第3章邏輯門電路數(shù)字電路與邏輯設(shè)計/機械工業(yè)出版社3.1數(shù)字邏輯抽象3.2半導(dǎo)體開關(guān)器件及其門電路分析3.3CMOS門電路3.4NMOS和PMOS晶體管3.5TTL門電路分析3.6未來半導(dǎo)體技術(shù)可能發(fā)展方向主要教學(xué)內(nèi)容一、數(shù)字集成電路簡介邏輯門：構(gòu)成數(shù)字邏輯電路的基本元件。實現(xiàn)基本邏輯運算和復(fù)合邏輯運算的單元電路。邏輯門電路的分類

二極管門電路

分立門電路

三極管門電路 NMOS門邏輯門電路 MOS門電路 PMOS門

集成門電路

CMOS門 TTL門電路將晶體管、電阻、電容等元器件用導(dǎo)線在線路板上連接起來的電路。將上述元器件和導(dǎo)線通過半導(dǎo)體制造工藝做在一塊硅片上而成為一個不可分割的整體電路。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)不同分分立元件電路集成電路根據(jù)半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型不同分雙極型數(shù)字集成電路單極型數(shù)字集成電路以雙極型晶體管作為基本器件以單極型晶體管作為基本器件例如

CMOS例如

TTL、ECL集成電路分類集成度電路規(guī)模與范圍小規(guī)模集成電路

SSI1~10門/片或10~100個元件/片邏輯單元電路包括：邏輯門電路、集成觸發(fā)器中規(guī)模集成電路

MSI10~100門/片或

100~1000個元件/片邏輯部件包括：計數(shù)器、譯碼器、編碼器、數(shù)據(jù)選擇器、寄存器、算術(shù)運算器、比較器、轉(zhuǎn)換電路等大規(guī)模集成電路

LSI100

~

1000

門/片或

1000

~100000

個元件/片數(shù)字邏輯系統(tǒng)包括：中央控制器、存儲器、各種接口電路等超大規(guī)模集成電路

VLSI大于

1000門/片或大于

10萬個元件/片高集成度的數(shù)字邏輯系統(tǒng)

例如：各種型號的單片機，即在一片硅片上集成一個完整的微型計算機數(shù)字集成電路分類3.1數(shù)字邏輯抽象在電子電路中，用高、低電平分別表示二值邏輯的1和0兩種邏輯狀態(tài)。高、低電平都有一個允許的范圍開關(guān)S可由二極管、三極管、或MOS管實現(xiàn)。VOH和VOL稱為輸出高和輸出低邏輯電平VIH和VIL稱為輸入高和輸入低邏輯電平輸入和輸出的高低電平3.1數(shù)字邏輯抽象

噪聲容限—電路抗干擾能力3.1數(shù)字邏輯抽象[例3.1.1]

考慮圖3.1.4中的反相器，VO1是反相器（驅(qū)動源）I1的輸出電壓，VI2是反相器（接收端）I2的輸入電壓。兩個反相器在同樣的邏輯電平體制下工作，VDD=4.8V，VIL=1.36V，VOL=0.32V，VOH=3.86V，VIH=3.14V。反相器的低電平和高電平的噪聲容限分別為多少？這個電路可否承受VO1和VI2之間1V的噪聲？3.1數(shù)字邏輯抽象

