Цифровая микроэлектроника

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
__________________________________________________________________________ 
 
 
 
 
 
М.А. ДЫБКО, А.В. УДОВИЧЕНКО,  
А.Г. ВОЛКОВ 
 
 
 
 
ЦИФРОВАЯ  
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА 
 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета 
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2019 

УДК 621.3.049.77(075.8) 
Д 872 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор А.Г. Гарганеев, ИШЭ ТПУ 
канд. техн. наук, доцент Л.Г. Зотов 
 
Работа выполнена на кафедре электроники и электротехники 
для студентов III курса РЭФ дневной формы обучения,  
направление «Электроника и наноэлектроника» 
 
Дыбко М.А. 
Д 872  
Цифровая микроэлектроника: учебное пособие / М.А. Дыбко, 
А.В. Удовиченко, А.Г. Волков. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 
2019. – 200 с. 

ISBN 978-5-7782-3834-3 

Рассмотрены основы работы транзисторных ключей на биполярных и полевых транзисторах. Изложены принципы построения логических элементов семейств транзисторно-транзисторной логики, 
эмиттерно-связанной логики, комплементарных логических элементов и логики на базе биполярных транзисторов с комплементарными 
ключами. При рассмотрении транзисторных ключей и логических 
элементов приведены основные характеристики и свойства, а также 
способы улучшения статических характеристик и быстродействия. 
По каждому разделу помимо теоретического материала предложен 
ряд контрольных вопросов, а также практические задания для закрепления полученных знаний. В конце пособия рассмотрен пример разработки схемы цифровой электроники на базе логического элемента 
семейства ТТЛ, который служит примером выполнения расчетов по 
курсовому проекту в рамках курса «Микроэлектроника». 
Пособие предназначено для студентов третьего курса факультета 
РЭФ дневного отделения направления «Электроника и наноэлектроника». 
 
УДК 621.3.049.77(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-3834-3 
© Дыбко М.А., Удовиченко А.В.,  
 
Волков А.Г., 2019 
 
© Новосибирский государственный 
 
технический университет, 2019 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Предисловие ............................................................................................................ 6 
1. ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ ............. 7 
1.1. Теоретические сведения............................................................................... 7 
1.1.1. Биполярные транзисторы ..................................................................... 7 
1.1.2. Характеристики и параметры БТ ........................................................ 8 
1.1.3. Частотные и переходные характеристики транзисторов ................ 10 
1.1.4. Электронный ключ на биполярном транзисторе. Статика ............. 11 
1.1.5. Электронный ключ на биполярном транзисторе. Динамика .......... 14 
1.1.6. Потери мощности в транзисторном ключе ...................................... 19 
1.1.7. Температурные зависимости статических параметров ................... 20 
1.1.8. Способы повышения быстродействия транзисторных ключей ........ 23 
1.1.9. Особенности работы ТК на индуктивную и емкостную 
нагрузку ............................................................................................... 27 
1.2. Задания для самостоятельной работы ...................................................... 33 
1.2.1. Теоретические вопросы ..................................................................... 33 
1.2.2. Упражнения и задачи ......................................................................... 33 
Практическая работа № 1. Исследование электронных ключей на биполярных транзисторах ............................................................................................ 36 
2. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ ....... 42 
2.1. Теоретические сведения............................................................................. 42 
2.1.1. Логический элемент и его характеристики ...................................... 42 
2.1.2. Диодно-транзисторная логика (ДТЛ) ............................................... 45 
2.1.3. Транзисторно-транзисторная логика с простым инвертором ......... 48 
2.1.4. Транзисторно-транзисторная логика со сложным инвертором ........ 54 
2.1.5. Динамика работы ТТЛ ....................................................................... 62 
2.1.6. Модификации элементов ТТЛ........................................................... 71 

