数电学习（三、半导体二极管门电路）（三）
文章目录
- TTL门电路
- 回顾前面几种门电路
- 双极型三极管
- TTL反相器
- 静态输入特性和静态输出特性
- 输入端负载特性
- 其他参数（CMOS也适用）
- 尖峰电流
- 其他TTL门电路
- 其他逻辑功能的门电路
- OC门
- 三态门
- 第三章整体需要额外精读
- 本章小结
TTL门电路
！！对于电子电路，首先要定性得决定器件工作在哪个区域，然后选对正确的模型，然后再分析才可能有正确的结论。
回顾前面几种门电路
- CMOS门电路的基本原理
- 反相器，其他逻辑CMOS电路构成
C：利用了NMOS和PMOS的互补性，而天生的构成了上拉和下拉部分的电路带来的CMOS工艺。在构成的过程中，利用了电路原理的串并结构代替与或结构，直接可以构成其他逻辑运算的CMOS门电路。 - OD门：D指漏极开路，要解决线与，使用时需要上拉电阻，接外电源
- 三态门：实现了高阻态，即实现了物理上连接而电气上不连接的可能（应用：总线）
除了CMOS门电路，还有一小部分市场份额是TTL门电路，这个部分越来越小。
双极型三极管
！！！三极管和MOS管最大的区别是：三极管是电流驱动的。
- 输出特性
输出特性曲线分为三个部分:
- 截止区：Vbe = 0，ib = 0，ic = 0
- 放大区：Vce > 0.7V，ib>0，ic随ib正比变化
- 饱和区：Vce < 0.7V，ib>0，Vce很低，ic随ib变化变缓，趋于饱和
电流放大系数β不由电压决定，由掺杂浓度和各个极的面积大小决定（集电极面积最大，发射极掺杂浓度最高，基极做的最薄最小）
！！！！模电中，我们想让它工作在放大区，这叫做工作点确定，希望有功率放大的特性。而在数电中，我们想用饱和区和截止区。总结：数字电路和模拟电路用到一样的器件，在模拟电路中，我们用线性区，在数字电路中，我们用非线性区，当开关用
- 当想输出低电平时，让三极管工作在截止区
- 当想输出高电平时，让三极管工作在饱和，因为如果是深度饱和，压降可能只有0.1V，0.2V
- 动态开关特性
滞后现象都是由于结电容效应
TTL反相器
- 用三极管当成反相器并不理想：
因为低电平不能有一个大的变化范围，只能在0.7V以下，再高就可能导通
- TTL反相器
下图是TLL反相器的经典设计，一直用到现在
- 这个电路并不是工程师用笔算出来的，而是抱着要设计一个反相器，这个反相器是对前面电路的一个改进，实际是要提高前面电路的输出能力，要把电阻去掉，提高电路的输入阻抗，刚刚那个电路如果要进饱和，要减小Rb，所以电路输入功耗也比较大。
- 对于一个电压信号的传递者来讲，输入端对于前端来讲，最好做到不取电流，取也是取小电流；对于后端来讲，应该做到输出电阻比较小
输出特性：
首先来看，这个曲线特性没有CMOS的曲线特性好。AB和DE比较满意，但是BC和CD是明显的线性区。
- AB段中，输入有变化，输出基本没变化，但是输出即便没变化，这个输出也只有3.几V，并没有能力把5V直接接出来，采用了一个设计跟随输出（设计跟随输出的特点：输出电阻小），设计跟随意味着负载增加，电压能坚持一段时间。
- DE段中，输出是低电平，是T5管饱和导通的状态
- 所以这个电路和CMOS的想法一致，仍然想上拉出一个高电平，下拉出一个低电平
开始分析：（重点）
- AB：截止区 Vi < 0.6V，所以Vb1 < 1.3V，T1导通，T2,T5截止，T4导通
- T1为什么在饱和区？
R1是4K欧，而T1右边等效的电阻很大，所以T1很容易进入饱和区，所以，T1的压降很小。
- BC：线性区 0.7V < Vi < 1.3V，T2导通且工作在放大区，T5截止，T4导通，Vi增大=>Vo减小
- CD：转折区 Vi = Vth 约等于1.4V，所以Vb1>=2.1 V，T2,T5同时导通，T4截止，所以Vo迅速下降，Vol约为0
- 当Vi大于1.4V是，集电极电压不会跟着Vi上升了，因为T2和T5都导通了，集电极电压就是1.4V，这时，基极电压是多少？
这时，集电极电压比发射极低，现在集电极正偏，发射极反偏，管子处在倒置的工作状态，这时，两个PN结各自为政，这时基极的电压始终被控制在2.1V，输出再升高也没有有影响，这就得到了DE段
- DE：饱和区 Vi继续增大，而Vo不变
需要说明：
- T2的输出Vc2和Ve2变化方向相反，故称倒相级
- 输出级在稳态下，T4和T5总有一个导通，一个截止，既能降低功耗又提高了带载，称推拉式
- D1抑制负向干扰；D2保证T5导通时T4可靠截止
输入噪声容限：
输入大于1.4V就是高，和能输出的3.4V直接就是噪声容限
