数字电子技术 第三章_清华.doc

本文由付flw贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 补：半导体基础知识 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 半导体基础知识（1 半导体基础知识（1） 两种载流子 本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。 ? 常用：硅Si，锗Ge 常用：硅Si，锗Ge 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 半导体基础知识（2 半导体基础知识（2） 杂质半导体 ? N型半导体 多子：自由电子 少子：空穴 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 半导体基础知识（2 半导体基础知识（2） 杂质半导体 ? P型半导体 多子：空穴 少子：自由电子 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 半导体基础知识（3 半导体基础知识（3） PN结的形成 PN结的形成 ? 空间电荷区 （耗尽层） ? 扩散和漂移 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 半导体基础知识（4 半导体基础知识（4） PN结的单向导电 PN结的单向导电 性 ? 外加正向电压 外加正向电压 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 半导体基础知识（4 半导体基础知识（4） PN结的单向导电 PN结的单向导电 性 ? 外加反向电压 外加反向电压 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 半导体基础知识（5 半导体基础知识（5） PN结的伏安特性 PN结的伏安特性 正向导通区 反向截止区 i = I S (e V VT 1) VT = nkT q 反向击穿区 K:波耳兹曼常数 T:热力学温度 q: 电子电荷 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 第三章 门电路 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 3.1 概述 ? 门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如 与门、与非门、或门 门、与非门、或 门电路中以高/ 门电路中以高/低电平表 示逻辑状态的1/0 示逻辑状态的1/0 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 获得高、低电平的基本原理 高/低电平都允许有 一定的变化范围 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 正逻辑：高电平表示1，低电平表示0 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 负逻辑：高电平表示0，低电平表示1 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 3.2半导体二极管门电路 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） Diode） ? 二极管的结构： PN结 + 引线 + 封装构成 PN结 P N 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 3.2.1二极管的开关特性： 3.2.1二极管的开关特性： 高电平：VIH=VCC 低电平：VIL=0 VI=VIH D截止，VO=VOH=VCC 截止，V ? VI=VIL D导通，VO=VOL=0.7V 导通，V 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 二极管的开关等效电路： 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 二极管的动态电流波形： 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 3.2.2 二极管与门 设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V 加到 的 VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V A 0V 0V 3V 3V B 0V 3V 0V 3V Y 0.7V 0.7V 0.7V 3.7V 规定3V以上为1 0.7V以下为0 A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 Y 0 0 0 1 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 3.2.3 二极管或门 二极管或 设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V 加到 的 VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V A 0V 0V 3V 3V B 0V 3V 0V 3V Y 0V 2.3V 2.3V 2.3V 规定2.3V以上为1 0V以下为0 A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 Y 0 1 1 1 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 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 只用于IC内部电路 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 3.3 CMOS门电路 CMOS门电路 3.3.1MOS管的开关特性 3.3.1MOS管的开关特性 一、MOS管的结构 一、MOS管的结构 金属层 