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第二章 门电路

第二章 门电路. 概述 2.1 半导体开关元件 2.2 分立元器件门电路 2.3 CMOS 集成门电路 2.4 TTL 集成门电路. 第二章 门电路. 概述. 概述. 门电路的定义 ：实现基本和常用逻辑运算的的电 子电路称为逻辑门电路，简称为门电路。. 门电路的主要类型： 与门、或门、与非门、或非门、异 或门、三态门等。. 一、门电路的概念. V cc. R. V O. K. 第二章 门电路. 概述. 二、逻辑变量与两状态开关. 逻辑变量的取值不是 0 就是 1 。. 数字电路中，与之对应的是电子开关的 两种状态。.

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第二章 门电路

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Presentation Transcript

  1. 第二章 门电路 概述 2.1 半导体开关元件 2.2 分立元器件门电路 2.3 CMOS集成门电路 2.4 TTL集成门电路

  2. 第二章 门电路 概述 概述 门电路的定义：实现基本和常用逻辑运算的的电 子电路称为逻辑门电路，简称为门电路。 门电路的主要类型：与门、或门、与非门、或非门、异 或门、三态门等。 一、门电路的概念

  3. Vcc R VO K 第二章 门电路 概述 二、逻辑变量与两状态开关 逻辑变量的取值不是0就是1。 数字电路中，与之对应的是电子开关的 两种状态。 K开------VO输出高电平，对应“1” K合------VO输出低电平，对应“0”

  4. 第二章 门电路 概述 三、高、低电平与正、负逻辑 UH 5V 数字信号 高电平:   2.4—5V , UH 低电平:   0—0.8 V, UL 电平： 2.4V 0.8V UL 0V 正逻辑，用1表示高电平，用0表示低电平 负逻辑，用0表示高电平，用1表示低电平

  5. 第二章 门电路 概述 四、分立元件门电路和集成门电路 分离元件门电路：用分离的元件和导线连接的门电路。 集成门电路：把构成门电路的元件和导线，都制作在 一块半导体芯片上，在封装起来，便构成 了集成门电路。

  6. 第二章 门电路 概述 五、数字集成电路的集成度 集成度：一般把在一块芯片中含有等效逻辑门的 个数，或元器件的个数，定义为集成度。 每片含100个以下元器件：小规模集成电路 ( Small Scale Integration :SSI ) 每片含几百个元器件：中规模集成电路 （Medium Scale Integration :MSI) 每片含几千个元器件：大规模集成电路 （ Large Scale Integration :LSI) 每片含一万个以上元器件：：超大规模集成电路 （ Very Large Scale Integration :VLSI)

  7. 第二章 门电路 2.1 半导体开关元件 2.1半导体开关元件 理想开关的开关特性 半导体二极管的开关特性 半导体三极管的开关特性 MOS管的开关特性

  8. A S K 第二章 门电路 2.1 半导体开关元件 理想开关的开关特性 理想开关： 一、静态特性 （一）断开时，等效电阻ROFF=∞，电流IOFF=0 （二） 闭合时，等效电阻RON=0，电流UAK=0 二、动态特性 （一）开通时间 ton=0 （二）关断时间toff=0

  9. PN结 P区 N区 + UD - A 阳极 K 阴极 K A ID (a) 第二章 门电路 2.1 半导体开关元件 半导体二极管的开关特性 （一）半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性 半导体二极管特点：单向导电性 1、结构示意图和符号

  10. 正向导通区 反向截止区 死区 反向击穿区 第二章 门电路 2.1 半导体开关元件 2、伏安特性 Ui<0.5V时，二极管截止，iD=0。 Ui>0.5V时，二极管导通。

  11. 第二章 门电路 2.1 半导体开关元件 （二）半导体二极管的开关作用 1、开关应用举例 ui＝0V时，二极管截止，如同开关断开，uo＝0V。 ui＝5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源，uo＝4.3V。

  12. 第二章 门电路 2.1 半导体开关元件 2、静态开关特性 （1）导通条件和导通的特点 当外加正向电压UD>0.7V时，二极管导通，近似认为UD=0.7V不变，如同一个具有0。7压降的闭合了的开关。 （2）截至条件和截止时的特点 但外加电压UD<0.5V时，二极管截止，近似认为 ID=0，如同一个断开了的开关。

  13. iD 第二章 门电路 2.1 半导体开关元件 二、动态特性 二极管结电容和扩散电容的存在，极大的影响了二极管的动态特性，无论是开通还是关断，伴随着两种电容的充、放电过程，需要一定时间完成。

  14. UIH UI t UIL iD td ts t tr tf toff 第二章 门电路 2.1 半导体开关元件 ton 1、开通时间ton ton=td+tr 2、关断时间toff toff=ts+tf 注意：半导体二极管的开通时间比关断时间短的多，一般可以 忽略。关断时间又称反向恢复时间trr,也只有几纳秒。

