数字电子技术基础ch03

1、前续补充前续补充 2.1 2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识纯净的半导体晶体称为本征半导体1. 本征半导体的共价键结构（硅）：硅原子外层轨道4个价电子，它与相邻原子靠得很近，使价电子成为两个原子公有，形成共价键结构。+4+4+4+4共价键共价键中的两个电子图212. 本征半导体的特点： 在T = 0 K（绝对零度）和无外界激发，没有自由运动的带电粒子载流子； T ，受热激发，如 T = 300K（室温），少数价电子会挣脱束缚成为自由电子，留下空穴本征激发。3. 本征半导体中的两种载流子： 自由电子 空穴（价电子挣脱束缚后留下的空位）a. 带正电，所带电量与电子相等；b. 可以“ 移动”；

2、c. 本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相等。4. 本征半导体中的载流子浓度kTEGeTApn223iini：自由电子的浓度pi：空穴的浓度A：系数（与半导体材料有关）T：绝对温度EG：价电子挣脱共价键所需能量, 又叫禁带宽度K：波尔兹曼常数结论：半导体材料一定，载流子浓度随温度按指数规律增大。半导体的导电能力取决于载流子的数目，本征半导体受热激发只产生少量电子空穴对，载流子浓度很低，外加电场作用，电流极其微弱； 若在本征半导体中掺入微量杂质，则导电性能大为改观，掺入百万分之一的杂质，载流子浓度增加1百万倍。1. N型半导体 形成本征掺杂： 本征半导体得到大量电子（无空穴）磷本征激发：

3、得到少量电子空穴对+4+4+4+5磷原子多余电子图22 特点a. 自由电子为多数载流子（多子） 空穴为少数载流子 （少子）；b. 磷原子被称为施主杂质，本身因失去电子而成为正离子。 N型半导体可简化成+图232. P型半导体 形成本征掺杂： 本征半导体得到大量空穴（无电子）硼+4+4+4+3图2 4硼原子空穴本征激发：得到少量电子空穴对 特点a. 空穴为多数载流子 （多子） 自由电子为少数载流子（少子）；b. 硼原子被称为受主杂质，本身因获得电子而成为负离子。 P型半导体可简化成图25 2.2 PN2.2 PN结的形成结的形成用化学方法把N型半导体和P型半导体结合在一起。图26P型+N型浓度差

4、别多子扩散空间电荷区 当扩散和漂移达到动平衡，即形成PN结。内电场内电场少子漂移+P型区N型区空间电荷区图27内电场V0把PN结封壳，引线即成二极管。其符号和PN结相同。阳极阴极1. 正偏: P + ，N PN结变窄（由11到22） PN结正向电阻很小。 内电场变小（ 由V0变到V0 VF ） 形成扩散电流即正向电流 IF ； VF， IF ；利于扩散12122 121PN VF IF图282. 反偏 P ，N + PN结变宽（由11到22） PN结反向电阻很大。 内电场变大（由V0变到V0 + VF ） 形成漂移电流即反向（饱和）电流 IS ； VR， IS 不变；利于漂移21211 212

5、PN VR IF图19IR(或IS )总结：二极管(PN结)正向电阻小，反向电阻大， 这就是它的单向导电性。 正向死区死区电压：硅0.5V 锗0.1V图210OV(V)ISIFI(mA)+IV 正向导通区)1(.TSFVVeIIIaIS ：反向饱和电流VT ：温度的电压当量 T =300K时， VT =26mVb. 当 V VTTSVVeII I 和V成指数关系 反向截止区I = IS 反向击穿区 反向电流急剧增加, 管子被击穿。反向电压反向电流 PN结允许的耗散功率称为热击穿。热击穿管子损坏，是不可逆的。1. 最大整流电流 IF：管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流；2. 反向击穿电压

6、 VBR：管子反向击穿时的电压值一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半。图313AX22低频锗3AD6低频大功率管3DG6高频硅图32N 集电区N 发射区P 基区ebc集电结发射结集电极发射极基极三区两结三极下图是NPN管的结构及符号ebc图33P 集电区P 发射区N 基区ebc集电结发射结集电极发射极基极PNP管的结构及符号如下：符号中的箭头表示BJT导通时的电流方向bec放大的条件：内部条件：内部条件：发射区掺杂浓度高；基区薄且掺杂浓度低。外部条件：外部条件：发射结正偏；集电结反偏。NNPJeJcV0VEEV0+VCC1. BJT内部载流子的传输图34 bVEEIBeIEcVC

7、CIC电子流复合图35 IBbVEEVCCecIEICNNP电子流BI ICBOInC2. 电流分配关系一个三极管制定后，发射区发射的电子传输到集电结所占比例一定，这个比例系数用表示，称为共基极电流放大系数。EnCII发射极注入的电流传输到集电极的电流CBOnCCIII代入CBOECIII通常忽略 ICBOECII一般为 0.9 0.99假设 =0.99，则发射100个电子，扩散99个，复合1个。3. 共发射极连接方式 BJT的三种连接方式a. 共基极连接信号从e极输入，从集电极c输出。图36EICIEEVCCVb. 共发射极连接：信号从b极输入，从c极输出c. 共集电极连接：信号从b极输入，

