数电课件新-第三章

《数字电子技术基础》（第五版）教学课件

刘伯恕福州大学电气工程与自动化学院电工电子教学中心第三章门电路3.1概述门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如与门、与非门、或门······门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1/0正逻辑：高电平表示1，低电平表示0

负逻辑：高电平表示0，低电平表示1

高/低电平都有一个允许的范围门电路分类：分立元件门电路集成门电路分立元件门电路介绍二极管与门、或门集成门电路介绍应用最为广泛的CMOS门电路和TTL门电路双极型三极管组成TTL门电路，功耗大制作中、小规模集成电路（MSI,SSI）单极型三极管（互补MOS管）组成CMOS门电路，低功耗大规模集成电路（LSI）3.2半导体二极管门电路

半导体二极管的结构和外特性

（Diode）二极管的结构：

PN结+引线+封装构成(P)(N)D二极管的开关等效电路：3.2.1二极管的开关特性：RL较小二极管的开关等效电路：理想二极管3.2.2二极管与门设VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二极管导通时VON=0.7VABY0V0V0V3V3V0V3V3VABY000010100111规定3V以上为10.7V以下为0（正逻辑）0.7V0.7V0.7V3.7V3.2.3二极管或门设加到A,B的VIH=3VVIL=0V二极管导通时VON=0.7VABY0V0V0V3V3V0V3V3VABY000011101111规定2.3V以上为10V以下为00V2.3V2.3V2.3V二极管构成的门电路的缺点电平有偏移带负载能力差只用于IC内部电路，不直接带负载3.3CMOS门电路

3.3.1MOS管的开关特性一、MOS管的结构金属层氧化物层半导体层S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底以N沟道增强型为例：以N沟道增强型为例：当加+VDS时，VGS=0时，D-S间是两个背向PN结串联，iD=0开启电压加上+VGS，且足够大至VGS>VGS(th),D-S间形成导电沟道（N型层）对于N沟道增强型:二、输入特性和输出特性输入特性：直流电流为0，没有输入特性。看进去有一个输入电容CI，对动态有影响。输出特性：

iD=f(VDS)对应不同的VGS下得一族曲线。漏极特性曲线（分三个区域）截止区恒流区可变电阻区漏极特性曲线（分三个区域）截止区：VGS<VGS(th)，iD=0,ROFF>109Ω漏极特性曲线（分三个区域）

可变电阻区：当VDS较低（近似为0），VGS一定时，这个电阻受VGS控制、可变。截止区和可变电阻区可作开关状态用，这和三极管截止饱和是一样的。漏极特性曲线（分三个区域）恒流区：iD

基本上由VGS决定，与VDS关系不大三、MOS管的基本开关电路四、等效电路OFF，截止状态

ON，导通状态五、MOS管的四种类型1、N沟道增强型导电沟道是N型，所以衬底是P型。2、N沟道耗尽型五、MOS管的四种类型导电沟道是N型。3、P沟道增强型五、MOS管的四种类型4、P沟道耗尽型五、MOS管的四种类型3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理一、电路结构DDSSDDSS反相器结构简单，利用NMOS与PMOS导电的互补性，叫互补对称式MOS电路，称CMOS电路。CMOS电路优点：静态时，流过T1T2的静态电流很小，始终有一个截止功耗为0；输出的高电平基本上是VDD，电源利用率高。二、电压、电流传输特性DDSS二、电压、电流传输特性DDSS二、电压、电流传输特性DDSS二、电压、电流传输特性连起来：DDSS电压传输特性三、输入噪声容限结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限电流传输特性DDSS3.3.3CMOS反相器的静态输入和输出特性一、输入特性二、输出特性二、输出特性3.3.4CMOS反相器的动态特性一、传输延迟时间---输出电压变化落后于输入电压变化的时间称之。3.3.4CMOS反相器的动态特性一、传输延迟时间负载电容CL：当负载为下一级反相器时，下一级反相器的输入电容和接线电容就构成了这一级的负载电容。低高通截低高通截二、交流噪声容限（自学）三、动态功耗三、动态功耗

3.3.5其他类型的CMOS门电路一、其他逻辑功能的门电路1.与非门两个PMOS并联，两个NMOS串联2.或非门一、其他逻辑功能的门电路二、漏极开路的门电路（OD门）

菱形表示OD门(a)结构符号虚框内菱形表示OD门三、CMOS传输门及双向模拟开关1.传输门并联，工作状态受C、C控制。TP的B接高电平TN的B接低电平假如uo加电阻接地TPTNSDDS2.双向模拟开关四、三态输出门三角形表示三态门三态门的用途3.5TTL门电路

3.5.1半导体三极管的开关特性一、双极型三极管的结构管芯+三个引出电极+外壳二、三极管的输入特性和输出特性

三极管的输入特性曲线（NPN）与二极管正向特性相似。

特性曲线分三个部分放大区：特点VBE=0.7V,VCE>0.7V,IB>0,IC=βIB。饱和区：特点VBE=0.7V,IB>0。IB增加，IC不再增加，VCE0。截止区：特点VBE0V,IB=0,IC=0,c—e间“断开”。三极管的输出特性三、双极型三极管的基本开关电路只要参数合理：VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T导通，VO=VOL四、三极管的开关等效电路截止状态饱和导通状态CE之间是断开的开关CE之间近似是闭合的开关六、三极管反相器三极管的基本开关电路就是反相器 实际应用中，为保证 VI=VIL时T可靠截止，常在 输入接入负压。

参数合理？VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T饱和，VO=VOL五、动态开关特性（自学）例3.5.1：计算参数设计是否合理5V-8V3.3KΩ10KΩ1KΩβ=20VCE(sat)=0.1VVIH=5VVIL=0V例3.5.1：计算参数设计是否合理将基极外接电路化为等效的VB与RB电路当当又因此，参数设计合理3.5.2TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构设

二、电压传输特性二、电压传输特性二、电压传输特性需要说明的几个问题：

三、输入噪声容限3.5.3TTL反相器的静态输入特性和输出特性

例：扇出系数（Fan-out），试计算门G1能驱动多少个同样的门电路负载。输入输出3.5.4TTL反相器的动态特性一、传输延迟时间1、现象二、交流噪声容限（自学）三、电源的动态尖峰电流（自学）3.5.5其他类型的TTL门电路一、其他逻辑功能的门电路1.与非门2.或非门二、集电极开路的门电路1、推拉式输出电路结构的局限性①