数字电路课件第二章门电路

1、2. 2 半导体二极管及三极管第二章 门电路2. 3 半导体二极管及三极管的开关特性2. 4 分立元件门电路简介2. 5 TTL集成门电路2. 1 概述2. 6 场效应管及CMOS集成门电路作业：自我检测题(一)、(二)、(三)、(四) 、(五)习题：2.4、2.10、2.11、2.16、2.21 2.1（选做）、 2.5（选做） 用以实现逻辑运算的单元电路统称为门电路。一 、获得高低电平的基本原理二、 正逻辑与负逻辑2. 1 概述第2章 2.1逻辑状态：低电平(L) 、高电平(H)分别用0、1表示。正逻辑：L=0,H=1；负逻辑：H=0,L=1。在热力学温度零度(0k)和没有外界激发时,本征

2、半导体不导电。 把纯净的没有结构缺陷的半导体单晶称为本征半导体。 它是共价键结构。 本征半导体的共价键结构硅原子价电子第2章 2.2一、本征半导体 +4+4+4+4+4+4+4+4+42.2.1 半导体的导电特性2.2 半导体二极管及三极管+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴本征激发复合在常温下自由电子和空穴的形成成对出现成对消失第2章 2.2+4+4+4+4+4+4+4+4+4外电场方向空穴导电的实质是共价键中的束缚电子依次填补空穴形成电流。故半导体中有电子和空穴两种载流子。 空穴移动方向 电子移动方向 在外电场作用下，电子和空穴均能参与导电。 价电子填补空穴第2章 2.2+4+

3、4+4+4+4+4+4+4二、 杂质半导体1 . N 型半导体（电子型半导体）在硅或锗的晶体中掺入少量的五价元 素,如磷,则形成N型半导体。 磷原子+4+5多余价电子自由电子正离子第2章 2.2N 型半导体结构示意图少数载流子多数载流子正离子在N型半导体中,电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。第2章 2.2在四价元素中掺杂五价元素后，掺杂一个五价原子相当增加了一个电子和一个正离子。+4+4+4+4+4+4+4空穴2. P型半导体（空穴型半导体）在硅或锗的晶体中掺入少量的三价元素,如硼,则形成P 型半导体。 +4+4硼原子填补空位+3负离子第2章 2.2P 型半导体结构示意图电子是少数载流子负

4、离子空穴是多数载流子第2章 2.2在P型半导中, 空穴是多数载流子，电子是少数载流子。在四价元素中掺杂三价元素后，掺杂一个三价原子相当于增加了一个空穴和一个负离子。P 区N 区一、 PN 结的形成 用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,一侧形成P型半导体区域，另一侧形成N型半导体区域,这两个区域的交界处就形成了一个PN 结。N区的电子向P区扩散并与空穴复合P区的空穴向N区扩散并与电子复合空间电荷区内电场方向2.2.2 PN 结第2章 2.2多子扩散少子漂移内电场方向空间电荷区P 区N 区在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡， 空间电荷区的宽度基本上稳定下来。 第2章 2.2内电场方向

5、E外电场方向RI二、PN 结的单向导电性P 区N 区外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷N区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷空间电荷区变窄 扩散运动增强，形成较大的正向电流1. 外加正向电压第2章 2.2P 区N 区内电场方向ER空间电荷区变宽 外电场方向IR2. 外加反向电压外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走少数载流子越过PN结形成很小的反向电流 多数载流子的扩散运动难于进行第2章 2.2三、PN结电容PN结电容势垒电容 扩散电容 1. 势垒电容 PN结中空间电荷的数量随外加电压变化所形成的电容称为势垒电容，用 Cb 来表示。势垒电容不是常数，与PN结的面积

