数字电子技术基础数字电子技术基础 第三章第三章 门电路门电路 数字电子技术基础数字电子技术基础 补：半导体基础知识 数字电子技术基础数字电子技术基础 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 数字电子技术基础数字电子技术基础 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 数字电子技术基础数字电子技术基础 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 数字电子技术基础数字电子技术基础 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 数字电子技术基础数字电子技术基础 半导体基础知识（4） PN结的单向导 电性 外加正向电压 数字电子技术基础数字电子技术基础 半导体基础知识（4） PN结的单向导 电性 外加反向电压 数字电子技术基础数字电子技术基础 3.1 概述 门电路的概念： 实现基本和常用逻辑运算的电子电路，叫逻辑 门电路。实现与运算的叫与门，实现或运算的叫或 门，实现非运算的叫非门，也叫做反相器，等等。 分立元件门电路和集成门电路: 分立元件门电路：用分立的元件和导线连接起 来构成的门电路。简单、经济、功耗低，负载差。 集成门电路：把构成门电路的元器件和连线都 制作在一块半导体芯片上，再封装起来，便构成了 集成门电路。现在使用最多的是CMOS和TTL集成门 电路。 数字电子技术基础数字电子技术基础 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 数字电子技术基础数字电子技术基础 3.2半导体二极管门电路 3.2.1二极管的开关特性： 二极管的伏安特性曲线 数字电子技术基础数字电子技术基础 二极管的开关等效电路： 数字电子技术基础数字电子技术基础 二极管的动态电流波形： 数字电子技术基础数字电子技术基础 若输入信号频率过高，二极管会双向导通，失去单向导 电作用。因此高频应用时需考虑此参数。 二极管从截止变为导通和从导通变为截止都需要一定 的时间。通常后者所需的时间长得多。 反向恢复时间tre ：二极管从导通到截止所需的时间。 一般为纳秒数量级（通常tre 5ns ）。 数字电子技术基础数字电子技术基础 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 ABY 0V0V0.7V 0V3V0.7V 3V0V0.7V 3V3V3.7V ABY 000 010 100 111 规定3V以上为1 0.7V以下为0 数字电子技术基础数字电子技术基础 3.2.3 二极管或门 设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V ABY 0V0V0V 0V3V2.3V 3V0V2.3V 3V3V2.3V ABY 000 011 101 111 规定2.3V以上为1 0V以下为0 数字电子技术基础数字电子技术基础 3.3.1三极管的输入特性和输出特性 VON ：开启电压 硅管，0.5 0.7V 锗管，0.2 0.3V 近似认为: VBE 0.7V以后，基本为水平直线 数字电子技术基础数字电子技术基础 特性曲线分三个部分 放大区：条件VCE 0.7V, iB 0, iC随iB成正比变化， iC=iB。 饱和区：条件VCE 0, VCE 很低，iC 随iB增加 变缓变缓 ，趋趋于“饱饱和”。 截止区：条件VBE = 0V, iB = 0, iC = 0, ce间“断开” 。 数字电子技术基础数字电子技术基础 3.3.2双极型三极管的基本开关电路 数字电子技术基础数字电子技术基础 三极管的开关等效电路 截止状态 饱和导通状态 数字电子技术基础数字电子技术基础 3.3.3 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。 数字电子技术基础数字电子技术基础 三极管的开关时间（动态特性） 三极管的开关时间 开启时间ton 上升时间tr 延迟时间td 关闭时间toff 下降时间tf 存储时间ts 数字电子技术基础数字电子技术基础 (1) 开启时间ton 三极管从截止到饱和所需的时间。 ton = td +tr td ：延迟时间 tr ：上升时间 (2) 关闭时间toff 三极管从饱和到截止所需的时间。 toff = ts +tf ts ：存储时间（几个参数中最长的；饱和越深越长） tf ：下降时间 toff ton 。 开关时间一般在纳秒数量级。高频应用时需考虑。 数字电子技术基础数字电子技术基础 3.3.4 3.3.4 TTLTTL反相器反相器 TTL集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用半导体三 极管，所以称晶体管晶体管逻辑门电路，简称TTL电路。 TTL反相器的电路结构 数字电子技术基础数字电子技术基础 TTL反相器工作原理 D1抑制负向干扰 D2保证T5饱和时T4可靠的截止 数字电子技术基础数字电子技术基础 采用推拉式输出级利于提高开关速度和负载能力 T5组成射极输出器，优点是既能提高开关速度，又能提高负 载能力。 当输入高电平时，T5饱和，uB4=uC2=0.3V+0.7V=1V，T4和D2截 止，T5的集电极电流可以全部用来驱动负载。 