數(shù)字電路課件第三章清華1

半導(dǎo)體基礎(chǔ)學(xué)問（1）兩種載流子半導(dǎo)體基礎(chǔ)學(xué)問（2）雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體多子：自由電子少子：空穴半導(dǎo)體基礎(chǔ)學(xué)問（2）雜質(zhì)半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體多子：空穴少子：自由電子半導(dǎo)體基礎(chǔ)學(xué)問（3）PN結(jié)的形成空間電荷區(qū)（耗盡層）擴(kuò)散和漂移半導(dǎo)體基礎(chǔ)學(xué)問（4）PN結(jié)的單向?qū)щ娦酝饧诱螂妷喊雽?dǎo)體基礎(chǔ)學(xué)問（4）PN結(jié)的單向?qū)щ娦酝饧臃聪螂妷喊雽?dǎo)體基礎(chǔ)學(xué)問（5）PN結(jié)的伏安特性正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)K:波耳茲曼常數(shù)T:熱力學(xué)溫度q:電子電荷第三章門電路3.1概述門電路：實現(xiàn)基本運(yùn)算、復(fù)合運(yùn)算的單元電路，如與門、與非門、或門······門電路中以高/低電平表示邏輯狀態(tài)的1/0獲得高、低電平的基本原理高/低電平都允許有確定的變更范圍S斷開，v0=Vcc為高電平S閉合，v0=0為高電平志向開關(guān)導(dǎo)通時，內(nèi)阻為0；斷開時，阻抗為窮大；轉(zhuǎn)換瞬間完成，即開關(guān)時間為0。正邏輯：高電平表示1，低電平表示0

負(fù)邏輯：高電平表示0，低電平表示1

3.2半導(dǎo)體二極管門電路二極管的結(jié)構(gòu)： PN結(jié)+引線+封裝構(gòu)成PN符號:3.2.1二極管的開關(guān)特性：vi=VIH

D截止，vO=VOH=VCCvi=VIL

D導(dǎo)通，vo=VOL=0.7V高電平：VIH=VCC低電平：VIL=0二極管的動態(tài)電流波形：電荷消散及梯度的形成須要時間3.2.2二極管與門設(shè)VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二極管導(dǎo)通時VDF=0.7V規(guī)定3V以上為10.7V以下為03.2.3二極管或門規(guī)定2.3V以上為10V以下為0設(shè)VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二極管導(dǎo)通時VDF=0.7V二極管構(gòu)成的門電路的缺點(diǎn)電平有偏移（輸入與輸出電平不同）帶負(fù)載實力差所以只用于IC內(nèi)部電路數(shù)字集成電路的分類

數(shù)字集成電路按其內(nèi)部有源器件的不同可以分為兩大類：一類為雙極型晶體管集成電路，主要有晶體管—晶體管邏輯(TTL-TransistorTransistorLogic)、射極耦合邏輯(ECL-EmitterCoupledLogic)和集成注入邏輯(I2L-IntegratedInjectionLogic)等幾種類型。另一類為MOS(MetalOxideSemiconductor)集成電路，其有源器件接受金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管，它又可分為NMOS、PMOS和CMOS等幾種類型。目前數(shù)字系統(tǒng)中普遍運(yùn)用TTL和CMOS集成電路。TTL集成電路工作速度高、驅(qū)動實力強(qiáng)，但功耗大、集成度低；MOS集成電路集成度高、功耗低。超大規(guī)模集成電路基本上都是MOS集成電路，其缺點(diǎn)是工作速度略低。目前已生產(chǎn)了雙極性互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體（BiCMOS）器件，它由雙極型晶體管電路和MOS型集成電路構(gòu)成，能夠充分發(fā)揮兩種電路的優(yōu)勢，缺點(diǎn)是制造工藝?yán)щy。

小規(guī)模集成電路(SSI-SmallScaleIntegration)，每片組件內(nèi)包含10~100個元件(或10~20個等效門)。

中規(guī)模集成電路(MSI-MediumScaleIntegration)，每片組件內(nèi)含100~1000個元件(或20~100個等效門)。

大規(guī)模集成電路(LSI-LargeScaleIntegration)，每片組件內(nèi)含1000~100000個元件(或100~1000個等效門)。

超大規(guī)模集成電路(VLSI-VeryLargeScaleIntegration)，每片組件內(nèi)含100000個元件(或1000個以上等效門)。目前常用的邏輯門和觸發(fā)器屬于SSI，常用的譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、加法器、計數(shù)器、移位寄存器等組件屬于MSI。常見的LSI、VLSI有只讀存儲器、隨機(jī)存取存儲器、微處理器、單片微處理機(jī)、位片式微處理器、高速乘法累加器、通用和專用數(shù)字信號處理器等。此外，還有專用集成電路ASIC，它分標(biāo)準(zhǔn)單元、門陣列和可編程邏輯器件PLD。PLD是近十幾年來快速發(fā)展的新型數(shù)字器件，目前應(yīng)用特殊廣泛，3.3CMOS門電路一、MOS管的結(jié)構(gòu)S(Source)：源極G(Gate)：柵極D(Drain)：漏極B(Substrate):襯底氧化物層PN結(jié)以N溝道增加型為例：以N溝道增加型為例分析開關(guān)特性：當(dāng)加+VDS時，VGS=0時，D-S間是兩個背向PN結(jié)串聯(lián)，iD=0----開關(guān)斷開加上+VGS，且足夠大至VGS>VGS(th),D-S間形成導(dǎo)電溝道（N型層）----開關(guān)閉合開啟電壓二、輸入特性和輸出特性輸入特性：直流電流為0，看進(jìn)去有一個輸入電容CI，對動態(tài)有影響。輸出特性：

