高速與門電路

A. 與門電路分析

B. 超高速集成電路的簡介

（—VHSIC）
超高速集成電路是一種超大規模集成電路，是為滿足軍用高速信號處理、抗核輻射、故障容限和晶元自檢測要求而研製的。美國國防部於1980年開始實施超高速集成電路研製計劃，總目標是：晶元的微加工線寬達到0.5微米、門電路運算速度比民用的提高100倍，可靠性提高10倍。現已製成各類硅超高速集成電路和砷化鎵超高速集成電路。用超高速集成電路製造的微型和小型超高速計算機已廣泛用於美國多種先進的武器系統，如F-15、F-16戰斗機，「海爾法」反坦克導彈，「針刺」攜帶型防空導彈，「戰斧」巡航導彈和「愛國者」防空導彈系統等。
美國國防部在1979年財政年度提出的「超高速集成電路(C工程,是美國微電子國防工業中最重要的工程。這項工程的最終目標是在硅半導體超大規模集成電路的基礎上,把微處理器的信號處理速度再提高一百倍,將道集三成電路上元件的線寬推進到亞微米.(05微米)的量級,再將它們插入到戰術和戰略的制導武器的火控裝置、遠程運載工縣和星際通訊裝置上,以保證美國在未來的電子戰和星球大戰中技術的絕對優勢。這項工程是按照由前端產品(超高速集成電路)的研製到最終產品(插入設備)的設計、生產和試驗的向前垂直集成」(forwardverti。alintegrati。)n)的工業模式分三個階段開展的。
第一個階段從1980年3月起,到同年n月結束。這一階段屬於「軟體」階段,主要是研討超高速集成電路的具體概念、性能指標和制定研製計劃,動用了九個電子公一司,耗資一千零五十萬美圓。
第二階段從1981年5月開始,到1984年4月結束。在這一階段已經完成了元件線寬為1/4微米、功能通過速率為5欠10」門一赫/平方厘米i為集成電路的設計、研製和生產,並開始了元件線寬為亞微米的集成電路的研製。參加這一階段工程的有得克薩斯儀器公司、國際商業機器公司、亨尼韋公司(Honyewell))、威斯汀豪斯公司等六個合同單位,耗資一億六千萬余美圓。
第三階段是從1984年5月開始的,預廿在1986年結束。這個階段的主要任務是將第二階段生產的超高速集成電路插入各戰術和戰略武器、運載和通訊設備的微型化電子裝置中,另外,還要完成亞微米線寬的功能通過速率為10』「門一赫/平方厘米的集成塊的試制和生產。
從技術的角度來看,美國超高速集成電路工程有三個問題是值得注意的。
第一,在材料選擇上,以硅為主,而不採用砷化嫁半導體,原因是硅數字集成電路技術已趨成熟。高速、低能耗和抗輻射性強是超高速集成電路的三個基本要求,現在已經生產出幾種雙極集成電路、單極集成電路(NMOS、CMOS)和以硅藍寶石S(05)為材料的互補金屬一氧化物一半導體(CMOS)集成電路,這些集成電路已經達到了上述性能要求。
第二,在工藝上選擇的技術途徑是電子束刻蝕、電子束直接刻蝕,因為這類工藝具有高度靈活性,適合於小批量的生產。光刻蝕技術和X一射線技術適合於大批量的商用集成電路的生產,國防部就不再投資這些技術。
第三,高度強調設計自動化,計算機輸助設計(CAD)是必不可少的。超高速集成電路主要用於微處理器,而不是存貯器。存貯器上門陣列電路的重復性可以減輕設計約困難,而這種優點在微處理器晶元上不復存在。雖然說商用集成電路的線寬也已經進入了亞微米的階段,但這僅僅是指存貯器。現在一塊2弓已k的存貯器上的確己具有幾十萬只晶體管,而要一塊超高速集成電路上製造出十萬只晶體管卻還有相當大的困難。問題的根本出路在於設計和生產的自動化。

C. 高速信號和高頻信號的區別

高速電路：就是電壓上升或者下降所用的時間很少，這和高頻是不同的，主要參數是在變化的那一段時間，比如，一秒鍾變化一次，就是1HZ了，但它的上升和下降速度是2ns，這也是高速電路。比如USB上的信號。
高頻電路：就是頻率很高了，從字面上去理解就得了。比如手機信號，對講機信號。
大信號：就是信號的電壓都會比較大，1V的交流電就屬於大信號了，但是是沒有電流驅動能力的比如音調輸出信號。
小信號：你可以理解為在mV級別的都可以算是小信號了，這個也是沒有電流驅動能力的，比如，你心跳產生的電流，就是心電圖的原始信號了。
功率信號：就是有電流驅動能力的，可以直接帶動負載的，比如，你家功放輸出，可能帶動力音箱，這就是功率信號。