8、从e极输出 共射连接方式的电流放大作用a. 由于VBB、Rb的作用，发射结正偏。由于VCC VBB ，调节Rc，使VCE VBE，则VC VB， 集电结反偏满足放大的外部条件。图37VBBRbVCCICRcIBPNNb. 下面推导IC和IB的关系IE = IB + ICCBOECIII代入CBOCBCIIII1 令CBOBC)1( III则整理式得11CBOBCIIICBOCEO)1( II令ICEO：基极开路，c流到e的电流，称穿透电流把 ICEO 代入，得CEOBCIII忽略ICEO BC IIc. 之实质BnCEE)1(1IIII共射电流放大系数为扩散电子数/复合电子数 为几十 几百倍若

9、 = 0.99，则 = 99 共射电路具有电流放大作用归纳： BJT满足内部条件和外部条件，具有放大作用； BJT的放大作用，按电流分配实现，称之为电流控制元件； 电流放大系数共基电路：共射电路：1ECIIBCII图38vBEvCEiCiBPNNvBE(V)iB(mA)C25802040600.20.40.60.8O1. 输入特性曲线常数CE)(BEBvvfi图39vCE=0VVCE 1V vCE = 0，相当于二极管的正向特性 vCE 1V后， vCE， iC基本不变， iB亦基本不变 vCE = 1V，曲线右移（原因是集电结反偏， iE 大部分被拉到集电区， iB ） 工程上vCE = 1

10、V的曲线即可代表vCE 1V的情况。vCE(V)iC(A)C2543210 2 4 6 82. 输出特性曲线常数B)(CECivfi图310100806020iB=0ICE0iB=40(A) 先看iB=40A的一条曲线 要想改变iC ，得改变iB ，这样，得到一组曲线簇；vCE 很小时，集电结反偏小，收集载流子能力弱， vCE iC 当vCE 1V后， iC 大致与横轴平行；CE0BC Iii1. 电流放大系数共射：BCEOCIII为直流电流放大系数 若IC ICEO 则BCII交流放大系数用 表示BCII如图3115 .37A40A5 . 1m4040605 . 13 . 2vCE(V)iC

11、(A)C2543210 2 4 6 8图3112.31.5ICIBQ100806040iB=20(A) 若满足条件： ICEO很小时，可忽略； 管子工作在线性区。表示。，都用工程上则可以为共基：表示。，都用，同理，工程上不区别2. 集电极基极反向饱和电流 ICBO发射极开路，c、b间加上一定反向电压时的反向电流，（由少数载流子引起）硅管：1A小功率锗管：约为10A。图312VCCeA+cb ICBO3. 集电极发射极反向饱和电流ICE0（穿透电流）基极开路，c、e间加一定反向电压时的集电极电流图313VCCecb ICEOACBOCEO)1(II4. 极限参数a. 集电极最大允许电流 ICM。

12、三极管的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。当电流超过ICM，管子性能下降，甚至烧坏。b. 集电极最大允许功率 PCM。集电结上允许损耗功率的最大值。超过此值会使管子性能变坏或烧毁。c. 反向击穿电压 VBR。例例31 在晶体管放大电路中，测得三个晶体管的各个电极的电位如图。试判断各晶体管的类型（是NPN管还是PNP管，是硅管还锗管），并区分e、b、c三个电极。2V2.7V6V2.2V5.3V6V4V1.2V1.4V(a)(b)(c)(a) NPN硅， e，b，c(b) PNP硅管， c，b，e(c) PNP锗管， c，e，b解：解：(1)依|VBE|=0.7V(或|VBE|= 0.2

13、V)确定硅还是锗。(2)找出c极：极间电压不是0.7V或0.2V的为c极。(3)VB、VE、VC三个电位中，VC最低，是PNP管； VC最高，是NPN管。(4)PNP管： VC VBVBVE。以确定b, e极。 放大要求：幅度放大，波形不失真放大要求：幅度放大，波形不失真 放大实质：实现能量转换与控制放大实质：实现能量转换与控制 放大对象：交流量放大对象：交流量(即变化量即变化量)+Cb1Cb2Vi300k12V4k12VVBBVCCRCRBV0图图314VCC, VBB ：直流电源RC, RB ：分别为集电极负载电阻、基极偏置电阻Cb1, Cb2 ：耦合电容。（隔直滤交）极性：把交流短路，直

14、流电位高的端接电容之正极：“ 地”。vi . v0 . VBB . VCC之公共端，又叫参考点，此点电位为0。+Cb1Cb2Vi300k12V4k12VVBBVCCRCRBV0图图314 取VBB = VCC。见图314(a) 省略电源VCC的符号，只标出VCC的非接地端的电压数值及极性。见图314(b)+Cb1Cb2300kVCCRcRb4k12V+IBviv0(a)Cb1Rb300kRc4kCb2+VCCIBICec+12V(b)v0vi图314静态：静态：当放大电路vi=0时，电路中各处的电压、电流都为直流，称为直流工作状态或静止状态，简称静态。静态工作点静态工作点：静态下，IB、 IC

15、、 VCE在管子特性曲线上有一确定的点，此点为静态工作点，又叫Q点。动态：动态：当放大电路输入信号后（vi0），电路中各处的电压、电流处于变动状态，这时电路处于动态工作情况，简称动态。1. 估算法确定静态工作点见图314(b)bBECCBRVVIVBE：硅管约为0.7V。 锗管约为0.2V。一般 VCC VBEbCCB RVIBC IICCCCCERIVVCb1Rb300kRc4kCb2VCCIBICec12Vv0vi图314 (b)2. 图解法确定静态工作点图315 (a)+Cb1300kRbviVBB12VVCC12V4kRc+vCECb2+v0iBiC20F20F非线性电路部分线性电路部

