第三章门电路PPT课件

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1、1补充：半导体二极管补充：半导体二极管半导体基础知识半导体基础知识导导 体：体：自然界中很容易导电的物质，例如自然界中很容易导电的物质，例如金属金属。绝缘体：绝缘体：电阻率很高的物质，几乎不导电，如电阻率很高的物质，几乎不导电，如橡皮橡皮、陶瓷陶瓷、塑料塑料和和石英石英等。等。半导体：半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间的物质，导电特性处于导体和绝缘体之间的物质， 例如例如锗锗、硅硅、砷化镓砷化镓和和一些硫化物一些硫化物、氧化物氧化物等等半导体的特点半导体的特点当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电

2、能力往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。明显改变。21. 本征半导体本征半导体GeSi本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理纯净的半导体纯净的半导体。如：硅和锗如：硅和锗1）最外层四个价电子。）最外层四个价电子。2）共价键结构）共价键结构+4+4+4+4共价键共用电子对共价键共用电子对+4表示除去价电子后的原子表示除去价电子后的原子3 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难，常温下束缚电子很难脱离共价键成为脱离共价键成为自由电子自由电子，因此本征半导体，因此本征半导体中的自由电子很少，所

3、以本征半导体的导电中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。能力很弱。 形成共价键后，每个原子的最外层电子是形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。八个，构成稳定结构。 共价键有很强的结合力，共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+443）在绝对）在绝对0度和没有度和没有外界激发时外界激发时,价电子完全价电子完全被共价键束缚着，本征被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动半导体中没有可以运动的带电粒子（即的带电粒子（即载流子载流子），它的导电能力为，它的导电能力为0，相，相当于绝缘体。当于绝缘体。+4+4+4+44）在热或光

4、激发）在热或光激发下，使一些价电子获下，使一些价电子获得足够的能量而脱离得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为共价键的束缚，成为自由电子自由电子，同时共价，同时共价键上留下一个空位，键上留下一个空位，称为称为空穴空穴。+4+4+4+4空空穴穴束缚束缚电子电子自由自由电子电子5可见因热激发而出现的自由电子和空穴是可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为同时成对出现的，称为电子空穴对电子空穴对。6在其它力的作用下，空在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填穴吸引临近的电子来填补，这样的结果相当于补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移迁移相当于

5、正电荷的移动，因此动，因此可以认为空穴可以认为空穴是载流子是载流子。+4+4+4+45）自由电子和空穴的运动形成电流）自由电子和空穴的运动形成电流7本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体中存在数量相等的两种本征半导体中存在数量相等的两种载流载流子子，即，即自由电子自由电子和和空穴空穴。温度温度越高越高载流子的载流子的浓度浓度越高越高本征半导本征半导体的体的导电能力越强导电能力越强。本征半导体的导电能力取决于本征半导体的导电能力取决于载流子的载流子的浓度浓度。归纳归纳82. 杂质半导体杂质半导体杂质半导体使某种载流子浓度大大增加。杂质半导体使某种载流子浓度大大增加。在本征半导体中掺入

6、某些微量杂质。在本征半导体中掺入某些微量杂质。1）N型半导体型半导体在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的五价元素磷，在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的五价元素磷，使自由电子浓度大大增加。使自由电子浓度大大增加。多数载流子（多子）：电子。取决于掺杂浓度；多数载流子（多子）：电子。取决于掺杂浓度；少数载流子（少子）：空穴。取决于温度。少数载流子（少子）：空穴。取决于温度。9+4+4+5+4N型型半导体半导体多余电子多余电子磷原子磷原子102）P型半导体型半导体在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的三价元素硼，在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的三价元素硼，使空穴浓度大大增加。使空穴浓度大大增加。多数载流子（多子）

7、：空穴。取决于掺杂浓度；多数载流子（多子）：空穴。取决于掺杂浓度；少数载流子（少子）：电子。取决于温度。少数载流子（少子）：电子。取决于温度。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子11归纳归纳3、杂质半导体中起导电作用的主要是多子、杂质半导体中起导电作用的主要是多子。4、N型半导体中电子是多子，空穴是少子型半导体中电子是多子，空穴是少子； P型半导体中空穴是多子，电子是少子。型半导体中空穴是多子，电子是少子。1、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多数、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。载流子和少数载流子（简称多子、少子）。2、杂质半导体中多数载流子的

8、数量取决于掺杂、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂浓度，少数载流子的数量取决于温度。浓度，少数载流子的数量取决于温度。12杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P型半导体型半导体+N型半导体型半导体13一、一、 PN 结的形成结的形成 在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体型半导体和和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了面处就形成了PN结。结。 因浓度差因浓度差 多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子

9、漂移内电场促使少子漂移 内内电电场场阻阻止止多多子子扩扩散散14P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区空间电荷区PN结处载流子的运动结处载流子的运动15扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。荷区逐渐加宽。漂移运动P型半导体型半导体N型半导型半导体体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动内电场越强，就使漂内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。使空间电荷区变薄。16漂移运动P型半导体型半导体N型半导型半导体体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动所以扩散和漂所以扩散和漂移这一对相反移

