数字电子技术基础(第三章 门电路)
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3.1 概述
由表中可以看出
正负逻辑式互为对偶式, 即若给出一个正逻辑的逻辑 式,则对偶式即为负逻辑的 逻辑式,如正逻辑为或门, 即Y=A+B,对偶式为YD= AB。正负逻辑的使用依个人 的习惯,但同一系统中采用 一种逻辑关系,本书采用
表3.1.1 正负逻辑对应的门电路 正逻辑 与门 或门 与非门 或非门 异或门 同或门 负逻辑 或门 与门 或非门 与非门 同或门 异或门
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3.2.1半导体二极管的开关特性 在输入信号频率较低时, 二极管的导通和截止的转换时 间可以认为是瞬间完成的。但 在输入信号频率较高时,此时 间就不能忽略了。 将二极管由截止转向导 ton 通所需的时间称为正向恢复 时间(开通时间)ton;二极 管由导通转向截止所需的时 间称为反向恢复时间(关断 时间)tre,两者统称为二极 图3.2.3 二极管动态电流波形 管的开关时间,一般ton<< tre
3.1 概述 3.2 半导体二极管门电路
3.3 CMOS门电路
3.4* 其他类型的MOS集成门电路
3.5 TTL门电路
3.6* 其他类型的双极型集成门电路
3.7* Bi-CMOS电路
3.8* TTL门电路与CMOS门电路的接口
3.1 概述
1. 门电路: 实现基本逻辑运算和复合运算的单元电路称为门 电路,常用的门电路有非门、与非门、或非门、异或 门、与或非门等 2. 正负逻辑系统 (1) 正逻辑: 在二值逻辑中,如果 用高电平表示逻辑“1” , 低电平表示逻辑“0” ,在 这种规定下的逻辑关系称 为正逻辑,如图3.1.1所示
-
(b)转移特性 (a)共源极接法 图3.3.5 增强型PMOS管共源极接法和转移特性
当vGS>VGS(th),管子截止, iD = 0 中英文日报导航站
图3.1.1 正负逻辑示意图
3.1 概述
(2) 负逻辑:
在二值逻辑中,如果 用高电平表示逻辑“0” , 低电平表示逻辑“1” ,在 这种规定下的逻辑关系称 为负逻辑,如图3.1.1所示。
图3.1.1 正负逻辑示意图
同一逻辑电路采用不同的逻辑关系,其逻 辑功能是完全不同的,如表3.1.1正负逻辑对应 的逻辑电路
tre
3.2.2 二极管与门 简单的二极管与 门电路如图3.2.4所示 设VCC=5V,输 入端A、B的高低电平 为VIH=3V, VIL =0V,二极管的正向 导通压降为 VDF= 0.7V,则:
图3.2.4 二极管与门电路
当A、B中有一个是低电平0V时,至少有一个二极管导 通,使得输出Y的电压为0.7V,为低电平;只有A、B 中都加高电平3V时,两个二极管同时导通,使得输出Y 为3.7V,为高电平。 中英文日报导航站
Y 0V 2.3V 2.3V
2.3V
规定2.3V以上为1 0V以下为0
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3.2.2 二极管或门
二极管构成的门电路的缺点:
1.电平有偏移:输出的高低电平数值与输入的高低电平 数值相差一个二极管的压降,后级的二极管门电路电 平偏移,甚至使得高电平下降到门限值以下 2.带负载能力差:由于这种二极管门电路的输出电阻 比较低,故带负载能力差,输出电平会随负载的变化 而变化。 •只用于IC内部电路
D G S
(a)标准符号
D B G S
(b)简化符号
图3.3.4 增强型PMOS管的符号
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3.3.1 MOS管(绝缘栅)的开关特性
增强型PMOS共源极接法电路如图3.3.5(a)所示, 转移特性如(b)所示
+
vGS(th)
iD
0
vGS
v
+ GS -
vDS
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3.1 概述
Vcc
互补开关电路的原理为 开关S1和S2受同一输入 信号vI的控制,而且导通和 断开的状态相反。当S1闭合 时,S2断开,输出为高电平 “1”;相反当S1断开时,S2 闭合,输出为高电平“0”。
S1
输 入v I 信 号 输 vo 出 信 号
S2
