：EC=12V;Eq=3V; UDq=0.7V;RC=1K當負載電流IL增加時，IVDq將相應的減小。為了保證電路正常工作，高電平輸出穩(wěn)定，鉗位二極管必須始終導通，有電流通過。IVDq0時流過負載的電流是允許的最大拉電流。即：RCLIImax37CDqqCRCLMAXRUEEII拉電流：RC越小，帶拉電流負載能力越大CDqqCbRCbLMAXRUEEIIII灌電流：RC越大，帶灌電流負載能力越強382.5.1TTL與非門工作原理與非門工作原理下圖是74H系列的一個TTL與非門電路,其輸入輸出部分主要由晶體管電路組成 。3k750360100Vcc393k750360100Vcc輸入級：輸入

20、級：主要由多發(fā)射極晶體管T1和電阻R1組成，其作用是對輸入變量A、B、C實現(xiàn)邏輯與 。 輸入級等效電路：鉗位二極管Dl，D2，D3的作用是限制輸入端可能出現(xiàn)的負極性干擾脈沖 。40設(shè)等效二極管V1V4的正向?qū)▔航禐?.7V。當輸入信號A、B、C中有一個或一個以上為低電平(0.3V)時，基極電位Vb=1V，此時T1晶體管飽和，設(shè)Vces=0.1V，則集電極電位Vc=0.4V； 當A、B、C全部為高電平(3.6V)時，由于T1的集電極電位受到T2、T5發(fā)射結(jié)電壓的限制，T1的集電極電位Vc=1.4V；T1的集電結(jié)正向?qū)ǎ琓1的基極電位Vb=2.1V，T1的發(fā)射結(jié)反偏, 因此，T1工作于 于倒置

21、（反向）工作狀態(tài)。 3k750360100VccT1相當于一個與門。 413k750360100Vcc 中間級（反相級）中間級（反相級）：由T2、R2、R3組成，它的作用是從T2的集電極和發(fā)射極同時輸出兩個電壓變化方向相反的信號，作為輸出級中三極管T3、T4和T5的驅(qū)動信號，且T2將前級電流放大以供給T5足夠的基極電流。 輸出級：輸出級：由三極管T3、T4、T5和R4、R5組成推挽輸出電路。T5導通時T4截止，T5截止時T4導通。由于采用了推挽輸出(又稱圖騰輸出)，它不僅輸出阻抗低，帶負載能力強，而且可以提高工作速度，降低功耗。42 若輸入（如A）端懸空（即什么都不接時），對應的發(fā)射結(jié)偏置電壓

22、為0，VT1工作在截止狀態(tài)，即懸空端等效于接“1”。 若輸入（如B）端經(jīng)電阻R接地時，該輸入端B處的電平將視其余各輸入端電平及R值的大小而定。輸入端的處理：輸入端的處理：43當其余各輸入端中至少有一端接低電平 時，基極電位就被鉗制在 ，與R值大小無關(guān)；當其余各輸入端都接高電平時，B處電平的大小就決定于電阻R的取值。若R的值小于0.1R1時，該輸入端B相當于接低電平；若R的值大于0.5R1時，該輸入端B相當于接高電平。iLV442. TTL與非門工作原理與非門工作原理（1）輸入全部為高電平(3.6V) ：3k750360100Vcc此時的T1處于倒置(反向)工作狀態(tài)， T1的基極電壓Vb1最多不

23、能超過2.1V。 T2、T5管飽和。 T2的集電極電平為：2250.30.71ccesbeVVVV T4截止，輸出為低電平50.3OOLcesVVVV 453k750360100Vcc（2）輸入端至少有一個為低電平(0.3V)T1的基極電位Vb1被鉗位在1V， T1處于深飽和狀態(tài)：110.1 ,0.4cescVV VV 因而T2、T5均截止。 T3、T4導通，輸出為高電平。23450.70.73.6OOHcbebeVVVVVV。 當輸入端全部為高當輸入端全部為高電平：電平：開門狀態(tài)開門狀態(tài) 當輸入端至少有一當輸入端至少有一個為低電平：個為低電平：關(guān)門關(guān)門狀態(tài)狀態(tài) FABC463. TTL電路的

