《数字电子技术基础》第六版-门电路-1117省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

第三章门电路《数字电子技术基础》

（第六版）

1/104概述半导体二极管电路

CMOS门电路

TTL门电路第3章门电路2/104补：半导体基础知识半导体基础知识3/104本征半导体：纯净含有晶体结构半导体。惯用：硅Si，锗Ge两种载流子半导体基础知识（1）4/104杂质半导体（掺杂少许磷或锑）

→N型半导体多子：自由电子N型半导体：掺入少许杂质磷或锑元素，磷原子外层五个外层电子其中四个与周围半导体原子形成共价键，多出一个电子几乎不受束缚，较为轻易地成为自由电子。N型半导体电子浓度较高，其导电性主要是因为自由电子导电。半导体基础知识（2）5/104杂质半导体（掺杂少许硼或铟）

→P型半导体多子：空穴P型半导体：掺入少许杂质硼或铟元素，硼原子外三个电子与周围半导体原子形成共价键时候，会产生一个“空穴”，这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”，使得硼原子成为带负电离子。含有较高浓度“空穴”（正电荷），成为能够导电物质。半导体基础知识（2）6/104PN结形成空间电荷区（耗尽层）扩散和漂移半导体基础知识（3）7/104PN结单向导电性外加正向电压半导体基础知识（4）8/104PN结单向导电性外加反向电压半导体基础知识（4）9/104PN结伏安特征正向导通区反向截止区反向击穿区K:波耳兹曼常数T:热力学温度q:电子电荷半导体基础知识（5）10/104门电路：实现基本运算和复合逻辑运算单元电路，如与门、与非门、或门……门电路中以高/低电平表示逻辑状态1/03.1概述11/104电路：传递和处理信息3.1概述数字信息：0和1传递方式：串行传输（以时间为代价）

并行传输（以空间为代价）传输0与1，而开关电路是最简单方式，

用高低电平来传输0与1信息12/104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

3.1概述高低电平与01对应13/104合格元器件：

输入端：允许接收低质量0和1

输出端：输出高质量0和1

3.1概述数字元器件输入输出规则元器件雷锋协议传输损耗无效区无效区14/104取得高、低电平基本原理高/低电平都允许有一定改变范围3.1概述单开关电路开关电路缺点：1、不方便加控制信号2、R电阻不好控制输出1希望R很小，输出0时希望R很大15/104用元器件取代开关3.1概述二极管三极管MOS管16/104二极管(Diode)结构：

PN结+引线+封装组成PN3.2半导体二极管门电路17/104VI=VIH

D截止，VO=VOH=VCCVI=VIL

D导通，VO=VOL=0.7V3.2.1二极管开关特征高电平：VIH=VCC低电平：VIL=018/104二极管开关等效电路：3.2.1二极管开关特征a)、当电源等效电阻和等效电阻RL都很小时，二极管正向导通压降和正向电阻都不能忽略b)、当二极管正向导通压降和和外加电源电压相比不能忽略，而外接电阻相对就二极管电阻来说能够忽略c)、当二极管正向导通压降和正向电阻与外接电阻相比均可忽略，视二极管为管理开关。19/104二极管动态电流波形：3.2.1二极管开关特征外加电压反向→正向：要等PN结内部建立起足够电荷梯度才开始有扩散电流，所以正向电流建立要稍微滞后一点。外加电压由正向→反向：PN结还有一定数量电荷，所以有较大瞬态反向电流流过。20/104设VCC=5V加到A,B

VIH=3VVIL=0V二极管导通时VDF=0.7VABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY000010100111要求3V以上为10.7V以下为03.2.2二极管与门21/104设VCC=5V加到A,B

VIH=3VVIL=0V二极管导通时VDF=0.7VABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABY000011101111要求2.3V以上为10V以下为03.2.2二极管或门22/104二极管组成门电路缺点电平有偏移带负载能力差只用于IC内部电路3.2.2二极管或门23/104集成门电路集成门电路双极型TTL(Transistor-TransistorLogicIntegratedCircuit)ECLNMOSCMOSPMOSMOS型（Metal-Oxide-Semiconductor，MOS）TTL—晶体管-晶体管逻辑集成电路MOS—金属氧化物半导体场效应管集成电路24/1043.3CMOS门电路3.3.1

MOS管开关特征25/1043.3.1

MOS管开关特征MOS管结构S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底

在CMOS集成电路中，以金属－氧化物－半导体场效应管（MOS管)作为开关器件。制作过程：1、切一块半导体P2、挖两口井，放N3、盖止绝缘层，腐蚀出两口井4、贴上金属层，腐蚀出sgd三极金属层氧化物层半导体层PN结26/1043.3CMOS门电路3.3.1

MOS管开关特征S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底MOS管符号：27/104增强型耗尽型大量正离子导电沟道MOS管四种类型3.3.1

