门电路课件.pptx

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数字逻辑电路12第2章门电路3第2章门电路概述1.半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性2.分立元器件门电路3.CMOS集成门电路4.TTL集成门电路4概述一、门电路的概念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。

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。

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2.45V范围内的电压，都称为高电平，用UH表示。

00.8V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5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相当于开关断开R相当于开关闭合S导截3通止V0VSRRD3V80V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。

92、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：

导通条件及导通时的特点：

当外加正向电压UD0.7V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。

截止条件及截止时的特点：

当外加正向电压UD0.7V时，二极管截止，硅半导体二极管如同一个断开了的开关。

10二、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，无论是开通还是关伴断随，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。

11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。

半导体二极的管开通时间为：

ton=tdtr关断时间当输入电压uI由UIH跳变到UIL时，二极管D要经过存储时下间降ts、时间（也称为渡越时间）tf之后，才能由导通状态转换到截状止态。

半导体二极管的关断时间为：

toff=tstf122.1.3半导体三极管的开关特性截饱止和3V0VuO0相当于开关断开相当于开关闭合uOUCC+UCCuiRBRCuOT+UCCRCuOCEuO+UCCRCCE133V0V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。

14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，半导体三极管是不工作在截止区，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。

152、半导体三极管的静态开关特性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uBE0.7V，uCEUCES0.3V如同闭合的开关。

16截止条件及截止时的特点截止条件：

uBEUo0.5V式中，Uo是硅三极管发射结的死区电压。

截止时的特点：

iB0，iC0如同断开的开关。

17二、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。

1819开通时间当输入电压uI由UIL2V跳变到UIH3V时，三极要管需经过延迟时间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=tdtr关断时间当输入电压uI由UIH3V跳变到UIL2V时，三极需管要经过存储时间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=tstf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toffton，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，即缩短存储时间是tS，提高半导体三极管开关速度的关键。

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S（b）符号20GDN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。

212、MOS管的静态开关特性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：

iD0，MOS管如同一个断开了的关开。

22导通条件和导通时的特点导通条件：

当uGS大于UTN时，MOS管将处于导通态状。

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。

23二、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。

在数字路电中，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为矩形波相时应，iD和uO的波形。

2425开通时间当输入电压uI由UIL0V跳变到UVIHDD时，MOS管需要经过导通延迟时间td1r和上升时间t之后，才能由截止状态转换到饱和导通状态。

开通时间为ton=td1tr关断时间当输入电压uI由UIHVDD跳变到要经UIL过关0V断时延，迟MtdO2、S管下需降时间tf之后，才能由导通状态转换到截止状态。

关断时间为toff=td2tfMOS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。

2.2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262、工作原理电压关系表uA=uB=0时，D1、D2均导通uY=uA+uD1=uB+uD2=0+0.7V=0.7VuA=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=uYuB=0.732.3V，故D2截D止1。

导通后，uY被钳位在0.7V。

uA=3V、uB=0V时，与类似，通D，导D1截止，D2导通后，uY被钳位在0.7V。

AB122u=3V、u=3V时，D、D都导通。

uY被钳位在3.7V。

整理上述估算结果，可得左下表所示电压关系表。

uA/VuB/VuY/VABY000.7000030.7010300.7100333.7111设定变量、状态赋值、列真值表设定变量：

用A、B、Y分别表示uA、uB、uY。

状态赋值：

用0表示低电平，用1表示高电平。

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=AB，所以是一个二极管与门。

电压关系表与门逻辑真值表27二、二极管或门1、电路与符号2、工作原理电压关系表uA=uB=0时，D1、D2均导通uY=00.7V=0.7V。

uA=0V、uB=3V时，D2导通，D1截止，uY=30.7V=2.3V。

uA=3V、uB=0V时，D1导通，D2截止，uY=30.7V=2.3V。

uA=3V、uB=3V时，D1、D2均导通。

uY=30.7V=2.3V。

整理分析估算结果，即可得到电压关系表如右表所示。

uA/VuB/VuY/V000.7032.3302.3332.3电压关系表28ABY000011101111设定变量、状态赋值、列真值表设定变量：

用A、B、Y分别表示uA、uB、uY。

29状态赋值：

用0表示低电平，用1表示高电平。

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所以Y=是A一+B个，二极管或门。

或门逻辑真值表对于图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。

00033033uA/VuB/VuY/V0.70.70.73.7电压关系表正与门逻辑真值表Y0111AB00011011111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表示低电就平得，到下面的负或门逻辑真值表。

A0B0Y0010100所以说图2.2.1（a）二极管电既路是，正与门又是负或门。

302.2.2三极管非门（反相器）一、半导体三极管非门1、电路与符号2、工作原理uI=uIL=0V时，三极管T截止，i=0、i=0，Ou=UOHCCV=5V。

IIHBCu=u=5V时，由于iIBBS，T饱和导有通，uO=UOLUCES0.3V。

整理分析估算结果，即可得到电压关系表如下表所示。

uO/V50.3uI/V0531若用A、Y分别表示uI、uO，用0表示低电平，用1表高示电平。

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。

uO/V50.3uI/V05非门电压关系表Y10A01非门真值表32图2.2.3（a）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那的么，它的发射极电位就被固定在比集电极低0.3V的电位上。

二、MOS三极管非门1、电路与符号2、工作原理uI=uIL=0V时，uGS=uIL=0V，于小开启电压UTN2V，所以MOS管截是止的，故uO=UOHVDD=10VuI=uIH=10V时，uGS=uIH=10大V，于开启电压UTN2V，MOS管导且通工作在可变电阻区，导通电阻很小，只有几百欧，故整理分析估算结果，即可得到电压关系表如下表所示。

uO/V100uI/V01033若用A、Y分别表示uI、uY且采用正逻辑后得到的逻真辑值表如右下表。

uO/V100uI/V010MOS管非门电压关系表Y10A01非门真值表由右上表可知，图2.2.4（a）所示电路确实是MOS三极管非门。

图2.2.4（a）3435作业题P1322.1P135P1362.2题2.2最左边的图（a）题2.3（a）362.3CMOS集成门电路MOS管有N沟道和P沟道之分，每种又有增强型和耗尽型两种。

在数字电路中，多采用增强型。

CMOS集成电路的许多最基本的逻辑单元都是用P沟道增强型MOS管（称为PMOS管）和N沟道增强型MOS管（称为NMOS管）按照互补对称形式连接起来构成的当N。

MOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管（ComplementaryMetalOxideSemiconductor互补金属氧化物半导体）。

这种电路具有电压控制、功耗极小、连接方便等一系列优点，是目前应用最广泛的集成电路之一。

NMOS管的电路符号及转移特性（a）电路符号（b）转移特