第二章门电路.pptx

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1、12.2半导体二极管和三极管的开关特性二极管的开关特性1.二极管的单向导电性二极管是由PN结构成的,其工作原理基于PN结的单向导电性,可用以下两种电路加以说明.(1)二极管两端加正向电压时,外电场削弱内电场,产生多数载流子的扩散运动而形成正向电流.第1页/共198页2二极管的开关特性i第2页/共198页3二极管的开关特性 (2)二极管两端加反向电压时,外电场增强了PN结中的内电场,产生少数载流子的反向漂移运动而形成了反向电流,稳定后即为反向饱和电流i(详见P69式。i注意注意:由于此时二极管处由于此时二极管处于截止状态于截止状态,电阻很大电阻很大,故故第3页/共198页4二极管的开关特性 2.

2、二极管的三种近似的伏安特性和等效电路(1)Vcc和RL都很小时,Von和rD不能忽略,其近似的伏安特性如图(a)(P70):Von：正向导通压降 VVon0(a)较实际的模型较实际的模型i irD：正向电阻第4页/共198页5二极管的开关特性(2)Von和Vcc相比不能忽略,rDRL,rD可以忽略时,其近似的伏安特性如图(b)VVon0(b)常用模型常用模型i常用的近似模型第5页/共198页6二极管的开关特性(3)VonVcc且rDVon),BTJ 的基极电流ib达到时时,BJT饱和饱和,Vcc几乎降在几乎降在Rc上上,Vo 0.3v即即:输入高电平时输入高电平时,BJT饱和饱和,输出为低电平

3、。输出为低电平。第14页/共198页15三极管的开关特性 (4)三极管的开关等效电路:实用电路中的三极管开关电路如P113图所示等效电路.1)Vi=0时,三极管截止，开关完全断开，如图(a);2)Vi=1时,三极管饱和导通，Vce0,但Vbe等效电路如图和(c),(c)中的Vcc应去掉。(5)BJT的动态开关特性(详见P114图 0 第15页/共198页16三极管的开关特性 2.MOS管的开关特性(73页)(1)MOS管的结构:有四种类型的MOS管:1)N沟道增强型结构和符号如右图:a)采用P型衬底,导电沟道是N型.b)在VGs=0时,没有导电沟道.c)开启电压d)工作时使用正电源,应将衬底接

4、源极或接到系统的最低电位上.GDBS第16页/共198页17三极管的开关特性 2)P沟道增强型结构和符号如右图所示:a)采用N型衬底,P型沟道b)VGs=0时不存在沟道.c)开启电压d)负工作电压,且将衬底接源极或接到系统的最高电位。GDBS第17页/共198页18三极管的开关特性 3)N沟道耗尽型a)结构和N沟道增强型MOS相同.b)VGs=0时已经存在导电沟道VGs0时沟道变宽,iD增大;VGs0时沟道变窄,iD减小;VGs小于VGs(off)时,沟道消失,MOS管截止;VGs(off)0，称为夹断电压.c)在正常工作时,衬底同样应接到源极或系统的最低电位上.GDBS第18页/共198页1

5、9三极管的开关特性 4)P沟道耗尽型a)结构和P沟道增强型MOS管相同b)VGs=0时已经存在导电沟道VGs0时沟道变窄,|iD|减小;VGs大于VGs(off)时,沟道消失,MOS管截止;VGs(off)0，称为夹断电压.c)在正常工作时,衬底应接到源极或系统的最高电位上.四种类型MOS管的比较详见P79表GDBS第19页/共198页20三极管的开关特性 (2)MOS管的输入和输出特性N沟道增强型MOS管的输出特性曲线如图所示:也称MOS管漏极特性曲线，分为三个工作区：5v4v3vVGs(th)=2viDVDs0第20页/共198页21三极管的开关特性 1)VGsVGs(th)时,iD0,r

6、ds109对应曲线上VGsVGS(th),iD0,曲线上VGsVGs(th)的部分又可分成两个区域：a)下图红线左边称为可变电阻区.VGs一定时,iD随VDs线性变化,具有类似线性电阻的性质.VDs=0时的导通电阻Ron和VGs的关系如下式:第21页/共198页22三极管的开关特性 b)红线右边的区域称为恒流区,iD基本由VGs决定,如下式:5v4v3vVGs=2iDVDs0第22页/共198页23三极管的开关特性 由上式画出的曲线称为MOS管的转移特性曲线，如下图:VGs(th)VGsiD0第23页/共198页24三极管的开关特性注意注意:由于栅极和衬底之间被由于栅极和衬底之间被Si02绝缘

