清华大学数电3门电路
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第三章 门 电 路
第一节 概述 门电路：实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。
门电路的两种输入，输出电平：高电平、低电平。它们分别对应
逻辑电路的1,0状态。
高电平
正逻辑：1代表高电平；0代表低电平。
VCC
VCC
负逻辑：0代表 高电平；1代表 低电平。
0V
0V
整理ppt
低电平 1
当代门电路（所有数字电路）均已集成化。 根据制造工艺不同可分为单极型和双极型两大类。 门电路中晶体管均工作在开关状态。 本章介绍两类门电路。 其中包括介绍晶体管和场效应管的开关特性。
与管子构造有关。
导电沟道将源区和漏区连成一整体理p。pt 此时在D,S间加电压DS
， 8
将形成漏极电流iD。 称为N沟道增强型场效应管
显然，导电沟道的厚度与栅源电压大小有关。而沟道越
厚，管子的导通电阻RON越小。因而，若DS 不变， GS 就
可控制漏极电流iD。因此把MOS管称为电压控制器件。
2.输入输出特性 •输入特性可不讨论。 •输出特性
夹断电压
P沟道增强型：
整理ppt
13
请参阅79页，表3.3.1
整理ppt
14
二. CMOS反相器的电路结构和工作原理 Complementary-Symmetry MOS .互补对称式MOS电路。
1961年美国德克萨斯仪器公司首先制成集成电路。英文 Integrated Circuit,简称IC。
o 0,
MOS管工作在可变电阻区。
RON
N+
N+
整理ppt
回下页 11
4.MOS管的开关特性及等效电路
•静态特性—三个工作区。
可变电阻区： G,D G SV G(tS h )
截止区： G,SGD V G(tS h )
恒流区： G S V G (t) h S ,G D V G (t) h S 等效电路如图，其中CI为栅极输入电容。
要点：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。
【题3.12】，【题3.16】 ，【题3.18】， 【题3.19】，【题3.20】，【题3.29】
整理ppt
2
第二节 半导体二极管门电路 一、二极管的开关特性
1.开关电路举例 2.静态特性 输入信号慢变化时的特性。 •伏安特性
集成电路的优点：体积小、重量轻、可靠性高，功耗低。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。
按集成度分类：
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,
1 1 1 整理ppt
6
3 3 3.7
三、二极管或门
VA VB VY 000
D1,D2截止
0 3 2.3 D1截止,D2导通
3 0 2.3 3 3 2.3
D1导通,D2截止 D1,D2导通
ABY
000百度文库
A
Y 011
B
101
1 1 1整理ppt
7
第三节 CMOS门电路
一.MOS管的开关特性 1.MOS管的工作原理
整理ppt
9
空间电荷区 夹断 可变电阻区
夹断点
恒 流 区
固定电阻
截
止
区
VGS(th)=2V
设 GS ＝5V
VDS=0V出现沟道。 VDS增加，则沟道“倾斜”（阻值增加）。
恒VG流D=区VG中S(itDh)只时受，沟G道S “控夹制断，”其。关V动系D，S式再但为增iD：加不时变，。同夹理断可点求向出源栅区源移电
•等效电路
在数字电路中重点在 判断二极管开关状态，因 此必须把特性曲线简化。 （见右侧电路图）
有三种简化方法：
整理ppt
3
第 一
第二种
种
0.5V
VON0.7V
+
-
第
三
种 整理ppt
4
3.动态特性 输入信号快变化时的特性。
当外加电压突然由正向 变为反向时，二极管会短时 间导通。
这段时间用tre表示，称为 反向恢复时间。
按制造工艺分类：
双极型集成电路； 单极型集成电路；
我们介绍TTL电路。 整理ppt 我们介绍CMOS电路。 15
