半导体集成电路_0双极型集成电路

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1、*1半导体半导体 集成电路集成电路*21.1.简易简易TTLTTL逻辑门逻辑门2.2.四管四管单元单元TTLTTL逻辑门逻辑门3.3.五管单元五管单元TTLTTL逻辑门逻辑门*3VBEVBC饱和区反向工作区截止区正向工作区(正偏)(反偏)(正偏)(反偏)CBEnpn正向工作区正向工作区IBICIEIE=IB+IC反向工作区反向工作区IBICIEIC=IB+IE饱和工作区饱和工作区 CBEVCES截止区截止区 CBE*4简易TTL与非门与非门ABCR1R2VCCVOB1B2 T1T2A AB BC COO0 00 00 01 10 00 01 11 10 01 10 01 10 01 11 11

2、 11 10 00 01 11 10 01 11 11 11 10 01 11 11 11 10 0两管单元TTL与非门*5简易TTL与非门ABCR1R2VCCVOB1B2 T1T2两管单元TTL与非门工作原理R1R2VCCB1A B C4K4K4K4K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*6简易TTL与非门1. 输入信号中至少有一个为低电平的情况R1R2VCCB

3、1A B C1VVOL=0.3VVOL=0.3V VB1 =VBE1+VOL=0.3V+0.7V=1VVB1被嵌位在1VIB1=(VCC-1V)/R1=5V-1V/4K=1mA4K4KIC1B2T2管截止,VOH=VCC-IOHR2输出高电平时电路供给负载门的电流0.4VIOHT2管的集电结反偏，Ic1很小， 满足IB1 Ic1，T1管深饱和， VOCS1=0.1V，VB2=0.4V*7简易TTL与非门2. 输入信号全为高电平R1R2VCCB1A B C1.4VVOH=5V VB1 =VBC1+VBE2=0.7V+0.7V=1.4VVB1被嵌位在1.4V4K4KIC1B2VOH=5VT1管的发

4、射结反偏,集电结正偏, 工作在反向有源区,集电极电流 是流出的,T2管的基极电流为: IB2=-IC1=IB1+bIB1IB1（b0.6V;0.6VVNMH=VOH-VIHVNML=VIL-VOLVNML=0.6V-0.3V=0.3V两管单元非门的噪声容限AR1R2VCCVOB1B2 T1T2*16简易TTL与非门R1R2VCCB1A B C1VVOL=0.3VVOL=0.3V VB1 =VBE1+VOL=0.3V+0.7V=1VVB1被嵌位在1VIB1=(VCC-1V)/R1=5V-1V/4K=1mA4K4KIC1B2T2管截止,VOH=VCC-IOHR2输出高电平时电路供给负载门的电流0.

5、4VIOH2. 负载能力*17两管单元TTL与非门的静态特性-负载能力. . .能够驱动多少个 同类负载门正常工作NN扇出*18ABCR1R2VCCB1B2 T1T24K4K1. 求低电平输出时的扇出解：负载电流IC=NNIILVCCVOT1T24K4KVCCVOT1T24K4K。 。 。IILN个ICIILIIL=(VCC-VBES)/R1=(5V-0.7V)/4K1.1mA解得：NN3*19ABCR1R2VCCB1B2 T1T24K4K2. 求高电平输出时的扇出要求保证输出高电平3V解：负载电流IC=NNIIHVCCVOT1T24K4KVCCVOT1T24K4K。 。 。IIHN个ICII

6、HIIH=-IE=0.018mAVOH=VCC-ICR2 3VNN=2525*20ABCR1R2VCCVOB1B2 T1T2两管单元TTL与非门的静态特性3. 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：4K4K*21ABCR1R2VCCVOB1B2 T1T2两管单元TTL与非门的瞬态特性1. 延迟时间 2. 下降时间 3. 存储时间 4. 上升时间V Vi it0V Vi it0t0t1t2t3t4t5 td=t1-t2 tf=t2-t1 ts=t4-t3 tr=t5-t6*22 平均

7、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 。输入信号VI输出信号V0返回*23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VCCVSS*24ABCR1R2VCCVOB1B2 T1T2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*25典型四管单元TTL与非门A

8、BCR1R2VCCVOB1B2 T1T2T3T5R3ABCR1R2VCCVOB1B2 T1T2R5*26典型四管单元TTL与非门ABCR1R2VCCVOB1B2 T1T2T3T51. T2管使电路低电平噪声容限VNML提高了一个结压降，因此电 路抗干扰能力增强。 2. T3、T5构成推挽输出（又称图腾柱输出），使电路负载能力增 强。 3. T5基极驱动电流增大，电路导通延迟得到改善。ABCR1R2VCCVOB1B2 T1T2电平移位作用R3R4180*27ABCR1R2VCCVOB1B2 T1T2两管单元TTL与非门u 电路抗干扰能力小 u 电路输出端负载能力弱 u IB2小，导通延迟较大四管

9、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ABCR1R2VCCVOB1B2 T1T2T5*28ABCR1R2VCCVOB1B2 T1T2T5电路导通时，T2、T5饱和VO=VOL 这时，T2管的集电极和 输出之间的电位差为：VC2-VO=VCES2+VBES5-VCES5VBES5=0.8VT5和D不能同时导通D起了电平移位的作用R5T3*29ABCR1R2VCCVOB1B2 T1T2T5R5T3R1R2VCCVOB1B2 T1T2T5R5T4 ABT3T3、T4管构成达林顿管，T4管不会进入饱和区 反向时T4管的基极有泄放电阻，使电路的平均 延迟时间