6、、空间电荷区的宽度和外加电压的大小有关。 载流子在扩散过程中积累的电荷量随外加电压变化所形成的电容称为扩散电容，用 Cd 与来示。 PN正偏时，扩散电容较大，反偏时，扩散电容可以忽略不计。2. 扩散电容 第2章 2.2 正极引线触丝N型锗支架外壳负极引线点接触型二极管一、二极管的结构和符号二极管的符号正极负极2.2.3 半导体二极管 正极引线二氧化硅保护层P型区负极引线 平面型二极管N型硅PN结PN结第2章 2.2半导体二极管图片附 录半导体二极管图片附 录半导体二极管图片附 录半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：附 录600400200 0.1 0.200.40.850

7、100I / mAU / V正向特性反向击穿特性硅管的伏安特性二、二极管的伏安特性反向特性死区电压I / mAU / V0.40.8 40 802460.10.2锗管的伏安特性正向特性反向特性0第2章 2.2三、二极管的主要参数1. 最大整流电流IOM2. 反向工作峰值电压URM3. 反向峰值电流IRM 二极管的应用范围很广,它可用与整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。 第2章 2.2N二氧化硅保护膜becN+P一、半导体三极管的结构分类及符号（a） 平面型Necb铟球铟球PP+（b）合金型2.2.4 半导体三极管第2章 2.21. NPN 型三极管集电区集电结基区发射结发

8、射区NN集电极c基极b发射极ePecb符号第2章 2.2bec集电区集电结基区发射结发射区N集电极c发射极e基极bNPPN2. PNP型三极管第2章 2.2cbe符号bec二、三极管的电流控制作用对于NPN型三极管应满足: UBE 0UBC VB VE对于PNP型三极管应满足:UBE 0即 VC VB IB同样有: IC IB所以说三极管具有电流控制作用,也称之为电流放大作用。第2章 2.2iBvBE0vCE 1V开启电压VON1. 三极管的输入特性 (p48)iB = f (vBE )vC E = 常数2.2.5 三极管的特性曲线第2章 2.2硅管:VON=0.50.7V锗管:VON=0.2

9、0.3ViB = 常数iC = f (vCE )2. 三极管的输出特性第2章 2.2iB =40AiB =60AvCE 0iC iB增加iB 减小iB = 20A饱和区iB =0截止区放大区放大区： iC= iB饱和区：Vces0.3V截止区：i cEo1A2.3.1 二极管的开关特性一、二极管开关电路2.3 半导体二极管及三极管的开关特性二极管具有单向导电性：正向偏置(阳极接电源正极,阴极接电源负极)时导通;反向偏置时截止。一般硅二极管两端的正向电压0.7V时才导通。二极管导通后具有钳位作用。二、二极管等效模型(c)为理想二极 管模型。(b)为理想二极管+恒压源模型。(a)为理想二极 管+恒

10、压源模 型+ rD模型三、二极管动态特性TreTre为反向恢复时间，是反向电流衰减到峰值的1/10所经过的时间。Tre数值很小，约几纳秒。2.3.2 双极型三极管的开关特性(1) vIVON (vI =VIL) ,T处于截止区。iB=0, iC=0, vO =VOH=VCC(2) vI VON ,T进入放大区。 iB=（ vI - VON ）/ RB vO=VCC - iC RC= VCC - iB RC Av= - vO / vI一、 双极型三极管的基本开关电路(3) vI 大到一定程度，T进入饱和区。 vO = VOL 0 V (VCES=0.3V)vI低截止vO高vI高饱和vO低饱和条件

11、：临界饱和基极电流：IBS= ICS/ = (VCC-VCES)/ RC 进入饱和后: iB IBS。 iB再增加 iC不变。iB iC/ 。 vO= VOL。饱和程度越深， VOL数值越小。只要合理选择电路参数，可使：vI =VIL 时,vBE IBS, 三极管饱和,vO = VOL三极管相当一个受vI控制的开关。（放大区为过渡状态）判断三极管工作状态的解题步骤：1. 由输入回路计算开路电压VBE（开） 若VBE（开）0.7V，则三极管导通。2. 若三极管导通，由输入回路计算出IB ,由输出回路计算出IBS。 若IB IBS, 则三极管饱和； 若IB 1BECY A三、 三极管非门（反相器）

