第02章门电路PPT讲稿.ppt

《第02章门电路PPT讲稿.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第02章门电路PPT讲稿.ppt（90页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第02章门电路第1页，共90页，编辑于2022年，星期一补充知识：半导体基础知识第2页，共90页，编辑于2022年，星期一半导体基础知识（1）本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。常用：硅常用：硅SiSi，锗，锗GeGe两种载流子两种载流子第3页，共90页，编辑于2022年，星期一半导体基础知识（2）杂质半导体杂质半导体 NN型半导体型半导体多子：自由电子多子：自由电子少子：空穴少子：空穴第4页，共90页，编辑于2022年，星期一半导体基础知识（2）杂质半导体杂质半导体 P P型半导体型半导体多子：空穴多子：空穴少子：自由电子少子：自由电子第5页，共9

2、0页，编辑于2022年，星期一半导体基础知识（3）PN结的形成空间电荷区（耗尽层）扩散和漂移第6页，共90页，编辑于2022年，星期一半导体基础知识（4）PN结的单向导电结的单向导电性性 外加外加正向电压第7页，共90页，编辑于2022年，星期一半导体基础知识（4）PN结的单向导电性 外加外加反向电压反向电压第8页，共90页，编辑于2022年，星期一半导体基础知识（5）PN结的伏安特性结的伏安特性正向导通区反向截止区反向击穿区K:波尔兹曼常数T:热力学温度q:电子电荷第9页，共90页，编辑于2022年，星期一第二章 门电路第10页，共90页，编辑于2022年，星期一2.1 概述门电路：实现基本

3、运算、复合运算的单元电路，如与门、与非门、或门 门电路中以高门电路中以高/低电平表示低电平表示低电平表示低电平表示逻辑状态的逻辑状态的逻辑状态的逻辑状态的1/01/0第11页，共90页，编辑于2022年，星期一获得高、低电平的基本原理获得高、低电平的基本原理高高/低电平都允许有一低电平都允许有一定的变化范围定的变化范围第12页，共90页，编辑于2022年，星期一正逻辑：高电平表示正逻辑：高电平表示1 1，低电平表示，低电平表示0 0负逻辑：高电平表示负逻辑：高电平表示0 0，低电平表示，低电平表示1 1第13页，共90页，编辑于2022年，星期一2.2 半导体二极管和三极管的开关特性2.2.1

4、 半导体二极管的结构和外特性2.2.2 半导体三极管的开关特性第14页，共90页，编辑于2022年，星期一2.2.1 半导体二极管的结构和外特性（Diode）二极管的结构：二极管的结构：PN结+引线+封装构成PN第15页，共90页，编辑于2022年，星期一二极管的开关特性：高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0 V VI I=V=VIHIH,D D截止，截止，V VOO=V=VOHOH=V=VCCCC V VI I=V=VILIL,D D导通，导通，V VOO=V=VOLOL=0.7V=0.7V第16页，共90页，编辑于2022年，星期一二极管的开关等效电路：第17页，共90页，编辑于202

5、2年，星期一二极管的动态电流波形：第18页，共90页，编辑于2022年，星期一一、双极型三极管的开关特性（BJT,Bipolar Junction Transistor）二、场效应管（MOS管）的开关特性（Field-Effect-Transistor，Metal-Oxide-Semiconductor ）2.2.2 半导体三极管的开关特性（TransistorTransistor）第19页，共90页，编辑于2022年，星期一双极型三极管的结构管芯管芯 +三个引出电极三个引出电极 +外壳外壳第20页，共90页，编辑于2022年，星期一基区薄低参杂发射区高参杂集电区低参杂第21页，共90页，编辑

6、于2022年，星期一以以NPNNPN为例说明工作原理：为例说明工作原理：当当V VCCCC V VBBBB be be 正偏正偏,bc,bc 反偏反偏 e e区发射大量的电子区发射大量的电子 b b区薄，只有少量的区薄，只有少量的空穴空穴 bcbc反偏，大量电子形成反偏，大量电子形成I IC C第22页，共90页，编辑于2022年，星期一1、三级管的输入特性曲线（NPN）V VONON ：开启电压：开启电压 硅管，硅管，0.5 0.7V0.5 0.7V 锗管，锗管，0.2 0.3V0.2 0.3V 近似认为近似认为:V VBE BE V 0.7V 0.7V以后，基本为水平直线以后，基本为水平直

