数字集成电路(基础).ppt

第五章第五章 数字集成电路数字集成电路 ( (基础）基础） 上海大学上海大学 自动化系自动化系 林小玲林小玲 u 数字信号与模拟信号 u 数制 u 码制 u 逻辑代收基础 5.1 数字电路的基础知识 5.1.1 数字信号与模拟信号 uu电子电路电子电路 模拟电路模拟电路 数字电路数字电路 信号与时间的关系连续信号与时间的关系连续 信号与时间的关系离散信号与时间的关系离散 电电 子子 技技 术术 电子器件电子器件 电子电路电子电路 电子系统电子系统 分立元件电路分立元件电路 集成电路集成电路 endend u模拟信号：时间连续、数值也连续的物理量。 u数字信号：时间和数值均离散的物理量，常用数字0和1表示 。 注意：0和1并不是普通代数中的数值，在数字电路中，应称 为：逻辑0和逻辑1。他们并不表示实际数值的大小，而是代表 某两种截然不同的状态。如：信号的无和有；条件的非和是； 事件的假和真电路的断和通；电键的开和闭；电压的小和大， 低和高等。在电路上通常用逻辑电平来表示：分别是低电平和 高电平。 在数字电路中：3.6V为标准高电平，0.3V为标准低电平。 但近年来：2.4V以上均视为高电平，而1.4V以下均视为低电平 。 数字波形的描述：周期、频率、脉宽和占空比。 脉宽（tw）：表示脉冲的作用时间，即高电平持续时间。 占空比（q）：表示脉宽与周期的百分比。 上升时间（t r） 和下降时间（tf）：从脉冲幅值的10%到90% 所经 历的时间如图： u 模拟量的数字表示 ： 模拟量可以用数字0、1的编码来表示，即二进制码 表示 u 数字电路特点 ： 工作信号是用二进制数字信号，只有0、1两种可能取值 在稳态时，工作在截止和导通状态，关心的仅是输出 和输入之间的逻辑关系。 数字电路不仅能进行数值运算，而且能进行逻辑判 断和逻辑运算。 1、十进制数 2、二进制数、八进制数和十六进制数 3、各种数制之间的相互转换 5.1.2 数制 所谓“数制”，指进位计数制，即用进位的方法 来计数.数制包括计数符号（数码）和进位规则两个 方面。常用数制有十进制、二进制、八进制、十六进 制等。 1. 十进制数的表示法 十进制数 基数10 ，进位规则 遵循逢10进位 数码有10个状态 ：0，1，2，3，4，5，6，7，8，9 如：（123. 5）10 或（123. 5）D 或 123. 5 数值大小计算方法: 123. 5 = 1 102 + 2 101 + 3 100 + 5 10-1 K2K1K0K-1 以小数点为界按位编号 不难得出，十进制数的计算表达式为： 推广到一般：R进制数的计算表达式为： R：进位基数 Ri：第i位的位权 Ki：第i位的系数 权 系数 2、二进制数 基数2 , 遵循逢2进位 数码2个：0，1 二进制数数值大小计算： ( 101101.1 ) 2 或 （101101.1）B K5 K4 K3 K2K1 K0 K-1 以小数点为界按位编号 = 1 25 + 0 24+ 123+ 1 22 + 0 21+ 1 20 + 1 2-1 = 45.5 八进制数 基数8 , 遵循逢8进位 数码8个：0，1，2，3，4，5，6，7 八进制数数值大小计算： ( 73.6 ) 8 或 （73.6）o K1 K0 K-1 以小数点为界按位编号 = 7 81 + 3 80+ 6 8-1 = 59.75 十六进制数 基数16 , 遵循逢16进位 数码16个：0，1， 、 ，9，A，B，C，D，E，F 十六进制数数值大小计算： ( BF3C8 )16 或 （BF3C8）H =11 163 + 15 16 2+ 3 161+ 12 160 +8 16-1 =489565 十六进制数ABCDEF 十进制数101112131415 3、各种数制之间的相互转换 （1） 任意进制数 十进制数 (按表示法展开) 方法: 与数值大小计算过程相同。 例： （101101.1）B = 125+024+123+122+021+120+12-1 = 455 （BF3C.8）H = 11 163 +15 16 2+3161+12160+816-1 = 489565 (2) 十进制数 任意进制数 用除法和乘法完成 整数部分：除N取余，商零为止，结果低位在上高位在下 小数部分：乘N取整，到零为止，结果高位在上低位在下 小数部分的位数取决于精度要求 整数部分：除N取余，商零为止，结果:低位在上,高位在下 例1 十进制数 二进制数 125. 