数字电子技术基础(第3章).ppt

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1、门电路第三章本章总的要求：熟练掌握TTL和CMOS集成门电路输出与输入间的逻辑关系、外部电气特性，包括电压传输特性、输入特性、输出特性和动态特性等；掌握各类集成电子器件正确的使用方法。重点：TTL电路与CMOS电路的结构与特点.3.1概述门电路是用以实现逻辑运算的电子电路，与已经讲过的逻辑运算相对应。常用的门电路在逻辑功能上有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。正逻辑：高电平表示逻辑1、低电平表示逻辑0。负逻辑：高电平表示逻辑0、低电平表示逻辑1。获得高、低电平的基本方法：利用半导体

2、开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。3.2半导体二极管门电路§3.2.1半导体二极管的开关特性Ui>0.5V时，二极管导通。Ui<0.5V时，二极管截止，iD=0。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。当外加电压突然由正向变为反向时，存储电荷反向电场的作用下，形成较大的反向电流。经过ts后，存储电荷显著减少，反向电流迅速衰减并趋于稳态时的反向饱和电流。当外加电压由反向突然变为正向时，要等到PN结内部建立起足够的电荷

3、梯度后才开始有扩散电流形成，因而正向电流的建立稍微滞后一点。反向恢复时间（几纳秒内）反向恢复时间即存储电荷消失所需要的时间，它远大于正向导通所需要的时间。这就是说，二极管的开通时间是很短的，它对开关速度的影响很小，以致可以忽略不计。因此，影响二极管的开关时间主要是反向恢复时间，而不是开通时间。§3.2.2二极管与门Y=A·BABY§3.2.3二极管或门Y=A+B3.3CMOS门电路§3.3.1MOS管的开关特性在CMOS集成电路中，以金属－氧化物－半导体场效应管（MOS管)作为开关器件。一、MOS管的

4、结构和工作原理PNNGSD金属铝两个N区SiO2绝缘层P型衬底导电沟道GSDN沟道增强型源极栅极漏极vGS=0时PNNGSDvGSvDSiD=0D、S间相当于两个背靠背的PN结SDB不论D、S间有无电压，均无法导通，不能导电。PNNGSDVDSVGSvGS>0时vGS足够大时（vGS>VGS(th)），形成电场G—B,把衬底中的电子吸引到上表面，除复合外，剩余的电子在上表面形成了N型层（反型层）为D、S间的导通提供了通道。VGS(th)称为阈值电压(开启电压）源极与衬底接在一起N沟道可以通过改变vGS

5、的大小来控制iD的大小。二、MOS管的输入、输出特性对于共源极接法的电路，栅极和衬底之间被二氧化硅绝缘层隔离，所以栅极电流为零。输出特性曲线（漏极特性曲线）夹断区（截止区）用途：做无触点的、断开状态的电子开关。条件：整个沟道都夹断特点：可变电阻区特点:(1)当vGS为定值时,iD是vDS的线性函数，管子的漏源间呈现为线性电阻，且其阻值受vGS控制。（2）管压降vDS很小。用途：做压控线性电阻和无触点的、闭合状态的电子开关。条件：源端与漏端沟道都不夹断恒流区：(又称饱和区或放大区）特点:(1)受控性：输

6、入电压vGS控制输出电流(2)恒流性：输出电流iD基本上不受输出电压vDS的影响。条件:(1)源端沟道未夹断(2)漏端沟道予夹断用途:可做放大器和恒流源。三、MOS管的基本开关电路当vI=vGSVGS(th)且vI继续升高时，MOS管工作在可变电阻区。MOS管导通内阻RON很小，D-S间相当于闭合的开关,vO≈0。四、MOS管的四种基本类型GSDN沟道耗尽型GSDN沟道增强型GSDP沟道增强型GSDP沟道耗尽型在

7、数字电路中，多采用增强型。§3.3.2CMOS反相器工作原理PMOS管NMOS管CMOS电路VDDT1T2vIvO一、电路结构当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管(意为互补)。VDDTPTNvIvOvI=0截止vo=“１”导通vI=1VDDT1T2vIvO导通vo=“０”截止静态下，无论vI是高电平还是低电平，T1、T2总有一个截止，因此CMOS反相器的静态功耗极小。二、电压传输特性和电流传输特性电压传输特性阈值电压VTHT1导通T2截止T2导通T1截止T1T2

8、同时导通电流传输特性T2截止T1截止CMOS反相器在使用时应尽量避免长期工作在BC段。输入低电平时噪声容限：在保证输出高、低电平基本不变的条件下,输入电平的允许波动范围称为输入端噪声容限。输入高电平时噪声容限：三、输入端噪声容限噪声容限－－衡量门电路的抗干扰能力。噪声容限越大，表明电路抗干扰能力越强。测试表明：CMOS电路噪声容限VNH=VNL＝30％VDD，且随VDD的增加而加大。因为MOS管的栅极和衬底之间存在着以SiO2为介质的输入电容，而绝缘介质