带肖特基的TTL双与非门集成电路的特点.pdf

带肖特基的T T L 双与非门集成电路的特点 北京东光 电工厂罗嘉谋 T TL数字电路按其工作状态大致可分为饱 和型 和非饱和型电路两种 标准型的 TTL 电路如图 l所 示 即国外的5 4 7 4 系列 是典型的饱和型逻辑电路 在这种电路中 为了确保晶体管进入饱和状态 缩短 晶体管的导通时间 基区必须注入大是 的电流 由于 大t的空穴注人晶体管的基区 使管子 的 B C 结由反 向偏置转为正向偏置 晶体管的基区和集电区内就存 在粉大盈的少数载流子 产生了所谓饱和现象 由于 这种饱和现象而产生的电荷积累 使晶体管由导通转 为截JL时必须设法使这个大t的少数载流子消灭或用 外电路将其流出 这就需要一定的时间 这个时间叫 厂厂 二1 1 1 11 1 1 口 口二 二 厂二l l l 口口口日日 臼臼臼 臼臼 图l标准 型T T L与非门电路 标准 型T T L 电路相兼容 这样 就得采用带肖特基 二极 管的 限制饱和型逻辑 电路 其与非门电路如 图 2 所示 带肖特基二极管 以下简称SB D 的抗 饱和型 与非门电路其典型开关速度 V 二 5 伏T 人 2 5 每个与非门可达3n s 速度功耗积 可达6 0微微焦耳 平均功耗为20mw 从图 1和图2 中可以看出 SBDTTL 电路与标 堆型T TL 电路比较 主要有下列四个特点 1 工作于饱和状态的晶体管都带有肖特墓二极 管 SBD 2 采用T 网络 包括R R 代替标准型 电 路的R s 3 每个输人端都带有肖特墓挤位二极管 4 采用T T 输出结构代替T 和D 普通二 极管 结构 下面简单讨论这几个特点 1 SB D的厦班和特性 SB D 的工作原理就是利用金属和半导体 接触时 形成的能最势垒差 这个势垒差决定了SB D的电压 电流关系 这个势垒差的大小随金属和半导体不 同的组 合而具有不 同的数值 如表 I所示 表 l 金属和丰导休的组合形成的势全差 A 型 S 差 型 一 势垒差 势垒差 e v 0 81 0 60 0 8 5 0 71 0 6 7 0 6 5 0 61 0 6r o0 68 势垒差 e v n X 2 口U O 0 一自 08 8 8 no八 UC O A u勺 伪 P tA I 属 创铆知铆铆匆匆铆 金 A uA s 和 C uA IwN IM 二 l l l 二 口口 门 门 忍忍 口口口口口口口 臼臼臼巨巨臼臼 图2带肖特基TTL与非门电路 做存贮时间 这个 存贮时间是限制饱 和型电路提高开关 速 度的关键因素 为了减 少存 贮时 间 一个方祛 是在 硅中接人 金 Au 元素以缩 短载流子 的寿命 实践证明 使用这种方法 虽能 提高电路的开关速 度 但要使与非门 电路的速度提高到 5ns 毫微秒 以下 是不 可能的 为 了 实现更高速 就得 采用非 饱和型的 ECL 电流型控 制 逻辑 电路 但 是 ECL电路的电源 电茂大 逻 辑振幅 小 为了实现3 05 的甚高速 我们利 用饱和型 逻辑电路 使之在使用电源和逻辑振幅与 从 表 l可看出 对同一种金属 和G aAs 相比 硅 S i 的接触势垒差要小一些 其势垒差与电流的关 一3 6一 系如图3所示 势垒差愈大 起始电压愈高 反向电 拢愈小 反之亦然 考虑到既要有很好的籍位 作用 希 望势垒差小 又要 反向电流小 一般常采用势垒差为 0 5 0 8 5e v 电子伏特 的金属如p t M o W AI 等 有些单位用 A I 作 出了工作 温度为O 7 0 c 范围的具有良好性能的SB D 用P t 