数字逻辑第3章优秀PPT.ppt
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1、复习:半导体基础学问本征半导体: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。本征激发本征激发(热激发):在受温度、光照等环境因素的影热激发):在受温度、光照等环境因素的影响,半导体共价键中的价电子获得足够的能量而摆脱共响,半导体共价键中的价电子获得足够的能量而摆脱共价键的束缚,成为自由电子的现象。价键的束缚,成为自由电子的现象。两种载流子两种载流子多子:自由电子多子:自由电子少子:空穴少子:空穴杂质半导体:杂质半导体:杂质半导体:杂质半导体:在本征半导体中掺入微量的杂质形成的在本征半导体中掺入微量的杂质形成的在本征半导体中掺入微量的杂质形成的在本征半导体中掺入微量的杂质
2、形成的半导体。半导体。半导体。半导体。N N型半导体:型半导体:型半导体:型半导体:在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等5 5价元素。价元素。价元素。价元素。施主杂质施主杂质:因为五价元素的杂:因为五价元素的杂质在半导体中能够产生多余的质在半导体中能够产生多余的电子,故称之为施主杂质或电子,故称之为施主杂质或N型型杂质。杂质。多子:空穴多子:空穴少子:自由电子少子:自由电子P P型半导体:型半导体:型半导体:型半导体:在纯净半导体硅或锗中掺入硼等在纯净半导体硅或锗中掺入硼等在纯净半导体硅或锗中掺入硼等在
3、纯净半导体硅或锗中掺入硼等3 3价元素。价元素。价元素。价元素。受主杂质受主杂质:因为三价元素的因为三价元素的杂质在半导体中能够接受电杂质在半导体中能够接受电子,故称之为受主杂质或子,故称之为受主杂质或P型型杂质。杂质。载流子的两种运动方式:载流子的两种运动方式:扩散运动:由于存在浓度差,载流子从浓度高的区扩散运动:由于存在浓度差,载流子从浓度高的区域向浓度低的区域运动。域向浓度低的区域运动。漂移运动:载流子在电场作用下的定向运动。漂移运动:载流子在电场作用下的定向运动。PN结的形成:结的形成:将一块半导体的一侧掺杂成将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体,另一侧掺杂型半导体,另一侧掺杂成成N型半
4、导体,在两种半导体的交界面处将形成一个型半导体,在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层特殊的薄层 PN结。结。PNPN结的形成结的形成结的形成结的形成PN结形成示意图结形成示意图 多子多子扩散扩散 形成空间电荷区形成空间电荷区产生内电场产生内电场 少子少子漂移漂移促使促使促使促使阻挡阻挡阻挡阻挡 扩散与漂移达到动态平衡扩散与漂移达到动态平衡形成确定宽度的形成确定宽度的PN结结u外加正向电压(也叫正向偏置)外加正向电压(也叫正向偏置)u外加电场与内电场方向相反,内电场减弱,扩散运动大大超外加电场与内电场方向相反,内电场减弱,扩散运动大大超过漂移运动,过漂移运动,N区电子不断扩散到区电子不断扩
5、散到P区,区,P区空穴不断扩散到区空穴不断扩散到N区,形成较大的正向电流,这时称区,形成较大的正向电流,这时称PN结处于导通状态。结处于导通状态。PNPNPNPN结的单向导电性结的单向导电性结的单向导电性结的单向导电性u外加反向电压(也叫反向偏置)外加反向电压(也叫反向偏置)u外加电场与内电场方向相同,增加了内电场,多子扩散难外加电场与内电场方向相同,增加了内电场,多子扩散难以进行,少子在电场作用下形成反向电流,因为是少子漂以进行,少子在电场作用下形成反向电流,因为是少子漂移运动产生的,反向电流很小,这时称移运动产生的,反向电流很小,这时称PN结处于截止状结处于截止状态。态。PN结的伏安特性结
