第二章门电路.

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数字电子技术基础
第二章 门电路
昆明理工大学 电信系
2018/10/18
本章的主要内容

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本章的主要内容包括：
– –
–
– –
半导体二极管、三极管和 MOS 管的开关 特性 分立元件门电路的基本工作原理 CMOS 和TTL反相器的工作原理及其电气 特性。 几种常用门电路－与非门、或非门、与或 非门、异或门的基本工作原理。 几种特殊门电路－传输门、三态门、漏极 和集电极开路门的组成和工作特点。
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2. 1 理想开关的开关特性
一、 静态特性
A S K
1. 断开
ROFF ，I OFF 0
2. 闭合
RON 0， U AK 0
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2.1 理想开关的开关特性（续）
二、动态特性 1. 开通时间：
A S K
10
（断开
闭合）
t on 0
断开）
2. 关断时间： （闭合
P N
集电结
发射结
发射极 emitter
2.3 半导体三极管的开关特性（续）
(3) 输入特性
状态 iB / µ A 放大 饱和 临界 条 件 发射结正偏 i C= iB 集电结反偏 uCE 1V i C ＜ iB 两个结正偏 I CS= IBS uBE /V 两个结反偏 iB ≈ 0, iC ≈ 0 50 µ A 40µ A 放大区 30 µ A 20 µ A 10 µ A 截止区
正向 导通区
0.5 0.7
K
ID
反向 击穿区
U D/V
1. 外加正向电压(正偏) 硅二极管伏安特性 二极管导通(相当于开关闭合) U D 0.7 V U D 0.5 V 2. 外加反向电压(反偏) 二极管截止(相当于开关断开) I D 0
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2.2 半导体二极管的开关特性（续）
2.2 半导体二极管的开关特性（续）
二、动态特性 1. 二极管的电容效应 结电容 C j 扩散电容 C D 2. 二极管的开关时间 ton — 开通时间 toff — 关断时间
0
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电容效应使二极管 的通断需要一段延 迟时间才能完成
uI iD
0
t
t on t off ( t rr ) ≤ 5 ns
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学习的目标
– – – – – – – – –
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了解半导体二极管、三极管和 MOS 管的开关特 性。 了解分立元件门电路的工作原理。 了解集成门电路的动态特性。 了解传输门、三态门、漏极和集电极开路门的 电路结构特点。 掌握常用门电路的逻辑特性。 掌握COMS和TTL反相器的输入和输出特性。 掌握传输门、三态门、漏极和集电极开路门的 逻辑符号与工作特点。 理解 CMOS 和 TTL 反相器、与非门、或非门电 路的工作原理。 理解CMOS 和TTL反相器的电压传输特性。
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1. 概
述
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一、门电路 实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路
与门 与 或门 或
与 与非 非门 或 或非 非门 与或非门 与或非 异或门 异或
非门 非
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1. 概
述（续）
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二、逻辑变量与两状态开关
二值逻辑: 所有逻辑变量只有两种取值(1 或 0)。
数字电路: 通过电子开关 S 的两种状态(开或关) 获得高、低电平，用来表示 1 或 0。 3V 逻辑状态 uO uI S u
二极管的开关作用：
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[例] 电路如图所示，
+
0.7 D DV
-
uI 2 V 或 3 V
试判别二极管的工作 状态及输出电压。 [解]
+ -
uI
+
uO
-
uI U I L 2 V 二极管截止
uO = 0百度文库V uO = 2.3 V
uI U I H 3 V 二极管导通
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(反向恢复时间)
t
t on
t of f
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2.3 半导体三极管的开关特性
一、静态特性 (电流控制型) 1. 结构、符号和输入、输出特性 (Transistor)
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(1) 结构
集电极 collector N 基极
(2) 符号 iB b c iC e NPN
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base
A B Y uY D2 0 0 u0 B 3 3 V 0 V 0V 1 0 1 RO 1 1 0 UD = 0.7 1 -VSS 1 V1 -10V Y=A+ B
符号:
A B
≥1
Y 或门（AND gate)
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3.1 二极管与门和或门（续）
正逻辑和负逻辑的对应关系： 正与门真值表 负或门真值表
因为 iB I BS 所以 T 饱和
uO U OL 0.3 V
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饱和导通条件: iB I BS
3. 2 三极管非门（反相器）（续）
三极管非门:
+VCC +5V Rc
1 k
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电压关系表 Y uI/V 0 5 uO/V 5 0.3
饱和导通条件：
VCC iB I BS Rc
Rc + 3V 2.3 k Rb i B iC +VCC +12V 2 k
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uI uBE iB ( uBE 0.7 V) Rb
3 0.7 mA 1 mA 2.3
T
100
+ uo

-2V

uI
I CS VCC UCES VCC 12 I BS mA 0.06 mA Rc 100 2 Rc
因为 iB I BS 所以 T 饱和
uO U CES ≤ 0.3 V
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2.3 半导体三极管的开关特性（续）
二、动态特性
3 0 -2 0.9ICS 0.1ICS 0 3
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uI / V
三极管饱和程度 t of f
t
iC
t
uO / V
0
t on
t of f
t
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0.8V 0V 负逻辑
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1. 概
述（续）
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四、分立元件门电路和集成门电路
1. 分立元件门电路
用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路。
2. 集成门电路
把构成门电路的元器件和连线，都制作在一块半 导体芯片上，再封装起来。 常用：CMOS 和 TTL 集成门电路
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1. 概
uO UOL 0 V
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2.4 MOS管的开关特性（续）
(2) P 沟道增强型 MOS 管
-VDD
20 k -10V
22
-VDD
20 k
RD
RD
-10V
-VDD
20 k
RD
-10V
iD D
D
uO uI
G
D S
uO uI
G
uO
uI
B
G
S
S
开启电压 UTP = 2 V
iC + uI Rb iB
4.3 k
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+VCC +5V Rc
1 k
uO UOH VCC 5V
2. uI UIH 5V
T导通
T
β = 30
+ uO -
UIH uBE 5 0.7 iB mA 1 mA Rb 4.3
I BS VCC 5 mA 0.17mA Rc 30 1
2. MOS管的开关作用： (1) N 沟道增强型 MOS 管
+VDD
20 k
+10V
21
+VDD
20 k
RD
RD
+10V
+VDD
20 k
RD
+10V
iD
D
uO uI
G
D
S
uO uI
G
D
RON S
uO
uI
B
G
S
开启电压 UTN = 2 V
uI UTN
uO U OH VDD
uI UTN
uO
uI
S
低电平 断开 高电平 3 V 高电平 闭合 低电平 0 V
1 0
0
1
S 可由二极管、三极管或 MOS 管实现
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1. 概
述（续）
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三、高、低电平与正、负逻辑
高电平和低电平是两个不同的可以截然 区别开来的电压范围。
5V 2.4V 1 5V 2.4V
1 0
0
0.8V 0V 正逻辑
述（续）
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五、数字集成电路的集成度 一块芯片中含有等效逻辑门或元器件的个数 小规模集成电路 中规模集成电路 大规模集成电路 SSI MSI LSI < 10 门/片 或 < 100 元器件/片
(Small Scale Integration) (Medium Scale Integration)
10 ~ 99 门/片 或 100 ~ 999 元器件/片
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iD /mA 可 uGS = 6V 变 电 阻 恒流区 5V 区
iD /mA
4
uDS = 6V
3
2.4 MOS管的开关特性（续）
(2) P 沟道
参考方向 iD + P 沟道增强型 MOS 管栅极 B uDS 与 N 沟道有对偶关系。 G 衬 开启电压 +u 底 GS UTP = - 2 V 源极 S 截止区
A B D1 0 0 3V 3 V uA 0 0 D21 1 0 3 0 V uB 0V 1 1 Y = AB
符号:
&
Y
与门（AND gate)
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3.1 二极管与门和或门（续）
二、二极管或门
3V 0 3 V uA 3 V
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真值表 D1
电压关系表 u A /V u B/V 0 0 3 3 0 3 0 3 D1 导通 截止 导通 导通 D2 uY/V 导通 0.7 导通 2.3 截止 2.3 导通 2.3
100 ~ 9 999 门/片 或 1 000 ~ 99 999 元器件/片
(Large Scale Integration)
> 10 000 门/片 (Very Large Scale Integration) 或 > 100 000 元器件/片 2018/10/18
超大规模集成电路 VLSI
2. 半导体二极管 、三极管和 MOS 管的开关特性
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电流关系 u CE 0
iB f ( uBE ) uCE
0 截止 iC / mA
4
(4) 输出特性
iC f ( uCE ) iB
饱 3和 区
2
1 0
iB = 0 u /V CE
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2.3 半导体三极管的开关特性（续）
2. 开关应用举例
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(1) uI UI L 2 V
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iD /mA
0 -1
-10 -8 -6 -4 -2 - 3V - 4V
UTP
uDS /V
-6 -4 -2 0
iD /mA
-1
可 -2 - 5V 变 恒流区 电 -3 阻 uGS = - 6V 区 -4
uGS /V
-2
-3 uDS = - 6V -4
漏极特性
转移特性
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2.4 MOS管的开关特性（续）
发射结反偏 T 截止
+VCC (12V) Rc 2 k iC
iB 0
iC 0
uO VCC 12 V
+ 3V 2.3 k -2V

Rb i B
T
100
+
uo

uI
( 2) uI UI H 3 V
发射结正偏 T 导通
放大还是 饱和？
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2.3 半导体三极管的开关特性（续）
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A 0 0 1 1
A B
B 0 1 0 1
&
Y 0 0 0 1
0 1 10
A B
A 1 1 0 0
B 1 0 1 0
≥1
Y 1 1 1 0
Y A B
Y = AB
同理： 正或门
负与门
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3. 2 三极管非门（反相器）
一、半导体三极管非门 1. uI UIL 0V T 截止
t off 0
普通开关：静态特性好，动态特性差
半导体开关：静态特性较差，动态特性好
几百万/秒 几千万/秒
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2.2 半导体二极管的开关特性
一、静态特性 -A P区 --阳极
A
++ ++ + + N区 ++
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I D/mA
PN结 + UD -
K 反向 阴极 U (BR) 截止区
0
uI UTP
uO UOL VDD
uI UTP
uO UOL 0 V
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3 分立元器件门电路
3. 1 二极管与门和或门
UD = 0.7 V
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一、二极管与门 真值表 +VCC
YR 0 0 0 uY 0 1 A B
+10V
电压关系表 uA/V uB/V 0 0 3 3 0 3 0 3 D1 导通 导通 截止 导通 D2 uY/V 导通 0.7 截止 0.7 导通 0.7 导通 3.7
0.3
2.4 MOS管的开关特性
MOS（Mental – Oxide – Semiconductor） 金属 – 氧化物 – 半导体场效应管 一、 静态特性 (电压控制型) 1. 结构和特性： (1) N 沟道
漏极 D
4 3
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iD + 开启电压 2 2 UTN = 2 V B uDS 4V 1 1 衬 UTN 3V +u 底 GS 0 2 4 6 8 10 uDS /V 0 2 4 6 uGS /V 截止区 漏极特性 源极 S 转移特性