图3.1.3 互补开关电路
NMOS共源极接法电路如图3.3.2(a)所示,输出特 性如(b)所示
图3.3.2 NMOS管共源极接法电路及其输出特性 中英文日报导航站
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3.3.1 MOS管(绝缘栅)的开关特性
增强型NMOS共源极接法电路如图3.3.3(a)所示,转 移特性如(b)所示
开启电压
(a) (b) 图3.3.3 NMOS管共源极接法电路 当vGS<VGS(th),管子截止, iD = 0, ROFF > 109Ω 中英文日报导航站
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3.2.2 二极管与门 其输入输出及真值表如表 3.2.1和3.2.2所示 其输出Y和输入A、B是与的关系, 即
Y A B
表3.2.1 A B 0V 0V 0V 3V 3V 0V 3V 3V
表3.2.2 Y 0.7V 0.7V 0.7V 3.7V
规定3V以上为“1”
3.2.1半导体二极管的开关特性
二极管的动态电流波形如图3.2.3所示 这是由于在输入电压转 换状态的瞬间,二极管由反 向截止到正向导通时,内电 场的建立需要一定的时间, 所以二极管电流的上升是缓 慢的;当二极管由正向导通 到反向截止时,二极管的电 流迅速衰减并趋向饱和电流 也需要一定的时间。由于时 间很短,在示波器是无法看 到的 图3.2.3 二极管动态电流波形 中英文日报导航站
正逻辑
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3.1 概述
3. 高低电平的实现 在数字电路中,输入输出 都是二值逻辑,其高低电平用 “0”和“1”表示。其高低电平 的获得是通过开关电路来实现, 如二极管或三极管电路组成。 如图3.1.2所示。 图3.1.2 高低电平实现原理电路 其原理为: 当开关S断开时,输出电压vo=Vcc,为高电平“1”; 当开关闭合时,输出电压vo=0,为低电平“0”;若开 关由三极管构成,则控制三级管工作在截止和饱和状 态,就相当开关S的断开和闭合。 中英文日报导航站
第三章 门电路
内容提要:
本章主要讲述数字电路的基本逻辑单元--门电 路,有TTL逻辑门、MOS逻辑门。在讨论半导体二极 管和三极管及场效应管的开关特性基础上,讲解它们 的电路结构、工作原理、逻辑功能、电器特性等等, 为以后的学习及实际使用打下必要的基础。本章重点 讨论TTL门电路和CMOS门电路。
本章主要内容
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3.2.2 二极管或门
其输入输出及真值表 如表3.2.3和3.2.4所示 其输出Y和输入A、B是与 的关系,即
Y A B
表3.2.3 A B 0V 0V 0V 3V 3V 0V 3V 3V
图3.2.5 二极管或门电路 表3.2.4 A B Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1
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3.3.1 MOS管(绝缘栅)的开关特性
一、MOS管的类型和符号 a. 增强型NMOS
符号如图3.3.1所示
G
D B S G
D
S
(b)简化符号
(a)标准符号
图3.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ.1 增强型NMOS管的符号
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3.3.1 MOS管(绝缘栅)的开关特性
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3.1 概述
单开关电路功耗较大,目前出现互补开关电路 (如CMOS门电路),即用一个管子代替图3.1.2中的电 阻,如图3.1.3所示
Vcc S1
输 入v I 信 号 输 vo 出 信 号
S2
图3.1.3 互补开关电路
图3.1.2高低电平实现原理电路 中英文日报导航站
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3.3 CMOS门电路