12、设 uA= 3V，T饱和导通+12VRcT12VRBRAAYuY=0.3VuY= 0.3VY= 0第2章 2.4 设 uA= 0V， T截止 ， A1YY = A+12VRcT12VRBRkAYU Y 12V ，Y= 1由以上分析可知：当A为低电平时，输出端为高电平。当A为高电平时，输出端为低电平。正好符合非门的逻辑关系。第2章 2.4EYA可靠截止【例2.3.1】一、TTL非门的电路结构及工作原理2.5 TTL集成门电路第2章 2. 51.电路结构输入级：T1、R1倒相级：T2、R2 、R3输出级：T4、T5 、D2 、R4D1：保护二极管vB1=1Vvo=3.6V 设 vI= 0.3V 则

13、 vB1= 0.3+0.7= 1VT2 、T5 截 止 T4 、D2导 通vo= 5 Vbe4 VD2 = 5 0.7 0.7 = 3.6V Y= 1第2章 2.5 vC2 5V(5V)第2章 2.5 vB1=2.1Vvo=0.3VvC2=1V设 vI=3.6V ，vB1升高，足以使 T2 ,T5导通，三个PN结的钳位作用使vB1=2.1V，T1发射结反偏。vC2=vCE2+vBE5=0.3+0.7=1V，不足以使T4 、D2同时导通,T5导通， T4 、D2截止， vo=0.3V, Y=0(5V) 由以上分析可知： 当输入端A为高电平时，输出端Y为低电平; 当输入端A为低电平时，输出端Y为高

14、电平. 正好符合非门的逻辑关系。第2章 2.5Y= AA1Y第2章 2.5重点掌握：输入、输出两头管子的工作状态。 即： vI=“0”时： （入端）T1饱和导通，（出端）T5截止、T4导通。vo=“1” vI=“1”时： （入端）T1倒置， （出端）T5导通、T4截止。 vo=“0”输出级工作特点：T4、T5总是一个导通一个截止；作用：有效降低输出级的静态功耗，并提高了驱动能力；称为推拉式电路（push-pull circuit).D2的作用：确保T5饱和导通时，T4可靠地截止。2.电压传输特性第2章 2. 5AB段（截止区） vI0.6VBC段 （放大区）0.7V vI 1.3VCD段 转折

15、区 VTH=1.4V阈值电压（饱和区）3.输入噪声容限第2章 2. 5指保证输出高、低电平基本不变的条件下,输入电平的允许波动范围。2.4V0.4V0.8V2.0V开门电平: VON =VIH(min)关门电平: VOFF=VIL(max)74系列门电路标准参数如图。输入高电平噪声容限：VNH=VOH(min)- VIH(min)输入低电平噪声容限：VNL=VIL(max)- VOL(max)VNH= 0.4VVNL = 0.4V1.输入特性二、TTL反相器的静态输入特性和输出特性第2章 2. 5IISVTHIIS ： 输入短路电流( vI 0)VTH：阈值电压(1.4V) IIL1mAIIH

16、 40A0.04mAvI 1. 4V, T1倒置。(1)高电平输出特性2.输出特性第2章 2. 5（带拉电流负载）负载电流iL增大时VOH下降IOH 0. 4mA （查手册）第2章 2. 5(2) 低电平输出特性（带灌电流负载）负载电流iL增大时VOL增大IOL 16mA（VOL 0. 2V时）第2章 2. 5 门电路的扇出系数门电路的扇出系数指门电路可以驱动同类型门的数目，这个数目越大说明门电路带负载能力越强。74系列反相器可以驱动同类型反相器的最大数目是N=10。IIL1mAIIH 40A0.04mAIOH 0. 4mA（查手册）IOL 16mA（VOL 0. 2V时）3.输入负载特性 V

