【学习笔记】3、逻辑门电路

3.1 MOS逻辑门电路

• 按照器件结构的不同形式，分为NMOS、PMOS、CMOS三种逻辑门电路。

3.1.1 CMOS

• CMOS电路成为主导地位的逻辑器件。
• 工作速度：赶上甚至超过TTL电路。（早期CMOS速度慢，后来工艺提升速度变快）
• 功耗和抗干扰能力：远远优于 TTL电路。（功耗低，工作电压宽，抗干扰）
• 下图中，74后面都跟着一个字母C，表示是CMOS。
  
• CMOS技术不适用于射频和模拟电路中。
• BiMOS是射频系统中用的最多的工艺技术。高速、高驱动、高密度、低功耗、低成本。既可以用于数字电路，又可以用于模拟集成电路。
• 双极型数字集成电路TTL和ECL。
• TTL（晶体三极管+肖特基二极管）应用最早，目前一些小规模到中规模的数字系统仍采用TTL技术。低功耗和高速TTL器件（肖特基二极管BSD）。
• ECL（差分对管）不工作在饱和区，工作速度极高。功耗大，不合适做大规模集成电路。应用于高速或者超高速数字系统或设备中。
• 砷化镓是新型半导体材料。工作速度比硅器件快得多。功耗低、抗辐射。应用于光纤通信、移动通信、全球定位等等。
  

3.1.2 逻辑电路的一般特性

• 生产厂家提供的数据手册中，电压传输特性$v_1-v_0$包括：
  （1）输入输出的高低电压
  （2）噪声容限
  （3）传输延迟时间
  （4）功耗
  （5）延迟-功耗积
  （6）扇入数与扇出数。

3.1.3 MOS开关及其等效电路

• MOS管用于有触点的“断开”和“闭合”。
• 速度与可靠性比机械开关优秀很多。

1. MOS的开关作用

• MOS管是一种“压控晶体管”。固定（门级）的电压Vgs，通过改变漏极和源极的电压Vds，观测通过漏极的电流Id。
  

• 绘制“直流负载线”。

• 通过负载电阻Rd的电流id与Vds之间的关系（仅针对当前电路）。
  

• 绘制“伏安特性曲线”。

• 门级存在一个固定的电压值Vgs，大于开启电压Vt，保证mos管的导通。

• 流经MOS管的电流id。

• 漏极与源极之间的电压差Vds。

• 在“可变电阻区”内，Vds变大，电流Id也变大，电流Id变化趋势逐渐变缓慢。可知在这个过程中，MOS的内阻逐渐变大。

• 在“饱和区”内，Vds变大，电流饱和，不再变大。
  

• 已知固定Vgs时，Id-Vds存在上述图中的变化关系。

• 在这个基础上，改变Vgs，可以绘制出如下的图。
  

• 总结
  （1）当门级输入电压Vgs<开启电压Vt时，MOS处于截止状态。$I_d=0$，$V_o=Vds=Vdd$。
  （2）当门级输入电压Vgs>开启电压Vt时，MOS处于导通状态。
  随着$Vgs$的变大，MOS管的工作趋势，从饱和区向可变电阻区变化。
  当$Vgs$门级输入电压非常大时，MOS管工作在可变电阻区，MOS的内阻趋向于非常小。负载$R_d$远大于此时的MOS管内阻。
  根据串联分压，可知$Vgs$无线趋向于0V。此时电流$I_d=Vdd/R_d$。

• 等效电路
  在上述电路中，MOS管相当于一个由$V_{GS}$控制的无触点开关。
  当输入为低电平时，MOS管截止，“断开”，输出高电平。
  当输入为高电平时，MOS管在可变电阻区，“闭合”，输出低电平。

2. MOS管的开关特性

• MOS管的栅极g(门级g)与衬底b之间存在电容。
• MOS管的漏极d与衬底b之间存在电容。
• MOS管的栅极g（门级g）与漏极d之间存在电容。
• MOS管导通时存在导通电阻。
• 由于上述等原因，MOS管的实际输出电压与理想的输入电压进行比较，输出电压上升沿和下降沿变化存在滞后性。也就是响应时间。

3.1.4 CMOS反相器（非门）

• 模拟电路中的知识：由N沟道和P沟道两种MOSFET组成的电路，成为互补MOS电路 或者 CMOS电路。
• 下图为CMOS反相器电路。其中电源电压必须大于两个MOS的开启电压之和（$V_{DD}$ > $|V_{TP}|$+$V_{TN}$）。
• $V_I=V_{GSN}$，NMOS的栅级电压值
• $V_O=V_{DSN}$，NMOS的漏极电压值
• $i_{DN}=i_{DP}=i_D$
  