10、这一对相反的运动最终达的运动最终达到平衡，相当到平衡，相当于两个区之间于两个区之间没有电荷运动，没有电荷运动，空间电荷区的空间电荷区的厚度固定不变。厚度固定不变。17+空间空间电荷电荷区区N型区型区P型区型区 PN结结18 1） PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况 外加的正向电压有一外加的正向电压有一部分降落在部分降落在PN结区，结区，方向与方向与PN结内电场方结内电场方向相反，削弱了内电向相反，削弱了内电场。于是场。于是,内电场对多内电场对多子扩散运动的阻碍减子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电电流，可

11、忽略漂移电流的影响，流的影响，PN结呈现结呈现低阻性。低阻性。19 2. PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压有一部分外加的反向电压有一部分降落在降落在PN结区，方向与结区，方向与PN结内电场方向相同，加结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散于扩散电流，可忽略扩散电流，电流，PN结呈现高阻性。结呈现高阻性。 在一定的温度条件下，在一定的温度条

12、件下，由本征激发决定的少子浓由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大本上与所加反向电压的大小无关小无关，这个电流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。 20空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中内电场阻碍多子多子（ P中的中的 空穴、空穴、N中的电子）中的电子） 的的扩散运动。扩散运动。 P中的电子和中的电子和N中的空穴（中的空穴（都是少子都是少子） 数量有限，因此由它们形成的漂移电流数量有限，因此由它们形成的漂移电流 很小。很小。空间电荷区中内电场推

13、动空间电荷区中内电场推动少子少子（ P中的中的 电子、电子、N中的空穴）中的空穴） 的的漂移运动。漂移运动。归纳归纳21二、二、PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结结加正向电压加正向电压（正向偏置）正向偏置）： P区区接电源的正极、接电源的正极、N区接电源的负极。区接电源的负极。 PN结结加反向电压加反向电压（反向偏置反向偏置）：）： P区区接电源的负极、接电源的负极、N区接电源的正极。区接电源的正极。 PN结结呈现低电阻，处于导通状态呈现低电阻，处于导通状态。 PN结结呈现高电阻，处于截止状态呈现高电阻，处于截止状态。三、三、PNPN结的电容效应结的电容效应1. 1. 势垒电容势垒电容

14、PNPN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容放电相同，其等效电容称为势垒电容C Cb b。2. 2. 扩散电容扩散电容 PNPN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容释放的过程，其等效电容称为扩散电容C Cd d。结电容：结电容： 结电容不是常量！若结电容不是常量！若PNPN结外

15、加电压频率高到一结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！定程度，则失去单向导电性！23半导体半导体二极管的基本结构二极管的基本结构一、一、 基本结构基本结构PN结结 + 管壳和引线管壳和引线PN阳极阳极阴极阴极符号：符号：D分类：分类：点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型24二极管的伏安特性及主要参数二极管的伏安特性及主要参数UI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: 硅硅管管0.60.8V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿电反向击穿电压压UBR正向特性：正向特性：EDI反向特性：反向特性：EDI反反U死死区电压，导区电压，导通；通；UI I反反

16、很小，与温度很小，与温度有关；有关；U 击穿电击穿电压，击穿导通；压，击穿导通；I 一、一、伏安特性伏安特性25二、二、 主要参数主要参数1.最大整流电流最大整流电流 IOM2.最大反向工作电压最大反向工作电压URM二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。二极管正常工作时允许承受的最大反向工作电压二极管正常工作时允许承受的最大反向工作电压。手册上给。手册上给出的最高反向工作电压出的最高反向工作电压URM一般是一般是UBR的一半。的一半。3. 最大反向电流最大反向电流 IRM指二极管加反向工作峰值电压时的反向电流指二极管加反向工

17、作峰值电压时的反向电流。反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。262.二极管的应用二极管的应用电路如图示：已知电路如图示：已知E=5V， ui=10sin t VRDEuiuO解：解： 此类电路的分析方法：此类电路的分析方法：当当D的阳极电位高于阴极电位时，的阳极电位高于阴极电位时，D导通，将导通，将D作为一短路线；作为一短路

18、线；当当D的阳极电位低于阴极电位时，的阳极电位低于阴极电位时，D截止，将截止，将D作为一断开的开关；作为一断开的开关；将二极管看成理想二极管将二极管看成理想二极管ui tuO t10V5V5V削波削波例例1求：求： uO的波形的波形27电路如图示：已知电路如图示：已知 VA=3VVB=0V 求求：VF=？解：解： 此类电路的分析方法：此类电路的分析方法：将二极管看成理想二极管。将二极管看成理想二极管。当几个二极管共阳极或共阴极连接时，承受当几个二极管共阳极或共阴极连接时，承受正向电压高的二极管先导通。正向电压高的二极管先导通。DB通通， VF=0VRDAADBB+12VF箝位箝位隔离隔离例例2

19、 228本章介绍数字电路的基本逻辑单元本章介绍数字电路的基本逻辑单元-门电路门电路主要内容主要内容二极管三极管的开关特性二极管三极管的开关特性TTLTTL和和CMOSCMOS门电路的原理及输入输出特性门电路的原理及输入输出特性第三章第三章门电路门电路3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路3.5 TTL3.5 TTL门电路门电路3.3 COMS3.3 COMS门电路门电路29门：具有开关作用。门：具有开关作用。门电路：具有控制信号通过或不通过能力的电路。门电路：具有控制信号通过或不通过能力的电路。器件的开关作用器件的开关作用开关特性开关特性体现开关作用体现开

