半导体集成电路原理与设计—第四章.pptx

晶体管的开关特性晶体管的开关特性开关作用开关作用开关作用开关作用10KVcc=5V1k Vo=40T截止截止饱和饱和放大放大Vbe Vbc反偏反偏，ibic 0，开关断开正偏反偏，ic ib，线性放大正偏正偏，ib IBS ，开关闭合截止状态饱和状态iBIBSui=UIL0.5Vuo=+VCCui=UIHuo=0.3VRbRc+VCCbce0.7V0.3VRbRc+VCCbce 动态特性动态特性动态特性动态特性T从：从：截止截止导通导通，建立电荷需要时间，建立电荷需要时间 ton导通导通截止存储电荷消散需要时间截止存储电荷消散需要时间 toff 开关时间开关时间:说明:转换时间：截止导通 时间ton较小 导通截止时间toff较大 toff中 ts占主要部分。开启开启 延时延时 上升上升关闭关闭 存储存储 下降下降ttui=0.3V时，因为uBE0.5V，iB=0，三极管工作在截止状态，ic=0。因为ic=0，所以输出电压：ui=1V时，三极管导通，基极电流：因为0iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压：uoUCES0.3Vuo=uCE=UCC-iCRc=5-1.51=3.5V 标准标准TTL与非门（四管单元）与非门（四管单元）TTL与非门是双极逻辑电路的基本单元，通过它可以与非门是双极逻辑电路的基本单元，通过它可以衍生出各种逻辑电路。衍生出各种逻辑电路。发展趋势：提高速度、降低功耗（或降低电路的优值，发展趋势：提高速度、降低功耗（或降低电路的优值，即延时功耗积）。即延时功耗积）。四管单元：四管单元：100PJ全全1才输出才输出0，有，有0即输即输出出1延时功耗积（延时功耗积（pJ）=tpdPDtpd为门的传输为门的传输延时（延时（ns）PD为门的空载为门的空载导通功耗导通功耗（mw）&ABCF=ABC四管单元电路四管单元电路输入级：由多发射极管T1和电阻Rb1组成，其作用是对输入变量A、B、C实现逻辑与，所以它相当一个与门。中间级：由T2、Rc2、Re2组成，在T2的集电极与发射极分别可以得到两个相位相反的电压，以满足输出级的需要。输出级：由T3、T4、D和Rc4组成，这种电路形式称推拉式电路，它不仅输出阻抗低，带负载能力强，而且可以提高工作速度。多发射极晶体管及其等效电路多发射极晶体管及其等效电路 每个发射极都能使管子进入放大或饱和区。在电路的截止瞬间（输出由低电平转向高电平时），Q1管可反抽Q2管基区中过剩少子，使电路平均延迟时间tPD下降，提高电路工作速度。TTLTTL与非门的逻辑关系与非门的逻辑关系与非门的逻辑关系与非门的逻辑关系（1 1）输入全为高电平）输入全为高电平3.63.6V时时 T2 2、T3 3饱和导通，饱和导通，实现了与非门的逻实现了与非门的逻辑功能之一：辑功能之一：输入全为高电平时，输入全为高电平时，输出为低电平输出为低电平。由于由于T2 2饱和导通，饱和导通，VC2C2=1=1V。T4 4和二极管和二极管D都截止。都截止。由于由于T3 3饱和导通，输出电压为：饱和导通，输出电压为：VO O=VCES3CES30.30.3V该发射结导通，该发射结导通，VB1 1=1=1V。T2 2、T3 3都截止。都截止。（2 2）输入有低电平）输入有低电平0.30.3V 时时 实现了与非门的逻辑实现了与非门的逻辑功能的另一方面：功能的另一方面：输入有低电平时，输入有低电平时，输出为高电平输出为高电平。忽略流过忽略流过RC2 2的电流，的电流，VB4B4VCCCC=5=5V 。由于由于T4 4和和D导通，所以：导通，所以：VO OVC CC C-VBE4BE4-VD D =5-0.7-0.7=3.6=5-0.7-0.7=3.6（V）综综合合上上述述两两种种情情况况，该该电电路路满满足足与与非非的的逻辑功能，即：逻辑功能，即：TTL TTL与非门的开关速度与非门的开关速度与非门的开关速度与非门的开关速度1TTL与非门提高工作速度的原理与非门提高工作速度的原理（1）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。