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1、-分立元件门电路分立元件门电路 -COMS集成门电路集成门电路 -TTL集成门电路集成门电路第第2章章 门电路门电路2.0 概述概述2.1 半导体二极管、三极管半导体二极管、三极管 和和MOS管管 的开关特性的开关特性2.2 分立元件门电路分立元件门电路一、门电路的概念一、门电路的概念 实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路与与 或或 非非 与与 非非 或或 非非 异或异或与或非与或非2.0 概述概述与与 门门或或 门门非非 门门与与 非非 门门或或 非非 门门异或异或门门与或非与或非门门二、逻辑变量与两状态开关二、逻辑变量与两状态开关 逻辑代
2、数是分析数字电路重要的数学工具。逻辑代数是分析数字电路重要的数学工具。数字电路中的逻辑均为二值逻辑。数字电路中的逻辑均为二值逻辑。 在二值逻辑逻辑中，在二值逻辑逻辑中，所有逻辑变量只有两种所有逻辑变量只有两种取值取值( (1 或或 0) )。 在数字电路中，与二值逻辑对应的是电子开关在数字电路中，与二值逻辑对应的是电子开关的两种状态。的两种状态。 逻辑代数中的二值量与数字电路的结合点，逻辑代数中的二值量与数字电路的结合点，就是具有两种状态的电子开关。就是具有两种状态的电子开关。 二极管二极管、三极管三极管、 MOS 管是构成电子开关管是构成电子开关电路的基本元件。电路的基本元件。三、高、低电平
3、与正、负逻辑三、高、低电平与正、负逻辑负逻辑负逻辑正逻辑正逻辑0V5V2.4V0.8V010V5V2.4V0.8V10电位指绝对电压的大小电位指绝对电压的大小；电平指一定的电压范围电平指一定的电压范围。高电平和低电平：相对表示两段不同的电压范围。高电平和低电平：相对表示两段不同的电压范围。高电平高电平低电平低电平3V逻辑状态逻辑状态低低电平电平 断开断开 高电平高电平 3 V10高电平高电平 闭合闭合 低低电平电平 0 V013V通过开关通过开关 S 的两种状态的两种状态( (开或关开或关) )获得高、低电平信号获得高、低电平信号。S 可由可由二极管二极管、三极管三极管或或 MOS 管实现管实
4、现 -电子开关（开关电子开关（开关管）管）四、分立元件门电路和集成门电路四、分立元件门电路和集成门电路 分立元件门电路：分立元件门电路：用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路。用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路。 集成门电路：集成门电路： 把构成门电路的元器件和连线，都制作在一块半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。导体芯片上，再封装起来。常用：常用：CMOS 和和 TTL 集成门电路集成门电路五、数字集成电路的集成度五、数字集成电路的集成度一块芯片中含有等效逻辑门或元器件的个数一块芯片中含有等效逻辑门或元器件的个数小规模集成电路小规模集成电路 SSI(S
5、mall Scale Integration) 10 门门/ /片片或或 10000 门门/ /片片或或 100000 元器件元器件/ /片片一、一、 理想开关的开关特性理想开关的开关特性1、 静态特性静态特性 断开断开 闭合闭合SAK2. 1 半导体二极管半导体二极管 、三极管、三极管 和和 MOS 管的开关特性管的开关特性 2、动态特性、动态特性 开通时间：开通时间：闭合）闭合）（断开（断开 关断时间：关断时间：断开）断开）（闭合（闭合普通开关：普通开关：静态特静态特性好，动态特性差性好，动态特性差半导体开关：半导体开关：静态特性较差，动态特性好静态特性较差，动态特性好几百万几百万次次/
6、/秒秒几千万几千万次次/ /秒秒二、二、 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性1、静态特性、静态特性 外加正向电压外加正向电压( (正偏正偏) )二极管导通二极管导通( (相当于开关闭合相当于开关闭合) ) 外加反向电压外加反向电压( (反偏反偏) )二极管截止二极管截止( (相当于开关断开相当于开关断开) ) AK- -+ +阴极阴极A阳极阳极KPN结结P区区N区区+- - - - -（1）结构示意图、符号和伏安特性结构示意图、符号和伏安特性- -+ +正向正向导通区导通区反向反向截止区截止区反向反向击穿区击穿区硅二极管伏安特性硅二极管伏安特性0.5 0.7/ /mA/ /V0uA死