2.1.7. Логические элементы на переключателях тока. Эмиттерносвязанная логика ................................................................................ 80 
2.1.8. Логические элементы ЭСЛ-типа ....................................................... 83 
2.2. Задания для самостоятельной работы ...................................................... 87 
2.2.1. Теоретические вопросы и задания для самопроверки..................... 87 
2.2.2. Упражнения и задачи ......................................................................... 88 
Практическая работа № 2. Исследование транзисторно-транзисторных логических элементов ............................................................................... 90 
3. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ ............... 93 
3.1. Теоретические сведения............................................................................. 93 
3.1.1. Полевые транзисторы ......................................................................... 93 
3.1.2. Статические характеристики полевых транзисторов ...................... 95 
3.1.3. Ключи на полевых МДП-транзисторах ............................................ 96 
3.1.4. Динамика работы МДП логических схем ...................................... 101 
3.1.5. Логические элементы на КМОП-ключах ....................................... 107 
3.1.6. Буферные усилители ........................................................................ 109 
3.1.7. Логические элементы типа БиКМОП ............................................. 111 
3.1.8. Логические элементы истоково-связанной логики (ИСЛ) ........... 118 
3.1.9. Защитные цепи входных и выходных каскадов ЛЭ на МОПтранзисторах ..................................................................................... 120 
3.2. Задания для самостоятельной работы .................................................... 122 
3.2.1. Теоретические вопросы ................................................................... 122 
3.2.2. Упражнения и задача........................................................................ 123 
Практическая работа № 3. Исследование логических элементов 
КМОП и БиКМОП .......................................................................................... 124 
4. ПРОСТЕЙШИЕ ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА ............................................ 127 
4.1. Теоретические сведения........................................................................... 127 
4.1.1. Симметричный триггер [1, 2] .......................................................... 127 
4.1.2. Несимметричные триггеры .............................................................. 129 
4.1.3. Генераторы импульсов на логических элементах. Мультивибраторы и одновибраторы ........................................................... 135 
4.1.4. Детекторы фронтов и событий ........................................................ 140 
4.1.5. Элементы оперативных запоминающих устройств (ОЗУ) ........... 140 
4.1.6. Флэш-память ..................................................................................... 144 
4.1.7. Преобразователи уровней ................................................................ 149 

4.2. Задания для самостоятельной работы .................................................... 158 
4.2.1. Теоретические вопросы ................................................................... 158 
4.2.2. Упражнения и задачи ....................................................................... 159 
Практическая работа № 4. Исследование устройств формирования 
импульсов и генераторов колебаний на логических элементах .................. 160 
Практическая работа № 5. Исследование несимметричного триггера 
Шмитта на транзисторах ................................................................................. 164 
Библиографический список ............................................................................... 169 
Приложение 1. Краткое описание стендов National instruments ELVIS II ..... 171 
Приложение 2. Краткое описание среды моделирования Microcap ............... 176 
Приложение 3. Пример расчета схемы логического элемента ТТЛ............... 191 
 

 
 
 
 
 
 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Современная бытовая техника и промышленная электроника проектируются, как правило, с использованием микропроцессорных систем управления. Квалифицированный специалист, занимающийся 
разработкой подобных устройств, должен обладать всеми необходимыми знаниями, навыками и умениями в области как аналоговой, так и 
цифровой схемотехники электронных устройств. Понимание работы 
микропроцессорной техники невозможно без знания работы простейших цифровых устройств, которые являются ее базовыми компонентами, такими как комбинационные логические схемы, триггеры, счетчики, память и т.д. В свою очередь, знание основ схемотехники логических элементов, из которых синтезируются перечисленные устройства, является фундаментом в области разработки устройств цифровой 
электроники и микропроцессорной техники. 
Цели предлагаемого учебного пособия – познакомить читателя с 
основами работы логических элементов различных типов, начиная с 
простейшей схемы транзисторного ключа. В пособии рассмотрены логические схемы на биполярных (ТТЛ, ЭСЛ) и полевых транзисторах 
(КМОП, БиКМОП, ИСЛ). Кроме того, представлен краткий материал 
по некоторым простейшим цифровым устройствам – триггерам, генераторам, детекторам фронтов, флэш-памяти и преобразователям уровней. Каждый раздел пособия сопровождается вопросами для самоконтроля, задачами и практической работой для закрепления полученных знаний. 
В результате освоения изученного материала читатель приобретает 
навыки анализа статических и динамических характеристик простейших цифровых устройств путем физического и компьютерного моделирования, их сравнительного анализа и сопутствующего расчета. 
Авторы надеются, что данное пособие будет полезно студентам, 
занимающимся разработкой устройств цифровой электроники. 
 

1. ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ  
НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ 

1.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 

1.1.1. Биполярные транзисторы  

Биполярный транзистор (БТ) – это полупроводниковый прибор с 
двумя p–n-переходами, имеющий три вывода. Работа БТ основана на 
использовании носителей зарядов обоих знаков (электронов и дырок). 
Управление протекающим через него током осуществляется с помощью тока управляющего электрода. Биполярный транзистор можно 
включать в электронную цепь тремя способами: общая база (ОБ), общий коллектор (ОК) или общий эмиттер (ОЭ). В цифровой электронике в основном используется схема с ОЭ. Схема включения транзистора 
с общим коллектором используется в выходных каскадах некоторых 
логических элементов.  
Структура и условное графическое обозначение (УГО) биполярного транзистора n–p–n-типа показаны на рис. 1.1.  
 

