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1、-分立元件门电路-COMS集成门电路-TTL集成门电路,第二章 门电路,第2章 门电路,2.0 概述,2.1 半导体二极管、三极管 和MOS管 的开关特性,2.2 分立元件门电路,一、门电路的概念,实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路,与,或,非,与 非,或 非,异或,与或非,2.0 概述,二、逻辑变量与两状态开关,逻辑代数是分析数字电路重要的数学工具。数字电路中的逻辑均为二值逻辑。,在二值逻辑逻辑中，所有逻辑变量只有两种取值(1 或 0)。,在数字电路中，与二值逻辑对应的是电子开关的两种状态。,逻辑代数中的二值量与数字电路的结合点，就是具有两种状态的电子开关。,二极管、三极管、MOS
2、 管是构成电子开关电路的基本元件。,三、高、低电平与正、负逻辑,负逻辑,正逻辑,0,1,1,0,电位指绝对电压的大小；电平指一定的电压范围。高电平和低电平：相对表示两段不同的电压范围。,高电平,低电平,逻辑状态,低电平,断开,高电平 3 V,1,0,高电平,闭合,低电平 0 V,0,1,通过开关 S 的两种状态(开或关)获得高、低电平信号。,S 可由二极管、三极管或 MOS 管实现-电子开关（开关管）,四、分立元件门电路和集成门电路,分立元件门电路：,用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路。,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。,常用：CMOS 和
3、 TTL 集成门电路,五、数字集成电路的集成度,一块芯片中含有等效逻辑门或元器件的个数,小规模集成电路 SSI,(Small Scale Integration),10 门/片,或 100 元器件/片,中规模集成电路 MSI,(Medium Scale Integration),10 99 门/片,或 100 999 元器件/片,大规模集成电路 LSI,(Large Scale Integration),100 9999 门/片,或 1000 99999 元器件/片,超大规模集成电路 VLSI,(Very Large Scale Integration),10000 门/片,或 100000
4、元器件/片,一、理想开关的开关特性,1、静态特性,断开,闭合,2.1 半导体二极管、三极管 和 MOS 管的开关特性,2、动态特性,开通时间：,关断时间：,普通开关：静态特性好，动态特性差,半导体开关：静态特性较差，动态特性好,二、半导体二极管的开关特性,1、静态特性,外加正向电压(正偏),二极管导通(相当于开关闭合),外加反向电压(反偏),二极管截止(相当于开关断开),（1）结构示意图、符号和伏安特性,正向导通区,反向截止区,反向击穿区,死区,（2）二极管的开关作用：,例,uO=0 V,uO=2.3 V,电路如图所示,试判别二极管的工作状态及输出电压。,二极管截止,二极管导通,解,综上：UD
5、0.7V时二极管导通,相当于一个具有0.7V的闭合了的开关；UD0.5V时二极管截止,则相当于一个断开了的开关。,2、动态特性,（1）二极管的电容效应,结电容 Cj：,扩散电容 CD：,PN 结中的电荷量会随外加电压的大小而 改变，具有电容效应，称之为结电容。,PN 结外加正向电压时，多数载流子的扩散运动加强。但P区的空穴和N区的电子越过PN结后，并不是立即完全复合掉，而是在PN结两边形成了一定浓度梯度分布的电荷积累。而且电荷量也随外加电压的大小而改变。当外加电压增加时，多子的扩散运动增强，通过二极管的电流增加，也即二极管累积的电荷量增加，这种因电荷扩散而产生的电容效应，称之为扩散电容。,2、
6、动态特性,（1）二极管的电容效应,结电容 Cj：,扩散电容 CD：,PN 结中的电荷量随外加电压的大小而 改变所产生的电容效应，称之为结电容。,PN 结外加正向电压增加时，多数载流子的扩散运动加强，通过二极管的电流增加，也即二极管累积的电荷量增加，这种因电荷扩散而产生的电容效应，称之为扩散电容。,二极管的电容效应极大地影响了其动态特性。伴随着Cj、CD的充电、放电过程，二极管无论开通还是关断，都需要一段时间才能完成。,PN结实质上是一个动态的空间电荷区。,（2）二极管的开关时间,ton 开通时间,toff 关断时间,(反向恢复时间),1、静态特性,三、半导体三极管的开关特性,发射结,集电结,发
7、射极e,基极b,集电极c,（1）结构、符号和输入、输出特性,三极管是通过基极电流来控制其工作状态的。,(2)输入特性,(3)输出特性,放大区,截止区,饱和区,2.半导体三极管的开关应用,发射结反偏 T 截止,发射结正偏 T 导通,放大还是饱和？,饱和导通条件：,三极管的静态特性取决于它的饱和与截止。,饱和条件：,饱和特点：,硅管,截止条件：,但为保证管子可靠截止，通常给发射结加反偏电压。即：,截止特点：,2、动态特性,三极管有两个PN结，因而在开关过程中同样伴随着相应电荷的建立与消散过程，即有电容效应。三极管由截止转变为导通-开通，或由导通转变为截止-关断，都需要一定的时间。三极管的开关时间包
8、括开通时间及关断时间。,四、MOS 管的开关特性,MOS管是通过栅源电压来控制其工作状态的。,1、静态特性,（1）结构和特性：,N 沟道,栅极 G,漏极 D,B,源极 S,3V,4V,5V,uGS=6V,可变电阻区,恒流区,UTN,iD,开启电压UTN=2 V,衬底,漏极特性,转移特性,uDS=6V,截止区,P 沟道增强型 MOS 管与 N 沟道有对偶关系。,P 沟道,栅极G,漏极 D,B,源极 S,iD,衬底,开启电压UTP=-2 V,（2）MOS管的开关作用：,N 沟道增强型 MOS 管（NMOS管）,开启电压UTN=2 V,iD,RD,P 沟道增强型 MOS 管（PMOS管）,开启电压U
9、TP=-2 V,iD,2、动态特性,（1）MOS 管极间电容,在数字电路中，这些电容的充、放电过程会制约 MOS 管的动态特性，即开关速度。,1 3 pF,0.1 1 pF,MOS管截止条件及特点：UGsUTN;iD=0,MOS管导通条件及特点：UGsUTN;iD随UGs 线性变化,（2）开关时间,开通时间,关断时间,2.2 分立元器件门电路,一、二极管与门,3V,0V,与门,UD=0.7 V,真值表,A B,Y,0 00 11 01 1,0001,Y=AB,电压关系表,uA/V,uB/V,uY/V,D1 D2,0 0,0 3,3 0,3 3,导通,导通,0.7,导通,截止,0.7,截止,导通
10、,0.7,导通,导通,3.7,二、二极管或门,uY/V,3V,0V,或门,UD=0.7 V,真值表,A B,Y,0 00 11 01 1,0111,电压关系表,uA/V,uB/V,D1 D2,0 0,0 3,3 0,3 3,导通,导通,-0.7,截止,导通,2.3,导通,截止,2.3,导通,导通,2.3,Y=A+B,1、半导体三极管非门,T 截止,T导通,三、半导体非门（反相器）,T 饱和,电压关系表,uI/V,uO/V,0,5,5,0.3,真值表,0,1,1,0,A,Y,三极管非门,A,Y,2、MOS 三极管非门,-NMOS管截止,-NMOS 管导通,作业 P135,题2.2题2.3,做书上！对照输入波形画出各输出波形,
