,数字电子技术基础,第五版
,数字电子技术基础,（第五版） 教学课件清华大学阎石 王红联系地址：清华大学 自动化系邮政编码,100084
电子信箱,wang_hong@tsinghua.edu.cn
联系电话,(010)62792973
,数字电子技术基础,第五版补：半导体基础知识
,数字电子技术基础,第五版半导体基础知识（ 1）
本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。
常用：硅 Si，锗 Ge
两种载流子
,数字电子技术基础,第五版半导体基础知识（ 2）
杂质半导体
N型半导体多子：自由电子少子：空穴
,数字电子技术基础,第五版半导体基础知识（ 2）
杂质半导体
P型半导体多子：空穴少子：自由电子
,数字电子技术基础,第五版半导体基础知识（ 3）
PN结的形成
空间电荷区
（耗尽层）
扩散和漂移
,数字电子技术基础,第五版半导体基础知识（ 4）
PN结的单向导电性
外加 正向电压
,数字电子技术基础,第五版半导体基础知识（ 4）
PN结的单向导电性
外加 反向电压
,数字电子技术基础,第五版半导体基础知识（ 5）
PN结的伏安特性 正向导通区反向截止区反向击穿区
q
n k TV
eIi
T
V
V
S
T
)( 1
K:波耳兹曼常数
T:热力学温度
q,电子电荷
,数字电子技术基础,第五版第三章 门电路
,数字电子技术基础,第五版
3.1 概述
门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如与 门,与非 门,或 门 ······
门电路中以高 /低电平表示逻辑状态的 1/0
,数字电子技术基础,第五版获得高、低电平的基本原理高 /低电平都允许有一定的变化范围
,数字电子技术基础,第五版正逻辑：高电平表示 1，低电平表示 0
负逻辑：高电平表示 0，低电平表示 1
,数字电子技术基础,第五版
3.2半导体二极管门电路半导体二极管的结构和外特性
（ Diode）
二极管的结构：
PN结 + 引线 + 封装构成 P N
,数字电子技术基础,第五版
3.2.1二极管的开关特性：
高电平,VIH=VCC
低电平,VIL=0
VI=VIH
D截止,VO=VOH=VCC
VI=VIL
D导通,VO=VOL=0.7V
,数字电子技术基础,第五版二极管的开关等效电路：
,数字电子技术基础,第五版二极管的动态电流波形：
,数字电子技术基础,第五版
3.2.2 二极管与门设 VCC = 5V
加到 A,B的 VIH=3V
VIL=0V
二极管导通时 VDF=0.7V
A B Y
0V 0V 0.7V
0V 3V 0.7V
3V 0V 0.7V
3V 3V 3.7V
A B Y
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
规定 3V以上为 1
0.7V以下为 0
,数字电子技术基础,第五版
3.2.3 二极管 或 门设 VCC = 5V
加到 A,B的 VIH=3V
VIL=0V
二极管导通时 VDF=0.7V
A B Y
0V 0V 0V
0V 3V 2.3V
3V 0V 2.3V
3V 3V 2.3V
A B Y
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
规定 2.3V以上为 1
0V以下为 0
,数字电子技术基础,第五版二极管构成的门电路的缺点
电平有偏移
带负载能力差
只用于 IC内部电路
,数字电子技术基础,第五版
3.3 CMOS门电路
3.3.1MOS管的开关特性一,MOS管的结构
S (Source)：源极
G (Gate)：栅极
D (Drain)：漏极
B (Substrate):衬底金属层氧化物层半导体层
PN结
,数字电子技术基础,第五版以 N沟道增强型 为例：
,数字电子技术基础,第五版以 N沟道增强型 为例：
当加 +VDS时，
VGS=0时,D-S间是两个背向 PN结串联,iD=0
加上 +VGS，且足够大至 VGS >VGS (th),D-S间形成导电沟道
（ N型层）
开启电压
,数字电子技术基础,第五版二、输入特性和输出特性
① 输入特性：直流电流为 0，看进去有一个输入电容 CI，
对动态有影响。
② 输出特性：
iD = f (VDS) 对应不同的 VGS下得一族曲线 。
,数字电子技术基础,第五版漏极特性曲线 （分三个区域）
① 截止区
② 恒流区
③ 可变电阻区
,数字电子技术基础,第五版漏极特性曲线 （分三个区域）
截止区,VGS<VGS(th),iD = 0,ROFF > 109Ω
,数字电子技术基础,第五版漏极特性曲线 （分三个区域）
恒流区,iD 基本上由 VGS决定，与 VDS 关系不大
2
)(
2
)(
)1(
GSDthGSGS
thGS
GS
DSD
ViVV
V
V
Ii
下，当
,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 一定时，
这个电阻受 VGS 控制、可变。
常数（电阻）?DDS iV
,数字电子技术基础,第五版三,MOS管的基本开关电路控制的开关。间相当于一个受管所以导通当截止当则：只要因为
I
OLOGSIHI
DDOHOGSILI
O F FDON
ONO F F
VSDMO S
VVTthVVV
VVVTthVVV
RRR
KRR
0
110
9
)(
)(
,
,
,数字电子技术基础,第五版四、等效电路
OFF,截止状态 ON，导通状态
,数字电子技术基础,第五版五,MOS管的四种类型
增强型
耗尽型大量正离子导电沟道
,数字电子技术基础,第五版
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理一、电路结构
PthGSNthGS VV )()(?
