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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
2、所呈现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。,当外加正向电压小于Vth，或者外加反向电压时，vD很小或小于0，由式(2-1)有 ，流过二极管的电流iD
3、= IS。 IS称为反向饱和电流，一般硅管的IS为10151010 A;锗管的IS为1010107 A。 IS数值都很小，通常可忽略不计。 此时，二极管相当于一个很大的电阻，可近似认为是开路。 因此，把二极管端电压小于Vth作为二极管截止的条件。 当二极管作为开关使用时，可将其伏安特性折线化，如图2.1(c)所示。 当正向偏置时，二极管导通，压降为Vth值，相当于开关闭合；当反向偏置时，二极管截止，流过的电流为反向饱和电流IS，非常小，相当于开关断开。,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，二极管开关闭合时，两端仍有电位降
4、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，没有过渡过程，如图2.3所示。,在图
5、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vI=VF，P区中的空穴向N区扩散
6、，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，称为存储时间ts。 在这段时间
7、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正向跳变到二极管正向导通称为二极管的正向
8、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 基本单管共射电路,图2.6 晶体三极管输出
9、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，饱和越深。 S=ib/Ibs称为
10、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较大的变化，即vO/vI1。,(3
11、) 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，其等效电路如图2.8(a)所
12、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) 开关时间 当vI从V跳变V时
13、，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=ts+tf。,2) 开
14、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，发射区不断向基区注入电子，并扩散至
15、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QB均不能立即消散。 在Q
16、BS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
