数电课件:3-门电路.ppt
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1、Digital Electronics Technology2022-1-19第三章第三章 门电路门电路Digital Electronics Technology2022-1-191 1、重点掌握、重点掌握CMOSCMOS门和门和TTLTTL门电路的外部特性门电路的外部特性2 2、外部特性包括两个方面:、外部特性包括两个方面: 逻辑功能逻辑功能和和外部电气特性外部电气特性Digital Electronics Technology2022-1-19 数字电路中的晶体二极管、三极管和数字电路中的晶体二极管、三极管和MOSMOS管工管工作在开关状态。作在开关状态。导通状态:相当于开关闭合导通状态
2、:相当于开关闭合截止状态:相当于开关断开。截止状态:相当于开关断开。逻辑变量逻辑变量两状态开关:两状态开关: 在逻辑代数中逻辑变量有两种取值:在逻辑代数中逻辑变量有两种取值:0 0和和1 1;电子开关有两种状态:闭合、断开。电子开关有两种状态:闭合、断开。半导体二极管、三极管和半导体二极管、三极管和MOSMOS管,则是构成这管,则是构成这种电子开关的基本开关元件。种电子开关的基本开关元件。Digital Electronics Technology2022-1-19 (1) (1) 静态特性:静态特性: 断开时,开关两端的电压不管多大,等效电阻断开时,开关两端的电压不管多大,等效电阻R ROF
3、FOFF = = 无穷,电流无穷,电流I IOFFOFF = 0 = 0。 闭合时,流过其中的电流不管多大,等效电阻闭合时,流过其中的电流不管多大,等效电阻R RONON = 0= 0,电压,电压U UAKAK = 0 = 0。 (2) (2) 动态特性:动态特性: 开通时间开通时间 t tonon = 0 = 0 关断时间关断时间 t toff off = 0 = 0 理想开关的开关特性:理想开关的开关特性: Digital Electronics Technology2022-1-19客观世界中,没有理想开关。客观世界中,没有理想开关。乒乓开关、继电器、接触器等的静态特性十分乒乓开关、继电
4、器、接触器等的静态特性十分接近理想开关,但动态特性很差,无法满足数字电接近理想开关,但动态特性很差,无法满足数字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。半导体二极管、三极管和半导体二极管、三极管和MOSMOS管做为开关使用管做为开关使用时,其静态特性不如机械开关,但动态特性很好。时,其静态特性不如机械开关,但动态特性很好。Digital Electronics Technology2022-1-191. 门电路门电路 是用以实现逻辑关系的电子电路,与基本逻辑关系是用以实现逻辑关系的电子电路,与基本逻辑关系相对应。门电路主要有:与门、或门、与非门、或非门
5、、相对应。门电路主要有:与门、或门、与非门、或非门、异或门等异或门等。3.1 概述概述3. 正负逻辑正负逻辑n 正逻辑:正逻辑:用高电平代表用高电平代表1、低电平代表、低电平代表0。在数字电路。在数字电路中,一般采用正逻辑系统。中,一般采用正逻辑系统。n 负逻辑:负逻辑:用高电平代表用高电平代表0、低电平代表、低电平代表1。2. 高低电平高低电平n 高电平:高电平:数字电路中较高电平代表电压数值的范围。数字电路中较高电平代表电压数值的范围。n 低电平:低电平:数字电路中较低电平代表电压数值的范围。数字电路中较低电平代表电压数值的范围。Digital Electronics Technology
6、2022-1-194. 集成电路集成电路n IC(Integrated Circuits):):将元、器件制作在同一硅片上,将元、器件制作在同一硅片上,以实现电路的某些功能。以实现电路的某些功能。n SSI(Small-Scale Integration):): 10个门电路。个门电路。n MSI(Medium-Scale Integration):):10100个门电路。个门电路。n LSI(Large-Scale Integration):):100010000个门电路。个门电路。n VLSI(Very Large-Scale Integration):): 10000个门电路。个门电路。
7、tvVHVLPositive Logic10tvVHVLNegative Logic103.1 概述概述Digital Electronics Technology2022-1-193.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路1. 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性 用来接通或断开电路的开关器件应具有两种工作状态:用来接通或断开电路的开关器件应具有两种工作状态:一种是接通(要求其阻抗很小,相当于短路),另一种是一种是接通(要求其阻抗很小,相当于短路),另一种是断开(要求其阻抗很大,相当于开路)。断开(要求其阻抗很大,相当于开路)。 二极管具有单向导电性:正向导通,反向截止,相当二极管
