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1、第三章数字电路第1页，共79页，编辑于2022年，星期二正逻辑：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高高高高/低电平都有一低电平都有一低电平都有一低电平都有一个允许的范围个允许的范围个允许的范围个允许的范围第2页，共79页，编辑于2022年，星期二门电路分类门电路分类：分立元件门电路分立元件门电路集成门电路集成门电路分立元件门电路介绍二极管与门分立元件门电路介绍二极管与门、或门或门集成门电路介绍应用最为广泛的集成门电路介绍应用最为广泛的 CMOS CMOS门电路和门电路和TTLTTL门电路门电路双极型三极管组成双极型三极管组成TTL门电路，功耗大门电路，功耗大制作中，小
2、规模集成电路（制作中，小规模集成电路（MSI,SSI）单极型三极管（互补单极型三极管（互补MOS管）组成管）组成CMOS门电路，低功耗门电路，低功耗大规模集成电路（大规模集成电路（LSI）第3页，共79页，编辑于2022年，星期二3.2半导体二极管门电路半导体二极管的结构和外特性（Diode）二极管的结构：二极管的结构：PNPN结结 +引线+封装构成(P)(N)D D第4页，共79页，编辑于2022年，星期二二极管的开关等效电路：3.2.13.2.1二极管的开关特性：二极管的开关特性：RL较小第5页，共79页，编辑于2022年，星期二二极管的开关等效电路：理想二极管第6页，共79页，编辑于20
3、22年，星期二3.2.2 二极管与门设设VCC=5V加到加到A,B的的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时二极管导通时 VON=0.7VABY0V0V0V3V3V0V3V3VABY000010100111规定3V以上为10.7V以下为0（正逻辑）0.7V0.7V0.7V3.7V第7页，共79页，编辑于2022年，星期二3.2.3 二极管或门设设加到加到A,B的的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时二极管导通时 VON=0.7VABY0V0V0V3V3V0V3V3VABY000011101111规定2.3V以上为10V以下为00V2.3V2.3V2.3V第8页，共79页，编辑于2022年
4、，星期二二极管构成的门电路的缺点电平有偏移带负载能力差只用于IC内部电路，不直接带负载第9页，共79页，编辑于2022年，星期二3.3 CMOS门电路3.3.1 MOS管的开关特性一、MOS管的结构S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底第10页，共79页，编辑于2022年，星期二以N沟道增强型为例：第11页，共79页，编辑于2022年，星期二以以N N沟道增强型沟道增强型为例：为例：当加当加+V+VDSDS时，时，V VGSGS=0=0时，时，D-SD-S间是两个背向间是两个背向PNPN结串联，结串联，i iD D=0=0开启电压加上加
5、上+V+VGSGS，且足够大至，且足够大至V VGSGS V VGS(th)GS(th),D-S,D-S间形成导电沟道（间形成导电沟道（N N型层）型层）第12页，共79页，编辑于2022年，星期二对于对于N N沟道增强型沟道增强型:第13页，共79页，编辑于2022年，星期二二、输入特性和输出特性输入特性：直流电流为输入特性：直流电流为0 0，没有，没有输入特性。输入特性。看进去有一个输看进去有一个输入电容入电容C CI I，对动态有影响。，对动态有影响。输出特性：输出特性：i iD D=f(V=f(VDSDS)对应不同的对应不同的V VGSGS下得一族曲线下得一族曲线 。第14页，共79页
6、，编辑于2022年，星期二漏极特性曲线（分三个区域）截止区恒流区可变电阻区第15页，共79页，编辑于2022年，星期二漏极特性曲线（分三个区域）截止区：VGS 109第16页，共79页，编辑于2022年，星期二漏极特性曲线（分三个区域）可变电阻区：当VDS 较低（近似为0），VGS 一定时，这个电阻受VGS 控制、可变。第17页，共79页，编辑于2022年，星期二截止区和可变电阻区可作开关状态用，这和三极管截止饱和是一样的。第18页，共79页，编辑于2022年，星期二漏极特性曲线（分三个区域）恒流区：恒流区：i iD D 基本上由VGSGS决定，与VDS 关系不大关系不大第19页，共79页，编