,数字电子技术基础,第五版二、电压、电流传输特性
DDODDI
PTHGSDDINTHGS
OLO
PTHGSDDI
DDOHO
NTHGSI
VVVVTT
TT
VVVVBC
VVTT
VVVCD
VVVTT
VVAB
2
1
2
1
0
21
21
12
21
时，参数完全对称，若同时导通段：
截止导通，
段：
截止导通，
段：
,
,
)()(
)(
)(
,数字电子技术基础,第五版三、输入噪声容限称为输入噪声容限，允许输入的变化范围在输出变化允许范围内基本不变；的一定范围内，和偏离在 OILIHI VVVV
( m a x )( m a x )
( m in )( m in )
OLILNL
IHOHNH
VVV
VVV
,数字电子技术基础,第五版
结论：可以通过提高 VDD来提高噪声容限
,数字电子技术基础,第五版
3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性一、输入特性
,数字电子技术基础,第五版二、输出特性
OLGSOL
OLOL
VVI
IfV
下，同样的低电平输出特性 )(.1
,数字电子技术基础,第五版二、输出特性越少下，同样的高电平输出特性
OHGSOH
OHOH
VVI
IfV )(.1
,数字电子技术基础,第五版
3.3.4 CMOS反相器的动态特性一、传输延迟时间
。系列为，系列为，
影响、受充放电影响也较大较大所以充放电，因为和原因：
5 n s7 4 A H C1 0 n s7 4 H C3
2
1
P L HP H L
DDLP L HP H L
LONLI
tt
VCtt
CRCC
.;,.;.
,数字电子技术基础,第五版二、交流噪声容限三、动态功耗功耗相比，可以忽略静态功耗极小，与动态
)(,
.
2
1
4
3
1
1
t
t
t
t TTT A VT A VDDT
dtidti
T
IIVP 其中导通功耗
,数字电子技术基础,第五版三、动态功耗
2
2
1
2
DDLC
NLI
PLDDI
C
fVCP
iTCV
iCTVV
P
可得平均功耗放电，有经当充电，有向经当负载电容充放电功耗
,
,
.
CTD PPP
总的动态功耗.3
,数字电子技术基础,第五版
3.3.5 其他类型的 CMOS门电路一、其他逻辑功能的门电路
1,与非 门 2.或非 门
,数字电子技术基础,第五版带缓冲极的 CMOS门
1,与非 门值不同对应的达到开启电压时，的、使也更高越高，输入端越多，
端数目的影响输出的高低电平受输入则则则则受输入状态影响输出电阻存在的缺点：
I
GS
OHOL
ONONO
ONONO
ONONONO
ONONONO
O
V
VTT
VV
RRRBA
RRRBA
RRRRBA
RRRRBA
R
42
3
1
31
42
3
2
01
10
2
1
00
211
1
)(
)(
,
,
//,
,
:)(
,数字电子技术基础,第五版带缓冲极的 CMOS门
2.解决方法与非门缓冲器或非门
,数字电子技术基础,第五版二、漏极开路的门电路（ OD门）
,数字电子技术基础,第五版
)(,.
.
DDDDDDL VVVR 可以不等于使用时允许外接器或用作电平转换、驱动现线与可将输出并联使用，实
2
1
,数字电子技术基础,第五版的计算方法LR
,数字电子技术基础,第五版三,CMOS传输门及双向模拟开关
1,传输门接地为正，另一端经设 LI RV
之间为低电阻至少一个导通和在所以导通导通时当相当于断开均截止、则则只要当设
OI
DDI
DDIPthGS
NthGSDDI
DDI
DDI
ILDDIHONL
VV
TTVV
TVVV
TVVV
VV
CC
TTVV
CC
VVVRR
21
2
1
21
0
0
0
012
0
101
0
,~
,
,
~
,)(
,~
,)(
,,
)(
)(
,数字电子技术基础,第五版
2,双向模拟开关
,数字电子技术基础,第五版四、三态输出门
)(高阻时，
时，
ZYNE
AYNE
1
0
,数字电子技术基础,第五版三态门的用途
,数字电子技术基础,第五版双极型三极管的开关特性
（ BJT,Bipolar Junction Transistor）
3.5 TTL门电路
3.5.1 半导体三极管的开关特性
,数字电子技术基础,第五版一,双极型三极管的结构管芯 + 三个引出电极 + 外壳
,数字电子技术基础,第五版基区薄低掺杂发射区高掺杂集电区低掺杂
,数字电子技术基础,第五版以 NPN为例说明工作原理：
当 VCC >>VBB
be 结正偏,bc结反偏
e区发射大量的电子
b区薄，只有少量的空穴
bc反偏，大量电子形成 IC
,数字电子技术基础,第五版二,三极管的输入特性和输出特性三极管的输入特性曲线（ NPN）
VON,开启电压
硅管,0.5 ~ 0.7V
锗管,0.2 ~ 0.3V
近似认为,
VBE < VON iB = 0
VBE ≥ VON iB 的大小由外电路电压，电阻决定
b
BEBB
B R
VVi
,数字电子技术基础,第五版三极管的输出特性
)( CEC Vfi?
固定一个 IB值，即得一条曲线，
在 VCE > 0.7V以后，基本为水平直线
,数字电子技术基础,第五版
)V(fi CEC?