（2 2）采采用用了了推推拉拉式式输输出出级级，输输出出阻阻抗抗比比较较小小，可可迅迅速速给给负负载载电电容容充放电。充放电。TTL TTL与非门传输延迟时间与非门传输延迟时间与非门传输延迟时间与非门传输延迟时间t tpdpd导导通通延延迟迟时时间间tPHL从从输输入入波波形形上上升升沿沿的的中中点点到到输输出出波波形形下下降降沿沿的的中点所经历的时间。中点所经历的时间。一般一般TTL与非门传输延迟时间与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒十几个纳秒。的值为几纳秒十几个纳秒。截止延迟时间截止延迟时间tPLH从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历的时间。中点所经历的时间。与非门的传输延迟时间与非门的传输延迟时间tpd：TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性1电压传输特性曲线：电压传输特性曲线：Vo=f（Vi）ABCDEAB：Vi0.55V，T1饱和，T2、T5截止，VO=VOHBC：T1饱和，但T1集电极电压达到T2导通电压，T2开始导通，对Vi的增量做线性放大，电压增量VC2通过T4的电压跟随作用引进输出端，形成VO的电压增量-（RC2/Re2）Vb2，VO下降。CD：Vi增大至使T3饱和导通，输出电压迅速下降至VO=VCES3，即D点。DE：T1进入倒置放大状态，保持VO=0.3V输出高电平电压VOH在正逻辑体制中代表逻辑“1”的输出电压。VOH的理论值为3.6V，产品规定输出高电压的最小值VOH（min）=2.4V。输出低电平电压VOL在正逻辑体制中代表逻辑“0”的输出电压。VOL的理论值为0.3V，产品规定输出低电压的最大值VOL（max）=0.4V。关关门门电电平平电电压压V VOFFOFF是是指指输输出出电电压压下下降降到到V VOHOH（minmin）时时对对应应的的输输入入电电压压。即即输输入入低低电电压压的的最最大大值值。在在产产品品手手册册中中常常称称为为输输入入低低电电平平电电压压，用用V VILIL（maxmax）表表示示。产产品品规规定定V VILIL（maxmax）=0.8V=0.8V。开门电平电压开门电平电压V VONON是指输出是指输出电压下降到电压下降到V VOLOL（maxmax）时对应的时对应的输入电压。即输入高电压的输入电压。即输入高电压的最小值。在产品手册中常称最小值。在产品手册中常称为为输入高电平电压输入高电平电压，用，用V VIHIH（minmin）表示。产品规定表示。产品规定V VIHIH（minmin）=2V=2V。五管单元与非门五管单元与非门+5VABCR1T1R2T2R3FR4R5T3T4T5“非非”复合管形式复合管形式与非门与非门输出级输出级“与与”1、无D存在，所以无PN结存储电荷影响；2、采用复合管，实现电平位移，Q4不会进入深度饱和，基极又有泄放电阻，使基区存储电荷降低；3、复合管电流增益大，有利于对负载电容充电。1.任一输入为低电平（任一输入为低电平（0.3V）时）时“0.3”1V不足以让不足以让T2、T5导通导通+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC360 3k750 100 工作原理工作原理三个三个PN结结导通需导通需2.1V+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC“1”全导通全导通电位被嵌电位被嵌在在2.1V全反偏全反偏 1V截止截止2.输入全为高电平（输入全为高电平（3.6V）时）时饱和饱和 六管单元与非门六管单元与非门代替了四管、五管电路中的R31、T5导通时不分流；2、抗饱和，减小了T5的基区存储电荷；3、比T5截止晚，泄放基区存储电荷。抗饱和抗饱和TTL与非门（与非门（STTL）肖特基箝位晶体管肖特基箝位晶体管SBD阴极SBD阳极 将SBD接入普通三极管的基极和集电极之间，可有效地抑制三极管进入深饱和状态。随基极偏置电流IB增加，T管将从放大状态进入饱和状态。集电极电位VC随IB上升而下降。