第3章 集成门电路

平均延迟时间是反映与非门开关速度的一个重要参数。 tpd 的典型值约10ns ，一般小于40ns。
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(8) 空载功耗P：平均功耗指在空载条件下工作时所消耗 的平均电功率。
通常将输出为低电平时的功耗称为空载导通功耗PON， 输出为高电平时的功耗称为空载截止功耗POFF ，一般PON大 于POFF 。
二极管的动态特性是指二极管在导通与截止两种状态转 换过程中的特性，它表现在完成两种状态之间的转换需要一 定的时间。为此，引入了反向恢复时间和开通时间的概念。
1. 反向恢复时间 反向恢复时间：二极管从正向导通到反向截止所需要的
时间称为反向恢复时间。 当作用在二极管两端的电压由正向导通电压VF 转为反向 截止电压 VR 时，在理想情况下二极管应该立即由导通转为截 止，电路中只存在极小的反向电流。
(2) 输出低电平VOL：输出低电平VoL是指输入全为高电平 时 的 输 出 电 平 。 VOL 的 典 型 值 是 0.3V ， 产 品 规 范 值 为 VOL≤0.4V。
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(3) 开门电平VO N ：开门电平VON是指保证与非门输出为 低电平时所允许的最小输入高电平，它表示使与非门开通的 输入高电平最小值。
3. LSI (Large Scale Integration ) : 逻辑门数为100 门～ 9999 门(或元件数1000个～99999个)；
4. VLSI (Very Large Scale Integration) : 逻辑门数大于 10000 门(或元件数大于100000个)。
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三．根据设计方法和功能定义分类
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本章知识要点
● 集成电路的分类 ● 半导体器件的开关特性 ● 逻辑门电路 ● 逻辑函数的实现
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3.1 数字集成电路的分类
数字集成电路通常按照所用半导体器件的不同或者根据 集成规模的大小进行分类。
一. 根据所采用的半导体器件进行分类
根据所采用的半导体器件，分为两大类。 双极型集成电路：采用双极型半导体器件作为元件。主要 特点是速度快、负载能力强，但功耗较大、集成度较低。 单极型集成电路(MOS集成电路): 采用金属-氧化物半导体 场效应管(Metel Oxide Semiconductor Field Effect Transister)作为元件。主要特点是结构简单、制造方便、集成度 高、功耗低，但速度相对双极型较慢。
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2. 开通时间
开通时间：二极管从反向截止到正向导通的时间称为开 通时间。
由于PN结在正向电压作用下空间电荷区迅速变窄，正 向电阻很小，因而它在导通过程中及导通以后，正向压降都 很小，故电路中的正向电流IF ≈VF/R。而且加入输入电压VF 后，回路电流几乎是立即达到IF的最大值。
即：二极管的开通时间很短，对开关速度影响很小，相 对反向恢复时间而言几乎可以忽略不计。
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(7) 平均传输延迟时间tpd: 指一个矩形波信号从与非门输 入端传到与非门输出端(反相输出)所延迟的时间。
通常将从输入波上沿中点到输出波下沿中点的时间延迟称 为导通延迟时间tpHL；从输入波下沿中点到输出波上沿中点的 时间延迟称为截止延迟时间tpLH。
平均延迟时间定义为
tpd = ( tpHL+ tpLH )/2
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二．根据集成电路规模的大小进行分类
根据一片集成电路芯片上包含的逻辑门个数或元件个数 ，分为 SSI 、MSI 、LSI 、VLSI。
1. SSI (Small Scale Integration : 逻辑门数小于10 门(或 元件数小于100个)；
2. MSI (Medium Scale Integration ) : 逻辑门数为10 门～ 99 门(或元件数100个～999个)；
F 0 0 0 1
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三. 或门
一个由二极管构成的2输入或门电路如下图所示。
A/V B/ V
F/V
00
0
0 +5
+5
+5 0
+5
+5 +5
+5
AB
00 01 10 11
F 0 1 1 1
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3.3.2 TTL 集成逻辑门电路
TTL(Transistor Transistor Logic)电路是晶体管- 晶体 管逻辑电路的简称。60年代问世，经过对电路结构和工艺 的不断改进，性能得到不断改善，至今仍被广泛应用于各 种逻辑电路和数字系统中。
TTL电路的功耗大、线路较复杂，使其集成度受到一 定的限制，故广泛应用于中小规模逻辑电路中。
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主要外部特性参数 TTL与非门的主要外部特性参数有输出逻辑电平、开门
电平、关门电平、扇入系数、扇出系数、平均传输时延和空 载功耗等。
(1) 输出高电平VOH ：输出高电平VOH是指至少有一个输 入端接低电平时的输出电平。VOH的典型值是3.6V。产品规范 值为VOH≥2.4V。
● 反向电压超过某个极限值时，将使反向电流IR突然猛增 ，致使二极管被击穿（通常将该反向电压极限值称为反向击穿 电压VBR），一般不允许反向电压超过此值。
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由于二极管的单向导电性，所以在数字电路中经常把它当 作开关使用。
二极管开关电路及等效电路 注意： 图中忽略了二极管的正向压降。
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二. 动态特性
二极管在反向电压 VR 作用下，处于截止状态，反向电阻 很大，反向电流 IR 很小（将其称为反向饱和电流，用 IS 表示 ，通常可忽略不计），二极管的状态类似于开关断开。而且反 向电压在一定范围内变化基本不引起反向电流的变化。
使用注意事项!