20、关作用静态特性静态特性转换过程转换过程动态特性动态特性理想开关特性理想开关特性Z0 短路、相当开关闭合短路、相当开关闭合Z 断路、相当开关断开断路、相当开关断开门电路是用以实现逻辑关系的电子电路。30门电路分立元件门电路集成门电路双极型集成门（DTL、TTL）CMOS集成门集成逻辑门中广泛使用的开关器件是： 晶体管晶体管 场效应管场效应管 研究它们的研究它们的开关开关特性特性313.1 概述概述在数字电路中，用高、低电平分别表示逻辑代数中的在数字电路中，用高、低电平分别表示逻辑代数中的1、0获得高、低电平的基本方法：获得高、低电平的基本方法：当当S打开时，打开时，vO为高电平为高电平当当S闭合

21、时，闭合时，vO为低电平为低电平S用二极管或三极管或场效应管来实现控用二极管或三极管或场效应管来实现控制管子工作在截止和导通状态，它们就制管子工作在截止和导通状态，它们就可起到图中可起到图中S的作用的作用VCCvOvIS输输出出信信号号输输入入信信号号32若以高电平表示若以高电平表示1 1，低电平表示，低电平表示0 0，则称，则称正逻辑正逻辑若以高电平表示若以高电平表示0 0，低电平表示，低电平表示1 1，则称，则称负逻辑负逻辑1 10 0正逻辑正逻辑0 01 1负逻辑负逻辑本书采用正逻辑本书采用正逻辑高电平下限低电平上限333.2 半导体二极管的门电路半导体二极管的门电路3.2.1 半导体二

22、极管的开关特性半导体二极管的开关特性VCCRDvO+-v+-1. 二极管开关电路二极管开关电路当当vI=VIL时，时，D导通，导通，vO=0V=VOL设设VIL=0V，VIH=VCC，D为理想二极管为理想二极管当当vI=VIH时，时，D截止，截止，vO=VCC=VOH用用vI的高低电平控制二极管的开关状态，的高低电平控制二极管的开关状态，在输出端得到高、低电平输出信号在输出端得到高、低电平输出信号34二极管的开关特性二极管的开关特性 正向导通时UD(ON)0.7V（硅） 0.3V（锗）RD几 几十相当于开关闭合 EDuiU(BR)0UonIS203535理想理想二极管二极管近似分析近似分析中最

23、常用中最常用理想开关理想开关导通时导通时 UD0截止时截止时IS0导通时导通时UDUon截止时截止时IS0导通时导通时i与与u成成线性关系线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路！应根据不同情况选择不同的等效电路！二极管的等效模型二极管的等效模型36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EDuiU(BR)0UonIS20为了保证可靠截止，通常二极管两端加负压。37 当外加电压突然由正向变为反向时，存储电荷反向电当外加电压突然由正向变为反向时，存储电荷反向电场的作用下，形成较大的反向电流。经过场的作用下，形成较大的反向电流。经过t ts s后，存储电荷显后，存储电荷显著

24、减少，反向电流迅速衰减并趋于稳态时的反向饱和电流。著减少，反向电流迅速衰减并趋于稳态时的反向饱和电流。 当外加电压由反向突然变当外加电压由反向突然变为正向时，要等到为正向时，要等到PN结内部结内部建立起足够的电荷梯度后才开建立起足够的电荷梯度后才开始有扩散电流形成，因而正向始有扩散电流形成，因而正向电流的建立稍微滞后一点。电流的建立稍微滞后一点。反向恢复时间反向恢复时间（几纳秒内）（几纳秒内）2. 动态特性：383.2.2 二极管与门二极管与门VCC=5VR=3KD1ABYD2设：设：VIL=0V，VIH=3V，二极管正向导通压降为，二极管正向导通压降为0.7V分析可得：分析可得：若定义若定义

25、1表示高电平，表示高电平，0表示低电平，则得真值表：表示低电平，则得真值表：&ABY结论：该电路实现了与的关系，为与门结论：该电路实现了与的关系，为与门39工作波形(又一种表示逻辑功能的方法）逻辑表达式FA B40VCC=5VR=3KD1A1B1Y1D2VCC=5VR=3KD1A2B2Y2D2一般不用它直接驱动负载电路413.2.2 二极管或门二极管或门分析可得：分析可得：若定义若定义1表示高电平，表示高电平，0表示低电平，则得真值表：表示低电平，则得真值表：设：设：VIL=0V，VIH=3V，二极管正向导通压降为，二极管正向导通压降为0.7VRD1ABYD2结论：该电路实现了或的关系，为或门

26、结论：该电路实现了或的关系，为或门1ABY42工作波形逻辑表达式FA+ B43MOS门电路：以MOS管作为开关元件构成的门电路。 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 门电路门电路44CMOS 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)。MOS管有增强型和耗尽型两种。 在数字电路中，多采用增强型。45P PN N+ +S SG GD DN N+ +以以P P型半导体作衬底型半导体作衬底形成两个形成两个PNPN

