第二节 数字电路基础 2、晶体管的开关作用

1、数字电路基础数字电路基础n模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号n晶体管的开关作用晶体管的开关作用n基本逻辑门电路基本逻辑门电路n数字集成电路数字集成电路第一课第一课 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号数码照相机 数码手机 MP3 手掌游戏机 n 模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号tu正弦波信号正弦波信号l 模拟信号模拟信号随时间随时间连续变化的连续变化的信号。信号。如：速度、如：速度、压力、温度压力、温度等。等。数字信号在电路中常表现为突变的电压或电流数字信号在电路中常表现为突变的电压或电流 l 数字信号数字信号随时间跳随时间跳跃式变化的信跃式变化的信号。号。 如：电子表如：电子表的秒信号

2、，生的秒信号，生产线上记录零产线上记录零件个数的记数件个数的记数信号等。信号等。脉冲信号脉冲信号数字信号的两种状态数字信号的两种状态正逻辑体制正逻辑体制 规定：高电平为逻辑规定：高电平为逻辑1 1，低电平为逻辑，低电平为逻辑0 0。负逻辑体制负逻辑体制 规定：低电平为逻辑规定：低电平为逻辑1 1，高电平为逻辑，高电平为逻辑0 0。 数字信号是一种二值信号，只有两种状态：高电数字信号是一种二值信号，只有两种状态：高电平和低电平，可以用数字平和低电平，可以用数字“1”1”和和“0”0”表示。表示。 逻辑逻辑0 逻辑逻辑0 逻辑逻辑0 逻辑逻辑1 逻辑逻辑1 由于温度变化、电源电压波动由于温度变化、

3、电源电压波动及元件特性变化、干扰等原因的影及元件特性变化、干扰等原因的影响，实际的高电平和低电平都不是响，实际的高电平和低电平都不是一个固定数值，而是一个变化范围，一个固定数值，而是一个变化范围，不同场合有不同的规定。一般高电不同场合有不同的规定。一般高电平变化范围在：平变化范围在：2.75V，低电平变，低电平变化范围在：化范围在：00.4V。数字电路数字电路v 处理数字信号的电路叫数字电路，电子计算机处理数字信号的电路叫数字电路，电子计算机就是建立在数字技术基础上的。就是建立在数字技术基础上的。v声音、图象等模拟信号可用声音、图象等模拟信号可用A/D转换器（模数转换器（模数转换器）转换成二进

4、制的数字信号，而转换器）转换成二进制的数字信号，而二进制的二进制的数字信号数字信号也可用也可用D/A转换器（数模转换器）转换转换器（数模转换器）转换成声音、图象等模拟信号。成声音、图象等模拟信号。v 数字电路的可靠性强，受外界干扰的影响小，数字电路的可靠性强，受外界干扰的影响小，因此具有高速度、高保密、高保真等优点。因此具有高速度、高保密、高保真等优点。 相对于模拟信号而言，数字信号中所包含的相对于模拟信号而言，数字信号中所包含的信息量少，在定义、处理、传输、存储等过程中信息量少，在定义、处理、传输、存储等过程中可以非常明确和方便。能够以很大的概率避免传可以非常明确和方便。能够以很大的概率避免

5、传输媒介、存储介质等物理环境和材料所产生的各输媒介、存储介质等物理环境和材料所产生的各种不确定性（如噪声、误差、突发错误）所带来种不确定性（如噪声、误差、突发错误）所带来的不利影响。的不利影响。 随着电子技术的不断进步和成熟，出于可靠随着电子技术的不断进步和成熟，出于可靠性、复杂度、功耗、尺寸、成本等问题的考虑，性、复杂度、功耗、尺寸、成本等问题的考虑，人们越来越倾向于用数字电路来完成原本必须用人们越来越倾向于用数字电路来完成原本必须用模拟电路来完成的事情。模拟电路来完成的事情。 目前常用的电子电路越来越多的以集成芯片目前常用的电子电路越来越多的以集成芯片（ICIC）为核心，而集成芯片中大多数

6、是基于数字）为核心，而集成芯片中大多数是基于数字技术的。技术的。数字降噪原理解释图 数字降噪原理解释图耳机内部使用的芯片和耳机单元部分设计第二课第二课 晶体管的开关作用晶体管的开关作用 数字电路中最基本的元器件数字电路中最基本的元器件是是晶体二极管晶体二极管和和晶体三极管晶体三极管，它，它们一般都工作在开关状态，即工们一般都工作在开关状态，即工作于作于导通导通和和截止截止两个对立的状态，两个对立的状态，来表示逻辑来表示逻辑1和逻辑和逻辑0，处理具有，处理具有开关特性的数字信号。开关特性的数字信号。l 二极管具有单向导电性二极管具有单向导电性 晶体二极管的开关作用晶体二极管的开关作用l 二极管在

