第03章 門電路+半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)(無(wú)門復(fù)習(xí))

1、作業(yè)3.1.73.1.93.1.12 （a）（C）3.2.23.6.7 （*）3-13-2 第 3章 集成邏輯門3-3 用以實(shí)現(xiàn)基本邏輯關(guān)系的電子電路稱為邏輯門電路 常用的邏輯門有與門、或門、非門等 本章是全課程的器件基礎(chǔ)，介紹基本開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)特性和最常用的TTL集成邏輯門及CMOS集成邏輯門的工作原理和主要外部特性 3-43.1 晶體管的開(kāi)關(guān)特性 晶體管是電子電路中最常見(jiàn)的半導(dǎo)體器件。在邏輯門電路中，晶體二極管、三極管及MOS管都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，利用它們的接通狀態(tài)和斷開(kāi)狀態(tài)或輸出低電平和高電平分別表示二值邏輯的0和1。在電路中，晶體管處于接通、斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，以及在兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)所呈現(xiàn)的特

2、性稱為晶體管的開(kāi)關(guān)特性3-53.1.1 晶體二極管開(kāi)關(guān)特性 具有接通或斷開(kāi)電路功能的元件稱為開(kāi)關(guān)，它所具有的伏安特性就是開(kāi)關(guān)特性 晶體二極管是一種開(kāi)關(guān)元件，在一定條件下可以近似當(dāng)成一個(gè)理想開(kāi)關(guān)來(lái)分析。但是在嚴(yán)格的電路分析時(shí)或高速開(kāi)關(guān)電路中則不能當(dāng)成理想開(kāi)關(guān)3-63.1.1 晶體二極管開(kāi)關(guān)特性v開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，通過(guò)開(kāi)關(guān)的電流 i0，開(kāi)關(guān)兩端點(diǎn)間呈現(xiàn)的的電阻為無(wú)窮大v 開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，開(kāi)關(guān)兩端的電壓為 v= 0，開(kāi)關(guān)兩端點(diǎn)間呈現(xiàn)的的電阻為零v 開(kāi)關(guān)的接通或斷開(kāi)動(dòng)作瞬間完成v 上述開(kāi)關(guān)特性不受其它因素(如溫度等)影響iv0RiSV理想開(kāi)關(guān)特性3-73.1.1 晶體二極管開(kāi)關(guān)特性晶體二極管的穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)特性 當(dāng)晶

3、體二極管反偏截止時(shí)，iDIS0；正偏導(dǎo)通時(shí)，vD=Vth0.7V0；在截止和導(dǎo)通之間轉(zhuǎn)換時(shí)決不可能在瞬間完成； 而且iD和vD都還會(huì)隨溫度等環(huán)境條件的變化而變化，顯然晶體二極管不是理想開(kāi)關(guān)vRiDDiD0vDVZVthIS3-8晶體二極管穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)特性近似分析iDvD0 rDVD模擬電子電路中晶體二極管的等效電路vDiD0完全理想化晶體二極管的等效電路iDvD0VD數(shù)字電路中晶體二極管的等效電路硅二極管VD0.7V鍺二極管VD0.3V3.1.1 晶體二極管開(kāi)關(guān)特性3-9晶體二極管的瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性 電路處于瞬變狀態(tài)下，二極管呈現(xiàn)的特性稱為瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性 晶體二極管在導(dǎo)通和截止間轉(zhuǎn)換時(shí)，呈現(xiàn)的瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特

