《数字逻辑》第3章门电路.ppt

数数 字字 逻逻 辑辑北航计算机学院北航计算机学院艾明晶艾明晶 牛建伟牛建伟2第第3章章 门电路门电路 本章补充常用半导体器件基础知识；介绍本章补充常用半导体器件基础知识；介绍晶体二极管晶体二极管、三三极管极管的稳态开关特性；的稳态开关特性；分立元件门分立元件门；TTLTTL与非门，与非门，OCOC门，三态门，三态门门；MOSMOS管，管，MOSMOS门等内容门等内容。介绍门电路的。介绍门电路的电路结构电路结构、工作原理工作原理及及逻辑功能逻辑功能，以及，以及基于基于Verilog HDLVerilog HDL的门电路设计的门电路设计。3.1 概述概述 3.2 常用半导体器件（补充）常用半导体器件（补充）3.3 晶体二极管和三极管的开关特性晶体二极管和三极管的开关特性3.4 分立元件门分立元件门3.5 数字集成电路的主要性能参数（补充）数字集成电路的主要性能参数（补充）3.6 TTL集成门集成门3.7 MOS集成门集成门3.8 基于基于Verilog HDL的门电路设计的门电路设计共共7学时学时3本章重点本章重点 晶体管的稳态开关特性；晶体管的稳态开关特性；门电路的逻辑功能；门电路的逻辑功能；数字集成电路数字集成电路的主要性能参数及其含义；的主要性能参数及其含义；基于基于Verilog HDL设计门电路的方法。设计门电路的方法。43.1 概述概述“门电路门电路”是能实现某种逻辑关系的电路，它是是能实现某种逻辑关系的电路，它是数字电路的基本逻辑单元电路。基本的逻辑门有数字电路的基本逻辑单元电路。基本的逻辑门有与门、或门、非门，复合逻辑门有与非门、或非与门、或门、非门，复合逻辑门有与非门、或非门、与或非门、异或门等。门、与或非门、异或门等。逻辑门主要分为两类逻辑门主要分为两类w分立元件门分立元件门：由电阻、二极管、三极管等分：由电阻、二极管、三极管等分立元件构成；立元件构成；w集成门集成门：把构成门电路的基本元件制作在一：把构成门电路的基本元件制作在一小片半导体芯片上。小片半导体芯片上。集成反相器、缓冲器，集成与门、与非门，集成集成反相器、缓冲器，集成与门、与非门，集成或门、或非门，集成异或门，集成三态门或门、或非门，集成异或门，集成三态门5集成电路与数字集成电路集成电路与数字集成电路集成电路集成电路（Integrated Circuit，IC）：把若干个有源器：把若干个有源器件和无源器件及其连线，按照一定的功能要求，制作件和无源器件及其连线，按照一定的功能要求，制作在在一块半导体基片上，这样的电路称为集成电路。一块半导体基片上，这样的电路称为集成电路。w集成电路相比分立元件电路的优点集成电路相比分立元件电路的优点体积小、耗电省、重量轻、可靠性高体积小、耗电省、重量轻、可靠性高数字电路数字电路：对数字信号进行：对数字信号进行算术算术运算和运算和逻辑逻辑运算的电路运算的电路数字集成电路数字集成电路：在一块半导体基片上，把众多的数字电在一块半导体基片上，把众多的数字电路基本单元制作在一起形成的数字电路。路基本单元制作在一起形成的数字电路。6数字集成电路的分类数字集成电路的分类w早期的划分方法早期的划分方法单位芯片面积上集成门电路的个数单位芯片面积上集成门电路的个数（1）小规模）小规模ICSSI（Small Scale Integration），），含含1 10门门（2）中规模）中规模ICMSI（Medium Scale Integration），），含含10 100门门（3）大规模）大规模ICLSI（Large Scale Integration），），含含100 1000门门（4）超大规模）超大规模ICVLSI（Very Large Scale Integration），），含含1000门以上门以上1、按集成度分类、按集成度分类这种划分方这种划分方法现在已过法现在已过时！时！72、按制造工艺分类、按制造工艺分类（1）双双极极型型IC：晶晶体体三三极极管管中中两两种种载载流流子子（空空穴穴和和自自由由电电子子）参参与与导导电电w基本开关元件：晶体三极管基本开关元件：晶体三极管w常常见见双双极极型型IC：TTL（Transister-Transister Logic，晶晶体体管管-晶晶体体管管逻逻辑辑）、ECL（Emitter Coupled Logic，发发射射极极耦耦合合逻逻辑辑）、HTL（High Threshold Logic，高高阈阈值值逻逻辑辑）、I2L（Integrated Injection