特性曲线分三个部分
① 放大区：条件 VCE > 0.7V,iB >0,iC随 iB成正比变化，
ΔiC=βΔiB。
② 饱和区：条件 VCE < 0.7V,iB >0,VCE 很低,ΔiC 随 ΔiB增加变缓，趋于“饱和”。
③ 截止区：条件 VBE = 0V,iB = 0,iC = 0,c— e间“断开” 。
,数字电子技术基础,第五版三、双极型三极管的基本开关电路只要参数合理：
VI=VIL时,T截止,VO=VOH
VI=VIH时,T导通,VO=VOL
,数字电子技术基础,第五版工作状态分析：
。近似为截止，则设 001 CBONBEILI iiTVVVV,,)(
I
O
V
OCBI
CBCCCCCCCEO
CBC
B
ONI
BBONI
V
V
A
ViiV
RiVRiVVV
Rii
R
VV
iiVV
三极管工作在放大区所以
。于是得到流过并有对应的产生有后，上升至当
,
,,)(
2
。态三极管工作在深饱和状
。时，上压降接近于当继续下降。继续上升，继续上升，当
0
0
3
)(
)(
s a tCEOLO
OCCC
OBI
VVV
VVR
ViV
,数字电子技术基础,第五版图解分析法：
CCRC
BCCCCCCCCE
iRV
iRViRVV
,数字电子技术基础,第五版四、三极管的开关等效电路截止状态 饱和导通状态
,数字电子技术基础,第五版五、动态开关特性从二极管已知，
PN结存在电容效应。
在饱和与截止两个状态之间转换时，
iC的变化将滞后于
VI，则 VO的变化也滞后于 VI。
,数字电子技术基础,第五版六,三极管反相器
三极管的基本开关电路就是 非 门实际应用中，为保证
VI=VIL时 T可靠截止，常在输入接入负压。
参数合理？
VI=VIL时,T截止，
VO=VOH
VI=VIH时,T截止，
VO=VOL
,数字电子技术基础,第五版例 3.5.1：计算参数设计是否合理
5V
-8V
3.3KΩ
10KΩ
1KΩ
β=20
VCE(sat) = 0.1V
VIH=5V
VIL=0V
,数字电子技术基础,第五版例 3.5.1：计算参数设计是否合理
① 将发射极外接电路化为等效的 VB与 RB电路
33
313
8
52
1
21
21
.
.
.//
I
I
EEI
IB
B
V
VR
RR
VV
VV
KRRR
,数字电子技术基础,第五版
② 当
③ 当
④ 又
⑤ 因此，参数设计合理
VVVViT
VVVV
CCOHOC
BILI
050
0233
313
8
00
.,
..
.
截止，所以时，
mA
R
VV
i
VV
TVVVVV
B
BEB
B
BE
BIHI
440
70
8133
313
85
55
.
.
..
.
则得：
认为如果用折线等效电路，
导通所以时，
Vs a tVVTii
mA
R
s a tVVI
I
I
CEOBSB
C
CECCCS
BS
BS
0
250
)(,
.
)(
饱和，故为：深度饱和时
,数字电子技术基础,第五版
3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构设
①
②
VVPN
VV
VV
VV
ON
IL
IH
CC
70
20
43
5
.
.
.
结导通压降
)(
)(.
1
020
YVV
AVVV
OHO
ILI
)(
)(.
0
143
YVV
AVVV
OLO
IHI
,数字电子技术基础,第五版二、电压传输特性
,数字电子技术基础,第五版二、电压传输特性
OI
I
DBERCCOH
BI
VVTTT
VVVBC
VVVVVVTTTT
VVVVAB
导通，截止，导通且工作在放大区段：线性区导通截止，导通，
段：截止区
452
2424521
1
3170
43
3160
,
..
.,
.,.
,数字电子技术基础,第五版二、电压传输特性
OLO
OI
OLO
BTHI
VV
VVDE
VVTTT
VVVVVCD
不变，而继续段：饱和区迅速所以截止，同时导通，
所以段：转折区
0
1241
452
1
,
.,.
,数字电子技术基础,第五版
需要说明的几个问题：
①
②
③
故称倒相级。变化方向相反和的输出,222 eC VVT
。带负载能力，称推拉式既能降低功耗又提高了止。总有一个导通、一个截和输出级在稳态下,54 TT
可靠地截止。导通时保证抑制负向干扰
522
1
TTD
D
,数字电子技术基础,第五版三、输入噪声容限称为输入噪声容限，允许输入的变化范围在输出变化允许范围内基本不变；的一定范围内，和偏离在 OILIHI VVVV
( m a x )( m a x )
( m in )( m in )
OLILNL
IHOHNH
VVV
VVV
,数字电子技术基础,第五版
3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性例：扇出系数（ Fan-out），
试计算门 G1能驱动多少个同样的门电路负载。
）（查得时，
）（查得时，要求保证
mAiVV
VV
mAiVV
VV
OLOL
IHI
OHOH
ILI
1620
4023
.;..
