1、3.2晶體管的開關(guān)特性3.1.13.1.1晶體二極管開關(guān)特性晶體二極管開關(guān)特性3.1.23.1.2晶體三極管開關(guān)特性晶體三極管開關(guān)特性SRV圖3- -1- -1 理想開關(guān)3.1.13.1.1晶體二極管開關(guān)特性晶體二極管開關(guān)特性理想開關(guān)的特性：理想開關(guān)的特性：(1) 開關(guān)開關(guān)S斷開時，通過開關(guān)的電流斷開時，通過開關(guān)的電流i=0，這時開關(guān)兩端點間呈現(xiàn)的電阻為無，這時開關(guān)兩端點間呈現(xiàn)的電阻為無窮大。窮大。(2) 開關(guān)開關(guān)S閉合時，開關(guān)兩端的電壓閉合時，開關(guān)兩端的電壓v=0，這時開關(guān)兩端點間呈現(xiàn)的電阻為零。，這時開關(guān)兩端點間呈現(xiàn)的電阻為零。(3) 開關(guān)開關(guān)S的接通或斷開動作瞬間完成。的接通或斷開動作瞬

2、間完成。(4) 上述開關(guān)特性不受其他因素（如溫度等）的影響。上述開關(guān)特性不受其他因素（如溫度等）的影響。二極管穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性二極管穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性當(dāng)外加正向電壓時，正當(dāng)外加正向電壓時，正向電流隨電壓的增加按指數(shù)向電流隨電壓的增加按指數(shù)規(guī)律增加。圖中規(guī)律增加。圖中Vth稱為正向稱為正向開啟電壓開啟電壓或或門限電壓門限電壓，也稱，也稱為為閾值電壓閾值電壓。iDvDVthISO圖3- -1- -2 二極管伏安特性(a) 二極管電路表示二極管電路表示(b) 二極管伏安特性二極管伏安特性iDvD穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性：穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性：電路處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)下晶體管所呈現(xiàn)電路處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)下晶體管所呈現(xiàn)的開關(guān)特性。的開

3、關(guān)特性。二極管的伏安特性方程二極管的伏安特性方程為：為：)1e (DSD kTqvIi計。計。值很小，通常可忽略不值很小，通?？珊雎圆环Q為反向飽和電流，數(shù)稱為反向飽和電流，數(shù)。，則有，則有，此時，此時，由于，由于當(dāng)外加反向電壓時當(dāng)外加反向電壓時SSDD1e0DIIivkTqv iDvDOiDvDVthO圖3- -1- -2 二極管伏安特性(c) 理想理想二極管開關(guān)特性二極管開關(guān)特性(d) 二極管特性折線簡化二極管特性折線簡化當(dāng)二極管作為開關(guān)使用當(dāng)二極管作為開關(guān)使用時，可將其伏安特性折線化。時，可將其伏安特性折線化。當(dāng)正向偏置時，二極管導(dǎo)通，當(dāng)正向偏置時，二極管導(dǎo)通，壓降為壓降為Vth值，相當(dāng)于

4、開關(guān)值，相當(dāng)于開關(guān)閉合；當(dāng)反向偏置時，二極閉合；當(dāng)反向偏置時，二極管截止，流過的電流為反向管截止，流過的電流為反向飽和電流，非常小，相當(dāng)于飽和電流，非常小，相當(dāng)于開關(guān)斷開。開關(guān)斷開。結(jié)論：結(jié)論：在穩(wěn)態(tài)情況下，二極管開關(guān)特性與理想開關(guān)存在一在穩(wěn)態(tài)情況下，二極管開關(guān)特性與理想開關(guān)存在一定差異。主要表現(xiàn)為，正向?qū)〞r，相當(dāng)于開關(guān)閉合，但兩端定差異。主要表現(xiàn)為，正向?qū)〞r，相當(dāng)于開關(guān)閉合，但兩端仍有電位降落；反向截止時，相當(dāng)于開關(guān)斷開，存在反向電流。仍有電位降落；反向截止時，相當(dāng)于開關(guān)斷開，存在反向電流。此外，二極管的此外，二極管的Vth和和IS都與溫度有關(guān)。都與溫度有關(guān)。通常硅二極管的通常硅二極管的

