数字电路(非常详细)（课堂PPT）

1、.1考试时间十一周（具体等教务通知） （100分钟）考试题型简答题、计算题、设计题半开卷考试 允许带矿大信纸一张，蓝色圆珠笔书写任意想要写的重点，考试结束时上交，算作平时成绩的一部分。考试地点具体等教务通知书上例题、作业、实验.2第一章 数制与编码 要求：要求： 会数制转换；会数制转换； 符号数的代码表示及应用；符号数的代码表示及应用； 8421BCD8421BCD码码、5421BCD5421BCD码、余三码、格雷码；码、余三码、格雷码；.3第二章逻辑代数基础要求：要求：概念：概念： 基本逻辑关系；基本逻辑关系； 逻辑函数的几种表示方法；逻辑函数的几种表示方法； 最小项及标准式；最小项及标准式

2、； 无关项。无关项。函数化简：函数化简：.4第三章逻辑门电路要求：要求： 概念；概念； 接口应用；接口应用； 特殊门及应用；特殊门及应用； 波形图。波形图。概念：概念： 基础门基础门； 集成门功能及电气特性及相应参数；集成门功能及电气特性及相应参数； 特殊门的特点及应用。特殊门的特点及应用。主要参数：主要参数：集成门使用接口：集成门使用接口：No,tNo,t , ,输入、输出特性；输入、输出特性；输入负载特性；输入负载特性；传输特性。传输特性。.5第四章组合逻辑电路集成组合电路的应用：集成组合电路的应用： 概念；概念； 分析设计方法；分析设计方法； 集成电路应用；集成电路应用；概念：概念： 组

3、合电路特点；组合电路特点； 半加与全加、编码、半加与全加、编码、译码译码、选择选择、比较；、比较； 竞争与险象。竞争与险象。组合电路的分析与设计方法：组合电路的分析与设计方法：要求：要求： SSI SSI一般分析设计方法由门实现；一般分析设计方法由门实现； MSI MSI真值表、表达式及变换为相应（逻辑部件）的形式。真值表、表达式及变换为相应（逻辑部件）的形式。注意使能端（控制端）的正确使用：注意使能端（控制端）的正确使用：.60.2 数字电路数字电路0.2.1. 基本概念电信号：指随时间变化的电压和电流。模拟信号：在时间和幅值上都为连续的信号。数字信号：在时间和幅值上都为离散的信号。模拟电路

4、：处理和传输模拟信号的电路。数字电路：处理和传输数字信号的电路。.70.2.2 模拟电路 模拟信号：时间上连续：任意时刻有一个相对的值。数值上连续：可以是在一定范围内的任意值。例如：电压、电流、温度、声音等。真实的世界是模拟的。缺点：很难度量；容易受噪声的干扰；难以保存。优点：用精确的值表示事物。模拟电路：处理和传输模拟信号的电路。三极管工作在线性放大区。.80.2.3 数字电路数字信号： 时间上离散：只在某些时刻有定义。 数值上离散：变量只能是有限集合的一个值，常用0、1二进制数表示。 .9数字信号取值：数字信号位数：例：0和1不表示数值的大小，没有数值的概念，仅表示两种截然不同的逻辑状态0

5、和1两种。即用二进制表示。1位二进制表示 2 种状态；n位二进制表示 2n种状态,取2n N灯的开关2种取值1位二进制数人的性别2种取值1位学生的籍贯32种取值5位学生的民族56种取值6位 (26 = 64 56)东西南北方位4种取值2位产品的计数N种取值 n位，2nN.10数字电路：处理和传输数字信号的电路。即能对数字信号进行算术运算和逻辑运算。三极管工作在开关状态，即饱和区或截止区。算术运算对两个(及以上)数字信号进行加、减、 乘、除的算术加工。逻辑运算对数字信号进行与、或、非及其它逻 辑关系的加工处理。单元电路：逻辑设计：把单元电路和逻辑部件组成系统，根据确定的功能要求，设计出相应的数字

6、电路。门电路、触发器由单元电路 构成逻辑部件.110.2.4. 数字电路特点（与模拟电路相比） （1）数字电路的基本工作信号是用1和0表示的二进制的数字信号，反映在电路上就是高电平和低电平。 （2）晶体管处于开关工作状态，抗干扰能力强、精度高。 （3）通用性强。结构简单、容易制造，便于集成及系列化生产。 （4）具有“逻辑思维”能力。数字电路能对输入的数字信号进行各种算术运算和逻辑运算、逻辑判断，故又称为数字逻辑电路。.120.2.5. 数字电路的分类（1）按功能分类 组合逻辑电路：电路的输出信号只与当时的输入信号有关，而与电路原来的状态无关。例：表决器 时序逻辑电路：电路的输出信号不仅与当时的

7、输入信号有关，而且还与电路原来的状态有关。例：计数器（2）按结构分类 TTL 双极型（BJT） CMOS 单极型（FET）.13（3）按集成电路规模分类集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目小规模集成电路(Small Scale IC，SSI) 10个门 10 100个元件中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI) 10 100个门 100 1000个元件大规模集成电路(Large Scale IC，LSI) 100 1000个门 1000 10000个元件超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI) 1000个门 10000个元件特大规模集成电路(U