4、性，其內(nèi)在機(jī)理在于二極管的等效勢(shì)壘電容和結(jié)電容的充、放電過(guò)程，即電荷的積累和消散過(guò)程需要一定時(shí)間。常用正向恢復(fù)時(shí)間和反向恢復(fù)時(shí)間來(lái)表征二極管的開(kāi)關(guān)速度3.1.1 晶體二極管開(kāi)關(guān)特性3-10晶體二極管的開(kāi)關(guān)應(yīng)用二極管門電路與門或門3.1.1 晶體二極管開(kāi)關(guān)特性FABCD2D1AB+12VCD3FABCD1D212VD3CBA3-113.1.2 晶體三極管開(kāi)關(guān)特性（BJT） 晶體三極管作為開(kāi)關(guān)元件時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)在于具有增益，可以用基極微小信號(hào)控制集電極和發(fā)射極間的通、斷，并具有一定的帶負(fù)載能力 晶體三極管作為開(kāi)關(guān)元件時(shí)，電路大多連接成共發(fā)射極組態(tài)，總是工作在飽和狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)，而放大狀態(tài)僅僅是一種過(guò)渡

5、狀態(tài) )V(fiCEC 雙極型三極管的基本開(kāi)關(guān)電路3-143.1.1 晶體三極管開(kāi)關(guān)特性晶體三極管的穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)特性正 偏反 偏BE 結(jié)狀態(tài)很 小很 大CE 間電阻正 偏反 偏BC 結(jié)狀態(tài)vO= vCE(Sat) 0.3VvO= vCE VCCCE 間壓降iC = iC0集電極電流特點(diǎn)iB IBS=iB0基 極 電 流vBE 0.7V,vB vCvBE 0.5V,vB vC偏 置條件飽 和截 止工 作 狀 態(tài)C)Sat(CECCRVVC)Sat(CECCRVVCCCRV三極管的開(kāi)關(guān)等效電路3-16晶體三極管的瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性 晶體三極管在飽和狀態(tài)與截止?fàn)顟B(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)呈現(xiàn)的開(kāi)關(guān)特性稱為瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性 晶體

6、三極管從截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)向飽和狀態(tài)所需時(shí)間稱為開(kāi)通時(shí)間ton (包括延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr)；從飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)向截止?fàn)顟B(tài)所需時(shí)間稱為關(guān)斷時(shí)間toff (包括存儲(chǔ)時(shí)間ts和下降時(shí)間tf） 3.1.1 晶體三極管開(kāi)關(guān)特性動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性3-18晶體三極管的開(kāi)關(guān)應(yīng)用 三極管的基本開(kāi)關(guān)電路就是非門RCR1R2CjvI+VCC-VBBvO電壓傳輸特性vOvI截止飽和放大0VCC0.3V3.1.1 晶體三極管開(kāi)關(guān)特性3-19晶體三極管的開(kāi)關(guān)應(yīng)用 晶體三極管反相器正常工作條件 設(shè)輸入高、低電平分別是VH和VL則截止條件是： 0121RRRVVVvBBLLBE飽和條件是：CCCBSBR.VIiii70211170R.V

7、iH227 . 0RViBB3.1.1 晶體三極管開(kāi)關(guān)特性3-203.2 TTL集成邏輯門 TTL(Transistor-Transistor Logic) 即晶體管晶體管邏輯電路，數(shù)字電路中一類最常見(jiàn)的雙極型集成邏輯門。3-213.2.1 晶體管晶體管邏輯門電路常見(jiàn)的TTL門電路系列有：v標(biāo)準(zhǔn)通用系列 CT54/74系列v高速系列 CT54H/74H系列v肖特基系列 CT54S/74S系列v低耗肖特基系 CT54LS/74LS系列54系列(軍用)：電源電壓 (50.5)V，使用環(huán)境溫度范圍55125 74系列(民用)：電源電壓 (50.25)V， 使用環(huán)境溫度范圍 070 TTL門電路的標(biāo)稱

