第三章 门电路.

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1 第三章 门电路

2 半导体基础知识（1） 两种载流子 本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。 常用：硅Si，锗Ge

3 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

4 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

5 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

6 半导体基础知识（4） PN结的单向导电性 外加正向电压

7 半导体基础知识（4） PN结的单向导电性 外加反向电压

8 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 K:波耳兹曼常数 T:热力学温度 q: 电子电荷 反向击穿区

9 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

10 获得高、低电平的基本原理

11 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

12 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 N P

13 3.2.1二极管的开关特性： 高电平：VIH=VCC 低电平：VIL=0 VI=VIH D截止，VO=VOH=VCC VI=VIL
D导通，VO=VOL=0.7V

14 二极管的开关等效电路： 在数字电路中重点在判断二极管开关状态，因此必须把特性曲线简化。（见右侧电路图）

15 这段时间用tre表示，称为反向恢复时间。
动态特性 输入信号快变化时的特性。 当外加电压突然由正向变为反向时，二极管会短时间导通。 tre 这段时间用tre表示，称为反向恢复时间。 D RL i 它是由于二极管正向导通时PN结两侧的多数载流子扩散到对方形成电荷存储引起的。

16 3.2.2 二极管与门 A B Y 0V 0.7V 3V 3.7V A B Y 1 规定3V以上为1 0.7V以下为0 设VCC = 5V
加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V A B Y 0V 0.7V 3V 3.7V A B Y 1 规定3V以上为1 0.7V以下为0

17 3.2.3 二极管或门 A B Y 0V 3V 2.3V A B Y 1 规定2.3V以上为1 0V以下为0 设VCC = 5V
加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V A B Y 0V 3V 2.3V A B Y 1 规定2.3V以上为1 0V以下为0

18 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

19 3.3 CMOS门电路 3.3.1MOS管的开关特性 氧化物层 半导体层 金属层 PN结 S (Source)：源极 G (Gate)：栅极
D (Drain)：漏极 B (Substrate):衬底

20 以N沟道增强型为例：

21 开启电压 以N沟道增强型为例： 当加+VDS时， VGS=0时，D-S间是两个背向PN结串联，iD=0 加上+VGS，且足够大至VGS >VGS (th), D-S间形成导电沟道（N型层）

22 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CI，对动态有影响。 输出特性：
iD = f (VDS) 对应不同的VGS下得一族曲线 。

23 漏极特性曲线（分三个区域） 截止区 恒流区 可变电阻区

24 漏极特性曲线（分三个区域） 截止区：VGS<VGS(th)，iD = 0, ROFF > 109Ω

25 漏极特性曲线（分三个区域） 恒流区： iD 基本上由VGS决定，与VDS 关系不大

26 漏极特性曲线（分三个区域） 可变电阻区：当VDS 较低（近似为0）， VGS 一定时， 这个电阻受VGS 控制、可变。

27 三、MOS管的基本开关电路

28 四、等效电路 等效电路如图，其中CI为栅极输入电容。约为几皮法。 动态特性—延迟作用。
OFF ，截止状态 ON，导通状态 D 由于是单极型器件，无电荷存储效应。动态情况下，主要是输入电容和负载电容起作用，使漏极电流和漏源电压都滞后于输入电压的变化。

29 五、MOS管的四种类型 增强型 耗尽型 大量正离子 导电沟道

30 P沟道增强型：

31

32 3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理 Complementary-Symmetry MOS .互补对称式MOS电路。 一、电路结构

33 工作原理 N沟道管开启电压VGS(th)N记为VTN; P沟道管开启电压VGS(th)P记为VTP; 要求满足VDD VTN+|VTP|; 输入低电平为0V；高电平为VDD; （1）输入为低电平0V时； T2截止；T1导通。iD = 0， =VDD; （2）输入为高电平VDD时； T1截止；T2导通。iD = 0， =0V; 输入与输出间是逻辑非关系。

34 在正常工作状态，T1与T2轮流导通，即所谓互补状态。
特点：静态功耗近似为0；电源电压可在很宽的范围内选取。 CC4000系列CMOS电路的VDD可在3－18V之间选取。