,数字电子技术基础,第五版输入
,数字电子技术基础,第五版输出
,数字电子技术基础,第五版
3.5.4 TTL反相器的动态特性一、传输延迟时间
1、现象分布电容的影响）的存在和结电容（
、原因
,TD
2
,数字电子技术基础,第五版二、交流噪声容限
（ b） 负 脉冲噪声容限
（ a） 正 脉冲噪声容限当输入信号为窄脉冲，且接近于 tpd时，输出变化跟不上，
变化很小，因此交流噪声容限远大于直流噪声容限。
,数字电子技术基础,第五版三、电源的动态尖峰电流
OLO VV?
OHO VV?
mA
R
VV
I
TVV
mA
R
VV
R
VV
I
TTVV
BECC
CCH
OHO
CCCBECC
CCL
OLO
11
43
1
1
1
1
2
2
1
1
452
.
,
.
,
导通仅时截止导通，时，
空载条件下：
载电流不等、两种静态下的电源负
,数字电子技术基础,第五版
2、动态尖峰电流
,数字电子技术基础,第五版成干扰源。；通过电源线和地线形影响：
同时导通。、过程中，瞬时和成因：
CC
I
If
TTV 54
,数字电子技术基础,第五版
3.5.5其他类型的 TTL门电路一、其他逻辑功能的门电路
1,与非 门
0
12
1
9020
524
1
45
1
OLO
B
OHO
B
VVTTT
VVBA
VVTT
VVVBA
BA
导通，和截止，
同为高电平时，和当导通，截止，
时，有一个为和当由多发射极三极管实现
,.
,..
加倍：每个值相同，并联后时相同：并联后与仅一个接地输入电流计算：
IH
IL
I
I
,数字电子技术基础,第五版
2,或非 门均加倍和输入电流计算时，
导通截止，，才有同为、只有截止导通，均使任何一个为、所以的输出并联和因为路两个完全一样的输入电
ILIH
OHO
OLO
II
VVTTBA
VVTTBA
TT
45
45
22
0
1
3.与或非 门
,数字电子技术基础,第五版
4,异或 门
,数字电子技术基础,第五版二、集电极开路的门电路
1、推拉式输出电路结构的局限性
① 输出电平不可调
② 负载能力不强，尤其是高电平输出
③ 输出端不能并联使用
OC门
,数字电子技术基础,第五版
2,OC门的结构特点
VmASN
TTOC
30407 4 0 7
55
/:如
，可承受较大电压、电流，三极管输出端为?
与”输出端并联可实现“线
）可以不等于（截止时，为或饱和同为高时，
取值合适，定可使只要工作时需要外接
CCCCCCO
OL
CCLCCL
VVVVTBA
VTBA
VRVR
5
5
0
0,
,;,
,数字电子技术基础,第五版
OC门实现的 线与
)()()( CDABCDABYYY
YYYY
21
21
所以才为高，，即为低，只有两者同高有一个低，、因为
,数字电子技术基础,第五版
3、外接负载电阻 RL的计算下限）过大（得不能太小，否则门仅一个输出管道通，、
的上限）不能太大（得门输出管全部截止时，、
要求：
LLLOLO
LLOHO
RiRVVOC
RRVVOC
2
1
,数字电子技术基础,第五版
3、外接负载电阻 RL的计算
( m a x )
'
)(
,
,
L
IHOH
OH
CC
L
OHIHOHLCC
OHO
IHOH
R
mInI
VV
R
VmInIRV
VV
II
OC
所以则为保证负载输入电流为截止漏电流为门同时截止，
,数字电子技术基础,第五版
3、外接负载电阻 RL的计算
( m i n )
'
,
L
ILLM
OL
CC
L
LLOLO
IL
LM
R
ImI
VV
R
RIVV
I
IOC
OC
所以不能太小不过大，且为保证负载门输入电流为流为门饱和时允许的最大电门导通，当仅一个
,数字电子技术基础,第五版三、三态输出门（ Three state Output Gate,TS）
)(,ZVV OHOL,高阻输出有三个状态：
ZYDPEN
ABYDPEN
导通，为“高阻状态”
截止，为“工作状态”
,,)(
)(,,)(
012
101
,数字电子技术基础,第五版三态门的用途
,数字电子技术基础,第五版一、高速系列 74H/54H （ High-Speed TTL）
1,电路的改进
(1)输出级采用复合管（减小输出电阻 Ro）
(2)减少各电阻值
2,性能特点速度提高 的同时功耗也增加
2.4.5 TTL电路的改进系列
（改进指标,) )()( mwPnstdp
pd
mWPnst pd 101074,系列：标准
2
1?)(nst
pd 倍2?)( mwP
,数字电子技术基础,第五版二、肖特基系列 74S/54S（ Schottky TTL）
1,电路改进
(1) 采用抗饱和三极管
(2) 用有源泄放电路代替 74H系列中的 R3
(3) 减小电阻值
2,性能特点速度进一步提高，电压传输特性没有线性区，功耗增大左右至左右，下降到 VVVV OLTH 4011,,?