D. 為什麼叫TTL電路

TTL是由晶體管構成的邏輯電路，這里所謂的TTL信號是一個電平標准。由於器件的電壓不同，TTL電路和CMOS電路定義的高低電平電壓以及電流不一樣。

所謂的需要加TTL信號就是可以以TTL標準的高或低電平信號來觸發它。

從網路：

TTL電路是晶體管-晶體管邏輯電路的英文縮寫（Transister-Transister-Logic），是數字集成電路的一大門類。它採用雙極型工藝製造，具有高速度和品種多等特點。從六十年代開發成功第一代產品以來現有以下幾代產品。

第一代TTL包括SN54/74系列，（其中54系列工作溫度為-55℃～+125℃，74系列工作溫度為0℃～+75℃)，低功耗系列簡稱lttl，高速系列簡稱HTTL。

第二代TTL包括肖特基箝位系列（STTL)和低功耗肖特基系列（LSTTL）。

第三代為採用等平面工藝製造的先進的STTL(ASTTL)和先進的低功耗STTL（ALSTTL）。由於LSTTL和ALSTTL的電路延時功耗積較小，STTL和ASTTL速度很快，因此獲得了廣泛的應用。

各類TTL門電路的基本性能：

電路類型TTL數字集成電路約有400多個品種，大致可以分為以下幾類：

門電路

解碼器/驅動器

觸發器

計數器

移位寄存器

單穩、雙穩電路和多諧振盪器

加法器、乘法器

奇偶校驗器

碼制轉換器

線驅動器/線接收器

多路開關

存儲器

特性曲線電壓傳輸特性

TTL與非門電壓傳輸特性LSTTL與非門電壓傳輸特性

瞬態特性由於寄生電容和晶體管載流子的存儲效應的存在，輸入和輸出波形如右。存在四個時間常數td,tf,ts和tr。

延遲時間td

下降時間tf

存儲時間ts

上升時間tr

基本單元「與非門」常用電路形式

四管單元五管單元六管單元

主要封裝形式

雙列直插

扁平封裝

TTL反相器工作原理，請參照《數字電子技術基礎》第四版高等教育出版社，清華大學電子教研室閻石主編的P53頁電路圖

1、當Vi=Ve1=0.2v時T1導通，這時Vb1被鉗制到0.2+0.7=0.9v，由於T1導通，故Vb2=Ve1=Vi=0.2v,由於Vb2<0.7v，所以T2截止,T3導通，T4截止，Vo輸出為高電平。

2、當Vi=Ve1=3.6v時T1也導通，這時Vb1被臨時鉗制到3.6v+0.7=4.3v，由於T1導通，故Vb2=Ve1=Vi=3.6v,由於Vb2>0.7v，所以T2導通，側Ve2=Vb4=3.6v-0.7v=2.9v,Vb4>0.7v,所以T4導通，由於T2的導通導致T3的基極Vb3被鉗制到0V，所以T3截止；所以Vo輸出為低電平。另外由於T4的導通，並且發射極接地，反過來有影響到T4的基極被鉗制到Vb4=0v+0.7v=0.7v,同樣T2導通所以T2的基極Vb2=Vb4+0.7v=1.4v,再同樣T1導通Ve1=vb2=1.4v,Vb1=Ve1+0.7v=2.1v。

E. 如何理解與門電路（問題很傻，高手勿笑）

首先說，理論知識很重要。搞實踐沒有理論會很膚淺。

「與」就是「乘」的意思。輸出電平＝各輸入電平的乘積。所以「A,B,C三個輸入端只要有一個輸入是低電平（0）則輸出端Y輸出為低電平（0）」這句話是正確的－－乘數中有一個是0，積就是0。

