《数字电子技术基础》第六版_第03章_门电路_1117.ppt

第三章门电路 数字电子技术基础 第六版 概述半导体二极管电路CMOS门电路TTL门电路 第3章门电路 补 半导体基础知识 半导体基础知识 本征半导体 纯净的具有晶体结构的半导体 常用 硅Si 锗Ge 两种载流子 半导体基础知识 1 杂质半导体 掺杂少量磷或锑 N型半导体多子 自由电子 N型半导体 掺入少量杂质磷或锑元素 磷原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键 多出的一个电子几乎不受束缚 较为容易地成为自由电子 N型半导体电子浓度较高 其导电性主要是因为自由电子导电 半导体基础知识 2 杂质半导体 掺杂少量硼或铟 P型半导体多子 空穴 P型半导体 掺入少量杂质硼或铟元素 硼原子外的三个电子与周围的半导体原子形成共价键的时候 会产生一个 空穴 这个空穴可能吸引束缚电子来 填充 使得硼原子成为带负电的离子 含有较高浓度的 空穴 正电荷 成为能够导电的物质 半导体基础知识 2 PN结的形成空间电荷区 耗尽层 扩散和漂移 半导体基础知识 3 PN结的单向导电性外加正向电压 半导体基础知识 4 PN结的单向导电性外加反向电压 半导体基础知识 4 PN结的伏安特性 正向导通区 反向截止区 反向击穿区 K 波耳兹曼常数T 热力学温度q 电子电荷 半导体基础知识 5 门电路 实现基本运算和复合逻辑运算的单元电路 如与门 与非门 或门 门电路中以高 低电平表示逻辑状态的1 0 3 1概述 电路 传递和处理信息 3 1概述 数字信息 0和1传递方式 串行传输 以时间为代价 并行传输 以空间为代价 传输0与1 而开关电路是最简单的方式 用高低电平来传输0与1信息 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 3 1概述 高低电平与01的对应 合格的元器件 输入端 允许接收低质量的0和1输出端 输出高质量的0和1 3 1概述 数字元器件的输入输出规则 元器件 雷锋合同 传输损耗 无效区 无效区 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 3 1概述 单开关电路 开关电路缺点 1 不方便加控制信号2 R电阻不好控制 输出1希望R很小 输出0时希望R很大 用元器件取代开关 3 1概述 二极管三极管MOS管 二极管 Diode 的结构 PN结 引线 封装构成 P N 3 2半导体二极管门电路 VI VIHD截止 VO VOH VCCVI VILD导通 VO VOL 0 7V 3 2 1二极管的开关特性 高电平 VIH VCC低电平 VIL 0 二极管的开关等效电路 3 2 1二极管的开关特性 a 当电源等效电阻和等效电阻RL都很小时 二极管正向导通压降和正向电阻都不能忽略 b 当二极管正向导通压降和和外加电源电压相比不能忽略 而外接电阻相对就二极管电阻来说可以忽略 c 当二极管正向导通压降和正向电阻与外接电阻相比均可忽略 视二极管为管理开关 二极管的动态电流波形 3 2 1二极管的开关特性 外加电压反向 正向 要等PN结内部建立起足够的电荷梯度才开始有扩散电流 因此正向电流建立要稍微滞后一点 外加电压由正向 反向 PN结尚有一定数量的电荷 所以有较大的瞬态反向电流流过 设VCC 5V加到A B的VIH 3VVIL 0V二极管导通时VDF 0 7V 规定3V以上为1 0 7V以下为0 3 2 2二极管与门 设VCC 5V加到A B的VIH 3VVIL 0V二极管导通时VDF 0 7V 规定2 3V以上为1 0V以下为0 3 2 2二极管或门 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 3 2 2二极管或门 集成门电路 TTL 晶体管 晶体管逻辑集成电路 MOS 金属氧化物半导体场效应管集成电路 3 3CMOS门电路 3 3 1MOS管的开关特性 3 3 1MOS管的开关特性 MOS管的结构 S Source 源极G Gate 栅极D Drain 漏极B Substrate 衬底 在CMOS集成电路中 以金属 氧化物 半导体场效应管 MOS管 作为开关器件 制作过程 1 切一块半导体P2 挖两口井 放N3 盖止绝缘层 腐蚀出两口井4 贴上金属层 腐蚀出sgd三极 金属层 氧化物层 半导体层 PN结 3 3CMOS门电路 3 3 1MOS管的开关特性 S Source 源极G Gate 栅极D Drain 漏极B Substrate 衬底 MOS管符号 增强型耗尽型 大量正离子 导电沟道 MOS管的四种类型 3 3 1MOS管的开关特性 以N沟道增强型为例研究通电情况 3 3 1MOS管的开关特性 PMOS管 源极S与衬底B接在一起 以N沟道增强型为例研究通电情况 3 3 1MOS管的开关特性 1 