數(shù)字電路邏輯第三章

補(bǔ)：半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)

本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體異形半導(dǎo)體接觸現(xiàn)象PN結(jié)的單向?qū)щ娦园雽?dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（1）本征半導(dǎo)體：純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。常用：硅Si，鍺Ge，都是四價(jià)元素，原子最外層軌道上有四個(gè)價(jià)電子，制成晶體時(shí)依靠共價(jià)鍵而緊密聯(lián)系。兩種載流子半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（2）N型半導(dǎo)體

摻入5價(jià)元素，有5個(gè)價(jià)電子，形成共價(jià)鍵后多余1個(gè)自由電子，空穴濃度遠(yuǎn)小于自由電子的濃度。多數(shù)載流子：自由電子少數(shù)載流子：空穴雜質(zhì)半導(dǎo)體：向晶體中有控制地?fù)饺胩囟ǖ碾s質(zhì)來(lái)改變它的導(dǎo)電性。半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（2）P型半導(dǎo)體摻入3價(jià)元素，有3個(gè)價(jià)電子，形成共價(jià)鍵后多余1個(gè)空穴，空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子的濃度。多數(shù)載流子：空穴少數(shù)載流子：自由電子半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（3）PN結(jié)的形成空間電荷區(qū)（耗盡層）擴(kuò)散和漂移半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（4）PN結(jié)的單向?qū)щ娦酝饧诱螂妷簲U(kuò)散作用大于漂移作用，形成正向電流，PN結(jié)導(dǎo)通，呈現(xiàn)正向電阻。半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（4）PN結(jié)的單向?qū)щ娦酝饧臃聪螂妷浩谱饔么笥跀U(kuò)散作用，形成反向電流，PN結(jié)截止，呈現(xiàn)反向電阻。半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（5）PN結(jié)的伏安特性正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)K:波耳茲曼常數(shù)T:熱力學(xué)溫度q:電子電荷第三章門(mén)電路二極管和三極管的開(kāi)關(guān)特性

CMOS門(mén)電路和TTL門(mén)電路----內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理----邏輯功能：輸出與輸入間的邏輯關(guān)系----電氣特性：電壓傳輸特性、輸入特性、輸出特性、動(dòng)態(tài)特性等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獲得高、低電平的基本原理單開(kāi)關(guān)電路：功耗大互補(bǔ)開(kāi)關(guān)電路：將電阻R用另外一個(gè)開(kāi)關(guān)代替。功耗極小，應(yīng)用廣泛。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/低電平都允許有一定的變化范圍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PN3.2.1二極管的開(kāi)關(guān)特性：高電平：VIH=VCC低電平：VIL=0VI=VIH

D截止，VO=VOH=VCCVI=VIL

D導(dǎo)通，VO=VOL=0.7V理想開(kāi)關(guān)：正向?qū)娮铻?，反向截止內(nèi)阻為無(wú)窮大。二極管的開(kāi)關(guān)等效電路：二極管的動(dòng)態(tài)電流波形：反向恢復(fù)時(shí)間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)VDF=0.7VABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY000010100111規(guī)定3V以上為10.7V以下為03.2.3二極管或門(mén)設(shè)VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二極管導(dǎo)通時(shí)VDF=0.7VABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABY000011101111規(guī)定2.3V以上為10V以下為0二極管構(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)S(Source)：源極G(Gate)：柵極D(Drain)：漏極B(Substrate):襯底金屬層氧化物層半導(dǎo)體層PN結(jié)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加上+VGS，且足夠大至VGS>VGS(th),D-S間形成導(dǎo)電溝道（N型層）開(kāi)啟電壓二、輸入特性和輸出特性輸入特性：直流電流為0，看進(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)可變電阻區(qū)恒流區(qū)截止區(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）恒流區(qū)：iD基本上由VGS決定，與VDS關(guān)系不大漏極特性曲線（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。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)柵極輸入電容五、MOS管的四種類(lèi)型增強(qiáng)型耗盡型大量正離子導(dǎo)電溝道工作在負(fù)電壓下夾斷電壓3.3.2CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理CMOS反相器和CMOS傳輸門(mén)是構(gòu)成復(fù)雜CMOS邏輯電路的兩種基本模塊。一、電路結(jié)構(gòu)P溝道增強(qiáng)型MOS管N溝道增強(qiáng)型MOS管1、輸入為低電平，T1導(dǎo)通，T2截止，輸出高電平。2、輸入為高電平，T1截止，T2導(dǎo)通，輸出低電平?！C上，輸出與輸入之間為邏輯非的關(guān)系。非門(mén)也稱(chēng)為反相器。二、電壓、電流傳輸特性閾值電壓VTH電流傳輸特性：也分為3個(gè)工作區(qū)，AB段、CD段、BC段。三、輸入端噪聲容限空載情況：負(fù)載電流=00.1V結(jié)論：可以通過(guò)提高VDD來(lái)提高噪聲容限3.3.3CMOS反相器的靜態(tài)輸入和輸出特性一、輸入特性74HC系列4000系列二、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)間二、交流噪聲容限三、動(dòng)態(tài)功耗三、動(dòng)態(tài)功耗

瞬時(shí)導(dǎo)通功耗：功耗電容3.3.5其他類(lèi)型的CMOS門(mén)電路一、其他邏輯功能的門(mén)電路常用的有：或非門(mén)，與非門(mén)，或門(mén)，與門(mén)，與或非門(mén)，異或門(mén)等。1.與非門(mén)2.或非門(mén)帶緩沖極的CMOS門(mén)1、與非門(mén)帶緩沖極的CMOS門(mén)2.解決方法二、漏極開(kāi)路的門(mén)電路（OD門(mén)）

當(dāng)RON<<RL<<ROFF時(shí)，若TN截止，則輸出高電平；若TN導(dǎo)通，則輸出低電平。Y=Y1、Y2=(AB)’(CD)’=(AB+CD)’三、CMOS傳輸門(mén)及雙向模擬開(kāi)關(guān)1.傳輸門(mén)2.雙向模擬開(kāi)關(guān)用來(lái)傳輸連續(xù)變化的模擬電壓信號(hào)。這一點(diǎn)無(wú)法用一般的邏輯門(mén)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)C=0時(shí)，開(kāi)關(guān)截止，輸出與輸入間無(wú)法聯(lián)系，輸出為0。當(dāng)C=1時(shí)，開(kāi)關(guān)接通，能進(jìn)行電壓傳輸。四、三態(tài)輸出門(mén)低電平有效：當(dāng)EN’為低電平時(shí)，電路處于正常工作狀態(tài)。三態(tài)門(mén)的用途分時(shí)傳遞信號(hào)數(shù)據(jù)雙向傳輸由于在工作時(shí)有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電過(guò)程，故稱(chēng)這類(lèi)三極管為雙極型三極管。 （BJT,BipolarJunctionTransistor）一、雙極型三極管的結(jié)構(gòu)二、雙極型三極管的輸入特性和輸出特性三、雙極型三極管的基本開(kāi)關(guān)電路四、雙極型三極管的開(kāi)關(guān)等效電路五、雙極型三極管的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性六、三極管反相器3.5TTL門(mén)電路

3.5.1雙極型三極管的開(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+外殼基區(qū)薄低摻雜發(fā)射區(qū)高摻雜集電區(qū)低摻雜二、三極管的輸入特性和輸出特性

三極管的輸入特性曲線（以NPN為例）VON：開(kāi)啟電壓硅管，0.5~0.7V鍺管，0.2~0.3V近似認(rèn)為:VBE<VONiB=0VBE≥VONiB的大小由外電路電壓，電阻決定

三極管的輸出特性固定一個(gè)IB值，即得一條曲線，在VCE>0.7V以后，基本為水平直線特性曲線分三個(gè)部分放大區(qū)：條件VCE>0.7V,iB>0,iC隨iB成正比變化，ΔiC

=β

ΔiB。飽和區(qū)：條件VCE<0.7V,iB>0,VCE很低，ΔiC

隨ΔiB增加變緩，趨于“飽和”。截止區(qū)：條件VBE=0V,iB=0,iC=0,c—e間“斷開(kāi)”。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工作狀態(tài)分析：飽和導(dǎo)通壓降圖解分析法：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)飽和導(dǎo)通壓降飽和導(dǎo)通內(nèi)阻五、動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性從二極管已知，PN結(jié)存在電容效應(yīng)。在飽和導(dǎo)通與截止兩個(gè)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，iC的變化將滯后于VI，則VO的變化也滯后于VI。六、三極管反相器三極管的基本開(kāi)關(guān)電路就是非門(mén) 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導(dǎo)通，VO=VOL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)是否合理將發(fā)射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)

推拉式電路需要說(shuō)明的幾個(gè)問(wèn)題：

二、電壓傳輸特性截止區(qū)線性區(qū)轉(zhuǎn)折區(qū)飽和區(qū)二、電壓傳輸特性二、電壓傳輸特性三、輸入噪聲容限一、輸入特性3.5.3TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性

輸入低電平電流為：-1mA輸入高電平電流為：<40μA輸入短路電流IIS二、輸出特性高電平輸出特性低電平輸出特性例：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。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（b）負(fù)脈沖噪聲容限（a）正脈沖噪聲容限當(dāng)輸入信號(hào)為窄脈沖，且接近于tpd時(shí)，輸出變化跟不上，變化很小，因此交流噪聲容限遠(yuǎn)大于直流噪聲容限。三、電源的動(dòng)態(tài)尖峰電流2、動(dòng)態(tài)尖峰電流形成原因：T5導(dǎo)通時(shí)工作在深度飽和狀態(tài)，未截止時(shí)T4已先導(dǎo)通，出現(xiàn)T5、T4同時(shí)導(dǎo)通的狀態(tài)。34.7mA3.5.5其他類(lèi)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)3.與或非門(mén)4.異或門(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輸出電平不可調(diào)②負(fù)載能力不強(qiáng)，尤其是高電平輸出③輸出端不能并聯(lián)使用

OC門(mén)2、OC門(mén)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)OC門(mén)實(shí)現(xiàn)的線與3、外接負(fù)載電阻RL的計(jì)算3、外接負(fù)載電阻RL的計(jì)算3、外接負(fù)載電阻RL的計(jì)算三、三態(tài)輸出門(mén)（ThreestateOutputGate,TS）三態(tài)門(mén)的用途一、高速系列74H/54H（High-SpeedTTL）電路的改進(jìn)(1)輸出級(jí)采用復(fù)合管（減小輸出電阻Ro）(2)減少各電阻值2.性能特點(diǎn)速度提高的同時(shí)功耗也增加2.4.5TTL電路的改進(jìn)系列

（改進(jìn)指標(biāo)：)二、肖特基系列74S/54S（SchottkyTTL）電路改進(jìn)采用抗飽和三極管用有源