半导体二极管门电路
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第二章门电路
D off， 假设正确 ID 0 11V 1.5V I1 I 2 2 .5 V （4 1）K
7
§2.2 半导体三极管的开关特性 一. 双极型三极管的结构 IC
IB
VBC – + + + VCE VBE – – IE
NPN Si管
8
二. 特性
1.电流：IE =IB +IC 2.工作状态： 工作状态分类 导通 截止
IC1
T2 • IE2 • Y ° T5
R3
•
IR3
IB5
N—表示N个发射极。
41
●T1的状态：
∵VB1=VBC1+VBE2+VBE5=2.1V ∴T1处于倒置状态。 I C1 I B1 N反 I B1
I B1 VCC VB1 R1
0.73mA
● T2、 T5的状态：
T2、 T5饱和VO=0.3V
45
二.TTL与非门 • R1 4K • Vcc =5V
°
R2 1.6K
•
R4 130
T4
A
B
T1
T2
• R3 1K • 倒相级
D3
• T5 Y °
输入级
输出级
46
三.负载能力分析 负载——指门电路输出端所接的其它 电路。 NO——扇出系数，表示能够驱动同类门的数目。 灌电流负载——负载电流从后级门注入前级门 负载
14
5）饱和条件及特点 条件：IB >IBS IB — 进入饱和以后的基流。 IBS—临界饱和基流。 求IB 、 IBS的步骤： Vi VBE a）I B Rb
b）I CS c）I BS VCC VCES VCC RC RC I CS
7
§2.2 半导体三极管的开关特性 一. 双极型三极管的结构 IC
IB
VBC – + + + VCE VBE – – IE
NPN Si管
8
二. 特性
1.电流：IE =IB +IC 2.工作状态： 工作状态分类 导通 截止
IC1
T2 • IE2 • Y ° T5
R3
•
IR3
IB5
N—表示N个发射极。
41
●T1的状态：
∵VB1=VBC1+VBE2+VBE5=2.1V ∴T1处于倒置状态。 I C1 I B1 N反 I B1
I B1 VCC VB1 R1
0.73mA
● T2、 T5的状态：
T2、 T5饱和VO=0.3V
45
二.TTL与非门 • R1 4K • Vcc =5V
°
R2 1.6K
•
R4 130
T4
A
B
T1
T2
• R3 1K • 倒相级
D3
• T5 Y °
输入级
输出级
46
三.负载能力分析 负载——指门电路输出端所接的其它 电路。 NO——扇出系数，表示能够驱动同类门的数目。 灌电流负载——负载电流从后级门注入前级门 负载
14
5）饱和条件及特点 条件：IB >IBS IB — 进入饱和以后的基流。 IBS—临界饱和基流。 求IB 、 IBS的步骤： Vi VBE a）I B Rb
b）I CS c）I BS VCC VCES VCC RC RC I CS
第3章门电路
&Y
4
第三章门电路
2.二极管或门
图3.2.6 二极管或门
A/V B/V Y/V
000 0 3 2.3 3 0 2.3 3 3 2.3
AB
Y
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
Y=A+B A
B
A
≥1
Y
Y
B
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5
３.３ TTL门电路
第三章门电路
集成电路(IC)：在一块半导体基片上制作出一个完整的逻辑电路所 需要的全部元件和连线。使用时接：电源、输入和输出。
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3
第三章门电路
1.二极管与门
设：VCC=5V, VIH=3V, VIL=0V
A/V 0 0 3 3
B/V 0 3 0 3
Y/V 0.7 0.7 0.7 3.7
AB
Y
00
0
01
0
10
0
11
1
图3.2.5 二极管与门
Y=AB
A B
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YA B
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1.电路
(5v)
EN:使能端，控制端 R1
R4 R2
VB1 0.9V 4.3V 0.9V
T4
A B
T1
T2
D3 Y 2.9V
T5 (Vo)
3.6V EN 0.2V
D
R3
3.6V
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31
（三）三态输出门电路（TS） 1.电路
第三章门电路
门电路 (简)资料
或门等。
门电路的两种输入，输出电平： 高电平、低电平。它们分别对应逻 辑电路的1,0状态。
注意：各种门电路的工作 原理，只要求一般掌握； 而各种门电路的外部特性 和应用是要求重点。
3.1 概述