17、I=f (RP)第2章 2. 51.4VRP和R1分压,相当加了vI。RP大， VI大； RP小，VI小。当VI =1.4V时, RP再大, VI不变。开门电阻R0N 2k ，关门电阻R0FF 700。（TTL特有）三、反相器的动态特性第2章 2. 5传输延迟时间可从产品手册查出TTL门电路存在传输延迟时间.第2章 2. 5四、其他类型的TTL门电路输入为多发射极三极管结构。输入全为1才相当于输入高电平；一个或一个以上输入为0，相当于输入低电平。 1. 其它逻辑功能的门电路 (1) 与非门+5VABCT1R1R2T2T3T4T5R3R5R4YT1等效电路+5vA B C R1C1B1第2章 2

18、.5* TTL与非门的电路结构及工作原理 (了解）+5VABCT1R1R2T2T3T4T5R3R5R4uo (Y) 设 uA= 0.3V 则 VB1= 0.3+0.7= 1Vuo= 5 ube3 ube4 = 5 0.7 0.7= 3.6VY= 1VB1=1Vuo=3.6V+5vA B C R1 C1B1T2 、T5 截 止T3、 T4导 通第2章 2.5+5VABCT1R1R2T2T3T4T5R3R5R4uo (Y)设 uA=uB=uC=3.6V ，输入端全部是高电平， VB1升高，足以使T2 ,T5导通，uo=0.3V,Y=0。且VB1=2.1V，T1发射结全部反偏。VC2=VCE2+VB

19、E5=0.3+0.7=1V，使T3导通，T4截止。VB1=2.1VVC2=1Vuo=0.3V5vA B C R1 C1B1第2章 2.5由以上分析可知： 当输入端A、B、C均为高电平时，输出端Y为低电平。当输入端A、B、C中只要有一个为低电平，输出端就为高电平,正好符合与非门的逻辑关系。ABCY&Y=ABC第2章 2.5 TTL与非门组件 TTL与非门组件就是将若干个与非门电路，经过集成电路工艺制作在同一芯片上。 &+VCC14 13 12 11 10 9 8 1 2 3 4 5 6 7地74LS00&74LS00组件含有两个输入端的与非门四个。第2章 2.5（2） 或非门结构： T1、 T2

20、 、 R1 组成的单元电路与不带“ ”的单元电路相同； T2与 T2 并联。原理：有1则0； 全0才1。 Y=A+B （3）与或非门AB全1，则0或CD全1，则0。AB有0，同时CD有0，则1所以：Y=AB+CD (4) 异或门2. 集电极开路门电路 (OC门)(1) 问题的提出:普通TTL门 输出端不能并联使用.(如果输出一高一低，将烧毁。) 输出高电平固定. 不能驱动大电流、高电压 负载.第2章 2. 4工作时需外接上拉负载电阻RL及电源VCC(2) OC门的结构 为了使门电路输出端并联使用，采用集电极开路结构.VA， VB全高，T2， T5饱和导通，VO=VOL=VCESVA， VB至少

21、一低，则T2， T5截止，VO=VOH=VCC第2章 2. 4线与连接线与: 将两条输出线直接连接在一起.(3) OC门的特点 输出端可以并联使用，实现“线与”功能。 最大负载电流 IL=40mA 截止时耐压 VCEm=30V 有较强的驱动能力, 所以可以带小容量继电器。 第2章 2. 4(4) 例: OC门 SN7407(5) RL的计算 (自学)* 与门、或门、或非门等都可以做成OC门结构。选RL(min) R RL(max) 第2章 2. 4 3. 三态输出门电路(TS门) 门输出有三种可能出现的状态: 逻辑1、逻辑0、高阻态。 电路增加了控制端（使能端）EN。EN=1时: Y=ABEN

22、=0时: Y为高阻态EN为高电平有效.功能：符号:ABENYEN特点:第2章 2. 4EN高电平有效EN低电平有效EN=1时:附加电路无作用。电路同与非门。EN=0时:T4、T5均截止，高阻EN=0时:附加电路无作用，电路同与非门。EN=1时:T4、T5均截止，高阻结构：保留TTL有源负载的优点，增加了使能端EN、两个非门、一个二极管第2章 2. 4控制各EN轮流为1可把各门的输出信号互不干扰地轮流传送到公共总线（bus）上应用（1）：三态输出门接成总线结构（微机）* 任何时刻，只能一个门使能，不能“线与”。第2章 2. 4EN=1时，G1工作， G2高阻 D0经G1反相后送入总线EN=0时，

