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1、（2-1）,肖合九 教授,数字电子技术基础简明教程,（2-2）,第2章 门电路,（2-3）,第2章 门电路,概述 2.1 半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性 2.2 分立元器件门电路 2.3 CMOS集成门电路 2.4 TTL集成门电路,（2-5）,1、高电平和低电平：高电平和低电平是两种状态，是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。 右图2.45V范围内的电压，都称为高电平，用UH表示。 00.8V范围内的电压，都称为低电平，用UL表示。 2、正逻辑和负逻辑：用1表示高电平，用0表示低电平，称为正逻辑赋值，简称正逻辑。用1表示低电平，用0表示高电平，称为负逻辑赋值，简称负逻辑。,三、高
2、、低电平与正、负逻辑,（2-6）,四、分立元件门电路和集成门电路,1、用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路，称为分立元件门电路。 2、把构成门电路的元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。,2、数字集成电路按照集成度分类 小规模集成电路(SSI)：100个元器件/片 中规模集成电路(MSI)：100999个元器件/片 大规模集成电路(LSI)：100099999个元器件/片 超大规模集成电路(VLSI)：100000个元器件/片,五、数字集成电路的集成度,1、集成度：一般把在一块芯片中含有等效逻辑门的个数或元器件的个数，定义为集成度。,（2-7）,2.1 半导
3、体二极管、三极管和MOS管的开关特性,2.1.1 理想开关的开关特性,一、静态特性 1、断开时，其等效电阻ROFF，通过其中的电流IOFF0。 2、闭合时，其等效电阻RON0，其两端电压UAK0。,二、动态特性 1、开通时间ton0，即开关由断开状态转换到闭合状态不需要时间，可以瞬间完成。 2、关断时间toff0，即开关由闭合状态转换到断开状态不需要时间，可以瞬间完成。,（2-8）,半导体二极管最显著的特点是具有单向导电性能。,2.1.2 半导体二极管的开关特性,相当于 开关断开,相当于 开关闭合,3V,0V,3V,0V,（2-9）,一、静态特性 1、半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性
4、半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性如下图所示。,（2-10）,2、半导体二极管的开关作用 开关应用举例 下图是最简单硅半导体二极管开关电路。输入电压为uI,其低电平UIL2V,高电平为UIH3V。 uI UIL时，半导体二极管反偏，D处于反向截止区，如同一个断开了的开关，直流等效电路如图(b)。 uI UIH时，半导体二极管正偏，D工作在正向导通区，如同一个具有0.7V压降、闭合了的开关，直流等效电路如图(c)。,（2-11）,、静态开关特性 硅半导体二极管具有下列静态开关特性： 导通条件及导通时的特点： 当外加正向电压UD0.7V时，二极管导通，硅半导体二极管如同一个具有0.7V压降、
5、闭合了的开关。 截止条件及截止时的特点： 当外加正向电压UD0.5V时，二极管截止，硅半导体二极管如同一个断开了的开关。,（2-12）,二、动态特性 1、二极管的电容效应 二极管存在结电容Cj和扩散电容CD， Cj和CD的存在极大地影响了二极管的动态特性，无论是开通还是关断，伴随着Cj、CD的充、放电过程，都要经过一段延迟时间才能完成。,2、二极管的开关时间 下图所示是一个简单的二极管开关电路及相应的uI和iD的波形。,（2-13）, 开通时间 当输入电压uI由UIL跳变到UIH时，二极管D要经过延迟时间td、上升时间tr之后，才能由截止状态转换到导通状态。半导体二极管的开通时间为：ton=t