電壓傳輸特性與靜態(tài)約束邏輯門的直流電壓傳輸特性是指當(dāng)輸入電壓變化時，輸出電壓隨輸入電壓變化的函數(shù)關(guān)系靜態(tài)約束要求對于給定的有效邏輯輸入，每個電路元件應(yīng)該能產(chǎn)生有效的邏輯輸出。實際工作特性3.1數(shù)字邏輯抽象實際邏輯門電路的工作特性與理想情況在轉(zhuǎn)折區(qū)間表現(xiàn)出不同特性本征半導(dǎo)體純凈的半導(dǎo)體經(jīng)過一定的工藝過程制成單晶體，稱為本征半導(dǎo)體。T上升，將有少數(shù)價電子克服共價鍵約束成為自由電子，在原來的共價鍵中留下一個空位—空穴自由電子和空穴都是載流子，他們使本征半導(dǎo)體具有導(dǎo)電能力，但是很微弱。本征半導(dǎo)體載流子濃度的變化量與溫度的變化呈指數(shù)關(guān)系。本征半導(dǎo)體中的空穴和自由電子3.2.1半導(dǎo)體3.2半導(dǎo)體開關(guān)器件及其門電路分析雜質(zhì)半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體（摻入五價元素）兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體（摻入三價元素）3.2.1半導(dǎo)體采用不同的摻雜工藝，將P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體制作在一起，使這兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體在接觸處保持晶格連續(xù)，在它們的交界面就形成PN結(jié)。PN節(jié)3.2.1半導(dǎo)體擴散運動多數(shù)載流子的擴散運動勢壘區(qū)自由電子與空穴復(fù)合后，P區(qū)出現(xiàn)負離子區(qū)，N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)。漂移運動少數(shù)載流子在電場作用下的定向運動稱作漂移運動動態(tài)平衡當(dāng)擴散電流與漂移電流相等時，PN節(jié)的總電流為0，勢壘區(qū)的寬度達到穩(wěn)定。擴散運動與漂移運動達到動態(tài)平衡。3.2.1半導(dǎo)體PN節(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)外加正向電壓時處于導(dǎo)通狀態(tài)電源的正極接到PN結(jié)的P端，電源的負極接到PN結(jié)的N端時，稱PN正向偏置。勢壘區(qū)變窄，勢壘降低，有利于擴散運動。形成正向電流，PN結(jié)導(dǎo)通。3.2.1半導(dǎo)體PN結(jié)外加反向電壓時處于截止狀態(tài)當(dāng)電源的正極接到PN結(jié)的N端，電源的負極接到PN結(jié)的P端時，稱PN結(jié)反向偏置勢壘區(qū)變寬，勢壘增高，有利于漂移運動，形成很小的反向飽和電流。PN結(jié)截止。3.2.1半導(dǎo)體由此可見PN節(jié)具有單向?qū)щ娦訮N結(jié)兩端各引出一個電極并加上封裝，就形成了半導(dǎo)體二極管。P型半導(dǎo)體一端引出的電極稱為陽極（正極），N型半導(dǎo)體一端引出的電極稱為陰極（負極）。3.2.2半導(dǎo)體二極管PN結(jié)面積小，高頻性能好，適用于高頻檢波電路、開關(guān)電路PN結(jié)面積大，可通過較大的電流，一般用于低頻整流電路中。PN結(jié)面積較大時，適用于大功率整流；其PN結(jié)面積較小時，適用于脈沖數(shù)字電路中做開關(guān)管使用按PN節(jié)結(jié)構(gòu)劃分：點接觸型半導(dǎo)體二極管、面接觸型半導(dǎo)體二極管、平面型半導(dǎo)體二極管。3.2.2半導(dǎo)體二極管二極管的特性硅二極管伏安特性曲線二極管主要參數(shù)最大整流電流IOM：二極管長期使用時，允許流過的最大正向平均電流。反向擊穿電壓VBR：二極管反向擊穿時的電壓值反向飽和電流IS：二極管反向工作電壓時的反向電流。反向電流越小越好最高工作頻率fM：二極管工作的上限頻率3.2.2半導(dǎo)體二極管正向特性（外加正向電壓）正向電壓較小時，正向電流很小，幾乎為0。相應(yīng)電壓為門檻電壓Vth。在室溫下，硅管的Vth約為0.5-07V，鍺管的Vth約為0.1-0.3V。當(dāng)正向電壓超過門檻電壓以后，隨著電壓的升高，正向電流迅速增大。3.2.2半導(dǎo)體二極管反向特性（外加反向電壓）二極管加反向電壓，反向電流很小。當(dāng)電壓超過零點幾伏后，反向電流不隨電壓增加而增大。反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為二極管的反向擊穿。此時對應(yīng)的電壓稱為反向擊穿電壓3.2.2半導(dǎo)體二極管擊穿電壓二極管特性的解析式

3.2.2半導(dǎo)體二極管3.2.3半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管概述基本結(jié)構(gòu)按材料來分：

硅管、鍺管

按結(jié)構(gòu)來分： NPN、PNP半導(dǎo)體三極管的分類連接方式：

共基極、共射極和共集電極3.2.3半導(dǎo)體三極管按材料和結(jié)構(gòu)來分共有四種組合

測試電路輸入特性材料不同，死區(qū)電壓不同3.2.3半導(dǎo)體三極管

3.2.3半導(dǎo)體三極管

3.2.3半導(dǎo)體三極管晶體管三種工作狀態(tài)總結(jié)3.2.3半導(dǎo)體三極管三極管的主要參數(shù)