27、结结SiOSiO2 2保护层保护层引出两个电极引出两个电极引出两个电极引出两个电极引出栅极引出栅极AlAl从衬底引出电极从衬底引出电极两边扩散两个高两边扩散两个高浓度的浓度的N N区区N沟道增强型沟道增强型MOSFET的结构的结构增强型增强型MOS管管46PN+SGDN+SiO2保护层保护层Al故又称为故又称为MOS管管管子组成：管子组成：a. 金属金属（Metal)b. 氧化物氧化物(Oxide)c.半导体半导体(Semiconductor)472. 2. 工作原理工作原理 电电路路连连接接图图P PN N+ +S SG GD DN N+ + + +48(1) uGS =0 ,uDS0源极和

28、漏极之间始终有一个源极和漏极之间始终有一个PN结反偏，结反偏，iD=0PN+SGN+iD=0D+SDB 不论不论D、S间有无间有无电压，均无法导通，电压，均无法导通，不能导电。不能导电。49PN+SGN+iD=0D+2uGS 0 ,uDS =0产生垂直向下的电场产生垂直向下的电场50PN+SGN+iD=0D+电场排斥空穴电场排斥空穴形成耗尽层形成耗尽层吸引电子吸引电子51PN+SGN+iD=0D+形成导电沟道形成导电沟道当当uGS =UGS(th)时时出现反型层出现反型层可以通过改变可以通过改变vGS的大小来控制的大小来控制iD的大小。的大小。52PN+SGN+iD=0D+UGS(th)开启电

29、压开启电压N沟道增强型沟道增强型MOS管，简称管，简称NMOSN沟道沟道53二、MOS管的输入、输出特性管的输入、输出特性 对于共源极接法的电路，栅极和衬底之间被二氧对于共源极接法的电路，栅极和衬底之间被二氧化硅绝缘层隔离，所以化硅绝缘层隔离，所以栅极电流为零栅极电流为零。输出特性曲线输出特性曲线（漏极特性曲线）（漏极特性曲线）54夹断区（截止区） 用途：做无触点的、断开状态的电子开关。条件：整个沟道都夹断 特点：55可变电阻区特点特点:(1)当vGS 为定值时，iD 是 vDS 的线性函数，管子的漏源间呈现为线性电阻，且其阻值受 vGS 控制。 （2）管压降vDS 很小。用途：用途：做压控线

30、性电阻和无触点的、闭合状态的电子开关。条件：源端与漏端沟道都不夹断 56恒流恒流区：(又称饱和区或放大区）又称饱和区或放大区）特点特点:(1)受控性：受控性： 输入电压输入电压vGS控制输出电流控制输出电流(2)恒流性：恒流性：输出电流输出电流iD 基本上不受输出电压基本上不受输出电压vDS的影响。的影响。条件条件:(1)源端沟道未夹断源端沟道未夹断 (2)漏端沟道预夹断漏端沟道预夹断 用途用途:可做可做放大器放大器和和恒流源恒流源。57三、MOS管的基本开关电路管的基本开关电路 当当vI=vGSVGS(th)且且vI继续升高时，继续升高时，MOS管工作在可变管工作在可变电阻区。电阻区。MOS

31、管导通内阻管导通内阻RON很小，很小，D-S间相当于闭合间相当于闭合的开关的开关,vO0。59场效应管开关电路场效应管开关电路VDDRDGiD+vIvO+SD当当vI=VIL时，场效应管截止，时，场效应管截止，iD0，相当于开关断开，相当于开关断开，vOVCC；当当vI=VIH时，场效应管导通，时，场效应管导通，uDS0，相当于开关闭合，相当于开关闭合， vO0 ；当当vI VGS(th) 时，场效应管工作在恒流区；时，场效应管工作在恒流区；当当vI增加到一定程度时，场效应管工作在增加到一定程度时，场效应管工作在 变阻区。变阻区。uDSiDUGS1=UGS(th)OUGS1UGS2UGS3可变

32、可变电阻区电阻区夹断区夹断区恒流区恒流区60关于场效应管符号的说明：关于场效应管符号的说明：N N沟道增强沟道增强型型MOSMOS管，管，衬底箭头向衬底箭头向里。漏、衬里。漏、衬底和源、分底和源、分开，表示零开，表示零栅压时沟道栅压时沟道不通。不通。表示衬底表示衬底在内部没在内部没有与源极有与源极连接。连接。N N沟道耗沟道耗尽型尽型MOSMOS管。漏、管。漏、衬底和源衬底和源不断开表不断开表示零栅压示零栅压时沟道已时沟道已经连通。经连通。GSD如果是如果是P P沟道，沟道，箭头则向外。箭头则向外。P 沟道增强型沟道增强型613.3.2 CMOS反相器工作原理 PMOS管管NMOS管管CMOS

33、电路电路VDDT1T2vIvO一、电路结构一、电路结构 当当NMOS管和管和PMOS管成对出现在电路中，管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为且二者在工作中互补，称为CMOS管管(意为互补意为互补)。62VDDTPTNvIvOvI=0截止截止 vo=“”导导 通通63vI=1VDDT1T2vIvO导通导通 vo=“”截止截止 静态下，无论静态下，无论vI是高电平还是低电平，是高电平还是低电平，T1、T2总有总有一个截止，因此一个截止，因此CMOS反相器的静态功耗极小。反相器的静态功耗极小。643.3.2 CMOS与非门与非门AT1T2VDDYT3T4BT1、T2构成反相器；构成反相器；T