● 正向导通时可能因电流过大而导致二极管烧坏。组成实 际电路时通常要串接一只电阻 R，以限制二极管的正向电流；
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在数字逻辑电路中，三极管相当于一个由基极信号控制的 无触点开关，其作用对应于触点开关的“闭合”与“断开”。
上述共发射极晶体三极管电路在三极管截止与饱和状态下 的等效电路如下图所示。
晶体三极管在截止与饱和这两种稳态下的特性称为三极 管的静态开关特性。
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3.3 逻 辑 门 电 路
实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的逻辑器件统称 为逻辑门电路，它们是组成数字系统的基本单元电路。
MOS集成电路分为：
PMOS( P-channel Metel Oxide Semiconductor)
NMOS(N-channel Metel Oxide Semiconductor)
CMOS(Complement Metal Oxide Semiconductor) ┊
CMOS电路应用较普遍，因为它不但适用于通用逻电 路的设计，而且综合性能好 。
0，二极管类似于开关的断开状态 ；
正向电压 VF = VTH：管子开始导通，正向电流 IF 开始上升； 正向电压 VF ＞VTH ：管子充分导通(导通电压一般锗管约0.3V，
硅管约 0.7V，通常称为导通电压) ，电阻很小，正向电流IF 急剧增加 ，二 极管类似于开关的接通状态。
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2． 反向特性
根据设计方法和功能定义通常可分为如下3类： 1. 非定制电路（又称为标准集成电路） 2. 全定制电路（又称为专用集成电路） 3. 半定制电路
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3.2 半导体器件的开关特性
数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管等器件一般是 以开关方式运用的，工作状态相当于相当于开关的“接通”与 “断开”。
数字系统中的半导体器件运用在开关频率十分高的电路中 ，研究其开关特性时，不仅要研究它们在导通与截止两种状态 下的静止特性，而且还要分析它们在导通和截止状态之间的转 变过程，即动态特性。
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1. 基本逻辑门
基本逻辑门是指实现3种基本逻辑运算的与门、或门和非 门。常用的TTL与门集成电路芯片有四2输入与门7408，三3 输入与门7411等。例如：
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2、 复合逻辑门 复合逻辑门是指实现复合逻辑运算的与非门、
或非门、与或非门、异或门等。
(1)与非门 常用的TTL与非门集成电路芯片有四2输入与非门7400，
三3输入与非门7410，二4输入与非门7420等。
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2、 复合逻辑门
(2) 或非门 常用的TTL或非门集成电路芯片有四2输入或非门7402，
三3输入或非门7427等。例如：7402
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2、 复合逻辑门
(3) 与或非门 常用的TTL与或非门集成电路芯片有双2-2与或非门7451
、3-2-2-3与或非门7454等。例如：7451
平均功耗 P =(PON + POFF)/2 TTL与非门的平均功耗一般为20mW左右。
有关各种逻辑门的具体参数可在使用时查阅有关集成 电路手册和产品说明书。
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二. 常用TTL集成逻辑门
常用的TTL集成逻辑门有与门、或门、非门、与非 门、或非门、与或非门、异或门等不同功能的产品。各 种集成逻辑门属于小规模集成电路，下图所示为几种常 用逻辑门的芯片实物图。
现高阻抗，类似于开关断开。 2. 放大状态
