数字电路课件

第三章门电路§3.2半导体二极管和三极管的开关特性§3.3最简单的与、或、非门电路§3.4TTL门电路§3.1概述§3.6CMOS门电路§3.7其他类型的MOS门电路*§3.8TTL电路与CMOS电路的接口*§3.5其他类型的双极型数字集成电路*第三章门电路§3.2半导体二极管和三极管的开关特性§3.1§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获得高、低电平的基本原理高/低电平都允许有一定的变化范围§3.1概述门电路：实现基本运算、复合运算的单元电2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正逻辑：高电平表示1，低电平表示03根据制造工艺不同可分为单极型和双极型两大类。门电路中晶体管均工作在开关状态。首先介绍晶体管和场效应管的开关特性。然后介绍两类门电路。注意：各种门电路的工作原理，只要求一般掌握；而各种门电路的外部特性和应用是要求重点。当代门电路（所有数字电路）均已集成化。根据制造工艺不同可分为单极型和双极型两大类。门4§3.2半导体二极管和三极管的开关特性一、半导体二极管（Diode）的结构和外特性二极管的结构：

PN结+引线+封装构成PN§3.2半导体二极管和三极管的开关特性一、半导体二极管（D5在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。PNPN结图PN结的形成一、PN结的形成PN结在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体6二极管的开关特性：高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0VI=VIH

D截止，VO=VOH=VCCVI=VIL

D导通，VO=VOL=0.7V二极管的开关特性：高电平：VIH=VCCVI=VIH71.开关电路举例2.静态特性伏安特性等效电路在数字电路中重点在判断二极管开关状态，因此必须把特性曲线简化。（见右侧电路图）有三种简化方法：输入信号慢变化时的特性。1.开关电路举例2.静态特性伏安特性等效电路在8二极管的开关等效电路：二极管的开关等效电路：93.动态特性当外加电压突然由正向变为反向时，二极管会短时间导通。tre这段时间用tre表示，称为反向恢复时间。输入信号快变化时的特性。DRLi它是由于二极管正向导通时PN结两侧的多数载流子扩散到对方形成电荷存储引起的。3.动态特性当外加电压突然由正向变为反向时，二101、N沟道增强型MOS场效应管结构P型衬底N+N+BGSDSiO2源极S漏极D衬底引线B栅极G图3.3.1

N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图SGDB二、MOS的开关特性1、N沟道增强型MOS场效应管结构P型衬底N+N+111.工作原理绝缘栅场效应管利用UGS

来控制“感应电荷”的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，以控制漏极电流ID。2.工作原理分析(1)UGS=0漏源之间相当于两个背靠背的PN结，无论漏源之间加何种极性电压，总是不导电。SBD1.工作原理绝缘栅场效应管利用UGS12导电沟道(反型层)源极Source漏极Drain栅极Gate称为N沟道增强型场效应管导电沟道将源区和漏区连成一体。此时在D,S间加电压，将形成漏极电流iD。当大于VGS(th)时，将出现导电沟道。VGS(th)称为开启电压，与管子构造有关。显然，导电沟道的厚度与栅源电压大小有关。而沟道越厚，管子的导通电阻RON越小。因而，若不变，就可控制漏极电流iD。因此，把MOS管称为电压控制器件。SDB导电沟道(反型层)源极漏极栅极称为N沟道增强型场效应管导电沟13输入特性：直流电流为0，看进去有一个输入电容CI，对动态有影响。输出特性： 对应不同的VGS下得一族曲线。2、输入特性和输出特性输入特性：直流电流为0，看进去有一个输入电容CI，对动态有影14输出特性曲线（漏极特性曲线：分三个区域）截止区：VGS<VGS(th)，iD

