数字电子技术简明教程

内容提要一、了解半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性第二章门电路二、了解分立元件门电路三、掌握：CMOS、TTL集成门电路的特性一、门电路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与门或门非门与非门或非门异或门与或非门概述二、逻辑变量与两状态开关低电平高电平断开闭合高电平3V低电平0V二值逻辑:所有逻辑变量只有两种取值(1或0)。数字电路:通过电子开关S的两种状态(开或关)获得高、低电平，用来表示1或0。3VIuSOu3VIuSOuIuSOu逻辑状态1001S可由二极管、三极管或MOS管实现三、高、低电平与正、负逻辑负逻辑正逻辑0V5V2.4V0.8V高电平和低电平是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。010V5V2.4V0.8V10四、分立元件门电路和集成门电路1.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。2.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2.1.1理想开关的开关特性一、静态特性1.断开0OFFOFFIR，2.闭合00AKONUR，SAK2.1半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性2.1.2半导体二极管的开关特性一、静态特性1.外加正向电压(正偏)二极管导通(相当于开关闭合)V7.0DU2.外加反向电压(反偏)V5.0DU二极管截止(相当于开关断开)0DI硅二极管伏安特性阴极A阳极KPN结-AK+DUDIP区N区++++++++--------正向导通区反向截止区反向击穿区0.50.7/mADI/V0(BR)UDUD+-Iu+-Ou二极管的开关作用：[例]V2LIIUuuO=0VV3HIIUuuO=2.3V电路如图所示，V3V2I或u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]D0.7V+-一、静态特性NPN2.1.3半导体三极管的开关特性发射结集电结发射极emitter基极base集电极collectorbiBiCec(电流控制型)1.结构、符号和输入、输出特性(2)符号NNP(Transistor)(1)结构(3)输入特性CE)(BEBuufi(4)输出特性B)(CECiufiiC/mAuCE/V50µA40µA30µA20µA10µAiB=0024684321放大区截止区饱和区0CEuV1CEu0uBE/ViB/µA发射结正偏放大iC=iB集电结反偏饱和iC＜iB两个结正偏ICS=IBS临界截止iB≈0,iC≈0两个结反偏电流关系状态条件半导体三极管的开关作用＋－RbRc+VCCbce＋－饱和状态等效电路iB≥IBSui=UIHuces=0.3V＋－RbRc+VCCbce＋－＋＋－－0.7V0.3V截止状态等效电路2.1.4MOS管的开关特性(电压控制型)MOS（Mental–Oxide–Semiconductor）金属–氧化物–半导体场效应管一、静态特性1.结构和特性：(1)N沟道栅极G漏极DB源极S3V4V5VuGS=6ViD/mA42643210uGS/ViD/mA43210246810uDS/V可变电阻区恒流区UTNiD开启电压UTN=2V+-uGS+-uDS衬底漏极特性转移特性uDS=6V截止区2.MOS管的开关作用：TNIUuDDOHOVUuV0OLOUuN沟道增强型MOS管+VDD+10VRD20kBGDSuIuO+VDD+10VRD20kGDSuIuOTNIUu开启电压UTN=2ViD+VDD+10VRD20kGDSuIuORONRDuYuAuBR0D2D1+VCC+10V2.2.1二极管与门和或门一、二极管与门3V0V符号:与门（ANDgate)ABY&0V0VUD=0.7V0V3V3V0V3V3V真值表ABY000110110001Y=AB电压关系表uA/VuB/VuY/VD1D200033033导通导通0.7导通截止0.7截止导通0.7导通导通3.72.2分立元器件门电路二、二极管或门uY/V3V0V符号:或门（ANDgate)ABY≥10V0VUD=0.7V0V3V3V0V3V3VuYuAuBROD2D1-VSS-10V真值表ABY000110110111电压关系表uA/VuB/VD1D200033033导通导通0.7截止导通2.3导通截止2.3导通导通2.3Y=A+B一、半导体三极管非门V0.1ILIUuT截止V5CCOHOVUuV5.2IHIUuT导通mA1mA3.47.05bBEIHBRuUimA17.0mA1305cCCBSRVI2.2.2三极管非门（反相器）饱和导通条件:BSBIi+VCC+5V1kRcRbT+-+-uIuO4.3kβ=30iBiCBSBIiV3.0OLOUuT饱和因为所以电压关系表uI/VuO/V0550.3真值表0110AYAY符号函数式+VCC+5V1kRcRbT+-+-uIuO4.3kβ=30iBiC三极管非门:AY1AY二、MOS三极管非门V2V0TNILGSUUuMOS管截止V10DDOHOVUu2.V10IHIUuV2V10TNIHGSUUuMOS管导通（在可变电阻区）V0OLOUu真值表0110AYAY+VDD+10VRD20kBGDSuIuOV0ILIUu1.+-uGS+-uDS故+VDD+10VB1G1D1S1uAuYTNTPB2D2S2G2VSS+-uGSN+-uGSP2.3.1CMOS反相器AY一、电路组成及工作原理AY10V+10VuAuGSNuGSPTNTPuY0VUTNUTP截止导通10V10VUTNUTP导通截止0VUTN=2VUTP=2V+10VRONPuY+VDD10VSTNTP+10VRONNuY+VDD0VSTNTP2.3CMOS集成门电路二、静态特性1.电压传输特性：)(IOufuiD+VDDB1G1D1S1+uI-uOTNTPB2D2S2G2VSSABCDEFUTNVDDUTHUTPUNLUNHAB段：uIUTN，uO=VDD、iD0，功耗极小。0uO/VuI/VTN截止、TP导通，BC段：,TNIUuTN导通，uO略下降。CD段：TN、TP均导通。,5.0DDIVu。(max)DDOiiuDE、EF段：与BC、AB段对应，TN、TP的状态与之相反。导通截止:TN截止导通:TP转折电压指uo为规定值时，ui允许波动的最大范围。UNL：输入为低电平时的噪声容限。UNH：输入为高电平时的噪声容限。=0.3VDD噪声容限：2.3.4CMOS传输门、三态门和漏极开路门一、CMOS传输门(双向模拟开关)1.电路组成：TPCVSS+VDDIO/uuOI/uuCTNCIO/uuOI/uuTGC2.工作原理：:01)1(CC、TN、TP均导通，)~0(DDIOVuu:10)2(CC、TN、TP均截止，IOuu导通电阻小(几百欧姆)关断电阻大(≥109)(TG门—TransmissionGate)二、CMOS三态门1.电路组成+VDDVSSTP2TN1TP1AYTN21EN2.工作原理1)1(ENY与上、下都断开TP2、TN2均截止Y=Z(高阻态—非1非0)AYTP2、TN2均导通0110)2(EN010控制端低电平有效(1或0)3.逻辑符号YA1ENEN使能端EN三、CMOS漏极开路门(OD门—OpenDrain)1.电路组成BA&1+VDDYBGDSTNVSSRD外接YAB&符号(1)漏极开路，工作时必须外接电源和电阻。2.主要特点(2)可以实现线与功能：输出端用导线连接起来实现与运算。YCD&P1P2+VDDYRD21PPYCDABCDAB(3)可实现逻辑电平变换：DDOHVU(4)带负载能力强。一、CC4000和C000系列集成电路1.CC4000系列：符合国家标准，电源电压为318V，功能和外部引线排列与对应序号的国外产品相同。2.C000系列：早期集成电路，电源电压为715V，外部引线排列顺序与CC4000不同，用时需查阅有关手册。传输延迟时间tpd标准门=100nsHCMOS=9nsHCMOS:54/74系列54/74HC(带缓冲输出)54/74HCU(不带缓冲输出)54/74HCT(与LSTTL兼容)二、高速CMOS(HCMOS)集成电路2.3.5CMOS电路使用中应注意的几个问题三、CMOS集成电路的主要特点(1)功耗极低。门电路：几个μW，MSI：100μW(2)电源电压范围宽。CC4000系列：VDD=3~18V(3)抗干扰能力强。输入端噪声容限=0.3VDD~0.45VDD(4)逻辑摆幅大。(5)输入阻抗极高。(6)扇出能力强。扇出系数：带同类门电路的个数，其大小反映了门电路的带负载能力。(7)集成度很高，温度稳定性好。(8)抗辐射能力强。(9)成本低。DDOHOL,V0VUUCC4000系列：≥50个Ω108≥四、CMOS电路使用中应注意的几个问题1.注意输入端的静电防护。2.注意输入电路的过流保护。3.注意电源电压极性。5.多余的输入端不应悬空。6.输入端外接电阻的大小不会引起输入电平的变化。与门、与非门：接电源或与其他输入端并联或门、或非门：接地或与其他输入端并联多余输入端的处理思考原因？4.输出端不能和电源、地短接。因为输入阻抗极高（≥108）故输入电流0，电阻上的压降0。（Transistor—TransistorLogic）一、电路组成及工作原理+VCC(5V)R1uIuo4kAD1T1T2T3T4DR21.6kR31kR4130Y输入级中间级输出级2.4.1TTL反相器2.4TTL集成门电路输入短路电流IIS二、静态特性1.输入特性(1)输入伏安特性：)(IIufi1iI+VCC+5VuI+-uoT1iIuI+-be2be4+VCC+5VR14kIV/uImA/i012-1V0ILIUumA05.11BE1CCISIRuVIiV3.0ILIUumA11ILBE1CCILIRUuVIiISIILIUILUIHIHI低电平输入电流IILV6.3IHIUumA0145.0)V1.2(1CCiIHIRVIi高电平输入电流或输入端漏电流IIH即：当Ri为2.5k以上电阻时，输入由低电平变为高电平(2)输入端负载特性：)(iIRfu1+VCC+5VuI+-uoRiT1iB1uI+-be2be4+VCC+5VR14kRiRi/026412uI/V)(~k5.2i悬空RV4.1IuT2、T4饱和导通V3.0OLOUuRi=Ron—开门电阻（2.5kΩ）Ronk7.0iRV7.0IuT2、T4截止V6.3OHOUuRi=Roff—关门电阻（0.7k）即：当Ri为0.7k以下电阻时,输入端相当于低电平。Roff0.7V1.4V二、静态特性2.输出特性)(OOifuuO1+VCC+5VuI+-+-iOuO/ViO/mA0102030-10-20-30123:,)1(OLOIHIUuUu在输出为低电平条件下，带灌电流负载能力IOL可达16mAIHIUu0.3V:,)2(OHOILIUuUu受功耗限制，带拉电流负载能力IOH可一