可以作出工作温 度范围更宽一些的性能良好的SB D 由于SBD是利用金属和半导体的接触势垒差 而 金属中的自由电子要脱离原子束缚需要的能量较小 半导体中的自由电子要脱离原子的束缚所需能盆较 大 所以 一般说来 半导体中电子的能盈比金属中 电子 的能量高得多 金属和半导体接触 在一定电场 作用下 半导体中的电子就立刻注入到金属中去 电 子在金属中是多数 载流子 这个由半导体注人到金属 中去的电子就成为 金属中的多数载流子 与金属中的 电子没有区别 利用这种多数载流子工作的二极管墓 本上没有载流子的存贮现象 可实现高速开关动作 I 亡一 SIP 一 月沾 二 一呼 方洁流瑞 图 4SB D和硅PN 结图5肖特基晶休管的 门坎电压的区别电流分配关系 的 BC 结向E B结发射电子 这是造成交叉漏电流大 的主要原因 T 管的 BC 结引入SB D后 使 BC 结 处 于较低的正向偏置 大大减弱了它的反向注入 发 射电子 作用 有效地减少 了电路的高电平输入电流 采用这种方法比采取晶体管基区带脖子的办法有效得 多 二是采用SBD后 在工艺上不掺金就可克 服寄 生 PN P管所引起的漏电问题 目前 T TL工艺采用 PN 结隔离 基区 P型 集 电区 N型 衬底 P型 构成寄生PN P管如 图6所示 当电路中N PN 管处于饱和时 B C 结处于正向偏置 相当于寄生PN P 管的 E B 结处于正向偏置 基区向集电区 注 入空穴 N PN 管的基区和集电区 时 未被集电区 PN P管的 降 一d 一 丫 P附 图3半导体和 金属 接触势垒差大 小与电压电流 关系 所 以 为了限制饱和型 逻辑电路 的饱和现象 就将SBD弓I入 到晶体 管的墓极和集 电极之 间 如图2所示 这 样 晶体管的 B C 结就 被s BD 所狡位 从而达 到限 制晶体管饱和的目 的 这种SBD籍位 法 应用于电路 这种电路 图6寄生PNp管造成的 蒸区对地 翻电 墓区 复合掉的空穴将 被反向偏里的隔离 PN 结 PNP管的集电结 所收集而进入衬底 造 成一股从墓区到地的诵 电 采用 S B D后 寄生 PNP管的E B结被籍 叫傲限制饱和逻辑电路 又叫抗饱和逻辑 电路 那么 SB D 是怎样限制晶体管的饱和现象的 呢 因为SB O具有下列特点 它和 PN 结一样具有单向导电性 导电电流 方向是从金属到半导体 所以 在晶体管没有进入饱和 状态时 收集结尚处 于反向 这时sB O也处于反向 SBD是截止的 并不减弱开启晶体管的墓区驱动电流 SBD的正向导通电压 也 叫 门 坎 电压 在 0 4 0 6伏之间 在同一电流下 比硅PN结的导通 门坎电压 7 伏低一些 如图4所示 由于这个特点 在晶体管转入饱和状态使集电结转人正向时 sBD首 先导通 晶体管的墓区驱动电流就通过sB D流走了 如图 5所示 这样 晶体管的基区积累的电荷就大大 减少 饱和现象就被有效地籍位住了 实验结果表明 采用SB D的晶体管 其存贮时间可以小到 In s 以长 另外 采用SBD还会给电路带来一些好处 一 是输入多发射极管T 采用 sB D 后 不仅有利于提高 速度 而且 可以显著降低输入端的高 电平输入电流 即 所谓交叉诵电捷 当T 管处于深饱和时 正向偏置 位 基本上消除了寄生 PN P 管的漏 电问题 当然 采用SB D也会带来一 些不利 因素 如电 路的物出低 电乎将略有升高 但因 电路采用 T 网络 提高了电路的门坎电压 虽低电平略有升高 约0 压伏 左 右 并不影响 电路的抗干扰能力 2 采用 下 网络代粉标准纽TTL电路的R s B DT TL 