23、G2工作， G1高阻 D1经G2反相后送出。应用（2）：三态输出门实现数据的双向传输五、TTL电路改进系列 （自学）第2章 2. 4一、74H系列： 高速系列二、74S系列： 肖特基系列，如图2.4.37, 速度更高。三、74LS系列：低功耗肖特基系列，功耗进一步降低，延迟功耗积最小。总结：不同系列TTL门电路的性能比较四、74AS和74ALS系列 （1）74AS：先进的肖特基系列。速度提高，但功耗加大。 （2）74ALS：先进的低功耗肖特基系列。五、54、54H、54S、54LS系列: 温度T：-55+125（74系列为070） 电源电压：5V10%（ 74系列为5V5%）2.6 场效应管及

24、CMOS门电路第2章 2. 6一、金属氧化物半导体场效应管(MOS管) （p52）图2.2.11 MOS管的结构和符号N沟道增强型(绝缘栅)场效应管（NMOS管)(TTL NPN)符号DBSG1. 结构和符号 SiO2 (0.1m)厚P型硅衬底源极S栅极G漏极D 衬底引线BN+N+N沟道模电1.4.2节NMOS管结构示意图SiO2P型硅衬底耗尽层衬底引线BN+N+SGDvDSID = 0 D与S之间是两个PN结（背靠背）反向串联，无论D与S之间加什么极性的电压，漏极电流均接近于零。2. 工作原理 (1) vGS =0第2章 2. 6CBNPN+ + +EDBSG + +P型硅衬底N+BSGD。

25、耗尽层ID = 0(2) 0 vGS VGS(th)P型硅衬底N+BSGD。vDS耗尽层IDN型导电沟道N+N+vGS第2章 2. 6DBSG + +当vGSvGS(th)后: 漏极电流ID将随vDS增加而增大。 沟道存在电位梯度,厚度不均,近S区厚,近D区薄。 当vDS增大到一定数值(vGD=vGS-vDS=vGS(th)时,沟道 近漏端被夹断。 预夹断后,vDS再增加沟道近漏端将产生夹断区。 沟道夹断后,vDS再增加,ID基本不变(进入饱和恒流区)。第2章 2. 64321051015UGS =5V6V4V3V2ViD /mAvDS =10V(增强型 NMOS 管的特性曲线) 0123恒流

26、区 iD取决于vGS(放大)可变电阻区RON反比于vDS246vGS / V3. 特性曲线vGS(th)输出特性转移特性 vDS / VID /mA截止区vGSvGS(th),ID=0第2章 2. 6N型硅衬底N+BSGD。耗尽层图2.2.16 PMOS管结构示意图P沟道 P沟道绝缘栅场效应管（PMOS）PMOS管与NMOS管互为对偶关系，使用时vGS 、vDS的极性也与NMOS管相反。 P+P+UGSUDSIDSGDB符号第2章 2. 6CBEPNP - -二、MOS三极管的开关特性(1)vI= vGS vGS(th),恒流区,放大 (3) vI 再增加，Ron下降,当RD Ron，VOL0

27、 (开关闭合)1. MOS三极管的基本开关电路第2章 2. 6结论：参数选择合理时， vI L vOH vI H vOL VDDRDRGvIvODSG2. MOS三极管开关等效电路CI 代表栅极输入电容, 存在动态滞后现象。第2章 2. 6Ron1kVDDRDRGvIvODSG第2章 2. 63. 三极管、 MOS管的比较CBNPN + + +ENMOSN沟道(增强型)DBSG + + +PMOSP沟道(增强型)SGDB - - -电流控制电流源电压控制电流源CBEPNP - -1. CMOS反相器vIvOT1+VDDT2三、 CMOS门电路 (互补对称式MOS电路) (p93)第2章 2.