34、3、T4构成反相器构成反相器 将将T1、T3并联，并联，T2、T4串联串联只要只要A、B中有一个为低电平中有一个为低电平，则，则T2、T4 有一个截止，有一个截止，T1、T3有一个导通，有一个导通，输出高电平输出高电平。只有只有A、B均为高电平均为高电平，则，则T2、T4均导通，均导通，T1、T3均截止，输出均截止，输出低低电平电平。工作原理：工作原理：65T1、T2构成反相器；构成反相器；T3、T4构成反相器构成反相器 将将T1、T3串联，串联，T2、T4并联并联只要只要A、B中有一个为高电平中有一个为高电平，则，则T2、T4有一个导通，有一个导通，T1、T3有一个截止，有一个截止，输出低输

35、出低电平电平。只有只有A、B均为低电平均为低电平，则，则T2、T4均截止，均截止， T1、T3均导通，均导通，输出高电平输出高电平。利用与非门、或非门和反相器又可组成与门、或门、与或利用与非门、或非门和反相器又可组成与门、或门、与或非门等非门等工作原理：工作原理：AT3VDDYT1BT2T43.3.3 CMOS或非门或非门663. 带缓冲级的带缓冲级的CMOS门电路门电路67 带缓冲级的门电路其输出电阻、输出高、低电平以及带缓冲级的门电路其输出电阻、输出高、低电平以及电压传输特性将不受输入端状态的影响。电压传输特性的电压传输特性将不受输入端状态的影响。电压传输特性的转折区也变得更陡。转折区也变

36、得更陡。68CMOS三态输出的门电路三态输出的门电路当当EN=1时，时，T1、T2截止，输出为高阻态；截止，输出为高阻态；当当EN=0时，时，T1、T2导通，输出导通，输出Y=A电路结构与符号电路结构与符号AVDDT1ENYT1T2T2控制端低电平有效控制端低电平有效YAEN69CMOS电路的优点：电路的优点：1.静态功耗小，每个门的功耗低至静态功耗小，每个门的功耗低至 1 W ， 仅为仅为 TTL 的的 1/1000 。2. 允许电源电压范围宽。允许电源电压范围宽。 VDD相对的范围达相对的范围达 318V。3.输入阻抗高，输入电流小，对信号无衰减作用。输入阻抗高，输入电流小，对信号无衰减作

37、用。4. 扇出系数大（扇出系数大（ N 50 ），驱动能力强。），驱动能力强。5. 抗干扰能力强：抗干扰能力强： CMOS电路的噪声容限为电路的噪声容限为 40% UDD 。6. 集成度高，工作频率范围宽。集成度高，工作频率范围宽。7. 温度稳定性好，温度稳定性好， 可达可达-40+85 ，接近于，接近于 TTL 中中 54 军军 品系列（品系列（ -55+125 ）。）。8. 内部有较完善的保护电路。内部有较完善的保护电路。701. 1. 焊接时，电烙铁外壳应接地。焊接时，电烙铁外壳应接地。2.2.存储和运输存储和运输CMOSCMOS电路，最好采用金属屏蔽层做包装材料。电路，最好采用金属屏蔽

38、层做包装材料。3. 3. 器件插入或拔出插座时，所有电压均需除去。器件插入或拔出插座时，所有电压均需除去。4. 4. 多余的输入端不能悬空。多余的输入端不能悬空。输入端悬空极易产生感应较高的输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，造成器件的永久损坏。对多余的输入端，可以静电电压，造成器件的永久损坏。对多余的输入端，可以按功能要求接电源或接地，或者与其它输入端并联使用。按功能要求接电源或接地，或者与其它输入端并联使用。5. 5. 注意与注意与 TTL TTL 电路连接时的匹配问题。电路连接时的匹配问题。CMOS电路使用注意事项电路使用注意事项输入电路的静电保护 CMOS电路的输入端设置了保护电路，

39、给使用者带来很大方便。但是，这种保护还是有限的。由于CMOS电路的输入阻抗高，极易产生感应较高的静电电压，从而击穿MOS管栅极极薄的绝缘层，造成器件的永久损坏。为避免静电损坏，应注意以下几点：71TTL集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用半导体三极管，所以称晶体管晶体管逻辑门电路，简称TTL电路。3.5 TTL门电路门电路72一、一、 晶体管的结构及类型晶体管的结构及类型N NP PN N集电区集电区发射区发射区基区基区发射极发射极集电极集电极基极基极e ec cb b发射结发射结集电结集电结1. 1. 基区很薄基区很薄2. 2. 发射区掺杂浓度发射区掺杂浓度基区基区掺杂浓度掺杂浓度3. 3.

