数电课件版1 - 7二章门电路

一、门电路的概念

实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路与或非与非或非异或与或非概述与门或门非门与非门或非门异或门与或非门1二、逻辑变量与两状态开关低电平高电平断开闭合高电平3V低电平0V二值逻辑:所有逻辑变量只有两种取值(1或

0)。数字电路:通过电子开关

S的两种状态(开或关)获得高、低电平，用来表示

1或

0。3V3V逻辑状态1001S可由二极管、三极管或MOS管实现2三、高、低电平与正、负逻辑负逻辑正逻辑0V5V2.4V0.8V

高电平和低电平是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。010V5V2.4V0.8V103四、分立元件门电路和集成门电路①

分立元件门电路：用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路。②

集成门电路：

把构成门电路的元器件和连线，都制作在一块半导体芯片上，再封装起来。常用：CMOS和

TTL

集成门电路4五、数字集成电路的集成度一块芯片中含有等效逻辑门或元器件的个数小规模集成电路SSI(SmallScaleIntegration)<10门/片或<100元器件/片中规模集成电路MSI(MediumScaleIntegration)10~99门/片或100~999元器件/片大规模集成电路LSI

(LargeScaleIntegration)

100~9999门/片或1000~99999元器件/片超大规模集成电路VLSI(VeryLargeScaleIntegration)>10000门/片或>100000元器件/片562.1.1理想开关的开关特性一、静态特性①断开②闭合SAK2.1半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性7SAK2.1半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性二、动态特性①开通时间：②关断时间：闭合）（断开断开）（闭合普通开关：静态特性好，动态特性差半导体开关：静态特性较差，动态特性好几百万/秒几千万/秒82.1.2半导体二极管的开关特性一、静态特性①外加正向电压(正偏)二极管导通(相当于开关闭合)②外加反向电压(反偏)二极管截止(相当于开关断开)硅二极管伏安特性阴极A阳极KPN结-AK+P区N区++++++++--------正向导通区反向截止区反向击穿区0.50.7/mA/V01.结构示意图、符号和伏安特性9D+-+-2.二极管的开关作用：[例]uO=0VuO=2.3V电路如图所示，试判别二极管的工作状态及输出电压。二极管截止二极管导通[解]D0.7V+-10二、动态特性1.二极管的电容效应结电容C

j扩散电容CD2.二极管的开关时间电容效应使二极管的通断需要一段延迟时间才能完成tt00(反向恢复时间)≤ton—开通时间toff—关断时间1112一、静态特性NPN2.1.3半导体三极管的开关特性发射结集电结发射极emitter基极base集电极collectorbiBiCec(电流控制型)1.结构、符号和输入、输出特性NNP(Transistor)(1)

结构示意图和符号132.半导体三极管的开关应用发射结反偏T截止发射结正偏T导通+

RcRb+VCC

(12V)+uo

iBiCTuI3V-2V2k

2.3k

放大还是饱和？14饱和导通条件：+

RcRb+VCC

+12V+uo

iBiCTuI3V-2V2k

2.3k

≤因为所以15二、动态特性3-2t00.9ICS0.1ICSt030.3t01617补充：（1）N沟道增强型MOS场效应管1.结构P型衬底N+N+BGSDSiO2源极S漏极D衬底引线B栅极G2.符号2.1.4MOS管的开关特性182.MOS管的开关作用：(1)N沟道增强型MOS管+VDD+10VRD20k