5、Vth值取值取0.7V，鍺二極管取，鍺二極管取0.3V。二極管瞬態(tài)開關(guān)特性二極管瞬態(tài)開關(guān)特性電路處于瞬變狀態(tài)下晶體電路處于瞬變狀態(tài)下晶體管所呈現(xiàn)的開關(guān)特性。具體的管所呈現(xiàn)的開關(guān)特性。具體的說，就是晶體管在大信號作用說，就是晶體管在大信號作用下，由導(dǎo)通到截止或者由截止下，由導(dǎo)通到截止或者由截止到導(dǎo)通時呈現(xiàn)的開關(guān)特性。到導(dǎo)通時呈現(xiàn)的開關(guān)特性。理想二極管作開關(guān)時，在理想二極管作開關(guān)時，在外加跳變電壓作用下，由導(dǎo)通外加跳變電壓作用下，由導(dǎo)通到截止或者由截止到導(dǎo)通都是到截止或者由截止到導(dǎo)通都是在瞬間完成，沒有過渡過程。在瞬間完成，沒有過渡過程。但實際的二極管開關(guān)有延遲時但實際的二極管開關(guān)有延遲時間。間。

6、DRvI圖3- -1- -3 理想二極管開關(guān)特性vDiD(a)OvIt(b)OvDtOiDtVFVRVRIFRCvIvOVCCRBT圖3- -1- -11 基本單管共射電路3.1.23.1.2晶體三極管開關(guān)特性晶體三極管開關(guān)特性在脈沖與數(shù)字電路中，在大幅度信號作用下，晶體管交替在脈沖與數(shù)字電路中，在大幅度信號作用下，晶體管交替工作于工作于截止區(qū)截止區(qū)與與飽和區(qū)飽和區(qū)，作為開關(guān)元件使用。，作為開關(guān)元件使用。三極管穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性三極管穩(wěn)態(tài)開關(guān)特性如如圖圖3- -1- -11所示基本單管共射電路。所示基本單管共射電路。CCCCCEOBBIBEiRVvviRvv 傳輸特性是指電路的輸出電壓與傳輸特性是指

7、電路的輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關(guān)系。基本單管共射輸入電壓的函數(shù)關(guān)系。基本單管共射電路的傳輸特性曲線大體上分為三個電路的傳輸特性曲線大體上分為三個區(qū)域：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。區(qū)域：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。圖3- -1- -12 單管共射電路傳輸特性vI/VvO/V10500.511.5截止截止放大放大飽和飽和當(dāng)當(dāng)vIVth時，工作于截止時，工作于截止區(qū)。區(qū)。發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反向偏置，即向偏置，即vBvE，vBvE，vBvC。且。且iB滿足：滿足：iBIBS=(VCCVCE(sat)/RC此時，此時，vO=VCE(sat)0； iC=(VCCVCE(sat)/RC VCC/

8、 RC。晶體管。晶體管C、E之間相當(dāng)于開關(guān)閉合。之間相當(dāng)于開關(guān)閉合。3.2TTL集成邏輯門R6AVCCT4T3DR4T2R5R3T1BCR1R2Y圖3-2-1 DTL與非與非門早期的雙極型集成邏輯早期的雙極型集成邏輯門采用的是二極管三極管門采用的是二極管三極管（DTL）形式。由于速度較）形式。由于速度較低，發(fā)展成晶體管晶體管低，發(fā)展成晶體管晶體管電路（電路（TTL）形式。目前國）形式。目前國產(chǎn)的產(chǎn)的TTL集成電路有：集成電路有：CT54/74系列（標(biāo)準(zhǔn)通用系列（標(biāo)準(zhǔn)通用系列）；系列）；CT54H/74H系列（高速系列）；系列（高速系列）；CT54S/74S系列（肖特基系列）；系列（肖特基系列）

9、；CT54LS/74LS系列（低功耗肖特基系列）；系列（低功耗肖特基系列）；R4AVCCT4T3D4R2T2R3T1BCR1Y圖3-2-2 CT54/74系列與非門 k4 .6k1 k1 0313.2.13.2.1晶體管晶體管邏輯門電路（晶體管晶體管邏輯門電路（TTL）TTL與非與非門由三部分組門由三部分組成：多發(fā)射極晶體管成：多發(fā)射極晶體管T1和電和電阻阻R1構(gòu)成電路的構(gòu)成電路的輸入級輸入級，輸，輸入信號通過入信號通過T1的發(fā)射結(jié)實現(xiàn)的發(fā)射結(jié)實現(xiàn)與與邏輯；邏輯；T2和電阻和電阻R2、R3組組成成中間級中間級，從，從T2的集電結(jié)和的集電結(jié)和發(fā)射極同時輸出兩個相位相發(fā)射極同時輸出兩個相位相反的信

