【学习笔记】3、逻辑门电路

3.1 MOS逻辑门电路

• 按照器件结构的不同形式，分为NMOS、PMOS、CMOS三种逻辑门电路。

3.1.1 CMOS

• CMOS电路成为主导地位的逻辑器件。
• 工作速度：赶上甚至超过TTL电路。（早期CMOS速度慢，后来工艺提升速度变快）
• 功耗和抗干扰能力：远远优于 TTL电路。（功耗低，工作电压宽，抗干扰）
• 下图中，74后面都跟着一个字母C，表示是CMOS。
  
• CMOS技术不适用于射频和模拟电路中。
• BiMOS是射频系统中用的最多的工艺技术。高速、高驱动、高密度、低功耗、低成本。既可以用于数字电路，又可以用于模拟集成电路。
• 双极型数字集成电路TTL和ECL。
• TTL（晶体三极管+肖特基二极管）应用最早，目前一些小规模到中规模的数字系统仍采用TTL技术。低功耗和高速TTL器件（肖特基二极管BSD）。
• ECL（差分对管）不工作在饱和区，工作速度极高。功耗大，不合适做大规模集成电路。应用于高速或者超高速数字系统或设备中。
• 砷化镓是新型半导体材料。工作速度比硅器件快得多。功耗低、抗辐射。应用于光纤通信、移动通信、全球定位等等。
  

3.1.2 逻辑电路的一般特性

• 生产厂家提供的数据手册中，电压传输特性 v 1 − v 0 v_1 - v_0 v1−v0包括：
  （1）输入输出的高低电压
  （2）噪声容限
  （3）传输延迟时间
  （4）功耗
  （5）延迟-功耗积
  （6）扇入数与扇出数。

3.1.3 MOS开关及其等效电路

• MOS管用于有触点的"断开"和"闭合"。
• 速度与可靠性比机械开关优秀很多。

1. MOS的开关作用

• MOS管是一种"压控晶体管"。固定（门级）的电压Vgs ，通过改变漏极和源极的电压Vds，观测通过漏极的电流Id。
  

• 绘制"直流负载线"。

• 通过负载电阻Rd的电流id与Vds之间的关系（仅针对当前电路）。
  

• 绘制"伏安特性曲线"。

• 门级存在一个固定的电压值Vgs，大于开启电压Vt，保证mos管的导通。

• 流经MOS管的电流id。

• 漏极与源极之间的电压差Vds。

• 在"可变电阻区"内，Vds变大，电流Id也变大，电流Id变化趋势逐渐变缓慢。可知在这个过程中，MOS的内阻逐渐变大。

• 在"饱和区"内，Vds变大，电流饱和，不再变大。
  

• 已知固定Vgs时，Id-Vds存在上述图中的变化关系。

• 在这个基础上，改变Vgs，可以绘制出如下的图。
  

• 总结

  （1）当门级输入电压Vgs<开启电压Vt时，MOS处于截止状态。 I d = 0 I_d = 0 Id=0， V o = V d s = V d d V_o = Vds = Vdd Vo=Vds=Vdd。

  （2）当门级输入电压Vgs>开启电压Vt时，MOS处于导通状态。

  随着 V g s Vgs Vgs的变大，MOS管的工作趋势，从饱和区向可变电阻区变化。

  当 V g s Vgs Vgs门级输入电压非常大时，MOS管工作在可变电阻区，MOS的内阻趋向于非常小。负载 R d R_d Rd远大于此时的MOS管内阻。

  根据串联分压，可知 V g s Vgs Vgs无线趋向于0V。此时电流 I d = V d d / R d I_d = Vdd /R_d Id=Vdd/Rd。

• 等效电路

  在上述电路中，MOS管相当于一个由 V G S V_{GS} VGS控制的无触点开关。

  当输入为低电平时，MOS管截止，"断开"，输出高电平。

  当输入为高电平时，MOS管在可变电阻区，"闭合"，输出低电平。

2. MOS管的开关特性

• MOS管的栅极g(门级g)与衬底b之间存在电容。
• MOS管的漏极d与衬底b之间存在电容。
• MOS管的栅极g（门级g）与漏极d之间存在电容。
• MOS管导通时存在导通电阻。
• 由于上述等原因，MOS管的实际输出电压与理想的输入电压进行比较，输出电压上升沿和下降沿变化存在滞后性。也就是响应时间。

3.1.4 CMOS反相器（非门）

• 模拟电路中的知识：由N沟道和P沟道两种MOSFET 组成的电路，成为互补MOS电路 或者 CMOS电路。
• 下图为CMOS反相器电路。其中电源电压必须大于两个MOS的开启电压之和（ V D D V_{DD} VDD > ∣ V T P ∣ |V_{TP}| ∣VTP∣+ V T N V_{TN} VTN）。
• V I = V G S N V_I = V_{GSN} VI=VGSN，NMOS的栅级电压值
• V O = V D S N V_O = V_{DSN} VO=VDSN，NMOS的漏极电压值
• i D N = i D P = i D i_{DN} = i_{DP} = i_D iDN=iDP=iD
  