8、具有单向导电性:正向导通,反向截止,相当于一个受电压控制的电子开关。于一个受电压控制的电子开关。 二极管加正向电压时导通,伏安特性很陡、压降很小二极管加正向电压时导通,伏安特性很陡、压降很小(硅管为(硅管为0.7V,锗管为,锗管为0.3V),可以近似看作是一个闭合),可以近似看作是一个闭合的开关。二极管加反向电压时截止,反向电流很小(的开关。二极管加反向电压时截止,反向电流很小(nA级),可以近似看作是一个断开的开关。把级),可以近似看作是一个断开的开关。把uDUT=0.5V看看成是硅二极管的截止条件。成是硅二极管的截止条件。 Digital Electronics Technology202
9、2-1-193.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路Digital Electronics Technology2022-1-193.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路 在低速脉冲电路中,二极管开关在低速脉冲电路中,二极管开关由接通到断开,或由断开到接通所需由接通到断开,或由断开到接通所需要的转换时间通常是可以忽略的。然要的转换时间通常是可以忽略的。然而在数字电路中,二极管开关经常工而在数字电路中,二极管开关经常工作在高速通断状态。由于作在高速通断状态。由于PN结中存储结中存储电荷的存在,二极管开关状态的转换电荷的存在,二极管开关状态的转换不能瞬间完成,需经历一个过程。不能瞬间完成,
10、需经历一个过程。 tre=ts+tf 叫做反向恢复时间。该现象叫做反向恢复时间。该现象说明,二极管在输入负跳变电压作用说明,二极管在输入负跳变电压作用下,开始仍然是导通的,只有经过一下,开始仍然是导通的,只有经过一段反向恢复时间段反向恢复时间tre之后,才能进入截之后,才能进入截止状态。由于止状态。由于tre的存在,限制了二极的存在,限制了二极管的开关速度管的开关速度 。Digital Electronics Technology2022-1-192. 2. 动态特性:动态特性:若输入信号频率过高,二极管会双向导通,失去若输入信号频率过高,二极管会双向导通,失去单向导电作用。因此单向导电作用。
11、因此高频应用时高频应用时需考虑此参数。需考虑此参数。二极管从截止变为导通和从导通变为截止都需二极管从截止变为导通和从导通变为截止都需要一定的时间。通常后者所需的时间长得多。要一定的时间。通常后者所需的时间长得多。 反向恢复时间反向恢复时间t tre re :二极管从导通到截止所需的时间。:二极管从导通到截止所需的时间。一般为纳秒数量级(通常一般为纳秒数量级(通常t tre re 5ns 5ns )。)。Digital Electronics Technology2022-1-193.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路2. 二极管与门二极管与门3. 二极管或门二极管或门ABYDigital
12、 Electronics Technology2022-1-193.2.2 二极管与门设设VCC = 5V加到加到A,B的的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时二极管导通时 VDF=0.7VABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY000010100111规定规定3V以上为以上为10.7V以下为以下为0Digital Electronics Technology2022-1-193.2.3 二极管二极管或或门门加到加到A,B的的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时二极管导通时 VDF=0.7VABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2
13、.3VABY000011101111规定规定2.3V以上为以上为10V以下为以下为0Digital Electronics Technology2022-1-19二极管构成的门电路的缺点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Digital Electronics Technology2022-1-193.3 CMOS门电路门电路 MOS门电路:以门电路:以MOS管作为开关元件构成的门电路。管作为开关元件构成的门电路。 MOS门电路,尤其是门电路,尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、门电路具有制造工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点,得集成度高、抗