,数字电子技术基础,第五版三、低功耗肖特基系列
74LS/54LS （ Low-Power Schottky TTL）
四,74AS,74ALS （ Advanced Low-Power Schottky TTL）
· · ·
2.5 其他类型的双极型数字集成电路 *
DTL：输入为二极管门电路，速度低，已经不用
HTL：电源电压高,Vth高，抗干扰性好，已被 CMOS替代
ECL：非饱和逻辑，速度快，用于高速系统
I2L：属饱和逻辑，电路简单，用于 LSI内部电路
· · ·
,数字电子技术基础,（第五版） 教学课件清华大学阎石 王红联系地址：清华大学 自动化系邮政编码,100084
电子信箱,wang_hong@tsinghua.edu.cn
联系电话,(010)62792973
,数字电子技术基础,第五版补：半导体基础知识
,数字电子技术基础,第五版半导体基础知识（ 1）
本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。
常用：硅 Si，锗 Ge
两种载流子
,数字电子技术基础,第五版半导体基础知识（ 2）
杂质半导体
N型半导体多子：自由电子少子：空穴
,数字电子技术基础,第五版半导体基础知识（ 2）
杂质半导体
P型半导体多子：空穴少子：自由电子
,数字电子技术基础,第五版半导体基础知识（ 3）
PN结的形成
空间电荷区
（耗尽层）
扩散和漂移
,数字电子技术基础,第五版半导体基础知识（ 4）
PN结的单向导电性
外加 正向电压
,数字电子技术基础,第五版半导体基础知识（ 4）
PN结的单向导电性
外加 反向电压
,数字电子技术基础,第五版半导体基础知识（ 5）
PN结的伏安特性 正向导通区反向截止区反向击穿区
q
n k TV
eIi
T
V
V
S
T
)( 1
K:波耳兹曼常数
T:热力学温度
q,电子电荷
,数字电子技术基础,第五版第三章 门电路
,数字电子技术基础,第五版
3.1 概述
门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如与 门,与非 门,或 门 ······
门电路中以高 /低电平表示逻辑状态的 1/0
,数字电子技术基础,第五版获得高、低电平的基本原理高 /低电平都允许有一定的变化范围
,数字电子技术基础,第五版正逻辑：高电平表示 1，低电平表示 0
负逻辑：高电平表示 0，低电平表示 1
,数字电子技术基础,第五版
3.2半导体二极管门电路半导体二极管的结构和外特性
（ Diode）
二极管的结构：
PN结 + 引线 + 封装构成 P N
,数字电子技术基础,第五版
3.2.1二极管的开关特性：
高电平,VIH=VCC
低电平,VIL=0
VI=VIH
D截止,VO=VOH=VCC
VI=VIL
D导通,VO=VOL=0.7V
,数字电子技术基础,第五版二极管的开关等效电路：
,数字电子技术基础,第五版二极管的动态电流波形：
,数字电子技术基础,第五版
3.2.2 二极管与门设 VCC = 5V
加到 A,B的 VIH=3V
VIL=0V
二极管导通时 VDF=0.7V
A B Y
0V 0V 0.7V
0V 3V 0.7V
3V 0V 0.7V
3V 3V 3.7V
A B Y
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
规定 3V以上为 1
0.7V以下为 0
,数字电子技术基础,第五版
3.2.3 二极管 或 门设 VCC = 5V
加到 A,B的 VIH=3V
VIL=0V
二极管导通时 VDF=0.7V
A B Y
0V 0V 0V
0V 3V 2.3V
3V 0V 2.3V
3V 3V 2.3V
A B Y
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
规定 2.3V以上为 1
0V以下为 0
,数字电子技术基础,第五版二极管构成的门电路的缺点
电平有偏移
带负载能力差
只用于 IC内部电路
,数字电子技术基础,第五版
3.3 CMOS门电路
3.3.1MOS管的开关特性一,MOS管的结构
S (Source)：源极
G (Gate)：栅极
D (Drain)：漏极
B (Substrate):衬底金属层氧化物层半导体层
PN结
,数字电子技术基础,第五版以 N沟道增强型 为例：
,数字电子技术基础,第五版以 N沟道增强型 为例：
当加 +VDS时，
VGS=0时,D-S间是两个背向 PN结串联,iD=0
加上 +VGS，且足够大至 VGS >VGS (th),D-S间形成导电沟道
（ N型层）
开启电压
,数字电子技术基础,第五版二、输入特性和输出特性
① 输入特性：直流电流为 0，看进去有一个输入电容 CI，
对动态有影响。
② 输出特性：
iD = f (VDS) 对应不同的 VGS下得一族曲线 。
,数字电子技术基础,第五版漏极特性曲线 （分三个区域）
① 截止区
② 恒流区
③ 可变电阻区
,数字电子技术基础,第五版漏极特性曲线 （分三个区域）
截止区,VGS<VGS(th),iD = 0,ROFF > 109Ω
,数字电子技术基础,第五版漏极特性曲线 （分三个区域）
恒流区,iD 基本上由 VGS决定，与 VDS 关系不大
2
)(
2
)(
)1(
GSDthGSGS
thGS
GS
DSD
ViVV
V
V
Ii
下，当
,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 一定时，
这个电阻受 VGS 控制、可变。
常数（电阻）?DDS iV
,数字电子技术基础,第五版三,MOS管的基本开关电路控制的开关。间相当于一个受管所以导通当截止当则：只要因为
I
OLOGSIHI
DDOHOGSILI
O F FDON
ONO F F
VSDMO S
VVTthVVV
VVVTthVVV
RRR
KRR
0
110
9
)(
)(
,
,
,数字电子技术基础,第五版四、等效电路
OFF,截止状态 ON，导通状态
,数字电子技术基础,第五版五,MOS管的四种类型
增强型
耗尽型大量正离子导电沟道
,数字电子技术基础,第五版
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理一、电路结构
PthGSNthGS VV )()(?