1. 工作原理

• 当 V I = 0 V V_I = 0V VI=0V(逻辑0)， T N T_N TN NMOS管截止， T P T_P TP PMOS管导通(可变电阻区)。 V O = V D D V_O = V_{DD} VO=VDD。此时通过两管的电流，为通过 T P T_P TP PMOS管的电流， i D P i_{DP} iDP非常小，总的功耗小。
• 当 V I = V D D V_I = V_{DD} VI=VDD(逻辑1), T N T_N TN NMOS管导通(可变电阻区)， T P T_P TP PMOS管截止。 V O = 0 V V_O = 0V VO=0V（约等于0V，典型值10mv）。此时通过两管的电流，为通过 T N T_N TN NMOS管的电流， i D N i_{DN} iDN非常小，总的功耗小。
  
• CMOS反相器近似一个理想的逻辑单元。输出电压近似为 V D D 或者 0 V V_{DD}或者0V VDD或者0V。功耗几乎为0。

2. 电压传输特性和电流传输特性

• 电压传输特性（输出电压 V O V_O VO与 V I V_I VI的变化关系）。

• 由下图可知，栅极电压较大时，MOS处于导通可变电阻区，彻底导通，相当于一根闭合导线。栅极电压很小时，MOS处于截止区，相当于断开。
  

• 电流传输特性。

• 在 V I = V D D / 2 = 2.5 V V_I = V_{DD}/2=2.5V VI=VDD/2=2.5V处，电流最大，功耗最大。危害mos管。使用时应避免长时间工作在这个状态下。

• 当一个MOS截止，一个MOS导通可变时，电流较小，功耗低。
  

3. 工作速度

• CMOS反相器的工作速度（电压值的平均传输延迟时间）大约是10ns，与带负载时的充放电时间有关系。

• CMOS反相器（或CMOS电路），用来驱动其他MOS器件时，负载的输入阻抗是电容性的。如下图所思，负载被简化成一个电容符号 C L C_L CL。
  

• CMOS反相器的输入电压 V i = 0 V_i=0 Vi=0时， T N T_N TN截止， T P T_P TP导通。

• T P T_P TP的导通电阻很小（工作在可变电阻区）。

• 根据电阻和电容的配合关系，可知充电回路 的时间常数较小。
  

• CMOS反相器的输入电压 V i = V d d V_i=V_{dd} Vi=Vdd时， T P T_P TP截止， T N T_N TN导通。

• T N T_N TN的导通电阻很小（工作在可变电阻区）。

• 根据电阻和电容的配合关系，可知放电回路 的时间常数较小。
  

3.1.5 CMOS逻辑门电路

• 在3.1.4中及介绍的CMOS反相器，为"非门"。
• 拓展可以得到，"与非门"，"或非门"，"异或门"等等。

1. 与非门

• 当A和B中出现低电平( A = = 0 ∣ ∣ B = = = 0 A==0||B===0 A==0∣∣B===0)，两个串联的NMOS支路一定是截止，两个并联的PMOS一定有导通的支路，最终输出高电平 L = 1 L=1 L=1。
• 当A和B同时高电平( A = = 1 & & B = = = 1 A==1\&\&B===1 A==1&&B===1)，两个串联的NMOS支路同时导通，两个并联的PMOS同时截止，最终输出低电平 L = 0 L=0 L=0。
• L = A ⋅ B ‾ L = \overline{A · B} L=A⋅B
  

2. 或非门

• 当A和B中出现高电平( A = = 1 ∣ ∣ B = = = 1 A==1||B===1 A==1∣∣B===1)，两个并联的NMOS支路一定有导通的支路，两个串联的PMOS一定截止，最终输出高电平 L = 0 L=0 L=0。
• 当A和B同时低电平( A = = 0 & & B = = = 0 A==0\&\&B===0 A==0&&B===0)，两个并联的NMOS支路同时截止，两个串联的PMOS同时导通，最终输出低电平 L = 1 L=1 L=1。
• L = A + B ‾ L = \overline{A + B} L=A+B
  

3. 异或门

• L = A ⋅ B + X ‾ = A ⋅ B + A + B ‾ ‾ = A ⋅ B + A ‾ ⋅ B ‾ ‾ = A ⊙ B ‾ = A ⊕ B L = \overline{A·B+X} = \overline{A·B+\overline{A+B}} = \overline{A·B+\overline{A}·\overline{B}} =\overline{A⊙B}=A⊕B L=A⋅B+X=A⋅B+A+B=A⋅B+A⋅B=A⊙B=A⊕B
  

4. 同或门

• 在异或门的后面增加一个非门，就构成了"异或非门"，也就是同或门。
• L = A ⋅ B + A ‾ ⋅ B ‾ = A ⊙ B L =A·B+\overline{A}·\overline{B} =A⊙B L=A⋅B+A⋅B=A⊙B
  

5. 输入、输出保护电路和缓冲电路

• 输入保护缓冲电路和输出缓冲电路，用于隔离外部与基本逻辑功能电路。
• 提供稳定的输入特性和输出特性。输入输出不会受到内部逻辑影响。
  
  （1）输入保护缓冲电路。
• 输入缓冲电路是指CMOS反相器，栅极与沟道之间很薄，易被击穿。
• 输入保护电路是指二极管保护电路，二极管的反向击穿电压30V，小于缓冲电路栅极SiO2层的击穿电压。二极管反向击穿后，会限制MOS管栅极的电位，起到保护作用。
• 过冲时间较短时，二极管可以恢复正常。
• 过冲时间较长时，二极管会损坏。
  （2）缓冲电路。
• 因为增加了输入和输出的缓冲电路，电路的逻辑功能也发生了变化。
• 具体举例如下图：原本为"或非门"的逻辑电路，在输入和输出端都增加了缓冲电路非门，导致逻辑功能变成了"与非门"。
• L 0 = A ′ + B ′ ‾ L0 = \overline{A' + B'} L0=A′+B′
• A ′ = A ‾ A' = \overline{A} A′=A
• B ′ = B ‾ B' = \overline{B} B′=B
• L = L 0 ‾ = A ′ + B ′ ‾ ‾ = A ‾ + B ‾ ‾ ‾ = A ⋅ B ‾ L=\overline{L0} = \overline{\overline{A' + B'}} =\overline{\overline{\overline{A}+\overline{B}}}=\overline{A·B} L=L0=A′+B′=A+B=A⋅B
  

