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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,高教出版社,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,数字电子技术基础,第五版,数字电子技术基础,（第五版）,教学课件,清华大学 阎石 王红,联系地址：清华大学 自动化系,邮政编码：,100084,电子信箱：,wang_hong,联系电话,：,(010)62792973,补：半导体基础知识,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。,常用：硅,Si,，锗,Ge,两种载流子,半导体基础知识（,2,）,杂质半导体,N,型半导体,多子：自由电子,少子：空穴,半导体基础知识（,2,）,杂质半导体,P,型半导体,多子：空穴,少子：自由电子,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,半导体基础知识（,4,）,PN,结的单向导电性,外加,正向电压,半导体基础知识（,4,）,PN,结的单向导电性,外加,反向电压,半导体基础知识（,5,）,PN,结的伏安特性,正向导通区,反向截止区,反向击穿区,K,:,波耳兹曼常数,T,:,热力学温度,q,:,电子电荷,第三章 门电路,3.1,概述,门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如,与,门、,与非,门、,或,门,门电路中以高,/,低电平表示逻辑状态的,1/0,获得高、低电平的基本原理,高,/,低电平都允许有一定的变化范围,正逻辑：高电平表示,1,，低电平表示,0,负逻辑：高电平表示,0,，低电平表示,1,3.2,半导体二极管门电路,半导体二极管的结构和外特性（,Diode,）,二极管的结构：,PN,结,+,引线,+,封装构成,P,N,3.2.1,二极管的开关特性：,高电平：,V,IH,=V,CC,低电平：,V,IL,=0,V,I,=V,IH,D,截止，,V,O,=V,OH,=V,CC,V,I,=V,IL,D,导通，,V,O,=V,OL,=0.7V,二极管的开关等效电路：,二极管的动态电流波形：,3.2.2,二极管与门,设,V,CC,= 5V,加到,A,B,的,V,IH,=3V,V,IL,=0V,二极管导通时,V,DF,=0.7V,A,B,Y,0V,0V,0.7V,0V,3V,0.7V,3V,0V,0.7V,3V,3V,3.7V,A,B,Y,0,0,0,0,1,0,1,0,0,1,1,1,规定,3V,以上为,1,0.7V,以下为,0,3.2.3,二极管,或,门,设,V,CC,= 5V,加到,A,B,的,V,IH,=3V,V,IL,=0V,二极管导通时,V,DF,=0.7V,A,B,Y,0V,0V,0V,0V,3V,2.3V,3V,0V,2.3V,3V,3V,2.3V,A,B,Y,0,0,0,0,1,1,1,0,1,1,1,1,规定,2.3V,以上为,1,0V,以下为,0,二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,3.3 CMOS,门电路,3.3.1MOS,管的开关特性,一、,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,以,N,沟道增强型,为例：,以,N,沟道增强型,为例：,当加,+V,DS,时，,V,GS,=0,时，,D-S,间是两个背向,PN,结串联，,i,D,=0,加上,+V,GS,，且足够大至,V,GS,V,GS,(,th,), D-S,间形成导电沟道（,N,型层）,开启电压,二、输入特性和输出特性,输入特性：直流电流为,0,，看进去有一个输入电容,C,I,，对动态有影响。,输出特性：,i,D,= f (V,DS,),对应不同的,V,GS,下得一族曲线 。,漏极特性曲线,（分三个区域）,截止区,恒流区,可变电阻区,漏极特性曲线,（分三个区域）,截止区：,V,GS, 10,9,漏极特性曲线,（分三个区域）,恒流区：,i,D,基本上由,V,GS,决定，与,V,DS,关系不大,漏极特性曲线,（分三个区域）,可变电阻区：当,V,DS,较低（近似为,0,），,V,GS,一定时， 这个电阻受,V,GS,控制、可变。