14、干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点,得到了十分迅速的发展。到了十分迅速的发展。 MOS管有管有NMOS管和管和PMOS管两种。当管两种。当NMOS管和管和PMOS管成对出现在电路中,且二者在工作中互补,称为管成对出现在电路中,且二者在工作中互补,称为CMOS管管(意为互补意为互补Complementary-Symmetry)。MOS管有管有增强型和耗尽型两种。在数字电路中,多采用增强型。增强型和耗尽型两种。在数字电路中,多采用增强型。Complementary Metal Oxide Semiconductor FETDigital Electronics Technology2022-1-1
15、9N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道(耗尽型)(耗尽型)FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)场效应管场效应管分类:分类:复习模电复习模电Digital Electronics Technology2022-1-191.4.2绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管 MOSFET MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field Effect TransistorMetal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 由金属氧化物和半导体制
16、成。称为由金属氧化物和半导体制成。称为金属氧化物金属氧化物-半导半导体场效应管体场效应管,或简称,或简称 MOS 场效应管场效应管。特点:输入电阻可达特点:输入电阻可达 1010 以上。以上。类型类型N 沟道沟道P 沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型UGS = 0 时漏源间存在导电沟道称时漏源间存在导电沟道称耗尽型场效应管;耗尽型场效应管;UGS = 0 时漏源间不存在导电沟道称时漏源间不存在导电沟道称增强型场效应管。增强型场效应管。复习模电复习模电Digital Electronics Technology2022-1-19一、一、N 沟道增强型沟道增强型 MOS 场效
17、应管场效应管 结构结构P 型衬底型衬底N+N+BGSDSiO2源极源极 S漏极漏极 D衬底引线衬底引线 B栅极栅极 G图图 1.4.7N 沟道增强型沟道增强型MOS 场效应管的结构示意图场效应管的结构示意图SGDB复习模电复习模电Digital Electronics Technology2022-1-191. 工作原理工作原理 绝缘栅场效应管利用绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制来控制“感应电荷感应电荷”的多的多少,改变由这些少,改变由这些“感应电荷感应电荷”形成的导电沟道的状况,形成的导电沟道的状况,以控制漏极电流以控制漏极电流 ID。2.工作原理分析工作原理分析( (1) )UGS =
18、0 漏源之间相当于两个背靠漏源之间相当于两个背靠背的背的 PN 结,无论漏源之间加何结,无论漏源之间加何种极性电压,种极性电压,总是不导电总是不导电。SBD复习模电复习模电Digital Electronics Technology2022-1-19( (2) ) UDS = 0,0 UGS UT) )导电沟道呈现一个楔形。导电沟道呈现一个楔形。漏极形成电流漏极形成电流 ID 。b. UDS= UGS UT, UGD = UT靠近漏极沟道达到临界开靠近漏极沟道达到临界开启程度,出现预夹断。启程度,出现预夹断。c. UDS UGS UT, UGD UT一方面、一方面、UDS增大时、夹断区变宽,沟
19、道电阻变大;增大时、夹断区变宽,沟道电阻变大;另一方面、另一方面、DS两端电压增大。这样,电流两端电压增大。这样,电流ID可以基本不变可以基本不变a. UDS UTP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGGVDDP 型衬底型衬底N+N+BGSDVGSVDD夹断区夹断区复习模电复习模电Digital Electronics Technology2022-1-19DP型衬底型衬底N+N+BGSVGSVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGSVDDP型衬底型衬底N+N+BGSDVGSVDD夹断区夹断区图图 1.4.9UDS 对导电沟道的影响对导电沟道的影响(