Logic，集成注入逻辑）集成电路，集成注入逻辑）集成电路w特点：特点：速度快速度快，但集成度较单极型，但集成度较单极型IC低低（2）单单极极型型IC:MOS晶晶体体管管中中只只有有一一种种载载流流子子（空空穴穴或或自自由由电电子子）参参与导电与导电w基本开关元件：基本开关元件：MOS晶体管晶体管w常常见见单单极极型型IC：PMOS、NMOS、CMOS（Complementary Symmetry Metal Oxide Semiconductor，互补对称金属氧化物半导体），互补对称金属氧化物半导体）集成电路集成电路w特点：特点：功耗低功耗低，集成度高集成度高，但速度较双极型，但速度较双极型IC低低8我们为什么要学习我们为什么要学习门电路门电路？门电路门电路是组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、程序逻辑电是组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、程序逻辑电路的理论基础路的理论基础要学好后面的电路，必须要学好后面的电路，必须先先了解门电路的电路结构、工作原理了解门电路的电路结构、工作原理及逻辑功能及逻辑功能w组合逻辑电路组合逻辑电路是由各种逻辑门以一定的方式组合在一起构成的数字典是由各种逻辑门以一定的方式组合在一起构成的数字典路路。w触发器触发器是由多个逻辑门（大多是与非门）交叉耦合构成的。是由多个逻辑门（大多是与非门）交叉耦合构成的。w时序逻辑电路时序逻辑电路是由组合逻辑电路和触发器构成的。是由组合逻辑电路和触发器构成的。w程序逻辑电路程序逻辑电路主要由控制电路主要由控制电路（计数器、寄存器等计数器、寄存器等，译码器、运算器译码器、运算器等等）和存储器和存储器（地址译码器、存储矩阵和输出控制电路地址译码器、存储矩阵和输出控制电路）构成。构成。9门电路门电路与后续与后续电路的关系示意图电路的关系示意图组合逻辑电路组合逻辑电路逻辑门组合触发器触发器逻辑门交叉耦合时序逻辑电路时序逻辑电路组合逻辑电路触发器逻辑门组合逻辑门交叉耦合程序逻辑电路程序逻辑电路控制电路存储器计数器、寄存器等译码器、运算器等地址译码器存储矩阵输出控制电路若干存储单元（三极管或MOS管）构成三态缓冲器103.2 常用半导体器件（补充）常用半导体器件（补充）3.2.1 半导体基础知识半导体基础知识3.2.2 PN结结3.2.3 半导体二极管半导体二极管3.2.4 半导体三极管半导体三极管内容概要内容概要113.2.1 半导体基础知识半导体基础知识导电能力介于导体和绝缘体之间的物体称为导电能力介于导体和绝缘体之间的物体称为半导体半导体。如：硅（如：硅（Si）、锗（）、锗（Ge）、硒（）、硒（Se）以及大多数金属氧）以及大多数金属氧化物和硫化物。化物和硫化物。半导体半导体特性特性1.热敏特性热敏特性：温度温度导电能力导电能力可做成各种热敏元件可做成各种热敏元件2.光敏特性：光敏特性：受光照受光照导电能力导电能力可做成各种光电器件可做成各种光电器件3.纯净的半导体掺入微量杂质纯净的半导体掺入微量杂质导电能力导电能力（几十万（几十万几百万几百万倍）倍）可制做半导体器件。如半导体二极管、三极管、场效可制做半导体器件。如半导体二极管、三极管、场效应管及晶闸管等。应管及晶闸管等。12半导体的共价键结构半导体的共价键结构原子由具有正电荷的原子核和原子由具有正电荷的原子核和带负电荷的电子组成。带负电荷的电子组成。电子按一定规律分布在核外的电子按一定规律分布在核外的不同壳层上，最外壳层上的电不同壳层上，最外壳层上的电子称为子称为价电子价电子。硅和锗都有。硅和锗都有4个个价电子，都是四价元素。价电子，都是四价元素。两个相邻的原子之间都有一对两个相邻的原子之间都有一对电子，任何一个电子，部分时电子，任何一个电子，部分时间绕自身原子核运动，另部分间绕自身原子核运动，另部分时间出现在相邻原子的轨道上，时间出现在相邻原子的轨道上，电子不再固定属于某一个原子，电子不再固定属于某一个原子，而是为两个原子所共有而是为两个原子所共有原原子间的电子共有化结构称为子间的电子共有化结构称为共共价键价键。半导体的共价键结构半导体的共价键结构硅原子硅原子价电子价电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键有很强的结合力，单晶共价键有很强的结合力，单晶中的价电子不是自由电子，仍中的价电子不是自由电子，仍是束缚电子，不能参与导电；是束缚电子，不能参与导电；但在一定温度下，少数电子有但在一定温度下，少数电子有可能挣脱束缚成为自由电子。