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1、2.1 2.1 三极管反相器三极管反相器开关电路开关电路 开关电路开关电路高低电平高低电平BJT、FET或二或二极管极管当前1页，共79页，星期二。第一页，共七十九页。2.1.1 2.1.1 三极管的开关特性三极管的开关特性三极管开关电路三极管开关电路BJT作为作为开关开关vI=VIL,三极管三极管截止截止vI=VIH,三极管饱三极管饱和导通和导通输出高输出高电平电平输出低电输出低电平平当前2页，共79页，星期二。第二页，共七十九页。2.1.2 2.1.2 三极管反相器的工作原理三极管反相器的工作原理实用的三极管反相器电路实用的三极管反相器电路逻辑符号逻辑符号逻辑表达式逻辑表达式保证三极管可靠
2、保证三极管可靠截止截止当前3页，共79页，星期二。第三页，共七十九页。2.1.3 2.1.3 三极管的开关时间三极管的开关时间三极管开关的动态特性三极管开关的动态特性三极管电路的有关知识可知，当输入三极管电路的有关知识可知，当输入信号由高电平变为低电平或由低电平变信号由高电平变为低电平或由低电平变为高电平时，三极管不可能立即实现从为高电平时，三极管不可能立即实现从饱和到截止或从截止到饱和的转换。饱和到截止或从截止到饱和的转换。ic的的变化总是落后于变化总是落后于vi的变化，从而的变化，从而vo的变化也落的变化也落后于后于vi的变化的变化 。开启开启时间时间关断关断时间时间当前4页，共79页，星
3、期二。第四页，共七十九页。2.1.4 2.1.4 三极管反相器的负载能力三极管反相器的负载能力三极管反相器的负载能力：指反相器输出端接其他电路时输出电流的能力。负载分为灌电流负载和拉电三极管反相器的负载能力：指反相器输出端接其他电路时输出电流的能力。负载分为灌电流负载和拉电流负载流负载 灌电流负载灌电流负载 vI为高电平，为高电平，vO输出低电平时，三极管饱和导通，从输出低电平时，三极管饱和导通，从负载流入三极管的电流。负载流入三极管的电流。拉电流负载拉电流负载 vI为低电平，为低电平，vO输出高电平时，三极管截止，从三极输出高电平时，三极管截止，从三极管流入负载的电流。管流入负载的电流。三极
4、管饱和程度下三极管饱和程度下降降 输出高电平的输出高电平的最小值最小值当前5页，共79页，星期二。第五页，共七十九页。推拉式输出推拉式输出为了提高带负载能力，即为了提高带负载能力，即矛盾矛盾推拉式输出推拉式输出改进改进T2是射极是射极输输出出器，器，输输出出电电阻阻很低很低当前6页，共79页，星期二。第六页，共七十九页。2.2 TTL2.2 TTL集成反相器集成反相器2.2.1 TTL2.2.1 TTL反相器的工作原理反相器的工作原理1. 1.电路结构电路结构组成：输入级、倒相级、输出级及输入保组成：输入级、倒相级、输出级及输入保护电路护电路 输入级输入级T1和和R1倒相级倒相级T2和和R2、
5、R3输出级输出级T3、T4、T5及及R5、R3构成推拉式输出构成推拉式输出输入保护输入保护电路电路D1当前7页，共79页，星期二。第七页，共七十九页。2.2.工作原理工作原理 设电源电压设电源电压VCC=5V，输入信号的高、低电平分别为，输入信号的高、低电平分别为VOH=3.4V 、VOL=0.2V ，PN结的特性结的特性用折线等效模型代替，开启电压和工作电压用折线等效模型代替，开启电压和工作电压VON=0.7V，三极管的饱和压降为，三极管的饱和压降为VCES=0.2V。（1）当）当输输入入为为低低电电平平A0（VIL=0.2V )0.2V0.9V0.2V T2、T5截止截止T1深度饱和，深度
