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1、第二章 门电路第一页，本课件共有28页 2.1 1 半导体二极管、三极管和半导体二极管、三极管和MOS管的开关特管的开关特性性 2.1.1理想开关的开关特性理想开关的开关特性 一、静态特性(一)断开时,无论UAK在多大范围内变化,其等效电阻ROFF=,通过其中的电流IOFF=0.(二)闭合时,无论流过其中的电流在多大的范围内变化,其等效电阻RON=0,电压UAK=0.二、动态特性(一)开通时间 ton=0,即开关S由断开状态转换到闭合状态不需要时间,可以瞬时完成.(二)闭合时间toff=0,即开关S由闭合状态转换到断开状态不需要时间,亦可以瞬时完成.第二页，本课件共有28页因为半导体二极管具有
2、单向导电性，所以它相当于一个受外加因为半导体二极管具有单向导电性，所以它相当于一个受外加电压极性控制的开关电压极性控制的开关.1.1.二极管静态开关特性二极管静态开关特性 2.1.2 2.1.2 半导体的二极管的开关特性半导体的二极管的开关特性第三页，本课件共有28页 (a)电路图 (b)输入高电平时的等效电路 (c)输入低电平时的等效电路 图2.1 二极管静态开关电路及其等效电路 第四页，本课件共有28页2.2.二极管二极管动态动态开关特性开关特性 在高速开关在高速开关电电路中，需要了解二极管路中，需要了解二极管导导通与截止通与截止间间的快速的快速转换过转换过程。程。(a)(a)电电路路图图
3、 (b)(b)输输入脉冲入脉冲电压电压波形波形 (c)(c)实际电实际电路波形路波形图图2.2 2.2 二极管的二极管的动态动态开关特性开关特性第五页，本课件共有28页2.1.3 2.1.3 半半导导体的三极管的开关特性体的三极管的开关特性1 1三极管的三种工作状态三极管的三种工作状态 （1 1）截止状态：）截止状态：当当V VI I小于三极管发射结死区电压时，小于三极管发射结死区电压时，I IB BI ICBOCBO00，I IC CI ICEOCEO00，V VCECEV VCCCC，三极管工作在截止区，对应图，三极管工作在截止区，对应图1.4.51.4.5（b b）中的）中的A A点。点
4、。三极管工作在截止状态的条件为：三极管工作在截止状态的条件为：发射结反偏或小于死区电压发射结反偏或小于死区电压第六页，本课件共有28页 此此时时，若若调调节节R Rb b，则则I IB B，I IC C，V VCECE，工工作作点点沿沿着着负负载载线线由由A A点点BB点点CC点点DD点向上移动。在此期间，三极管工作在放大区，点向上移动。在此期间，三极管工作在放大区，其特点为其特点为I IC CIIB B。三极管工作在放大状态的条件为：三极管工作在放大状态的条件为：发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏 （2 2）放大状态：）放大状态：当当V VI I为正值且大于死区电压时，三极管导通。
5、有为正值且大于死区电压时，三极管导通。有 第七页，本课件共有28页 若若再再减减小小R Rb b，I IB B会会继继续续增增加加，但但I IC C已已接接近近于于最最大大值值V VCCCC/R RC C，不不会会再再增增加加，三三极极管管进进入入饱饱和和状状态态。饱饱和和时时的的V VCECE电电压压称称为为饱饱和和压压降降V VCESCES，其其典典型型值值为：为：V VCESCES0.3V0.3V。三极管工作在饱和状态的电流条件为：三极管工作在饱和状态的电流条件为：I IB B I IBS BS 电压条件为：电压条件为：集电结和发射结均正偏集电结和发射结均正偏（3 3）饱饱和和状状态态：
6、保保持持V VI I不不变变，继继续续减减小小R Rb b，当当V VCECE 0.7V0.7V时时，集集电电结结变变为为零零偏偏，称称为为临临界界饱饱和和状状态态，对对应应图图（b b）中中的的E E点点。此此时时的的集集电电极极电电流流称称为为集集电电极极饱饱和和电电流流，用用I ICSCS表表示示，基基极极电电流流称称为为基基极极临临界界饱饱和和电电流流，用用I IBSBS表示，有表示，有:第八页，本课件共有28页2.2 2.2 分立元器件门电路分立元器件门电路 一、二极管与门电路一、二极管与门电路（a）电路图 （B）逻辑符号 （C）工作波形 二极管与门的工作原理第九页，本课件共有28页
7、二、二极管或门电路二、二极管或门电路（a）电路图 （B）逻辑符号 （C）工作波形 二极管或门的工作原理 第十页，本课件共有28页2.2.22.2.2三极管非门三极管非门(反向器反向器)一、半导体三极管非门4.3kRbRc1kVcc5VTAU1YuQB=30电路符号AY第十一页，本课件共有28页 二、工作原理1.u1=u1L=0V时,半导体三极管T显然是截止的,因此iB=0、ic=0,所以VCC=5V.2.u1=U1H=5V时 iB=(U1H-uBE)/Rb=(5-0.7)/4.3=1mA IBSVCC/BRC=5/30mA0.17mA由于iBIBS,所以T饱和导通.是一个非逻辑运算,是由一个有