7、辑于2022年，星期二三、MOS管的基本开关电路第20页，共79页，编辑于2022年，星期二四、等效电路OFF OFF，截止状态，截止状态 ONON，导通状态，导通状态第21页，共79页，编辑于2022年，星期二五、MOS管的四种类型1、N沟道增强型导电沟道是N型，所以衬底是P型。第22页，共79页，编辑于2022年，星期二2、N沟道耗尽型五、MOS管的四种类型导电沟道是N型。第23页，共79页，编辑于2022年，星期二3、P沟道增强型五、MOS管的四种类型第24页，共79页，编辑于2022年，星期二4、P沟道耗尽型五、MOS管的四种类型第25页，共79页，编辑于2022年，星期二第26页，共
8、79页，编辑于2022年，星期二3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理一、电路结构DDSS第27页，共79页，编辑于2022年，星期二DDSS第28页，共79页，编辑于2022年，星期二反相器结构简单，利用反相器结构简单，利用NMOSNMOS与与PMOSPMOS导电的互补性，导电的互补性，叫互补对称式叫互补对称式MOSMOS电路，称电路，称CMOSCMOS电路。电路。CMOSCMOS电路优点：电路优点：静态时，流过静态时，流过T T1 1T T2 2的静态电流很小，始终有一个截止的静态电流很小，始终有一个截止功耗为功耗为0 0；输出的高电平基本上是输出的高电平基本上是V VDDDD，电
9、源利用率高。，电源利用率高。第29页，共79页，编辑于2022年，星期二二、电压、电流传输特性DDSS第30页，共79页，编辑于2022年，星期二二、电压、电流传输特性DDSS第31页，共79页，编辑于2022年，星期二二、电压、电流传输特性DDSS第32页，共79页，编辑于2022年，星期二二、电压、电流传输特性连起来：DDSS第33页，共79页，编辑于2022年，星期二三、输入噪声容限结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限第34页，共79页，编辑于2022年，星期二电流传输特性DDSS第35页，共79页，编辑于2022年，星期二3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性一、输入特性一
10、、输入特性第36页，共79页，编辑于2022年，星期二二、输出特性第37页，共79页，编辑于2022年，星期二二、输出特性二、输出特性第38页，共79页，编辑于2022年，星期二第39页，共79页，编辑于2022年，星期二3.3.4 CMOS反相器的动态特性一、传输延迟时间第40页，共79页，编辑于2022年，星期二二、交流噪声容限（自学）三、动态功耗第41页，共79页，编辑于2022年，星期二三、动态功耗第42页，共79页，编辑于2022年，星期二3.3.5 其他类型的CMOS门电路一、其他逻辑功能的门电路1.与非与非门两个PMOS并联，两个NMOS串联第43页，共79页，编辑于2022年，
11、星期二2.或非门或非门一、其他逻辑功能的门电路第44页，共79页，编辑于2022年，星期二二、漏极开路的门电路（OD门）菱形表示OD门(a)结构符号第45页，共79页，编辑于2022年，星期二菱形表示OD门第46页，共79页，编辑于2022年，星期二三、三、CMOS CMOS传输门及双向模拟开关传输门及双向模拟开关1.传输门并联，工作状态受C、C控制。TP的B接高电平TN的B接低电平假如uo加电阻接地TPTNSDDS第47页，共79页，编辑于2022年，星期二2.双向模拟开关双向模拟开关第48页，共79页，编辑于2022年，星期二四、三态输出门三角形表示三态门第49页，共79页，编辑于2022
12、年，星期二三态门的用途第50页，共79页，编辑于2022年，星期二3.5 TTL门电路3.5.1 3.5.1 半导体三极管的开关特性一、双极型三极管的结构 管芯管芯+三个引出电极三个引出电极+外壳外壳第51页，共79页，编辑于2022年，星期二二、三极管的输入特性和输出特性 三极管的输入特性曲线（NPNNPN）与二极管正向特性相似。与二极管正向特性相似。第52页，共79页，编辑于2022年，星期二 特性曲线分三个部分特性曲线分三个部分放大区：特点放大区：特点V VBE BE=0.7V,V=0.7V,VCE CE 0.7V,I 0.7V,IB B 0,I 0,IC C=I IB B。饱和区：饱和