氧化物层 半导体层 PN结 S (Source)：源极 G (Gate)：栅极 D (Drain)：漏极 B (Substrate):衬底 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 以N沟道增强型为例： 沟道增强型为例： 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 以N沟道增强型为例： 沟道增强型为例： 当加+V 当加+VDS时， 开启电压 VGS=0时，D-S间是两个背向PN结串联，iD=0 =0时，D 间是两个背向PN结串联，i 加上+V ，且足够大至V 加上+VGS，且足够大至VGS VGS (th), D-S间形成导电沟道 D（N型层） 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 二、输入特性和输出特性 输入特性：直流电流为0，看进去有一个输入电容CI， 输入特性：直流电流为0，看进去有一个输入电容C 对动态有影响。 输出特性： iD = f (VDS) 对应不同的VGS下得一族曲线 。 对应不同的V 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 漏极特性曲线（分三个区域） 漏极特性曲线（分三个区域） 截止区 恒流区 可变电阻区 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 漏极特性曲线（分三个区域） 漏极特性曲线（分三个区域） 截止区：V 截止区：VGS 109 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 漏极特性曲线（分三个区域） 漏极特性曲线（分三个区域） 恒流区： iD 基本上由VGS决定，与VDS 关系不大 基本上由V 决定，与V VGS ? 1) 2 i D = I DS ( VGS ( th ) 当VGS VGS ( th )下，i D VGS 2 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 漏极特性曲线（分三个区域） 漏极特性曲线（分三个区域） 可变电阻区：当V 较低（近似为0 可变电阻区：当VDS 较低（近似为0）， VGS 一定时， 这个电阻受V 这个电阻受VGS 控制、可变。 V DS i D 常数（电阻） 常数（电阻） 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 三、MOS管的基本开关电路 三、MOS管的基本开关电路 因为 R OFF 10 9 ? , R ON 1 K ? 只要 R ON R D R OFF , 则： 当 V I = V IL V GS ( th ) ? ? T 导通 ? ? V O = V OL 0 所以 MOS 管 D ? S 间相当于一个受 V I 控制的开关。 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 四、等效电路 OFF ，截止状态 ON，导通状态 ON，导通状态 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 五、MOS管的四种类型 五、MOS管的四种类型 ? 增强型 大量正离子 耗尽型 导电沟道 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理 CMOS反相器的电路结构和工作原理 一、电路结构 VGS ( th ) N = VGS ( th ) P 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 二、电压、电流传输特性 AB段：VI VDD ? VGS (TH ) P T2 导通，T1截止 ? VO = VOL = 0 ? BC段：VGS (TH ) N VI RON , V IH = V DD , V IL = 0 (1)当 C = 0 , C = 1 则只要 V I = 0 V DD , 则 T1、 T2均截止 相当于断开 ( 2 )当 C = 1, C = 0 设VI 为正，另一端经RL 接地 V I = 0 V DD时 0 V I V DD ? VGS ( th ) N , T1导通 VGS ( th ) P V I VBB V ? be 结正偏, bc结反偏 结正偏, bc结反偏 ? e区发射大量的电子 ? b区薄，只有少量的 空穴 ? bc反偏，大量电子 bc反偏，大量电子 形成I 形成IC 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 二、三极管的输入特性和输出特性 三极管的输入特性曲线（NPN） 三极管的输入特性曲线（NPN） ? VON ：开启电压 硅管，0.5 0.7V 硅管，0.5 ? 锗管，0.2 0.3V 锗管，0.2 近似认为: 近似认为: ? VBE 0.7V以后，基本为水平直线 0.7V以后，基本为水平直线 iC = f (VCE ) 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 特性曲线分三个部分 放大区：条件VCE 0.7V, iB 0, iC随iB成正比变化， 放大区：条件V ?iC=?iB。 ?i 饱和区：条件VCE 0, VCE 很低，?iC 随?iB增加变 饱和区：条件V 很低，? 缓，趋于“饱和”。 截止区：条件VBE = 0V, iB = 0, iC = 0, ce间“断开” 。 截止区：条件V c i C = f ( VCE ) 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 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： VI=VIL时，T截止，VO=VOH 截止， VI=VIH时，T导通，VO=VOL 导通， 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 工作状态分析： (1) 设VI = VIL = 0, 则VBE VON 后，有i B 产生, i B = T截止，i B , iC 近似为0。 