第2章_门电路.

（2-1）肖合九教授2009年7月数字逻辑电路（2-2）第2章门电路（2-3）第2章门电路概述2.1半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性2.2分立元器件门电路2.3CMOS集成门电路2.4TTL集成门电路（2-4）1、什么是门电路：实现基本和常用逻辑运算的电子电路，称为逻辑门电路。它是数字电路中最基本的单元。2、门电路的主要类型：门电路的主要类型有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。概述一、门电路的概念二、逻辑变量与两状态开关在二值逻辑中，逻辑变量的取值不是0就是1，是一种二值量。在数字电路中，与之对应的是电子开关的两种状态。半导体二极管、三极管和MOS管是构成这种电子开关的基本开关元件。（2-5）1、高电平和低电平：高电平和低电平是两种状态，是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。右图2.4～5V范围内的电压，都称为高电平，用UH表示。0～0.8V范围内的电压，都称为低电平，用UL表示。2、正逻辑和负逻辑：用1表示高电平，用0表示低电平，称为正逻辑赋值，简称正逻辑。用1表示低电平，用0表示高电平，称为负逻辑赋值，简称负逻辑。三、高、低电平与正、负逻辑（2-6）四、分立元件门电路和集成门电路1、用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路，称为分立元件门电路。2、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，便构成了集成门电路。2、数字集成电路按照集成度分类小规模集成电路(SSI)：＜100个元器件/片中规模集成电路(MSI)：100～999个元器件/片大规模集成电路(LSI)：1000～99999个元器件/片超大规模集成电路(VLSI)：＞100000个元器件/片五、数字集成电路的集成度1、集成度：一般把在一块芯片中含有等效逻辑门的个数或元器件的个数，定义为集成度。（2-7）2.1半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性2.1.1理想开关的开关特性一、静态特性1、断开时，其等效电阻ROFF＝∞，通过其中的电流IOFF＝0。2、闭合时，其等效电阻RON＝0，其两端电压UAK＝0。二、动态特性1、开通时间ton＝0，即开关由断开状态转换到闭合状态不需要时间，可以瞬间完成。2、关断时间toff＝0，即开关由闭合状态转换到断开状态不需要时间，可以瞬间完成。AKS理想开关（2-8）半导体二极管最显著的特点是具有单向导电性能。2.1.2半导体二极管的开关特性R导通截止相当于开关断开相当于开关闭合S3V0VSRRD3V0V（2-9）一、静态特性1、半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性如下图所示。（2-10）2、半导体二极管的开关作用硅半导体二极管具有下列静态开关特性：⑴导通条件及导通时的特点：当外加正向电压UD＞0.7V时，二极管导通，硅半导体二极管如同一个具有0.7V压降、闭合了的开关。⑵截止条件及截止时的特点：当外加正向电压UD＜0.7V时，二极管截止，硅半导体二极管如同一个断开了的开关。（2-11）二、动态特性1、二极管的电容效应二极管存在结电容Cj和扩散电容CD，Cj和CD的存在极大地影响了二极管的动态特性，无论是开通还是关断，伴随着Cj、CD的充、放电过程，都要经过一段延迟时间才能完成。2、二极管的开关时间下图所示是一个简单的二极管开关电路及相应的uI和iD的波形。（2-12）⑴开通时间当输入电压uI由UIL跳变到UIH时，二极管D要经过延迟时间td、上升时间tr之后，才能由截止状态转换到导通状态。半导体二极管的开通时间为：ton=td＋tr⑵关断时间当输入电压uI由UIH跳变到UIL时，二极管D要经过存储时间ts、下降时间（也称为渡越时间）tf之后，才能由导通状态转换到截止状态。半导体二极管的关断时间为：toff=ts＋tf（2-13）2.1.3半导体三极管的开关特性饱和截止3V0VuO0相当于开关断开相当于开关闭合uOUCC+UCCuiRBRCuOTuO+UCCRCECuO+UCCRCEC3V0V（2-14）一、静态特性1、结构示意图、符号和输入、输出特性半导体三极管的结构示意图、符号如下图所示。（2-15）半导体三极管的输入、输出特性如下图所示。输入特性指的是基极电流iB和基极-发射极间电压uBE之间的关系曲线。输出特性指的是基极电流iC和集电极-发射极间电压uCE之间的关系曲线。在数字电路中，半导体三极管不是工作在截止区，就是工作在饱和区，而放大区仅仅是一种瞬间即逝的工作状态。（2-16）2、半导体三极管的静态开关特性⑴饱和导通条件及饱和时的特点饱和导通条件：三极管基极电流iB大于其临界饱和时的数值IBS时，饱和导通。饱和导通时的特点：对于硅三极管，饱和导通后uBE≈0.7V，uCE＝UCES≤0.3V如同闭合的开关。（2-17）⑵截止条件及截止时的特点截止条件：uBE＜Uo＝0.5V式中，Uo是硅三极管发射结的死区电压。截止时的特点：iB≈0，iC≈0如同断开的开关。（2-18）二、动态特性半导体三极管和二极管一样，在开关过程中也存在电容效应，都伴随着相应电荷的建立和消散过程，因此都需要一定时间。右图所示是三极管开关电路中uI为矩形脉冲时，相应iC和uO的波形。（2-19）⑴开通时间当输入电压uI由UIL＝－2V跳变到UIH＝3V时，三极管需要经过延迟时间td和上升时间tr之后，才能由截止状态转换到饱和导通状态。开通时间为ton=td＋tr⑵关断时间当输入电压uI由UIH＝3V跳变到UIL＝－2V时，三极管需要经过存储时间ts、下降时间tf之后，才能由饱和导通状态转换到截止状态。半导体三极管的关断时间为toff=ts＋tf半导体三极管开关时间的存在，影响了开关电路的工作速度。由于toff＞ton，所以减少饱和时基区存储电荷的数量，尽可能地加速其消散过程，即缩短存储时间tS，是提高半导体三极管开关速度的关键。（2-20）MOS管最显著的特点也是具有放大能力。不过它是通过栅极电压uGS控制其工作状态的，是一种具有放大特性的由电压uGS控制的开关元件。一、静态特性1、结构示意图、符号、漏极特性和转移特性N沟道增强型MOS管的结构示意图、符号如下图所示。2.1.4MOS管的开关特性N+N+SGD二氧化硅P-Si(a)结构示意图金属铝(b)符号SGD（2-21）N沟道增强MOS管的漏极特性和转移特性如下图所示。反映漏极电流iD和漏极-源极电压uDS之间的关系曲线族称为漏极特性。反映漏极电流iD和栅极-源极电压uGS之间的关系曲线称为转移特性。（2-22）2、MOS管的静态开关特性⑴截止条件和截止时的特点截止条件：当MOS管栅源电压uGS小于其开启电压UTN时，将处于截止状态。截止时的特点：iD＝0，MOS管如同一个断开了的开关。（2-23）⑵导通条件和导通时的特点导通条件：当uGS大于UTN时，MOS管将处于导通状态。导通时的特点：MOS管导通之后，如同一个具有一定导通电阻RON闭合了的开关。（2-24）二、动态特性1、MOS管极间电容MOS管三个电极之间，均有电容存在，它们分别是栅源电容CGS、栅漏电容CGD和漏源电容CDS。在数字电路中，MOS管的动态特性，即开关速度是受这些电容充、放电过程制约的。2、开关时间右图所示MOS管开关电路中，当uI为矩形波时，相应iD和uO的波形。（2-25）⑴开通时间当输入电压uI由UIL＝0V跳变到UIH＝VDD时，MOS管需要经过导通延迟时间td1和上升时间tr之后，才能由截止状态转换到饱和导通状态。开通时间为ton=td1＋tr⑵关断时间当输入电压uI由UIH＝VDD跳变到UIL＝0V时，MOS管需要经过关断延迟td2、下降时间tf之后，才能由导通状态转换到截止状态。关断时间为toff=td2＋tfMOS管电容上电压不能突变是造成iD(uO)滞后uI变化的主要原因。而且，由于MOS管的导通电阻比三极管的饱和导通电阻要大得多，RD也比RC大，所以它的开通和关断时间也比三极管长，即其动态特性较差。（2-26）2.2分立元器件门电路2.2.1二极管与门和或门一、二极管与门1、电路与符号2、工作原理⑴电压关系表①uA=uB=0时，D1、D2均导通uY=uA+uD1=uB+uD2=0+0.7V=0.7V②uA=0、uB=3V时，由于uA、uB电平不同，当D1导通后，使uY=uA+uD1=0+0.7V=0.7V导致uD2=uY－uB=0.7－3＝－2.3V，故D2截止。D1导通后，uY被钳位在0.7V。③uA=3V、uB=0V时，与②类似，D2导通，D1截止，D2导通后，uY被钳位在0.7V。④uA=3V、uB=3V时，D1、D2都导通。uY被钳位在3.7V。（2-27）整理上述估算结果，可得左下表所示电压关系表。0.70.70.73.700033033uY/VuA/VuB/V电压关系表000100011011YAB与门逻辑真值表⑵设定变量、状态赋值、列真值表①设定变量：用A、B、Y分别表示uA、uB、uY。②状态赋值：用0表示低电平，用1表示高电平。③列真值表：根据设定的变量和状态赋值情况，由电压关系表可列出右下表所示的与门的逻辑真值表。综上所述，该电路确实实现了与的逻辑功能Y=A·B，所以是一个二极管与门。（2-28）二、二极管或门1、电路与符号2、工作原理⑴电压关系表①uA=uB=0时，D1、D2均导通uY=0－0.7V=－0.7V。②uA=0V、uB=3V时，D2导通，D1截止，uY=3－0.7V=2.3V。③uA=3V、uB=0V时，D1导通，D2截止，uY=3－0.7V=2.3V。④uA=3V、uB=3V时，D1、D2均导通。uY=3－0.7V=2.3V。整理分析估算结果，即可得到电压关系表如右表所示。－0.72.32.32.300033033uY/VuA/VuB/V电压关系表（2-29）011100011011YAB或门逻辑真值表⑵设定变量、状态赋值、列真值表①设定变量：用A、B、Y分别表示uA、uB、uY。②状态赋值：用0表示低电平，用1表示高电平。③列真值表：根据设定的变量和状态赋值情况，由电压关系表可列出右下表所示的与门的逻辑真值表。综上所述，该电路确实实现了或的逻辑功能Y=A+B，所以是一个二极管或门。（2-30）对于图2.2.1（a）所示电路的电压关系表（如下），在状态赋值时若采用正逻辑，即用1表示高电平、用0表示低电平，就得到前面所讲的正与门逻辑真值表。0.70.70.73.700033033uY/VuA/VuB/V电压关系表000100011011YAB正与门逻辑真值表011100011011YAB负或门逻辑真值表若在状态赋值时若采用负逻辑，即用0表示高电平、用1表示低电平，就得到下面的负或门逻辑真值表。所以说图2.2.1（a）二极管电路，既是正与门又是负或门。（2-31）2.2.2三极管非门（反相器）一、半导体三极管非门1、电路与符号2、工作原理①uI=uIL=0V时，三极管T截止，iB=0、iC=0，∴uO=UOH＝VCC=5V。②uI=uIH=5V时，mAmARVImAmARuUiCCCBSbBEIHB17.0130513.47.05由于iB＞IBS，T饱和导通，有uO=UOL＝UCES≤0.3V。整理分析估算结果，即可得到电压关系表如下表所示。50.305uO/VuI/V（2-32）图2.2.3（a）若用A、Y分别表示uI、uO，用0表示低电平，用1表示高电平。则可由左下表所示的电压关系表得到右下表所示的真值表。由右下表可知，图2.2.3（a）所示电路实现了非逻辑功能，是一个三极管组成的非门。50.305uO/VuI/V非门电压关系表1001YA非门真值表半导体三极管饱和导通以后也有钳位作用。如果发射极电位是不变的，那么它的集电极电位就被固定在比发射极高0.3V的电位上；反之，若其集电极电位是不变的，那么它的发射极电位就被固定在比集电极低0.3V的电位上。（2-33）二、MOS三极管非门1、电路与符号2、工作原理①uI=uIL=0V时，uGS=