數(shù)電課件新-第三章

《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》（第五版）教學(xué)課件

劉伯恕福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院電工電子教學(xué)中心第三章門(mén)電路3.1概述門(mén)電路：實(shí)現(xiàn)基本運(yùn)算、復(fù)合運(yùn)算的單元電路，如與門(mén)、與非門(mén)、或門(mén)······門(mén)電路中以高/低電平表示邏輯狀態(tài)的1/0正邏輯：高電平表示1，低電平表示0

負(fù)邏輯：高電平表示0，低電平表示1

高/低電平都有一個(gè)允許的范圍門(mén)電路分類：分立元件門(mén)電路集成門(mén)電路分立元件門(mén)電路介紹二極管與門(mén)、或門(mén)集成門(mén)電路介紹應(yīng)用最為廣泛的CMOS門(mén)電路和TTL門(mén)電路雙極型三極管組成TTL門(mén)電路，功耗大制作中、小規(guī)模集成電路（MSI,SSI）單極型三極管（互補(bǔ)MOS管）組成CMOS門(mén)電路，低功耗大規(guī)模集成電路（LSI）3.2半導(dǎo)體二極管門(mén)電路

半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和外特性

（Diode）二極管的結(jié)構(gòu)：

PN結(jié)+引線+封裝構(gòu)成(P)(N)D二極管的開(kāi)關(guān)等效電路：3.2.1二極管的開(kāi)關(guān)特性：RL較小二極管的開(kāi)關(guān)等效電路：理想二極管3.2.2二極管與門(mén)設(shè)VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二極管導(dǎo)通時(shí)VON=0.7VABY0V0V0V3V3V0V3V3VABY000010100111規(guī)定3V以上為10.7V以下為0（正邏輯）0.7V0.7V0.7V3.7V3.2.3二極管或門(mén)設(shè)加到A,B的VIH=3VVIL=0V二極管導(dǎo)通時(shí)VON=0.7VABY0V0V0V3V3V0V3V3VABY000011101111規(guī)定2.3V以上為10V以下為00V2.3V2.3V2.3V二極管構(gòu)成的門(mén)電路的缺點(diǎn)電平有偏移帶負(fù)載能力差只用于IC內(nèi)部電路，不直接帶負(fù)載3.3CMOS門(mén)電路

3.3.1MOS管的開(kāi)關(guān)特性一、MOS管的結(jié)構(gòu)金屬層氧化物層半導(dǎo)體層S(Source)：源極G(Gate)：柵極D(Drain)：漏極B(Substrate):襯底以N溝道增強(qiáng)型為例：以N溝道增強(qiáng)型為例：當(dāng)加+VDS時(shí)，VGS=0時(shí)，D-S間是兩個(gè)背向PN結(jié)串聯(lián)，iD=0開(kāi)啟電壓加上+VGS，且足夠大至VGS>VGS(th),D-S間形成導(dǎo)電溝道（N型層）對(duì)于N溝道增強(qiáng)型:二、輸入特性和輸出特性輸入特性：直流電流為0，沒(méi)有輸入特性?？催M(jìn)去有一個(gè)輸入電容CI，對(duì)動(dòng)態(tài)有影響。輸出特性：

iD=f(VDS)對(duì)應(yīng)不同的VGS下得一族曲線。漏極特性曲線（分三個(gè)區(qū)域）截止區(qū)恒流區(qū)可變電阻區(qū)漏極特性曲線（分三個(gè)區(qū)域）截止區(qū)：VGS<VGS(th)，iD=0,ROFF>109Ω漏極特性曲線（分三個(gè)區(qū)域）

可變電阻區(qū)：當(dāng)VDS較低（近似為0），VGS一定時(shí)，這個(gè)電阻受VGS控制、可變。截止區(qū)和可變電阻區(qū)可作開(kāi)關(guān)狀態(tài)用，這和三極管截止飽和是一樣的。漏極特性曲線（分三個(gè)區(qū)域）恒流區(qū)：iD

基本上由VGS決定，與VDS關(guān)系不大三、MOS管的基本開(kāi)關(guān)電路四、等效電路OFF，截止?fàn)顟B(tài)

