高速与门电路

A. 与门电路分析

B. 超高速集成电路的简介

（—VHSIC）
超高速集成电路是一种超大规模集成电路，是为满足军用高速信号处理、抗核辐射、故障容限和芯片自检测要求而研制的。美国国防部于1980年开始实施超高速集成电路研制计划，总目标是：芯片的微加工线宽达到0.5微米、门电路运算速度比民用的提高100倍，可靠性提高10倍。现已制成各类硅超高速集成电路和砷化镓超高速集成电路。用超高速集成电路制造的微型和小型超高速计算机已广泛用于美国多种先进的武器系统，如F-15、F-16战斗机，“海尔法”反坦克导弹，“针刺”便携式防空导弹，“战斧”巡航导弹和“爱国者”防空导弹系统等。
美国国防部在1979年财政年度提出的“超高速集成电路(C工程,是美国微电子国防工业中最重要的工程。这项工程的最终目标是在硅半导体超大规模集成电路的基础上,把微处理器的信号处理速度再提高一百倍,将道集三成电路上元件的线宽推进到亚微米.(05微米)的量级,再将它们插入到战术和战略的制导武器的火控装置、远程运载工县和星际通讯装置上,以保证美国在未来的电子战和星球大战中技术的绝对优势。这项工程是按照由前端产品(超高速集成电路)的研制到最终产品(插入设备)的设计、生产和试验的向前垂直集成”(forwardverti。alintegrati。)n)的工业模式分三个阶段开展的。
第一个阶段从1980年3月起,到同年n月结束。这一阶段属于“软件”阶段,主要是研讨超高速集成电路的具体概念、性能指标和制定研制计划,动用了九个电子公一司,耗资一千零五十万美圆。
第二阶段从1981年5月开始,到1984年4月结束。在这一阶段已经完成了元件线宽为1/4微米、功能通过速率为5欠10”门一赫/平方厘米i为集成电路的设计、研制和生产,并开始了元件线宽为亚微米的集成电路的研制。参加这一阶段工程的有得克萨斯仪器公司、国际商业机器公司、亨尼韦公司(Honyewell))、威斯汀豪斯公司等六个合同单位,耗资一亿六千万余美圆。
第三阶段是从1984年5月开始的,预廿在1986年结束。这个阶段的主要任务是将第二阶段生产的超高速集成电路插入各战术和战略武器、运载和通讯设备的微型化电子装置中,另外,还要完成亚微米线宽的功能通过速率为10’“门一赫/平方厘米的集成块的试制和生产。
从技术的角度来看,美国超高速集成电路工程有三个问题是值得注意的。
第一,在材料选择上,以硅为主,而不采用砷化嫁半导体,原因是硅数字集成电路技术已趋成熟。高速、低能耗和抗辐射性强是超高速集成电路的三个基本要求,现在已经生产出几种双极集成电路、单极集成电路(NMOS、CMOS)和以硅蓝宝石S(05)为材料的互补金属一氧化物一半导体(CMOS)集成电路,这些集成电路已经达到了上述性能要求。
第二,在工艺上选择的技术途径是电子束刻蚀、电子束直接刻蚀,因为这类工艺具有高度灵活性,适合于小批量的生产。光刻蚀技术和X一射线技术适合于大批量的商用集成电路的生产,国防部就不再投资这些技术。
第三,高度强调设计自动化,计算机输助设计(CAD)是必不可少的。超高速集成电路主要用于微处理器,而不是存贮器。存贮器上门阵列电路的重复性可以减轻设计约困难,而这种优点在微处理器芯片上不复存在。虽然说商用集成电路的线宽也已经进入了亚微米的阶段,但这仅仅是指存贮器。现在一块2弓已k的存贮器上的确己具有几十万只晶体管,而要一块超高速集成电路上制造出十万只晶体管却还有相当大的困难。问题的根本出路在于设计和生产的自动化。

