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1、2019/10/28,1,第3章 门电路,3.1 二极管及三极管的开关特性,3.2 基本逻辑门电路,3.1.1 二极管的开关特性,3.1.2 三极管的开关特性,3.2.1 二极管与门,3.2.2 二极管或门,3.2.3 关于高低电平的概念及状态赋值,3.2.4 二极管非门(反相器),2.2.5 关于正逻辑和负逻辑的概念,返回,结束 放映,2019/10/28,2,3.1 概述,门电路的作用:是用以实现逻辑关系的电子电路,与基本逻辑关系相对应。,:与门、或门、与非门、或非门、异或门等。,门电路的输出状态与赋值对应关系:,正逻辑:高电位对应“1”;低电位对应“0”。,混合逻辑:输入用正逻辑、输出用
2、负逻辑;或者输入用负逻辑、输出用正逻辑。,一般采用正逻辑,负逻辑:高电位对应“0”;低电位对应“1”。,2019/10/28,3,在数字电路中,对电压值为多少并不重要,只要能判断高低电平即可。,K开-VO输出高电平,对应“1” 。 K合-VO输出低电平,对应“0” 。,2019/10/28,4,3.2 二极管及三极管的开关特性,数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管工作在开关状态。 导通状态:相当于开关闭合 截止状态:相当于开关断开。,半导体二极管、三极管和MOS管,则是构成这种电子开关的基本开关元件。,2019/10/28,5,(1) 静态特性: 断开时,开关两端的电压不管多大,等效电阻R
3、OFF = 无穷,电流IOFF = 0。,闭合时,流过其中的电流不管多大,等效电阻RON = 0,电压UAK = 0。,(2) 动态特性:开通时间 ton = 0 关断时间 toff = 0,理想开关的开关特性:,2019/10/28,6,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。 半导体二极管、三极管和MOS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。,2019/10/28,7,3.2.1 二极管的开关特性,返回,1. 静态特性及开关等效电路,正向导通时UD(ON)0.
4、7V(硅) 0.3V(锗) RD几 几十 相当于开关闭合,2019/10/28,8,反向截止时 反向饱和电流极小 反向电阻很大(约几百k) 相当于开关断开,2019/10/28,9,图2-2 二极管的开关等效电路 (a) 导通时 (b) 截止时,图2-1 二极管的伏安特性曲线,开启电压,理想化伏安特性曲线,2019/10/28,10,高电平:VIH=VCC 低电平:VIL=0,VI=VIH D截止,VO=VOH=VCC VI=VIL D导通,VO=VOL=0.7V,动画,二极管开关特性应用,2019/10/28,11,2. 动态特性:,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
5、此高频应用时需考虑此参数。,二极管从截止变为导通和从导通变为截止都需要一定的时间。通常后者所需的时间长得多。,反向恢复时间tre :二极管从导通到截止所需的时间。 一般为纳秒数量级(通常tre 5ns )。,2019/10/28,12,3.1.2 三极管的开关特性,1. 静态特性及开关等效电路,在数字电路中,三极管作为开关元件,主要工作在饱和和截止两种开关状态,放大区只是极短暂的过渡状态。,图2-3三极管的三种工作状态 (a)电路 (b)输出特性曲线,返回,2019/10/28,13,开关等效电路,(1) 截止状态,条件:发射结反偏,集电结反偏 特点:电流约为0A,2019/10/28,14,
6、(2)饱和状态,条件:发射结正偏,集电结正偏 特点:UBES=0.7V,UCES=0.3V/硅,2019/10/28,15,图2-4 三极管开关等效电路 (a) 截止时 (b) 饱和时,2019/10/28,16,三极管的开关特性,2019/10/28,17,2. 三极管的开关时间(动态特性),图2-5 三极管的开关时间,2019/10/28,18,(1) 开启时间ton 三极管从截止到饱和所需的时间。 ton = td +tr td :延迟时间 tr :上升时间,(2) 关闭时间toff 三极管从饱和到截止所需的时间。 toff = ts +tf ts :存储时间(几个参数中最长的;饱和越深
7、越长) tf :下降时间,toff ton 。 开关时间一般在纳秒数量级。高频应用时需考虑。,2019/10/28,19,4、场效应管的开关特性,工作原理电路,转移特性曲线,输出特性曲线,截止状态,vIUT,uo=+VDD,导通状态,vIUT,uo0,可变电阻区,恒流区,截止区,2019/10/28,20,门电路的概念: 实现基本和常用逻辑运算的电子电路,叫逻辑门电路。实现与运算的叫与门,实现或运算的叫或门,实现非运算的叫非门,也叫做反相器,等等。,分立元件门电路和集成门电路: 分立元件门电路:用分立的元件和导线连接起 来构成的门电路。简单、经济、功耗低,负载差。 集成门电路:把构成门电路的元
8、器件和连线都 制作在一块半导体芯片上,再封装起来,便构成了集成门电路。现在使用最多的是CMOS和TTL集成门电路。,3.2 基本逻辑门电路,2019/10/28,21,3.2.2 二极管与门电路,1. 电路,2. 工作原理,A、B为输入信号 (+3V或0V) Y 为输出信号 VCC+12V,表2-1 电路输入与输出电压的关系,返回,2019/10/28,22,用逻辑1表示高电平(此例为+3V) 用逻辑0表示低电平(此例为0.7V),3. 逻辑赋值并规定高低电平,4. 真值表,可见实现了与逻辑,2019/10/28,23,5. 逻辑符号 6. 工作波形(又一种表示逻辑功能的方法) 7. 逻辑表达
