单片机讲义第3章

1、第三章 集成逻辑门 本章主要介绍以下内容： 晶体管的开关特性 TTL集成逻辑门 CMOS电路 对发射极耦合逻辑（ECL）和MOS逻辑门电路作一般性介绍。第一节第一节 晶体管开关特性晶体管开关特性 数字电路的基本细胞是晶体管，数字电路是数字电路的基本细胞是晶体管，数字电路是由千千万万个晶体管组成的。数字电路的工作由千千万万个晶体管组成的。数字电路的工作特性实际上取决于晶体管的特性。特性实际上取决于晶体管的特性。 在数字电路中晶体管工作在开关状态，本章在数字电路中晶体管工作在开关状态，本章将简要介绍晶体管的开关特性，并介绍二极管限将简要介绍晶体管的开关特性，并介绍二极管限幅器、钳位器，三极管反相器

2、。幅器、钳位器，三极管反相器。一、一、 PN 结特性结特性（一）、（一）、PN结的构成结的构成 半导体材料经不同掺杂过程，可使其内部的电子和空半导体材料经不同掺杂过程，可使其内部的电子和空穴的浓度各不相同。穴的浓度各不相同。 浓度大的称为多数载流子，浓度小浓度大的称为多数载流子，浓度小的称为少数载流子。的称为少数载流子。 多子为电子的是多子为电子的是N型材料；多子为空穴的是型材料；多子为空穴的是P型材料。型材料。 晶体二极管和三极管由晶体二极管和三极管由P型和型和N型半导体材料复合而型半导体材料复合而成，成，P型和型和N型半导体材料贴在一起，其接合部称为结。型半导体材料贴在一起，其接合部称为结

3、。二极管有一个结，三极管有两个结。二极管有一个结，三极管有两个结。 （二）、扩散电流和漂移电流（二）、扩散电流和漂移电流扩散电流：扩散电流：由于由于PN结两边载流子的结两边载流子的浓度差别浓度差别，载流子，载流子会从浓度高的一方向浓度低的一方运动，称为扩散运动，会从浓度高的一方向浓度低的一方运动，称为扩散运动，它产生扩散电流。它产生扩散电流。漂移电流：漂移电流：由于由于电位差的存在电位差的存在，载流子在电场的作用下，载流子在电场的作用下产生的运动，称为漂移运动，它产生漂移电流。产生的运动，称为漂移运动，它产生漂移电流。 电位差来自电位差来自外加电压外加电压和电荷积累构成的和电荷积累构成的内电场

4、内电场。 流过流过PN结的结的总电流总电流 = 扩散电流扩散电流 + 漂移电流漂移电流（三）、外加电压对（三）、外加电压对PN结的影响结的影响 PN结的通断，流过结的通断，流过PN结的电流大小，与结的电流大小，与PN 结处的少结处的少子浓度有关，而少子浓度直接受子浓度有关，而少子浓度直接受PN结外加电压的影响，结外加电压的影响，因此我们分析一下外加电压的几种情况：因此我们分析一下外加电压的几种情况： 无外加电压无外加电压： 浓度造成的扩散和内电场造成的漂移浓度造成的扩散和内电场造成的漂移达到动态平衡，达到动态平衡，PN结面的净电荷为零，结面的净电荷为零，PN结没有电流流结没有电流流过。过。 外

5、加正向电压外加正向电压：外加电场克服内电场，其形成的少子：外加电场克服内电场，其形成的少子运动与扩散运动一致，运动与扩散运动一致，PN结处少子浓度加大，有较大电结处少子浓度加大，有较大电流流过流流过PN结。结。 外加反向电压外加反向电压：加强了内电场，抑制了扩散运动，：加强了内电场，抑制了扩散运动，PN结处少子浓度很低，只有很小的反向电流。结处少子浓度很低，只有很小的反向电流。 三种情况下的少子浓度分布图见书。三种情况下的少子浓度分布图见书。 这可用中俄边贸的情况作个比喻。这可用中俄边贸的情况作个比喻。（四）、（四）、PN结的电容效应结的电容效应 PN 复合结构可细复合结构可细分为两部分分为两