ON，導(dǎo)通狀態(tài)五、MOS管的四種類型1、N溝道增強(qiáng)型導(dǎo)電溝道是N型，所以襯底是P型。2、N溝道耗盡型五、MOS管的四種類型導(dǎo)電溝道是N型。3、P溝道增強(qiáng)型五、MOS管的四種類型4、P溝道耗盡型五、MOS管的四種類型3.3.2CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理一、電路結(jié)構(gòu)DDSSDDSS反相器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利用NMOS與PMOS導(dǎo)電的互補(bǔ)性，叫互補(bǔ)對(duì)稱式MOS電路，稱CMOS電路。CMOS電路優(yōu)點(diǎn)：靜態(tài)時(shí)，流過(guò)T1T2的靜態(tài)電流很小，始終有一個(gè)截止功耗為0；輸出的高電平基本上是VDD，電源利用率高。二、電壓、電流傳輸特性DDSS二、電壓、電流傳輸特性DDSS二、電壓、電流傳輸特性DDSS二、電壓、電流傳輸特性連起來(lái)：DDSS電壓傳輸特性三、輸入噪聲容限結(jié)論：可以通過(guò)提高VDD來(lái)提高噪聲容限電流傳輸特性DDSS3.3.3CMOS反相器的靜態(tài)輸入和輸出特性一、輸入特性二、輸出特性二、輸出特性3.3.4CMOS反相器的動(dòng)態(tài)特性一、傳輸延遲時(shí)間---輸出電壓變化落后于輸入電壓變化的時(shí)間稱之。3.3.4CMOS反相器的動(dòng)態(tài)特性一、傳輸延遲時(shí)間負(fù)載電容CL：當(dāng)負(fù)載為下一級(jí)反相器時(shí)，下一級(jí)反相器的輸入電容和接線電容就構(gòu)成了這一級(jí)的負(fù)載電容。低高通截低高通截二、交流噪聲容限（自學(xué)）三、動(dòng)態(tài)功耗三、動(dòng)態(tài)功耗

3.3.5其他類型的CMOS門(mén)電路一、其他邏輯功能的門(mén)電路1.與非門(mén)兩個(gè)PMOS并聯(lián)，兩個(gè)NMOS串聯(lián)2.或非門(mén)一、其他邏輯功能的門(mén)電路二、漏極開(kāi)路的門(mén)電路（OD門(mén)）

菱形表示OD門(mén)(a)結(jié)構(gòu)符號(hào)虛框內(nèi)菱形表示OD門(mén)三、CMOS傳輸門(mén)及雙向模擬開(kāi)關(guān)1.傳輸門(mén)并聯(lián)，工作狀態(tài)受C、C控制。TP的B接高電平TN的B接低電平假如uo加電阻接地TPTNSDDS2.雙向模擬開(kāi)關(guān)四、三態(tài)輸出門(mén)三角形表示三態(tài)門(mén)三態(tài)門(mén)的用途3.5TTL門(mén)電路

3.5.1半導(dǎo)體三極管的開(kāi)關(guān)特性一、雙極型三極管的結(jié)構(gòu)管芯+三個(gè)引出電極+外殼二、三極管的輸入特性和輸出特性

三極管的輸入特性曲線（NPN）與二極管正向特性相似。

特性曲線分三個(gè)部分放大區(qū)：特點(diǎn)VBE=0.7V,VCE>0.7V,IB>0,IC=βIB。飽和區(qū)：特點(diǎn)VBE=0.7V,IB>0。IB增加，IC不再增加，VCE0。截止區(qū)：特點(diǎn)VBE0V,IB=0,IC=0,c—e間“斷開(kāi)”。三極管的輸出特性三、雙極型三極管的基本開(kāi)關(guān)電路只要參數(shù)合理：VI=VIL時(shí)，T截止，VO=VOHVI=VIH時(shí)，T導(dǎo)通，VO=VOL四、三極管的開(kāi)關(guān)等效電路截止?fàn)顟B(tài)飽和導(dǎo)通狀態(tài)CE之間是斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)CE之間近似是閉合的開(kāi)關(guān)六、三極管反相器三極管的基本開(kāi)關(guān)電路就是反相器 實(shí)際應(yīng)用中，為保證 VI=VIL時(shí)T可靠截止，常在 輸入接入負(fù)壓。

參數(shù)合理？VI=VIL時(shí)，T截止，VO=VOHVI=VIH時(shí)，T飽和，VO=VOL五、動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性（自學(xué)）例3.5.1：計(jì)算參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理5V-8V3.3KΩ10KΩ1KΩβ=20VCE(sat)=0.1VVIH=5VVIL=0V例3.5.1：計(jì)算參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理將基極外接電路化為等效的VB與RB電路當(dāng)當(dāng)又因此，參數(shù)設(shè)計(jì)合理3.5.2TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理一、電路結(jié)構(gòu)設(shè)

二、電壓傳輸特性二、電壓傳輸特性二、電壓傳輸特性需要說(shuō)明的幾個(gè)問(wèn)題：

三、輸入噪聲容限3.5.3TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性

例：扇出系數(shù)（Fan-out），試計(jì)算門(mén)G1能驅(qū)動(dòng)多少個(gè)同樣的門(mén)電路負(fù)載。輸入輸出3.5.4TTL反相器的動(dòng)態(tài)特性一、傳輸延遲時(shí)間1、現(xiàn)象二、交流噪聲容限（自學(xué)）三、電源的動(dòng)態(tài)尖峰電流（自學(xué)）3.5.5其他類型的TTL門(mén)電路一、其他邏輯功能的門(mén)電路1.與非門(mén)2.或非門(mén)二、集電極開(kāi)路的門(mén)電路1、推拉式輸出電路結(jié)構(gòu)的局限性①