第二章_门电路.pdf
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1、1 University of Science and Technology of China 第二章第二章第二章第二章 门电路门电路门电路门电路 本章主要内容:本章主要内容: 1. 1. 1. 1. 二极管和三极管的开关特性二极管和三极管的开关特性二极管和三极管的开关特性二极管和三极管的开关特性 2.2.2.2. TTL TTL TTL TTL门电路和门电路和门电路和门电路和CMOSCMOSCMOSCMOS门电路门电路门电路门电路 2 University of Science and Technology of China 2.1 2.1 2.1 2.1 概述概述概述概述 1. 1. 1.
2、 1. 常用的门电路有常用的门电路有: : : : 与门与门, , , , 或门或门, , , , 非门非门, , , , 与非门与非门, , , , 或或 非门非门, , , , 与或非门与或非门, , , , 异或门异或门, , , , 同或门。同或门。 2. 2. 2. 2. 在电子电路中在电子电路中, , , , 用高、低电平分别表示二值逻辑用高、低电平分别表示二值逻辑 的的1 1 1 1和和0 0 0 0两种逻辑状态。两种逻辑状态。 3.3.3.3.高低电平都有一个允许使用的范围高低电平都有一个允许使用的范围, , , , 如如TTLTTLTTLTTL电路电路 中中: : : : 高
3、电平高电平: 2.73.7v: 2.73.7v: 2.73.7v: 2.73.7v;低电平;低电平: 00.3 v: 00.3 v: 00.3 v: 00.3 v。 4.4.4.4.若以输出的高电平表示逻辑若以输出的高电平表示逻辑1, 1, 1, 1, 以低电平表示逻辑以低电平表示逻辑 0,0,0,0,则称这种表示方法为正逻辑则称这种表示方法为正逻辑. . . . 反之反之, , , ,以以H H H H表表 示示0,L0,L0,L0,L表示表示1, 1, 1, 1, 则称为负逻辑则称为负逻辑. . . . 本书中一律用正逻辑本书中一律用正逻辑. . . . 3 University of S
4、cience and Technology of China 2.2 2.2 2.2 2.2 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管 的开关特性的开关特性的开关特性的开关特性 2.2.1 2.2.1 2.2.1 2.2.1 二极管的开关特性二极管的开关特性 1. 1. 1. 1. 二极管的单向导电性二极管的单向导电性 二极管是由二极管是由PNPNPNPN结构成的结构成的, , , ,其工作原理基于其工作原理基于PNPNPNPN结结 的单向导电性的单向导电性, , , ,可用以下两种电路加以说明可用以下两种电路加以说明. . . . (1) (1) (1
5、) (1) 二极管两端加正向电压时二极管两端加正向电压时, , , ,外电场削弱内电场外电场削弱内电场, , , , 产生产生多数载流子的扩散运动而形成正向电流多数载流子的扩散运动而形成正向电流. . . . 4 University of Science and Technology of China 2.2.1 2.2.1 2.2.1 2.2.1 二极管的开关特性二极管的开关特性二极管的开关特性二极管的开关特性 L CC L DCC R V R VV i = iRVV LDCC += )( DCC VV L CC L DCC R V R VV i = i 5 University of S
6、cience and Technology of China 2.2.1 2.2.1 2.2.1 2.2.1 二极管的开关特性二极管的开关特性二极管的开关特性二极管的开关特性 (2) (2) (2) (2) 二极管两端加反向电压时二极管两端加反向电压时, , , ,外电场增强了 外电场增强了PNPNPNPN结中的内结中的内 电场电场, , , ,产生产生少数载流子的反向漂移运动而形成了反向电流少数载流子的反向漂移运动而形成了反向电流, , , , 稳定后即为反向饱和电流稳定后即为反向饱和电流i (i (i (i (详见详见P P P P69696969式式3.2.1)3.2.1)3.2.1)3
7、.2.1)。 i 注意注意: : : : 由于此时二极管处由于此时二极管处 于截止状态于截止状态, , , ,电阻很大电阻很大, , , ,故故 L DCC R VV i 6 University of Science and Technology of China 2.2.1 2.2.1 2.2.1 2.2.1 二极管的开关特性二极管的开关特性二极管的开关特性二极管的开关特性 2. 2. 2. 2. 二极管的三种近似的伏安特性和等效电路二极管的三种近似的伏安特性和等效电路 (1) (1) (1) (1) VccVccVccVcc和和R R R RL L L L都很小时都很小时, , , ,
8、VonVonVonVon和和r r r rD D D D不能忽略不能忽略, , , , 其近似的伏其近似的伏 安特性如图安特性如图(a)(a)(a)(a)(P(P(P(P70707070) ) ) ): : : : VVon0 (a) (a) (a) (a) 较实际的模型较实际的模型 i i 7 University of Science and Technology of China 2.2.1 2.2.1 2.2.1 2.2.1 二极管的开关特性二极管的开关特性二极管的开关特性二极管的开关特性 (2) (2) (2) (2) VonVonVonVon和和VccVccVccVcc相比不能忽略
