《数字电子技术基础》第六版--门电路-1117.pptx

第 章 门电路,3,数字电子技术基础,第六版,第三章 门电路,数字电子技术基础,（第六版）,1/104,概述,半导体二极管电路,CMOS,门电路,TTL,门电路,第,3,章 门电路,2/104,补：半导体基础知识,半导体基础知识,3/104,本征半导体：纯净含有晶体结构半导体。,惯用：硅,Si,，锗,Ge,两种载流子,半导体基础知识（,1,）,4/104,杂质半导体（掺杂少许磷或锑）,N,型半导体,多子：自由电子,N,型半导体,：掺入少许杂质,磷或锑,元素，磷原子外层五个外层电子其中四个与周围半导体原子形成共价键，多出一个电子几乎不受束缚，较为轻易地成为自由电子。,N,型半导体电子浓度较高，其导电性主要是因为自由电子导电。,半导体基础知识（,2,）,5/104,杂质半导体（掺杂少许硼或铟）,P,型半导体,多子：空穴,P,型半导体,：掺入少许杂质硼或铟元素，硼原子外三个电子与周围半导体原子形成共价键时候，会产生一个“,空穴,”，这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”，使得硼原子成为带负电离子。,含有较高浓度“空穴”（正电荷），成为能够导电物质。,半导体基础知识（,2,）,6/104,PN,结形成,空间电荷区（耗尽层）,扩散和漂移,半导体基础知识（,3,）,7/104,PN,结单向导电性,外加,正向电压,半导体基础知识（,4,）,8/104,PN,结单向导电性,外加,反向电压,半导体基础知识（,4,）,9/104,PN,结伏安特征,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,半导体基础知识（,5,）,10/104,门电路：,实现基本运算和复合逻辑运算单元电路，如与门、与非门、或门,门电路中以高,/,低电平表示逻辑状态,1/0,3.1,概述,11/104,电路：传递和处理信息,3.1,概述,数字信息：,0,和,1,传递方式：串行传输,（以时间为代价）,并行传输,（以空间为代价）,传输,0,与,1,，而开关电路是最简单方式，,用高低电平来传输,0,与,1,信息,12/104,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,1,3.1,概述,高低电平与,01,对应,13/104,合格元器件：,输入端：允许接收低质量,0,和,1,输出端：输出高质量,0,和,1,3.1,概述,数字元器件输入输出规则,元器件,雷锋协议,传输,损耗,无效区,无效区,14/104,取得高、低电平基本原理,高,/,低电平都允许有一定改变范围,3.1,概述,单开关电路,开关电路缺点：,1,、不方便加控制信号,2,、,R,电阻不好控制,输出,1,希望,R,很小，,输出,0,时希望,R,很大,15/104,用元器件取代开关,3.1,概述,二极管,三极管,MOS,管,16/104,二极管,(Diode),结构：,PN,结,引线,+,封装组成,P,N,3.2,半导体二极管门电路,17/104,V,I,=V,IH,D,截止，,V,O,=V,OH,=V,CC,V,I,=V,IL,D,导通，,V,O,=V,OL,=0.7V,3.2.1,二极管开关特征,高电平：,V,IH,=V,CC,低电平：,V,IL,=0,18/104,二极管开关等效电路：,3.2.1,二极管开关特征,a),、当电源等效电阻和等效电阻,R,L,都很小时，二极管正向导通压降和,正向电阻,都不能忽略,b),、当二极管正向导通压降和和外加电源电压相比不能忽略，而,外接电阻,相对就二极管电阻来说能够忽略,c),、当二极管正向导通压降和正向电阻与外接电阻相比均可忽略，视二极管为,管理开关,。,19/104,二极管动态电流波形：,3.2.1,二极管开关特征,外加电压反向正向：,要等,PN,结内部建立起足够电荷梯度才开始有扩散电流，所以正向电流建立要稍微滞后一点。,外加电压由正向反向：,PN,结还有一定数量电荷，所以有较大瞬态反向电流流过。