「A,B,C三個輸入端只要有一個輸入是低電平（0）則輸出端Y輸出為低電平（0），……是不是說因為A,B,C三點和Y是並聯關系？」－－－完全可以這樣理解。

「可是並聯電路不是都與電源電壓相等嗎？我覺得無論A,B,C是否導通，Y兩端的電壓都應該是電源電壓啊」－－－你張冠李戴了：
在比如家用照明電路中，電燈是與電源並聯的，所以電燈的電壓與電源電壓相等。
在本電路中，Y不是與電源並聯的，而是通過電阻R接電源U的，情況就完全不同了，當ABC任一輸入為「0」時，相應的D導通，電流在R上產生壓降，Y的電壓就不可能是電源電壓啦，而是電源電壓減去R壓降，在這里就是D的正向壓降，以硅二極體來說，是0.7V－－可忽略，認為Y無電壓（可把正向導通的二極體看成是導線），是低電平「0」
在ABC都是高電平1時，所有的二極體都不導通，（可能）只有Y的電流流經R，在R上產生壓降，所以Y的電壓是略小於電源U的，但Y的電流很小R的壓降也很小可忽略。認為Y的電壓等於電源，是高電平「1」。

F. 與門電路最基本原理

原理如圖，RL 遠大於 R1 ，如 ：R1 = 1K Ω，RL = 100KΩ 。

K1 或 K2 、或者 K1 、K2 同時接地（開關下撥），閉內合電路接通， Y 輸出容是二極體的正向電壓 0.7 V ，即輸出低電平；

只有 K1、K2 同時接高電平 （開關上撥），二極體全部截止，Y = E * RL / (R1+RL) ≈ E ，即輸出高電平。

再增加相同結構的二極體，與門輸入端子也就增加。邏輯關系：

Y = A * B ，只有 A、B 同時為 1 （高電平），Y = 1 。

G. 74系列高速CMOS有幾種電路

CMOS電路 MOS電路又稱場效應集成電路，屬於單極型數字集成電路。單極型數字集成電路中只利用一種極性的載流子（電子或空穴）進行電傳導。它的主要優點是輸入阻抗高、功耗低、抗干擾能力強且適合大規模集成。特別是其主導產品CMOS集成電路有著特殊的優點，如靜態功耗幾乎為零，輸出邏輯電平可為VDD或VSS，上升和下降時間處於同數量級等，因而CMOS集成電路產品已成為集成電路的主流之一。其品種包括4000系列的CMOS電路以及74系列的高速CMOS電路。其中74系列的高速CMOS電路又分為三大類：HC為CMOS工作電平；HCT為TTL工作電平（它可與74LS系列互換使用）；HCU適用於無緩沖級的CMOS電路。74系列高速CMOS電路的邏輯功能和引腳排列與相應的74LS系列的品種相同，工作速度也相當高，功耗大為降低。74系列可以說是我們平時接觸的最多的晶元，74系列中分為很多種，而我們平時用得最多的應該是以下幾種：74LS，74HC，74HCT這三種
輸入電平 輸出電平 74LS TTL電平 TTL電平 74HC COMS電平 COMS電平 74HCT TTL電平 COMS電平另外，隨著推出BiCMOS集成電路，它綜合了雙極和MOS集成電路的優點，普通雙極型門電路的長處正在逐漸消失，一些曾經佔主導地位的TTL系列產品正在逐漸退出市場。CMOS門電路不斷改進工藝，正朝著高速、低耗、大驅動能力、低電源電壓的方向發展。BiCMOS集成電路的輸入門電路採用CMOS工藝，其輸出端採用雙極型推拉式輸出方式，既具有CMOS的優勢，又具有雙極型的長處，已成為集成門電路的新寵。3、 CMOS集成電路的性能及特點 功耗低CMOS集成電路採用場效應管，且都是互補結構，工作時兩個串聯的場效應管總是處於一個管導通另一個管截止的狀態，電路靜態功耗理論上為零。實際上，由於存在漏電流，CMOS電路尚有微量靜態功耗。單個門電路的功耗典型值僅為20mW，動態功耗（在1MHz工作頻率時）也僅為幾mW。 工作電壓范圍寬CMOS集成電路供電簡單，供電電源體積小，基本上不需穩壓。國產CC4000系列的集成電路，可在3~18V電壓下正常工作。 邏輯擺幅大CMOS集成電路的邏輯高電平"1"、邏輯低電平"0"分別接近於電源高電位VDD及電源低電位VSS。當VDD=15V，VSS=0V時，輸出邏輯擺幅近似15V。因此，CMOS集成電路的電壓利用系數在各類集成電路中指標是較高的。 