125 二进制数 2 125 取余 2 62 1 低位 2 31 0 2 15 1 2 7 1 2 3 1 2 1 1 0 1 高位 商为 0 故： 125 = （111 1101）B 小数部分：乘N取整，到零为止，结果高位在上，低位在下 （即乘2取整法，位数取决于要求精度） 取整 0. 125 2 = 0. 25 0 高位 0. 25 2 = 0. 5 0 0. 5 2 = 1. 0 1 低位 故 : 0. 125D =0. 001B 将整数部分和小数部分结合起来， 故：125. 125 = （111 1101. 001）B 整数部分：除N取余，商零为止，结果上低下高 例2 十进制数 八进制数 125. 125 八进制数 8 125 取余 8 15 5 低位 8 1 7 0 1 高位 故： 125 = （175）O 商为 0 小数部分：乘N取整，到零为止，结果高位在上，低位在下 （即乘2取整法，位数取决于要求精度） 取整 0. 125 8 = 1. 0 1 将整数部分和小数部分结合起来， 故：125. 125 = （175.1）O 小数为 0 （3）二进制数与八、十六进制数的相互转换 二进制数与八、十六进制数间的关系 二进制数转换为八、十六进制数 八、十六进制数转换为二进制数 二进制数与十六进制数间的关系 八进制数的进位基数 8 = 23 1位八进制数对应3位二进制数 十六进制数的进位基数 16 = 24 1位十六进制数对应4位二进制数 二进制数转换为八进制数 方法： 以小数点为基准，分别向左和向右每3位划为一组， 不足3位补0（整数部分补在前面，小数部分补 在后面），每一组用其对应的八进制数代替。 例： （11110. 01）B = （011110. 010）B = （3 6 . 2）O （1111101. 001）B = （001 111 101. 001）B = （1 7 5 . 1）O 二进制数转换为十六进制数 方法： 以小数点为基准，分别向左和向右每4位划为一组， 不足4位补0 （整数部分补在前面，小数部分补 在后面），每一组用其对应的十六进制数代替。 例： （11110. 01）B = （00011110. 0100）B = （1 E . 4）H （1111101. 001）B = （0111 1101. 0010）B = （ 7 D . 2）H 八进制数转换为二进制数 方法： 将每位八进制数用其对应的3位二进制数代替即可。 例 ： （63. 4）O = （110 011. 100）B =（110011. 1）B （17. 2）O = （001 111. 010）B = （1111. 01）B 十六进制数转换为二进制数 方法： 将每位十六进制数用其对应的4位二进制数代替即可。 例 ： （1E. 4）H = （0001 1110. 0100）B = （11110. 01）B （7D. 2）H = （0111 1101. 0010）B = （1111101. 001）B （4）八、十六进制数之间的相互转换 通过二进制中转。 例：（73.6）O（111011.11）B（3B.C）H （AB.C）H（10101011.11）B（253.6）O 码制：用某组代码形象地表示某数的实际值或者表 示某个文字符号。 5.1.3 二进制码 1.二 - 十进制码 (BCD码)( Binary Coded Decimal codes) 用四位二进制代码来表示一位十进制数码,这样的代码称为二- 十进制码,或BCD码. 四位二进制有16种不同的组合,可以在这16种代码中任选10种表 示十进制数的10个不同符号,选择方法很多.选择方法不同,就能得 到不同的编码形式. 常见的BCD码有8421码、5421码、2421码、余3码等。 8421码是一种权码，四位二进制数中的每一位都对应有固 定的权，从高位到低位的权依次为8，4，2，1按权相加，即可 得到所代表的十进制数。