1. 工作原理

• 当$V_I=0V$(逻辑0)，$T_N$ NMOS管截止，$T_P$ PMOS管导通(可变电阻区)。$V_O=V_{DD}$。此时通过两管的电流，为通过$T_P$ PMOS管的电流，$i_{DP}$非常小，总的功耗小。
• 当$V_I=V_{DD}$(逻辑1), $T_N$ NMOS管导通(可变电阻区)，$T_P$ PMOS管截止。$V_O=0V$（约等于0V，典型值10mv）。此时通过两管的电流，为通过$T_N$ NMOS管的电流，$i_{DN}$非常小，总的功耗小。
  
• CMOS反相器近似一个理想的逻辑单元。输出电压近似为$V_{DD}或者0V$。功耗几乎为0。

2. 电压传输特性和电流传输特性

• 电压传输特性（输出电压$V_O$与$V_I$的变化关系）。

• 由下图可知，栅极电压较大时，MOS处于导通可变电阻区，彻底导通，相当于一根闭合导线。栅极电压很小时，MOS处于截止区，相当于断开。
  

• 电流传输特性。

• 在$V_I=V_{DD}/2=2.5V$处，电流最大，功耗最大。危害mos管。使用时应避免长时间工作在这个状态下。

• 当一个MOS截止，一个MOS导通可变时，电流较小，功耗低。
  

3. 工作速度

• CMOS反相器的工作速度（电压值的平均传输延迟时间）大约是10ns，与带负载时的充放电时间有关系。

• CMOS反相器（或CMOS电路），用来驱动其他MOS器件时，负载的输入阻抗是电容性的。如下图所思，负载被简化成一个电容符号$C_L$。
  

• CMOS反相器的输入电压$V_i=0$时，$T_N$截止，$T_P$导通。

• $T_P$的导通电阻很小（工作在可变电阻区）。

• 根据电阻和电容的配合关系，可知充电回路的时间常数较小。
  

• CMOS反相器的输入电压$V_i=V_{dd}$时，$T_P$截止，$T_N$导通。

• $T_N$的导通电阻很小（工作在可变电阻区）。

• 根据电阻和电容的配合关系，可知放电回路的时间常数较小。
  

3.1.5 CMOS逻辑门电路

• 在3.1.4中及介绍的CMOS反相器，为“非门”。
• 拓展可以得到，“与非门”，“或非门”，“异或门”等等。

1. 与非门

• 当A和B中出现低电平($A==0||B===0$)，两个串联的NMOS支路一定是截止，两个并联的PMOS一定有导通的支路，最终输出高电平$L=1$。
• 当A和B同时高电平($A==1\&\&B===1$)，两个串联的NMOS支路同时导通，两个并联的PMOS同时截止，最终输出低电平$L=0$。
• $L=\overline{A\cdot B}$
  

2. 或非门

• 当A和B中出现高电平($A==1||B===1$)，两个并联的NMOS支路一定有导通的支路，两个串联的PMOS一定截止，最终输出高电平$L=0$。
• 当A和B同时低电平($A==0\&\&B===0$)，两个并联的NMOS支路同时截止，两个串联的PMOS同时导通，最终输出低电平$L=1$。
• $L=\overline{A+B}$
  

3. 异或门

• $L=\overline{A\cdot B+X}=\overline{A\cdot B+\overline{A+B}}=\overline{A\cdot B+\overline{A}\cdot \overline{B}}=\overline{A\odot B}=A\oplus B$
  

4. 同或门

• 在异或门的后面增加一个非门，就构成了“异或非门”，也就是同或门。
• $L=A\cdot B+\overline{A}\cdot \overline{B}=A\odot B$
  

5. 输入、输出保护电路和缓冲电路

• 输入保护缓冲电路和输出缓冲电路，用于隔离外部与基本逻辑功能电路。
• 提供稳定的输入特性和输出特性。输入输出不会受到内部逻辑影响。
  
  （1）输入保护缓冲电路。
• 输入缓冲电路是指CMOS反相器，栅极与沟道之间很薄，易被击穿。
• 输入保护电路是指二极管保护电路，二极管的反向击穿电压30V，小于缓冲电路栅极SiO2层的击穿电压。二极管反向击穿后，会限制MOS管栅极的电位，起到保护作用。
• 过冲时间较短时，二极管可以恢复正常。
• 过冲时间较长时，二极管会损坏。
  （2）缓冲电路。
• 因为增加了输入和输出的缓冲电路，电路的逻辑功能也发生了变化。
• 具体举例如下图：原本为“或非门”的逻辑电路，在输入和输出端都增加了缓冲电路非门，导致逻辑功能变成了“与非门”。
• $L0=\overline{A^{\prime }+B^{\prime }}$
• $A^{\prime }=\overline{A}$
• $B^{\prime }=\overline{B}$
• $L=\overline{L0}=\overline{\overline{A^{\prime }+B^{\prime }}}=\overline{\overline{\overline{A}+\overline{B}}}=\overline{A\cdot B}$
  