7、线第24页，共90页，编辑于2022年，星期一 特性曲线分三个部分特性曲线分三个部分放大区：条件放大区：条件V VCE CE 0.7V,i 0.7V,iB B 0,i 0,iC C随随i iB B成正比变化，成正比变化，i iC C=i iB B饱和区：条件饱和区：条件V VCE CE 0.7V,i0,V 0,VCE CE 很低，很低，i iC C 随随i iB B增加增加变缓变缓，趋趋于于“饱饱和和”截止区：条件截止区：条件V VBE BE=0V,i=0V,iB B=0,i=0,iC C=0,ce=0,ce间间“断开断开”第25页，共90页，编辑于2022年，星期一3、双极型三极管的基本开关

8、电路：只要参数合理：只要参数合理：只要参数合理：只要参数合理：V VI I=V=VILIL时，时，时，时，T T截止，截止，截止，截止，V VOO=V=VOHOHV VI I=V=VIHIH时，时，时，时，T T导通，导通，导通，导通，V VOO=V=VOLOL第26页，共90页，编辑于2022年，星期一工作状态分析：第27页，共90页，编辑于2022年，星期一图解分析法：第28页，共90页，编辑于2022年，星期一4、三极管的开关等效电路截止状态饱和导通状态第29页，共90页，编辑于2022年，星期一5、动态开关特性：从二极管已知，从二极管已知，PNPN结结存在电容效应存在电容效应在饱和与截

9、止两个状在饱和与截止两个状态之间转换时，态之间转换时，i iC C的的变化将滞后于变化将滞后于V VI I，则，则V VOO的变化也滞后于的变化也滞后于V VI I第30页，共90页，编辑于2022年，星期一二、MOS管的开关特性1、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结第31页，共90页，编辑于2022年，星期一以N沟道增强型为例：第32页，共90页，编辑于2022年，星期一以以N N沟道增强型沟道增强型为例：为例：当加当加+V+VDSDS时，时，V VGSGS=0=0时，时，D-SD-S间是

10、两个背向间是两个背向PNPN结串联，结串联，i iD D=0=0加上加上+V+VGSGS，且足够大至，且足够大至V VGS GS VVGS(th)GS(th),D-S,D-S间形成导电沟道（间形成导电沟道（N N型型层）层）开启电压第33页，共90页，编辑于2022年，星期一2、输入特性和输出特性输入特性：直流电流为输入特性：直流电流为0 0，看进去有一个输入电容，看进去有一个输入电容C CI I，对动态，对动态有影响有影响输出特性：输出特性：i iD D=f(V=f(VDSDS)对应不同的对应不同的V VGSGS下得一族曲线下得一族曲线 第34页，共90页，编辑于2022年，星期一漏极特性曲

11、线（分三个区域）截止区恒流区可变电阻区第35页，共90页，编辑于2022年，星期一漏极特性曲线漏极特性曲线（分三个区域）（分三个区域）截止区：VGS 109第36页，共90页，编辑于2022年，星期一漏极特性曲线漏极特性曲线（分三个区域）（分三个区域）恒流区：iD 基本上由VGS决定，与VDS 关系不大第37页，共90页，编辑于2022年，星期一漏极特性曲线漏极特性曲线（分三个区域）（分三个区域）可变电阻区：当可变电阻区：当V VDS DS 较低（近似为较低（近似为0 0），），V VGS GS 一定时，一定时，这个电阻受这个电阻受V VGS GS 控制、可变。控制、可变。第38页，共90页，

12、编辑于2022年，星期一MOS管的基本开关电路第39页，共90页，编辑于2022年，星期一开关等效电路OFF OFF，截止状态，截止状态 ONON，导通状态，导通状态第40页，共90页，编辑于2022年，星期一5、MOS管的四种类型增强型耗尽型大量正离子导电沟道第41页，共90页，编辑于2022年，星期一2.3 最简单的与、或、非门电路2.3.1 二极管与门设设VCC=5V加到加到A,B的的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时二极管导通时 VDF=0.7VA AB BY Y0V0V0V0V0.7V0.7V0V0V3V3V0.7V0.7V3V3V0V0V0.7V0.7V3V3V3V3V3.7