8、邏輯高電平是3.6V 邏輯低電平是0.3V3-22多發(fā)射極晶體管推拉式輸出級(jí)保護(hù)二極管TTL與非門CT5410/7410典型電路3.2.1 晶體管晶體管邏輯門電路T2R31kWVCC(+5V)R14kWR21.6kWR4130WT1T4T3D1 D2 D3D4ACBY輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)3-23TTL與非門CT5410/7410的特點(diǎn) 多發(fā)射極晶體管的作用是實(shí)現(xiàn)與運(yùn)算 推拉式輸出級(jí)有助于提高開(kāi)關(guān)速度和增強(qiáng)電路帶負(fù)載能力CAB +5VB1C1R1R1T1ACB +5V3.2.1 晶體管晶體管邏輯門電路3-24A、B、C中至少有一個(gè)為低電平時(shí)VCC(+5V)vo=VOH=3.6VT2R31kWR14

9、kWR21.6kWR4130WT1T4T3D4ACBYVL0.3V1V0.4V截止深飽和導(dǎo)通3.2.1 晶體管晶體管邏輯門電路關(guān)態(tài)！3-25TTL 與非門CT5410/7410工作原理A、B、C中至少有一個(gè)為低電平（0.3V）時(shí)vI=0.3V vB1=1V T1 深飽和 vCES1 0.1V iB1=(51) 4k=1mA IBS vC1= 0.4V T2 截止T4 截止 T3 、D4導(dǎo)通 vo = VCC iB3R2 vBE3 vD4 500.70.7 =3.6V =VOH3.2.1 晶體管晶體管邏輯門電路3-26A、B、C全部為高電平時(shí)VCC(+5V)T2R31kWR14kWR21.6kW

10、R4130WT1T4T3D4ACBYVH3.6V2.1V1.4V截止 倒置飽和0.7V1Vvo=VOL=0.3V開(kāi)態(tài)！3.2.1 晶體管晶體管邏輯門電路3-27TTL 與非門CT5410/7410工作原理A、B、C全部為高電平（3.6V）時(shí) vI=3.6V vB1=2.1V T1 倒置vC1= vB2 =1.4V vB1= vBC1 vBE2vBE4=0.70.70.7= 2.1V T2 飽和 vE2 0.7V , vCES2 0.3V vC2= 0.70.3=1V T3 、D4截止 vB4= vE2 0.7V T4 飽和 vo= vCES4 0.3V =VOL3.2.1 晶體管晶體管邏輯門電

11、路TTL 與非門CT5410/7410工作原理3.2.1 晶體管晶體管邏輯門電路TTL 與非門3-29TTL 與非門CT5410/7410的邏輯功能01111011110110011110101011001000YCBA 根據(jù)分析不難列出電路的真值表，并得出結(jié)論：該電路輸入見(jiàn)“0”出“1”，輸入全“1”出“0”，其邏輯功能是 與非門的邏輯符號(hào)是CBAYA&BCY&3.2.1 晶體管晶體管邏輯門電路3-303.2.2 TTL與非門的主要外部特性 TTL與非門的主要外部特性包括電壓傳輸特性：輸入、輸出電壓之間關(guān)系輸入特性：輸入電壓與輸入電流之間關(guān)系輸出特性：輸出電壓與輸出電流之間關(guān)

12、系電源特性：平均功耗傳輸延遲特性：動(dòng)態(tài)特性 通過(guò)討論這些外部特性，進(jìn)而了解它們的技術(shù)參數(shù)，幫助我們更好地使用數(shù)字集成電路3-313.2.2 TTL與非門的主要外部特性電壓傳輸特性vO(V)vI (V)03.60.33 2 1 VthVoffVonVNLVOLVNHVOHVIL3開(kāi)門電平 Von ，關(guān)門電平 Voff閾值電平 Vth1.4VVOH 3.6VVOL 0.3V標(biāo)稱輸出邏輯電平（額定輸出邏輯電平 3V，0.35V ）3-32電壓傳輸特性關(guān)于噪聲容限輸入高電平噪聲容限VIH VNH VonVNH = VIHVon輸入低電平噪聲容限VNL VIL Voff VNL Voff VILVth=