MOS管开关特征28/104以N沟道增强型为例研究通电情况：3.3.1

MOS管开关特征PMOS管：源极S与衬底B接在一起29/104以N沟道增强型为例研究通电情况：3.3.1

MOS管开关特征1、添加横向电压VDSSDB不论D、S间有没有电压，均无法导通，不能导电30/104以N沟道增强型为例研究通电情况：3.3.1

MOS管开关特征2、添加垂直电压VGS形成电场G—B,把衬底中电子吸引到上表面，除复合外，剩下电子在上表面形成了N型层（反型层）为D、S间导通提供了通道。31/104以N沟道增强型为例研究通电情况：3.3.1

MOS管开关特征1、添加横向电压VDS2、添加垂直电压VGS32/104以N沟道增强型为例研究通电情况：3.3.1

MOS管开关特征1、添加横向电压VDS2、添加垂直电压VGSVGS(th)称为阈值电压(开启电压）33/104MOS管输入特征和输出特征输入特征：直流电流为0，看进去有一个输入电容CI，对动态有影响。输出特征：

iD=f(VDS)对应不一样VGS下得一族曲线。3.3.1

MOS管开关特征34/104截止区恒流区可变电阻区输出特征曲线（分三个区域）3.3.1

MOS管开关特征35/104截止区：VGS<VGS(th)，iD=0,ROFF>109Ω3.3.1

MOS管开关特征输出特征曲线（分三个区域）36/104恒流区（饱和或放大区）：iD

基本上由VGS决定，与VDS关系不大3.3.1

MOS管开关特征输出特征曲线（分三个区域）条件:(1)源端沟道未夹断

(2)漏端沟道予夹断37/104

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。3.3.1

MOS管开关特征输出特征曲线（分三个区域）38/104MOS管基本开关电路3.3.1

MOS管开关特征39/104OFF，截止状态

ON，导通状态开关特征等效电路3.3.1

MOS管开关特征40/104CMOS管3.3.2

CMOS反相器电路结构和工作原理

当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管(意为互补)。PMOS管NMOS管CMOS管41/104一、CMOS反向器电路结构3.3.2

CMOS反相器电路结构和工作原理上管为P管，输入0有效下管为N管，输入1有效42/104一、CMOS反向器电路结构3.3.2

CMOS反相器电路结构和工作原理截止Vo=1导通VI=043/104一、CMOS反向器电路结构3.3.2

CMOS反相器电路结构和工作原理导通Vo=0截止VI=144/104二、电压、电流传输特征CMOS反相器在使用时应尽可能防止长久工作在BC段。3.3.2

CMOS反相器电路结构和工作原理45/104三、输入噪声容限3.3.2

CMOS反相器电路结构和工作原理在确保输出高、低电平基本不变条件下,输入电平允许波动范围称为输入端噪声容限。

当Vi偏离Vm和Vn一定范围时，Vo基本不变46/104三、输入噪声容限3.3.2

CMOS反相器电路结构和工作原理噪声容限－－衡量门电路抗干扰能力。噪声容限越大，表明电路抗干扰能力越强。

测试表明：CMOS电路噪声容限VNH=VNL＝30％VDD，且随VDD增加而加大。所以能够经过提升VDD来提升噪声容限47/104一、输入特征3.3.3

CMOS反相器静态输入和输出特征

因为MOS管栅极和衬底之间存在着以SiO2为介质输入电容，而绝缘介质非常薄，极易被击穿，所以应采取保护办法。48/104二、输出特征3.3.3

CMOS反相器静态输入和输出特征49/104二、输出特征3.3.3

CMOS反相器静态输入和输出特征50/104一、传输时间延迟3.3.4

CMOS反相器动态特征51/104二、交流噪声容限3.3.4

CMOS反相器动态特征

噪声电压作用时间越短、电源电压越高，交流噪声容限越大。52/104三、动态功耗3.3.4

CMOS反相器动态特征

反相器从一个稳定状态突然变到另一个稳定状态过程中，将产生附加功耗，即为动态功耗。53/104三、动态功耗3.3.4

CMOS反相器动态特征

动态功耗包含：负载电容充放电所消耗功率PC和PMOS、NMOS同时导通所消耗瞬时导通功耗PT。54/1041.与非门一、其它逻辑功效门电路3.3.5其它类型CMOS门电路vA=1vB=1导通断开vO=0上面为P管，P管组合下面为N管，N管组合55/104一、其它逻辑功效门电路3.3.5其它类型CMOS门电路任一输入端为高，设vA=1vA=1导通断开vO=02.或非门56/104一、其它逻辑功效门电路3.3.5其它类型CMOS门电路2.或非门输入端全为低vA=0vB=0断开导通vO=157/104与非门__带缓冲极CMOS门3.3.5其它类型CMOS门电路58/104处理方法:与非门__带缓冲极CMOS门3.3.5其它类型CMOS门电路59/104或非门__带缓冲极CMOS门3.3.5其它类型CMOS门电路

