数字逻辑教学作者王茜黄仁许光辰基础概念PPT课件

1、1.1 概 述 把具有描述连续变化特性的物理量称为模拟量（Analog Value）。 以数字形式来表示所对应模拟量就称为数字量（Digital Value）。第1页/共92页 使用数字量来进行传递、加工的工程应用系统就称为数字系统（Digital System）。 数字系统也称为数字逻辑系统（Digital Logic System），简称数字逻辑第2页/共92页 为了将具有连续变化性质的自然信息（模拟量）用数字系统来实现加工和处理，就必须先通过模/数变换（A/D conversion），实现模拟量到数字量变换，然后对这些数字量进行加工。待加工结束后，再通过数/模变换（D/A convers

2、ion），将原来已经加工后的数字量还原成能直接表征线性变化的模拟量，这就是通常数字系统中所提到的A/D和D/A转换第3页/共92页 若数字系统对数字信息加工处理以及传输所需总时间低于整个物理系统活动所需要时间，这样的数字系统就称为实时系统（Real - time System）。第4页/共92页 实时系统又分别使用了硬实时系统和软实时系统这两种概念来具体区分和严格说明. 硬实时系统是指系统自身要具备支持可能出现最坏情况的安全处理时间。 软实时系统是对任何突发事件能够提供确定处理时间，而且处理过程也能够在系统规定时间内完成，如果系统因各种外在或内在因素超越了事件处理截止期限，但最终结果并不会导致

3、系统致命错误.第5页/共92页1.2 基 础 知 识 1.2.1 脉冲信号 脉冲信号可以定义为：相对于连续信号而言，它是在整个信号周期内所产生的短时间信号 通常在数字系统中所使用信号就是脉冲信号，它们也被称为数字信号第6页/共92页 什么是脉冲以及如何产生脉冲信号第7页/共92页 几种常见脉冲波形第8页/共92页 脉冲幅度Vm：从一种状态变化到另一种状态跳变值。 脉冲周期T：两个相邻脉冲重复出现所间隔时间。 上升时间tr：从0电平到高电平所需要时间。 下降时间tf：从高电平到0电平所需要时间。 图1.5 脉冲信号参数描述 脉冲宽度tu：脉冲出现后持续时间。第9页/共92页1.2.2 半导体的导

4、电特性 各种小规模集成电路（Small Scale Integration，SSI）、中规模集成电路（Medium Scale Integration，MSI）和大规模集成电路（Large Scale Integration，LSI），以及现代数字系统所采用的VLSI或ULSI器件，它们都是由半导体材料（锗、硅等）做成的第10页/共92页 1半导体导电特性 导电性处在导体和绝缘体之间 2半导体的特殊载流子 半导体材料主要是基于硅和锗第11页/共92页 3p型半导体和n型半导体 p型半导体和n型半导体就是在纯单晶半导体中分别掺入三价硼元素和五价磷、锑等元素第12页/共92页 掺入的硼杂质每个原子

5、都可以提供一个空穴，导致硅晶体中空穴载流子数量大大增加，此时这种半导体中自由电子数量相对很少，其导电性主要依赖于空穴载流子，人们把这种半导体称为空穴半导体，简称p型半导体第13页/共92页 在硅原子和磷原子组成共价键后，磷外层5个电子有4个与硅原子组成共价键，多出一个电子由于受到原子核束缚力很小，从而很容易成为自由电子，这时构成的半导体材料中，出现了电子为多数载流子，而空穴为少数载流子情况，其导电性主要取决于电子，人们把这种半导体称为电子半导体，简称n型半导体。第14页/共92页 半导体经常是以p型杂质和n型杂质混合的形式出现，因此半导体究竟具有p型半导体还是n型半导体导电特性，将取决于某种杂

6、质在半导体中掺入浓度。 若在一块半导体中将这两种半导体联结在一起，那么在这两个半导体的交界面上就会形成一个p n结，通过这些p n 结可以构成二极管、三极管、可控硅等电子元件第15页/共92页 当做成一个p n结后，在p区中空穴载流子数量较多，因此空穴载流子就要由p区向n区扩散，同样处于n区电子载流子数量较多，它也从n区向p区扩散第16页/共92页 正因为上述半导体内部产生的扩散运动，使得p区空穴减少，失去带正电空穴的p型杂质原子就变成了带负电的离子。同样也是这种扩散运动，使得n区电子也减少，失去带负电电子的n型杂质原子就变成了带正电的离子。由于离子在晶体中是不能移动的，这样在p区和n区交界面

7、上就形成了一个很薄的空间电荷区，人们把这个电荷区就称为p n结第17页/共92页 如果我们在半导体p n结两端适当地施加外部电压，这将立刻打破原来在半导体中所保持的平衡作用，它使得原本半导体内部所存在性质发生变化，这个变化正是我们所需要的单向导电行为第18页/共92页 将外加电压负极接在p n结p区上，同时将外部电压正极接在p n结n区上。由于这种连接方式使外加电压与半导体内部空间电场方向一致，它将使得p区中空穴载流子向外加电压负极进行移动，而n区中电子载流子向外加电压正极进行移动，这种反向运动结果导致了空间电荷量不是减少，而是增多，表现在p n结物理特性上是空间电场增强，即p n结变宽，这样

