《[工学]3第三章_门电路-1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[工学]3第三章_门电路-1（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、数字电子技术基础（阎石）第五版第三章 门电路-11第三章 门电路3.1 概述3.2 半导体二极管门电路3.3 CMOS门电路（重点） *3.4 其它类型的MOS集成电路（略）3.5 TTL门电路（重点） *3.6 其它类型的双极型数字集成电路（略） *3.7 Bi-CMOS电路（略） *3.8 TTL电路与CMOS电路的接口23.1 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。门电路的主要类型：与门、或门、非门、与非门、或非门、 异或门等。工艺分类：双极型工艺，CMOS工艺，Bi-CMOS工艺。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
2、”。混合逻辑：输入用正逻辑、输出用负逻辑；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”。3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1/01/04100VVcc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。S开-vO输出高电平，对应“1” 。S合-vO输出低电平，对应“0” 。vOSVccRVVvi图3.1.1 获得高、低电平的基本原理正逻辑正逻辑高/低电平 的获得与切换 (P.67) 5正负逻辑问题正逻辑体制：若H和L分别表示高、
3、低电平，若令H=1、L=0，则称之为正逻辑体制。 负逻辑体制：若H和L分别表示高、低电平，若令H=0、L=1，则称为负逻辑体制。 在本课程中，一律采用正逻辑。1.正负逻辑的规定 6正负逻辑问题S输 出 信 号输 入 信 号R10正逻辑01负逻辑1.正负逻辑的规定 7A BF L L H L L H H HH H H LA BF 0 0 1 0 0 1 1 11 1 1 0A BF 1 1 0 1 1 0 0 00 0 0 1与非门功能表正真值表负真值表2.正负逻辑的转换 正负逻辑问题8等效逻辑变换：与非 或非与 或非 非正负逻辑问题9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
4、有 一定的变化范围一定的变化范围图3.1.1 p.61（b）是指CMOS电路10逻辑约定逻辑约定：逻辑状态与逻辑电平之间的对应关 系q正逻辑约定 高电平表示逻辑“1”；低电平表示逻辑“0” 。q负逻辑约定 高电平表示逻辑“0”；低电平表示逻辑“1” 。q混合逻辑约定（极性逻辑约定） 有些电路中高电平表示有效逻辑状态；而 其他电路中低电平表示有效的逻辑状态。正负逻辑之间存在着简单的对偶关系，例如 正逻辑与门等同于负逻辑或门等。11逻辑电平高电平VH：大于给定电平值的电压范围q输入高电平VIHq输出高电平VOH低电平VL：小于给定电平值的电压范围q输入低电平VILq输出低电平VOL逻辑“0”和逻辑
5、“1”对应的电压范围宽，因 此在数字电路中，对电子元件、器件参数 精度的要求及其电源的稳定度的要求比模 拟电路要低12逻辑电平示意图图3.1.2 正逻辑与负逻辑133.2 半导体二极管门电路 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=VCCVI=VIL D导通，VO=VOL=0.7V图图3.2.13.2.1 二极管的二极管的开开关电路关电路图图3.2.2 3.2.2 二极管二极管 的伏安特性的伏安特性14二极管的开关等效电路：图 3.2.3 二极管伏安特性的几种近似方法15第 一 种0.5V正向电压和电阻均不能忽略第二种VON
6、 0.7V忽略正向电阻第 三 种忽略正向电压和电阻+- 图 3.2.3 二极管伏安 特性的几种近似方法16二极管的动态特性当外加电压突然由正向 变为反向时，二极管会短时 间导通。tre这段时间用tre表示，称为反向恢复时间。输入信号快变化时的特性。DRLi 它是由于二极管正 向导通时PN结两侧的多 数载流子扩散到对方形 成电荷存储引起的。图3.2.4 二极管的动态电流波形173.2.2 二极管与门（p.71）设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3VVIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7VABY 0V0V0.7V 0V3V0.7V 3V0V0.7V 3V3V3.7VABY 000 01
7、0 100 111规定3V以上为10.7V以下为0图3.2.5二极管与门183.2.3 二极管或门 图3.2.6 二极管或门（p.72）设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3VVIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7VABY 0V0V0V 0V3V2.3V 3V0V2.3V 3V3V2.3VABY 000 011 101 111规定2.3V以上为10V以下为019二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203.3 CMOS门电路 (P.73)MOS电路的特点：2. 是电压控制元件，静态功耗小。3. 允许电源电压范围宽（318V）。4. 扇出系数大，抗噪声容限大
8、。优点1. 工艺简单，集成度高。缺点：工作速度比TTL低 。CMOS反相器电路结构特点：输出两管互为有源负载， 任何情况下总是 一管截止，一管导通。 21MOS管的结构S (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3.3.1 MOS管的开关特性22(1) MOS管的工作原理(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)称为：金属氧化物半导体场效应管或绝缘栅场效应管导电沟道( 反型层)源极 Source漏极 Drain栅极 Gate当 大于VGS(t
9、h)时，将出现导电沟道。 VGS(th)称为开启电压， 与管子构造有关。SDB导电沟道将源区和漏区连成一体。此时在D,S间加电压 ，将 形成漏极电流iD。称为N沟道增强型场效应管显然，导电沟道的厚度与栅源电压大小有关。而沟道越 厚，管子的导通电阻RON越小。因而，若 不变， 就 可控制漏极电流iD。因此把MOS管称为电压控制器件。23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 V VGSGS
10、 ( (thth) ), D-S, D-S间形成导电沟道（间形成导电沟道（ N N型层）型层）开启电压SDB24二、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 。图3.3.2 MOS管共源接法及其输出特性曲线(a)共源接法 (b)输出特性曲线NMOS管分区条件截止区：VGSVGS(th)， 且VDSVGS-VGS(th)， 恒流区(饱和区)：VGS VGS(th) ， 且VDSVGS- VGS(th) 25漏极特性曲线（分三个区域）截止区：VGS 1093.3.2 MOS管共源接法及其输
11、出特性曲线(a)共源接法 (b)输出特性曲线26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 一定时， 这个电阻受VGS 控制、可变。3.3.2 MOS管共源接法及其输出特性曲线(a)共源接法 (b)输出特性曲线27漏极特性曲线（分三个区域） 恒流区： iD 基本上由VGS决定，与VDS 关系不大图3.3.3 MOS管的转移特性3.3.2 MOS管共源接法及其输出特性曲线(a)共源接法 (b)输出特性曲线28输入输出特性 恒 流 区恒流区中iD只受 控制，其关系式为：相应曲线称为转移特性。截 止 区可变电阻区它也有三个工作区固定电阻转移特性曲线29三、MOS管的基本开关电路图图3.3.4 MOS3.3.4 MOS管的基本开关电路管的基本开关电路工作状态态： VGSVGS(th) MOS管截止VI0 VOHVDD 放大恒流（饱饱和）VIVDD，VOL030四、等效电路OFF ，截止状态 ON，导通状态图图3.3.5 MOS3.3.5 MOS管的开关等效电路管的开关等效电路31五、MOS管的四种类型n增强型n耗尽型大量正离子导电沟道32MOS管特性N沟道 增强型N沟道耗尽型P沟道增强型P沟道耗尽型四种类型MOS管的比较 见P.79 表3.3.1 3334+-35习题3-13.1, 3.2, 3.336
