3.1 半导体开关

 

门电路是数字电子技术最基本的单元电路，以它为基础，发展形成了具有许多逻辑功能的部件和由这些部件构成的数字仪表和数字计算机。

常用的逻辑门电路在逻辑功能上有与门、或门、与非门、或非门、与或非门和异或门等。

根据晶体二极管、三极管和MOS管的导通和截止特性，可以用其来做逻辑门电路。数字集成电路中的晶体管多数是工作在开关状态的，与模拟电路中晶体管的小信号工作状态有很大的不同。

本章将主要介绍半导体开关、TTL逻辑门和MOS逻辑门的基本原理及特性。

本章主要内容

&        晶体二极管和三极管的开关特性

&        MOS管的开关特性

&        TTL集成逻辑门

&        TTL与非门电路的改进以及TTL其他电路

&        MOS逻辑门

3.1  半导体开关

3.1.1  晶体二极管开关特性

TTL门电路是建立在晶体管的开关特性上的，晶体二极管是由PN结构成，具有单向导电的特性，即当二极管两端加正向偏压时，PN结呈现的电阻很小，二极管导通，有一定的电流流过；当二极管两端加反向偏压时，PN结呈现的反向电阻很大，流过二极管的反向电流很小，可近似看作零，二极管截止。因此，在电路内有时可以把二极管作为一个电子开关，二极管加正偏压，相当于开关闭合，二极管两端电路导通；加反偏电压，相当于开关断开，二极管截止，电路开路。

一个理想的开关在断开时，通过开关的电流为0A，开关两端呈现的电阻为无穷大；闭合时，开关两端电压为0V，两端呈现的电阻为0W。接通和断开的动作在瞬间完成。

在频率比较低的情况下，晶体二极管可以当做一个理想的开关来分析，因为在这个前提条件下，可以认为晶体二极管的导通与截止是在瞬时内完成的，但在频率比较高的电路分析中，晶体二极管则不能当做一个理想的开关。一般当工作频率高达10⁶Hz时，从实验和理论分析，均不能将晶体二极管的导通和截止时间忽略不计。

下面就从稳态和瞬态两方面分析晶体二极管的开关特性，并给出晶体二极管的应用电路。

1．稳态开关特性

电路处于相对稳定的状态下晶体管所呈现的开关特性称为稳态开关特性。

特性方程为

图3-1（b）所示为晶体二极管的伏安特性曲线，图3-1（c）所示为折线简化后的特性曲线，图3-1（d）所示为理想二极管特性曲线。

（a）二极管电路表示                （b）二极管的伏安特性

（c）特性折线简化曲线            （d）理想二极管特性曲线

图3-1  晶体二极管伏安特性及简化曲线

由图3-1（a）可见，当二极管外加正向电压时，管子导通，出现正向电流i_D。当外加正向电压v_D较小时，i_D的大小随正向电压v_D的增加按指数规律增加，值很小；当外加正向电压v_D增加到一定的值V_th后，i_D随电压v_D的增加有明显的增长。V_th称为正向阈值，它是线性特性向下延长与横轴相交的坐标，一般硅管约为0.6～0.7V；锗管约为0.2～0.3V。

当加反向电压时，由于v_D＜0V，此时，则

i_D=-I_s

在不被击穿的范围内，反向电流与外加反向电压无关，故I_S称为反向饱和电流。反向饱和电流的产生是因为管内热激发有少量载流子产生，对硅管不足1mA，锗管约为10mA，仅和室温有关，与反向电压大小关系不大。

当v_D反向超过击穿电压V_BRK后，管子的PN结就反向击穿，并因为反向电流急剧增加而损坏管子，但有一类作稳压用的齐纳二极管除外，因为齐纳式击穿是可以恢复的。利用此特性，很多电路用晶体二极管来作保护电路。

在工作频率比较低、分析精度要求不高时，可以将二极管的伏安特性理想化为图3-1（d）所示曲线。当v_D为正向电压时，二极管导通，其压降为0V，相当于开关闭合；当v_D为反向电压时，二极管截止，流过的电流为0A，相当于开关断开。

为了提高分析精度，将二极管伏安特性曲线折线化为图3-1（c）所示的曲线。当v_D为正向电压时，二极管导通，其压降为V_th，硅管为0.7V，锗管为0.3V，相当于开关闭合；当v_D为反向电压时，二极管截止，流过的电流为反向饱和电流，非常小，常常忽略不计，相当于开关断开。

