《常用半导体元件》-第7章

7.1数字电路基本知识7.1.1数字信号与数字电路电了电路所处理的电信号可以分为两大类：一类是在时间和数值上都是连续变化的信号，称为模拟信号，如连续的电流或电压等；另一类是在时间和数值上都是离散的信号，称为数字信号。传送和处理数字信号的电路，称为数字电路。7.1.2数字电路的主要特点数字电路的工作信号是不连续变化的数字信号，所以在数字电路中工作的半导体管多数工作在开关状态，即工作在饱和区和截止区，而放大区只是其过渡状态。下一页返回7.1数字电路基本知识7.1.3数制及码制1.数制数字电路中经常遇到计数问题。在日常生活中，人们习惯于用十进制数，而在数字系统中多采用一进制数，有时也采用八进制数和十六进制数。2.二进制码数字系统中的信息可分为两类，一类是数值，另一类是文字符号(包括控制符)。数值信息的表示方法己如前述。为了表示文字符号信息，往往也采用一定位数的一进制数码来表示，这个特定的一进制码称为代码。建立这种代码与十进制数值、字母、符号的一一对应的关系称为编码。上一页下一页返回7.1数字电路基本知识若所需编码的信息有N项，则需用的一进制数码的位数n应满足以下关系：表7-1为几种常见的码。其中8421BCD码是由四位二进制数的0000(O)~11110(15)十六种组合中前十种组合，即0000(0)~1001(9)，其余六种组合是无效的。十六种组合中选取十种有效组合的不同方式，可以得到其他二-十进制码，如表7-1中的2421码、5421码等。余3码是由8421码加3(0011)得来的，它是一种无权玛。上一页返回7.2分立元件门电路及基本逻辑关系所谓“门”，就是开关。门电路就是开关电路。若把门电路的输入信号看作条件，把输出信号看作结果，输入信号与输出信号之间则存在一定的因果关系，即逻辑关系。所以，门电路也称逻辑门电路。基本门电路有“与门”“或门”“非门”二种。由这二种基本门电路可以组成其他多种复合门电路。门电路是数字电路的基本逻辑单元。在逻辑电路中，用符号“0”和“1”表示两种相互对立的逻辑状态，这单的“0”和“1”并不表示具体数值的大小，只是一种符号，代表变量的状态。如电灯的亮和灭；信号的有和无；电位或电平的高和低等。用“1”表示高电平，“0”表示低电平，称为正逻辑；反之，用“1”表示低电平，用“0”表示高电平，则称为负逻辑。本书均采用正逻辑。下一页返回7.2分立元件门电路及基本逻辑关系7.2.1与门电路及与逻辑关系图7-1中，只有当开关S1与S2同时闭合，灯才亮。即“只有某事情的所有条件都具备时，该事情才会发生”。这种逻辑关系称为与逻辑关系。将逻辑电路所有可能的输入变量和输出变量之间的逻辑关系列成表格，称为逻辑电路的真值表。与门电路的真值表如表7-2所示。用0和1分别表示低电平和高电平，由表可知：当A、B中任何一个输入变量为0时，输出变量Y就为0；只有当输入变量A、B全为1时，输出变量Y才为1。与门的逻辑功能为：有0出0，全1出1。上一页下一页返回7.2分立元件门电路及基本逻辑关系与门的逻辑表达式为：Y=AB。7.2.2或门电路及或逻辑关系图7-2(a)中，只要开关S1或S2有一个闭合，灯就亮。即“只要某事情至少有一个条件具备时，该事情就会发生”。这种逻辑关系称为或逻辑关系。实现或逻辑关系的电路称为或门电路，简称或门。图7-2(a)就是一个符合或逻辑关系的电路。图中A、B是输入端，Y是输出端。