6、饱和，VCES10 T3、T4导通导通5V3.4VY1当前8页，共79页，星期二。第八页，共七十九页。（2）当）当输输入入为为高高电电平平A1（VIH=3.4V )3.4V2.1V1.4V0.7V T1倒置状态（发射结反偏，集电结正偏）倒置状态（发射结反偏，集电结正偏） T2、T5饱和导通饱和导通 T3导通，导通，T4截止截止0.9V0.2VY0则则当前9页，共79页，星期二。第九页，共七十九页。2.2.2 TTL2.2.2 TTL反相器的外特性及主要电气参数反相器的外特性及主要电气参数1. 1.电压传输特性电压传输特性电压传输特性电压传输特性电压传输特性是指输出电压随输入电压变化的关系曲线。
7、电压传输特性是指输出电压随输入电压变化的关系曲线。 TTL反相器电路反相器电路当前10页，共79页，星期二。第十页，共七十九页。（1）AB段（截止区）：段（截止区）： 输入电压输入电压vI0.6V,vB11.3V,T2、T5截止，截止，T3、T4导通，导通，输出输出vO为高电平为高电平3.4V（2）BC段（线性区）：段（线性区）： 输入电压输入电压0.7VvI1.4V,vB11.4V,vB1=2.1V,T2、T5饱和，饱和，T3、T4截止，输出截止，输出vO为低电平为低电平0.2V对于典型的对于典型的TTL反相器，阀反相器，阀值电压值电压VTH一般约为一般约为1.4V。可以。可以粗略地认为，当
8、粗略地认为，当vIVTH时时，反，反相器导通，输出低电平；当相器导通，输出低电平；当vIVDD+VDF时，时，D2导通，输入电压被箝制在导通，输入电压被箝制在VDD+VDF ；当；当vIVSS-VDF时，时，D1导通，输入电压被箝制在导通，输入电压被箝制在VSS-VDF-VRs。即使干扰电。即使干扰电压使二极管反向击穿，压使二极管反向击穿，C1、C2上的电压也限制在上的电压也限制在30V以内，保证以内，保证不致产生栅极击穿不致产生栅极击穿当前40页，共79页，星期二。第四十页，共七十九页。2.3.3 CMOS2.3.3 CMOS反相器的外特性及主要电气参数反相器的外特性及主要电气参数1. 1.
9、电压传输特性和电流转移特性电压传输特性和电流转移特性电压传输特性：输出电压电压传输特性：输出电压vO随输入电压随输入电压vI变化的关系曲线变化的关系曲线电流转移特性：输出电流（漏极电流）电流转移特性：输出电流（漏极电流）iD与输入电压与输入电压vI的关系曲线的关系曲线当前41页，共79页，星期二。第四十一页，共七十九页。（1）A段：段：vIVDD- VGS(th)P TN导通，内阻很小；导通，内阻很小；TP截止，电阻很大。输出电截止，电阻很大。输出电压为低电平，压为低电平，vO=VOL=0，iD=0，功耗极小。功耗极小。 总结：总结：CMOSCMOS反相器在高电平、低电平的稳反相器在高电平、低
10、电平的稳定状态时，漏极电流为零，故静态功耗也为零；定状态时，漏极电流为零，故静态功耗也为零；只有在高、低电平的动态转换期间，漏极电流只有在高、低电平的动态转换期间，漏极电流较大，动态功耗不为零。相比于较大，动态功耗不为零。相比于TTLTTL反相器，反相器，功耗大为减小功耗大为减小 当前43页，共79页，星期二。第四十三页，共七十九页。2.2.输入噪声容限输入噪声容限相比于相比于TTL门电路，门电路，CMOS门电路门电路的阀值电压较高，近似为电源电压的一的阀值电压较高，近似为电源电压的一半。其输入低电平和输入高电平的噪声半。其输入低电平和输入高电平的噪声容限几乎相等。从工程上，考虑到一定容限几乎
11、相等。从工程上，考虑到一定的余量，一般取为电源电压的。所以，的余量，一般取为电源电压的。所以，相比于相比于TTL电路，其抗干扰能力较强电路，其抗干扰能力较强当前44页，共79页，星期二。第四十四页，共七十九页。3.3.输入特性输入特性输入电流输入电流iI随输入电压随输入电压vI变化的关系曲线变化的关系曲线输入电压在正常工作范围输入电压在正常工作范围0VDD之间变化时，保护二极管均为反向偏置，输入电流近似之间变化时，保护二极管均为反向偏置，输入电流近似为零；当时为零；当时vIVDD+VDF时，时，D2导通，导通，iI 急剧增加；当急剧增加；当vIVSS-VDF时，时，D1经经RS导通，导通，iI