由图3-1可以看出，在大信号作用时，晶体二极管伏安特性曲线可以明显地分为3个区。导通区Ⅰ的特性斜率为1/r_D，r_D即为二极管的导通内阻，约为数十欧；Ⅱ为截止区，r_o为反向内阻，通常有数百千欧；Ⅲ为反向击穿区，r_Z为内阻，仅数欧。

通过上面的分析可以看出，在稳态情况下，二极管的开关特性与理想开关存在一定差异，这些差异是：正向导通时，相当于开关闭合，其两端仍有电位降落；反向截止时，相当于开关断开，存在反向电流。此外，二极管的V_th和I_S都与温度有关。二极管反向工作时，温度升高，反向饱和电流I_S增加，通常温度每升高10℃，I_S约增大一倍。二极管正向工作时，如果电流i_D保持不变，随着温度的升高，其正向电压将减小，通常每升高1℃，二极管的压降约减小2～2.5mV。

2．瞬态开关特性

电路处于瞬变状态下，晶体管所呈现的开关特性称为瞬态开关特性。

理想晶体二极管的开关状态都是在瞬时完成的，由导通到截止或由截止到导通都是瞬时的，如图3-2（c）所示。

（a）                                     （b）

图3-2  晶体二极管瞬态开关特性

（c）                              （d）

图3-2  晶体二极管瞬态开关特性（续）

理想情况下，晶体二极管D的工作状态由输入电压v_I决定。当v_I=V_F时，二极管导通，通过二极管的正向电流i_D=I_F=V_F/R；当v_I=-V_R时，二极管截止，通过二极管的反向电流i_D=0A。如图3-2（c）所示。

但从实验可知，实际回路内电流i_D如图3-2（d）所示，其正向电流也为I_F，但负向电流在跳变瞬间，其值近似为V_R/R，经过一段时间后，电流值才会趋近于截止电流，这段时间用来表示，称为二极管的反向恢复时间，它是指反向电流从-V_R/R减少到-V_R/(10R)所需要的时间。

由上述分析可以得知，如果输入信号为频率很高的矩形脉冲波，而其负半波的宽度与二极管的反向恢复时间t_re可以比较时，二极管就不再具有单向导电的特性，不能作为一个电子开关来使用。产生这个问题的原因是二极管正向导通时，在PN结两侧有存储电荷积累，一旦二极管从正向导通转为反向截止，电路中的电流为

i_D=

这部分存储电荷不断地减少，这就需要一定的时间，因此会产生图3-2中的过渡特性。

3．二极管开关应用电路

（1）限幅电路。

能按限定的范围削平信号电压波幅的电路，又称限幅器、削波器。限幅电路常用于以下3个方面。

① 整形，如削去输出波形顶部或底部的干扰。

② 波形变换，如将输出信号中的正脉冲消去，只留下其中的负脉冲。

③ 过压保护，如强的输出信号或干扰有可能损坏某个部件时，可在这个部件前接入限幅电路。限幅电路按功能分为上限限幅电路、下限限幅电路和双向限幅电路3种。

·    在上限限幅电路中，当输入信号电压低于某一事先设计好的上限电压时，输出电压将随输入电压而增减；但当输入电压达到或超过上限电压时，输出电压将保持为一个固定值，不再随输入电压而变化，这样，信号幅度即在输出端受到限制。

·    下限限幅电路在输入电压低于某一下限电平时产生限幅作用。

·    双向限幅电路则在输入电压过高或过低的两个方向上均产生限幅作用。常用的有二极管串联上限限幅器、串联下限限幅器、串联双向限幅器；二极管并联上限限幅器、并联下限限幅器、并联双向限幅器。