电路与标准型TT L电路的物 入一物 出电压传输特性如 图 7所示 对标准型 TTL 电路 来 说 当输人 电压上升 到约0 5伏时 T 管便通过 R 开始导通 T 管的集电极电压便开始下降 从而输出 电压便开始下降 在输入 电压为0 5 1 2伏之问时 输出电压随输人电压的增加而线性下降 其下降率为 一 李 因而R 的 电阻值大小对电路的电压传 翰 特 入3 性影响较大 即对电路的输出高电乎影 响较大 另一 方 面 从提高输出管的基区驱动电流考虑 希望 R 有 较大 的电阻值 以便减 少分流作用 但从 增加抽出 管由导通转为截止时使其基区存贮电荷泄放 得快 来 看 希望R 有较小的电阻值 为此 用T 网络代替 R 便可解决问题 当愉出管基极电位刚到E B结导通 一37一 电压时 T 管因有较人的 R 电阻 它比轴出管的墓 极电阻要大得多 翰出管在导通初期 T 管并没有 导 通 轴出管的墓极 驱动电流仍能很好地流入基极 能 加速输出管导通并进人饱和 当输人电压下降 使T 曹截止时 T 管尚未退出饱和 为艳出管的基区电荷 提供了一条泄放的通路 从图7中sBDTTL加T 网 络的输入 箱出电压传输特性可看出 在输入电压 为0 5伏 1 2伏之间时 并不存在一个输出电压随输 人电乎而线性下降的区城 由于采用 T 网络 在 T 型TTL 图7加 T 网络的T TL与 非门电路和不 加T 网络与非门电路传 输 特性比较 管的基极电位尚未 达到T 和输出管 的导通电压之和即 1 4 伏之前 T 管 是不会开始导通 的 因而翰出电压 也不会下降 只有 当翰入电位上升到 足以使T 的基极 电位达到 1 4 伏之 后 T 管和输出管 才 同时开始导通并 很快进人饱和 因而输出电乎在这时便迅速下降 电 平转换区很窄 曲线呈现比较陡的特性 这一点 对 提高电路的杭千扰能力是很重要的 3 采用S日O轴人籍位二极芍 在计算机系统中 由于电路的阻抗不匹配 容易 在输人终端产生脉冲的反冲 为 了去除反冲 可在电 路输入端设计SBD籍位二极管 使反 冲被有效地籍 位住 保证了计算机系统 的方便设计和可靠工作 采 用SBD作为输入籍位二极管 在全温范 围 输人籍 位电压在 18m人时仅 9 1 0伏左右 4 电路的开关特性及T T 的作用 电路的开关特性主要是晶体管存在电容效应 各 点电位不能突变造成的 各点电位的变化过程就是对 电容充放电的过程 这就需要一定的时间 也就是开 关时间 当电路的输人 电压从低到高时 输入脉 冲正 跳变 只有使T T 导通并只有在输出管T 导通 后 输出端的分布电容 寄生 电容和负载电容上的电 压才能通过T 放电 从而使输出电压下降 所以 电 路的 t 轴出波从高到低的开 关时间 就是输入脉 冲从正跳变起到输出管T 导通并进入饱和状态所需 要 的时间 抬入电压为O伏时 T T T 管截止 当输入脉冲正跳变 T 基极电位上升到 1 4 伏左右 T T 管同时开始导通 在这段时间必须对T T T 管的各基 区电容进行充电 同时 随着T T 的 导通 如果某种原因使T 的集电极电位比T 集电极 电平下降得快 而且正好二者相差 1 4 V左右 l J T T 有可能导通 向T 集电极灌人瞬志电流 显然 从T T 优下来的这股电流就会延缓拍出端电容 的 放电过程 这就是翰出电乎下降比较缓慢和有时还会 出现合阶的原因 但这种情况比较少见 当然 电路 的 t 还会受到翰入籍位二极管电容的影响 物入脉 冲正跳变时必须首先对这个电容充电 这就延级了电 路的导通时间 所以 在设计和工艺上要考虑到输入 籍位二极管的电容效应 