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数字电子技术基础数字电子技术基础阎石主编（第五版）阎石主编（第五版）信息科学与工程学院基础部信息科学与工程学院基础部前级输出为低电平时，前级输出为低电平时，N1决定于门的决定于门的个数；个数；前级输出为高电平时，前级输出为高电平时，N2决决定于输入端的个数。定于输入端的个数。与非门扇出系数的计算与非门扇出系数的计算前级无论输出为高低电平，前级无论输出为高低电平，N都决定都决定于输入端的个数。于输入端的个数。或非门扇出系数的计算或非门扇出系数的计算【】内容内容回顾回顾1三三 集电极开路门集电极开路门（OC门门）符号符号RLVCC【】内容内容回顾回顾2&ABY符号符号功能表功能表四、三态门四、三态门低电平起作用低电平起作用【】内容内容回顾回顾3MOS门电路：以MOS管作为开关元件构成的门电路。MOS门电路，尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点，得到了十分迅速的发展。3.5 CMOS门电路门电路4场效应管场效应管（FET）场效应管场效应管是一种由输入信号电压来控制其电流是一种由输入信号电压来控制其电流大小的半导体三极管，所以是大小的半导体三极管，所以是电压控制器件电压控制器件。根据结构不同分类：根据结构不同分类：结型场效应管结型场效应管(JFET)和绝缘栅场效应管（和绝缘栅场效应管（MOS管）管）N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)5场效应管的特点：场效应管的特点：1.输入端基本上不取电流，一次输入电阻非常高，输入端基本上不取电流，一次输入电阻非常高，一般可一般可达达1081015；2.具有噪声低，受温度、辐射影响小，制造工艺简单，便具有噪声低，受温度、辐射影响小，制造工艺简单，便于大规模集成等优点，已被广泛应用于集成电路中。于大规模集成等优点，已被广泛应用于集成电路中。3.3.场效应管都场效应管都是仅由一种载流子（多数载流子）参与导电的是仅由一种载流子（多数载流子）参与导电的半导体器件，故又称为单极型三极管。从参与导电的载半导体器件，故又称为单极型三极管。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的流子来划分，它有电子作为载流子的N N沟道器件和空穴作沟道器件和空穴作为载流子的为载流子的P P沟道器件。沟道器件。63.5.1 MOS场效应管场效应管7P P型衬底型衬底 3.5 CMOS门电路门电路3.5.1 场效应管场效应管一、一、绝缘栅型场效应管（绝缘栅型场效应管（MOS 管）管）漏极漏极D源极源极S栅极栅极GDSBGN 沟道增强型沟道增强型 场效应管场效应管衬底衬底B8一、MOS管的结构和工作原理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9DSBG漏极漏极衬底衬底源极源极栅极栅极N 沟道增强型场效应管沟道增强型场效应管10U UDSDSiD （1）栅源电压）栅源电压VGS的控制作用的控制作用当当U UGSGS0 0 时时,因为漏源之间被两个背因为漏源之间被两个背靠背的靠背的 PNPN结隔离，因此，结隔离，因此，即使在即使在D D、S S之间加上电之间加上电压压,在在D D、S S间也不可能间也不可能形成电流。形成电流。所以所以U UDSDS00时，时，iD0 0。1.N沟道沟道增强型增强型场效应管场效应管的工作原理的工作原理11U UDSDS耗尽层耗尽层iD当当 0 0V VGSGS UGS(th)(开启电压开启电压)时时,通过栅极和衬底间的电容通过栅极和衬底间的电容作用，将栅极下方作用，将栅极下方P型衬型衬底表层的空穴向下排斥，底表层的空穴向下排斥，同时，使两个同时，使两个N区和衬底区和衬底中的自由电子吸向衬底表中的自由电子吸向衬底表层，并与空穴复合而消失，层，并与空穴复合而消失，结果在衬底表面形成一薄结果在衬底表面形成一薄层负离子的耗尽层。