数字电子技术第六版 阎石 第三章 学习资料

《数字电子技术基础》（第六版）教学课件

清华大学

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自动化系邮政编码：100084电子信箱：wang_hong@补：半导体基础知识半导体基础知识（1）本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。常用：硅Si，锗Ge两种载流子半导体基础知识（2）杂质半导体N型半导体多子：自由电子少子：空穴半导体基础知识（2）杂质半导体P型半导体多子：空穴少子：自由电子半导体基础知识（3）PN结的形成空间电荷区（耗尽层）扩散和漂移半导体基础知识（4）PN结的单向导电性外加正向电压半导体基础知识（4）PN结的单向导电性外加反向电压半导体基础知识（5）PN结的伏安特性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

3.2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PN3.2.1二极管的开关特性：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二极管的开关等效电路：二极管的动态电流波形：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VDF=0.7VABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY000010100111规定3V以上为10.7V以下为03.2.3二极管或门设VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二极管导通时VDF=0.7VABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABY000011101111规定2.3V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3.3CMOS门电路

3.3.1MOS管的开关特性一、MOS管的结构S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底金属层氧化物层半导体层PN结以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加上+VGS，且足够大至VGS>VGS(th),D-S间形成导电沟道（N型层）开启电压二、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）恒流区：iD

基本上由VGS决定，与VDS关系不大漏极特性曲线（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。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管的四种类型增强型耗尽型大量正离子导电沟道3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理一、电路结构二、电压、电流传输特性三、输入噪声容限结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限3.3.3CMOS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、传输延迟时间二、交流噪声容限三、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2.或非门

带缓冲极的CMOS门1、与非门带缓冲极的CMOS门2.解决方法二、漏极开路的门电路（OD门）

三、CMOS传输门及双向模拟开关1.传输门2.双向模拟开关四、三态输出门三态门的用途双极型三极管的开关特性

（BJT,BipolarJunctionTransistor）3.4TTL门电路

3.4.1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+外壳基区薄低掺杂发射区高掺杂集电区低掺杂以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）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

三极管的输出特性固定一个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”

。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工作状态分析：图解分析法：四、三极管反相器的开关等效电路截止状态饱和导通状态五、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。例3.4.1：

（1）计算三极管β值取多少，才能保证输入高电平信号时三极管饱和导通？

（2）计算输出的高低电平值。5Vbe结的VON=0.7VVIH=3.4VVIL=0.2VD的正向导通压降为0.7V（1）三极管工作在饱和状态，则

输入高电平时D1截止，则所以

三极管的电流放大系数β必须大于3.7解：3.4.2TTL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3.4.3TTL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3.4.4TTL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

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。（b）负脉冲噪声容限（a）正脉冲噪声容限三、电源的动态尖峰电流2、动态尖峰电流3.4.5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3.与或非门4.异或门二、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、OC门的结构特点OC门实现的线与3、外接负载电阻RL的计算3、外接负载电阻RL的计算3、外接负载电阻RL的计算三、三态输出门（ThreestateOutputGate,TS）三态门的用途一、肖特基系列74S/54S（SchottkyTTL）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2.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3.4.6TTL电路的改进系列

二、低功耗肖特基系列 74LS/54LS（