C. 高速信号和高频信号的区别

高速电路：就是电压上升或者下降所用的时间很少，这和高频是不同的，主要参数是在变化的那一段时间，比如，一秒钟变化一次，就是1HZ了，但它的上升和下降速度是2ns，这也是高速电路。比如USB上的信号。
高频电路：就是频率很高了，从字面上去理解就得了。比如手机信号，对讲机信号。
大信号：就是信号的电压都会比较大，1V的交流电就属于大信号了，但是是没有电流驱动能力的比如音调输出信号。
小信号：你可以理解为在mV级别的都可以算是小信号了，这个也是没有电流驱动能力的，比如，你心跳产生的电流，就是心电图的原始信号了。
功率信号：就是有电流驱动能力的，可以直接带动负载的，比如，你家功放输出，可能带动力音箱，这就是功率信号。

D. 为什么叫TTL电路

TTL是由晶体管构成的逻辑电路，这里所谓的TTL信号是一个电平标准。由于器件的电压不同，TTL电路和CMOS电路定义的高低电平电压以及电流不一样。

所谓的需要加TTL信号就是可以以TTL标准的高或低电平信号来触发它。

从网络：

TTL电路是晶体管-晶体管逻辑电路的英文缩写（Transister-Transister-Logic），是数字集成电路的一大门类。它采用双极型工艺制造，具有高速度和品种多等特点。从六十年代开发成功第一代产品以来现有以下几代产品。

第一代TTL包括SN54/74系列，（其中54系列工作温度为-55℃～+125℃，74系列工作温度为0℃～+75℃)，低功耗系列简称lttl，高速系列简称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）。

第三代为采用等平面工艺制造的先进的STTL(ASTTL)和先进的低功耗STTL（ALSTTL）。由于LSTTL和ALSTTL的电路延时功耗积较小，STTL和ASTTL速度很快，因此获得了广泛的应用。

各类TTL门电路的基本性能：

电路类型TTL数字集成电路约有400多个品种，大致可以分为以下几类：

门电路

译码器/驱动器

触发器

计数器

移位寄存器

单稳、双稳电路和多谐振荡器

加法器、乘法器

奇偶校验器

码制转换器

线驱动器/线接收器

多路开关

存储器

特性曲线电压传输特性

TTL与非门电压传输特性LSTTL与非门电压传输特性

瞬态特性由于寄生电容和晶体管载流子的存储效应的存在，输入和输出波形如右。存在四个时间常数td,tf,ts和tr。

延迟时间td

下降时间tf

存储时间ts

上升时间tr

基本单元“与非门”常用电路形式

四管单元五管单元六管单元

主要封装形式

双列直插

扁平封装

TTL反相器工作原理，请参照《数字电子技术基础》第四版高等教育出版社，清华大学电子教研室阎石主编的P53页电路图

1、当Vi=Ve1=0.2v时T1导通，这时Vb1被钳制到0.2+0.7=0.9v，由于T1导通，故Vb2=Ve1=Vi=0.2v,由于Vb2<0.7v，所以T2截止,T3导通，T4截止，Vo输出为高电平。

2、当Vi=Ve1=3.6v时T1也导通，这时Vb1被临时钳制到3.6v+0.7=4.3v，由于T1导通，故Vb2=Ve1=Vi=3.6v,由于Vb2>0.7v，所以T2导通，侧Ve2=Vb4=3.6v-0.7v=2.9v,Vb4>0.7v,所以T4导通，由于T2的导通导致T3的基极Vb3被钳制到0V，所以T3截止；所以Vo输出为低电平。另外由于T4的导通，并且发射极接地，反过来有影响到T4的基极被钳制到Vb4=0v+0.7v=0.7v,同样T2导通所以T2的基极Vb2=Vb4+0.7v=1.4v,再同样T1导通Ve1=vb2=1.4v,Vb1=Ve1+0.7v=2.1v。

E. 如何理解与门电路（问题很傻，高手勿笑）

首先说，理论知识很重要。搞实践没有理论会很肤浅。

“与”就是“乘”的意思。输出电平＝各输入电平的乘积。所以“A,B,C三个输入端只要有一个输入是低电平（0）则输出端Y输出为低电平（0）”这句话是正确的－－乘数中有一个是0，积就是0。

