数字电路学习笔记
逻辑门电路
CMOS逻辑门电路的不同输出结构及参数
CMOS漏极开路门和三态输出门电路
漏极开路门
工程时，我们有时需要将两个门的输出端并联实现与逻辑（此功能成为线与）。但我们不能直接将输出端连在一起，因为这样可能造成电流过大，而且可能两个低电平组合成高电平造成无法区分高低电平。 这一问题我们使用OD门来解决。 漏极开路门与非路电路如下：
使用漏极开路与非门实现线与，电路图如下：
可以看到，电路中加了一个上拉电阻 \(R_p\)。上拉电阻会影响OD门的开关速度。\(R_p\)小则负载电容充电时间小，开关更快。但其不能太小，它起码（因为这里并不是其真实最小值）必须保证OD门输出端的电流不能超过允许的最大值\(I_{OL(max)}\)，用\(V_{DD}/I_{OL(max)}\)即可知道。与普通CMOS电路比，这个导通电阻明显大了些，因此OD门高低电平转换速度比普通CMOS门慢。 除此之外还有个问题就是门驱动电容性负载充电时间问题。
左图为OD门输出由高变低时的等效电路情况，充电时间为\(\tau = 100pF \times 100\Omega=10ns\)；右图为OD门输出由低变高时的等效电路情况，充电时间同理可得。
接下来计算\(R_p\)。
- 输出为低电平时，只有一个OD门导通时（没OD门导通最小值就是上面那个“起码”中计算出的结果），电路图中易知其最小值为：$$R_p = \frac{V_{DD}-V_{OL(max)}}{I_{OL(max)}-I_{IL(total)}}$$。OL 用 "Output Low"就会好记得多，同理OH是"Output High"。
- 若所有OD门输出为高电平时，输出为高电平。经过上拉电阻的电流一部分分给漏极电流，一部分输出，故：$$R_p =\frac{V_{DD}-V_{IH(min)}}{I_{OZ(total)}-I_{IH(total)}}$$
三态输出门
用上拉电阻来解决线与的功能，会影响速度。符号如下：
电路图如下：
其功能如下：
EN=1时，如果A=0，则B=1，C=1，这样输出L=0；EN=1时，L=1；EN=0时，Tp、Tn都截止，是开路。真值表如下：
CMOS重要参数
- 输入输出高低电平
- 噪声容限
示意图：
\(V_{NH}\)为输入高电平的噪声容限；
\(V_{NL}\)为输入低电平的噪声容限。
噪声容限越大，抗干扰能力越强。 - 传输延迟时间
图如下：
由于对称性，\(t_{pHL}=t_{pLH}\)。有时人们用平均传输延迟时间。 - 功耗
CMOS静态电流很小，静态功耗低，所以常用于各种便携设备。
动态消耗：即输出状态发生转换时的功耗称之为动态功耗。一部分是电流流入地，一部分是因为充放电（CMOS负载的电容性）造成的损耗。他们的总功耗为：$$P_D = V_{DD}^2(C_{PD}+C_{L})f$$ - 延时-功耗积
\(t_{pd}\)为之前说到的平均传输延迟。DP越小越好。
- 扇入/扇出系数
扇入数取决于输入端个数。
扇出数：\(N_{OH}=\frac{I_{OH}(驱动门)}{I_{IH}(负载门)}\)（或者OH换做OL）。
类NMOS和BiCMOS逻辑门电路
类NMOS逻辑门电路
MOS从PMOS到NMOS到CMOS。PMOS以空穴为导电载流子，NMOS以电子为导电载流子。后者速度更快。NMOS是全部由n沟道MOS管构成。其工作管为增强型，而负载管都可以。现在一般用耗尽型因为速度更快。两种NMOS管电路图如下：
类NMOS管采用PMOS增强型负载管。相比耗尽型NMOS管，其噪声容限变大，与CMOS匹配。其反相器、与非门、或非门电路图如下：
与CMOS相比，类NMOS电路PMOS管减少了，且输入端数目越多，减少的PMOS管越多。
类NMOS反相器多用于输出高电平的电路；类NMOS电路多以或非门为基础，因为并联时增加NMOS管不会影响低电平输出电压的稳定；而增加与非门输入端数目时，串联管子变多，输入全高电平时导致低电平输出电压升高破坏逻辑功能。
BiCMOS逻辑门电路
BiCMOS门的特点在于采用了双极型BJT管作为CMOS电路的输出极。这种电路具有高集成度、低功耗、速度快、驱动力强的特点。电路图如下：
此部分学习总结
搞清楚NMOS和PMOS管（消耗性增强型）的原理、电路及作用。可以通过CMOS各种门类比到类NMOS门的情况，然后就是知道CMOS的各种参数及组成的电路需要满足的条件。
TTL逻辑门电路
BJT开关
BJT开关（也即三极管）电路图如图所示：
BJT为NPN型硅管。输入低电平则输出高电平，输入高电平则输出低电平。BJT的开关过程伴随着内部电荷的建立和消散，故需要一定的时间。
TTL反相器
由于BJT反相器动态性能并不理想，实际中还增加了若干器件构成TTL反相器。
输人级的作用是用来提高工作速度。当电路的输人电压由高到低变化时，T1由倒置的放大状态转换为放大状态，使T2的基极电流增加，加快抽走多余的存储电荷而达到截止。T2的迅速截止，一方面使T4的导通加快，另一方面使T4的截止加快，从而加快了状态转换。
采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力。输出级的两个管子总是一个导通而另一个截止，因此降低了静态功耗。当输出端接有电容性负载时，T3或T4饱和导通电阻很低，对电容充、放电时间常数很小，使输出电压波形的上升沿和下降沿都很好。
抗饱和TTL门电路
TTL门电路参数
TTL逻辑门部分总结
清楚三极管原理及使用方法。