8、ltra Large Scale IC，ULSI)巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI）.14越来越大的设计 越来越短的推向市场的时间（例如家电） 越来越低的价格（例如家电） 大量使用计算机辅助设计工具（EDA技术） 多层次的设计表述 大量使用复用技术 IP（Intellectual Property）.15从20世纪60年代以来数字集成电路经历了SSI 、MSI到LSI 、VLSI的发展过程,70 年代初1K位存储器标志LSI问世后，微电子技术得到迅猛发展。标志性的芯片主要有三类:一类是CPU的发展.自从晶体管级的CPU问世以来，其集成度几乎1-2年翻一倍，性能提高一

9、个数量级，例如：1971-1972年出现的Intel4004和4040（4位），其集成度为2000晶体管，1976年生产的8085（8位），集成度为9000晶体管/片；而1980年生产的Iapx43201（32位），集成度为100000晶体管/片，目前奔腾芯片的集成度都达到几百万甚至上千万个晶体管。工业用品的单片机也得到迅猛的发展，随着超大规模集成电路的发展，单片机已从4位、8位字长，发展到16位、32位字长。 另一类具有代表性的是专用ASIC的发展.由于EDA技术的发展，改变了传统的设计方式加之制造工艺水平的不断提高，ASIC以其适应面广，体积小，功耗低，而且具有高性能、高可靠性和高保密性等

10、优点得到广大芯片设计者的青睐。 .16第三类典型的芯片是可编程器件.包括数字可编程器件和模拟可编程器件。从20世纪70年代出现熔丝编程的PROM和PLA，数字可编程器件获得飞速发展，20世纪70年代末AMD公司在PLA的基础上推出PAL，80年代初期Lattice公司发明电可擦写的GAL器件。80年代中期Xilinx公司提出现场可编程的概念，于1985生产了世界上第一片FPGA器件。同期Altera公司推出了EPLD器件（Erasable Programmable Logic Device）。80年代末期Lattice公司提出了在系统可编程技术以后，相继推出一系列具备在系统可编程能力的复杂可编

11、程逻辑器件（CPLD-Complex PLD）。CPLD是在EPLD基础上发展起来的，它采用E2CMOS工艺制作，增加了内部连线，改进了内部结构体系，因而比EPLD的性能更好，设计也更加灵活。 .17专用集成电路（ASIC-Application Specific Integrated Circuit）是为满足某一应用领域或特定用户需要而设计、制造的LSI或VLSI电路，可以将特定的电路或一个应用系统设计在一个芯片上，构成单片应用系统（SOC）。ASIC可分为模拟ASIC和数字ASIC，数字ASIC又可以分为全定制和半定制两种。 全定制ASIC芯片的各层（掩膜）都是按特定电路功能专门制造的。设

12、计人员从晶体管级的版图尺寸、位置和互连线开始设计，以达到芯片面积利用率高、速度快、功耗低的最优性能。但全定制的ASIC制作费用高，周期长，适用于批量较大的产品。半定制是一种约束性设计方式。约束的目的是简化设计、缩短设计周期以及提高芯片的成品率。半定制的ASIC主要有门阵列、标准单元和可编程逻辑器件三种。门阵列：包括门电路、触发器等并留有布线区供设计人员连线，用户根据需要设计电路，确定连线方式，交生产厂家布线。标准单元：设计人员使用厂家提供的标准单元，利用CAD（或EDA）工具完成版图级的设计。与门阵列比较其设计灵活，功能强，但设计周期长，费用高。可编程逻辑器件：设计人员用厂家提供的通用型半定制

13、器件（PLD），借助特定的EDA软件进行设计，经过综合适配后形成特定的二进制文件（bitstream file），然后通过烧写器将文件写入芯片中，或通过ISP（In System Program）的方式下载到芯片中即可。用户通过可配置的逻辑器件进行电路设计,其特点成本低、设计周期短、可靠性高、承担的风险小。 .180.3 本课程讲授内容本课程讲授内容n绪 论n第一章n第二章n第三章n第四章n第五章n第六章n第七章n第八章n第十章数制与编码: “数”在计算机中怎样表示。 逻辑代数基础: 逻辑代数的基本概念、逻辑函数及其标准形式、逻辑函数的化简。组合逻辑电路的分析与设计。 触发器及其应用。 时序逻

14、辑电路的分析与设计。 脉冲电路。 半导体存储器RAM 。模/数(A/D)与数/模(D/A)转换。 逻辑门电路。.190.4 数字电路的学习方法数字电路的学习方法 （1）重视基础，突出应用；（2）重视外特性，少顾内部结构；（3）加强实践能力锻炼。 具体如下：（1）逻辑代数是分析和设计数字电路的重要工具，应熟练掌握。（2）重点掌握各种常用数字逻辑电路的逻辑功能、外部特性及典型应用。对其内部电路结构和工作原理不必过于深究。（3）掌握基本的分析方法。（4）本课程实践性很强。应重视习题、基础实验和综合实训等实践性环节。（5）注意培养和提高查阅有关技术资料和数字集成电路产品手册的能力。要求：掌握基本原理及