10、號，作為反的信號，作為T3和和T4輸出輸出級的驅(qū)動信號；級的驅(qū)動信號；T3、D4、T4和和R4構(gòu)成推拉式的構(gòu)成推拉式的輸出級輸出級?；竟ぷ髑闆r基本工作情況R4AVCCT4T3D4R2T2R3T1BCR1Y圖3-2-2 CT54/74系列與非門 k4 .6k1 k1 031當(dāng)輸入信號當(dāng)輸入信號A、B、C中至中至少有一個為少有一個為低電平低電平(0.3V)時，時，T1的基極電位約為的基極電位約為1V，因此，因此T2和和T4均不會導(dǎo)通。均不會導(dǎo)通。VCC經(jīng)經(jīng)R2驅(qū)動驅(qū)動T3和和D4，使之處于導(dǎo)通狀態(tài)。因，使之處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此輸出電壓此輸出電壓vO為：為：D4BE32B3CCOvvRiVv 由于基

11、流由于基流iB3很小，可忽略很小，可忽略不計，則不計，則3.6VV7 . 0V7 . 0V5D4BE3CCO vvVv即輸出為即輸出為高電平高電平，有時稱電路處于，有時稱電路處于關(guān)態(tài)關(guān)態(tài)。R4AVCCT4T3D4R2T2R3T1BCR1Y圖3-2-2 CT54/74系列與非門 k4 .6k1 k1 031當(dāng)輸入信號當(dāng)輸入信號A、B、C全部全部為為高電平高電平(3.6V)時，時，T1的基極電的基極電位升高，足以使位升高，足以使T1集電結(jié)、集電結(jié)、T2和和T4的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通。的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通。 T2的集電的集電結(jié)電位約為結(jié)電位約為1V，不能驅(qū)動，不能驅(qū)動T3和和D4，使之處于截止?fàn)顟B(tài)。輸出，使之處于截止

12、狀態(tài)。輸出電壓為：電壓為：V3 . 0CE(sat)4OLO VVv即輸出為即輸出為低電平低電平，稱電路，稱電路處于處于開態(tài)開態(tài)。由此可見，電路具有。由此可見，電路具有與非與非門門的邏輯功能。的邏輯功能。表3-2-1 TTL門電路各晶體管工作狀態(tài)推拉輸出電路和多發(fā)射極晶體管的作用推拉輸出電路和多發(fā)射極晶體管的作用推拉輸出電路的主要作用是提高帶負(fù)載能力。推拉輸出電路的主要作用是提高帶負(fù)載能力。當(dāng)電路處于當(dāng)電路處于關(guān)態(tài)時，輸出級工作于射極輸出狀態(tài)，呈現(xiàn)低阻抗輸出；當(dāng)電關(guān)態(tài)時，輸出級工作于射極輸出狀態(tài)，呈現(xiàn)低阻抗輸出；當(dāng)電路處于開態(tài)時，路處于開態(tài)時，T4處于飽和狀態(tài)，輸出電阻也很低。因此在穩(wěn)處于飽和

13、狀態(tài)，輸出電阻也很低。因此在穩(wěn)態(tài)時，電路均具有較低的輸出阻抗，大大提高了帶負(fù)載能力。態(tài)時，電路均具有較低的輸出阻抗，大大提高了帶負(fù)載能力。推拉輸出電路和多發(fā)射極晶體管大大提高了電路的開關(guān)速推拉輸出電路和多發(fā)射極晶體管大大提高了電路的開關(guān)速度。度。一般一般TTL與非與非門的平均延遲時間可以縮短到幾十納秒。門的平均延遲時間可以縮短到幾十納秒。vI/ /V3210123avO/ /VbcdeVNHVNLVILVoffVthVon圖3-2-3 電壓傳輸特性3.2.23.2.2TTL與非與非門的主要外部特性門的主要外部特性電壓傳輸特性電壓傳輸特性ab段段：對應(yīng)：對應(yīng)vI1.3V，T4開始導(dǎo)通。當(dāng)開始導(dǎo)通

14、。當(dāng)vI增加時，輸出電壓增加時，輸出電壓急劇下降，急劇下降，T3和和D4趨向截止，趨向截止，T4趨向飽和，電路狀態(tài)由關(guān)態(tài)轉(zhuǎn)趨向飽和，電路狀態(tài)由關(guān)態(tài)轉(zhuǎn)換為開態(tài)。這一段稱為換為開態(tài)。這一段稱為轉(zhuǎn)折區(qū)轉(zhuǎn)折區(qū)。vI/ /V3210123avO/ /VbcdeVNHVNLVILVoffVthVon圖3-2-3 電壓傳輸特性de段段：隨著：隨著vI增加，增加，T1進(jìn)入倒置工作狀態(tài)，進(jìn)入倒置工作狀態(tài)，T3、D4進(jìn)入截止，進(jìn)入截止， T4進(jìn)入飽和，進(jìn)入飽和，輸出低電平近似為輸出低電平近似為0.3V，電路進(jìn)入穩(wěn)定的開態(tài)。這電路進(jìn)入穩(wěn)定的開態(tài)。這一段稱為一段稱為飽和區(qū)飽和區(qū)。從電壓傳輸特性曲線從電壓傳輸特性曲線可