iD

=f(VDS)對應(yīng)不同的VGS下得一族曲線。輸入回路輸出回路漏極特性曲線（分三個區(qū)域）截止區(qū)恒流區(qū)可變電阻區(qū)截止區(qū)：VGS<VGS(th)，iD=0,ROFF>109Ω恒流區(qū)：iD基本上由VGS確定，與VDS關(guān)系不大可變電阻區(qū)：當(dāng)VDS較低（近似為0），VGS確定時這個電阻受VGS限制、可變。三、MOS管的基本開關(guān)電路漏極和源極之間看作是一個受柵極電壓限制的開關(guān)四、等效電路OFF，截止?fàn)顟B(tài)

ON，導(dǎo)通狀態(tài)五、MOS管的四種類型N溝道增加型P溝道增加型N溝道耗盡型P溝道耗盡型3.3.2CMOS反相器一、電路結(jié)構(gòu)PMOSNMOS留意：PMOS管利用負(fù)電源工作，開啟電壓為負(fù)值。二、傳輸特性PTHGSDDINTHGSOLOPTHGSDDIDDOHONTHGSITTTTVVVVBCVVTTVVVCDVVVTTVVAB021211221-<<*==T->*==T<*DDODDIVVVV2121==時，參數(shù)完全對稱，若同時導(dǎo)通段：截止導(dǎo)通，段：截止導(dǎo)通，段：,,)()()()(電壓傳輸特性電流傳輸特性三、輸入噪聲容限在保證輸出高電平不變的條件下，允許疊加在輸入低電平的最大噪聲電壓稱為低電平噪聲容限。在保證輸出低電平不變的條件下，允許疊加在輸入高電平的最大噪聲電壓稱為高電平噪聲容限。3.3.3CMOS反相器的靜態(tài)特性一、輸入特性二、輸出特性二、輸出特性3.3.4CMOS反相器的動態(tài)特性一、傳輸延遲時間二、溝通噪聲容限三、動態(tài)功耗從以上分析看出，CMOS電路有以下特點(diǎn)：①靜態(tài)功耗低。CMOS反相器穩(wěn)定工作時總是有一個MOS管處于截止?fàn)顟B(tài)，流過的電流為微小的漏電流，因而靜態(tài)功耗很低，有利于提高集成度。②抗干擾實力強(qiáng)。由于其閾值電壓UT=1/2UDD，在輸入信號變更時，過渡區(qū)變更陡峭，所以低電平噪聲容限和高電平噪聲容限近似相等。約為0.45UDD。同時，為了提高CMOS門電路的抗干擾實力，還可以通過適當(dāng)提高UDD的方法來實現(xiàn)。這在TTL電路中是辦不到的。③電源電壓工作范圍寬，電源利用率高。標(biāo)準(zhǔn)CMOS電路的電源電壓范圍很寬，可在3~18V范圍內(nèi)工作。當(dāng)電源電壓變更時，與電壓傳輸特性有關(guān)的參數(shù)基本上都與電源電壓呈線性關(guān)系。CMOS反相器的輸出電壓擺幅大，UOH=UDD,UOL=0V，因此電源利用率很高。

缺點(diǎn):

CMOS非門傳輸延遲較大，且它們均與電源電壓有關(guān)。電源電壓越高，CMOS電路的傳輸延遲越小，功耗越大。3.3.5其他類型的CMOS門電路1.與非門☆當(dāng)輸入A、B中有一個或者兩個均為低電平常，T2、T4中有一個或兩個截止，T3、T1中有一個或兩個飽和，輸出VO總為高電平?！钪挥挟?dāng)A、B均為高電平輸入時，T4、V2飽和，T3、T1截止，輸出VO為低電平。Y=(A·B)′2、CMOS或非門3、帶緩沖極的CMOS門1、與非門帶緩沖極的CMOS門2.解決方法：輸入、輸出端個增設(shè)一級反相極二、漏極開路的門電路（OD門）

只要滿足：Roff>>RL>>Ron高電平：Vo≈VDD2低電平：Vo≈0應(yīng)用：三、CMOS傳輸門及雙向模擬開關(guān)1.傳輸門由于T1、T2管的結(jié)構(gòu)形式是對稱的，即漏極和源極可互換運(yùn)用，因而CMOS傳輸門屬于雙向器件，它的輸入端和輸出端也可以互易運(yùn)用。2.雙向模擬開關(guān)傳輸門的一個重要用途是作模擬開關(guān)，它可以用來傳輸連續(xù)變更的模擬電壓信號。模擬開關(guān)的基本電路由CMOS傳輸門和一個CMOS反相器組成，如圖所示。當(dāng)C=1時，開關(guān)接通，C=0時，開關(guān)斷開，因此只要一個限制電壓即可工作。和CMOS傳輸門一樣，模擬開關(guān)也是雙向器件。四、三態(tài)輸出門三態(tài)門的用途從供電電源區(qū)分：

5VCMOS門電路和3.3VCMOS門電路兩種。3.3VCMOS門電路是最近發(fā)展起來的,它的功耗比5VCMOS門電路低得多。同TTL門電路一