1、数电几道题目2数电几道题目22011-10-0613:21【题目8】:门电路的平均传输延时是如何计算的，它的大小与开关速度有什么关系?【相关知识】:TTL与非门的工作原理、TTL与非门的动态特性、TTL与非门的开关特性。【解题方法】:从门电路的输入、输出方波中定义平均传输时间。【解答过程】:在TTL电路中，由于二极管和三极管从导通变为截止或从截止变为导通都需要一定的时间，而且还有二极管、三极管以及电阻、连接线等的寄生电容存在，所以把理想的矩形电压信号加到TTL反相器的输入端时，输出电压的波形不仅要比输入信号滞后，而且波形的上升沿和下降沿也将变坏，如图1所示。我们把输出电压波形滞后于输入电压波形
2、的时间叫做传输延迟时间。通常将输出电压由低电平跳变为高电平时的传输延迟时间记作，把输出电压由高电平跳变为低电平时的传输延迟时间记作。和的定义方法如图1所示。平均传输延迟时间定义为(1)TTL门电路的传输延迟时间一般为几十纳秒，延迟时间越长，说明门的开关速度越低。因为传输延迟时间和电路的许多分布参数有关，不易准确计算，所以和的数值最后都是通过实验方法测定的。这些参数可以从产品手册上查到。【题目9】:为什么TTL门电路的输出级采用推拉式结构?它对减少输出电阻有什么好处?【相关知识】:TTL与非门的工作原理、TTL门电路的主要参数、TTL与非门的开关特性。【解题方法】:通过分析推拉式输出级在低电平和
3、高电平输出时的工作状态，便可一目了然。【解答过程】:在图1所示的门电路推拉式输出级中，当输出低电平时，截止，而饱和导通。双极型三极管饱和导通状态下具有很低的输出电阻。在74系列的TTL电路中，这个电阻通常只有几欧姆，所以若外接的串联电阻在几百欧姆以上，在分析计算时可以将它忽略不计。当输出为高电平时，截止而导通。工作在“射极输出“状态。已知射极输出器的最主要特点就是具有高输入电阻和低输出电阻。在模拟电子技术基础教材中，对这一特性都有详细的说明。根据理论推导，图1电路的高电平输出电阻为上式中的(rbe4)是发射结的导通电阻，是的电流放大系数，是二极管D的导通电阻。74系列TTL门电路的高电平输出电
4、阻约在几十欧至一百欧之间。显然，这个数值比低电平输出电阻大得多。正因为如此，我们总是用输出低电平去驱动输出负载。【题目10】:各种逻辑功能的CMOS门电路是如何组成的?【相关知识】:CMOS反相器的结构、工作原理，复合CMOS逻辑门。【解题方法】:以CMOS反相器为基础，不难构成各种逻辑功能的CMOS门。【解答过程】:图1所示是由增强型NMOS管和PMOS管组成的一个CMOS非门电路。其中两管的栅极相连为输入端，漏极相连后作为输出端，PMOS管的源极接正电源VDD，NMOS管源极接地(或接负电源)。从CMOS反相器的工作原理可以知道，不管输入为高电平还是低电平，互补的两管中总有一只导电，另一只
5、截止，使得在稳态时，CMOS门电路的功耗极微，并实现了输入和输出之间的反相关系。在CMOS门电路的系列产品中，除反相器外常用的还有或非门、与非门、或门、与门、与或非门、异或门等几种。它们都是以反相器为基本单元构成的，在结构上保持了CMOS反相器的“互补“特性，即NMOS和PMOS总是成对出现的，因而具有和CMOS反相器同样良好的静态和动态性能。图2所示为CMOS与非门和或非门电路结构。将两只增强型NMOS管串联，而两只增强型PMOS管并联后的电路是CMOS与非门，如图2(a)所示。而将两只NMOS管并联、PMOS管串联的则构成了CMOS或非门，如图2(b)所示。若输入A、B及输出L的高低电平分
6、别用逻辑1和逻辑0表示，则它们的真值表如表1所示。它们的逻辑功能不难得到验证。显然，CMOS与非门和或非门的结构都是以反相器为基本单元构成的，分别包含两个互补对称工作的P、N沟道对管。依此类推，在CMOS电路中，还可利用NMOS管的串联和并联，对应的PMOS管并联和串联，以实现更为复杂的逻辑功能，例如与或非门、异或门，等等。【题目11】:如何理解CMOS反相器的电压传输特性?【相关知识】:MOS管的伏安特性曲线、CMOS反相器的结构，工作原理、静态特性。【解题方法】:通过逐点分析CMOS反相器的输入、输出关系，可以看出它有良好的开关特性。【解答过程】:CMOS反相器电路如图1(a)所示，图1(
7、b)为其电压传输特性曲线。设CMOS非门的电源电压=10V，两管的开启电压为=|=2V。(1)当2V，截止，导通，输出=10V;(2)当2V5V，和都导通，但的栅源电压的栅源电压绝对值，即工作在饱和区，工作在可变电阻区，的导通电阻的导通电阻，所以，这时开始下降,但下降不多，输出仍为高电平;(3)当=5V，的栅源电压=栅源电压绝对值，两管都工作在饱和区，且导通电阻相等,所以，=(/2)=5V;(4)当5V8V，情况与(2)相反，工作在饱和区，工作在可变电阻区，的导通电阻的导通电阻，所以变为低电平;(5)当8V，截止，导通，输出=0V。可见两管在=/2处转换状态,所以CMOS电路的阈值电压(或称门