15、分析、设计方法 .200.6 成绩评定成绩评定 理论理论80% 80% 包括：平时包括：平时30 %30 %和和考试：考试： 70 %0.7 参考书参考书n数字电路逻辑设计第三版 王毓银 高教出版社n数字电子技术第四版 阎石 高教出版社n数字设计引论 沈嗣昌 高教出版社n电子系统设计何小艇等 浙江大学出版社n数字电路与系统设计邓元庆 西安电子科大出版社n数字电路龚之春 电子科技大学出版社（成都）n 习题集、专科教材、相关杂志 实验实验20% 20% 包括：操作包括：操作60 %60 %和和报告：报告： 40 %.21n熟练掌握各进位计数制间的相互转换。n熟练掌握一个数原码、反码、补码的表示，以

16、及原码、反码、补码的算术运算。n掌握8421BCD码、余3码、格雷码、奇偶校验码的特点。.221 1 进位计数制进位计数制2 2 数制转换数制转换3 3 带符号数的代码表示带符号数的代码表示4 4 常用的一般编码常用的一般编码.23 数码个数：数码个数：10个。个。计数规律计数规律:数数 制制：进位计数制：进位计数制：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9逢十进逢十进 1,借一当借一当10数码的个数和计数规律是进位计数制的两个决定因素计数体制、计数方法。计数体制、计数方法。高位进位，本位归高位进位，本位归0。.24例例：123.45=1102+2101+3100+410-1+510-2例例：1

17、23.45 读作 一百二十三点四五例例：123.45 读作 一百二十三点四五例例：123.45=1102+2101+3100+410-1+510-2 位置计数法位置计数法 按权展开式按权展开式 按权展开通式按权展开通式 和式和式(N)10 = an-110n-1+an-210n-2 + a1101+a0100 +a-1 10-1+a-210-2+a-m10-miinmiaN10)(110.25 用来表示数的数码的集合称为基（用来表示数的数码的集合称为基（09）, 集合的大小集合的大小称为基数称为基数(十进制为十进制为10)。即表示某种进位计数制所具有的数字符号的个数称为即表示某种进位计数制所具

18、有的数字符号的个数称为基基数数，也叫，也叫模。模。在十进制中，在十进制中，10的整幂次方称为的整幂次方称为10进制数的权。进制数的权。即表示某种进位计数制不同位置上数字的即表示某种进位计数制不同位置上数字的单位值单位值，位置不同表示的数值大小不同。位置不同表示的数值大小不同。123.45=1102+2101+3100+410-1+510-2数的位置不同，数的位置不同，权值不同。权值不同。 例例：.26二、二、 其它进制其它进制 其它进制的计数规律可看成是十进制计数制的推广，其它进制的计数规律可看成是十进制计数制的推广，对任意进制对任意进制 R，数，数N可以表示成按权展开式：可以表示成按权展开式

19、：(N)R = an-1R n-1+an-2R n-2 + a1R1+a0R0 +a-1 R-1+a-2R-2+a-mR-miinmiRa 1(N) R=(an-1 an-2 a1 a0. a-1 a-2 a-m)R.27权值一般用十进制表示 R2 二进制二进制数码个数数码个数2个：个： 计数规律计数规律:例：例：0,1逢二进逢二进 1,借一当借一当 2(11011.01)2 = 124+123 +022+121+120 +02-1 +12-21(10)100+1(10)11 +0(10)10+1(10)1+1 (10)0 + 0(10)-1 +1(10)-10权值一般用十进制表示.28 只有

20、两个数码, 很容易用物理器件来实现。 运算规则简单。 可使用逻辑代数这一数学工具。 节省设备例：如需表示数字例：如需表示数字0999，共有，共有1000个信息量。个信息量。十进制：用十进制：用3位，每位位，每位10个数字，共需个数字，共需30个数字设备。个数字设备。二进制：用二进制：用10位，每位位，每位2个数字，共需个数字，共需20个数字设备。个数字设备。.29 R8 八进制八进制数码个数数码个数8个：个： 计数规律计数规律:例：例：0,1,2,3,4,5,6,7逢八进逢八进 1,借一当借一当 8(176.5)8 = 182+781 +680 +58-11(10)2+7(10)1 +6 (1

21、0)0+5(10)-1.30 R16 十六进制进制数码个数数码个数16个：个： 计数规律计数规律:例：例： 其它进制其它进制 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F (0 10 15)逢十六进逢十六进 1,借一当借一当 16(FA1.C)16 = F162+A161 +1160 +C16-1F(10)2+A(10)1 +1 (10)0+C(10)-1如六进制、十二进制、二十四进制、六十进制等。如六进制、十二进制、二十四进制、六十进制等。书书P5 表表1.1.1所列各进制对应值要求熟记。所列各进制对应值要求熟记。.31几种常用数制的几种常用数制的表示方法表示方法（P5）R

22、10二进制八进制十六进制000011112102231133410044510155611066711177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F16100002010.32说明：说明： 转换是任意的。转换是任意的。 方法：多项式替代法方法：多项式替代法基数乘除法基数乘除法混合法混合法直接转换法直接转换法1010 10 K ， K .33一、多项式替代法一、多项式替代法 （R10）(11011.11)2 = ( )10=124+123 +022+121+120 +12-1 +12-216 8