8、在半导体中使得载流子扩散运动很难继续进行第19页/共92页1.2.3 二极管开关特性 二极管具有单向导电特性第20页/共92页 二极管伏安曲线由如下3个部分组成。 1正向特性部分 2反向电流部分 3反向击穿电压部分第21页/共92页1.2.4 三极管开关特性 三极管结构与符号示意图第22页/共92页 放大、截止、饱和称为三极管的3个工作状态第23页/共92页1三极管截止状态 若在电路输入端施加一个从3V到+3V脉冲信号，开始时输入电压为3V，因发射极电位Ve = 0，所以在发射结上施加的是一个反向偏置。此时三极管集电极电位Vc也高于Vb，同样收集结也处于反向偏置。由于此时三极管两个p n结都处

9、于反向偏置，此时三极管内部主要表现的是漂移运动，因这种情况下三极管中能够获得漂移条件的载流子为极少数，由它们形成的反向电流是可以忽略不计的，即Ib与Ie基本上为0，输出电压Vout = +12V。此时3个电极之间似乎用一种断开现象被表现出来，因此人们把三极管这种工作状态称为截止状态第24页/共92页2三极管放大状态 如果把输入电压Vin从3V增加到+3V，此时Rb若很大，则Vb 0.5V，发射结电场阻力仍未被削弱，发射区电子扩散运动还是非常困难的，这时三极管基极电流Ib和集电极电流Ic仍很小，所以三极管仍处于未导通状态。当继续增加输入电压Vin，使得基极电压达到0.7V左右，发射结正式导通，此

10、时对于三极管来讲，只要稍微改变一点基极电流Ib，集电极电流Ic将按照一个确定放大倍数（如40倍）放大。由于集电极电流Ic变化，也导致输出电压Vout也跟随发生相应的改变，这就是三极管放大特点第25页/共92页3三极管饱和状态 若继续增加基极电流Ib = 300，此时集电极电流Ic 12mA，这样电路输出电压Vout就是硅型三极管集 射极管压降，约为0.3V。若继续增加基极电流Ib = 400，因电源电压为12V，集电极电流Ic只能维持在12mA，电路对外输出仍保持在0.3V左右。所以尽管基极电流Ib可以继续增加，但集电极电流Ic已经不能再跟随增加了，输出电压几乎趋近于0V，但绝不能变成一个负电

11、压输出，这时我们说三极管已经失去它的放大能力，从而出现了一种称为饱和的现象，人们把三极管这种工作状态称为饱和状态。第26页/共92页 三极管特性曲线图第27页/共92页 三极管开关特性第28页/共92页1.2.5 三极管3种连接方法 1共发射极电路连接结构第29页/共92页2共基极电路连接结构第30页/共92页3共集电极电路连接结构第31页/共92页1.3 逻辑门电路 作为数字系统应用，人们经常需要对其构成的数字系统施加一些外部条件，去控制脉冲信号能否通过这些数字系统，这种控制条件所需电路机制就是逻辑门，而门电路基本形式就是“与门”和“或门”两种。第32页/共92页1.3.1 DTL门电路第3

12、3页/共92页DTL逻辑门工作原理 DTL输出高电平示意图第34页/共92页 无反向驱动电流示意图第35页/共92页1.3.2 TTL门电路 多发射极晶体管结构 一种基于多发射极晶体管所构成的简单TTL门电路结构第36页/共92页 TTL输出为低电平示意图第37页/共92页 产生反向基流的示意图第38页/共92页 上升沿变化示意图第39页/共92页 典型TTL集成电路第40页/共92页1.3.3 CML门电路 计算机运行速度在成千上万倍地提高，这就大大推动了逻辑电路必须向更高速方向发展，电流型逻辑（Current Mode Logic，CML）集成电路就是为适应这种发展而出现的一种高速逻辑电路

13、。第41页/共92页 几十年来，数字电路重要发展方向之一就是解决电路速度问题，限制数字电路运行速度症结点如下。 （1）三极管饱和问题。 （2）电容充放电问题。 （3）三极管内部频率特性。第42页/共92页 对于CML结构电路来说，其工作特点是：第一，它工作在作用区，避免了三极管因饱和而产生存储延迟时间问题；第二，三极管收集结没有处于正向状态，这就减少了收集结电容Cc存在的问题，它保证了输出回路时间常数得到下降；第三，CML电路中开关幅度只有800mV左右，这就减少了负载电容、分布电容充放电时间；第四，它的工作方式接近于共有基级连接方式，所以它最大限度地发挥了三极管内部固有频率特性第43页/共9

