双极型集成电路.ppt

2019/4/26,1,半导体 集成电路,2019/4/26,2,主要内容,简易TTL逻辑门 2.四管单元TTL逻辑门 3.五管单元TTL逻辑门,2019/4/26,3,什么是TTL电路?,TTL电路的主要特点?,晶体管-晶体管逻辑电路,速度高、驱动能力强，但功耗较高、集成度低。 从TTL的发展历史看,TTL电路是以提高速度、降低功耗为主要目标，不断改进电路的形式和工艺。,TTL电路的基本结构单元有四管、五管、六管与非门，以及改进的STTL和LSTTL。,2019/4/26,4,半导体三极管的开关特性,1. 三极管开关电路,只要参数配合得当，可做到： 当vI为低电平时，三极管工作在截止状态， vO为高电平； 当vI为高电平，三极管工作在饱和状态， vO为低电平。,6,当vI=0时，vBE=0，由输入特性可知，iB=0，由输出特性可知， iC0，三极管截止。此时，RC上无压降，vOVCC，为高电平。 一般认为，在vIVON时，三极管处于截止状态。,当vIVON=0.7V时，有iB产生，相应地有iC产生，三极管导通；,vIiBiCiC RC vO；,vI继续增加，RC上的压降也随之增大，vCE下降，当vCE0时， 三极管处于深度饱和状态， vO0，为低电平。,7,直流负载方程：,确定从放大到饱和的临界值：,此时的基极电流称为饱和基极电流,当vI增加到使iB=IBS后： vIiB但IC基本不变， 三极管进入饱和状态； 由直流负载线知：三极管从截止到饱和，必须经过放大区。,VCC,用图解法分析,8,总结：当vIVON时，三极管处于放大状态； 当vI增加到使iBIBS时，三极管处于饱和状态。,当vI=VIL时，三极管截止，iC0，相当于开关断开，vOVCC； 当vI=VIH时，三极管饱和，uCE0，相当于开关闭合， vO0 ；,9,2.动态特性,输出vO落后于输入vI,4.0 简易TTL与非门,简易的TTL门的工作原理 1）“关态”（T2截止） 2）“开态” （T2导通）,多发射极晶体管：,简易TTL与非门：,2019/4/26,11,与非门逻辑表,两管单元TTL与非门,2019/4/26,12,4K,4K,4K,4K,几个假设： 1.发射极正向压降，当晶体管正向工作时，取VBEF=0.7V，而当晶体管饱和时，取VBES=0.7V. 2.集电结正向饱和压降，取VBCF=0.60.7V。 3.晶体管饱和压降，当T1管深饱和时，因Ic几乎为零，取VCES0.1V，其余管子取VCES0.3V,两管单元TTL与非门的工作原理,2019/4/26,13,1. 输入信号中至少有一个为低电平的情况,R1,R2,VCC,B1,A,B,C,1V,VOL=0.3V VB1 =VBE1+VOL=0.3V+0.7V =1V,VB1被嵌位在1V,IB1=(VCC-1V)/R1 =5V-1V/4K=1mA,4K,4K,IC1,B2,0.4V,T2管的集电结反偏，Ic1很小， 满足IB1 Ic1，T1管深饱和， VCES1=0.1V，VB2=0.4V,2. 输入信号全为高电平,R1,R2,VCC,B1,A,B,C,1.4V,VOH=5V, VB1 =VBC1+VBE2=0.7V+0.7V=1.4V,VB1被嵌位在1.4V,4K,4K,IC1,B2,T1管的发射结反偏,集电结正偏,工作在反向工作区,集电极电流是流出的,T2管的基极电流为: IB2=IC1=IB1+RIB1IB1（R0.01),IB1=(VCC-VB1)/R1 =5V-1.4V/4K=0.9mA IB20.9mA,0.7V,T2管的发射结正偏 1）集电结反偏,工作在正向工作区 