40、 集电区尺寸集电区尺寸 发射区尺寸，发射区尺寸，集电区掺杂浓度集电区掺杂浓度 0， UCE UBE 发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏IC = IB 电流放大作用电流放大作用UBE0， UCE UBE IC = IB 发射结正偏，集电结正偏发射结正偏，集电结正偏无电流放大作用无电流放大作用放大区放大区截止区截止区饱和区饱和区77四、双极型三极管的开关等效电路四、双极型三极管的开关等效电路 开关等效电路开关等效电路(1) 截止状态 条件：发射结反偏特点：电流约为0 78(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79五、三极管的开关时间五、

41、三极管的开关时间快快慢慢从截止到饱和导通所需的时间称为开启时间从截止到饱和导通所需的时间称为开启时间 ton从饱和导通到截止所需时间称为从饱和导通到截止所需时间称为关闭时间关闭时间toff输出输出vO落后于输入落后于输入vIvIiCvOttttontoff发射区变窄、基区建立电荷所需要的时间。发射区变窄、基区建立电荷所需要的时间。清除三级管内存电荷所需要的时间。清除三级管内存电荷所需要的时间。80六、六、 三极管反相器三极管反相器实际应用中，接实际应用中，接R2和和VEE，使，使T可靠截止。可靠截止。-VEER2A为低电平（为低电平（0），T截止，截止，Y为高电平（为高电平（1）A为高电平（为

42、高电平（1），T导通，导通，Y为低电平（为低电平（0） 实现了非门的关系实现了非门的关系 又称反相器。又称反相器。(vI)A(vO)VCCR1RcYAY 加入加入VEE的目的是确的目的是确保即使输入低电平信号稍大保即使输入低电平信号稍大于零时，也能使三极管基极于零时，也能使三极管基极为负电位，从而使三极管为负电位，从而使三极管 可可靠截止，输出为高电平。靠截止，输出为高电平。811. 体积大、工作不可靠。体积大、工作不可靠。2. 需要不同电源。需要不同电源。3. 各种门的输入、输出电平不匹配。各种门的输入、输出电平不匹配。分立元件门电路的缺点分立元件门电路的缺点4. 带负载能力差。带负载能力差

43、。 与分立元件电路相比，与分立元件电路相比，集成电路集成电路具有体积小、具有体积小、可靠性高、速度快的特点，而且输入、输出电平匹可靠性高、速度快的特点，而且输入、输出电平匹配，所以早已广泛采用。根据电路内部的结构，可配，所以早已广泛采用。根据电路内部的结构，可分为分为DTL、TTL、HTL、MOS管管集成门电路等。集成门电路等。82输入级倒相级输出级称为称为推拉式推拉式电路电路或或图腾图腾柱输出电路柱输出电路一、一、TTL反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理831.输入为低电平（输入为低电平（0.2V）时）时三个三个PN结结导通需导通需2.1V0.9V不足以让不足以让T2、T5

44、导通导通T2、T5截止截止841.输入为低电平（输入为低电平（0.2V）时）时vovo=5vR2vbe4vD23.4V 输出输出高电平高电平852.输入为高电平（输入为高电平（3.4V）时）时电位被嵌电位被嵌在在2.1V全导通全导通 vB1=VIH+VON=4.1V发射结反偏 1V截止T2、T5饱和导通饱和导通862.输入为高电平（输入为高电平（3.4V）时）时vo =VCE50.3V 输出低电平输出低电平87 可见，无论输入如何，可见，无论输入如何，T4和和T5总是一管总是一管导通而另一管截止。导通而另一管截止。 这种推拉式工作方式，这种推拉式工作方式，带负载能力很强带负载能力很强。88VC

45、CR14kR26kR4140R31kD1D2AYT1T2T4T5(vI)(vO)B1C2E2二、电压传输特性二、电压传输特性（输入电压与输出电压的关系曲线）（输入电压与输出电压的关系曲线）vI0.7V，vB11.4V，T2、T5截止，截止，T4导通导通vO=VOH=3.4VABvO / V00.5 1.0 1.51.02.03.04.0vI / V截截止止区区0.789VCCR14kR26kR4140R31kD1D2AYT1T2T4T5(vI)(vO)B1C2E2二、电压传输特性二、电压传输特性（输入电压与输出电压的关系曲线）（输入电压与输出电压的关系曲线）ABvO / V00.5 1.0 1

46、.51.02.03.04.0vI / V截截止止区区0.7vI1.3V，1.4vB11.4，vB12.1V，T2、T5饱和导通，饱和导通，vO=VOL=0.2VE饱和区饱和区92门槛电压门槛电压VTH：当输入电压高于此值时，输出变为低电平。当输入电压高于此值时，输出变为低电平。 VTH 1.4VVCCR14kR26kR4140R31kD1D2AYT1T2T4T5(vI)(vO)B1C2E2二、电压传输特性二、电压传输特性（输入电压与输出电压的关系曲线）（输入电压与输出电压的关系曲线）ABvO / V00.5 1.0 1.51.02.03.04.0vI / VCDEVTH93二、主要参数二、主要