带缓冲级门电路其输出电阻、输出高、低电平以及电压传输特征将不受输入端状态影响。电压传输特征转折区也变得更陡。60/104二、漏极开路门电路（OD门）3.3.5其它类型CMOS门电路为何需要OD门？普通与非门输出不能直接连在一起实现“线与”！ABYCD需将一个MOS管漏极开路组成OD门。10产生一个很大电流61/104二、漏极开路门电路（OD门）3.3.5其它类型CMOS门电路OD门输出端可直接连接实现线与。需加一上拉电阻62/104二、漏极开路门电路（OD门）3.3.5其它类型CMOS门电路63/104三、CMOS传输门3.3.5其它类型CMOS门电路64/104三、CMOS传输门3.3.5其它类型CMOS门电路65/1042.作为双向模拟开关三、CMOS传输门3.3.5其它类型CMOS门电路1.组成复杂逻辑电路异或门、数据选择器、存放器、计数器等66/104四、三态输出门3.3.5其它类型CMOS门电路三态门有三种状态:高电平、低电平、高阻态。67/104三态门用途四、三态输出门3.3.5其它类型CMOS门电路68/104CMOS门电路优点1.静态功耗小。2.允许电源电压范围宽(3

18V）。3.扇出系数大，噪声容限大。CMOS门电路优点69/104CMOS门电路正确使用

1．输入电路静电保护

CMOS电路输入端设置了保护电路，给使用者带来很大方便。不过，这种保护还是有限。因为CMOS电路输入阻抗高，极易产生感应较高静电电压，从而击穿MOS管栅极极薄绝缘层，造成器件永久损坏。为防止静电损坏，应注意以下几点：

（1）全部与CMOS电路直接接触工具、仪表等必须可靠接地。（2）存放和运输CMOS电路，最好采取金属屏蔽层做包装材料。2．多出输入端不能悬空。

输入端悬空极易产生感应较高静电电压，造成器件永久损坏。对多出输入端，能够按功效要求接电源或接地，或者与其它输入端并联使用。3．输入电路需过流保护70/104双极型三极管（BJT,BipolarJunctionTransistor）3.4

TTL门电路3.4.1双极型三极管开关特征管芯+三个引出电极+外壳71/104基区薄低掺杂发射区高掺杂集电区低掺杂3.4.1双极型三极管开关特征一、双极型三极管结构72/104以NPN为例说明工作原理：当VCC

>>VBBbe结正偏,bc结反偏e区发射大量电子b区薄，只有少许空穴bc反偏，大量电子形成IC3.4.1双极型三极管开关特征一、双极型三极管结构73/104VON

：开启电压硅管，0.5~0.7V锗管，0.2~0.3V近似认为:VBE<VONiB=0VBE≥VONiB

大小由外电路电压，电阻决定

3.4.1三极管输入输出特征二、三极管输入特征74/104特征曲线分三个部分放大区：条件VCE>0.7V,iB>0,iC随iB成正比改变，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”3.4.1三极管输入输出特征二、三极管输出特征75/104只要参数合理：VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T导通，VO=VOL3.4.1三极管输入输出特征三、三极管基本开关电路76/104工作状态分析：3.4.1三极管输入输出特征三、三极管基本开关电路77/104图解分析法：3.4.1三极管输入输出特征三、三极管基本开关电路78/104截止状态饱和导通状态3.4.1三极管输入输出特征四、三极管开关等效电路当电源电压>>VCE外接R>>RCE79/104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改变将滞后于VI，则VO改变也滞后于VI。3.4.1三极管输入输出特征五、动态开关特征80/104三极管基本开关电路就是非门参数合理？VI=VIL时，T截止VO=VOHVI=VIH时，T截止VO=VOL3.4.1三极管输入输出特征六、三极管反相器实际应用中，为确保VI=VIL时T可靠截止，常在输入接入负压。

81/1043.4.2TTL反相器电路结构和工作原理一、电路结构82/1043.4.2TTL反相器电路结构和工作原理二、电压传输特征83/1043.4.2TTL反相器电路结构和工作原理二、电压传输特征84/1043.4.2TTL反相器电路结构和工作原理二、电压传输特征85/1043.4.2TTL反相器电路结构和工作原理二、电压传输特征86/1043.4.2TTL反相器电路结构和工作原理二、电压传输特征输入为高电平（3.4V）时电位被钳位在2.1V全导通vB1=VIH+VON=4.1V发射结反偏

1V截止T2、T5饱和导通87/104需要说明几个问题：

3.4.2TTL反相器电路结构和工作原理二、电压传输特征88/1043.4.2TTL反相器电路结构和工作原理三、输入噪声容限输入低电平时噪声容限：输入高电平时噪声容限：89/1043.4.3TTL反相器静态输入特征和输出特征输入输入短路电流IIS(IIL)高电平输入电流IIH90/1043.4.3TTL反相器静态输入特征和输出特征输出91/1041、现象3.4.4TTL反相器动态特征一、传输延迟时间92/104当输入信号为窄脉冲，且靠近于tpd时，输出改变跟不上，改变很小，所以交流噪声容限远大于直流噪声容限。（b）负脉冲噪声容限（a）正脉冲噪声容限3.4.4TTL反相器动态特征二、交流噪声容限93/1043.4.4TTL反相器动态特