同理，输出低电平也可以界定一个容限
需要注意：
- 拿到一个器件，有一个特性曲线，如果不统一思想，每个人可以取出自己的噪声容限，而这个噪声容限就是系统之后工作的一个特性曲线
- 在整个系统中，如果器件是直接级联，那么他们的噪声容限应该按照最差的来
静态输入特性和静态输出特性
输入特性：
- Vi = Vil = 0.2V,Iil约为0.1mA，是流出的
- 当Vi = Vih = 3.4V，T1发射结反偏，Iih很小
输出特性：
（高电平时）是设计跟随输出，输出电阻小
- 有图下凹的区是T4设计跟随给出的电压补偿能力，当输出因为负载增加，D2下面电压要下降的时候，这时T4导通，T4会把本身压降吐出来，从放大开始往饱和走
- 当负载持续增大，这时T4已经饱和，没有放大能力，等效成一个电阻
但是我们在用的时候不会让它工作在这些区，我们设计这个的时候是从功耗的角度考虑的，输出高电平时带的负载不能太大，因为太大器件受不了。
（输出低电平）
输出电平，忽略掉导通压降，从零开始，随着负载增加，电压会上升。
T5相当于一个有内阻的电压源，内阻不变，随着负载的增加，Rc变小，电压就抬上去了
输入端负载特性
这是TTL器件独有的一个特性，因为CMOS器件有一个好处是输入是隔开的，没有电流，只有电压传递，所以输入不需要考虑。但是TTL不一样。
在输入端接电阻Rp接地。
Rp和R1形成了分压关系，当Rp上升，Vi也随之上升，但是根据前面所讲的，Vb1最高只有2.1V，所以输入最高1.4V。
如果TTL反相器，输入什么都不接，空置，输出为0，从输出看，会以为输入接了高电平。所以，TTL输入没用的时候要妥善处理
其他参数（CMOS也适用）
- 扇出系数
驱动能力，CMOS不讲还有一个原因就是理想的CMOS电路驱动能力无限，因为不取电流。
一个门电路，带自己同样类型的门能带多少个。对于TTL电路，这个扇出系数根据电压传输曲线，输入曲线，高低电平的输出曲线综合分析。（输出在电压允许范围得知带负载能力，除输入需要的电流）
CMOS门电路有这个问题是因为它的导通内阻还是有的，而且后端有漏电流。（但是远比TTL高，因为电压传输不需要电流）
- 传输延迟时间
在真值表中当输入发生变化，从一行跳到另一行，需要多长时间，输入跳了，输出要多长时间才能跳过来。
真值表给出的是0和1，是你所选择的器件的高电平或低电平
tpd：有效到有效的时间（途中要经过无效），希望尽量小
tcd：当输入从有效进入无效，输出保持多久上一个有效，希望尽量大
- 交流噪声容限
当输入信号为窄脉冲，且接近于tpd时，输出变化跟不上，变化很小，因此交流噪声容限远大于直流噪声容限。
尖峰电流
成因：Vi 上升和下降过程中，瞬时T4,T5同时导通。
设计中需要留裕量；高频，可能变成干扰源。
其他TTL门电路
其他逻辑功能的门电路
与非门，双发射极，同高才为高
- 多发射极实现与
问题：输入为低电平，从电源取的电流值都一样；输入为高电平，几个PN结有几个反向电流
TTL中也没有直接的与门，也都是与非门，要想实现与，后面再加个反相器。原因是高电平导通下拉出来了，其实和CMOS上拉下拉是一样的。
或非门，并联结构实现或（对管结构）
高电平进去数两份，低电平也数两份
与或非。
OC门
推拉输出电路结构的局限性：
1.输出电平不可调
2.负载能力不强，尤其是高电平输出
3.输出端不能并联使用（线与）
因为这个局限性，引出OC门（集电极开路）
和OD门一个原理，使用时需要外接电源和上拉电阻。
- OC门全部截止，这时上拉电阻就是整个电压源的内阻，这个内阻不能太大
- 不能太小，怕电流太大
三态门
EN’ = 0，A和B是与非
EN’ = 1，T4和T5同时截止，高阻态
第三章整体需要额外精读
一、CMOS电路的正确使用 P101
1.输入电路的静电保护
2.输入电流的过流保护
3.CMOS电路的锁定效应
二、CMOS集成电路的各种系列 P106（泛读）
4000，74HC/HCT，74AHC/AHCT
74VHC/VHCT
74LVC，74ALVC
三、TTL集成电路的各种系列 P148（泛读）
74S等
四、TTL与CMOS电路的接口
1.满足电平匹配的要求
2.用TTL电路驱动CMOS电路 P147（电压不匹配）
3.用CMOS电路驱动TTL电路 P148（电流不匹配）
本章小结
- CMOS门电路 —— 反相器 —— 其他CMOS逻辑门
- TTL门电路 —— 反相器 —— 其他TTL逻辑门
- TTL电路，CMOS电路的接口
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