《數字電子技術基礎》（第五版）教學課件

劉伯恕福州大學電氣工程與自動化學院電工電子教學中心第三章門電路3.1概述門電路：實現基本運算、復合運算的單元電路，如與門、與非門、或門······門電路中以高/低電平表示邏輯狀態的1/0正邏輯：高電平表示1，低電平表示0

負邏輯：高電平表示0，低電平表示1

高/低電平都有一個允許的范圍門電路分類：分立元件門電路集成門電路分立元件門電路介紹二極管與門、或門集成門電路介紹應用最為廣泛的CMOS門電路和TTL門電路雙極型三極管組成TTL門電路，功耗大制作中、小規模集成電路（MSI,SSI）單極型三極管（互補MOS管）組成CMOS門電路，低功耗大規模集成電路（LSI）3.2半導體二極管門電路

半導體二極管的結構和外特性

（Diode）二極管的結構：

PN結+引線+封裝構成(P)(N)D二極管的開關等效電路：3.2.1二極管的開關特性：RL較小二極管的開關等效電路：理想二極管3.2.2二極管與門設VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二極管導通時VON=0.7VABY0V0V0V3V3V0V3V3VABY000010100111規定3V以上為10.7V以下為0（正邏輯）0.7V0.7V0.7V3.7V3.2.3二極管或門設加到A,B的VIH=3VVIL=0V二極管導通時VON=0.7VABY0V0V0V3V3V0V3V3VABY000011101111規定2.3V以上為10V以下為00V2.3V2.3V2.3V二極管構成的門電路的缺點電平有偏移帶負載能力差只用于IC內部電路，不直接帶負載3.3CMOS門電路

3.3.1MOS管的開關特性一、MOS管的結構金屬層氧化物層半導體層S(Source)：源極G(Gate)：柵極D(Drain)：漏極B(Substrate):襯底以N溝道增強型為例：以N溝道增強型為例：當加+VDS時，VGS=0時，D-S間是兩個背向PN結串聯，iD=0開啟電壓加上+VGS，且足夠大至VGS>VGS(th),D-S間形成導電溝道（N型層）對于N溝道增強型:二、輸入特性和輸出特性輸入特性：直流電流為0，沒有輸入特性。看進去有一個輸入電容CI，對動態有影響。輸出特性：

iD=f(VDS)對應不同的VGS下得一族曲線。漏極特性曲線（分三個區域）截止區恒流區可變電阻區漏極特性曲線（分三個區域）截止區：VGS<VGS(th)，iD=0,ROFF>109Ω漏極特性曲線（分三個區域）

可變電阻區：當VDS較低（近似為0），VGS一定時，這個電阻受VGS控制、可變。截止區和可變電阻區可作開關狀態用，這和三極管截止飽和是一樣的。漏極特性曲線（分三個區域）恒流區：iD

基本上由VGS決定，與VDS關系不大三、MOS管的基本開關電路四、等效電路OFF，截止狀態

ON，導通狀態五、MOS管的四種類型1、N溝道增強型導電溝道是N型，所以襯底是P型。2、N溝道耗盡型五、MOS管的四種類型導電溝道是N型。3、P溝道增強型五、MOS管的四種類型4、P溝道耗盡型五、MOS管的四種類型3.3.2CMOS反相器的電路結構和工作原理一、電路結構DDSSDDSS反相器結構簡單，利用NMOS與PMOS導電的互補性，叫互補對稱式MOS電路，稱CMOS電路。CMOS電路優點：靜態時，流過T1T2的靜態電流很小，始終有一個截止功耗為0；輸出的高電平基本上是VDD，電源利用率高。二、電壓、電流傳輸特性DDSS二、電壓、電流傳輸特性DDSS二、電壓、電流傳輸特性DDSS二、電壓、電流傳輸特性連起來：DDSS電壓傳輸特性三、輸入噪聲容限結論：可以通過提高VDD來提高噪聲容限電流傳輸特性DDSS3.3.3CMOS反相器的靜態輸入和輸出特性一、輸入特性二、輸出特性二、輸出特性3.3.4CMOS反相器的動態特性一、傳輸延遲時間---輸出電壓變化落后于輸入電壓變化的時間稱之。3.3.4CMOS反相器的動態特性一、傳輸延遲時間負載電容CL：當負載為下一級反相器時，下一級反相器的輸入電容和接線電容就構成了這一級的負載電容。低高通截低高通截二、交流噪聲容限（自學）三、動態功耗三、動態功耗

3.3.5其他類型的CMOS門電路一、其他邏輯功能的門電路1.與非門兩個PMOS并聯，兩個NMOS串聯2.或非門一、其他邏輯功能的門電路二、漏極開路的門電路（OD門）

菱形表示OD門(a)結構符號虛框內菱形表示OD門三、CMOS傳輸門及雙向模擬開關1.傳輸門并聯，工作狀態受C、C控制。TP的B接高電平TN的B接低電平假如uo加電阻接地TPTNSDDS2.雙向模擬開關四、三態輸出門三角形表示三態門三態門的用途3.5TTL門電路

3.5.1半導體三極管的開關特性一、雙極型三極管的結構管芯+三個引出電極+外殼二、三極管的輸入特性和輸出特性

三極管的輸入特性曲線（NPN）與二極管正向特性相似。

特性曲線分三個部分放大區：特點VBE=0.7V,VCE>0.7V,IB>0,IC=βIB。飽和區：特點VBE=0.7V,IB>0。IB增加，IC不再增加，VCE0。截止區：特點VBE0V,IB=0,IC=0,c—e間“斷開”。三極管的輸出特性三、雙極型三極管的基本開關電路只要參數合理：VI=VIL時，T截止，VO=VOHVI=VIH時，T導通，VO=VOL四、三極管的開關等效電路截止狀態飽和導通狀態CE之間是斷開的開關CE之間近似是閉合的開關六、三極管反相器三極管的基本開關電路就是反相器 實際應用中，為保證 VI=VIL時T可靠截止，常在 輸入接入負壓。

參數合理？VI=VIL時，T截止，VO=VOHVI=VIH時，T飽和，VO=VOL五、動態開關特性（自學）例3.5.1：計算參數設計是否合理5V-8V3.3KΩ10KΩ1KΩβ=20VCE(sat)=0.1VVIH=5VVIL=0V例3.5.1：計算參數設計是否合理將基極外接電路化為等效的VB與RB電路當當又因此，參數設計合理3.5.2TTL反相器的電路結構和工作原理一、電路結構設

二、電壓傳輸特性二、電壓傳輸特性二、電壓傳輸特性需要說明的幾個問題：

三、輸入噪聲容限3.5.3TTL反相器的靜態輸入特性和輸出特性

例：扇出系數（Fan-out），試計算門G1能驅動多少個同樣的門電路負載。輸入輸出3.5.4TTL反相器的動態特性一、傳輸延遲時間1、現象二、交流噪聲容限（自學）三、電源的動態尖峰電流（自學）3.5.5其他類型的TTL門電路一、其他邏輯功能的門電路1.與非門2.或非門二、集電極開路的門電路1、推拉式輸出電路結構的局限性①