如果是在便用时才外接输入 籍位二极管 一定要选用电容小的高领二极管 当物 人脉冲发生负跳变 由高到低 时 因各点电位不能突 变 各电容要进行充电或放 电 这时T 管首先转为 正 向工作 它的集电极电流是一股对T 管基极的抽 出电旅 加速了T 管基极电容的放电 使T 很快脱 离饱和 了 集电极电位开始上升 这个电位的上 升 是靠从 R 流下来的电沈对T 集电极电容充电的结 果 当T 集电极电位上 升到 1 8 伏左右时 枪出管 T 还没有截止 输出电位约为0 4伏到0 5 伏左右 T 的集电极电位与输出电位正好相差 1 4伏左右 使 T T 导通 从T T 流下来的电流将能对输 出端 电容进行充电 与此同时 因T 管很快截止 而T 管尚 未截止 还能迅速对物出管T 的基极电流进行泄放 如果T 的泄放作用弱 T 仍有较多的集电极电流 它 水七 图8 标 准 型T TL与 SB DTTL电路输出低 电平随温度变化的 比 较 拟伏 T 留 125亡 00 一4 图O 六尸丈犷丫了下了叭 伏 SBDTTL 与非门电 路输人 输 出电 压 传翰特性随温度的变 化 将 夺走一部 分 从 T T 流下来的电 沈 减踢对翰出电 容的充 电电沈 于 是输出波形上升缓 慢 有时翰出波形 还会出现台阶 但 如果T 的泄放作 用强 从T 一 T 流 下来的电流较大 对输出端电容充电 快 那末 电路的上 升边将是很快的 大约只4 sns 另外 由于电 路中引入SBD 电 路的输出低电平随 沮度的变化有利于 改善电路的高沮性 能 s BD的温度特 性和硅 PN 结的温 度特性 不一样 也就是说 S B D 一38一 的正向压降随温度的变化串较硅 PN 结的变 化率 慢 约一lmV 所以 在高温时电路的输出低电平将 变小 如图9所示 电路引人SB D后 其 输入 输出电压的传输特性随温度的变化如图 9所示 这些 都有利于电路的高温性能 SB DT TL 系列电路与其他T T L 系列电路一样 具有各种品种 而且可以使用同一电源 V SV 同种电路具有同样的功能 在外形封装和外引线排列 上完全可以互换使用 因此 在设计甚高速系统时是 很方便的 目前 SB DTTL 电路除有甚高速系 列 即 5 45 745系列外 还有高速低功耗系列即5 4 L S 74LS 系列 根据市场的需要 近期国外又试制和生产了更 先进的S BDT T L系列即54AS 74A S和54A LS 74 ALS系列 向速度更快 功耗更低方向发展 关于国 内SBD TT L 甚高速系列 电路品种 请参阅四机部产 品管理局编的 半导体集成电路产品 性能汇编 一书 关于S B DT T L 高 速低功耗系列电路 近期国内有 些单位在试制 相信很快就会供应市场 下而谈在使用SB DTTL电路方面应注意的事项 仅供参考 盈 在设计计算机 系统时 请尽量考虑高颇特性 2 信号源线最好短一些 例 如小于25 c m 为 宜 3 如需长线传输时 在传送信号方法上和布线 上应加以注意 所用同轴电缆线特性阻抗最好在5 0 10 00 左右 如需驱 动时 请采用长线驱动器 如用坟 线 请每 1 英尺用3 0结为宜 4 去扔 驱动 传送信号线的接地点最好接在 一点上 5 每用 2 5块电路后 最好接一个去桐电容 例如0 1 0 01拼f 6 对于745 74 LS 74A S 7 4A L S系列电路 电源变化最好在土5形以内 并接去鹅 电容 防止 开 关机器时电源波 动的冲击 7 不使 用输人端的处理 电谅可靠性高时 可 直接接于电源v 线 上 如 电源可靠性不高时 可