第三章-清华数字电子技术第五版阎石课件.ppt

1、补：半导体基础知识半导体基础知识（1）n本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。n常用：硅Si，锗Ge两种载流子两种载流子半导体基础知识（2）n杂质半导体nN型半导体多子：自由电子少子：空穴半导体基础知识（2）n杂质半导体nP型半导体多子：空穴少子：自由电子半导体基础知识（3）nPN结的形成n空间电荷区（耗尽层）n扩散和漂移半导体基础知识（4）nPN结的单向导电性n外加正向电压半导体基础知识（4）nPN结的单向导电性n外加反向电压半导体基础知识（5）nPN结的伏安特性正向导通区反向截止区反向击穿区qnkTVeIiTVVST)(1K:波耳兹曼常数T:热力学温度q:电子电荷第三章第三章 门电路门电

2、路3.1 概述n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 获得高、低电平的基本原理正逻辑：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13.2半导体二极管门电路半导体二极管的结构和外特性（Diode）n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=0 nVI=VIH D截止，VO=VOH=VCCnVI=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=

3、0.7VABY0V0V 0.7V0V3V 0.7V3V0V 0.7V3V3V 3.7VABY000010100111规定3V以上为10.7V以下为03.2.3 二极管或门设设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=0.7VABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABY000011101111规定2.3V以上为10V以下为0二极管构成的门电路的缺点n电平有偏移n带负载能力差n只用于IC内部电路3.3 CMOS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)

4、：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：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 109漏极特性曲线（分三个区域）恒流区：恒流区：iD 基本上由基本上由VGS决定，与决定，与VDS 关系不大关系不大2)(2)()1(GSDthGSGSthGSGSDSDViVVVVIi 下，下，当当漏极特性曲线（分三个区域）可变电阻区：当VDS 较低（近似为0），VGS

5、一定时，这个电阻受VGS 控制、可变。常数（电阻）常数（电阻）DDSiV三、MOS管的基本开关电路控制的开关。间相当于一个受管所以导通当截止当则：只要因为IOLOGSIHIDDOHOGSILIOFFDONONOFFVSDMOSVVTthVVVVVVTthVVVRRRKRR01109)()(,四、等效电路OFF，截止状态 ON，导通状态五、MOS管的四种类型n增强型n耗尽型大量正离子导电沟道3.3.2 CMOS反相器的电路结构 和工作原理一、电路结构PthGSNthGSVV)()(二、电压、电流传输特性DDODDIPTHGSDDINTHGSOLOPTHGSDDIDDOHONTHGSIVVVVTT

6、TTVVVVBCVVTTVVVCDVVVTTVVAB2121021211221时，参数完全对称，若同时导通段：截止导通，段：截止导通，段：,)()()()(三、输入噪声容限称为输入噪声容限，允许输入的变化范围在输出变化允许范围内基本不变；的一定范围内，和偏离在OILIHIVVVV(max)(max)(min)(min)OLILNLIHOHNHVVVVVVn结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性一、输入特性二、输出特性OLGSOLOLOLVVIIfV下，同样的低电平输出特性)(.1二、输出特性越少下，同样的高电平输出特性OHGSOHOHOHVVII

7、fV)(.13.3.4 CMOS反相器的动态特性一、传输延迟时间。系列为，系列为，影响、受充放电影响也较大较大所以充放电，因为和原因：5ns74AHC10ns74HC321PLHPHLDDLPLHPHLLONLIttVCttCRCC.;,.;.二、交流噪声容限三、动态功耗功耗相比，可以忽略静态功耗极小，与动态)(,.214311ttttTTTAVTAVDDTdtidtiTIIVP其中导通功耗三、动态功耗2212DDLCNLIPLDDICfVCPiTCViCTVVP可得平均功耗放电，有经当充电，有向经当负载电容充放电功耗,.CTDPPP总的动态功耗.33.3.5 其他类型的CMOS门电路一、其他

8、逻辑功能的门电路1.与非门 2.或非门 A BTN1 TP1 TN2 TP2Y0 00 11 01 1截通截通通通通截截通截截截截通通1110与非门一、一、CMOS CMOS 与与非门非门uA+VDD+10VVSSTP1TN1TP2TN2ABYuBuYAB&00100111ABY=或非门BAY 二、二、CMOS CMOS 或或非门非门uA+VDD+10VVSSTP1TN1TN2TP2ABYuBuYA BTN1 TP1 TN2 TP2Y0 00 11 01 1截通截通通通通截截通截截截截通通1000AB100100111带缓冲极的CMOS门1、与非门值不同对应的达到开启电压时，的、使也更高越高，