6、部分，接合部附近称为结，接合部附近称为结，也叫也叫空间电荷区空间电荷区。 结两边的区域称为结两边的区域称为扩散区扩散区。 在上述两区域内，离子电荷、载流子浓度随外加电在上述两区域内，离子电荷、载流子浓度随外加电压的变化而变化，是影响压的变化而变化，是影响PN结电流电压特性的根本原因。结电流电压特性的根本原因。这两个区域的变化过程类似于电容的充放电过程。这两个区域的变化过程类似于电容的充放电过程。空间空间电荷区等效为位垒电容，扩散区等效为扩散电容。电荷区等效为位垒电容，扩散区等效为扩散电容。 了解了解PN结内部的变化过程，对理解二极管的开关特结内部的变化过程，对理解二极管的开关特性具有重要意义。

7、性具有重要意义。二、二、 晶体二极管的开关特性晶体二极管的开关特性 二极管（就是一个二极管（就是一个PN结）具有单向导电性，理想二结）具有单向导电性，理想二极管如同一个开关。但实际二极管与理想的二极管还是有极管如同一个开关。但实际二极管与理想的二极管还是有一些区别的，特别是在高频电路中，必须加以注意。一些区别的，特别是在高频电路中，必须加以注意。（一）、二极管稳态开关特性（一）、二极管稳态开关特性 i = Is ( e q v / ( k T ) - 1 )v=0时时 I=0；v为负时，为负时，I= - Isv为正时，为正时，I=Is e q v / ( k T ) 理想/实际二极管：导通：端

8、电压=0 / VD截止：I = 0 / -IS（二）、瞬态开关特性（二）、瞬态开关特性二极管瞬态开关特性的细节二极管瞬态开关特性的细节，同学们自己同学们自己再看一看，主要问题是：再看一看，主要问题是： 反向恢复时间反向恢复时间是是影响二极管开关特性的影响二极管开关特性的主要因素主要因素、正向、正向恢复时间往往可以忽略。出现反向恢复时间的恢复时间往往可以忽略。出现反向恢复时间的原因是原因是电电荷存储效应（外加正向电压时，非平衡荷存储效应（外加正向电压时，非平衡少子的积累少子的积累）。）。 反向恢复时间与哪些因素有关？反向恢复时间与哪些因素有关？ t r t s t f 的定义？的定义？（三（三

9、）、晶体二极管开关参数）、晶体二极管开关参数 自己看书，应知道有哪些主要参数，它们的物理意义自己看书，应知道有哪些主要参数，它们的物理意义取值的大致范围。比如：取值的大致范围。比如：最大正向电流最大正向电流、最大反向电压最大反向电压、反向电流反向电流和和反向恢复时间反向恢复时间等。等。 三、三、 晶体二极管限幅器及钳位器晶体二极管限幅器及钳位器（一）、二极管限幅器（一）、二极管限幅器 （掐头去尾）（掐头去尾） 利用二极管的单向导通特性，限制某些信号的通过利用二极管的单向导通特性，限制某些信号的通过。1、串联限幅电路、串联限幅电路 串联限幅电路是指二极管处于与输入、输出首尾相连。串联限幅电路是指

10、二极管处于与输入、输出首尾相连。可以上限幅、下限幅和双限幅。可以上限幅、下限幅和双限幅。 串联下限幅电路串联下限幅电路可调整限幅电平的下限幅电路可调整限幅电平的下限幅电路串联双限幅电路串联双限幅电路 V2 V1 理想二极管2、并联限幅电路、并联限幅电路 二极管处于与输出、输入相并的状态。二极管处于与输出、输入相并的状态。 并联下限幅电路并联下限幅电路限幅电平可调的并联下限幅电路限幅电平可调的并联下限幅电路 双限幅的另一个例子是输入保护二极管限幅。双限幅的另一个例子是输入保护二极管限幅。并联双限幅电路并联双限幅电路 上述限幅器都假定二极管为理想二极管，限幅电路上述限幅器都假定二极管为理想二极管，限幅电路的的实际输出波形会差一些实际输出波形会差一些。比如：。比如： 二极管正向二极管正向导通电阻不为导通电阻不为0 ，输出电压，输出电压幅度幅度会由于分压而会由于分压而减小减小。 二极管反向二极管反向截止电流不为截止电流不为 0，且，且有结电容有结电容输出电压会有输出电压会有残留波形残留波形。 输出端容性负载或分布电容，对输出波形的