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1、会计学1数电学时门电路数电学时门电路第一页，共74页。3.1 概述概述(i sh)n n门电路：实现基本运算、复合(fh)运算的单元电路。如与门、与非门、或门 门电路中以高门电路中以高/低电平表低电平表示示(biosh)(biosh)逻辑状态的逻辑状态的1 1和和0 0第1页/共74页第二页，共74页。获得获得(hud)高、低电平的基本高、低电平的基本原理原理图.（）单开关电路 缺点：功耗大第2页/共74页第三页，共74页。获得获得(hud)高、低电平的基本高、低电平的基本原理原理图.（b）互补(h b)开关电路12Vccvccv0S2S1第3页/共74页第四页，共74页。在电子电路中，用高、
2、低在电子电路中，用高、低电平分别表示二值逻辑的电平分别表示二值逻辑的l和和0两种逻辑状态两种逻辑状态。能通过输人信号能通过输人信号Vl控制三控制三极管工作极管工作(gngzu)在截在截止和导通两个状态，它们止和导通两个状态，它们就可以起到图中开关就可以起到图中开关S的的作用。作用。正逻辑：高电平表示正逻辑：高电平表示1，低电平表示低电平表示0负逻辑：高电平表示负逻辑：高电平表示0，低电平表示低电平表示1高/低电平都允许有一定(ydng)的变化范围只要能够区分出高低电平即可第4页/共74页第五页，共74页。在最初在最初(zuch)(zuch)的数字逻辑电路中，每个门电路都是用若干个分立的半导体器
3、件和电阻、电的数字逻辑电路中，每个门电路都是用若干个分立的半导体器件和电阻、电容连接而成的。用这种单元电路组成大规模的数字电路是非常困难的。容连接而成的。用这种单元电路组成大规模的数字电路是非常困难的。19611961年美国德克年美国德克萨斯公司制成数字集成电路（萨斯公司制成数字集成电路（Integration CircuitsIntegration Circuits简称简称IC)IC)，随着数字集成电路的问世和大，随着数字集成电路的问世和大规模集成电路工艺水平的不断提高，今天已经能把大量的门电路集成在一块很小的半导规模集成电路工艺水平的不断提高，今天已经能把大量的门电路集成在一块很小的半导体
4、芯片上，构成功能复杂的体芯片上，构成功能复杂的“片上系统片上系统”。为数字电路的应用开拓了天地。为数字电路的应用开拓了天地。数字逻辑电路分类数字逻辑电路分类 从制造工艺上可以将目前使用的数字集成电路分为双极型、单极型和混含型三种。首先从制造工艺上可以将目前使用的数字集成电路分为双极型、单极型和混含型三种。首先得到推广应用的是双极型的得到推广应用的是双极型的TTLTTL电路。电路。但是但是TTLTTL电路存在着一个严重的缺点，它的功耗电路存在着一个严重的缺点，它的功耗比较大。由于这个原因，用比较大。由于这个原因，用TTLTTL电路只能作成小规模集成电路电路只能作成小规模集成电路(Small Sc
5、ale Integration(Small Scale Integration，简，简称称SSlSSl，其中仅包含，其中仅包含l0 l0个以内的门电路个以内的门电路)和中规模集成电路和中规模集成电路(Medium Scale Integration(Medium Scale Integration，简称，简称MSlMSl，其中包含，其中包含l0 l0一一100100个门电路个门电路)，而无法制作成大规模集成电路，而无法制作成大规模集成电路(LargeScale Integration(LargeScale Integration，简称简称LSlLSl，其中包含，其中包含100010000100
6、010000个门电路个门电路)和超大规模集成电路和超大规模集成电路(Very Large Scale Integration(Very Large Scale Integration，简称，简称VLSlVLSl，其中包含，其中包含1000010000个以上的门电路个以上的门电路)。第5页/共74页第六页，共74页。CMOS集成电路出现于20世纪60年代后期，它最突出的优点在于功耗极低，所以非常适合于制作大规模集成电路。随着CMOS制作工艺的不断进步，无论在工作速度还是在驱动能力上，CMOS电路都已经不比TTL电路逊色。因此，CMOS电路便逐渐取代TTL电路而成为当前数字集成电路的主流产品。不过
7、在现有的一些设备中仍旧在使用TTL电路。所以掌握TTL电路的基本工作原理和使用知识仍然是必要(byo)的。本章简要介绍TTL和CMOS这两种目前使用最多的数字集成门电路。第6页/共74页第七页，共74页。3.2半导体二极管门电路半导体二极管门电路二极管的结构(jigu)：PN结+引线+封装构成PN 二极管的特性二极管的特性(txng)(txng)：单向导电性：单向导电性 导通后压降固定不变（钳位）导通后压降固定不变（钳位）第7页/共74页第八页，共74页。3.2.1二极管的开关二极管的开关(kigun)特性：特性：高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0 VI=VIH D截止(jizh)，VO
8、=VOH=VCCVI=VIL D导通，VO=VOL=0.7V二极管开关电路第8页/共74页第九页，共74页。二极管的开关二极管的开关二极管的开关二极管的开关(kigun)(kigun)等等等等效电路：效电路：效电路：效电路：二极管的导通压降VON和正向电阻(dinz)rD不能被忽略时理想(lxing)开关二极管正向电压小于 Von电流近似为0第9页/共74页第十页，共74页。二极管的动态电流二极管的动态电流二极管的动态电流二极管的动态电流(dinli)(dinli)波形：波形：波形：波形：在动态情况下，即加到二极管两端的电压突然反向时，由于外加电压由反向突然变为正向时，要等到PN结内部建立起足