9、相比不能忽略, , , , r r r rD D D DVon), BTJViVon), BTJViVon), BTJViVon), BTJ的基极电流的基极电流ibibibib达到达到 C satCECC BS R VV I )( = 时时, , , ,BJTBJTBJTBJT饱和饱和, , , , VccVccVccVcc几乎降在几乎降在RcRcRcRc上上, , , , Vo 0.3vVo 0.3vVo 0.3vVo 0.3v 即即: : : : 输入高电平时输入高电平时, BJT, BJT, BJT, BJT饱和饱和, , , , 输出为低电平。输出为低电平。 18 University
10、 of Science and Technology of China 2.2.2 2.2.2 2.2.2 2.2.2 三极管的开关特性三极管的开关特性三极管的开关特性三极管的开关特性 (4) (4) (4) (4) 三极管的开关等效电路三极管的开关等效电路: : : : 实用电路中的三极管开关电路如实用电路中的三极管开关电路如P P P P113113113113图图3.5.53.5.53.5.53.5.5所示所示 等效电路等效电路. . . . 1) Vi=0 1) Vi=0 1) Vi=0 1) Vi=0时时, , , ,三极管截止,开关完全断开,如图三极管截止,开关完全断开,如图(a)
11、;(a);(a);(a); 2) Vi=1 2) Vi=1 2) Vi=1 2) Vi=1时时, , , ,三极管饱和导通,三极管饱和导通,VceVceVceVce 0, 0, 0, 0, 但但 VbeVbeVbeVbe 等效电路如图等效电路如图3.5.5(b)3.5.5(b)3.5.5(b)3.5.5(b)和和(c), (c)(c), (c)(c), (c)(c), (c)中的中的V V V Vcccccccc应去掉。应去掉。 (5) (5) (5) (5) BJTBJTBJTBJT的动态开关特性的动态开关特性 ( ( ( (详见详见P P P P114114114114图图3.5.6)3.
12、5.6)3.5.6)3.5.6) 0 19 University of Science and Technology of China 2.2.2 2.2.2 2.2.2 2.2.2 三极管的开关特性三极管的开关特性三极管的开关特性三极管的开关特性 2. MOS2. MOS2. MOS2. MOS管的开关特性管的开关特性 (73(73(73(73页页) ) ) ) (1) MOS(1) MOS(1) MOS(1) MOS管的结构管的结构: : : : 有四种类型的有四种类型的MOSMOSMOSMOS管管: : : : 1) 1) 1) 1) N N N N沟道增强型沟道增强型 结构和符号如右图
13、结构和符号如右图: : : : a) a) a) a) 采用采用P P P P型衬底型衬底, , , ,导电沟道是导电沟道是N N N N型型. . . . b) b) b) b) 在在V V V VG G G Gs s s s=0=0=0=0时时, , , ,没有导电沟道没有导电沟道. . . . c) c) c) c) 开启电压开启电压 d) d) d) d) 工作时使用正电源工作时使用正电源, , , ,应将衬底接源极或接到系统应将衬底接源极或接到系统 的最低电位上的最低电位上. . . . 0 )( thGS V G D B S 20 University of Science and
14、 Technology of China 2.2.2 2.2.2 2.2.2 2.2.2 三极管的开关特性三极管的开关特性三极管的开关特性三极管的开关特性 2) P2) P2) P2) P沟道增强型沟道增强型 结构和符号如右图所示结构和符号如右图所示: : : : a) a) a) a) 采用采用N N N N型衬底型衬底,P,P,P,P型沟道型沟道 b) b) b) b) V V V VG G G Gs s s s=0=0=0=0时不存在沟道时不存在沟道. . . . c) c) c) c) 开启电压开启电压 d) d) d) d) 负工作电压负工作电压, , , ,且将衬底接源极或接到系统
15、的最高电位。且将衬底接源极或接到系统的最高电位。 0 )( 0000时沟道变宽时沟道变宽, , , , i i i iD D D D增大增大; ; ; ; V V V VG G G Gs s s s0000时沟道变时沟道变窄窄, |, |, |, |i i i iD D D D| | | |减小减小; ; ; ; V V V VG G G Gs s s s大于大于V V V VG G G Gs(offs(offs(offs(off) ) ) )时时, , , ,沟道消失沟道消失,MOS,MOS,MOS,MOS管截止管截止; ; ; ; V V V VG G G Gs(offs(offs(off
16、s(off)0)0)0)0,称为夹断电压称为夹断电压. . . . c) c) c) c) 在正常工作时在正常工作时, , , ,衬底应接到源极或系统的最高电位上衬底应接到源极或系统的最高电位上. . . . 四种类型四种类型MOSMOSMOSMOS管的比较详见管的比较详见P P P P79797979表表3.3.13.3.13.3.13.3.1 G D B S 23 University of Science and Technology of China 2.2.2 2.2.2 2.2.2 2.2.2 三极管的开关特性三极管的开关特性三极管的开关特性三极管的开关特性 (2) 2) 2) 2