可能挣脱束缚成为自由电子。13几个基本概念几个基本概念热激发，产生电子热激发，产生电子-空穴对空穴对w由于热运动的能量使共价键破坏，晶体中产生了能运载电荷的粒子即电子由于热运动的能量使共价键破坏，晶体中产生了能运载电荷的粒子即电子和空穴，这种物理现象称为和空穴，这种物理现象称为热激发热激发。w无电场作用时，电子和空穴的运动都是随机的、不规则的，不形成电流。无电场作用时，电子和空穴的运动都是随机的、不规则的，不形成电流。w外电场作用下，电子逆电场方向运动，空穴沿电场方向运动，形成电流。外电场作用下，电子逆电场方向运动，空穴沿电场方向运动，形成电流。载流子载流子能运载电荷的粒子能运载电荷的粒子w自由电子自由电子由于热运动，由于热运动，少数价电子获得足够的能量挣脱共价键的束缚少数价电子获得足够的能量挣脱共价键的束缚成为成为自由电子。带自由电子。带负负电电w空穴空穴某某价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，在相应共价键位置上价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子，在相应共价键位置上少了一个电子而留下一个空位置，称为空穴。带少了一个电子而留下一个空位置，称为空穴。带正正电电，也像自由电子一样，也像自由电子一样，能在晶体中自由运动。能在晶体中自由运动。载流子的产生与复合载流子的产生与复合w热激发同时，还有载流子的复合过程：电子会与空穴相遇，电子与空穴一热激发同时，还有载流子的复合过程：电子会与空穴相遇，电子与空穴一起消失。在一定温度下，载流子的产生与复合达到起消失。在一定温度下，载流子的产生与复合达到动态平衡动态平衡，晶体中的电，晶体中的电子子-空穴对维持在一定的数目。空穴对维持在一定的数目。14常温下自由电子和空穴的产生与复合常温下自由电子和空穴的产生与复合+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空空穴穴复合复合成对出现成对出现成对消失成对消失自由电子自由电子和空穴称和空穴称为为载流子载流子15半导体的分类半导体的分类半导体分为半导体分为2类类w本征半导体本征半导体指不含有杂质的、完全纯净的半导体。指不含有杂质的、完全纯净的半导体。靠热激发的靠热激发的载流子数目有限，导电能力差。载流子数目有限，导电能力差。w杂质半导体：杂质半导体：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入微量特定元通过扩散工艺，在本征半导体中掺入微量特定元素而形成杂质半导体素而形成杂质半导体。载流子数目剧增，导电能力强。载流子数目剧增，导电能力强。P（Positive）型半导体）型半导体在纯净的硅或锗晶体中掺入微量的三在纯净的硅或锗晶体中掺入微量的三价元素（如硼或铟），导电以价元素（如硼或铟），导电以空穴空穴为主为主N（Negtive）型半导体）型半导体在纯净的硅或锗晶体中掺入微量五价在纯净的硅或锗晶体中掺入微量五价元素（如磷或砷），导电以元素（如磷或砷），导电以自由电子自由电子为主为主 在外电场作用下，电子和空穴均能参与导电。在外电场作用下，电子和空穴均能参与导电。这是半导体导电与导体导电最本质的区别。这是半导体导电与导体导电最本质的区别。半导体中占多数的载流子称为半导体中占多数的载流子称为多子多子；占少数的载流子称为；占少数的载流子称为少子少子。16杂质半导体杂质半导体 N型半导体结构示意图型半导体结构示意图少数载流子少数载流子多数载流子多数载流子正离子正离子在在N型半导体中，自由电子是多型半导体中，自由电子是多数载流子数载流子，空穴是少数载流子。空穴是少数载流子。17杂质半导体杂质半导体 P型半导体结构示意图型半导体结构示意图少数载流子少数载流子负离子负离子多数载流子多数载流子在在P型半导体中，空穴是多数载流子型半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。自由电子是少数载流子。18半导体中载流子的两种运动方式半导体中载流子的两种运动方式2、扩散运动、扩散运动w即使没有电场，由于载流子的浓度分布不均匀，也会发生载即使没有电场，由于载流子的浓度分布不均匀，也会发生载流子的定向运动流子的定向运动从浓度高的区域向浓度低的区域从浓度高的区域向浓度低的区域扩散扩散，扩散运动形成的电流称为扩散运动形成的电流称为扩散电流扩散电流，它正比于载流子的浓度，它正比于载流子的浓度梯度。