数字电路基础清华数字件清华PPT课件

1、数字电子技术基础（第五版）教学课件 补：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 q nkT V eIi T V V S

2、T )(1 K:波耳兹曼常数 T:热力学温度 q: 电子电荷 第三章 门电路 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 获得高、低电平的基本原理 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 3.2半导体二极管门电路 半导体二极管的结构和外特性 （Diode） P N 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： 二极管的动态电流波形： 3.2.2 二极管与门 设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V 规定3V以上为1 0.7V以

3、下为0 3.2.3 二极管或或门 设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=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 3.3 CMOS门电路 3.3.1MOS管的开关特性 一、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： 开启电压 二、输入特性和输出特性 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

4、止区：VGS 109 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 2 )( 2 )( )1( GSDthGSGS thGS GS DSD ViVV V V Ii 下下，当当 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。 常常数数（电电阻阻） DDS iV 三、MOS管的基本开关电路 控制的开关。间相当于一个受管所以 导通当 截止当 则：只要 因为 I OLOGSIHI DDOHOGSILI OFFDON ONOFF VSDMOS VVTthVVV VVVTthVVV RRR KRR

5、 0 110 9 )( )( , , 四、等效电路 五、MOS管的四种类型 增强型 耗尽型 大量正离子 导电沟道 3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理 一、电路结构 PthGSNthGS VV )()( 二、电压、电流传输特性 DDODDI PTHGSDDINTHGS OLO PTHGSDDI DDOHO NTHGSI VVVVTT TT VVVVBC VVTT VVVCD VVVTT VVAB 2 1 2 1 0 21 21 12 21 时，参数完全对称，若 同时导通 段： 截止导通， 段： 截止导通， 段： , , )()( )( )( 三、输入噪声容限 称为输入噪声容限，允许输

6、入的变化范围在输出变化允许范围内 基本不变；的一定范围内，和偏离在 OILIHI VVVV (max)(max) (min)(min) OLILNL IHOHNH VVV VVV 结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限 3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性 一、输入特性 二、输出特性 OLGSOL OLOL VVI IfV 下，同样的 低电平输出特性)(.1 二、输出特性 越少下，同样的 高电平输出特性 OHGSOH OHOH VVI IfV)(.1 3.3.4 CMOS反相器的动态特性 一、传输延迟时间 。系列为，系列为， 影响、受 充放电影响也较大较大所以充放电，因为和原因：

7、5ns74AHC10ns74HC3 2 1 PLHPHL DDLPLHPHL LONLI tt VCtt CRCC . ;,. ;. 二、交流噪声容限 三、动态功耗 功耗相比，可以忽略静态功耗极小，与动态 )(, . 2 1 4 3 1 1 t t t t TTTAVTAVDDT dtidti T IIVP其中 导通功耗 三、动态功耗 2 2 1 2 DDLC NLI PLDDI C fVCP iTCV iCTVV P 可得平均功耗 放电，有经当 充电，有向经当 负载电容充放电功耗 , , . CTD PPP 总的动态功耗.3 3.3.5 其他类型的CMOS门电路 一、其他逻辑功能的门电路 带

8、缓冲极的CMOS门 1、与非门 值不同对应的 达到开启电压时，的、使 也更高越高，输入端越多， 端数目的影响输出的高低电平受输入 则 则 则 则 受输入状态影响输出电阻 存在的缺点： I GS OHOL ONONO ONONO ONONONO ONONONO O V VTT VV RRRBA RRRBA RRRRBA RRRRBA R 42 3 1 31 42 3 2 01 10 2 1 00 211 1 )( )( , , /, , :)( 带缓冲极的CMOS门 2.解决方法 与非门缓冲器或非门 二、漏极开路的门电路（OD门） )(,. . DDDDDDL VVVR可以不等于使用时允许外接

9、器或用作电平转换、驱动 现线与可将输出并联使用，实 2 1 的计算方法 L R 三、 CMOS传输门及双向模拟开关 1. 传输门 接地为正，另一端经设 LI RV 之间为低电阻 至少一个导通和在所以 导通 导通 时 当 相当于断开 均截止、则则只要 当 设 OI DDI DDIPthGS NthGSDDI DDI DDI ILDDIHONL VV TTVV TVVV TVVV VV CC TTVV CC VVVRR 21 2 1 21 0 0 0 012 0 101 0 , , , ,)( , ,)( , )( )( 四、三态输出门 )(高阻时， 时， ZYNE AYNE 1 0 三态门的用途

10、 双极型三极管的开关特性 （BJT, Bipolar Junction Transistor） 一、双极型三极管的结构 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 以NPN为例说明工作原理： 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） b BEBB B R VV i 三极管的输出特性 )( CEC Vfi )V(fi CEC 三、双极型三极管的基本开关电路 工作状态分析： 。近似为截止，则设001 CBONBEILI iiTVVVV,)( I O V OCBI CBCCCCCCCEO CBC B ONI BBONI V V A ViiV

11、RiVRiVVV Rii R VV iiVV 三极管工作在放大区所以 。于是得到 流过并有对应的产生有后，上升至当 , ,)( 2 。态三极管工作在深饱和状 。时，上压降接近于当 继续下降。继续上升，继续上升，当 0 0 3 )( )( satCEOLO OCCC OBI VVV VVR ViV 图解分析法： CCRC BCCCCCCCCE iRV iRViRVV 四、三极管的开关等效电路 五、动态开关特性 六 、三极管反相器 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。 例3.5.1：计算参数设计是否合理 5V - -8V 3.3K 10K

