数字电路逻辑设计集成逻辑门

内容概述
TTL、ECL I2L、HTL
集 成 按器件类型分 逻 辑 门 按集成度分
PMOS
双极型集成逻辑门 NMOS
CMOS MOS集成逻辑门
SSI（100以下个等效门） MSI（〈103个等效门） LSI （〈104个等效门）
VLSI（>104个以上等效门）
本章内容 基本逻辑门的基本结构、工作原理以及外部特性
IB不变，仍为0.023mA
IBS
VCC RC
12 60 6.8
0.029(mA)
∵IB＜IBS ∴三极管处在放大状态。 IC IB 60 0.023 1.4(mA)
VO VCE VCC - IC RC 12 -1.4 6.8 2.48(V)
（3）将RC改为6.8kW，再将Rb改为60kW，重复以上计算。
三极管工作在截止状态的条件为：发射结反偏或小于死区电压
（2）放大状态：当VI为正值且大于死区电压时，三极管导通。有
IB
VI
VBE Rb
VI Rb
此时，若调节Rb↓，则IB↑，IC↑，VCE↓，工作点沿着负载线由A
点→B点→C点→D点向上移动。在此期间，三极管工作在放大区，
其特点为IC＝βIB。
§3.1 晶体管的开关特性 §3.2 基本逻辑门电路 §3.3 TTL集成逻辑门 §3.4 MOS逻辑门电路
§3.5 集成逻辑门电路的应用
§3.1 晶体管的开关特性
晶体二极管开关特性:
晶体二极管是由PN结构成，具有单向导电的特 性。在近似的开关电路分析中，晶体二极管可以作 为一个理想开关来分析；
三、三极管的开关特性
三极管的三种工作状态
+VCC
RC
iC
Rb b
c3
1
T
2
+
VI
iB
－
e
iC VCC/RC E
ICS D C
0.7V
IB5 IB4 = IBS IB3
IB2
B
IB1
A IB=0 v
VCC
CE
（1）截止状态：当VI小于三极管发射结死区电压时，IB＝ICBO≈0，IC ＝ICEO≈0，VCE≈VCC，三极管工作在截止区，对应图1.4.5（b）中的A点。
过程就是二极管开关的动态特性。
2．二极管开关的动态特性
给二极管电路加入 一个方波信号，电流的 波形怎样呢？
D
+
i
vi
RL
－
(a)
ts为存储时间，tt称为渡 越 时 间 ， tre ＝ ts 十 tt 称 为 反向恢复时间。
反向恢复时间：tre＝ts十tt
产生反向恢复过程的原因：
反向恢复时间tre就是存储电荷消散所需要的时间。
二极管相当于一个闭合的开关。
D
V
F
IF
RL
K
V
F
IF
RL
(a)
(b)
(2)加反向电压VR时，二极管截止，反向电流IS可忽略。
二极管相当于一个断开的开关。
D
V
R
IS
RL
K
V
R
RL
(a)
(b)
可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压vi控制的开 关。当外加电压vi为一脉冲信号时，二极管将随着脉冲 电压的变化在“开”态与“关”态之间转换。这个转换
集电极电流称为集电极饱和电流，用ICS表示，基极电流称为基极 临界饱和电流，用IBS表示，有:
ICS
VCC - 0.7V RC
VCC RC
I BS
I CS
VCC
RC
若再减小Rb，IB会继续增加，但IC已接近于最大值VCC/RC，不会再增加， 三极管进入饱和状态。饱和时的VCE电压称为饱和压降VCES，其典型
值为：VCES≈0.3V。
三极管工作在饱和状态的电流条件为：IB＞ IBS
电压条件为：集电结和发射结均正偏
例
1.4.1 电路及 VBE=0.7V。
参
数
如
图
1.4.6
所
示
，
设
输
入
电
压
VI=3V
，
三
极
管
的
ຫໍສະໝຸດ Baidu
（1）若β＝60，试判断三极管是否饱和，并求出IC和VO的值。
解： 根据饱和条件IB＞IBS解题。
IB
3 - 0.7 60
0.038(mA)
IBS≈0.029 mA
∵IB＞IBS ∴三极管饱和。
IC
I CS
三极管工作在放大状态的条件为：发射结正偏，集电结反偏
+VCC
RC
iC
Rb b
c3
1
T
2
+
VI
iB
－
e
iC VCC/RC E
ICS D C
0.7V
IB5 IB4 = IBS IB3
IB2
B
IB1
A IB=0 v
VCC
CE
（3）饱和状态：保持VI不变，继续减小Rb，当VCE ＝0.7V时，集电
结变为零偏，称为临界饱和状态，对应图（b）中的E点。此时的
IB
3 - 0.7 100
0.023(mA)
IBS
VCC RC
12 60 10
0.020(mA)
∵IB＞IBS ∴三极管饱和。
IC
ICS
VCC RC
12 10
1.2(mA)
+VCC （ +12V） RC 10kΩ
Rb
1
3
T
+
+
100kΩ
2
VO
VI
－
-
VO VCES 0.3V
（2）将RC改为6.8kW，重复以上计算。 图1.4.6 例1.4.1电路
注意 在严格的电路分析中或者在高速开关电路中， 晶体二极管则不能当作一个理想开关。
§3.1 晶体管的开关特性
数字电路中的二极管与三极管
一、二极管伏安特性
(a)二极管电路表示
(b)二极管伏安特性
§3.1 晶体管的开关特性
二、二极管的开关特性
1．二极管的静态特性
(1)加正向电压VF时，二极管导通，管压降VD可忽略。
在数字集成电路的发展过程中,同时
存在着两种器件的发展。一种是由三 极管组成的双极型集成电路,例如晶体 管—晶体管逻辑电路(简称TTL电路) 。 另一种是由MOS管组成的单极型集成 电路,例如N—MOS逻辑电路和互补 MOS(简称CMOS)逻辑电路。
TTL系列逻辑电路出现在19世纪60年代, 它在此之前占据了数字集成电路的主导地位. 随着计算技术和半导体技术的发展,19世纪80 年代中期出现了CMOS电路。虽然它出现晚 一些,但因为它有效地克服了TTL和ECL集成 电路中存在的单元电路结构复杂,器件之间需 要外加电隔离,以及功耗大,影响电路集成密 度提高的严重缺点 ,因而在向大规模和超大 规模集成电路的发展中,CMOS集成电路已占 有统治地位,而且这一优势将继续延伸。
P 区 耗尽层 N 区
(a) +
－
P 区中电子 浓度分布 (b)
Ln
N 区中空穴 浓度分布
x Lp
同理，二极管从截止转为正向导通也需要时间，这段 时间称为开通时间。开通时间比反向恢复时间要小得多， 一般可以忽略不计。
三、晶体三极管的开关特性 1.三极管稳态开关特性
基本单管共射电路
单管共射电路传输特性