13、区：特点特点V VBE BE=0.7V,I=0.7V,IB B 0 0。I IB B增加，增加，I IC C不再增加，不再增加，V VCE CE 0 0。截止区：截止区：特点特点V VBE BE 0V,I 0V,IB B=0,I=0,IC C=0,ce=0,ce间间“断开断开”。三极管的输出特性第53页，共79页，编辑于2022年，星期二三、双极型三极管的基本开关电路只要参数合理：只要参数合理：只要参数合理：只要参数合理：V VI I=V=VILIL时，时，时，时，T T截止，截止，截止，截止，V VOO=V=VOHOHV VI I=V=VIHIH时，时，时，时，T T导通，导通，导通，导通，
14、V VOO=V=VOLOL第54页，共79页，编辑于2022年，星期二四、三极管的开关等效电路截止状态截止状态饱和导通状态饱和导通状态CE之间是断开的开关之间是断开的开关CE之间近似是闭合的开关之间近似是闭合的开关第55页，共79页，编辑于2022年，星期二六、三极管反相器三极管的基本开关电路就是反相器实际应用中，为保证VI=VIL时T可靠截止，常在 输入接入负压。参数合理？参数合理？参数合理？参数合理？V VI I=V=VILIL时，时，时，时，T T截止，截止，截止，截止，V VOO=V=VOHOHV VI I=V=VIHIH时，时，时，时，T T饱和，饱和，饱和，饱和，V VOO=V=V
15、OLOL五、动态开关特性（自学）五、动态开关特性（自学）第56页，共79页，编辑于2022年，星期二例3.5.1：计算参数设计是否合理5V-8V3.3K10K1K=20VCE(sat)=0.1VVIH=5VVIL=0V第57页，共79页，编辑于2022年，星期二例3.5.1：计算参数设计是否合理将基极外接电路化为等效的VB与RB电路第58页，共79页，编辑于2022年，星期二当当又因此，参数设计合理第59页，共79页，编辑于2022年，星期二3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构设 第60页，共79页，编辑于2022年，星期二二、电压传输特性第61页，共79页，编辑于2022
16、年，星期二二、电压传输特性第62页，共79页，编辑于2022年，星期二二、电压传输特性第63页，共79页，编辑于2022年，星期二需要说明的几个问题：第64页，共79页，编辑于2022年，星期二三、输入噪声容限第65页，共79页，编辑于2022年，星期二3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性例：扇出系数（Fan-out），试计算门G1能驱动多少个同样的门电路负载。第66页，共79页，编辑于2022年，星期二输入第67页，共79页，编辑于2022年，星期二输出第68页，共79页，编辑于2022年，星期二3.5.4 TTL反相器的动态特性一、传输延迟时间1、现象第69页，共79页，编辑于
17、2022年，星期二3.5.5其他类型的TTL门电路一、其他逻辑功能的门电路1.与非门第70页，共79页，编辑于2022年，星期二2.或非门第71页，共79页，编辑于2022年，星期二二、集电极开路的门电路1、推拉式输出电路结构的局限性 输出电平不可调 负载能力不强，尤其是高电平输出负载能力不强，尤其是高电平输出 输出端不能并联使用 OCOC门门第72页，共79页，编辑于2022年，星期二2、OC门的结构特点第73页，共79页，编辑于2022年，星期二OC门输出并联实现线与第74页，共79页，编辑于2022年，星期二3、外接负载电阻RL的计算第75页，共79页，编辑于2022年，星期二3、外接负载电阻RL的计算第76页，共79页，编辑于2022年，星期二3、外接负载电阻RL的计算第77页，共79页，编辑于2022年，星期二三、三态输出门（Three state Output Gate,TS）第78页，共79页，编辑于2022年，星期二三态门的用途第79页，共79页，编辑于2022年，星期二