BGDSuIuO+VDD+10VRD20k

GDSuIuO开启电压UTN=2ViD+VDD+10VRD20k

GDSuIuORONRD19(2)P沟道增强型MOS管-VDD-10VRD20k

BGDSuIuO-VDD-10VRD20k

GDSuIuO-VDD-10VRD20k

GDSuIuO开启电压UTP=-2ViD20二、动态特性1.MOS管极间电容栅源电容C

GS栅漏电容CGD

在数字电路中，这些电容的充、放电过程会制约MOS管的动态特性，即开关速度。漏源电容CDS1~3pF0.1~1pF21VDDt00.9ID0.1IDt0VDDt02.开关时间开通时间关断时间2223uYuAuBR0D2D1+VCC+10V2.2分立元器件门电路2.2.1二极管与门和或门一、二极管与门3V0V符号:与门（ANDgate)ABY&0V0VUD=0.7V0V3V3V0V3V3V真值表ABY000110110001Y=AB电压关系表uA/VuB/VuY/VD1D200033033导通导通0.7导通截止0.7截止导通0.7导通导通3.724二、二极管或门uY/V3V0V符号:或门（ORgate)ABY≥10V0VUD=0.7V0V3V3V0V3V3VuYuAuBROD2D1-VSS-10V真值表ABY000110110111电压关系表uA/VuB/VD1D200033033导通导通-0.7截止导通2.3导通截止2.3导通导通2.3Y=A+B25正与门真值表正逻辑和负逻辑的对应关系：ABY000110110001ABY=AB&负或门真值表ABY111001001110AB≥1同理：正或门负与门26一、半导体三极管非门T截止T导通2.2.2三极管非门（反相器）饱和导通条件:+VCC+5V1k

RcRbT+-+-uIuO4.3k

β

=30iBiCT饱和因为所以27电压关系表uI/VuO/V0550.3真值表0110AY符号函数式+VCC+5V1k

RcRbT+-+-uIuO4.3k

β

=30iBiC三极管非门:AY1AY28uYuAuBR0D2D1+VCCY=ABuYuAuBROD2D1-VSSY=A+B二极管与门和或门复习：半导体三极管非门+VCCRcRbT+-+-uIuOiBiC复习：二、MOS三极管非门MOS管截止2.MOS管导通（在可变电阻区）真值表0110AY+VDD+10VRD20k

BGDSuIuO1.+-uGS+-uDS故31+VDD+10VB1G1D1S1uAuYTNTPB2D2S2G2VSS+-uGSN+-uGSP2.3CMOS集成门电路2.3.1CMOS反相器一、电路组成及工作原理AY10V+10VuAuGSNuGSPTNTPuY0V<UTN<UTP截止导通10V10V>UTN>UTP导通截止0VUTN=2VUTP=-2V+10VRONPuY+VDD10VSTNTP+10VRONNuY+VDD0VSTNTP33二、静态特性1.电压传输特性：iD+VDDB1G1D1S1+uI-uOTNTPB2D2S2G2VSSABCDEFUTNVDDUTHUTPUNLUNHAB段：uI<UTN，uO=VDD、iD

0，功耗极小。0uO/VuI/VTN截止、TP导通，BC段：TN导通，uO略下降。CD段：TN、TP均导通。DE、EF段：与

BC、AB段对应，TN、TP的状态与之相反。转折电压指为规定值时，允许波动的最大范围。UNL：输入为低电平时的噪声容限。UNH：输入为高电平时的噪声容限。=0.3VDD噪声容限：342.电流传输特性：iD+VDDB1G1D1S1+uI-uOTNTPB2D2S2G2VSSABCDEFUTNVDDUTHUTPUNLUNH0uO/VuI/VABCDEF0iD/mAuI/VUTH电压传输特性电流传输特性AB、EF段：

TN、TP总有一个为截止状态，故iD

0。CD段：

TN、Tp均导通，流过两管的漏极电流达到最大值iD=iD（max)

。阈值电压：UTH=0.5VDD（VDD=3~18V）352.3.2CMOS与非门、或非门、与门和或门A

BTN1TP1

TN2TP2Y00011011截通截通通通通截截通截截截截通通1110与非门一、CMOS与非门uA+VDD+10VVSSTP1TN1TP2TN2ABYuBuYAB&00100111Y=36或非门二、CMOS或非门uA+VDD+10VVSSTP1TN1TN2TP2ABYuBuYA

BTN1TP1

TN2TP2Y00011011截通截通通通通截截通截截截截通通1000AB≥10010011137三、CMOS与门和或门1.CMOS与门AB&Y1+VDDVSSTP1TN1TP2TN2ABYABY&+VDDB1G1D1S1ATNTPB2D2S2G2VSS382.CMOS或门Y1+VDDB1G1D1S1ATNTPB2D2S2G2VSSAB≥1ABY≥1+VDDVSSTP1TN1TN2TP2ABY39四、带缓冲的

CMOS与非门和或非门1.基本电路的主要缺点①电路的输出特性不对称：当输入状态不同时，输出等效电阻不同。②电压传输特性发生偏移，导致噪声容限下降。2.带缓冲的门电路在原电路的输入端和输出端加反相器。1ABY与非门或非门同理缓冲或非门与非门缓冲&11402.3.3CMOS与或非门和异或门一、CMOS与或非门1.电路组成：&&&ABCD&≥1YABCDY12.工作原理：