13、1.4 VVIHVNHVNLVoffVonVILvI3.2.2 TTL與非門的主要外部特性3-33輸入特性（輸入伏安特性）vI(V)iI(mA)0IIH11IIS2 當(dāng)輸入端對(duì)地短路時(shí)，從輸入端流出的電流稱為輸入短路電流 IIS 當(dāng)輸入高電平時(shí)流入輸入端的電流稱為輸入漏電流 IIH40mA17 . 0RvViICCI當(dāng)vI=0時(shí) iI =IIS 1.08mA3.2.2 TTL與非門的主要外部特性3-34輸入特性（輸入負(fù)載特性）VCCT2R14kWT1T4AB2.1V1.4V0.7VVCCRivIiiCCIRRRVv17 . 01.4VvI(V)01.4RI(kW)23.2.2 TTL與非門的主

14、要外部特性3-35輸入特性（輸入負(fù)載特性） 與非門的輸入端外接接地電阻Ri時(shí)，由于T1管發(fā)射極電流在電阻Ri上產(chǎn)生的電壓降等效這個(gè)輸入端的輸入電壓，該電壓直接影響與非門的輸出狀態(tài)。根據(jù)分析，這個(gè)電壓的數(shù)值決定于電阻Ri的大小，且最大值為1.4V，可以計(jì)算出，當(dāng)Ri小于某個(gè)數(shù)值時(shí)，產(chǎn)生的電壓很小，相當(dāng)于輸入邏輯0，當(dāng)Ri大于某個(gè)數(shù)值時(shí)，產(chǎn)生的電壓為1.4V，相當(dāng)于輸入邏輯1，顯然，Ri決定與非門的狀態(tài)3.2.2 TTL與非門的主要外部特性3-36輸入特性（輸入負(fù)載特性） 由此引出一個(gè)TTL門電路多余輸入端的正確處理方法問(wèn)題： 為避免干擾多余輸入端一般不應(yīng)懸空，若懸空則相當(dāng)于外接無(wú)窮大電阻； 為保

15、證門電路的邏輯功能正確，多余輸入端可接適當(dāng)電平、與在用輸入端并聯(lián)使用； 當(dāng)需要外接電阻時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意到電阻Ri對(duì)門電路工作狀態(tài)的影響：當(dāng)Ri3.2kW (開(kāi)門電阻Ron)時(shí)，相當(dāng)于輸入邏輯1；當(dāng)Ri910W (關(guān)門電阻Roff)時(shí)，相當(dāng)于輸入邏輯03.2.2 TTL與非門的主要外部特性3-37A&BY1&100WA&BY&10kWBA“1”“0”TTL與非門外接電阻Ri對(duì)電路工作的影響 將TTL與非門換成TTL或非門，其輸出又如何？3.2.2 TTL與非門的主要外部特性3-383.2.2 TTL與非門的主要外部特性TTL與非門外接電阻Ri對(duì)電路工作的影響 將TTL

16、與非門換成TTL或非門，電阻在輸入端的等效作用沒(méi)變，但輸出變了A&BY1100WA&BY0110kW“1”“0”BA3-39輸出特性vo(V)io(mA)012023404020關(guān)態(tài)時(shí)帶拉電流負(fù)載能力較弱開(kāi)態(tài)時(shí)帶灌電流負(fù)載能力稍強(qiáng) 扇出系數(shù)NO：輸出端最多能帶同類門的個(gè)數(shù)，它規(guī)定了TTL與非門的最大負(fù)載容限ISOOIINmax3.2.2 TTL與非門的主要外部特性3-40平均延遲時(shí)間tpHLtpLH)(21pLHpHLpdttt 平均延遲時(shí)間反映了TTL門的瞬態(tài)開(kāi)關(guān)特性，主要說(shuō)明了它的工作速度3.2.2 TTL與非門的主要外部特性3-41電源特性電路處于穩(wěn)定開(kāi)態(tài)時(shí)的空載導(dǎo)通功耗