,20/104,设,V,CC,=5V,加到,A,B,V,IH,=3V,V,IL,=0V,二极管导通时,V,DF,=0.7V,A,B,Y,0V,0V,0.7V,0V,3V,0.7V,3V,0V,0.7V,3V,3V,3.7V,A,B,Y,0,0,0,0,1,0,1,0,0,1,1,1,要求,3V,以上为,1,0.7V,以下为,0,3.2.2,二极管与门,21/104,设,V,CC,=5V,加到,A,B,V,IH,=3V,V,IL,=0V,二极管导通时,V,DF,=0.7V,A,B,Y,0V,0V,0V,0V,3V,2.3V,3V,0V,2.3V,3V,3V,2.3V,A,B,Y,0,0,0,0,1,1,1,0,1,1,1,1,要求,2.3V,以上为,1,0V,以下为,0,3.2.2,二极管或门,22/104,二极管组成门电路缺点,电平有偏移,带负载能力差,只用于,IC,内部电路,3.2.2,二极管或门,23/104,集成门电路,集成门电路,双极型,TTL,(,T,ransistor-,T,ransistor,L,ogic Integrated Circuit),ECL,NMOS,CMOS,PMOS,MOS,型,（,M,etal-,O,xide-,S,emiconductor,，,MOS,）,TTL,晶体管,-,晶体管逻辑集成电路,MOS,金属氧化物半导体场效应管集成电路,24/104,3.3 CMOS,门电路,3.3.1,MOS,管开关特征,25/104,3.3.1,MOS,管开关特征,MOS,管结构,S(Source),：源极,G(Gate),：栅极,D(Drain),：漏极,B(Substrate):,衬底,在,CMOS,集成电路中，以金属氧化物半导体场效应管（,MOS,管,),作为开关器件。,制作过程：,1,、切一块半导体,P,2,、挖两口井，放,N,3,、盖止绝缘层，腐蚀出两口井,4,、贴上金属层，腐蚀出,sgd,三极,金属层,氧化物层,半导体层,PN,结,26/104,3.3 CMOS,门电路,3.3.1,MOS,管开关特征,S(Source),：源极,G(Gate),：栅极,D(Drain),：漏极,B(Substrate):,衬底,MOS,管符号：,27/104,增强型,耗尽型,大量正离子,导电沟道,MOS,管四种类型,3.3.1,MOS,管开关特征,28/104,以,N,沟道增强型,为例研究通电情况：,3.3.1,MOS,管开关特征,P,MOS,管：源极,S,与衬底,B,接在一起,29/104,以,N,沟道增强型,为例研究通电情况：,3.3.1,MOS,管开关特征,1,、添加横向电压,V,DS,S,D,B,不论,D,、,S,间有没有电压，均无法导通，不能导电,30/104,以,N,沟道增强型,为例研究通电情况：,3.3.1,MOS,管开关特征,2,、添加垂直电压,V,GS,形成电场,GB,把衬底中电子吸引到上表面，除复合外，剩下电子在上表面形成了,N,型层（反型层）为,D,、,S,间导通提供了通道。,31/104,以,N,沟道增强型,为例研究通电情况：,3.3.1,MOS,管开关特征,1,、添加横向电压,V,DS,2,、添加垂直电压,V,GS,32/104,以,N,沟道增强型,为例研究通电情况：,3.3.1,MOS,管开关特征,1,、添加横向电压,V,DS,2,、添加垂直电压,V,GS,V,GS(th),称为阈值电压,(,开启电压）,33/104,MOS,管输入特征和输出特征,输入特征：直流电流为,0,，看进去有一个输入电容,C,I,，对动态有影响。,输出特征：,i,D,=f(V,DS,),对应不一样,V,GS,下得一族曲线。,3.3.1,MOS,管开关特征,34/104,截止区,恒流区,可变电阻区,输出特征曲线,（分三个区域）,3.3.1,MOS,管开关特征,35/104,截止区：,V,GS,10,9,3.3.1,MOS,管开关特征,输出特征曲线,（分三个区域）,36/104,恒流区,（饱和或放大区）,：,i,D,基本上由,V,GS,决定，与,V,DS,关系不大,3.3.1,MOS,管开关特征,输出特征曲线,（分三个区域）,条件,:(1),源端沟道未夹断,(2),漏端沟道予夹断,37/104,可变电阻区：当,V,DS,较低（近似为,0,），,V,GS,一定时，这个电阻受,V,GS,控制、可变。