（一） CMOS反相器的电路结构
N沟道管开启电压VGS(th)N记为VTN; P沟道管开启电压VGS(th)P记为VTP;
要求满足VDD VTN+|VTP|;
++ __
VA=VB=3V D1,D2导通，VY=3.7V
VA=3V,VB=0V D2导通，D1截止，VY=0.7V
VA=0V,VB=3V D1导通，D2截止，VY=0.7V
A
VA VB VY
ABY
B
Y
0 0 0.7 0 3 0.7
000 010
缺点：1.电平偏移；
3 0 0.7
100
2.负载能力差。
约为几皮法。 D
•动态特性—延迟作用（书上没有）。
由于是单极型器件，无电荷存储效应。
动态情况下，主要是输入电容和负载电
容起作用，使漏极电流和漏源电压都滞
后于输入电压的变化。其延迟时间比双
极型三极管还要长。
整理ppt
电路图 12
5.MOS管的四种类型
(1)N沟道增强型 (2)P沟道增强型
开启电压
(3)N沟道耗尽型 (4)P沟道耗尽型
它是由于二极管正
向导通时PN结两侧的多
数载流子扩散到对方形
成电荷存储引起的。
tre Di
RL
整理ppt
5
二、二极管与门
由于二极管门电路有严重的缺点，在集成电路 中并不使用，但可帮助理解集成门的工作原理。
设：VCC=5V, VIH=3V, VIL=0V VA=VB=0V D1,D2导通，VY=0.7V
它也有三个工作区 压为4V和3V时的 夹断点。
相应曲线称为转移特性。 整理ppt
10
3.MOS管的基本开关电路
注意：VDD必须为正。
当 I =0V时，MOS 管截止， O = VDD；
当 I =VDD时，MOS管导通，其内阻用RON表示。
O
RON RONRD
V VDCD C
若RD R ON，则
源极 Source
栅极 Gate
(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)
称为：金属—氧化物—半导体场 效应管或绝缘栅场效应管
D 漏极 Drain
G
导电沟道
S
(反型层)
S
D
B
当 GS 大于VGS(th)时，将出现导电沟道。 VGS(th)称为开启电压，
第一节 概述 门电路：实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。
门电路的两种输入，输出电平：高电平、低电平。它们分别对应
逻辑电路的1,0状态。
高电平
正逻辑：1代表高电平；0代表低电平。
VCC
VCC
负逻辑：0代表 高电平；1代表 低电平。
0V
0V
整理ppt
低电平 1
当代门电路（所有数字电路）均已集成化。 根据制造工艺不同可分为单极型和双极型两大类。 门电路中晶体管均工作在开关状态。 本章介绍两类门电路。 其中包括介绍晶体管和场效应管的开关特性。
与管子构造有关。
导电沟道将源区和漏区连成一整体理p。pt 此时在D,S间加电压DS
， 8
将形成漏极电流iD。 称为N沟道增强型场效应管
显然，导电沟道的厚度与栅源电压大小有关。而沟道越
厚，管子的导通电阻RON越小。因而，若DS 不变， GS 就
可控制漏极电流iD。因此把MOS管称为电压控制器件。
2.输入输出特性 •输入特性可不讨论。 •输出特性
夹断电压
P沟道增强型：
整理ppt
13
请参阅79页，表3.3.1
整理ppt
14
二. CMOS反相器的电路结构和工作原理 Complementary-Symmetry MOS .互补对称式MOS电路。
1961年美国德克萨斯仪器公司首先制成集成电路。英文 Integrated Circuit,简称IC。
o 0,
MOS管工作在可变电阻区。
RON
N+
N+
整理ppt
回下页 11
4.MOS管的开关特性及等效电路
•静态特性—三个工作区。
可变电阻区： G,D G SV G(tS h )
截止区： G,SGD V G(tS h )
恒流区： G S V G (t) h S ,G D V G (t) h S 等效电路如图，其中CI为栅极输入电容。
要点：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。
