数字电子技术基础课件：第2章 门电路

第二章第二章 门电路门电路数字电子电路数字电子电路学习要点：学习要点：基本逻辑门电路的逻辑功能基本逻辑门电路的逻辑功能2.1 2.1 半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性2.2 2.2 分立元件门电路分立元件门电路分立元件门电路分立元件门电路2.3 CMOS2.3 CMOS集成门电路集成门电路集成门电路集成门电路2.4 TTL2.4 TTL集成门电路集成门电路集成门电路集成门电路2.0概述概述门电路：实现基本与常用逻辑运算的电子电路。门电路：实现基本与常用逻辑运算的电子电路。在数字电路中，用电子开关的两种不同状态来表在数字电路中，用电子开关的两种不同状态来表示二值逻辑中变量取值示二值逻辑中变量取值0和和1，电子开关通常采用，电子开关通常采用半导体二极管、三极管和半导体二极管、三极管和MOS管。管。高低电平：高低电平：高电平高电平UH：2.45V 低电平低电平UL：00.8V0.8V0V2.4V5VUHUL正负逻辑：正负逻辑：正逻辑正逻辑：1高电平，高电平，0低电平低电平负逻辑：负逻辑：0高电平，高电平，1低电平低电平分立元件门电路与集成门电路分立元件门电路与集成门电路分立元件门电路：用分立的元器件和导线连分立元件门电路：用分立的元器件和导线连接起来的门电路；接起来的门电路；集成门电路：把门电路的元器件和连线封装集成门电路：把门电路的元器件和连线封装在半导体芯片上。在半导体芯片上。数字电路的集成度：数字电路的集成度：SSI、MSI、LSI、VLSI2.0概述概述2.1半导体二极管、三极管和半导体二极管、三极管和MOS管管的开关特性的开关特性2.1.1理想开关的开关特性理想开关的开关特性2.1.2半导体二极管开关特性半导体二极管开关特性2.1.3半导体三极管开关特性半导体三极管开关特性2.1.4MOS管开关特性管开关特性2.1.1理想开关的开关特性理想开关的开关特性静态特性：静态特性：断开时：断开时：ROFF=，IOFF=0 合上时：合上时：RON=0，UK=0动态特性：动态特性：开通时间开通时间 ton=0，即开关由断开状态转换到，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；闭合状态不需要时间，可以瞬间完成；关断时间关断时间 toff =0，即开关由闭合状态转换到，即开关由闭合状态转换到断开状态也不需要时间，也可以瞬间完成。断开状态也不需要时间，也可以瞬间完成。2.1.2半导体二极管开关特性半导体二极管开关特性原理：半导体二极管的单向导通特性原理：半导体二极管的单向导通特性-+IDUDUI死区电压死区电压硅管硅管0.5V锗管锗管0.1V导通压降导通压降硅管硅管0.60.7V锗管锗管0.2-0.3V反向击穿反向击穿电压电压UBR反向饱和电流反向饱和电流 IS（很小，（很小，A级）级）二极管的静态开关特性二极管的静态开关特性导通条件导通条件：UD 0.5V导通时的特点：导通时的特点：UD0.7V，导，导通压降为通压降为0.7V，相当于一个具，相当于一个具有有0.7V压降的闭合开关。压降的闭合开关。截止条件截止条件：UD 0.5V截止时的特点：截止时的特点：ID0，相当，相当于一个断开的开关。于一个断开的开关。2.1.2半导体二极管开关特性半导体二极管开关特性-+IDUD开关应用举例：开关应用举例：ui0V时，二极管截止，时，二极管截止，如同开关断开，如同开关断开，uo0V。ui5V时时，二二极极管管导导通通，如如同同0.7V的电压源，的电压源，uo4.3V。二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。