2. 高低电平
高电平：数字电路中较高电平代数值的范围。
低电平：数字电路中较低电平代数值的范围。
3. 正负逻辑
3.2 半导体二极管门电路
门电路的实现 ——电子开关，用来接通或断开电路的开关器件。 1. 半导体二极管的开关特性
两种工作状态： 二极管具有单向导电性：
正向导通，反向截止，相当于一个受电压控制的 1）接通（要求其阻抗很小，相当于短路） 电子开关。 2 ）断开（要求其阻抗很大，相当于开路）
3.2 半导体二极管门电路
当EN= 0时，TG导通，F=A； 当EN= 1时，TG截止，F为高阻输出。
3.3 CMOS门电路
CMOS系列及命名方法
74 FAM nn
HC（ High-speed CMOS ，高速 CMOS 系列）； 例： 74HC04商用高 HCT（High-speed CMOS, 前缀：74—商用系列；54—军用系列。 速CMOS 六反相 TTL compatible ，与 TTL兼 容的高速CMOS 系列）； 助记符：以字母表示系列类型。 器； VHC（Very High-speed CMOS，甚高速 CMOS商用 系 74HCT00 功能数字：以数字表示电路的 列）； 高速 CMOS 四 -二 VHCT: Very High-speed 逻辑功能。 CMOS, TTL compatible，与 输入与非门。 TTL兼容的甚高速CMOS 系 列）。
层做包装材料。
3.3 CMOS门电路
3门电路 (简)
门的多余输入端接地。
一般，接电源时需接上拉电阻；接地时需接下拉电阻。 典型值1-10k。 +5V 上拉电阻保持 1k
高电平
A B
F
下拉电阻保持 低电平
A B
C
F
C 1k
3.3 CMOS门电路
电路设计与安装应尽量消除噪声，保证电路稳定工作。
（ 1）在每一块插板的电源线上，并接几十 μF 的低频去 耦电容和 0.01~0.047μF 的高频去耦电容，以防止 TTL 电路 的动态尖峰电流产生的干扰。 （2） 整机装置应有良好的接地系统。
表1 各种系列门电路的主要参数
表2 常用集成门电路(TTL系列）
型 号 74LS00 74LS02 74LS04 74LS05 74LS08 74LS13 74LS30 名 称 四2输入与非门 四2输入或非门 六反相器 六反相器 四2输入与门 双4输入与非门 8输入与非门 施密特触发 OC门 主要功能
1. TTL门驱动CMOS门
（1）电平不匹配
TTL门作为驱动门，它的UOH≥2.4V,UOL≤0.5V；
CMOS门作为负载门，它的UIH≥3.5V，UIL≤1V。
可见，TTL门的UOH不符合要求。
（2）电流匹配 CMOS电路输入电流几乎为零，所以不存在问题。
3.5 TTL电路与CMOS电路的接口电路
当EN= 0时，TG导通，F=A； 当EN= 1时，TG截止，F为高阻输出。
3.3 CMOS门电路
CMOS系列及命名方法
74 FAM nn
HC（ High-speed CMOS ，高速 CMOS 系列）； 例： 74HC04商用高 HCT（High-speed CMOS, 前缀：74—商用系列；54—军用系列。 速CMOS 六反相 TTL compatible ，与 TTL兼 容的高速CMOS 系列）； 助记符：以字母表示系列类型。 器； VHC（Very High-speed CMOS，甚高速 CMOS商用 系 74HCT00 功能数字：以数字表示电路的 列）； 高速 CMOS 四 -二 VHCT: Very High-speed 逻辑功能。 CMOS, TTL compatible，与 输入与非门。 TTL兼容的甚高速CMOS 系 列）。
数电第三章门电路
15
§3.4 TTL门电路
数字集成电路：在一块半导体基片上制作出一个 完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线。 使用时接：电源、输入和输出。数字集成电 路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价 格便宜的特点。
TTL型电路：输入和输出端结构都采用了半导体晶 体管，称之为: Transistor— Transistor Logic。
输出高电平
UOH (3.4V)
u0(V)
UOH
“1”
输出低电平
u0(V)
UOL
UOL (0.3V)
1
(0.3V)
2 3 ui(V)
1 2 3 ui(V)
阈值UT=1.4V
传输特性曲线
理想的传输特性 28
1、输出高电平UOH、输出低电平UOL UOH2.4V UOL 0.4V 便认为合格。 典型值UOH=3.4V UOL 0.3V 。
uA t
uF
截止区： UBE< 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0 ——C、 E间相当于开关断开。
+ucc
t
4
0.3V
3.2.3MOS管的开关特 恒流区：UGS>>Uth ， UDS
性： +VDD
0V ——D、S间相当于 开关闭合。
R
uI
Uo