9、式 YA B,图2-6 二极管与门 (a)电路 (b)逻辑符号 (c)工作波形,2019/10/28,24,3.2.3 二极管或门电路,1. 电路,2. 工作原理,A、B为输入信号(+3V或0V) Y 为输出信号,返回,2019/10/28,25,4. 真值表,可见实现了或逻辑,3. 逻辑赋值并规定高低电平,用逻辑1表示高电平(此例为+2.3V) 用逻辑0表示低电平(此例为0V),2019/10/28,26,图2-7 二极管或门 (a)电路 (b)逻辑符号 (c)工作波形,5. 逻辑符号 6. 工作波形 7. 逻辑表达式 YA+ B,2019/10/28,27,3.2.4 关于高低电平的概念及
10、状态赋值,电位指绝对电压的大小;电平指一定的电压范围。 高电平和低电平:在数字电路中分别表示两段电压范围。 例:上面二极管与门电路中规定高电平为3V,低电平0.7V。 又如,TTL电路中,通常规定高电平的额定值为3V,但从2V到5V都算高电平;低电平的额定值为0.3V,但从0V到0.8V都算作低电平。,1. 关于高低电平的概念,返回,2019/10/28,28,2. 逻辑状态赋值,在数字电路中,用逻辑0和逻辑1分别表示输入、输出高电平和低电平的过程称为逻辑赋值。 经过逻辑赋值之后可以得到逻辑电路的真值表,便于进行逻辑分析。,2019/10/28,29,3.2.4 非门(反相器),图2-8 非门
11、 (a) 电路 (b)逻辑符号,1. 电路,2. 工作原理,A、B为输入信号 (+3.6V或0.3V) Y 为输出信号,返回,2019/10/28,30,3. 逻辑赋值并规定高低电平,用逻辑1表示高电平(此例为+3.6V) 用逻辑0表示低电平(此例为0.3V),4. 真值表,可见实现了非逻辑Y=A,2019/10/28,31,3.3.1 CMOS反相器,3.2.2 其它类型的CMOS门电路,3.3 CMOS 门电路,返回,结束 放映,2019/10/28,32,复习,什么是高电平?什么是低电平? 什么是状态赋值? 什么是正逻辑?什么是负逻辑? 二极管与门、或门有何优点和缺点?,2019/10/
12、28,33,MOS门电路:以MOS管作为开关元件构成的门电路。(metal-oxide-semiconductor) MOS门电路,尤其是CMOS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,得到了十分迅速的发展。,3.3 CMOS 门电路,2019/10/28,34,3.3.1 CMOS反相器,1MOS管的开关特性,MOS管有NMOS管和PMOS管两种。 当NMOS管和PMOS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)。 (complementary-symmetery metal-oxide-semiconductor) MOS管有增强型和
13、耗尽型两种。 在数字电路中,多采用增强型。,返回,2019/10/28,35,一、MOS管的结构和工作原理,金属铝,两个N区,SiO2绝缘层,P型衬底,导电沟道,源极,栅极,漏极,2019/10/28,36,图2-24 NMOS管的电路符号及转移特性 (a) 电路符号 (b)转移特性,D接正电源,(1)NMOS管的开关特性,VGH(th),2019/10/28,37,图2-25 PMOS管的电路符号及转移特性 (a) 电路符号 (b)转移特性,D接负电源,(2)PMOS管的开关特性,2019/10/28,38,(3)等效电路,OFF ,截止状态 ON,导通状态,2019/10/28,39,(4
14、)MOS管的四种类型,增强型 耗尽型,大量正离子,导电沟道,2019/10/28,40,图2-26 CMOS反相器,PMOS管,负载管,NMOS管,驱动管,开启电压|UTP|=UTN,且小于VDD。,2CMOS反相器的工作原理 (1)基本电路结构,2019/10/28,41,(2)工作原理,图2-26 CMOS反相器,UIL=0V,截止,导通,UOHVDD,当uI= UIL=0V时,VTN截止,VTP导通,uO =UOHVDD,2019/10/28,42,图2-26 CMOS反相器,UIH= VDD,截止,UOL 0V,当uI =UIH = VDD ,VTN导通,VTP截止, uO =UOL0
15、V,导通,2019/10/28,43,(3)逻辑功能 实现反相器功能(非逻辑)。,(4)工作特点 VTP和VTN总是一管导通而另一管截止,流过VTP和VTN的静态电流极小(纳安数量级),因而CMOS反相器的静态功耗极小。这是CMOS电路最突出的优点之一。,2019/10/28,44,图2-27 CMOS反相器的电压传输特性和电流传输特性,3 电压传输特性和电流传输特性,AB段:截止区 iD为0,BC段:转折区 阈值电压UTHVDD/2 转折区中点:电流最大,CMOS反相器 在使用时应尽 量避免长期工 作在BC段。,CD段:导通区,2019/10/28,45,输入低电平时噪声容限:,在保证输出高
16、、低电平基本不变的条件下,输入电平的允许波动范围称为输入端噪声容限。,输入高电平时噪声容限:,4、输入端噪声容限,2019/10/28,46,噪声容限衡量门电路的抗干扰能力。 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VNH=VNL30VDD,且随VDD的增加而加大。,2019/10/28,47,结论:可以通过提高VDD来提高噪声容限,2019/10/28,48,因为MOS管的栅极和衬底之间存在着以SiO2为介质的输入电容,而绝缘介质非常薄,极易被击穿,所以应采取保护措施。,3.3.2 CMOS 反相器的静态输入和输出特性,一、输入特性(Ui和Ii),74HC系列,4000系列,2019/10/28,49,二、输出特性(U0和Io),灌电流,2019/10/28,50,拉电流,2019/10/28,51,一、传输延迟时间,tpHL,tpLH,平均传输时间,3