由CMOS基本电路(与非门和反相器)组成。41二、CMOS异或门1.电路组成：&&&ABY2.工作原理：&YAB=1

由CMOS基本电路(与非门)组成。422.3.4CMOS传输门、三态门和漏极开路门一、CMOS传输门(双向模拟开关)1.电路组成及符号：TPCVSS+VDDIO/uuOI/uuTNCIO/uuOI/uuTG2.工作原理：TN、TP均导通，TN、TP均截止，导通电阻小(几百欧姆)关断电阻大(≥109

)(TG门—TransmissionGate)①②43二、CMOS三态门1.电路组成+VDDVSSTP2TN1TP1AYTN212.工作原理Y与上、下都断开TP2、TN2均截止Y=Z(高阻态—非1非0)TP2、TN2均导通011使能端

010控制端低电平有效(1或0)3.逻辑符号或YA1ENYA1ENEN控制端高电平有效①②44三、CMOS漏极开路门(OD门

—

OpenDrain)1.电路组成BA&1+V

DDYBGDSTNVSSRD外接YAB&符号①漏极开路，工作时必须外接电源和电阻。2.主要特点②可以实现线与功能：输出端用导线连接起来实现与运算。YCD&P1P2+V

DDYRD③

可实现逻辑电平变换：④

带负载能力强。452.4TTL集成门电路（Transistor—TransistorLogic）2.4.1TTL反相器一、电路组成及工作原理+VCC(5V)R1uIuo4k

AD1T1T2T3T4DR21.6k

R31k

R4130

Y输入级中间级输出级D1—保护二极管防止输入电压过低。当uI<-0.5~-0.7V时，D1

导通，uI

被钳制在-0.5~-0.7V，不可能继续下降。1.电路组成

因为D1只起保护作用，不参加逻辑判断，为了便于分析，今后在有些电路中将省去。472.工作原理+VCC(5V)R1uIuo4k

AT1T2T3T4DR21.6k

R31k

R4130

Y0VT1的基极电压无法使

T2和T4

的发射结导通T1深度饱和T2、T4截止，iC1=0RL拉电流T3、D

导通0V3.6V0V0.7V0V负载的等效电阻iC15V因为所以则①48+VCC(5V)R1uIuo4k

AT1T2T3T4DR21.6k

R31k

R4130

Y2.工作原理ebc因为

:uE>uB>uC，即发射结反偏集电结正偏iii=βiib=(1+βi)ibc

e

3.6V1.4V0.7V②T1倒置放大状态T2饱和，T3、D均截止T4饱和导通uO=UCES4≤0.3V1V0.3V0.3uI/VuO/V03.63.60.3则所以49+VCC+5VR14k

AD2T1T2T3T4DR21.6k

R31k

R4130

Y输入级中间级输出级D1BT1—多发射极三极管e1e2bc等效电路：1.A、B只要有一个为00.3V1VT2、T4截止5VT3、D

导通3.6V2.4.2TTL与非门和其它逻辑门电路一、TTL与非门2.A、B

均为1理论：实际：T2、T4导通T3、D

截止uO=UCES4≤0.3V3.6V3.6V0.7V1V0.3V4.3V+VCC+5V4k

AD2T1T2T3T4D1.6k

1k

130

Y输入级中间级输出级D1BR1R2R3R43.6V3.6V4.3V2.1VRL+VCC0.7V1V0.3V整理结果：1110ABY00011011与非门AB&50二、TTL或非门iB1+VCC+5VR1AD1T1T2T3T4DR2R3R4YR

1BD1

T1

T2

i

B1输入级中间级输出级1.A、B只要有一个为1T2、T4饱和T3、D

截止uO=0.3V，Y=05V2.1V1V1V1V0.3V3.6V2.A、B

均为0iB1、i

B1分别流入T1、T

1

的发射极T2、T

2均截止则T4截止T3、D

导通3.6V0.3V0.3V0.3V整理结果：1000ABY00011011或非门AB≥1其它逻辑门原理相似。512.4.3TTL集电极开路门和三态门一、集电极开路门—OC门(OpenCollectorGate)+VCC+5VR1AD2T1T2T4R2R