3.1.6 CMOS漏极开路门和三态输出门电路

• 输出端的两种输出结构：漏极开路门（OD）和三态输出门（TSL）。

1. 漏极开路门电路“$\underline{◇}$”（OD）

• 应用场景，不同输出端，需要进行“并联”（线与）。
• 避免出现，不同输出端并联时，高电平和低电平直连，导致电流过大，损坏器件。
• 漏极开路是指，输出电路只有NMOS管（S极只能接地，拉低）。
• 输出为漏极开路的“与非门”，如下图所示。
  
• 输出端“线与”。
• 上拉电阻的大小会影响OD门的开关速度。电阻越小，充电时间越小，开关速度越快。
• 上拉电阻不能取得太小，需要保证电流不超过允许的最大值。上拉电阻最小值的计算，在书中有简要记载。
• 上拉电阻不能取得太大，会影响工作速度。当工作速度较快时，应避免使用OD门，驱动大电容的负载。
• 门电路在从低电平转为高电平时，OD门比CMOS门慢的多。因为上拉电阻比PMOS管导通时的电阻大的多。

2. 三态输出门电路“▽”

• 应用场景，为了保持“推挽式”输出端的优点，且满足“线与”连接的需要，可以使用三态输出门电路。
• 三态输出门电路，包括“高电平”、“低电平”、“高阻态”（禁止态）。
• 当使能$EN=0$时，A不能影响PMOS和NMOS的栅极电压，PMOS和NMOS始终处于截止状态。电路出现开路，高阻态。
• 当使能$EN=1$时，A值的非值$\overline{A}$，会传递到CMOS反相器的两个MOS管上，“负负得正”。此时$L=A$。
  
• 三态门的逻辑符号。
  
• 三态输出门电路，主要用于总线传输。
  

3.1.7 CMOS传输门（TG）

• Transmission Gate。
• 作为基本单元电路，可用于数字信号的传输。
• 传输门又被称为“模拟开关”。可应用于“取样-保持电路”、“斩波电路”、“模数和数模转换电路”等等。
• CMOS传输门，由一个P沟道（左右对称，漏极源极可互换）和一个N沟道（左右对称，漏极源极可互换），并联而成。
• MOS的衬底接-5V，+5V。输入信号的范围是-5V到+5V。
• MOS的衬底接0V，+5V，输入信号的范围是0V到+5V。
• $C=0V,\overline{C}=5V$时，传输门断开。
• $C=5V,\overline{C}=0V$时，传输门的栅极电压OK。当$V_i$在0到5V时，至少有一个管导通。实现传递。
  
• 传输门的优点，传输延迟时间短，结构简单。
• 传输门的优点，由于互补作用的两管并联在一起，传输门的导通电阻的变化较小（一个变小一个变大，相互抵消）。
• 导通电阻一般在几百欧以内。
• 导通电阻的稳定，经过电阻分压，输出电压和输入电压之间成线性关系。

1. 二选一数据选择器

• C=0时，L=X。
• C=1时，L=Y。
  

3.1.8 CMOS逻辑门电路的技术参数

• 传输延迟时间
• 功耗
• 延时功耗积=传输延迟时间x功耗

3.1.9 NMOS门电路

• MOS管发展历史：PMOS->NMOS->CMOS

• PMOS管，以“空穴”为载流子，空穴迁移率低于电子。

• NMOS管，以“电子”为载流子，因而NMOS管的速度快于PMOS管。

• NMOS逻辑门电路，全部使用N沟道MOS。

1. NMOS反相器

• NMOS反相器有两个NMOS管，一个是工作管，一个是负载管。
• 工作管为增强型NMOS管。
• 负载管为耗尽型NMOS管。（也可以是增强型）
• 下图负载管始终处于导通状态，等效于一个阻值较大的电阻。在集成电路中，考虑到大电阻的体积较大，可以使用MOS管代替电阻。
  
  （1）当$V_i=0V$时，工作管NMOS截止，$V_o=5V$。
  （2）当$V_i=5V$时，工作管NMOS导通，$V_o\approx 0V$（负载管的阻值远大于工作管的阻值，串联分压）。
• 在$V_o->5V$时，负载NMOS管等效的电阻阻值在变小，为$C_L$充电的电流较大，因而充电的时间短。
• 耗尽型负载管NMOS电路的开关速度比较快。

2. NMOS与非门电路

• NMOS与非门，基于NMOS反相器，在“非门”上加个“与”，即串联。

• 负载管仍然始终处于导通状态，充当大电阻的作用。
  

• 下面用0表示0V，1表示Vdd。
  （1）当$A=0||B=0$时，工作管支路NMOS截止，$L=1$。
  （2）当$A=1\&\&B=1$时，工作管NMOS导通，$L=0$（负载管的阻值远大于工作管的阻值，串联分压）。