13、V3.7VA AB BY Y0 00 00 00 01 10 01 10 00 01 11 11 1规定3V以上为10.7V以下为0第42页，共90页，编辑于2022年，星期一2.3.2 二极管或门设设VCC=5V加到加到A,B的的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时二极管导通时 VDF=0.7VA AB BY Y0V0V0V0V0V0V0V0V3V3V2.3V2.3V3V3V0V0V2.3V2.3V3V3V3V3V2.3V2.3VA AB BY Y0 00 00 00 01 11 11 10 01 11 11 11 1规定2.3V以上为10V以下为0第43页，共90页，编辑于2022年，

14、星期一二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内部电路第44页，共90页，编辑于2022年，星期一2.3.3 三极管非门（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=VIL时T可靠截止，常在 输入接入负压 参数合理？参数合理？参数合理？参数合理？V VI I=V=VILIL时，时，时，时，T T截止，截止，截止，截止，V VOO=V=VOHOHVI=VIHVI=VIH时，时，时，时，T T截止，截止，截止，截止，V VOO=V=VOLOL第45页，共90页，编辑于2022年，星期一例2.3.1：计算参数设计是否合理5V-8V3.3K10K1K=20VCE(sat

15、)=0.1VVIH=5VVIL=0V第46页，共90页，编辑于2022年，星期一例2.3.1：计算参数设计是否合理将发射极外接电路化为等效的VB与RB电路第47页，共90页，编辑于2022年，星期一当当又因此，参数设计合理第48页，共90页，编辑于2022年，星期一数字集成电路TTL电路-双极CMOS电路-单极型第49页，共90页，编辑于2022年，星期一2.4 TTL门电路（Transistor-Transistor Logic）2.4.1 TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构设 第50页，共90页，编辑于2022年，星期一二、电压的传输特性第51页，共90页，编辑于2022年，星期

16、一二、电压的传输特性第52页，共90页，编辑于2022年，星期一二、电压的传输特性第53页，共90页，编辑于2022年，星期一需要说明的几个问题：第54页，共90页，编辑于2022年，星期一三、输入噪声容限第55页，共90页，编辑于2022年，星期一2.4.2 TTL反相器的静态输入特性和输出特性第56页，共90页，编辑于2022年，星期一输出第57页，共90页，编辑于2022年，星期一输入/出特性应用举例例：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第58页，共90页，编辑于2022年，星期一2.4.3 TTL反相器的动态特性一、传输延迟时间1、现象：第59页，共9

17、0页，编辑于2022年，星期一2.4.4 其他类型的TTL门电路一、其他逻辑功能的门电路1.与非门第60页，共90页，编辑于2022年，星期一2.或非门3.与或非第61页，共90页，编辑于2022年，星期一4.异或门第62页，共90页，编辑于2022年，星期一二、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门第63页，共90页，编辑于2022年，星期一2、OC门的结构特点第64页，共90页，编辑于2022年，星期一OC门实现的线与第65页，共90页，编辑于2022年，星期一三、三态输出门（Three state Ou

18、tput Gate,TS）第66页，共90页，编辑于2022年，星期一三态门的用途(总线结构，数据的双向传输)第67页，共90页，编辑于2022年，星期一一、高速系列一、高速系列74H/54H 74H/54H （High-Speed TTLHigh-Speed TTL）1.1.电路的改进电路的改进(1)(1)输出级采用复合管（减小输出电阻输出级采用复合管（减小输出电阻RoRo）(2)(2)减少各电阻值减少各电阻值2.2.性能特点性能特点速度提高（速度提高（）的同时功耗也增加（）的同时功耗也增加（）2.4.5 TTL2.4.5 TTL电路的改进系列电路的改进系列（改进指标：（改进指标：)第68页