23、0 2 1 0.5 0.25 =(27.75)10 (321.4)8 = ( )10=382+281+180 +48-1192 16 1 0.5 =(209.5)10 例例1：例例2：规则：规则：按权展开，相加求和按权展开，相加求和.34二、基数乘除法二、基数乘除法（ 10 R ）整数的转换基数除法规则：规则：除基取余，除基取余，商零为止商零为止例例 1：解：解：(25) 10 = ( ) 2 余余2251122 余余 062 余余 032 余余 10 (25)10=(11001)2低位高位2 余余 11.35二、基数乘除法二、基数乘除法（ 10 R ）整数的转换基数除法规则：规则：除基取余，

24、除基取余，商零为止商零为止例例 2：解：解：(54) 10 = ( ) 16 余余16546316 余余 30 (54)10=(36)16低位高位.36小数的转换基数乘法规则：规则：乘基取整，满足精度要求为止。乘基取整，满足精度要求为止。例例 3：(0.125) 10 = ( ) 20.125 20. 25 2 0 . 5 2 1 . 0低位高位(0.125) 10 = (0.001 ) 2.37小数的转换基数乘法规则：规则：乘基取整，满足精度要求为止。乘基取整，满足精度要求为止。例例 4：(0.125) 10 = ( ) 40.125 40. 5 4 2 . 0低位高位(0.125) 10

25、= (0.02 ) 4.38小数的转换基数乘法例例 5：(29.93) 10 = ( ) 2 余余2291142余余072 余余 132余余102 余余 11低位高位0.93 2 1. 8 6 2 1. 7 2 2 1. 4 4低位高位高位 2 0. 8 8 2 1. 7 6 (29.93)10=(11101.11101)2.39 小数的精度若求出的是若求出的是有有限位小数，表明已求出准确的转换小数；限位小数，表明已求出准确的转换小数；若求出的是若求出的是无无限位小数，表明转换出的小数存在误差。限位小数，表明转换出的小数存在误差。 取数原则：取数原则： 等精度转换；等精度转换；按题意要求按题意

26、要求等精度转换等精度转换设设进制有进制有 i位小数，转换后位小数，转换后进制有进制有 j位小数。位小数。(0.001)= (1-i)10 (0.001) = (1-j)10 i位 j位(0.01)2= (12-2)10(0.1)4= (14-1)10.40等精度转换等精度转换(续续)转换后应使： 1-j 1-i即 i j 故故取满足不等式的最小整数取满足不等式的最小整数lglgij例例: (0.3021)10( )16 ，已知精度为(0.1) 410 解：解： 10，16，i432. 316lg10lg4j取 j=4.41按题意要求按题意要求例例: (0.3021)10( )2 ，要求精度 0

27、.1% 解解:例例: (0.3021)10( )8 ，要求精度 0.01%解解:102110001%1 . 0取 j=10581100001%01. 0取 j=5.42三、混合法三、混合法 ( 10 )(N) (N)10 (N) 多项式替代法多项式替代法 基数乘除法基数乘除法例例: (2022)3( )8解解:(2022)3 =233 +032+231+230 = (62)10= (76)8.43四、直接转换法四、直接转换法(K ， K )一般在二、八、十六进制之间转换一般在二、八、十六进制之间转换 八进制与二进制之间的转换：八进制与二进制之间的转换：(10011100101101001000

28、.01)B=(010 011 100 101 101 001 000.010)B =()O01554=(2345510.2)O322从小数点开始从小数点开始3位一组位一组不足补不足补0不不足足补补0.44 十六进制与二进制之间的转换：十六进制与二进制之间的转换：(10011100101101001000.01)B=(1001 1100 1011 0100 1000.0100)B =()H84BC9=( 9CB48.4 ) H不足补不足补0从小数点开始从小数点开始4位一组位一组4.45反之:(345.7)O =( ) B(345.7)O =(011 100 101.111 ) B1位八进制对应位

29、八进制对应3位二进制位二进制(27B.7C)H =( ) B(27B.7C)H =(0010 0111 1011.0111 1100 ) B1位十六进制位十六进制对应对应4位二进制位二进制=(10 0111 1011.0111 11 ) B0可去掉可去掉.46一、符号数真值：在数值前加“”号表示正数； 在数值前加“”号表示负数。机器数：把符号数值化的表示方法称。用“0”表示正数，用“1”表示负数。例： 真值 机器数91001 0100191001 11001符号位符号位.47二、原码常用的机器数有：常用的机器数有：原码、反码、补码原码、反码、补码其符号位规则相同，数值部分的表示形式有差异。其符

30、号位规则相同，数值部分的表示形式有差异。符号位数值位正0 不变负1例：X11101 X1原=01101X21101 X2原=11101直观易辨认；有2个0；符号不参与运算；数值范围10000000000原 特点： 组成：（2(n-1)1）（2(n-1)1） .48三、反码 组成： 特点：符号位数值位正0 不变负1 取反 例：X11101 X1反=01101X21101 X2反=1001011111000000反X11101 X1反=10010X1反反= 11101= X1原正数的反码同原码， 负数的反码数值按位取反；有2个0；反码的反码为原码；数值范围（2(n-1)1）（2(n-1)1） .4

31、9 特点(续)两数和的反码等于两数反码之和；两数和的反码等于两数反码之和；符号位参与运算符号位参与运算,有进位时循环相加有进位时循环相加。例：已知 X11100 X21010 求 Y1 X1 X2 ； Y2 X2 X1 解： X1反=01100 ， X1反=10011， X2反=01010 ， X2反=10101 Y1反 X1反 X2反= 00010 Y10010 0 1 0 1 0+ 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0+ 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1+ 1 0 0 0 1 0循环相循环相加加 Y2反 X2反 X1反= 11101 Y20010.50四、补

