第11章电子技术

第十一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11.1.1晶体二极管的开关特性11.1.2晶体管的开关特性11.1.3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11.2.1典型TTL“与非”门电路11.2.2TTL"与非"门的电压传输特性11.2.3TTL“与非”门的主要参数11.2.4TTL门电路的改进11.2.5集电极开路TTL门(OC门)11.2.6三态TTL门(TSL门)

第三节场效应管与MOS逻辑门11.3.1N沟道增强型MOS管的开关特性11.3.2NMOS反相器11.3.3CMOS逻辑门电路第四节正逻辑与负逻辑11.4.1正负逻辑的基本概念11.4.2正负逻辑变换规则研究对象：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

I(mA)2010-40-20

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

0.20.4

U(V)-10

-20(μA)(b)锗二极管的伏安特性曲线

iD

Ⅰ

UR

Uon

uD

Ⅱ

Ⅲ(c)

二极管线性化特性曲线

iD

uD

0(d)

理想二极管开关特性(2)二极管的瞬态开关特性

iD

IF0

t(c)理想二极管开关特性

uD

0

t

UR(b)

ui

UF0

t

UR(a)

iD

IF0

t-IR

tr

ts

tf

trr二极管瞬态开关特性

uD

0t2

t

t1

(b)

ui

UF0

t1

t2

t

UR(a)(3)产生反向恢复过程的原因

nP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自建场耗尽区

P区N区UF+U/RU/R-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。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

Ucc

uo

Rc

10

Rb

uo

截饱ui

T5

止放和区大区区

ui

0.5

11.5(a)单管共射电路(b)单管共射电路传输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。(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。

ui

U(a)t-U

ic

td

tr

ts

tf(b)0

t

uo

ton

toff(c)0

t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。①延迟时间(delaytime)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。

(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。

Ucc

Cj

Rc

uoui

T

Rb3.二极管、三极管组成的基本逻辑门电路(1)二极管“与”门和“或”门电路+Ucc(5V)

R

IR

DA

AF

DB

B

DC

C&AB

FCA

DAB

DB

FC

ADCF

R

IR

B

C≥1(2)三极管“非”门电路与复合门电路

Ucc

Rc

FA

T

A

F

Rb1+Ucc(5V)

R1

Rc

F

D1

D4D5

AA

D2

bTBFB

P

D3

R2

CC&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。+Ucc(5V)

R2750Ω

R5100Ω

R13kΩ

T3

T4

R43kΩ

F

A

T2

B

T1CT5

R3360Ω

输入级倒相放大器输出级

b1ABC

b1eA

eB

eC1.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。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-Uonuo(V)

AB3.62.7

C

UNL

UNH

D

E

Uoff

UT

Uon

ui(V)

0.35

0.81.41.82.7

0~0.6V0.6~1.3V3.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2.4V②输出低电平。输入全高时输出电平。标准值为0.4V③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。4.TTL门电路改进①浅饱和TTL电路+Ucc(5V)

R2750Ω

R5100Ω

R13kΩ

T3

T4

R43kΩ

F

A

T2

B

T1CT5

R3360ΩR3

R6

T6②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

c

cb

b

e

e+Ucc(5V)

R2750Ω

R5100Ω

R13kΩ

T3

T4

R43kΩ

F

A

T2

B

T1CT5

R3360Ω5.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。+Ucc

+Ucc门1输出高电平门2输出低电平

R5

R5

T3

T3

T4

T4

R4

R4

T5

T5OC门就是用RL换与非门中的T3、T4即可。+Ucc(5V)+Ucc

R2

RLR1

F

T2

T1T5

R3

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。+Ucc(5V)

R2

R5

R1

UC2

T3

T4

F

A

T2

B

T1E

T5

D

R3

R4三态门真值表使能端数据输入端输出端EA

BF10001101111100xx高阻第四节正逻辑与负逻辑1.正、负逻辑的