7、区死区D+ +- -+ +- -（2） 二极管的开关作用二极管的开关作用： 例例 uO = 0 VuO = 2.3 V电路如图所示电路如图所示试判别二极管的工作试判别二极管的工作状态及输出电压。状态及输出电压。二极管截止二极管截止二极管导通二极管导通 解解 D0.7 V+ +- -综上：综上：UD0.7V时二极管导通时二极管导通,相当于一个具有相当于一个具有0.7V的闭合了的开关；的闭合了的开关； UD0.5V时二极管截止时二极管截止,则相当于则相当于一个断开了的开关。一个断开了的开关。2、动态特性、动态特性（1）二极管的电容效应二极管的电容效应结电容结电容 Cj：扩散电容扩散电容 CD： P
8、N 结中的电荷量会随外加电压的大小而结中的电荷量会随外加电压的大小而 改变，具有电容效应，称之为结电容。改变，具有电容效应，称之为结电容。 PN 结外加正向电压时，多数载流子的扩结外加正向电压时，多数载流子的扩散运动加强。但散运动加强。但P区的空穴和区的空穴和N区的电子越过区的电子越过PN结后，结后，并不是立即完全复合掉，而是在并不是立即完全复合掉，而是在PN结两边形成了一结两边形成了一定浓度梯度分布的电荷积累。定浓度梯度分布的电荷积累。而且电荷量也随外加电而且电荷量也随外加电压的大小而改变。压的大小而改变。 当外加电压增加时，多子的扩散运动增强，通过当外加电压增加时，多子的扩散运动增强，通过
9、二极管的电流增加，也即二极管累积的电荷量增加，二极管的电流增加，也即二极管累积的电荷量增加，这种因电荷扩散而产生的电容效应，称之为扩散电容。这种因电荷扩散而产生的电容效应，称之为扩散电容。 2、动态特性、动态特性（1）二极管的电容效应二极管的电容效应结电容结电容 Cj：扩散电容扩散电容 CD： PN 结中的电荷量随外加电压的大小而结中的电荷量随外加电压的大小而 改变所产生的电容效应，称之为结电容。改变所产生的电容效应，称之为结电容。 PN 结外加正向电压增加时，多数载流子结外加正向电压增加时，多数载流子的扩散运动加强，的扩散运动加强，通过二极管的电流增加，也即二极通过二极管的电流增加，也即二极
10、管累积的电荷量增加，这种因电荷扩散而产生的电容管累积的电荷量增加，这种因电荷扩散而产生的电容效应，称之为扩散电容。效应，称之为扩散电容。 二极管的电容效应极大地影响了其动态特性。二极管的电容效应极大地影响了其动态特性。伴随着伴随着Cj、CD的充电、放电过程，二极管无论开通的充电、放电过程，二极管无论开通还是关断，都需要一段时间才能完成。还是关断，都需要一段时间才能完成。PN结实质上是一个结实质上是一个动态的空间电荷区。动态的空间电荷区。（2）二极管的开关时间二极管的开关时间ton 开通时间开通时间toff 关断时间关断时间tt00( (反向恢复时间反向恢复时间) )D+ +- -+ +- -t
11、rtdtftstd-导通延迟时间导通延迟时间（Cj放电时间放电时间）tr-上升时间上升时间（CD放电时间放电时间）ts-存储电荷消散时间存储电荷消散时间（CD放电时间放电时间）tf-下降时间下降时间（Cj充电时间充电时间）ns 5)(rroffonttt1 1、静态特性、静态特性三、三、 半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性发射结发射结集电结集电结发射极发射极e基极基极b集电极集电极c（1） 结构、符号和输入、输出特性结构、符号和输入、输出特性NPNbiBiCecNNP三极管是通过基极电流来控制其工作状态的。三极管是通过基极电流来控制其工作状态的。PNPbiBiCec( (2) ) 输
12、入特性输入特性(3) 输出特输出特性性iC / mAuCE /V50 A40A30 A20 A10 AiB = 00 2 4 6 8 4321放大区放大区截止区截止区饱饱和和区区0uBE /ViB / A 条条 件件电流关系电流关系状态状态发射结正偏发射结正偏放大放大i C= iB集电结反偏集电结反偏饱和饱和 i C iB两个结正偏两个结正偏I CS= IBS临界临界截止截止iB0, iC0两个结反偏两个结反偏2. 半导体三极管的开关应用半导体三极管的开关应用发射结反偏发射结反偏 T 截止截止发射结正偏发射结正偏 T 导通导通+ RcRb+VCC (12V)+uo iBiCTuI3V-2V2
13、k 2.3 k 放大还是放大还是饱和？饱和？饱和导通条件：饱和导通条件：+ RcRb+VCC +12V+uo iBiCTuI3V-2V2 k 2.3 k 三极管的静态特性取决于它的饱和与截止。三极管的静态特性取决于它的饱和与截止。饱和条件：饱和条件：饱和特点：饱和特点：硅管硅管截止条件：截止条件：但为保证管子可靠截止，通常给但为保证管子可靠截止，通常给发射结加反偏电压。即：发射结加反偏电压。即：截止特点：截止特点：2 2、动态特性、动态特性3-2t00.9ICS0.1ICSt030.3t0 三极管有两个三极管有两个PN结，因而在开关过程中同样伴结，因而在开关过程中同样伴随着相应电荷的建立与消散