2)集电结正偏，则工作在饱和区,2019/4/26,15,0.7V,假设T2管工作在正向放大区,在R2上产生的压降为18 mA*4K=72V,4K,4K,不成立,F=20,IC2=FIB2=18mA,IB20.9mA,T2管集电结正偏，工作在饱和区,2019/4/26,16,电压传输特性,VO(V),VOH（min),VOL(max),Q1,Vi(V),Q2,VOH(min):输出电平为逻辑”1”时的最小输出电压,VOL(max):输出电平为逻辑”0”时的最大输出电压,VIL（max):仍能维持输出为逻辑”1”的最大输入电压,VIH(min):仍能维持输出为逻辑”0”的最小输入电压,VIL(max),VIH(min),两管单元TTL与非门的静态特性,2019/4/26,17,噪声抑制与噪声容限,VIH,VOL,VIL,VOH,VIH,VOL,噪声,噪声,2019/4/26,18,有效低电平输出,输入低电平 有效范围,0,VIL(max),有效高电平输出,VIH(min),VDD,过渡区,VOH（min),VOL(max),噪声,VOL(max)VIL(max),噪声幅值 VIL(max)-VOL(max),噪声,VIH(min)VOH(min),噪声幅值 VOH(min)-VIH(min),NMH=VOH(min)-VIH(min),NML=VIL(max)-VOL(max),噪声抑制与噪声容限,高噪声容限,低噪声容限,仍能维持输出为逻辑”1”的最大输入电压,仍能维持输出为逻辑”0”的最小输入电压,2019/4/26,19,VO(V),VOH(min),VOL(max),Vi(V),VIL(max),VIH(min),VNMH=VOH(min)-VIH(min),VNML=VIL(max)-VOL(max),VNML,VNMH,2 .两管单元TTL与非门的静态特性抗干扰能力,过渡期越小，则抗干扰能力越强,VOH(min),VOL(max),2019/4/26,20,能够驱动多少个 同类负载门正常工作,NN,扇出,3.两管单元TTL非门的静态特性负载能力,扇出系数:,负载门,驱动门,当负载门的个数增加时，总的灌电流IoL将增加,引起输出低电平VOL的升高。,灌电流,灌电流负载,拉电流负载,NOL称为输出低电平时的扇出系数。,VCC,。 。 。,N个,IIL,IOL,IIL,当负载门的个数增多时，必将引起输出高电平的降低。,拉电流,负载门,驱动门,一般，TTL的扇出系数=10，高的可达30-50,NOH称为输出高电平时的扇出系数。,一般NOLNOH，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用NO表示。 NO =min(NOL, NOH),R1,R2,VCC,B1,B2,T1,T2,4K,4K,。 。 。,IIH,N个,IIH,IoH,例 查得基本的TTL与非门7410的参数如下： IOL16mA，IIL1.6mA，IOH0.4mA，IIH0.04mA.试计算其带同类门时的扇出系数。,(2)高电平输出时的扇出数,若NOHNOH，则取较小的作为电路的扇出数。,例题： 扇出系数计算举,解： (1)低电平输出时的扇出数,2019/4/26,24,4.两管单元TTL与非门的静态特性直流功耗,直流功耗,P=ICC*VCC,静态功耗：电路导通和截止时的功耗,1.空载导通电源电流 ICCL :,2.空载截止电源电流 ICCH :,3.