3.2.3半導(dǎo)體三極管極限參數(shù)集電極允許流過的最大電流ICM集電極最大允許功率損耗PCM反向擊穿電壓3.2.3半導(dǎo)體三極管三極管的安全工作區(qū)三極管的參數(shù)受溫度影響主要表現(xiàn)在對ICBO、VBE、β等影響3.2.4.MOS場效應(yīng)晶體管結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MESFET）絕緣柵場效應(yīng)晶體管（MISFET）場效應(yīng)管的分類分類3.2.4.MOS場效應(yīng)晶體管N溝道P溝道增強型耗盡型N溝道P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體三極管MOS場效應(yīng)晶體管基本結(jié)構(gòu)示意圖G—柵極（基極）S—源極（發(fā)射極）D—漏極（集電極）B—襯底MOS管結(jié)構(gòu)3.2.4.MOS場效應(yīng)晶體管

VDS>0VGS>0以N溝道增強型MOS管為例正常放大時外偏置電壓的要求3.2.4.MOS場效應(yīng)晶體管MOS管工作原理N溝增強型MOS管轉(zhuǎn)移特性N溝耗盡型MOS管轉(zhuǎn)移特性NMOS場效應(yīng)晶體管的轉(zhuǎn)移特性3.2.4.MOS場效應(yīng)晶體管輸入電壓與輸出電流間的關(guān)系曲線P溝增強型MOS管轉(zhuǎn)移特性P溝耗盡型MOS管轉(zhuǎn)移特性PMOS場效應(yīng)管PMOS管結(jié)構(gòu)和工作原理與NMOS管類似，但正常放大時所外加的直流偏置極性與NMOS管相反。PMOS管的優(yōu)點是工藝簡單、制作方便。缺點是外加直流偏置為負電源，難與別的管子制作的電路接口。PMOS管速度較低，現(xiàn)在已經(jīng)很少單獨使用，主要用于和NMOS管構(gòu)成CMOS電路。3.2.4.MOS場效應(yīng)晶體管3.2.4.MOS場效應(yīng)晶體管MOS場效應(yīng)晶體管的輸出特性可調(diào)電阻區(qū)飽和工作區(qū)擊穿工作區(qū)N溝MOS場效應(yīng)晶體管的偏置電壓溝道夾斷進入飽和區(qū)的條件為VDS≥VGS–VT3.2.4.MOS場效應(yīng)晶體管MOS場效應(yīng)晶體管的輸出特性4種MOS場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)特點和偏壓極性3.2.4.MOS場效應(yīng)晶體管絕緣柵場效應(yīng)管N溝道增強型P溝道增強型各類場效應(yīng)管三極管的特性曲線3.2.4.MOS場效應(yīng)晶體管絕緣柵場效應(yīng)管N溝道耗盡型P溝道耗盡型各類場效應(yīng)管三極管的特性曲線MOS場效應(yīng)晶體管的直流伏安特性3.2.4.MOS場效應(yīng)晶體管

3.3CMOS門電路CMOS:ComplementaryCMOS,互補MOSNMOS和PMOS用互補的方式共用，就形成了CMOSNMOS晶體管和PMOS晶體管總是成對出現(xiàn),狀態(tài)互補。常用CMOS門電路

反相器/與非門/或非門/與或非門/或與非門

CMOS門電路功耗低電源電壓范圍寬輸入阻抗高抗于擾能力強扇出系數(shù)高

CMOS電路的特點3.3CMOS門電路CMOS集成電路：廣泛應(yīng)用于超大規(guī)模、甚至更大規(guī)模集成電路3.3.1CMOS反相器CMOS非門電路組成和工作原理CMOS非門電路由于采用了互補對稱工作方式，在靜態(tài)下，T1和T2中總有一個截止PMOSNMOSCMOS非門電路的電壓傳輸特性AB段：VI<VT1，T2截止，T1導(dǎo)通，VO=VOH≈VDDCD段：VI≈VDD，T2導(dǎo)通，T1截止，VO=VOL≈0BC段：VTN<VI<（VDD-|VTP

|），T1、T2均導(dǎo)通。若T1、T2的參數(shù)對稱，則VI=0.5VDD時兩管導(dǎo)通內(nèi)阻相等，VO=0.5VDD3.3.1CMOS反相器電流傳輸特性AB段：