24、工作特點電路的工作特點 TTL與非門具有較高的開關(guān)速度：與非門具有較高的開關(guān)速度：采用了多射極管T1，它縮短了T2和T5的開關(guān)時間；采用推挽式輸出電路，加速了T5管存儲電荷的消散過程。 TTL與非門具有很強的帶負載能力：與非門具有很強的帶負載能力： 3k750360100Vcc當與非門輸出低電平時，T5處于深飽和狀態(tài)，輸出電阻很低；當與非門輸出高電平時T3、T4導通，組成射極跟隨器，其輸出電阻也很低。 472.5.2 TTL與非門的特性參數(shù)與非門的特性參數(shù)TTL集成門電路的主要工作特性包括電壓傳輸特性，靜態(tài)輸入、輸出特性和動態(tài)特性，與這些工作特性息息相關(guān)的外部特性參數(shù)，包括邏輯電平邏輯電平、開

25、門電平開門電平、關(guān)門電平關(guān)門電平、高（低）高（低）電平噪聲容限電平噪聲容限、扇入（扇出）系數(shù)扇入（扇出）系數(shù)、平均傳輸延遲平均傳輸延遲等等。481. 電壓傳輸特性電壓傳輸特性輸出電壓隨輸入電壓變化的曲線輸出電壓隨輸入電壓變化的曲線 。AVOHBCDEUOLVI(V)0.22.8VOFFVTVONVo(V) 圖2.5.3 TTL與非門的電壓傳輸特性曲線 AB段（截止區(qū)）段（截止區(qū)）：VI0.7V，T2、T5截止，T3、T4導通，VO=VOH=3.6V BC段段 (線性區(qū)線性區(qū))：當0.7VVI1.3V時，T2線性導通而T5依然截止，Vc2隨Vi增加而線性下降，并通過T3、T4射極跟隨器使輸出電壓

26、VO也下降 ，下降斜率近似等于-R2/R3。 49AVOHBCDEUOLVI(V)0.22.8VOFFVTVONVo(V)CD段段(轉(zhuǎn)折區(qū)轉(zhuǎn)折區(qū))：1.3VVI1.4V，當VI略大于1.3V時，T5開始導通，此時T2發(fā)射極到地的等效電阻為R3rbe5，比T5截止時的R3小得多，因而T2放大倍數(shù)增加，近似為-R2/(R3rbe5)，因此Vc2迅速下降，輸出電壓VO也迅速下降，最后T3、T4截止，T5進入飽和狀態(tài)。DE段段(飽和區(qū)飽和區(qū))：當VI1.4V時，隨著VI增加T1進入倒置工作狀態(tài)，T3導通，T4截止，T2、T5飽和，因而輸出低電平VOL=0.2V。 50幾個重要參數(shù)：幾個重要參數(shù)： 輸出

27、高電平輸出高電平VOH和輸出低電平和輸出低電平VOL 一般產(chǎn)品規(guī)定VOH2.4V（輸出高電平的最低值）、VOL0.4V（輸出低電平的最高值）。 閾值電壓閾值電壓VT（門限電壓）（門限電壓） 對應電壓傳輸特性上轉(zhuǎn)折區(qū)中點所對應的輸入電壓，一般VT1.4V，可以將VT看成與非門導通(輸出低電平)和截止(輸出高電平)的分界線。 AVOHBCDEUOLVI(V)0.22.8VOFFVTVONVo(V)51 開門電平開門電平VON和關(guān)門電平和關(guān)門電平VOFF 開門電平開門電平VON是是保證T5飽和導通，反相器達到穩(wěn)定輸出低電平時的最小輸入高電平。一般產(chǎn)品VON1.8 關(guān)門電平關(guān)門電平VOFF是保證T5截