8、半导体三极管组成的非门.第十二页，本课件共有28页2.2.3 CMOS集成门电路一、CMOS反相器第十三页，本课件共有28页工作原理 输入低电平:Ui=0,Uo=1 输入高电平:Ui=1,Uo=0 第十四页，本课件共有28页二CMOS门电路或非门 驱动管并联 负载管并联 或非：有1出0，全1出1第十五页，本课件共有28页第十六页，本课件共有28页三.CMOS传输门电路结构：第十七页，本课件共有28页四三态门第十八页，本课件共有28页2 24 TTL4 TTL集成与非集成与非门电门电路路如果把分立元件电路中的半导体器件、电阻、电容及导线等都制造在一个半导体基片（通常是硅片）上，构成一个完整的电路
9、，封装在一个管壳内，就是集成门电路。基于半导体工艺的特点，集成电路中管子制造较容易，占芯片面积小，但电容和高阻值电阻制造较困难，占芯片面积较大。因此，在数字集成电路中，一般都避免使用电容和高阻值电阻，往往多用管子。第十九页，本课件共有28页数字集成电路可以分成两大类：一类以双极型晶体管为基本器件，称为双极型数字集成电路，属于这一类的有TTL等；另一类以MOS晶体管为基本器件，称为MOS型（或单极型）数字集成电路，属于这一类的有NMOS和CMOS等。数字集成电路按半导体器件：第二十页，本课件共有28页第二十一页，本课件共有28页按照集成度（即每一片硅片中所含元、器件数）的高低，可将集成电按照集成
10、度（即每一片硅片中所含元、器件数）的高低，可将集成电路分成小规模集成电路（路分成小规模集成电路（smallscaleIntegration,简称简称SSI），中规），中规模集成电路（模集成电路（MediumScaleIntegration,简称简称MSI），大规模集成），大规模集成电路（电路（LargeScaleIntegration，简称，简称LSI）和超大规模集成电路）和超大规模集成电路(VeryLargeScaleIntegration，简称，简称VLSI)。第二十二页，本课件共有28页1TTL集成与非门电路结构集成与非门电路结构 电电路路组组成成:输输入入级级 V1 V1多多发发射极管
11、射极管 :中中间级间级(倒相倒相级级)V2 R2 R3)V2 R2 R3:输输 出出 级级V3V4为为 射射 极极 输输 出出 器器 与与V5构构 成成 推推 拉拉 式式 输输 出出 级级第二十三页，本课件共有28页输入有低电平输入有低电平0.3V0.3V时，时，K K点电位为点电位为1V1V，V1V1导通，导通，V2V2、V5V5截止，截止，V3V3、V4V4导通。（导通。（F F为为3.6V3.6V高电平。）高电平。）输入全为高电平输入全为高电平3V3V，则，则K K点电位点电位3.7V3.7V，在三个，在三个PNPN结的钳制下，结的钳制下，VK=2.1vVK=2.1v，V1V1集电结正偏
12、，发射结反偏。集电结正偏，发射结反偏。R1R1处于倒置工作状态（处于倒置工作状态（B B反）反）R1 V5-R1 V5-饱和，饱和，M M点电位点电位1V1V，则，则V3V3微通，微通，V4V4截止（则截止（则F=0.3V F=0.3V 低电平）低电平）由由、得得F=F=2工作原理工作原理第二十四页，本课件共有28页3电压传输特性和噪声容限电压传输特性和噪声容限a电压传输特性电压传输特性第二十五页，本课件共有28页2工作原理工作原理工作区工作区 1 1、ABAB段段:U:UI I 0.6V 1.5V且且UO=UOL饱和区饱和区线线形区形区3 3、BCBC段：段：0.6vU0.6vUI I1.3
13、V 1.3V 则则U UI IUUO O（V V5 5截止）截止）转转折区折区4 4、CDCD段：段：1.3VU1.3VUI I1.5V U1.5V UI IUUO O （利用之可构成振（利用之可构成振荡电荡电路。如路。如产产生矩形波）生矩形波）第二十六页，本课件共有28页b关门电平、开门电平和阈值电压关门电平、开门电平和阈值电压（1 1）关门电平）关门电平 在保证输出为标准高电平在保证输出为标准高电平U USHSH(常取常取U USHSH3V3V）时，允许输）时，允许输入低电平的最大值称为关门电平入低电平的最大值称为关门电平,用用U UOFFOFF表示。由上图可表示。由上图可得得U UOFF
14、OFF1.0V1.0V。显然，只有当输入。显然，只有当输入u uI IU UOFFOFF时，与非门才关闭时，与非门才关闭，输出高电平。，输出高电平。在保证输出为标准低电平在保证输出为标准低电平U USLSL（常取（常取U USLSL0.3V0.3V）时，允）时，允许输入高电平的最小值称为开门电平，用许输入高电平的最小值称为开门电平，用U UONON表示。由表示。由上图可得上图可得U UONON1.2V1.2V。显然，只有当。显然，只有当u uI IU UONON时，与非门才时，与非门才开通，输出低电平。开通，输出低电平。（2 2）开门电平）开门电平 第二十七页，本课件共有28页（3 3）阈值电压）阈值电压工作在工作在电压传输电压传输特性特性转转折区中点折区中点对应对应的的输输入入电压电压称称为阈为阈值电压值电压，又称，又称门槛电门槛电平。平。V VNLNL（低（低电电平噪声容限）平噪声容限）=V=VOFFOFFV VILILV VNLNL（高（高电电平噪声容限）平噪声容限）=V=VIHIHV VONON3 3噪声容限噪声容限 搞干扰能力搞干扰能力第二十八页，本课件共有28页