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第十二章 集成逻辑门电路 第一节 半导体二极管和晶体管的开关特性 12.1.1 晶体二极管的开关特性 12.1.2 晶体管的开关特性

第十二章 集成逻辑门电路 第一节 半导体二极管和晶体管的开关特性 12.1.1 晶体二极管的开关特性 12.1.2 晶体管的开关特性 12.1.3 由二极管与晶体管组成的基本逻辑门电路 第二节 TTL“ 与非”门电路 12.2.1 典型 TTL“ 与非”门电路 12.2.2 TTL" 与非 " 门的电压传输特性 12.2.3 TTL“ 与非”门的主要参数 12.2.4 TTL 门电路的改进 12.2.5 集电极开路 TTL 门 (OC 门 )

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第十二章 集成逻辑门电路 第一节 半导体二极管和晶体管的开关特性 12.1.1 晶体二极管的开关特性 12.1.2 晶体管的开关特性

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  1. 第十二章 集成逻辑门电路 第一节 半导体二极管和晶体管的开关特性 12.1.1 晶体二极管的开关特性 12.1.2 晶体管的开关特性 12.1.3 由二极管与晶体管组成的基本逻辑门电路 第二节 TTL“与非”门电路 12.2.1 典型TTL“与非”门电路 12.2.2 TTL"与非"门的电压传输特性 12.2.3 TTL“与非”门的主要参数 12.2.4 TTL门电路的改进 12.2.5 集电极开路TTL门(OC门) 12.2.6 三态TTL门(TSL门) 第三节 场效应管与MOS逻辑门 12.3.1 N沟道增强型MOS管的开关特性 12.3.2 NMOS反相器 12.3.3 CMOS逻辑门电路 第四节 正逻辑与负逻辑 12.4.1 正负逻辑的基本概念 12.4.2 正负逻辑变换规则

  2. 研究对象：逻辑门电路的组成以及一些特殊门电路。研究对象：逻辑门电路的组成以及一些特殊门电路。 关注焦点：TTL与非门的工作原理。 第一节 半导体二极管和三极管的开关特性 理想开关元件的特点 ①接通状态时电阻为零； ②断开状态时，阻抗为无穷大；③断开和导通之间的切换时间瞬间完成。半导体器件虽与理想开关元件特性有差异，但在速度不高的场合仍作为开关元件使用。 1. 晶体二极管的开关特性 (1)晶体二极管开关的静态特性曲线

  3. I(mA) 20 10 -40 -20 0 0.4 0.8 U(V) -10 -20 (nA) (a) 硅二极管的伏安特性曲线 I(mA) 20 10 -60 -30 0 0.2 0.4 U(V) -10 -20 (μA) (b) 锗二极管的伏安特性曲线 iD uD 0 (d) 理想二极管开关特性 iD Ⅰ UR UonuD Ⅱ Ⅲ (c) 二极管线性化特性曲线

  4. ui UF 0 t1t2t UR (a) ui UF 0 t UR (a) uD 0 t UR (b) uD 0 t2t t1 (b) iD IF 0 t -IRtr tstf trr 二极管瞬态开关特性 iD IF 0 t (c) 理想二极管开关特性 (2)二极管的瞬态开关特性

  5. 耗尽区 P区 N区 UF + U/R U/R - 自建场 n P区多余少子 N区多余少子 (电子)浓度分布 (空穴)浓度分布 x(距离) 二极管多余的少数载流子浓度分布 (3)产生反向恢复过程的原因 当二极管加正向偏置电压时，外加电场与自建电场方向相反，使PN结的耗尽层变窄，如图所示。实际上，由P区扩散到N区的空穴，不会全部与电子复合而立即消失，而在一定路程内，边扩散，边复合逐渐减少。这样，就在N区内产生一定数量的空穴积累，靠近耗尽层边缘的浓度最大，随着距离的增加空穴浓度按指数规律衰减，形成一梯度分布。同理，N区的电子扩散到P区后，也将在P区出现一定的电子积累，这些扩散到对方区域并积累的少数载流子称为多余少子，把PN结两侧出现的少数载流子积累现象称为存储效应。 当输入电压ui突然由UF变为–UR时，由于正向导通时二极管存储的电荷不可能立即消失，这些存储电荷的存在，使PN结仍然维持正向偏置 。