添加横向电压VDS 不论D S间有无电压 均无法导通 不能导电 以N沟道增强型为例研究通电情况 3 3 1MOS管的开关特性 2 添加垂直电压VGS 形成电场G B 把衬底中的电子吸引到上表面 除复合外 剩余的电子在上表面形成了N型层 反型层 为D S间的导通提供了通道 以N沟道增强型为例研究通电情况 3 3 1MOS管的开关特性 1 添加横向电压VDS2 添加垂直电压VGS 以N沟道增强型为例研究通电情况 3 3 1MOS管的开关特性 1 添加横向电压VDS2 添加垂直电压VGS VGS th 称为阈值电压 开启电压 MOS管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 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 3 3 1MOS管的开关特性 截止区恒流区可变电阻区 输出特性曲线 分三个区域 3 3 1MOS管的开关特性 截止区 VGS109 3 3 1MOS管的开关特性 输出特性曲线 分三个区域 恒流区 饱和或放大区 iD基本上由VGS决定 与VDS关系不大 3 3 1MOS管的开关特性 输出特性曲线 分三个区域 条件 1 源端沟道未夹断 2 漏端沟道予夹断 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 3 3 1MOS管的开关特性 输出特性曲线 分三个区域 MOS管的基本开关电路 3 3 1MOS管的开关特性 OFF 截止状态ON 导通状态 开关特性等效电路 3 3 1MOS管的开关特性 CMOS管 3 3 2CMOS反相器的电路结构和工作原理 当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中 且二者在工作中互补 称为CMOS管 意为互补 CMOS管 一 CMOS反向器的电路结构 3 3 2CMOS反相器的电路结构和工作原理 上管为P管 输入0有效下管为N管 输入1有效 一 CMOS反向器的电路结构 3 3 2CMOS反相器的电路结构和工作原理 Vo 1 VI 0 一 CMOS反向器的电路结构 3 3 2CMOS反相器的电路结构和工作原理 Vo 0 VI 1 二 电压 电流传输特性 CMOS反相器在使用时应尽量避免长期工作在BC段 3 3 2CMOS反相器的电路结构和工作原理 三 输入噪声容限 3 3 2CMOS反相器的电路结构和工作原理 在保证输出高 低电平基本不变的条件下 输入电平的允许波动范围称为输入端噪声容限 当Vi偏离Vm和Vn一定范围时 Vo基本不变 三 输入噪声容限 3 3 2CMOS反相器的电路结构和工作原理 噪声容限 衡量门电路的抗干扰能力 噪声容限越大 表明电路抗干扰能力越强 测试表明 CMOS电路噪声容限VNH VNL 30 VDD 且随VDD的增加而加大 因此可以通过提高VDD来提高噪声容限 一 输入特性 3 3 3CMOS反相器的静态输入和输出特性 因为MOS管的栅极和衬底之间存在着以SiO2为介质的输入电容 而绝缘介质非常薄 极易被击穿 所以应采取保护措施 二 输出特性 3 3 3CMOS反相器的静态输入和输出特性 二 输出特性 3 3 3CMOS反相器的静态输入和输出特性 一 传输时间延迟 3 3 4CMOS反相器的动态特性 二 交流噪声容限 3 3 4CMOS反相器的动态特性 噪声电压作用时间越短 电源电压越高 交流噪声容限越大 三 动态功耗 3 3 4CMOS反相器的动态特性 反相器从一种稳定状态突然变到另一种稳定状态的过程中 将产生附加的功耗 即为动态功耗 三 动态功耗 3 3 4CMOS反相器的动态特性 动态功耗包括 负载电容充放电所消耗的功率PC和PMOS NMOS同时导通所消耗的瞬时导通功耗PT 1 与非门 一 其他逻辑功能的门电路 3 3 5其他类型的CMOS门电路 上面为P管 P管组合下面为N管 N管组合 一 其他逻辑功能的门电路 3 3 5其他类型的CMOS门电路 2 或非门 一 其他逻辑功能的门电路 3 3 5其他类型的CMOS门电路 2 或非门 与非门 带缓冲极的CMOS门 3 3 5其他类型的CMOS门电路 解决方法 与非门 带缓冲极的CMOS门 3 3 5其他类型的CMOS门电路 或非门 带缓冲极的CMOS门 3 3 5其他类型的CMOS门电路 带缓冲级的门电路其输出电阻 输出高 低电平以及电压传输特性将不受输入端状态的影响 电压传输特性的转折区也变得更陡 二 漏极开路的门电路 OD门 3 3 5其他类型的CMOS门电路 为什么需要OD门 普通与非门输出不能直接连在一起实现 线与 需将一个MOS管的漏极开路构成OD门 产生一个很大的电流 二 漏极开路的门电路 OD门 3 3 5其他类型的CMOS门电路 OD门输出端可直接连接实现线与 需加一上拉电阻 二 漏极开路的门电路 OD门 3 3 