32、码 组成： 特点：符号位数值位正0 不变负1 取反1 例：X11101 X1补=01101X21101 X2补=1001100000111111000000补正数的补码同原码，正数的补码同原码， 负数的补码数值按位取反负数的补码数值按位取反1；只有只有1个个0；补码的补码为原码；补码的补码为原码；数值范围数值范围X11101 X1补=10011X1补补= 11101= X1原2(n-1)（2(n-1)1）， .51补码的计算和引进补码的原因： 数值有正负之分,计算机就用一个数的最高位存放符号(0为正,1为负).这就是机器数的原码了.假设机器能处理的位数为8.即字长为1byte，原码能表示数值的

33、范围为(-127-0 +0127)共256个.有了数值的表示方法就可以对数进行算术运算.但是很快就发现用带符号位的原码进行乘除运算时结果正确,而在加减运算的时候就出现了问题,如下: 假设字长为8bitsn( 1 ) 10- ( 1 )10 = ( 1 )10 + ( -1 )10 = ( 0 )10n(00000001)原 + (10000001)原 = (10000010)原 = ( -2 ) 显然不正确.52因为在两个整数的加法运算中是没有问题的,于是就发现问题出现在带符号位的负数身上,对除符号位外的其余各位逐位取反就产生了反码.反码的取值空间和原码相同且一一对应. 下面是反码的减法运算:

34、( 1 )10 - ( 1 ) 10= ( 1 ) 10+ ( -1 ) 10= ( 0 )10(00000001) 反+ (11111110)反 = (11111111)反 = ( -0 ) 有问题.( 1 )10 - ( 2)10 = ( 1 )10 + ( -2 )10 = ( -1 )10(00000001) 反+ (11111101)反 = (11111110)反 = ( -1 ) 正确问题出现在(+0)和(-0)上,在人们的计算概念中零是没有正负之分的.53于是就引入了补码概念. 负数的补码就是对反码加一,而正数不变,正数的原码反码补码是一样的.在补码中用(-128)代替了(-0)

35、,所以补码的表示范围为:(-1280127)共256个.已知某数的补码,先求某数的反码,然后在对反码+1,就得到某数的原码.比如:已知某个数的补码是:10100110先对10100110求反,得:11011001再对11011001加1,得: 11011010那么这个数为-86.54 特点(续)两数和的补码等于两数补码之和；符号位参与运算,有进位时丢弃。例：已知 X11100 X21010 求 Y1 X1 X2 ； Y2 X2 X1 解： X1补=01100 ， X1补=10100， X2补=01010 ， X2补=10110 Y1补 X1补 X2补= 00010 Y10010 0 1 0 1

36、 0+ 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0+ 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0进位丢进位丢弃弃 Y2补 X2补 X1补= 11110 Y20010.55计数容量计数容量。例：计算机的字长为L，模数为2L。 1 0 0 1 9+ 1 0 0 0 8 1 0 0 0 1 17丢弃 在模16的系统中，17(mod16) =1 (mod16)在某一模数系统中，模数为在某一模数系统中，模数为N，如果，如果a、b的余数相同，的余数相同，则称则称a、b模模N同余。例：同余。例：17和和33在模在模16系统中同余系统中同余1。同余的两数，在同一模数系统中值相等，即为余数。同余

37、的两数，在同一模数系统中值相等，即为余数。同余同余：模模：1.概念概念.562.补码的应用：变减为加补码的应用：变减为加一般而言：一般而言：在模在模N的系统中，数的系统中，数L与与N - L是一对互补的数。是一对互补的数。L补数=N+L ; -(N1) L Ibs ， 开关闭合。VVRRVIicesCccCcesccbsb7 . 0 , VV倒置倒置反偏正偏， 与放大相反.174开关作用（静态特性）开关作用（静态特性） （续）（续）临界饱和：临界饱和：饱和系数：饱和系数：10KVcc=5V1k Y =30iVTbsbIiB B越大，饱和越深；越大，饱和越深；反之饱和则浅反之饱和则浅VVRVII

38、icesCcescccbsb7 . 0 , VCcccbsbRIIi7 . 0V说明：说明：因所以，临界饱和电流是由外电路（Rc）决定的， Rc不同，临界饱和电流是不一样的。Vbc0 V 时，时，T处于临界饱和处于临界饱和.175例例1:计算图示电路的临界饱和电流。计算图示电路的临界饱和电流。 =30Vces=0.7VRbiVTRcReicibieVccVoeCcesccbscesccebsCbscescceeCsCeecesccsRRVVIVVRIRIVVRIRIRRIVVI）（）（即：解：11 cc.176转换过程（动态特性）转换过程（动态特性）T从：从：截止导通 ，建立电荷需要时间 to

39、n导通截止存储电荷消散需要时间 toff 开关时间开关时间:说明说明: 转换时间：截止导通 时间ton较小 导通截止时间toff较大 toff中 ts占主要部分。 td -delay; tr -raise; ts -save; tf -fall 。max9 . 0cImax1 . 0cIdtrtstftcit0iVt0fsoffrdontttttt开启 延时 上升关闭 存储 下降.177四、基本门电路四、基本门电路对应三种基本逻辑运算，有三种基本门电路二极管与门（二极管与门（D与门）与门）电路电路 5V A0V BFRD1D2Vcc（5V）原理原理VA VB VF D1 D20V 0V 0.7