15、以反映出可以反映出TTL與非與非門的門的幾個主要特性參數(shù)。幾個主要特性參數(shù)。(1) 輸出邏輯高電平和輸出邏輯低電平輸出邏輯高電平和輸出邏輯低電平在電壓傳輸特性曲線截止區(qū)的輸出電壓為輸出邏輯高電平在電壓傳輸特性曲線截止區(qū)的輸出電壓為輸出邏輯高電平VOH，飽和區(qū)的輸出電壓為輸出邏輯低電平，飽和區(qū)的輸出電壓為輸出邏輯低電平VOL。(2) 開門電平開門電平(Von)和關(guān)門電平和關(guān)門電平(Voff)在保證輸出為額定高電平在保證輸出為額定高電平(3V)的的90%(2.7V)的條件下，允許的條件下，允許的輸入低電平的最大值，稱為的輸入低電平的最大值，稱為關(guān)門電平關(guān)門電平Voff；在保證輸出為額定低電平在保證

16、輸出為額定低電平(0.35V)的條件下，允許的輸入高的條件下，允許的輸入高電平的最小值，稱為電平的最小值，稱為開門電平開門電平Von。一般一般Voff0.8V，Von1.8V。(3) 抗干擾能力抗干擾能力在集成電路中，經(jīng)常以在集成電路中，經(jīng)常以噪聲容限噪聲容限的數(shù)值來定量地說明門電的數(shù)值來定量地說明門電路的抗干擾能力。路的抗干擾能力。當(dāng)輸入為低電平時，為保證電路處于穩(wěn)定的關(guān)態(tài)，輸入低當(dāng)輸入為低電平時，為保證電路處于穩(wěn)定的關(guān)態(tài)，輸入低電平加上瞬態(tài)干擾信號不應(yīng)超過關(guān)門電平電平加上瞬態(tài)干擾信號不應(yīng)超過關(guān)門電平Voff。因此。因此允許的干擾允許的干擾容限為容限為VNL=Voff- -VIL，稱為，稱為

17、低電平噪聲容限低電平噪聲容限。當(dāng)輸入為高電平時，為保證電路處于穩(wěn)定的開態(tài)，輸入高當(dāng)輸入為高電平時，為保證電路處于穩(wěn)定的開態(tài)，輸入高電平加上瞬態(tài)干擾信號不應(yīng)低于開門電平電平加上瞬態(tài)干擾信號不應(yīng)低于開門電平Von。因此允許的干擾。因此允許的干擾容限為容限為VNH=VIH- -Von，稱為，稱為高電平噪聲容限高電平噪聲容限。vI/ /V21012AiI/ /mAB圖3-2-4 輸入特性曲線CIISTTL與非與非門輸入特性門輸入特性輸入特性是指輸入電壓和輸入電流之間的關(guān)系曲線。圖輸入特性是指輸入電壓和輸入電流之間的關(guān)系曲線。圖3-2-4中，輸入電流中，輸入電流iI以流出輸入端為正方向。以流出輸入端為正

18、方向。AB段段：vI0.6V，T2和和T4截截止，止，T1深飽和，故深飽和，故1IBE(sat)1CCI)(RvVVi 1II1Rvi 變化規(guī)律為：變化規(guī)律為：BC段段：1.3VvI1.5V，T4開始導(dǎo)通，開始導(dǎo)通，vB1被鉗定在被鉗定在2.1V，T1工作于倒置狀態(tài)。輸入電流由正方向急劇轉(zhuǎn)為反方向，約為工作于倒置狀態(tài)。輸入電流由正方向急劇轉(zhuǎn)為反方向，約為10A左右左右。輸入端接地時流經(jīng)輸入端的電流輸入端接地時流經(jīng)輸入端的電流IIS稱為輸入短路電流。稱為輸入短路電流。T2R1k4RRiT1iIVCCVCCvI圖3-2-5 輸入端經(jīng)Ri接地的情況vI/ /V21012iI/ /mAP圖3-2-6