5其他类型的CMOS门电路 三 CMOS传输门 3 3 5其他类型的CMOS门电路 三 CMOS传输门 3 3 5其他类型的CMOS门电路 2 作为双向模拟开关 三 CMOS传输门 3 3 5其他类型的CMOS门电路 1 组成复杂逻辑电路 异或门 数据选择器 寄存器 计数器等 四 三态输出门 3 3 5其他类型的CMOS门电路 三态门有三种状态 高电平 低电平 高阻态 三态门的用途 四 三态输出门 3 3 5其他类型的CMOS门电路 CMOS门电路的优点 1 静态功耗小 2 允许电源电压范围宽 3 18V 3 扇出系数大 噪声容限大 CMOS门电路的优点 CMOS门电路的正确使用 1 输入电路的静电保护CMOS电路的输入端设置了保护电路 给使用者带来很大方便 但是 这种保护还是有限的 由于CMOS电路的输入阻抗高 极易产生感应较高的静电电压 从而击穿MOS管栅极极薄的绝缘层 造成器件的永久损坏 为避免静电损坏 应注意以下几点 1 所有与CMOS电路直接接触的工具 仪表等必须可靠接地 2 存储和运输CMOS电路 最好采用金属屏蔽层做包装材料 2 多余的输入端不能悬空 输入端悬空极易产生感应较高的静电电压 造成器件的永久损坏 对多余的输入端 可以按功能要求接电源或接地 或者与其它输入端并联使用 3 输入电路需过流保护 双极型三极管 BJT BipolarJunctionTransistor 3 4TTL门电路 3 4 1双极型三极管的开关特性 管芯 三个引出电极 外壳 基区薄低掺杂 发射区高掺杂 集电区低掺杂 3 4 1双极型三极管的开关特性 一 双极型三极管的结构 以NPN为例说明工作原理 当VCC VBBbe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 大量电子形成IC 3 4 1双极型三极管的开关特性 一 双极型三极管的结构 VON 开启电压硅管 0 5 0 7V锗管 0 2 0 3V近似认为 VBE VONiB 0VBE VONiB的大小由外电路电压 电阻决定 3 4 1三极管的输入输出特性 二 三极管的输入特性 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 iC iB饱和区 条件VCE0 VCE很低 iC随 iB增加变缓 趋于饱和截止区 条件VBE 0V iB 0 iC 0 c e间 断开 3 4 1三极管的输入输出特性 二 三极管的输出特性 只要参数合理 VI VIL时 T截止 VO VOHVI VIH时 T导通 VO VOL 3 4 1三极管的输入输出特性 三 三极管的基本开关电路 工作状态分析 3 4 1三极管的输入输出特性 三 三极管的基本开关电路 图解分析法 3 4 1三极管的输入输出特性 三 三极管的基本开关电路 截止状态 饱和导通状态 3 4 1三极管的输入输出特性 四 三极管的开关等效电路 当电源电压 VCE外接R RCE 从二极管已知 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的变化也滞后于VI 3 4 1三极管的输入输出特性 五 动态开关特性 三极管的基本开关电路就是非门 参数合理 VI VIL时 T截止VO VOHVI VIH时 T截止VO VOL 3 4 1三极管的输入输出特性 六 三极管反相器 实际应用中 为保证VI VIL时T可靠截止 常在输入接入负压 3 4 2TTL反相器的电路结构和工作原理 一 电路结构 3 4 2TTL反相器的电路结构和工作原理 二 电压传输特性 3 4 2TTL反相器的电路结构和工作原理 二 电压传输特性 3 4 2TTL反相器的电路结构和工作原理 二 电压传输特性 3 4 2TTL反相器的电路结构和工作原理 二 电压传输特性 3 4 2TTL反相器的电路结构和工作原理 二 电压传输特性 输入为高电平 3 4V 时 电位被钳位在2 1V vB1 VIH VON 4 1V 发射结反偏 1V T2 T5饱和导通 需要说明的几个问题 3 4 2TTL反相器的电路结构和工作原理 二 电压传输特性 3 4 2TTL反相器的电路结构和工作原理 三 输入噪声容限 输入低电平时噪声容限 输入高电平时噪声容限 3 4 3TTL反相器的静态输入特性和输出特性 输入 输入短路电流IIS IIL 高电平输入电流IIH 3 4 3TTL反相器的静态输入特性和输出特性 输出 1 现象 3 4 4TTL反相器的动态特性 一 传输延迟时间 当输入信号为窄脉冲 且接近于tpd时 输出变化跟不上 变化很小 因此交流噪声容限远大于直流噪声容限 b 负脉冲噪声容限 a 正脉冲噪声容限 3 4 4TTL反相器的动态特性 二 交流噪声容限 3 4 4TTL反相器的动态特性 三 电源的动态尖峰电流 3 4 4TTL反相器的动态特性 三 电源的动态尖峰电流 输出电压由低 高电平的过渡过程中 T5