• 在$L->1$时，负载NMOS管等效的电阻阻值在变小，为$C_L$充电的电流较大，因而充电的时间短。

• 耗尽型负载管NMOS电路的开关速度比较快。

3. NMOS或非门电路

• NMOS或非门，基于NMOS反相器，在“非门”上加个“或”，即并联。

• 负载管仍然始终处于导通状态，充当大电阻的作用。
  

• 下面用0表示0V，1表示Vdd。
  （1）当$A=0\&\&B=0$时，工作管全部NMOS截止，$L=1$。
  （2）当$A=1||B=1$时，工作管NMOS导通，$L=0$（负载管的阻值远大于工作管的阻值，串联分压）。

• 在$L->1$时，负载NMOS管等效的电阻阻值在变小，为$C_L$充电的电流较大，因而充电的时间短。

• 耗尽型负载管NMOS电路的开关速度比较快。

• 在进行仿真的时候，会发现，如果负载采用耗尽型NMOS，不能得到高电平1（实际是高阻状态）。
  
  

• 为了能够得到高电平1，在不改变逻辑的情况下，我们可以将负载管变成一个上拉电阻。

• 使用三态线网tri1，定义L处于上拉的状态。
  
  

• verilog开关级建模

//CMOS 2-input NOR 2输入或非门
module NOR2(L,A,B);
  input A,B;
  output L;
  supply1 Vdd;//定义Vdd为电源线
  supply0 GND;//定义GND为地线


  //nmos(Vdd,L,L);//图中T1
  tri1 L;//三态线网，1-上拉电阻

  nmos(L,GND,B);//图中T2
  nmos(L,GND,A);//图中T3

endmodule

• 激励信号

`timescale 1ns / 1ns        //时间单位和时间精度一般是1、10和100这三种整数，单位有s、ms、us、ns、ps和fs；
module NOR2_TB;            
    reg ain,bin;            //输入信号（激励信号）必须定义为reg类型，用来保持信号值；
    wire lout;              //输出信号（显示信号）必须定义为wire类型；

    parameter DELAY=50;     //设置延迟参数为50 

    NOR2 u_NOR2(.L(lout),
                  .A(ain),
                  .B(bin));

    initial                 //使用initial过程快定义激励信号波形
        begin               //使用begin-end控制语句
            ain = 1'b0; bin = 1'b0;       //a=0,b=0,L=1

            #DELAY ain = 1'b1; bin = 1'b0;//50ns,a=1,b=0,L=1

            #DELAY ain = 1'b0; bin = 1'b1;//100ns,a=0,b=1,L=1


            #DELAY ain = 1'b1; bin = 1'b1;//150ns,a=1,b=1,L=0

            #DELAY $stop;                 //200ns,执行$stop系统任务，停止仿真
        end                                 
    initial $monitor($time,,,"A=%b,B=%b,L=%b",ain,bin,lout);
                                                //执行monitor系统任务，设置显示结果的格式
endmodule

3.2 TTL逻辑门电路

• 三极管：NPN型和PNP型
• 三极管：基极B，集电极C，发射极E

3.2.1 BJT的开关特性

1. BJT开关的作用

• 与CMOS不同，BJT以电流为分析依据。
• 基极的电流$i_b$需要大于阈值，才可以导通三极管。
  
  （1）当$V_I=0$时，$i_B\approx 0，i_C\approx 0，V_O=V_{CE}\approx V_{CC}$，（只有很小的电流流过PN结）。
  （2）当$V_I=5V$时，$i_B=V_{CC}/(\beta R_C)$电阻与$，i_C\approx 0，V_O=V_{CE}\approx V_{CC}$，（只有很小的电流流过PN结）。
• 结合BJT管工作线和负载线看，在$i_B$逐渐增大的过程中，允许通过三极管的电流$i_C$越大，三极管工作状态从放大区逐渐变到饱和区。
• 放大区，可以看成是三极管将$i_B$放大为$i_C$。CE间等效电阻阻值可变。
• 饱和区，可以看成是无法继续被线性放大的区域。属于三极管的极限。 CE间等效电阻阻值很小，相当于一个闭合的开关。

2. BJT的开关时间

• BJT开关过程是“饱和区”与“截止区”的转换过程。需要一定的时间才能转换完成。
• 开通，从截止到饱和。需要时间建立基区电荷，以形成饱和电流。
• 关闭，从饱和到截止。基区存储的电荷消散需要时间。
• 提升开关速度的方法：
  （1）改进管子的内部构造。减小基区宽度和发射结集电结的面积。
  （2）改进外部电路。适当选择正向基极电流，反向基极电流，临界饱和电流。

3.2.2 基本BJT反相器的动态性能

• 影响基本BJT反相器开关速度的原因1：基区内电荷的存入与消散需要一定的时间
• 影响基本BJT反相器开关速度的原因2：基本反相器接电容性负载$C_L$，$C_L$的充放电过程需要时间。
• 可见，BJT反相器的开关速度“不理想”。
• 改变电路结构，提升开关速度。