10、下降四管单元TTL与非门五管单元TTL与非门*305管单元TTL与非门电路输入级由多发射极晶体 管T1和基极电组R1组成 ，它实现了输入变量A 、B、C的与运算输出级：由T3、T4、T5和R4、R5组成 其中T3、T4构成复合管，与T5组成推 拉式输出结构。具有较强的负载能力中间级是放大级，由T2、R2 和R3组成，T2的集电极C2和 发射极E2可以分提供两个相 位相反的电压信号*31TTL与非门工作原理 输入端至少有一个接低 电平0 .3V 3 .6V 3 .6V1V 3 .6VT1管:A端发射结导通，Vb1 = VA + Vbe1 = 1V， 其它发射结均因反偏而截 止. 5-0.7-0.

11、7=3.6VVb1 =1V,所以T2、T5截止, VC2Vcc=5V, T3：微饱和状态。 T4：放大状态。 电路输出高电平为：5V*32 输入端全为高电平3 .6V 3 .6V2.1V 0 .3VT1:Vb1= Vbc1+Vbe2+Vbe5 = 0.7V3 = 2.1V因此输出为逻辑低电平 VOL=0.3V3 .6V发射结反偏而集电极正偏. 处于反向放大状态T2：饱和状态T3：Vc2=Vces2+Vbe51V，使T3导通，Ve3=Vc2-Vbe3=1-0.70.3V，使T4截止。 T5：饱和状态，TTL与非门工作原理*33 输入端全为高电平 ，输出为低电平 输入至少有一个为 低电平时，输出为

12、高 电平由此可见电路的输 出和输入之间满足 与非逻辑关系T1：反向放大状态 T2：饱和状态 T3：导通状态 T4：截止状态 T5：深饱和状态T2：截止状态 T3：微饱和状态 T4：放大状态 T5：截止状态TTL与非门工作原理*34TTL与非门工作速度存在问题：TTL门电路工作速度相对于MOS较快，但由 于当输出为低电平时T5工作在深度饱和状态，当输出由 低转为高电平，由于在基区和集电区有存储电荷不能 马上消散，而影响工作速度。 改进型TTL与非门可能工作在饱和状 态下的晶体管T1、T2 、T3、T5都用带有肖 特基势垒二极管（ SBD）的三极管代替 ，以限制其饱和深度 ，提高工作速度*35n-

13、epiP-SiP+P+Sn+Epn+Bn+-BLCB*36返回改进型TTL与非门 增加有源泄放电路1、提高工作速度由T6、R6和R3构成 的有源泄放电路来 代替T2射极电阻R3减少了电路的开启时间 缩短了电路关闭时间2、提高抗干扰能力 T2、T5同时导通，因 此电压传输特性曲线 过渡区变窄，曲线变 陡，输入低电平噪声 容限VNL提高了0.7V左 右*37TTL“与非”门的静态特性及主要参数 电压传输特性TTL“与非”门输入电压VI与输出电压VO之间的关系曲线，即 VO = f（VI）截止区当VI0.6V， Vb11.3V时，T2、T5截止 ，输出高电平VOH = 3.6V线性区当0.6VVI1

14、.3V ，0.7VV b21.4V时， T2导通，T5仍截止，VC2随 Vb2升高而下降，经T3、T4 两级射随器使VO下降转折区 饱和区返回*38VILVOHVIHVOLTTL“与非”门的静态 特性及主要参数 抗干扰能力（噪声容限）V IL：保证输出为标准高电平VOH的最大输入低电平值VIH：保证输出为标准低电平VOL的最小输入高电平值 低电平噪声容限V NL：V NL= V IL - VOL 高电平噪声容限V NH：V NH= V IH - VOH*39TTL“与非”门的静态特性及主要参数 输入特性输入电流与输入电压之间的关系曲线，即II = f（VI）假定输入电流II流 入T1发射极时方

15、向 为正，反之为负1. 输入短路电流ISD（也叫输入低电平电流IIL）当VIL = 0V时由输入端流出的电流前级驱动门导通时，IIL将灌 入前级门，称为灌电流负载2. 输入漏电流IIH（输入高电平电流）指一个输入端接高电平，其余输入端接低电平，经该输 入端流入的电流。约10A左右返回*40 扇入系数Ni和扇出系数NO1. 扇入系数Ni是指合格的输入端的个数 2. 扇出系数NO是指在灌电流（输出低电平）状态 下驱动同类门的个数。其中IOLmax为最大允许灌电流，,IIL是一个负载 门灌入本级的电流（1.4mA）。No越大，说 明门的负载能力越强返回TTL“与非”门的外特性及主要参数*41 平均传

16、输延迟时间tpd导通延迟时间tPH：L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 。 一般tpd = 10ns40ns输入信号VI输出信号V0TTL“与非”门的外特性及主要参数返回*422-2 2-2 其它类型其它类型TTLTTL门电路门电路三态逻辑门（TSL）集电极开路TTL“与非”门（OC门）*43集电极开路TTL“与非”门（OC门）10该与非门输出低 电平，T5导通 TTL门输出端并联问题当将两个TTL“与 非”门输出端直 接并联时：VccR5门1的 T4门2的T5产生 一个很大的电流产生一个大电流 1、抬高门2输出 低电平 2、会因功耗过大 损坏门器件 注：TTL输出端 不能直接并联该与非门输出高 电平，T5截止*44