=0,ROFF>109Ω恒流区：iD基本上由VGS决定，与VDS关系不大截止区：VGS<VGS(th)，iD

=0,ROFF>109Ω恒流区：iD基本上由VGS决定，与VDS关系不大可变电阻区：当VDS较低（近似为0），VGS

一定时，这个电阻受VGS控制、可变。输出特性曲线（漏极特性曲线：分三个区域）截止区：VGS<VG153、MOS管的基本开关电路3、MOS管的基本开关电路164、MOS管的开关等效电路OFF截止状态ON导通状态4、MOS管的开关等效电路OFF截止状态175、MOS管的四种类型增强型耗尽型大量正离子导电沟道5、MOS管的四种类型增强型大量正离子导电沟道18P沟道增强型MOS管的漏极特性P沟道增强型MOS管的开启电压UGS(th)<0当UGS<UGS(th)，漏-源之间应加负电源电压管子才导通,空穴导电。P沟道增强型MOS管的漏极特性P沟道增强型MOS管的开启电压19一、反向器（非门）（一）工作原理N沟道管开启电压VGS(th)N记为VTN;P沟道管开启电压VGS(th)P记为VTP;要求满足VDDVTN+|VTP|;输入低电平为0V；高电平为VDD;（1）输入为低电平0V时；T2截止；T1导通。iD=0，=VDD;（2）输入为高电平VDD时；T1截止；T2导通。iD=0，=0V;输入与输出间是逻辑非关系。§3.3.2CMOS反相器的电路和工作原理一、反向器（非门）（一）工作原理N沟道管开启电压VGS(th20特点：静态功耗近似为0；电源电压可在很宽的范围内选取。在正常工作状态，T1与T2轮流导通，即所谓互补状态。CC4000系列CMOS电路的VDD可在3－18V之间选取。特点：静态功耗近似为0；电源电压可在很宽的范围211.电压传输特性VVT2截止，T1导通T1截止，T2导通T1，T2都导通阈值电压转折区变化率大，特性更接近理想开关。阈值电压为VDD

的一半，特性对称，因而输入端噪声容限较大。CC4000系列CMOS电路的噪声容限为：（允许输出电压变化百分之十）VNH=VNL=30%VDD特点：1.电压传输特性VVT2截止，T1导通T1截止，T2导通T1222.电流传输特性A当T1,T2都导通时，iD不为0；输入电压为VDD/2时，iD较大，因此不应使其长期工作在BC段。在动态情况下，电路的状态会通过BC段，使动态功耗不为0；而且输入信号频率越高，动态功耗也越大，这成为限制电路扇出系数的主要因素。2.电流传输特性A当T1,T2都导通时，iD不为0；输入电压23(二)静态特性

1.输入特性由于MOS管栅极绝缘，输入电流恒为0，但CMOS门输入端接有保护电路，从而输入电流不为0。AiI由曲线可看出，输入电压在0－VDD间变化时，输入电流为0；当输入电压大于VDD时，二极管D1导通；当输入电压小于0V时，二极管D2导通。二极管D2和电阻RS串联电路的特性二极管D1的特性(二)静态特性

1.输入特性由于MOS管栅242.输出特性(1)输出低电平0VDD增加相当于T2的VGS增加

T2工作在可变电阻区，有较小的导通电阻，当负载电流增加时，该电阻上的压降将缓慢增加。对于CC4000系列门电路，当VDD=5V时，IOL的最大值为0.51mA；而在74HC系列中，该值为4mA。2.输出特性(1)输出低电平0VDD增加相当于T2的VG25(2)输出高电平00IOHVDDVOHVOH=+VDD与输出低电平类似，此时T1工作在可变电阻区；当负载电流增加时，T1的VDS增加，导致输出下降。此时，IOH的最大值，与输出低电平时相同。(2)输出高电平00IOHVDDVOHVOH=26（三）动态特性1.传输延迟时间(1)MOS管在开关过程中无电荷存储，有利于缩短延迟时间；