例如：1001=8+1=9，0110=4+2=6。 还可以取四位二进制码的前五种和后五种状态，代表十进 制的09十个数，中间六种状态不用，这就构成了2421码。它 也是一种有权码，从高位到低位的权依次为2，4，2，1按权相 加，即可得到所代表的十进制数 十进进制 数 8421码码5421码码2421码码余3码码 00000000000000011 10001000100010100 20010001000100101 30011001100110110 40100010001000111 50101100010111000 60110100111001001 70111101011011010 81000101111101011 91001110011111100 常用BCD码 (1) 有权BCD码：每位数码都有确定的位权的码， 例如：8421码、5421码、2421码. 如: 5421码1011代表5+0+2+1=8; 2421码1100代表2+4+0+0=6. * 5421BCD码和2421BCD码不唯一. 例: 2421BCD码0110也可表示6 * 在表中： 8421BCD码和代表09的二进制数一一对应； 5421BCD码的前5个码和8421BCD码相同，后5个码在前5 个码的基础上加1000构成，这样的码，前5个码和后5 个码一一对应相同，仅高位不同； 2421BCD码的前5个码和8421BCD码相同，后5个码以中 心对称取反,这样的码称为自反代码. 例： 40100 51011 00000 91111 (2) 无权BCD码：每位数码无确定的位权，例如：余3码. 余3码的编码规律为: 在8421BCD码上加0011, 2. 格雷码(Gray码) 格雷码为无权码,特点为：相邻两个代码之间仅有一位 不同,其余各位均相同.具有这种特点的代码称为循环码, 格雷码是循环码. 例 6的余3码为: 0110+0011=1001 格雷码和四位二进制码之间的关系: 设四位二进制码为B3B2B1B0,格雷码为R3R2R1R0, 则 R3=B3, R2=B3 B2 R1=B2 B1 R0=B1 B0 其中,为异或运算符,其运算 规则为:若两运算数相同,结果 为“0”;两运算数不同,结果为 “1”. 3. 奇偶校验码 原代码的基础上增加一个码位使代码中含有 的1的个数均为奇数（称为奇校验）或偶数（称 为偶校验），通过检查代码中含有的1的奇偶性 来判别代码的合法性。 具有检错能力的代码 4. 字符数字码 美国信息交换的标准代码（简称ASCII）是应用 最为广泛的字符数字码 字符数字码能表示计算机键盘上能看到的各种符 号和功能 5.1.4 逻辑代数基础 研究数字电路的基础为逻辑代数，由英国数学家 George Boole在1847年提出的，逻辑代数也称布尔代数. 在逻辑代数中,变量常用字母A,B,C,Y,Z, a,b, c,x.y.z等表示，变量的取值只能是“0”或“1”. 逻辑代数中只有三种基本逻辑运算,即“与”、“或” 、“非”。 1. 与逻辑关系和“与门” (1) 逻辑关系定义：只有决定一事件的全部条件都具备 时，这件事才成立；如果有一个或一个以上条件不具备，则 这件事就不成立。这样的因果关系称为“与”逻辑关系。 与逻辑电路状态表 开关A状态 开关 B状态 灯F状态 断 断 灭 断 合 灭 合 断 灭 合 合 亮 与逻辑电路 5.1.4.1 基本逻辑运算 若将开关断开和灯的熄灭状态用逻辑量“0”表示;将 开关合上和灯亮的状态用逻辑量“1”表示,则上述状 态表可表示为: 与逻辑真值表 A B F=A B 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 2) 相异得“1”. 3.异或逻辑运算及“异或”门 异或逻辑的函数式为： F=AB+AB = A B 4. 三态输出门(TSL门) 三态门(TSL门)的输出有三个状态,即: 0,1和高 阻,在使用中,由控制端(称使能控制端)来控制电路的 输出状态。 R4 R1 F Vcc(5V) 1.6k R2 4k 130 R3 1k D A B T1 T2 T4 T5 D3 11 P EN A B EN F EN 常量“0”换成“1”，“1”换成“0”； 原变量换成反变量，反变量换成原变量 那么得到的新函数式称为原函数式F的反函数式。 注： 保持原函数的运算次序-先与后或，必要时适当地加入括号 不属于单个变量上的非号有两种处理方法 非号保留，而非号下面的函数式按反演规则变换 将非号去掉，而非号下的函数式保留不变 例： F(A、B、C) 其反函数为 或 基本运算规则 对偶式： 对于任意一个逻辑函数，做如下处理： 1）若把式中的运算符“.”换成“+”，“+”换成“.”； 2）常量“0”换成“1”，“1”换成“0” 得到新函数式为原函数式F的对偶式F，也称对偶函数 对偶规则： 如果两个函数式相等，则它们对应的对偶式也相 等。即 若 F1 = F2 则F1= F2。使公式的 数目增加一倍。 求对偶式时运算顺序不变，且它只变换运 算符和常量，其变量是不变的。 注： 函数式中有“”和“”运算符，求反 函数及对偶函数时，要将运算符“”换成 “”， “”换成“”。 例： 其对偶式 5.1.4.7 逻辑函数的表示与化简 一、逻辑函数 用有限个与、或、非逻辑运算符，按某种逻辑关 系将逻辑变量A、B、C、.连接起来，所得的表 达式F = f（A、B、C、.）称为逻辑函数。 二、逻辑函数的表示方法 真值表逻辑函数式 逻辑图波形图 输入变量不同取值组合与函 数值间的对应关系列成表格 用逻辑符号来表示 函数式的运算关系 输入变量 输出变量 取值：逻辑0、逻辑1。逻辑0和逻辑1不代表数值 大小，仅表示相互矛盾、相互对立的两种逻辑态 反映输入和输出波形变 化的图形又叫时序图 ABCF 000 001 001 011 100 110 11 101 1 断“0” 合 “1” 亮“1” 灭“0” C开，F灭 0 0 0 0 C合，A、B中有 一个合，F亮 1 1 C合，A、B均断 ，F灭 0 逻辑函数式 挑出函数值为1的项 1 1 011 1110 1111 每个函数值为1的输入变量取值组合写成一个乘积项 这些乘积项作逻辑加 输入变量取值为1用原变量表 示;反之，则用反变量表示 ABC、ABC、ABC F= ABC+ABC+ABC 逻辑图 F= ABC+ABC+ABC 乘积项用与门实现 ，和项用或门实现 波形图 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 公式名称公式内容 公式名称公式内容 自等律A+0=A A1=A 交换律A+B=B+A A B=B A 0-1律A+1=1 A 0=0 结合律A+(B+C)=B+(C+A)=C+(A+B) A (B C)=B (C A)=C (A B) 重叠律A+A=A A A=A 分配律A+(B C)=(A+B) (A+C) A (B + C)=(A B) + (A C) 互补律 吸收律A+(A B)=A A (A + B)=A 复原律 反演律 (摩根定律 ) 逻辑代数的基本公式 函数的简化依据 逻辑电路所用门的数量 少 每个门的输入端个数少 逻辑电路构成级数少 逻辑电路保证能可靠地工作 降低成本 提高电路的工作 速度和可靠性 二、逻辑函数的简化 最简式的标准 首先是式中乘积项最少 乘积项中含的变量少 与或表达式的简化 代数法化简函数 与门的输入端个数少 实现电路的与门少 下级或门输入端个数少 方法： 并项： 利用 将两项并为一项， 且消去一个变量B 消项： 利用A + AB = A消去多余的项AB 配项：利用 和互补律、 重叠律先增添项，再消去多余项BC 消元：利用消去多余变量A 代数法化简函数 例：试简化函数 解： 利用反演律 配项加AB 消因律 消项AB 或与表达式的简化 F（或与式）求对偶式 F（与或式）简化 F（ 最简与或式）求对偶式 F（最简或与式） (1) 并项法 =（AB）C+（AB）C 在化简中 注意 代入规则 的使用 (2)吸收法利用公式 A+AB=A 利用公式 AB+AB=A 例: F=ABC+ABC+ABC+ABC =（AB+AB）C+（AB+AB）C =（A B）C+（A B）C=C =A+BC =(A+BC)+(A+BC)B+AC+D 例： F=A+ABC B+AC+D+BC 反演律 (3) 消项法利用公式 