7、数字电路中表现为是一个二极管在数字电路中表现为是一个受外加电压受外加电压vi控制的开关控制的开关。当外加电压。当外加电压vi为一脉冲信号时，二极为一脉冲信号时，二极管将随着脉冲电压的变化在管将随着脉冲电压的变化在导通导通与与截止截止状态之间转状态之间转换。换。 在电路中只有两种在电路中只有两种工作状态：工作状态：正向导通正向导通（相当开关接通），（相当开关接通），反向截止反向截止（相当开关断开）（相当开关断开）l 通过控制基极电流，能使三极管分别处于通过控制基极电流，能使三极管分别处于放大放大、截止截止和和饱和饱和三种工作状态。三种工作状态。晶体三极管的开关作用晶体三极管的开关作用三极管的电路

8、符号三极管的电路符号l 在数字电路中，三极管实在数字电路中，三极管实质上是一个质上是一个受基极信号控制受基极信号控制的无触头开关。的无触头开关。只要在三只要在三极管的基极输入相应的极管的基极输入相应的控制信号，控制信号，就能使三极管就能使三极管处于处于截止截止（相当开关断开）（相当开关断开）和和饱和饱和（相当开关接通）（相当开关接通）状状态，起到开关的作用。态，起到开关的作用。n 基本逻辑门电路基本逻辑门电路l在数字电路中，输出信号和输入信号之间存在一定在数字电路中，输出信号和输入信号之间存在一定的逻辑关系。门电路是用以实现逻辑关系的电子电路，的逻辑关系。门电路是用以实现逻辑关系的电子电路，是

9、数字电路的基本单元。是数字电路的基本单元。l最基本的门电路是一种有一个或多个输入端，只有最基本的门电路是一种有一个或多个输入端，只有一个输出端的开关电路。门电路就像一扇门，当具备一个输出端的开关电路。门电路就像一扇门，当具备开门条件时，输出端就有一个信号输出；反之，门关开门条件时，输出端就有一个信号输出；反之，门关闭，就有另一个信号输出。闭，就有另一个信号输出。l在数字电路中，最基本的逻辑关系有与、或、非三在数字电路中，最基本的逻辑关系有与、或、非三种，因此，最基本的门电路有与门、或门、非门。由种，因此，最基本的门电路有与门、或门、非门。由这三种基本门电路可以组合成各种复杂的逻辑电路。这三种基

10、本门电路可以组合成各种复杂的逻辑电路。与门电路的逻辑关系与门电路的逻辑关系“与与”逻辑（逻辑（AND）A、B、C条件都具备条件都具备时，事件时，事件F才发生。才发生。EFABC&ABCF逻辑符号逻辑符号逻辑式逻辑式F=ABC逻辑乘法逻辑乘法逻辑与逻辑与AFBC00001000010011000010101001101111真值表真值表 真值表是指用真值表是指用1 1和和0 0表示输入表示输入逻辑变量的各种可能取值和相应逻辑变量的各种可能取值和相应的输出变量之间对应关系的表格。的输出变量之间对应关系的表格。与门电路的工作波形图与门电路的工作波形图或门电路的逻辑关系或门电路的逻辑关系“或或

11、”逻辑（逻辑（OR）A、B、C只有一个只有一个条件具备时，事件条件具备时，事件F就发生。就发生。 1ABCFAEFBC逻辑符号逻辑符号F=A+B+C逻辑式逻辑式逻辑加法逻辑加法逻辑或逻辑或AFBC00001001010111010011101101111111真值表真值表思考：画出或门电路的工作波形？思考：画出或门电路的工作波形？第三课第三课 基本逻辑基本逻辑 门电路门电路非门电路的逻辑关系非门电路的逻辑关系“非非”逻辑（逻辑（NOT）A条件具备时条件具备时 ，事件事件F 不发生；不发生；A不具备时，事件不具备时，事件F发发生。生。逻辑符号逻辑符号AEFR逻辑式逻辑式逻辑非逻辑非逻辑反逻辑反真

12、值表真值表AF AF0110思考：画出非门电路的工作波形？思考：画出非门电路的工作波形？几种常用的简单组合逻辑几种常用的简单组合逻辑“与与”、“或或”、“非非”是三种基本的是三种基本的逻辑关系，任何其它的逻辑关系都可以逻辑关系，任何其它的逻辑关系都可以以它们为基础表示。以它们为基础表示。与非（与非（NAND）：）：条件条件A、B都具都具备，则备，则F 不发生。不发生。或非（或非（NOR）：）：条件条件A、B任一任一具备，则具备，则F不不 发生。发生。BABABAF异或（异或（XOR）：）：条件条件A、B有一个有一个具备，另一个不具备，另一个不具备则具备则F 发生。发生。同或（同或（EQU）（异

13、或非门）：（异或非门）：条件条件A、B有一个有一个具备，另一个不具备，另一个不具备则具备则F 不不发生。发生。小结小结 在数字电路中，输出信号和输入信号之间在数字电路中，输出信号和输入信号之间存在一定的逻辑关系，最基本的逻辑关系存在一定的逻辑关系，最基本的逻辑关系有与、或、非三种。有与、或、非三种。 门电路是用以实现逻辑关系的电子电路，门电路是用以实现逻辑关系的电子电路，是数字电路的基本单元，最基本的门电路是数字电路的基本单元，最基本的门电路有与门、或门、非门三种。有与门、或门、非门三种。 门电路的逻辑关系可用逻辑表达式、逻辑门电路的逻辑关系可用逻辑表达式、逻辑符号、真值表表示。符号、真值表表