14、2页 CML电路结构和符号第44页/共92页 当输入电压从低变高时，Vout1将从高变低，它起到反相器作用，而Vout2则和输入电压变化一样，也是从低变高，所以它的变化和输入信号一样，因此它起到同相作用。当电路将这两个输出信号都引出作为下级电路互连信号时，则CML电路就出现了两个称为互补输出表示，这样CML电路在数字系统中可表现设计灵活性将大大增加。这种具备互补功能输出结构也是VLSI和ULSI输入阵列结构第45页/共92页1.4 逻辑代数与基本逻辑运算 逻辑代数与普通代数不一样的地方是，在逻辑表示中，其取值只能是0或1。其次逻辑代数中取值，并不像普通代数中数值一样可以用来表示数量概念，它只表

15、示对事件真假判断，而无数值大小和正负区分。所以在逻辑代数中，仅用信号量还不能完全反映数字系统设计中逻辑功能行为，它还需要反映出各种逻辑思维复杂关系，这些复杂关系的关联行为就是几种运算关系，即离散数学中所阐述的三种全功能联结词：与、或、非3种运算关系第46页/共92页1.4.1 析取联结词与正“或”门电路PQPQTTTTFTFTTFFF析取联结词定义析取联结词是一个复合命题，记作PQ第47页/共92页 在数字电路中，实现或运算逻辑功能的电子电路称为或门。第48页/共92页 或运算表ABF000011101111第49页/共92页1.4.2 合取联结词与正“与”门电路 合取也是一个复合命题，记作P

16、Q。PQPQTTTTFFFTFFFF合取联结词定义第50页/共92页 在数字电路中，实现与运算逻辑功能的电子电路称为与门。第51页/共92页 与运算表ABF000010100111第52页/共92页1.4.3 否定联结词与“非”门电路 否定联结词用符号“”否定联结词定义PPTFFT第53页/共92页 在数字电路中，用电子电路来实现非运算逻辑功能的电路称为非门，也称为反相器第54页/共92页 非运算表PP0110第55页/共92页1.4.4 复合逻辑门电路 “与非”逻辑、“或非”逻辑就是这些复合逻辑门的基本表示 “与非”逻辑表示为F = ； “或非”逻辑表示为：F = ；ABA+B第56页/共9

17、2页 与非、或非运算表AB0011011010101100ABA+B第57页/共92页 与非门、或非门符号 实现与或非门的复杂表现第58页/共92页 与或非门的惯用符号第59页/共92页1.4.5 双条件联结词与“同或”电路 双条件联结词是一个复合命题，记作P Q。 双条件联结词定义PQP QTTTTFFFTFFFT第60页/共92页 逻辑同电路符号表示第61页/共92页1.4.6 不可兼或联结词与“异或”电路 不可兼或联结词也是一个复合命题，它是双条件联结词 的否定，记为QPQP第62页/共92页 不可兼或联结词定义PQTTFTFTFTTFFFQP第63页/共92页 不可兼或运算在数字系统中

18、称为逻辑异，也称为异或门，运算符号用“”表示 逻辑异运算表AEA E000011101110第64页/共92页1.5 触发器基本概念与分类 利用电子电路来制作的记忆器件被称为触发器 反相器工作过程第65页/共92页 能实现记忆功能的基础结构第66页/共92页 有关触发器使用时的几个技术术语 1触发器现态：针对触发器的一次状态翻转，触发器发生状态翻转前的状态，用Q表示。 2触发器次态：针对触发器的一次状态翻转，触发器发生状态翻转后的状态，用Q(n+1)表示。 3次态真值表：描述触发器次态与现态和输入的函数关系的真值表格式。 4次态方程：用逻辑方程表现的形式。 5次态卡诺图：利用卡诺图来表现现态、

19、输入与次态之间关系的图示第67页/共92页1.5.1 触发器与时钟 为保证数字系统正常工作，针对这类需要统一发生状态转换的数字系统，在系统内部都增设了系统时钟信号，这样内部各个功能部件都在该时钟信号控制下，实现统一状态转换第68页/共92页1.5.2 基本RS触发器 基本RS触发器内部结构与符号第69页/共92页 基本RS触发器工作时序图第70页/共92页 基本RS触发器功能表外部输入现态次态R SQ（n）Q（n+1）0 001不能确定0 10101 00111 101保持不变第71页/共92页1.5.3 可控RS触发器 可控RS触发器内部结构与符号第72页/共92页 可控RS触发器次态方程为：Q(n+1) = S + RQ第73页/共92页 可控RS触发器工作时序图第74页/共92页 可控RS触发器功能表外部输入现态次态R SQ（n）Q（n+1）0 001保持不变0 10111 00101 101不能确定第75页/共92页 可控RS触发器工作状态图 触发器空翻现象示意图第76页/共92页1.5.4 主从式JK触发器 简单JK触发器第