梯度。1、漂移运动、漂移运动w载流子在电场中的定向运动称为载流子在电场中的定向运动称为漂移漂移，由漂移形成的电流称，由漂移形成的电流称为为漂移电流漂移电流。w半导体中电子逆电场方向定向运动，空穴沿电场方向定向运半导体中电子逆电场方向定向运动，空穴沿电场方向定向运动，形成半导体总的漂移电流。动，形成半导体总的漂移电流。半导体中的电流为漂移电流和半导体中的电流为漂移电流和扩散电流之和。扩散电流之和。193.2.2 PN结结P 区区N 区区N N区的电子向区的电子向P P区扩散并与空穴复合区扩散并与空穴复合P P区的空穴向区的空穴向N N区扩散并与电子复合区扩散并与电子复合空间电荷区（空间电荷区（PN结）结）内电场方向内电场方向少子漂移少子漂移多子扩散运动方向多子扩散运动方向（1）PN结的形成（漂移、扩散）结的形成（漂移、扩散）将将P型半导体和型半导体和N型半导体制作在一起，由于浓度差的原因，型半导体制作在一起，由于浓度差的原因，P型半型半导体的空穴扩散进入导体的空穴扩散进入N区，与区，与N区的电子复合；区的电子复合；N型半导体的电子扩型半导体的电子扩散进入散进入P区，与区，与P区空穴复合，区空穴复合，则在交界面处形成一个则在交界面处形成一个PN结。结。20（2）PN结的正向偏置与反向偏置结的正向偏置与反向偏置在在PN结两端施以外电压，称为给结两端施以外电压，称为给PN结以结以偏置偏置。w若外部电压的正极接若外部电压的正极接P区（即区（即PN结内电场的负极），负极接结内电场的负极），负极接N区区（即（即PN结内电场的正极）结内电场的正极），则称为，则称为正向偏置正向偏置（正偏置）；反之为（正偏置）；反之为反反向偏置向偏置（反偏置）。（反偏置）。PN结最重要的特性：在正偏置和反结最重要的特性：在正偏置和反偏置时表现出完全不同的电流属性。偏置时表现出完全不同的电流属性。未加偏置未加偏置时，时，PN结是结是平衡平衡的，多子的扩散电流与少子的漂的，多子的扩散电流与少子的漂移电流平衡（大小相等、方向相反移电流平衡（大小相等、方向相反），），PN结内无宏观电流。结内无宏观电流。如需如需PN结产生宏观电流，必须设法破坏其扩散与漂移间的结产生宏观电流，必须设法破坏其扩散与漂移间的平衡。平衡。PNE内电场方向内电场方向正向偏置正向偏置21PN结的单向导电性结的单向导电性1.PN结结正向偏置正向偏置时，外电场与内电场方向时，外电场与内电场方向相反相反，空间电荷区，空间电荷区变变窄，窄，有利于多子的扩散。多子的扩散运动超过内电场作用下的有利于多子的扩散。多子的扩散运动超过内电场作用下的少子的漂移运动，在少子的漂移运动，在PN结内形成了以结内形成了以扩散电流扩散电流为主的为主的正向正向的的宏观电流宏观电流IF；该正向电流较大，；该正向电流较大，PN结处于结处于导通导通状态；状态；2.PN结结反向偏置反向偏置时，外电场与内电场方向时，外电场与内电场方向一致一致，使空间电荷区，使空间电荷区变宽变宽，多子的扩散运动受阻，少子的漂移运动超过多子的扩散，多子的扩散运动受阻，少子的漂移运动超过多子的扩散运动，在运动，在PN结内形成了以结内形成了以漂移电流漂移电流为主的为主的反向反向电流电流IR。该反向。该反向电流很小，约等于电流很小，约等于0，PN结结截止截止。PNE多子扩散方向多子扩散方向正向偏置正向偏置IF外电场方向外电场方向PNE少子漂移方向少子漂移方向外电场方向外电场方向反向偏置反向偏置IR223.2.3 半导体二极管半导体二极管半导体二极管半导体二极管（晶体二极管晶体二极管）是在）是在PN结两侧的中性区上各引出结两侧的中性区上各引出一个欧姆接触的金属电极构成的。一个欧姆接触的金属电极构成的。二极管按二极管按结构结构分为点接触型、面接触型和平面型二极管。分为点接触型、面接触型和平面型二极管。按按材料材料划分为硅管和锗管。划分为硅管和锗管。正极引线正极引线触丝触丝N型锗型锗支架支架外壳外壳负极引线负极引线PN结结点接触型二极管的点接触型二极管的结构结构+-D产品外形产品外形二极管符号二极管符号23二极管的伏安特性二极管的伏安特性600400200 0.1 0.20 0.4 0.850100ID/mAUD/V硅管的伏安特性硅管的伏安特性反向特性反向特性死区死区IS正向特性正向特性击穿击穿电压电压UBRU D/VID/mA0.40.8 40 802460.10.2锗管的伏安特性锗管的伏安特性反向特性反向特性0正向特性正向特性开启电压开启电压 UoniD=f（uD）iD+uD D描述了二极管的外特描述了二极管的外特性，即管子电流与电性，即管子电流与电压的关系。