28、至，反相器達到穩(wěn)定輸出高電平時的最大輸入低電平。一般產(chǎn)品要求VOFF0.8V，AVOHBCDEUOLVI(V)0.22.8VOFFVTVONVo(V)VON越接近VT，器件噪聲容限越大。VOFF越接近VT，器件噪聲容限越大。52 噪聲容限噪聲容限低電平噪聲容限低電平噪聲容限是指在保證輸出高電平的前提下，允許疊加在輸入低電平上的最大噪聲電壓(正向干擾)：例如，前級的輸出低電平為VIL=0.4V，器件的關(guān)門電平VOFF=0.8V，則其 高電平噪聲容限高電平噪聲容限是指在保證輸出低電平的前提下，允許疊加在輸入高電平上的最大噪聲電壓(負向干擾)，例如，前級的輸出高電平為VIH=2.4V，器件的開門電平

29、VON=1.8V，則其 NLOFFILVVV0.4NLOFFILVVVVNHIHONVVV0.6NHIHONVVVV532. 靜態(tài)輸入特性靜態(tài)輸入特性（1）靜態(tài)輸入電流與輸入電壓之間的關(guān)系 設(shè)輸入電流iI由信號源流入T1發(fā)射極時方向為正，反之為負。圖2.5.4 輸入特性曲線 當VIVT（VT1.4V）時iI為負，對信號源形成灌電流負載。 當VIVT時iI為正，iI流入TTL門，對信號源形成拉電流負載。54當VI=VIL=0.2V時，輸入端等效電路如圖2.5.5所示，此時輸入電流 11150.70.21.33 CCBEILbI LVvVIImARK負號表示輸入電流流出門，流向電源。R1VCCVI

30、VB1Ib1T2T5R3R1T13kT1be2be5VCCDVI=0.2VIb1圖2.5.5 VI=0時的輸入端等效電路輸入短路電輸入短路電流流IIS: 當VI=0時的輸入電流稱為輸入短路電流，典型值約為-1.4mA。 55當VI=VIH=3.4V時，輸入端等效電路如圖2.5.6所示，此時T1處于倒置放大狀態(tài)，此時輸入電流 1152.10.019.73CCBI HFBFVVIIARKR1VCCVIVB1Ib1T2T5R3R1T13kT1be2be5VCCDVI=3.4VIb1IIH圖2.5.6 VI=3.4V時輸入端等效電路 輸入漏電流輸入漏電流IIH:當VIVT時的輸入電流稱為輸入漏電流，即

31、V1倒置工作時的反向電流，其電流值很小，約為10A。56（2）輸入負載特性R1I1VCCVIRiVB1Ib1T2T5R3Ribe2be5VCCR1Ib1VB1 圖2.5.7 輸入負載等效電路 當Ri較小時，VI隨Ri增加而升高，此時T5截止11CCbeIiiVVVRRR若VOFF=0.8V，R1=3k，可求得Ri 0.7k，這個電阻值稱為關(guān)門關(guān)門電阻電阻ROFF。關(guān)門電阻ROFF是保證TTL與非門輸出為高電平，即T5管截止時容許的最大阻值。 57R1I1VCCVIRiVB1Ib1T2T5R3Ribe2be5VCCR1Ib1VB1當Ri較大時，VI進一步增加，但它不能一直隨Ri增加而升高。因為當

32、VI=1.4V左右時，T1的基極電位被鉗位在Vb1=2.1V，致使VI不會超過1.4V。為了保證與非門穩(wěn)定地輸出低電平，應該有VIVON，此時輸入端接入的電阻稱為開門電阻開門電阻RON，開門電阻是保證TTL與非門輸出為低電平，即T5管飽和導通時容許的最小阻值。令VI=VON=1.8V，可得到RON=2.16k。一般對TTL要求RON2k,即RiRON時才能保證與非門輸出為低電平。11CCbeIiiVVVRRR583. 靜態(tài)輸出特性靜態(tài)輸出特性反映輸出電壓隨負載（輸出）電流的變化情況。T3T4ILRLVCCVO(V)IL(mA)5101520123IR5R50R2高電平輸出特性：高電平輸出特性：