17、 PLIELVCC(iR1+iR2)VCC電路處于穩(wěn)定關(guān)態(tài)時(shí)的空載截止功耗 PHIEHVCCiR1VCC 與非門的空載平均功耗 P( PH +PL) 2電路從開(kāi)態(tài)向關(guān)態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)， T1 、 T2 、 T3 、 D4 、 T4 同時(shí)處于導(dǎo)通的瞬間， R1 、 R2 、 R4上均流過(guò)電流，電流出現(xiàn)瞬時(shí)峰值，使電源在一個(gè)工作周期中的平均功耗增加 3.2.2 TTL與非門的主要外部特性3-42TTL與非門的主要參數(shù) 輸出邏輯電平 開(kāi)門電阻 開(kāi)門電平 關(guān)門電阻 關(guān)門電平 扇出系數(shù) 閾值電平 平均延遲時(shí)間 噪聲容限 空載導(dǎo)通功耗 輸入短路電流 空載截止功耗 輸入漏電流3.2.2 TTL與非門的主要外部特性3

18、-433.2.3 其它邏輯功能TTL門或非門VCCT2T1T4T3D4ABYT1T2ABA+BA+B=A+B3-443.2.3 其它邏輯功能TTL門異或門VCCT2T1AT9T8DYBT4T3T5T6T7ABABA+BAB+A+BAB+A+BA B3-45集電極開(kāi)路與非門（OC門）VCCABABVCCBABABA 將兩個(gè)反相器輸出端直接相連，實(shí)現(xiàn)了兩輸出端相與的功能，稱為線與。用線與有時(shí)能大大地簡(jiǎn)化電路 那么，能否將兩個(gè)TTL與 非門的輸出端也直接相連 來(lái)實(shí)現(xiàn)線與？ 不能！3.2.3 其它邏輯功能TTL門3-46集電極開(kāi)路與非門（OC門） 如果把兩個(gè)推拉式輸出結(jié)構(gòu)TTL門電路的輸出端直接相連，

19、將可能破壞正確輸出邏輯，甚至損壞門電路iro1020WVOLYVOHro100WY3.2.3 其它邏輯功能TTL門3-47集電極開(kāi)路與非門（OC門）T2VCCT1T4ABY 為使TTL門能夠?qū)崿F(xiàn)線與，將輸出級(jí)改為集電極開(kāi)路結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱OC門。A&BY&集電極開(kāi)路與非門的邏輯符號(hào)集電極開(kāi)路與非門的邏輯符號(hào)T3D4T3D4T3D43.2.3 其它邏輯功能TTL門3-48集電極開(kāi)路與非門（OC門）的應(yīng)用VCCA&BY&C&D&E&F&RLOC門實(shí)現(xiàn)線與EFCDABEFCDABY除此之外，OC門常常用于驅(qū)動(dòng)高電壓、大電流負(fù)載3.2.3 其它

20、邏輯功能TTL門3-49三態(tài)輸出門(TSL)VCCABT2T1T4T3D4YA&BENY&A&BY&EN 開(kāi)態(tài)、關(guān)態(tài)(工作態(tài))之外的第三態(tài)，稱為高阻態(tài) (也稱禁止態(tài))EN使能控制端DEN11G1G2Y =AB EN1高阻態(tài) EN03.2.3 其它邏輯功能TTL門三態(tài)輸出門(TSL)3.2.3 其它邏輯功能TTL門三態(tài)輸出門(TSL)3-51三態(tài)輸出門(TSL)的應(yīng)用A1&B1EN1&A2B2EN2AnBnENn&D0EN&D111D1/D0總線結(jié)構(gòu)雙向總線結(jié)構(gòu)3.2.3 其它邏輯功能TTL門三態(tài)輸出門(TSL)的應(yīng)用3.2.3 其