35 二、电压、电流传输特性

36 三、输入噪声容限

37 结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限

38 3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性 一、输入特性

39 二、输出特性

40 二、输出特性

41 CMOS反相器的动态特性 一、传输延迟时间

42 二、交流噪声容限 三、动态功耗

43 三、动态功耗

44 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 或非门

45 设：MOS管的导通电阻为RON、门电路的输出电阻为RO。
1.与非门 特点：N沟道管串联、P沟道管并联； 输出电阻随输入状态变化。 设：MOS管的导通电阻为RON、门电路的输出电阻为RO。 2RON RON/2 1 RON R0N RON RON RON/ R0N RO（与非) RO（或非） B A 输出高电平偏低 输出低电平偏高 使用带缓冲级的门电路可以克服上述缺点。 2.或非门 特点：P沟道管串联、N沟道管并联； 此外，输入状态还会影响这两个门的电压传输特性。

46 特点：输出电阻恒为RON；输出电平和电压传输特性都不受输入状态影响。
（二）带缓冲级的CMOS门电路 1.与非门： Y= AB = A + B = A + B 2.或非门 Y = A + B = A B = A B 特点：输出电阻恒为RON；输出电平和电压传输特性都不受输入状态影响。

47 二、漏极开路的门电路（OD门）

48

49 三、 CMOS传输门及双向模拟开关 1. 传输门

50 功能：可控制传输0V－VDD间的模拟电压值。
C 功能：可控制传输0V－VDD间的模拟电压值。 C=0时，传输门截止；C=1,传输门导通。 设：传输门的导通电阻为RTG、管T1和T2的导通电阻分别为RON1和RON2。则： RTG= RON1//RON2 = RL/ (RTG+RL) 若满足 RL>>RTG 则

51 分析原理。先分析只有一个管时的情况： P沟道管导通 N沟道管导通 VDD 0V VGS(th)P VGS(th)N 单管工作的缺点是： 1.有死区； 2.导通电阻随输入电压变化很大。 采用双管可克服这些缺点。

52 2. 双向模拟开关

53 采用改进电路的CMOS四模拟开关CC4066在VDD=15V时，RTG值不大于240Ω。而且在 变化时，RTG基本保持不变。
2.模拟开关 将电压传输系数定义如下： KTG= = 采用改进电路的CMOS四模拟开关CC4066在VDD=15V时，RTG值不大于240Ω。而且在 变化时，RTG基本保持不变。 目前，某些精密CMOS模拟开关的导通电阻已降低到20 Ω 以下。

54 四、三态输出门

55 三态门的用途

56 CMOS电路的输入保护电路承受静电电压和脉冲功率的能力有限。因此，在储存，运输，组装和调试过程中，仍需采取防静电措施。
一.输入电路的静电防护 CMOS电路的输入保护电路承受静电电压和脉冲功率的能力有限。因此，在储存，运输，组装和调试过程中，仍需采取防静电措施。 (1)储存和运输不要使用化纤织物包装，最好用金属屏蔽层包装； (2)操作时使用的电烙铁等，要妥善接地； (3)不用的输入端不应悬空。 二.输入电路的过流保护 保护二极管只能承受1mA电流，因此下列三种情况下输入端要串入保护电阻。 (1)输入端接低内阻信号源； (2)输入端接有大电容； (3)输入端接长线。

57 CMOS电路的发展：低功耗（降低电源电压）、高速度（缩短传输延迟时间）、带负载能力（提供大的负载电流）。
关键措施是采用短沟道、硅栅自对准工艺。 系列化产品：4000系列、HC\HCT、AHC\AHCT、VHC\VHCT、LVC\ALVC系列。 T：它们采用+5V电源，输出高低电平与TTL电路兼容。平均传输业延迟时间小于10nS。与TTL电路相当。 54HC/74HC系列，书表3.3.2

58 TTL门电路 半导体三极管的开关特性 双极型三极管的开关特性 （BJT, Bipolar Junction Transistor）

59 一、双极型三极管的结构 管芯 + 三个引出电极 + 外壳

60 发射区高掺杂 基区薄 低掺杂 集电区低掺杂

61 以NPN为例说明工作原理： 当VCC >>VBB 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IC

62 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）
VON ：开启电压 硅管，0.5 ~ 0.7V 锗管，0.2 ~ 0.3V 近似认为: VBE < VON iB = 0 VBE ≥ VON iB 的大小由外电路电压，电阻决定

63 三极管的输出特性 固定一个IB值，即得一条曲线， 在VCE > 0.7V以后，基本为水平直线

64 特性曲线分三个部分 放大区：条件VCE > 0.7V, iB >0, iC随iB成正比变化， ΔiC=βΔiB。 饱和区：条件VCE < 0.7V, iB >0, VCE 很低，ΔiC 随ΔiB增加变缓，趋于“饱和”。 截止区：条件VBE = 0V, iB = 0, iC = 0, c—e间“断开” 。

