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Abstract】Digital circuit
【Key word】fan-in、
引言
在逻辑系列中，门电路所具有的输入端数目称之为该逻辑系列的扇入。逻辑门的扇出是指该门电路在不超初期最坏情况伏在规格条件下，能驱动的输入端个数。扇出不仅依赖于输出端的特性，还依赖于输入端的特性。扇入越大，表示该门电路被更多的上级门电路共享，这当然是我们所希望的。但是逻辑门内部电路的复杂度及尺寸也会大大增加，使之变得不切合实际。较多的输入门电路可以用较少输入的门电路经级联构成，从而使其更快更小。扇出越大，表示逻辑门电路带负载能力越强。但负载大于门电路自身的扇出能力时，电路就会出错。另外子逻辑门的切换时间取决于输出驱动的逻辑门的数目。通常，增加扇出会降低经过门的逻辑流速度增加延时。本文将结合几个具体例子对扇出系数进行相关说明和讨论。
一、扇入扇出系数
扇入系数是指门电路允许的输入端数目。一般门电路的扇入系数为1—5，最多不超过8。扇出系数是指一个门的输出端所驱动同类型门的个数，或称负载能力。一般门电路的扇出系数为8，驱动器的扇出系数可达25。扇出系数体现了门电路的负载能力。
二、灌电流、拉电流以及扇出系数[1]
1、当逻辑门输出端是低电平时，灌入逻辑门的电流称为灌电流，灌电流越大，输出端的低电平就越高。由三极管输出特性曲线也可以看出，灌电流越大，饱和压降越大，低电平越大。逻辑门的低电平是有一定限制的，它有一个最大值VOLmax。在逻辑门工作时，不允许超过这个数值。
当逻辑门输出端是高电平时，逻辑门输出端的电流是从逻辑门中流出，这个电流称为拉电流。拉电流越大，输出端的高电平就越低。这是因为输出级三极管是有内阻的，内阻上的电压降会使输出电压下降。拉电流越大，高电平越低。逻辑门的高电平是有一定限制的，它有一个最小值VOLmin。在逻辑门工作时，不允许超过这个数值。
吸电流和灌电流就是从芯片外电路通过引脚流入芯片内的电流；区别在于吸收电流是主动的，从芯片输入端流入的叫吸收电流。灌入电流是被动的，从输出端流入的叫灌入电流；拉电流是数字电路输出高电平给负载提供的输出电流，灌电流时输出低电平是外部给数字电路的输入电流。这些实际就是输入、输出电流能力。
2、扇出系数NO :NO = min{NOL = IOLMAX/ IIS , NOH = IOHMAX/ IIH} ；
其中:
输入短路电流IIS :把与非门的一个输入端直接接地,其余输入端悬空时,由该输入端流向低的电流;
输入漏电流IIH :把与非门的一个输入端接高电平,其余输入端悬空时,流入该输入端的电流;
最大灌电流IOLMAX :在保证与非门输出低电平的前提下,允许流进输出端的最大电流;
最大拉电流IOHMAX :在保证与非门输出高电平的前提下,允许流出输出端的最大电流；
由扇出的定义式我们可以看出扇出系数同灌电流和拉电流密切相关。
三、上、下拉电阻
在实际电路中我们经常通过上、下拉电阻来增加或减小驱动电流、减弱外部电流对芯片产生的干扰、防止输入端悬空、改变电平的电位、保护CMOS管起限流作用，使电路处于稳定。
所谓上拉电阻就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平（即拉电流），来增加高电平输出时的驱动能力，以解决总线驱动能力不足时提供电流；下拉电阻就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在低电平，是用来吸收电流的，也就是灌电流。
四、负载效应[2]
当输出负载大于它的扇出能力的时候，就会有如下的效应：
1、输出低态时，输出电压VOL可能高于VOLmax。
2、输出高态时，输出电压VOH可能高于VOLmin。
3、输出的传播延迟可能大于规格说明的延迟值。
4、输出的上升和下降时间可能大于规格说明的延迟值。
5、器件工作温度可能升高，从而降低其可靠性，最终引起器件失效。
五、综合题分析
1、二输入TTL 与非门和TTL 或非门的驱动能力[3]
已知TTL门的参数:VOH/ VOL = 3. 6V/ 0. 3V , IOH/ IOL = 0. 5mA/ 8mA , IIH/ IIS = 20μA/ 0. 4mA ,分别求出图一和图二的驱动能力
解：图一电路为2 输入与非门电路
当门q为高电平输出时,有NOH = IOHMAX/ 2IIH = 12. 5
当门q为低电平输出时,有NOL = IOLMAX/ IIS = 20
门q的扇出系数N = 12
图二电路为2 输入或非门电路
当门q为高电平输出时,有NOH = IOHMAX/ 2IIH = 12. 5
当门q为低电平输出时,有NOL = IOLMAX/ 2IIS = 10
门q的扇出系数N = 10
2、在图三由74系列TTL与非门组成的电路中，计算门G能驱动多少同样的与非门。要求G输出的高低电平满足VOH>3.2V,VOL≤0.4V。与非门的输入电流IIL≤-16mA，IIH≤40μA,VOL≤0.4V时输出的电流最大值为IOL（max）=16mA，VOH≥3.2V时输出电流最大值为IOL（max）=-0.4mA。G的输出电阻可忽略不计。
分析：与反相门不同，两输入的与非门在计算输入电流时要考虑两个输入管脚的电流消耗。低电平输出时，由于与非门输入端只要其中一个管脚为低电平就能保证输出反向，所以与非门实际的输入电流就只是一个管脚的电流，而高电平输出时，与非门的两个输入管脚必须同时为高才能保证输出反相。所以这时要考虑两个管脚的电流之和。
