数字逻辑教材第1章[090708]

1、 目 录第1章：基础概念41.1 概述41.2 基础知识51.2.1 脉冲信号51.2.2 半导体的导电特性61.2.3 晶体二极管开关特性101.2.4 晶体三极管开关特性121.2.5 晶体三极管三种连接方法151.3 逻辑门电路161.3.1 DTL门电路161.3.2 TTL门电路181.3.3 CML门电路191.4 逻辑代数与基本逻辑运算211.4.1 析取联结词与正“或”门电路221.4.2 合取联结词与正“与”门电路221.4.3 否定联结词与“非”门电路231.4.4 复合逻辑门电路241.4.5 双条件联结词与“同或”电路251.4.6 不可兼或联结词与“异或”电路251.

2、5 触发器基本概念与分类261.5.1 触发器与时钟281.5.2 基本RS触发器281.5.3 可控RS触发器291.5.4 主从式JK触发器321.5.5 D型触发器341.5.6 T型触发器36第2章 数字编码与逻辑代数382.1 数字系统中的编码表示382.1.1 原、补、反码392.1.2 原、补、反码的运算举例452.1.3 基于计算性质的几种常用二十进制编码462.1.4 基于传输性质的几种可靠性编码492.2 逻辑代数基础与逻辑函数化简542.2.1 逻辑代数的基本定理和规则552.2.2 逻辑函数及逻辑函数的表示方式572.2.3 逻辑函数的标准形式592.2.4 利用基本定

3、理简化逻辑函数632.2.5 利用卡诺图简化逻辑函数65第3章：数字系统基本概念723.1 数字系统模型概述723.1.1 组合逻辑模型733.1.2 时序逻辑模型733.2 组合逻辑模型结构的数字系统分析与设计763.2.1 组合逻辑功能部件分析773.2.2 组合逻辑功能部件设计803.3 时序逻辑模型下的数字系统分析与设计863.3.1 同步与异步863.3.2 同步数字系统功能部件分析883.3.3 同步数字系统功能部件设计923.3.4 异步数字系统分析与设计1063.4 基于中规模集成电路（MSI）的数字系统设计1173.4.1 中规模集成电路设计方法1173.4.2 中规模集成电

4、路设计举例118第4章：可编程逻辑器件1294.1 可编程逻辑器件（PLD）演变1294.1.1 可编程逻辑器件（PLD）1304.1.2 可编程只读存储器（PROM）1334.1.3 现场可编程逻辑阵列（FPLA）1354.1.4 可编程阵列逻辑（PAL）1374.1.5 通用逻辑阵列（GAL）1404.2 可编程器件设计1474.2.1 可编程器件开发工具演变1474.2.2 可编程器件设计过程与举例1484.3 两种常用的HDPLD可编程逻辑器件1514.3.1 按集成度分类的可编程逻辑器件1514.3.2 CPLD可编程器件1524.3.3 FPGA可编程器件156第6章 数字系统功能

5、模块设计1616.1 数字系统功能模块1616.1.1 功能模块概念1616.1.2 功能模块外特性及设计过程1616.2 基于组合逻辑模型下的VHDL设计1626.2.1 基本逻辑门电路设计1626.2.2 比较器设计1656.2.3 代码转换器设计1676.2.4 多路选择器与多路分配器设计1686.2.5 运算类功能部件设计1696.2.6 译码器设计1736.2.7 总线隔离器设计1746.3 基于时序逻辑模型下的VHDL设计1766.3.1 寄存器设计1766.3.2 计数器设计1786.3.3 并串转换器设计1816.3.4 串并转换器设计1826.3.5 七段数字（LED）显示原

6、理分析与设计1846.4 复杂数字系统设计举例1876.4.1 高速传输通道设计1876.4.2 多处理机共享数据保护锁设计194第7章 系统集成2037.1 系统集成基础知识2037.1.1 系统集成概念2037.1.2 系统层次结构模式2057.1.3 系统集成步骤2067.2 系统集成规范2087.2.1 基于总线方式的互连结构2087.2.2 路由协议2137.2.3 系统安全规范与防御2187.2.4 时间同步2217.3 数字系统的非功能设计2237.3.1 数字系统中信号传输竞争与险象2237.3.2 故障注入2267.3.3 数字系统测试2287.3.4 低能耗系统与多时钟技术

7、229第1章：基础概念 数字系统的基础就是脉冲技术。由于脉冲技术是用离散电信号来表示数字量，并通过转化成数字量值的脉冲信号来近似描述自然界中各种连续变化过程，所以对量化后的脉冲信号的传输和处理就是数字系统需要研究的对象和策略。另外在脉冲信号的处理中，记忆需要处理的信号是一个非常重要的功能，本章重点描述了如何实现对脉冲信号的记忆多种方法。1.1 概述在人类生存自然界中存在着各种各样表现万物变化的信息，如植物生长、水流速度快慢、环境温度变化、空气污染状况等。当人类需要了解这些自然现象以及对它们进行掌控时，就必须对这些变化信息进行收集、传递、加工、处理及控制。但因这些变化信息都具有连续变化的一个共性

8、，所以需要对这些信息进行处理时，常采用比拟或模拟方法来进行，人们把这类具有描述连续变化特性物理量称为模拟量（Analog value）。但在实际工程应用中，要想获得模拟量精确表现是非常困难的，因此对以模拟量形式所表现信息进行检测和传递就很容易产生误差。为解决模拟量精度和信息处理方便性，人们提出了在一定精度范围要求下以数字量值形式来表现连续变化信息方法，为区分模拟量表示，称这种表示方法为数字表示，这种以数字形式来表示所对应模拟量就被称为数字量（Digital value）。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）。在对数字量进行采集、传递和加工过程中