14、过程，即有电容效应。随着相应电荷的建立与消散过程，即有电容效应。 三极管由截止转变为导通三极管由截止转变为导通-开通开通，或由导，或由导通转变为截止通转变为截止-关断关断，都需要一定的时间。，都需要一定的时间。 三极管的开关时间包括开通时间及关断时间。三极管的开关时间包括开通时间及关断时间。四、四、MOS 管的开关特性管的开关特性MOS管是通过栅源电压来控制其工作状态的。管是通过栅源电压来控制其工作状态的。1、 静态特性静态特性（1）结构和特性）结构和特性：N 沟道沟道 栅极栅极 G漏极漏极 DB 源极源极 S3V4V5VuGS = 6ViD /mA42643210uGS /ViD /mA43
15、210246810uDS /V可可变变电电阻阻区区恒流区恒流区UTNiD开启电压开启电压UTN = 2 V+ +- -uGS+ +- -uDS衬衬底底漏极特性漏极特性转移特性转移特性uDS = 6V截止区截止区P 沟道增强型沟道增强型 MOS 管管与与 N 沟道有对偶关系。沟道有对偶关系。 P 沟道沟道 栅极栅极G漏极漏极 DB 源极源极 SiD+ +- -uGS+ +- -uDS衬衬底底iD /mAiD /mA-2-40-1-2-3-40-10-8-6-4-2- 3V- 4V- 5VuGS = - 6V-1-2-3-4-6uGS /VuDS /V可可变变电电阻阻区区恒流区恒流区 漏极特性漏极
16、特性 转移特性转移特性截止区截止区UTPuDS = - 6V开启电压开启电压UTP = - 2 V（2） MOS管的开关作用：管的开关作用：N 沟道增强型沟道增强型 MOS 管（管（NMOS管管）+VDD+10VRD20 k BGDSuIuO+VDD+10VRD20 k GDSuIuO开启电压开启电压UTN = 2 ViD+VDD+10VRD20 k GDSuIuORONRDRDP 沟道增强型沟道增强型 MOS 管管（PMOS管）管）-VDD-10VRD20 k BGDSuIuO-VDD-10VRD20 k GDSuIuO-VDD-10VRD20 k GDSuIuO开启电压开启电压UTP =
17、2 ViD2 2、动态特性、动态特性（1）MOS 管极间电容管极间电容 在数字电路中，这些在数字电路中，这些电容的充、放电过程电容的充、放电过程会制约会制约 MOS 管的动态管的动态特性，即开关速度特性，即开关速度。栅源电容栅源电容 C GS栅漏电容栅漏电容 C GD漏源电容漏源电容 C DS1 3 pF 0.1 1 pF MOS管截止条件及特点：管截止条件及特点： UGsUTN ; iD随随UGs 线性变化线性变化VDDt00.9ID0.1IDt0VDDt0（2）开关时间）开关时间开通时间开通时间关断时间关断时间uYuAuBR0D2D1+VCC+10V2. 2 分立元器件门电路分立元器件门电
18、路一、一、 二极管与门二极管与门3V0V与门与门ABY&0 V0 VUD = 0.7 V0 V3 V3 V0 V3 V3 V真值表真值表A BY0 00 11 01 10001Y = AB电压关系表电压关系表uA/VuB/VuY/VD1 D20 00 33 03 3导通导通 导通导通0.7导通导通 截止截止0.7截止截止 导通导通0.7导通导通 导通导通3.7二、二、二极管或门二极管或门uY/V3V0V或门或门ABY10 V0 VUD = 0.7 V0 V3 V3 V0 V3 V3 VuYuAuBROD2D1-VSS-10V真值表真值表A BY0 00 11 01 10111电压关系表电压关系
19、表uA/VuB/VD1 D20 00 33 03 3导通导通 导通导通 0.7截止截止 导通导通2.3导通导通 截止截止2.3导通导通 导通导通2.3Y = A + B1 1、半导体三极管非门、半导体三极管非门T 截止截止T导通导通三、三、半导体非门半导体非门（反相器）（反相器）+VCC+5V1 k RcRbT+ +- -+ +- -uIuO4.3 k = 30iBiCT 饱和饱和电压关系表电压关系表uI/VuO/V0550.3真值表真值表0110AY+VCC+5V1 k RcRbT+ +- -+ +- -uIuO4.3 k = 30iBiC三极管非门三极管非门AY1AY2 2、MOS 三极管非门三极管非门-NMOS管截止管截止-NMOS 管导通管导通0110AY+VDD+10VRD20 k BGDSuIuO+ +- -uGS+ +- -uDS作业作业 P135题题2.2题题2.3做书上！做书上！对照输入波形画出各输出波形对照输入波形画出各输出波形