由图7-2(b)可以看出，当输入A、B中只要有一个输入高电平3V时，相应的一个一极管导通，Y输出就为高电平3V；只有当A、B输入都为低电平0V时，两个一极管才同时导通，Y输出为低电平0V。可见，它符合或逻辑关系。其真值表如表7-3所示。上一页下一页返回7.2分立元件门电路及基本逻辑关系由表可知：只要输入变量A、B中有一个或一个以上为1时，输出变量Y就为1；只有输入变量A、B全为0时，输出变量Y才为0。或门的逻辑功能为：有1出1，全0出0。或门的逻辑表达式为:Y=A+B。7.2.3非门电路及非逻辑关系图7-3(a)中，灯亮的条件是开关S断开，S闭合灯就不亮。即“某事情的发生取决于某个条件的否定。”这种逻辑关系称为非逻辑关系。实现非逻辑关系的电路称为非门电路，简称非门。其电路图及逻辑符号见图7-3。上一页下一页返回7.2分立元件门电路及基本逻辑关系非门的真值表如表7-4所示。由表7-4可知：输入A为0时，输出Y为1；输入A为1时，输出Y为0。非门的逻辑功能为：入0出1，入1出0。非门的逻辑表达式为：上一页返回7.3

逻辑代数7.3.1逻辑代数基础1.基本定律和恒等式根据逻辑加、乘、非二种基本运算法则，可推导出逻辑运算的一些基本定律，如表7-5所示。表7-5所列的定律，最有效的证明方法是检验等式左边的函数与右边函数的真值表是否吻合。2.逻辑代数运算的基本规则在应用时，可根据下面的规则可从上表中推导出更多的公式，从而扩充基本定律的使用范围。(1)代入规则任何一个含有变量A的等式，如果将所有出现A的位置都代之以一个逻辑函数，则等式仍成立，这个规则称为代入规则。下一页返回7.3

逻辑代数(2)反演规则根据摩根定律，求一个逻辑函数Y的非函数时，可以将Y中的与(·)换成或(+)或(+)换成与(·)；再将原变量换为非变量，非变量换为原变量；并将1换成0，0换成1；那么所得的逻辑函数式就是。这个规则称为反演规则。(3)对偶规则Y是一个逻辑表达式，如把Y中的与(·)换成或(+)，或(+)换成与(·)；1换成0，0换成1；那么就得到一个新的逻辑函数式，这就是Y的对偶式，记作Y‘。例如，Y=(A+B)(A+C)，则Y'=AB+AC。变换时仍击注意保持原式中先与后或的顺序。所谓对偶规则，是指当某个逻辑恒等式成立时，则其对偶式也成立。上一页下一页返回7.3

逻辑代数7.3.2逻辑函数的化简与变换根据逻辑表达式，可以画出相应的逻辑图。但是直接根据某种逻辑要求而归纳出来的逻辑表达式及其对应的逻辑电路，往往并不是最简的形式，这就需要对逻辑表达式进行化简。一个逻辑函数可以有多种不同的逻辑表达式，如与一或表达式、或一与表达式、与非一与非表达式、或非一或非表达式及与一或一非表达式等。例如：上一页下一页返回7.3

逻辑代数化简逻辑函数的方法，常用的有代数法和卡诺图法等，本节讨论代数法。它是运用逻辑代数的基本定律和恒等式进行化简，常用的有下列方法。1.并项法利用的公式，将两项合并为一项，并消去一个变量。如2.吸收法利用的公式，消去多余的项。例如：上一页下一页返回7.3

逻辑代数3.消去法利用，消去多余的因子。例如：4.配项法利用，将它作配项用，然后消去更多的项。上一页返回7.4集成逻辑门电路7.4.1TTL集成门电路这里主要介绍三极管逻辑门，是指输入端和输出端都用二极管的电路，简称TTL电路。它的开关速度较高，是目前用得较多的一种集成逻辑门。它是以双极型半导体管为基本元件，集成在一块硅片上，并具有一定逻辑功能的电路称为双极型逻辑集成电路。1.TTL与非门的工作原理(1)电路组成如图7-4所示。①输入级。