Ui
NMO S
uO
夹断区： UGS< Uth， ID=0 ——D、S间相当于开关断开。
3.3.4 其它门电路
一、 其它门电路
其它门电路有与非门、或非门、同或门、异或门等等,比如：
二、 门电路的“封锁”和“打开”问题
A B
&
Y
C
当C=1时，Y=AB.1=AB
§3.4 TTL门电路
数字集成电路：在一块半导体基片上制作出一个 完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线。 使用时接：电源、输入和输出。数字集成电 路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价 格便宜的特点。
TTL型电路：输入和输出端结构都采用了半导体晶 体管，称之为: Transistor— Transistor Logic。
输出高电平
UOH (3.4V)
u0(V)
UOH
“1”
输出低电平
u0(V)
UOL
UOL (0.3V)
1
(0.3V)
2 3 ui(V)
1 2 3 ui(V)
阈值UT=1.4V
传输特性曲线
理想的传输特性 28
1、输出高电平UOH、输出低电平UOL UOH2.4V UOL 0.4V 便认为合格。 典型值UOH=3.4V UOL 0.3V 。
uA t
uF
截止区： UBE< 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0 ——C、 E间相当于开关断开。
+ucc
t
4
0.3V
3.2.3MOS管的开关特 恒流区：UGS>>Uth ， UDS
性： +VDD
0V ——D、S间相当于 开关闭合。
R
uI
Uo
Ui
NMO S
uO
夹断区： UGS< Uth， ID=0 ——D、S间相当于开关断开。
3.3.4 其它门电路
一、 其它门电路
其它门电路有与非门、或非门、同或门、异或门等等,比如：
二、 门电路的“封锁”和“打开”问题
A B
&
Y
C
当C=1时，Y=AB.1=AB
一二极管与门和或门电路与门电路
传输延迟时间
或门电路的传输延迟时间较短，因为其工作机制简单，不需要复杂的计算和比较过程。
或门电路的应用
开关控制
或门电路可以用于实现开关控制功能，例如控制电机正反转、灯光亮灭等。通过将或门电路的输出端连接到控制开关 ，可以实现多个开关信号的“或”逻辑控制。
数据传输
在数据传输领域，或门电路可以用于实现数据总线的读写控制。通过将多个数据信号输入到或门电路中，可以实现同 时对多个数据进行读取或写入操作。
逻辑表达式
或门电路的逻辑表达式为 Y = A + B，其中 A 和 B 为输入信号， Y 为输出信号。
或门电路的特性
输入与输出关系
或门电路的输入与输出关系是非对称的，即输出信号与输入信号不完全相同。在或门电 路中，当输入信号发生变化时，输出信号也会随之变化。
抗干扰能力强
由于或门电路的逻辑表达式为 Y = A + B，因此其抗干扰能力强。即使输入信号中存在 噪声或干扰，只要其中任一信号为高电平，输出信号仍能保持高电平。
时序逻辑
门电路还可以用于实现时序逻辑功能，如触发器、寄存器、计数器 等，广泛应用于计算机、通信等领域。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
实现逻辑加法，即当输入端中至少有 一个为高电平（1）时，输出端就为 高电平（1），否则输出端为低电平 （0）。
不同类型门电路的选择
根据逻辑功能需求选择
根据实际电路的逻辑功能需求，选择适当的门电路类型。
根据性能参数选择
比较不同类型门电路的性能参数，如功耗、响应速度、噪声容限等，选择最适合
信号选择
逻辑运算
与门电路可以用于控制电子设备的开 关，如LED灯、电机等。当所有输入 信号都为高电平时，输出信号为高电 平，设备正常工作；否则，输出信号 为低电平，设备关闭。
或门电路的传输延迟时间较短，因为其工作机制简单，不需要复杂的计算和比较过程。
或门电路的应用
开关控制
或门电路可以用于实现开关控制功能，例如控制电机正反转、灯光亮灭等。通过将或门电路的输出端连接到控制开关 ，可以实现多个开关信号的“或”逻辑控制。
数据传输
在数据传输领域，或门电路可以用于实现数据总线的读写控制。通过将多个数据信号输入到或门电路中，可以实现同 时对多个数据进行读取或写入操作。
逻辑表达式
或门电路的逻辑表达式为 Y = A + B，其中 A 和 B 为输入信号， Y 为输出信号。
或门电路的特性
输入与输出关系
或门电路的输入与输出关系是非对称的，即输出信号与输入信号不完全相同。在或门电 路中，当输入信号发生变化时，输出信号也会随之变化。
抗干扰能力强
由于或门电路的逻辑表达式为 Y = A + B，因此其抗干扰能力强。即使输入信号中存在 噪声或干扰，只要其中任一信号为高电平，输出信号仍能保持高电平。
时序逻辑
门电路还可以用于实现时序逻辑功能，如触发器、寄存器、计数器 等，广泛应用于计算机、通信等领域。
