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1、第二章 集成逻辑门电路,2.1 半导体器件的开关特性 2.2 简单分立元件逻辑门电路 2.3 TTL集成逻辑门电路 2.4 CMOS逻辑门电路 本章小结 习题,2.1 半导体器件的开关特性2.1.1 晶体二极管的开关特性一个理想开关具有这样的特性:闭合时,开关两端的电压总为0,开关两端点间呈现的电阻也为0;断开时,流过开关的电流总为0,开关两端点间的电阻为无穷大;而且开关的接通或断开动作转换可以在瞬间完成。 实际中,并不存在这样的理想开关。 晶体二极管在近似的开关电路分析中可以当作一个理想开关来分析,但它与理想开关还是有一些区别的。,1. 二极管稳态开关特性电路处于相对稳定的状态下晶体管所呈现
2、的开关特性称为稳态开关特性。 二极管的伏安特性曲线如图2.1(b)所示。 描述该特性的方程为,(2-1),图中Vth称为正向开启电压(或称为门限电压、阈值电压)。 一般硅管的Vth为0.60.7 V; 锗管的Vth为0.20.3 V。 当外加正向电压大于Vth时,正向电流随电压的增加按指数规律增加,二极管开始导通。 由于二极管的伏安特性曲线在电压为Vth处已经很陡,在一段范围内,电流有较大变化时,二极管的端电压保持在Vth左右。 因此,把二极管正向电压大于Vth作为二极管导通的条件。,图2.1 二极管的伏安特性,由此可得出结论:在稳态情况下,二极管开关特性与理想开关存在一定差异。 主要表现为,
3、二极管开关闭合时,两端仍有电位降落;开关断开时,存在反向电流。 此外,二极管的Vth和IS都与温度有关。 通常温度每升高1,Vth约减小22.5 mV;温度每升高10,反向饱和电流IS约增大一倍。 有时把二极管视为理想的开关,即用一个理想开关来等效,截止时认为开路,导通时认为短路。 等效电路如图2.2所示。,图2.2 二极管开关等效电路,2. 二极管瞬态开关特性 电路处于瞬变状态下晶体管所呈现的开关特性称为瞬态开关特性。 具体地说,就是晶体管在大信号作用下,由导通到截止或者由截止到导通时呈现的开关特性。 理想二极管作开关时,在外加跳变电压作用下,由导通到截止或者由截止到导通都是在瞬间完成,没有
4、过渡过程,如图2.3所示。,在图2.3所示电路中,二极管D的工作状态由输入电压vI决定。 当vI =VF时,二极管导通,二极管两端的正向电压vD 0,通过二极管的正向电流iD=IF=VF/R;当vI=VR 时,二极管截止, 二极管两端的反向电压vD=VR,通过二极管的反向电流iD0。 事实上,二极管两端的电压vD不能像图2.3中那样发生突变。 图2.4为二极管的瞬态开关特性波形。,图2.3 理想二极管开关特性,图2.4 二极管瞬态开关特性,二极管是由一个PN结构成的,在稳态vI=VF时正向导通,在外加反向电压vI=VR时,D反向截止,PN结空间电荷区变宽,iD很小。 当tt1时,外加正向电压v
5、I=VF,P区中的空穴向N区扩散,N区中的电子向P区扩散,这样不但使空间电荷区变窄,而且使多子在对方区域存储,建立起一定的少数载流子浓度分布。 此时二极管D稳定工作在导通状态,导通电压为vD0.60.7 V(以硅管为例),导通电流iD=IF=(VFvD)/R VF/R。,当t=t1时,外加电压vI由VF下突变为VR,P区存储的电子和N区存储的空穴不会马上消失,在反向电压作用下,P区的电子被拉回N区,N区的空穴被拉回P区,形成反向漂移电流,iD=IR=(vIvD)/RVR/R,使存储电荷不断减少。 在这些存储电荷消失之前,PN结仍处于正向偏置。 从vI负跳变开始至反向电流降到0.9IR所需的时间