,数字电子技术基础,第五版二、电压、电流传输特性
DDODDI
PTHGSDDINTHGS
OLO
PTHGSDDI
DDOHO
NTHGSI
VVVVTT
TT
VVVVBC
VVTT
VVVCD
VVVTT
VVAB
2
1
2
1
0
21
21
12
21
时，参数完全对称，若同时导通段：
截止导通，
段：
截止导通，
段：
,
,
)()(
)(
)(
,数字电子技术基础,第五版三、输入噪声容限称为输入噪声容限，允许输入的变化范围在输出变化允许范围内基本不变；的一定范围内，和偏离在 OILIHI VVVV
( m a x )( m a x )
( m in )( m in )
OLILNL
IHOHNH
VVV
VVV
,数字电子技术基础,第五版
结论：可以通过提高 VDD来提高噪声容限
,数字电子技术基础,第五版
3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性一、输入特性
,数字电子技术基础,第五版二、输出特性
OLGSOL
OLOL
VVI
IfV
下，同样的低电平输出特性 )(.1
,数字电子技术基础,第五版二、输出特性越少下，同样的高电平输出特性
OHGSOH
OHOH
VVI
IfV )(.1
,数字电子技术基础,第五版
3.3.4 CMOS反相器的动态特性一、传输延迟时间
。系列为，系列为，
影响、受充放电影响也较大较大所以充放电，因为和原因：
5 n s7 4 A H C1 0 n s7 4 H C3
2
1
P L HP H L
DDLP L HP H L
LONLI
tt
VCtt
CRCC
.;,.;.
,数字电子技术基础,第五版二、交流噪声容限三、动态功耗功耗相比，可以忽略静态功耗极小，与动态
)(,
.
2
1
4
3
1
1
t
t
t
t TTT A VT A VDDT
dtidti
T
IIVP 其中导通功耗
,数字电子技术基础,第五版三、动态功耗
2
2
1
2
DDLC
NLI
PLDDI
C
fVCP
iTCV
iCTVV
P
可得平均功耗放电，有经当充电，有向经当负载电容充放电功耗
,
,
.
CTD PPP
总的动态功耗.3
,数字电子技术基础,第五版
3.3.5 其他类型的 CMOS门电路一、其他逻辑功能的门电路
1,与非 门 2.或非 门
,数字电子技术基础,第五版带缓冲极的 CMOS门
1,与非 门值不同对应的达到开启电压时，的、使也更高越高，输入端越多，
端数目的影响输出的高低电平受输入则则则则受输入状态影响输出电阻存在的缺点：
I
GS
OHOL
ONONO
ONONO
ONONONO
ONONONO
O
V
VTT
VV
RRRBA
RRRBA
RRRRBA
RRRRBA
R
42
3
1
31
42
3
2
01
10
2
1
00
211
1
)(
)(
,
,
//,
,
:)(
,数字电子技术基础,第五版带缓冲极的 CMOS门
2.解决方法与非门缓冲器或非门
,数字电子技术基础,第五版二、漏极开路的门电路（ OD门）
,数字电子技术基础,第五版
)(,.
.
DDDDDDL VVVR 可以不等于使用时允许外接器或用作电平转换、驱动现线与可将输出并联使用，实
2
1
,数字电子技术基础,第五版的计算方法LR
,数字电子技术基础,第五版三,CMOS传输门及双向模拟开关
1,传输门接地为正，另一端经设 LI RV
之间为低电阻至少一个导通和在所以导通导通时当相当于断开均截止、则则只要当设
OI
DDI
DDIPthGS
NthGSDDI
DDI
DDI
ILDDIHONL
VV
TTVV
TVVV
TVVV
VV
CC
TTVV
CC
VVVRR
21
2
1
21
0
0
0
012
0
101
0
,~
,
,
~
,)(
,~
,)(
,,
)(
)(
,数字电子技术基础,第五版
2,双向模拟开关
,数字电子技术基础,第五版四、三态输出门
)(高阻时，
时，
ZYNE
AYNE
1
0
,数字电子技术基础,第五版三态门的用途
,数字电子技术基础,第五版双极型三极管的开关特性
（ BJT,Bipolar Junction Transistor）
3.5 TTL门电路
3.5.1 半导体三极管的开关特性
,数字电子技术基础,第五版一,双极型三极管的结构管芯 + 三个引出电极 + 外壳
,数字电子技术基础,第五版基区薄低掺杂发射区高掺杂集电区低掺杂
,数字电子技术基础,第五版以 NPN为例说明工作原理：
当 VCC >>VBB
be 结正偏,bc结反偏
e区发射大量的电子
b区薄，只有少量的空穴
bc反偏，大量电子形成 IC
,数字电子技术基础,第五版二,三极管的输入特性和输出特性三极管的输入特性曲线（ NPN）
VON,开启电压
硅管,0.5 ~ 0.7V
锗管,0.2 ~ 0.3V
近似认为,
VBE < VON iB = 0
VBE ≥ VON iB 的大小由外电路电压，电阻决定
b
BEBB
B R
VVi
,数字电子技术基础,第五版三极管的输出特性
)( CEC Vfi?
固定一个 IB值，即得一条曲线，
在 VCE > 0.7V以后，基本为水平直线
,数字电子技术基础,第五版
)V(fi CEC?