T2截止，阻抗很高，所以流過T1和T2的漏電流幾乎為0CD段：

T1截止，阻抗很高，所以流過T1和T2的漏電流也幾乎為0。BC段：

T1和T2均導(dǎo)通時，才有電流流過T1和T2，并且在VI=1/2VDD附近時最大，產(chǎn)生一個短暫的尖峰電流脈沖。3.3.1CMOS反相器傳輸延時時間MOS反相器的動態(tài)特性分析平均傳輸延時時間3.3.1CMOS反相器

3.3.1CMOS反相器

3.3.1CMOS反相器

CMOS輸出特性(低電平輸出)1.VOL與IOL的關(guān)系，就是T2管的漏極特性曲線。2.由于VGS2越大，導(dǎo)通內(nèi)阻越小，所以同樣的IOL下，VDD越高，T2導(dǎo)通的VGS2越大，VOL越低。CMOS輸出特性（高電平輸出）1.VOH的數(shù)值等于VDD減去T1管的導(dǎo)通壓降VSD，T1管導(dǎo)通壓降加大，VOH下降。2.MOS的導(dǎo)通內(nèi)阻與VGS的大小有關(guān)，同樣的IOH下，VDD越大，VGS越負，它的導(dǎo)通內(nèi)阻越小，VOH下降越小。SD3.3.2其他CMOS邏輯門CMOS與非門A=1、B=0時，T3導(dǎo)通、T4截止Y=1A=0、B=1時，T1導(dǎo)通，T2截止Y=1A=B=1時，T1和T3截止，T2和T4導(dǎo)通，Y=0A=B=0時，T1和T3導(dǎo)通，T2和T4截止，Y=1CMOS或非門3.3.2其他CMOS邏輯門

輸入電阻隨輸入狀態(tài)不同而不同輸出高、低電平受輸入端數(shù)目的影響帶緩沖級的CMOS門電路可以解決以上問題CMOS門電路存在的問題3.3.2其他CMOS邏輯門帶緩沖級的CMOS門電路緩沖器3.3.2其他CMOS邏輯門輸出的高、低電平以及電壓傳輸特性將不受輸入端狀態(tài)的影響漏極開路的門電路（OD門）符號和OC門相同漏極開路輸出的與非門3.3.2其他CMOS邏輯門用途：電平轉(zhuǎn)換輸出緩沖/驅(qū)動器實現(xiàn)線與邏輯

RL的選擇：IOHIIHn個m個VDDVILVILVILRLVOHn是并聯(lián)OD門的數(shù)目，m是負載門電路高電平輸入電流的數(shù)目。IOH是OD門輸出管截止時的漏電流，IIH是輸入端高電平輸入電流。VIHVILVILVDDRLVOLm′個IOLIILm′是負載門電路低電平輸入電流的數(shù)目。IOL(max)為OD門允許的的最大負載電流，當(dāng)并聯(lián)的OD門只有一個門的輸出MOS管導(dǎo)通時，負載電流將全部流入這個導(dǎo)通管。

3.3.2其他CMOS邏輯門[例3.3.1]一個CMOS電路如圖3.3.18所示，試分析其邏輯功能，寫出其邏輯表達式。

[例3.3.4]

說明圖3.3.21中各門電路的輸出是高電平還是低電平。已知它們都是74HC系列的CMOS電路。

3.3.2其他CMOS邏輯門

3.3.2其他CMOS邏輯門

在反相器基礎(chǔ)上串接了PMOS管VP2和NMOS管VN2，它們的柵極分別受EN和EN控制。AEN’VDDYVP2VP1VN1VN2低電平使能的CMOS三態(tài)輸出門工作原理EN’=1時，VP2、VN2均截止，輸出端Y呈現(xiàn)高阻態(tài)。

