數(shù)字電路 第二章門電路

1、 用以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算的單元電路統(tǒng)稱為門電路。用以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算的單元電路統(tǒng)稱為門電路。邏輯狀態(tài)：低電平邏輯狀態(tài)：低電平(L) (L) 、高、高電平電平(H)(H)分別用分別用0 0、1 1表示。表示。正邏輯：正邏輯：L=0,H=1 L=0,H=1 ；負(fù)邏輯：負(fù)邏輯：H=0,L=1 H=0,L=1 。一、理想開關(guān)的開關(guān)特性：一、理想開關(guān)的開關(guān)特性： 1 .靜態(tài)特性靜態(tài)特性 2. 動態(tài)特性動態(tài)特性二、半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性二、半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性 1.靜態(tài)特性：靜態(tài)特性：半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)示意圖、符號和伏安半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)示意圖、符號和伏安特性特性(b)為理想二極管為理想二極管+恒壓源模型恒壓源模

2、型(c)為理想二極管模型為理想二極管模型正向偏置正向偏置(P(P極接電源正極極接電源正極,N,N極接電源負(fù)極極接電源負(fù)極) )時導(dǎo)通時導(dǎo)通; ;反向反向偏置時截止。偏置時截止。二極管的符號二極管的符號正極正極負(fù)極負(fù)極 正極引線正極引線二氧化硅保護(hù)層二氧化硅保護(hù)層P型區(qū)型區(qū)負(fù)極引線負(fù)極引線 面接觸型二極管面接觸型二極管N型硅型硅PN結(jié)結(jié)點(diǎn)接觸型二極管點(diǎn)接觸型二極管 正極引線正極引線觸絲觸絲N型鍺型鍺支架支架外殼外殼負(fù)極引線負(fù)極引線PN結(jié)結(jié)第第2章章 2.1600400200 0.1 0.200.4 0.850100I / mAU / V正向特性正向特性反向擊反向擊穿特性穿特性硅管的伏安特性硅管的

3、伏安特性反向特性反向特性死死 區(qū)區(qū)第第2章章 2.1硅管硅管:UON=0.50.7V鍺管鍺管:UON=0.20.3V開啟電壓開啟電壓UON導(dǎo)通電壓導(dǎo)通電壓硅管硅管:UON=0.7V鍺管鍺管:UON=0.2VTreTre為反向恢復(fù)時間，為反向恢復(fù)時間，是反向電流衰減到峰值是反向電流衰減到峰值的的1/10所經(jīng)過的時間。所經(jīng)過的時間。tre數(shù)值很小，約幾納秒。數(shù)值很小，約幾納秒。集電區(qū)集電區(qū)集電結(jié)集電結(jié)基區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)NN集電極集電極c基極基極b發(fā)射極發(fā)射極ePecb符號符號第第2章章 2.11.靜態(tài)特性：靜態(tài)特性：半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性集電區(qū)集電區(qū)集電結(jié)集電結(jié)

4、基區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)N集電極集電極c發(fā)射極發(fā)射極e基極基極bNPPN2. PNP型三極管型三極管第第2章章 2.1cbe符號符號IBUBE0UCE 1VIB = f (UBE )UC E = 常數(shù)常數(shù)第第2章章 2.1IB = 常數(shù)常數(shù)IC = f (UCE )第第2章章 2.1IB =40AIB =60AUCE 0IC IB增加增加IB 減小減小IB = 20AIB =0放大區(qū)：放大區(qū)：i iC C= = i iB B飽和區(qū)：飽和區(qū)：U UCESCES 0.3V0.3V截止區(qū)：截止區(qū)：IcIcE Eo1o1A AECB符號符號 vI UON T處于處于截止區(qū)截止區(qū)iB=0, iC

5、=0, UO =VOH=VCC(2) vI VON T進(jìn)入放大區(qū)。進(jìn)入放大區(qū)。(3) vI 大到一定程度，大到一定程度，T進(jìn)入飽和區(qū)。進(jìn)入飽和區(qū)。 則則UO = VOL 0 V 低電平低電平“0”高電平高電平“1”由于三級管由于三級管b-b-e e間、間、c-ec-e間結(jié)間結(jié)電容效應(yīng)，存電容效應(yīng)，存在滯后現(xiàn)象。在滯后現(xiàn)象。四、四、第第2 2章章 2. 1SiO2結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 N N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管P型硅襯底型硅襯底源極源極S柵極柵極G漏極漏極D 金屬金屬- -氧化物氧化物- -絕緣柵型場效應(yīng)管絕緣柵型場效應(yīng)

6、管襯底引線襯底引線BN+N+DBSG符號符號1. 結(jié)構(gòu)和符號結(jié)構(gòu)和符號NMOSSiO2NMOS管管結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖P型硅襯底型硅襯底PN結(jié)結(jié)襯底引線襯底引線BN+N+SGDUDSID = 0 D與與S之間是之間是兩個兩個PN結(jié)（背靠結(jié)（背靠背）反向串聯(lián)，背）反向串聯(lián)，無論無論D與與S之間加之間加什么極性的電壓，什么極性的電壓，漏極電流均接近漏極電流均接近于零。于零。第第2 2章章 2. 1P型硅襯底型硅襯底N+BSGD。PN結(jié)結(jié)ID = 0由柵極指向襯底方由柵極指向襯底方 向的電場排斥空穴，向的電場排斥空穴，在在P 型硅襯底的上型硅襯底的上表面留下不能移動表面留下不能移動 的負(fù)離子，形成耗

7、的負(fù)離子，形成耗 盡層。仍然沒有漏盡層。仍然沒有漏極電流。極電流。 UGSN+N+UDS第第2 2章章 2. 1P型硅襯底型硅襯底N+BSGD。UDS耗盡層耗盡層ID柵極下柵極下P型半導(dǎo)型半導(dǎo)體中的少子電子體中的少子電子被吸引到襯底表被吸引到襯底表面，形成面，形成N型導(dǎo)型導(dǎo)電溝道（感生溝電溝道（感生溝道）。道）。 UGS越高越高反型感生溝道愈反型感生溝道愈厚。厚。當(dāng)當(dāng)D、S間加上正間加上正向電壓后可產(chǎn)生向電壓后可產(chǎn)生漏極電流漏極電流ID 。(3) UGS UGS(th)N型導(dǎo)電溝道N+N+UGS第第2 2章章 2. 1P型硅襯底型硅襯底N+BSGD。UDS耗盡層耗盡層IDN型導(dǎo)電溝道N+N+U

8、GS（1） 漏極電流漏極電流ID將隨將隨UDS增加而增大。增加而增大。ID（2） 溝道存在電位梯度溝道存在電位梯度,厚度不均厚度不均,近近S區(qū)厚區(qū)厚,近近D區(qū)薄。區(qū)薄。UGD=UGS-UDSUGS（3） 當(dāng)當(dāng)UDS增大到一定數(shù)值增大到一定數(shù)值(UGD=UGS-UDS=UGS(th)時時,溝道溝道 近漏端被夾斷。近漏端被夾斷。（4） 預(yù)夾斷后預(yù)夾斷后,UDS再增加溝道近漏端將產(chǎn)生夾斷區(qū)。再增加溝道近漏端將產(chǎn)生夾斷區(qū)。（5） 溝道夾斷后溝道夾斷后,UDS再再增加增加,ID基本不變基本不變(進(jìn)入飽和恒流區(qū)進(jìn)入飽和恒流區(qū))。4321051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V