【题3.12】，【题3.16】 ，【题3.18】， 【题3.19】，【题3.20】，【题3.29】
整理ppt
2
第二节 半导体二极管门电路 一、二极管的开关特性
1.开关电路举例 2.静态特性 输入信号慢变化时的特性。 •伏安特性
集成电路的优点：体积小、重量轻、可靠性高，功耗低。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。
按集成度分类：
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,
1 1 1 整理ppt
6
3 3 3.7
三、二极管或门
VA VB VY 000
D1,D2截止
0 3 2.3 D1截止,D2导通
3 0 2.3 3 3 2.3
D1导通,D2截止 D1,D2导通
ABY
000百度文库
A
Y 011
B
101
1 1 1整理ppt
7
第三节 CMOS门电路
一.MOS管的开关特性 1.MOS管的工作原理
整理ppt
9
空间电荷区 夹断 可变电阻区
夹断点
恒 流 区
固定电阻
截
止
区
VGS(th)=2V
设 GS ＝5V
VDS=0V出现沟道。 VDS增加，则沟道“倾斜”（阻值增加）。
恒VG流D=区VG中S(itDh)只时受，沟G道S “控夹制断，”其。关V动系D，S式再但为增iD：加不时变，。同夹理断可点求向出源栅区源移电
•等效电路
在数字电路中重点在 判断二极管开关状态，因 此必须把特性曲线简化。 （见右侧电路图）
有三种简化方法：
整理ppt
3
第 一
第二种
种
0.5V
VON0.7V
+
-
第
三
种 整理ppt
4
3.动态特性 输入信号快变化时的特性。
当外加电压突然由正向 变为反向时，二极管会短时 间导通。
这段时间用tre表示，称为 反向恢复时间。
按制造工艺分类：
双极型集成电路； 单极型集成电路；
我们介绍TTL电路。 整理ppt 我们介绍CMOS电路。 15
（一） CMOS反相器的电路结构
N沟道管开启电压VGS(th)N记为VTN; P沟道管开启电压VGS(th)P记为VTP;
要求满足VDD VTN+|VTP|;
++ __
VA=VB=3V D1,D2导通，VY=3.7V
VA=3V,VB=0V D2导通，D1截止，VY=0.7V
VA=0V,VB=3V D1导通，D2截止，VY=0.7V
A
VA VB VY
ABY
B
Y
0 0 0.7 0 3 0.7
000 010
缺点：1.电平偏移；
3 0 0.7
100
2.负载能力差。
约为几皮法。 D
•动态特性—延迟作用（书上没有）。
由于是单极型器件，无电荷存储效应。
动态情况下，主要是输入电容和负载电
容起作用，使漏极电流和漏源电压都滞
后于输入电压的变化。其延迟时间比双
极型三极管还要长。
整理ppt
电路图 12
5.MOS管的四种类型
(1)N沟道增强型 (2)P沟道增强型
开启电压
(3)N沟道耗尽型 (4)P沟道耗尽型
它是由于二极管正
向导通时PN结两侧的多
数载流子扩散到对方形
成电荷存储引起的。
tre Di
RL
整理ppt
5
二、二极管与门
由于二极管门电路有严重的缺点，在集成电路 中并不使用，但可帮助理解集成门的工作原理。
设：VCC=5V, VIH=3V, VIL=0V VA=VB=0V D1,D2导通，VY=0.7V
它也有三个工作区 压为4V和3V时的 夹断点。
相应曲线称为转移特性。 整理ppt
10
3.MOS管的基本开关电路
注意：VDD必须为正。
当 I =0V时，MOS 管截止， O = VDD；
当 I =VDD时，MOS管导通，其内阻用RON表示。
O
RON RONRD
V VDCD C
若RD R ON，则
源极 Source
栅极 Gate
(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)
称为：金属—氧化物—半导体场 效应管或绝缘栅场效应管
D 漏极 Drain
G
导电沟道
S
(反型层)
S
D
B
当 GS 大于VGS(th)时，将出现导电沟道。 VGS(th)称为开启电压，