电路 平均静态功耗：,4K,4K,ICC,IR1,IR2,2019/4/26,25,两管单元TTL与非门的瞬态特性,延迟时间 下降时间 存储时间 上升时间,Vi,t,0,VO,t,0,t0,t1,t2,t3,t4,t5,td=t1-t0 tf=t2-t1 ts=t4-t3 tr=t5-t4,2019/4/26,26, 平均传输延迟时间tpd,导通延迟时间tPHL ：输入波形上升沿的50%幅值处到输出波形下降沿50% 幅值处所需要的时间，,截止延迟时间tPLH：从输入波形下降沿50% 幅值处到输出波形上升沿50% 幅值处所需要的时间，,平均传输延迟时间tpd：,通常tPLHtPHL，tpd越小，电路的开关速度越高。,返回,2019/4/26,27,简易TTL与非门的版图,接触孔,集电区,基区,发射区,电阻,电源线,VCC,VSS,2019/4/26,28,简易TTL与非门的缺点 1.输入抗干扰能力小 2.电路输出端负载能力弱 3.IB2太小，导通延迟改善小,四管单元与非门,2019/4/26,29,4.1.1 标准TTL与非门(四管单元),4.1 一般的TTL与非门,D1为保护二极管，正常 工作时处于截止状态， 暂不考虑其作用,TTL反相器的电路结构和工作原理,2019/4/26,30,电路的特点是： 输入级：当输出端由低电平转向 高电平时，也就是T1由正向导通转 向反向导通、T2由截止转向导通的 过程，在此过程中T1可反抽T2基区 中的过剩载流子，使电路的平均传 输延迟时间tpd下降，从而提高了 电路的工作速度。 输出级：采用图腾柱结构(T4-D和T5轮流导通)，使电路的功耗较低。电路的优值(延时功耗积)tpdPD=100pJ。 由于输出低电平时T5处于饱和态，在向高电平转换时，基区少子存贮电荷只有通过R3泄放，速度较慢，影响上升时间截止速度慢。,四管单元的优势： 1.电路抗干扰能力增强 因为在T1和T5之间增加了T2管，它的发射结相当于一个起电位平移作用的二极管，它使电路低电平噪声容限VNML提升了一个结压降；（最大输入低电平提高了一个结压降）,2.电路的负载能力增强 T2管的作用，它把T1管得基流先放大再驱动T5；. 3.功耗PD小 有源负载的作用,因为T5和T4构成推免输出 （图腾柱输出）： 电路导通时：Vo为低，T5导通， T3截止； 电路截止时，Vo为高，T5截止， 电路的总电阻R大，故ICC比较小 4、T5基极驱动电流增大了，电路的导通延迟得到了改善； 5、电路的优值（延时功耗积）tpdPD小,PD=ICC*VCC 功耗PD小,四管单元的缺点： 由于输出端从低电平向高电平转换的瞬间，从电源经R5,T4,D到T5有瞬态大电流流过，因此在二极管D上就有大量的存储电荷，因没有泄放回路只能靠二极管本身的复合而消失，所以使该电路的开关速度受到影响。,由于输出低电平时T5处于饱和态，在向高电平转换时，基区少子存贮电荷只有通过R3泄放，速度较慢，影响上升时间。,2019/4/26,34,TTL反相器工作原理,设：VIL=0.2V，VIH=3.4V,1. vI=VIL时,0.2V,B1,T1发射结导通，vB1=0.2+0.7=0.9V,0.9V的电压加在T1的集电结和T2的发射结上,不足以使T2导通,故T2截止.,vC2为高电平T4导通 vE2为低电平T5截止,vO=VCC - vR2 - vBE4 - vD2=3.4V,输出高电平,3.4V,此时T1基极电流很大，由于T2截止, T1集电极电流很小,IB1 Ic1 ，T1处于深度饱和状态。,C2,E2,35,2.vI=VIH时,3.4V,若不考虑T2、T5，则T1发射结导通， vB1=3.4+0.7=4.1V ?,输出低电平,vO=VCE(sat)5=0.2V,0.2V,此时T1发射结反偏，集电结正偏，T1处于倒置放大状态.T2与T5饱和导通,B1,C2,E2,综合两种情况，该电路实现了非的关系.,2.1V,1.4V,0.7V,36,D2的作用：保证T5饱和导通时，T4能可靠地截止。