数字逻辑课件——门电路概述

5
2.1.2 半导体器件的开关特性
▪ 1. 半导体二极管的开关特性
因为半导体二极管具有单向导
电性，即外加正电压时导通，
+VCC
外加反电压时截止，所以它相
当于一个受外加电压极性控制
D
R
的开关，
uI
uO
S
如果用它取代图2-1-1中的S， 图2-1-3 二极管开关电路 就得到了图2-1-3所示的二极
管开关电路。
UOL = 0。
7
因此可用Ui的高、低电平控制二极管的开关状态，并可在输出
端得到相应的高、低电平输出信号。 在分析各种实际的二极管时，会发现，并非任何时候都满足上 面对二极管特性所作的假定。从半导体物理理论可知，二极管 的特性可近似地用公式
u
i I S (e VT 1)
8
u
i I S (e UT 1)
“0”，这种表示方法则称为正逻辑。反之，如把输出的高电平 表示为“0”，而把低电平表示为“1”，这种表示方法就称为 负逻辑。
+VCC
1 +VCC
0
0 0V
正逻辑
1 0V
负逻辑
图2-1-2 正逻辑与负逻辑 3
事实上在实际工作中，只要能确
一般采用 正逻辑
切地区分出高、低电平就足够了，
因为高、低电平都有一个允许的 +VCC
1 +VCC
0
范围，如图2-1-2所示，所以在
数字电路中无论是对元器件的参
数准确度还是对供电电压稳定度 0V
0 0V
1
的要求都比模拟电路低一些。
正逻辑
负逻辑
图2-1-2 正逻辑与负逻辑
4
门
(电子开关)
开门状态：
满足一定条件时，电路允 许信号通过 开关接通 。
关门状态:
条件不满足时，信号通不过 开关断开 。
压降和正向电阻都不能忽略，这时可用折线作为二极管的近似 特性，就能得到如图2-1-5(a)中所示的等效电路。
12
而当二极管的导通压降与外加电源电压相比不能忽略，但二极 管的正向电阻与外电路电阻相比可以忽略时，则可采用 (b)中 的近似特性（虚线所示）和等效电路。
只有当二极管的导通压降和正向电阻与电源电压和外电路电阻 相比均可忽略时，才可近似地把二极管视为理想开关,如(c)所 示。
极电流iC的变化往往滞后于基极电压的变化，如图2-1-9所示。 当然，输出电压uo的变化也要相应地滞后。
图2-1-9 双极型三极管的动态开关特性 19
3. 场效应管（MOS管）的开关特性
如用场效应管代替图2-1-1中的S，则可得到如图2-1-10 的开关电路。
▪ MOS管也有三个各具特点的工作区，即截止区、电阻区和 恒流区。
（通常用trc表示），用以说明反向电
流持续时间的长短。
通常情况下，trc值均很小（约在几纳
秒之内），如果用一般的示波器是不
易观察到的。
图2-1-6 二极管的动态特性
15
2. 半导体三极管的开关特性
如果用三极管代替图2-1-2中的S，就可得到图2-1-7 所示的三极管开关电路。
三极管有截止、放大、饱和三个工 作区。
1
•当开关S断开时，输出uo为高电 平；当开关S接通以后，输出uo
则变为低电平。
•开关S可用半导体二极管或三极
管或场效应管来实现，只要设法
控制它们分别工作在截止和导通 输 状态，就可以起到图中S的作用。 入 uI
信 号
VCC
R
输
uO 出
信
号
S
图2-1-1 获得高、低电平的基本方法
2
如果以输出电压uo的高电平表示逻辑“1”，以低电平表示逻辑
13
在动态情况下，亦即二极管两端电压突然反向的 过程中，电流的变化过程如图2-1-6所示。
当外加电压由反向突然变为正向时， 则要等到PN结内部建立起足够的电荷 梯度才会有扩散电流形成，可见电流 稍有滞后；
而当外加电压突然由正向变成反向时， 因为PN结内尚有一定数量的存储电荷， 所以有较大的瞬态反向电流流过。
其中，i为流过二极管的电流；u为加到二极
管两端的电压；UT
kT q
k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，q为电子电荷， 在常温下（即结温为27℃，T = 300K），VT ≈26mV； IS为反相饱和电流。
它和二极管的材料、工艺和尺寸有关，但对每只二 极管而言，它是一个定值。
9
i
Байду номын сангаас
二极管的特性也可用图 2-1-4的伏安特性曲线描 述。
6
•假 定 输 入 信 号 的 高 电 平
UIH = VCC，低电平UIL = 0，
+VCC
二极管的正向电阻为0，
反向电阻为无穷大，
VD R
uI
uO
•当Ui = UIH时，则VD截止，
S
Uo = UOH = VCC； 当 Ui = 图2-1-3 二极管开关电路
UIL 时 ， 则 VD 导 通 ， Uo =
MOS管工作在电阻区，D-S之间形成导 电沟道，沟道间电阻为1kΩ以下，呈 低阻状态。
图2-1-10 MOS管的 开关电路
如果漏极负载电阻RD 比这个导通电
阻大得多，就可把D-S之间近似看成 接通的开关。
21
其开关等效电路如图2-1-11
图2-1-11 MOS管的开关等效电路
(a) 截止状态；
(b) 导通状态
在实用电路中，通常都满足VCC >> VCES， ICEO ≈ 0， 因此，经常使用图2-1-8给出 的三极管开关等效电路。
c c
b b
e
e
图2-1-8 双极型三极管的开关等效电路
(a) 截止状态；
(b) 饱和状态
18
当三极管在截止与饱和导通两种状态间迅速转换的动态情况时， 由于三极管内部电荷的建立和消散均需一定的时间，所以集电
u 0
图2-1-4 二极管的伏安特性
实际的二极管并不具有理想的开关特性，它们的反向电阻 不是无穷大，而正向电阻也不为零，电压和电流之间的关系 是非线性的。实际的二极管的伏安特性与公式所给出的曲线 也存在差异，因为在PN结表面的漏电阻及半导体的体电阻不 能忽略。即使是同一工厂生产的同一型号的二极管，每只二 极管的特性也不可能完全一致。
22
因为MOS管是单极型器件，所以沟道的形成和 消失所需要的时间在分析电路时可以忽略不计。
MOS管的动态开关特性在原理上与双极型 三极管有着本质的不同，它的开关时间主要取决于 输入回路和输出回路中电容的充、放电时间。
23
•以图2-1-10为例，设图中MOS管为
N沟道增强型，它的开启电压为UTN ， 则当uI = uGS < UTN时，MOS管工作
在截止区，D-S之间没有形成导电 沟道，沟道间电阻为109～1010Ω， 呈高阻状态，因此D-S间的状态就
像开关断开一样。
图2-1-10 MOS管的 开关电路
20
当uI = uGS > UTN时，且uGD > UTN，则
随着存储电荷的消散，反向电流迅速
衰减并趋近于零。
图2-1-6 二极管的动态特性
14
瞬态反向电流的大小和持续时间的长短，既取决于正向导 通时电流的大小、反向电压数值和外电路电阻的阻值，也 与二极管本身的特性有关。
为了定量表示反向电流持续时间的长 短，一般把反向电流从峰值衰减到它 的1/10所经历的时间定义为恢复时间
当uI ≤ 0时，uBE ≤ 0，三极管工
作在截止区，其工作特点是基极电
流iB ≈ 0，集电极电流iC = ICE
≈ 0，因此三极管的集-射极之间 相当于一个断开的开关。
输出电压为uo = UOH ≈ VCC 。
图2-1-7 双极型三 极管开关电路
16
当uI为正，并且使
iB
VCC
RC
时，uBE和uBC同为正向偏置， 三极管工作在饱和区，饱和
10
分析二极管开关电路，可以选用精确的二极管模型，通 过计算机辅助分析求出准确的结果。而在工程上，可以 根据使用情况选用图2-1-5给出的几种近似特性，以便简 化分析和计算。
图2-1-5 二极管伏安特性的几种近似方法
11
图2-1-5 二极管伏安特性的几种近似方法
在外电路的等效电源VSS和等效电阻R都很小时，二极管的导通
区的工作特点是集射间的饱
和压降UCES ≈ 0，而且iC不 再随iB增加而增大，集射间 如同开关短路一样，故uo = UOL ≈ 0。
图2-1-7 双极型三 极管开关电路
因此，只要用uI的高、低电平控制三极管分别工 作在饱和导通和截止状态，就可控制它的开关状 态，并在输出端得到相对应的高、低电平。
17
第二章 门电路
▪ 2.1.1 概 述
▪ 用以实现基本逻辑关系的电子电路通称为门电路，最基本 的门电路是与门、或门和非门。
VCC
•在 电 子 电 路 中 ， 通 常 用 高、低电平分别表示二值 逻辑的1和0。获得高、低 电平的基本方法如图2-11所示。
R
输 入 uI 信 号
输 uO 出
信 号 S
图2-1-1 获得高、低电平的基本方法