《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》第六版-門電路-1117省公開課一等獎(jiǎng)全國(guó)示范課微課金獎(jiǎng)?wù)n件

第三章門電路《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》

（第六版）

1/104概述半導(dǎo)體二極管電路

CMOS門電路

TTL門電路第3章門電路2/104補(bǔ)：半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)3/104本征半導(dǎo)體：純凈含有晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體。慣用：硅Si，鍺Ge兩種載流子半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（1）4/104雜質(zhì)半導(dǎo)體（摻雜少許磷或銻）

→N型半導(dǎo)體多子：自由電子N型半導(dǎo)體：摻入少許雜質(zhì)磷或銻元素，磷原子外層五個(gè)外層電子其中四個(gè)與周圍半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，多出一個(gè)電子幾乎不受束縛，較為輕易地成為自由電子。N型半導(dǎo)體電子濃度較高，其導(dǎo)電性主要是因?yàn)樽杂呻娮訉?dǎo)電。半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（2）5/104雜質(zhì)半導(dǎo)體（摻雜少許硼或銦）

→P型半導(dǎo)體多子：空穴P型半導(dǎo)體：摻入少許雜質(zhì)硼或銦元素，硼原子外三個(gè)電子與周圍半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“空穴”，這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來“填充”，使得硼原子成為帶負(fù)電離子。含有較高濃度“空穴”（正電荷），成為能夠?qū)щ娢镔|(zhì)。半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（2）6/104PN結(jié)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)（3）7/104PN結(jié)單向?qū)щ娦酝饧诱螂妷喊雽?dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（4）8/104PN結(jié)單向?qū)щ娦酝饧臃聪螂妷喊雽?dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（4）9/104PN結(jié)伏安特征正向?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:電子電荷半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（5）10/104門電路：實(shí)現(xiàn)基本運(yùn)算和復(fù)合邏輯運(yùn)算單元電路，如與門、與非門、或門……門電路中以高/低電平表示邏輯狀態(tài)1/03.1概述11/104電路：傳遞和處理信息3.1概述數(shù)字信息：0和1傳遞方式：串行傳輸（以時(shí)間為代價(jià)）

并行傳輸（以空間為代價(jià)）傳輸0與1，而開關(guān)電路是最簡(jiǎn)單方式，

用高低電平來傳輸0與1信息12/104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

3.1概述高低電平與01對(duì)應(yīng)13/104合格元器件：

輸入端：允許接收低質(zhì)量0和1

輸出端：輸出高質(zhì)量0和1

3.1概述數(shù)字元器件輸入輸出規(guī)則元器件雷鋒協(xié)議傳輸損耗無效區(qū)無效區(qū)14/104取得高、低電平基本原理高/低電平都允許有一定改變范圍3.1概述單開關(guān)電路開關(guān)電路缺點(diǎn)：1、不方便加控制信號(hào)2、R電阻不好控制輸出1希望R很小，輸出0時(shí)希望R很大15/104用元器件取代開關(guān)3.1概述二極管三極管MOS管16/104二極管(Diode)結(jié)構(gòu)：

PN結(jié)+引線+封裝組成PN3.2半導(dǎo)體二極管門電路17/104VI=VIH

D截止，VO=VOH=VCCVI=VIL

D導(dǎo)通，VO=VOL=0.7V3.2.1二極管開關(guān)特征高電平：VIH=VCC低電平：VIL=018/104二極管開關(guān)等效電路：3.2.1二極管開關(guān)特征a)、當(dāng)電源等效電阻和等效電阻RL都很小時(shí)，二極管正向?qū)▔航岛驼螂娮瓒疾荒芎雎詁)、當(dāng)二極管正向?qū)▔航岛秃屯饧与娫措妷合啾炔荒芎雎裕饨与娮柘鄬?duì)就二極管電阻來說能夠忽略c)、當(dāng)二極管正向?qū)▔航岛驼螂娮枧c外接電阻相比均可忽略，視二極管為管理開關(guān)。19/104二極管動(dòng)態(tài)電流波形：3.2.1二極管開關(guān)特征外加電壓反向→正向：要等PN結(jié)內(nèi)部建立起足夠電荷梯度才開始有擴(kuò)散電流，所以正向電流建立要稍微滯后一點(diǎn)。外加電壓由正向→反向：PN結(jié)還有一定數(shù)量電荷，所以有較大瞬態(tài)反向電流流過。20/104設(shè)VCC=5V加到A,B

VIH=3VVIL=0V二極管導(dǎo)通時(shí)VDF=0.7VABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY000010100111要求3V以上為10.7V以下為03.2.2二極管與門21/104設(shè)VCC=5V加到A,B

VIH=3VVIL=0V二極管導(dǎo)通時(shí)VDF=0.7VABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABY000011101111要求2.3V以上為10V以下為03.2.2二極管或門22/104二極管組成門電路缺點(diǎn)電平有偏移帶負(fù)載能力差只用于IC內(nèi)部電路3.2.2二極管或門23/104集成門電路集成門電路雙極型TTL(Transistor-TransistorLogicIntegratedCircuit)ECLNMOSCMOSPMOSMOS型（Metal-Oxide-Semiconductor，MOS）TTL—晶體管-晶體管邏輯集成電路MOS—金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管集成電路24/1043.3CMOS門電路3.3.1

MOS管開關(guān)特征25/1043.3.1

MOS管開關(guān)特征MOS管結(jié)構(gòu)S(Source)：源極G(Gate)：柵極D(Drain)：漏極B(Substrate):襯底

在CMOS集成電路中，以金屬－氧化物－半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOS管)作為開關(guān)器件。制作過程：1、切一塊半導(dǎo)體P2、挖兩口井，放N3、蓋止絕緣層，腐蝕出兩口井4、貼上金屬層，腐蝕出sgd三極金屬層氧化物層半導(dǎo)體層PN結(jié)26/1043.3CMOS門電路3.3.1

MOS管開關(guān)特征S(Source)：源極G(Gate)：柵極D(Drain)：漏極B(Substrate):襯底MOS管符號(hào)：27/104增強(qiáng)型耗盡型大量正離子導(dǎo)電溝道MOS管四種類型3.3.1

MOS管開關(guān)特征28/104以N溝道增強(qiáng)型為例研究通電情況：3.3.1

MOS管開關(guān)特征PMOS管：源極S與襯底B接在一起29/104以N溝道增強(qiáng)型為例研究通電情況：3.3.1

MOS管開關(guān)特征1、添加橫向電壓VDSSDB不論D、S間有沒有電壓，均無法導(dǎo)通，不能導(dǎo)電30/104以N溝道增強(qiáng)型為例研究通電情況：3.3.1

MOS管開關(guān)特征2、添加垂直電壓VGS形成電場(chǎng)G—B,把襯底中電子吸引到上表面，除復(fù)合外，剩下電子在上表面形成了N型層（反型層）為D、S間導(dǎo)通提供了通道。31/104以N溝道增強(qiáng)型為例研究通電情況：3.3.1

MOS管開關(guān)特征1、添加橫向電壓VDS2、添加垂直電壓VGS32/104以N溝道增強(qiáng)型為例研究通電情況：3.3.1

MOS管開關(guān)特征1、添加橫向電壓VDS2、添加垂直電壓VGSVGS(th)稱為閾值電壓(開啟電壓）33/104MOS管輸入特征和輸出特征輸入特征：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。輸出特征：

iD=f(VDS)對(duì)應(yīng)不一樣VGS下得一族曲線。3.3.1

MOS管開關(guān)特征34/104截止區(qū)恒流區(qū)可變電阻區(qū)輸出特征曲線（分三個(gè)區(qū)域）3.3.1

MOS管開關(guān)特征35/104截止區(qū)：VGS<VGS(th)，iD=0,ROFF>109Ω3.3.1

MOS管開關(guān)特征輸出特征曲線（分三個(gè)區(qū)域）36/104恒流區(qū)（飽和或放大區(qū)）：iD

基本上由VGS決定，與VDS關(guān)系不大3.3.1

MOS管開關(guān)特征輸出特征曲線（分三個(gè)區(qū)域）條件:(1)源端溝道未夾斷

(2)漏端溝道予夾斷37/104

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。3.3.1

MOS管開關(guān)特征輸出特征曲線（分三個(gè)區(qū)域）38/104MOS管基本開關(guān)電路3.3.1

MOS管開關(guān)特征39/104OFF，截止?fàn)顟B(tài)

ON，導(dǎo)通狀態(tài)開關(guān)特征等效電路3.3.1

MOS管開關(guān)特征40/104CMOS管3.3.2

CMOS反相器電路結(jié)構(gòu)和工作原理

當(dāng)NMOS管和PMOS管成對(duì)出現(xiàn)在電路中，且二者在工作中互補(bǔ)，稱為CMOS管(意為互補(bǔ))。PMOS管NMOS管CMOS管41/104一、CMOS反向器電路結(jié)構(gòu)3.3.2

CMOS反相器電路結(jié)構(gòu)和工作原理上管為P管，輸入0有效下管為N管，輸入1有效42/104一、CMOS反向器電路結(jié)構(gòu)3.3.2

CMOS反相器電路結(jié)構(gòu)和工作原理截止Vo=1導(dǎo)通VI=043/104一、CMOS反向器電路結(jié)構(gòu)3.3.2

CMOS反相器電路結(jié)構(gòu)和工作原理導(dǎo)通Vo=0截止VI=144/104二、電壓、電流傳輸特征CMOS反相器在使用時(shí)應(yīng)盡可能防止長(zhǎng)久工作在BC段。3.3.2

CMOS反相器電路結(jié)構(gòu)和工作原理45/104三、輸入噪聲容限3.3.2

CMOS反相器電路結(jié)構(gòu)和工作原理在確保輸出高、低電平基本不變條件下,輸入電平允許波動(dòng)范圍稱為輸入端噪聲容限。

當(dāng)Vi偏離Vm和Vn一定范圍時(shí)，Vo基本不變46/104三、輸入噪聲容限3.3.2

CMOS反相器電路結(jié)構(gòu)和工作原理噪聲容限－－衡量門電路抗干擾能力。噪聲容限越大，表明電路抗干擾能力越強(qiáng)。

測(cè)試表明：CMOS電路噪聲容限VNH=VNL＝30％VDD，且隨VDD增加而加大。所以能夠經(jīng)過提升VDD來提升噪聲容限47/104一、輸入特征3.3.3

CMOS反相器靜態(tài)輸入和輸出特征

因?yàn)镸OS管柵極和襯底之間存在著以SiO2為介質(zhì)輸入電容，而絕緣介質(zhì)非常薄，極易被擊穿，所以應(yīng)采取保護(hù)辦法。48/104二、輸出特征3.3.3

CMOS反相器靜態(tài)輸入和輸出特征49/104二、輸出特征3.3.3

CMOS反相器靜態(tài)輸入和輸出特征50/104一、傳輸時(shí)間延遲3.3.4

CMOS反相器動(dòng)態(tài)特征51/104二、交流噪聲容限3.3.4

CMOS反相器動(dòng)態(tài)特征

噪聲電壓作用時(shí)間越短、電源電壓越高，交流噪聲容限越大。52/104三、動(dòng)態(tài)功耗3.3.4

CMOS反相器動(dòng)態(tài)特征

反相器從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)突然變到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)過程中，將產(chǎn)生附加功耗，即為動(dòng)態(tài)功耗。53/104三、動(dòng)態(tài)功耗3.3.4

CMOS反相器動(dòng)態(tài)特征

動(dòng)態(tài)功耗包含：負(fù)載電容充放電所消耗功率PC和PMOS、NMOS同時(shí)導(dǎo)通所消耗瞬時(shí)導(dǎo)通功耗PT。54/1041.與非門一、其它邏輯功效門電路3.3.5其它類型CMOS門電路vA=1vB=1導(dǎo)通斷開vO=0上面為P管，P管組合下面為N管，N管組合55/104一、其它邏輯功效門電路3.3.5其它類型CMOS門電路任一輸入端為高，設(shè)vA=1vA=1導(dǎo)通斷開vO=02.或非門56/104一、其它邏輯功效門電路3.3.5其它類型CMOS門電路2.或非門輸入端全為低vA=0vB=0斷開導(dǎo)通vO=157/104與非門__帶緩沖極CMOS門3.3.5其它類型CMOS門電路58/104處理方法:與非門__帶緩沖極CMOS門3.3.5其它類型CMOS門電路59/104或非門__帶緩沖極CMOS門3.3.5其它類型CMOS門電路

帶緩沖級(jí)門電路其輸出電阻、輸出高、低電平以及電壓傳輸特征將不受輸入端狀態(tài)影響。電壓傳輸特征轉(zhuǎn)折區(qū)也變得更陡。60/104二、漏極開路門電路（OD門）3.3.5其它類型CMOS門電路為何需要OD門？普通與非門輸出不能直接連在一起實(shí)現(xiàn)“線與”！ABYCD需將一個(gè)MOS管漏極開路組成OD門。10產(chǎn)生一個(gè)很大電流61/104二、漏極開路門電路（OD門）3.3.5其它類型CMOS門電路OD門輸出端可直接連接實(shí)現(xiàn)線與。需加一上拉電阻62/104二、漏極開路門電路（OD門）3.3.5其它類型CMOS門電路63/104三、CMOS傳輸門3.3.5其它類型CMOS門電路64/104三、CMOS傳輸門3.3.5其它類型CMOS門電路65/1042.作為雙向模擬開關(guān)三、CMOS傳輸門3.3.5其它類型CMOS門電路1.組成復(fù)雜邏輯電路異或門、數(shù)據(jù)選擇器、存放器、計(jì)數(shù)器等66/104四、三態(tài)輸出門3.3.5其它類型CMOS門電路三態(tài)門有三種狀態(tài):高電平、低電平、高阻態(tài)。67/104三態(tài)門用途四、三態(tài)輸出門3.3.5其它類型CMOS門電路68/104CMOS門電路優(yōu)點(diǎn)1.靜態(tài)功耗小。2.允許電源電壓范圍寬(3

18V）。3.扇出系數(shù)大，噪聲容限大。CMOS門電路優(yōu)點(diǎn)69/104CMOS門電路正確使用

1．輸入電路靜電保護(hù)

CMOS電路輸入端設(shè)置了保護(hù)電路，給使用者帶來很大方便。不過，這種保護(hù)還是有限。因?yàn)镃MOS電路輸入阻抗高，極易產(chǎn)生感應(yīng)較高靜電電壓，從而擊穿MOS管柵極極薄絕緣層，造成器件永久損壞。為防止靜電損壞，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）全部與CMOS電路直接接觸工具、儀表等必須可靠接地。（2）存放和運(yùn)輸CMOS電路，最好采取金屬屏蔽層做包裝材料。2．多出輸入端不能懸空。

輸入端懸空極易產(chǎn)生感應(yīng)較高靜電電壓，造成器件永久損壞。對(duì)多出輸入端，能夠按功效要求接電源或接地，或者與其它輸入端并聯(lián)使用。3．輸入電路需過流保護(hù)70/104雙極型三極管（BJT,BipolarJunctionTransistor）3.4

TTL門電路3.4.1雙極型三極管開關(guān)特征管芯+三個(gè)引出電極+外殼71/104基區(qū)薄低摻雜發(fā)射區(qū)高摻雜集電區(qū)低摻雜3.4.1雙極型三極管開關(guān)特征一、雙極型三極管結(jié)構(gòu)72/104以NPN為例說明工作原理：當(dāng)VCC

>>VBBbe結(jié)正偏,bc結(jié)反偏e區(qū)發(fā)射大量電子b區(qū)薄，只有少許空穴bc反偏，大量電子形成IC3.4.1雙極型三極管開關(guān)特征一、雙極型三極管結(jié)構(gòu)73/104VON

：開啟電壓硅管，0.5~0.7V鍺管，0.2~0.3V近似認(rèn)為:VBE<VONiB=0VBE≥VONiB

大小由外電路電壓，電阻決定

3.4.1三極管輸入輸出特征二、三極管輸入特征74/104特征曲線分三個(gè)部分放大區(qū)：條件VCE>0.7V,iB>0,iC隨iB成正比改變，ΔiC=βΔiB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”3.4.1三極管輸入輸出特征二、三極管輸出特征75/104只要參數(shù)合理：VI=VIL時(shí)，T截止，VO=VOHVI=VIH時(shí)，T導(dǎo)通，VO=VOL3.4.1三極管輸入輸出特征三、三極管基本開關(guān)電路76/104工作狀態(tài)分析：3.4.1三極管輸入輸出特征三、三極管基本開關(guān)電路77/104圖解分析法：3.4.1三極管輸入輸出特征三、三極管基本開關(guān)電路78/104截止?fàn)顟B(tài)飽和導(dǎo)通狀態(tài)3.4.1三極管輸入輸出特征四、三極管開關(guān)等效電路當(dāng)電源電壓>>VCE外接R>>RCE79/104從二極管已知，PN結(jié)存在電容效應(yīng)。在飽和與截止兩個(gè)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，iC改變將滯后于VI，則VO改變也滯后于VI。3.4.1三極管輸入輸出特征五、動(dòng)態(tài)開關(guān)特征80/104三極管基本開關(guān)電路就是非門參數(shù)合理？VI=VIL時(shí)，T截止VO=VOHVI=VIH時(shí)，T截止VO=VOL3.4.1三極管輸入輸出特征六、三極管反相器實(shí)際應(yīng)用中，為確保VI=VIL時(shí)T可靠截止，常在輸入接入負(fù)壓。

81/1043.4.2TTL反相器電路結(jié)構(gòu)和工作原理一、電路結(jié)構(gòu)82/1043.4.2TTL反相器電路結(jié)構(gòu)和工作原理二、電壓傳輸特征83/1043.4.2TTL反相器電路結(jié)構(gòu)和工作原理二、電壓傳輸特征84/1043.4.2TTL反相器電路結(jié)構(gòu)和工作原理二、電壓傳輸特征85/1043.4.2TTL反相器電路結(jié)構(gòu)和工作原理二、電壓傳輸特征86/1043.4.2TTL反相器電路結(jié)構(gòu)和工作原理二、電壓傳輸特征輸入為高電平（3.4V）時(shí)電位被鉗位在2.1V全導(dǎo)通vB1=VIH+VON=4.1V發(fā)射結(jié)反偏

1V截止T2、T5飽和導(dǎo)通87/104需要說明幾個(gè)問題：

3.4.2TTL反相器電路結(jié)構(gòu)和工作原理二、電壓傳輸特征88/1043.4.2TTL反相器電路結(jié)構(gòu)和工作原理三、輸入噪聲容限輸入低電平時(shí)噪聲容限：輸入高電平時(shí)噪聲容限：89/1043.4.3TTL反相器靜態(tài)輸入特征和輸出特征輸入輸入短路電流IIS(IIL)高電平輸入電流IIH90/1043.4.3TTL反相器靜態(tài)輸入特征和輸出特征輸出91/1041、現(xiàn)象3.4.4TTL反相器動(dòng)態(tài)特征一、傳輸延遲時(shí)間92/104當(dāng)輸入信號(hào)為窄脈沖，且靠近于tpd時(shí)，輸出改變跟不上，改變很小，所以交流噪聲容限遠(yuǎn)大于直流噪聲容限。（b）負(fù)脈沖噪聲容限（a）正脈沖噪聲容限3.4.4TTL反相器動(dòng)態(tài)特征二、交流噪聲容限93/1043.4.4TTL反相器動(dòng)態(tài)特