7、层隔离绝缘层隔离,故故MOS管的栅极电流很小管的栅极电流很小,通常忽略不计通常忽略不计.所以不必所以不必画画MOS管的输入特性曲线管的输入特性曲线.第24页/共198页25三极管的开关特性 (3)MOS管的基本开关电路:由N沟道增强型MOS管构成的开关电路如下图:GDBS+Vi-+VddRdiD+-Vo第25页/共198页26三极管的开关特性 1)Vi=VGsVGs(th)且且VDs较大时较大时,MOS管工作于恒流区管工作于恒流区,ViiDVoVi继续增大继续增大,MOS管的导管的导 通电阻通电阻Ron变得很小变得很小,只要只要RDRon,则则 Vo=0v这时这时DS之间相当于一个闭合的开关之

8、间相当于一个闭合的开关.(4)MOS管的开关等效电路管的开关等效电路:详见详见P76图。图。第26页/共198页272.3最简单的与.或.非门电路 二极管与门 (P71)第27页/共198页282.3最简单的与.或.非门电路 二极管与门工作原理若二极管的正向导通压降VDF=0.7v,则(1)A和B中有一个为低电平0v时,对应二极管导通，输出就为低电平(0.7v)。(2)只有当A和B同时为高电平3v时,两个二极管都导通，输出为高电平（3.7v）。第28页/共198页29二极管或门 二极管或门第29页/共198页30二极管或门 二极管或门工作原理 同样二极管的VDF=0.7v,则(1)A或B中有一

9、个输入高电平3.7v时,D1或D2导通,输出就是3v,为高电平。(2)仅当A、B都为低电平时,D1、D2均截止,输出为低电平（0v）。第30页/共198页31三极管非门(反相器)图 第31页/共198页32三极管反相器(非门)工作原理：P111的图即为三极管非门电路。实用反相器电路中,为保证在输入低电平时三极管可靠地截止,常采用图所示电路。输入端和输出端的关系为:VA=0时,输出为高电平；VA=1时,输出为低电平,即逻辑非关系。第32页/共198页33三极管反相器(非门)图 第33页/共198页342.4TTL门电路 1.即晶体管即晶体管-晶体管逻辑门电路。晶体管逻辑门电路。2.TTL门电路功

10、耗较大，只能制作中小门电路功耗较大，只能制作中小规模的集成电路。规模的集成电路。3.按制造工艺不同按制造工艺不同,将将TTL门电路分为门电路分为:双极型和单极型两类。双极型和单极型两类。4.TTL是目前双极型是目前双极型IC中用的最多的一中用的最多的一种种.第34页/共198页35反相器的电路结构和工作原理 1.电路结构:(116页)反相器是TTL门电路中电路结构最简单的一种。图为74系列反相器的典型电路。设:VCC=5v，VIH=3.4v，VIL=0.2v开启电压:V0N=0.7v第35页/共198页36图图TTL反相器的典型电路 第36页/共198页37反相器的电路结构和工作原理 其工作原

11、理简述如下：当VI=0.2v，T1必导通，VB1=0.9v，T2截止，Vc2为高电平，VE2为低电平，从而使T4导通、T5截 止，输 出 为 高 电 平,即 VI=VIL，VO=VoH。此时T1的临界饱和电流很小，由T2集电结很小的截止漏电流就可维持T1的饱和状态(详见黑板上的分析)。第37页/共198页38反相器的电路结构和工作原理VI=VIH=3.4v时，T1处于倒置工作状态(详见黑板上的分析)，VCC通过R1和T1的集电结为T2提供基极电流，使T2、T5均导通，VB1被钳位于2.1v，T2导通后Vc2下降而VE2上升，必然使T4截止而T5导通，输出VO变为低电平VOL。即VI=VIH时，

12、VO=VOL,故电路实现了非逻辑运算，即VO=VI。第38页/共198页39反相器的电路结构和工作原理 该电路的特点：1）T2的集电极和发射极输出极性相反的电压,故称这一级为倒相级；2）T4和T5的工作状态总相反,有效降低了输出级静态功耗并提高了驱动负载的能力。通常把这种形式的电路称为推拉式电路或图腾柱输出电路；第39页/共198页40反相器的电路结构和工作原理 3）为确保T5饱和导通时T4可靠地截止,又在T4的发射极串入一个二极管D2；4）输入端的钳位二极管D1,既可以抑制输入端可能出现的负干扰脉冲，又可以防止输入电压为负时T1的发射极电流过大，起到保护T1的作用。第40页/共198页41反

