集成邏輯門電路

1、第十一章 集成邏輯門電路27011.1 半導(dǎo)體二極管和三極管的開關(guān)特性27011.1.1 晶體二極管的開關(guān)特性27011.1.2 晶體三極管的開關(guān)特性27411.1.3 由二極管與三極管組成的基本邏輯門電路27711.2 TTL“與非”門電路28011.2.1 典型TTL“與非”門電路28011.2.2 TTL"與非"門的電壓傳輸特性28211.2.3 TTL“與非”門的主要參數(shù)28311.2.4 TTL門電路的改進28411.2.5 集電極開路TTL門（OC門）28611.2.6 三態(tài)TTL門（TSL門）28811.3 場效應(yīng)管與MOS邏輯門28911.3.1 N溝道增強

2、型MOS管的開關(guān)特性29011.3.2 NMOS反相器29311.3.3 CMOS邏輯門電路29411.4 正邏輯與負(fù)邏輯29711.4.1 正負(fù)邏輯的基本概念29811.4.2 正負(fù)邏輯變換規(guī)則298習(xí) 題300第十一章 集成邏輯門電路 門電路(gate circuit)是構(gòu)成數(shù)字電路的基本單元。所謂“門”就是一種條件開關(guān)，在一定的條件下，它能允許信號通過，條件不滿足時，信號無法通過。在數(shù)字電路中，實際使用的開關(guān)都是晶體二極管、三極管以及場效應(yīng)管之類的電子器件。這種器件具有可以區(qū)分的兩種工作狀態(tài)，可以起到斷開和閉合的開關(guān)作用。而且門電路的輸出與輸入之間存在著一定的邏輯關(guān)系，這種邏輯關(guān)系又稱邏

3、輯門電路。 最基本的邏輯門電路有：“與”門、“或”門和“非”門。在實際使用中，常用的是具有復(fù)合邏輯功能的門電路，如“與非”門、“或非”門、“與或非”門、“異或”門等電路。 邏輯門電路可以是由分立元件構(gòu)成，但目前大量使用的是集成邏輯門電路，它按晶體管的導(dǎo)電類型分為雙極性(bipolar)和單極性兩類。雙極性有：晶體管邏輯門電路（簡稱為TTL電路）、射極耦合邏輯門電路（簡稱為ECL電路）、集成注入邏輯門電路（簡稱為I2L電路）等；單極性有：金屬氧化物半導(dǎo)體互補對稱邏輯門電路（簡稱CMOS電路）等。 本章在分析晶體二極管、三極管的開關(guān)特性(switching characteristic)基礎(chǔ)上，以

4、分立元件構(gòu)成的基本門電路入手，分析其工作原理，重點介紹目前應(yīng)用最廣泛的集成化TTL電路和MOS電路。11.1 半導(dǎo)體二極管和三極管的開關(guān)特性 一個理想的開關(guān)元件應(yīng)具備三個主要特點：在接通狀態(tài)時，其接通電阻為零，使流過開關(guān)的電流完全由外電路決定；在斷開狀態(tài)下，阻抗為無窮大，流過開關(guān)的電流為零；斷開和接通之間的轉(zhuǎn)換能在瞬間完成，即開關(guān)時間為零。盡管實際使用的半導(dǎo)體電子開關(guān)特性與理想開關(guān)有所差別，但是只要設(shè)置條件適當(dāng)，就可以認(rèn)為在一定程度上接近理想開關(guān)。11.1.1 晶體二極管的開關(guān)特性 晶體二極管是由PN結(jié)構(gòu)成，具有單向?qū)щ娞匦?。在近似的開關(guān)電路分析中，晶體二極管可以當(dāng)作一個理想開關(guān)來分析；但在嚴(yán)

5、格的電路分析中或者在高速開關(guān)電路中，晶體二極管則不能當(dāng)作一個理想開關(guān)。 一、晶體二極管開關(guān)的靜態(tài)特性曲線 第六章對二極管的工作原理和特性進行了描述，為了說明它的開關(guān)特性，將二極管的特性曲線重畫于此，見圖11-1所示。 當(dāng)外加正向電壓時，正向電流iD隨正向電壓uD的增加而增加，但當(dāng)正向電壓較小時，流過二極管的電流很小，當(dāng)外加正向電壓超過門限電壓Uon后，二極管的電流明顯增大。并按指數(shù)規(guī)律上升，硅二極管的門限電壓為0.6V0.7V，鍺二極管的門限電壓為 iD(mA) 20 10 -60 -30 Uon UR 0 0.2 0.4 uD(V) -10 -20 (A)(b) 鍺二極管的伏安特性曲線 iD