40、V 通通 通通0V 5V 0.7V 通通 止止5V 0V 0.7V 止止 通通5V 5V 5 V 止止 止止电路分析要求出输入的电路分析要求出输入的各种组合与输出的关系各种组合与输出的关系电位表：电位表：.178VA VB VF D1 D20V 0V 0.7V 通通 通通0V 5V 0.7V 通通 止止5V 0V 0.7V 止止 通通5V 5V 5 V 止止 止止0低电位低电位1高电位高电位真值表真值表: A B F 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1实现实现了与了与逻辑逻辑功能功能实现实现了与了与逻辑逻辑功能功能符号符号ABF&国标国标 惯用惯用 国外国外ABFABF.1

41、79 二极管或门（二极管或门（D或门）或门）电路电路 5V A0V BFRD1D2原理原理VA VB VF D1 D20V 0V 0V 止止 止止0V 5V 4.3V 止止 通通5V 0V 4.3V 通通 止止5V 5V 4.3V 通通 通通电位表：电位表：0低电位低电位1高电位高电位真值表真值表: A B F 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1实现实现了或了或逻辑逻辑功能功能实现实现了或了或逻辑逻辑功能功能.180符号符号国标国标 惯用惯用 国外国外FAB1ABFABF.181 晶体管非门晶体管非门 (反相器反相器)符号符号电路电路原理原理VA VF T0V 5V 止止5V 0.

42、3V 通通电位表：电位表：真值表真值表: A F 0 1 1 0实现实现了非了非逻辑逻辑功能功能实现实现了非了非逻辑逻辑功能功能ARbRcVcc( 5V)FT国标国标 惯用惯用 国外国外FA1AFFA.182 复合门复合门把单级门电路把单级门电路级联级联起来起来,构成复合门构成复合门,如如:与非门、或非门等等与非门、或非门等等。异或门YY与非门YABY或非门异或非门YYYY国标国标 惯用惯用 国外国外ABABABABABABABY&Y1Y=1Y=ABABABAB.183 正逻辑正逻辑 门电路的输入、输出电压定义为：门电路的输入、输出电压定义为： 负逻辑负逻辑说明：说明： 前面所述基本门

43、电路均以正逻辑定义。前面所述基本门电路均以正逻辑定义。 同一个逻辑门电路，在不同逻辑定义下，同一个逻辑门电路，在不同逻辑定义下， 实现的逻辑功能不同。实现的逻辑功能不同。 数字系统中，不是采用正逻辑就是采用数字系统中，不是采用正逻辑就是采用 负逻辑，而负逻辑，而不能混合使用不能混合使用。 本书中采用本书中采用正正逻辑系统。逻辑系统。低电位低电位 0高电位高电位 1 门电路的输入、输出电压定义为：门电路的输入、输出电压定义为：低电位低电位 1高电位高电位 0五、逻辑约定（了解）五、逻辑约定（了解）.184正负逻辑约定举例正负逻辑约定举例VA VB VF D1 D20V 0V 0.7V 通通 通通

44、0V 5V 0.7V 通通 止止5V 0V 0.7V 止止 通通5V 5V 5 V 止止 止止正逻辑正逻辑 5V A0V BFRD1D2Vcc（5V）电位表：电位表： A B F 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1负逻辑负逻辑 A B F 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0真值表真值表真值表真值表正与逻辑正与逻辑负或逻辑负或逻辑FABFAB等价等价.185 正负逻辑转换正负逻辑转换（只需了解）（只需了解）依据依据:BAFBAFBAFABF 一个门的输入和输出同一个门的输入和输出同时取反，则：时取反，则： 正逻辑正逻辑负逻辑负逻辑目的：目的：方法：方法：从后往前的奇数级上

45、，输入、输出都取反，且与门或门，或门与门，即可化简电路。化简和转换电路。.186Y&AB&CDEF正负逻辑转换举例正负逻辑转换举例HECDABY Y&AB&CDEF1.奇数级，前后取反2.相互抵消3.与门或门11Y&AB&CDEH11HCDEABEHECDABY )(.1872 TTL集成门电路集成门电路(与非门与非门) 二极管-晶体三极管逻辑门（DTL）集集 晶体三极管-晶体三极管逻辑门（TTL）成成 双极型 射极耦合逻辑门 （ECL）逻逻 集成注入逻辑门电路 （ ）辑辑 N沟道MOS门 (NMOS)门门 单极型(MOS型) P 沟道MOS门

46、(PMOS) 互补MOS门 (CMOS)LI2集成门电路按开关元件分类集成门电路按开关元件分类集成：集成：把晶体管、电阻、和导线等封装在一个芯片上。.188一、电路一、电路CBAF+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC 多发射极多发射极输入级输入级中间中间倒相级倒相级推挽推挽输出级输出级输入级由多发射极晶体管输入级由多发射极晶体管T1和基极电组和基极电组R1组成，它组成，它实现了输入变量实现了输入变量A、B、C的与运算。的与运算。BFRD1D3Vcc（5V）D2ACD4中间级是放大中间级是放大级，由级，由T2、R2和和R3组成，组成，T2的集电极的集电极C2和和发射