6、dtr, 关断时间 当输入电压uI由UIH 跳变到UIL时，二极管D要经过存储时间ts、下降时间（也称为渡越时间）tf之后，才能由导通状态转换到截止状态。半导体二极管的关断时间为：toff=tstf,（2-14）,2.1.3 半导体三极管的开关特性,3V,0V,uO 0,相当于 开关断开,相当于 开关闭合,uO UCC,3V,0V,（2-15）,一、静态特性 1、结构示意图、符号和输入、输出特性 半导体三极管的结构示意图、符号如下图所示。,（2-16）,半导体三极管的输入、输出特性如下图所示。,输入特性指的是基极电流iB和基极-发射极间电压uBE之间的关系曲线。 输出特性指的是基极电流iC和集
7、电极-发射极间电压uCE之间的关系曲线。在数字电路中，半导体三极管不是工作在截止区，就是工作在饱和区，而放大区仅仅是一种瞬间即逝的工作状态。,（2-17）,2、半导体三极管的静态开关特性 饱和导通条件及饱和时的特点 饱和导通条件：三极管基极电流iB大于其临界饱和时的数值IBS时，饱和导通。 饱和导通时的特点：对于硅三极管，饱和导通后 uBE0.7V，uCEUCES0.3V 如同闭合的开关。,（2-18）, 截止条件及截止时的特点 截止条件： uBEUo0.5V 式中，Uo是硅三极管发射结的死区电压。 截止时的特点：iB0，iC0 如同断开的开关。,（2-19）,二、动态特性 半导体三极管和二极
8、管一样，在开关过程中也存在电容效应，都伴随着相应电荷的建立和消散过程，因此都需要一定时间。,右图所示是三极管开关电路中uI为矩形脉冲时，相应iC和uO的波形。,（2-20）, 开通时间 当输入电压uI由UIL2V跳变到UIH3V时，三极管需要经过延迟时间td和上升时间tr之后，才能由截止状态转换到饱和导通状态。开通时间为 ton=tdtr, 关断时间 当输入电压uI由UIH3V 跳变到UIL2V时，三极管需要经过存储时间ts、下降时间tf之后，才能由饱和导通状态转换到截止状态。半导体三极管的关断时间为 toff=tstf,半导体三极管开关时间的存在，影响了开关电路的工作速度。由于toffton
9、，所以减少饱和时基区存储电荷的数量，尽可能地加速其消散过程，即缩短存储时间 tS，是提高半导体三极管开关速度的关键。,（2-21）,MOS管最显著的特点也是具有放大能力。不过它是通过栅极电压uGS控制其工作状态的，是一种具有放大特性的由电压uGS控制的开关元件。,一、静态特性 1、结构示意图、符号、漏极特性和转移特性 N沟道增强型MOS管的结构示意图、符号如下图所示。,2.1.4 MOS管的开关特性,（2-22）,N沟道增强MOS管的漏极特性和转移特性如下图所示。,反映漏极电流iD和漏极-源极电压uDS之间的关系曲线族称为漏极特性。 反映漏极电流iD和栅极-源极电压uGS之间的关系曲线称为转移
10、特性。,（2-23）,2、MOS管的静态开关特性, 截止条件和截止时的特点 截止条件：当MOS管栅源电压uGS小于其开启电压UTN时，将处于截止状态。 截止时的特点：iD0，MOS管如同一个断开了的开关。,（2-24）, 导通条件和导通时的特点 导通条件：当uGS大于UTN时， MOS管将处于导通状态。 导通时的特点：MOS管导通之后，如同一个具有一定导通电阻RON闭合了的开关。,（2-25）,二、动态特性 1、MOS管极间电容 MOS管三个电极之间，均有电容存在，它们分别是栅源电容CGS、栅漏电容CGD和漏源电容CDS。在数字电路中，MOS管的动态特性，即开关速度是受这些电容充、放电过程制约
11、的。,2、开关时间 右图所示MOS管开关电路中，当uI为矩形波时，相应iD和uO的波形。,（2-26）, 开通时间 当输入电压uI由UIL0V跳变到UIHVDD时，MOS管需要经过导通延迟时间td1和上升时间tr之后，才能由截止状态转换到饱和导通状态。开通时间为 ton=td1tr, 关断时间 当输入电压uI由UIHVDD跳变到UIL0V时，MOS管需要经过关断延迟td2、下降时间tf之后，才能由导通状态转换到截止状态。关断时间为 toff=td2tf,MOS管电容上电压不能突变是造成iD(uO)滞后uI变化的主要原因。而且，由于MOS管的导通电阻比三极管的饱和导通电阻要大得多，RD也比RC大