3.2.3 TTL反相器的基本电路

• TTL，晶体管-晶体管逻辑电路（Transistor-Transistor-Logic ）
• 由于BJT反相器的开关速度“不理想”，修改电路结构，得到TTL反相器。
• 单端输入信号$V_{I2}$经过三极管$T_2$转换为互补的双端输出信号$V_{I3}$和$V_{I4}$。$T_3和T_4状态相反，一个截止一个导通$
• 输入级：提高工作速度。$T_1在放大状态和倒置放大状态之间转换，T_2的电流变化快$。
• 输出级：推拉式输出，提高开关速度，增强带载能力。
  

1. TTL反相器的工作原理

$V_{CC}=5V$，硅管三极管导通时，电压$V_{BE}=0.7V$。集电极和发射极之间的压降实际不可能为0，在0.2~0.3V左右。这里认为$V_{CES}=0.2V$。
（1）当$V_I=0.2V$低电平时

• $V_I<0.4V时，T_1的基极和发射极的压差远远大于开启电压。$
• $T_1导通后，压降V_{be1}=0.7V。R_{b1}两边的电压V_{b1}>Vcc-0.7-0.4=3.9V$，
• $T_1导通后，压降V_{ces1}=0.2V。V_{I2}=V_{C1}<0.2+0.4=0.6V，T_2截止$。
• $T_2截止，T_3基极电压为0，T_3截止$。
• $T_2截止，T_4$基极电压为$V_{B4}=V_{CC}=5V$（确定的电压值）$，T_4饱和导通（二极管D同时也导通）$。
• $T_4饱和导通，V_o=V_{B4}-V_{BE4}-V_D=V_{CC}-0.7-0.7=3.6V高电平$

（2）当$V_I=3.6V$高电平时

• $T_1的基极和发射极的压差是5V-3.6V=1.4V，此时T_1导通。$
• $T_1导通后，压降V_{be1}=0.7V。R_{b1}两边的电压V_{b1}=Vcc-0.7-3.6=0.7V$，
• $T_1导通后，T_2基极电压V_{B2}=V_I+V_{CES1}>3.6V，T_2饱和导通$。
• $T_2导通后，压降V_{be2}=0.7V，T_3基极电压V_{B3}=V_{B2}-0.7V>2.9V，T_3导通$。
• $T_3导通后，压降V_{be3}=0.7V，V_{I4}=V_{be3}+V_{ces2}=0.7+0.2=0.9V$
• $V_{I4}=0.9V不足以让T_4和D导通，因而T_4和D均截止$
• $T_4和D均截止，V_O=V_{ces3}=0.2V低电平$。

2. TTL反相器的传输特性

• 结合上述工作原理以及下图，可知T3由放大变到饱和的过程，Vo变化的速度最快。
  

3.2.4 TTL逻辑门电路

1. 与非门电路

• 多发射极e的NPN三极管。（发射极e，接低电平，用来发射电子）
  
• 将“TTL反相器”非门的输入级$T_1$，增加一个发射极e，就构成“与非门”电路。$L=V_o=\overline{V_i} =
  
• A或B任意一个发射极为低电平时，$T_1$发射极正偏导通，$V_{B1}=0.2（给定低电平）+0.7=0.9V$，$T_2{T}_3$截止，$T_4$导通，L为高电平。
• A且B两个发射极都为高电平时，$T_1$发射极倒置放大状态，$T_2{T}_3$饱和导通，$T_4$截止，L为低电平。
• $L=\overline{A}+\overline{B}=\overline{A\cdot B}$

2. 或非门电路

• A和B均低电平时，两路$T_2{T}_3$截止，$T_4$导通，L为高电平。
• A或B为高电平时，至少有一路$T_2{T}_3$饱和导通，$T_4$截止，L为低电平。
• $L=\overline{A}\cdot \overline{B}=\overline{A+B}$
  

3. 与或非门电路

• 在或非门基础上，为A和B分别增加一个发射极。
• 略。

3.2.5 集电极开路门和三态门电路

1. 集电极开路门电路（OC）

• TTL门电路的输出级，BJT管的集电极为开路状态。
• OC门比OD门，可以承受更高电压和电流。
• 需要外接上拉电阻。
• 参考3.1.6.1的内容。
  

2. 三态（TSL）输出门电路

• 参考3.1.6.2的内容。
• 在普通门电路的基础上，增加控制电路，得到三态输出门电路。
• 即增加一个电路使得$T_3{T}_4$同时处于截止状态（输出高阻状态，开路状态）。
  

3.2.6 BiCMOS门电路

• 使用双极型BJT管作为CMOS电路的输出级。
• 结合了MOS管的低功耗和双极型管速度快驱动力强的优势。
  

3.2.7 改进型TTL门电路—抗饱和TTL电路

• 为了降低功耗、加快开关速度，对TTL门电路进行改进。
• 改进效果最明显的是抗饱和TTL电路。
  （1）抗饱和TTL电路传输速度快，高于一般的TTL电路。
  （2）抗饱和TTL电路应用于中小规模集成电路。
• 肖特基系列TTL电路是“抗饱和TTL电路”。