6、,称为存储时间ts。 在这段时间内,PN结维持正向偏置,反向电流IR近似不变。 经过ts时间后,反向电流使存储电荷继续消失,空间电荷区逐渐加宽,二极管转为截止状态。,反向电流由IR减小至反向饱和电流值,这段时间称为下降时间tf。 通常以从0.9IR下降到0.1IR所需时间确定tf。trr= ts+tf 称为反向恢复时间。 在tt2期间,二极管反向截止,vD =VR,iD=IS,空间电荷区很宽。 当t=t2时,外加电压vI由VR突变为VF。 由于二极管两端电压不能突变,电路中产生瞬时大电流(VR+VF)/R,二极管迅速导通,iD由(VR+VF)/R迅速下降到iD=IF=VF/R。 从vI正向跳变
7、到二极管正向导通称为二极管的正向恢复时间,通常用vD的上升时间tr来描述。 与trr相比,正向恢复时间小得多,可忽略不计。,由以上分析可知,反向恢复时间trr是影响二极管开关速度的主要原因,它是二极管开关特性的重要参数。 由于trr的存在导致开关二极管从导通到截止速度慢,而从截止到导通速度快。,2.1.2 晶体三极管的开关特性 在模拟电子线路中,晶体三极管常常工作在线性放大状态,而在数字电路中,在大幅度脉冲信号工作下,晶体管交替工作于截止区和饱和区,作为开关元件使用。 1. 三极管稳态开关特性 图2.5为一个NPN单管共射电路。 晶体三极管输出伏安特性曲线如图2.6所示。,图2.5 基本单管共
8、射电路,图2.6 晶体三极管输出特性曲线和负载线,根据VCC和Rc的值可在输出伏安特性上画一条负载线:当vI0时,管子截止,工作在特性曲线的A点;当ib=60 A 时,若管子的50,则ic=ib3 mA,管子处于临界饱和状态,工作在特性曲线的B点。 通常把处于临界饱和时的基极电流称为饱和基流,记为Ibs,本例Ibs=60 A。 当ib Ibs时,ic几乎不变,管子进入饱和区,此时的集电极电流称为饱和集电极电流,记为Ics。 在图2.5所示电路中,ic的最大值为VCC/Rc,即Ics=VCC/Rc, Ibs=Ics/=VCC/(Rc)。 判断三极管是否进入饱和区,就是看是否ibIbs,大得越多,
9、饱和越深。 S=ib/Ibs称为饱和系数,S越大,饱和深度越深。,晶体三极管有三个工作状态,现以图2.5为例总结如下:(1) 截止状态。 条件:vIVth(Vth为三极管be结的正向开启电压),发射结和集电结均为反向偏置,即vbve,vbvc。 特点:ib0,ic0,vOVCC,晶体管相当于开关断开。 (2) 放大状态。 条件:vIVth而小于某一数值(约为1 V),发射结正偏,集电结反偏,即vbve,vbvc。 特点:三极管T有放大能力,ic=ib,ic的大小与VCC、Rc基本上无关。 ib、ic随vI的增加而增加,vO随vI的增加而下降。 当vI有一较小的vI变化时,会引起输出电压vO较大
10、的变化,即vO/vI1。,(3) 饱和状态。 条件:vI大于某一数值(约为1 V),发射结和集电结均为正向偏置,即vbve,vbvc。 特点:基极电流足够大,满足ibIbs =(VCCVce(sat)/ (Rc),此时vO=Vce(sat)0.3 V;ic=(VCCVce(sat)/RcVCC/Rc。 晶体管c、e之间相当于开关闭合(Vce(sat)为c、e间的饱和压降,很小,约为0.3 V)。 表2.1给出了三极管在不同工作区的典型结压降。,三极管作为开关管,截止时的等效电路如图2.7所示,由于两个结都处于反偏,所以e、b、c三个电极之间开路。 三极管饱和时,两个结都处于正偏,结间有小的压降
11、,其等效电路如图2.8(a)所示,若忽略结压降,则等效电路可简化为图2.8(b),三个电极之间如同短路一样。,图2.7 三极管截止时等效电路,图2.8 三极管饱和时等效电路,2. 三极管瞬态开关特性晶体三极管作为开关管运用,其截止和饱和两种工作状态的相互转换不可能在瞬间完成,如同二极管一样,在三极管的开关过程中内部存在电荷的积累和消散的过程,因而需要时间。 在图2.5所示电路中输入脉冲波形vI,其集电极电流ic和输出的波形vO如图2.9所示。 由该图可以看出,与理想瞬态开关特性相比,实际电路的输出波形会发生畸变,边沿变差。 该图给出了几个开关时间参数。,图2.9 三极管的瞬态开关特性,1) 开
