数字逻辑(欧阳星明)第三章

来源：网络收集时间：2026-08-06

导读：第三章集成门电路与触发器第三章集成门电路与触发器第三章集成门电路与触发器集成门电路和触发器等逻辑器件是实现数字系统功能的物质基

第三章

集成门电路与触发器

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集成门电路与触发器

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集成门电路与触发器

集成门电路和触发器等逻辑器件是实现数字系统功能的物质基础。随着微电子技术的发展，人们把实现各种逻辑功能的元器件及其连线都集中制造在同一块半导体材料小片上，并封装在一个壳体中，通过引线与外界联系，即构成所谓的集成电路块，通常又称为集成电路芯片。采用集成电路进行数字系统设计的优点：可靠性高、可维性好、功耗低、成本低等优点，可以大大简化设计和调试过程。

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本章知识要点:●● ●

半导体器件的开关特性；逻辑门电路的功能、外部特性及使用方法；常用触发器的功能、触发方式与外部工作特性。

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3.1

数字集成电路的分类

数字集成电路通常按照所用半导体器件的不同或者根据集成规模的大小进行分类。一. 根据所采用的半导体器件进行分类根据所采用的半导体器件，数字集成电路可以分为两大类。 1.双极型集成电路：采用双极型半导体器件作为元件。主要特点是速度快、负载能力强，但功耗较大、集成度较低。 2.单极型集成电路(又称为MOS集成电路):采用金属-氧化物半导体场效应管(Metel Oxide Semiconductor Field Effect Transister)作为元件。主要特点是结构简单、制造方便、集成度高、功耗低，但速度较慢。4

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双极型集成电路又可进一步可分为： TTL(Transistor Transistor Logic)电路； ECL(Emitter Coupled Logic)电路； I2L(Integrated Injection Logic)电路。 ┊ TTL电路的“性能价格比”最佳，应用最广泛。

MOS集成电路又可进一步分为： PMOS( P-channel Metel Oxide Semiconductor); NMOS(N-channel Metel Oxide Semiconductor); CMOS(Complement Metal OxideSemiconductor)。 ┊ CMOS电路应用较普遍，因为它不但适用于通用逻电路的设计，而且综合性能最好。5

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二.根据集成电路规模的大小进行分类通常根据一片集成电路芯片上包含的逻辑门个数或元件个数，分为 SSI 、MSI 、LSI 、VLSI。 1. SSI (Small Scale Integration ) 小规模集成电路: 逻辑门数小于10 门(或元件数小于100个); 2. MSI (Medium Scale Integration ) 中规模集成电路: 逻辑门数为10 门~99 门(或元件数100个~999个); 3. LSI (Large Scale Integration ) 大规模集成电路: 逻辑门数为100 门~9999 门(或元件数1000个~99999个); 4. VLSI (Very Large Scale Integration) 超大规模集成电路: 逻辑门数大于10000 门(或元件数大于100000个)。6

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3. 2 半导体器件的开关特性数字电路中的晶体二极管

、三极管和MOS管等器件一般是以开关方式运用的，其工作状态相当于相当于开关的“接通” 与“断开”。由于数子系统中的半导体器件运用在开关频率十分高的电路中(通常开关状态变化的速度可高达每秒百万次数量级甚至千万次数量级),因此，研究这些器件的开关特性时，不仅要研究它们在导通与截止两种状态下的静止特性，而且还要分析它们在导通和截止状态之间的转变过程，即动态特性。

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3.2.1 晶体二极管的开关特性一.静态特性静态特性是指二极管在导通和截止两种稳定状态下的特性。典型二极管的静态特性曲线(又称伏安特性曲线)如图所示。 1. 正向特性：门槛电压 ( UTH ):使二极管开始导通的正向电压，有时又称为

导通电压 (一般锗管约0.1V,硅管约0.5V)。

★正向电压 UF ≤ UTH :管子截止，电阻很大、正向电流 IF 接近于 0, 二极管类似于开关的断开状态； ★正向电压 UF = UTH :管子开始导通，正向电流 IF 开始上升； ★正向电压 UF >UTH (一般锗管为0.3V,硅管为0.7V):管子充分导通，电阻很小，正向电流IF 急剧增加，二极管类似于开关的接通状态。8

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2. 反向特性二极管在反向电压 UR 作用下，处于截止状态，反向电阻很大，反向电流IR 很小(将其称为反向饱和电流，用IS表示，通常可忽略不计),二极管的状态类似于开关断开。而且反向电压在一定范围内变化基本不引起反向电流的变化。注意事项： ● 正向导通时可能因电流过大而导致二极管烧坏。组成实际电路时通常要串接一只电阻R,以限制二极管的正向电流； ● 反向电压超过某个极限值时，将使反向电流IR突然猛增，致使二极管被击穿(通常将该反向电压极限值称为反向击穿电压UBR),一般不允许反向电压超过此值。9

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由于二极管的单向导电性，所以在数字电路中经常把它当作开关使用。二极管组成的开关电路图如图(a)所示。二极管导通状态下的等效电路如图(b)所示，截止状态下的等效电路如图(c)所示，图中忽略了二极管的正向压降。D U 0 R 关闭 R 断开 R

(a)

(b)

二极管开关电路及其等效电路

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二. 动态特性

二极管的动态特性是指二极管在导通与截止两种状态转换过程中的特性，它表现在完成两种状态之间的转换需要一定的时间。为此，引入了反向恢复时间和开通时间的概念。1. 反向恢复时间反向恢复时间：二极管从正向导通到反向截止所需要的时间称为反向恢复时间。

当作用在二极管两端的电压由正向导

通电压 UF 转为反向截止电压 UR 时，在理想情况下二极管应该立即由导通转为截止，电路中只存在极小的反向电流。实际情况如何呢？11

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实际过程如右图所示。图中： 0~t1 时刻：输入正向导通电压 UF,二极管导通，电阻很小，电路中的正向电流IF ≈ UF /R。

t1时刻：输入电压由正向电压UF 转为反向电压 UR,首先正向电流IF 变到一个很大的反向电流IR ≈UR /R,该电流维持一段时间ts后开始逐渐下降，经过一段时间tt后下降到一个很小的数值0.1IR(接近反向饱和电流 IS),二极管进入反向截止状态。 ts — 称为存储时间； tt — 称为渡越时间； tre=ts+tt 称为反向恢复时间。12

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产生反向恢复时间tre 的原因？ ★ 二极管外加正向电压 UF 时，PN结两边的多数载流子不断向对方区域扩散，一方面使空间电荷区变窄，另一方面使相当数量的载流子存储在PN结的两侧。 ★ 当输入电压突然由正向电压UF变为反向电压UR时，PN 结两边存储的载流子在反向电压作用下朝各自原来的方向运动，即P 区中的电子被拉回 N区，N区中的空穴被拉回 P区，形成反向漂移电流IR 。开始时空间电荷区依然很窄，二极管电阻很小，反向电流 IR ≈UR /R。经过时间ts 后，PN 结两侧存储的载流子显著减少，空间电荷区逐渐变宽，反向电流慢慢减小；直至经过时间tt 后，IR 减小至反向饱和电流IS,二极管截止。13

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2. 开通时间开通时间：二极管从反向截止到正向导通的时间称为开通时间。由于PN结在正向电压作用下空间电荷区迅速变窄，正向电阻很小，因而它在导通过程中及导通以后，正向压降都很小，故电路中的正向电流IF ≈UF/R。而且加入输入电压UF 后，回路电流几乎是立即达到IF的最大值。即：二极管的开通时间很短，对开关速度影响很小， …… 此处隐藏：2094字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……

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