9、够的电荷梯度后才开始有扩散电流形成，因而正向导通电流的建立要稍微滞后一点。当外加电压突然由正向变为反向时，因为 PN结内尚有一定数量的存储电荷，所以有较大的瞬态反向电流流过，如图所示。随着存储电荷的消散(xiosn)，反向电流迅速衰减并趋近于稳态时的反向饱和电流。瞬态反向电流的大小和持续时间的长短取决于正向导通时电流的大小、反向电压和外电路电阻的阻而且与二极管本身的特性有关。反向电流持续的时间用反向恢复时间 tre来定量描述。tre是指反向电流从它的峰值衰减到峰值的十分之一所经过的时间。数值在凡纳秒以内，所以用普通的示波器不容易看不到瞬态波形。第10页/共74页第十一页，共74页。3.2.2
10、二极管与门设VCC=5V加到A,B的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时 VDF=0.7VAB Y0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY000010100111规定(gudng)3V以上为10.7V以下(yxi)为0第11页/共74页第十二页，共74页。3.2.3 二极管或门二极管或门设VCC=5V加到A,B的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时 VDF=0.7VABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABY000011101111规定(gudng)2.3V以上为10V以下(yxi)为0第12页/共74页第十三页，共74页。二极
11、管构成二极管构成二极管构成二极管构成(guchng)(guchng)的门电路的的门电路的的门电路的的门电路的缺点缺点缺点缺点n n电平电平(din pn(din pn)有偏移有偏移n n带负载能力差带负载能力差n n只用于只用于ICIC内部电路内部电路为了便于理解，接着先介绍(jisho)TTL门电路，（见教材109页）后介绍(jisho)CMOS门电路。第13页/共74页第十四页，共74页。3.5 TTL门电路3.5.1双极型三极管的开关(kigun)特性（BJT,Bipolar JunctionTransistor）一、双极型三极管的结构：管芯+三个引出(yn ch)电极+外壳第14页/共
12、74页第十五页，共74页。基区薄低掺杂(chn z)发射区高掺杂(chn z)集电区低掺杂(chn z)管芯由三层P型和N型半导体结合在一起而构成有NPN型和PNP型两种，它们的示意图如图。因为在工作时有电子和空穴两种载流子参与导电过程，故称这类三报管为双极型三极管。第15页/共74页第十六页，共74页。二、双极型三极管二、双极型三极管（NPN）的输入输出特）的输入输出特性性(txng)VON：开启电压(diny)硅管，0.5 0.7V锗管，0.2 0.3V近似认为:VBE 0.7V以后，基本(jbn)为水平直线图图3.5.2(b)3.5.2(b)输出特性曲线输出特性曲线(qxin)(qxin
13、)第17页/共74页第十八页，共74页。特性曲线分三个部分(b fen)放大区：条件VCE 0.7V,iB 0,iC随iB成正比变化，iC=iB。饱和区：条件VCE 0,VCE 很低，iC 随iB增加变缓，趋于“饱 和”。（深度饱和时VCE 0.2V)截止区：条件VBE=0V,iB=0,iC=0,ce间“断开”。（Iceo+VGS(th),D-S间形成(xngchng)导电沟道P沟道增强型：VGS-VGS(th),D-S间形成(xngchng)导电沟道3.3 CMOS门电路门电路一、一、MOS管的开关管的开关(kigun)特性特性第58页/共74页第五十九页，共74页。二、输入二、输入(shr
14、)特性和输出特特性和输出特性性输入特性：直流电流为0，看进去有一个输入电容CI，对动态(dngti)有影响。输出特性：iD=f(VDS)对应不同的VGS下得一族曲线。可变电阻区恒流区截止(jizh)区第59页/共74页第六十页，共74页。三、三、MOS管的基本管的基本(jbn)开关开关电路电路第60页/共74页第六十一页，共74页。四、等效电路四、等效电路OFF，截止(jizh)状态 ON，导通状态第61页/共74页第六十二页，共74页。3.3.2 CMOS反相器的电路反相器的电路(dinl)结构和工作原理结构和工作原理一、电路一、电路一、电路一、电路(dinl)(dinl)结构结构结构结构第
15、62页/共74页第六十三页，共74页。二、电压、电流传输二、电压、电流传输(chun sh)特性特性第63页/共74页第六十四页，共74页。三、输入三、输入(shr)噪声容噪声容限限第64页/共74页第六十五页，共74页。3.3.3 CMOS 反相器的静反相器的静态态(jngti)输入和输出特输入和输出特性性一、输入(shr)特性第65页/共74页第六十六页，共74页。二、输出特性二、输出特性第66页/共74页第六十七页，共74页。二、输出特性二、输出特性第67页/共74页第六十八页，共74页。二、漏极开路二、漏极开路(kil)的门电路的门电路（OD门）门）第68页/共74页第六十九页，共74页。第69页/共74页第七十页，共74页。三、三、CMOS传输门及双传输门及双向模拟向模拟(mn)开关开关1.传输(chun sh)门第70页/共74页第七十一页，共74页。2.双向模拟(mn)开关利用CMOS传输门还可以实现各种复杂的逻辑电路(lu j din l)，如：异或门，计数器，寄存器等等。第71页/共74页第七十二页，共74页。四、三态输出四、三态输出(shch)门门第72页/共74页第七十三页，共74页。三态门的用途三态门的用途(yngt)第73页/共74页第七十四页，共74页。