Transcript 3.2.5 CMOS电路的电气特性和参数

3.2.4 CMOS电路的静电防护和锁定效应
1. 静电防护
为了防止静电击穿，在CMOS集成电路的每个输入端
都设置了输入保护电路。
2. 锁定效应
当CMOS电路的输入端或输出端出现
瞬时高压时，有可能使电路进入这样一种
状态，即电源至电路公共端之间有很大的
电流流过，输入端也失去了控制作用。
通过改进制造工艺，已经可以做到一
般情况下不会发生，但还不能绝对避免。
3.2.5 CMOS电路的电气特性和参数
1. 直流电气特性和参数
也称静态特性，指电路处于稳定工作状态下的电
压、电流特性，通常用一系列电气参数来描述。
(1) 输入高电平VIH和输入低电平VIL
VDD为+5V时，74HC系列集成电路的VIH(min)约为3.5V，
VIL(max)约为1.5V。
(2) 输出高电平VOH和输出低电平VOL
VDD为+5V时， 74HC系列集成电路的VOH(min)为4.4V
（当输出端流出的负载电流为－4mA时），VOL(max)为
0.33V（当流入输出端的负载电流为4mA时）。
(3) 噪声容限VNH和VNL
VNH＝VOH(min)－ VIH(min)
＝4.3－3.5＝0.8V
VNL＝VIL(max)－ VOL(max)
＝1.5－0.33＝1.17V
(4) 高电平输入电流IIH和低电平输入电流IIL
IIH(max)和 IIL(max)通常在1μA 以下。
CMOS门电路的多余输入端不能悬空。可以与有用端
并联，也可以按逻辑功能接VDD或地。
(5) 高电平输出电流IOH和低电平输出电流IOL
特别禁止输出端直接与电源或地相连
为了保证VOH≥VOH（min）、VOL≤VOL（max），分别
规定了高电平输出电流的最大值IOH（max）和电平输出
电流的最大值IOL（max）。在74HC系列电路中，当VDD＝
5V时，RON(N)不大于50Ω，而RON(p)在100Ω 以内。
2. 开关电气特性和参数
也称动态特性，是指电路在状态转换过程中的电压、
电流特性。
(1) 传输延迟时间tpd
tpd=(tpHL+tpLH)/2
CL越小越有利于减小tpd和改善输出电压波形。
在CL＝50pF的条件下，74HC04的传输延迟时间tpd约为9ns。
(2) 动态功耗
PD  PL  PT ( PL：C L 充、放电产生的功耗 ；PT ：瞬变功耗 ）
2
 (C L  C pd )VDD
f
3. 各种系列CMOS数字集成电路的性能比较
4000系列：工作电压范围比较宽（3~18V），但存在着传
输延迟时间长（60~100ns）、负载能力弱的缺点。
HC/HCT系列是高速CMOS逻辑系列的简称。当VDD=5V时，
tpd=10ns；输出高、低电平时的最大负载电流达4mA。
HC系列和HCT系列的区别在于：HC系列的工作电压范围
较宽（2~6V），但它的输入、输出电平和负载能力不能和TTL
电路兼容，适用于单纯由CMOS器件组成的系统中。而HCT系
列一般仅工作在5V电源电压下，在输入、输出电平和负载能力
上均可与TTL电路兼容，适用于由CMOS与TTL混合的系统中。
AHC/AHCT系列是改进的高速CMOS逻辑系列的简称。当
VDD=5V时，tpd=3ns左右；输出高、低电平时的最大负载电流
达8mA。
LVC是低压CMOS逻辑系列的简称。工作电源电压为
（1.65~3.6V）；当VDD=5V时，tpd=3.8ns；输出高、低电平
时的最大负载电流达24mA。
ALVC系列是改进的LVC逻辑系列的简称。性能更加优越。
在诸多系列的CMOS电路产品中，只要产品型号最后的数
字相同，则它们的逻辑功能就是一样的；但它们的电气性能和
参数就各不相同了。
型号开头的“74”或“54”是TI公司产品的标志。
74——民用产品，工作环境温度为-40~850C
54 ——军用产品，工作环境温度为-55~1250C
3.3 双极型半导体二极管和三极管的开关特性
3.3.1 双极型二极管的开关特性和二极管门电路
二极管的开关等效电路：
二极管与门
设VCC = 5V
加到A,B的 VIH=4V
VIL=0.3V
二极管导通时 VDF=0.7V
A
0.3V
0.3V
4.0V
4.0V
B
0.3V
4.0V
0.3V
4.0V
Y
1.0V
1.0V
1.0V
4.7V
规定4V以上为1
1V以下为0
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
Y
0
0
0
1
二极管或门
设VCC = 5V
加到A,B的 VIH=4V
VIL=0.3V
二极管导通时 VDF=0.7V
A
0.3V
0.3V
4.0V
4.0V
B
0.3V
4.0V
0.3V
4.0V
Y
0V
3.3V
3.3V
3.3V
规定3.3V以上为1
0.3V以下为0
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
Y
0
1
1
1
二极管构成的门电路的缺点
• 电平有偏移
• 带负载能力差
•只用于IC内部电路
3.3.2 双极型的三极管的开关特性
vI=0V时: iB0，iC0，vO＝VCE≈VCC，c、e极之间近似于开路,
vI=5V时:
iB > I CS

, vO＝VCE≈0.2V，c、e极之间近似于短路
三极管的开关条件
工作状态
条件
截 止
uBE<VTH
iB≈0
放
饱
大
0 < iB <
I CS

和
iB > I CS

发射结和集
发射结正偏， 发射结和集
偏置情况
电结均为反偏 集电结反偏 电结均为正偏
集电极电
工
流
作
特
点
管压降
iC＝ICS≈
iC ≈ 0
uCE ≈ VCC
ic ≈  iB
当于开关断开
且不随iB增加
而增加
uCE＝VCC－iCRc uCE =VCES≈ 0.2 V
很大，约为
c、e间等
数百千欧，相
效内阻
VCC
Rc
可变
很小，约为数
百欧，相当于
开关闭合
三极管的开关等效电路
3.4 TTL门电路
3.4.1 TTL反相器
1.
电路结构和工作原理
输出级
输入级由T1和电阻
由T
3、D2、T
4和R4
R1组成。D
可以防
1
中间级由T
构成推拉式的输出
2和电阻
止输入端出现过大
R
级。用于提高开关
2、R3组成，从T2
的负电压。
的集电结和发射极
速度和带负载能力。
同时输出两个相位
相反的信号，作为
T3和T4输出级的驱
动信号；
（1）当输入为低电平（I = 0.2 V）
i B1
T1 深度饱和
VCC  v B1

 1.025 mA
R1
I BS1  0 i B1  I BS1
T2 、 T4截止，T3 、D2导通
vO  VCC  vR2  vBE3  vD 2 
(5  0.7  0.7) V  3.6 V
输入
低电平
T1
饱和
T2
截止
T4
截止
D2
导通
T3
导通
输出
高电平
（2）当输入为高电平（I = 3.6 V）
T2、T4饱和导通
T1:倒置状态。
T3和D2截止。
使输出为低电平.
输入
高电平
T1
倒置
T2
饱和
T4
饱和
vO=VCES4=0.2V
输出
D2
T3
截止
截止
低电平
电压传输特性
把电压传输特性转折区中点对应的输入电压称为阈值电压。
阈值电压VTH约为1.4V
小 结
掌握CMOS门电路的性能参数及意义。
掌握TTL非门电路的逻辑功能分析。