16、分显然， 既满足特性曲线，又要满足直线， 曲线和直线的交点即Q点。思路：左边为 IB= 40A的一条特性曲线。iC与 vCE是非线性关系。右边iC与 vCE是直线关系。 VCE = VCCiC RCvCE(V)0 2 4 6 8 10 12100iC(mA)8060201432直流负载线 步骤：a. 作三极管的输出特性曲线图315(b)b. 作直流负载线vCE =12 4 iCc. 计算IBA40bCCBRVId. 确定Q点IB =40A所对应的特性曲线和直流负载线的交点即Q点。 6v1.5mA A 40 CECBVIIQ点为：IB = 40(A)QIC=1.5MN图316+Cb1300kRb

17、viVBB12VVCC12V4kRc+vCECb2+iBiC+vBEttv0t目的：得出v0与vi的相位关系和动态范围。1. 放大电路接入正弦信号时的工作情况vCEtiCv0tviiBvi设 vi = 0.02sint (V) 依vi 在输入特性上求 iB。图317iB(A)OtiB(A)vBE(V)2040600.20.40.6 0.8OIBQQQvBE(V)OtVBEv0 = 3sint (V) 依iB在输出特性上求iC 和vCEvCE(V)O 3 6 9 12100iC(mA)8060IB = 40Q201432MQQtiC(mA)ICtvCE(V)vceVCEOON图317总结：a.

18、iB = IB + ib iC = IC + ic vCE = VCE + vce它们为脉动直流；（在直流量的基础上迭加了 一个交流量）b. v0是与vi同频率的正弦波；c. v0与vi反相，此为共射电路特有的倒相作用。2. 交流负载线输出端接负载，由于Cb2的隔直作用，不影响静态工作点，但动态工作情况会发生变化。 交流通路： 不考虑直流，交流信号通过的路径。原则：a. 隔直电容视为短路；b. VCC视为短路。+ VCC+12V4kRLCb2+iC20FCb120FRc4kRb300kiBviv0图318 (a)Rb+ibviRLRc+v0icRc和 RL并联，此并联值为交流负载电阻LRLcL

19、/ RRR图318 (b) 作交流负载线由图318(b)可见交流 v0 = vcevce = ic RL交流量等于脉动直流量减直流量。vCE VCE = (iC Ic ) LRvCELLcCE RRIVCi交流负载线，此交流负载线斜率为L1R此交流负载线一定过Q点。Q1.5。的直线即为交流负载线点作斜率为过L1RQ交流负载线直流负载线vCE(V)0 3 6 9 12100iC(mA)8060IB = 40A20143256图319斜率为 定出的负载线为直流负载线。C1R Q点的选择：Q点应选在交流负载线的中央点应选在交流负载线的中央Q点选得太低，出现截止失真；点选得太低，出现截止失真；Q点选得

20、太高，出现饱和失真。点选得太高，出现饱和失真。3. BJT的三个工作区域图320 截止区：IB= 0以下部分为截止区发射结零偏或反偏IC = ICEO = 0 VCE =VCC管子c、e间如同断开O 1 2 3 4 5 6 12 3 4vCE(V)iC(mA)40(A)080120160200Q2QQ1NM饱和区放大区截止区 放大区：(线性区)平坦部分发射结正偏，集电结反偏IC = IB VCE = VCC IC RC图320O 1 2 3 4 5 6 12 3 4vCE(V)iC(mA)40(A)080120160200Q2QQ1NM饱和区放大区截止区 饱和区：输出特性的上升和弯曲部分发射结

21、正偏，集电结正偏 IB IC VCE = VCES = 0.3V(硅)VCE = VCES = 0.1V(锗)管子c、e间如同短接图320O 1 2 3 4 5 6 12 3 4vCE(V)iC(mA)40(A)080120160200Q2QQ1NM饱和区放大区截止区例例32 判断下列管子的工作状态02V3V(a)00.7V3V(b)2.3V3V2.6V(c)03V(d)0.2V解：解： (a) 发射结反偏 管子截止(b) 发射结正偏，集电结反偏， 管子放大(c) 发射结正偏，集电结正偏， 管子饱和(d) 发射结正偏，集电结反偏， 管子放大直观、全面了解放大器工作情况；大致估算动态范围。能合理

22、安排Q点；费事、不精确，除能分析出电压放大倍数外，分析其他指标有困难。3 逻辑门电路逻辑门电路3.1 MOS逻辑门电路逻辑门电路3.2 TTL逻辑门电路逻辑门电路*3.3 射极耦合逻辑门电路射极耦合逻辑门电路*3.4 砷化镓逻辑门电路砷化镓逻辑门电路3.5 逻辑描述中的几个问题逻辑描述中的几个问题3.6 逻辑门电路使用中的几个实际问题逻辑门电路使用中的几个实际问题* 3.7 用用VerilogHDL描述逻辑门电路描述逻辑门电路教学基本要求：教学基本要求：1、了解半导体器件的开关特性。了解半导体器件的开关特性。2、熟练掌握熟练掌握基本逻辑门（与、或、与非、或非、异或基本逻辑门（与、或、与非、或非