3.1.6 CMOS漏极开路门和三态输出门电路

• 输出端的两种输出结构：漏极开路门（OD）和三态输出门（TSL）。

1. 漏极开路门电路" ◇ ‾ \underline{◇} ◇"（OD）

• 应用场景，不同输出端，需要进行"并联"（线与）。
• 避免出现，不同输出端并联时，高电平和低电平直连，导致电流过大，损坏器件。
• 漏极开路是指，输出电路只有NMOS管（S极只能接地，拉低）。
• 输出为漏极开路的"与非门"，如下图所示。
  
• 输出端"线与"。
• 上拉电阻的大小会影响OD门的开关速度。电阻越小，充电时间越小，开关速度越快。
• 上拉电阻不能取得太小，需要保证电流不超过允许的最大值。上拉电阻最小值的计算，在书中有简要记载。
• 上拉电阻不能取得太大，会影响工作速度。当工作速度较快时，应避免使用OD门，驱动大电容的负载。
• 门电路在从低电平转为高电平时，OD门比CMOS门慢的多。因为上拉电阻比PMOS管导通时的电阻大的多。

2. 三态输出门电路"▽"

• 应用场景，为了保持"推挽式"输出端的优点，且满足"线与"连接的需要，可以使用三态输出门电路。
• 三态输出门电路，包括"高电平"、"低电平"、"高阻态"（禁止态）。
• 当使能 E N = 0 EN=0 EN=0时，A不能影响PMOS和NMOS的栅极电压，PMOS和NMOS始终处于截止状态。电路出现开路，高阻态。
• 当使能 E N = 1 EN=1 EN=1时，A值的非值 A ‾ \overline{A} A，会传递到CMOS反相器 的两个MOS管上，"负负得正"。此时 L = A L=A L=A。
  
• 三态门的逻辑符号。
  
• 三态输出门电路，主要用于总线传输。
  

3.1.7 CMOS传输门（TG）

• Transmission Gate。
• 作为基本单元电路，可用于数字信号的传输。
• 传输门又被称为"模拟开关"。可应用于"取样-保持电路"、"斩波电路"、"模数和数模转换电路"等等。
• CMOS传输门，由一个P沟道（左右对称，漏极源极可互换）和一个N沟道（左右对称，漏极源极可互换），并联而成。
• MOS的衬底接-5V，+5V。输入信号的范围是-5V到+5V。
• MOS的衬底接0V，+5V，输入信号的范围是0V到+5V。
• C = 0 V , C ‾ = 5 V C=0V,\overline{C}=5V C=0V,C=5V时，传输门断开。
• C = 5 V , C ‾ = 0 V C=5V,\overline{C}=0V C=5V,C=0V时，传输门的栅极电压OK。当 V i V_i Vi在0到5V时，至少有一个管导通。实现传递。
  
• 传输门的优点，传输延迟时间短，结构简单。
• 传输门的优点，由于互补作用的两管并联在一起，传输门的导通电阻 的变化较小（一个变小一个变大，相互抵消）。
• 导通电阻一般在几百欧以内。
• 导通电阻的稳定，经过电阻分压，输出电压 和输入电压 之间成线性关系。

1. 二选一数据选择器

• C=0时，L=X。
• C=1时，L=Y。
  

3.1.8 CMOS逻辑门电路的技术参数

• 传输延迟时间
• 功耗
• 延时功耗积=传输延迟时间x功耗

3.1.9 NMOS门电路

• MOS管发展历史：PMOS->NMOS->CMOS

• PMOS管，以"空穴"为载流子，空穴迁移率低于电子。

• NMOS管，以"电子"为载流子，因而NMOS管的速度快于PMOS管。

• NMOS逻辑门电路，全部使用N沟道MOS。

1. NMOS反相器

• NMOS反相器有两个NMOS管，一个是工作管，一个是负载管。
• 工作管为增强型NMOS管。
• 负载管为耗尽型NMOS管。（也可以是增强型）
• 下图负载管始终处于导通状态，等效于一个阻值较大的电阻。在集成电路中，考虑到大电阻的体积较大 ，可以使用MOS管代替电阻 。
  
  （1）当 V i = 0 V V_i = 0V Vi=0V时，工作管NMOS截止， V o = 5 V V_o=5V Vo=5V。
  （2）当 V i = 5 V V_i = 5V Vi=5V时，工作管NMOS导通， V o ≈ 0 V V_o≈0V Vo≈0V（负载管的阻值远大于工作管的阻值，串联分压）。
• 在 V o − > 5 V V_o->5V Vo−>5V时，负载NMOS管等效的电阻阻值在变小 ，为 C L C_L CL充电的电流较大，因而充电的时间短。
• 耗尽型负载管NMOS电路的开关速度比较快。