21、它邏輯功能TTL門三態(tài)輸出門(TSL)的應(yīng)用3-53三態(tài)輸出門(TSL)的應(yīng)用 為什么這些應(yīng)用中三態(tài)門的輸出端可以連接在一起？ 這些三態(tài)門分別受使能端控制信號(hào)控制，根本不在同一時(shí)間工作!模擬開(kāi)關(guān)&D011END1D0 / D13.2.3 其它邏輯功能TTL門3-543.2.4 其它系列TTL門電路 TTL門電路的改進(jìn)系列：高速系列、肖特基系列、低耗肖特基系列（自學(xué)） 改進(jìn)系列是針對(duì)“提高工作速度” 和 “降低功耗”而出現(xiàn)的。但是，在電路中 “提高工作速度” 和 “降低功耗”往往是矛盾的，所以常用功耗和傳輸延遲時(shí)間的乘積來(lái)綜合評(píng)價(jià)器件的性能，簡(jiǎn)稱功耗延遲積或pd積。 451255035最

22、高工作頻率(MHz)2192210平均功耗(mW/門)9.53610平均延遲時(shí)間(ns/門)CT54LS/74LSCT54S/74SCT54H/74HCT54/74TTL各系列器件主要性能比較3-553.3 發(fā)射極耦合邏輯(ECL)門 與集成注入邏輯(I2L)電路 ECL(Emitter Coupled Logic) 發(fā)射極耦合邏輯門電路，雙極型集成邏輯門，一種非飽和型的高速邏輯門電路I2L(Integrated Injection Logic) 集成注入邏輯電路，雙極型集成邏輯器件，一種低功耗雙極型器件（自（自 學(xué)）學(xué)）3-563.4 MOS邏輯門 以金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(

23、FET)為基礎(chǔ)的數(shù)字集成電路就是 MOS 邏輯門。 MOS 邏輯門是數(shù)字集成電路中另一類最常見(jiàn)的器件。 MOS(Metal Oxide Semiconductor) FET(Field Effect Transistor) 3-573.4.1 MOS晶體管（復(fù)習(xí)） MOS晶體管的類型和電路符號(hào)： N溝道增強(qiáng) 型、耗盡型、P溝道增強(qiáng)型、耗盡型 三個(gè)電極：源極S、漏極D和柵極G 開(kāi)啟電壓：VGS(th)N 、VGS(th)P 夾斷電壓: VGS(off)N 、VGS(off)P 輸出特性 三個(gè)工作區(qū)：截止區(qū)、飽和區(qū)、非飽和區(qū)3-583.4.1 MOS晶體管（復(fù)習(xí)）NNP襯底SiSiO2SDGN溝道

24、增強(qiáng)型MOS管增強(qiáng)型P溝道N溝道耗盡型N溝道P溝道MOS管的基本開(kāi)關(guān)電路3-603.4.2 MOS反相器和門電路反相器是MOS門電路的基本單元，可分為：v電阻負(fù)載MOS反相器，用線性電阻作為負(fù)載v E/E MOS反相器，輸入管和負(fù)載都采用同種溝道增強(qiáng)型MOS晶體管，即增強(qiáng)增強(qiáng)型反相器vE/D MOS反相器，輸入管為增強(qiáng)型MOS晶體管，負(fù)載為同種溝道耗盡型MOS晶體管，即增強(qiáng)耗盡型MOS反相器vCMOS(Complementary MOS) 反相器，輸入管和負(fù)載管為不同種溝道的MOS管，即互補(bǔ)型MOS反相器3-613.4.2 MOS反相器和門電路 在反相器的基礎(chǔ)上可以組合構(gòu)成各種邏輯功能的MOS