压的关系。二极管对正偏置和反二极管对正偏置和反偏置具有截然不同的偏置具有截然不同的特性。特性。24二极管的伏安特性（续）二极管的伏安特性（续）w死区电压（开启电压）死区电压（开启电压）UonSi 管：管：0.5V左右左右Ge管：管：0.1V左右左右w导通电压导通电压Si 管：管：0.6V0.8VGe管：管：0.2V0.3V 二极管的伏安特性受温度的影响。如当环境温度升高二极管的伏安特性受温度的影响。如当环境温度升高时，二极管的正向特性曲线左移，反向特性曲线下移。时，二极管的正向特性曲线左移，反向特性曲线下移。w二极管方程二极管方程iD=Is(e 1)uD/UTIS：反向：反向饱和和电流。流。UT：温度的电压当量。常温下，即：温度的电压当量。常温下，即T=300K（270C）时，时，UT=26mV。注意注意注意注意在正向段：当在正向段：当uDUT时，时，iD=IseuD/UT在反向段：当在反向段：当|uD|UT时，时，iD IS253.2.4 半导体三极管半导体三极管半导体三极管又称半导体三极管又称晶体（三极）管晶体（三极）管。由两层。由两层N型半导体型半导体中间夹一层中间夹一层P型半导体（型半导体（NPN型）或两层型）或两层P型半导体中型半导体中间夹一层间夹一层N型半导体（型半导体（PNP型）组成。型）组成。按按结构结构划分划分NPN型型按按材料材料划分划分硅管硅管按按功率功率划分划分大功率管大功率管按按频率频率划分划分高频管高频管按按用途用途划分划分放大管放大管PNP型型锗管锗管小功率管小功率管低频管低频管开关管开关管1、半导体三极管的分类、半导体三极管的分类常用三极管的外形图常用三极管的外形图26NNPNPN型三极管型三极管集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区集电极集电极C基极基极B发射极发射极E符号符号ECBTw结构结构有有3个电极，个电极，3个区，两个背向的个区，两个背向的PN结结发射极箭头的发射极箭头的方向表示发射方向表示发射结正偏时的电结正偏时的电流方向流方向IcIbIe27PNP型三极管型三极管集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区集电极集电极C发射极发射极E基极基极BNNPPNCBETw结构结构w符号符号ECBTIcIbIe282、三极管的、三极管的3种接法种接法（1）共发射极接法共发射极接法（2）共集电极接法）共集电极接法（3）共基极接法）共基极接法uiuouiuouiuow不同的接法具有不同的电路特性，但管子的工不同的接法具有不同的电路特性，但管子的工作原理都是相同的。作原理都是相同的。w为使晶体管正常地放大工作，必须给它以正确为使晶体管正常地放大工作，必须给它以正确的偏置，即的偏置，即发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏。293、三极管的电流放大（控制）作用、三极管的电流放大（控制）作用电流放大的概念电流放大的概念w以以NPN管共发射极接法为例。管共发射极接法为例。输出输出回路回路输入输入回路回路VCCRCIC UCECEBUBE公共端公共端VBBRBIBIE TVCCVBBw调节调节RB，观察，观察IB、IC及及IE的变化。的变化。结论结论（1）IC、IE比比IB大得多。大得多。（2），称为称为电流放大倍数电流放大倍数IB很小的变化可引起很小的变化可引起IC很大的变化，很大的变化，即即IC受受IB控制控制三极管三极管的电流控制作用。的电流控制作用。30三极管内载流子的运动三极管内载流子的运动1 发射区向基区发射区向基区注入注入电子电子IEIB2 电子在基区电子在基区扩散扩散与复合与复合3 集电区集电区收集收集电子电子 电子流向电源正极形成电子流向电源正极形成 ICICNPN电源负极向发射电源负极向发射区补充电子形成区补充电子形成 发射极电流发射极电流IEVBB正极拉走电正极拉走电子，补充被复子，补充被复合的空穴，形合的空穴，形成成 IBVCCRCVBBRBICBO了解即可了解即可！发射区发射区基区基区集电区集电区集电结反偏，少集电结反偏，少子的漂移运动得子的漂移运动得到加速，形成反到加速，形成反向饱和电流向饱和电流31三极管内载流子的运动（续）三极管内载流子的运动（续）晶体管内载流子的运动可概括为：注入晶体管内载流子的运动可概括为：注入-扩散扩散-收集。收集。