,若无D2，则T4会导通。,D1的作用：限制输入端的负脉冲干扰，保护发射结。 若无D1，则输入端有负脉冲时，电流iB很大，烧坏发射结。 加上D1，则输入端电位被钳位在-0.7V以上，保证发射结不被烧坏。,倒相级：C2和E2电压极性相反， 故称倒相级。 输出级：T4、T5总是一个导通一个 截止，输出电流很小， 静态功耗低。推拉式输出,B1,37,TTL反相器电压传输特性（输入电压与输出电压的关系曲线）,BC段（线性区）： 0.7vI1.4V，1.4vB12.1V，T1导通，T2导通放大、T5截止，T4导通， vI vC2,CD段（转折区）： vI1.4V，vB12.1V，T1开始由导通转向反向工作区，T2由导通放大变饱和导通， T4由导通变截止，T5开始饱和导通 vI vC2vO,AB段（截止区）： vI0.7V，vB11.4V，T2、T5截止，T4导通 vO=VOH=3.4V,vO =VCC - vR2 - vBE4 - vD2,38,DE段（饱和区）： vI1.4，T2、T5饱和导通，vI vB12.1V保持不变vO=VOL=0.2V保持不变,门槛电压VTH：当输入电压高于此值时，输出变为低电平。 VTH 1.4V,TTL反相器的静态输入特性和输出特性,一、输入特性（输入端的伏安特性）,40,2.vI=VIH=3.4V时,T1处于倒置放大状态,一般情况下，IIH40A,IB,结论： 当输入为低电平时， 输入电流流出门，大小为1mA； 当输入为高电平时， 输入电流流进门，很小40A。,输入端等效电路,3. 输入端悬空相当于接高电平,输入端悬空时，VCC通过R1加在T1集电结、T2、T5发射结上，使T2、T5导通，输出低电平。故相当于输入端接高电平。,二、输出特性（输出电压随负载电流的变化情况）,1. 高电平输出特性,输出高电平时，T4导通，T5截止,电流流出门,2.低电平输出特性,RLiL vCE5 VOL ,输出低电平时，T4截止，T5饱和,电流流进门,结论： 当负载电流增加时， 输出高电平会降低，输出低电平会升高。,44,电源的动态尖峰电流,稳态时，T4、T5总有一个截止，故电流不大，ICCH=1.1mA，ICCL=3.4mA,输出从低到高变化时， T4 由截止到导通快， T5由导通到截止慢，故有一段时间T5、T4同时导通，电流很大。,TTL反相器的动态特性,45,输出从高到低变化时， T5 从截止到饱和， T4从饱和到截止，同时导通时间较短，尖峰电流持续时间较短,尖峰电流的影响：使电源电流的平均值加大了。,tPLH tPHL,4.1.1 标准TTL与非门(四管单元),4.1 一般的TTL与非门,46,与非门、或非门等门电路的输入、输出结构与反相器相同，因此前面所讲的输入、输出特性对这些门电路同样适用。,TTL与非门,由于T5的集电极与二极管D的负极电位相同，所以在版图设计时，可将T5和D设计成一个复合管，共用一个隔离岛，如图所示。,2019/4/26,48,两管单元TTL与非门,电路抗干扰能力小 电路输出端负载能力弱 IB2小，导通延迟较大,四管单元TTL与非门,T2管的引入提高了抗干扰能力,有源负载的引入提高了电路的负载能力,两管单元TTL与非门和四管单元TTL与非门的比较,R4,T4,D起了电平移位的作用,四管单元的缺点： （1)输出低电平时T5处于饱和态，在向高电平转换时，基区少子存贮电荷只有通过R3泄放，速度较慢，影响上升时间。 (2) 输出端从低电平向高电平转换的瞬间，从电源经R4,T4,D到T5有瞬态大电流流过，因此在二极管D上就有大量的存储电荷，因没有泄放回路只能靠二极管本身的复合而消失，所以使该电路的开关速度受到影响。,D2,R3,2019/4/26,49,T5,R4,T4,四管单元TTL与非门,五管单元TTL与非门,四管单元TTL与非门和五管单元TTL与非门的比较,R3,R3,R5,D2,输入端有一个为低电平时，T2、T5截止， T3饱和导通， T4正向放大，,VOH =VCC - VR4 VCE(sat)3 VBE4,IR4 =IC3 IC4 ，值比较小,输出为高电平：,T3、T4管构成达林顿管，T4管不会进入饱和区反向时,林顿管对截止延迟时间影响小,2019/4/26,50,T5,R4,T4,四管单元TTL与非门,五管单元TTL与非门,四管单元TTL与非门和五管单元TTL与非门的比较,R3,R3,R5,D2,输入端有全为高电平时，T2、T5迅速导通， T3由饱和导通转向截止（速度较慢）但是T4由放大导通转向截止(速度较快)，而且T4管的基极有泄放电阻R5，T4 截止延时时间进一步减短,五管单元的优点1：林顿管可以减小导通延迟时间，从而提高电路的平均延迟时间。,2019/4/26,51,T5,R4 130,T4,四管单元TTL与非门,五管单元TTL与非门,四管单元TTL与非门和五管单元TTL与非门的比较,R3 470,R3 1K,R5 4K,D2,高电平输出时，通过T3将电流放大后再驱动T4,输出电流大，提高电路的负载能力。,五管单元的优点2：林顿管的引入，提高电路高电平输出时的负载能力,2019/4/26,52,T5,R4 130,T4,四管单元TTL与非门,五管单元TTL与非门,四管单元TTL与非门和五管单元TTL与非门的比较,R3 470,R3 1K,R5 4K,D2,五管单元的缺点：电路中各个电阻的阻值比四管单元电路的电阻值小，所以工作电流ICC增大，电路功耗大，为22mW。电路优值为132pJ.,2019/4/26,53,T5,R4 130,T4,四管单元TTL与非门,五管单元TTL与非门,四管单元和五管单元TTL与非门的共同缺点,R3 470,R3 1K,R5 4K,D2,2019/4/26,53,过渡区：0.7vI1.4V，1.4vB12.1V，T1导通，T2导通放大、T5尚未导通。， vI vC2， T3 、T4慢慢转向截止。输出电压逐步降低 过渡区的存在是降低电路抗干扰能力,共同缺点1：抗干扰能力有待进一步提高,2019/4/26,54,T5,R4 130,T4,四管单元TTL与非门,五管单元TTL与非门,四管单元和五管单元TTL与非门的共同缺点,R3 470,R3 1K,R5 4K,D2,2019/4/26,54,共同缺点2：在电路导通的瞬态，R3分走部分T5管的基极驱动电流，导致电路的导通时间延长，抗干扰能力下降。,当T5管由导通变截止时，R3的存在使的T5管存在电荷释放回路，可以减小截止延迟时间。,2019/4/26,55,T5,R4 130,T4,四管单元TTL与非门,五管单元TTL与非门,四管单元和五管单元TTL与非门的共同缺点,R3 470,R3 1K,R5 4K,D2,2019/4/26,55,假如 R3这个位置有个等效阻抗可变的有源网络：在电路截止瞬态，它呈现低阻、在导通瞬态它呈现高阻，那就可以解决以上不足了,2019/4/26,56,五管单元TTL与非门,五管单元TTL与非门和六管单元TTL与非门的比较,R3 470,R5 4K,目的：加快T5管的导通速度，提高电路的抗干扰能力,2019/4/26,57,五管单元TTL与非门和六管单元TTL与非门的比较, RB的存在使T6比T5晚导通，有源网络呈现高阻，所以IE2全部灌入T5管，使T2 、T5几乎同时导通，改善了电压传输的矩形性（减小了过渡时间），提高了电路的抗干扰能力；, T5饱和导通后，T6也逐渐导通并进入饱和，有源网络呈现低阻，对T5进行分流，使其饱和度变浅, 截止的瞬态，由于T6的基极没有泄放回路，完全靠复合消除存储电荷，所以它比T5晚截止，有源网络呈现低阻，使T5有很好的泄放回路而很快脱离饱和，提高了电路工作速度。