47、参数1）输出高电平）输出高电平UOH、输出低电平、输出低电平UOL UOH 2.4V UOL 0.4V 便认为合格。便认为合格。 典型值典型值UOH=3.6V UOL=0.3V94uO(V)ui(V)123UOHUOL(3.6V)(0.3V)2）输入高电平）输入高电平UIHUIH 输入低电平输入低电平UILUIL 典型值典型值UIH=3.6V UIL=0.3V UonUoff 开门电平开门电平Uon= UIH（min）关门电平关门电平Uoff = UIL（max） 典型值典型值Uon=1.8V Uoff =0.8V 953）阈值电压）阈值电压UTuiUT时，认为时，认为ui是高电平。是高电平。

48、UT=1.4Vu0(V)ui(V)123UOHUOL阈值阈值UT=1.4VT4输出管由截止转为输出管由截止转为导通导通(输出高电平转为输出高电平转为低电平低电平)时所对应的输时所对应的输入电压入电压964）抗干扰能力（输入噪声容限）抗干扰能力（输入噪声容限）uO(V)ui(V)123UOHUOL(3.6V)(0.3V)UIHUILUonUoff低电平噪声容限：低电平噪声容限： UNL= Uoff- UILUNL高电平噪声容限：高电平噪声容限： UNH= UIH - UonUNH用来说明用来说明门电路抗门电路抗干扰能力干扰能力97一、输入特性一、输入特性（输入端的伏安特性）（输入端的伏安特性）1

49、.vI=VIL=0.2V时时1VIL=0.2VIIL=?负号表示输入电流流出门负号表示输入电流流出门.R14kD1T10.2VIILVCCbe2be5输入端等效电路输入端等效电路3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性982.vI=VIH=3.4V时时1VIHI=3.4VIIH=?R14kD1T13.4VIIHVCCbe2be5VB1=2.1VT1处于倒置放大状态处于倒置放大状态一般情况下，一般情况下，IIH40A正号表示输入电流流进门正号表示输入电流流进门.99一一.输入特性输入特性:输入短路电输入短路电流流IIS(IIL)高电平输入电流高电平输入电流IIH100二二.输出特性输出特

50、性TTL反相器高电平输出特性反相器高电平输出特性由于受到功耗的限制手册上给出的高电平输出电流的最大值要比5mA小得多。74系列系列IOH(max)=0.4mARLVCCR4130VOHT4D2R21.6kiL输出高电平时，输出高电平时，T4导通，导通，T5截止截止,电流流出门（拉电流）电流流出门（拉电流）RL | iL | vR4 VOH101二二.输出特性输出特性IOL(max)RLiL T 5 饱和程度饱和程度 vCE5 VOL 输出低电平时，输出低电平时，T4截止，截止，T5饱和饱和VCCR3VOLT5iLRL电流流进门（灌电流）电流流进门（灌电流）VOL=0.2V时，时，iL=16mA

51、iL /mA1015 52.01.0VOL /V0.216102前后级之间电流的联系前后级之间电流的联系？103前级输出为前级输出为 高电平时高电平时前级（驱动门）前级（驱动门）后级（负载门）后级（负载门）前级流出前级流出电流电流I IOHOH（拉电流）（拉电流）1发射结反偏发射结反偏,输输入电流入电流IIH很小很小(几十几十A)104前级输出为前级输出为 低电平时低电平时前级（驱动门）前级（驱动门）后级（负载门）后级（负载门）0流入前级流入前级的电流的电流IOL (灌电流灌电流)输入低电平输入低电平时的输入电时的输入电流流I IILIL，大约，大约为为1mA1mA。105扇出系数扇出系数驱动

52、同类门的个数。驱动同类门的个数。灌电流工作时：灌电流工作时：拉电流工作时：拉电流工作时：扇出系数扇出系数NO取取NOL、 NOH中较小的一个。中较小的一个。扇出系数衡量门电路的扇出系数衡量门电路的带负载能力带负载能力。IILIOLIIHIOH106三、输入端负载特性三、输入端负载特性实际使用时，输入端往往需接电阻实际使用时，输入端往往需接电阻RP =0.9K时，时，vI =0.8V； RP =1.9K时，时，vI =1.4V，输出变为低电平；，输出变为低电平；vI增加到增加到1.4V后，不再增加。后，不再增加。通过电阻接地通过电阻接地R14kRPT1vIVCCbe2be51vIRP1071.

53、悬空的输入端相当于接高电平。悬空的输入端相当于接高电平。2. 为了防止干扰，一般应将悬空的为了防止干扰，一般应将悬空的输入端接高电平。输入端接高电平。1083.5.5 其他类型的TTL门电路 一一. 其他逻辑功能的门电路其他逻辑功能的门电路输入端改成多发输入端改成多发射极三极管射极三极管1.与与非非门门109 TTL集成门电路的封装：集成门电路的封装： 双列直插式双列直插式 如：如：TTLTTL门电路芯片（门电路芯片（四四2 2输入与非门，输入与非门，型号型号74LS0074LS00 ) )地地GNDGND外外 形形管脚管脚 电源电源V VCCCC（+5V+5V）11074LS00内含4个2输