抗干擾能力強CMOS集成電路的電壓雜訊容限的典型值為電源電壓的45%，保證值為電源電壓的30%。隨著電源電壓的增加，雜訊容限電壓的絕對值將成比例增加。對於VDD=15V的供電電壓（當VSS=0V時），電路將有7V左右的雜訊容限。 輸入阻抗高CMOS集成電路的輸入端一般都是由保護二極體和串聯電阻構成的保護網路，故比一般場效應管的輸入電阻稍小，但在正常工作電壓范圍內，這些保護二極體均處於反向偏置狀態，直流輸入阻抗取決於這些二極體的泄露電流，通常情況下，等效輸入阻抗高達103~1011?，因此CMOS集成電路幾乎不消耗驅動電路的功率。 溫度穩定性能好由於CMOS集成電路的功耗很低，內部發熱量少，而且，CMOS電路線路結構和電氣參數都具有對稱性，在溫度環境發生變化時，某些參數能起到自動補償作用，因而CMOS集成電路的溫度特性非常好。一般陶瓷金屬封裝的電路，工作溫度為-55 ~ +125℃；塑料封裝的電路工作溫度范圍為-45 ~ +85℃。 扇出能力強扇出能力是用電路輸出端所能帶動的輸入端數來表示的。由於CMOS集成電路的輸入阻抗極高，因此電路的輸出能力受輸入電容的限制，但是，當CMOS集成電路用來驅動同類型，如不考慮速度，一般可以驅動50個以上的輸入端。 抗輻射能力強CMOS集成電路中的基本器件是MOS晶體管，屬於多數載流子導電器件。各種射線、輻射對其導電性能的影響都有限，因而特別適用於製作航天及核實驗設備。 可控性好CMOS集成電路輸出波形的上升和下降時間可以控制，其輸出的上升和下降時間的典型值為電路傳輸延遲時間的125%~140%。 介面方便因為CMOS集成電路的輸入阻抗高和輸出擺幅大，所以易於被其他電路所驅動，也容易驅動其他類型的電路或器件。++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++TTL—Transistor-Transistor Logic 三極體－三極體邏輯MOS—Metal-Oxide Semiconctor 金屬氧化物半導體晶體管CMOS—Complementary Metal-Oxide Semiconctor互補型金屬氧化物半導體晶體管+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++Q：為什麼BJT比CMOS速度要快?A：很多人只知道BJT比CMOS快，但不知道為什麼。
主要是受遷移率的影響。以NPN管和NMOS為例，BJT中的遷移率是體遷移率，大約為1350cm2/vs。NMOS中是半導體表面遷移率，大約在400-600cm2/vs。所以BJT的跨導要高於MOS的，速度快於MOS。這也是NPN（NMOS）比PNP（PMOS）快的原因。 NPN比PNP快也是因為載流子遷移率不同，NPN中的基區少子是電子，遷移率大（1350左右）；PNP的基區少子是空穴（480左右）。所以同樣的結構和尺寸的管子，NPN比PNP快。所以在雙極工藝中，是以作NPN管為主，PNP都是在兼容的基礎上做出來的。MOS工藝都是以N阱PSUB工藝為主，這種工藝可做寄生的PNP管，要做NPN管就要是P阱NSUB工藝。 BJT是之所以叫bipolar，是因為基區中既存在空穴又存在電子，是兩種載流子參與導電的；而MOS器件的反形層中只有一種載流子參與導電。
但並不是因為兩種載流子導電總的遷移率就大了。而且情況可能恰恰相反。因為載流子的遷移率是與溫度和摻雜濃度有關的。半導體的摻雜濃度越高，遷移率越小。而在BJT中，少子的遷移率起主要作用。
NPN管比PNP管快的原因是NPN的基子少子是電子，PNP的是空穴，電子的遷移率比空穴大。NMOS比PMOS快也是這個原因。
而NPN比NMOS快的原因是NPN是體器件，其載流子的遷移率是半導體內的遷移率；NMOS是表面器件，其載流子的遷移率是表面遷移率（因為反形層是在柵氧下的表面形成的）。而半導體的體遷移率大於表面遷移率。

H. 什麼是高速電路

高速電路實際上指的是高速數字電路和高速數據電路，包括設備內部之間、內部和外部之間的數字（數據）交換與傳輸，前者是基帶信號數字「0」、「1」二進制的方波，後者是經過調制的寬頻信號