电子技术数字部分ch2

1河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/41第二章门电路2河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/42一、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概述与门或门非门与非门或非门异或门与或非门3河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/43二、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4河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/44三、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。010V5V2.4V0.8V105河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/45四、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6河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/46五、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7河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/472.1.1理想开关的开关特性一、静态特性1.断开0OFFOFFIR，2.闭合00AKONUR，2.1半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性SAK8河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/48二、动态特性1.开通时间：2.关断时间：闭合）（断开断开）（闭合普通开关：静态特性好，动态特性差半导体开关：静态特性较差，动态特性好几百万/秒几千万/秒0ont0offtSAK9河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/492.1.2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)UDU10河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/410D+-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+-11河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/411二、动态特性1.二极管的电容效应结电容Cj扩散电容CD2.二极管的开关时间ontofft电容效应使二极管的通断需要一段延迟时间才能完成tIuDit00(反向恢复时间)ns5)(rroffonttt≤ton—开通时间toff—关断时间12河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/412一、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13河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/413(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14河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/4142.开关应用举例V2)1(LIIUuV3)2(HIIUu发射结反偏T截止00CBiiV12CCOVu发射结正偏T导通+RcRb+VCC(12V)+uoiBiCTuI3V-2V2k1002.3k放大还是饱和？15河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/415bBEIBRuuicCESCCCSBSRUVIIBSBIi饱和T饱和导通条件：cCCBSBRVIi+RcRb+VCC+12V+uoiBiCTuI3V-2V2k1002.3kmA1mA3.27.03mA06.0mA210012cCCRVV)7.0(BEuV3.0CESOUu≤因为所以16河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/416二、动态特性ontofft3-2tV/Iu00.9ICS0.1ICSCit0V/Ouofft三极管饱和程度30.3t017河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/4172.1.4MOS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18河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/418P沟道增强型MOS管与N沟道有对偶关系。(2)P沟道栅极G漏极DB源极SiD+-uGS+-uDS衬底iD/mAiD/mA-2-40-1-2-3-40-10-8-6-4-2-3V-4V-5VuGS=-6V-1-2-3-4-6uGS/VuDS/V可变电阻区恒流区漏极特性转移特性截止区UTPuDS=-6V开启电压UTP=-2V参考方向19河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/4192.MOS管的开关作用：TNIUuDDOHOVUuV0OLOUu(1)N沟道增强型MOS管+VDD+10VRD20kBGDSuIuO+VDD+10VRD20kGDSuIuOTNIUu开启电压UTN=2ViD+VDD+10VRD20kGDSuIuORONRD20河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/420TPIUuDDOLOVUuV0OLOUu(2)P沟道增强型MOS管-VDD-10VRD20kBGDSuIuO-VDD-10VRD20kGDSuIuOTPIUu开启电压UTP=2V-VDD-10VRD20kGDSuIuOiD21河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/421uYuAuBR0D2D1+VCC+10V2.2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3.722河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/422二、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+B23河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/423正与门真值表正逻辑和负逻辑的对应关系：ABY000110110001ABY=AB&负或门真值表ABY111001001110AB≥1BAY同理：正或门负与门100124河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/424一、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25河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/425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:AY1AY26河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/426二、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27河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/427+VDD+10VB1G1D1S1uAuYTNTPB2D2S2G2VSS+-uGSN+-uGSP2.3CMOS集成门电路2.3.1CMOS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+VDD0VSTNTP29河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/429二、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转折电压指为规定值时，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：30河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/4302.电流传输特性：)(IDufiiD+VDDB1G1D1S1+uI-uOTNTPB2D2S2G2VSSABCDEFUTNVDDUTHUTPUNLUNH0uO/VuI/VABCDEF0iD/mAuI/VUTH电压传输特性电流传输特性AB、EF段：TN、TP总有一个为截止状态，故iD0。CD段：TN、Tp均导通，流过两管的漏极电流达到最大值iD=iD（max)。阈值电压：UTH=0.5VDD（VDD=3~18V）31河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/4312.3.2CMOS与非门、或非门、与门和或门ABTN1TP1TN2TP2Y00011011截通截通通通通截截通截截截截通通1110与非门一、CMOS与非门uA+VDD+10VVSSTP1TN1TP2TN2ABYuBuYAB&00100111ABY=32河北工程大学信电学院电子技术基础2019/8/432或非门BAY二、