输入级由多发射极管VT1和电阻R1组成。其作用是对输入变量A、B、C实现逻辑与，从逻辑功能上看，图7-5(a)所示的多发射极二极管可以等效为图7-5(b)所示的形式。下一页返回7.4集成逻辑门电路②中间级。中间级由VT2、R3和R2组成。VT2的集电极和发射极输出两个相位相反的信号，作为VT3和VT5的驱动信号。③输出级。输出级由VT3、VT4、VT5和R4、R5组成，这种电路形式称为推拉式电路。(3)采用多发射极管提高工作速度采用多发射极管是提高TTL门工作速度的关键措施，因为一个多发射极管的各发射结和集电结之间是相互联系的，并目具有电流放大作用。(4)输出级推拉式输出级的优点是，既能提高带负载能力，又能提高开关速度。根据所接负载的同，输出级的工作情况可归纳如下：上一页下一页返回7.4集成逻辑门电路①当输出为低电平时，VT5处于深度饱和状态，与非门的输出电阻就是VT5的饱和电阻，这时可驱动较大的电流负载。而目由于VT4截止，所以负载电流就是VT5的集电极电流，也就是说VT5的集电极电流可以全部用来驱动负载。②输出为高电平时，VT5截止，VT3和VT4构成的复合管射极跟随器的输出电阻就是与非门的输出电阻，这个数值很小，所以输出高电平稳定，带负载能力也较强。2.TTL与非门的参数下面以图7-6所示的电路为例，说明参数的定义。表7-6列出了国产T000系列T060A型中速与非门参数规范。上一页下一页返回7.4集成逻辑门电路3.集电极开路与非门和三态与非门在实际使用中，有时需要将多个与非门的输出端直接相连，例如图7-7所示的情况。需要指出的是，并不是所有形式的与非门都能接成线与的电路。例如，一般的TTL与非门的输出端是不能直接相连的，因为性能良好的TTL与非门的输出电阻很小，不论在与非门导通还是截止状态，其输出电阻都只有儿欧姆或儿十欧姆，如将它们的输出端相连，就可能出现图7-8所示的情况，形成一条自Ucc到地的低阻通路，处于截止的与非门将有一股很大的电流灌入导通与非门的输出管，使输出低电平升高。同时还可能因功耗过大而损坏与非门。(1)集电极开路与非门(OC门)图7-9表示一种OC门的内部结构。它与普通TTL门的差别在于用外接电阻Rc代替由复合管组成的有源负载。当n个OC1门的输出端相连时，一般可共用一个电阻RC，如图7-10所示。上一页下一页返回7.4集成逻辑门电路下面介绍外接电阻Rc的计算。设n个OC门相连，输出vo为高电平，后面带有N个门，如图7-11所示。图中IOH是OC门输出管截止时的漏电流，IOH为负载门的高电平输入电流。当OC门的输出vo为低电平时，如图7-12所示。图中IOL表示每个OC门所允许的最大负载电流，IIL为每个负载门的低电平输入电流。上一页下一页返回7.4集成逻辑门电路则式中UOLmax为规定的产品低电平上限值(标准低电平)。最后应取上一页下一页返回7.4集成逻辑门电路(2)二态与非门(TSL门)利用OC门虽然可以实现线与的功能，但外接电阻Rc的选择要受到一定的限制而不能取得太小，因此限制了工作速度。同时它省去了有源负载，使得带负载能力下降。为保持推拉式输出级的优点，还能作线与连接，人们又生产了一种二态与非门，它的输出除了具有一般与非门的两种状态，即输出电阻较小的高电平、低电平状态外，还具有高输出阻抗的第二种状态，称为高阻态，又称为禁止态。一个简单的TSL门的电路如图7-13(a)所示。其中E为使能端，A、B为数据输入端。当E=1时，TSL门的输出状态将完全取决于数据输入端A、B的状态，电路输出与输入的逻辑关系与一般与非门相同。这种状态称为二态与非门的工作状态。TSL门的真值表如表7-7所示。上一页下一页返回7.4集成逻辑门电路此外还有一种TSL门，其使能端的有效电平为低电平，即E=0时为工作状态。其逻辑符号如图7-14所示。TSL门常用作计算机系统中各部件的输出级，这时多个TSL门输出端共同连接在同一总线上，如图7-15所示，当某一部件的数据需要传输到总线上时，对应的TSL门的使能端E加以有效电平(根据不同器件可能是高电平或低电平)，而其他所有TSL门的E端则施加相反的电平值，使之处于高阻态而与总线不产生电压，图7-15所示的三态门用于总线传输信号联系TSL门还可以用MOS门电路构成。除三态与非门外，也可作成三态反相器或缓冲器。上一页下一页返回7.4集成逻辑门电路7.4.2CMOS集成门电路CMOS逻辑门电路是由PMOS管和NMOS管构成的一种h_补对称场效应管集成门电路，是近儿年来应用较普遍的逻辑电路之一。CMOS工艺也常用于大规模集成电路(如存储器和微处理器)的设计与制造。下面是儿种常用的CMOS门电路的结构和工作原理的简要说明。1.与非门电路图7-16所示是一输入端CMOS与非门电路，其中包括两个串联的N沟道增强型MOS管和两个并联的P沟道增强型MOS管。这种电路具有与非的逻辑功能，即。上一页下一页返回7.4集成逻辑门电路2.或非门电路图7-17所示是两输入端CMOS或非门电路。其中包括两个并联的N沟道增强型MOS管和两个串联的P沟道增强型MOS管。因此，这种电路具有或非的逻辑功能，其逻辑表达式为显然，N个输入端的或非门必须有N个NMOS管并联和N个PMOS管串联。表7-8列举前面所讲述的儿种逻辑门电路卞要性能参数范围，以便于比较和应用。上一页返回7.5集成逻辑门电路的应用7.5.1TTL电路和CMOS电路的接口1.由TTL驱动CMOS如果CMOS电路的电源较高，TTL的输出端仍可接一上拉电阻，但需使用集电极开路门(如T1006)电路，如图7-18(a)所示，应注意上拉电阻的大小对工作速度有一定的影响，这是由于门电路的输入端和输出端均存在杂散电容的缘故。另一种方案是采用一个专用的CMOS电平移动器，见图7-18(b)。2.由CMOS驱动TTL见图7-19所示。下一页返回7.5集成逻辑门电路的应用7.5.2TTL和CMOS电路的外接负载在许多实际应用场合，往往击要用TTL或CMOS电路去驱动指小灯、发光二极管LED及其他显小器等一类负载。图7-20表示几个实例。多余输入端的处理措施集成逻辑门电路在使用时，一般不让多余的输入端悬空，以防止十扰信号引入。对多余的输入端的处理以不改变电路工作状态及稳定可靠为原则。对于TTL与非门，一般可将多余的输入端通过上拉电阻对多余接电源正端，也可利用一反相器将其输入端接地，其输出高电平可接多余的输入端。上一页下一页返回7.5集成逻辑门电路的应用7.5.3集成逻辑门电路的使用1.对多余的或暂时不用的输入端进行合理的处理对于TTL门来说，多余的或暂时不用的输入端可采用以下方法进行处理：①悬空。②与其他己用输入端并联使用。③按功能要求接电源或接地。对于CMOS门来说，由于其输入电阻很高，易受外界十扰信号的影响，因而CMOS门多余的或暂时不用的输入端不允许悬空。其处理方法为：①与其他输入端并联使用。②按电路要求接电源或接地。上一页下一页返回7.5集成逻辑门电路的应用2.使用中应注意的问题①在门电路的使用安装过程中应尽量避免干扰信号的侵入，不