,3.3.1,MOS,管开关特征,输出特征曲线,（分三个区域）,38/104,MOS,管基本开关电路,3.3.1,MOS,管开关特征,39/104,OFF,，截止状态,ON,，导通状态,开关特征等效电路,3.3.1,MOS,管开关特征,40/104,CMOS,管,3.3.2,CMOS,反相器电路结构和工作原理,当,N,MOS,管和,P,MOS,管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为,CMOS,管,(,意为互补,),。,P,MOS,管,N,MOS,管,CMOS,管,41/104,一、,CMOS,反向器电路结构,3.3.2,CMOS,反相器电路结构和工作原理,上管为,P,管，输入,0,有效,下管为,N,管，输入,1,有效,42/104,一、,CMOS,反向器电路结构,3.3.2,CMOS,反相器电路结构和工作原理,截止,V,o,=1,导 通,V,I,=0,43/104,一、,CMOS,反向器电路结构,3.3.2,CMOS,反相器电路结构和工作原理,导通,V,o,=0,截止,V,I,=1,44/104,二、电压、电流传输特征,CMOS,反相器在使用时应尽可能防止长久工作在,BC,段。,3.3.2,CMOS,反相器电路结构和工作原理,45/104,三、输入噪声容限,3.3.2,CMOS,反相器电路结构和工作原理,在确保输出高、低电平基本不变条件下,输入电平允许波动范围称为,输入端噪声容限,。,当,Vi,偏离,Vm,和,Vn,一定范围时，,Vo,基本不变,46/104,三、输入噪声容限,3.3.2,CMOS,反相器电路结构和工作原理,噪声容限衡量门电路,抗干扰能力。,噪声容限越大，表明电路抗干扰能力越强。,测试表明：,CMOS,电路噪声容限,V,NH,=,V,NL,30,V,DD,，且随,V,DD,增加而加大。所以,能够经过提升,V,DD,来提升噪声容限,47/104,一、输入特征,3.3.3,CMOS,反相器静态输入和输出特征,因为,MOS,管栅极和衬底之间存在着以,SiO,2,为介质输入电容，而绝缘介质非常薄，极易被击穿，所以应采取保护办法。,48/104,二、输出特征,3.3.3,CMOS,反相器静态输入和输出特征,49/104,二、输出特征,3.3.3,CMOS,反相器静态输入和输出特征,50/104,一、传输时间延迟,3.3.4,CMOS,反相器动态特征,51/104,二、交流噪声容限,3.3.4CMOS,反相器动态特征,噪声电压作用时间越短、电源电压越高，交流噪声容限越大。,52/104,三、动态功耗,3.3.4,CMOS,反相器动态特征,反相器从一个稳定状态突然变到另一个稳定状态过程中，将产生附加功耗，即为动态功耗。,53/104,三、动态功耗,3.3.4,CMOS,反相器动态特征,动态功耗包含：负载电容充放电所消耗功率,P,C,和,PMOS,、,NMOS,同时导通所消耗瞬时导通功耗,P,T,。,54/104,1.,与非门,一、其它逻辑功效门电路,3.3.5,其它类型,CMOS,门电路,v,A,=1,v,B,=1,导通,断开,v,O,=0,上面为,P,管，,P,管组合,下面为,N管，,N,管组合,55/104,一、其它逻辑功效门电路,3.3.5,其它类型,CMOS,门电路,任一输入端为高，,设,v,A,=1,v,A,=1,导通,断开,v,O,=0,2.,或非门,56/104,一、其它逻辑功效门电路,3.3.5,其它类型,CMOS,门电路,2.,或非门,输入端全为低,v,A,=0,v,B,=0,断开,导通,v,O,=1,57/104,与非门,_,带缓冲极,CMOS,门,3.3.5,其它类型,CMOS,门电路,58/104,处理方法,:,与非门,_,带缓冲极,CMOS,门,3.3.5,其它类型,CMOS,门电路,59/104,或非门,_,带缓冲极,CMOS,门,3.3.5,其它类型,CMOS,门电路,带缓冲级门电路其输出电阻、输出高、低电平以及,电压传输特征将不受输入端状态影响。