19、，共90页，编辑于2022年，星期一二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）1.1.电路改进电路改进(1)(1)采用抗饱和三极管采用抗饱和三极管(2)(2)用有源泄放电路代替用有源泄放电路代替74H74H系列中的系列中的R3R3(3)(3)减小电阻值减小电阻值2.2.性能特点性能特点速度进一步提高，电压传输特性没有线性区，功耗增大速度进一步提高，电压传输特性没有线性区，功耗增大第69页，共90页，编辑于2022年，星期一三、低功耗肖特基系列74LS/54LS（Low-Power Schottky TTL）四、74AS,74ALS（Advanced Low-Power Schot

20、tky TTL）。五、74系列和54具有完全相同的电路结构和电器性能参数，只是54工作温度范围更宽，电源允许的工作范围更大。74 （0-70）（5V5%）54 （-55-+125 ）（5V10%）第70页，共90页，编辑于2022年，星期一2.5 其他类型的双极型数字集成电路DTLDTL：输入为二极管门电路，速度低，已经不用：输入为二极管门电路，速度低，已经不用HTLHTL：电源电压高，：电源电压高，VthVth高，抗干扰好，已被高，抗干扰好，已被CMOSCMOS替代替代ECLECL：非饱和逻辑，速度快，用于高速系统：非饱和逻辑，速度快，用于高速系统I I2 2L L：属饱和逻辑，电路简单，用

21、于：属饱和逻辑，电路简单，用于LSILSI内部电路内部电路。第71页，共90页，编辑于2022年，星期一TTL 电路 74/54系列（标准系列）：如74 00器件的命名请参照书后的附录（P523）SN 74 LS 00 C D 陶瓷封装直插工作温度范围：070度器件系列和品种代号：民用、低功耗肖特基TTL电路、2输入四与非门生产厂商TI第72页，共90页，编辑于2022年，星期一2.6 CMOS门电路（Complementary）2.6.1 CMOS反相器及工作原理一、电路结构(互补对称式金属-氧化物-半导体电路)第73页，共90页，编辑于2022年，星期一二、电压、电流传输特性第74页，共9

22、0页，编辑于2022年，星期一2.6.2 CMOS 反相器的静态输入/出特性一、输入特性第75页，共90页，编辑于2022年，星期一二、输出特性第76页，共90页，编辑于2022年，星期一二、输出特性第77页，共90页，编辑于2022年，星期一2.6.3 CMOS反相器的动态特性一、传输延迟时间第78页，共90页，编辑于2022年，星期一三、动态功耗定义：CMOS反相器从一种稳定的工作状态突然转到另一种稳定状态的过程中，产生的附加功耗。第79页，共90页，编辑于2022年，星期一三、动态功耗第80页，共90页，编辑于2022年，星期一2.6.4 其他类型的CMOS门电路一、其他逻辑功能的门电路

23、1.与非门与非门 2.2.或非门或非门 第81页，共90页，编辑于2022年，星期一二、带缓冲极的CMOS门1.如，与非门第82页，共90页，编辑于2022年，星期一二、带缓冲极的CMOS门2.解决方法第83页，共90页，编辑于2022年，星期一三、漏极开路的门电路（OD门）第84页，共90页，编辑于2022年，星期一四、CMOS传输门及双向模拟开关1.传输门（结构对称，双向器件）第85页，共90页，编辑于2022年，星期一2.2.双向模拟开关（传输门的作用之一）第86页，共90页，编辑于2022年，星期一五、三态输出门第87页，共90页，编辑于2022年，星期一2.6.5 改进的CMOS门电

24、路一、高速一、高速CMOSCMOS(74HC/HCT(74HC/HCT系列：系列：封装、工作电压及管脚分布与封装、工作电压及管脚分布与TTLTTL系列相同系列相同)通过改进工艺，缩小通过改进工艺，缩小MOSMOS管的尺寸，从而提高速度管的尺寸，从而提高速度二、二、Bi-CMOSBi-CMOS 特点：逻辑部分采用特点：逻辑部分采用CMOS,CMOS,输出采用双极性三极管输出采用双极性三极管第88页，共90页，编辑于2022年，星期一2.6.6 CMOS电路的正确使用输入电路的静电保护输入电路的过流保护第89页，共90页，编辑于2022年，星期一 CMOS CMOS 电路 器件的命名器件的命名C C 4011 M D 多层陶瓷双列直插封装工作温度范围：-55-+1252输入四与非门中国制造CMOS电路第90页，共90页，编辑于2022年，星期一