2. NMOS与非门电路

• NMOS与非门，基于NMOS反相器，在"非门"上加个"与"，即串联。

• 负载管仍然始终处于导通状态，充当大电阻的作用。
  

• 下面用0表示0V，1表示Vdd。

  （1）当 A = 0 ∣ ∣ B = 0 A= 0||B=0 A=0∣∣B=0时，工作管支路NMOS截止， L = 1 L=1 L=1。

  （2）当 A = 1 & & B = 1 A= 1\&\&B=1 A=1&&B=1时，工作管NMOS导通， L = 0 L=0 L=0（负载管的阻值远大于工作管的阻值，串联分压）。

• 在 L − > 1 L->1 L−>1时，负载NMOS管等效的电阻阻值在变小 ，为 C L C_L CL充电的电流较大，因而充电的时间短。

• 耗尽型负载管NMOS电路的开关速度比较快。

3. NMOS或非门电路

• NMOS或非门，基于NMOS反相器，在"非门"上加个"或"，即并联。
• 负载管仍然始终处于导通状态，充当大电阻的作用。
  
• 下面用0表示0V，1表示Vdd。
  （1）当 A = 0 & & B = 0 A= 0\&\&B=0 A=0&&B=0时，工作管全部NMOS截止， L = 1 L=1 L=1。
  （2）当 A = 1 ∣ ∣ B = 1 A= 1||B=1 A=1∣∣B=1时，工作管NMOS导通， L = 0 L=0 L=0（负载管的阻值远大于工作管的阻值，串联分压）。
• 在 L − > 1 L->1 L−>1时，负载NMOS管等效的电阻阻值在变小 ，为 C L C_L CL充电的电流较大，因而充电的时间短。
• 耗尽型负载管NMOS电路的开关速度比较快。

3.2 TTL逻辑门电路

• 三极管：NPN型和PNP型
• 三极管：基极B，集电极C，发射极E

3.2.1 BJT的开关特性

1. BJT开关的作用

• 与CMOS不同，BJT以电流为分析依据。
• 基极的电流 i b i_b ib需要大于阈值，才可以导通三极管。
  
  （1）当 V I = 0 V_I=0 VI=0时， i B ≈ 0 ， i C ≈ 0 ， V O = V C E ≈ V C C i_B≈0，i_C≈0，V_O=V_{CE}≈V_{CC} iB≈0，iC≈0，VO=VCE≈VCC，（只有很小的电流流过PN结）。
  （2）当 V I = 5 V V_I=5V VI=5V时， i B = V C C / ( β R C ) i_B=V_{CC}/(βR_C) iB=VCC/(βRC)电阻与 ， i C ≈ 0 ， V O = V C E ≈ V C C ，i_C≈0，V_O=V_{CE}≈V_{CC} ，iC≈0，VO=VCE≈VCC，（只有很小的电流流过PN结）。
• 结合BJT管工作线和负载线看，在 i B i_B iB逐渐增大的过程中，允许通过三极管的电流 i C i_C iC越大，三极管工作状态从放大区 逐渐变到饱和区。
• 放大区，可以看成是三极管将 i B i_B iB放大为 i C i_C iC。CE间等效电阻阻值可变。
• 饱和区，可以看成是无法继续被线性放大 的区域。属于三极管的极限。 CE间等效电阻阻值很小，相当于一个闭合的开关。

2. BJT的开关时间

• BJT开关过程是"饱和区"与"截止区"的转换过程。需要一定的时间才能转换完成。
• 开通，从截止到饱和。需要时间建立基区电荷，以形成饱和电流。
• 关闭，从饱和到截止。基区存储的电荷消散需要时间。
• 提升开关速度的方法：
  （1）改进管子的内部构造。减小基区宽度和发射结集电结的面积。
  （2）改进外部电路。适当选择正向基极电流，反向基极电流，临界饱和电流。

3.2.2 基本BJT反相器的动态性能

• 影响基本BJT反相器开关速度的原因1：基区内电荷的存入与消散需要一定的时间
• 影响基本BJT反相器开关速度的原因2：基本反相器接电容性负载 C L C_L CL ， C L C_L CL的充放电过程需要时间。
• 可见，BJT反相器的开关速度"不理想"。
• 改变电路结构，提升开关速度。

3.2.3 TTL反相器的基本电路

• TTL，晶体管-晶体管逻辑电路（Transistor-Transistor-Logic ）
• 由于BJT反相器的开关速度"不理想"，修改电路结构，得到TTL反相器。
• 单端输入信号 V I 2 V_{I2} VI2经过三极管 T 2 T_2 T2转换为互补的 双端输出信号 V I 3 V_{I3} VI3和 V I 4 V_{I4} VI4。 T 3 和 T 4 状态相反，一个截止一个导通 T_3和T_4状态相反，一个截止一个导通 T3和T4状态相反，一个截止一个导通
• 输入级：提高工作速度。 T 1 在放大状态和倒置放大状态之间转换， T 2 的电流变化快 T_1在放大状态和倒置放大状态之间转换，T_2的电流变化快 T1在放大状态和倒置放大状态之间转换，T2的电流变化快。
• 输出级：推拉式输出，提高开关速度，增强带载能力。
  

1. TTL反相器的工作原理

V C C = 5 V V_{CC} = 5V VCC=5V，硅管三极管导通时，电压 V B E = 0.7 V V_{BE}=0.7V VBE=0.7V。集电极和发射极之间的压降实际不可能为0，在0.2~0.3V左右。这里认为 V C E S = 0.2 V V_{CES}=0.2V VCES=0.2V。