CMOS逻辑门电路是在TTL器件之后,出现的应 用比较广泛的数字逻辑器件,在功耗、抗干扰、带负 载能力上优于TTl逻辑门,所以超大规模器件几乎都 采用CMOS门电路,如存储器ROM、可编程逻辑器件 PLD等 国产的CMOS器件有CC4000(国际 CD4000/MC4000)、高速54HC/74HC系列(国际 MC54HC/74HC),此外还有兼容型的74HCT和74BCT 系列(BiCMOS) 先介绍74系列的反相器和逻辑门,再简单介绍其 它系列的逻辑门
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3.2.1半导体二极管的开关特性
当vI=VIL=0时,D导通, 输出电压vo= VOL =0
即可以用输入电压vi的高低电 平控制二极管的开关状态,并在 输出端得到相应的高低电平 2.二极管动态特性:
图3.2.1 二极管的开关电路
当电路处于动态状态,即二极管两端电压突然反 向时,半导体二极管所呈现的开关特性称为动态开关 特性(简称动态特性)
小规模(SSI-Small Scale Integration) 中规模(MSI - Medium Scale Integration) 按规模分(每片IC所含元器件数)大规模(LSI -Large Scale Integration) 超大规模(VLSI -Very Large Scale 3~ 105 /片 10 Integration)
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3.2 半导体二极管门电路
3.2.1半导体二极管的开关特性 1. 稳态开关特性 将图3.1.2中的开关用二极管代替,则可得到图 3.2.1所示的半导体二极管开关电路
图3.1.2高低电平实现原理电路
图3.2.1 二极管的开关电路
3.2.1半导体二极管的开关特性 对于图3.2.1所示二极管开关 电路,由于二极管具有单向导电性, 故它可相当受外加电压控制的开关。 将电路处于相对稳定状态下, 晶体二极管所呈现的开关特性称为 稳态开关特性 图3.2.1 二极管的开关电路 设vi的高电平为VIH=VCC, vi的低电平为VIL=0,且D 为理想元件,即正向导通电阻为0,反向电阻无穷大, 则稳态时当vI=VIH=VCC时,D截止,输出电压vD= VOH= VCC
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≤100/片
(100~1000)/片
3.1 概述
按导电类型可分为
单极型(FET ) 按导电类型双极型(BJT ) 兼容型(FET +BJT )
数字集成电路的基本逻辑单元是集成逻辑门,因 此本章先介绍CMOS和TTL数字集成逻辑门的结构、 工作原理
0.7V以下为“0”
A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
Y 0 0 0 1
3.2.3 二极管或门
二极管或门电路如图 3.2.5所示 设输入端A、B的高 低电平为VIH=3V, VIL=0V,二极管的正 向导通压降为VDF= 0.7V,则:
图3.2.5 二极管或门电路
当A、B中有一个是低电平0V时,至少有一个二极管导 通,使得输出Y的电压为0.7V,为低电平;只有A、B 中都加高电平3V时,两个二极管同时导通,使得输出Y 为3.7V,为高电平。
图3.1.1 正负逻辑示意图
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3.1 概述
(2) 分类: 可分为分立元件逻辑门电路和集成逻辑门电路: 分立元件逻辑门电路是由半导体器件、电阻和电容连接 而成。集成逻辑门电路是将大量的分立元件通过特殊工 艺集成在很小的半导体芯片上。 数字集成电路根据规模可分为
互补开关电路由于两个开关总有一个是断开的, 流过的电流为零,故电路的功耗非常低,因此在数字 电路中得到广泛的应用
3.1 概述
4. 数字电路的概述 (1)优点: 在数字电路中由于采 用高低电平,并且高低电 平都有一个允许的范围, 如图3.1.1所示,故对元器 件的精度和电源的稳定性 的要求都比模拟电路要低, 抗干扰能力也强。
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3.3.1 MOS管(绝缘栅)的开关特性