13、相器的电路结构和工作原理2电压传输特性即输出电压随输入电压变化的关系曲线。如P117图所示，分为四个区域：（1）截止区：AB段，VI0.6v，T2、T5截止，T4导通，故VO=VOH3.4v（2）线性区：BC段，0.7vVI1.3v，T2导通，T5截止，且T2工作于放大区，VO随VI的升高而线性下降。第41页/共198页42反相器的电路结构和工作原理（3）转折区：CD段，VI1.4v，VB12.1v，T2和T5同时导通,T4截止，VO急剧下降为低电平，CD段中点对应电压为阈值VTH。（4）饱和区：DE段，VO降为低电平后，不再随VI的升高而变化，保持低电平。第42页/共198页43反相器的电路

14、结构和工作原理图图反相器的电压传输特性反相器的电压传输特性第43页/共198页44反相器的电路结构和工作原理3输入端噪声容限在保证输出高、低电平基本不变或变化的大小不超过允许限度的条件下，输入电平允许波动的范围称为输入端噪声容限。下图给出了输入端噪声容限的示意图。（详见P82图）第44页/共198页45反相器的电路结构和工作原理输入端噪声容限示意图输入端噪声容限示意图第45页/共198页46反相器的电路结构和工作原理在多级门电路互相连接时,前一级的输出即为后一级的输入。这就要求：前一级输出高电平的最小值不能小于后一级输 入 高 电 平 的 最 小 值(实 际 上 VOH(min)VIH(min

15、)。二者之差被定义为输入为高电平时的噪声容限：VNH=VOH(min)VIH(min)（）即，在保持后一级输出低电平基本不变的条件下,其输入高电平允许波动的范围。第46页/共198页47反相器的电路结构和工作原理前一级输出低电平的最大值不能大于后一级输 入 低 电 平 的 最 大 值(实 际 上 VOL(max)VIL(max)。二者之差定义为输入为低电平时的噪声容限：VNL=VIL(max)VOL(max)（）即，在保持后一级输出高电平基本不变的条件下,其输入低电平允许波动的范围。第47页/共198页48反相器的电路结构和工作原理74系列门电路的标准参数为:VOH(min)=2.4v，VIH

16、(min)=2.0v，VOL(max)=0.4v，VIL(max)=0.8v，故VNH=0.4v，VNL=0.4v。即，在两级连接时，为保证后一级输出低电平基本不变，前一级输出的高电平不能低于2V；为保证后一级输出高电平基本不变，前一级输出的低电平不能高于0.8V。实际上前级的VOH(min)=2.4v，VOL(max)=0.4v，都 有0.4V的容限。第48页/共198页49反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性1输入特性：即输入端的伏安特性只考虑输入高电平和低电平（而不考虑某个中间值）时，TTL反相器可等效为图。第49页/共198页50反相器的静态输入特性和输出特性图

17、反相器的输入等效电图反相器的输入等效电路路 第50页/共198页51反相器的静态输入特性和输出特性 当Vcc=5v，VI=VIL=0.2v时，IIL为：当VI=VIH=3.4v时，T1处于倒置工作状态由于倒置状态下的三极管的极小，故也很小，74系列门的40uA，故输入特性曲线如图所示。VBC10VBE10第51页/共198页52反相器的静态输入特性和输出特性 图反相器的输入特性图反相器的输入特性 第52页/共198页53反相器的静态输入特性和输出特性2输出特性：即输出端的伏安特性（1）高电平输出特性，即输出高电平时输出端的伏安特性。此时等效电路如图所示，高电平输出特性见图。第53页/共198页

18、54反相器的静态输入特性和输出特性图图 反相器反相器 高电平输出等效电路高电平输出等效电路 第54页/共198页55反相器的静态输入特性和输出特性图反相器高电平输出特性图反相器高电平输出特性 第55页/共198页56反相器的静态输入特性和输出特性说明：说明：1）较小时，较小时，T4工作在射极输出状态，其输工作在射极输出状态，其输 出端可等效为一个很小内阻的电压源；出端可等效为一个很小内阻的电压源；2）较大时，较大时，T4进入饱和区进入饱和区,VOH 随随 iL 线性线性 下降。下降。第56页/共198页57反相器的静态输入特性和输出特性 （2）低电平输出特性：即输出低电平时输出端的伏安特性。等

19、效电路见图。低电平输出特性见图。第57页/共198页58反相器的静态输入特性和输出特性 图反相器图反相器低电平输出等效电路低电平输出等效电路 第58页/共198页59反相器的静态输入特性和输出特性 图图 反相器反相器低电平输出特性低电平输出特性第59页/共198页60反相器的静态输入特性和输出特性 120页例说明了以下结论：在给定的输入输出特性曲线下，74系列反相器可以驱动同类型反相器的最大数目为10，此数值称为门电路的扇出系数。（3）输入端负载特性：即输入端与地之间或者输入端与信号的低电平之间接入电阻RP时，VI随RP的变化关系曲线，如P122图所示。详见P122例。第60页/共198页61

