第2章半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性ppt课件

2.1半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性,概述,一、门电路的概念,门电路是用以实现逻辑关系的电子电路，与我们所讲过的基本逻辑关系相对应，门电路主要有：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。,二、逻辑变量与两状态开关,在二值逻辑中，逻辑变量的取值不是0就是1，是一种二值量。,注：门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1/0,三、高、低电平与正、负逻辑,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,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1,四、分类,按工艺：双极型TTL、MOS型CMOS,按逻辑功能：与、或、非、与非等,按输出结构：推拉式、OC门,按集成度,小规模集成电路SSI,中规模集成电路MSI,大规模集成电路LSI,超大规模集成电路VLSI,小规模集成电路(SSI-SmallScaleIntegration)，每片组件内包含10100个元件(或1020个等效门)。中规模集成电路(MSI-MediumScaleIntegration)，每片组件内含1001000个元件(或20100个等效门)。大规模集成电路(LSI-LargeScaleIntegration)，每片组件内含1000100000个元件(或1001000个等效门)。超大规模集成电路(VLSI-VeryLargeScaleIntegration)，每片组件内含100000个元件(或1000个以上等效门)。,2.1.1理想开关的开关特性,一、静态特性,1、开关断开时，无论外加电压多大，等效电阻,通过其中的电流为0。,2、开关闭合时，无论流过的电流多大，等效电阻,电压为0。,二、动态特性,开通时间及关断时间都为0,2.1.2半导体二极管的开关特性,高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0,VI=VIHD截止，VO=VOH=VCCVI=VILD导通，VO=VOL=0.7V,二极管的开关等效电路：,二极管的动态电流波形：,二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度,饱和区,截止区,放,大,区,2.1.3半导体三极管的开关特性,截止状态,饱和状态,iBIBS,ui=UIL0.5V,uo=+VCC,ui=UIH,uo=0.3V,三极管开关的动态特性：,2.1.4MOS管的开关特性,(a)符号,(b)漏极特性,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。,漏极特性曲线（分三个区域）,截止区：VGS109,恒流区：iD基本上由VGS决定，与VDS关系不大,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。,三、MOS管的基本开关电路,四、等效电路,OFF，截止状态ON，导通状态,五、MOS管的四种类型,增强型耗尽型,大量正离子,导电沟道,作业：书P136题2.3,2.2分立元器件门电路,2.2.1二极管与门和或门,一、二极管与门,3V,0V,符号:,与门（ANDgate),UD=0.7V,真值表,AB,Y,00011011,0001,Y=AB,电压关系表,uA/V,uB/V,uY/V,D1D2,00,03,30,33,导通,导通,0.7,导通,截止,0.7,截止,导通,0.7,导通,导通,3.7,二、二极管或门,uY/V,3V,0V,符号:,或门（ANDgate),UD=0.7V,真值表,AB,Y,00011011,0111,电压关系表,uA/V,uB/V,D1D2,00,03,30,33,导通,导通,-0.7,截止,导通,2.3,导通,截止,2.3,导通,导通,2.3,Y=A+B,正与门真值表,正逻辑和负逻辑的对应关系：,AB,Y,00011011,0001,负或门真值表,AB,Y,11100100,1110,同理：,正或门,负与门,一、半导体三极管非门,T截止,T导通,2.2.2三极管非门（反相器）,饱和导通条件:,T饱和,因为,所以,电压关系表,uI/V,uO/V,0,5,5,0.3,真值表,0,1,1,0,A,Y,符号,函数式,三极管非门:,A,Y,二、MOS三极管非门,MOS管截止,2.,MOS管导通（在可变电阻区）,真值表,0,1,1,0,A,Y,1.,故,2.3CMOS集成门电路,2.3.1CMOS反相器,一、电路组成及工作原理,uA,uGSN,uGSP,TN,TP,uY,0V,UTP,导通,截止,0V,UTN=2V,UTP=-2V,输入端保护电路:,C1、C2栅极等效输入电容,(1)0uAVDD+uDF,D导通电压：uDF=0.50.7V,(3)uA-uDF,二极管导通时，限制了电容两端电压的增加。