假设二极管为理想二极管。并联二极管上限幅电路如图3-3所示，图中E为限幅电平。

当u_i＜E时，二极管截止，输出u_o=u_i。

当u_i＞E时，二极管导通，输出u_o=E。

图3-3  并联二极管上限幅电路

串联二极管上限幅电路如图3-4所示。

当u_i＞E时，二极管截止，输出u_o=E。

当u_i＜E时，二极管导通，输出u_o=u_i。

并联二极管下限幅电路如图3-5所示。

图3-4  串联二极管上限幅电路

当u_i＞E时，二极管截止，输出u_o=u_i。

当u_i＜E时，二极管导通，输出u_o=E。

串联二极管下限幅电路如图3-6所示。

当u_i＞E时，二极管截止，输出u_o=u_i。

当u_i＜E时，二极管导通，输出u_o=E。

双向限幅电路如图3-7所示。

当u_i＞E₁时，二极管VD₁导通，VD₂截止，输出u_o=E₁。

当u_i＜E₂时，二极管VD₁截止，VD₂导通，输出u_o=-E₂。

E₁＜u_i＜E₂时，两二极管均截止，输出u_o=u_i。

图3-5  并联二极管下限幅电路

图3-6  串联二极管下限幅电路

图3-7  双向限幅电路

（2）钳位电路。

图3-8  钳位电路及工作波形

钳位的作用是指利用二极管正向导通压降相对稳定、数值较小（有时可近似为0）的特点，来限制电路中某点的电位。对危险电流有扼制作用，对瞬时过电压有放电作用。钳位电路将脉冲波形的顶部或底部钳定在某一电平上。

钳位电路如图3-8所示。合理选择电路中的参数，R>>r_D（r_D是二极管的导通电阻），时间常数₁=r_DC<<T₁（输入脉宽），时间常数。

如图所示，在t₁～t₂时段内，当输入电压v_i由0跳变到V_m时，电容两端要保持和输入同样的一段时间，因为电容两端不能突变。图中电容右端的电压升为V_m，此时二极管D导通，电容很快充电至V_m，V_O很快下降至0V。

t=t₂时，v_I负向跳变至0V，因为电容两端不能突变，电容右端电压跳变至-V_m。

t₂～t₃时间段内，二极管截止，电容通过R放电，时间常数，v_O值缓慢上升。

t=t₃时，v_I从0跳变至V_m，v_O跳变至?V。

t₃～t₄时间段内，二极管导通，电容C很快充电至V_m，v_O迅速下降至0V。

此后，电路工作情况周期性重复。

由输出v_O的波形可见，它与输入v_I的波形相似，但被钳定在0V。

在二极管的支路中串联一个电源V_REF，可以改变钳位电平。V_REF为钳定的电平。如图3-9所示。输出被钳定在V_REF。

图3-9  钳位电平为V_REF的钳位电路

另外当V_REF为负时，输出电压就会被钳定在负电平。

3.1.2  晶体三极管开关特性

1．晶体三极管的稳态特性

晶体三极管有3种工作方式：截止、饱和放大。如图3-10所示为单管共射电路传输特性图。

在模拟电子线路中，主要分析三极管工作在放大区的情况，但在数字电路中却要求三极管工作在截止区和饱和区，放大区仅作为一个过渡的工作状态。

通过改变输入电压v_I的值就可以控制晶体三极管工作在截止区还是饱和区。当工作在截止区时，相当于开关断开；当工作在饱和区时，相当于开关闭合。

基本单管共射电路如图3-11所示。

           

图3-10  单管共射电路传输特性                       图3-11  基本单管共射电路

当输入电压小于阈值电压时，三极管T不导通，工作于截止区。晶体管的发射结和集电结均处于反向偏置。此时：

v_A＜v_E，v_A＜v_C

i_B≈0A，i_C≈0A，v_O≈E_C

晶体管T相当于开关断开。

当输入电压大于阈值电压而小于某一数值时（如图3-10中约为1V时），晶体管T导通，工作于放大区。晶体管的发射结正偏，集电结反偏。此时：

v_B＞v_E，v_B＜v_C

输入电压和输出电压之间基本上呈线性关系，输入电压的很小变化都会引起输出电压的较大变化。放大区只作为一个过渡的工作状态。

当输入电压大于某一数值时，晶体管工作于饱和区。晶体三极管发射结和集电结均处于正偏。此时：

v_B＞v_E，v_V＞v_C

v_O≈0V

晶体管C、E之间相当于开关闭合。

表3-1列出了硅管和锗管截止、放大、饱和状态时V_BE、V_CE的典型数值。

表3-1  三极管的典型工作电压数据

由上面的分析可知，当晶体三极管（硅管）基射端的输入电平小于0.5V时，三极管截止，集射间输出为高电平，近似为E_C；而当三极管基射端的输入电平高到使基极电流I_B大于基极临界饱和电流时，三极管饱和导通，集射间输出为低电平。适当选择R_B、R_C的值，当输入端加一个高低电平变化的脉冲信号时，在输出端将产生一个与输入信号反相的脉冲信号。