20、TTL反相器的动态特性反相器的动态特性（脉冲工作状态下的特性）1传输延迟时间：输出电压波形滞后于输入电压波形的时间。（1）VO由低电平跳变为高电平的传输延迟时间记为tPLH；（2）VO由高电平跳变为低电平的传输延迟时间记为tPHL。第61页/共198页62TTL反相器的动态特性（3）tPLH略大于tPHL。因为tPLH对应于T5由饱和跳变为截止，所需时间较长，产生传输延迟的原因：三极管（二极管）的开关时间及电路中的寄生电容所致。TTL反相器的动态电压波形见P123图。第62页/共198页63TTL反相器的动态特性图图反相器的动态电压波形反相器的动态电压波形第63页/共198页64TTL反相器的

21、动态特性2交流噪声容限门电路对于输入窄脉冲的噪声容限（1）为使输出状态发生变化，输入信号必须有足够的变化幅度和作用时间.（这是由于电路中存在三极管的开关时间和分布电容的充、放电过程。）（2）当输入信号为窄脉冲且脉冲宽度接近于tPHL和tPLH时，为使输出状态变化所需要的输入脉冲幅度远大于信号为直流时所需要的信号变化幅度。第64页/共198页65TTL反相器的动态特性（3）在P124图中:（a）图中将输出高电平降至2.0v时输入正脉冲的幅度定义为正脉冲噪声容限。（b）图中，将输出低电平上升至0.8v时输入负脉冲的幅度定义为负脉冲噪声容限。第65页/共198页66TTL反相器的动态特性（a）正脉冲

22、噪声容限（b）负脉冲噪声容限图图反相器的交流反相器的交流噪声容限噪声容限第66页/共198页67TTL反相器的动态特性3、电源的动态尖峰电流 指输入由10时刻，T5还没来得及退出饱和区，T4就开始导通，T4和T5在短时间内同时导通,电路中瞬时出现的较大电流（即为电源Vcc供出的电流）。（1）静态电源电流的计算：P125对图的分析计算，给出了 第67页/共198页68TTL反相器的动态特性 图图3.5.23 TTL反相器电源电流的计算反相器电源电流的计算 （a）vOVOL 的情况的情况 （b）vOVOH的情况的情况第68页/共198页69TTL反相器的动态特性VIH3.4v，输出为低电平时的电源

23、电流计算公式：（）V1L=0.2v时，输出为高电平时的电源电流计算公式：第69页/共198页70TTL反相器的动态特性（2）动态电源电流的计算 Vo突然从01时，出现短时间内T4和T5同时导通，使电源电流出现尖峰脉冲，如P126图所示。此时电源电流的最大瞬时值为：ICCM=iC4+iB4+iB1=（）第70页/共198页71TTL反相器的动态特性图图反相器的电源动态尖峰电流反相器的电源动态尖峰电流第71页/共198页72TTL反相器的动态特性（3）考虑电源动态尖峰电流的影响后的电源电流平均值:（）第72页/共198页73TTL反相器的动态特性（4）电源尖峰电流对电路工作的影响 使电源的平均电流

24、增加了，且信号f越高，tPLH越长，平均值就越大。（电路功耗也越大）许多门电路同时转换状态时，电源的瞬时尖峰电流数值很大，此电流将通过电源线和地线以及电源的内阻形成系统内部的噪声源。第73页/共198页74其它类型的TTL门电路其他类型的TTL门电路1其它门电路（1）TTL与非门与非门如P128图所示第74页/共198页75其它类型的TTL门电路图 与非门电路第75页/共198页76其它类型的TTL门电路 与非门工作原理：1）A、B中有一个为低电平0.2v，则T1必有一个发射结导通，使VB10.9v，T2、T5均截止，VO=VOH；2）只有当A、B同时为高电平，T2、T5同时导通，输出为低电平

25、(VO=VOL)。故该电路实现了与非逻辑功能。（与非门输入电流的情况详见P129分析）第76页/共198页77其它类型的TTL门电路 图图(2)或非门 图第77页/共198页78其它类型的TTL门电路或非门工作原理：1）A和B中有一个为高电平时，T2或T2以及T5导通，输出为低电平；2）只有当A和B同时为低电平时，VB1和VB1都被钳位于0.9v，T2和T2以及T5均截止，输出为高电平。故（3）与或非门将图中每个输入端改为多发射极，如图所示,就得到与或非门电路。详见P130分析。第78页/共198页79其它类型的TTL门电路图 与或非门第79页/共198页80其他类型的TTL门电路 （4）异或