19、用圖解法說明Ri影響IISM輸入端通過電阻輸入端通過電阻Ri接地的情接地的情況：況：vI=iIRi，用圖解法分析，如，用圖解法分析，如圖圖3-2-6所示。所示。ii1BE(sat)1CCIRRRVVv 為了保證電路穩(wěn)定工作在關(guān)為了保證電路穩(wěn)定工作在關(guān)態(tài)，必須使態(tài)，必須使vIVoff，則，則offBE(sat)1CC1offiVVVRVR 設(shè)設(shè)Voff=0.8V，R1=4k，則，則Ri0.910.91k。R4VCCT4T3DR2T2R3R1Y圖3-2-7 Ri對TTL與非門在開態(tài)時的影響RT1iIiB1iB2iB4iR3Ri當(dāng)當(dāng)TTL與非與非門開態(tài)工作門開態(tài)工作時，時，T2和和T4處于飽和狀態(tài)，

20、處于飽和狀態(tài)，vB1被鉗定在被鉗定在2.1V左右，故左右，故iB1不隨不隨Ri變化。變化。為保證電路穩(wěn)定工作于為保證電路穩(wěn)定工作于開態(tài)，開態(tài)，vI=iIRiVon，而而iIiB1iB2。設(shè)設(shè)Von=0.8V, iB10.725mA， iB20.172mA， iI0.553mA，則，則Ri3.2k。iO/ /mA31010vO/ /VA圖3-2-9 TTL與非門輸出特性B2203040iO/ /mA31010vO/ /V2203040(a) 開態(tài)時開態(tài)時(b) 關(guān)態(tài)時關(guān)態(tài)時TTL與非門的輸出特性反映與非門的輸出特性反映輸出電壓輸出電壓vO與與輸出電流輸出電流iO的關(guān)的關(guān)系。其中輸出電流規(guī)定灌入電

21、流為正方向。系。其中輸出電流規(guī)定灌入電流為正方向。(1) 開態(tài)時：開態(tài)時：T4飽和。飽和。iO增加時，增加時，T4的飽和程度減輕，輸出的飽和程度減輕，輸出低電平略有增高，如圖中的低電平略有增高，如圖中的0A段，輸出電阻約段，輸出電阻約1020。AB段段表示表示T4已脫離飽和區(qū)，輸出低電平增加較大，不能正常工作。已脫離飽和區(qū)，輸出低電平增加較大，不能正常工作。(2) 關(guān)態(tài)時：關(guān)態(tài)時：T4截止，截止，T3 、D4導(dǎo)通。負(fù)載電流為拉電流。導(dǎo)通。負(fù)載電流為拉電流。輸出電阻在輸出電阻在100左右。輸出拉電流增加時，輸出高電平減小。左右。輸出拉電流增加時，輸出高電平減小。TTL與非與非門輸出特性門輸出特性

22、BAY圖3-2-15 非門的線與連接圖示電路為兩個非門的輸出端直圖示電路為兩個非門的輸出端直接連接的情況。其輸出與輸入間的關(guān)接連接的情況。其輸出與輸入間的關(guān)系為系為BAY 兩個邏輯門輸出端相連，可以實現(xiàn)兩兩個邏輯門輸出端相連，可以實現(xiàn)兩輸出相輸出相與與的功能，稱為的功能，稱為線與線與。在用門電路組合各種邏輯電路時，在用門電路組合各種邏輯電路時，如果能將輸出端直接并接，有時能大如果能將輸出端直接并接，有時能大大簡化電路。大簡化電路。前面介紹的推拉式輸出結(jié)構(gòu)的前面介紹的推拉式輸出結(jié)構(gòu)的TTL門電路是不能將兩個門門電路是不能將兩個門的輸出端直接并接的。的輸出端直接并接的。3.2.33.2.3集電極開

23、路的集電極開路的TTL與非門（與非門（OC門）門）圖3-2-16 兩個與非門輸出 直接相連接的情況VCCT4T3D4Y1VCCT4T3D4Y2T2VOHVOL如圖如圖3-2-16所示的連接中，所示的連接中，如果如果Y1 1輸出為高電平，輸出為高電平，Y2 2輸出輸出為低電平，由于推拉式輸出級為低電平，由于推拉式輸出級總是呈現(xiàn)低阻抗，因此將會有總是呈現(xiàn)低阻抗，因此將會有一個很大的負(fù)載電流流過兩個一個很大的負(fù)載電流流過兩個輸出級，該電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常輸出級，該電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常工作電流，甚至?xí)p壞門電路。工作電流，甚至?xí)p壞門電路。為了使為了使TTL門能夠?qū)崿F(xiàn)線門能夠?qū)崿F(xiàn)線與與，把輸出級改為集電極開路