28、6连接： 两栅极G连接成输入端 vI 两源极S分别接地、VDD 两漏极D连接成输出端 vO (1)、电路结构N沟道增强型绝缘栅场效应管T2工作管P沟道增强型绝缘栅场效应管T1有源负载管CMOS门 互补对称的金属氧化物 半导体场效应管门电路第2章 2. 6(2)、工作原理正常工作条件：（a）当vIL=0V时，T1通（Ron1k） T2止（108 109 ） 所以vO = vOH VDD（b）当vIH= VDD时，T1止， T2通， 所以vO = vOL 0V所以，完成非门的逻辑功能。vIvOT1+VDDT2iD第2章 2. 6T1和T2参数对称时,阈值电压VTH=1/2 VDD接近理想的开关特性

29、。(与TTL相比）2. CMOS反相器的传输特性（1）、电压传输特性vOvI条件 且 则 （a）AB、CD两段 （静态）（b）过渡过程 处iD最大，但时间极短。所以CMOS反相器是微功耗器件。（2）、电流传输特性iDvIABTP1TP2TN1TN2+VDDY3. CMOS与非门TP1 与TP2并联负载管，一通则通；TN1 与TN2串联工作管；全通才通；当A、B都是高电平时，TN1 与TN2同时导通TP1 与TP2同时截止；输出Y为低电平。当A、B中有一个是低电平时，TN1 与TN2中有一个截止，TP1 与TP2中有一个导通，输出Y为高电平。第2章 2. 6图2.6.18 CMOS与非门实际应用

30、中的问题？第2章 2. 6Y=A+B=A B 带缓冲器的CMOS与非门（CC4000系列和74HC系列）如此解决了输出电阻受输入状态的影响，输出高、低电平受输入端数目影响的问题。4. CMOS或非门当A、B中有一个是高电平，TN1 与TN2中有一个导通，TP1 与TP2中有一个截止，输出Y为低电平。当A、B都是低电平时，TN1 与TN2同时截止，TP1 与TP2同时导通；输出Y为高电平。第2章 2. 6图2.6.19 CMOS或非门BTP1TP2TN1TN2+VDDAY第2章 2. 6 带缓冲器的CMOS或非门Y= A B = A+B输出电阻、输出高低电平、电压传输特性不受输入端状态的影响。5

31、.漏极开路门 (OD门)第2章 2. 6作用与TTL电路的OC门类似输出缓冲/驱动器为漏极开路结构Y= A B = A B可以实现线与6. CMOS传输门和双向模拟开关 第2章 2. 6T1 (NMOS）T2（PMOS）结构对称。C、C为控制端VI在0VDD范围内变化时， T1、 T2 至少有一个导通，可实现信号的双向传输。vICvo第2章 2. 6 分析CMOS传输门的工作情况 高电平：VDD10V低电平：0VC=0、C=1时：vI在0VVDD之间变化时，T1和T2均截止， 输出高阻态，相当于开关断开； C=1、C=0时：vI在0VVDD之间变化时,T1和T2至少有一个导通, vO = vI

32、 ，相当于开关接通。PMOSNMOS功能为： 双向开关 vI ：0+7V， T1通， +3+10V， T2通。vICvo第2章 2. 6 CMOS双向模拟开关 （传输门的重要用途） CMOS传输门 + 反相器 = 双向模拟开关 输入和输出可互换使用。 用以传送连续变化的模拟信号。 （一般逻辑门无法实现） 传输门的其它重要用途 CMOS传输门CMOS反相器各种复杂逻辑电路 （数据选择器、寄存器、计数器等）7. CMOS三态非门控制端EN低电平有效。当EN=0时， TN TP同时导通，非门正常工作，Y=A；当EN=1时， TN TP同时截止，输出端呈高阻状态。TPTNTN+VDDAYTPEN1第2章 2. 6图2.6.28 CMOS三态非门符号说明：EN端有圆圈， 表示低电平使能，即工作状态； 高电平为高阻态。（CMOS TS门）第2章 2. 6 CMOS门输入负载特性无论RP阻值多大 , vI=