漏源层负离子的耗尽层。漏源间仍无载流子的通道。管间仍无载流子的通道。管子仍不能导通，处于截止子仍不能导通，处于截止状态。状态。栅源电压栅源电压VGS的控制作用的控制作用12U UDSDSiD当当V VGSGS U GS(th)(开开启电压启电压)时，时，衬底中的电子进一步被吸至衬底中的电子进一步被吸至栅极下方的栅极下方的P P型衬底表层，型衬底表层，使衬底表层中的自由电子数使衬底表层中的自由电子数量大于空穴数量，该薄层转量大于空穴数量，该薄层转换为换为N N型半导体，称此为型半导体，称此为反反型层型层。形成。形成N N源区到源区到N N漏区的漏区的N N型沟道。型沟道。把把开始形成反型层的开始形成反型层的V VGSGS值值称为该管的称为该管的开启电压开启电压UGS(th)。栅源电压栅源电压VGS的控制作用的控制作用导电沟道形成了导电沟道形成了!反型层反型层13U UDSDSiD当当V VGSGS UGS(th)(开启开启电压电压)时，时，若若V VDS DS 00，就能产生漏，就能产生漏极电流极电流 I ID D，即管子开即管子开启。启。V VGSGS值越大，沟道值越大，沟道内自由电子越多，沟道内自由电子越多，沟道电阻越小，在同样电阻越小，在同样 V VDSDS 电压作用下，电压作用下，I ID D就越就越大。这样，大。这样，就实现了输就实现了输入电压入电压 V VGSGS 对输出电流对输出电流 I ID D 的控制。的控制。栅源电压栅源电压VGS对对I D的控制作用的控制作用反型层反型层14U UDSDS耗尽层耗尽层反型层反型层iD(2).漏源电压漏源电压VDS对沟道导电能力的影响对沟道导电能力的影响15 VGD=VGS-VDS,当当VDS为为0或较或较小时，小时，VGDVGS(th)，此时此时VDS 基本均匀降基本均匀降落在沟道中，落在沟道中，沟道呈斜线分沟道呈斜线分布。布。当当VDS增加到使增加到使VGD=VGS(th)时，漏极处沟时，漏极处沟道将缩减到刚刚开启的道将缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断。源情况，称为预夹断。源区的自由电子在区的自由电子在VDS电场电场力的作用下，仍能沿着力的作用下，仍能沿着沟道向漏端漂移，一旦沟道向漏端漂移，一旦到达预夹断区的边界处，到达预夹断区的边界处，就能被预夹断区内的电就能被预夹断区内的电场力扫至漏区，形成漏场力扫至漏区，形成漏极电流。极电流。当当VDS增加到使增加到使VGD VGS(th)时，时，预夹断点向源极端延伸成小的预夹断点向源极端延伸成小的夹断区。由于预夹断区呈现高夹断区。由于预夹断区呈现高阻，而未夹断沟道部分为低阻，阻，而未夹断沟道部分为低阻，因此，因此，VDS增加的部分基本上降增加的部分基本上降落在该夹断区内，而沟道中的落在该夹断区内，而沟道中的电场力基本不变，漂移电流基电场力基本不变，漂移电流基本不变，所以，从漏端沟道出本不变，所以，从漏端沟道出现预夹断点开始，现预夹断点开始，ID基本不随基本不随VDS增加而变化。增加而变化。16MOSFET的的特性曲线漏极输出特性曲线漏极输出特性曲线17此区域内此区域内:iD仅与仅与uGS有关有关。故称为故称为恒流区恒流区（饱和区）。（饱和区）。N 沟道增强型场管特性曲线沟道增强型场管特性曲线18该区域中：该区域中：曲线近似为曲线近似为不同斜率的不同斜率的直线，直线，称为称为可变电阻区。可变电阻区。直线斜率的直线斜率的倒数为倒数为d-s间间的等效电阻的等效电阻。该电阻值随该电阻值随uGS改变而改改变而改变。变。N 沟道增强型场管特性曲线沟道增强型场管特性曲线19此区域中此区域中:uGS VGS(th)N，MOS 管导通。管导通。21与与 PNP 三极管相似，三极管相似，PMOS 管为电压控制管为电压控制器件，当器件，当 UGS UGS(th)N UGS(th)P UGS(th)N 0 UGS(th)P 0 UGS(th)P UGS(th)N UGS(th)P 工作原理：工作原理：36vOVvI VDDVDD21VDD21DD0CMOS反相器电压传输特性曲线反相器电压传输特性曲线UGS2 UGS(th)N，|UGS1|UGS(th)P|T T1 1导通，导通，T2导通导通UGS2UGS(th)N,|UGS1|UGS(th)P|T T1 1导通，导通，T2截止截止VDDST1DT2vivoVTHUGS(th)NUGS(th)pUGS2 UGS(th)N,|UGS1|UGS(th)P|T1截止，截止，T2导通导通373.5.3 其他类型其他类型CMOS门电路门电路一、其他功能的一、其他功能的CMOS门电路门电路A1，B=0，Y=11001导通导通截止截止38A0，B=1，Y=1011导通导通截止截止139A1，B=1，Y=0111导通导通0截止截止综合上述：综合上述：40 CMOS传输门(a)电路；(b)符号 二、二、CMOS传输门和双向模拟开关传输门和双向模拟开关CCV2V1UI/UOUO/UIUDD(a)TGUI/UOUO/UICC(b)C=1，0传输门导通传输门导通C=0，1传输门截止传输门截止41 把一个传输门TG和一个非门按图(a)连接起来，即可构成模拟开关，其符号图(b)所示。当C=1时，开关接通；当C=0时，开关断开。该模拟开关也是双向器件。CMOS模拟开关 (a)电路；(b)符号 二、二、CMOS传输门和双向模拟开关传输门和双向模拟开关C=1时，开关接通时，开关接通C=0时，开关截止时，开关截止42三态输出的三态输出的CMOSCMOS门电路门电路输出呈高阻态输出呈高阻态输出呈高阻态输出呈高阻态AFAFAF输出呈高阻态输出呈高阻态43【例例】说明图中说明图中CMOS电路的输出状态。电路的输出状态。0010k51VIH栅极电流为栅极电流为0注意；注意；CMOS门电路门电路与与TTLTTL门电路的区别门电路的区别44 （1）微功耗。CMOS电路静态电流很小，约为纳安数量级。（2）抗干扰能力很强。输入噪声容限可达到VDD/2。（3）电源电压范围宽。多数CMOS电路可在318V的电源电压范围 内正常工作。（4）输入阻抗高。（5）负载能力强。CMOS电路可以带50个同类门以上。（6）逻辑摆幅大。（低电平0V，高电平VDD）3.5.3 CMOS电路的优点电路的优点45基本要求：基本要求：1.理解二极管构成的与、或门工作原理解二极管构成的与、或门工作原理；理；2.理解三极管构成的非门工作原理；理解三极管构成的非门工作原理；3.了解了解TTL非门的工作原理；非门的工作原理；4.掌握掌握TTL的外特性；的外特性；5.掌握扇出系数的计算方法掌握扇出系数的计算方法(6.掌握掌握OC门上拉电阻的计算方法。本门上拉电阻的计算方法。本二二)463.6.1 CMOS门电路的使用知识门电路的使用知识 1输入电路的静电保护 CMOS电路的输入端设置了保护电路，给使用者带来很大方便。但是，这种保护还是有限的。由于CMOS电路的输入阻抗高，极易产生感应较高的静电电压，从而击穿MOS管栅极极薄的绝缘层，造成器件的永久损坏。为避免静电损坏，应注意以下几点：3.6 CMOS门电路的使用知识门电路的使用知识47 （1）所有与CMOS电路直接接触的工具、仪表等必须可靠接地。（2）存储和运输CMOS电路，最好采用金属屏蔽层做包装材料。2多余的输入端不能悬空。输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，造成器件的永久损坏。对多余的输入端，可以按功能要求接电源或接地，或者与其它输入端并联使用。48作业：作业：P156 页页 题题 3.15（做书上做书上）49
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