1. 肖特基势垒二极管工作原理

• 肖特基势垒二极管：利用金属和半导体相接触，在交界面形成势垒的二极管。

• （AL-SiSBD）金属铝+N型硅半导体=>势垒二极管
  （1）单向导电性。从硅到铝。
  （2）AL-SiSBD导通阈值电压低。约0.4V~0.5V。
  （3）势垒二极管从正向导通到反向截止，没有内部电荷建立和消散的过程。转换速度快。

• 利用肖特基二极管抑制BJT的饱和深度。
  

• 当BJT集电结的正向偏压达到SBD的导通阈值电压时，二极管先导通，将三极管的集电极正向偏压钳制在0.4V。

• 电流继续增大时，一部分电流流过肖特基二极管，流向集电极。不会使BJT的基极电流太大。三极管始终工作在放大区。允许集电极到发射极的电流更大。基极电流小，基极电荷存储与消散时间快。

• 起到抗饱和的功能。电路的开关时间大为减短。
  

2. 肖特基TTL电路

• TTL与非门，$T_1{T}_2{T}_3$工作在深度饱和区。基极电流相对较大，存储和释放电荷的过程长。
• 改进后的电路，除了$T_4$之外，BJT均采用SBD钳位，以达到明显的抗饱和效果。开关时间提升。
• 改进后的电路，电阻值减半。开关时间提升。
• 改进后的电路，输出端，使用$T_4和T_5$代组合替原本的$T_4和D$组合。当输出低电平变为高电平时，$T_4和T_5$代组合电流增益很大，输出电阻小，减小了负载充电的时间。
• 改进后的电路，输入端，增加了两个SBD势垒二极管，减小杂散信号，防止信号反向过冲损坏$T_1$。
• 改进后的电路，中间级，$R_{e2}$变成了$T_6$电路。$T_6$导通滞后$T_3$，$T_3$快速导通，$T_6$分流$T_3$基极电流，减轻$T_3$饱和导通的程度。
  

3.3 射极耦合逻辑门电路（ECL）

• 射极耦合逻辑门电路是一种非饱和型高速数字集成电路。
• 射极耦合逻辑门电路是目前双极型电路中速度最高的。
• 传输延迟时间<2ns。

1. ECL门电路的基本结构

• 输入信号A和B，高电平$V_{IH}=-0.9V$，低电平$V_{IL}=-1.75V$

（1）当A=-1.75V(逻辑0)，且B=-1.75V（逻辑0）。
$T_3$基极电位更高，$T_3$先导通。$T_3$集电结反偏，工作在放大区。
$V_{E3}=-1.3V-0.7V=-2V$。此时$T_1{T}_2$的发射极压降只有-1.75-（-2）=0.25V，$T_1{T}_2$截止。
$T_4$的基极电压近似看成0V，$V_{o1}=-V_{BE4}=-0.7V$（逻辑高电平），$L_1=1$。
$T_3$导通，忽略$T_5$基极电流，$V_{C3}=0-i_E{R}_{C3}=-(V_{E}3-V_{EE})/R_e\ast R_{C3}=-1V$。$V_{o2}=V_{C3}-V_{BE5}=-1-0.7=-1.7V$（逻辑低电平），$L_2=0$。
（2）当A=-0.9V(逻辑1)，或B=-0.9V（逻辑1）。
$T_1或T_2$有一个优先导通，$V_{E123}=-0.9-0.7=-1.6V$。公共发射极上的电流值$I_{E123}=(V_{E12}-V_{EE})/R_{E123}$。
$V_{C12}=I_{E123}\ast R_{C1}\approx -1V$$，T_4$发射结压降满足导通。$V_{o1}=-1-0.7=-1.7V$(逻辑低电平)，$L_1=0$。
$T_3$发射结压降只有-1.3-(-1.6)=0.3V。$T_3$截止。$V_{C3}\approx 0V$。
$T_5$发射结压降满足导通，$V_{o2}=0-0.7=-0.7V$(逻辑高电平)，$L_2=1$。

• ECL门同时具有或非/或输出，“互补逻辑输出”。
• $L_1=\overline{A+B}$
• $L_2=A+B$

2. ECL门电路的实际电路

• $T_1{T}_2{T}_3{T}_4$组成多端输入。与$T_5$射极耦合。
• $T_6$的基极回路，有两个二极管，用于补偿温度漂移。
• $T_7$和$T_8$组成电压跟随器。
  

