非門(mén)集成電路

常將二極管與門(mén)和或門(mén)與三極管非門(mén)組合起來(lái)組成與非門(mén)和或非門(mén)電路，以消除在串接時(shí)產(chǎn)生的電平偏離，并提高帶負(fù)載能力。

如下圖所示就是由三輸入端的二極管與門(mén)和三極管非門(mén)組合而成的與非門(mén)電路。

把一個(gè)電路中的所有元件，包括二極管、三極管、電阻及導(dǎo)線(xiàn)等都制作在一片半導(dǎo)體芯片上，封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，就是集成電路。上圖就是早期的簡(jiǎn)單集成與非門(mén)電路，稱(chēng)為二極管-三極管邏輯門(mén)電路，簡(jiǎn)稱(chēng)DTL電路。

DTL電路雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但因工作速度低而很少應(yīng)用。由此改進(jìn)而成的TTL電路，問(wèn)世幾十年來(lái)，經(jīng)過(guò)電路結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)和集成工藝的逐步完善，至今仍廣泛應(yīng)用，幾乎占據(jù)著數(shù)字集成電路領(lǐng)域的半壁江山。

首先考慮輸入級(jí)，DTL是用二極管與門(mén)做輸入級(jí)，速度較低。仔細(xì)分析我們發(fā)現(xiàn)電路中的Dl、D2、D3、D4的P區(qū)是相連的。我們可用集成工藝將它們做成一個(gè)多發(fā)射極三極管。這樣它既是四個(gè)PN結(jié)，不改變?cè)瓉?lái)的邏輯關(guān)系，又具有三極管的特性。一旦滿(mǎn)足了放大的外部條件，它就具有放大作用，為迅速消散T2飽和時(shí)的超量存儲(chǔ)電荷提供足夠大的反向基極電流，從而大大提高了關(guān)閉速度。如圖所示是TTL與非門(mén)電路的結(jié)構(gòu)。

第二，為提高輸出管的開(kāi)通速度，可將二極管D5改換成三極管T2，邏輯關(guān)系不變。同時(shí)在電路的開(kāi)通過(guò)程中利用T2的放大作用，為輸出管T3提供較大的基極電流，加速了輸出管的導(dǎo)通。另外T2和電阻RC2、RE2組成的放大器有兩個(gè)反相的輸出端VC2和VE2，以產(chǎn)生兩個(gè)互補(bǔ)的信號(hào)去驅(qū)動(dòng)T3、T4組成的推拉式輸出級(jí)。

第三，再分析輸出級(jí)。輸出級(jí)應(yīng)有較強(qiáng)的負(fù)載能力，為此將三極管的集電極負(fù)載電阻RC換成由三極管T4、二極管D和RC4組成的有源負(fù)載。由于T3和T4受兩個(gè)互補(bǔ)信號(hào)Ve2和Vc2的驅(qū)動(dòng)，所以在穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們總是一個(gè)導(dǎo)通，另一個(gè)截止。這種結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為推拉式輸出級(jí)。

(1)輸入全為高電平時(shí)，輸出為低電平。

(2)輸入全為高電平時(shí)，輸出為低電平。

(1)采用多發(fā)射極三極管加快了存儲(chǔ)電荷的消散過(guò)程。

(2)采用了推拉式輸出級(jí)，輸出阻抗比較小，可迅速給負(fù)載電容充放電。

(1)電壓傳輸特性曲線(xiàn)

與非門(mén)的電壓傳輸特性曲線(xiàn)是指與非門(mén)的輸出電壓與輸入電壓之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)，即V=f(Vi)，它反映了電路的靜態(tài)特性。

AB段(截止區(qū))

BC段(線(xiàn)性區(qū))

CD段(過(guò)渡區(qū))

DE段(飽和區(qū))

(2)幾個(gè)重要參數(shù)

從TTL與非門(mén)的電壓傳輸特性曲線(xiàn)上，我們可以定義幾個(gè)重要的電路指標(biāo)。

a.輸出高電平電壓VOH--VOH的理論值為3.6V，產(chǎn)品規(guī)定輸出高電壓的最小值VOH(min)=2.4V，

即大于2.4V的輸出電壓就可稱(chēng)為輸出高電壓VOH。

b.輸出低電平電壓VOL--VOL的理論值為0.3V，產(chǎn)品規(guī)定輸出低電壓的最大值VOL(max)=0.4V，

即小于0.4V的輸出電壓就可稱(chēng)為輸出低電壓VOL。

c.關(guān)門(mén)電平電壓VOFF--是指輸出電壓下降到VOH(min)時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電壓。顯然只要Vi<VOff，Vo就是高電壓，所以VOFF就是輸入低電壓的最大值，在產(chǎn)品手冊(cè)中常稱(chēng)為輸入低電平電壓，用VIL(max)表示。

d.開(kāi)門(mén)電平電壓VON--是指輸出電壓下降到VOL(max)時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電壓。顯然只要Vi>VON，Vo就是低電壓，所以VON就是輸入高電壓的最小值，在產(chǎn)品手冊(cè)中常稱(chēng)為輸入高電平電壓，用VIH(min)表示。

e.閾值電壓Vth--決定電路截止和導(dǎo)通的分界線(xiàn)，也是決定輸出高、低電壓的分界線(xiàn)。從電壓傳輸特性曲線(xiàn)上看，Vth的值界于VOFF與VON之間，而VOFF與VON的實(shí)際值又差別不大，所以，近似Vth≈VOFF≈VON。Vth是一個(gè)很重要的參數(shù)，在近似分析和估算時(shí)，常把它作為決定與非門(mén)工作狀態(tài)的關(guān)鍵值，即ViVth，與非門(mén)關(guān)門(mén)，輸出高電平。Vth又常被形象化地稱(chēng)為門(mén)檻電壓。

(3)抗干擾能力

TTL門(mén)電路的輸出高低電平不是一個(gè)值，而是一個(gè)范圍。同樣，它的輸入高低電平也有一個(gè)范圍，即它的輸入信號(hào)允許一定的容差，稱(chēng)為噪聲容限。

噪聲容限表示門(mén)電路的抗干擾能力。顯然，噪聲容限越大，電路的抗干擾能力越強(qiáng) 。

從小巧的電子手表，到復(fù)雜的電子計(jì)算機(jī)，它們的許多元件被制成集成電路的形式，即把幾十、幾百，甚至成干上萬(wàn)個(gè)電子元件制作在一塊半導(dǎo)體片或絕緣片上。每種集成電路都有它獨(dú)特的作用。有一種用得最多的集成電路叫門(mén)電路，門(mén)電路是起開(kāi)關(guān)作用的集成電路。由于開(kāi)放的條件不同，而分為與門(mén)、非門(mén)、與非門(mén)等等。