24、，把輸出級改為集電極開路的結(jié)構(gòu)，簡稱的結(jié)構(gòu)，簡稱OC門門。圖3-2-17 集電極開路的與非門 及其邏輯符號VCCT4YBAT1T2YBA&(a)(b)圖圖3-2-18表示了表示了n個個OC門并聯(lián)使用的情況，其輸出門并聯(lián)使用的情況，其輸出IJCDABIJCDABY OC門電路取消了典型門電路取消了典型TTL門電路中門電路中T3、D4的輸出的輸出電路，在使用時外接一個電電路，在使用時外接一個電阻阻RL和外接電源和外接電源V。只要電阻只要電阻RL和電源和電源V的數(shù)的數(shù)值選擇恰當(dāng)，就能保證輸出值選擇恰當(dāng)，就能保證輸出的高、低電平符合要求，輸?shù)母?、低電平符合要求，輸出三極管出三極管T4的負(fù)載電流

25、又不的負(fù)載電流又不過大。過大。圖3-2-18 n個OC門并聯(lián)使用YBA&DC&JI&VCCRLnVCCT4T3D4T2Y圖3-2-19 三態(tài)門電路及邏輯符號T111DPG1G2ABENENA&BENA&BYY(a)(c)(b)三態(tài)門是在普通門電路基礎(chǔ)上，增加控制端和控制電路構(gòu)三態(tài)門是在普通門電路基礎(chǔ)上，增加控制端和控制電路構(gòu)成的。成的。若若EN為有效電平，三態(tài)門與普通門電路一致；否則，輸出為有效電平，三態(tài)門與普通門電路一致；否則，輸出呈現(xiàn)呈現(xiàn)高阻高阻抗?fàn)顟B(tài)，輸入與輸出之間相當(dāng)于斷開?？?fàn)顟B(tài)，輸入與輸出之間相當(dāng)于斷開。高電平有效高電平有效低電平有效低電平有

26、效3.2.4三態(tài)輸出門（三態(tài)門）三態(tài)輸出門（三態(tài)門）圖3-2-20 三態(tài)門接成總線結(jié)構(gòu)B1EN1&A1B2EN2&A2BnENn&An三態(tài)門實現(xiàn)總線結(jié)構(gòu)三態(tài)門實現(xiàn)總線結(jié)構(gòu)輪流定時地使各個輪流定時地使各個EN端為端為1，可把各門的輸出信號輪流傳，可把各門的輸出信號輪流傳送到總線上。送到總線上。圖3-2-21 用三態(tài)門實現(xiàn) 數(shù)據(jù)雙向傳輸11DODIEN總總 線線DO /DIG1G2三態(tài)門實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸三態(tài)門實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸門門G1和和G2為三態(tài)反相器，為三態(tài)反相器，改變控制端改變控制端EN的輸入電平，即的輸入電平，即可控制數(shù)據(jù)的傳輸方向?？煽刂茢?shù)據(jù)的傳輸方向。3.3CMO

27、S電路3.3.13.3.1CMOS反相器工作原理反相器工作原理3.3.23.3.2CMOS反相器的主要特性反相器的主要特性3.3.33.3.3CMOS傳輸門傳輸門3.3.43.3.4CMOS邏輯門電路邏輯門電路圖3- -3- -1 CMOS反相器DGSSGDvOVDDTLT0vI3.3.13.3.1CMOS反相器工作原理反相器工作原理CMOS反相器由一個反相器由一個P溝道增強型溝道增強型MOS管和一個管和一個N溝道增強溝道增強型型MOS管串聯(lián)組成。通常管串聯(lián)組成。通常P溝道管作為負(fù)載管，溝道管作為負(fù)載管，N溝道管作為輸溝道管作為輸入管。入管。兩個兩個MOS管的開啟電壓管的開啟電壓VGS(th)

28、P0，通常為了保證正常工作，要，通常為了保證正常工作，要求求VDD|VGS(th)P|+VGS(th)N。若輸入若輸入vI為低電平為低電平(如如0V)，則負(fù)載，則負(fù)載管導(dǎo)通，輸入管截止，輸出電壓接近管導(dǎo)通，輸入管截止，輸出電壓接近VDD。若輸入若輸入vI為高電平為高電平(如如VDD)，則輸入管導(dǎo)通，負(fù)載管截止，則輸入管導(dǎo)通，負(fù)載管截止，輸出電壓接近輸出電壓接近0V。CMOS反相器具有如下特點：反相器具有如下特點：(1) 靜態(tài)功耗極低。靜態(tài)功耗極低。在穩(wěn)定時，總有一個在穩(wěn)定時，總有一個MOS管處于截止管處于截止?fàn)顟B(tài)，流過的電流為極小的漏電流。狀態(tài)，流過的電流為極小的漏電流。(2) 抗干擾能力較強