当三极管CE之间的电压VCE降至0.3V时，VBC接近0.4V，SBD趋于导通，IB继续增加的部分将被SBD旁路，三极管T的饱和深度不会再增加，确保三极管工作在浅饱和工作状态。这样当三极管关断时从饱和转为截止的时间缩短了，从而使集成电路的开关速度得到提高。STTL电路形式电路形式优点：电路延时降低，一般优点：电路延时降低，一般3ns，标准单元为，标准单元为10ns。缺点：饱和压降大，所以低电平上升。缺点：饱和压降大，所以低电平上升。划分隔离区划分隔离区划分隔离区划分隔离区1、NPN管集电极等电位时，可以共岛；管集电极等电位时，可以共岛；基本原则：双极电路元器件之间需要电隔离，只有当它们所处的隔离基本原则：双极电路元器件之间需要电隔离，只有当它们所处的隔离岛等电位时，才能共岛。岛等电位时，才能共岛。2、基区扩散电阻原则上可以共岛；、基区扩散电阻原则上可以共岛；3、基极电位相等的、基极电位相等的PNP管可以共岛；管可以共岛；4、共阴极、共阴极SBD可以共岛；可以共岛；阳极阳极阴极阴极SBD1SBD2R1R2R4R5R3GNDY2L8L7B5B4B3L6B2B1L5VCCA3A4A5L3L4Y1VCCA2L1L2A1+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC360 3k750 100 T3T4集电极等电集电极等电位，可以共位，可以共岛。岛。多输入多输入多输入多输入TTLTTL与非门隔离区划分：与非门隔离区划分：与非门隔离区划分：与非门隔离区划分：T2T5T1 LSTTL LSTTL与非门隔离区划分：与非门隔离区划分：与非门隔离区划分：与非门隔离区划分：LSTTLLSTTL门电路的逻辑扩展门电路的逻辑扩展门电路的逻辑扩展门电路的逻辑扩展1、集电极开路的与非门（、集电极开路的与非门（OC门门Open Collector）一、一、问题的提出问题的提出标准标准TTL与非门进行与运算与非门进行与运算:&ABEF&CD&G1&ABEF&CDG 能否能否“线与线与”？+5VR4R2T3T4T5R3TTL与非门的输出电阻与非门的输出电阻很低。这时，直接线与很低。这时，直接线与会使电流会使电流 i 剧烈增加。剧烈增加。i 功耗功耗 T4热击穿热击穿UOL 与非门与非门2：不允许直接不允许直接“线与线与”与非门与非门1 截止截止与非门与非门2 导通导通UOHUOL与非门与非门1：i+5VR4R2T3T4T5R3问题：问题：TTL与非门能否直接线与？与非门能否直接线与？RLUCC集电极悬空集电极悬空+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC&符号符号应用时输出端要接一上拉负载电阻应用时输出端要接一上拉负载电阻 RL。OC门结构特点：特点：RL 和和UCC 可以外接。可以外接。F=ABC OC门可以实现门可以实现“线与线与”功能。功能。&UCCF1F2F3F分析：分析：F1、F2、F3任一导通，则任一导通，则F=0。F1、F2、F3全截止，则全截止，则F=1。输出级输出级RLUCCRLT5T5T5F=F1F2F3 三态逻辑门（三态逻辑门（三态逻辑门（三态逻辑门（TSLTSL）结构：结构：结构：结构：三态门工作原理：三态门工作原理：三态门工作原理：三态门工作原理：G=0Q2截止截止Q5截止截止Q3、Q4截止截止输出高阻态输出高阻态数据数据A、B不能输不能输出到输出端出到输出端G=1D3D4不不起作用起作用 电路恢复正电路恢复正常功能，数据可常功能，数据可以输送到输出端以输送到输出端 三态逻辑门用途三态逻辑门用途三态逻辑门用途三态逻辑门用途E1E2E3公公用用总总线线三态门主要作为三态门主要作为TTL电路与电路与总线总线间的间的接口电路接口电路。工作时，工作时，E1、E2、E3分时分时接入高电接入高电平。平。附:门电路的常见逻辑符号 与门与门 或门或门 非门非门F=AB F=A+B&ABFABFABFABF ABFABF A1FAFAFAF 与非门与非门 或非门或非门 OC门门 (两输入与非两输入与非)&ABFABFABF ABFABF ABF&ABFABFABF 国标国标AB&AB&AB国家标准国家标准 三态门三态门(两输入与非两输入与非)与或非门与或非门+ABCDFABCDF&