20、(a) ) UGD UT( (b) ) UGD = UT( (c) ) UGD UGS UT时,对应于不同的时,对应于不同的uGS就有一个确定的就有一个确定的iD 。此时,此时, 可以把可以把iD近似看成是近似看成是uGS控制的电流源。控制的电流源。复习模电复习模电Digital Electronics Technology2022-1-193. 特性曲线与电流方程特性曲线与电流方程( (a) )转移特性转移特性( (b) )输出特性输出特性UGS UT 时时) )三个区:可变电阻区、三个区:可变电阻区、恒流区恒流区( (或饱和区或饱和区) )、夹断、夹断区。区。UT 2UTIDOuGS /V
21、iD /mAO图图 1.4.10 ( (a) )图图 1.4.10 ( (b) )iD/mAuDS /VOTGSUU 预夹断轨迹预夹断轨迹恒流区恒流区 可变可变电阻区电阻区夹断区。夹断区。UGS增加增加复习模电复习模电Digital Electronics Technology2022-1-19二、二、N 沟道耗尽型沟道耗尽型 MOS 场效应管场效应管P型衬底型衬底N+N+BGSD+制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子,制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子,这些正离子电场在这些正离子电场在 P 型衬底中型衬底中“感应感应”负电荷,形成负电荷,形成“反反型层型层”。即使。即使 U
22、GS = 0 也会形成也会形成 N 型导电沟道。型导电沟道。+UGS = 0,UDS 0,产生,产生较大的漏极电流;较大的漏极电流;UGS 0;UGS 正、负、正、负、零均可。零均可。iD/mAuGS /VOUP( (a) )转移特性转移特性IDSS耗尽型耗尽型 MOS MOS 管的符号管的符号SGDB( (b) )输出特性输出特性iD/mAuDS /VO+1VUGS=0- -3 V- -1 V- -2 V432151015 20N 沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET复习模电复习模电Digital Electronics Technology2022-1-19三、三、P沟道沟道MOS管管1.P沟
23、道增强型沟道增强型MOS管管的开启电压的开启电压UGS(th) 0当当UGS Vgs(th) Rds 10 () - Vgs(th) Rds 106 () I 10-6 (A) 0Vgs - Vgs(th) Rds 10 () ton 。开关时间一般在纳秒数量级。高频应用时需考虑。开关时间一般在纳秒数量级。高频应用时需考虑。3.5 TTL门电路Digital Electronics Technology2022-1-193. TTL反相器反相器3.5 TTL门电路 当输入高电平时,当输入高电平时, u uI I=3.4V=3.4V,如果不考虑如果不考虑T T2 2的存在,应有:的存在,应有:u
24、 uB1B1=3.4V+0.7=4.1V=3.4V+0.7=4.1V 显然存在显然存在T T2 2、T T5 5的情况下,的情况下, T T2 2、T T5 5的发射结必然同时导通。的发射结必然同时导通。而一旦而一旦T T2 2、T T5 5导通导通后,导通导通后,u uB1B1便便被钳位在被钳位在2.1V2.1V,所以,所以u uB1B1不可能不可能是是4.1V4.1V。 VTVT4 4截止。截止。VTVT5 5导通,输出为低导通,输出为低电平电平u uO O=00.3V=00.3V。2.1V0.3V3.4V(1)电路结构和工作原理)电路结构和工作原理Digital Electronics
25、Technology2022-1-193.5 TTL门电路 当 输 入 低 电 平 时 ,当 输 入 低 电 平 时 , uI=0.3V,T1发射结导通,发射结导通, uB1=0.3V+0.7V=1VT2和和T5均截止,均截止,T4和和VD导导通。输出高电平通。输出高电平 uO =VCC UBE4-UD-IB4R2 5V-0.7V-0.7V=3.6V1V3.6V0.3VDigital Electronics Technology2022-1-193.5 TTL门电路(2)TTL反相器的电压传输特性及参数反相器的电压传输特性及参数 截止区截止区线性区线性区转折区转折区饱和区饱和区VT4导通导通V
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