,三、,MOS,管的基本开关电路,四、等效电路,OFF,，截止状态,ON,，导通状态,五、,MOS,管的四种类型,增强型,耗尽型,大量正离子,导电沟道,3.3.2 CMOS,反相器的电路结构和工作原理,一、电路结构,二、电压、电流传输特性,三、输入噪声容限,结论：可以通过提高,V,DD,来提高噪声容限,3.3.3 CMOS,反相器的静态输入和输出特性,一、输入特性,二、输出特性,二、输出特性,3.3.4 CMOS,反相器的动态特性,一、传输延迟时间,二、交流噪声容限,三、动态功耗,三、动态功耗,3.3.5,其他类型的,CMOS,门电路,一、其他逻辑功能的门电路,1.,与非,门,2.,或非,门,带缓冲极的,CMOS,门,1,、,与非,门,带缓冲极的,CMOS,门,2.,解决方法,二、漏极开路的门电路（,OD,门）,三、,CMOS,传输门及双向模拟开关,1.,传输门,2.,双向模拟开关,四、三态输出门,三态门的用途,双极型三极管的开关特性,（,BJT, Bipolar Junction Transistor,）,3.5 TTL,门电路,3.5.1,半导体三极管的开关特性,一,、,双极型三极管的结构,管芯,+,三个引出电极,+,外壳,基区薄,低掺杂,发射区高掺杂,集电区低掺杂,以,NPN,为例说明工作原理：,当,V,CC,V,BB,be,结正偏,bc,结反偏,e,区发射大量的电子,b,区薄，只有少量的空穴,bc,反偏，大量电子形成,I,C,二,、,三极管的输入特性和输出特性,三极管的输入特性曲线（,NPN,）,V,ON,：开启电压,硅管，,0.5 0.7V,锗管，,0.2 0.3V,近似认为,:,V,BE, 0.7V,以后，基本为水平直线,特性曲线分三个部分,放大区：条件,V,CE, 0.7V,i,B,0,i,C,随,i,B,成正比变化，,i,C,=,i,B,。,饱和区：条件,V,CE,0, V,CE,很低，,i,C,随,i,B,增加变缓，趋于“饱和”。,截止区：条件,V,BE,= 0V,i,B,= 0,i,C,= 0, ce,间“断开” 。,三、双极型三极管的基本开关电路,只要参数合理：,V,I,=V,IL,时，,T,截止，,V,O,=V,OH,V,I,=V,IH,时，,T,导通，,V,O,=V,OL,工作状态分析：,图解分析法：,四、三极管的开关等效电路,截止状态,饱和导通状态,五、动态开关特性,从二极管已知，,PN,结存在电容效应。,在饱和与截止两个状态之间转换时，,i,C,的变化将滞后于,V,I,，则,V,O,的变化也滞后于,V,I,。,六,、,三极管,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=V,IL,时,T,可靠截止，常在 输入接入负压。,参数合理？,V,I,=V,IL,时，,T,截止，,V,O,=V,OH,VI=VIH,时，,T,截止，,V,O,=V,OL,例,3.5.1,：计算参数设计是否合理,5V,-,8V,3.3K,10K,1K,=20,V,CE,(sat,) = 0.1V,V,IH,=5V,V,IL,=0V,例,3.5.1,：计算参数设计是否合理,将发射极外接电路化为等效的,V,B,与,R,B,电路,当,当,又,因此，参数设计合理,3.5.2 TTL,反相器的电路结构和工作原理,一、电路结构,设,二、电压传输特性,二、电压传输特性,二、电压传输特性,需要说明的几个问题：,三、输入噪声容限,3.5.3 TTL,反相器的静态输入特性和输出特性,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。,输入,输出,3.5.4 TTL,反相器的动态特性,一、传输延迟时间,1,、现象,二、交流噪声容限,（,b,）,负,脉冲噪声容限,（,a,）,正,脉冲噪声容限,当输入信号为窄脉冲，且接近于,t,pd,时，输出变化跟不上，变化很小，因此交流噪声容限远大于直流噪声容限。,三、电源的动态尖峰电流,2,、动态尖峰电流,3.5.5,其他类型的,TTL,门电路,一、其他逻辑功能的门电路,1.,与非,门,2.,或非,门,3.,与或非,门,4.,异或,门,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,2,、,OC,门的结构特点,OC,门实现的,线与,3,、外接负载电阻,R,L,的计算,3,、外接负载电阻,R,L,的计算,3,、外接负载电阻,R,L,的计算,三、三态输出门（,Three state Output Gate ,TS,）,三态门的用途,一、高速系列,74H/54H,（,High-Speed TTL,）,电路的改进,(1),输出级采用复合管（减小输出电阻,Ro,）,(2),减少各电阻值,2.,性能特点,速度提高 的同时功耗也增加,2.4.5 TTL,电路的改进系列（改进指标：,),二、肖特基系列,74S/54S,（,Schottky,TTL,）,电路改进,采用抗饱和三极管,用有源泄放电路代替,74H,系列中的,R3,减小电阻值,2.,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,三、低功耗肖特基系列,74LS/54LS,（,Low-Power,Schottky,TTL,）,四、,74AS,74ALS,（,Advanced Low-Power,Schottky,TTL,）, ,2.5,其他类型的双极型数字集成电路*,DTL,：输入为二极管门电路，速度低，已经不用,HTL,：电源电压高，,Vth,高，抗干扰性好，已被,CMOS,替代,ECL,：非饱和逻辑，速度快，用于高速系统,I,2,L,：属饱和逻辑，电路简单，用于,LSI,内部电路, ,
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