25、門電路VDDvOvI電阻負(fù)載型E/E型VDDvIvOTLTOVDDvIvOTLTOE/D型VDDvIvOTOTLCMOS型3-623.5 CMOS門電路 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 以增強(qiáng)型P溝道MOS管和增強(qiáng)型N溝道MOS管串聯(lián)互補(bǔ)(反相器)和并聯(lián)互補(bǔ) (傳輸門)為基本組件構(gòu)成CMOS集成門電路。3-633.5.1 CMOS反相器的工作原理VGS(th)N = VGS(th)P,VDD VGS(th)N + VGS(th)P VDDvOTNTPvIDSGSDG當(dāng)vI = 0時(shí)， VGSN = vI = 0 VGS(th)N T

26、N截止 Roff1091012WVGSP = vI VDD VGS(th)P TP導(dǎo)通 Ron103W vO = VDD VDD 輸出高電平 offonoffRRR3-643.5.1 CMOS反相器的工作原理VDDvOTNTPvIDSGSDG當(dāng)vI = VDD時(shí)， VGSN = vI VGS(th)N TN導(dǎo)通 Ron103WVGSP = vI VDD VGS(th)P TP截止 Roff1091012W vO = VDD 0 輸出低電平 offononRRR根據(jù)分析可見(jiàn)電路具有反相器的功能3-653.5.2 CMOS反相器的主要特性電壓傳輸特性和電流傳輸特性特點(diǎn)：靜態(tài)功耗極低抗干擾能力強(qiáng)電源

27、利用率高輸入阻抗高扇出系數(shù)大vOvI0VGS(th)NvIiDS(VDD+VGS(th)P)Vth0VDDVDD3-663.5.2 CMOS反相器的主要特性輸入特性 在 CMOS 電路的輸入端都加有二極管保護(hù)電路，可以避免MOS管在正或負(fù)尖峰脈沖作用下被擊穿。保護(hù)電路決定了CMOS反相器的輸入特性VDDvOTNTPvI0vIiIVDD1V3-67輸出特性0voiOHVDDvI(VGSN)vI(VGSP)(VDSN ,VDSP)(iDSP)(iDSN )iOL輸出低電平帶灌電流負(fù)載輸出高電平帶拉電流負(fù)載3.5.2 CMOS反相器的主要特性3-68電源特性 在靜態(tài)工作下，CMOS反相器中的TP和T

28、N總有一個(gè)截止，截止時(shí)的漏電流及其微小，因此消耗的電源功耗可以忽略不計(jì)。保護(hù)二極管的反向漏電流卻比MOS管的截止漏電流大許多，而成為靜態(tài)電流的主要部分 CMOS反相器的TP和TN短時(shí)間同時(shí)飽和導(dǎo)通時(shí)動(dòng)態(tài)功耗比靜態(tài)功耗大得多。因此，功耗主要決定于動(dòng)態(tài)功耗，尤其是工作頻率較高時(shí)更為突出。當(dāng)然，動(dòng)態(tài)功耗還包括狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，對(duì)負(fù)載電容充、放電所消耗的功率3.5.2 CMOS反相器的主要特性3-693.5.3 CMOS傳輸門 P溝道和N溝道增強(qiáng)型MOS管并聯(lián)互補(bǔ) 組成CMOS傳輸門VDDTNTPvOvI/vOvICCvOvI/vOvICCTGC=0, C=VDD時(shí)，C=VDD, C=0時(shí)，兩管同時(shí)截止，傳

29、輸門截止可見(jiàn)當(dāng) 0vIVDD 總有一管導(dǎo)通，傳輸門導(dǎo)通0vIVDDVGS(th)N TN管導(dǎo)通 VGS(th)P vIVDD TP管導(dǎo)通 3-703.5.4 CMOS邏輯門VDDTNTPTPTNAT3T4T1T2YBVDDAT3T4T1T2YBCMOS與非門和或非門3-713.5.4 CMOS邏輯門帶緩沖級(jí)的CMOS與非門VDDTNTPTPTNAT3T4T1T2YB設(shè)每管的導(dǎo)通電阻是Ron,與非門的輸出電阻是RO則當(dāng)：A=0，B=0時(shí) RO =Ron3 Ron4 = Ron 2A=0，B=1時(shí) RO =Ron4 = Ron A=1，B=0時(shí) RO =Ron3 = RonA=1，B=1時(shí) RO