12、的绝对值随输入电压的绝对值的增大而增大，近似为线性关系的绝对值随输入电压的绝对值的增大而增大，近似为线性关系输入特性输入特性当前45页，共79页，星期二。第四十五页，共七十九页。4.4.输出特性输出特性（1）低电平输出特性）低电平输出特性低电平输出特性低电平输出特性当输出当输出vO为低电平时，输入电压为低电平时，输入电压vO与输出电流与输出电流iO的关系曲线的关系曲线当输入为高电平当输入为高电平vI=VIH=VDD、输出为低电平、输出为低电平vO=VOL=0时，时，TN导通，导通，TP截止，截止，负载电流从负载电路注入负载电流从负载电路注入TN，输出电平，输出电平VOL=IOLRON，随，随I
13、OL的增加而升的增加而升高高当前46页，共79页，星期二。第四十六页，共七十九页。（2）高电平输出特性）高电平输出特性当输出当输出vO为高电平时，输入电压为高电平时，输入电压vO与输出电流与输出电流iO的关系曲线的关系曲线高电平输出特性高电平输出特性当输入为低电平当输入为低电平vI=VIL=0、输出为高电平、输出为高电平vO=VOH=VDD时，时，TP导通，导通，TN截止，截止，负载电流从电源负载电流从电源VDD通过通过TP注入负载，注入负载，VOH=VDDIOHRON，随，随IOH的增加的增加而略有下降。在同样的负载电流情况下，电源电压而略有下降。在同样的负载电流情况下，电源电压VDD越大，
14、越大，TP管的栅管的栅源电压越负，导通内阻越小，源电压越负，导通内阻越小，VOH下降越小下降越小 当前47页，共79页，星期二。第四十七页，共七十九页。5.5.传输延时时间传输延时时间MOS管是单极性三极管，开关过程中没有电荷的积累和消散现象。但由于管子的导通电阻管是单极性三极管，开关过程中没有电荷的积累和消散现象。但由于管子的导通电阻较大，集成电路中管子的极间电容及负载电容的影响，使输出电压的变化滞后于输入电压的变较大，集成电路中管子的极间电容及负载电容的影响，使输出电压的变化滞后于输入电压的变化，相比于化，相比于TTL门电路，其延时时间更大，约为十几个纳秒，故其开关速度较低门电路，其延时时
15、间更大，约为十几个纳秒，故其开关速度较低 6.6.CMOSCMOS集成电路的特点集成电路的特点（1）静态功耗低。在电源电压）静态功耗低。在电源电压VDD5V时，中规模集成电路的静态功耗小于时，中规模集成电路的静态功耗小于100mW。有。有利于提高集成度和封装密度，比较适合于大规模集成；利于提高集成度和封装密度，比较适合于大规模集成；（2）电源电压范围较宽。）电源电压范围较宽。CC4000系列的系列的CMOS电路的电源电压范围从电路的电源电压范围从318V，选择电源的余地大，电源设计要求，选择电源的余地大，电源设计要求低；低；（3）输入阻抗高。正常工作的）输入阻抗高。正常工作的CMOS集成电路，
16、其输入端的保护二极管处于反偏状态，直流输入集成电路，其输入端的保护二极管处于反偏状态，直流输入阻抗大于阻抗大于100M；（4）扇出能力强。在低频工作时，一个输出端可驱动）扇出能力强。在低频工作时，一个输出端可驱动50个以上个以上CMOS集成电路的输入端，这主要是由于集成电路的输入端，这主要是由于CMOS集成电路输入阻抗高、输入集成电路输入阻抗高、输入端取用电流小的原因端取用电流小的原因当前48页，共79页，星期二。第四十八页，共七十九页。（5）抗干扰能力强。）抗干扰能力强。CMOS集成电路的电压噪声容限可达电源电压的集成电路的电压噪声容限可达电源电压的45%，而且高、，而且高、低电平的噪声容限基本相等低电平的噪声容限基本相等；（6）逻辑摆幅大。空载时输出高电平）逻辑摆幅大。空载时输出高电平VOH=（VDD-0.05）VDD，输出低电平（，输出低电平（VSS+0.05）VSS（7）温度稳定性好，且有较强的抗辐射能力）温度稳定性好，且有较强的抗辐射能力 CMOS集成器件的国外产品主要有集成器件的国外产品主要有4000、74C、74HC等系等系列，后两种是高速列，后两种是高速CMOS电路，其