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感谢您的观看
实现逻辑加法，即当输入端中至少有 一个为高电平（1）时，输出端就为 高电平（1），否则输出端为低电平 （0）。
不同类型门电路的选择
根据逻辑功能需求选择
根据实际电路的逻辑功能需求，选择适当的门电路类型。
根据性能参数选择
比较不同类型门电路的性能参数，如功耗、响应速度、噪声容限等，选择最适合
信号选择
逻辑运算
与门电路可以用于控制电子设备的开 关，如LED灯、电机等。当所有输入 信号都为高电平时，输出信号为高电 平，设备正常工作；否则，输出信号 为低电平，设备关闭。
数字电路 第二章门电路
DA
DB B
DC
Y
C
R
–5v
第2章 2.2
由以上分析可知： 只有当A、B、C全为 低电平时，输出端才 为低电平。正好符合
或门的逻辑关系。
A
B C
>1
Y
Y= A+B+C
三、 非门电路
第2章 2.2
RA A
RB
+5V
Rc uY=0.3V 设 uA= 3.6V，T饱和导通
• Y
uY= 0.3V
T
Y= 0
3. CMOS与非门
TP1 与TP2并联，TN1 与TN2串联；
当AB都是高电平时TN1 与TN2
TP2
同时导通TP1 与TP2同时截止；
输出Y为低电平。
当AB中有一个是低电平时， B
TN1 与TN2中有一个截止，
TP1 与TP2中有一个导通， 输出Y为高电平。
A
第2章 2. 3
+VDD
TP1 Y
正逻辑：L=0,H=1 ； 负逻辑：H=0,L=1 。
2. 1 半导体二极管、三极管和 MOS管的开关特性
一、理想开关的开关特性： 1 .静态特性 2. 动态特性
二、半导体二极管的开关特性 1.静态特性：
半导体二极管的结构示意图、符号和伏安 特性
一、二极管等效模型
(b)为理想二极管+恒压源模型 (c)为理想二极管模型
当D、S间加上正 向电压后可产生 漏极电流ID 。
第2章 2. 1
UDS
。
S UGS G
D ID
N++
NN++
N型导电沟道
耗尽层
第三章 门电路
当VGS VGS ( th )下 ，i D VGS
2
恒流区
《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 ， 这个电阻受VGS 控制、可变。
VDS i D 常数（电阻）
可变电 阻区
《数字电子技术基础》第五版
（3）MOS管的基本开关电路
（因为Mos管导通时内阻rDS很小, rDS <1K Ω,一般RD>> 1K Ω)，
《数字电子技术基础》第五版
（4）MOS管的开关等效电路
C1—栅极的输入电容，其值约为几皮法。
（5）MOS管的几种类型 1.N沟道增强型
+VDD RD D G
《数字电子技术基础》第五版
vI
S
iD v o
当VI VIL VGS ( th ) N NMOS管截止 VO VOH VDD 当VI VIH VGS ( th ) N NMOS管导通 VO VOL 0 所以NMOS管D S间相当于一个受 VI 控制的开关。
Field-Effect Transistor
CMOS: Complementary-Symmetery
Metal-Oxide-Semiconductor
3.3 CMOS门电路 1. MOS管的开关特性
金属层
《数字电子技术基础》第五版
氧化物层 半导体层
PN结
S (Source)：源极 G (Gate)：栅极 D (Drain)：漏极 B (Substrate):衬底
《数字电子技术基础》第五版
低电平输出特性
VOL＝f（iOL ）
可变电 阻区
VOL＝VDS2
2
恒流区
《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 ， 这个电阻受VGS 控制、可变。
VDS i D 常数（电阻）
可变电 阻区
《数字电子技术基础》第五版
（3）MOS管的基本开关电路
（因为Mos管导通时内阻rDS很小, rDS <1K Ω,一般RD>> 1K Ω)，
《数字电子技术基础》第五版
（4）MOS管的开关等效电路
C1—栅极的输入电容，其值约为几皮法。
（5）MOS管的几种类型 1.N沟道增强型
+VDD RD D G
《数字电子技术基础》第五版
vI
S
iD v o
当VI VIL VGS ( th ) N NMOS管截止 VO VOH VDD 当VI VIH VGS ( th ) N NMOS管导通 VO VOL 0 所以NMOS管D S间相当于一个受 VI 控制的开关。
Field-Effect Transistor
CMOS: Complementary-Symmetery
Metal-Oxide-Semiconductor
3.3 CMOS门电路 1. MOS管的开关特性
金属层
《数字电子技术基础》第五版
氧化物层 半导体层
PN结
S (Source)：源极 G (Gate)：栅极 D (Drain)：漏极 B (Substrate):衬底
《数字电子技术基础》第五版
低电平输出特性
VOL＝f（iOL ）
可变电 阻区
VOL＝VDS2