RLuiuo+-+-D开关电路开关电路RLui=0Vuo+-+-Dui=0V时的等效电路时的等效电路RLui=5Vuo+-+-Dui=5V时的等效电路时的等效电路0.7V+-uit5Vuot4.3V二极管的动态开关特性的本质原因在二极管的动态开关特性的本质原因在于于PN结中的结电容结中的结电容Cj（势垒电容（势垒电容Cb和扩散和扩散电容电容Cd）的存在，极大地影响了二极管的）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，伴随着动态特性，无论是开通还是关断，伴随着Cj的充、放电过程，都要经过一段延迟时的充、放电过程，都要经过一段延迟时间才能完成。间才能完成。二极管的动态开关特性二极管的动态开关特性uIiD00UILUIHtrtdtontftstoff 开通时间开通时间tonton=td+trtd：Cb 放电时间放电时间tr：Cd 充电时间充电时间 关断时间关断时间tofftoff=ts+tfts：Cd 放电时间放电时间tf：Cb 充电时间充电时间二极管的动态开关特性二极管的动态开关特性2.1.3半导体三极管开关特性半导体三极管开关特性cbe集电极集电极基极基极发射极发射极+-uCEiEiCiBuBE0.5V，发射结开始导通，发射结开始导通，uBE=0.7V时，时，iB变化，变化，uBE基基本不变，管子工作在本不变，管子工作在放大区放大区，iC=iB，实现线性放大，实现线性放大，iB继继续增大，到达一定值续增大，到达一定值IBS，进，进入入饱和区饱和区，此时，此时iC不再随不再随iB增增大，大，UCES0.3V，iB越大，越大，UCES 越接近零。越接近零。三极管的静态开关特性三极管的静态开关特性2.1.3半导体三极管开关特性半导体三极管开关特性cbe集电极集电极基极基极发射极发射极+-uCEiEiCiB三极管的静态开关特性三极管的静态开关特性模拟电路中，三极管工模拟电路中，三极管工作在放大状态，而在数字电作在放大状态，而在数字电路中要求三极管工作在路中要求三极管工作在截止截止状态或者状态或者饱和饱和状态。状态。NPN型三极管截止、放大、饱和型三极管截止、放大、饱和3种工作状态的特点种工作状态的特点 条件条件 偏置情况偏置情况 集电极电流集电极电流 CE间电压间电压 CE间等效电阻间等效电阻 工工作作特特点点工作状态工作状态 放大放大 饱和饱和 截止截止 iB0 发射结反偏发射结反偏集电结反偏集电结反偏uBE0，uBC0 iC0 uCEVCC 很大很大相当开关断开相当开关断开0iB0,uBCIBS 发射结正偏发射结正偏集电结正偏集电结正偏uBE0,uBC0 iCICS uCEUCES0.3V 很小很小相当开关闭合相当开关闭合应用举例应用举例 uI=UIL=-2V时时三极管截止，三极管截止，iB0、iC0、uOVCC=12VVCCRCTRBuOuIiCiEiB+-+-+12V=1003V-2V uI=UIH=3V时时iB=(uI-uBE)/RB =(3-0.7)/2.3mA =1mA流入基极的实际电流流入基极的实际电流IBS=ICS/VCC/RC =0.06mA临界饱和基极电流临界饱和基极电流iB IBS 三极管工作在饱和状态三极管工作在饱和状态 uO=UCES0.3Vcbe集电极集电极基极基极发射极发射极+-uCEiEiCiB饱和导通条件：饱和导通条件：饱和导通时：饱和导通时：截止条件：截止条件：截止时：截止时：三极管的动态开关特性（自学）三极管的动态开关特性（自学）2.1.4MOS管开关特性管开关特性MOS管由金属管由金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（Metal-Oxide-Semiconductor）构成，最显著的特点也是具有放大能力。）构成，最显著的特点也是具有放大能力。它通过栅极电压控制其工作状态，是一种具有放大特性的它通过栅极电压控制其工作状态，是一种具有放大特性的由电压控制的开关元件。由电压控制的开关元件。