(2)MOS管的导通电阻比TTL电路大的多，所以其内部电容和负载电容对传输延迟时间的影响非常显著。导通电阻受VDD影响，所以，VDD也影响传输延迟时间；

(3)CMOS门的输入电容比TTL电路大的多，因此负载个数越多，延迟时间越大；CMOS门的扇出系数就是受传输延迟时间和下面要介绍的动态功耗等动态特性限制的。（三）动态特性1.传输延迟时间(1)MOS管在开关过程中无272.交流噪声容限3.动态功耗与TTL电路类似，当噪声电压作用时间tW小于电路的传输延迟时间时，输入噪声容限VNA将随tW缩小而明显增大。传输延迟时间与电源电压和负载电容有关，因此VDD和CL都对输入噪声容限有影响。动态情况下，T1,T2会短时同时导通，产生附加功耗，其值随输入信号频率增加而增加。定量估算可得动态功耗PC的公式：PC=CLfV2DD负载电容经T1、T2充、放电，也会产生功耗。2.交流噪声容限3.动态功耗与TTL电路类似，28二、其他类型的CMOS门电路1.其他逻辑功能的门电路与非门或非门二、其他类型的CMOS门电路与非门或非门29设：MOS管的导通电阻为RON、门电路的输出电阻为RO。2RONRON/211RONR0N01RONRON10RON/22R0N00RO（与非)RO（或非）BA输出高电平偏低输出低电平偏高与非门特点：N沟道管串联、P沟道管并联；输出电阻随输入状态变化。设：MOS管的导通电阻为RON、门电路的输出电303.带缓冲级的CMOS门电路特点：输出电阻恒为RON；输出电平和电压传输特性都不受输入状态影响。3.带缓冲级的CMOS门电路特点：输出电阻恒为RON；输出电313.漏极开路的门电路（OD门）普通CMOS门不能接成线与形式。线与是指具有高阻输出的器件（各类门电路），直接连接，自动完成与逻辑的功能的连接方式。3.漏极开路的门电路（OD门）普通CMOS门不能接32（三）漏极开路门电路（OD）普通CMOS门不能接成线与形式。

OD门输出端只是一个N沟道管，因此可以按OC门的办法连成总线形式。特点：VDD1和VDD2可取不同值；允许灌入电流较大。如：CC40107在VOL<0.5V的条件下，允许灌入的最大电流可达50mA。（三）漏极开路门电路（OD）普通CMOS门不能接成33CMOS传输门（TG）栅极控制电压为互补信号，如C=0，C=VDD工作原理：当C=0V，C=VDD时TN和TP均截止，VI由0～VDD变化时，传输门呈现高阻状态，相当于开关断开，CL上的电平保持不变，这种状态称为传输门保存信息当C=VDD，C=0V时，VI在VT～VDD范围变化时TP导通即VI在0～VDD范围变化时，TN、TP中至少有一只管子导通，使VO=VI，这相当于开关接通，这种状态称为传输门传输信息VI由0～（VDD-VT）范围变化时TN导通返回CMOS电路CMOS传输门（TG）栅极控制电压为互补信号，如C=034CMOS传输门（TG）工作原理：1、当C为低电平时，TN、TP截止传输门相当于开关断开，传输门保存信息2、当C为高电平时，TN、TP中至少有一只管子导通，使VO=VI，这相当于开关接通，传输门传输信息由此可见传输门相当于一个理想的开关，且是一个双向开关逻辑符号输入输出门控制信号返回CMOS电路CMOS传输门（TG）工作原理：1、当C为低电平时，35VGS(th)PVGS(th)NVDD0VN沟道管导通P沟道管导通分析原理。先分析只有一个管时的情况：单管工作的缺点是：1.有死区；2.导通电阻随输入电压变化很大。采用双管可克服这些缺点。VGS(th)PVGS(th)NVDD0VN沟道管导通P沟道36双向模拟开关双向模拟开关375.三态输出门5.三态输出门38三、双极型三极管的开关特性双极型三极管的结构管芯+三个引出电极+外壳三、双极型三极管的开关特性双极型三极管的结构39基区薄低掺杂发射区高掺杂集电区低掺杂基区薄发射区高掺杂集电区低掺杂40beceRcRbIEpICBOIEICIBIEnIBnICn以NPN为例说明工作原理：当VCC>>VBBbe结正偏,bc结反偏e区发射大量的电子b区薄，只有少量的空穴bc反偏，大量电子形成IC发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区—形成发射极电流