54、入与非门，74LS20内含2个4输入与非门。111两方框中电路相同两方框中电路相同A为高电平时，T2、T5同时导通，T4截止，输出Y为低电平。B为高电平时，T2、T5同时导通，T4截止，输出Y为低电平。A、B都为低电都为低电平时平时，T2、T2同时截止，T5截止，T4导通，输出Y为高电平。2.或非门或非门112或非门或非门与或非门与或非门1133.与与或或非非门门1144.异或门异或门若A、B同时为高电平，T6、T9导通，T8截止，输出低电平；A、B同时为低电平，T4、T5同时截止，使T7、T9导通，T8截止，输出也为低电平。A、B不同时，T1正向饱和导通，T6截止；T4、T5中必有一个导通，

55、从而使T7截止。T6、T7同时截止，使得T8导通，T9截止，输出为高电平。11574LS86116二二.集电极开路门（集电极开路门（OC门）门）为什么需要为什么需要OC门？门？普通与非门输出不能普通与非门输出不能直接连在一起实现直接连在一起实现“线与线与”！10产生一个很大的电流产生一个很大的电流ABYCD117集电极悬空集电极悬空 ABYOCOC门输出端可直接连接实现线与。门输出端可直接连接实现线与。118OC门的应用：门的应用：实现逻辑函数实现逻辑函数ABABFFABAB119二、三态输出门电路二、三态输出门电路工作原理：工作原理：VCCR1R2AYT1T2T5BT4END增加使能端增加使

56、能端EN当当EN =0时，时， D导通，导通，VC2为低电平，为低电平，T4截止同时，截止同时，VB1为低为低电平，电平，T2、T5截止，输出端呈截止，输出端呈高阻态高阻态。输出端有三种状态：高电平，低电平，高阻态，故称输出端有三种状态：高电平，低电平，高阻态，故称三态门三态门当当EN =1时时，D截止，截止，电路与与原电路与与原TTL电路无区别，电路无区别，输出决定于输入输出决定于输入Y=AB。120功能表：功能表：EN=1正常工作正常工作EN=0输出高阻输出高阻功能表：功能表：EN=0正常工作正常工作EN=1输出高阻输出高阻ABYENEN为为1时，处于工作状态，称为控制端时，处于工作状态，

57、称为控制端高电平有效高电平有效EN为为0时，处于工作状态，称为控制端时，处于工作状态，称为控制端低电平有效低电平有效ABYEN121三态门的应用三态门的应用总线结构：总线结构：将输出端并联，将各输出信号将输出端并联，将各输出信号 分时送到公共总线上。分时送到公共总线上。EN1=1时，时，G1数据到总线；数据到总线；EN2=1时，时，G2数据到总数据到总线；线； ENi =1时，时，Gi数据数据到总线；到总线；G1G2Gn.总总 线线A1B1EN1A2B2EN2AiBiENiEN1、EN2、ENi轮流接入高电平，将不同轮流接入高电平，将不同数据分时送至总线。数据分时送至总线。122三态门的应用三

58、态门的应用DODIG1G2DO /DI总总 线线EN双向传输：双向传输：EN=0时，时，G1工作，工作，数据输出数据输出； EN=1时，时，G2工作，工作，数据输入数据输入。123TTL电路与电路与CMOS门电路的接口门电路的接口不同类型的集成电路因其输入、输出电平、负载能力等参数不同类型的集成电路因其输入、输出电平、负载能力等参数不同，互相连接时需要合适的接口电路。不同，互相连接时需要合适的接口电路。TTL电路驱动电路驱动CMOS电路电路CMOS电路的电源电压为电路的电源电压为5V时，在时，在TTL输出端接一上拉电输出端接一上拉电阻即可。阻即可。CMOS电路和电路和TTL电路的电源电压不同时

59、，需使用电路的电源电压不同时，需使用TTL的的OC门，并在门，并在TTL输出端接一上拉电阻。输出端接一上拉电阻。示意电路图参考教材示意电路图参考教材P70。124CMOS 电路驱动电路驱动TTL电路电路CMOS电路和电路和TTL电路的电源电压不同时，需采用电路的电源电压不同时，需采用CMOS缓冲器缓冲器/转换器做接口电路进行电平转换。转换器做接口电路进行电平转换。还需要考虑驱动电流的问题。还需要考虑驱动电流的问题。逻辑门多余输入端的处理逻辑门多余输入端的处理以不影响逻辑功能又能保证电路稳定可靠工作为原则。以不影响逻辑功能又能保证电路稳定可靠工作为原则。一般不允许悬空。一般不允许悬空。根据具体逻

60、辑门将多余端接电源、接地或与有用输根据具体逻辑门将多余端接电源、接地或与有用输入端并接。入端并接。如对与门、与非门中的输入端，可将多余端通过电阻接如对与门、与非门中的输入端，可将多余端通过电阻接电源，或与有用输入端并接。电源，或与有用输入端并接。因为：因为： A1=A AA=A125对集成与非门输入、输出端的处理对集成与非门输入、输出端的处理1. 多余输入端的处理：多余输入端的处理：TTL：悬空（易引入干扰）悬空（易引入干扰）直接接直接接+UCC通过合适电阻接通过合适电阻接+UCCCMOS：直接接直接接+UDD不许悬空！不许悬空！2、输出端的连接：、输出端的连接：（三态门、（三态门、OC门除外）门除外）输出端不能并联！输出端不能并联！输出端不能直接接地！输出端不能直接接地！输出端不能直接接电源！输出端不能直接接电源！状态为状态为1