26、门 图第80页/共198页81其他类型的TTL门电路异或门工作原理1）A、B同时为1(高电平)时,T1、T2、T3均处于倒置状态，T4、T5和T6均导通，T7截止，T8截止，T9导通，Y为0（低电平）；2）A和B同时为0时，T4、T5、T6均截止，T7和T9导通，Y也为0。3）A和B中，一个为1，另一个为0时，T1导通，T6截止，T4和T5中总有一个导通，使T7截止，T8导通，T9也截止，Y=1，故Y=AB。第81页/共198页82其它类型的TTL门电路2、集电极开路门（OC门）131页首先看推拉式输出电路的局限性 不能把两个以上的门的输出端并联（图）在VCC确定后就不能改变输出高、低电平值。

27、不能满足驱动较大电流、较高电压的负载的要求。克服上述局限性的方法就是把输出级改成集电极克服上述局限性的方法就是把输出级改成集电极开路的门电路，简称开路的门电路，简称OC门。门。第82页/共198页83其它类型的TTL门电路 图推拉式输出级并联的情况图推拉式输出级并联的情况第83页/共198页84其他类型的TTL门电路图图3.5.33 OC 门门（1）OC门的电路结构及图形符号第84页/共198页85其他类型的TTL门电路1）需要外接负载电阻）需要外接负载电阻RL和电源和电源VCC，；，；2）适当选择外接电阻和电源的数值，就可使输）适当选择外接电阻和电源的数值，就可使输出高、低电平符合要求，输出

28、三极管的负载电出高、低电平符合要求，输出三极管的负载电流也不过大。流也不过大。（2）OC门输出并联的接法及逻辑图门输出并联的接法及逻辑图 将输入分别为将输入分别为A、B和和C、D的两个的两个OC门的门的输出端输出端Y1和和Y2连在一起，然后通过电阻连在一起，然后通过电阻RL连到连到Vcc，如图所示。其逻辑图如下：，如图所示。其逻辑图如下：第85页/共198页86其他类型的TTL门电路图图门输出并联的接法及逻辑图门输出并联的接法及逻辑图第86页/共198页87其它类型的TTL门电路 Y1=AB Y2=CDY=Y1 Y2=AB CD=AB+CD将两个将两个OC与非门线与连接即与非门线与连接即可得到

29、与或非的逻辑功能。可得到与或非的逻辑功能。Y和Y1、Y2之间的这种连接方式称为“线与”第87页/共198页88其它类型的TTL门电路 （3）OC门外接负载电阻的计算假 定 将 n个OC门的输出端并联，连到m个TTL与非门的输入端。见第四版图(第五版P95图为CMOS门)。第88页/共198页89其它类型的TTL门电路1）当所有OC门同时截止时，输出高电平。此时流向每个OC门的电流是截止漏电流，设为IOH。若设每个负载门的输入高电平的电流为IIH。显然为使输出高电平不低于规定的值VOH，RL不能选得过大，其最大值为:第四版式第四版式 P95的式的式第89页/共198页90其它类型的TTL门电路

30、2）当OC门中只有一个导通时，电流的实际流向如图所示（第五版P95图）。此时负载电流全部都流入导通的那个OC门，故RL值不能太小，以确保流入导通门的电流不超过其最大允许的负载电流ILM。第90页/共198页91其它类型的TTL门电路 图图计算计算OC门负载电阻最小值的工作状态门负载电阻最小值的工作状态第91页/共198页92其它类型的TTL门电路 由此得到计算由此得到计算RL最小值的公式：最小值的公式：式中式中 VOL OC门输出低电平门输出低电平 m 负载门的数目负载门的数目 IIL 每个负载门低电平输入电流每个负载门低电平输入电流 最后选定的最后选定的RL值应介于式（）和式值应介于式（）和

31、式 所规定的最大值与最小值之间。所规定的最大值与最小值之间。见见P133例例。（P96的式的式第92页/共198页93其它类型的TTL门电路3三态输出门（TS门）134页TS门是在普通门电路的基础上附加控制电路而构成的。P134图是控制端高电平有效的TS门，而图(b)为控制端低电平有效的TS门。第93页/共198页94其它类型的TTL门电路(b)控制端高电平有效控制端低电平有效第94页/共198页95其它类型的TTL门电路 （1）原理分析在图（a）中，EN=1时，D截止，电路工作状态同普通与非门一样，Y=，电路输出高电平或低电平；当EN=0时，D导通，T4基极电位箝置于0.9v左右，T4、T5