  15. C E 发射区 N 发射结 B B P 基区 集电结 集电区 N E C 第二章 门电路 2.1 半导体开关元件 半导体三极管的开关特性 半导体三极管是一种具有放大特性的基极电流控制的开关元件。 一、静态特性 （一）结构示意图、符号和输入、输出特性 1.结构示意图和符号 硅NPN半导体三极管

  16. 0V UCE≥1V 正向导通区 反向截止区 0 0.5 0.7 反向击穿区 第二章 门电路 2.1 半导体开关元件 2、输入特性 当U 不变时，输入回路中的电流I 与电压U 之间的关系 曲线被称为输入特性，即 iB=f(uBE)/uCE

  17. 4 80A 3 60A iC(mA ) 2 40A 1 20A iB=0 3 12 vCE(V) 6 9 第二章 门电路 2.1 半导体开关元件 3.输出特性 当IB不变时，输出回路中的电流IC与电压UCE之间 的关系曲线称为输出特性曲线，即ic=f(UCE)/iB UCE>UBE,集电结反偏，IB=IC，称为放大区。 在输出特性曲线上可划分三个区：放大区、截止区、饱和区。 UCEUBE,集电结正偏，IB>IC，UCE0.3V称为饱和区。 iB=0,iC=ICEO,vBE< 死区电压，称为截止区。

  18. 第二章 门电路 2.1 半导体开关元件 (二）半导体三极管的开关应用 在数字电路中，半导体三极管一般工作在截止区或 饱和区。 1、静态开关特性 （1）饱和导通条件及特点 条件：iB>IBS≈VCC/βRC 特点：uBE ≈0.7V,uce=UCES≤0.3V (2)截止条件及特点 条件：uBE<0.5V 特点：iB ≈0V,iC ≈0V

  19. +ucc uI/v 3 0.3V 0 t -2 ic tf tr 0 t td uo ts ton toff t 0 第二章 门电路 2.1 半导体开关元件 二、动态特性 半导体三极管和二极管一样，在开关过程中存在 电容效应，因此需要一定时间。 关断时间toff=ts+tf 开通时间ton=td+tr

  20. 第二章 门电路 2.1 半导体开关元件 MOS管的开关特性 MOS管又称为绝缘栅型场效应三极管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transisteor , MOSFET） MOS管分为增强型和耗尽型两大类，每类又有 N沟道和P沟道之分。它们的工作原理基本相同。

  21. D G S D G N 沟道增强型 S N N P B 第二章 门电路 2.1 半导体开关元件 一、静态特性 1、结构示意图和符号 -uGS+

  22. UDS UGS ID=0 S D G N N D-S 间相当于两个反接的PN结 P 第二章 门电路 2.1 半导体开关元件 2、MOS管的工作原理 以N 沟道增强型为例 UGS=0时 对应截止区

  23. UGS足够大时（UGS>VT）感应出足够多电子，这里出现以电子导电为主的N型导电沟道。UGS足够大时（UGS>VT）感应出足够多电子，这里出现以电子导电为主的N型导电沟道。 UDS UGS S D G N N P 第二章 门电路 2.1 半导体开关元件 UGS>0时 感应出电子 VT称为阈值电压

  24. UDS UGS S D G N N P 第二章 门电路 2.1 半导体开关元件 UGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，UGS越大此电阻越小。

  25. UDS UGS S D G N N P 第二章 门电路 2.1 半导体开关元件 当UDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的。 当UDS较大时，靠近D区的导电沟道变窄。

  26. UDS UGS S D G ID 夹断后，即使UDS 继续增加，ID仍呈恒流特性。 N N P 第二章 门电路 2.1 半导体开关元件 UDS增加，UGD=VT 时，靠近D端的沟道被夹断，称为予夹断。

  27. 截止区 第二章 门电路 2.1 半导体开关元件 3、MOS管的特性曲线 (1)漏极特性 ID=f(uDS)uGS UTN=2V

  28. 第二章 门电路 2.1 半导体开关元件 (2)转移特性 ID=f(uGS)uDS

  29. 第二章 门电路 2.1 半导体开关元件 （二）MOS管的开关作用 截止条件：uGS<UTN 截止特点：iD=0,MOS管如同一个断开了的开关。 导通条件：uGS>UTN 导通特点：MOS管如同一个具有一定导通电阻 的闭合开关。

  30. 第二章 门电路 2.2 分立元器件门电路 2.2 分立元器件门电路 二极管与门和或门 三极管非门

  31. +12V D1 A L D2 B 逻辑符号 & 第二章 门电路 2.2 分立元器件门电路 二极管与门和或门 一、二极管与门

  32. u u u A B F 0V 0V 0.7V 0V 3V 0.7V +12V 3V 0V 0.7V 3V 3V 3.7V D1 A L D2 B 第二章 门电路 2.2 分立元器件门电路 输入输出电压关系表 ( uD=0.7V ) 与逻辑真值表 逻辑函数表达式 L=A·B