23、、异或门）、三态门、门）、三态门、OD门（门（OC门）和传输门的逻辑功能。门）和传输门的逻辑功能。3、学会门电路逻辑功能分析方法。学会门电路逻辑功能分析方法。4、掌握掌握逻辑门的主要参数及在应用中的接口问题。逻辑门的主要参数及在应用中的接口问题。3. 逻辑门电路逻辑门电路3.1 MOS逻辑门逻辑门3.1.1 数字集成电路简介数字集成电路简介3.1.2 逻辑门的一般特性逻辑门的一般特性3.1.3 MOS开关开关及其等效电路及其等效电路3.1.4 CMOS反相器反相器3.1.5 CMOS逻辑门电路逻辑门电路3.1.6 CMOS漏极开路门和三态输出漏极开路门和三态输出门电路门电路3.1.7 CMOS

24、传输门传输门3.1.8 CMOS逻辑门电路的技术参数逻辑门电路的技术参数1 、逻辑门逻辑门: :实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。2、 逻辑门电路的分类逻辑门电路的分类二极管门电路二极管门电路三极管门电路三极管门电路TTL门电路门电路MOS门电路门电路PMOS门门CMOS门门逻辑门电路逻辑门电路分立门电路分立门电路集成门电路集成门电路NMOS门门3.1.1 数字集成电路简介数字集成电路简介1.CMOS集成电路集成电路: :广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路 4000 4000系列系列74HC 74HCT74

25、VHC 74VHCT速度慢速度慢与与TTL不不兼容兼容抗干扰抗干扰功耗低功耗低74LVC 74VAUC速度加快速度加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低速度两倍于速度两倍于74HC与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低低低( (超低超低) )电压电压速度更加快速度更加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰功耗低抗干扰功耗低 7474系列系列74LS系列系列74AS系列系列 74ALS2.TTL 集成电路集成电路: :广泛应用于中大规模集成电路广泛应用于中大规模集成电路3.1.1 数字集成电路简介数字集成电路简介3.1.2 逻辑门电路的

26、一般特性逻辑门电路的一般特性1. 1. 输入和输出的高、低电平输入和输出的高、低电平 vO vI 驱动门驱动门G1 负载门负载门G2 1 1 输出高电平的下限值输出高电平的下限值 VOH(min)输入低电平的上限值输入低电平的上限值 VIL(max)输入高电平的下限值输入高电平的下限值 VIL(min)输出低电平的上限值输出低电平的上限值 VOH(max)输出输出高电平高电平+VDD VOH(min)VOL(max) 0 G1门门vO范围范围 vO 输出输出低电平低电平 输入输入高电平高电平VIH(min) VIL(max) +VDD 0 G2门门vI范围范围 输入输入低电平低电平 vI VN

27、H 当前级门输出高电平的最小当前级门输出高电平的最小值时值时允许负向噪声电压的最大值允许负向噪声电压的最大值。负载门输入高电平时的噪声容限：负载门输入高电平时的噪声容限：VNL 当前级门输出低电平的最大当前级门输出低电平的最大值时值时允许正向噪声电压的最大值允许正向噪声电压的最大值负载门输入低电平时的噪声容限负载门输入低电平时的噪声容限：2. 噪声容限噪声容限VNH =VOH(min)VIH(min) VNL =VIL(max)VOL(max)在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许波动的范围。它表在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许波动的范围。它表示门电路的抗干扰能力示门电路的抗干扰能力

28、 1 驱动驱动门门 vo 1 负载门负载门 vI 噪声噪声 类型类型参数参数74HCVDD=5V74HCTVDD=5V74LVCVDD=3.3V74AUCVDD=1.8VtPLH或或tPHL(ns)782.10.93.传输延迟时间传输延迟时间传输延迟时间是表征门电路开关速度传输延迟时间是表征门电路开关速度的参数，它说明门电路在输入脉冲波的参数，它说明门电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输入形的作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间波形延迟了多长的时间。CMOS电路传输延迟时间电路传输延迟时间 tPHL 输出输出 50% 90% 50% 10% tPLH tf tr 输入输入

29、 50% 50% 10% 90% 4. 4. 功耗功耗静态功耗：指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电路空载时静态功耗：指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电路空载时电源总电流电源总电流ID与电源电压与电源电压VDD的乘积。的乘积。5. 5. 延时延时 功耗积功耗积是速度功耗综合性的指标是速度功耗综合性的指标. .延时延时 功耗积功耗积，用符号，用符号DP表示表示扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。6. 6. 扇入与扇出数扇入与扇出数动态功耗：指的是电路在输出状态转换时的功耗，动态功耗：指的是电路在输出状态转换时的功耗，对于对于TTL门电路来说，静态功耗

30、是主要的。门电路来说，静态功耗是主要的。CMOS电路的静态功耗非常低，电路的静态功耗非常低，CMOS门电路有动态功耗门电路有动态功耗扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。（a)a)带拉电流负载带拉电流负载当负载门的个数增加时，总的拉电流将增加，会引起输出高电压当负载门的个数增加时，总的拉电流将增加，会引起输出高电压的降低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制了负载门的的降低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制了负载门的个数。个数。)(I)(IN负载门负载门驱动门驱动门IHOHOH 高电平高电平扇出数扇出数:

31、IOH : :驱动门的输出端为高电平电流驱动门的输出端为高电平电流IIH : :负载门的输入电流为负载门的输入电流为。(b)带灌电流负载带灌电流负载)(I)(IN负负载载门门驱驱动动门门ILOLOL 当负载门的个数增加时，总的灌电流当负载门的个数增加时，总的灌电流IOL将增加，同时也将引起将增加，同时也将引起输出低电压输出低电压VOL的升高。当输出为低电平，并且保证不超过输的升高。当输出为低电平，并且保证不超过输出低电平的上限值。出低电平的上限值。IOL ：驱动门的输出端为低电平电流：驱动门的输出端为低电平电流IIL ：负载门输入端电流之和：负载门输入端电流之和电路类型电路类型电源电电源电压压

32、/V传输延传输延迟时间迟时间/ns静态功耗静态功耗/mW功耗延迟积功耗延迟积/mW-ns直流噪声容限直流噪声容限输出逻输出逻辑摆幅辑摆幅/VVNL/VVNH/VTTLCT54/74510151501.22.23.5CT54LS/74LS57.52150.40.53.5HTL158530255077.513ECLCE10K系列系列5.2225500.1550.1250.8CE100K系列系列4.50.7540300.1350.1300.8CMOSVDD=5V5455103225 1032.23.45VDD=15V151215103180 1036.59.015高速高速CMOS5811038 10

33、31.01.55各类数字集成电路主要性能参数的比较各类数字集成电路主要性能参数的比较3.1.3 MOS开关及其等效电路开关及其等效电路：MOS管工作在可变电阻区，输出低电平管工作在可变电阻区，输出低电平: : MOS管截止，管截止， 输出高电平输出高电平当当I VTMOS管相当于一个由管相当于一个由vGS控制的控制的无触点开关。无触点开关。MOS管工作在可变电阻区，管工作在可变电阻区，相当于开关相当于开关“闭合闭合”，输出为低电平。输出为低电平。MOS管截止，管截止，相当于开关相当于开关“断开断开”输出为低电平。输出为低电平。当输入为低电平时：当输入为低电平时：当输入为高电平时：当输入为高电平

34、时：3.1.4 CMOS 反相器反相器1.1.工作原理工作原理AL1+VDD+10VD1S1vivOTNTPD2S20V+10VvivGSNvGSPTNTPvO0 V 0V-10V截止截止导通导通 10 V10 V 10V 0V导通导通截止截止0 VVTN = 2 VVTP = 2 V逻辑图逻辑图AL 逻辑表达式逻辑表达式vi (A)0vO(L)1逻辑真值表逻辑真值表10)VVVTPTNDD( P沟道沟道MOS管输出特性曲线坐标变换管输出特性曲线坐标变换输入高电平时的工作情况输入高电平时的工作情况输入低电平时的工作情况输入低电平时的工作情况作图分析：作图分析：2. 电压电压传输特性和电流传输特

35、性传输特性和电流传输特性)v(fvIO 电压传输特性电压传输特性3.CMOS反相器反相器的工作速度的工作速度在由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间与关在由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间与关闭时间是相等的。平均延迟时间：闭时间是相等的。平均延迟时间：10 ns。 带电容负载带电容负载A BTN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 1截止截止 导通导通 截止截止导通导通 导通导通导通导通导通导通截止截止截止截止导通导通截止截止截止截止截止截止 截止截止导通导通导通导通1110与非门与非门1.CMOS 与非门与非门vA+VDD+10VTP1TN1TP2TN2ABLvBvLAB

36、&(a)(a)电路结构电路结构(b)(b)工作原理工作原理VTN = 2 VVTP = 2 V0V10VN输入的与非门的电路输入的与非门的电路?输入端增加有什么问题输入端增加有什么问题?3.1.5 CMOS 逻辑门逻辑门或非门或非门BAL 2.2.CMOS 或非门或非门+VDD+10VTP1TN1TN2TP2ABLA B TN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 1截止截止导通导通截止截止导通导通 导通导通导通导通导通导通截止截止截止截止导通导通截止截止截止截止截止截止截止截止导通导通导通导通1000AB10V10VVTN = 2 VVTP = 2 VN输入的或非门的电路的

37、结构输入的或非门的电路的结构?输入端增加有什么问题输入端增加有什么问题?3. 异或门电路异或门电路BA BABAXBAL BABA BA =A B4.4.输入保护电路和缓冲电路输入保护电路和缓冲电路 基基本本逻逻辑辑功功能能电电路路 基基本本逻逻辑辑功功能能电电路路 输输入入保保护护缓缓冲冲电电路路 输输出出缓缓冲冲电电路路 vi vo 采用缓冲电路能统一参数，使不同内部逻辑集成逻辑门电路采用缓冲电路能统一参数，使不同内部逻辑集成逻辑门电路具有相同的输入和输出特性。具有相同的输入和输出特性。（1 1）输入端保护电路）输入端保护电路: :(1) 0 vA VDD + vDF 二极管导通电压：二极

38、管导通电压：vDF(3) vA vDF 当输入电压不在正常电压范围时当输入电压不在正常电压范围时, ,二极管导通，限制了电容两端二极管导通，限制了电容两端电压的增加电压的增加, ,保护了输入电路。保护了输入电路。D1、D2截止截止D1导通导通, D2截止截止vG = VDD + vDFD2导通导通, D1截止截止vG = vDFRS和和MOS管的栅极电容组成积分网络，使输入信号的过冲电压管的栅极电容组成积分网络，使输入信号的过冲电压延迟且衰减后到栅极。延迟且衰减后到栅极。 D2 -分布式二极管分布式二极管(iD大大) VDD vI CN TP Rs D2 D1 TN CP vO BABAL （

39、2）CMOS逻辑门的缓冲电路逻辑门的缓冲电路输入、输出端加了反相器作为缓冲电路，所以电路输入、输出端加了反相器作为缓冲电路，所以电路的逻辑功能也发生了变化。增加了缓冲器后的逻辑功的逻辑功能也发生了变化。增加了缓冲器后的逻辑功能为与非功能能为与非功能1 1.CMOS漏极开路门漏极开路门1.）CMOS漏极开路门的提出漏极开路门的提出输出短接，在一定情况下会产输出短接，在一定情况下会产生低阻通路，大电流有可能导生低阻通路，大电流有可能导致器件的损毁，并且无法确定致器件的损毁，并且无法确定输出是高电平还是低电平。输出是高电平还是低电平。 3.1.6 CMOS漏极开路（漏极开路（OD）门和三态输出门电路

40、）门和三态输出门电路 +VDDTN1TN2AB+VDDAB01C D RP VDD L A B & & （2）漏极开路门的结构与逻辑符号漏极开路门的结构与逻辑符号(c) (c) 可以实现线与功能可以实现线与功能; ;CDAB CDAB +VDDVSSTP1TN1TP2TN2ABLA B L 电路电路A B L & 逻辑符号逻辑符号(b)(b)与非逻辑不变与非逻辑不变RP VDD L A B 漏极开路门输出连接漏极开路门输出连接21PPL RP VDD L A B C D (a)(a)工作时必须外接电源和电阻工作时必须外接电源和电阻; ;(2) (2) 上拉电阻对上拉电阻

41、对OD门动态性能的影响门动态性能的影响RP VDD L A B C D Rp的值愈小，负载电容的充电时间的值愈小，负载电容的充电时间常数亦愈小，因而开关速度愈快常数亦愈小，因而开关速度愈快。但功耗大但功耗大, ,且可能使输出电流超过允且可能使输出电流超过允许的最大值许的最大值IOL(max） 。电路带电容负载电路带电容负载1 10 0CL LRp的值大，可保证输出电流不能超的值大，可保证输出电流不能超过允许的最大值过允许的最大值IOL(max）、）、功耗小功耗小。但负载电容的充电时间常数亦愈大，但负载电容的充电时间常数亦愈大，开关速度因而愈慢开关速度因而愈慢。最不利的情况：最不利的情况：只有一

42、个只有一个 OD门导通，门导通，110为保证低电平输出为保证低电平输出OD门的门的输输出电流不能超过允许的最大值出电流不能超过允许的最大值 IOL(max)且且VO=VOL(max） ，RP不不能太小能太小。当当VO=VOLIL(total)OLOLDDpIIVVR(max)(max)(min) IL(total)pOLDDOLIRVVI(min)(max)(max) +V DDIILRP&n&m&kIIL（total)IOL（max)当当VO=VOH+V DDRP&n&m&111IIH（total)I0H（total)为使得高电平不低于规定的为

43、使得高电平不低于规定的VIH的的最小值，则最小值，则Rp的选择不能过大。的选择不能过大。Rp的最大值的最大值Rp(max) ：IH(total)OH(total)IHDDpIIVVR(min)(max) 2.三态三态(TSL)输出门电路输出门电路1TP TN VDD L A EN & 1 1 EN A L 1 0011截止截止导通导通111高阻高阻 0 输出输出L输入输入A使能使能EN0011 10 00截止截止导通导通010截止截止截止截止X1逻辑功能：高电平有效的同相逻辑门逻辑功能：高电平有效的同相逻辑门0 13.1.7 CMOS传输门传输门( (双向模拟开关双向模拟开关) ) 1

44、 1. CMOS传输门电路传输门电路TP vI /vO TN vO /vI C C +5V 5V 电路电路vI /vO vO /vI C C T G 逻辑符号逻辑符号I / Oo/ IC等效电路等效电路2、CMOS传输门电路的工作原理传输门电路的工作原理 设设TP:|VTP|=2V， TN:VTN=2V I的变化范围为的变化范围为5V到到+5V。 5V+5V 5V到到+5V GSN0, TP截止截止TP vI /vO TN vO /vI C C +5V 5V 1）当）当c=0， c =1时时c=0=-5V， c c =1=+5V C TP vO/vI vI/vO +5V 5V TN C +5V

45、5V GSP= 5V (3V+5V)= 2V 10V GSN=5V (5V+3V)=(102)V b、 I= 3V5V GSNVTN, TN导通导通a、 I= 5V3VTN导通，导通，TP导通导通 GSP |VT|, TP导通导通C、 I= 3V3VIOvv 2）当）当c=1， c =0时时传输门组成的数据选择器传输门组成的数据选择器C=0TG1导通导通, TG2断开断开 L=XTG2导通导通, TG1断开断开 L=YC=1传输门的应用传输门的应用CMOS逻辑集成器件发展使它的技术参数从总体上来说已经达逻辑集成器件发展使它的技术参数从总体上来说已经达到或者超过到或者超过TTLTTL器件的水平。

46、器件的水平。CMOS器件的功耗低、扇出数大，器件的功耗低、扇出数大，噪声容限大，静态功耗小，动态功耗随频率的增加而增加。噪声容限大，静态功耗小，动态功耗随频率的增加而增加。参数参数系列系列传输延迟时间传输延迟时间tpd/ns(CL=15pF)功耗功耗(mW)延时功耗积延时功耗积(pJ)4000B751 (1MHz)10574HC101.5 (1MHz)1574HCT131 (1MHz)13BiCMOS2.90.00037.50.00087223.1.8 CMOS逻辑门电路的技术参数逻辑门电路的技术参数CMOS门电路各系列的性能比较门电路各系列的性能比较3.2 TTL逻辑门逻辑门3.2.1 BJ

47、T的开关特性的开关特性3.2.2 基本基本BJT反相器的动态特性反相器的动态特性3.2.3 TTL反相器的基本电路反相器的基本电路3.2.4 TTL逻辑门电路逻辑门电路3.2.5 集电极开路门和三态门集电极开路门和三态门3.2.6 BiMOS门电路门电路3.2 TTL逻辑门逻辑门3.2.1 BJT的开关特性的开关特性iB 0，iC 0，vOVCEVCC，c、e极之间近似于开路极之间近似于开路,vI=0V时时:iB 0，iC 0，vOVCE0.2V，c、e极之间近似于短路极之间近似于短路,vI=5V时时:iCICSVRCCc很小，约为数很小，约为数百欧，相当于百欧，相当于开关闭合开关闭合可变可变

48、 很大，约为很大，约为数百千欧，相数百千欧，相当于开关断开当于开关断开 c、e间等间等效内阻效内阻VCES 0.20.3 VVCEVCCiCRcVCEO VCC管压降管压降 且不随且不随iB增加而增加而增加增加ic iBiC 0集电极电集电极电流流 发射结和集电发射结和集电结均为正偏结均为正偏 发射结正偏，发射结正偏，集电结反偏集电结反偏 发射结和集发射结和集电结均为反偏电结均为反偏偏置情况偏置情况工工作作特特点点 iB iB0条件条件饱饱 和和放放 大大截截 止止工作状态工作状态BJT的开关条件的开关条件 0 iB CSI CSI2. BJT的开关时间的开关时间从截止到导通从截止到导通开通时

49、间开通时间ton(=td+tr)从导通到截止从导通到截止关闭时间关闭时间toff(= ts+tf)BJT饱和与截止两种状态的相饱和与截止两种状态的相互转换需要一定的时间才能完成。互转换需要一定的时间才能完成。CL的充、放电过程均需经历一定的充、放电过程均需经历一定的时间，必然会增加输出电压的时间，必然会增加输出电压 O波波形的上升时间和下降时间，导致基形的上升时间和下降时间，导致基本的本的BJT反相器的开关速度不高。反相器的开关速度不高。3.2.2基本基本BJT反相器的动态性能反相器的动态性能若带电容负载若带电容负载故需设计有较快开关速度的实用型故需设计有较快开关速度的实用型TTL门电路。门电

50、路。 输出级输出级T3、D、T4和和Rc4构构成推拉式的输出级。成推拉式的输出级。用于提高开关速度用于提高开关速度和带负载能力。和带负载能力。中间级中间级T2和电阻和电阻Rc2、Re2组成，从组成，从T2的集电结和发射的集电结和发射极同时输出两个相极同时输出两个相位相反的信号，作位相反的信号，作为为T T3 3和和T T4 4输出级的输出级的驱动信号；驱动信号； Rb1 4k Rc2 1.6k Rc4 130 T4 D T2 T1 + vI T3 + vO 负载 Re2 1K VCC(5V) 输入级输入级 中间级中间级输出级输出级 3.2.3 TTL反相器的基本电路反相器的基本电路1. 1.

51、电路组成电路组成输入级输入级T1和电阻和电阻Rb1组成。用于提组成。用于提高电路的开关速度高电路的开关速度2. TTL反相器的工作原理（逻辑关系、性能改善）反相器的工作原理（逻辑关系、性能改善） （1 1）当输入为低电平（）当输入为低电平（ I I = 0.2 V）mA 0251 1B1CCB1.RvVi 0 BS1 IBS1B1Ii T1 深度饱和深度饱和V 3.6V 70705DBE4B4O ).(vvvv截止截止导通导通导通导通截止截止饱和饱和低电平低电平T4D4T3T2T1输入输入高电平高电平输出输出T2 、 T3截止，截止，T4 、D导通导通（2）当输入为高电平（）当输入为高电平（

52、I = 3.6 V） T2、T3饱和导通饱和导通 T1:倒置的放大状态。倒置的放大状态。 T4和和D截止。截止。使输出为低电平使输出为低电平.vO=vC3=VCES3=0.2V输入输入A输出输出L0110逻辑真值表逻辑真值表 逻辑表达式逻辑表达式 L = A 饱和饱和截止截止T4低电平低电平截止截止截止截止饱和饱和倒置工作倒置工作高电平高电平高电平高电平导通导通导通导通截止截止饱和饱和低电平低电平输出输出D4T3T2T1输入输入（3 ）采用输入级以提高工作速度）采用输入级以提高工作速度 当当TTL反相器反相器 I由由3.6V变变0.2V的瞬间的瞬间 T2、T3管的状态变化滞管的状态变化滞后于后

53、于T1管，仍处于导通管，仍处于导通状态。状态。T1管管Je正偏、正偏、Jc反偏，反偏， T1工作在放大状态。工作在放大状态。T1管射极电流（管射极电流（1+ 1 ） iB1很快地从很快地从T2的基区抽的基区抽走多余的存储电荷走多余的存储电荷,从而从而加速了输出由低电平到加速了输出由低电平到高电平的转换。高电平的转换。 （4）采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力）采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力当当 O=0.2V时时当输出为低电平时，当输出为低电平时，T4截止，截止，T3饱和导通，其饱和电流全饱和导通，其饱和电流全部用来驱动负载部用来驱动负载a)带负载能力带负载能力当当 O O=

