《集成电子技术基础教程:第3篇 第二章 集成逻辑门电路》的讲解主要围绕集成逻辑门电路展开,这些电路是数字电子系统的基础,用于实现逻辑运算。本章将详细介绍半导体开关特性和集成门电路的性能要求,特别关注TTL系列集成门电路的结构和工作原理。
半导体器件的开关特性和开关电路是实现逻辑功能的基础。二极管作为简单的开关元件,可以实现“与”逻辑功能。当两个输入端AV和BV同时为低电平时,二极管导通,输出为低电平,实现了“与”的逻辑关系。晶体三极管和MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)则更广泛地用于构建逻辑门电路,它们具有更好的开关性能和控制特性。
集成门电路的性能要求是设计和使用时必须考虑的关键因素。电压传输特性描述了输入信号如何转化为输出信号。TTL(晶体管-晶体管逻辑)门电路由晶体管构成,尽管仍被广泛使用,但其在功耗和输出电平方面已被CMOS(互补金属氧化物半导体)所超越。CMOS电路由NMOS(N沟道MOSFET)和PMOS(P沟道MOSFET)组成,具有更高的集成度和更低的功耗。
输入和输出逻辑电平是门电路的重要参数,包括输入低电平VIL和高电平VIH,以及输出的低电平VOL和高电平VOH。门电路的抗干扰能力通过输入信号噪声容限来衡量,分为低电平输入噪声容限VNL和高电平输入噪声容限VNH,这两个参数决定了门电路在存在噪声干扰时仍能正常工作的能力。
灌电流和拉电流是指在驱动负载门时,电流流向驱动门(灌入)或从驱动门流出(拉出)。门电路的扇出系数NOL定义了门电路可以驱动的其他门电路的数量,这取决于门电路的低电平输出灌电流IOL和高电平输出拉电流IOH。扇出系数的计算公式体现了输出电平必须维持在允许范围内,以保证逻辑关系不受影响。
平均传输延迟时间pdt是门电路从输入变化到输出响应的时间,它影响了电路的速度性能。在TTL集成与非门电路中,T1作为输入级,T2作为中间级,T4和T5作为输出级。电路通过调整各个元件的偏置,如多发射管、肖特基三极管、有源泄放电路和复合三极管,以提高开关速度、带负载能力和电路的可靠性。
集成逻辑门电路是数字系统的基础,它们的性能指标如电压传输特性、噪声容限、灌/拉电流和延迟时间,直接影响着整个系统的性能。而TTL和CMOS两种类型的集成门电路各有优劣,根据具体应用需求选择合适的门电路类型至关重要。理解这些基本概念和工作原理对于理解和设计电子系统至关重要。