9、( (增強(qiáng)型增強(qiáng)型 NMOS 管的特性曲線管的特性曲線) ) 0123恒流區(qū)恒流區(qū) iD取決于取決于UGS(放大放大)可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)RON246UGS / VUGs(th)輸出特性輸出特性轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 UDS / VID /mA截止區(qū)截止區(qū)UGSUGS(th),ID=0第第2 2章章 2. 1RON近似反比于近似反比于UGSN型硅襯底型硅襯底N+BSGD。耗盡層耗盡層PMOS管結(jié)構(gòu)示意圖管結(jié)構(gòu)示意圖P溝道溝道PMOS管與管與NMOS管管互為對偶關(guān)系，使用互為對偶關(guān)系，使用時時UGS 、UDS的極性的極性也與也與NMOS管相反。管相反。 P+P+UGSUDSIDSGDB符號符號第第2

10、2章章 2. 1VDDRDRGvIvoDSG(1)vI= UGS UGS(th),恒流區(qū)恒流區(qū),放大放大 (3) vI 再增加再增加，Ron下降下降,當(dāng)當(dāng)RD Ron，VOL0,(開關(guān)閉合開關(guān)閉合) 1. 第第2 2章章 2. 1第第2 2章章 2. 1第第2 2章章 2. 1CBNPN + + +EDBSGN溝道溝道(增強(qiáng)型增強(qiáng)型) + + +SGDBP溝道溝道(增強(qiáng)型增強(qiáng)型) -CBEPNP - - +5vABCDADBDC設(shè)設(shè) uA=0， uB= uC=3.6V 則則 DA導(dǎo)通導(dǎo)通uY= 0.7V Y= 0uY=0.7VYDB、DC截止截止R第第2章章 2.2設(shè)二極管正向?qū)▔航禐樵O(shè)二極

11、管正向?qū)▔航禐?.7伏伏 +5vABCDADBDC設(shè)設(shè) uA= uB= uC= 0DA、DB、DC都導(dǎo)通都導(dǎo)通Y= 0uY=0.7VYuY= 0.7VR第第2章章 2.2設(shè)設(shè) uA= uB= uC= 3.6V uY= 4.3V Y= 1 +5vABCDADBDCuY=4.3VYDA、DB、DC都導(dǎo)通都導(dǎo)通R第第2章章 2.2 +5vABCDADBDCY由以上分析可知：由以上分析可知：只有當(dāng)只有當(dāng)A、B、C全為全為高電平時，輸出端才高電平時，輸出端才為高電平。正好符合為高電平。正好符合與門的邏輯關(guān)系。與門的邏輯關(guān)系。Y=ABCABCY&R第第2章章 2.2設(shè)設(shè) uA= 3.6V，uB= uC=

12、 0V 則則 DA導(dǎo)通導(dǎo)通 uY=3.60.7= 2.9V DB 、DC截止，截止， Y=1DA 12vYABCDBDCuY=2.9VR第第2章章 2.2DA 12vYABCDBDC設(shè)設(shè) uA= uB= uC= 3.6VDA 、DB、DC都導(dǎo)通都導(dǎo)通uY=2. 9VuY= 2.9VY=1R第第2章章 2.2DA 5vYABCDBDC設(shè)設(shè) uA= uB= uC= 0V DA、 DB、DC都導(dǎo)通都導(dǎo)通uY= 0.7VuY= 0.7V Y=0R第第2章章 2.2DA 5vYABCDBDCY= A+B+C由以上分析可知：由以上分析可知：只有當(dāng)只有當(dāng)A、B、C全為全為低電平時，輸出端才低電平時，輸出端才

13、為低電平。正好符合為低電平。正好符合或門的邏輯關(guān)系。或門的邏輯關(guān)系。R第第2章章 2.2YABC1三、三、 非門電路非門電路設(shè)設(shè) uA= 3.6V，T飽和導(dǎo)通飽和導(dǎo)通+5VRcT12VRBRAAYuY=0.3VuY= 0.3VY= 0第第2章章 2.2 設(shè)設(shè) uA= 0V， T截止截止 ， A1YY = A+5VRcT12VRBRkAYU Y 5V ，Y= 1由以上分析可知：由以上分析可知：當(dāng)當(dāng)A為低電平時，輸出端為為低電平時，輸出端為高電平。當(dāng)高電平。當(dāng)A為高電平時，為高電平時，輸出端為低電平。正好符合輸出端為低電平。正好符合非門的邏輯關(guān)系。非門的邏輯關(guān)系。第第2章章 2.2AYTP+VDD