1 发射区向基区发射区向基区注入注入电子电子由于发射结正偏，发射区的多子（电子）由于发射结正偏，发射区的多子（电子）向基区扩散，基区的多子（空穴）向发射区扩散。由于发射区掺杂向基区扩散，基区的多子（空穴）向发射区扩散。由于发射区掺杂浓度很高，所以基区的空穴流与发射区的电子流相比可忽略不计，浓度很高，所以基区的空穴流与发射区的电子流相比可忽略不计，形成的扩散电流以发射区的电子流为主形成的扩散电流以发射区的电子流为主。2 电子在基区电子在基区扩散扩散与复合与复合在扩散过程中，电子不断与基区中的多在扩散过程中，电子不断与基区中的多子空穴复合而消失。由于基区很薄，电子复合的机会不多，仅很少子空穴复合而消失。由于基区很薄，电子复合的机会不多，仅很少一部分被复合，一部分被复合，绝大多数电子扩散到集电结的边缘绝大多数电子扩散到集电结的边缘。3 集电区集电区收集收集电子电子由于集电结反偏，其电场将阻止集电区和基区由于集电结反偏，其电场将阻止集电区和基区中多子的扩散运动，但各自的少子的漂移运动却得到加速，扩散到中多子的扩散运动，但各自的少子的漂移运动却得到加速，扩散到达集电结边缘的电子，达集电结边缘的电子，受集电结电场的吸引而为集电区收集受集电结电场的吸引而为集电区收集。由于集电结反偏，基区的电子及集电区的空穴的漂由于集电结反偏，基区的电子及集电区的空穴的漂移运动得到加速，形成反向饱和电流移运动得到加速，形成反向饱和电流ICBO。32三极管电流控制作用的外部条件三极管电流控制作用的外部条件三极管具有电流控制作用的外部条件三极管具有电流控制作用的外部条件:（1）发射结正向偏置；）发射结正向偏置；（2）集电结反向偏置。）集电结反向偏置。wNPN型型三极管应满足三极管应满足:UBE 0UBC VB VEwPNP型型三极管应满足三极管应满足:UEB 0UCB 0即即 VC VB 0时，时，ID以指数规律上升，但以指数规律上升，但UDVD时，时，ID很小，很小，D仍截止；仍截止；UD VD（钳位电压钳位电压）时）时D导通导通，D导通时导通时UD=VD，不变，不变钳位特性钳位特性；VD(锗锗)=0.2 0.3V;VD(硅硅)=0.5 0.7V（0.7V）ID=Is(e 1)UD/UTVD锗锗 硅硅VZIS 反向电压超过反向电压超过VZ时时D被击穿被击穿，UD基本基本=VZ，不变，不变ID/mAUD/V0理想二极管的开关特性理想二极管的开关特性37二极管的稳态开关特性（二极管的稳态开关特性（3/3）硅二极管硅二极管的稳态开关特性的稳态开关特性w当加在二极管上的电压当加在二极管上的电压UD0，VBC0，发射结正偏发射结正偏，由于，由于PN结的钳位作用，结的钳位作用，VBE=0.7V；若若IB较小，接在较小，接在VCC 上的集电极，使上的集电极，使VCE 0，则，则VBC=VBE-VCE 0，集电结仍反偏集电结仍反偏，故，故T工作在工作在放大区放大区。wIC=IB，VO=VCC-ICRC（1）截止区截止区条件：条件：VBE 0，VBC0，VBC=VBE-VCE0w发射结正偏发射结正偏，随着随着Vi（正电压）（正电压），IB，IC，VO（VCE），当，当VCE下降到下降到0.7V时，时，VBC=VBE-VCE 0，集电结由反偏变为集电结由反偏变为0偏。偏。若若IB 继续继续，VBC0，集电结变为正偏集电结变为正偏，尽管尽管IB 增加，但增加，但IC 基本不基本不变，变，T进入饱和区进入饱和区。IC=ICS=(VCC-VCES)/RC，VO=VCES=0.3V41晶体三极管的稳态开关特性（晶体三极管的稳态开关特性（3/4）w集电结为集电结为0偏（偏（VCE=0.7V）时，称三极管处于时，称三极管处于临界饱和状态临界饱和状态，满足满足IBS=ICS/=(VCC-VCES)/RC，IBS称为称为饱和基极电流饱和基极电流 实际计算时一般取集射极间的饱和电压实际计算时一般取集射极间的饱和电压VCES=0.3Vw若若IB IBS=(VCC-VCES)/RC，则，则三极管工作在三极管工作在饱和区饱和区 此时此时IC=ICS=(VCC-VCES)/RC，VO=VCES=0.3Vw若若IBIBS，则，则三极管工作在三极管工作在放大区放大区是判断三极管工作在饱和区是判断三极管工作在饱和区还是在放大区的条件还是在放大区的条件 42晶体三极管的稳态开关特性（晶体三极管的稳态开关特性（4/4）工作区工作区可靠条件可靠条件工程近似工程近似特点特点等效电路等效电路截止区截止区（发射结反偏、（发射结反偏、集电结反偏）集电结反偏）VBE 0VBC0VBE 0.7VVBC0VBC0VBE 0.7VVBC0IB IBS=(VCC-VCES)/RCIC=ICS=(VCC-VCES)/RC VO=VCES=0.3VBCEBCE+VBE-+VCES-0.7V0.3VBCE+VBE-IC=IB0.7V43三极管的三极管的共射输出特性曲线共射输出特性曲线IB=常数常数IC =f (VCE)放放大大区区截止区截止区饱饱和和区区IC /mAVCE /V0IB=0 A20A40 A60 A80 A饱和区饱和区:不同的不同的IB所对应的所对应的IC几几乎一样，乎一样，IC不受不受IB的控制的控制。