（1）当 V I = 0.2 V V_I = 0.2V VI=0.2V低电平时

• V I < 0.4 V 时， T 1 的基极和发射极的压差远远大于开启电压。 V_I<0.4V时，T_1的基极和发射极的压差远远大于开启电压。 VI<0.4V时，T1的基极和发射极的压差远远大于开启电压。
• T 1 导通后，压降 V b e 1 = 0.7 V 。 R b 1 两边的电压 V b 1 > V c c − 0.7 − 0.4 = 3.9 V T_1导通后，压降V_{be1}=0.7V。R_{b1}两边的电压V_{b1}>Vcc-0.7-0.4=3.9V T1导通后，压降Vbe1=0.7V。Rb1两边的电压Vb1>Vcc−0.7−0.4=3.9V，
• T 1 导通后，压降 V c e s 1 = 0.2 V 。 V I 2 = V C 1 < 0.2 + 0.4 = 0.6 V ， T 2 截止 T_1导通后，压降V_{ces1}=0.2V。V_{I2}=V_{C1} < 0.2+0.4=0.6V，T_{2}截止 T1导通后，压降Vces1=0.2V。VI2=VC1<0.2+0.4=0.6V，T2截止。
• T 2 截止， T 3 基极电压为 0 ， T 3 截止 T_{2}截止，T_3基极电压为0，T_3截止 T2截止，T3基极电压为0，T3截止。
• T 2 截止， T 4 T_{2}截止，T_4 T2截止，T4基极电压 为 V B 4 = V C C = 5 V V_{B4}=V_{CC}=5V VB4=VCC=5V**（确定的电压值）** ， T 4 饱和导通（二极管 D 同时也导通） ，T_4饱和导通（二极管D同时也导通） ，T4饱和导通（二极管D同时也导通）。
• T 4 饱和导通， V o = V B 4 − V B E 4 − V D = V C C − 0.7 − 0.7 = 3.6 V 高电平 T_4饱和导通，V_o =V_{B4} - V_{BE4}-V_D = V_{CC} - 0.7-0.7=3.6V高电平 T4饱和导通，Vo=VB4−VBE4−VD=VCC−0.7−0.7=3.6V高电平

（2）当 V I = 3.6 V V_I=3.6V VI=3.6V高电平时

• T 1 的基极和发射极的压差是 5 V − 3.6 V = 1.4 V ，此时 T 1 导通。 T_1的基极和发射极的压差是5V-3.6V=1.4V，此时T_1导通。 T1的基极和发射极的压差是5V−3.6V=1.4V，此时T1导通。
• T 1 导通后，压降 V b e 1 = 0.7 V 。 R b 1 两边的电压 V b 1 = V c c − 0.7 − 3.6 = 0.7 V T_1导通后，压降V_{be1}=0.7V。R_{b1}两边的电压V_{b1}=Vcc-0.7-3.6=0.7V T1导通后，压降Vbe1=0.7V。Rb1两边的电压Vb1=Vcc−0.7−3.6=0.7V，
• T 1 导通后， T 2 基极电压 V B 2 = V I + V C E S 1 > 3.6 V ， T 2 饱和导通 T_1导通后，T_2基极电压V_{B2} = V_I+V_{CES1}>3.6V，T_2饱和导通 T1导通后，T2基极电压VB2=VI+VCES1>3.6V，T2饱和导通。
• T 2 导通后，压降 V b e 2 = 0.7 V ， T 3 基极电压 V B 3 = V B 2 − 0.7 V > 2.9 V ， T 3 导通 T_2导通后，压降V_{be2}=0.7V，T_3基极电压V_{B3}=V_{B2}-0.7V>2.9V，T_3导通 T2导通后，压降Vbe2=0.7V，T3基极电压VB3=VB2−0.7V>2.9V，T3导通。
• T 3 导通后，压降 V b e 3 = 0.7 V ， V I 4 = V b e 3 + V c e s 2 = 0.7 + 0.2 = 0.9 V T_3导通后，压降V_{be3}=0.7V，V_{I4} = V_{be3}+V_{ces2} = 0.7+0.2=0.9V T3导通后，压降Vbe3=0.7V，VI4=Vbe3+Vces2=0.7+0.2=0.9V
• V I 4 = 0.9 V 不足以让 T 4 和 D 导通，因而 T 4 和 D 均截止 V_{I4}=0.9V不足以让T_4和D导通，因而T_4和D均截止 VI4=0.9V不足以让T4和D导通，因而T4和D均截止
• T 4 和 D 均截止， V O = V c e s 3 = 0.2 V 低电平 T_4和D均截止，V_O = V_{ces3} = 0.2V低电平 T4和D均截止，VO=Vces3=0.2V低电平。

2. TTL反相器的传输特性

• 结合上述工作原理以及下图，可知T3由放大变到饱和 的过程，Vo变化的速度最快。
  

3.2.4 TTL逻辑门电路

1. 与非门电路

• 多发射极e的NPN三极管。（发射极e，接低电平，用来发射电子）
  
• 将"TTL反相器"非门的输入级 T 1 T_1 T1，增加一个发射极e，就构成"与非门"电路。$L=V_o=\overline{V_i} =
  
• A或B任意一个 发射极为低电平时， T 1 T_1 T1发射极正偏导通， V B 1 = 0.2 （给定低电平） + 0.7 = 0.9 V V_{B1}=0.2（给定低电平）+0.7=0.9V VB1=0.2（给定低电平）+0.7=0.9V， T 2 T 3 T_2 T_3 T2T3截止， T 4 T_4 T4导通，L为高电平。
• A且B两个发射极都为高电平时， T 1 T_1 T1发射极倒置放大状态， T 2 T 3 T_2 T_3 T2T3饱和导通， T 4 T_4 T4截止，L为低电平。
• L = A ‾ + B ‾ = A ⋅ B ‾ L=\overline{A}+\overline{B} = \overline{A·B} L=A+B=A⋅B