6、的伏安特性正向导通区正向导通区反向截止区反向截止区反向击穿区反向击穿区K:波耳兹曼常数波耳兹曼常数T:热力学温度热力学温度q:电子电荷电子电荷逻辑门电路:用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。逻辑门电路:用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。基本和常用门电路有与门、或门、非门(反相器)、与非门、基本和常用门电路有与门、或门、非门(反相器)、与非门、或非门、与或非门和异或门等。或非门、与或非门和异或门等。逻辑逻辑0 0和和1 1:电子电路中用高、低电平来表示。电子电路中用高、低电平来表示。获得高、低电平的基本方法:利用半导体开关元件的导通、截获得高、低电平的基本方法:利用半导体开关元件的导通、截
7、止(即开、关)两种工作状态。止(即开、关)两种工作状态。正逻辑与负逻辑的表示方法:正逻辑与负逻辑的表示方法:n正逻辑正逻辑:高高电平用电平用1 1表示,表示,低低电平用电平用0 0表示。表示。n负逻辑负逻辑:高高电平用电平用0 0表示,表示,低低电平用电平用1 1表示。表示。门电路的分类。门电路的分类。门电路的分类门电路的分类门电路的分类门电路的分类 双极型集成电路(接受双极型半导体元件)双极型集成电路(接受双极型半导体元件)双极型集成电路(接受双极型半导体元件)双极型集成电路(接受双极型半导体元件)晶体管晶体管晶体管晶体管 晶体管逻辑晶体管逻辑晶体管逻辑晶体管逻辑 TTL TTL 射极偶合逻
8、辑射极偶合逻辑射极偶合逻辑射极偶合逻辑 ECL ECL集成注入逻辑集成注入逻辑集成注入逻辑集成注入逻辑 I2L I2L MOS MOS 集成电路(接受金属氧化物元件)集成电路(接受金属氧化物元件)集成电路(接受金属氧化物元件)集成电路(接受金属氧化物元件)P P 沟道金属氧化物沟道金属氧化物沟道金属氧化物沟道金属氧化物 PMOS PMOS N N 沟道金属氧化物沟道金属氧化物沟道金属氧化物沟道金属氧化物 NMOS NMOS 互补金属氧化物互补金属氧化物互补金属氧化物互补金属氧化物 CMOS CMOS第一节第一节 半导体二极管门电路半导体二极管门电路v 二极管的开关特性二极管的开关特性v 二极管
9、与门和或门电路二极管与门和或门电路 硅:硅:0.5 V 锗:锗:0.1 V导通压降导通压降反向饱和电流反向饱和电流死区死区电压电压击穿电压击穿电压UBR锗锗硅:硅:0.7 V 0.7 V 锗:锗:0.3V0.3VuEiVmA+-+-R一、半导体二极管的静态特性一、半导体二极管的静态特性一、半导体二极管的静态特性一、半导体二极管的静态特性3.1.1 二极管的开关特性二极管的开关特性:高电平:高电平:VIH=VCC低电平:低电平:VIL=0 VI=VIH,D截止,截止,VO=VOH=VCCVI=VIL,D导通,导通,VO=VOL=0.7V产生反向复原过程的缘由:产生反向复原过程的缘由:反向复原时间
10、反向复原时间tretre就是存储电荷消散所须要的时间。就是存储电荷消散所须要的时间。二、二极管开关的动态特性二、二极管开关的动态特性 给二极管电路加入一个方波信号,探讨电流的波形。tre称为反向复原时间称为反向复原时间+-DLRvIi导通和截止状态间转换须要确定时间,转换的特性即为动态特性。导通和截止状态间转换须要确定时间,转换的特性即为动态特性。vitVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRit存储时间存储时间渡越时间渡越时间0V0V3V3V3V3V0V0V3.1.2 二极管与门和或门电路0.7V0.7V0.7V3.7V0V3V0V3V0V0V3V3VVB(V)VY(V)VA(V)输输 入