33、與非門輸出高電平時T5截止，T3淺飽和，T4導通，負載電流為拉電流，由IR5IL，VOH=VCC-Vces3-Vbe4-ILR5。 當拉電流IL5mA時，T3、T4相當于射極跟隨器，因而輸出高電平VOH變化不大。當IL5mA時，T3進入深飽和，VOH將隨著IL的增加而降低。因此，為了保證穩(wěn)定地輸出高電平，要求負載電流IL14mA。考慮到功耗，實際使用時負載電流一般不能超過0.4mA。 59T2T5ILRLVCCVO(V )IL(mA )5101520123R30.2低電平輸出特性低電平輸出特性：與非門輸出低電平時T5飽和導通，T4截止，輸出電流IL從負載流入T5，形成灌電流。當灌電流增加時，T

34、5飽和程度減輕，因而VOL隨IL增加略有增加。當IL=16mA時，VOL=0.2V；若灌電流進一步加大，使T5脫離飽和進入放大狀態(tài)，VOL將很快增加，這是不允許的。通常為了保證VOL0.3V，應使IL22mA。 60帶負載能力：帶負載能力：反映TTL驅(qū)動下級負載的能力，包括灌灌電流能力電流能力和拉電流能力。拉電流能力。 灌電流能力是指輸出在低電平（VOL）時,允許負載電流流入輸出端電流的能力； 拉電流能力是指輸出在高電平（VOH）時,輸出端能夠提供給負載電流的能力。& & & &1 1扇出系數(shù)扇出系數(shù)(N(No o) ) 輸出端允許驅(qū)動的同輸出端允許驅(qū)動的同類門

35、電路的最大數(shù)目。類門電路的最大數(shù)目。61例2.5.1(*) ：門電路的輸入特性曲線和輸出特性曲線分別由圖2.5.4、圖2.5.8、圖2.5.9給出。對于下圖所示的電路，要求G1的輸出高電平滿足VOH3.2V，輸出低電平滿足VOL0.2V。試問與非門G1最多可驅(qū)動幾個非門? &G1 與非門111.NVOLiILiL&G1 與非門111.NVOLiILiLVOLiILiLiILiL62解：輸出低電平時從低電平輸出特性看， VOL0.2V時，iL15mA從輸入特性看，VI=0.2V時，iIL=-1.3mA 15111.3ILLLILNiiiNi要求63 輸出高電平時從高電平輸出特性看

36、，VOH3.2V時，iH7.5mA 但考慮到功耗，一般手冊給出輸出高電平時的最大輸出電流iH10； ECL門輸出可直接相連，實現(xiàn)線或（WIRED-OR）邏輯 ;電路功耗很大; 抗干擾能力也很弱。 952.7 CMOS反相器反相器2.7.1 MOS管的開關(guān)特性管的開關(guān)特性1. MOS管的開關(guān)時間管的開關(guān)時間GDSBiVoVWkRD20VVDD10GDSiVoVWkRD20VVDD10GDSiVoVWkRD20VVDD10onRTiVV TiVV （a）MOS管開關(guān)電路（b）MOS管截止時的等效電路（c）MOS管導通時的等效電路N溝道增強型溝道增強型MOS管管96Vi和ID、VD的波形開通時間 ：

37、ontrdonttt1關(guān)斷時間 ：offt offt2dtft=+ MOS管的開通和關(guān)閉時間比雙極型晶體管長，即其動態(tài)特性相對要差一些 。972.7.2 CMOS反相器反相器 CMOS反相器由一個NMOS管VT1和一個PMOS管VT2構(gòu)成。兩個互補管的柵極連在一起作為輸入端，兩個管的漏極連在一起作為輸出端，電源電壓VDD需大于VT1和VT2管開啟電壓的絕對值之和，即：TPTNDDVVV98TPGSVV2DDOHVV CMOS反相器的工作原理當輸入低電平為0V時， VGS1=0V，VT1截止，而此時VT2導通，輸出為高電平；當輸入為高電平5V時，VT1通，VT2止，輸出為低電平。0OLV99 C