  33. u u u D1 F A B F A 0V 0V - 0.3V D2 B 0V 3V 2.7V 3V 0V 2.7V 3V 3V 2.7V -12V A ≥1 F B 第二章 门电路 2.2 分立元器件门电路 二极管或门 输入与输出电压关系表 逻辑式：F=A+B 逻辑符号：

  34. u u A F A F 0 1 1 0 真值表 1 A F 第二章 门电路 2.2 分立元器件门电路 三极管非门 +5V 输入与输出电压关系表 R1 F 0.3V 5V A R2 0V 5V 逻辑式： 逻辑符号：

  35. 第二章 门电路 2.3 COMS集成门电路 2.3 CMOS集成门电路 CMOS反相器 CMOS与非门、或非门、与门和或门 CMOS与或非门和异或门 CMOS传输门、三态门和漏极开路门

  36. VDD P1 vI vO 漏极相连做输出端 N1 柵极相连做输入端 第二章 门电路 2.3 COMS集成门电路 CMOS反相器 一、电路组成及工作原理 1、电路结构 PMOS NMOS

  37. VDD P1 vI vO N1 如果将0V定义为0，逻辑VDD定义为逻辑1，将实现逻辑“非”功能 。 第二章 门电路 2.3 COMS集成门电路 2、工作原理 1.当vI=0V时，vGSN=0，N1截止，∣vGSP∣=VDD，P1导通，vO≈VDD，门电路输出输出高电平； 2.当vI=VDD时，VGSN=VDD，N1导通，∣VGSP∣=0，P1截止，vO≈0V，门电路输出低电平。

  38. 绝缘层 VDD P1 D1 vI vO 输入保护电路 D1 N1 第二章 门电路 2.3 COMS集成门电路 3、输入端保护电路 CMOS门电路的输入阻抗非常大。 优点：几乎不吸收电流。一般来说，高电平输入电流IIH≤0.1µA，低电平输入电流IIL≤0.1µA。 缺点：容易接收干扰甚至损坏门电路。 措施：输入级一般都加了保护电路。

  39. iI i1 -uDF VDD+uDF uI VDD P1 D1 uI uO D1 N1 第二章 门电路 2.3 COMS集成门电路 二、静态特性 （一）输入特性

  40. uo +VDD -5V ui=0v UGSP=-15V -10V io + UO - io 0V 第二章 门电路 2.3 COMS集成门电路 （二）输出特性 1、高电平输出特性

  41. uo +VDD io +VDD + UO - UGSN=15V 5V 10V io 第二章 门电路 2.3 COMS集成门电路 2、低电平输出特性

  42. A B vO C VDD D E F 0 vI P1 UTP UTN UTH vI vO N1 第二章 门电路 2.3 COMS集成门电路 （三）传输特性 1、电压传输特性 AB段：VI<UTN， N1截止， P1导通，输出电压vO≈VDD BC段：VI>UTN，N1导通,但导通电阻大，故uo略有下降。 CD段：VI在0.5VDD附近，N1、P1均导通，导通电阻小。 DE、EF段：与BC、AB段对应。

  43. ID C D A B E F 0 vI 1／2VDD 第二章 门电路 2.3 COMS集成门电路 2、电流传输特性

  44. 0.5 vI 0.5 vO tPHL tPLH 第二章 门电路 2.3 COMS集成门电路 三、动态特性 1、传输延迟时间 平均传输延迟时间

  45. vI 0.9 vO 0.1 tPHL tPLH 第二章 门电路 2.3 COMS集成门电路 2、状态转化时间 状态转换时间是指CMOS门电路从一个状态转换到另外一个状态所化的时间。

  46. 止 通 通 VDD A P1 P2 L H off on on off L B H L on off off on L Y 止 A ≥1 H H on on off off L N1 N2 B 第二章 门电路 2.3 COMS集成门电路 CMOS二输入或非门 0 L L off off on on H 0 1

  47. 第二章 门电路 2.3 COMS集成门电路 CMOS与或非门和异或门 一、CMOS与或非门

  48. A =1 B (b)逻辑符号 (a)与非门构成的异或门 第二章 门电路 2.3 COMS集成门电路 二、CMOS异或门

  49. C C VDD 门控制信号 P1 vI / vO TG vI / vO vO / vI N1 C C (b)符号 (a)电路 第二章 门电路 2.3 COMS集成门电路 CMOS传输门、三态门和漏极开路门 一、CMOS传输门 vO / vI 输入 输出

  50. C VDD P1 vO / vI vI / vO N1 C 第二章 门电路 2.3 COMS集成门电路 工作原理： 传输门相当于一个理想的开关，且是一个双向开关。 当C为高电平时， N1、P1中至少有一只管子导通，使vO=vI，这相当于开关接通。 当C为低电平时， N1、P1截止，传输门相当于开关断开；

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