电压传输特征,转折区也变得更陡。,60/104,二、漏极开路门电路（,OD,门）,3.3.5,其它类型,CMOS,门电路,为何需要,OD,门？,普通与非门输出不能,直接连在一起实现“线与”！,A,B,Y,C,D,需将一个,MOS,管漏极开路组成,OD,门。,1,0,产生一个很大电流,61/104,二、漏极开路门电路（,OD,门）,3.3.5,其它类型,CMOS,门电路,OD,门输出端可直接连接实现线与。,需加一上拉电阻,62/104,二、漏极开路门电路（,OD,门）,3.3.5,其它类型,CMOS,门电路,63/104,三、,CMOS,传输门,3.3.5,其它类型,CMOS,门电路,64/104,三、,CMOS,传输门,3.3.5,其它类型,CMOS,门电路,65/104,2.,作为双向模拟开关,三、,CMOS,传输门,3.3.5,其它类型,CMOS,门电路,1.,组成复杂逻辑电路,异或门、数据选择器、存放器、计数器等,66/104,四、三态输出门,3.3.5,其它类型,CMOS,门电路,三态门有三种状态,:,高电平、低电平、高阻态。,67/104,三态门用途,四、三态输出门,3.3.5,其它类型,CMOS,门电路,68/104,CMOS,门电路优点,1.,静态功耗小。,2.,允许电源电压范围宽,(3,18V,）。,3.,扇出系数大，噪声容限大。,CMOS,门电路优点,69/104,CMOS,门电路正确使用,1,输入电路静电保护,CMOS,电路输入端设置了保护电路，给使用者带来很大方便。不过，这种保护还是有限。因为,CMOS,电路输入阻抗高，极易产生感应较高静电电压，从而击穿,MOS,管栅极极薄绝缘层，造成器件永久损坏。为防止静电损坏，应注意以下几点：,（,1,）全部与,CMOS,电路直接接触工具、仪表等必须可靠接地。,（,2,）存放和运输,CMOS,电路，最好采取金属屏蔽层做包装材料。,2,多出输入端不能悬空。,输入端悬空极易产生感应较高静电电压，造成器件永久损坏。对多出输入端，能够按功效要求接电源或接地，或者与其它输入端并联使用。,3,输入电路需过流保护,70/104,双极型三极管,（,BJT,Bipolar Junction Transistor,）,3.4,TTL,门电路,3.4.1,双极型三极管开关特征,管芯,+,三个引出电极,+,外壳,71/104,基区,薄低掺杂,发射区高掺杂,集电区低掺杂,3.4.1,双极型三极管开关特征,一、双极型三极管结构,72/104,以,NPN,为例说明工作原理：,当,V,CC,V,BB,be,结正偏,bc,结反偏,e,区发射大量电子,b,区薄，只有少许空穴,bc,反偏，大量电子形成,I,C,3.4.1,双极型三极管开关特征,一、双极型三极管结构,73/104,V,ON,：开启电压,硅管，,0.5 0.7V,锗管，,0.2 0.3V,近似认为,:,V,BE,0.7V,i,B,0,i,C,随,i,B,成正比改变，,i,C,=,i,B,饱和区：,条件,V,CE,0,V,CE,很低，,i,C,随,i,B,增加变缓，趋于,饱和,截止区：,条件,V,BE,=0V,i,B,=0,i,C,=0,ce,间“,断开,”,3.4.1,三极管输入输出特征,二、三极管输出特征,75/104,只要参数合理：,V,I,=V,IL,时，,T,截止，,V,O,=V,OH,V,I,=V,IH,时，,T,导通，,V,O,=V,OL,3.4.1,三极管输入输出特征,三、三极管基本开关电路,76/104,工作状态分析：,3.4.1,三极管输入输出特征,三、三极管基本开关电路,77/104,图解分析法：,3.4.1,三极管输入输出特征,三、三极管基本开关电路,78/104,截止状态,饱和导通状态,3.4.1,三极管输入输出特征,四、三极管开关等效电路,当电源电压,V,CE,外接,RR,CE,79/104,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，,i,C,改变将滞后于,V,I,，则,V,O,改变也滞后于,V,I,。,3.4.1,三极管输入输出特征,五、动态开关特征,80/104,三极管基本开关电路就是,非,门,参数合理？