14、TN當(dāng)當(dāng)A為高電平時，為高電平時，TN導(dǎo)通導(dǎo)通TP截止，截止，輸出輸出Y為低電平。為低電平。當(dāng)當(dāng)A為低電平時，為低電平時，TP導(dǎo)通導(dǎo)通TN截止，截止，輸出輸出Y為高電平。為高電平。第第2 2章章 2. 3第第2 2章章 2. 3PthGSNthGSDDVVV)()(PthGSNthGSVV)()(且AYTP+VDDTNT1和和T2參數(shù)對稱時參數(shù)對稱時,閾值電壓閾值電壓VTH=1/2 VDD接近理想的開關(guān)特性接近理想的開關(guān)特性ABTP1TP2TN1TN2+VDDYTP1 與與TP2并聯(lián)，并聯(lián)，TN1 與與TN2串聯(lián)；串聯(lián)；當(dāng)當(dāng)ABAB都是高電平時都是高電平時T TN1N1 與與T TN2N2同同

15、時導(dǎo)通時導(dǎo)通T TP1P1 與與T TP2P2同時截止；同時截止；輸出輸出Y Y為低電平。為低電平。當(dāng)當(dāng)ABAB中有一個是低電平時，中有一個是低電平時，T TN1N1 與與T TN2N2中有一個截止，中有一個截止，T TP1P1 與與T TP2P2中有一個導(dǎo)通，中有一個導(dǎo)通，輸出輸出Y Y為高電平。為高電平。第第2 2章章 2. 3BTP1TP2TN1TN2+VDDAY當(dāng)當(dāng)ABAB中有一個是高電平，中有一個是高電平，T TN1N1 與與T TN2N2中有一個導(dǎo)通，中有一個導(dǎo)通，T TP1P1 與與T TP2P2中有一個截止，中有一個截止，輸出輸出Y Y為低電平。為低電平。當(dāng)當(dāng)ABAB都是低電平

16、時，都是低電平時，T TN1N1 與與T TN2N2同時截止，同時截止，T TP1P1 與與T TP2P2同時導(dǎo)通；同時導(dǎo)通；輸出輸出Y Y為高電平。為高電平。第第2 2章章 2. 3第第2 2章章 2. 3Y=A+B=A B如此解決了如此解決了輸出電阻受輸入狀態(tài)的影響，輸出電阻受輸入狀態(tài)的影響，輸出高、低電平受輸入端數(shù)目影響的問輸出高、低電平受輸入端數(shù)目影響的問題。題。ABTP1TP2TN1TN2+VDDY第第2 2章章 2. 3Y= A B = A+B第第2 2章章 2. 3作用與作用與TTL電路的電路的OC門類似門類似輸出緩沖輸出緩沖/驅(qū)動器驅(qū)動器為漏極開路結(jié)構(gòu)為漏極開路結(jié)構(gòu)Y= A B

17、 = A B 第第2 2章章 2. 3T1 (NMOS）T2（PMOS）結(jié)構(gòu)對稱。結(jié)構(gòu)對稱。C、C為控制端為控制端VI在在0VDD范范圍內(nèi)變化時，圍內(nèi)變化時， T1、 T2 至少有至少有一個導(dǎo)通，可一個導(dǎo)通，可實(shí)現(xiàn)信號的雙實(shí)現(xiàn)信號的雙向傳輸。向傳輸。第第2 2章章 2. 3由由CMOS傳輸門和反相器構(gòu)成傳輸門和反相器構(gòu)成用以用以傳送連續(xù)變化的模擬信號傳送連續(xù)變化的模擬信號。（一般邏輯門無法實(shí)現(xiàn)）（一般邏輯門無法實(shí)現(xiàn)）TPTNTN+VDDAYTPEN1控制端控制端EN低電平有效。低電平有效。當(dāng)當(dāng)EN=0時，時， TN TP同時導(dǎo)通，同時導(dǎo)通，非門正常工作，非門正常工作，Y=A；當(dāng)當(dāng)EN=1時，時