47、极发射极E2可以可以分提供两个相分提供两个相位相反的电压位相反的电压信号信号C2E2输出级：由输出级：由T3、T4、T5和和R4、R5组成，其中组成，其中T3、T4构成复合构成复合管，与管，与T5组成推拉式输出结构组成推拉式输出结构，具有较强的负载能力。，具有较强的负载能力。.189“0”1VVb1=0.3+0.7=1VVb1=0.3+0.7=1V三个三个PN结结导通需导通需2.1V+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1VVV 3.63.60.3二、工作原理二、工作原理T2T2截止截止T5T5截止截止( (不足以导通不足以导通) )T1T1深饱和深饱和(T1(T1基极电压

48、最高基极电压最高) )1. 输入有低电平（输入有低电平（0.3V）时）时不足以让不足以让T2、T5导通导通.190+5VFR4R2R13kR5T3T4T1b1c1ABC“0”1Vuouo=5-uR2-ube3-ube4 3.6V高电平！高电平！ 1. 输入有低电平（输入有低电平（0.3V）时）时(续续)T1T1深饱和深饱和T2T2截止截止T5T5截止截止T3T3导通导通T4T4导通导通结论结论1:输入有低时输入有低时,输出为高输出为高.191T1:T1:倒置倒置全导通全导通Vb1=2.1VVc1=1.4V全反偏全反偏 1V截止截止+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1AB

49、C 2. 输入全为高电平（输入全为高电平（3.6V）时）时2.1V1.4VT1管管:Ve1=3.6V Vb1=2.1V Vc1=1.4VNPN:Ve1Vb1Vc1T1管在倒置工作状态管在倒置工作状态3.6V通过设置R2和R3使T2,T5管饱和导通,Vce2=0.3V所以:Vc2=1VT3:放大Vb4=0.3V T4:截止0.3VT2:T2:饱和饱和T5:T5:饱和饱和T3:T3:放大放大T4:T4:截止截止放大放大0.7V.192+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC饱和饱和uF=0.3V 2. 输入全为高电平（输入全为高电平（3.6V）时）时(续续)饱和饱和3.6VT1:T1:倒

50、置倒置T2:T2:饱和饱和T5:T5:饱和饱和T3:T3:放大放大T4:T4:截止截止结论结论2:输入全高时输入全高时,输出为低输出为低T5饱和,Vce5=0.3V.193工作原理小结工作原理小结:输入有低电平（输入有低电平（0.3V）时）时 V VF F=3.6V=3.6V2. 输入全为高电平（输入全为高电平（3.6V）时）时 V VF F=0.3V=0.3VT1:T1:倒置倒置T2:T2:饱和饱和T3:T3:放大放大T4:T4:截止截止T5:T5:饱和饱和T1T1深饱和深饱和T2T2截止截止T3T3微饱和微饱和T4T4放大放大T5T5截止截止CBAF3. 逻辑功能逻辑功能.1943. 输入

51、多发射极的作用（了解）输入多发射极的作用（了解） TTLTTL集成门在输入级采用集成门在输入级采用晶体管晶体管多发射极多发射极，其作用是其作用是: :1.1.参数一致性好参数一致性好; ;2.2.缩小体积缩小体积; ;3.3.缩短缩短T2T2从饱和向截止的转换时间从饱和向截止的转换时间加速转换过程加速转换过程。 ( (即加速输入由全即加速输入由全“1”1”输入有输入有“0”0”的转换过程的转换过程) ).195输入多发射极的作用（续）输入多发射极的作用（续）+5V3.60.3FR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5b1c13.6VVc3.6V饱和饱和饱和饱和饱和到截止，基区电荷需要消散时间饱

52、和到截止，基区电荷需要消散时间1V放大区放大区集电极电流集电极电流1.4V基区电荷迅速消散基区电荷迅速消散T2截止，截止，Vc2电压升高，电压升高，T3导通，做导通，做电压跟随电压跟随T4进入放大。进入放大。集电极电流加大，集电极电流加大，T5迅速截止迅速截止由于多发射极输入级的存在，由于多发射极输入级的存在，T1在转换瞬间进入放大状态，加速了在转换瞬间进入放大状态，加速了T2的的状态转换，从而加速了整个电路的工作速度。状态转换，从而加速了整个电路的工作速度。VA=VB=.196输出级采用输出级采用推挽电路推挽电路不仅不仅提供比较大的带负提供比较大的带负载能力，载能力，而且而且在接容性负载的状

53、态转换时，可以在接容性负载的状态转换时，可以产生比较大的充放电电流，产生陡峭的上升或下产生比较大的充放电电流，产生陡峭的上升或下降沿，也提高了整体电路的开关速度。降沿，也提高了整体电路的开关速度。4. 推挽输出电路的作用（了解）推挽输出电路的作用（了解）.197+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5“1”“1”“1”RL5V5V饱和饱和截止截止T5T5深度饱和，集深度饱和，集电极电流可以全部电极电流可以全部用于驱动负载。用于驱动负载。输出电阻为输出电阻为T5T5的的饱和饱和c-e c-e 电阻，阻电阻，阻值很小，带负载能值很小，带负载能力强。力强。输出为低电平时输出为低电平时： 容性

54、负载时容性负载时, ,放电较快放电较快, ,形成陡峭的下降沿。形成陡峭的下降沿。R RL LCo.198输出为高电平时：输出为高电平时：+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5“0”“1”“1”RL截止截止T4T4处在放大区，处在放大区，工作在射极输出状态，工作在射极输出状态，组成组成电压跟随器电压跟随器，跟跟随随VCCVCC，输出稳定，输出稳定，带负载能力强。带负载能力强。 容性负载时容性负载时, ,充电较快充电较快, ,形成陡峭的上升沿。形成陡峭的上升沿。Co.199TTLTTL集成电路的外特性包括：集成电路的外特性包括：n电压传输特性电压传输特性 V VO O = = f(Vf(

55、Vi i) )n输入输入/ /输出特性输出特性VOH输出高电平，输出高电平， VOL输出低电平，输出低电平，VOFF关门电平，关门电平，VON开门电平：开门电平：VT门坎电平，门坎电平， 噪声容限：噪声容限：VNH ，VNL。 输入伏安特性输入伏安特性 ii = f（Vi）输入负载特性输入负载特性 Vi = f（Ri）开门电阻开门电阻 RON，关门电阻，关门电阻 ROFF输出特性输出特性 Vo = f（ io ）输出低电平，输出低电平， 输出高电平输出高电平输入短路电流输入短路电流IIS输入漏电流输入漏电流IIH灌电流灌电流 拉电流拉电流扇出系数扇出系数.200三、电压传输特性三、电压传输特性

56、ViVo&VVVCC输出电压输出电压V VO O随输入电压随输入电压V Vi i变化的关系曲线，即变化的关系曲线，即 V VO O = = f f(V(Vi i) )。测试电路测试电路传输特性曲线传输特性曲线V0(V)Vi(V)1233.6VBCDE0.6V 1.4V0A 电压传输特性电压传输特性.201电压传输特性分析电压传输特性分析V0(V)Vi(V)1233.6VBCDE0.6V 1.4V0ABCBC段：段：线性区，当线性区，当0.6VV0.6VVi i1.3V1.3V，0.7VV0.7VV b2 b21.4V1.4V时，时，T T2 2开始导通，开始导通，T T5 5仍截止，仍

57、截止，V VC2C2随随V Vb2b2升高而下降，经升高而下降，经T T3 3、T T4 4两级射随器使两级射随器使V VO O下降。下降。ABAB段：段：截止区截止区, ,当当V VI I0.6V0.6V，V Vb1b11.3V1.3V时，时，T T2 2、T T5 5截止，输出高电平截止，输出高电平V VOH OH = 3.6V= 3.6VViVo&VVVCC.202电压传输特性分析电压传输特性分析V0(V)Vi(V)1233.6VBCDE0.6V 1.4V0ACDCD段：段：转折转折,V Vi i=1.4V,T2=1.4V,T2、T5T5饱和饱和, Vo逐渐减小逐渐减小。DEDE

58、段：段：饱和区饱和区,V Vi i1.4V1.4VV VO O0.3V0.3VViVo&VVVCC.203几个参数几个参数VOH输出高电平：输出高电平：VOL输出低电平：输出低电平：与非门输入有低时，与非门输入有低时，Vo VOH 产品规范值产品规范值:VOH2.4V典典 型型 值值: VOH3.5V标准高电平标准高电平: VOH=VSH=2.4V与非门输入全高时，与非门输入全高时，Vo VOL 产品规范值产品规范值:VOL0.4V典典 型型 值值: VOL0.3V标准高低平标准高低平: VOL=VSL=0.4V1. VOH 和和 VOL都是对具体门输出高、低电平都是对具体门输出高、低

59、电平电压值电压值的的 要求。要求。2.高电平表示一种状态，低电平表示另一种状态，高电平表示一种状态，低电平表示另一种状态， 一种状态对应一定的电压范围，而不是一个固定值。一种状态对应一定的电压范围，而不是一个固定值。说明：说明：0V5V2.4VVSLVSH0.4V.204几个参数（续）几个参数（续）VOFF关门电平：关门电平：VON开门电平：开门电平：VT门坎电平：门坎电平：与非门在保证输出为高电平时，与非门在保证输出为高电平时，允许的最大输入低电平值。允许的最大输入低电平值。 VOFF0.8V与非门在保证输出为低电平时，与非门在保证输出为低电平时，允许的最小输入高电平值。允许的最小输入高电平

60、值。 VON2 VVVVVOFFONT4 . 12此时输入有低此时输入有低此时输入全高此时输入全高.205噪声容限噪声容限VSHVONVOFFVSLVNHVNL1100定义：定义：高电平噪声容限高电平噪声容限VNH VSH VON 2.420.4V低电平噪声容限低电平噪声容限VNL VOFF VSL 0.80.4V0.4V在保证在保证输出输出高、低电平高、低电平性质性质不变不变的条件下，输入电平的允许波动的条件下，输入电平的允许波动范围称为范围称为输入端噪声容限输入端噪声容限。.206四、输入四、输入/ /输出特性输出特性 输入伏安特性：输入电压与输入电流之间的关系曲线，输入伏安特性：输入电压与输入电流之间的关系曲线，即即ii = f（Vi）+5VR2R13kT2T1Vi