2. 或非门电路

• A和B均低电平时，两路 T 2 T 3 T_2 T_3 T2T3截止， T 4 T_4 T4导通，L为高电平。
• A或B为高电平时，至少有一路 T 2 T 3 T_2 T_3 T2T3饱和导通， T 4 T_4 T4截止，L为低电平。
• L = A ‾ ⋅ B ‾ = A + B ‾ L=\overline{A}·\overline{B} = \overline{A+B} L=A⋅B=A+B
  

3. 与或非门电路

• 在或非门基础上，为A和B分别增加一个发射极。
• 略。

3.2.5 集电极开路门和三态门电路

1. 集电极开路门电路（OC）

• TTL门电路的输出级，BJT管的集电极为开路状态。
• OC门比OD门，可以承受更高电压和电流。
• 需要外接上拉电阻。
• 参考3.1.6.1的内容。
  

2. 三态（TSL）输出门电路

• 参考3.1.6.2的内容。
• 在普通门电路的基础上，增加控制电路，得到三态输出门电路。
• 即增加一个电路使得 T 3 T 4 T_3T_4 T3T4同时处于截止状态（输出高阻状态，开路状态）。
  

3.2.6 BiCMOS门电路

• 使用双极型BJT管作为CMOS电路的输出级。
• 结合了MOS管的低功耗和双极型管速度快驱动力强的优势。
  

3.2.7 改进型TTL门电路---抗饱和TTL电路

• 为了降低功耗、加快开关速度，对TTL门电路进行改进。
• 改进效果最明显的是抗饱和TTL电路 。
  （1）抗饱和TTL电路传输速度快，高于一般的TTL电路。
  （2）抗饱和TTL电路应用于中小规模集成电路。
• 肖特基系列TTL电路是"抗饱和TTL电路"。

1. 肖特基势垒二极管工作原理

• 肖特基势垒二极管：利用金属和半导体相接触，在交界面形成势垒的二极管。

• （AL-SiSBD）金属铝+N型硅半导体=>势垒二极管

  （1）单向导电性。从硅到铝。

  （2）AL-SiSBD导通阈值电压低。约0.4V~0.5V。

  （3）势垒二极管从正向导通到反向截止，没有内部电荷建立和消散的过程。转换速度快。

• 利用肖特基二极管抑制BJT的饱和深度。
  

• 当BJT集电结的正向偏压达到SBD的导通阈值电压时，二极管先导通，将三极管的集电极正向偏压钳制在0.4V。

• 电流继续增大时，一部分电流流过肖特基二极管，流向集电极。不会使BJT的基极电流太大 。三极管始终工作在放大区。允许集电极到发射极的电流更大。基极电流小，基极电荷存储与消散时间快。

• 起到抗饱和的功能。电路的开关时间大为减短。
  

2. 肖特基TTL电路

• TTL与非门， T 1 T 2 T 3 T_1T_2T_3 T1T2T3工作在深度饱和区。基极电流相对较大，存储和释放电荷的过程长。
• 改进后的电路，除了 T 4 T_4 T4之外，BJT均采用SBD钳位，以达到明显的抗饱和效果。开关时间提升。
• 改进后的电路，电阻值减半。开关时间提升。
• 改进后的电路，输出端，使用 T 4 和 T 5 T_4和T_5 T4和T5代组合替原本的 T 4 和 D T_4和D T4和D组合。当输出低电平变为高电平时， T 4 和 T 5 T_4和T_5 T4和T5代组合电流增益很大，输出电阻小，减小了负载充电的时间。
• 改进后的电路，输入端，增加了两个SBD势垒二极管，减小杂散信号，防止信号反向过冲损坏 T 1 T_1 T1。
• 改进后的电路，中间级， R e 2 R_{e2} Re2变成了 T 6 T_6 T6电路。 T 6 T_6 T6导通滞后 T 3 T_3 T3， T 3 T_3 T3快速导通， T 6 T_6 T6分流 T 3 T_3 T3基极电流，减轻 T 3 T_3 T3饱和导通的程度。
  

3.3 射极耦合逻辑门电路（ECL）

• 射极耦合逻辑门电路是一种非饱和型高速数字集成电路。
• 射极耦合逻辑门电路是目前双极型电路中速度最高的。
• 传输延迟时间<2ns。

1. ECL门电路的基本结构

• 输入信号A和B，高电平 V I H = − 0.9 V V_{IH}=-0.9V VIH=−0.9V，低电平 V I L = − 1.75 V V_{IL}=-1.75V VIL=−1.75V