38、MOS反相器的性能電壓與電流傳輸特性電壓與電流傳輸特性在Vi較小時，ViVTN，時，VT1開始導通，電路開始有較小的電流通過。于是輸出電壓開始下降，對應曲線的第II段。VDDVoVi12DDVIDSVi(a)(b)oo101輸入電壓再增大，達到圖中0.5VDD附近，VT1和VT2都工作在飽和區(qū)，有較大電流通過。為曲線的III段。曲線的IV段和V段類似曲線II段和I段。 VDDVoVi12DDVIDSVi(a)(b)oo102 由圖可見，特性曲線在=0.5VDD附近幾乎是垂直的，因此高、低電平噪聲容限都比較大。 由于目前CMOS工藝水平不斷提高，反相器兩個互補管的一致性越來越好，所以高、低電平噪

39、聲容限都比較大。 CMOS反相器的噪聲容限可達電源電壓的45%左右，具有較高的抗干擾能力。因此CMOS很適合于要求抗干擾能力高的場合。 從CMOS的電流與電壓關(guān)系曲線可知，反相器只在過渡區(qū)域出現(xiàn)較大的電流。輸出高電平和低電平時，電流幾乎為零。因此CMOS靜態(tài)功耗極小。 103靜態(tài)輸入特性靜態(tài)輸入特性（反映vI和iI關(guān)系曲線） 若vI正向過大，vIVDD+0.7V，則D2導通，vG=VDD+0.7V，保證加到C2上的電壓不會超過VDD+0.7V，不會被擊穿。若vI負向過大，vI0.7V，則D1導通，vG=0.7V，保證加到C1上的電壓不會高于-0.7V，不會被擊穿。 CMOS反相器的輸入電路 1

40、04iI/-0.7VIViI/mAvIVDD+0.7V0.7VvIVDD+0.7V時，D2導通，iI0；vI 0.7V時，D1導通，iI0。輸入電流基本為0，故CMOS門帶同類負載門的扇出系數(shù)很大。 CMOS輸入端通過電阻接地時，對電阻值無限制；輸入端懸空時，輸出1/2VDD，故CMOS門輸入端不允許懸空。 105靜態(tài)輸出特性靜態(tài)輸出特性（1）低電平輸出特性）低電平輸出特性 TVDDVOLVIH=VDDRLiDIOLT1VDDVOLVIH=VDDRLiDIOLDS1=V= 15 V=V= 10 V=V= 5 V=V= 15 V=V= 10 V=VDD= 5 V=V= 15 V=V= 10 VV

41、GS=V= 5 V()15V10VV =5V()OL15V10VV =5VO()15V10VV =5VVOL(DS)I15V10VVDD=5VOVDSi i i iD1DDDDVGSVGSV(iD1)負載加重（RL減小）使IOL增加，輸出低電平會被抬高；VDD越大越好。 106VIL=0VDDVOHLIOHiDVIL=0VDDVOHRIOHiDVIL=0T2VDDVOHIOHiD2SD(2) 高電平輸出特性高電平輸出特性負載加重（RL減小）使|IOH|增加，輸出高電平會下降；VDD越大越好。 107 CMOS反相器具有輸入阻抗高的特點，加上對電容負載充、放電都很快，因此CMOS反相器帶同類門負

42、載時比TTL電路具有更大的扇出系數(shù)。一般一個輸出端可帶50個同類門電路。但是若用CMOS門來帶動純電阻負載或TTL門電路（注意電平），負載能力還是較小的。這時需要用CMOS驅(qū)動器，提供輸出較大的負載電流。108fVCPDDLD2動態(tài)特性動態(tài)特性（動態(tài)功耗） CMOS反相器處于靜態(tài)時，無論輸出高電平還是輸出低電平，總有一個管截止，電源向反相器只提供很小的漏電流，故靜態(tài)功耗很小。但在動態(tài)轉(zhuǎn)換時，在極短時間內(nèi)有相對較大的電流通過電路。根據(jù)理論計算，CMOS反相器的動態(tài)功耗： 設(shè)工作頻率f=1MHZ，CL =50Pf，VDD=5V,則PD=1.2mW，可見總功耗決定于動態(tài)功耗。通常在一個數(shù)字系統(tǒng)中，始