  6. Uccuo Rc 10 Rbuo截 饱 uiT 5 止 放 和 区 大 区 区 ui 0.5 1 1.5 (a) 单管共射电路 (b)单管共射电路传输特性 在外加反向电压UR的作用下，P区的电子被拉回N区，N区的空穴被拉回P区，使得这些存储电荷形成漂移电流，使存储电荷不断减少，从ui负跳变开始至反向电流ID降到0.9IR所需的时间称为存储时间ts。这段时间内，PN结处于正向偏置，反向电流IR近似不变 。 经过ts时间后，P区和N区存储电荷已显著减少，反向电流一方面使存储电荷继续消失，同时使耗尽层逐渐加宽，PN结由正向偏置转为反向偏置，二极管逐渐转为截止状态。向电流由IR逐渐减小至反向饱和电流值。这段时间称为下降时间tf。 2. 晶体三极管的开关特性 (1)晶体三极管的稳态开关特性 三极管开关的稳态开关特性如图所示。输出电压uo是随着输入电压ui的改变而分别工作在截止区、放大区和饱和区。

  7. ui U (a) t -U ic tdtrtstf (b) 0 t uotontoff (c) 0 t (2)晶体三极管的瞬态开关特性 三极管的瞬态开关特性与二极管的瞬态开关特性类似，即在饱和和截止状态之间转换所具有的过渡特性。若三极管是一个无惰性的理想开关，则输出电压波形与输入电压的波形同步，只是幅度增大、相位相反。但实际的是三极管是有惰性开关，即截止与饱和状态的转换不能瞬间完成。具体波形如右图所示。 开启时间ton是由延迟时间td和上升时间tr组成。它反映了三极管从截止转向饱和所需的时间。关闭时间toff则是由存储时间ts和下降时间tf组成，它反映了三极管由饱和转向截止所需的时间。

  8. ①延迟时间(delay time)td产生 当输入电压ui由–U跳变到U，随即出现基极电流Ib，但三极管不能立即导通，因为要使发射结由反偏转为正偏、阻挡层由宽变窄、使发射结电压由–U上升到门限电压Uon，这时发射区向基区发射电子，注入基区电子在基区内形成电子浓度梯度分布。扩散到集电结边缘的电子被集电区吸收，形成集电极电流ic。由此可知，ic的出现比ui上跳时刻要延迟一个时间td。这就是td产生的原因。 ②上升时间tr的产生 发射结开始导通后，发射极不断向基区注入电子，但集电极电流不能立刻上升到最大值。这是因为集电极电流的形成，要求电子在基区中有一逐步积累的过程，需要一定的时间，不会随ib跃变而跃变。 ③存储时间ts的产生 当输入信号ui由U下跳到–U时，基极电流ib为–U/Rb，这使基区存储的电子在反向电流作用下逐渐消散。随着多余电荷的消失，三极管由饱和退到临界饱和所需要的时间就是存储时间ts。 ④下降时间tf的产生 当基区超量电荷消散完后，三极管脱离饱和，集电结开始由正向偏置转向反向偏置，在反向驱动电流–U/Rb继续驱动下，基区存储电荷开始消散，电子浓度梯度下降。从而使集电极电流ic随之减小，并最后降至0。因此，下降时间tf就是三极管从饱和经过放大区转到截止区的时间。

  9. Ucc CjRc uo uiT Rb (3)提高三极管开关速度的途径 提高三极管的开关速度，可以选择内部结构不同的高频管外，在设计外电路时可以设法减小ton和toff，最有效的方法是采用如图所示的加速电容方法来提高三极管的开关特性。

  10. +Ucc(5V) RIR DA A F DB B DC C A DA B DBF CA DC F RIRB C A BF C & ≥1 +Ucc(5V) R1Rc F D1D4 D5A A D2b T B F B P D3R2C C Ucc Rc F ATAF Rb 1 & 3. 二极管、三极管组成的基本逻辑门电路 (1)二极管“与”门和“或”门电路 (2)三极管“非”门电路与复合门电路

  11. +Ucc(5V) R2 750ΩR5 100Ω R1 3kΩ T3T4 R4 3kΩF AT2 BT1 C T5 R3 360Ω 输入级 倒相放大器 输出级 b1 A B C b1 eAeBeC 第二节 TTL”与非“门 TTL门电路结构简单、稳定可靠、工作速度范围宽等优点，它的生产历史最长、品种繁多，所以它被广泛应用的数字电路之一。 1. 电路结构 下面分析TTL门电路。在分析时我们假定三极管深饱和输出电压为0.1V，三极管结压降为0.7V；输入高电平为3.6V，输入低电平为0.3V，然后估算电路各点的电位。