12、关时间当vI从V跳变V时,晶体管不能立即导通,要经历一段延迟时间td和一个上升时间tr,集电结电流ic才能接近于最大值Ics。 延迟时间td:从vI正跳变开始,至集电结电流ic上升到0.1Ics所需要的时间。 上升时间tr:ic从0.1Ics上升到0.9Ics所需要的时间。 开通时间ton:ton=td+tr。 当vI从V跳变V时,晶体管也不能立即截止,要经历一段存储时间ts和一个下降时间tf,ic才逐渐下降到0。, 存储时间ts:从vI负跳变开始,至集电结电流ic下降到0.9Ics所需要的时间。 下降时间tf:ic 从 0.9Ics下降到0.1Ics所需要的时间。 关断时间toff:toff
13、=ts+tf。,2) 开关时间形成的原因 下面分析晶体三极管由截止状态过渡到饱和状态的过程,即发射结由反偏至正偏过程和集电极电流形成过程。 vI由VV时,由于结电容的存在,发射结不能立即由反偏跳变至正偏,要经历空间电荷区由宽变窄,电荷量由多变少(等效于结电容放电)的过程。 当发射结偏压由V上升到 0.7 V左右,T导通,发射区开始向基区注入电子并扩散至集电结,形成集电极电流,这个过程所需要的时间即为延迟时间td。,延迟时间td的长短取决于晶体三极管的结构和电路工作条件。 三极管结电容越小, td越短;三极管截止时反偏越大, td越长;正向驱动电流越大, td越短。 在延迟时间td后,发射区不断
14、向基区注入电子,并扩散至集电结,形成集电极电流,同时在基区累积。 电子浓度在基区不断增加,ic也逐渐加大。 上升时间tr就是ic从0.1Ics上升到0.9Ics基区内电子电荷累积所需要的时间。 tr的大小也取决于晶体三极管的结构和电路工作条件。 基区宽度w越小,tr也越小;基极驱动电流越大,tr也越短。, 下面分析晶体三极管由饱和状态过渡到截止状态的过程,即驱散基区多余存储电荷及驱散基区存储电荷的过程。 当vI=+i时,三极管T稳定工作于饱和状态,ibIbs,集电结也正偏,集电区不能收集从发射区注入到基区的全部电子,在基区形成了多余电子积累QBS。vI由VV,多余电子积累QBS和基区存储电荷Q
15、B均不能立即消散。 在QBS未消失之前,ic就维持Ics不变,T仍饱和。 在V作用下,随着QBS的减少,饱和深度变浅,QBS全部消失后,基区电子分布回到ic=Ics对应的基区电子浓度,T脱离饱和。 ts就是多余存储电荷QBS消失所需的时间。,饱和度越深,QBS越多,ts越长;基极反向驱动电流越大, QBS消失越快,ts越短。 QBS 消失后,集电结由正偏转向反偏,基极反向驱动电流ib使基区电子浓度越来越少,ic也逐渐减少。 T由导通变为截止。 ic从0.9Ics减少至0.1Ics所需的时间就是下降时间tf。 反向驱动电流越大,tf越短。由上述分析可以看出,td、tr、ts和tf这四个时间参数都
16、是以集电极电流的变化情况来测定的。 通常td 较小,ts随饱和深度而变化。 当饱和较深时,ts相对于td、tr和tf时间最长,成为影响三极管开关工作速度的主要原因。 ton和toff的时间长短与管子本身特性有关,也与管子的使用情况有关。 正向基极电流ib越大,ton越短,但这又使管子饱和深度加深,toff加长;相反,反向基极电流加大,可使toff缩短。,2.1.3 MOS管的开关特性前节介绍的晶体管是双极型的,其内部的两种载流子(多子和少子)均参与导电,少子的飘移运动受温度、光照等影响较大,所以其温度特性较差。 本节讨论金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,简称MOS管)的开关特性。 MOS管是一种单极型半导体器件,其内部只有多子参于导电。 这种器件受外部因素影响较小,因此温度稳定性好,又因为MOS管集成工艺简单,工作速度快,因而广泛用于大规模和超大规模集成电路中。,1. MOS管的分类 MOS管有三个电极:源极S、