一、半导体二极管和三极管的开关特性

1. 半导体二极管的单向导电特性和开关等效电路。
2. N 沟道增强型和P 沟道增强型MOS 管的基本工作原理，导通和截止的条件，开关等效电路。
3. 双极型三极管的基本工作原理，工作在放大区、截止区和饱和区的条件和特性，开关等效电路。 二、CMOS 11 电路
4. CMOS 反相器的电路结构和工作原理。
5. CMOS 反相器的静态输入特性和轮出特性。
6. CMOS 反相器的动态功耗和传输延迟时间的物理概念。 4 . 不同逻抖功能和扴出结构（互补捡出、OD 输出、三态扴出） CMOS fl 电路的特点和用法。 三、TTL 门电路
7. TTL 反相器的电路结构和工作原理。
8. TTL 反相器的电压传输特性，静态扴入特性和扴出特性，输入端负载特性。
9. TTL 反相器的传梒延迟时间和电源动态尖峰电流的物理概念。
10. 不同逻样功能和输出结构（推拉式输出、oc 输出、三态输出） TTL I1 电路的特点和用法。 四、不同类型数宇集成电路间接口必须满足的条件和处理方法
11. CMOS 电路和TTL 电路间的接口。
12. 不同逻辑电平电路间的接口。

3.2 难点释疑

一、为什么在《数字电子技术基础（第六版）》的图3.2.3 中给出了三种不同型式的二极管开关等效电路？

实际测试结果表明， 二极管的伏安特性并非理想的开关特性（理想开关正向导通时的导通内阻和导通压降等于零，反向截止时截止内阻为无穷大），而是如图3-2-1 中的曲线。在计算含有二极管的电路时，为了简化计算，在误差允许的范围内，希望能用一个由线性元件和理想开关组成的开关等效电路替代二极管。而且，希望这个开关等效电路越简单越好。但是，这种近似替代必须是合理的，才能够保证由此而引起的计算误差不超过允许的限度。

根据戴维宁定理，我们总可以把二极管以外的电路部分简化为一个等效电压源和一个等效内阻凡串联的电路，如图3-2-2 所示。由图可见，当几为负时，加在二极管两端的是反向电压。由于硅二极管的反向电阻一般都在数兆欧以上，所以在二极管处于反向偏置状态下，可以近似地认为回路电流等于零。因此，用一个断开的开关近似代替反向偏置状态下的二极管。

当为正时， 二极管将导通，有回路电流流过。由曲线上可以看到，二极管处于正向导通状态时它上面的压降不等于零，而且与电流的大小呈非线性关系，这就给严格的定量计算带来了不便。根据二极管的具体工作条件，即外接电路的具体情况，我们可以采取相应的近似代替方法：

1. 若远大于二极管的导通压降 ，而且远大于二极管的正向导通内阻 ，则计算回路电流时可以忽略二极管的和 ，把二极管近似为一个闭合的开关。在这种条件下， 二极管的开关等效电路相当于一个受外加电压极性控制的理想开关，外加电压为正时开关接通，外加电压为负时开关断开，如图3-2-2(c) 所示。
2. 若，而与相比不可忽略，则计算回路电流时可以忽略，但不能忽略。这时就可以用图3-2-2(b) 中的折线代替二极管的伏安特性曲线，从而得到图3-2-2(b) 中的开关等效电路。在数字集成电路中，使用的电源电压几乎都在 以下，而硅二极管充分导通时的压降为，导通内阻只有几十至几百欧，所以符合图3-2-2(b) 开关等效电路的应用条件。
3. 若与相比不可忽略， 与相比也不可忽略，则计算回路电流时既需要考虑的存在，又需要考虑的影响，因此用图3-2-2(a) 中的折线代替二极管的实际特性曲线。折线与横轴的交点表示二极管的导通压降，折线上段的斜率表示二极管的导通内阻。

以上分析说明，使用任何一种近似方法之前，必须弄清它的适用环境，或者叫做限定条件。脱离了限定条件，将得不到合理的近似计算结果。例如我们在《数字电子技术基础（第六版）》第3.4.2节中，曾经用近似计算方法得到反相器的输出高电平为。如图3-2-3 所示。
前面曾经提到，二极管只有在充分导通时（即电流较大，工作在特性曲线的转折区以上）压降才近似等于, 才接近。如果输出端空载时用电压表去量则测得的电压要比高得多（一般达左右），因为这时流过的发射结和的电流都非常小，只有通过电压表的电流和的漏电流，所以它们的压降比小得多。