12、，所以它的开通和关断时间也比三极管长，即其动态特性较差。,（2-27）,2.2 分立元器件门电路,2.2.1 二极管与门和或门,一、二极管与门,1、电路与符号,2、工作原理 电压关系表 uA=uB=0时，D1、D2均导通 uY=uA+uD1=uB+uD2=0+0.7V=0.7V uA=0、uB=3V时，由于uA、uB电平不同，当D1导通后，使 uY=uA+uD1=0+0.7V=0.7V 导致 uD2=uYuB=0.732.3V，故D2截止。D1导通后，uY被钳位在0.7V。 uA=3V、uB=0V时，与类似， D2导通，D1截止， D2导通后，uY被钳位在0.7V。 uA=3V、uB=3V时，
13、D1、D2都导通。uY被钳位在3.7V。,（2-28）,整理上述估算结果，可得左下表所示电压关系表。, 设定变量、状态赋值、列真值表 设定变量：用A、B、Y分别表示uA、uB、uY。 状态赋值：用0表示低电平，用1表示高电平。 列真值表：根据设定的变量和状态赋值情况，由电压关系表可列出右下表所示的与门的逻辑真值表。 综上所述，该电路确实实现了与的逻辑功能Y=AB，所以是一个二极管与门。,（2-29）,二、二极管或门,1、电路与符号,2、工作原理 电压关系表 uA=uB=0时，D1、D2均导通 uY=00.7V=0.7V。 uA=0V、uB=3V时，D2导通，D1截止，uY=30.7V=2.3V
14、。 uA=3V、uB=0V时，D1导通，D2截止， uY=30.7V=2.3V 。 uA=3V、uB=3V时，D1、D2均导通。uY=30.7V=2.3V 。 整理分析估算结果，即可得到电压关系表如右表所示。,（2-30）, 设定变量、状态赋值、列真值表 设定变量：用A、B、Y分别表示uA、uB、uY。 状态赋值：用0表示低电平，用1表示高电平。 列真值表：根据设定的变量和状态赋值情况，由电压关系表可列出右下表所示的与门的逻辑真值表。 综上所述，该电路确实实现了或的逻辑功能Y=A+B，所以是一个二极管或门。,（2-31）,对于图2.2.1（a）所示电路的电压关系表（如下），在状态赋值时若采用正
15、逻辑，即用1表示高电平、用0表示低电平，就得到前面所讲的正与门逻辑真值表。,若在状态赋值时若采用负逻辑，即用0表示高电平、用1表示低电平，就得到下面的负或门逻辑真值表。,所以说图2.2.1（a）二极管电路，既是正与门又是负或门。,（2-32）,2.2.2 三极管非门（反相器）,一、半导体三极管非门,1、电路与符号,2、工作原理 uI=uIL=0V时，三极管T截止， iB=0、iC=0， uO=UOHVCC=5V。 uI=uIH=5V时，,由于iBIBS，T饱和导通， 有uO = UOL UCES 0.3V。整理分析估算结果，即可得到电压关系表如下表所示。,（2-33）,图2.2.3（a）,若用
16、A、Y分别表示uI、uO，用0表示低电平，用1表示高电平。则可由左下表所示的电压关系表得到右下表所示的真值表。由右下表可知，图2.2.3（a）所示电路实现了非逻辑功能 ，是一个三极管组成的非门。,半导体三极管饱和导通以后也有钳位作用。如果发射极电位是不变的，那么它的集电极电位就被固定在比发射极高0.3V的电位上；反之，若其集电极电位是不变的，那么它的发射极电位就被固定在比集电极低0.3V的电位上。,（2-34）,二、MOS三极管非门,1、电路与符号,2、工作原理 uI=uIL=0V时，uGS=uIL=0V，小于开启电压UTN2V，所以MOS管是截止的，故 uO=UOHVDD=10V uI=uIH=10V时，uGS =uIH = 10 V，大于开启电压UTN2V，MOS管导通且工作在可变电阻区，导通电阻很小，只有几百欧，故,整理分析估算结果，即可得到电压关系表如下表所示。,（2-35）,若用A、Y分别表示uI、uY且采用正逻辑后得到的逻辑真值表如右下表。,由右上表可知，图2.2.4（