65 三、双极型三极管的基本开关电路 只要参数合理： VI=VIL时，T截止，VO=VOH VI=VIH时，T导通，VO=VOL

66 工作状态分析：

67 图解分析法：

68 四、三极管的开关等效电路 截止状态 饱和导通状态

69 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，iC的变化将滞后于VI，则VO的变化也滞后于VI。
注意：三极管饱和越深，由饱和到截止的延迟时间越长。

70 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=VIL时T可靠截止，常在 输入接入负压。 参数合理？
VI=VIL时，T截止，VO=VOH VI=VIH时，T导通，VO=VOL

71 例3.5.1：计算参数设计是否合理 5V VIH=5V VIL=0V 1KΩ 3.3KΩ β=20 VCE(sat) = 0.1V 10KΩ

72 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VB与RB电路

73 当 又 因此，参数设计合理

74 3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理 一、电路结构 设

75 T2,T5截止。因为T5有漏电流，可等效为大电阻。 0.3 0.2 1.4 T4导通，忽略R2压降，可求出 0.7 =3.6V=VOH
4.1? 2.工作原理 VCC=5V,VIH=3.4V,VIL=0.2V 1.0 =VIL: 2.1 0.9 T1导通，深饱和 3.4 T2,T5截止。因为T5有漏电流，可等效为大电阻。 0.3 0.2 1.4 T4导通，忽略R2压降，可求出 0.7 =3.6V=VOH =VIH: 输入级 中间级 输出级 T1的BE结截止、BC结导通；T2、T5导通。 T2: ICS=4V/1.6K=2.5mA; iB=2.9v/4k=0.72mA = 所以，T2饱和。 推拉式（push-pull）、 图腾柱（totem-pole）输出电路 T4截止，因此T5饱和。 =0.2V

76 二、电压传输特性

77 二、电压传输特性

78 二、电压传输特性

79 需要说明的几个问题：

80 三、输入噪声容限 对于74系列门电路，VNH、VNL都不小于0.4V。

81 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。

82 输入特性 IIH 输入为0.2V时 IIL称为输入低电平电流。 IIS IIL IIS称为输入短路电流— =0V的输入电流。 输入为3.4V时 IIH称为输入漏电流。 输入为其他电压时 输入电压小于0.6V时，计算IIL的公式仍然成立(把VIL换为 ），是一直线方程。 ii 输入电压为负时，基本是保护二极管的伏安特性。

83 输出特性 1.高电平输出特性 T4饱和前，VOH基本不随iL变，T4饱和后，VOH将随负载电流增加线性下降，其斜率基本由R4决定。 受功耗限制，74系列门输出高电平时最大负载电流不超过0.4mA。 rce 2.低电平输出特性 T5饱和，c-e间等效电阻不超过10欧姆，因此直线斜率很小。

84 3.5.4 TTL反相器的动态特性 一、传输延迟时间 1、现象

85 二、交流噪声容限 当输入信号为窄脉冲，且接近于tpd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。 （a）正脉冲噪声容限
（b）负脉冲噪声容限

86 三、电源的动态尖峰电流

87 2、动态尖峰电流

88

89 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

90 2. 或非门

91 3.与或非门 在或非门的基础上，增加与输入端，从而实现与或非逻辑。 Y= (AB + CD)’

92 4. 异或门

93 二、集电极开路的门电路 1、推拉式输出电路结构的局限性 ① 输出电平不可调 ② 负载能力不强，尤其是高电平输出 ③ 输出端不能并联使用 OC门

94 2、OC门的结构特点

95 OC门实现的线与

96 3、外接负载电阻RL的计算

97 3、外接负载电阻RL的计算

98 3、外接负载电阻RL的计算

99 三、三态输出门（Three state Output Gate ,TS）

100 三态门的用途

101 3.5.6 TTL电路的改进系列 （改进指标： ) 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

102 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

103 三、低功耗肖特基系列 74LS/54LS （Low-Power Schottky TTL） 四、74AS,74ALS （Advanced Low-Power Schottky TTL） · · · 3.6 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 I2L：属饱和逻辑，电路简单，用于LSI内部电路

104 多余输入端如何处理： 以与非门为例， 欲实现Y=AB=A 显然应使B=1，方法有： 1.接高电平； 2.接VCC； 3.悬空；
4.接大电阻，大于2K欧姆； 另外： 5.与A端并联。 若为或非门，情况则不同。