二、怎样判断双极型三极管的工作状态是截止、放大还是饱和导通？

在图3-2-4 所示的双极型三极管基本开关屯路中，输出的高、低电平分别代表逻辑状态的1和0 。因此，希望高电平尽量接近，低电平尽扯接近零，也就是希望三极管的c-e 之间尽鼓接近于理想开关。这就要求输入信号为低电平时三极管完全截止， 为高电平时三极管饱和导通。

1. 工作在截止状态的条件和特性

工作在截止状态的条件是。如果采用图3-2-2(b) 的折线化近似特性，则近似地认为时三极管便已经截止。
截止状态下三极管的特性是。因为没有任流过，所以上没有压降，故。
实际上三极管处于截止状态下气不可能绝对等千零，但此时的漏电流极小，所以认为不会引起很大的误差。这时三极管的c-e之间就相当于一个断开的开关。

1. 工作在放大状态的条件和特性

工作在放大区的条件是 （硅三极管的) ，而且。
放大状态下的特性是三极管导通，，而且当增大时， 随着的增加而成比例地增加。这个比例系数称为电流放大系数。
由于流过，在上产生压降，所以将随的增加而降低，即
这时既不是，也不是零，而是与零之间的某个数值。

1. 工作在饱和导通状态的条件和特性

工作在饱和导通状态的条件是；而且，使得足够大，的值接近于。这时几乎全部降在上， 只剩下一个很小的饱和导通压降。称为饱和基极电流，它的数值可用下式计算

饱和导通状态下的特性是增加时已不能再随之按比例增加了， 也不能再减小了， 三极管的c-e间最后只有一个很小的饱和压降（约在以下）和一个很小的导通内阻（可小至几欧） 。这时三极管的c -e间就近似于一个接通的开关。

由式(3-2-2) 可见，不仅和三极管本身的性能有关，还和外接电路参数有关。求出以后，还要从输入回路计算出输入信号实际提供的值，只有当时， 三极管才能进入饱和导通状态。

三、为什么TTL 反相器的低电平输入电流是从输入端流出的，并且数值较大，而高电平输入电流是从输入端流入的，数值又很小？

从图3-2-5(a)TTL反相器的电路图中可以看到，当输入为低电平（假定为0.3 V 左右）时， 的发射结(be结）处于正向接法，导通，并将的基极电位 钳在左右。这时的发射结(be结)和集电结(be结)都不可能导通，可以认为的集电极电流等于零。输入电路结构可以简化为图3-2-5(b) 的形式，并由此得到低电平输入电流为

的负值表示实际电流方向与规定的正方向（按双口网络的习惯，规定电流从输入端流入为正）相反，即从输入端流出。

当输入为高电平（假定为3.4 V) 时，图3-2-5(a) 中的兀和兀的发射结和将同时导通，并将的基极电位钳位在2.1 V 。这时的工作状态可以简化成图3-2-5(c) 的形式。由该图可见，的bc结处于正向偏置而be结处于反向偏置，所以相当千将原来的发射极和集电极交换使用了。我们把的这种状态叫做倒置状态。
由于将倒置状态下的三极管电流放大系数，设计得非常小（小于0.01) ，所以虽然这时的仍然比较大，但是却非常小。如果近似地认为，那么就仅包含发射结的反向漏电流了。因此，一般只有几个微安，而且是从输入端流进门电路的。

四、在计算TTL门电路输入端并联的总输入电流时，为什么有时按输入端的数目加倍，有时按门的数目加倍？

在TTL电路中，与门、与非门的输入电路结构形式和或门、或非门的输入电路结构形式是不同的。由图3-2-6中可以看到，从与非门输人端看进去是一个多发射极三极管，每个发射极是一个输入端。而在图3-2-8所示的或非门电路中，从每个输入端看进去都是一个单独的三极管，而且它们相互间在电路上没有直接的联系。

1. 与非门输入端并联时的输入电流

由图3-2-6(a) 可见，当输入为低电平时，由于处于截止状态，所以无论有几个输入端并联，总的输入电流都等于。而且发射结的导通压降仍为。因此，总的低电平输入电流和只有一个输入端接低电平时的输入电流相同。
当输入端接高电平时，由图3 -2-6(b) 可见，和分别构成两个倒置状态的三极管，所以总的输入电流是单个输入端高电平输入电流的两倍，也就是乘以并联输入端的数目。