        
 
 а 
 
 
 
 
 б 

Рис. 1.1. Структура (а) и УГО (б) биполярного транзистора n–p–n-типа 

Структура и условное графическое обозначение биполярного транзистора p–n–р-типа представлены на рис. 1.2.  

а 
 
 
 
 
 б 

Рис. 1.2. Структура (а) и УГО (б) биполярного транзистора p–n–р-типа 

В интегральной микроэлектронике и усилительной технике наиболее применяемым является БТ n–p–n-типа. Это связано с тем, что в 
транзисторе данного типа используются преимущественно электроны, 
обладающие большей подвижностью. 
Схемы включения транзисторов представлены на рис. 1.3 [1]. 
 

эI
кI

бI
эб
U
кб
U

  

эI

кI
бI

бэ
U
кэ
U

  

эI

кI

бI

бэ
U
эк
U

 
а  
 
         б  
 
 
в 

Рис. 1.3. Схемы включения БТ: 

а – ОБ; б – ОЭ; в – ОК 

Аналогично в электронных ключах на полевых тарнзисторах применяется включение с общим истоком (см. раздел 3). 

1.1.2. Характеристики и параметры БТ 

Основными характеристиками БТ для семы с ОЭ являются: 
– входная характеристика:  

б
бэ
(
)
I
f U

 при  
кэ
const
U

; 

– выходные характеристики: 

к
кэ
(
)
I
f U

 при б
const
I 
. 

Характеристики БТ, включенного по схеме с ОЭ, изображены на 
рис. 1.4 [1, 2]. 

бI

бэ
U

U U
0
   

кэ
U

кI

0
0
бI

1
0
б
б
I
I


 
а 
 
 
 
          б 

Рис. 1.4. Статические характеристики биполярного транзистора 

На рис. 1.4, а изображена входная характеристика, которая приближенно описывается уравнением 

 

бэ

э
э0
1
T

U

I
I
e 













,  
(1.1) 

где 
T
  – тепловой потенциал; 
э0
I
 – тепловой ток перехода эмиттербаза при 
кб
0
U

, 
бэ
0
U

. 
Наклон входной характеристики определяется дифференциальным 
входным сопротивлением транзистора, которое в справочных данных 
приводится как параметр 11(ОБ)
h
, зависящий от объемного сопротив
ления базы, бr , и сопротивления эмиттерного перехода: 




э
э
э
э
э

25мВ
Ом
мА
T
dU
r
dI
I
I





 – для температуры 20 °С. 

Выходные характеристики представляют собой семейство практически горизонтальных характеристик с параметром 
бI , находящихся 
на некотором расстоянии друг от друга. Расстояние определяется статическим коэффициентом передачи по току: 

 

*
к
к0

б
1
I
I
I


 
   , 
(1.2) 

где 
*
к0
I
 – тепловой ток коллектора определяется как 
*
к0
к0(1
)
I
I

  . 
Значение к0
I
 – тепловой ток для схемы включения транзистора с ОБ. 
У современных слаботочных транзисторов это значение составляет 
порядка 
9
10
 А

. Коэффициент   составляет от десятков до сотен единиц. Например, для транзисторов, используемых в практических работах (BC546A), коэффициент   лежит в диапазоне от 110 до 220. Значение этого коэффициента зависит от режима работы транзистора.  
Отметим три режима работы транзистора: 
 режим отсечки: в этом режиме оба перехода находятся под обратным смещением; 
 активный режим: переход база–эмиттер смещен в прямом 
направлении, коллекторный переход – в обратном; 
 режим насыщения – оба перехода смещены в прямом направлении. 
Активный режим используется в усилительных схемах. В транзисторных ключах, как правило, можно наблюдать все три режима работы. Кроме того, имеется инверсный активный режим работы. В этом 
режиме имеет место инверсный коэффициент передачи по току 

I
   , который много меньше нормального коэффициента   вследствие асимметрии структуры транзистора и разной концентрации примесей. Зачастую принимают 
1
I
  . Коэффициент 
I
  обычно принимает значение в пределах 0,75…0,9. 

1.1.3. Частотные и переходные характеристики  
транзисторов 

Вследствие конечной скорости движения носителей заряда коэффициенты передачи по току   и   становятся зависимыми от частоты 
передаваемого сигнала и определяются выражениями [4]: 

0
(
)
1
j
j




 
  
,       
0
(
)
1
j
j




    
, 

где 
0
  и 
0
  – коэффициенты передачи по току при 
0
 
; 

  и 
  – 

постоянные времени, причем 
0
(1
)


  
 
 – время жизни неосновных носителей в базе транзистора. 