IE(基区多子数目较少，空穴电流可忽略)。电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流Ibn，复合掉的空穴由VBB补充。集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流

Icn。其能量来自外接电源VCC。beceRcRbIEpICBOIEICIBIEnIBnICn411、三极管的输入特性曲线（NPN）VON：开启电压硅管，0.5~0.7V锗管，0.2~0.3V近似认为:VBE<VONiB=0VBE≥VONiB

的大小由外电路电压，电阻决定

1、三极管的输入特性曲线（NPN）VON：开启电压422、三极管的输出特性（NPN）固定一个IB值，即得一条曲线，在VCE>0.7V以后，基本为水平直线2、三极管的输出特性（NPN）固定一个IB值，即得一条曲线，43特性曲线分三个部分：放大区：条件VCE>0.7V,iB>0,iC随iB成正比变化，ΔiC=βΔiB。饱和区：条件VCE<0.7V,iB>0,VCE很低，ΔiC

随ΔiB增加变缓，趋于“饱和”。截止区：条件VBE=0V,iB=0,iC=0,c—e间“断开”。特性曲线分三个部分：443、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=VOL3、双极型三极管的基本开关电路只要参数合理：45工作状态分析：工作状态分析：46图解分析法：图解分析法：474、三极管的开关等效电路截止状态饱和导通状态4、三极管的开关等效电路截止状态饱和导通状态485、三极管的动态开关特性从二极管已知，PN结存在电容效应。在饱和与截止两个状态之间转换时，iC的变化将滞后于VI，则VO的变化也滞后于VI。5、三极管的动态开关特性从二极管已知，PN结存在电容效应。49一、二极管与门设VCC=5V,加到A,B的VIH=3V，VIL=0V，二极管导通时VDF=0.7VABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY000010100111规定3V以上为10.7V以下为0§3.45TTL门电路一、二极管与门设VCC=5V,加到A,B的VIH=3V50二、二极管或门设VCC=5V,加到A,B的VIH=3V，VIL=0V，二极管导通时VDF=0.7VABY0V0V0V0V3V3.3V3V0V3.3V3V3V3.3VABY000011101111规定3.3V以上为10V以下为0二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。二、二极管或门设VCC=5V,加到A,B的VIH=3V51三、三极管非门（反相器）三极管的基本开关电路就是非门， 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导通，VO=VOL三、三极管非门（反相器）三极管的基本开关电路就是非门，参525V-8V3.3KΩ10KΩ1KΩβ=20VCE(sat)=0.1VVIH=5VVIL=0V例3.3.1：计算参数设计是否合理5V-8V3.3KΩ10KΩ1KΩβ=20VIH=5V例3.53当当又因此，参数设计合理当541.电路结构设0.2V0.9V三个PN结导通需3.1V不足以让T2、T5导通（1）VI=VIL§3.5.2TTL反相器的电路结构和工作原理1.电路结构0.2V0.9V三个PN结导通需3.1V不足以让55T2、T5：截止0.9V0.2VRLVO=5–UD2-UBE4-UR2

3.4V

高电平！A=0Y=1T2、T5：截止0.9V0.2VRLVO=5–UD2563.4V反偏电位被嵌在2.1V全导通0.9V截止（2）VI=VIH3.4V反偏电位被嵌全导通0.9V截止（2）VI=VIH573.4V反偏全导通饱和VO0.2V低电平！A=0Y=13.4V反偏全导通饱和VO0.2VA=058需要说明的几个问题：