29、?？垢蓴_能力較強。由于其閾值電平近似為由于其閾值電平近似為0.5VDD，輸入，輸入信號變化時，過渡變化陡峭，所以低電平噪聲容限和高電平噪信號變化時，過渡變化陡峭，所以低電平噪聲容限和高電平噪聲容限近似相等，且隨電源電壓升高，抗干擾能力增強。聲容限近似相等，且隨電源電壓升高，抗干擾能力增強。(3) 電源利用率高。電源利用率高。VOH=VDD，同時由于閾值電壓隨，同時由于閾值電壓隨VDD變變化而變化，所以允許化而變化，所以允許VDD有較寬的變化范圍，一般為有較寬的變化范圍，一般為+3+18V。(4) 輸入阻抗高，帶負(fù)載能力強。輸入阻抗高，帶負(fù)載能力強。圖3- -3- -2 CMOS輸入保護電路vO

30、VDDTPTNvIC1D2N D1 D1C2PPPNR輸入特性和輸出特性輸入特性和輸出特性(1) 輸入特性輸入特性為了保護柵極和襯底之間為了保護柵極和襯底之間的柵氧化層不被擊穿，的柵氧化層不被擊穿，CMOS輸入端都加有保護電路。輸入端都加有保護電路。由于二極管的鉗位作用，由于二極管的鉗位作用，使得使得MOS管在正或負(fù)尖峰脈管在正或負(fù)尖峰脈沖作用下不易發(fā)生損壞。沖作用下不易發(fā)生損壞。圖3- -3- -3 CMOS反相器輸入特性vIOVDDiI1V考慮輸入保護電路后，考慮輸入保護電路后，CMOS反相器的輸入特性如圖反相器的輸入特性如圖3- -3- -3所示。所示。vO=VOLVDDTNRLvI=V

31、DDTPIOL圖3- -3- -4 輸出低電平等效電路圖3- -3- -5 輸出低電平時輸出特性VOL(vDSN)OIOL(iDSN)vI(vGSN)(2) 輸出特性輸出特性a. 低電平輸出特性低電平輸出特性當(dāng)輸入當(dāng)輸入vI為高電平時，負(fù)為高電平時，負(fù)載管截止，輸入管導(dǎo)通，負(fù)載載管截止，輸入管導(dǎo)通，負(fù)載電流電流IOL灌入輸入管，如圖灌入輸入管，如圖3- -3- -4所示。灌入的電流就是所示。灌入的電流就是N溝道溝道管的管的iDS，輸出特性曲線如圖，輸出特性曲線如圖3- -3-3-5 所示。所示。輸出電阻的大小與輸出電阻的大小與vGSN(vI)有關(guān)，有關(guān)，vI越大，輸出電阻越小，越大，輸出電阻越

32、小，反相器帶負(fù)載能力越強。反相器帶負(fù)載能力越強。VOHVDDTNRLvI=0TPIOH圖3- -3- -6 輸出高電平等效電路圖3- -3- -7 輸出高電平時輸出特性vSDPOIOH (iSDP)vGSPVDDb. 高電平輸出特性高電平輸出特性當(dāng)輸入當(dāng)輸入vI為低電平時，負(fù)為低電平時，負(fù)載管導(dǎo)通，輸入管截止，負(fù)載載管導(dǎo)通，輸入管截止，負(fù)載電流是拉電流，如圖電流是拉電流，如圖3- -3- -6所示。所示。輸出電壓輸出電壓VOH=VDD- -vSDP，拉電，拉電流流IOH即為即為iSDP，輸出特性曲線，輸出特性曲線如圖如圖3- -3- -7所示。所示。由曲線可見，由曲線可見，|vGSP|越大，越