11、入输出输出0101BYA0011输输 入入0001输出输出 与逻辑真值表与逻辑真值表B+VAYDD3kR(+5V)CC12一、与门电路一、与门电路一、与门电路一、与门电路0V0V3V3V3V3V0V0V0V2.3V2.3V2.3V0V3V0V3V0V0V3V3VVB(V)VY(V)VA(V)输输 入入输出输出二、或门电路二、或门电路二、或门电路二、或门电路YABDD21R0101BYA0011输输 入入0111输出输出 或逻辑真值表或逻辑真值表其次节其次节 CMOS门电路门电路v MOS管的开关特性管的开关特性v CMOS反相器反相器v 其他类型的其他类型的CMOS门电路门电路一、一、MOS管
12、的结构管的结构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3.2.1 MOS管的开关特性二、二、二、二、MOSMOS管的工作原理管的工作原理管的工作原理管的工作原理以以N N沟道增加型为例:沟道增加型为例:当加当加+VDS+VDS时,时,VGS=0VGS=0时,时,D-SD-S间是两个背向间是两个背向PNPN结串联,结串联,iD=0iD=0加上加上+VGS+VGS,且足够大至,且足够大至VGS VGS(th),D-SVGS VGS(th),D-S间形成导电沟间形成导电沟道(道(N N型层)型层)开启电压 iD(mA
13、)0 uDS(V)uGS=10V 8V 6V 4V2V转移特性曲线转移特性曲线输出特性曲线输出特性曲线夹断区夹断区恒恒流流区区 0 UGS(th)uGS(V)iD(mA)可可变变电电阻阻区区截止区:截止区:截止区:截止区:V VGSGSV 10 109 9恒流区:恒流区:恒流区:恒流区:iD iD 基本上由基本上由基本上由基本上由VGSVGS确定,与确定,与确定,与确定,与VDS VDS 关系不大关系不大关系不大关系不大可变电阻区:当可变电阻区:当可变电阻区:当可变电阻区:当VDS VDS 较低(近似为较低(近似为较低(近似为较低(近似为0 0),),),),VGS VGS 确定时,确定时,确
14、定时,确定时,这个电阻受这个电阻受这个电阻受这个电阻受VGS VGS 限制、可变。限制、可变。限制、可变。限制、可变。三、三、MOS管的开关管的开关特性特性vIvOGDSRD+VDDv vI I V 10 109 9 ,n ni iD D 0 0,v vOO V VDDDD,n nMOS MOS 管处于管处于管处于管处于断开断开断开断开状态。状态。状态。状态。v vI I V VGS(th)GS(th)时,时,时,时,MOS MOS 管导通,管导通,管导通,管导通,n ni iD D=V=VDDDD/(R RD D+R+RONON)n nv vO O V VDDDDRRON ON/(R RD
15、D+R+RONON)n nv vOO 0 0,MOS MOS 管处于管处于管处于管处于接通接通接通接通状态。状态。状态。状态。截止状态截止状态截止状态截止状态 导通状态导通状态导通状态导通状态NMOSNMOS管和管和管和管和PMOSPMOS管的通断条件管的通断条件管的通断条件管的通断条件 GDSvGSNMOS当当vGS V VGS(th)GS(th)时导通时导通当当vGS V VGS(th)GS(th)时截止时截止 GDSvGSPMOS当当vGS V VGS(th)GS(th)时导通时导通 当当vGS V VGS(th)GS(th)时截止时截止 vIT1VDDvOT2一、一、一、一、CMOSC
16、MOS非门的电路结构非门的电路结构非门的电路结构非门的电路结构漏极相连漏极相连做输出端做输出端PMOSNMOS柵柵极极相相连连做输入端做输入端3.2.2 CMOS反相器二、二、二、二、CMOSCMOS非门的工作原理非门的工作原理非门的工作原理非门的工作原理vOVDDT1T2vIVIL=0V截止截止导通导通vOVDDvOVDDT1T2vI导通导通截止截止vO0VIH=VDD实现非的逻辑关系实现非的逻辑关系实现非的逻辑关系实现非的逻辑关系低低低低高高高高低低低低高高高高电压、电流传输特性:电压、电流传输特性:电压、电流传输特性:电压、电流传输特性:AB:T2截止,截止,iD为为0CD:T1截止,截
17、止,iD为为0BC:T1、T2同时同时导通,导通,iD0在转折区中点,电在转折区中点,电流最大。流最大。噪声容限噪声容限 低电平噪声容限低电平噪声容限高电平噪声容限高电平噪声容限VNL=VILmaxVOLmaxVNH=VIHminVOHminG111G2VOLmaxVIHminVOHminVILmax例例:某某 集集 成成 电电 路路 芯芯 片片,查查 手手 册册 知知 其其 最最 大大 输输 出出 低低 电电 平平VOLmax=0.1V,最最大大输输入入低低电电平平VILmax=1.5V,最最小小输输出出高高电电平平VOHmax=4.9V,最最小小输输入入高高电电平平VIHmax=3.5V,
18、则则其其低低电电平平噪噪声容限声容限VNL=。(1)2.0V (2)1.4V (3)1.6V (4)1.2V VNL=VILmaxVOLmax=1.5V0.1V=1.4V BY+VDDAT1T2T4T33.2.3 其他类型的CMOS门电路1.CMOS与非门与非门 A、B当中有一个或全当中有一个或全为低电平常,为低电平常,T2、T4中中有一个或全部截止,有一个或全部截止,T1、T3中有一个或全部导通,中有一个或全部导通,输出输出Y为高电平。为高电平。只有当输入只有当输入A、B全为全为高电平常,高电平常,T2和和T4导通,导通,T1和和T3截止,输出截止,输出Y才才会为低电平。会为低电平。BY+V
19、DDAT2T1T4T32.CMOS或非门或非门 只要输入只要输入A、B当当中有一个或全为高电中有一个或全为高电平,平,T1、T3中有一个中有一个或全部截止,或全部截止,T2、T4中有一个或全部导通,中有一个或全部导通,输出输出Y为低电平。为低电平。只有当只有当A、B全为全为低电平常,低电平常,T1和和T3导通,导通,T2和和T4截止,截止,输出输出Y为高电平。为高电平。在门电路的每个输入端、输出端各增设一级反在门电路的每个输入端、输出端各增设一级反相器,称之为相器,称之为带缓冲器的带缓冲器的CMOS门电路门电路。CMOS反相器输出凹凸电平,输出电阻是一样的。反相器输出凹凸电平,输出电阻是一样的
20、。3、漏级开路门电路(、漏级开路门电路(OD门)门)漏级开路门运用时,漏级开路门运用时,必需外接上拉电阻。必需外接上拉电阻。&ABFRL的计算方法的计算方法OD门输出全为门输出全为“1”时:时:IOH T5集电极漏电流集电极漏电流VOH=VDD IRLRL=VDD(nIOH+mIIH)RLnIOH+mIIHRLmax=VDDVOHmin并联并联并联并联ODOD门个数门个数门个数门个数VOH“1”“1”“1”IOHIRLn个个VDDRL&IIHmm个个个个I IIHIHOD门输出中有一个为门输出中有一个为“0”时:时:VOL=VDD-(IOL-mIIL)RL当当VOL=VOLmax 时:时:RL
21、min=IOLmax-mIILVDDVOLmaxVOL“0”“1”“1”IOLIRLn个个VDDRL&IILmm 个个个个I IILIL3.CMOS传输门传输门CVDDvIvOTPTNCs sd dTGvIvOCC符号符号C0、,即C端为低电平(0V)、端为高电平(VDD)时,TN和TP都不具备开启条件而截止,输入和输出之间相当于开关断开一样。C1、,即C端为高电平(VDD)、端为低电平(0V)时,TN和TP都具备了导通条件,输入和输出之间相当于开关接通一样,vovI。CMOS模拟开关模拟开关 CMOS模拟开关:实现单刀双掷开关的功能。模拟开关:实现单刀双掷开关的功能。C=0时,时,TG1导通
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