第三章第五版阎石

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1、数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版数字电子技术基础（第五版）教学课件清华大学 阎石 王红联系地址：清华大学 自动化系 邮政编码：100084电子信箱：wang_ 联系电话：(010)62792973数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版补：半导体基础知识数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版半导体基础知识（1） 本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。 常用：硅Si，锗Ge两种载流子数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版半导体基础知识（2） 杂质半导体 N型半导体多子：自由电子 少子：空穴数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版半导体基础知识（2） 杂质半导体

2、P型半导体多子：空穴 少子：自由电子数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版半导体基础知识（3） PN结的形成 空间电荷区（ 耗尽层） 扩散和漂移数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版半导体基础知识（4） PN结的单向导 电性 外加正向电压数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版半导体基础知识（4） PN结的单向导 电性 外加反向电压数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版半导体基础知识（5） PN结的伏安特性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: 电子电荷数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版第三章 门电路数字电子技术基础数字电子技术基础

3、第五版第五版3.1 概述 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 门电路中以高门电路中以高/ /低电平表低电平表 示逻辑状态的示逻辑状态的1/01/0数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版获得高、低电平的基本原理高高/ /低电平都允许有低电平都允许有 一定的变化范围一定的变化范围数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版正逻辑：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数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版 3.2半导体二极管门电路 半导体二极管的结构和外特性 （Diode） 二极管的结构：PN结 + 引线 + 封装构成PN数字电子技

4、术基础数字电子技术基础第五版第五版3.2.1二极管的开关特性： 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数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版 二极管的开关等效电路：数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版二极管的动态电流波形：数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版 3.2.2 二极管与门设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3VVIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7VABY 0V0V 0.7 V 0V3V 0.7 V 3V0V 0.7 V 3V3V 3.7 VABY 000 0

5、10 100 111规定3V以上为10.7V以下为0数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版3.2.3 二极管或门设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3VVIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7VABY 0V0V 0V 0V3V 2.3 V 3V0V 2.3 V 3V3V 2.3 VABY 000 011 101 111规定2.3V以上为10V以下为0数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版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内部电路数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版 3.3 CMOS门电路 3.3.1MOS管的开关特性一、MOS管的结构S

6、(Source)：源极 G (Gate)：栅极 D (Drain)：漏极 B (Substrate):衬底金属层氧化物层半导体层PN结数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版以N沟道增强型为例：数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版以以N N沟道增强型沟道增强型为例：为例：当加当加+ +V VDSDS时，时，V VGSGS=0=0时，时，D-SD-S间是两个背向间是两个背向PNPN结串联，结串联，i iD D=0=0加上加上+ +V VGSGS，且足够大至且足够大至V VGS GS VVGS (GS (thth) ), D-S, D-S间形成导电沟道（间形成导电沟道（ N N型层）型

7、层）开启电压数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版二、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 。数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版漏极特性曲线（分三个区域） 截止区 恒流区 可变电阻区数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版漏极特性曲线（分三个区域）截止区：VGS 109数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版漏极特性曲线（分三个区域）恒流区： iD 基本上由VGS决定，与VDS 关系不大数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版漏极特性曲线（分三个区域

8、）可变电阻区：当VDS 较低（近似为0）， VGS 一定时， 这个电阻受VGS 控制、可变。数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版三、MOS管的基本开关电路数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版四、等效电路OFF ，截止状态 ON，导通状态数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版五、MOS管的四种类型 增强型 耗尽型大量正离子导电沟道数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理一、电路结构数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版二、电压、电流传输特性数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版 三、输入噪声容限数字电子技术基础数

9、字电子技术基础第五版第五版 结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版 3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性 一、输入特性数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版二、输出特性数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版二、输出特性数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版3.3.4 CMOS反相器的动态特性一、传输延迟时间数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版二、交流噪声容限三、动态功耗数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版 三、动态功耗数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版 3.3.5 其他类型的CMOS门电路 一、

10、其他逻辑功能的门电路1. 与非门 2.或非门 数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版带缓冲极的CMOS门1、与非门数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版带缓冲极的CMOS门2.解决方法数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版二、漏极开路的门电路（OD门）数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版 三、 CMOS传输门及双向模拟开关 1. 传输门数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版2. 双向模拟开关数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版四、三态输出门数字电子技术基础数字电子技术

11、基础第五版第五版三态门的用途数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版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数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版一、双极型三极管的结构管芯 + 三个引出电极 + 外壳数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版基区薄 低掺杂发射区 高掺杂 集电区 低掺杂数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版以NPN为例说明工作原理： 当VCC VBB be 结正偏, bc结 反偏 e区发射大量的电 子 b区薄，只有少量 的空穴 bc反偏，大量电 子形成I

12、C数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版 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） VON ：开启电压硅管，0.5 0.7V 锗管，0.2 0.3V 近似认为: VBE 0.7V以后，基本为水平直线数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版 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 ” 。数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版三、双极型三极管的

13、基本开关电路只要参数合理：只要参数合理：V VI I=V=VILIL时，时，T T截止，截止，V VOO=V=VOHOHV VI I=V=VIHIH时，时，T T导通，导通，V VOO=V=VOLOL数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版工作状态分析：数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版图解分析法：数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版四、三极管的开关等效电路截止状态截止状态饱和导通状态饱和导通状态数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版五、动态开关特性从二极管已知，从二极管已知， PNPN结存在电容效结存在电容效 应。应。在饱和与截止两个在饱和与截止两个 状态之间转换

14、时，状态之间转换时，i iC C的变化将滞后于的变化将滞后于V VI I，则则V VOO的变化也的变化也 滞后于滞后于V VI I。数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版六 、三极管反相器 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。参数合理？参数合理？V VI I=V=VILIL时，时，T T截止，截止，V VOO=V=VOHOH VI=VIHVI=VIH时，时，T T截止截止 ，V VOO=V=VOLOL数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版例3.5.1：计算参数设计是否合理5V-8V3.3K10K1K=20VCE(sat) = 0.1VVIH=5VVIL=0V数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版例3.5.1：计算参数设计是否合理 将发射极外接电路化为等效的VB与RB电路数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版 当 当 又 因此，参数设计合理数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版 3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构 设 数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版二、电压传输特性数字电子技术基础数字电子技术基础第五版第五版二、电压传输特性数字电子