MOS绝缘栅场效应管（绝缘栅场效应管（N沟道）沟道）（1）结构结构PNNGSDP型基底型基底两个两个N+区区SiO2绝缘层绝缘层金属铝金属铝N导电沟道导电沟道未预留未预留 N沟道增强型沟道增强型预留预留 N沟道耗尽型沟道耗尽型GSDN沟道增强型沟道增强型（2）符号）符号栅极栅极漏极漏极源极源极GSDP沟道增强型沟道增强型PNNGSDNPPGSDMOS管的工作原理管的工作原理以以N 沟道增强型为例沟道增强型为例PNGSDUDSUGSUGS=0 时时ID=0对应截止区对应截止区NND-S 间相当于两间相当于两个反接的个反接的PN 结结UGS 0时时感应出电子感应出电子UT 称为称为开启电压开启电压UDS=0PNGSDUDSUGSNUGS足够大时（足够大时（UGS UT）感应出足够）感应出足够多电子，这里出现多电子，这里出现以电子导电为主的以电子导电为主的 N 型导电沟道（反型导电沟道（反型层）。型层）。一般一般 UTN 2V漏极特性曲线漏极特性曲线IDU DS0UGS 0可变电阻区可变电阻区恒流区恒流区截止区截止区模拟电路模拟电路恒流区恒流区数字电路数字电路截止区、可变电阻区截止区、可变电阻区 P 沟道增强型沟道增强型可变电阻区可变电阻区(UGSUT)已经产生沟道但已经产生沟道但还没有夹断。还没有夹断。UTP=-UTN 当当UGS UTN 时，通道开启，时，通道开启，MOS管工作在可变电阻区，管工作在可变电阻区，DS间导通，相当于一个闭合的开间导通，相当于一个闭合的开关（此时关（此时UDS应在一定范围内）应在一定范围内）MOS管的静态开关特性：管的静态开关特性：GSDuIuORDVDD+10V 截止条件：截止条件：UGS UTN 导通后，导通后，MOS管相当于一管相当于一个具有一定导通电阻个具有一定导通电阻RON 的的闭合开关，闭合开关，RON 较小较小GSDuIuORDVDD+10VMOS管的静态开关特性：管的静态开关特性：MOS管的动态特性（自学）管的动态特性（自学）2.2分立元件门电路分立元件门电路*分立元件门电路：由分立的半导体二极管、三分立元件门电路：由分立的半导体二极管、三极管和极管和MOS管以及电阻等元件组成的门电路。管以及电阻等元件组成的门电路。2.2.2三极管非门（反相器）三极管非门（反相器）2.2.1二极管与门和或门二极管与门和或门2.2.1二极管与门和或门二极管与门和或门1二极管与门二极管与门+VCC(+5V)R 3k Y D1AB5V0VD2uA uB uY D1 D20V 0V 0.7V 导通导通 导通导通0V 5V 0.7V 导通导通 截止截止5V 0V 0.7V 截止截止 导通导通5V 5V 5V 截止截止 截止截止Y=ABABY000001111001&ABY2、二极管或门、二极管或门Y=A+BR 3kYD1AB5V0VD2ABY000011111101uA uB uY D1 D20V 0V 0V 截止截止 截止截止0V 5V 4.3V 截止截止 导通导通5V 0V 4.3V 导通导通 截止截止5V 5V 4.3V 导通导通 导通导通1ABY2.2.2三极管非门（反相器）三极管非门（反相器）uA0V时，三极管截止，时，三极管截止，iB0，iC0，输出电压，输出电压uYVCC5VuA5V时，三极管导通。基极电流为：时，三极管导通。基极电流为：iBIBS，三极管工作，三极管工作在饱和状态。输出电在饱和状态。输出电压压uYUCES0.3V。三极管临界饱和时三极管临界饱和时的基极电流为：的基极电流为：1AY逻辑符号逻辑符号AY0101Y=A1kTY+5V=304.3k电路图电路图5V0VA1、半导体三极管非门、半导体三极管非门当当uA0V时时，由由于于uGSuA0V，小小于于开开启启电电压压UT，所以所以MOS管截止。输出电压为管截止。输出电压为uYVDD10V。当当uA10V时，由于时，由于uGSuA10V，大于开启电压，大于开启电压UT，所以所以MOS管导通，且工作在可变电阻区，导通电阻很小，管导通，且工作在可变电阻区，导通电阻很小，只有几百欧姆。输出电压为只有几百欧姆。输出电压为uY0V。1AY逻辑符号逻辑符号Y=AGSDAYRD+VDD+10V20k电路图电路图10V0V2、MOS三极管非门三极管非门2.3CMOS集成门电路集成门电路CMOS（Complementary