,保护网络,D1、D2、D3截止,D2、D3导通,uG=VDD+uDF,D1导通,uG=-uDF,二、静态特性,1.电压传输特性：,iD,A,B,C,D,E,F,UTN,VDD,UTH,UTP,UNL,UNH,AB段：,uIuE,现在:uEuBuC，即发射结反偏集电结正偏,倒置放大,i,i,i,=iib,=(1+i)ib,4.3V,3.6V,1.4V,0.7V,2.1V,1.4V,T1倒置放大状态,假设T2饱和导通,T3、D均截止,(设14=20),T2饱和的假设成立,0.3V,1V,ICS2,0.7V,2.1V,思考：D的作用？,若无D，此时T3可以导通，电路将不能实现正常的逻辑运算,因为,3.6V,T1倒置放大状态T2饱和，T3、D均截止,3.6,2.1,1.4,0.7,1,T4的工作状态：导通,放大还是饱和？,ICS2,iE1,又因为T3、D均截止，即,T4深度饱和：uO=UCES40.3V,（无外接负载）,若外接负载RL：,0.3,所以,输入短路电流IIS,二、静态特性,1.输入特性,(1)输入伏安特性：,UIL,UIH,低电平输入电流IIL,高电平输入电流或输入端漏电流IIH,即：当Ri为2.5k以上电阻时，输入由低电平变为高电平,(2)输入端负载特性：,T2、T4饱和导通,Ri=Ron开门电阻（2.5k）,Ron,T2、T4截止,Ri=Roff关门电阻（0.7k）,即：当Ri为0.7k以下电阻时,输入端相当于低电平。,Roff,0.7V,1.4V,2.输出特性,iO,在输出为低电平条件下，带灌电流负载能力IOL可达16mA,0.3V,受功耗限制，带拉电流负载能力IOH可一般为-400A,3.6V,注意：,输出短路电流IOS可达-33mA，将造成器件过热烧毁，故门电路输出端不能接地！,3.电压传输特性：,A,B,AB段：,uI0.5V，,uB11.4V，,T2、T4饱和导通，T3、D截止。,uO=UOL0.3V,阈值电压,4.输入端噪声容限,uI,uO,G1,G2,输出高电平,典型值=3.6V,输出低电平,典型值=0.3V,输入高电平,典型值=3.6V,输入低电平,典型值=0.3V,UNH允许叠加的负向噪声电压的最大值,G2输入高电平时的噪声容限：,UNL允许叠加的正向噪声电压的最大值,G2输入低电平时的噪声容限：,三、动态特性,传输延迟时间,50%Uom,50%Uim,Uim,Uom,tPHL输出电压由高到低时的传输延迟时间。,tpd平均传输延迟时间,tPLH输出电压由低到高时的传输延迟时间。,tPHL,tPLH,典型值：tPHL=8ns,tPLH=12ns,最大值：tPHL=15ns,tPLH=22ns,T1多发射极三极管,等效电路：,1.A、B只要有一个为0,0.3V,1V,T2、T4截止,5V,T3、D导通,2.4.2TTL与非门和其他逻辑门电路,一、TTL与非门,0.7V,3.6V,+VCC+5V,4k,A,D2,T1,T2,T3,T4,D,1.6k,1k,130,Y,输入级,中间级,输出级,D1,B,R1,R2,R3,R4,0.7V,1V,0.3V,4.3V,2.1V,2.A、B均为1,理论：,实际：,T2、T4导通,T3、D截止,uO=UCES40.3V,TTL与非门,+VCC+5V,4k,A,D2,T1,T2,T3,T4,D,1.6k,1k,130,Y,输入级,中间级,输出级,D1,B,R1,R2,R3,R4,TTL与非门,整理结果：,1,1,1,0,二、TTL或非门,输入级,中间级,输出级,1.A、B只要有一个为1,T2、T4饱和,T2、T3、D截止,uO=0.3V,0.3V,2.A、B均为0,iB1、iB1分别流入T1、T1的发射极,T2、T2均截止,则T4截止,T3、D导通,输入级,中间级,输出级,TTL或非门,5V,3.6V,整理结果：,1,0,0,0,输入级,中间级,输出级,TTL或非门,2.4.3TTL集电极开路门和三态门,一、集电极开路门OC门(OpenCollectorGate),1.电路组成及符号,OC门必须外接负载电阻和电源才能正常工作。,可以线与连接VCC根据电路需要进行选择,2.OC门的主要特点,线与连接举例：,+VCC,RC,线与,Y,Y,外接电阻RC的估算：,nOC与非门的个数,m负载与非门的个数,k每个与非门输入端的个数,IIH,IOH,IOH：OC门截止时的反向漏电流。,IIH：与非门高电平输入电流(流入接在线上的每个门的输入端),1,1.RC最大值的估算,UOHmin,RC,外接电阻RC的估算：,2.RC最小值的估算,0,最不利的情况：,只有一个OC门导通，iR和iI都流入该门。,IOL：OC门带灌电流负载的能力。,iI,IIL,IOL,IIL：与非门低电平输入电流(每个门只有一个，与输入端的个数无关),IOL,iR,RC,二、输出三态门TSL门(Three-StateLogic),(1)使能端低电平有效,1.电路组成,使能端,(2)使能端高电平有效,EN,以使能端低