12、 1K =20 VCE(sat) = 0.1V VIH=5V VIL=0V 例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 33 313 8 52 1 21 21 . . ./ I I EEI IB B V VR RR VV VV KRRR 当 当 又 因此，参数设计合理 VVVViT VVVV CCOHOC BILI 050 0233 313 8 00 ., . . 截止，所以 时， mA R VV i VV TVVVVV B BEB B BE BIHI 440 70 8133 313 85 55 . . . . 则得： 认为如果用折线等效电路， 导通所以时，

13、VsatVVTii mA R satVVI I I CEOBSB C CECCCS BS BS 0 250 )(, . )( 饱和，故 为：深度饱和时 3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理 一、电路结构 设 VVPN VV VV VV ON IL IH CC 70 20 43 5 . . . 结导通压降 )( )(. 1 020 YVV AVVV OHO ILI )( )(. 0 143 YVV AVVV OLO IHI 二、电压传输特性 二、电压传输特性 OI I DBERCCOH BI VVTTT VVVBC VVVVVVTTTT VVVVAB 导通，截止，导通且工作在放大区 段：

14、线性区 导通截止，导通， 段：截止区 452 2424521 1 3170 43 3160 , . ., .,. 二、电压传输特性 OLO OI OLO BTHI VV VVDE VVTTT VVVVVCD 不变，而继续段：饱和区 迅速所以截止，同时导通， 所以段：转折区 0 1241 452 1 , .,. 需要说明的几个问题： 故称倒相级。变化方向相反和的输出, 222eC VVT 。带负载能力，称推拉式既能降低功耗又提高了 止。总有一个导通、一个截和输出级在稳态下， 54 TT 可靠地截止。导通时保证 抑制负向干扰 522 1 TTD D 三、输入噪声容限 称为输入噪声容限，允许输入的变

15、化范围在输出变化允许范围内 基本不变；的一定范围内，和偏离在 OILIHI VVVV (max)(max) (min)(min) OLILNL IHOHNH VVV VVV 3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性 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。 ）（查得 时， ）（查得 时，要求保证 mAiVV VV mAiVV VV OLOL IHI OHOH ILI 1620 4023 . ;. 输入 输出 3.5.4 TTL反相器的动态特性 一、传输延迟时间 1、现象 分布电容的影响）的存在和结电容（ 、原因 ,TD 2 二、交流噪声容限 （b）负

16、脉冲噪声容限 （a）正脉冲噪声容限 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。 三、电源的动态尖峰电流 OLO VV OHO VV mA R VV I TVV mA R VV R VV I TTVV BECC CCH OHO CCCBECC CCL OLO 11 43 1 1 1 1 2 2 1 1 452 . , . , 导通仅时 截止导通，时， 空载条件下： 载电流不等、两种静态下的电源负 2、动态尖峰电流 成干扰源。；通过电源线和地线形影响： 同时导通。、过程中，瞬时和成因： CC I If TTV 54 3.5.5其他类型的T

17、TL门电路 一、其他逻辑功能的门电路 1. 与非门 0 12 1 9020 524 1 45 1 OLO B OHO B VVTTT VVBA VVTT VVVBA BA 导通，和截止， 同为高电平时，和当 导通，截止， 时，有一个为和当 由多发射极三极管实现 ,. ,. 加倍：每个值相同，并联后 时相同：并联后与仅一个接地 输入电流计算： IH IL I I 2. 或非或非门 均加倍和输入电流计算时， 导通截止，才有同为、只有 截止导通，均使任何一个为、所以 的输出并联和因为 路两个完全一样的输入电 ILIH OHO OLO II VVTTBA VVTTBA TT 45 45 22 0 1

18、3.与或非门 4. 异或异或门 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 VmASN TTOC 30407407 55 /:如 ，可承受较大电压、电流，三极管输出端为 与”输出端并联可实现“线 ）可以不等于（截止时，为或 饱和同为高时， 取值合适，定可使只要工作时需要外接 CCCCCCO OL CCLCCL VVVVTBA VTBA VRVR 5 5 0 0, ,;, OC门实现的线与线与 )()()( CDABCDABYYY YYYY 21 21 所以 才为高，即为低，只有两者同高

19、有一个低，、因为 三、三态输出门（Three state Output Gate ,TS） )(,ZVV OHOL ，高阻输出有三个状态： ZYDPEN ABYDPEN 导通，为“高阻状态” 截止，为“工作状态” ,)( )(,)( 012 101 三态门的用途 一、高速系列74H/54H （High-Speed TTL） 1. 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 )()(mwPnstdp pd mWPnst pd 101074,系列：标准 2 1 )(nst pd 倍2)(mwP 二、肖特基系列74S/54S

20、（Schottky TTL） 1. 电路改进 (1)采用抗饱和三极管 (2)用有源泄放电路代替74H系列中的R3 (3)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 左右至左右，下降到VVVV OLTH 4011. 三、低功耗肖特基系列 74LS/54LS （Low-Power Schottky TTL） 四、74AS,74ALS （Advanced Low-Power Schottky TTL） 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，抗干扰性好，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 3.2.1二极管的开关特性： 高电平：VIH=VCC 低电平：VIL=0 的计算方法 L R 三、 CMOS传输门及双向模拟开关 1. 传输门 接地为正，另一端经设 LI RV 之间为低电阻 至少一个导通和在所以 导通 导通 时 当 相当于断开 均截止、则则只要 当 设 O