【Key word】fan-in、
引言
在逻辑系列中，门电路所具有的输入端数目称之为该逻辑系列的扇入。逻辑门的扇出是指该门电路在不超初期最坏情况伏在规格条件下，能驱动的输入端个数。扇出不仅依赖于输出端的特性，还依赖于输入端的特性。扇入越大，表示该门电路被更多的上级门电路共享，这当然是我们所希望的。但是逻辑门内部电路的复杂度及尺寸也会大大增加，使之变得不切合实际。较多的输入门电路可以用较少输入的门电路经级联构成，从而使其更快更小。扇出越大，表示逻辑门电路带负载能力越强。但负载大于门电路自身的扇出能力时，电路就会出错。另外子逻辑门的切换时间取决于输出驱动的逻辑门的数目。通常，增加扇出会降低经过门的逻辑流速度增加延时。本文将结合几个具体例子对扇出系数进行相关说明和讨论。
一、扇入扇出系数
扇入系数是指门电路允许的输入端数目。一般门电路的扇入系数为1—5，最多不超过8。扇出系数是指一个门的输出端所驱动同类型门的个数，或称负载能力。一般门电路的扇出系数为8，驱动器的扇出系数可达25。扇出系数体现了门电路的负载能力。
二、灌电流、拉电流以及扇出系数[1]
1、当逻辑门输出端是低电平时，灌入逻辑门的电流称为灌电流，灌电流越大，输出端的低电平就越高。由三极管输出特性曲线也可以看出，灌电流越大，饱和压降越大，低电平越大。逻辑门的低电平是有一定限制的，它有一个最大值VOLmax。在逻辑门工作时，不允许超过这个数值。
当逻辑门输出端是高电平时，逻辑门输出端的电流是从逻辑门中流出，这个电流称为拉电流。拉电流越大，输出端的高电平就越低。这是因为输出级三极管是有内阻的，内阻上的电压降会使输出电压下降。拉电流越大，高电平越低。逻辑门的高电平是有一定限制的，它有一个最小值VOLmin。在逻辑门工作时，不允许超过这个数值。
吸电流和灌电流就是从芯片外电路通过引脚流入芯片内的电流；区别在于吸收电流是主动的，从芯片输入端流入的叫吸收电流。灌入电流是被动的，从输出端流入的叫灌入电流；拉电流是数字电路输出高电平给负载提供的输出电流，灌电流时输出低电平是外部给数字电路的输入电流。这些实际就是输入、输出电流能力。
2、扇出系数NO :NO = min{NOL = IOLMAX/ IIS , NOH = IOHMAX/ IIH} ；
其中:
输入短路电流IIS :把与非门的一个输入端直接接地,其余输入端悬空时,由该输入端流向低的电流;
输入漏电流IIH :把与非门的一个输入端接高电平,其余输入端悬空时,流入该输入端的电流;
最大灌电流IOLMAX :在保证与非门输出低电平的前提下,允许流进输出端的最大电流;
最大拉电流IOHMAX :在保证与非门输出高电平的前提下,允许流出输出端的最大电流；
由扇出的定义式我们可以看出扇出系数同灌电流和拉电流密切相关。
三、上、下拉电阻
在实际电路中我们经常通过上、下拉电阻来增加或减小驱动电流、减弱外部电流对芯片产生的干扰、防止输入端悬空、改变电平的电位、保护CMOS管起限流作用，使电路处于稳定。
所谓上拉电阻就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平（即拉电流），来增加高电平输出时的驱动能力，以解决总线驱动能力不足时提供电流；下拉电阻就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在低电平，是用来吸收电流的，也就是灌电流。
四、负载效应[2]
当输出负载大于它的扇出能力的时候，就会有如下的效应：
1、输出低态时，输出电压VOL可能高于VOLmax。
2、输出高态时，输出电压VOH可能高于VOLmin。
3、输出的传播延迟可能大于规格说明的延迟值。
4、输出的上升和下降时间可能大于规格说明的延迟值。
5、器件工作温度可能升高，从而降低其可靠性，最终引起器件失效。
五、综合题分析
1、二输入TTL 与非门和TTL 或非门的驱动能力[3]
已知TTL门的参数:VOH/ VOL = 3. 6V/ 0. 3V , IOH/ IOL = 0. 5mA/ 8mA , IIH/ IIS = 20μA/ 0. 4mA ,分别求出图一和图二的驱动能力
解：图一电路为2 输入与非门电路
当门q为高电平输出时,有NOH = IOHMAX/ 2IIH = 12. 5
当门q为低电平输出时,有NOL = IOLMAX/ IIS = 20
门q的扇出系数N = 12
图二电路为2 输入或非门电路
当门q为高电平输出时,有NOH = IOHMAX/ 2IIH = 12. 5
当门q为低电平输出时,有NOL = IOLMAX/ 2IIS = 10
门q的扇出系数N = 10
2、在图三由74系列TTL与非门组成的电路中，计算门G能驱动多少同样的与非门。要求G输出的高低电平满足VOH>3.2V,VOL≤0.4V。与非门的输入电流IIL≤-16mA，IIH≤40μA,VOL≤0.4V时输出的电流最大值为IOL（max）=16mA，VOH≥3.2V时输出电流最大值为IOL（max）=-0.4mA。G的输出电阻可忽略不计。
分析：与反相门不同，两输入的与非门在计算输入电流时要考虑两个输入管脚的电流消耗。低电平输出时，由于与非门输入端只要其中一个管脚为低电平就能保证输出反向，所以与非门实际的输入电流就只是一个管脚的电流，而高电平输出时，与非门的两个输入管脚必须同时为高才能保证输出反相。所以这时要考虑两个管脚的电流之和。
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