(a) (b) 图3.3.3 NMOS管共源极接法电路
VGS >VGS (th) 时,管子导通,iD∝ V 2GS, RON<1kΩ 中英文日报导航站
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3.3.1 MOS管(绝缘栅)的开关特性
b. 增强型PMOS 符号如图3.3.4所示
3.1 概述
由表中可以看出
正负逻辑式互为对偶式, 即若给出一个正逻辑的逻辑 式,则对偶式即为负逻辑的 逻辑式,如正逻辑为或门, 即Y=A+B,对偶式为YD= AB。正负逻辑的使用依个人 的习惯,但同一系统中采用 一种逻辑关系,本书采用
表3.1.1 正负逻辑对应的门电路 正逻辑 与门 或门 与非门 或非门 异或门 同或门 负逻辑 或门 与门 或非门 与非门 同或门 异或门
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3.2.1半导体二极管的开关特性 在输入信号频率较低时, 二极管的导通和截止的转换时 间可以认为是瞬间完成的。但 在输入信号频率较高时,此时 间就不能忽略了。 将二极管由截止转向导 ton 通所需的时间称为正向恢复 时间(开通时间)ton;二极 管由导通转向截止所需的时 间称为反向恢复时间(关断 时间)tre,两者统称为二极 图3.2.3 二极管动态电流波形 管的开关时间,一般ton<< tre
3.1 概述 3.2 半导体二极管门电路
3.3 CMOS门电路
3.4* 其他类型的MOS集成门电路
3.5 TTL门电路
3.6* 其他类型的双极型集成门电路
3.7* Bi-CMOS电路
3.8* TTL门电路与CMOS门电路的接口
3.1 概述
1. 门电路: 实现基本逻辑运算和复合运算的单元电路称为门 电路,常用的门电路有非门、与非门、或非门、异或 门、与或非门等 2. 正负逻辑系统 (1) 正逻辑: 在二值逻辑中,如果 用高电平表示逻辑“1” , 低电平表示逻辑“0” ,在 这种规定下的逻辑关系称 为正逻辑,如图3.1.1所示
-
(b)转移特性 (a)共源极接法 图3.3.5 增强型PMOS管共源极接法和转移特性
当vGS>VGS(th),管子截止, iD = 0 中英文日报导航站
图3.1.1 正负逻辑示意图
3.1 概述
(2) 负逻辑:
在二值逻辑中,如果 用高电平表示逻辑“0” , 低电平表示逻辑“1” ,在 这种规定下的逻辑关系称 为负逻辑,如图3.1.1所示。
图3.1.1 正负逻辑示意图
同一逻辑电路采用不同的逻辑关系,其逻 辑功能是完全不同的,如表3.1.1正负逻辑对应 的逻辑电路
tre
3.2.2 二极管与门 简单的二极管与 门电路如图3.2.4所示 设VCC=5V,输 入端A、B的高低电平 为VIH=3V, VIL =0V,二极管的正向 导通压降为 VDF= 0.7V,则:
图3.2.4 二极管与门电路
当A、B中有一个是低电平0V时,至少有一个二极管导 通,使得输出Y的电压为0.7V,为低电平;只有A、B 中都加高电平3V时,两个二极管同时导通,使得输出Y 为3.7V,为高电平。 中英文日报导航站
Y 0V 2.3V 2.3V
2.3V
规定2.3V以上为1 0V以下为0
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3.2.2 二极管或门
二极管构成的门电路的缺点:
1.电平有偏移:输出的高低电平数值与输入的高低电平 数值相差一个二极管的压降,后级的二极管门电路电 平偏移,甚至使得高电平下降到门限值以下 2.带负载能力差:由于这种二极管门电路的输出电阻 比较低,故带负载能力差,输出电平会随负载的变化 而变化。 •只用于IC内部电路
D G S
(a)标准符号
D B G S
(b)简化符号
图3.3.4 增强型PMOS管的符号
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3.3.1 MOS管(绝缘栅)的开关特性
增强型PMOS共源极接法电路如图3.3.5(a)所示, 转移特性如(b)所示
+
vGS(th)
iD
0
vGS
v
+ GS -
vDS
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Vcc