（1）当A=-1.75V(逻辑0)，且B=-1.75V（逻辑0）。
T 3 T_3 T3基极电位更高， T 3 T_3 T3先导通。 T 3 T_3 T3集电结反偏，工作在放大区。
V E 3 = − 1.3 V − 0.7 V = − 2 V V_{E3}=-1.3V - 0.7V = -2V VE3=−1.3V−0.7V=−2V。此时 T 1 T 2 T_1T_2 T1T2的发射极压降只有-1.75-（-2）=0.25V， T 1 T 2 T_1T_2 T1T2截止。
T 4 T_4 T4的基极电压近似看成0V， V o 1 = − V B E 4 = − 0.7 V V_{o1} = -V_{BE4}=-0.7V Vo1=−VBE4=−0.7V（逻辑高电平）， L 1 = 1 L_1=1 L1=1。
T 3 T_3 T3导通，忽略 T 5 T_5 T5基极电流， V C 3 = 0 − i E R C 3 = − ( V E 3 − V E E ) / R e ∗ R C 3 = − 1 V V_{C3}=0-i_ER_{C3}=-(V_E3-V_{EE})/R_e*R_{C3}=-1V VC3=0−iERC3=−(VE3−VEE)/Re∗RC3=−1V。 V o 2 = V C 3 − V B E 5 = − 1 − 0.7 = − 1.7 V V_{o2} = V_{C3}-V_{BE5}=-1-0.7=-1.7V Vo2=VC3−VBE5=−1−0.7=−1.7V（逻辑低电平）， L 2 = 0 L_2=0 L2=0。

（2）当A=-0.9V(逻辑1)，或B=-0.9V（逻辑1）。
T 1 或 T 2 T_1或T_2 T1或T2有一个优先导通， V E 123 = − 0.9 − 0.7 = − 1.6 V V_{E123}=-0.9-0.7=-1.6V VE123=−0.9−0.7=−1.6V。公共发射极上的电流值 I E 123 = ( V E 12 − V E E ) / R E 123 I_{E123}=(V_{E12}-V_{EE})/R_{E123} IE123=(VE12−VEE)/RE123。
V C 12 = I E 123 ∗ R C 1 ≈ − 1 V V_{C12} = I_{E123}*R_{C1}≈-1V VC12=IE123∗RC1≈−1V ， T 4 ，T_4 ，T4发射结压降满足导通。 V o 1 = − 1 − 0.7 = − 1.7 V V_{o1}=-1-0.7=-1.7V Vo1=−1−0.7=−1.7V(逻辑低电平)， L 1 = 0 L_1=0 L1=0。
T 3 T_3 T3发射结压降只有-1.3-(-1.6)=0.3V。 T 3 T_3 T3截止。 V C 3 ≈ 0 V V_{C3}≈0V VC3≈0V。
T 5 T_5 T5发射结压降满足导通， V o 2 = 0 − 0.7 = − 0.7 V V_{o2}=0-0.7=-0.7V Vo2=0−0.7=−0.7V(逻辑高电平)， L 2 = 1 L_2=1 L2=1。

• ECL门同时具有或非/或输出，"互补逻辑输出"。
• L 1 = A + B ‾ L_1 = \overline{A+B} L1=A+B
• L 2 = A + B L_2 = A + B L2=A+B

2. ECL门电路的实际电路

• T 1 T 2 T 3 T 4 T_1T_2T_3T_4 T1T2T3T4组成多端输入。与 T 5 T_5 T5射极耦合。
• T 6 T_6 T6的基极回路，有两个二极管，用于补偿温度漂移。
• T 7 T_7 T7和 T 8 T_8 T8组成电压跟随器。
  

3. ECL门电路的工作特点

（1）BJT只工作在"截止区"或"放大区"。基极电荷存储和释放的时间短，开关速度快。

（2）逻辑电平电压摆幅小，只有0.8V。集电极输出电压变化小，有利于电路快速转换。输出端集电极电阻（负载电阻）采用小值，充放电时间快。

（3）常用与高速系统中。

（4）缺点，制造工艺要求高，功耗大，（电压摆幅小）抗干扰能力差。输出电压为负值，需要专门的电平移动电路。

3.4 砷化镓逻辑门电路

• 金属-半导体场效应管：MESFET，由砷化镓GaAs 制成的 N沟道场效应管。
• 金属-半导体场效应管（MESFET），有肖特基势垒区。
• 砷化镓器件中，载流子迁移率非常高。砷化镓器件 速度比硅器件快很多。
• 缺点，功耗大，逻辑摆幅小，噪声容限低，抗干扰能力差。

1. 直接耦合FET逻辑电路

• 参考3.1.9 NMOS门电路，下图为结构对比。
• 同时生产"增强型"和"耗尽型"两种管子，工艺要求高。
  

2. 耗尽型FET逻辑门电路

• 参考3.1.9 NMOS门电路
• 工作管和负载管都使用"耗尽型"MESFET。
• T 3 T_3 T3始终工作在饱和区。为D1D2提供固定的偏置电流。
  

3.5 逻辑描述中的几个问题

3.5.1 正负逻辑问题

• 正逻辑体制：高电平等于逻辑1，低电平等于逻辑0。
• 负逻辑体制：高电平等于逻辑0，低电平等于逻辑1。
• 正负逻辑体制的互换规则：
  (1)与非 - 或非
  (2)与 - 或
  (3)非 - 非

3.5.2 基本逻辑门电路的等效符号及其应用

• 默认都是正逻辑体制。
• 利用摩根定律，对基本逻辑运算进行变换。得到等效符号。
• 与非门： L = A B ‾ = A ‾ + B ‾ L=\overline{AB}=\overline{A}+\overline{B} L=AB=A+B。
  
