第02章-门电路.ppt

补充知识：半导体基础知识,半导体基础知识（1）,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（2）,杂质半导体N型半导体多子：自由电子少子：空穴,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,半导体基础知识（3）,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（4）,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（5）,PN结的伏安特性,正向导通区,反向截止区,反向击穿区,K:波尔兹曼常数T:热力学温度q:电子电荷,第二章门电路,2.1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,门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1/0,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1,2.2半导体二极管和三极管的开关特性,2.2.1半导体二极管的结构和外特性2.2.2半导体三极管的开关特性,2.2.1半导体二极管的结构和外特性（Diode）,二极管的结构：PN结+引线+封装构成,P,N,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=VCCVI=VIL,D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：,一、双极型三极管的开关特性（BJT,BipolarJunctionTransistor）二、场效应管（MOS管）的开关特性（Field-Effect-Transistor，Metal-Oxide-Semiconductor）,2.2.2半导体三极管的开关特性（Transistor）,双极型三极管的结构管芯+三个引出电极+外壳,基区薄低参杂,发射区高参杂,集电区低参杂,以NPN为例说明工作原理：,当VCCVBBbe正偏,bc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,1、三级管的输入特性曲线（NPN）,VON：开启电压硅管，0.50.7V锗管，0.20.3V近似认为:VBE0.7V以后，基本为水平直线,特性曲线分三个部分放大区：条件VCE0.7V,iB0,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,ce间“断开”,3、双极型三极管的基本开关电路：,只要参数合理：VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T导通，VO=VOL,工作状态分析：,图解分析法：,4、三极管的开关等效电路,截止状态,饱和导通状态,5、动态开关特性：,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,二、MOS管的开关特性,1、MOS管的结构,S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底,金属层,氧化物层,半导体层,PN结,以N沟道增强型为例：,以N沟道增强型为例：当加+VDS时，VGS=0时，D-S间是两个背向PN结串联，iD=0加上+VGS，且足够大至VGSVGS(th),D-S间形成导电沟道（N型层）,开启电压,2、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）,截止区恒流区可变电阻区,漏极特性曲线（分三个区域）,截止区：VGS109,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,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。,MOS管的基本开关电路,开关等效电路,OFF，截止状态ON，导通状态,5、MOS管的四种类型,增强型耗尽型,大量正离子,导电沟道,2.3最简单的与、或、非门电路,2.3.1二极管与门,设VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二极管导通时VDF=0.7V,规定3V以上为1,0.7V以下为0,2.3.2二极管或门,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0,二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,2.3.3三极管非门（反相器）,三极管的基本开关电路就是非门实际应用中，为保证VI=VIL时T可靠截止，常在输入接入负压,参数合理？VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T截止，VO=VOL,例2.3.1：计算参数设计是否合理,例2.3.1：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,当当又因此，参数设计合理,数字集成电路,TTL电路-双极CMOS电路-单极型,2.4TTL门电路（Transistor-TransistorLogic）,2.4.1TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构设,二、电压的传输特性,二、电压的传输特性,二、电压的传输特性,需要说明的几个问题：,三、输入噪声容限,2.4.2TTL反相器的静态输入特性和输出特性,输出,输入/出特性应用举例,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,2.4.3TTL反相器的动态特性,一、传输延迟时间1、现象：,2.4.4其他类型的TTL门电路,一、其他逻辑功能的门电路1.与非门,2.或非门,3.与或非,4.异或门,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，尤其是高电平输出输出端不能并联使用OC门,2、OC门的结构特点,OC门实现的线与,三、三态输出门（ThreestateOutputGate,TS）,三态门的用途(总线结构，数据的双向传输),一、高速系列74H/54H（High-SpeedTTL）电路的改进(1)输出级采用复合管（减小输出电阻Ro）(2)减少各电阻值2.性能特点速度提高（）的同时功耗也增加（）,2.4.5TTL电路的改进系列（改进指标：),二、肖特基系列74S/54S（SchottkyTTL）,电路改进采用抗饱和三极管用有源泄放电路代替74H系列中的R3减小电阻值2.性能特点速度进一步提高，电压传输特性没有线性区，功耗增大,三、低功耗肖特基系列74LS/54LS（Low-PowerSchottkyTTL）四、74AS,74ALS（AdvancedLow-PowerSchottkyTTL）。五、74系列和54具有完全相同的电路结构和电器性能参数，只是54工作温度范围更宽，电源允许的工作范围更大。74（0-70）（5V5%）54（-55-+125）（5V10%）,2.5其他类型的双极型数字集成电路,DTL：输入为二极管门电路，速度低，已经不用HTL：电源电压高，Vth高，抗干扰好，已被CMOS替代ECL：非饱和逻辑，速度快，用于高速系统I2L：属饱和逻辑，电路简单，用于LSI内部电路。,TTL电路74/54系列（标准系列）：如7400器件的命名请参照书后的附录（P523）SN74LS00CD,陶瓷封装直插,工作温度范围：070度,器件系列和品种代号：民用、低功耗肖特基TTL电路、2输入四与非门,生产厂商TI,2.6CMOS门电路（Complementary）,2.6.1CMOS反相器及工作原理一、电路结构(互补对称式金属-氧化物-半导体电路),二、电压、电流传输特性,2.6.2CMOS反相器的静态输入/出特性,一、输入特性,二、输出特性,二、输出特性,2.6.3CMOS反相器的动态特性,一、传输延迟时间,三、动态功耗定义：CMOS反相器从一种稳定的工作状态突然转到另一种稳定状态的过程中，产生的附加功耗。,三、动态功耗,2.6.4其他类型的CMOS门电路,一、其他逻辑功能的门电路,1.与非门2.或非门,二、带缓冲极的CMOS门,1.如，与非门,二、带缓冲极的CMOS门,2.解决方法,三、漏极开路的门电路（OD门）,四、CMOS传输门及双向模拟开关,1.传输门（结构对称，双向器件）,2.双向模拟开关（传输门的作用之一）,五、三态输出门,2.6.5改进的CMOS门电路,一、高速CMOS(74HC/HCT系列