D11_BJT数位电路

Step1：利用兩個電阻來決定參考電壓VR
1.
R1
IB2 Q2 VR R2
當Q2導通時，IB2≠0： VR = (IR2 + IB2)R1
2.
當Q2不導通時，IB2 = 0： VR = IR2 R1
缺點：VR不是很穩 定，容易受IB2的影 響。
22
5.2V
11.5 ECL邏輯電路
ECL反相器—參考電位：
假設Io為流經RE的電流：
Io = IE1 + IE2 IC1 + IC2
Q4
R1 907
Vo
1.
當Vi VR > 0.1V，所有電 流幾乎都流向Q1：
Vi
Q1
Q2
VR
Q3
D1 D2
VC1 = IC1 RC1 (低電位)
2. 當VR Vi > 0.1V，所有電 流幾乎都流向Q2： VC1 0V(高電位)
VCC
RC Vo RB Vi Q
左圖的BJT數位電路，主 要由電阻和電晶體所組成， 稱為Resistor-Transistor Logic (RTL)
7
11.2 簡單BJT反相器
Resistor-Transistor Logic (RTL) 當Vi = VCC時：
IB V i V BE R
當Vi = VCC，BJT處於saturation mode 時，其Base充滿大量由Emitter 而來的自由電子，此時Base類似一個 儲存電荷的電容，當Vi瞬間由VCC降 為0V時，原本累積在Base上的電荷並 不會馬上消失，必須等待儲存電荷清 除之後，BJT才會轉變至cutoff mode， 使得Vo = VCC。這段時間稱為儲存時 間(storage time, ts)。 當Vi由0V變成VCC時，由於B-E界面 的電容效應，BJT無法瞬間由 cutoff mode轉換至saturation mode。必須等 到B-E界面電容充電完成後，BJT才 真正進入 saturation mode。這段時間 延遲便是td。
18
11.5 ECL邏輯電路
ECL反相器
1.
R RC1 220 C2 245
(Q1，Q2，RC1，RC2，RE) 所組成的差動對是主要電 路。
(Q3，D1，D2，R1，R2， R3)是提供參考電壓VR的 輔助電路。 Q4則是為了提供穩定輸出 電壓的輔助電路。 ECL採用負電源 (0V/5.2V)，以此可有效 降低雜訊影響。
9
Vi
Q4
Q3
D Vo Q1

VBE(ON) = 0.7V VCE(sat) = 0.2V
R1
1K
11.3 TTL邏輯電路
當Vi = VH，IIH 14.5A是一個很小的電流， 而IIH是由前級電路所提供。換句話說，Q4可 以降低前級電路的輸出電流，因此增加前級 電路的fanout (前級電路亦為TTL)。 當Vi = VH ，VC4 = 1.4V。當Vi由 VH轉變為VL 的瞬間，由於寄生電容效應所以VC4暫時仍維 持在1.4V，此時Q4處於active mode，造成大 量電流流出Q3的B極，使Q3迅速由saturation mode轉為cutoff mode，有效降低storage time(ts)。
10
11.3 TTL邏輯電路
當Vi = VL，Vo = VH。當Vi由VL轉變為VH 的瞬 間，由於寄生電容效應使Vo仍暫時維持在高 電位，此時Q1處於active mode。由於Q1的B 極電流很大(2.64mA)，造成很大的IC(IC = IB)， 可以很快將輸出端寄生電容累積的電荷放電， 使Vo迅速由高電位降為低電位。
5 .2 2 .6 ( V )
RE
Io
5.2V
缺點：VC1受RL的影響 很大，不同負載明顯 影響VC1的準位。
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11.5 ECL邏輯電路
ECL反相器—輸出電路(完整電路)：
Step2：加上Q4，大幅降低RL對Vo的影響
當Vi < VR時，Q1不導通。 若 R L ，IB4 = 0：
ECL反相器—輸出電路：
Step1：Q1的C極(VC1)直接作為反相器的輸出
當Vi < VR時，Q1不導通。若(即 未接負載)，
220 245
RC1
RC2 IB4 Vo
V o V C1 0 ( V )
若RL = RC1，
VVR RL
RL
Chapter 11
BJT數位電路
本章重點一覽
11.1 BJT轉換特性 11.2 簡單BJT反相器
11.3 TTL邏輯電路
11.4 TTL 特性
電壓轉換曲線 TTL族群
2
本章重點一覽
11.5 ECL邏輯電路
瓜分電流 ECL反相器 ECL電路分析 ECL規格 OR/NOR gate
11.6 BiCMOS邏輯電路 11.7 結語
Q3 Q2 Io RE R3
VR
VBE2 – 5.2V
D1 D2 R2
當溫度改變時，因為二極體導通 電壓的溫度係數與電晶體相同(皆 為pn-junction)，所以(VD1，VD2) 自動補償(VBE2，VBE3)的溫度變化， 使VE2 幾乎不受溫度影響，連帶使 Io及Vo保持穩定。
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11.5 ECL邏輯電路
VCC

