《数字电子技术基础》（第五版）教学课件 清华大学 阎石 王红

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1 《数字电子技术基础》（第五版）教学课件 清华大学 阎石 王红
《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 联系电话：(010)

2 补：半导体基础知识

3 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

4 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

5 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

6 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

7 半导体基础知识（4） PN结的单向导电性 外加正向电压

8 半导体基础知识（4） PN结的单向导电性 外加反向电压

9 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

10 第三章 门电路

11 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

12 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

13 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

14 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

15 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

16 二极管的开关等效电路：

17 二极管的动态电流波形：

18 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

19 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

20 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

21 3.3 CMOS门电路 3.3.1MOS管的开关特性 氧化物层 一、MOS管的结构 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

22 以N沟道增强型为例：

23 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）

24 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 。

25 漏极特性曲线（分三个区域） 截止区 恒流区 可变电阻区

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

27 恒流区： iD 基本上由VGS决定，与VDS 关系不大
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

28 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。
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。

29 三、MOS管的基本开关电路

30 四、等效电路 OFF ，截止状态 ON，导通状态

31 五、MOS管的四种类型 增强型 耗尽型 大量正离子 导电沟道

32 3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理 一、电路结构

33 二、电压、电流传输特性

34 三、输入噪声容限

35 结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限

36 3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性 一、输入特性

37 二、输出特性

38 二、输出特性

39 CMOS反相器的动态特性 一、传输延迟时间

40 二、交流噪声容限 三、动态功耗

41 三、动态功耗

42 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

43 带缓冲极的CMOS门 1、与非门

44 带缓冲极的CMOS门 2.解决方法

45 二、漏极开路的门电路（OD门）

46

47

48 三、 CMOS传输门及双向模拟开关 1. 传输门

49 2. 双向模拟开关

50 四、三态输出门

51 三态门的用途

52 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）

53 一、双极型三极管的结构 管芯 + 三个引出电极 + 外壳

54 基区薄 低掺杂 发射区高掺杂 集电区低掺杂

55 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

56 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

57 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

58 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” 。

59 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

60 工作状态分析：

61 图解分析法：

62 四、三极管的开关等效电路 截止状态 饱和导通状态

63 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。

64 实际应用中，为保证 VI=VIL时T可靠截止，常在 输入接入负压。
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截止，VO=VOL

65 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

66 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

67 当 又 因此，参数设计合理

68 3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理 一、电路结构 设

69 二、电压传输特性

70 二、电压传输特性

71 二、电压传输特性

72 需要说明的几个问题：

73 三、输入噪声容限

74 试计算门G1能驱动多少个同样的门电路负载。
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。

75 输入

76 输出

77 3.5.4 TTL反相器的动态特性 一、传输延迟时间 1、现象

78 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

79 三、电源的动态尖峰电流

80 2、动态尖峰电流

81

82 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

83 2. 或非门 3.与或非门

84 4. 异或门

85 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

86 2、OC门的结构特点

87 OC门实现的线与

88 3、外接负载电阻RL的计算

89 3、外接负载电阻RL的计算

90 3、外接负载电阻RL的计算

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

92 三态门的用途

93 2.4.5 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

94 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

95 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 I2L：属饱和逻辑，电路简单，用于LSI内部电路