,V,I,=V,IL,时，,T,截止,V,O,=V,OH,V,I,=V,IH,时，,T,截止,V,O,=V,OL,3.4.1,三极管输入输出特征,六、三极管反相器,实际应用中，为确保,V,I,=V,IL,时,T,可靠截止，常在输入接入负压。,81/104,3.4.2 TTL,反相器电路结构和工作原理,一、电路结构,82/104,3.4.2 TTL,反相器电路结构和工作原理,二、电压传输特征,83/104,3.4.2 TTL,反相器电路结构和工作原理,二、电压传输特征,84/104,3.4.2 TTL,反相器电路结构和工作原理,二、电压传输特征,85/104,3.4.2 TTL,反相器电路结构和工作原理,二、电压传输特征,86/104,3.4.2 TTL,反相器电路结构和工作原理,二、电压传输特征,输入为高电平（,3.4V,）时,电位被钳位,在,2.1V,全导通,v,B1,=,V,IH,+,V,ON,=4.1V,发射结反偏,1V,截止,T,2,、,T,5,饱和导通,87/104,需要说明几个问题：,3.4.2 TTL,反相器电路结构和工作原理,二、电压传输特征,88/104,3.4.2 TTL,反相器电路结构和工作原理,三、输入噪声容限,输入低电平时噪声容限：,输入高电平时噪声容限：,89/104,3.4.3 TTL,反相器静态输入特征和输出特征,输入,输入短路电流,I,IS,(,I,IL,),高电平输入电流,I,IH,90/104,3.4.3 TTL,反相器静态输入特征和输出特征,输出,91/104,1,、现象,3.4.4 TTL,反相器动态特征,一、传输延迟时间,92/104,当输入信号为窄脉冲，且靠近于,t,pd,时，输出改变跟不上，改变很小，所以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,3.4.4 TTL,反相器动态特征,二、交流噪声容限,93/104,3.4.4 TTL,反相器动态特征,三、电源动态尖峰电流,94/104,3.4.4 TTL,反相器动态特征,三、电源动态尖峰电流,输出电压由低高电平过渡过程中，,T5,原处理深度饱和状态，,T4,导通必定先于,T5,截止，会出现短暂,T4T5,同时导通情况，就会出现尖峰电流。,95/104,3.4.4 TTL,反相器动态特征,三、电源动态尖峰电流,96/104,1.,与非门,3.4.5,其它类型,TTL,门电路,一、其它逻辑功效门电路,97/104,2.,或非门,3.,与或非门,3.4.5,其它类型,TTL,门电路,一、其它逻辑功效门电路,98/104,4.,异或门,3.4.5,其它类型,TTL,门电路,99/104,1,、推拉式输出电路结构不足,输出电平不可调,负载能力不强，尤其是高电平输出,输出端不能并联使用,OC,门,3.4.5,其它类型,TTL,门电路,二、集电极开路门电路,100/104,2,、,OC,门结构特点,3.4.5,其它类型,TTL,门电路,二、集电极开路门电路,101/104,3.4.5,其它类型,TTL,门电路,三、三态输出门（,Three state Output Gate,TS,）,102/104,三态门用途,3.4.5,其它类型,TTL,门电路,三、三态输出门（,Three state Output Gate,TS,）,103/104,CMOS,电路与,TTL,电路比较,（,1,）,CMOS,电路工作速度比,TTL,电路低。,（,2,）,CMOS,带负载能力比,TTL,电路强。,（,3,）,CMOS,电路电源电压允许范围较大，约在,3,18V,，抗干扰能力比,TTL,电路强。,（,4,）,CMOS,电路功耗比,TTL,电路小得多。门电路功耗只有几个,W,，中规模集成电路功耗也不会超出,100W,。,（,5,）,CMOS,集成电路集成度比,TTL,电路高。,（,6,）,CMOS,电路轻易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是,CMOS,电路多出不用输入端不能悬空，应依据需要接地或接高电平。,104/104,