半导体管的开关特性分立元件门电路.ppt

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3V 1 0 高电平 闭合 低电平0V 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 SmallScaleIntegration 10门 片 或 100元器件 片 中规模集成电路MSI MediumScaleIntegration 10 99门 片 或100 999元器件 片 大规模集成电路LSI LargeScaleIntegration 100 9999门 片 或1000 99999元器件 片 超大规模集成电路VLSI VeryLargeScaleIntegration 10000门 片 或 100000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 0V uO 2 3V 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 0 7V时二极管导通 相当于一个具有0 7V的闭合了的开关 UD 0 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 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 2V 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 2V 2 MOS管的开关作用 N沟道增强型MOS管 NMOS管 开启电压UTN 2V iD RD P沟道增强型MOS管 PMOS管 开启电压UTP 2V 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 3pF 0 1 1pF MOS管截止条件及特点 UGs UTN iD 0 MOS管导通条件及特点 UGs UTN 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 7V 真值表 AB Y 00011011 0001 Y AB 电压关系表 uA V uB V uY V D1D2 00 03 30 33 导通 导通 0 7 导通 截止 0 7 截止 导通 0 7 导通 导通 3 7 二 二极管或门 uY V 3V 0V 或门 UD 0 7V 真值表 AB Y 00011011 0111 电压关系表 uA V uB V D1D2 00 03 30 33 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