“A,B,C三个输入端只要有一个输入是低电平（0）则输出端Y输出为低电平（0），……是不是说因为A,B,C三点和Y是并联关系？”－－－完全可以这样理解。

“可是并联电路不是都与电源电压相等吗？我觉得无论A,B,C是否导通，Y两端的电压都应该是电源电压啊”－－－你张冠李戴了：
在比如家用照明电路中，电灯是与电源并联的，所以电灯的电压与电源电压相等。
在本电路中，Y不是与电源并联的，而是通过电阻R接电源U的，情况就完全不同了，当ABC任一输入为“0”时，相应的D导通，电流在R上产生压降，Y的电压就不可能是电源电压啦，而是电源电压减去R压降，在这里就是D的正向压降，以硅二极管来说，是0.7V－－可忽略，认为Y无电压（可把正向导通的二极管看成是导线），是低电平“0”
在ABC都是高电平1时，所有的二极管都不导通，（可能）只有Y的电流流经R，在R上产生压降，所以Y的电压是略小于电源U的，但Y的电流很小R的压降也很小可忽略。认为Y的电压等于电源，是高电平“1”。

F. 与门电路最基本原理

原理如图，RL 远大于 R1 ，如 ：R1 = 1K Ω，RL = 100KΩ 。

K1 或 K2 、或者 K1 、K2 同时接地（开关下拨），闭内合电路接通， Y 输出容是二极管的正向电压 0.7 V ，即输出低电平；

只有 K1、K2 同时接高电平 （开关上拨），二极管全部截止，Y = E * RL / (R1+RL) ≈ E ，即输出高电平。

再增加相同结构的二极管，与门输入端子也就增加。逻辑关系：

Y = A * B ，只有 A、B 同时为 1 （高电平），Y = 1 。

G. 74系列高速CMOS有几种电路

CMOS电路 MOS电路又称场效应集成电路，属于单极型数字集成电路。单极型数字集成电路中只利用一种极性的载流子（电子或空穴）进行电传导。它的主要优点是输入阻抗高、功耗低、抗干扰能力强且适合大规模集成。特别是其主导产品CMOS集成电路有着特殊的优点，如静态功耗几乎为零，输出逻辑电平可为VDD或VSS，上升和下降时间处于同数量级等，因而CMOS集成电路产品已成为集成电路的主流之一。其品种包括4000系列的CMOS电路以及74系列的高速CMOS电路。其中74系列的高速CMOS电路又分为三大类：HC为CMOS工作电平；HCT为TTL工作电平（它可与74LS系列互换使用）；HCU适用于无缓冲级的CMOS电路。74系列高速CMOS电路的逻辑功能和引脚排列与相应的74LS系列的品种相同，工作速度也相当高，功耗大为降低。74系列可以说是我们平时接触的最多的芯片，74系列中分为很多种，而我们平时用得最多的应该是以下几种：74LS，74HC，74HCT这三种
输入电平 输出电平 74LS TTL电平 TTL电平 74HC COMS电平 COMS电平 74HCT TTL电平 COMS电平另外，随着推出BiCMOS集成电路，它综合了双极和MOS集成电路的优点，普通双极型门电路的长处正在逐渐消失，一些曾经占主导地位的TTL系列产品正在逐渐退出市场。CMOS门电路不断改进工艺，正朝着高速、低耗、大驱动能力、低电源电压的方向发展。BiCMOS集成电路的输入门电路采用CMOS工艺，其输出端采用双极型推拉式输出方式，既具有CMOS的优势，又具有双极型的长处，已成为集成门电路的新宠。3、 CMOS集成电路的性能及特点 功耗低CMOS集成电路采用场效应管，且都是互补结构，工作时两个串联的场效应管总是处于一个管导通另一个管截止的状态，电路静态功耗理论上为零。实际上，由于存在漏电流，CMOS电路尚有微量静态功耗。单个门电路的功耗典型值仅为20mW，动态功耗（在1MHz工作频率时）也仅为几mW。 工作电压范围宽CMOS集成电路供电简单，供电电源体积小，基本上不需稳压。国产CC4000系列的集成电路，可在3~18V电压下正常工作。 逻辑摆幅大CMOS集成电路的逻辑高电平"1"、逻辑低电平"0"分别接近于电源高电位VDD及电源低电位VSS。当VDD=15V，VSS=0V时，输出逻辑摆幅近似15V。因此，CMOS集成电路的电压利用系数在各类集成电路中指标是较高的。 