VI ? VON , 并有对应的iC = i B流过RC RB 于是得到VO = VCE = VCC ? iC R C = VCC ? i B R C 。 所以VI i B iC VO , 三极管工作在放大区 AV = ? ?VO ?VI (3) 当VI 继续上升，i B 继续上升，VO 继续下降。 当RC 上压降接近于VCC时，VO 0。 三极管工作在深饱和状态VO = VOL = VCE ( sat ) 0。 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 图解分析法： VCE = VCC ? RC iC = VCC ? RC i B VRC = RC iC 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 四、三极管的开关等效电路 截止状态 饱和导通状态 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 五、动态开关特性 从二极管已知， PN结存在电容效 PN结存在电容效 应。 在饱和与截止两个 状态之间转换时， iC的变化将滞后于 VI，则VO的变化也 ，则V 滞后于V 滞后于VI。 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 六 、三极管反相器 ? 三极管的基本开关电路就是非门 三极管的基本开关电路就是非 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？ VI=VIL时，T截止， 截止， VO=VOH VI=VIH时 VI=VIH时，T截止， 截止， VO=VOL 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 例3.5.1：计算参数设计是否合理 3.5.1：计算参数设计是否合理 5V VIH=5V VIL=0V 3.3K 1K =20 10K VCE(sat) = 0.1V -8V 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 例3.5.1：计算参数设计是否合理 3.5.1：计算参数设计是否合理 将发射极外接电路化为等效的VB与RB电路 将发射极外接电路化为等效的V RB = R1 / R2 = 2.5 K? VI ? VEE VI + 8 VB = V I ? R1 = VI ? 3 .3 R1 + R2 13.3 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 当 8 VI = VIL = 0时，VB = 0 ? 3.3 = ?2.0V 13.3 所以 T截止，iC = 0,VO = VOH = VCC = 5.0V 13.3 如果用折线等效电路， VBE = 0.7V 认为 当 VI = VIH = 5V时，VB = 5 ? 5 + 8 3.3 = 1.8V 所以T导通 VB ? VBE 则得：iB = = 0.44mA RB 又 深度饱和时I BS 为： I BS VCC ? VCE ( sat ) = = = 0.25mA RC I CS 故i B i BS , T饱和，VO = VCE ( sat ) 0V 因此，参数设计合理 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理 TTL反相器的电路结构和工作原理 一、电路结构 设 VCC = 5V VIH = 3.4V VIL = 0.2V PN结导通压降VON = 0.7V 0. VI =V IL= 0.2V ( A = 0) VO = VOH (Y = 1) VI =V IH= 3.4V ( A = 1) VO = VOL (Y = 0) 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 二、电压传输特性 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 二、电压传输特性 AB段：截止区 VI 0.6V , VB1 1.3V T1导通，T2 , T5截止，T4 导通 ? VOH = VCC ? VR 2 ? VBE 4 ? VD 2 = 3.4V ? BC段：线性区 0.7V VI V OH ? R L不能太大（得 R L的上限） 2、 OC 门仅一个输出管道通， VO V OL ? R L不能太小，否则 i L 过大（得 R L下限） 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 3、外接负载电阻RL的计算 、外接负载电阻R OC门同时截止， 截止漏电流为 I OH ,负载输入电流为 I IH 为保证 VO VOH , 则VCC ? RL ( nI OH + mI IH ) VOH V CC ? VOH 所以 RL = RL (max) nI OH + mI IH 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 3、外接负载电阻RL的计算 、外接负载电阻R 当仅一个 OC门导通， OC门饱和时允许的最大电 流为 I LM 负载门输入电流为 I IL 为保证 VO VOL , 且I L不过大， RL不能太小 V CC ? VOL 所以 RL = RL(min) I LM ? m I IL 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 三、三态输出门（Three 三、三态输出门（Three state Output Gate ,TS） ,TS） 输出有三个状态：VOL ,VOH，高阻( Z ) (1) EN = 0, P = 1, D截止，为“工作状态” Y = ( AB ) ? ( 2) EN = 1, P = 0, D导通，为“高阻状态” Y = Z ? 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 三态门的用途 数字电子技术基础第五版 数字电子技术基础 标准74系列：t pd = 10ns , P = 10mW 2.4.5 TTL电路的改进系列 TTL电路的改进系列 （改进指标：dp = t pd ( ns ) ? P ( mw ) ) 一、高速系列74H/54H 一、高速系列74H/54H （High-Speed TTL） Hig