9、输入端越多，端数目的影响输出的高低电平受输入则则则则受输入状态影响输出电阻存在的缺点：IGSOHOLONONOONONOONONONOONONONOOVVTTVVRRRBARRRBARRRRBARRRRBAR4231314232011021002111)()(,/,:)(带缓冲极的CMOS门2.解决方法与非门缓冲器或非门二、漏极开路的门电路（OD门）)(,.DDDDDDLVVVR可以不等于使用时允许外接器或用作电平转换、驱动现线与可将输出并联使用，实21三、CMOS传输门及双向模拟开关1.传输门接地为正，另一端经设LIRV之间为低电阻至少一个导通和在所以导通导通时当相当于断开均截止、则则只要当

10、设OIDDIDDIPthGSNthGSDDIDDIDDIILDDIHONLVVTTVVTVVVTVVVVVCCTTVVCCVVVRR21212100001201010,)(,)(,)()(2.双向模拟开关四、三态输出门)(高阻时，时，ZYNEAYNE10三态门的用途双极型三极管的开关特性（BJT,Bipolar Junction Transistor）3.5 TTL门电路3.5.1 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：n当VCC VBBnbe 结正偏,bc结反偏ne区发射大量的电子nb区薄，只有少量的

11、空穴nbc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）nVON：开启电压n硅管，0.5 0.7Vn锗管，0.2 0.3Vn近似认为:nVBE 0.7V以后，基本为水平直线)V(fiCEC n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，iC=iB。饱和区：条件VCE 0,VCE 很低，iC 随iB增加变缓，趋于“饱和”。截止区：条件VBE=0V,iB=0,iC=0,ce间“断开”。三、双极型三极管的基本开关电路工作状态分析：。近似为截止，则设001CBONBEILIiiTVVVV,)(IOVOCBICBCCCCCCCEO

12、CBCBONIBBONIVVAViiVRiVRiVVVRiiRVViiVV三极管工作在放大区所以。于是得到流过并有对应的产生有后，上升至当,)(2。态三极管工作在深饱和状。时，上压降接近于当继续下降。继续上升，继续上升，当003)()(satCEOLOOCCCOBIVVVVVRViV图解分析法：CCRCBCCCCCCCCEiRViRViRVV四、三极管的开关等效电路五、动态开关特性六、三极管反相器n三极管的基本开关电路就是非门实际应用中，为保证VI=VIL时T可靠截止，常在 输入接入负压。3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构设 VVPNVVVVVVONILIHCC70204

13、35.结导通压降)()(.1020YVVAVVVOHOILI)()(.0143YVVAVVVOLOIHI二、电压传输特性二、电压传输特性OIIDBERCCOHBIVVTTTVVVBCVVVVVVTTTTVVVVAB导通，截止，导通且工作在放大区段：线性区导通截止，导通，段：截止区452242452113170433160,.,.,.二、电压传输特性OLOOIOLOBTHIVVVVDEVVTTTVVVVVCD不变，而继续段：饱和区迅速所以截止，同时导通，所以段：转折区012414521,.,.n需要说明的几个问题：故称倒相级。变化方向相反和的输出,222eCVVT。带负载能力，称推拉式既能降低功

14、耗又提高了止。总有一个导通、一个截和输出级在稳态下，54TT可靠地截止。导通时保证抑制负向干扰5221TTDD三、输入噪声容限称为输入噪声容限，允许输入的变化范围在输出变化允许范围内基本不变；的一定范围内，和偏离在OILIHIVVVV(max)(max)(min)(min)OLILNLIHOHNHVVVVVV3.5.3 TTL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。）（查得时，）（查得时，要求保证mAiVVVVmAiVVVVOLOLIHIOHOHILI16204023.;.输入输出3.5.4 TTL反相器的动态特性一、传输延迟时间

15、1、现象分布电容的影响）的存在和结电容（、原因,TD2二、交流噪声容限（b）负脉冲噪声容限（a）正脉冲噪声容限 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。三、电源的动态尖峰电流OLOVV OHOVV mARVVITVVmARVVRVVITTVVBECCCCHOHOCCCBECCCCLOLO114311112211452.,.,导通仅时截止导通，时，空载条件下：载电流不等、两种静态下的电源负2、动态尖峰电流成干扰源。；通过电源线和地线形影响：同时导通。、过程中，瞬时和成因：CCIIfTTV543.5.5其他类型的TTL门电路一、其他逻辑功