互补开关电路的原理为 开关S1和S2受同一输入 信号vI的控制,而且导通和 断开的状态相反。当S1闭合 时,S2断开,输出为高电平 “1”;相反当S1断开时,S2 闭合,输出为高电平“0”。
S1
输 入v I 信 号 输 vo 出 信 号
S2
图3.1.3 互补开关电路
NMOS共源极接法电路如图3.3.2(a)所示,输出特 性如(b)所示
图3.3.2 NMOS管共源极接法电路及其输出特性 中英文日报导航站
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增强型NMOS共源极接法电路如图3.3.3(a)所示,转 移特性如(b)所示
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3.2.2 二极管与门 其输入输出及真值表如表 3.2.1和3.2.2所示 其输出Y和输入A、B是与的关系, 即
Y A B
表3.2.1 A B 0V 0V 0V 3V 3V 0V 3V 3V
表3.2.2 Y 0.7V 0.7V 0.7V 3.7V
规定3V以上为“1”
3.2.1半导体二极管的开关特性
二极管的动态电流波形如图3.2.3所示 这是由于在输入电压转 换状态的瞬间,二极管由反 向截止到正向导通时,内电 场的建立需要一定的时间, 所以二极管电流的上升是缓 慢的;当二极管由正向导通 到反向截止时,二极管的电 流迅速衰减并趋向饱和电流 也需要一定的时间。由于时 间很短,在示波器是无法看 到的 图3.2.3 二极管动态电流波形 中英文日报导航站
正逻辑
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3. 高低电平的实现 在数字电路中,输入输出 都是二值逻辑,其高低电平用 “0”和“1”表示。其高低电平 的获得是通过开关电路来实现, 如二极管或三极管电路组成。 如图3.1.2所示。 图3.1.2 高低电平实现原理电路 其原理为: 当开关S断开时,输出电压vo=Vcc,为高电平“1”; 当开关闭合时,输出电压vo=0,为低电平“0”;若开 关由三极管构成,则控制三级管工作在截止和饱和状 态,就相当开关S的断开和闭合。 中英文日报导航站
第三章 门电路
内容提要:
本章主要讲述数字电路的基本逻辑单元--门电 路,有TTL逻辑门、MOS逻辑门。在讨论半导体二极 管和三极管及场效应管的开关特性基础上,讲解它们 的电路结构、工作原理、逻辑功能、电器特性等等, 为以后的学习及实际使用打下必要的基础。本章重点 讨论TTL门电路和CMOS门电路。
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3.2.2 二极管或门
其输入输出及真值表 如表3.2.3和3.2.4所示 其输出Y和输入A、B是与 的关系,即
Y A B
表3.2.3 A B 0V 0V 0V 3V 3V 0V 3V 3V
图3.2.5 二极管或门电路 表3.2.4 A B Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1
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3.3.1 MOS管(绝缘栅)的开关特性
一、MOS管的类型和符号 a. 增强型NMOS
符号如图3.3.1所示
G
D B S G
D
S
(b)简化符号
(a)标准符号
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3.3.1 MOS管(绝缘栅)的开关特性
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3.1 概述
单开关电路功耗较大,目前出现互补开关电路 (如CMOS门电路),即用一个管子代替图3.1.2中的电 阻,如图3.1.3所示
Vcc S1
输 入v I 信 号 输 vo 出 信 号
S2
图3.1.3 互补开关电路
图3.1.2高低电平实现原理电路 中英文日报导航站
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3.3 CMOS门电路