3. ECL门电路的工作特点

（1）BJT只工作在“截止区”或“放大区”。基极电荷存储和释放的时间短，开关速度快。
（2）逻辑电平电压摆幅小，只有0.8V。集电极输出电压变化小，有利于电路快速转换。输出端集电极电阻（负载电阻）采用小值，充放电时间快。
（3）常用与高速系统中。
（4）缺点，制造工艺要求高，功耗大，（电压摆幅小）抗干扰能力差。输出电压为负值，需要专门的电平移动电路。

3.4 砷化镓逻辑门电路

• 金属-半导体场效应管：MESFET，由砷化镓GaAs 制成的 N沟道场效应管。
• 金属-半导体场效应管（MESFET），有肖特基势垒区。
• 砷化镓器件中，载流子迁移率非常高。砷化镓器件速度比硅器件快很多。
• 缺点，功耗大，逻辑摆幅小，噪声容限低，抗干扰能力差。

1. 直接耦合FET逻辑电路

• 参考3.1.9 NMOS门电路，下图为结构对比。
• 同时生产“增强型”和“耗尽型”两种管子，工艺要求高。
  

2. 耗尽型FET逻辑门电路

• 参考3.1.9 NMOS门电路
• 工作管和负载管都使用“耗尽型”MESFET。
• $T_3$始终工作在饱和区。为D1D2提供固定的偏置电流。
  

3.5 逻辑描述中的几个问题

3.5.1 正负逻辑问题

• 正逻辑体制：高电平等于逻辑1，低电平等于逻辑0。
• 负逻辑体制：高电平等于逻辑0，低电平等于逻辑1。
• 正负逻辑体制的互换规则：
  (1)与非 - 或非
  (2)与 - 或
  (3)非 - 非

3.5.2 基本逻辑门电路的等效符号及其应用

• 默认都是正逻辑体制。
• 利用摩根定律，对基本逻辑运算进行变换。得到等效符号。
• 与非门：$L=\overline{AB}=\overline{A}+\overline{B}$。
  
• 或非门：$L=\overline{A+B}=\overline{A}\cdot \overline{B}$
  
• 与门：$L=AB=\overline{\overline{AB}}=\overline{\overline{A}+\overline{B}}$
  
• 或门：$L=A+B=\overline{\overline{A+B}}=\overline{\overline{A}\cdot \overline{B}}$
  
• 利用逻辑门的等效电路，在不改变逻辑功能的情况下，可以简化电路，减少电路中使用的门的种类或芯片的种类。
  

3.6 逻辑门电路使用中的几个实际问题

3.6.1 各种门电路之间的接口问题

• 多种逻辑器件混合使用。CMOS，TTL等等。电压电流参数不同。需要灌电流，拉电流，电平兼容等等。

3.6.2 门电路带负载时的接口电路

• 门电路直接驱动显示器件。LED发光二极管等等。
• 机电性负载。使用继电器等等。

3.6.3 抗干扰措施

1. 多余输入端的处理措施

• 不改变工作状态的前提下，一般不让多余输入端悬空。
• 多余输入端可以与其他输入端并接在一起。
• 上拉接电源。
• 接地。

2. 去耦滤波电容

• 数字电路由一个公共直流电源供电。
• 这个电源非理想，具有一定的内阻抗。
• 当数字电路工作时，高低电平交替变化，会产生脉冲电路或尖峰电流。
• 当变化产生的电流流过电源的内阻抗时，相互之间会产生影响，甚至是逻辑功能错乱。
• 使用10~100uf大电容连接直流电源和地。
• 使用0.1uf电容每个芯片的电源和地之间。

3. 接地与安装工艺

• 电源地和信号低分开，单点连接。

3.7 用Verilog HDL描述逻辑门电路

• 开关级建模（最低层次）：使用verilog语言，建模MOS管构成的逻辑电路。
• Quartus II不支持verilog内置的开关级元件。
• 使用ModelSim、Active HDL、Verilog_XL进行verilog语言的仿真。
• 关键词：supply1，supply0。
• 定义电源线和地线。

supply1 Vdd;//定义Vdd为电源线
supply0 GND;//定义GND为地线

3.7.1 CMOS门电路的verilog建模

• 关键词：nmos、pmos。
• 控制栅极=1，nmos开关导通。信号可以从源极传输到漏极。
• 控制栅极=0，nmos开关截止。输出高阻值z。
• 控制栅极=1，pmos开关截止。输出高阻值z。
• 控制栅极=0，pmos开关导通。信号可以从源极传输到漏极。
• 由于nmos和pmos都是基本元件，下面的示例，n1和p1可以省略。

nmos n1(漏极,源极,控制栅极);/调用nmos开关元件
pmos p1(漏极,源极,控制栅极);//调用pmos开关元件

nmos(漏极,源极,控制栅极);/调用nmos开关元件
pmos(漏极,源极,控制栅极);//调用pmos开关元件

• 关键词：rnmos，rpmos。

• rnmos是nmos的另一种模型，输入到输出之间存在阻值，因而信号幅度会下降。整体用法和nmos类似。

• rpmos是pmos的另一种模型，输入到输出之间存在阻值，因而信号幅度会下降。整体用法和pmos类似。

• CMOS“与非门”门电路的建模如下：

//CMOS 2-input NAND 2输入与非门
module NAND2(L,A,B);
  input A,B;
  output L;
  supply1 Vdd;//定义Vdd为电源线
  supply0 GND;//定义GND为地线
  wire W1;//如上图所示，两个nmos之间的连接点。
  pmos(L,Vdd,A);//图中T1
  pmos(L,Vdd,B);//图中T2
  nmos(L,W1,B);//图中T3
  nmos(W1,GND,A);//图中T4
endmodule