抗干扰能力强CMOS集成电路的电压噪声容限的典型值为电源电压的45%，保证值为电源电压的30%。随着电源电压的增加，噪声容限电压的绝对值将成比例增加。对于VDD=15V的供电电压（当VSS=0V时），电路将有7V左右的噪声容限。 输入阻抗高CMOS集成电路的输入端一般都是由保护二极管和串联电阻构成的保护网络，故比一般场效应管的输入电阻稍小，但在正常工作电压范围内，这些保护二极管均处于反向偏置状态，直流输入阻抗取决于这些二极管的泄露电流，通常情况下，等效输入阻抗高达103~1011?，因此CMOS集成电路几乎不消耗驱动电路的功率。 温度稳定性能好由于CMOS集成电路的功耗很低，内部发热量少，而且，CMOS电路线路结构和电气参数都具有对称性，在温度环境发生变化时，某些参数能起到自动补偿作用，因而CMOS集成电路的温度特性非常好。一般陶瓷金属封装的电路，工作温度为-55 ~ +125℃；塑料封装的电路工作温度范围为-45 ~ +85℃。 扇出能力强扇出能力是用电路输出端所能带动的输入端数来表示的。由于CMOS集成电路的输入阻抗极高，因此电路的输出能力受输入电容的限制，但是，当CMOS集成电路用来驱动同类型，如不考虑速度，一般可以驱动50个以上的输入端。 抗辐射能力强CMOS集成电路中的基本器件是MOS晶体管，属于多数载流子导电器件。各种射线、辐射对其导电性能的影响都有限，因而特别适用于制作航天及核实验设备。 可控性好CMOS集成电路输出波形的上升和下降时间可以控制，其输出的上升和下降时间的典型值为电路传输延迟时间的125%~140%。 接口方便因为CMOS集成电路的输入阻抗高和输出摆幅大，所以易于被其他电路所驱动，也容易驱动其他类型的电路或器件。++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++TTL—Transistor-Transistor Logic 三极管－三极管逻辑MOS—Metal-Oxide Semiconctor 金属氧化物半导体晶体管CMOS—Complementary Metal-Oxide Semiconctor互补型金属氧化物半导体晶体管+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++Q：为什么BJT比CMOS速度要快?A：很多人只知道BJT比CMOS快，但不知道为什么。
主要是受迁移率的影响。以NPN管和NMOS为例，BJT中的迁移率是体迁移率，大约为1350cm2/vs。NMOS中是半导体表面迁移率，大约在400-600cm2/vs。所以BJT的跨导要高于MOS的，速度快于MOS。这也是NPN（NMOS）比PNP（PMOS）快的原因。 NPN比PNP快也是因为载流子迁移率不同，NPN中的基区少子是电子，迁移率大（1350左右）；PNP的基区少子是空穴（480左右）。所以同样的结构和尺寸的管子，NPN比PNP快。所以在双极工艺中，是以作NPN管为主，PNP都是在兼容的基础上做出来的。MOS工艺都是以N阱PSUB工艺为主，这种工艺可做寄生的PNP管，要做NPN管就要是P阱NSUB工艺。 BJT是之所以叫bipolar，是因为基区中既存在空穴又存在电子，是两种载流子参与导电的；而MOS器件的反形层中只有一种载流子参与导电。
但并不是因为两种载流子导电总的迁移率就大了。而且情况可能恰恰相反。因为载流子的迁移率是与温度和掺杂浓度有关的。半导体的掺杂浓度越高，迁移率越小。而在BJT中，少子的迁移率起主要作用。
NPN管比PNP管快的原因是NPN的基子少子是电子，PNP的是空穴，电子的迁移率比空穴大。NMOS比PMOS快也是这个原因。
而NPN比NMOS快的原因是NPN是体器件，其载流子的迁移率是半导体内的迁移率；NMOS是表面器件，其载流子的迁移率是表面迁移率（因为反形层是在栅氧下的表面形成的）。而半导体的体迁移率大于表面迁移率。

H. 什么是高速电路

高速电路实际上指的是高速数字电路和高速数据电路，包括设备内部之间、内部和外部之间的数字（数据）交换与传输，前者是基带信号数字“0”、“1”二进制的方波，后者是经过调制的宽带信号