特性曲线分三个部分
① 放大区：条件 VCE > 0.7V,iB >0,iC随 iB成正比变化，
ΔiC=βΔiB。
② 饱和区：条件 VCE < 0.7V,iB >0,VCE 很低,ΔiC 随 ΔiB增加变缓，趋于“饱和”。
③ 截止区：条件 VBE = 0V,iB = 0,iC = 0,c— e间“断开” 。
,数字电子技术基础,第五版三、双极型三极管的基本开关电路只要参数合理：
VI=VIL时,T截止,VO=VOH
VI=VIH时,T导通,VO=VOL
,数字电子技术基础,第五版工作状态分析：
。近似为截止，则设 001 CBONBEILI iiTVVVV,,)(
I
O
V
OCBI
CBCCCCCCCEO
CBC
B
ONI
BBONI
V
V
A
ViiV
RiVRiVVV
Rii
R
VV
iiVV
三极管工作在放大区所以
。于是得到流过并有对应的产生有后，上升至当
,
,,)(
2
。态三极管工作在深饱和状
。时，上压降接近于当继续下降。继续上升，继续上升，当
0
0
3
)(
)(
s a tCEOLO
OCCC
OBI
VVV
VVR
ViV
,数字电子技术基础,第五版图解分析法：
CCRC
BCCCCCCCCE
iRV
iRViRVV
,数字电子技术基础,第五版四、三极管的开关等效电路截止状态 饱和导通状态
,数字电子技术基础,第五版五、动态开关特性从二极管已知，
PN结存在电容效应。
在饱和与截止两个状态之间转换时，
iC的变化将滞后于
VI，则 VO的变化也滞后于 VI。
,数字电子技术基础,第五版六,三极管反相器
三极管的基本开关电路就是 非 门实际应用中，为保证
VI=VIL时 T可靠截止，常在输入接入负压。
参数合理？
VI=VIL时,T截止，
VO=VOH
VI=VIH时,T截止，
VO=VOL
,数字电子技术基础,第五版例 3.5.1：计算参数设计是否合理
5V
-8V
3.3KΩ
10KΩ
1KΩ
β=20
VCE(sat) = 0.1V
VIH=5V
VIL=0V
,数字电子技术基础,第五版例 3.5.1：计算参数设计是否合理
① 将发射极外接电路化为等效的 VB与 RB电路
33
313
8
52
1
21
21
.
.
.//
I
I
EEI
IB
B
V
VR
RR
VV
VV
KRRR
,数字电子技术基础,第五版
② 当
③ 当
④ 又
⑤ 因此，参数设计合理
VVVViT
VVVV
CCOHOC
BILI
050
0233
313
8
00
.,
..
.
截止，所以时，
mA
R
VV
i
VV
TVVVVV
B
BEB
B
BE
BIHI
440
70
8133
313
85
55
.
.
..
.
则得：
认为如果用折线等效电路，
导通所以时，
Vs a tVVTii
mA
R
s a tVVI
I
I
CEOBSB
C
CECCCS
BS
BS
0
250
)(,
.
)(
饱和，故为：深度饱和时
,数字电子技术基础,第五版
3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构设
①
②
VVPN
VV
VV
VV
ON
IL
IH
CC
70
20
43
5
.
.
.
结导通压降
)(
)(.
1
020
YVV
AVVV
OHO
ILI
)(
)(.
0
143
YVV
AVVV
OLO
IHI
,数字电子技术基础,第五版二、电压传输特性
,数字电子技术基础,第五版二、电压传输特性
OI
I
DBERCCOH
BI
VVTTT
VVVBC
VVVVVVTTTT
VVVVAB
导通，截止，导通且工作在放大区段：线性区导通截止，导通，
段：截止区
452
2424521
1
3170
43
3160
,
..
.,
.,.
,数字电子技术基础,第五版二、电压传输特性
OLO
OI
OLO
BTHI
VV
VVDE
VVTTT
VVVVVCD
不变，而继续段：饱和区迅速所以截止，同时导通，
所以段：转折区
0
1241
452
1
,
.,.
,数字电子技术基础,第五版
需要说明的几个问题：
①
②
③
故称倒相级。变化方向相反和的输出,222 eC VVT
。带负载能力，称推拉式既能降低功耗又提高了止。总有一个导通、一个截和输出级在稳态下,54 TT
可靠地截止。导通时保证抑制负向干扰
522
1
TTD
D
,数字电子技术基础,第五版三、输入噪声容限称为输入噪声容限，允许输入的变化范围在输出变化允许范围内基本不变；的一定范围内，和偏离在 OILIHI VVVV
( m a x )( m a x )
( m in )( m in )
OLILNL
IHOHNH
VVV
VVV
,数字电子技术基础,第五版
3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性例：扇出系数（ Fan-out），
试计算门 G1能驱动多少个同样的门电路负载。
）（查得时，
）（查得时，要求保证
mAiVV
VV
mAiVV
VV
OLOL
IHI
OHOH
ILI
1620
4023
.;..