因此構(gòu)成使能端低電平有效的三態(tài)門。EN’=0時，VP2和VN2導(dǎo)通，呈現(xiàn)低電阻，不影響CMOS反相器工作。

Y=A’ENEnable---EN,G4輸出高電平，G5輸出低電平，T1、T2同時截止，輸出呈高阻態(tài)；三態(tài)門-2AYEN′邏輯符號Enable---ENAYEN′邏輯符號若A=1，則G4、G5輸出均為高電平，T1截止、T2導(dǎo)通，Y=0；若A=0，則G4、G5輸出均為低電平，T1導(dǎo)通、T2截止，Y=1；應(yīng)用總線（bus）總線（Bus）是計算機各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線，它是由導(dǎo)線組成的傳輸線束，計算機的總線可以劃分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，分別用來傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)地址和控制信號?？偩€是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它是cpu、內(nèi)存、輸入、輸出設(shè)備傳遞信息的公用通道。主機的各個部件通過總線相連接，外部設(shè)備通過相應(yīng)的接口電路再與總線相連接，從而形成了計算機硬件系統(tǒng)。微型計算機是以總線結(jié)構(gòu)來連接各個功能部件。三態(tài)門的用途I/O端口3.3.3傳輸門CMOS傳輸門（TG門）電路組成及其符號：工作原理：G2=VDD、G1=

0：

TP

、TN

均導(dǎo)通。uO=uI(0~VDD)

G2=0、G1=VDD:TP

、TN

均截止。uO

不等于uI關(guān)斷電阻大（幾百歐姆）導(dǎo)通電阻?。◣装贇W姆）改進的CMOS傳輸門3.3.3傳輸門增加了第三個器件以控制N溝道器件的襯底偏壓。作用：延遲N溝器件的截止，這樣可使Ron與Vin的關(guān)系曲線比較平直CMOS傳輸門的直流傳輸特性3.3.3傳輸門不存在閾值損失問題3.4NMOS和PMOS晶體管NMOS反相器飽和性負載管NMOS反相器

NMOS與非門T1T2為工作管，

T3為負載管當(dāng)A、B中有一個或兩個均為低電平時，T1T2有一個或者兩個都截止，輸出為高電平。只有A、B全為高電平時，T1T2均導(dǎo)通，輸出為低電平3.4NMOS和PMOS晶體管PMOS反相器電路3.4NMOS和PMOS晶體管PMOS與非門電路3.4NMOS和PMOS晶體管PMOS或非門電路3.4NMOS和PMOS晶體管類NMOS門邏輯類Nmos通用結(jié)構(gòu)圖

或非門類NMOS邏輯將上拉網(wǎng)絡(luò)中的PMOS晶體管替換為單個始終導(dǎo)通的PMOS晶體管3.4NMOS和PMOS晶體管類NMOS們很適合構(gòu)造存儲器和邏輯陣列TTL門電路分析三極管反相器合理設(shè)置晶體管靜態(tài)工作點，使其分別工作于飽和區(qū)或者截止區(qū)，實現(xiàn)開關(guān)工作狀態(tài)，輸出低電平和高電平三極管反相器原理電路TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理電路組成TTL反相器基本電路結(jié)構(gòu)T1是輸入級，T3是中間級，T4和T5級是輸出級。D1起保護作用D2起電平移位作用TTL反相器輸入為低電平時等效電路輸入電平為低電平VI=0.2V時T1導(dǎo)通，T1基極電壓被鉗位在0.9VT2和T5截止5V電源通過R2向T4基極提供電壓T4和D2導(dǎo)通VO輸出為高電平TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理TTL反相器輸入為高電平時等效電路輸入電平為高電平VI=3.4V時T1倒置工作狀態(tài)（集電結(jié)正向?qū)?，而發(fā)射結(jié)反偏）T2和T5導(dǎo)通T4和D2截止輸出端Vo為低電平。TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理3.5.3TTL反相器特性分析電壓傳輸特性分析輸出電壓隨輸入電壓的變化可用曲線表示出來,叫電壓傳輸特性。輸入高電平，輸出低電平輸入高電平，輸出低電平AB段：T2和T5截止，T4導(dǎo)通，VOH≈3.4V截止區(qū)BC段，0.7＜VI＜1.3V，T2導(dǎo)通，T5截止，T4導(dǎo)通，VO近似線性下降線性區(qū)CD段：VO急劇下降轉(zhuǎn)折區(qū)DE段：VI繼續(xù)下降，VO輸出基本不變飽和區(qū)3.5.3TTL反相器特性分析TTL反相器的靜態(tài)輸入特性TTL反相器的靜態(tài)輸入特性曲線3.5.3TTL反相器特性分析輸入負載特性等效電路3.5.3TTL反相器特性分析VI和RP的關(guān)系特性曲線關(guān)門電阻ROFF: