第三章-数字电子技术基础第五版-阎石、王红、清华大学

《数字电子技术基础》第五版《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电子信箱：[e-mail]联系电话：[phone]《数字电子技术基础》第五版补：半导体基础知识《数字电子技术基础》第五版半导体基础知识（1）•本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。•常用：硅Si，锗Ge两种载流子《数字电子技术基础》第五版半导体基础知识（2）•杂质半导体•N型半导体多子：自由电子少子：空穴《数字电子技术基础》第五版半导体基础知识（2）•杂质半导体•P型半导体多子：空穴少子：自由电子《数字电子技术基础》第五版半导体基础知识（3）•PN结的形成•空间电荷区（耗尽层）•扩散和漂移《数字电子技术基础》第五版半导体基础知识（4）•PN结的单向导电性•外加正向电压《数字电子技术基础》第五版半导体基础知识（4）•PN结的单向导电性•外加反向电压《数字电子技术基础》第五版半导体基础知识（5）•PN结的伏安特性正向导通区反向截止区反向击穿区qnkTVeIiTVVST)(1K:波耳兹曼常数T:热力学温度q:电子电荷《数字电子技术基础》第五版第三章门电路《数字电子技术基础》第五版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《数字电子技术基础》第五版获得高、低电平的基本原理高/低电平都允许有一定的变化范围《数字电子技术基础》第五版正逻辑：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《数字电子技术基础》第五版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PN《数字电子技术基础》第五版3.2.1二极管的开关特性：高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0•VI=VIHD截止，VO=VOH=VCC•VI=VILD导通，VO=VOL=0.7V《数字电子技术基础》第五版二极管的开关等效电路：《数字电子技术基础》第五版二极管的动态电流波形：《数字电子技术基础》第五版3.2.2二极管与门设VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二极管导通时VDF=0.7VABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY000010100111规定3V以上为10.7V以下为0《数字电子技术基础》第五版3.2.3二极管或门设VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二极管导通时VDF=0.7VABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABY000011101111规定2.3V以上为10V以下为0《数字电子技术基础》第五版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《数字电子技术基础》第五版3.3CMOS门电路3.3.1MOS管的开关特性一、MOS管的结构S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底金属层氧化物层半导体层PN结《数字电子技术基础》第五版以N沟道增强型为例：《数字电子技术基础》第五版以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VGSVGS(th),D-S间形成导电沟道（N型层）开启电压《数字电子技术基础》第五版二、输入特性和输出特性①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。②输出特性：iD=f(VDS)对应不同的VGS下得一族曲线。《数字电子技术基础》第五版漏极特性曲线（分三个区域）①截止区②恒流区③可变电阻区《数字电子技术基础》第五版漏极特性曲线（分三个区域）截止区：VGSVGS(th)，iD=0,ROFF109Ω《数字电子技术基础》第五版漏极特性曲线（分三个区域）恒流区：iD基本上由VGS决定，与VDS关系不大2)(2)()1(GSDthGSGSthGSGSDSDViVVVVIi下，当《数字电子技术基础》第五版漏极特性曲线（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。常数（电阻）DDSiV《数字电子技术基础》第五版三、MOS管的基本开关电路控制的开关。间相当于一个受管所以导通当截止当则：只要因为IOLOGSIHIDDOHOGSILIOFFDONONOFFVSDMOSVVTthVVVVVVTthVVVRRRKRR01109)()(,,《数字电子技术基础》第五版四、等效电路OFF，截止状态ON，导通状态《数字电子技术基础》第五版五、MOS管的四种类型•增强型•耗尽型大量正离子导电沟道《数字电子技术基础》第五版3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理一、电路结构PthGSNthGSVV)()(《数字电子技术基础》第五版二、电压、电流传输特性DDODDIPTHGSDDINTHGSOLOPTHGSDDIDDOHONTHGSIVVVVTTTTVVVVBCVVTTVVVCDVVVTTVVAB2121021211221时，参数完全对称，若同时导通段：截止导通，段：截止导通，段：,,)()()()(《数字电子技术基础》第五版三、输入噪声容限称为输入噪声容限，允许输入的变化范围在输出变化允许范围内基本不变；的一定范围内，和偏离在OILIHIVVVV(max)(max)(min)(min)OLILNLIHOHNHVVVVVV《数字电子技术基础》第五版•结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限《数字电子技术基础》第五版3.3.3CMOS反相器的静态输入和输出特性一、输入特性《数字电子技术基础》第五版二、输出特性OLGSOLOLOLVVIIfV下，同样的低电平输出特性)(.1《数字电子技术基础》第五版二、输出特性越小下，同样的高电平输出特性OHGSOHOHOHVVIIfV)(.1《数字电子技术基础》第五版3.3.4CMOS反相器的动态特性一、传输延迟时间。系列为，系列为，影响、受充放电影响也较大较大所以充放电，因为和原因：5ns74AHC10ns74HC321PLHPHLDDLPLHPHLLONLIttVCttCRCC.;,.;.《数字电子技术基础》第五版二、交流噪声容限三、动态功耗功耗相比，可以忽略静态功耗极小，与动态)(,.214311ttttTTTAVTAVDDTdtidtiTIIVP其中导通功耗《数字电子技术基础》第五版三、动态功耗2212DDLCNLIPLDDICfVCPiTCViCTVVP可得平均功耗放电，有经当充电，有向经当负载电容充放电功耗,,.CTDPPP总的动态功耗.3《数字电子技术基础》第五版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2.或非门《数字电子技术基础》第五版带缓冲极的CMOS门1、与非门值不同对应的达到开启电压时，的、使也更高越高，输入端越多，端数目的影响输出的高低电平受输入则则则则受输入状态影响输出电阻存在的缺点：IGSOHOLONONOONONOONONONOONONONOOVVTTVVRRRBARRRBARRRRBARRRRBAR4231314232011021002111)()(,,//,,:)(《数字电子技术基础》第五版带缓冲极的CMOS门2.解决方法与非门缓冲器或非门《数字电子技术基础》第五版二、漏极开路的门电路（OD门）《数字电子技术基础》第五版)(,..DDDDDDLVVVR可以不等于使用时允许外接器或用作电平转换、驱动现线与可将输出并联使用，实21《数字电子技术基础》第五版的计算方法LR《数字电子技术基础》第五版三、CMOS传输门及双向模拟开关1.传输门接地为正，另一端经设LIRV之间为低电阻至少一个导通和在所以导通导通时当相当于断开均截止、则则只要当设OIDDIDDIPthGSNthGSDDIDDIDDIILDDIHONLVVTTVVTVVVTVVVVVCCTTVVCCVVVRR21212100001201010,~,,~,)(,~,)(,,)()(《数字电子技术基础》第五版2.双向模拟开关《数字电子技术基础》第五版四、三态输出门)(高阻时，时，ZYNEAYNE10《数字电子技术基础》第五版三态门的用途《数字电子技术基础》第五版双极型三极管的开关特性（BJT,BipolarJunctionTransistor）3.5TTL门电路3.5.1半导体三极管的开关特性《数字电子技术基础》第五版一、双极型三极管的结构管芯+三个引出电极+外壳《数字电子技术基础》第五版基区薄低掺杂发射区高掺杂集电区低掺杂《数字电子技术基础》第五版以NPN为例说明工作原理：•当VCCVBB•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《数字电子技术基础》第五版二、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:•VBEVONiB=0•VBE≥VONiB的大小由外电路电压，电阻决定bBEBBBRVVi《数字电子技术基础》第五版三极管的输出特性)(CECVfi•固定一个IB值，即得一条曲线，在VCE0.7V以后，基本为水平直线《数字电子技术基础》第五版)V(fiCEC•特性曲线分三个部分①放大区：条件VCE0.7V,iB0,iC随iB成正比变化，ΔiC=βΔiB。②饱和区：条件VCE0.7V,iB0,VCE很低，ΔiC随ΔiB增加变缓，趋于“饱和”。③截止区：条件VBE=0V,iB=0,iC=0,c—e间“断开”。《数字电子技术基础》第五版三、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=VOHVI=VIH时，T导通，VO=VOL《数字电子技术基础》第五版工作状态分析：。近似为截止，则设001CBONBEILIiiTVVVV,,)(IOVOCBICBCCCCCCCEOCBCBONIBBONIVVAViiVRiVRiVVVRiiRVViiVV三极管工作在放大区所以。于是得到流过并有对应的产生有后，上升至当,,,)(2。态三极管工作在深饱和状。时，上压降接近于当继续下降。继续上升，继续上升，当003)()(satCEOLOOCCCOBIVVVVVRViV《数字电子技术基础》第五版图解分析法：CCRCBCCCCCCCCEiRViRViRVV《数字电子技术基础》第五版四、三极管的开关等效电路截止状态饱和导通状态《数字电子技术基础》第五版五、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。《数字电子技术基础》第五版六、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=VOHVI=VIH时，T截止，VO=VOL《数字电子技术基础》第五版例3.5.1：计算参数设计是否合理5V-8V3.3KΩ10KΩ1KΩβ=20VCE(sat)=0.1VVIH=5VVIL=0V《数字电子技术基础》第五版例3.5.1：计算参数设计是否合理①将发射极外接电路化为等效的VB与RB电路3331385212121...//IIEEIIBBVVRRRVVVVKRRR《数字电子技术基础》第五版②当③当④又⑤因此，参数设计合理VVVViTVVVVCCOHOCBILI0500233313800.,...截止，所以时，mARVViVVTVVVVVB