高速电路信号完整性分析与设计三.doc

第3章高速电路信号完整性分析与设计—高速逻辑电路分析
本章分析几种逻辑电路的高速特性,包括TTL逻辑电路、CMOS逻辑电路、ECL逻辑电路，和LVDS器件的基本结构、工作原理和特点,以及逻辑门电路的使用规则。
3。1 高速TTL电路
TTL电路，是出现最早且目前仍广泛应用的一种数字集成电路技术。它采用双极型工艺制造，具有高速度低功耗的特点，其基本单元是晶体管三极管。
3。1。1 三极管的动态开关特性
晶体三极管在饱和与截止两种状态转换过程中具有的特性称为三极管的开关特性。
三极管的内部也存在着电荷的建立与消失过程。因此，，那么，在理想情况下,（a)所示。(b)所示，无论从截止转向导通还是从导通转向截止都存在一个逐渐变化的过程。
三极管的动态特性
1．开通时间 
 开通时间：三极管从截止状态到饱和状态所需要的时间称为开通时间。
三极管处于截止状态时，发射结反偏, 空间电荷区比较宽。当输入信号ui由-U1跳变到+U2时，由于发射结空间电荷区仍保持在截止时的宽度，故发射区的电子不能立即穿过发射结到达基区。这时发射区的电子进入空间电荷区，使空间电荷区变窄，然后发射区开始向基区发射电子,。经过延迟时间td后，发射区不断向基区注入电子，电子在基区积累，并向集电区扩散,形成集电极电流iC。随着基区电子浓度的增加，％所需要的时间称为上升时间tr。
 开通时间
ton =td+tr  （3-1）
    开通时间的长短取决于晶体管的结构和电路工作条件。
2．关闭时间 
关闭时间：三极管从饱和状态到截止状态所需要的时间称为关闭时间.
进入饱和状态后，集电极收集电子的能力减弱，过剩的电子在基区不断积累起来，称为超量存储电荷，当输入电压ui由+U2跳变到—U1时，存储电荷不能立即消失，而是在反向电压作用下产生漂移运动，使集电极电流维持ICS不变，直至存储电荷全部消散，晶体管才开始退出饱和状态，iC开始下降。在反向的基极电压的作用下,集电极电流iC不断减小，并逐渐接近于零。集电极电流由0。9ICS降至0。1ICS所需的时间称为下降时间tf。
 关闭时间
toff=ts+tf （3—2）
，它们是影响电路工作速度的主要因素。
TTL基本电路的工作原理
1 TTL反相器的结构与工作原理
反相器是TTL门电路中电路结构最简单的一种。下图中给出了74系列TTL反相器的典型电路。因为这种类型电路的输入端和输出端均为三极管结构,所以称作三极管-三极管逻辑电路(Transistor—Transistor Logic)，简称TTL电路。
下图电路由三部分组成:T1、R1和D1组成的输入级，T2、R2和R3组成的倒相级,T4、T5，D2和R4组成的输出级.
图3。2 TTL反相器的典型电路
工作原理：
输入信号A的高、低电平分别为：VIH=3。4V，VIL==，Ec=+5V。
（1) 输入信号A为低电平VIL=
T1的发射结导通，并将T1的基极电位钳在VIL+Vbe1=0。9V，因为T1的集电极回路电阻为R2和T2的b—c结反向电阻之和,阻值非常大，所以T1工作在深度饱和区,Vces1 » 0, Vc1=VIL+ Vces1=。
显然，T2的发射结不导通，T2截止,Vc2为高电平，Ve2为低电平，使T5截止,故 R2上的压降很小，Vc2» Ec ,T4管导通。因此，输出为高电平VOH=Ec—Vbe4—VD2=3。6V。
(2) 输入信号A为高电平VIH=
T1导通时其基极电压Vb1=VIH+=4。3V，集电极电压大于发射极电压,使T2和T5管饱和导通，Vo=VoL=Vces5=，Vc2=Vces2+Vbe5=0。3+=1V，则T4和D2管截止。
综上所述,TTL反相器输入端输入低电平，输出即为高电平；当输入端输入高电平时，输出为低电平,实现了非逻辑功能也称为非门。
2 TTL与非门电路结构
。它由三部分组成:输入级、中间级和输