18、， TN TP同時截止，同時截止，輸出端呈高阻狀態(tài)。輸出端呈高阻狀態(tài)。結(jié)構(gòu)簡單，有多種形結(jié)構(gòu)簡單，有多種形式，使用與式，使用與TTL三態(tài)三態(tài)門類似。門類似。 第第2 2章章 2. 3第第2 2章章 2. 3 vOvIRI1不用的輸入端不能懸空不用的輸入端不能懸空!CMOS門門第第2 2章章 2.31.儲存和運(yùn)輸采用金屬屏蔽包裝材料。儲存和運(yùn)輸采用金屬屏蔽包裝材料。2.組裝、調(diào)試時，工作臺、儀表、工具應(yīng)有良好接地。組裝、調(diào)試時，工作臺、儀表、工具應(yīng)有良好接地。3.不用的輸入端不能懸空，應(yīng)接合適的電平。不用的輸入端不能懸空，應(yīng)接合適的電平。一、第第2 2章章 2.52.5 vB1=1Vvo=3.6

19、V 設(shè)設(shè) vI= 0.3V 則則 vB1= 0.3+0.7= 1VT2 、T5 截截 止止 T4 、D2導(dǎo)導(dǎo) 通通vo= 5 Vbe4 VD2 = 5 0.7 0.7 = 3.6V第第2 2章章 2.52.5 vC2 5VY= 1(Y= 1(高電平）高電平）第第2 2章章 2.52.5 vB1=2.1Vvo=0.3VvC2=1V設(shè)設(shè) vI=3.6V ，T2 ,T5導(dǎo)通，三個導(dǎo)通，三個PN結(jié)的箝位作用使結(jié)的箝位作用使vB1=2.1V，T1發(fā)射結(jié)反偏。發(fā)射結(jié)反偏。vC2=vCE2+vBE5=0.3+0.7=1V，不足以使不足以使T4 、D2同時導(dǎo)通同時導(dǎo)通,T5導(dǎo)通，導(dǎo)通， T4 、D2截止，截止

20、， vo=0.3V, Y=0 低電平低電平 由以上分析可知：由以上分析可知： 當(dāng)輸入端當(dāng)輸入端A為高電平時，輸出端為高電平時，輸出端Y為低電平。為低電平。 當(dāng)輸入端當(dāng)輸入端A為低電平，輸出端就為高電平為低電平，輸出端就為高電平, 正好符合非門的邏輯關(guān)系。正好符合非門的邏輯關(guān)系。第第2章章 2.5Y= AA1Y第第2章章 2.5：輸入、輸出兩頭管輸入、輸出兩頭管子的工作狀態(tài)。子的工作狀態(tài)。 vI=“0”時時： （入端）（入端）T1飽和導(dǎo)通，（出端）飽和導(dǎo)通，（出端）T5截止、截止、T4導(dǎo)通。導(dǎo)通。vo=“1” vI=“1”時時： （入端）（入端）T1倒倒置，置， （出端）（出端）T5導(dǎo)通、導(dǎo)通、

21、T4截止。截止。 vo=“0”第第2 2章章 2. 5AB段段 VI 0.6VBC段段 0.7V VI 1.3VCD段段 轉(zhuǎn)折區(qū)轉(zhuǎn)折區(qū)閾值電壓閾值電壓VTH=1.4V第第2 2章章 2. 52.4V0.4V0.8V2.0VVON =VIH(min)VOFF= VIL(max)74系列標(biāo)稱參數(shù)如圖。系列標(biāo)稱參數(shù)如圖。輸入高電平噪聲容限：輸入高電平噪聲容限：VNH=VOH(min)- VIH(min)輸入低電平噪聲容限：輸入低電平噪聲容限：VNL=VIL(max)- VOL(max)IISVTHIIS ： 輸入短路電流。輸入短路電流。VTH：閾值電壓：閾值電壓(1.4V)。IILIIH第第2 2章