CMOS逻辑门电路是在TTL器件之后,出现的应 用比较广泛的数字逻辑器件,在功耗、抗干扰、带负 载能力上优于TTl逻辑门,所以超大规模器件几乎都 采用CMOS门电路,如存储器ROM、可编程逻辑器件 PLD等 国产的CMOS器件有CC4000(国际 CD4000/MC4000)、高速54HC/74HC系列(国际 MC54HC/74HC),此外还有兼容型的74HCT和74BCT 系列(BiCMOS) 先介绍74系列的反相器和逻辑门,再简单介绍其 它系列的逻辑门
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当vI=VIL=0时,D导通, 输出电压vo= VOL =0
即可以用输入电压vi的高低电 平控制二极管的开关状态,并在 输出端得到相应的高低电平 2.二极管动态特性:
图3.2.1 二极管的开关电路
当电路处于动态状态,即二极管两端电压突然反 向时,半导体二极管所呈现的开关特性称为动态开关 特性(简称动态特性)
小规模(SSI-Small Scale Integration) 中规模(MSI - Medium Scale Integration) 按规模分(每片IC所含元器件数)大规模(LSI -Large Scale Integration) 超大规模(VLSI -Very Large Scale 3~ 105 /片 10 Integration)
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3.2 半导体二极管门电路
3.2.1半导体二极管的开关特性 1. 稳态开关特性 将图3.1.2中的开关用二极管代替,则可得到图 3.2.1所示的半导体二极管开关电路
图3.1.2高低电平实现原理电路
图3.2.1 二极管的开关电路
3.2.1半导体二极管的开关特性 对于图3.2.1所示二极管开关 电路,由于二极管具有单向导电性, 故它可相当受外加电压控制的开关。 将电路处于相对稳定状态下, 晶体二极管所呈现的开关特性称为 稳态开关特性 图3.2.1 二极管的开关电路 设vi的高电平为VIH=VCC, vi的低电平为VIL=0,且D 为理想元件,即正向导通电阻为0,反向电阻无穷大, 则稳态时当vI=VIH=VCC时,D截止,输出电压vD= VOH= VCC
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3.1 概述
按导电类型可分为
单极型(FET ) 按导电类型双极型(BJT ) 兼容型(FET +BJT )
数字集成电路的基本逻辑单元是集成逻辑门,因 此本章先介绍CMOS和TTL数字集成逻辑门的结构、 工作原理
0.7V以下为“0”
A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
Y 0 0 0 1
3.2.3 二极管或门
二极管或门电路如图 3.2.5所示 设输入端A、B的高 低电平为VIH=3V, VIL=0V,二极管的正 向导通压降为VDF= 0.7V,则:
图3.2.5 二极管或门电路
当A、B中有一个是低电平0V时,至少有一个二极管导 通,使得输出Y的电压为0.7V,为低电平;只有A、B 中都加高电平3V时,两个二极管同时导通,使得输出Y 为3.7V,为高电平。
图3.1.1 正负逻辑示意图
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3.1 概述
(2) 分类: 可分为分立元件逻辑门电路和集成逻辑门电路: 分立元件逻辑门电路是由半导体器件、电阻和电容连接 而成。集成逻辑门电路是将大量的分立元件通过特殊工 艺集成在很小的半导体芯片上。 数字集成电路根据规模可分为
互补开关电路由于两个开关总有一个是断开的, 流过的电流为零,故电路的功耗非常低,因此在数字 电路中得到广泛的应用
3.1 概述
4. 数字电路的概述 (1)优点: 在数字电路中由于采 用高低电平,并且高低电 平都有一个允许的范围, 如图3.1.1所示,故对元器 件的精度和电源的稳定性 的要求都比模拟电路要低, 抗干扰能力也强。
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(a) (b) 图3.3.3 NMOS管共源极接法电路
VGS >VGS (th) 时,管子导通,iD∝ V 2GS, RON<1kΩ 中英文日报导航站
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b. 增强型PMOS 符号如图3.3.4所示