Соответственно частоты, на которых коэффициенты передачи по 
току уменьшаются в 
2 , называются граничными частотами: 

1
2
f





;       
1
2
f





. 

Кроме того, на частотные свойства транзистора влияют барьерные 
емкости переходов: 
эб
C
 и 
кб
С
.  

1.1.4. Электронный ключ на биполярном транзисторе 
Статика 

Под электронным ключом будем понимать элемент, который под 
воздействием управляющего сигнала (тока или напряжения) осуществляет коммутацию элементов схемы. 
В настоящее время транзисторные ключи (ТК) широко применяются в решении многих технических задач. ТК на основе схемы с общим 
эмиттером (ОЭ) является наиболее распространенным в электронике.  
В процессе переключений электронного ключа из закрытого состояния в открытое и обратно транзистор может находиться в одном из 
трех состояний: режиме отсечки (РО), активном режиме (АР) и режиме 
насыщения (РН). Проанализируем каждое из этих состояний. 

Закрытое состояние (режим отсечки) 
В этом режиме оба p–n-перехода транзистора смещены в обратном 
направлении. Для того чтобы обеспечить закрытое состояние, т. е. «запереть» транзисторный ключ, можно подать на вход нулевое входное 
напряжение. При этом в коллекторе и эмиттере будут протекать тепловые токи. Для надежного запирания транзистора на вход можно подать 
небольшое отрицательное напряжение, которое компенсирует эти токи: 
2
к0 1
E
I
R

.  
Величина тепловых токов достаточно мала, для того чтобы не учитывать её значение в расчетах. Поэтому здесь и далее примем к0
0
I

. 
Таким образом, поскольку в закрытом состоянии токами в транзисторе можно пренебречь, то напряжение на коллекторе будет практически равно 
к
E . Положение рабочей точки на выходных характеристиках транзистора соответствует точке А (рис. 1.5, б). 

Активный режим 
При повышении напряжения на зажимах генератора повышается и 
напряжение на переходе база–эмиттер (БЭ). По достижении некоторого порогового значения, равного примерно 
0,6 В
U 
 (рис. 1.5, а), переход БЭ открывается, и транзистор переходит в активный режим.  
В этом режиме токи базы и коллектора связаны линейной зависимостью 
 
к
б
I
I
 
. 
(1.3) 

В активном режиме выходное напряжение определяется током 
коллектора и внешними элементами схемы: 

 
к
к
б
к
U
E
I
R



. 
(1.4) 

 

бI

бэ
U

U U

бн
I

1

1

E
R

0
1
E
 
 
а 
 
 
 
 
б 

Рис. 1.5. Использование статических характеристик БТ для определения  
рабочей точки транзисторного ключа 

Из формулы (1.4) видим, что токи и напряжения в транзисторном 
ключе связаны между собой линейно. Дальнейшее увеличение входного напряжения будет сопровождаться соответствующим увеличением 
тока базы и, как следствие, тока коллектора. Рабочая точка (рис. 1.5, б) 
будет перемещаться вдоль прямой из положения А к положению В. 
Это будет продолжаться до тех пор, пока ток базы не достигнет некоторого значения 
бн
I
, при котором транзистор окажется на границе 
режима насыщения. Соответствующее граничное значение 
бн
I
 назы

вается током базы насыщения. Типичное значение выходного напряжения для слаботочных транзисторов на границе насыщения равно 
приблизительно 0,5…0,7 В.  

Режим насыщения 
При равенстве б
бн
I
I

 транзистор находится на границе между активным режимом и режимом насыщения и для него справедливы соотношения (1.3) и (1.4). 
Дальнейшее увеличение тока базы приведет к тому, что коллекторный переход сместится в прямом направлении. Рабочая точка переместится в положение С (рис. 1.5, б). При этом между током коллектора и 
током базы теряется линейная зависимость, и оба тока определяются 
внешними элементами цепи: 

 

1
б
1

к
кэн
кн
2

,

,

E
U
I
R

E
U
I
R








 
(1.5) 

где 
1
E  – амплитуда положительного импульса напряжения генератора Г
e ; 
кэн
U
 – напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в режиме насыщения. Значение этого напряжения, как правило, 
составляет 0,1…0,2 В. Численно напряжение насыщения можно оценить из соотношения [1] 

 
кэн

1
1
1
ln
1
1
I
T
I

S

U
S











 
 




 






















. 
(1.6) 

Малая величина этого напряжения способствует работе ключа с 
меньшими потерями в режиме насыщения. В этой связи параметры ТК 
всегда выбирают так, чтобы обеспечить режим насыщения исходя из 
условия насыщения: 

 
кн
б
бн
I
I
I

  . 
(1.7)