vI＞ VTH ，发射结正偏，集电结反偏，iC =βiB 。 3. 饱和状态
vB ＞ VTH，并达到一定值 ，两个PN结均为正偏，iB ≥IBS(基极 临界饱和电流) ≈VCC/βRc ,此时iC = ICS(集电极饱和电流)≈VCC/Rc。三 极管呈现低阻抗，类似于开关接通。
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(5) 扇入系数Ni ：指与非门提供的输入端数目。 Ni是由制造厂家安排的，一 般Ni为2～5，最多不超过8
。当应用中要求输入端数目超过Ni时，可通过分级实现的方 法减少对扇入系数的要求。
(6) 扇出系数No：指允许与非门输出端连接同类门的最 多个数。
它反映了与非门的带负载能力.典型TTL与非门的扇出系 数No≥8。
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双极型集成电路分为： 晶体管-晶体管逻辑电路TTL(Transistor Transistor Logic) 发射极耦合逻辑电路(Emitter Coupled Logic) 集成注入逻辑电路I2L(Integrated Injection Logic)
┊ TTL电路的“性能价格比”较佳，应用最广泛。
VON的典型值是1.5V，产品规范值为VON≤1.8V。开门电平 的大小反映了高电平抗干扰能力，VON 愈小，在输入高电平 时的抗干扰能力愈强。
(4) 关门电平VOFF ：关门电平VOFF是指保证与非门输出为 高电平时所允许的最大输入低电平，它表示使与非门关断的 输入低电平最大值。
VOFF 的典型值是1.3V，产品规范值VOFF≥0.8V。关门电平 的大小反映了低电平抗干扰能力，VOFF越大，在输入低电平 时的抗干扰能力越强。
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2、 复合逻辑门
(4) 异或门 异或门只有两个输入端，常用的TTL异或门集成电
路芯片有7486等。下图所示为异或门的逻辑符号和7486 的引脚排列图。
注意：一般TTL逻辑门的输出是不能并联使用的，即两 个逻辑门的输出不能直接对接！
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3.2.1 晶体二极管的开关特性
一．静态特性Fra Baidu bibliotek
常见外形图
静态特性是指二极管在导通和截止两种稳定状态下的特性。典型二极 管的静态特性曲线为：
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1. 正向特性 ： 门槛电压 ( VTH )：使二极管开始导通的正向电压，一般锗管约
0.1V，硅管约0.5V。
正向电压 VF ≤VTH：管子截止，电阻很大、正向电流 IF 接近于
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3.2.2 晶体三极管的开关特性
各种不同三极管的实物图 15
一．静态特性 晶体三极管由集电结和发射结两个PN结构成。三极管
有截止、放大、饱和3种工作状态。 一个用NPN型共发射极晶体三极管组成的简单电路及
其输出特性曲线如下图所示。
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电路工作特点：
1. 截止状态 vI≤0，两个PN结均为反偏，iB≈0,iC ≈0,vCE ≈VCC。三极管呈
第三章
随着微电子技术的发展，人们把实现各种逻辑功能的元 器件及其连线都集中制造在同一块半导体材料小片上，并封 装在一个壳体中，通过引线与外界联系，即构成所谓的集成 电路块，通常又称为集成电路芯片。
集成门电路和触发器等逻辑器件是实现数字系统功能的 物质基础。
采用集成电路进行数字系统设计的优点：
可靠性高、可维性好、功耗低、成本低等优点，可以大 大简化设计和调试过程。
以TTL集成逻辑门和CMOS集成逻辑为例进行介绍。 要求：重点掌握集成逻辑门电路的功能和外部特性，以 及器件的使用方法。对其内部结构和工作原理只要求作一般 了解。
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二. 与门
一个由二极管构成的2输入与门电路如下图所示。
A/V B/ V
F/V
00
0
0 +5
0
+5 0
0
+5 +5
+5
AB
00 01 10 11