《数字电子技术基础》第六版_第03章_门电路_1117

数字电子技术基础 第六版
设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V
VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V
A BY 0V 0V 0.7V 0V 3V 0.7V 3V 0V 0.7V 3V 3V 3.7V
规定3V以上为1 0.7V以下为0
A BY 0 00 0 10 1 00 1 11
第 章 门电路
3.2 半导体二极管门电路
• 二极管(Diode)的结构： PN结 + 引线 + 封装构成
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P
N
第 章 门电路
3.2.1 二极管的开关特性
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高电平：VIH=VCC 低电平：VIL=0
• VI = VIH D截止，VO=VOH=VCC
• VI=VIL D导通，VO=VOL=0.7V
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• 本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。 • 常用：硅Si，锗Ge
两种载流子
第 章 门电路
半导体基础知识（2）
• 杂质半导体（掺杂少量磷 或锑） → N型半导体
多子：自由电子
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N型半导体：掺入少量杂质磷或锑元素，磷原子外层的五个外层电 子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键，多出的一个电子 几乎不受束缚，较为容易地成为自由电子。 N型半导体电子浓度较高，其导电性主要是因为自由电子导电。
3.3.1 MOS管的开关特性
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在CMOS集成电路中，以金属－氧化物－半导体场 效应管（MOS管)作为开关器件。
金属层
制作过程：
1、切一块半导体P 2、挖两口井，放N 3、盖止绝缘层，腐蚀出两口井 4、贴上金属层，腐蚀出sgd三极
MOS管的结构
氧化物层 PN结 半导体层
S (Source)：源极 G (Gate)：栅极 D (Drain)：漏极 B (Substrate):衬底
第 章 门电路
3.2.1 二极管的开关特性 二极管的动态电流波形：
外加电压反向→正向： 要等PN结内部建立起足够的
电荷梯度才开始有扩散电流，因此 正向电流建立要稍微滞后一点。
外加电压由正向→反向： PN结尚有一定数量的电荷，
所以有较大的瞬态反向电流流过。
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第 章 门电路
3.2.2 二极管与门
第 章 门电路
3.3.1 MOS管的开关特性 MOS管的基本开关电路
因为 ROFF 109 , RON 1K 只要RON RD ROFF , 则：
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当VI VIL VGS (th) T截止 VO VOH VDD 当VI VIH VGS (th) T导通 VO VOL 0 所以 MOS管D S间相当于一个受VI 控制的开关。
第 章 门电路
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3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理 三、输入噪声容限
噪声容限－－衡量门电路的抗干扰能力。 噪声容限越大，表明电路抗干扰能力越强。
测试表明：CMOS电路噪声容限VNH=VNL＝30％VDD，且 随VDD的增加而加大。因此可以通过提高VDD来提高噪声容限
第 章 门电路
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《数字电子技术基础》
（第六版）
第三章 门电路
第 章 门电路
第3章 门电路
▪ 概述 ▪ 半导体二极管电路 ▪ CMOS门电路 ▪ TTL门电路
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第 章 门电路
半导体基础知识
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补：半导体基础知识
第 章 门电路
半导体基础知识（1）
第 章 门电路
3.2.1 二极管的开关特性 二极管的开关等效电路：
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a)、当电源等效电阻和等效电 阻RL都很小时，二极管正向导 通压降和正向电阻都不能忽略 b)、当二极管正向导通压降和 和外加电源电压相比不能忽略， 而外接电阻相对就二极管电阻 来说可以忽略
c)、当二极管正向导通压降和 正向电阻与外接电阻相比均可 忽略，视二极管为管理开关。
VGS(th)称为阈值电压(开启电压）
第 章 门电路
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3.3.1 MOS管的开关特性
MOS管输入特性和输出特性
① 输入特性：直流电流为0，看进去有一个输入电 容CI，对动态有影响。
② 输出特性： iD = f (VDS) 对应不同的VGS下得一族曲线 。
第 章 门电路
3.3.1 MOS管的开关特性 输出特性曲线（分三个区域）
① 截止区 ② 恒流区 ③ 可变电阻区
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第 章 门电路
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3.3.1 MOS管的开关特性 输出特性曲线（分三个区域） 截止区：VGS<VGS(th)，iD = 0, ROFF > 109Ω
第 章 门电路
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3.3.1 MOS管的开关特性 输出特性曲线（分三个区域）
3.1 概述 获得高、低电平的基本原理
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高/低电平都允许 有一定的变化范围
单开关电路
开关电路缺点：
1、不方便加控制信号
2、R电阻不好控制
输出1希望R很小， 输出0时希望R很大
第 章 门电路
3.1 概述 用元器件取代开关
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二极管 三极管 MOS管
第 章 门电路
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半导体基础知识（5）
• PN结的伏安特性
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正向导通区
反向截止区 反向击穿区
V
i I S(e VT 1)
VT

nkT q
K:波耳兹曼常数 T:热力学温度 q: 电子电荷
第 章 门电路
3.1 概述
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• 门电路：实现基本运算和复合逻辑运算的单元电路， 如与门、与非门、或门……
恒流区（饱和或放大区）： iD 基本上由VGS决定，与VDS 关系不大
条件:(1)源端沟道未夹断 (2)漏端沟道予夹断
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3.3.1 MOS管的开关特性
输出特性曲线（分三个区域）
可变电阻区：当VDS 较低（近似为0）， VGS 一定时， VDS iD 常 数 （ 电 阻 ） 这个电阻受VGS 控制、可变。
3.1 概述 高低电平与01的对应
正逻辑：高电平表示1，低电平表示0
负逻辑：高电平表示0，低电平表示1
第 章 门电路
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3.1 概述 数字元器件的输入输出规则 雷锋合同
合格的元器件： 输入端：允许接收低质量的0和1 输出端：输出高质量的0和1
传输 损耗
无效区
元器件
无效区
第 章 门电路
S
D
B
不论D、S间有无电压， 均无法导通，不能导电
第 章 门电路
3.3.1 MOS管的开关特性 以N沟道增强型为例研究通电情况：
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2、添加垂直电压VGS
形成电场G—B,把衬底中的电子吸引 到上表面，除复合外，剩余的电子在 上表面形成了N型层（反型层）为D、 S间的导通提供了通道。

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VDD
CMOS反相器在使用时应尽 量避免长期工作在BC段。
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3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
三、输入噪声容限
在保证输出高、低电平基本不变的条件下,输入电平 的允许波动范围称为输入端噪声容限。
当Vi偏离Vm和Vn一定范围时，Vo基本不变
VNH VOH(min) VIH (min) VNL VIL(max) VOL(max)
3.2.2 二极管或门
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设VCC = 5V 加到A,B的
二极管导通时
VIH=3V VIL=0V VDF=0.7V
A BY 0V 0V 0V 0V 3V 2.3V 3V 0V 2.3V 3V 3V 2.3V
规定2.3V以上为1 0V以下为0
A BY 0 00 0 11 1 01 1 11
导通
VI = 0
Vo = 1
截止
第 章 门电路
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3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理 一、CMOS反向器的电路结构
截止
VI = 1
Vo = 0
导通
第 章 门电路
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3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理 二、电压、电流传输特性
AB段：VI VGS(TH )N
成
ECL
门
电
PMOS
路
MOS型（Metal-Oxide-Semiconductor，MOS） NMOS
CMOS
TTL — 晶体管-晶体管逻辑集成电路
MOS — 金属氧化物半导体场效应管集成电路
第 章 门电路
3.3 CMOS门电路
3.3.1 MOS管的开关特性
数字电子技术基础 第六版
第 章 门电路
第 章 门电路
半导体基础知识（3）
• PN结的形成 • 空间电荷区（耗尽层） • 扩散和漂移
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第 章 门电路
半导体基础知识（4）
• PN结的单向导电 性
• 外加正向电压
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半导体基础知识（4）
• PN结的单向导电 性
• 外加反向电压
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3.2.2 二极管或门 二极管构成的门电路的缺点
• 电平有偏移 • 带负载能力差
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• 只用于IC内部电路
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集成门电路
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集
双极型 TTL (Transistor-Transistor Logic Integrated Circuit)
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半导体基础知识（2）
• 杂质半导体（掺杂少量硼 或铟） → P型半导体
多子：空穴
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P型半导体：掺入少量杂质硼或铟元素，硼原子外的三个电子与周围 的半导体原子形成共价键的时候，会产生一个“空穴”，这个空穴 可能吸引束缚电子来“填充”，使得硼原子成为带负电的离子。 含有较高浓度的“空穴”（正电荷），成为能够导电的物质。
门电路中以高/低电平 表示逻辑状态的1/0
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3.1 概述
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• 电路：传递和处理信息
数字信息：0 和1 传递方式：串行传输（以时间为代价）
并行传输（以空间为代价） 传输0与1，而开关电路是最简单的方式，
用高低电平来传输0与1信息
第 章 门电路
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第 章 门电路
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3.3 CMOS门电路
3.3.1 MOS管的开关特性
MOS管符号：
S (Source)：源极 G (Gate)：栅极 D (Drain)：漏极 B (Substrate):衬底
第 章 门电路
3.3.1 MOS管的开关特性 MOS管的四种类型 • 增强型
大量正离子
T1导通，T2截止 VO VOH VDD
CD段：VI VDD VGS(TH )P
T2导通，T1截止 VO VOL 0
BC段：VGS(TH )N VI VDD VGS(TH )P
T1 , T2同时导通
若T1 , T2参数完全对称，VI

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VDD时，VO
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3.3.1 MOS管的开关特性 以N沟道增强型为例研究通电情况：
1、添加横向电压VDS 2、添加垂直电压VGS
第 章 门电路
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3.3.1 MOS管的开关特性 以N沟道增强型为例研究通电情况：
1、添加横向电压VDS 2、添加垂直电压VGS
第 章 门电路
3.3.1 MOS管的开关特性 开关特性等效电路
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OFF ，截止状态
ON，导通状态
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3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理 CMOS管
当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且 二者在工作中互补，称为CMOS管(意为互补)。
• 耗尽型
导电沟道
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第 章 门电路
3.3.1 MOS管的开关特性 以N沟道增强型为例研究通电情况：
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PMOS管：源极S与衬底B接在一起
第 章 门电路
3.3.1 MOS管的开关特性 以N沟道增强型为例研究通电情况：
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1、添加横向电压VDS
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PMOS管 NMOS管
CMOS管
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3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理 一、CMOS反向器的电路结构
V V GS(th)N
GS(th) P
上管为P管，输入0有效 下管为N管，输入1有效
第 章 门电路
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3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理 一、CMOS反向器的电路结构