8、槛电压)=/2。CMOS电压传输特性的过渡区比较陡峭，说明CMOS反相器虽有动态功耗，但其平均功耗仍远低于其它任何一种逻辑电路。这是CMOS电路的突出优点。另外，和的特性接近相同，使电路有互补对称性，即和互为负载管，使阈值电压接近/2，可见，CMOS反相器的电压传输特性曲线比较接近理想的开关特性。【题目12】:怎样分析各种TTL和CMOS集成门电路的逻辑功能?【相关知识】:TTL与非门和复合TTL逻辑门、CMOS反相器、传输门以及复合CMOS逻辑门。【解题方法】:解题方法和步骤:首先将电路划分为若干个基本功能结构模块。从输入到输出依次写出每个电路模块输出与输入的逻辑关系式，最后就得到了整个电路
9、逻辑功能的表达式。【解答过程】:1、TTL集成门电路逻辑功能的分析首先将TTL门电路划分为若干个图1中所示的基本功能结构模块。从输入到输出依次写出每个电路模块输出与输入的逻辑关系式，最后就得到了整个电路逻辑功能的表达式。基本功能电路模块有“与“结构、“或非“结构、“倒相“结构、“电平偏移“结构和“推拉式输出“结构等几种。电平偏移结构的功能在于实现电平的变换。当输入A为高电平时，二极管D导通，输出也是高电平，但输出的高电平比输入电平低一个二极管的压降。当输入A为低电平时，二极管工作在截止状态，这时三极管导通，为输出端提供一个低内阻的对地放电通路。2、CMOS集成门电路逻辑功能的分析首先将CMOS
10、门划分为若干个图2所示的基本功能结构模块。从输入到输出依次写出每个模块输出与输入的逻辑关系式，最后就得到了整个电路的逻辑功能表达式。例1试分析图3所示TTL门电路的逻辑功能。解:首先将电路划分为虚线框内的六个基本功能模块:最左边的三个“与“结构模块、中间的两个“或非“结构模块和最右边的“推拉式输出“模块，如图3中所示。然后自左而右地逐个写出每个模块的逻辑关系式(如图中所示)，最后得到因此，图3电路是“异或“门电路。例2试分析图4电路的逻辑功能。解:这个CMOS电路可以划分成四个反相器和一个传输门共五个功能模块。传输门的工作状态由B和控制，当B=0时传输门导通，输出等于输入的;当B=1时传输门截
11、止。电路图中间的一个反相器受状态的控制，当B=0时(=1)和同时截止，反相器不工作;当B=1时(=0)和同时导通，反相器工作，输出等于A。再经过输出端反相器以后得到把上式的真值表列出即可看到，Y=AB。【题目13】:如何理解CMOS门电路中的输入保护电路的作用?【相关知识】:MOS管的结构、CMOS反相器的工作原理、CMOS反相器的输入特性。【解题方法】:通过分析输入保护电路中二极管的钳位作用，可以理解它的保护特性。【解答过程】:因为MOS管的栅极和衬底之间存在着以SiO2为介质的输入电容，而绝缘介质又非常薄(约1000)，极易被击穿(耐压约100V)，所以必须采取保护措施。在目前生产的CMO
12、S集成电路中都采用了各种形式的输入保护电路，图1所示的保护电路就是常用的两种。在CC4000系列CMOS器件中，多采用图1(a)的输入保护电路。图中的和都是双极型二极管，它们的正向导通压降=0.50.7V，反向击穿电压约为30V。由于是在输入端的P型扩散电阻区和N型衬底间自然形成的，是一种所谓分布式二极管结构，所以在图1(a)中用一条虚线和两个二极管表示。这种分布式二极管结构可以通过较大的电流。的阻值一般在1.52.5k之间。和分别表示和的栅极等效电容。在输入信号电压的正常工作范围内(0)输入保护电路不起作用。若二极管的正向导通压降为，则+时，导通，将和的栅极电位钳位在+，保证加到上的电压不超
13、过+。而当+以后，迅速增大。而在+(表示发射结的正向导通压降)，则导通，并进而引起导通，产生锁定效应。图中用虚线示出了基极电流和集电极电流的流向。的集电极电流流入的基极，形成可控硅的触发电流。2若+，则导通，并进而引起导通，产生锁定效应。4若-，则导通，并进而引起导通，产生锁定效应。5若大于PN结的反向击穿电压，则或也会导通，并引发锁定效应。因此，为防止发生锁定效应，在CMOS电路工作时始终应保证、的数值符合如下规定:-+，-+(端的击穿电压)此外，还可以采取以下的防护措施:(1)在输入端和输出端设置钳位电路，以确保和不会超过上述的规定范围，如图5所示。图中的二极管通常选用导通压降较低的锗二极
14、管或肖特基势垒二极管。(2)在可能出现瞬时高压时，在CMOS电路的电源输入端加去耦电路，如图6所示。在去耦电阻R选得足够大的情况下，还可以将电源电流限制在锁定状态的维持电流以下，即使有触发电流流入或，自锁状态也不能维持下去，从而避免了锁定效应的发生。这种方法的缺点是降低了电源的利用率。(3)当系统由几个电源分别供电时，各电源的开、关顺序必须合理。启动时应先接通CMOS电路的供电电源，然后再接通输入信号和负载电路的电源。关机时应先关掉信号源和负载的电源，再切断CMOS电路的电源。为了使用的安全和方便，人们一直在研究从CMOS电路本身的设计和制造上克服锁定效应的方法。现在一些工厂生产的高速CMOS电路中，通过改进图版设计和生产工艺，减小了寄生三极管的值和、的阻值，已经能够基本消除锁定效应的发生。但这些改进方法都明显地加大了芯片面积，因而目前还不能保证所有的CMOS电路产品都不会发生锁定效应。