43、終高速率工作的單元不多，就整個系統(tǒng)來說，CMOS集成電路功耗是微小的，集成度越高，系統(tǒng)功耗越小。 1092.7.3 CMOS門電路門電路 與非門 由兩個串聯(lián)的NMOS管VT1和VT2以及兩個并聯(lián)的PMOS管VT3，VT4組成。 當輸入均為高電平時，VT1和VT2導通，VT3和VT4截止，輸出F為低電平。 當A、B中只要有一個為低電平，VT1和VT2中有一個截止，VT3，VT4有一個導通，輸出為高電平。完成與非門與非門功能。110 或非門 當輸入均為低電平時，VT1和VT2均截止，VT3，VT4均導通，輸出高電平。 當A、B中只要有一個為高電平，VT1和VT2中必有一個導通，VT3，VT4中必有

44、一個截止，使輸出低電平，完成或非門或非門功能。111（3） 與或非門只有輸入A、B都為高電平或C、D都為高電平，輸出為低電平；否則，輸出為高電平，因而是一個與或非與或非門門。 1122.7.4 漏極開路的與非門電路（漏極開路的與非門電路（OD門）門）雙2輸入與非緩沖電路 輸出是一個漏極開路的N溝道增強型MOS管，用于輸出緩沖驅(qū)動或輸出電平的轉(zhuǎn)換。OD門也可實現(xiàn)“線與線與”邏輯。外接上拉電阻的計算方法與TTL的集電極開路（OC）電路相同。 1132.7.5 傳輸門電路傳輸門電路2T1TCCDDVOIvv /IOvv /IOvv /CCOIvv /TG1) 當C=0，VI在0 VDD之間變化時，由

45、于兩個MOS管的襯底和柵極間電壓為0，T1、T2均不導通，傳輸門截止，輸出呈高阻態(tài)。2）當C=1，0VIVI|VTP|時，T2線性導通，VOVI。1142.7.6 三態(tài)門三態(tài)門（A）在反相器基礎(chǔ)上增加一個P溝道和N溝道MOS管VT1、 VT2 。當 =1時， VT1和 VT2同時截止，輸出呈高阻態(tài)；當 =0時， VT1和 VT2同時導通，反相器正常工作。ENEN115(B)在反相器基礎(chǔ)上增加一級CMOS傳輸門，作為反相器的控制開關(guān)。當 =1時，傳輸門截止，輸出呈高阻態(tài)；當 =0時，傳輸門導通，輸出F= 。ENEN FA1162.8 不同工藝邏輯門的互聯(lián)不同工藝邏輯門的互聯(lián)（1）邏輯電平的配合）

46、邏輯電平的配合 類型高電平（V）低電平（V）傳輸時延（ns）功耗（mW/門）TTL2.40.5910LS TTL2.40.592F TTL2.40.524HC CMOS3.518140.125HCT CMOS2.40.59150.1510k ECL-0.8-1.6225100k ECL-0.8-1.60.7540117不同工藝電路之間互連時，驅(qū)動門的輸出電壓和被驅(qū)動門的輸入電壓之間必須同時滿足以下規(guī)則： 第一，驅(qū)動門高電平輸出時的最小值不能低于被驅(qū)動門輸入高電平的最低值，即VOHmin（驅(qū)動門）VIHmin（被驅(qū)動門）。 第二，驅(qū)動門輸出低電平的最高值不能大于被驅(qū)動門輸入低電平的最高值，即VOLmax（驅(qū)動門）VILmax（被驅(qū)動門）。 例如：TTL電路的高電平最小值為2.4V；低電平最大值為0.8V。ECL電路的高電平為-0.8V，低電平為-1.6V。因此TTL電路與ECL電路不能直接相連，必須經(jīng)過轉(zhuǎn)接電路。118CMOS電路在電源電壓為5V時，閾值電壓為2.5V，高電平接近5V，低電平接近0