当输入低电平时，T5截止，T4导通(为射极输出器)，其输出 电阻很小，带负载能力很强。 可见，无论输入如何, T4和T5总是一管导通而另一管截止. 这种推拉式工作方式，带负载能力很强。 数字电子技术基础数字电子技术基础 二、电压传输特性 数字电子技术基础数字电子技术基础 三、输入噪声容限 数字电子技术基础数字电子技术基础 TTLTTL反相器的输入特性和输出特性反相器的输入特性和输出特性 1. 输入伏安特性 输入电压和输入电流之间的关系曲线。 图2-11 TTL反相器的输入伏安特性 （a）测试电路 （b）输入伏安特性曲线 数字电子技术基础数字电子技术基础 图2-12 输入负载特性曲线 （a）测试电路 （b）输入负载特性曲线 TTL反相器的输入端对地接上电阻RI 时，uI随RI 的变化而变化的关系曲线。 2. 输入负载特性 数字电子技术基础数字电子技术基础 在一定范围内，uI 随RI的增大而升高。但 当输入电压uI达到1.4V 以后，uB1 = 2.1V，RI 增大，由于uB1不变， 故uI = 1.4V也不变。 这时VT2和VT4饱和导通 ，输出为低电平。 虚框内为TTL反相器的部分内部电路 数字电子技术基础数字电子技术基础 3. 输出特性 指输出电压与输出电流之间的关系曲线。 (1) 输出高电平时的输出特性 负载电流iL不可过大，否则输出高电平会降低。 图2-13 输出高电平时的输出特性 （a）电路 （b）特性曲线 RL拉电流负载 数字电子技术基础数字电子技术基础 图2-14 输出低电平时的输出特性 （a）电路 （b）特性曲线 (2) 输出低电平时的输出特性 负载电流iL不可过大，否则输出低电平会升高。 一般灌电流在20 mA以下时，电路可以正常工作。典型 TTL门电路的灌电流负载为12.8 mA。 RL灌电流负载 数字电子技术基础数字电子技术基础 平均传输延迟时间tpd 平均传输延迟时间tpd表征了门电路的开关速度。 tpd = （tpLH +tpHL）/2 TTL反相器的平均延迟时间 数字电子技术基础数字电子技术基础 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。 数字电子技术基础数字电子技术基础 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 数字电子技术基础数字电子技术基础 2. 或非门3.与或非门 数字电子技术基础数字电子技术基础 集电极开路门（OC门） 推拉式输出电路结构存 在局限性。 输出电平不可调输出电平不可调 负载能力不强，尤负载能力不强，尤 其是高电平输出其是高电平输出 输出端不能并联使输出端不能并联使 用用。 0 1 很大的电流 不高不 低的电 平：1/0? 数字电子技术基础数字电子技术基础 2、OC门的结构特点 数字电子技术基础数字电子技术基础 OC门实现的线与 数字电子技术基础数字电子技术基础 例:试为图2.4.30电路中的外接负载电阻RL选定合适的阻 值。已知G1、G2为OC门，输出管截止时的漏电流为IOH= 200A，输出管导通时允许的最大负载电流为ILM=16mA， G3、G4和G5均为74系列与非门，它们的低电平输入电流为 IIL=-1mA，高电平输入电流为IIH=40 A。给定VCC=5V，要 求OC门输出的高电平VOH 3.0V，低电平VOL 0.4V。 数字电子技术基础数字电子技术基础 三、三态输出门（Three state Output Gate ,TS） 数字电子技术基础数字电子技术基础 控制端高电平有效的三态门 (2)逻辑符号 控制端低电平有效的三态门 数字电子技术基础数字电子技术基础 三态门的用途 数字电子技术基础数字电子技术基础 扇出系数= 数字电子技术基础数字电子技术基础 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。 数字电子技术基础数字电子技术基础 数字电子技术基础数字电子技术基础 CMOS 门电路 MOS门电路：以MOS管作为开关元件构成的门电路。 MOS门电路，尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、 集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点，得 到了十分迅速的发展。 数字电子技术基础数字电子技术基础 MOS管的开关特性 V V GSGS=0 =0时，时，D-SD-S间是两个背向间是两个背向PN PN结串联，结串联，i i D D =0=0 加上加上+V+VGS GS，且足够大至 ，且足够大至V VGS GS V VGS GS ( (thth) ) , D-S , D-S间形成导电沟道（间形成导电沟道（N N 型层）型层） 数字电子技术基础数字电子技术基础 三、MOS管的基本开关电路 OFF ，截止状态 ON，导通状态 数字电子技术基础数字电子技术基础 CMOS反相器的工作原理 UIL=0V 截止 导通 UOHVDD 当uI= UIL=0V时，VTN 截止，VTP导通， uO = UOHVDD 数字电子技术基础数字电子技术基础 UIH= VDD 截止 UOL 0V 当uI =UIH = VDD ， VTN导通，VTP截止， uO =UOL0V 导通 数字电子技术基础数字电子技术基础 负载管串联 （串联开关） 1 CMOS或非门 驱动管并联 （并联开关）