54、 =3.6V时时 O由低到高电平跳变的瞬间，由低到高电平跳变的瞬间，CL充电，其时间常数很小使充电，其时间常数很小使输出波形上升沿陡直。而当输出波形上升沿陡直。而当 O由高变低后，由高变低后， CL很快放电，很快放电，输出波形的下降沿也很好。输出波形的下降沿也很好。 T T3 3截止，截止，T T4 4组成的电压跟随组成的电压跟随器的输出电阻很小，输出高器的输出电阻很小，输出高电平稳定，带负载能力也较电平稳定，带负载能力也较强。强。输出端接负载输出端接负载电容电容CL时时，b)输出级对提高开关速度的作用输出级对提高开关速度的作用1. TTL与非门电路与非门电路多发射极多发射极BJT T1e e

55、 bc eeb cA& BALB3.2.4 TTL逻辑门电路逻辑门电路TTL与非门与非门电路的工作原理电路的工作原理 任一输入端为低电平时任一输入端为低电平时: :TTL与非门各级工作状态与非门各级工作状态 IT1T2T4T5 O输入全为高电输入全为高电平平 (3.6V)倒置使用的放大倒置使用的放大状态状态饱和饱和截止截止饱和饱和低电平低电平（0.2V）输入有低电平输入有低电平 (0.2V)深饱和深饱和截止截止放大放大截止截止高电平高电平（3.6V）当全部输入端为高电平时：当全部输入端为高电平时： 输出低电平输出低电平 输出高电平输出高电平 2. TTL或非门或非门 若若A、B中有一个

56、为高电平中有一个为高电平:若若A、B均为低电平均为低电平:T2A和和T2B均将截止，均将截止，T3截止。截止。 T4和和D饱和，饱和，输出为高电平。输出为高电平。T2A或或T2B将饱和，将饱和，T3饱和，饱和，T4截止，截止，输出为低电平。输出为低电平。BAL 逻辑表达式逻辑表达式vOHvOL输出为低电平输出为低电平的逻辑门输出的逻辑门输出级的损坏级的损坏3.2.5 集电极开路门和三态门电路集电极开路门和三态门电路1.1.集电极开路门电路集电极开路门电路 VCC(5V) Rb1 4k Rc2 1.6k Rc4 130 T4 A B C T1 T2 D Re2 1k T3 VCC(5V) Rb1

57、 4k Rc2 1.6k Rc4 130 T4 A B C T1 T2 D Re2 1k T3 a） 集电极开路与非门电路集电极开路与非门电路b） 使用时的外电路连接使用时的外电路连接C） 逻辑功能逻辑功能L = A BOC门输出端连接实现线与门输出端连接实现线与VCC T1 Re2 Rc2 Rc4 Rb1 T2 T3 T4 D A B L VCC T1 Re2 Rc2 Rb1 T2 T3 A B L VCCC D RP VDD L A B & & 2. 三态与非门三态与非门(TSL ) 当当CS= 3.6V时时CS数据输入端数据输入端输出端输出端LAB100101110111

58、00三态与非门真值表三态与非门真值表 当当CS= 0.2V时时CS数据输入端数据输入端输出端输出端L LAB10010111011100高阻高阻高电平高电平使能使能高阻状态高阻状态与非逻辑与非逻辑 ZL ABLCS = 0_CS =1真值表真值表逻辑符号逻辑符号ABCS & L EN特点特点: :功耗低、速度快、驱动力强功耗低、速度快、驱动力强3.2.6 BiCMOS门电路门电路 I I为高电平为高电平: :MN、M1和和T2导通，导通，MP、M2和和T1截止，输出截止，输出 O O为低电平。为低电平。工作原理工作原理: :M1的导通的导通, , 迅速拉走迅速拉走T1的基区存储的基区存

59、储电荷电荷; ; M2截止截止, , MN的输出电流全的输出电流全部作为部作为T2管的驱动电流管的驱动电流, , M1 、 M2加快输出状态的转换加快输出状态的转换 I I为低电平为低电平: :MP、M2和和T1导通，导通，MN、M1和和T2截止，输出截止，输出 O O为高电平。为高电平。T2基区的存储电荷通过基区的存储电荷通过M2而消散。而消散。 M1 、 M2加快输出状态的转换加快输出状态的转换电电路的开关速度可得到改善路的开关速度可得到改善M1截止，截止，MP的输出的输出电流全部作为电流全部作为T1的驱动电流。的驱动电流。3.5.1 正负逻辑问题正负逻辑问题3.5 逻辑描述中的几个问题逻

60、辑描述中的几个问题3.5.2 基本逻辑门的等效符号及其应用基本逻辑门的等效符号及其应用3.5.1 正负逻辑问题正负逻辑问题1. 1. 正负逻辑的规定正负逻辑的规定 0 01 1 1 10 0正逻辑正逻辑负逻辑负逻辑3.5 逻辑描述中的几个问题逻辑描述中的几个问题正逻辑体制正逻辑体制: :将高电平用逻辑将高电平用逻辑1 1表示，低电平用逻辑表示，低电平用逻辑0 0表示表示负逻辑体制负逻辑体制: :将高电平用逻辑将高电平用逻辑0 0表示，低电平用逻辑表示，低电平用逻辑1 1表示表示 A B L 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 _与非门与非门A B L 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 某电路输入与输出电平表某电路输入与输出电平表A B L L L H L H H H L H H H L 采用正逻辑采用正逻辑_或非门或非门采用负逻辑采用负逻辑与非与非 或非或非负逻辑负逻辑 正逻辑正逻辑2.