截止区截止区:IC很小，管子如很小，管子如同开路一样同开路一样。放大区放大区:IC基本与基本与VCE无无关，仅受关，仅受IB的控制，管的控制，管子处于放大工作状态。子处于放大工作状态。44晶体晶体三极三极管三个工作区的特点管三个工作区的特点放大区放大区放大区放大区:截止区截止区截止区截止区:饱和区饱和区饱和区饱和区:发射结正偏发射结正偏,集电结反偏集电结反偏有电流放大作用有电流放大作用,IC=IB输出曲线具有输出曲线具有恒流恒流特性特性发射结、集电结处于反偏发射结、集电结处于反偏失去电流放大作用失去电流放大作用,IC0晶体管晶体管C、E之间相当于之间相当于开路开路发射结、集电结处于正偏发射结、集电结处于正偏失去电流放大作用，失去电流放大作用，IC=ICS，不变，不变晶体管晶体管C、E之间相当于之间相当于短路短路CEB+-+CEB+-+CEB+-+记住记住！453.4 分立元件门分立元件门 3.4.1 二极管与门二极管与门3.4.2 二极管或门二极管或门3.4.3 三极管非门三极管非门3.4.4 复合逻辑门复合逻辑门3.4.5 正逻辑和负逻辑正逻辑和负逻辑内容概要内容概要46问题的提出问题的提出由电阻、二极管、三极管等分立元件构成的逻辑门称为由电阻、二极管、三极管等分立元件构成的逻辑门称为分立分立元件门元件门。分立元件门体积大、功耗高、可靠性差，现在很少使用。分立元件门体积大、功耗高、可靠性差，现在很少使用。分立元件门已分立元件门已经过时，为什经过时，为什么要学呢？么要学呢？通过学习本节，使我们了解逻辑门电路的工作原理通过学习本节，使我们了解逻辑门电路的工作原理w集成电路中的半导体器件如何实现开关特性？基于开关集成电路中的半导体器件如何实现开关特性？基于开关特性，逻辑门如何实现逻辑功能？特性，逻辑门如何实现逻辑功能？w逻辑逻辑1和和0，在实际电路中是如何表达的？，在实际电路中是如何表达的？473.4.1 二极管与门二极管与门1、电路结构和逻辑符号、电路结构和逻辑符号2、工作原理、工作原理实现逻辑与运算的电路称为实现逻辑与运算的电路称为与门与门。RYVCC +5VABD1D20.3V3.0V&ABY0.3V3.0V1.0V截止截止优先导通优先导通w当当A、B为低电平为低电平0.3V（输入低电平额定值输入低电平额定值ViL）时，）时，D1、D2均导通，由于二极管导通后的钳位电压为均导通，由于二极管导通后的钳位电压为0.7V，则输出，则输出Y=0.3+0.7=1.0V；w当当A为为0.3V、B为为3.0V（输入高电平额定值输入高电平额定值ViH）时，）时，D1优优先导通先导通，输出，输出Y=0.3+0.7=1.0V，D2被反偏截止被反偏截止；w当当A、B为高电平为高电平3.0V时，时，D1、D2均导通，则输出均导通，则输出Y=3+0.7=3.7V。48二极管与门的功能描述二极管与门的功能描述（1）功能表）功能表A BY0 00 11 01 10001A(V)B(V)Y(V)0.3 0.31.00.3 3.01.03.0 0.31.03.0 3.03.7（2）真值表）真值表在功能表中，用在功能表中，用0代表低电代表低电平（输入平（输入0.3V，输出，输出1.0V），），用用1代表高电平（输入代表高电平（输入3.0V，输出输出3.7V），则可以得到真），则可以得到真值表值表（4）工作波形（时序图）工作波形（时序图）ABY时序图还体现了时序图还体现了“门门”的概念！的概念！u若若A为输入信号，为输入信号，B为控制信号，当为控制信号，当B为低为低电平时，无输出信号，门是电平时，无输出信号，门是“关闭关闭”的；的；u当当B为高电平时，输出信号为高电平时，输出信号Y同输入信号，同输入信号，门是门是“打开打开”的。的。3.功能描述功能描述（3）表达式）表达式 Y=AB493.4.2 二极管或门二极管或门1.电路结构和逻辑符号电路结构和逻辑符号2.工作原理工作原理RY(-5V)ABD1D20.3V3.0V 1ABY-VBB0.3V3.0V2.3V截止截止优先导通优先导通w当当A、B为低电平为低电平0.3V时，时，D1、D2均导通，由于二极管导均导通，由于二极管导通后的钳位电压为通后的钳位电压为0.7V，则输出，则输出Y=0.3-0.7=-0.4V。w当当A为为0.3V、B为为3.0V时，时，D2优先导通优先导通，则输出，则输出Y=3.0-0.7=2.3V；由于；由于A只有只有0.3V，则，则D1被被反偏截止反偏截止。w当当A、B均为高电平均为高电平3.0V时，时，D1、D2均导通，则输出均导通，则输出Y=3-0.7=2.3V。50二极管或门的功能描述二极管或门的功能描述（1）功能表）功能表A BY0 00 11 01 10111A(V)B(V)Y(V)0.3 0.3-0.40.3 3.02.33.0 0.32.33.0 3.02.3（2）真值表）真值表（3）表达式）表达式 Y=A+B3、功能描述、功能描述（4）工作波形（时序图）工作波形（时序图）ABY513.4.3 三极管非门（反相器）三极管非门（反相器）（1）功能表）功能表AY01 10A(V)Y(V)0.33.03.00.3（2）真值表）真值表1、电路结构和逻辑符号、电路结构和逻辑符号2、工作原理与功能描述、工作原理与功能描述（3）表达式）表达式 Y=A（4）工作波形（时序图）工作波形（时序图）AYViVOR1RCBCETVCC +12VR2-VBB 0.3V3.0VAYVCL3VDCL钳位钳位电路电路w当当Vi=0.3V时，时，T截止，截止，DCL导通，导通，输出输出VO 3.0V（忽略（忽略DCL 上的电上的电压降时）；压降时）；w当当Vi=3V时，时，T饱和导通，饱和导通，DCL截截止，输出止，输出VO=VCES=0.3V。输出与输入波形有输出与输入波形有180 的相位的相位差，所以非差，所以非门也称为门也称为反相器反相器。1AY3.0V饱和导通饱和导通0.3V0.3V截止截止523.4.4 复合逻辑门（与非门、或非门）复合逻辑门（与非门、或非门）与非门由二极管与门和三极管与非门由二极管与门和三极管非门复合而成。非门复合而成。A BY0 00 11 01 11110 真值表真值表 表达式表达式 Y=A B 工作波形（时序图）工作波形（时序图）ABY1、与非门、与非门&ABYw当当A、B均为均为高高电平（电平（3.0V）时，）时，D1、D2均导通，二极管与门的输出为高电均导通，二极管与门的输出为高电平（平（3.7V），经三极管非门反相后，经三极管非门反相后，输出为输出为低低电平（电平（0.3V）；w其他输入组合条件下，二极管与门的其他输入组合条件下，二极管与门的输出为低电平（输出为低电平（1.0V），则输出），则输出VO为为高电平（高电平（3.7V）。-VBB VOR1RCBCETVCC +12VR2YVCL3VDCLRABD1D23.0V3.0V3.7V导通导通饱和导通饱和导通0.3V53或非门或非门 或非门由二极管或门和三极或非门由二极管或门和三极管非门复合而成。管非门复合而成。A BF0 00 11 01 11000 真值表真值表 表达式表达式 F=A+B2、或非门、或非门 工作波形（时序图）工作波形（时序图）ABF 1ABYw只要只要A或或B有一个有一个高高电平电平（3.0V），二极管或门的输出就为高电平，经三二极管或门的输出就为高电平，经三极管非门反相后，输出为极管非门反相后，输出为低低电平；电平；w只有全部输入为只有全部输入为低低电平电平（0.3V），D1、D2均导通，二极管或门的输出才均导通，二极管或门的输出才为为低电平低电平（-0.4V），），T T截止，输出截止，输出V VO O为高为高电平（电平（3.7V）。-VBB VOR1RCBCETVCC +12VR2FVCL3VDCLRABD1D23.0V0.3V2.3V导通导通截止截止饱和导通饱和导通0.3V543.4.5 正逻辑与负逻辑正逻辑与负逻辑负逻辑负逻辑H（高）电平（高）电平“0”L（低）电平（低）电平“1”正逻辑正逻辑 H（高）电平（高）电平“1”L（低）电平（低）电平“0”某逻辑门功能表某逻辑门功能表A BY0 00 11 01 10001A BYL LLL HLH LLH HH正真值表正真值表A BY1 11 00 10 01110负真值表负真值表Y=AB 正与正与Y=AB 负或负或正与正与负或负或正或正或负与负与w对同一个逻辑电路，分别使用正逻辑和负逻辑表示输出与输入之间对同一个逻辑电路，分别使用正逻辑和负