,数字电子技术基础,第五版输入
,数字电子技术基础,第五版输出
,数字电子技术基础,第五版
3.5.4 TTL反相器的动态特性一、传输延迟时间
1、现象分布电容的影响）的存在和结电容（
、原因
,TD
2
,数字电子技术基础,第五版二、交流噪声容限
（ b） 负 脉冲噪声容限
（ a） 正 脉冲噪声容限当输入信号为窄脉冲，且接近于 tpd时，输出变化跟不上，
变化很小，因此交流噪声容限远大于直流噪声容限。
,数字电子技术基础,第五版三、电源的动态尖峰电流
OLO VV?
OHO VV?
mA
R
VV
I
TVV
mA
R
VV
R
VV
I
TTVV
BECC
CCH
OHO
CCCBECC
CCL
OLO
11
43
1
1
1
1
2
2
1
1
452
.
,
.
,
导通仅时截止导通，时，
空载条件下：
载电流不等、两种静态下的电源负
,数字电子技术基础,第五版
2、动态尖峰电流
,数字电子技术基础,第五版成干扰源。；通过电源线和地线形影响：
同时导通。、过程中，瞬时和成因：
CC
I
If
TTV 54
,数字电子技术基础,第五版
3.5.5其他类型的 TTL门电路一、其他逻辑功能的门电路
1,与非 门
0
12
1
9020
524
1
45
1
OLO
B
OHO
B
VVTTT
VVBA
VVTT
VVVBA
BA
导通，和截止，
同为高电平时，和当导通，截止，
时，有一个为和当由多发射极三极管实现
,.
,..
加倍：每个值相同，并联后时相同：并联后与仅一个接地输入电流计算：
IH
IL
I
I
,数字电子技术基础,第五版
2,或非 门均加倍和输入电流计算时，
导通截止，，才有同为、只有截止导通，均使任何一个为、所以的输出并联和因为路两个完全一样的输入电
ILIH
OHO
OLO
II
VVTTBA
VVTTBA
TT
45
45
22
0
1
3.与或非 门
,数字电子技术基础,第五版
4,异或 门
,数字电子技术基础,第五版二、集电极开路的门电路
1、推拉式输出电路结构的局限性
① 输出电平不可调
② 负载能力不强，尤其是高电平输出
③ 输出端不能并联使用
OC门
,数字电子技术基础,第五版
2,OC门的结构特点
VmASN
TTOC
30407 4 0 7
55
/:如
，可承受较大电压、电流，三极管输出端为?
与”输出端并联可实现“线
）可以不等于（截止时，为或饱和同为高时，
取值合适，定可使只要工作时需要外接
CCCCCCO
OL
CCLCCL
VVVVTBA
VTBA
VRVR
5
5
0
0,
,;,
,数字电子技术基础,第五版
OC门实现的 线与
)()()( CDABCDABYYY
YYYY
21
21
所以才为高，，即为低，只有两者同高有一个低，、因为
,数字电子技术基础,第五版
3、外接负载电阻 RL的计算下限）过大（得不能太小，否则门仅一个输出管道通，、
的上限）不能太大（得门输出管全部截止时，、
要求：
LLLOLO
LLOHO
RiRVVOC
RRVVOC
2
1
,数字电子技术基础,第五版
3、外接负载电阻 RL的计算
( m a x )
'
)(
,
,
L
IHOH
OH
CC
L
OHIHOHLCC
OHO
IHOH
R
mInI
VV
R
VmInIRV
VV
II
OC
所以则为保证负载输入电流为截止漏电流为门同时截止，
,数字电子技术基础,第五版
3、外接负载电阻 RL的计算
( m i n )
'
,
L
ILLM
OL
CC
L
LLOLO
IL
LM
R
ImI
VV
R
RIVV
I
IOC
OC
所以不能太小不过大，且为保证负载门输入电流为流为门饱和时允许的最大电门导通，当仅一个
,数字电子技术基础,第五版三、三态输出门（ Three state Output Gate,TS）
)(,ZVV OHOL,高阻输出有三个状态：
ZYDPEN
ABYDPEN
导通，为“高阻状态”
截止，为“工作状态”
,,)(
)(,,)(
012
101
,数字电子技术基础,第五版三态门的用途
,数字电子技术基础,第五版一、高速系列 74H/54H （ High-Speed TTL）
1,电路的改进
(1)输出级采用复合管（减小输出电阻 Ro）
(2)减少各电阻值
2,性能特点速度提高 的同时功耗也增加
2.4.5 TTL电路的改进系列
（改进指标,) )()( mwPnstdp
pd
mWPnst pd 101074,系列：标准
2
1?)(nst
pd 倍2?)( mwP
,数字电子技术基础,第五版二、肖特基系列 74S/54S（ Schottky TTL）
1,电路改进
(1) 采用抗饱和三极管
(2) 用有源泄放电路代替 74H系列中的 R3
(3) 减小电阻值
2,性能特点速度进一步提高，电压传输特性没有线性区，功耗增大左右至左右，下降到 VVVV OLTH 4011,,?
,数字电子技术基础,第五版三、低功耗肖特基系列
74LS/54LS （ Low-Power Schottky TTL）
四,74AS,74ALS （ Advanced Low-Power Schottky TTL）
· · ·
2.5 其他类型的双极型数字集成电路 *
DTL：输入为二极管门电路，速度低，已经不用
HTL：电源电压高,Vth高，抗干扰性好，已被 CMOS替代
ECL：非饱和逻辑，速度快，用于高速系统
I2L：属饱和逻辑，电路简单，用于 LSI内部电路
· · ·