17、) MOSMOSMOSMOS管的输入和输出特性管的输入和输出特性 N N N N沟道增强型沟道增强型MOSMOSMOSMOS管的输出特性曲线如图所示管的输出特性曲线如图所示: : : : 也称也称MOSMOSMOSMOS管漏极特性曲线,分为三个工作区:管漏极特性曲线,分为三个工作区: 5v 4v 3v VG G G Gs(th(th(th(th) ) ) )=2v iD D D D VD D D Ds0 24 University of Science and Technology of China 2.2.2 2.2.2 2.2.2 2.2.2 三极管的开关特性三极管的开关特性三极管的开关特
18、性三极管的开关特性 1) V V V VG G G Gs s s s V V V VGSGSGSGS(th(th(th(th), ), ), ), i i i iD D D D0, 0, 0, 0, 曲线上曲线上V V V VG G G Gs s s s V V V VG G G Gs(ths(ths(ths(th) ) ) )的部分又可分的部分又可分 成两个区域:成两个区域: a) a) a) a) 下图下图红线红线左边称为可变电阻区左边称为可变电阻区. . . . V V V VG G G Gs s s s一定时一定时, , , , i i i iD D D D随随V V V VD D D
19、 Ds s s s 线性变化线性变化, , , , 具有类似线性电阻的性质具有类似线性电阻的性质. . . . V V V VD D D Ds s s s=0=0=0=0时的导通电阻时的导通电阻RonRonRonRon和和V V V VG G G Gs s s s的关系如下式的关系如下式: : : : )(2 1 | )( 0 thGSGS Von VVK R DS = = 25 University of Science and Technology of China 2.2.2 2.2.2 2.2.2 2.2.2 三极管的开关特性三极管的开关特性三极管的开关特性三极管的开关特性 b) b)
20、 b) b) 红线红线右边的区域称为恒流区右边的区域称为恒流区, , , , i i i iD D D D基本由基本由V V V VG G G Gs s s s决定决定, , , , 如下式 如下式: : : : 2 )( )1(= thGS GS DSD V V Ii 5v 4v 3v VG G G Gs=2 iD D D D VD D D Ds0 26 University of Science and Technology of China 2.2.2 2.2.2 2.2.2 2.2.2 三极管的开关特性三极管的开关特性三极管的开关特性三极管的开关特性 由由上式上式画出的曲线称为画出的曲
21、线称为MOSMOSMOSMOS管的转移特性曲线,如下图管的转移特性曲线,如下图: : : : VG G G Gs(th) VG G G Gs iD D D D 0 27 University of Science and Technology of China 2.2.2 2.2.2 2.2.2 2.2.2 三极管的开关特性三极管的开关特性三极管的开关特性三极管的开关特性 注意注意注意注意: : : : 由于栅极和衬底之间被由于栅极和衬底之间被由于栅极和衬底之间被由于栅极和衬底之间被Si0Si0Si0Si02 2 2 2绝缘层绝缘层绝缘层绝缘层 隔离隔离隔离隔离, , , ,故故故故MOSMO
22、SMOSMOS管的栅极电流很小管的栅极电流很小管的栅极电流很小管的栅极电流很小, , , ,通常通常通常通常 忽略不计忽略不计忽略不计忽略不计. . . . 所以不必画所以不必画所以不必画所以不必画MOSMOSMOSMOS管的输入管的输入管的输入管的输入 特性曲线特性曲线特性曲线特性曲线. . . . 28 University of Science and Technology of China 2.2.2 2.2.2 2.2.2 2.2.2 三极管的开关特性三极管的开关特性三极管的开关特性三极管的开关特性 (3) (3) (3) (3) MOSMOSMOSMOS管的基本开关电路管的基本开关
23、电路: : : : 由由N N N N沟道增强型沟道增强型MOSMOSMOSMOS管构成的开关电路如下图管构成的开关电路如下图: : : : G D B S + Vi - +Vdd Rd iD D D D + - Vo 29 University of Science and Technology of China 2.2.2 2.2.2 2.2.2 2.2.2 三极管的开关特性三极管的开关特性三极管的开关特性三极管的开关特性 1) V1) V1) V1) Vi i i i= = = =V V V VGsGsGsGsVGs(thGs(thGs(thGs(th) ) ) )且且V V V VDs
24、DsDsDs较大时较大时, MOS, MOS, MOS, MOS管工作于恒流区管工作于恒流区, , , , ViiD D D DVoV V V Vi i i i继续增大继续增大, MOS , MOS, MOS, MOS管的导管的导 通电阻通电阻R R R Ronononon变得很小变得很小, , , , 只要只要R R R RD D D DRon, Ron, Ron, Ron, 则则 V V V Vo o o o= = = = 0v0v0v0v 这时这时DSDSDSDS之间相当于一个闭合的开关之间相当于一个闭合的开关. . . . (4) MOS(4) MOS(4) MOS(4) MOS管的开
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