32、同时截止，输出处于高阻状态。图(b)中少用一个反相器并且EN的控制极性相反,其余同图(a)一样。第95页/共198页96其它类型的TTL门电路（2）TS门的应用第100页1）总线结构利用TS门分时传递信号到公共传输线总线2）双向data传输等第96页/共198页97TTL电路的改进系列电路的改进系列第135页为提高工作速度和降低功耗，对上述74系列器件进行了改进，生产了以下器件：174H系列（又称高速系列）下图是74H系列与非门74HOO的电路结构。为减少传输延迟时间，提高电路的开关速度，有两项改进：（1）输出级采用了达林顿结构，即用T3和T4组成的复合三极管代替原来的T4。目的是减小了电路输

33、出高电平时的输出电阻，从而提高了对负载电容的充电速度。第97页/共198页98TTL电路的改进系列 74H系列系列与非门门(74H 00)的电路结构的电路结构第98页/共198页99TTL电路的改进系列 （2）将电路中所有电阻的阻值降低了近一倍。好处是：缩短了电路中各节点电位的上升时间和下降时间，加速了三极管的开关过程。但减小电阻值增加了电路的静态功耗，电源平均电流为74系列门电路的两倍。274S系列（又称肖特基系列）74S系列的门电路中采用了抗饱和三极管，这种三极管导通时不进入深度饱和区，使传输延迟时间大幅度减小。（1）抗饱和三极管（肖特基三极管）由普通双极型三极管和肖特基势垒二极管(SBD

34、)组合而成，见图。第99页/共198页100TTL电路的改进系列 图抗饱和三极管图抗饱和三极管第100页/共198页101 TTL电路的改进系列1）SBD不同于普通的不同于普通的PN结型二极管，是由金结型二极管，是由金 属和半导体接触而形成。属和半导体接触而形成。2）SBD只有只有0.30.4v的开启电压的开启电压。故在三极管。故在三极管 的的bc结结进进入入正正向向偏偏置置后后，SBD首首先先导导通通，并并将将bc结结的的正正向向电电压压钳钳在在 0.30.4v,此此后后注注入入到到基基区区的的过过驱驱动动电电流流从从SBD流流走走，制制止止了了三三极管进入深度饱和区。极管进入深度饱和区。第

35、101页/共198页102 TTL电路的改进系列 （2）74S系列与非门（图）1）除T4外，全部采用抗饱和三极管；2）用T6、RB和RC组成有源电路代替了74H系列中电阻R3。其优点是：a）T2由截止变为导通时，T5先于T6导通,T2发射极电流全部流入T5基极，加快了T5的导通；第102页/共198页103 TTL电路的改进系列 图图系列系列与非门门(74S 00)的电路结构的电路结构第103页/共198页104b）T2由导通变为截止时，T6仍导通,为T5基区存储电荷的泄放提供了通路,即加快了T5的截止。故有源泄放回路缩短了门电路的传输延迟时间。C）改善了门电路的电压传输特性。因为该电路不存在

36、T2导通而T5尚未导通的阶段，而这个阶段正是产生电压传输特性线性区的根源。因此74S系列门电路的电压传输特性上没有线性区，更接近理想的开关特性。TTL电路的改进系列第104页/共198页105TTL电路的改进系列374LS系列（又称为低功耗肖特基系列）从上述分析可知：（1）缩短传输延迟时间和降低功耗对电路提出来的要求往往是互相矛盾的。因此只有用两者的乘积（简称延迟功耗积或dp积）才能全面评价门电路性能的优劣。dp积越小，电路的综合性能越好。故在兼顾功耗和速度两方面的基础上又进一步开发了74LS系列。第105页/共198页106 TTL电路的改进系列（2）74LS系列与非门74LSOO的典型电路

37、见P137图。在电路结构上采取了以下措施：1）大幅度地提高了各电阻的阻值，以降低功耗。其功耗仅为74系列的五分之一，为74H系列的十分之一。2）缩短传输延迟时间、提高开关速度的措施：第106页/共198页107 TTL电路的改进系列 图图系列系列与非门门(74LS 00)的电路结构的电路结构第107页/共198页108 TTL电路的改进系列a）使用抗饱和三极管和引入有源泄放电路；b）用SBD代替了输入端的多发射极三极管。因为SBD无电荷存储效应；c）接入了D3和D4二个SBD，加快了电路开关状态的转换，详见P138分析。由于采用了上述措施，使74LS系列的dp积仅为74系列的五分之一，为74S

