數字電子技術第六版 閻石 第三章 學習資料

《數字電子技術基礎》（第六版）教學課件

清華大學

電子學教學組

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自動化系郵政編碼：100084電子信箱：wang_hong@補：半導體基礎知識半導體基礎知識（1）本征半導體：純凈的具有晶體結構的半導體。常用：硅Si，鍺Ge兩種載流子半導體基礎知識（2）雜質半導體N型半導體多子：自由電子少子：空穴半導體基礎知識（2）雜質半導體P型半導體多子：空穴少子：自由電子半導體基礎知識（3）PN結的形成空間電荷區(qū)（耗盡層）擴散和漂移半導體基礎知識（4）PN結的單向導電性外加正向電壓半導體基礎知識（4）PN結的單向導電性外加反向電壓半導體基礎知識（5）PN結的伏安特性正向導通區(qū)反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)K:波耳茲曼常數T:熱力學溫度q:電子電荷第三章

門電路3.1概述門電路：實現基本運算、復合運算的單元電路，如與門、與非門、或門

······門電路中以高/低電平表示邏輯狀態(tài)的1/0獲得高、低電平的基本原理高/低電平都允許有一定的變化范圍正邏輯：高電平表示1，低電平表示0

負邏輯：高電平表示0，低電平表示1

3.2半導體二極管門電路

半導體二極管的結構和外特性

（Diode）二極管的結構： PN結+引線+封裝構成PN3.2.1二極管的開關特性：高電平：VIH=VCC低電平：VIL=0VI=VIH

D截止，VO=VOH=VCCVI=VIL

D導通，VO=VOL=0.7V二極管的開關等效電路：二極管的動態(tài)電流波形：3.2.2二極管與門設VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二極管導通時VDF=0.7VABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY000010100111規(guī)定3V以上為10.7V以下為03.2.3二極管或門設VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二極管導通時VDF=0.7VABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABY000011101111規(guī)定2.3V以上為10V以下為0二極管構成的門電路的缺點電平有偏移帶負載能力差只用于IC內部電路3.3CMOS門電路

3.3.1MOS管的開關特性一、MOS管的結構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體層PN結以N溝道增強型為例：以N溝道增強型為例：當加+VDS時，VGS=0時，D-S間是兩個背向PN結串聯，iD=0加上+VGS，且足夠大至VGS>VGS(th),D-S間形成導電溝道（N型層）開啟電壓二、輸入特性和輸出特性輸入特性：直流電流為0，看進去有一個輸入電容CI，對動態(tài)有影響。輸出特性： iD=f(VDS)對應不同的VGS下得一族曲線

。漏極特性曲線（分三個區(qū)域）截止區(qū)恒流區(qū)可變電阻區(qū)漏極特性曲線（分三個區(qū)域）截止區(qū)：VGS<VGS(th)，iD=0,ROFF>109Ω漏極特性曲線（分三個區(qū)域）恒流區(qū)：iD

基本上由VGS決定，與VDS關系不大漏極特性曲線（分三個區(qū)域）

可變電阻區(qū)：當VDS較低（近似為0），VGS一定時，

這個電阻受VGS控制、可變。三、MOS管的基本開關電路四、等效電路OFF，截止狀態(tài)

ON，導通狀態(tài)五、MOS管的四種類型增強型耗盡型大量正離子導電溝道3.3.2CMOS反相器的電路結構和工作原理一、電路結構二、電壓、電流傳輸特性三、輸入噪聲容限結論：可以通過提高VDD來提高噪聲容限3.3.3CMOS反相器的靜態(tài)輸入和輸出特性一、輸入特性二、輸出特性二、輸出特性3.3.4CMOS反相器的動態(tài)特性一、傳輸延遲時間二、交流噪聲容限三、動態(tài)功耗三、動態(tài)功耗

3.3.5其他類型的CMOS門電路一、其他邏輯功能的門電路1.與非門2.或非門

帶緩沖極的CMOS門1、與非門帶緩沖極的CMOS門2.解決方法二、漏極開路的門電路（OD門）

三、CMOS傳輸門及雙向模擬開關1.傳輸門2.雙向模擬開關四、三態(tài)輸出門三態(tài)門的用途雙極型三極管的開關特性

（BJT,BipolarJunctionTransistor）3.4TTL門電路

3.4.1半導體三極管的開關特性一、雙極型三極管的結構管芯+三個引出電極+外殼基區(qū)薄低摻雜發(fā)射區(qū)高摻雜集電區(qū)低摻雜以NPN為例說明工作原理：當VCC

>>VBBbe結正偏,bc結反偏e區(qū)發(fā)射大量的電子b區(qū)薄，只有少量的空穴bc反偏，大量電子形成IC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）VON

：開啟電壓硅管，0.5~0.7V鍺管，0.2~0.3V近似認為: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部分放大區(qū)：條件VCE>0.7V,iB>0,iC隨iB成正比變化，

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”

。三、雙極型三極管的基本開關電路只要參數合理：VI=VIL時，T截止，VO=VOHVI=VIH時，T導通，VO=VOL工作狀態(tài)分析：圖解分析法：四、三極管反相器的開關等效電路截止狀態(tài)飽和導通狀態(tài)五、動態(tài)開關特性從二極管已知，PN結存在電容效應。在飽和與截止兩個狀態(tài)之間轉換時，iC的變化將滯后于VI，則VO的變化也滯后于VI。例3.4.1：

（1）計算三極管β值取多少，才能保證輸入高電平信號時三極管飽和導通？

（2）計算輸出的高低電平值。5Vbe結的VON=0.7VVIH=3.4VVIL=0.2VD的正向導通壓降為0.7V（1）三極管工作在飽和狀態(tài)，則

輸入高電平時D1截止，則所以

三極管的電流放大系數β必須大于3.7解：3.4.2TTL反相器的電路結構和工作原理一、電路結構設

二、電壓傳輸特性二、電壓傳輸特性二、電壓傳輸特性需要說明的幾個問題：

三、輸入噪聲容限3.4.3TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性

例：扇出系數（Fan-out），試計算門G1能驅動多少個同樣的門電路負載。輸入輸出3.4.4TTL反相器的動態(tài)特性一、傳輸延遲時間1、現象二、交流噪聲容限

當輸入信號為窄脈沖，且接近于tpd時，輸出變化跟不上，變化很小，因此交流噪聲容限遠大于直流噪聲容限。（b）負脈沖噪聲容限（a）正脈沖噪聲容限三、電源的動態(tài)尖峰電流2、動態(tài)尖峰電流3.4.5其他類型的TTL門電路一、其他邏輯功能的門電路1.與非門2.或非門3.與或非門4.異或門二、集電極開路的門電路1、推拉式輸出電路結構的局限性①輸出電平不可調②負載能力不強，尤其是高電平輸出③輸出端不能并聯使用

OC門2、OC門的結構特點OC門實現的線與3、外接負載電阻RL的計算3、外接負載電阻RL的計算3、外接負載電阻RL的計算三、三態(tài)輸出門（ThreestateOutputGate,TS）三態(tài)門的用途一、肖特基系列74S/54S（SchottkyTTL）電路改進采用抗飽和三極管用有源泄放電路代替74H系列中的R3減小電阻值2.性能特點速度進一步提高，電壓傳輸特性沒有線性區(qū)，功耗增大3.4.6TTL電路的改進系列

二、低功耗肖特基系列 74LS/54LS（