  12. uo(V) A B 3.6 2.7 C UNLUNH D E UoffUTUonui(V) 0.35 0.8 1.4 1.8 2.7 0~0.6V 0.6~1.3V 2. 传输特性 关门电平uoff，当ui<uoff输出为高电平。开门电平uon，当ui>uon输出为低电平。 噪声容限： 低电平噪声容限：UNL=Uoff-UIL 高电平噪声容限： UNH=UIH-Uon 3. 主要参数 ①输出高电平。输出端空载时的输出电平。典型值3.5V，标准电平2.4V ②输出低电平。输入全高时输出电平。标准值为0.4V ③输入端短路电流。一端接地，其余端开路，流过这个输入端电流，主要是衡量对前级负载电流 ④扇出系数。输出端最多可与几个同类门连接。 ⑤开门电平。使与非门开通时的最小输入电平 ⑥关门电平。使与非门关断所需的最大输入电平。 ⑦平均延迟时间。

  13. 标准TTL电路则有： 定义为逻辑0的低电平输入电压范围VIL ：0~0.8V。 定义为逻辑1的高电平输入电压范围VIH ：2~5V。 定义为逻辑0的低电平输出电压范围VOL ：不大于0.3V。 定义为逻辑1的高电平输出电压范围VOH ：不小于2.4V 。 5V CMOS电路： 定义为逻辑0的低电平输入电压范围VIL ：0~ 0.5V。 定义为逻辑1的高电平输入电压范围VIH ：2.5~5V。 定义为逻辑0的低电平输出电压范围VOL ：不大于0.1V。 定义为逻辑1的高电平输出电压范围VOH ：不小于4.4V。

  14. +Ucc(5V) R2 750ΩR5 100Ω R1 3kΩ T3T4 R4 3kΩF AT2 BT1 C T5 R3 360Ω +Ucc(5V) R2 750ΩR5 100Ω R1 3kΩ T3T4 R4 3kΩF AT2 BT1 C T5 R3 360Ω R3R6 T6 cc bb ee 4. TTL门电路改进 ①浅饱和TTL电路 ②肖特基TTL电路 肖特基二极管的特点是：正向电压降小，导电机制是多数载流子，几乎没有电荷存储效应，开关速度比一般PN结二极管高一万倍

  15. +Ucc +Ucc 门1输出高电平 门2输出低电平 R5R5 T3T3 T4T4 R4R4 T5T5 +Ucc(5V) +Ucc R2 RL R1 F T2 T1 T5 R3 5. 集电极开路TTL门（OC门） 直接将逻辑门输出连接起来，有时候可以电路大大简化。但直接将门电路连接起来会产生很大电流。 OC门就是用RL换与非门中的T3、T4即可。

  16. +Ucc(5V) R2R5 R1UC2 T3T4 F AT2 BT1 E T5 DR3R4 6. 三态TTL门电路（TSL门） 三态是指输出除高电平和低电平外，还有高阻输出状态。

  17. +Ucc(5V) R DA A P DB B DC C U 3.4 2.4 0.4 t (a) 正逻辑 U 3.4 2.4 0.4 t (b) 负逻辑 H=1 H=0 L=0 L=1 第四节 正逻辑与负逻辑 1. 正、负逻辑的基本概念 电路结构确定以后，输入与输出的电平关系唯一确定，电路所要实现的逻辑功能取决于对电路高、低电平的赋值。 正逻辑：高电平表示逻辑“1”，低电平表示逻辑“0” 负逻辑：高电平表示逻辑“0”，低电平表示逻辑“1” 2. 正、负逻辑的变换规则

  18. 电路名称 正逻辑符号 负逻辑符号 跟随器 跟随器 负跟随器 “非”门 “非”门 负“非”门 “与”门 “与”门 负“与”门 “或”门 “或”门 负“或”门 “与非”门 “与非”门 负“与非”门 “或非”门 “或非”门 负“或非”门 1 1 & & ≥1 ≥1 & & ≥1 ≥1 转换规则： ①正逻辑“与”门等同于负逻辑“或”门； ②正逻辑“或”门等同于负逻辑“与”门； ③正逻辑“与非”门等同于负逻辑“或非”门； ④正逻辑“或非”门等同于负逻辑“与非”门； ⑤正逻辑“异或”门等同于负逻辑“同或”门； ⑥正逻辑“同或”门等同于负逻辑“异或”门。

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