30、=Ron1 + Ron2 =2Ron顯然，輸出電阻在不同的輸入下有四倍之差3-72帶緩沖級(jí)的CMOS與非門ABABA+BVDDAYB3.5.4 CMOS邏輯門3-73TPTNVDDAY1TPENCMOS三態(tài)門TPTNTNVDDAY1TPEN3.5.4 CMOS邏輯門3-74CMOS三態(tài)門和CMOS漏極開(kāi)路門VDDAYTGEN1VDDARL&1BVDD3.5.4 CMOS邏輯門3-75CMOS邏輯門主要系列CD4000系列（CD4000,MC14000等）54HC/74HC系列（MC 54HC/74HC）26692654HC/74HC系列38090318CC4000系列最高工作頻率(MH

31、z)邊沿時(shí)間（nS）傳輸延遲（nS）電源電壓（V）系 列CMOS門性能3.5.4 CMOS邏輯門3-76CMOS器件使用注意 1.器件存放、拿取、運(yùn)輸、裝配、調(diào)試時(shí)應(yīng)當(dāng)采取必要的靜電防護(hù)措施，輸入端不允許懸空 2.電路加必要的過(guò)流保護(hù) 3.防止鎖定效應(yīng)(CMOS制作保護(hù)二極管時(shí)形成的寄生三極管，構(gòu)成反饋電路使電流迅速增大到最大值，只能切斷電源才能制止，稱為鎖定效應(yīng)或可控硅效應(yīng))3.5.4 CMOS邏輯門3-77VNHVNL51.51.00.0080.0018+5高速CMOS159.06.50.1800.01512+15VDD=15V53.42.20.2550.00545+5VDD=5VCMOS

32、0.80.130.13530400.754.5CE100K系列0.80.1250.135502525.2CE10K系列ECL137.5725503085+15HTL3.50.50.41527.5+5CT54LS/74LS3.52.21.21501510+5CT54/74TTL輸出邏輯擺幅(V)直流噪聲容限(V)功耗延遲積(pJ)靜態(tài)功耗(mW)傳輸延遲時(shí)間(nS)電源電壓(V) 電 路 類 型各類數(shù)字集成電路主要性能比較END內(nèi)容提要：半導(dǎo)體的基本知識(shí)PN結(jié)的形成及特性半導(dǎo)體二極管復(fù)習(xí)：半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)3-78 PNPN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電

33、流；具有較大的正向擴(kuò)散電流； PNPN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。具有很小的反向漂移電流。 由此可以得出結(jié)論：由此可以得出結(jié)論：PNPN結(jié)具有單結(jié)具有單向?qū)щ娦?。向?qū)щ娦浴?-79半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管3-803-81 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。它有兩種類所示。它有兩種類型型:NPN型和型和PNP型。型。(a) NPN型管結(jié)構(gòu)示意圖型管結(jié)構(gòu)示意圖(b) PNP型管結(jié)構(gòu)示意圖型管結(jié)構(gòu)示意圖(c) NPN管的電路符號(hào)管的電路符號(hào)(d) PNP管的電路符號(hào)管的電路符號(hào)3-82 三極管的放大作用是在一定的外部條件控制下，通過(guò)載三極管的放大作用是在一定的外部條件控制下，通過(guò)載流子傳輸體現(xiàn)出來(lái)的。流子傳輸體現(xiàn)出來(lái)的。外部條件：外部條件：發(fā)射結(jié)正偏發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏集電結(jié)反偏1. 內(nèi)部載流子的傳輸過(guò)程內(nèi)部載流子的傳輸過(guò)程發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子發(fā)射區(qū)：發(fā)射載流子集電區(qū)：收