22、章 2. 5（帶拉電流負(fù)載）（帶拉電流負(fù)載）負(fù)載電流負(fù)載電流iL大時大時VOH下降下降第第2 2章章 2. 5（帶灌電流負(fù)載）（帶灌電流負(fù)載）負(fù)載電流負(fù)載電流iL大大時時VOL增大增大第第2 2章章 2. 5 門電路的扇出系數(shù)門電路的扇出系數(shù)第第2 2章章 2. 5 門電路的扇出系數(shù)門電路的扇出系數(shù)74系列反相器可以驅(qū)動同類型反相器的系列反相器可以驅(qū)動同類型反相器的最大數(shù)目是最大數(shù)目是N=10。67頁頁 例例2.4.1第第2 2章章 2. 51.4VRP和和R1分壓分壓,相當(dāng)加了相當(dāng)加了vI。第第2 2章章 2. 5傳輸延遲時間可傳輸延遲時間可從產(chǎn)品手冊查出從產(chǎn)品手冊查出TTL門電路存門電路存

23、在傳輸延遲時在傳輸延遲時間間.第第2 2章章 2. 5輸入為多發(fā)射極三極管結(jié)構(gòu)。輸入為多發(fā)射極三極管結(jié)構(gòu)。輸入全為輸入全為1才相當(dāng)于輸入高電平；一個或一個以才相當(dāng)于輸入高電平；一個或一個以上輸入為上輸入為0，相當(dāng)于輸入低電平。，相當(dāng)于輸入低電平。 +5VABCT1R1R2T2T3T4T5R3R5R4YT1等效電路等效電路+5vA B C R1C1B1第第2章章 2.5( (了解）了解）+5VABCT1R1R2T2T3T4T5R3R5R4uo (Y) 設(shè)設(shè) uA= 0.3V 則則 VB1= 0.3+0.7= 1Vuo= 5 ube3 ube4 = 5 0.7 0.7= 3.6VY= 1VB1=1

24、Vuo=3.6V+5vA B C R1 C1B1T2 、T5 截截 止止T3、 T4導(dǎo)導(dǎo) 通通第第2章章 2.5+5VABCT1R1R2T2T3T4T5R3R5R4uo (Y)設(shè)設(shè) uA=uB=uC=3.6V ，輸入端全部是高電平，輸入端全部是高電平， VB1升高，足以使升高，足以使T2 ,T5導(dǎo)通，導(dǎo)通，uo=0.3V,Y=0。且。且VB1=2.1V，T1發(fā)射結(jié)全部反偏。發(fā)射結(jié)全部反偏。VC2=VCE2+VBE5=0.3+0.7=1V，使，使T3導(dǎo)通，導(dǎo)通，T4截止。截止。VB1=2.1VVC2=1Vuo=0.3V5vA B C R1 C1B1第第2章章 2.5由以上分析可知：由以上分析可知

25、： 當(dāng)輸入端當(dāng)輸入端A、B、C均為高電平時，輸出端均為高電平時，輸出端Y為為低電平。當(dāng)輸入端低電平。當(dāng)輸入端A、B、C中只要有一個為低電中只要有一個為低電平，輸出端就為高電平平，輸出端就為高電平,正好符合與非門的邏輯關(guān)系。正好符合與非門的邏輯關(guān)系。ABCY&Y=ABC第第2章章 2.5 TTL與非門組件就是將若干個與非門電路，經(jīng)過與非門組件就是將若干個與非門電路，經(jīng)過集成電路工藝制作在同一芯片上。集成電路工藝制作在同一芯片上。 &+VCC14 13 12 11 10 9 8 1 2 3 4 5 6 7地地74LS00&74LS00組件含有組件含有兩個輸入端的與兩個輸入端的與非門四個。非門四個。第第2章章 2.5 T1