• 测试，新建激励文件

/*
`timescale 时间单位/时间精度            //编译指令，设置modeule的时间单位和时间精度
module 仿真模块名;                     //无端口列表
    各种输入、输出变量的定义，数据类型说明  //其中，激励信号定义为reg,显示信号定义为 wire
    parameter                        //参数
    
    仿真模块名 u_仿真模块名           //例化被测试模块
    
    激励向量的定义                   //always、initial过程块；function、task结构块；
                                  // if-else,for,case,while,repeat,disable等控制语句
    
    显示格式定义                          //$monitor, $time, $dsplay     
    
endmodule
*/

`timescale 1ns / 1ns        //时间单位和时间精度一般是1、10和100这三种整数，单位有s、ms、us、ns、ps和fs；
module NAND2_TB;            
    reg ain,bin;            //输入信号（激励信号）必须定义为reg类型，用来保持信号值；
    wire lout;              //输出信号（显示信号）必须定义为wire类型；

    parameter DELAY=50;     //设置延迟参数为50 

    NAND2 u_NAND2(.L(lout),
                  .A(ain),
                  .B(bin));

    initial                 //使用initial过程快定义激励信号波形
        begin               //使用begin-end控制语句
            ain = 1'b0; bin = 1'b0;       //a=0,b=0,L=1

            #DELAY ain = 1'b1; bin = 1'b0;//50ns,a=1,b=0,L=1

            #DELAY ain = 1'b0; bin = 1'b1;//100ns,a=0,b=1,L=1


            #DELAY ain = 1'b1; bin = 1'b1;//150ns,a=1,b=1,L=0

            #DELAY $stop;                 //200ns,执行$stop系统任务，停止仿真
        end                                 
    initial $monitor($time,,,"A=%b,B=%b,L=%b",ain,bin,lout);
                                                //执行monitor系统任务，设置显示结果的格式
endmodule

• 进行仿真
  
  

3.7.2 CMOS传输门电路的verilog建模

• 关键词：cmos传输门
• Tn管控制信号与Tp管控制信号为互补信号。
• Tn=1,Tp=0，cmos传输门导通
• Tn=0,Tp=1，cmos传输门输出端高阻。
• cmos传输门的电源和地默认与MOS管相连，无需额外考虑连接。
• 调用名c1可以省略。

cmos c1(输出信号,输入信号,Tn管控制信号,Tp管控制信号);

cmos(输出信号,输入信号,Tn管控制信号,Tp管控制信号);

• 关键词：rcmos传输门。
• 与cmos类似，输出与输入之间存在电阻，信号通过时，会有幅度衰减。
• verilog定义的cmos和rcmos都是单向的。
• 建模示例，二选一数据选择器

//2-to-1 multiplexer with cmos
module mymux2to1(X,Y,C,L);
  input X,Y,C;
  output L;
  wire Cnot;//C的非值
  inverter v1(Cnot,C);//建模实现的非门
  cmos(L,X,Cnot,C);
  cmos(L,Y,C,Cnot);
endmodule

module inverter(Vo,Vi);
  input Vi;
  output Vo;
  supply1 Vdd;//定义Vdd为电源线
  supply0 GND;//定义GND为地线
  pmos(Vo,Vdd,Vi);//漏极，源极，控制栅极
  nmos(Vo,GND,Vi);//漏极，源极，控制栅极
endmodule

• 测试，创建TB文件

module MUX2to1_TB;            
    reg X,Y,C;            //输入信号（激励信号）必须定义为reg类型，用来保持信号值；
    wire L;              //输出信号（显示信号）必须定义为wire类型；
    parameter DELAY=50;     //设置延迟参数为50 

    mymux2to1 u_mymux2to1(.X(X),
                  .Y(Y),
                  .C(C),
                  .L(L));

    always #10 X=~X;

    always #20 Y=~Y;
 

    initial
         begin
             X=1;
             Y=1;
             C=1;
             #100 C=0;
             #100 C=1;
             #100 C=0;
             #100 $stop; 
         end
                                              //执行monitor系统任务，设置显示结果的格式
    initial $monitor($time,,,"X=%b,Y=%b,C=%b,L=%b",X,Y,C,L);

endmodule