,六管单元中，只有T4不会饱和,2019/4/26,58,五管单元TTL与非门和六管单元TTL与非门的比较,Vi,六管单元电压传输特性,电压传输特性曲线矩形度变好，电路传输延迟时间减小，过渡时间变短，电路抗干扰能力变强。,4.2.1 六管单元STTL与非门电路,4.2 STTL和LSTTL电路,六管单元STTL与非门电路：将六管 单元中可能进入饱和的晶体管全部用肖特基箝位晶体管(SCT)代替，可进一步提高电路的工作速度。 优点：SBD的箝位作用，使管子脱离了的深饱和工作状态(减少了超量存储电荷) ，提高电路速度。该电路的门延时tpd=3ns，电路优值约为60pJ。,缺点（1）由于电阻值比标准单元的小，所以功耗较大，功耗PD19mW。同时，饱和压降增加，输出低电平升高。 （2）SBD工艺对硅片表面制备和金属化工艺要求较高；,如果采用高阻值和合理的电路设计，可以实现低功耗STTL电路,4.2.2 低功耗肖特基TTL(LSTTL) 电路,与STTL与非门电路的不同之处如下： 用SBD代替多发射极晶体管T1作为输入端； 将T4管的基极泄放电阻R4由接地改为接输出端V0，并加上肖特基势垒二极管D5和D6。,低功耗的STTL电路，简称LSTTL. LSTTL电路实现了高速和低功耗的良好结合，是TTL系列电路中具有最佳延时功耗积的系列。,4.2.2 低功耗肖特基TTL(LSTTL) 电路,LSTTL电路的基本特点： 采用高阻值电阻使功耗PD下降为标准TTL门电路的1/5左右； 用R1,D1,D2组成输入端的DTL电路。具有以下优点： 高电平时的输入电流变小； SBD是多子器件，速度快；,SBD的击穿电压较高(1015V)， 可将不用的输入端直接接Vcc，而 不用通过电阻接Vcc，使用方便。 R4由接地改为接输出端后，通过R4的电流变小，所以电路功耗下降；在高电平输出时，IR4可成为输出电流的一部分，提高了高电平输出的负载能力。,DTL:二极管晶体管逻辑门电路,增加二极管D5、D6后，电路速度得到提高。 D5的作用:在电路导通瞬间反抽T4管基区的储存电荷，使输出电平迅速下降。 D6的作用:降低高电平向低电平转化时的传输时间. 当VC2下降比VOH快，且VOH-VC20.4V时，D6导通，而通过D5,D6的电流又通过T2放大去驱动T5管，加速了T5管的导通，提高了电路速度。,LSTTL的不足之处是电路的阈值电压VTH较低，使低电平噪声容限下降。,4.5.1 简化逻辑门,4.5 中、大规模集成电路中的简化逻辑门,中、大规模集成电路中的逻辑门可分为三类：输入门、内部门和输出门。 输入门： 与输入端直接相连，受外部电路的直接干扰； 输入门的输出与内部相连，所以负载是固定的，受到的干扰也较小 所以对输入门的要求是输入阻抗要高，抗干扰能力要强。 输出门：与输出端相连，直接驱动外部负载，所以要求输出门的负载能力要强。 内部门：特点为数量大、功耗低、电路简单、负载少、且与负载级在同一芯片上，所以连线短，负载电容小，输出可以进行简化 不与外部直接相连，不受外部干扰，因而允许噪声容限低。 内部门的负载数少、且固定，所以输出驱动电路可以简化。,内部电路化简: