数字电子技术基础-门电路

五、数字集成电路的集成度 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 SSI (Small Scale Integration) 中规模集成电路 MSI (Medium Scale Integration) 大规模集成电路 LSI (Large Scale Integration) 超大规模集成电路 VLSI (Very Large Scale Integration) < 10 门/片 或 < 100 元器件/片 10 ~ 99 门/片 或 100 ~ 999 元器件/片 100 ~ 9 999 门/片 或 1 000 ~ 99 999 元器件/片 > 10 000 门/片 或 > 100 000 元器件/片
uA/V uB/V 0 0
3 3
D1
D2
uY/V
0.7 2.3 2.3
0 3
0 3
导通 导通
截止 导通
导通 截止 导通 导通
2.3
Y=A+B 符号:
Y
或门
正逻辑和负逻辑的对应关系 正负逻辑之间存在着简单的对偶关系。 正与门真值表 负或门真值表
A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
Y 0 0 0 1
0 1 10
A 1 1 0 0
B 1 0 1 0
Y 1 1 1 0
正逻辑与门等同于负逻辑或门 同理： 正或门 负与门
2.2.2 三极管非门（反相器） 一、半导体三极管非门
1. uI UIL 0V
T 截止
iC + uI 4.3 k 因为 所以 Rb iB
uO UOH VCC 5V
D iD + B uDS S
iD /mA 可 uGS = 5V 4 变 3 电 阻 恒流区 4V 2 区
1 3V 2V 2 4 6 8 10 uDS /V 0
常数
4.转移特性 iD f (uGS ) |u uGS<UTN时iD=0； uGS>UTN时形成iD 。
截止区 iD /mA
DS
4 3
2 1 0 uDS =常数
uI / V
3 0 t
-2
0.9ICS 0.1ICS 0
iC
t
t on
3 0.3 0
t of f
uO / V
t
2.1.4 MOS 管的开关特性
MOS（Mental – Oxide – Semiconductor Field-Effect Transistor ） 金属 – 氧化物 – 半导体 场效应管
UTN
2 4 6 uGS /V
5.开关特性 +VDD RD iD + uI D B S + uO
①uI=0
uI U TN
MOS 管截止 +VDD
+10V
RD
20 k
G
D
uO
uI
G
S
N 沟道增强型 MOS 管
若RD<<ROFF，uO≈VDD=UOH D-S间相当于开关断开
②uI=VDD
+VDD RD iD + uI G D B S + uO
目前单个集成电路上已能作出数千万个三极管，而其面积 只有数十平方毫米。
2.1 半导体二极管、三极管和 MOS 管的开关特性
2. 1. 1 理想开关的开关特性
一、 静态特性
I 1.断开 ROFF ， OFF 0
2.闭合
A
S
K
RON 0， AK 0 U
二、动态特性 A 1. 开通时间：（断开 闭合）
4
2.开关特性
(1) uI UI L 2 V
发射结反偏 T 截止
+VCC (12V) Rc + 3V 2.3 k uI -2V Rb i B iC T 2 k +
100 uo

iB 0
iC 0
uO VCC 12 V
c 截止时，c-e之间相当于开关断开。 b e
S
K
t on 0
2.关断时间： （闭合 断开）
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
2.1.2 半导体二极管的开关特性 一、静态特性
+ UD 1.伏安特性
A
K
ID
ID
ID ID
0
UD
0
0.7V
UD
0
UD
硅二极管伏安特性
理想情况 等效伏安特性
PMOS
漏极 D
B 源极 S 漏极 D
源极 S 漏极 D
耗 尽 型
栅极 G
B
源极 S
栅极 G
源极 S
二、动态特性 1.MOS 管极间电容 栅源电容 C GS 栅漏电容 C GD 漏源电容 C DS 0.1 ~ 1 pF 1 ~ 3 pF
在数字电路中，这些电容的充、 放电过程会制约 MOS 管的动态特 性，即开关速度。
P型衬底(B) （掺杂浓度低）
B
N沟道增强型(NMOS)
G
2.MOS管工作原理(NMOS) MOS管是电压控制器件，用uGS控制漏极电流iD。 - u uDS + - GS +
S N+ G D N+
iD
P型衬底(B)
B
(1) uDS >0 uGS =0 时 S B D D-S 间不导通 iD=0
(2) uDS >0 uGS >0 时 栅源极间存在一个开启电压 UTN ，与管子构造有关， ＵTN=1~3V，取UTN = 2V 。 a.当uGS < UTN时 b.当uGS ≥UTN时 - u uDS +
uI UTN
MOS 管导通 +VDD
+10V
RD
20 k
百度文库
iD
D
uO
uI
G
RON S
N 沟道增强型 MOS 管
若RD>>RON，uO≈0=UOL
D-S间相当于开关闭合
6.MOS管的类型
S P+ G D P+
漏极 D
N型衬底(B) B
栅极 G
源极 S
iD /mA
P沟道增强型MOS管 与N沟道增强型MOS 管是对偶关系。
+VCC +5V Rc 1 k T β = 30 + uO -
2. uI UIH 5V
iC
12 I CS VCC UCES VCC mA 0.06 mA I BS Rc 100 2 Rc
VCC uI uBE I BS 饱和导通条件： iB I BS 放大导通条件：iB Rc RB
uO VCC iC RC VCC iB RC
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 0
电容效应使二极管的 通断需要一段延迟时 间才能完成
uI
t
toff — 关断时间
iD
0 t
t on t off (t rr ) ≤ 5 ns
(反向恢复时间)
t on
t of f
2.1.3 半导体三极管的开关特性 一、静态特性 1.结构、符号 集电极 c c N 基极 b c c P b b N P e NPN PNP b
( 2) uI UI H 3 V
发射结正偏 T 导通 放大还是 饱和？
+VCC (12V) Rc 2 k + T
100 uo

uI uBE iB ( uBE 0.7 V) Rb
3 0.7 mA 1 mA 2.3
+ 3V 2.3 k uI -2V
Rb i B
GS +
无论uDS多大，MOS管都截止，iD=0。
iD
S N+
G
D N+
P型衬底(B)
导电沟道 (反型层)
B
导电沟道的厚度与栅源 电压uGS大小有关，而沟 道越厚，管子的导通电 阻RON越小。因此，可通 过uGS控制漏极电流iD 。
3.漏极特性 iD f (uDS ) |u
GS
常数
+ G uGS -
2.4V 0
0.8V 0V
1
0.8V 0V 负逻辑
正逻辑
三、逻辑变量与两状态开关
二值逻辑: 数字电路: 所有逻辑变量只有两种取值(1 或 0)。 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
uO
uI
低电平 高电平
S
断开 闭合
uO
高电平 3 V 低电平 0 V
逻辑状态 1 0 0 1
2.静态开关特性 (1)外加正向电压(正偏)时
A
+
UD ID
-
K
二极管导通(相当于开关闭合) A + (2)外加反向电压(反偏)时 二极管截止(相当于开关断开) A 3.开关特性
0.7V
K K
例：电路如图所示，UI=-2V或3V时，试判别二极管的工 作状态及输出电压。 D UI=UIL=-2V时 D截止 UO=0V + + uI uO UI=UIH =3V时 D导通 UO=2.3V -
第二章 门电路
2.0 概 述 2.1 半导体二极管、三极管和MOS 管的开关特性 2. 2 分立元器件门电路 2.3 CMOS 集成门电路 2.4 TTL集成门电路
概
一、门电路
述
实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路。 二、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 1 0 5V 2.4V
uO U CES 0.3V U OL
c
iB I BS T 饱和
饱和导通时，c-e之间相当于开关闭合。
b
e
总结：三极管c-e之间相当于一个受uI控制的开关。 截止时，c-e之间相当于开关断开； 饱和导通时，c-e之间相当于开关闭合。
二、动态特性
三极管饱和程度 t of f
P沟道增强型
-10 -8 -6 -4 - 2V - 3V - 4V 恒流区 uGS = - 5V -2 可 变 电 阻 区
0
-1 vDS /V -2 -3 -4 v
UTP
iD /mA
-6 -4 -2 0
-1
-2 -3 -4
vGS /V
DS =
- 6V
漏极特性
转移特性
NMOS
漏极 D 增 强 型 栅极 G 栅极 G
集电结
发射结
P N
e
发射极 e
e
2.特性 (1)输入特性
(2)输出特性
iB f ( uBE ) uCE
iC f ( uCE ) iB
iC / mA
4
iB /µ A
uCE 0
uCE 1V
50 µ A 40µ A 放大区 30 µ A 20 µ A
饱 3和 区
2
1
0
uBE /V
10 µ A
电压关系表 uA/V uB/V 0 0 0 3 D2 导通 导通 导通 截止 截止 导通 导通 导通 D1 uY/V
0.7 0.7
0.7 3.7
3
3
0
3
与门
二、二极管或门
真值表 D1 Y uY 0 1 1 RO 1 -V SS -10V A B
≥1
电压关系表
3V 0V 3 3 V uA A B D2 u0 0 3V B 3 0 V 0 1 0V 1 0 1 1 UD = 0.7 V
uI
S
S 可由二极管、三极管或 MOS 管实现
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。 常用门电路：CMOS 和 TTL 集成门电路。 注意：各种门电路的工作原理，只要求一般掌握； 而各种门电路的外部特性和应用是要求重点。
2.开关时间
uI
VDD 0 0.9ID
t
iD
t
0.1ID 0
开通时间 VDD 0
t on
t of f 关断时间
uO
t
2. 2 分立元器件门电路
2.2.1 二极管与门和或门
一、二极管与门
真值表 UD = 0.7 V A B D1 33V uA 0 0V 0 0 1 2 1 D0 uB 3 0V0 V 1 1 Y = AB 符号: A B & Y +VCC +10V Y R0 0 0 uY 0 1
截止区 iB = 0 u /V CE
6 8 2 4
0
三个工作区：
(1)放大区(线性区) --特性曲线进于水平的区域 特点：发射结正偏，集电结反偏； iC=βiB (或△iC=β△iB ) 。 (2)截止区 --iB=0曲线以下的区域 iC/mA
50 µ A 特点：发射结反偏，集电结反偏； 饱 40µ A 3和 iB=0 ， iC=ICEO 0。 放大区 30 µ A 区 2 (3)饱和区 20 µ A 10 µ A 特点：发射结正偏，集电结正偏； 1 截止区 iB = 0 iB > iC ， UCES0.3V 。 0 2 4 6 8 uCE/V
MOS管特点： 1.单极型器件---只有一种载流子参与导电； 2.输入电阻高(可高达1015)； 3.工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。 MOS管分类： 增强型
N沟道MOS管
耗尽型 MOS管 P沟道MOS管 耗尽型 增强型
一、 静态特性
1.结构与符号 S
N+
G
D
N+
用扩散的方法 用金属铝引出 在绝缘层上喷金 在硅片表面生一 属铝引出栅极G 层薄SiO2 N 区 制作两个绝缘层 源极S和漏极D S --- 源极 Source G --- 栅极 Gate D --- 漏极 Drain D B S 符号