第五章 集成门电路

1、模拟、数字及电力电子技术 第五章 集成门电路一、半导体器件的开关特性1、二极管的开关特性（1）、开关作用 二极管加正偏电压时导通，导通电压比较小（硅管约为，锗管约为）。二极管加反向电压时截止，截止后的反向电流很小。（2）、动态特征反向恢复过程：D正偏时，PN结电阻较小；加上反压后，形成较大的电流。之后，随着结电阻的增加，反向电流逐渐减小，直至漏电流。电流由所需的时间，成为反向恢复时间。说明： a、转换时间：截止导通较小，导通截止较大，故二极管D的开关时间以来衡量。 b、的最高频率以10来取值。2、晶体管的开关特性（1）、开关作用当为高电平（5V）时，发射结正偏。当基极电流足够大时，将使晶体管饱

2、和导通，其管压降很小（硅管约为0.3V，锗管约为0.1V），所以工程上可以认为，即集电极与发射极之间相当于短路。晶体管饱和的条件：晶体管刚刚由放大进入饱和时的状态称为临界饱和状态，此时的集电极电流称为集电极临界饱和电流，用表示，则：此时的基极电流称为基极临界饱和电流，用表示，则： 晶体管饱和的条件就是：，且临界饱和电流是由外电路（）决定的。 当为低电平（0V）时，发射结无法导通，晶体管处于截止状态，即集电极和发射极之间相当于断路。（2）、动态特性开启时间为晶体管从截止导通，建立电荷需要的时间，关闭时间为晶体管从导通截止存储电荷消散需要的时间。 说明：（1）、转换时间：截止导通时间较小，导通截止

3、时间较大。 （2）、中占主要部分。3、绝缘栅型场效应晶体管的开关特性二、基本门电路1、二极管与门电路 如图，A、B为输入端，Y为输出端。假设电源电压，输入信号的高电平为5V，低电平为0V，二极管、A的正向导通电压均为0.7V。当输入端A为低电平时，二极管导通，此时无论输入端B为高电平还是低电平，输出端Y的电位被钳制在0.7V。当输入端A、B均为高电平时，二极管、均截止，输出Y为5V。2、二极管或门电路如图，或门电路的假设条件与二级管与门电路相同。当输入端A、B均为低电平时，二极管、均截止输出Y为0V；当输入端A、B中至少有一个为高电平时，输出端Y为4.3V。3、晶体管非门电路如图所示电路是由晶

4、体管组成的非门电路，也称晶体管反相器。 当输入端A为低电平时，晶体管截止，输出端Y为5V；当输入端A为高电平时，晶体管饱和导通，输出端Y近似为0。上述介绍的用二极管、晶体管、和电阻等单个元器件构成的门电路称为分立元器件门电路，其缺点是体积大、工作速度低、带负载能力差。集成电路（Integrated Circuit）就是将所有的元件和连线都制作在同一块半导体基片(芯片)上。集成电路分模拟和数字两大类。数字电路的基本逻辑单元有两大类，一类是实现各种基本逻辑关系的电子电路，称为逻辑门电路，它是构成组合逻辑电路的基本单元；还有一类是具有记忆功能的逻辑电路，称为触发器，它是构成时序逻辑电路的基本单元。集

5、成逻辑门电路的分类：如果集成逻辑门是以双极型晶体管（电子和空穴两种载流子均参与导电）为基础的，则称为双极型集成逻辑门电路。它主要有下列几种类型：晶体管晶体管逻辑门电路(TTL：Transistor-Transistor Logic)；高阈值逻辑门电路(HTL：High Threshold Logic)；射极耦合逻辑门电路(ECL：Emitter Coupled Logic； ECL门又叫做电流开关逻辑门，即Current Switching Logic,CSL)；集成注入逻辑门电路(I2L ：Integrated Injection Logic)。 如果集成逻辑门是以单极型晶体管（只有一种极性

6、的载流子：电子或空穴）为基础的，则称为单极型集成逻辑门电路。目前应用得最广泛的是金属-氧化物-半导体场效应管逻辑电路(MOS：Metal Oxide Semiconductor)。MOS电路又可分为：PMOS(P沟道MOS)；NMOS(N沟道MOS)；CMOS(PMOSNMOS互补)。三、TTL集成门电路（一）、TTL与非门1、TTL与非门的工作原理（1）、电路组成输入级由多发射极晶体管和基极电组组成，它能实现输入变量A、B、C的与运算。中间级是放大级，由、和组成，的集电极和发射极可以分别提供两个相位相反的电压信号。输出级由晶体管、和、组成，其中、构成复合管，与组成推拉式输出结构，具有较强的负

7、载能力。输入多发射极的作用:1、参数一致性好；2、缩小体积；3、缩短从饱和向截止的转换时间，即加速转换过程。（2）、原理分析 如图，电源电压，3.6V为高电平，0.3V为低电平，晶体管导通电压为0.7V。a、当输入端A、B、C都为高电平时，的基极电位和集电极电位均要升高。当上升至1.4V时，、的发射结均得到0.7V的电压而导通。这时的基极对地有三个PN结串联，即：。此时，的发射结反偏，集电结正偏。的集电极电位，所以导通；的基极电位，所以截止。综合上述，输出电压。b、当输入端A、B、C中至少有一个低电平时，如输入端C为低电平，其余各输入端均为高电平。由于的发射结（C）先导通，则其基极电位，即把基

8、极电位钳制在1V左右，不足以使、导通，均处于截止状态。 当截止时，这一电压能推动复合管、进入导通状态，且输出电压。2、TTL与非门的电压传输特性TTL与非门的输出电压随输入电压变化的关系曲线，称为电压传输特性。（1）、电压传输特性分析AB段：截止区，当，时，、截止，输出高电平。BC段：线性区，当0.6V1.3V，0.7V1.4V时，开始导通，仍截止，随升高而下降，经、两级射随器使下降。CD段：转折点，=1.4V，、饱和。DE段：饱和区，1.4V，0.3V。（2）、主要参数输出高电平：当输入端至少有一个接低电平、输出端空载时的输出电平，其典型值约为3.6V，的下限值称为标准高电平，其典型值为。输

9、出低电平：当输入端全为高电平时的输出电平，的上限值称为标准低电平，其典型值为。关门电平：与非门在保证输出为高电平时，允许的最大输入低电平值。 。开门电平：与非门在保证输出为低电平时，允许的最小输入高电平值。噪声容限：在保证输出高、低电平基本不变的条件下，输入电平的允许波动的范围称为输入端噪声容限。高电平噪声容限是指在保证输出低电平的前提下，允许叠加在输入高电平上的最大噪声容限。低电平噪声容限是指保证输出高电平的前提下，允许叠加在输入低电平上的最大噪声容限。3、TTL与非门的输入/输出特性（1）、输入伏安特性：输入电压与输入电流之间的关系曲线，即ii = f（Vi）输入短路电流IIS：Vi = 0V时由输入端流出的电流。输入漏电流IIH（输入高电平电流），Vi = 3.6V时,由输入端流入的电流。灌电流拉电流（2）、输入端负载特性：即输入端通过电阻R接地时的特性由图可知：,当时，几乎与成正比，随的增大而上升。但是当上升到1.4V以后，、的发射结同时导通，将的基极电位钳