S1和S2 為開關。假設流經R1、R2 的電流分別為I1和I2，則：
I1 I2 = Io
R1 R2
Vo
S1 S2
1.
若S1―close‖，S2―open‖，則： I1 = I o ， I2 = 0 Vo = VCC I2R2 = VCC (高電位)
Io
2.
若S1―open‖，S2―close‖，則：
I1 = 0 ， I2 = Io Vo = VCC IoR2 (低電位)
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11.5 ECL邏輯電路
用兩顆BJT來取代兩個開關S1&S2：

VCC
由於Q1和Q2的射極接在一起，且 在active mode時IC 對VBE非常敏感， 假設流經R1、R2的電流分別為I1和 I2 ： 當V1比V2稍大一點(V1 V2 > 0.1V)， 所有電流幾乎都被I1拿走：
5
n+
p
n
+
VBE +
電子流 動方向

VCE
一般而言ts >> td，所 以如何降低ts 成為BJT 數位電路設計上的重 要考慮。
11.2 簡單BJT反相器
由一顆電晶體和一顆電阻所組成的簡單電路
1.
VCC
當Vi = VH = VCC，Q導通且工 作於saturation mode，
V o V CE ( sat ) 0 . 2 ( V )
RC Vo Vi Q
2.
當Vi = VL = 0.2V，Q不導通， IC = 0，
V o V CC I C R C V CC
由於電阻RC的緣故，簡單BJT 反相器面臨功率損耗和切換速 度兩者無法兼顧的問題。
6
11.2 簡單BJT反相器
在Vi = VCC的情況下，VCC直接跨在B-E界面， 可能造成BJT因電流過大而燒燬，所以利用一 顆額外的電阻RB隔離Vi及B極。使B極電壓VB 約等於0.7V

R3
R2 1.6K 4K
R4 130 Q2
當Vi = VH，各個電晶體的 工作模式為： Q4：inverse active mode Q3：saturation mode Q1：saturation mode Q2：cutoff mode D：OFF 當Vi = VL(假定VL = 0.2V)， 各電晶體工作模式為： Q4：saturation mode Q3：cutoff mode Q1：cutoff mode Q2：active mode D：ON
缺點：VBE 會受到溫 度影響，其溫度係 數約為 = 2mV/C
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11.5 ECL邏輯電路
ECL反相器—參考電位(完整電路)：
Step3：加上兩顆二極體D1和D2
V R = IR2R2 + VD1 + VD2 – 5.2V
R1
+
VE2 = IR2 R2 + VD1 + VD2 VBE3
3
11.1 BJT轉換特性
數位電路的應用上主要將BJT工作在cutoff及 saturation兩個mode
VCC
RC Vo Vi
Q
由於pn-junction內部的 電容效應，使得BJT無 法瞬間由cutoff mode轉 換至saturation mode， 反之亦然。
4
11.1 BJT轉換特性
I1 Io，I2 0 Vo VCC (VH)
R1 V1
R2 Vo Q1 Q2 Io
1.
V2
2.
當V1比V2稍小一點(V2 V1 > 0.1V)， 所有電流幾乎都由I2分走： I1 0，I2 Io Vo= VCC IoR2(VL)
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11.5 ECL邏輯電路
此處兩顆BJT工作在active mode或cutoff mode，故有極快的切換速度。 Vo由兩個輸入電壓差(V1 – V2 )所決定，而更 重要的是：輸出端的高低電壓差(VH VL = IoR2)是由電流源及電阻決定，而非由電晶體 的VCE所決定。
19
Q4 R1 907 Vi Q1 Q2 VR Q3
D1 D2
2.
Vo
3.
RE 779
R3 6.1 K
R2 4.98K

VEE(5.2V)
11.5 ECL邏輯電路
ECL反相器—主要電路：