晶体三极管作为开关应用时，在输入脉冲信号频率较低时，开关时间可以忽略不计；然而，当信号频率高到其周期值能与三极管的开关时间相比较时，也会破坏它作为电子开关的性能。

2．晶体三极管的瞬态特性

晶体三极管的瞬态开关特性与晶体二极管的瞬态开关特性类似，都是因为管子在正向导通时，在PN结两侧有存储电荷积累，此存储电荷的消失需要一定的时间。

图3-12给出了晶体三极管的瞬态特性。

图3-12  晶体三极管的瞬态特性

输入脉冲波形为理想方波，则输出脉冲不仅相位上反相，变化时间上延迟，而且输出电平从高到低和从低到高的变化都不是瞬时完成的，均有一个下降和上升的过渡过程。

当输入电压v_I从负电压跳变至正电压时，晶体管不能立即导通，要经历一段时延t_d和一个上升时间t_r，i_C才能接近于最大值I_CS。输入电压v_I正跳变开始到集电极电流上升到0.1I_CS所需要的时间称为延迟时间t_d，将i_C从0.1I_CS上升到0.9I_CS所需的时间称为上升时间t_r，t_on=t_d+t_r称为开通时间。

当输入电压v_I从正电压下跳至负电压时，晶体管也不能立即截止，要经历一段存储时间t_s和下降时间t_f，i_C才逐渐下降至0。通常将输入电压v_I负跳变开始到集电极电流下降到0.9I_CS所需的时间称为存储时间t_s，将i_C从0.9I_CS下降到0.1I_CS所需的时间称为下降时间t_f，t_off=t_s+t_f称为关断时间。

图3-13  晶体三极管反相器

这个特性是由于当三极管饱和导通时，它的集电结两侧有存储电荷，只有消散掉这部分存储电荷，三极管工作状态才能从饱和区进入放大区，再转入截止区。三极管的饱和愈深，存储电荷愈多，退出饱和区的存储时间t_s越长。

3．晶体三极管开关应用电路

晶体三极管最常用、最基本的电路就是反相器电路。

图3-13给出了晶体三极管反相器的基本电路。

当输入电压为高电平时，输出电压为低电平；当输入电压为低电平时，输出电压为高电平。输出电压与输入电压反相，故称为反相器。

电路中电容C_j称为加速电容。当输入电压由低跳变至高时，它使瞬时基极正向驱动电流很大，从而大大缩短了t_d和t_r的时间，也就是缩短了开通时间t_on。在输入电压由高到低跳变时，它使晶体三极管发射结加上较大的反向偏压，从而产生较大的基极反向驱动电流，加快了基区多余存储电荷的消失，从而大大缩短了关断时间t_off。

加速电容只在瞬态过程起作用，在电路处于稳定状态时，相当于开路，对电路稳定工作没有影响。

3.1.3  MOS管的开关特性

MOS管集成度高、输入阻抗高、功耗低、工艺简单而且没有电荷存储效应。在数字电路中虽然出现较晚，但应用相当广泛。它的缺点是工作速度较慢。与NPN半导体三极管类似，MOS管的伏安特性曲线可以分为3个区域：非饱和区（可变电阻区），截止区和饱和区（恒流区）。下面给出N MOS增强管的开关等效电路如图3-14所示。

（a）MOS管电路        （b）关态等效电路      （c）开态等效电路

图3-14  MOS管开关等效电路

开启电压是MOS管的一个重要参数。当栅源电压V_GS＜V_T时，尽管漏源电压V_DS＞0，但由于漏源之间的导电沟道尚未形成，因此漏极电流I_D=0A，输出电压V_DS=V_DD。此时MOS管处于高阻状态，也就是关态。

当栅源电压V_GS＞V_T时，漏源间形成导电沟道，MOS管处于低阻导通状态，也就是开态。此时漏极电流I_D和输出电压V_DS为：

I_D=V_DD/（R_D+r_DS）

V_DS=V_DD×r_DS/（R_D+r_DS）

其中，r_DS为MOS管导通时的漏源电阻，若r_DS远远小于R_D，则有V_DS≈0V。由此可见，MOS管是一个电压控制器件，漏源可作为一个受栅极电压控制的开关来使用。