16、能的门电路1.与非门012190205241451OLOBOHOBVVTTTVVBAVVTTVVVBABA导通，和截止，同为高电平时，和当导通，截止，时，有一个为和当由多发射极三极管实现,.,.加倍：每个值相同，并联后时相同：并联后与仅一个接地输入电流计算：IHILII2.或非门均加倍和输入电流计算时，导通截止，才有同为、只有截止导通，均使任何一个为、所以的输出并联和因为路两个完全一样的输入电ILIHOHOOLOIIVVTTBAVVTTBATT454522013.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 输出电平不可调 负载能力不强，尤其是高电平输出 输出端不能并

17、联使用 OC门2、OC门的结构特点VmASNTTOC3040740755/:如，可承受较大电压、电流，三极管输出端为与”输出端并联可实现“线）可以不等于（截止时，为或饱和同为高时，取值合适，定可使只要工作时需要外接CCCCCCOOLCCLCCLVVVVTBAVTBAVRVR5500,;,OC门实现的线与)()()(CDABCDABYYYYYYY2121所以才为高，即为低，只有两者同高有一个低，、因为3、外接负载电阻RL的计算下限）过大（得不能太小，否则门仅一个输出管道通，、的上限）不能太大（得门输出管全部截止时，、要求：LLLOLOLLOHORiRVVOCRRVVOC213、外接负载电阻RL的

18、计算(max)(,LIHOHOHCCLOHIHOHLCCOHOIHOHRmInIVVRVmInIRVVVIIOC所以则为保证负载输入电流为截止漏电流为门同时截止，3、外接负载电阻RL的计算(min),LILLMOLCCLLLOLOILLMRImIVVRRIVVIIOCOC所以不能太小不过大，且为保证负载门输入电流为流为门饱和时允许的最大电门导通，当仅一个三、三态输出门（Three state Output Gate,TS）)(,ZVVOHOL，高阻输出有三个状态：ZYDPENABYDPEN导通，为“高阻状态”截止，为“工作状态”,)()(,)(012101三态门的用途一、高速系列74H/54H

19、 （High-Speed TTL）1.电路的改进(1)输出级采用复合管（减小输出电阻Ro）(2)减少各电阻值2.性能特点速度提高,同时功耗也增加 2.4.5 TTL电路的改进系列21)(nstpd倍2)(mwP二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）1.电路改进(1)采用抗饱和三极管(2)用有源泄放电路代替74H系列中的R3(3)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，功耗增大左右至左右，下降到VVVVOLTH4011.三、低功耗肖特基系列74LS/54LS（Low-Power Schottky TTL）四、74AS,74ALS（Advanced Low-

20、Power Schottky TTL）2.5 其他类型的双极型数字集成电路*DTL：输入为二极管门电路，速度低，已经不用HTL：电源电压高，Vth高，抗干扰性好，已被CMOS替代ECL：非饱和逻辑，速度快，用于高速系统I2L：属饱和逻辑，电路简单，用于LSI内部电路 2.3.5 CMOS 电路使用中应注意的几个问题电路使用中应注意的几个问题一、CC4000 和 C000 系列集成电路1.CC4000 系列：符合国家标准，电源电压为 3 18 V，功能和外部引线排列与对应序号的国外产品相同。2.C000 系列：早期集成电路，电源电压为 7 15 V，外部引线排列顺序与 CC4000 不同，用时需

21、查阅有关手册。二、高速 CMOS(HCMOS)集成电路三、三、CMOS 集成电路的主要特点集成电路的主要特点(1)功耗极低。LSI：几个 W，MSI：100 W(2)电源电压范围宽。CC4000 系列：VDD=3 18 V(3)抗干扰能力强。输入端噪声容限=0.3VDD 0.45VDD(4)逻辑摆幅大。(5)输入阻抗极高。(6)扇出能力强。扇出系数：带同类门电路的个数，其大小 反映了门电路的带负载能力。(7)集成度很高，温度稳定性好。(8)抗辐射能力强。(9)成本低。DDOHOL ,V0VUU CC4000系列：50个 10 8四、CMOS 电路使用中应注意的几个问题1.注意输入端的静电防护。2.注意输入电路的过流保护。3.注意电源电压极性。5.多余的输入端不应悬空。6.输入端外接电阻的大小不会引起输入电平的变化。与门、与非门：接电源 或 与其他输入端并联或门、或非门：接地 或 与其他输入端并联多余输入端 的处理思考原因？4.输出端不能和电源、地短接。因为输入阻抗极高（108）故 输入电流 0，电阻上的压降 0。例题：对于以上门电路，是CMOS门电路时，输出是什么状态？是TTL门电路时，输出是什么状态？3、已知TTL门，指出输出状态？