33、大，負(fù)載電流的增加使負(fù)載電流的增加使VOH下降越下降越小，帶拉電流負(fù)載能力就越強。小，帶拉電流負(fù)載能力就越強。電源特性電源特性CMOS反相器的電源特性包含工作時的反相器的電源特性包含工作時的靜態(tài)功耗靜態(tài)功耗和和動態(tài)功動態(tài)功耗耗。靜態(tài)功耗非常小，通?？珊雎圆挥?。靜態(tài)功耗非常小，通?？珊雎圆挥?。CMOS反相器的功耗主要取決于動態(tài)功耗，尤其是在工作反相器的功耗主要取決于動態(tài)功耗，尤其是在工作頻率較高時，動態(tài)功耗比靜態(tài)功耗大得多。當(dāng)頻率較高時，動態(tài)功耗比靜態(tài)功耗大得多。當(dāng)CMOS反相器工反相器工作在第作在第工作區(qū)時，將產(chǎn)生瞬時大電流，從而產(chǎn)生工作區(qū)時，將產(chǎn)生瞬時大電流，從而產(chǎn)生瞬時導(dǎo)通功瞬時導(dǎo)通功耗耗

34、PT。此外，動態(tài)功耗還包括在狀態(tài)發(fā)生變化時，對負(fù)載電容。此外，動態(tài)功耗還包括在狀態(tài)發(fā)生變化時，對負(fù)載電容充、放電所消耗的功耗。充、放電所消耗的功耗。TP圖3- -3- -8 CMOS傳輸門及其邏輯符號VDDCCvO/vIvI/vOvO/vIvI/vOCCTGCvO/vIvI/vOCTN3.3.33.3.3CMOS傳輸門傳輸門CMOS傳輸門是由傳輸門是由P溝道和溝道和N溝道增強型溝道增強型MOS管并聯(lián)互補組管并聯(lián)互補組成。成。當(dāng)當(dāng)C=0V，C=VDD時，兩個時，兩個MOS管都截止。輸出和輸入之間管都截止。輸出和輸入之間呈現(xiàn)高阻抗，傳輸門截止。當(dāng)呈現(xiàn)高阻抗，傳輸門截止。當(dāng)C=VDD，C=0V時，總

35、有一個時，總有一個MOS管導(dǎo)通，使輸出和輸入之間呈低阻抗，傳輸門導(dǎo)通。管導(dǎo)通，使輸出和輸入之間呈低阻抗，傳輸門導(dǎo)通。TP圖3- -3- -9 傳輸門高、低電平傳輸情況VDDC=0C=VDDvOvI=VDDTNDSSDCLTPVDDC=0C=VDDvOvITNSDDSCL(a) 高電平傳輸高電平傳輸(b) 低電平傳輸?shù)碗娖絺鬏攤鬏旈T傳輸門傳輸高電平信號傳輸高電平信號時，若控制信號時，若控制信號C為有效電平，則為有效電平，則傳輸門導(dǎo)通，電流從輸入端經(jīng)溝道流向輸出端，向負(fù)載電容傳輸門導(dǎo)通，電流從輸入端經(jīng)溝道流向輸出端，向負(fù)載電容CL充電，直至輸出電平與輸入電平相同，完成高電平的傳輸。充電，直至輸出電

36、平與輸入電平相同，完成高電平的傳輸。若若傳輸?shù)碗娖叫盘杺鬏數(shù)碗娖叫盘?，電流從輸出端流向輸入端，?fù)載電容，電流從輸出端流向輸入端，負(fù)載電容CL經(jīng)傳輸門向輸入端放電，輸出端從高電平降為與輸入端相同經(jīng)傳輸門向輸入端放電，輸出端從高電平降為與輸入端相同的低電平，完成低電平傳輸。的低電平，完成低電平傳輸。YVDDT1BTP圖3- -3- -10 CMOS與非門TPATNTNT4T3T2YVDDT1B圖3- -3- -11 CMOS或非門AT4T3T23.3.43.3.4CMOS邏輯門電路邏輯門電路CMOS與非與非門、門、或非或非門門當(dāng)輸入信號為當(dāng)輸入信號為0時，與之相連的時，與之相連的N溝道溝道MOS管截止，管截止，P溝道溝道MOS管導(dǎo)通；反之則管導(dǎo)通；反之則N溝道溝道MOS管導(dǎo)通，管導(dǎo)通，P溝道溝道MOS管截止。管截止。TNTNT4TPTPYVDDB圖3- -3- -12 帶緩沖級的與非門A上述電路雖然簡單，但存在一些嚴(yán)重缺點：上述電路雖然簡單，但存在一些嚴(yán)重缺點：(1) 輸出電阻受輸入端狀態(tài)的影響；輸出電阻受輸入端狀態(tài)的影響；(2) 當(dāng)輸入端數(shù)目增多時，輸出低電平也隨著相應(yīng)提高，當(dāng)輸入端數(shù)目增多時，輸出低電平也隨著相應(yīng)提高，使低電平噪聲容限降低。使低電平噪聲容限降低。解決方法：解決方法：在各輸入端、輸出端增加一級反相器，構(gòu)成帶在各輸入