AB+AC+BC=AB+AC 例 ： F=ABCD+AE+BE+CDE =ABCD+(A+B)E+CDE =ABCD+ABE+CDE =ABCD+(A+B)E =ABCD+AE+BE (4) 消因子法利用公式 A+AB=A+B =AB+C (5) 配项法 例： F=AB+AC+BC =AB+（A+B）C =AB+ABC 利用公式 A+A=1 ；A 1=A 等 例： F=AB+AC+BC =AB+AC+(A+A)BC =AB+AC+ABC+ABC =(AB+ABC)+(AC+ABC) =AB+AC 小 结 几种常用的数制：二进制、八进制、十六进制和十进 制以及相互间的转换 码制部分：自然二进制码、格雷码、和常用的BCD码 任意一个R进制数按权展开： 带符号数在计算机中的三种基本表示方法：原码、反 码和补码， 运算结果的正确性以及溢出的性质：利用变形补码可判 断机器。 逻辑问题的描述可用真值表、函数式、逻辑图 分析和设计逻辑电路的重要数学工具：布尔代数 5.2 集成门电路 逻辑门：完成一些基本逻辑功能的电子电路。现使用的 主要为集成逻辑门。 上节已介绍晶体管的开关特性及组成的门电路 本节着重讨论的TTL和CMOS门电路的 逻辑功能和电气特性 简要介绍其他类型的双极型和MOS门电路 TTL电路分类: 中速TTL、高速TTL(HTTL)、肖特基TTL(STTL)、低功耗 TTL(LTTL) 、低功耗肖特基TTL(LSTTL) 、先进低功耗肖 特基TTL(ALSTTL)等。 5.2.1 TTL门电路 三极管三极管逻辑门电路(TTL),是指输入端和输 出端都用三极管的电路,简称TTL电路,是双极型数字集成 电路。 1. TTL与非门典型电路及其工作原理 (1) 电路组成 电路分三个部分: 输入级、中间级、输出级。 输入级：R1、V1 V1为多发射极晶体管 A B b c e b c AB e1 e2 中间级: Rc2、V2、RE2 分相、放大作用 输出级: R4、V4、V3、VD 输出级特点： 静态功耗低，开关速 度快，这种电路结构 称为推拉式电路。 (2) 工作原理 （a）当输入全为高电平 3.6V时。 V2、V3饱和导通，由于 V2饱和导通，UC2=1V。V4 和二极管D都截止。如图 所示。由于V3饱和导通 ，输出电压为： UO=UCES30.3V，实现了 与非门的逻辑功能之一 ：输入全为高电平时， 输出为低电平。 （b）当输入有低电平0.3V 该发射结导通，UB1=1V。V2 、V3都截止。如图所示。 忽略流过RC2的电流， UB4UCC=5V 。由于V4和VD 导通，所以： UOUCC-UBE4 -UD=5-0.7-0.7=3.6（V） 实现了与非门的逻辑功能 的另一方面：输入有低电 平时，输出为高电平。 综合上述两种情况，该电路满足与非 的逻辑功能 2.TTL与非门的电压传输特性 电压传输特性是指输出电压UO随输入电压UI的变化规律。 UO=f(UI) l 特性曲线分析 U0(V) VI(V) 3 2 1 0 0.5 1 1.5 截止区,V3管截止. 线性区,V3管截止,V4管 处于放大区 (射极跟随输出). 转折区,V2、V3由放大 进入饱和,V4进入截止. 饱和区,V3管饱和. UOH UOL UTH l 主要参数 (1)输出高电平UOH, 低电平UOL。 TTL集成电路系列型号及性能表 系 列 标准系列 低功耗肖 特基系列 肖特基系列 先进低功耗 肖特基系列 高速系列 先进肖特 基系列 快速系列 低功耗系列 型号举例 7400 74LS00 74S00 74ALS00 74F00 74AS00 74H00 74l00 功耗/门 P(mW) 10 2 19 1 4 10 22 2 传输时延 tpd(ns) 10 10 3 4 3 1.5 6 35 时延功耗积 P tpd(PJ) 100 20 57 4 12 15 132 35 电源电压VCC=5V 逻辑摆幅 3.5V 3.其他类型的TTL门电路 (1)集电极开路门(OC门) (以与非门为例说明) OC门的特点: 1) 实现线与功能 由于OC门的集电极是开路的, 要实现正常的逻辑功能,需外加 上拉电阻。 上拉 电阻 2) 作电平转换