6、(mA) 20 10 -40 -20 UonUR 0 0.4 0.8 uD(V) -10 -20 (nA)(a) 硅二極管的伏安特性曲線圖11-1 二極管靜態(tài)特性曲線0.20.3V。 當(dāng)二極管外加反向電壓時，若uD在一定范圍內(nèi)，僅有較小的反向飽和電流IS，它幾乎與反向電壓的增加無關(guān)。對于鍺管，反向飽和電流IS大約是幾十微安，對于硅管，反向飽和電流極小，一般小于1微安。 當(dāng)反向電壓很高時，反向電流會急劇增加，二極管被擊穿。對于應(yīng)用在開關(guān)狀態(tài)的二極管來說，應(yīng)避免工作在反向擊穿區(qū)。 iD UR Uon uD 圖11-2 二極管線性化特性曲線 在數(shù)字電路中，二極管作為開關(guān)管使用主要應(yīng)用在大信號工作狀態(tài)

7、，即由導(dǎo)通狀態(tài)到截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)uD>Uon時，二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)UR<uD<Uon時，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。因此，采用線性化的方法，將二極管的特性曲線用幾段折線來近似，便可以直觀說明二極管的開關(guān)特性。 圖11-2所示為二極管伏安特性曲線分段線性化的曲線，它將二極管的工作狀態(tài)分成三個區(qū)。 區(qū)：導(dǎo)通區(qū)是一條斜率為1/rD交于橫軸Uon的直線。rD為二極管正向?qū)〞r的內(nèi)阻，其值約為數(shù)十歐至數(shù)百歐，在此區(qū)二極管端電壓與電流的關(guān)系為： 區(qū)：截止區(qū)近似是一條斜率為1/rR，與縱軸相交于IS的直線，rR為二極管截止時的反向電阻，通常為數(shù)百千歐。此區(qū)二極管電壓與電流的關(guān)系可寫為： 區(qū)：擊穿區(qū)

8、近似為一條斜率是1/rZ向上延伸并交于橫軸UR的直線。rZ為二極管反向擊穿時的內(nèi)阻，通常為幾歐姆，其電壓與電流的關(guān)系為： R ui D uD圖11-4 理想二極管瞬態(tài)開關(guān)特性電路圖 iD iD uD uD 0圖11-3 理想二極管伏安特性 實際使用時，外加電壓通常比門限電壓Uon大的多，外接負(fù)載電阻RL通常也是在數(shù)百歐至數(shù)千歐，遠遠大于二極管的正向?qū)▋?nèi)阻rD，所以，當(dāng)二極管工作在導(dǎo)通區(qū)時，在近似計算中，Uon和rD可忽略不計，即將二極管的正向?qū)ㄒ暈槎搪?。在反向運用時，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，硅二極管的反向飽和電流IS極小，而外接負(fù)載電阻RL又遠遠小于二極管截止時的內(nèi)阻rR，因而可將IS和rR都

9、忽略，把二極管看成完全斷開。綜上所述，理想二極管的伏安特性曲線如圖11-3所示。 二、二極管的瞬態(tài)開關(guān)特性 以上對二極管的分析，只適合電信號工作頻率比較低的情況下的電路。這是因為我們分析電路的前提是認(rèn)為二極管的導(dǎo)通與截止是瞬時完成的，然而當(dāng)電路中的信號頻率比較高（>106Hz）時，從實驗和理論分析均可得出，二極管從導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止的時間不能忽略，二極管的開關(guān)特性將受到影響（從截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的時間比從導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止的時間小的多，可以忽略）。 二極管的瞬態(tài)開關(guān)特性是指二極管在正向?qū)ㄅc反向截止這兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時，所具有的過渡特性，也稱為二極管的動態(tài)特性。 為了能有一個較為明確的形象概念，給出圖11

10、-4所示的一個簡單二極管開關(guān)電路。設(shè)輸入信號如圖11-5(a)所示方波信號，在ui的作用下，二極管的開關(guān)特性描述如下。 （1）當(dāng)tt1時，ui=UF，二極管正向?qū)ǎ藭r 式中， 滿足條件UF>>Uon，R>>rD時， iD(t)、uD(t)的波形如圖11-5(b)、(c)所示。 （2）當(dāng)t=t1瞬間，輸入電壓ui(t)突然由UF躍降到UR，在滿足條件rR>>R的條件下，如果二極管是一個理想開關(guān)，則通過它的電流應(yīng)從UF/R突然下降到IS，二極管上的壓降則應(yīng)近似等于所加的反向電壓UR，其iD(t)、uD(t)的理想波形如圖11-5(b)、(c)所示。然而，實際

11、的波形并非如此。二極管不能隨ui的下跳立即反偏截止，這時仍有電流流過，此電流是從正向的UF/R突然變成很大反向電流，其值近似等于UR/R，這說明二極管仍然是正向?qū)ǖ?。維持一段時間ts后，反向電流才開始下降，再經(jīng)過一段時間tf，反向電流逐漸衰減到，同時二極管的壓降uD(t)才下降至反向電壓UR，此時二極管才算進入到穩(wěn)態(tài)的截止?fàn)顟B(tài)。iD(t)、uD(t)的實際波形如圖11-6(b)、(c)所示。 iD IF 0 t -IR tr ts tf trr (c)圖11-6 二極管瞬態(tài)開關(guān)特性 uD 0 t2 t t1 (b) ui UF 0 t1 t2 t UR(a) iD IF 0 t(c)圖11-

12、5 理想二極管開關(guān)特性 uD 0 t UR(b) ui UF 0 t UR(a) 輸入電壓ui(t)由UF下跳至UR開始，到反向電流恢復(fù)穩(wěn)定截止值IS為止，二極管經(jīng)歷了從導(dǎo)通到截止的過渡過程，這段過程稱為二極管的反向恢復(fù)時間(reverse recovery time)trr，如圖11-6(c)所示。通常，ts為存儲時間，tf為下降時間，trr=ts+tf。 （3）當(dāng)t=t2時，輸入電壓ui(t)由UR返回到UF，二極管將由反向截止過渡到正向?qū)?。這段過渡過程所需要的時間很短，對開關(guān)速度的影響可以忽略不計。 由以上分析可知，當(dāng)輸入信號ui(t)為頻率很高的矩形脈沖，而其負(fù)半波的寬度與二極管的反

13、向恢復(fù)時間trr可以比較時，二極管就不再具有單向?qū)щ姷奶匦裕荒茏鳛橐粋€電子開關(guān)來應(yīng)用。 三、產(chǎn)生反向恢復(fù)過程的原因。 產(chǎn)生反向恢復(fù)時間trr的原因應(yīng)從半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性加以解釋。 當(dāng)二極管加正向偏置電壓時，外加電場與自建電場方向相反，使PN結(jié)的耗盡層變窄，如圖11-7所示。實際上，由P區(qū)擴散到N區(qū)的空穴，不會全部與電子復(fù)合而立即消失，而在一定路程內(nèi)，邊擴散，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)的電子擴散到P區(qū)后，也將在P區(qū)出現(xiàn)一定的電子積累，如圖11-7所示，這些擴散到對方區(qū)域并積累的

14、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)象稱為存儲效應(yīng)。 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) 圖11-7 二極管多余的少數(shù)載流子濃度分布自建場 耗盡區(qū)P區(qū) N區(qū)UF+ U/RU/R - 正向?qū)〞r，非平衡少數(shù)載流子的積累現(xiàn)象叫做電荷存儲效應(yīng)。 當(dāng)輸入電壓ui突然由UF變?yōu)閁R時，由于正向?qū)〞r二極管存儲的電荷不可能立即消失，這些存儲電荷的存在，使PN結(jié)仍然維持正向偏置；但在外加反向電壓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)，使得這些存儲電荷形成漂移電流，使存儲電荷不斷減少，從ui負(fù)跳變開始至反向電流ID降到0.9IR所

15、需的時間稱為存儲時間ts。這段時間內(nèi)，PN結(jié)處于正向偏置，反向電流IR近似不變。 經(jīng)過ts時間后，P區(qū)和N區(qū)存儲電荷已顯著減少，反向電流一方面使存儲電荷繼續(xù)消失，同時使耗盡層逐漸加寬，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)。反向電流由IR逐漸減小至反向飽和電流值。這段時間稱為下降時間tf。通常以從0.9IR下降到0.1IR所需的時間來確定tf。trr=ts+tf稱為反向恢復(fù)時間。通常以UR負(fù)跳變開始到反向電流下降到0.1IR所需的時間來確定trr。反向恢復(fù)時間是影響二極管開關(guān)特性的主要原因，是二極管開關(guān)特性的重要參數(shù)。 反向恢復(fù)時間的長短，既取決于二極管本身的結(jié)構(gòu)，也與外部電路有

16、關(guān)。管子的PN結(jié)面積越大，管內(nèi)存儲的電荷越多，反向恢復(fù)時間tss就越長。一般開關(guān)管結(jié)面積小，可以使存儲電荷很快消失，所以反向恢復(fù)時間短。此外，由外部電路提供的正向電流越大，存儲電荷越多，則反向恢復(fù)時間越長，反向電流越大，存儲電荷消散的越快，則反向恢復(fù)時間就越小。 廠家產(chǎn)品手冊上給出的反向恢復(fù)時間是在一定的工作條件下測得的，一般開關(guān)管的反向恢復(fù)時間在納秒(ns)數(shù)量級。11.1.2 晶體三極管的開關(guān)特性 由于晶體三極管有截止、飽和和導(dǎo)通三種工作狀態(tài)，在一般模擬電子線路中，晶體三極管常常當(dāng)作線性放大元件或非線性元件來使用，在數(shù)字電路中，在大幅度脈沖信號作用下，晶體三極管也可以作為電子開關(guān)，而且晶體

17、三極管易于構(gòu)成功能更強的開關(guān)電路，因此它的應(yīng)用比開關(guān)二極管更廣泛。 一、晶體三極管穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性 圖11-8(a)所示為一基本單管共射電路。輸入電壓ui通過電阻Rb作用于晶體三極管的發(fā)射結(jié)，輸出電壓uo由晶體管的集電極取出。其輸入回路和輸出回路的關(guān)系式如下： Ucc uo Rc 10 Rb uo 截 飽ui T 5 止 放 和 區(qū) 大 區(qū) 區(qū) ui 0.5 1 1.5 (a) 單管共射電路 (b)單管共射電路傳輸特性圖11-8 基本單管共射電路及傳輸特性 基本單管共射電路的傳輸特性如圖11-8(b)所示。所謂傳輸特性是指電路的輸出電壓uo與輸入電壓ui的函數(shù)關(guān)系?？梢詫⑤敵鎏匦郧€大體分為三個區(qū)

18、域：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。 當(dāng)輸入電壓ui小于門限電壓Uon時，三極管工作在截止區(qū)，此時三極管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于反向偏置，則 ib0，ic0，uoUcc 三極管T相當(dāng)于開關(guān)斷開。 ui U(a) t-U ic td tr ts tf(b) 0 t ton toff(c) 0 t圖11-9 三極管的瞬態(tài)開關(guān)特性 當(dāng)輸入電壓ui大于門限電壓Uon而又小于某一數(shù)值（如在圖11-8(b)中約為1V時），三極管工作在放大區(qū)。三極管發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置，此時ib、ic隨ui的增加而增加，uo隨ui的增加而下降，當(dāng)輸入電壓有較小的ui的變化時，則輸出電壓uo有較大的變化，即 uo/ui>

19、;>1 當(dāng)輸入電壓ui大于某一數(shù)值時，三極管工作在飽和區(qū)。三極管發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正向偏置，此時基極電流ib足夠大，滿足 此時 三極管c、e之間相當(dāng)于開關(guān)閉合。 二、三極管的瞬態(tài)開關(guān)特性 三極管的瞬態(tài)開關(guān)過程與二極管瞬態(tài)開關(guān)過程相類似，在截止和飽和狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換所具有的過渡特性。若三極管是一個理想的、無惰性的開關(guān)，那么輸出電壓uo應(yīng)重現(xiàn)輸入ui的波形，只是波形幅度增大和倒相而已。但實際上，三極管是有惰性的開關(guān)，當(dāng)信號頻率高到其周期值能與三極管的開關(guān)時間相比擬時，截止?fàn)顟B(tài)和飽和狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換不能在瞬間完成，這就使得三極管作為電子開關(guān)的開關(guān)性能遭到破壞。 若圖11-9(a)是輸入電壓ui的波

20、形，則ic和uc的波形如圖11-9(b)、(c)所示。 延遲時間td指輸入信號ui正躍變開始到集電極電流上升到0.1Ics所需的時間。 上升時間（rise time）tr指集電極電流ic從0.1Ics上升到0.9Ics所需時間。 存儲時間(store time)ts指從輸入信號ui負(fù)跳變瞬間開始，到集電極電流下降至0.9Ics所需時間。 下降時間(fall time)tf指三極管的集電極電路從0.9Ics開始下降到0.1Ics所需的時間。 通常，把延遲時間td與上升時間tr之和稱為三極管的開啟時間ton。即ton=td+tr，它反映了三極管從截止到飽和所需的時間。存儲時間ts與下降時間tf之和

21、稱為三極管的關(guān)閉時間，即toff=ts+tf，它反映了三極管從飽和到截止所需的時間。 延遲時間(delay time)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，因為要使發(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上升到門限電壓Uon，這時發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子，注入基區(qū)的電子在基區(qū)內(nèi)形成電子濃度梯度分布。擴散到集電結(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上跳時刻要延遲一個時間td。這就是td產(chǎn)生的原因。 上升時間tr的產(chǎn)生 發(fā)射結(jié)開始導(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。這是因為集電極

22、電流的形成，要求電子在基區(qū)中有一逐步積累的過程，需要一定的時間，不會隨ib躍變而躍變。 上升時間tr與管子的結(jié)構(gòu)有關(guān)，基區(qū)的寬度越小，tr越小。外電路方面，基區(qū)正向驅(qū)動電流ib越大，則基區(qū)電子濃度分布建立越快，tr越短。為了提高三極管的開關(guān)速度，減小上升時間tr，首先應(yīng)選用基區(qū)寬度較小的高頻管和開關(guān)管；其次，在電路設(shè)計上，加大正向基極電流。 當(dāng)上升時間結(jié)束后，三極管進入飽和狀態(tài)。集電結(jié)轉(zhuǎn)向正向偏置，收集電子的能力減弱，造成超量的電子電荷在基區(qū)存儲。 存儲時間ts的產(chǎn)生 當(dāng)輸入信號ui由U下跳到U時，基極電流ib為U/Rb，這使基區(qū)存儲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

23、飽和退到臨界飽和所需要的時間就是存儲時間ts。 存儲時間ts不僅與管子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，同時也與外部電路有關(guān)。為了提高三極管的開關(guān)速度，減小存儲時間，第一，可選用基區(qū)很薄的高頻管或開關(guān)管，第二，減小正向驅(qū)動電流ib=U/Rb，可降低三極管的飽和深度，從而使積累的超量電荷減少，此外，可增大反向偏置電壓，以增加反向驅(qū)動電流U/Rb，使超量電荷消散速度加快，便可減小存儲時間ts。 下降時間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)開始由正向偏置轉(zhuǎn)向反向偏置，在反向驅(qū)動電流U/Rb繼續(xù)驅(qū)動下，基區(qū)存儲電荷開始消散，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

24、間tf就是三極管從飽和經(jīng)過放大區(qū)轉(zhuǎn)到截止區(qū)的時間。 為了減小下降時間，除可選用高頻管和開關(guān)外，可加大U和減小Rb加速基區(qū)電荷的消散過程。 三、提高三極管開關(guān)速度的途徑 根據(jù)以上分析可知，三極管開關(guān)存在惰性的實質(zhì)是基區(qū)電荷積累和消散的過程。為了提高電路的工作速度，在設(shè)計電路時，必須使開關(guān)時間ton和toff盡可能減小，當(dāng)晶體管選擇好以后，從電路條件來看，基極正向電流和基極反向電流會影響開關(guān)時間的長短，但各段開關(guān)時間的影響是相互制約的。加大正向基極電流可使延遲時間td和上升時間tr減小，卻加深了三極管的飽和，從而使存儲時間ts增加，如果加大反向基極電流，雖然可以使存儲時間ts和下降時間tf縮短，這

25、又會導(dǎo)致三極管的截止程度加深，使延遲時間td加長，所以設(shè)計時應(yīng)全面考慮。 在實際電路中，常采用的方法是在基極電阻Rb上并聯(lián)一個電容cj來改善三極管的開關(guān)特性，由于該電容能加速三極管的通斷過程，故稱為加速電容，電路如圖11-10所示。 Ucc Cj Rc uoui T Rb圖11-10 加速電容改善開關(guān)特性 當(dāng)輸入電壓ui由U上跳到U瞬間，Cj兩端的電壓不能突變，Cj相當(dāng)于短路，此時，正向基極電流很大，使三極管很快進入飽和狀態(tài)，開啟時間ton大大減小。隨著Cj的充電，基極電流按指數(shù)規(guī)律衰減。當(dāng)充電完畢，電路進入穩(wěn)態(tài)后，電容Cj相當(dāng)于開路，穩(wěn)態(tài)時的基極電流仍是由U、Rb決定的，所以可以適當(dāng)選擇U和

26、Rb使基極電流略大于臨界飽和時所需的基極電流，這樣可以保證三極管不至于飽和過深，ts就不會太長。 當(dāng)輸入電壓ui由U下跳到U時，同理Cj兩端電壓不能突變，Cj相當(dāng)于短路，三極管的發(fā)射結(jié)上加上較大的反向偏置，從而產(chǎn)生較大的基極反向驅(qū)動電流，加快了基區(qū)多余存儲電荷的消失，這就使三極管的關(guān)斷時間大大縮短。 對于加速電容Cj數(shù)值的選擇一定要適當(dāng)。當(dāng)Cj太大，充電時間太長，可能在輸入方波ui結(jié)束時，基極電流還沒有達到穩(wěn)態(tài)值而失去瞬間增強基極電流的效果；若Cj太小，則充電時間太短，將使大驅(qū)動電流存在的時間太短，使加速作用不足。一般根據(jù)經(jīng)驗選取，Cj應(yīng)比電路的輸入電容大得多。對一般低頻管fa<3MHz

27、，Cj取200pF500pF；對于開關(guān)管fa>3MHz，Cj取20pF200pF。11.1.3 由二極管與三極管組成的基本邏輯門電路基本邏輯運算有：“與”、“或”、“非”運算。相應(yīng)的基本邏輯門有“與”、“或”、“非”門。在實際應(yīng)用中，還經(jīng)常將這些基本邏輯門組合為復(fù)合門電路，通常也把這些常用的復(fù)合門電路也稱為基本邏輯單元，如“與非”門電路、“或非”門電路等。本節(jié)介紹簡單的二極管門電路和三極管反相器(inverter)，作為邏輯門電路的基礎(chǔ)。 一、二極管“與”門和“或”門電路 1“與”門電路 +Ucc(5V) R IR DA AA F F DB BB DC CC (a)電路圖 (b)邏輯符號

28、圖11-11 二極管“與”門電路& 圖11-11(a)所示為二極管“與”門電路，A、B、C是它的三個輸入端，F(xiàn)是輸出端，圖11-11(b)是它的邏輯符號 對于A、B、C中的每一個輸入端而言，都只能有兩種狀態(tài)：高電位或低電位（或稱為電平），輸入端究竟是高電位還是低電位，對于圖11-11所示電路，約定：+5V左右為高電平，用“1”表示，0V左右為低電平，用“0”表示。 當(dāng)輸入端A、B、C全為高電平“1”，即三個輸入端都在+5V左右時，三個二極管均截止，輸出端F電位與Ucc相同。因此，輸出端F也是“1”。 當(dāng)輸入端不全為“1”，而有一個或一個以上為“0”時，如輸入端A是低電平0V，則二極管D

29、A因正向偏置而導(dǎo)通，輸出端F的電平近似等于輸入端A的電平，即F為“0”。這時二極管DB、DC因承受反向電壓而截止。 當(dāng)輸入端A、B、C都是低電平時，即三個輸入端都在0V左右，DA、DB、DC均導(dǎo)通，所以輸出端F為低電平，即F為“0”。 若把輸入端A、B、C看作邏輯變量，F(xiàn)看作邏輯函數(shù)，根據(jù)以上分析可知：只有當(dāng)A、B、C都為“1”時，F(xiàn)才為“1”，否則，F(xiàn)為“0”，這正是“與”邏輯運算，也是把此電路稱為“與”門的由來。“與”門的輸出F與輸入A、B、C的關(guān)系可用如下邏輯式來表達： F=A·B·CA DAB DB FC A DC F R IR B C (a)電路圖 (b)邏輯符號

30、圖11-12 二極管“或”門電路1 2“或”門電路 圖11-12(a)所示為二極管組成的“或”門電路，圖11-12(b)是它的邏輯符號。圖中A、B、C是輸入端，F(xiàn)是輸出端。 “或”門的邏輯功能為：輸入只要有一個為“1”，其輸出就為“1”。例如，A端為高電平“1”，而B、C端為低電平“0”時，則二極管DA因承受較高的正向電壓而導(dǎo)通，F(xiàn)端的電位為UA，此時DB、DC承受反向電壓而截止。所以輸出端F為高電平“1”。 可以分析，只有在輸入端A、B、C全為“0”時，輸出端F才為“0”，其余情況輸出F全為“1”，這正是“或”邏輯運算，故稱此電路為“或”門電路，其邏輯表達式為： F=A+B+C 二、三極管“

31、非”門電路 由三極管反相器可以組成最簡單的“非”門電路。其電路組成和邏輯符號如圖11-13所示。圖中A為輸入端，F(xiàn)為輸出端。 Ucc Rc FA T A F Rb (a)電路圖 (b)邏輯符號圖11-13 三極管“非”門電路1 當(dāng)輸入端A為“0”時，若能滿足基極電位UB<0的條件，則三極管可靠截止，輸出端F的電位接近于Ucc，在這種情況下，F(xiàn)輸出高電平“1”。 當(dāng)輸入端A為高電平“1”時，如電路參數(shù)滿足條件，則三極管飽和導(dǎo)通，即 Uce=Uces0.3V 所以在輸出端UF=0.3V，F(xiàn)輸出為低電平。 綜上所述，當(dāng)A為“0”時，F(xiàn)為“1”；當(dāng)A為“1”時，F(xiàn)則為“0”。換句話說，輸出F總與

32、輸入端A狀態(tài)相反，這正是邏輯“非”運算。由于三極管反相器能完成“非”邏輯運算，所以稱為“非”門電路，其邏輯表達式為： 三、復(fù)合門電路 上面介紹了二極管“與”門和“或”門電路，其優(yōu)點是電路簡單、經(jīng)濟。但在許多門電路互相連接時，由于二極管有正向壓降，通過一級門電路以后，輸出電平對輸入電平約有0.7V（硅管）的偏移。這樣經(jīng)過一連串的門電路之后，高低電平就會嚴(yán)重偏離原來的數(shù)值，以至造成錯誤的結(jié)果。此外，二極管門帶負(fù)載能力也較差。 +Ucc(5V) R1 Rc F D1 D4 D5A A D2 b T B FB P C D3 R2C (a) 電路圖 (b) 邏輯符號圖11-14 DTL“與非”門電路&a

33、mp; 為了解決這些問題，采用二極管與三極管門組合，組成“與非”門、“或非”門?！芭c非”門和“或非”門在帶負(fù)載能力、工作速度和可靠性方面都大為提高，因此成為邏輯電路中最常用的基本單元。 圖11-14(a)是一個簡單的集成“與非”門電路，它是由二極管“與”門和三極管“非”門串聯(lián)而成，組成二極管三極管邏輯門，簡稱DTL（Diode-Transistor Logic)電路。圖11-14(b)是“與非”門的邏輯符號。 在圖11-14(a)中，二極管D4、D5與電阻R2組成分壓器對P點的電位進行變換。 當(dāng)輸入端A、B、C都是高電平時（如+5V），二極管D1D3均截止，而D4、D5和T導(dǎo)通，UP約為，D4

34、、D5呈現(xiàn)的電阻比較小，使流入三極管的基極電流Ib足夠大，從而使三極管飽和導(dǎo)通，UF0.3V，即輸出為低電平；在輸入端A、B、C當(dāng)中，只要有一個為低電平0.3V時，UP將為0.3+0.7=1V，此時，D4、D5和三極管均截止，UF+Ucc，即輸出為高電平。 由上所述可知，當(dāng)輸入全為高電平時，輸出為低電平，只要有一個輸入為低電平，輸出就為高電平，可見此邏輯電路具有“與非”的邏輯關(guān)系。即： 同理，可用二極管“或”門和三極管“非”門組成組成“或非”門電路。若將二極管的“與”門電路的輸出同由二極管與三極管組成的“或非”門電路的輸入相連，便可構(gòu)成“與或非”門電路。這些都是邏輯電路中常用的基本邏輯單元。1

35、1.2 TTL“與非”門電路 TTL(Transistor-Transistor Logic)集成電路，即晶體管晶體管邏輯集成電路。由于TTL集成電路具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、工作速度范圍很寬等優(yōu)點，它的生產(chǎn)歷史最長，品種繁多，所以TTL集成電路是被廣泛應(yīng)用的數(shù)字集成電路之一。本節(jié)通過對TTL“與非”門典型電路的介紹，熟悉TTL“與非”門有關(guān)參數(shù)等。11.2.1 典型TTL“與非”門電路 +Ucc(5V) b1 R2 750 R5 100 A B R1 3k C T3 T4 R4 3k F b1A T2 B T1C T5 R3 360 eA eB eC 輸入級 倒相放大器 輸出級圖11-15 典

36、型TTL“與非”門電路 一、電路結(jié)構(gòu) 圖11-15所示為一典型TTL“與非”門電路，按圖中虛線分為三部分。 輸入級：由多發(fā)射極三極管T1和電阻R1組成，完成“與非”門的邏輯功能。 倒相放大級：由T2管和電阻R2、R3組成，它的作用是為后級提供較大的驅(qū)動電流，以增強輸出級的負(fù)載能力，同時T2管的發(fā)射極和集電極分別向輸出級提供提供同相和反相的信號，以控制輸出級工作。 輸出級：由三極管T3、T4、T5和電阻R4、R5組成，T3管和T4管為兩級射極跟隨器，T5是倒相器，倒相器和射極跟隨器串接，組成推拉式的輸出級，以提高TTL電路的開關(guān)速度和負(fù)載能力。 二、TTL“與非”門的工作原理 下面以圖11-15

37、所示電路來分析“與非”門的邏輯關(guān)系，并估算電路中有關(guān)點電位。 當(dāng)輸入端中有一個或幾個接低電平時，設(shè)輸入端A接低電平0.3V，其余各輸入端均接高電平3.6V。由于T1管的b1eA結(jié)率先導(dǎo)通，把基極電位鉗定在1V左右。 UB1=UA+UbeA=0.3+0.7=1V 使T1管的其它發(fā)射結(jié)處于反偏截止?fàn)顟B(tài)。由于UB1=1V，不足以使T2、T5管導(dǎo)通，故T2、T5處于截止?fàn)顟B(tài)，此時Ucc通過R1為T1提供的基極電流為： 而T1的集電極是通過T2的集電結(jié)和R2連接在Ucc上，故Ic1僅僅是T2管的反向飽和電流ICBO，可見： 1IB1>>Ic1因而，T1管處于深度飽和狀態(tài)。 Uce1=Uces

38、1=0.1V 這時，T1的基極電流IB1幾乎全部流至接低電平的輸入端A(A端的電壓為UA)。 UB2=Uce1+UA=0.1+0.3=0.4V +Ucc(5V) R2 750 R5 100 R1 3k 1V T3 T4 2.1V 1.4V R4 3k F 3.6V T2 3.6V T13.6V T5 R3 360圖11-16 輸入全為高電平時的工作情況0.3V 由于UB2<0.7V，所以T2、T5管截止，使Uc2的值接近電源電壓Ucc=5V，這一電壓能推動復(fù)合管T3、T4進入導(dǎo)通狀態(tài)，T3管和T4管的發(fā)射結(jié)分別具有0.7V的導(dǎo)通壓降，所以輸出電壓UF為高電平。UF=Ucc-UBE3-UB

39、E4=5-0.7-0.7=3.6V 當(dāng)A、B、C三個輸入端全接高電平（3.6V）時，如圖11-16所示。T1的基極電位和集電極電位均要升高。當(dāng)Uc1上升至1.4V時，T2、T5管的發(fā)射結(jié)均得到0.7V的導(dǎo)通電壓而導(dǎo)通，且處于飽和狀態(tài)。 Uc1=UBE2+UBE5=1.4V T1管的基極對地有三個PN結(jié)串聯(lián)，所以： UB1=UBC1+UBE2+UBE5=2.1V 由于輸入電壓UA=UB=UC=3.6V，使T1管的發(fā)射結(jié)處于反向偏置狀態(tài)（UBE1<0V），而集電結(jié)（UBC1>0）確處于正向偏置，可見T1管工作在倒置狀態(tài)。T1倒置工作時，電流放大系數(shù)反很小，一般在0.01左右。由于此時T

40、1管的基極電流為： 則T2管的基極電流IB2=Ic1=（1+反）IB1IB1，此時，只要合理選擇R1、R2便可保證T2管處于飽和狀態(tài)。 由于T2飽和，Uc2=1V，所以T3管導(dǎo)通，則T4管的基極電位為： UB4=Ue3=Uc2UBE3=10.7=0.3V故T4管截止。 對于T5管的工作情況，T4管是T5管的集電極負(fù)載，T4管截止使T5管的集電極電流近似為0，但T5管的基極確有T2管射極送來的相當(dāng)大的基極電流，即可滿足IB5>>IC5，所以T5管處于深度飽和狀態(tài)，從而使輸出電壓UF=Uce5=0.3V，即輸出低電平。 綜合上面兩方面的結(jié)果可知圖11-15的電路具有“與非”功能11.2

41、.2 TTL"與非"門的電壓傳輸特性 電壓傳輸特性是指輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系曲線。TTL“與非”門電壓傳輸特性曲線如圖11-17所示。這條曲線反映了“與非”門的重要特性。從輸入和輸出電壓變化的關(guān)系中可以了解到關(guān)于TTL“與非”門電路在應(yīng)用時的主要參數(shù)，如開門電平、關(guān)門電平、抗干擾能力等等。uo(V) A B3.62.7 C UNL UNH D E Uoff UT Uon ui(V) 0.35 0.8 1.4 1.8 2.7圖11-17 TTL“與非”門傳輸特性 電壓傳輸特性大體可分成四段： AB段：ui在00.6V之間，屬于低電平范圍，T2、T5處于截止?fàn)顟B(tài)，uo保持

42、高電平3.6V。 BC段：ui在0.61.3V之間，在這個區(qū)間里，Uc1>0.7V(Uc1=ui+Uces1)，T2開始導(dǎo)通（T5仍然截止），T2的集電極電流電流增大，引起Uc2減小，輸出電壓uo隨之下降（uo=Uc2UBE3UBE4）。 CD段：ui約在1.4V左右，這一段曲線很陡，ui略增加一些，uo迅速下降，這是因為當(dāng)ui增大到約1.4V時，T5開始導(dǎo)通，T4趨于截止，ui略有增加，IB5迅速增大，Uc2迅速下降，迫使T3、T4截止，并促使T5很快進入飽和狀態(tài)，這一段稱為特性曲線的轉(zhuǎn)折區(qū)。轉(zhuǎn)折區(qū)中所對應(yīng)的電壓稱為“門限電壓”，用UT表示。 DE段：ui>1.4V，T5處于深度

43、飽和狀態(tài)，輸出電壓維持低電平不變。 結(jié)合電壓傳輸特性，我們現(xiàn)在討論TTL“與非”門的抗干擾能力問題，在集成門電路中，經(jīng)常以噪聲容限的數(shù)值來定量說明門電路抗干擾能力的大小。 由圖11-17可知，在確保輸出為高電平時，輸入低電平可以有一個變化范圍，同樣，在確保輸出為低電平時輸入高電平也有一個變化范圍，這個變化范圍就是電路的抗干擾能力。 所謂關(guān)門電平，就是在保證輸出為額定高電平（手冊中規(guī)定為2.7V）條件下，允許的最大輸入低電平值，用Uoff表示；而在確保輸出為額定低電平（手冊中規(guī)定為0.35V）時所允許的最小輸入高電平值稱為開門電平，用Uon表示。 Uon和Uoff是門電路的重要參數(shù)，手冊中規(guī)定U

44、off0.8V，Uon1.8V。 如果前級輸出的低電平為UOL、高電平為UOH，對應(yīng)為本級輸入低電平UIL、高電平UIH，則輸入低電平時的噪聲容限為： UNL=UoffUIL將Uoff=0.8V，UIL=0.35V代入上式得： UNL=0.80.35=0.45V 上式說明TTL“與非”門在正常輸入低電平為0.35V的情況下允許疊加一個噪聲（或干擾）電壓，只要干擾電壓的幅值不超過0.45V，電路仍能正常工作。 輸入高電平時的噪聲容限為： UNH=UIHUon當(dāng)UIH=2.7V，Uon=1.8V，則UNH=0.9V 上式表明，在輸入高電平時，只要干擾電壓的幅值不超過0.9V，輸出就能保持正確的邏輯

45、值。11.2.3 TTL“與非”門的主要參數(shù) 從使用的角度說，除了解門電路的電路原理、邏輯功能外，還必須了解門電路的主要參數(shù)的定義和測試方法，并根據(jù)測試結(jié)果判斷器件性能的好壞。下面，在討論電壓傳輸特性的基礎(chǔ)上，討論TTL“與非”門的幾個主要參數(shù)。 1輸出高電平UOH 當(dāng)輸入端有一個（或幾個）接低電平，輸出端空載時的輸出電平。UOH的典型值為3.5V，標(biāo)準(zhǔn)高電平USH=2.4V。 2輸出低電平UOL 輸出低電平是指輸入全為高電平時的輸出電平，對應(yīng)圖11-17中D點右邊平坦部分的電壓值，標(biāo)準(zhǔn)低電平USL=0.4V。 3輸入端短路電流IIS 當(dāng)電路任一輸入端接“地”，而其余端開路時，流過這個輸入端的電流稱為輸入短路電流IIS。IIS構(gòu)成前級負(fù)載電流的一部分，因此希望盡量小些。 4扇出系數(shù)N 扇出(fan-out)系數(shù)是指帶負(fù)載的個數(shù)。它表示“與非”門輸出端最多能與幾個同類的“與非”門連接，典型電路N>8。 5空載功耗 “與非”門的空載功耗是當(dāng)“與非”