38、系列的三分之一。第108页/共198页109TTL电路的改进系列3）74LS系列门电路的电压传输特性也没有线性区，且阈值电压比74系列低，约1v。474AS和74ALS系列（1）74AS是为进一步缩短传输延迟时间而设计的改进型：1）电路结构同74LS；2）采用很低的电阻值。（2）74ALS系列是为了获得更小的dp积而设计的改进系列。第109页/共198页110 TTL电路的改进系列554、54H、54S、54LS系列54系列的TTL电路和74系列电路、电路结构和电气性能参数完全相同。所不同的是：74系列：工作环境温度070，电源电压工作范围5v5%。54系 列：工 作 环 境 温 度-55+1

39、25，电 源 电 压 工 作 范 围5v10%。（1）不同系列TTL门电路的性能比较见P138表。（2）不同系列的TTL器件中，只要器件型号的后几位阿拉伯数字一样，则它们的逻辑功能、外形尺寸、引脚排列就完全相同。第110页/共198页111*2.5其它类型的双极型数字集成电路2.5其它类型的双极型数字集成电路在双极型的数字集成电路中，除了TTL以外，还有DTL、HTL、ECL和I2L，其中DTL已被TTL取代，HTL用于高阈值、抗干扰性强的电路中，目前已几乎被CMOS取代。下面仅介绍ECL和I2L：电路1ECL电路的结构与工作原理ECL中的三极管全部工作于非饱和状态（导通放大和截止状态）ECL

40、或/或非门的典型电路和逻辑符号见P140图。其结构包括三部分：第111页/共198页112*2.5其它类型的双极型数字集成电路图图或或 /或非或非门的电路及逻辑符号门的电路及逻辑符号第112页/共198页113*2.5其它类型的双极型数字集成电路 （1）由T1、T2、T3、T4、T5、T6组成电流开关。其中T1、T2、T3、T4的发射极连在一起，它们的集电极也连在一起，VC1经T7实现或非逻辑；T5的集电极输出VC2经T8实现或逻辑Y=A+B+C+D；T1、T2、T3、T4的基极分别为四个输入A、B、C、D；（2）由T6、D1、D2等组成基准电压,T6的发射极给出的基准电压VBB=-1.3v，

41、输入信号的高、低电平分别为VIH=-0.92v，VIL=-1.75v；（3）T7和T8组成射极输出。工作原理为：第113页/共198页114*2.5其它类型的双极型数字集成电路（1）当 A、B、C、D同 时 为-1.75v时，由 于 T5基 极 电 压 为-1.3v，故 T5先 导 通，其 发 射 极 电 压 钳 在VE=VBB-VBE=-1.3-0.77=-2.07v,此时T1T4截止,VC1为高电平而VC2为低电平。（2）当四个输入中有一个（假定为A）接-0.92v，T1的基压高于VBB，故T1导通，并将发射极电平钳在VE=VIVBE=-1.69v，此时T5截止，VC1为低电平而VC2为高

42、电平。综上所述，A、B、C、D同时为低电平时，VC1为高电平，VC2为低电平；而A、B、C、D中只要有一个为高电平，VC1就为低电平，VC2为高电平，故VC1输出为或非逻辑，而VC2输出为或逻辑。第114页/共198页115*2.5其它类型的双极型数字集成电路2ECL电路的主要特点：（1）是目前各种数字集成电路中工作速度最快的一种。（2）输出端采用射极输出结构，输出电阻低，带负载能力很强。（3）电路开关过程中电源电流变化不大，电路内部的开关噪声很小。（4）采用互补的输出端，同时还可以直接将输出端并联以实现线或功能。缺点：功耗大；输出电平稳定性差；噪声容限低。详见P142的说明。第115页/共1

43、98页116*2.5其它类型的双极型数字集成电路（集成注入逻辑）I2L电路具有电路结构简单、功耗低的特点，特别适于制成大规模集成电路。1电路的结构与工作原理（1）电路结构其基本单元是由一只多集电极三极管构成的反相器，反相器的偏流由另一只三极管提供。电路的基本逻辑单元的结构示意图和电路的表示方法详见P142图。第116页/共198页117*2.5其它类型的双极型数字集成电路（a）电路图）电路图 （b）简化的电路图）简化的电路图图图 电路的基本逻辑单元电路的基本逻辑单元简化简化第117页/共198页118*2.5其它类型的双极型数字集成电路 （2）工作原理：当VI=0时，IO从输入端流出，T截止，

44、C1、C2、C3输出高电平（假定C1、C2、C3分别经过负载电阻接至正电源）。当输入端悬空或经过大电阻接地时,T饱和导通，C1、C2、C3输出低电平。可见任何一个输出端与输入端之间都是反相的逻辑关系。第118页/共198页119*2.5其它类型的双极型数字集成电路2电路的主要特点优点：（1）电路结构简单；（2）各逻辑单元之间不需要隔离；（3）能够在低电平、微电流下工作，其最低工作电压为0.70.8v。I2L反相器的工作电流可小于1nA，是双极型数字IC中功耗最低的。缺点：（1）抗干扰能力较差；（2）开关速度较慢。（详见P143144说明）第119页/共198页120 2.6CMOS门电路2.6

45、CMOS门电路(第80页)反相器的工作原理1电路结构和工作原理基本电路结构为有源负载反相器，如图所示。其中，T1为P沟道增强型MOS管，T2是N沟道增强型MOS管。第120页/共198页121 2.6CMOS门电路 图图CMOS反相器反相器 （a）结构示意图结构示意图 （b）电路图电路图第121页/共198页1222.6CMOS门电路若假定：VGS(th)PT1的开启电压VGS(th)NT2的开启电压同时令:VDDVGS(th)N+|VGS(th)P|，那么当 VI=VIL=0时,T1导 通,T2截 止,VO=VOHVDD当 VI=VIH=VDD时,T1截 止,T2导 通,VO=VOL0即VO

46、=，输出与输入之间为逻辑非的关系。第122页/共198页1232.6CMOS门电路 特点：（1）无论VI=VIL，还是VI=VIH，T1和T2总是工作在一个导通而另一个截止的状态。故把这种结构形式称为互补对称式金属一氧化物半导体电路，简称CMOS电路。（2）T1和T2为串联形式，其中一个截止时，截止内阻极高，故流过T1和T2的电流极小，因而CMOS的静态功耗极小。第123页/共198页1242.6CMOS门电路 2电压传输特性和电流传输性图反相器的电压传输特性图反相器的电压传输特性T1导通T2截止T2导通T1截止T1T2同时导通第124页/共198页1252.6CMOS门电路 （1）在 AB段

47、：T1导 通，T2截 止，VO=VOHVDD（2）在 CD段：T1截 止，T2导 通，VO=VOL0（3）在BC段：T1和T2同时导通，若T1和T2的 参 数 完 全 对 称，则 VI=(1/2)VDD时，VO=(1/2)VDD，故CMOS反相器的阈值电压为VTH(1/2)VDD，且特性曲线在BC段的变化率很 大，因 此 它 更 接 近 于 理 想 的 开 关 特 性，CMOS反相器有较高的输入噪声容限。第125页/共198页1262.6CMOS门电路 图图CMOS反相器的电流传输特性反相器的电流传输特性第126页/共198页1272.6CMOS门电路 CMOS反相器的电流传输特性：反相器的电

48、流传输特性：（1）在AB段,T1导通,T2截止，iD极小;（2）在CD段,T1截止,T2导通,iD也极小;（3）在BC段,T1和T2同时导通,iD较大,尤其在1/2VDD处,iD最大。第127页/共198页1282.6CMOS门电路3输入端噪声容限（详见P83）（1）VNH和VNL随VDD的增加而加大；（2）在每个VDD值下，VNH和VNL始终保持相等；（3）适当提高VDD可提高CMOS反相器的输入端的噪声容限。（4）国产CC4000系列CMOS电路的输入噪声容限和VDD的关系见图。第128页/共198页1292.6CMOS门电路图不同图不同VDD下下CMOS反相器的噪声容限反相器的噪声容限第

49、129页/共198页130图CMOS反相器的输入端噪声容限与VDD的关系第130页/共198页1312.6CMOS门电路反相器的静态输入特性和输出特性1输入特性（1）MOS管的输入端必须加保护电路，见P83分析。（2）用图（a）和（b）所示输入保护电路的输入特性曲线见图（a）和（b）。1）在-0.7vVIVDD+0.7v内，输入电流几乎为零；2）在VI-0.7v和VIVDD+0.7v内，输入电流随VI变化很快。第131页/共198页1322.6CMOS门电路图图CMOSCMOS反相器的输入保护电路反相器的输入保护电路 （a a）CC4000CC4000系列的系列的输入保护电路输入保护电路 （b

50、 b）74HC74HC系列的系列的输入保护电路输入保护电路第132页/共198页1332.6CMOS门电路图第133页/共198页1342.6CMOS门电路2输出特性（1）低电平输出特性对应于T1截止,T2导通的工作状态,等效电路见图，低电平输出特性见图有二点说明：1）T2具有一定的导通内阻RON，故VOL随IOL的增加而提高；2）T2的RON与VGS2的大小有关，VGS2越大RON就越小。故在同样的IOL下，VDD越高，VGS2也就越大，RON越小，VOL也就越低。P75式第134页/共198页1352.6CMOS门电路 图图3.3.18 vO=VOL时时 CMOS反相器的工作状态反相器的工