• 或非门： L = A + B ‾ = A ‾ ⋅ B ‾ L=\overline{A+B} = \overline{A}·\overline{B} L=A+B=A⋅B
  
• 与门： L = A B = A B ‾ ‾ = A ‾ + B ‾ ‾ L=AB=\overline{\overline{AB}}=\overline{\overline{A}+\overline{B}} L=AB=AB=A+B
  
• 或门： L = A + B = A + B ‾ ‾ = A ‾ ⋅ B ‾ ‾ L=A+B=\overline{\overline{A+B}}=\overline{\overline{A}·\overline{B}} L=A+B=A+B=A⋅B
  
• 利用逻辑门的等效电路，在不改变逻辑功能的情况下，可以简化电路，减少电路中使用的门的种类或芯片的种类。
  

3.6 逻辑门电路使用中的几个实际问题

3.6.1 各种门电路之间的接口问题

• 多种逻辑器件混合使用。CMOS，TTL等等。电压电流参数不同。需要灌电流，拉电流，电平兼容等等。

3.6.2 门电路带负载时的接口电路

• 门电路直接驱动显示器件。LED发光二极管等等。
• 机电性负载。使用继电器等等。

3.6.3 抗干扰措施

1. 多余输入端的处理措施

• 不改变工作状态的前提下，一般不让多余输入端悬空。
• 多余输入端可以与其他输入端并接在一起。
• 上拉接电源。
• 接地。

2. 去耦滤波电容

• 数字电路由一个公共直流电源供电。
• 这个电源非理想，具有一定的内阻抗。
• 当数字电路工作时，高低电平交替变化，会产生脉冲电路或尖峰电流。
• 当变化产生的电流流过电源的内阻抗时，相互之间会产生影响，甚至是逻辑功能错乱。
• 使用10~100uf大电容连接直流电源和地。
• 使用0.1uf电容每个芯片的电源和地之间。

3. 接地与安装工艺

• 电源地和信号低分开，单点连接。

3.7 用Verilog HDL描述逻辑门电路

• 开关级建模（最低层次）：使用verilog语言，建模MOS管构成的逻辑电路。

• Quartus II不支持verilog内置的开关级元件。

• 使用ModelSim、Active HDL、Verilog_XL进行verilog语言的仿真。

• 关键词：supply1，supply0。

• 定义电源线和地线。

  supply1 Vdd;//定义Vdd为电源线
  supply0 GND;//定义GND为地线

3.7.1 CMOS门电路的verilog建模

• 关键词：nmos、pmos。

• 控制栅极=1，nmos开关导通。信号可以从源极传输到漏极。

• 控制栅极=0，nmos开关截止。输出高阻值z。

• 控制栅极=1，pmos开关截止。输出高阻值z。

• 控制栅极=0，pmos开关导通。信号可以从源极传输到漏极。

• 由于nmos和pmos都是基本元件，下面的示例，n1和p1可以省略。

  nmos n1(漏极,源极,控制栅极);/调用nmos开关元件
  pmos p1(漏极,源极,控制栅极);//调用pmos开关元件

  nmos(漏极,源极,控制栅极);/调用nmos开关元件
  pmos(漏极,源极,控制栅极);//调用pmos开关元件

• 关键词：rnmos，rpmos。

• rnmos是nmos的另一种模型，输入到输出之间存在阻值，因而信号幅度会下降。整体用法和nmos类似。

• rpmos是pmos的另一种模型，输入到输出之间存在阻值，因而信号幅度会下降。整体用法和pmos类似。

• CMOS"与非门"门电路的建模如下：

  //CMOS 2-input NAND 二输入与非门
  module NAND2(L,A,B)
  input A,B;
  output L;

  supply1 Vdd;//定义Vdd为电源线
  supply0 GND;//定义GND为地线
  
  wire W1; //如上图所示，两个nmos之间的连接点。
  pmos(L,Vdd,A);//图中T1
  pmos(L,Vdd,B);//图中T2
  nmos(L,W1,B);//图中T3
  nmos(W1,GND,A);//图中T4
  

  endmodule

3.7.2 CMOS传输门电路的verilog建模

• 关键词：cmos传输门

• Tn管控制信号与Tp管控制信号为互补信号。

• Tn=1,Tp=0，cmos传输门导通

• Tn=0,Tp=1，cmos传输门输出端高阻。

• cmos传输门的电源和地默认与MOS管相连，无需额外考虑连接。

• 调用名c1可以省略。

  cmos c1(输出信号,输入信号,Tn管控制信号,Tp管控制信号);

  cmos(输出信号,输入信号,Tn管控制信号,Tp管控制信号);

• 关键词：rcmos传输门。

• 与cmos类似，输出与输入之间存在电阻，信号通过时，会有幅度衰减。

• verilog定义的cmos和rcmos都是单向的。

• 建模示例，二选一数据选择器

  //2-to-1 multiplexer with cmos
  module mymux2to1(X,Y,C,L)
  input X,Y,C;
  output L;
  wire Cnot;//C的非值

  inverter v1(Cnot,C);//建模实现的非门
  cmos(L,X,Cnot,C);
  cmos(L,Y,C,Cnot);
  

  endmodule

  module inverter(Vo,Vi)
  input Vi;
  output Vo;

  supply1 Vdd;//定义Vdd为电源线
  supply0 GND;//定义GND为地线
  
  pmos(Vo,Vdd,Vi);//漏极，源极，控制栅极
  nmos(Vo,GND,Vi);//漏极，源极，控制栅极
  

  endmodule