14、示。第四课第四课 数字集成电路数字集成电路集成电路（英文缩写集成电路（英文缩写IC）简介）简介什么是集成电路什么是集成电路? 将整个电路的各个元件做在同一个半导体将整个电路的各个元件做在同一个半导体硅芯片上，外壳封装构成一个不可分割、完整硅芯片上，外壳封装构成一个不可分割、完整的电子器件，能完成特定的电子技术功能。的电子器件，能完成特定的电子技术功能。 集成电路的优点：工作稳定、使用方便、集成电路的优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。体积小、重量轻、功耗小。集成电路的外形集成电路的外形集成电路内部结构的特点集成电路内部结构的特点l 集成电路中的元件都制作在一块硅片上，因此元件集成

15、电路中的元件都制作在一块硅片上，因此元件参数偏差的方向一致，温度均一性好，适于作差动参数偏差的方向一致，温度均一性好，适于作差动放大电路、运算放大器等。放大电路、运算放大器等。l 在一块硅片上制造一个三极管极其容易，但制造大在一块硅片上制造一个三极管极其容易，但制造大电阻和大电容则相当不方便也不经济，利用集成电电阻和大电容则相当不方便也不经济，利用集成电路工艺目前还不能制造电感器。如果需要这些元件路工艺目前还不能制造电感器。如果需要这些元件则通过引脚外接。则通过引脚外接。l 集成电路中的电阻器用集成电路中的电阻器用P型区的电阻构成，阻值范围型区的电阻构成，阻值范围一般在几十欧至几十千欧，电容器

16、是用一般在几十欧至几十千欧，电容器是用PN结的结电结的结电容，电容量一般小于容，电容量一般小于100pF，集成电路中的二极管，集成电路中的二极管也很少，一般则利用三极管的一个也很少，一般则利用三极管的一个PN结作为二极管。结作为二极管。小规模集成电路：小规模集成电路：一般是集成十几个到几十个元器件，一般是集成十几个到几十个元器件，把一个单元电路集成在一块把一个单元电路集成在一块13mm2的硅片上。如逻辑的硅片上。如逻辑电路中的门电路及触发器等。电路中的门电路及触发器等。中规模集成电路：中规模集成电路：一般具有一百到几百个元器件，所一般具有一百到几百个元器件，所占硅片面积约占硅片面积约10mm2

17、。大规模集成电路：大规模集成电路：一般具有一千个元器件以上，它是一般具有一千个元器件以上，它是把一个系统或者分系统集成在一块硅片上。把一个系统或者分系统集成在一块硅片上。超大规模集成电路：超大规模集成电路：是把十万个以上的元器件集成在是把十万个以上的元器件集成在一块硅片上，它具有很复杂的信息处理功能。一块硅片上，它具有很复杂的信息处理功能。集成电路的分类集成电路的分类按集成度分按集成度分按功能分：按功能分： 可分为可分为模拟集成电路模拟集成电路和和数字集成电路数字集成电路。 常用的模拟集成电路有集成运算放大器、常用的模拟集成电路有集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳压器、集成数集成功率放大器

18、、集成稳压器、集成数- -模转模转换器和模换器和模- -数转换器等。数转换器等。 家用电器如：收录机、电视机等所用的家用电器如：收录机、电视机等所用的集成电路大多属于此类。集成电路大多属于此类。数字集成电路数字集成电路 按内部结构的不同，数字集成电路按内部结构的不同，数字集成电路可分为两大类：可分为两大类： 一类由晶体管组成，叫做晶体管一类由晶体管组成，叫做晶体管晶体管逻辑电晶体管逻辑电路，简称：路，简称：电路。电路。 一类由场效应管组成，叫做互补型一类由场效应管组成，叫做互补型金属金属氧化氧化物物半导体电路，简称：半导体电路，简称：电路。电路。 两者的逻辑功能相同，但外形、引脚稍有不同。两者

19、的逻辑功能相同，但外形、引脚稍有不同。TTL集成电路产品，国内为集成电路产品，国内为T1000系列，国外为系列，国外为74系列。系列。CMOS集成电路产品，国内为集成电路产品，国内为CC4000系列，系列，国外为国外为CD4000系列。系列。TTL与与CMOS的不同特点：的不同特点： TTL电路速度快、可靠性强，品种齐全，在电电路速度快、可靠性强，品种齐全，在电子计算机、工业控制用仪器仪表、及民用电子计算机、工业控制用仪器仪表、及民用电子产品中大量应用。子产品中大量应用。 CMOS电路具有功耗低、电源电压范围宽、电路具有功耗低、电源电压范围宽、抗干扰能力强等优点。在速度要求不高，但抗干扰能力强等优点。在速度要求不高，但功耗要求较低的产品中（一般测量设备和民功耗要求较低的产品中（