数字电路基础清华数字第五版阎石-第三章-清华.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,高教出版社,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,数字电子技术基础第五版,数字电子技术基础,（第五版）,教学课件,清华大学 阎石 王红,联系地址：清华大学 自动化系,邮政编码：,100084,电子信箱：,wang_hong,联系电话,：[phone],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,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 ,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1,3.2半导体二极管门电路,半导体二极管的结构和外特性（Diode）,二极管的结构：,PN结+引线+封装构成,P,N,3.2.1二极管的开关特性：,高电平：,V,IH,=V,CC,低电平：,V,IL,=0,V,I,=V,IH,D截止，,V,O,=V,OH,=V,CC,V,I,=V,IL,D导通，,V,O,=V,OL,=0.7V,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V,CC,=5V,加到A,B的 V,IH,=3V,V,IL,=0V,二极管导通时 V,DF,=0.7V,A,B,Y,0V,0V,0.7V,0V,3V,0.7V,3V,0V,0.7V,3V,3V,3.7V,A,B,Y,0,0,0,0,1,0,1,0,0,1,1,1,规定3V以上为1,0.7V以下为0,3.2.3 二极管或门,设V,CC,=5V,加到A,B的 V,IH,=3V,V,IL,=0V,二极管导通时 V,DF,=0.7V,A,B,Y,0V,0V,0V,0V,3V,2.3V,3V,0V,2.3V,3V,3V,2.3V,A,B,Y,0,0,0,0,1,1,1,0,1,1,1,1,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：,以,N沟道增强型,为例：,当加+V,DS,时，,V,GS,=0时，D-S间是两个背向PN结串联，i,D,=0,加上+V,GS,，且足够大至V,GS,V,GS(th),D-S间形成导电沟道（N型层）,开启电压,二、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,C,I,，对动态有影响。,输出特性：,i,D,=f(V,DS,),对应不同的,V,GS,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：V,GS,10,9,漏极特性曲线,（分三个区域）,恒流区：i,D,基本上由V,GS,决定，与V,DS,关系不大,漏极特性曲线,（分三个区域）,可变电阻区：当V,DS,较低（近似为0），V,GS,一定时，这个电阻受V,GS,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,3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理,一、电路结构,二、电压、电流传输特性,三、输入噪声容限,结论：可以通过提高V,DD,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,二、输出特性,3.3.4 CMOS反相器的动态特性,一、传输延迟时间,二、交流噪声容限,三、动态功耗,三、动态功耗,3.3.5 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,带缓冲极的CMOS门,1、与非门,带缓冲极的CMOS门,2.解决方法,二、漏极开路的门电路（OD门）,三、CMOS传输门及双向模拟开关,1.传输门,2.双向模拟开关,四、三态输出门,三态门的用途,双极型三极管的开关特性,（BJT,Bipolar Junction Transistor）,3.5 TTL门电路3.5.1 半导体三极管的开关特性,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：,当V,CC,V,BB,be 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,I,C,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,）,V,ON,：开启电压,硅管，0.5 0.7V,锗管，0.2 0.3V,近似认为:,V,BE,0.7V以后，基本为水平直线,特性曲线分三个部分,放大区：条件,V,CE,0.7V,i,B,0,i,C,随,i,B,成正比变化，,i,C,=,i,B,。,饱和区：条件,V,CE,0,V,CE,很低，,i,C,随,i,B,增加变缓，趋于“饱和”。,截止区：条件,V,BE,=0V,i,B,=0,i,C,=0,ce,间“断开”。,三、双极型三极管的基本开关电路,只要参数合理：,V,I,=V,IL,时，T截止，V,O,=V,OH,V,I,=V,IH,时，T导通，V,O,=V,OL,工作状态分析：,图解分析法：,四、三极管的开关等效电路,截止状态,饱和导通状态,五、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，i,C,的变化将滞后于V,I,，则V,O,的变化也滞后于V,I,。,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=V,IL,时T可靠截止，常在 输入接入负压。,参数合理？,V,I,=V,IL,时，T截止，V,O,=V,OH,VI=VIH时，T截止，V,O,=V,OL,例3.5.1：计算参数设计是否合理,5V,-,8V,3.3K,10K,1K,=20,V,CE,(sat)=0.1V,V,IH,=5V,V,IL,=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,V,B,与,R,B,电路,当,当,又,因此，参数设计合理,3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理,一、电路结构,设,二、电压传输特性,二、电压传输特性,二、电压传输特性,需要说明的几个问题：,三、输入噪声容限,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。,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,二、交流噪声容限,（b）,负脉冲噪声容限,（a）,正脉冲噪声容限,当输入信号为窄脉冲，且接近于t,pd,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,2、动态尖峰电流,3.5.5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.与或非门,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（Three state Output Gate,TS）,三态门的用途,一、高速系列74H/54H （High-Speed TTL）,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,2.4.5 TTL电路的改进系列（改进指标：),二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）,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-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,I,2,L：属饱和逻辑，电路简单，用于LSI内部电路,