需要说明的几个问题：593.电压传输特性3.电压传输特性603.输入噪声容限3.输入噪声容限61（二）输入特性IIL称为输入低电平电流。IIS称为输入短路电流—=0V的输入电流。IIH称为输入漏电流。输入电压为负时，基本是保护二极管的伏安特性。IIH输入为0.2V时输入为3.4V时输入为其他电压时IILIIS输入电压小于0.6V时，计算IIL的公式仍然成立(把VIL换为），是一直线方程。ii（二）输入特性IIL称为输入低电平电流。IIS称为输入短路62（三）输入端负载特性当小于0.6V时当=1.4V时，T2、T5均已导通，T1基极电位被钳在2.1V而不再随RP增加，因此也不再随RP增加。当RP较小时，这是直线方程返回（三）输入端负载特性当小于0.6V时当63（四）输出特性1.高电平输出特性

T4饱和前，VOH基本不随iL变，T4饱和后，VOH将随负载电流增加线性下降，其斜率基本由R4决定。2.低电平输出特性受功耗限制，74系列门输出高电平时最大负载电流不超过0.4mA。T5饱和，c-e间等效电阻不超过10欧姆，因此直线斜率很小。rce（四）输出特性1.高电平输出特性T4饱和前，V64例：计算G1能驱动的同类门的个数。设G1满足：VOH=3.2V,VOL=0.2V。16解：N1=16/1=16G1输出低电平G1输出高电平

G1输出高电平时，最大允许输出电流为0.4mA；每个负载门输入电流为IIH,不超过0.04mA;故：N2=0.4/0.04=10综合N1,N2,应取N=10N称为门的扇出系数。每个负载门电流G1门电流例：计算G1能驱动的同类门的个数。设G1满足：VOH=3.265三、TTL反相器的动态特性1、传输延迟时间（1）现象三、TTL反相器的动态特性1、传输延迟时间662、交流噪声容限（b）负脉冲噪声容限（a）正脉冲噪声容限当输入信号为窄脉冲，且接近于tpd时，输出变化跟不上，变化很小，因此交流噪声容限远大于直流噪声容限。2、交流噪声容限（b）负脉冲噪声容限（a）正脉冲噪声容限673、电源的动态尖峰电流3、电源的动态尖峰电流68四、其它类型的TTL门电路1、其他逻辑功能的门电路（1）与非门四、其它类型的TTL门电路1、其他逻辑功能的门电路69（2）或非门（3）与或非门（2）或非门（3）与或非门70（4）异或门（4）异或门712、集电极开路的门电路（1）推拉式输出电路结构的局限性①输出电平不可调②负载能力不强，尤其是高电平输出③输出端不能并联使用OC门2、集电极开路的门电路（1）推拉式输出电路结构的局限性OC门72（2）OC门的结构特点（2）OC门的结构特点73（3）OC门实现的线与（3）OC门实现的线与74（4）外接负载电阻RL的计算（4）外接负载电阻RL的计算75数字电路ppt课件763、三态输出门（ThreestateOutputGate,TS）DEN101截止(1)控制端EN=0时的工作情况：EN—

控制端3、三态输出门（ThreestateOutputGat77(2)控制端EN=1时的工作情况：DEN110导通截止截止高阻态(2)控制端EN=1时的工作情况：DEN110导通截止截止高78输出高阻功能表输出高阻功能表使能端高电平起作用使能端低电平起作用三态门的符号及功能表&ABY符号△&ABY符号△输出高阻功能表输出高阻功能表使能端高电平使能端低电平三态门的79三态门的用途三态门主要作为TTL电路与总线间的接口电路。用三态门实现数据的双向传输用三态门接成总线结构三态门的用途三态门主要作为TTL电路与总线间的接口电路。用三80五、TTL电路的改进系列（改进指标：)（一）高速系列74H/54H（High-SpeedTTL）1.电路的改进(1)输出级采用复合管（减小输出电阻Ro）(2)减少各电阻值3.性能特点速度提高的同时功耗也增加达林顿结构、阻值降半五、TTL电路的改进系列（改进指标：81（二）肖特基系列74S/54S（SchottkyTTL）1.电路改进采用抗饱和三极管用有源泄放电路代替74H系列中的R3减小电阻值3.性能特点速度进一步提高，电压传输特性没有线性区，功耗增大（二）肖特基系列74S/54S（SchottkyTTL）182