9、，数字系统一般都采用了二进制数据格式。这是因为二进制表示可以简化工程实现难度、传输可靠性高、运算简单、节省器件等优点。在使用了数字信息后，原来由模拟系统来实现对自然信息的加工，现在都转化成由数字系统来承担并且效果更好。因此数字系统除数字信息进行数值运算和加工外，还可以对各种逻辑思维进行加工。逻辑加工在应用于面向过程和对象的控制以及系统决策方面起着重要作用。所以数字系统也被称为数字逻辑系统（Digital logic system），简称数字逻辑。采用数字量后需要注意的是，数字量具有离散量表现行为特征，而模拟量却具有线性表现行为特征，所以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

10、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 conversion），将原来已经加工后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。近年来，因微电子技术迅速发展和崛起，数字信息在传输和处理速度方面都达到相当高水平。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）。实时性在数字系统中是一个非常重要的技术指标。因此实时系统一种较为抽象定义是：若一个数

11、字系统能够在规定时间内提供某种特殊服务。则该系统可称为实时系统。一种更能接受的定义是：实时系统是指计算正确性不仅取决于数字系统运行逻辑正确性，也取决于结果产生时间，如果系统时间约束条件得不到满足，此时运行系统将会发生系统出错。目前为了精确描述数字系统实时性，其实时性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下安全处理时间。因此在硬实时系统中，要求对任何突发事件的处理时间必须具有一个规定时限，否则系统将导致灾难性后果。如远程救护系统中伤情数据传输过程、飞行器起落架收放系统等。软实时系统是对任何突发事件能够提供确定处理时间，而

12、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系统致命错误。如“虫孔”路由算法（Worm Hole Routing）、蓝牙技术中Whiting算法等。目前数字系统使用水平随着超大规模集成电路VLSI（Very Large Scale Integration）和极大规模集成电路ULSI（Ultra Large Scale Integration）技术不断成熟和发展，新型器件和设计手段也不断涌现，为此数字系统设计成本和制作成本也不断降低，使得数字系统竞争能力越来越强，加上现代新技术所特有标准化、系列化和灵活性，即使在数字系统制作成型后

13、，也可以通过各种升级手段对原有数字系统功能进行在线升级和完善。1.2 基础知识数字系统就是对脉冲信号进行传输、控制和加工等处理，而这些过程所需要依赖数字系统内部基本矛盾就是晶体管导通与截止、电容充电和放电。为此了解和掌握脉冲信号概念与晶体管开关特性成为学习数字系统设计基础。1.2.1 脉冲信号脉冲在学术上被定义成在短时间内产生一种突变，随后又迅速返回其初始量值的一种物理特性。因此从脉冲定义可以看出，脉冲有一种间隔性特征，正因为这种间隔性特征，所以可以把脉冲作为一种信号来描述。鉴于上述特征，脉冲信号可以被定义为：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，因此脉冲信号在一个周期中

14、大部分时间段内没有信号出现，就像人的脉搏一样，它具有间歇性出现特征。而现在一般所指数字信号，它可根据不同占空比来表征一个周期内多少时间有信号。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。脉冲技术所包含内容非常丰富，概括的说就是有脉冲的变换、产生、放大、驱动、传输和测量等。这里只要建立一些基础认识，而不需要进行很深入研究。为了解什么是脉冲以及如何产生脉冲信号，可以通过如图1.1所示的简单直流电路工作过程来描述。该简单直流电路由电阻R1和R2构成一个分压电路，电路输出电压将取决于R2上电压值。而电路输出电压能否在R2上产生，又取决于电路中一个开关元件K的闭合和断开。因此电源接通后

15、，若电路中开关K处于闭合状态，电路中所形成电流回路将只通过电阻R1，因开关K闭合则导致了对电阻R2短路，因此在R2两端形成一个等电位，又因为电路输出电压取决于R2，所以电路输出电压为0v。若按图1.2所示将开关断开，在电源接通后，则电源将通过电阻R1和R2形成回路，流经分压电阻R1和R2的回路电流将在R2两端建立起一个电压，而该电压就是电路输出电压，所以其输出电压值为：Vout = Vcc ´ R2/( R1 + R2)。 未在R2 在R2上形成电流回路的电路若将开关K再次合上，则R2又被短路，输出电压也再次回到0V，周而复始重复这个开关过程，那么在输出端上就可以得到如图1.3所示一

16、系列断续电压变化波形，人们称这种形式输出信号为脉冲信号，所以对于脉冲也可以描述成短时间内所出现电压或电流变化。由于电路对外输出脉冲有效信号宽度和脉冲时间间隔取决于电路中开关元件闭合和断开时间，因此可以通过对开关元件K的控制闭合和断开频度来获取不同持续时间宽度的脉冲输出信号。一般情况下，凡是按非正弦规律变化的电流或电压信号都称为脉冲信号，所以脉冲信号波形种类繁多，图 1.4表示了几种常见脉冲波形。 电路输出脉冲信号尖脉冲 矩形脉冲 方波(占空比1:1) 梯形波 锯齿波 三角波 阶梯波 几种常见脉冲信号图1.5描述了脉冲信号常用几个参数：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：

17、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。脉冲宽度tu：脉冲出现后持续时间。 脉冲信号参数描述1.2.2 半导体的导电特性无论是早期数字系统所采用的分立元件体系结构，还是历经20多年发展过程中数字系统所采用的各种小规模集成电路SSI（Small Scale Integration）、中规模集成电路MSI（Medium Scale Integration）和大规模集成电路LSI（Large Scale Integration），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，了解半导

18、体导电特性将更加有助于对晶体管工作原理的理解。下面从三个方面对半导体导电性能展开描述。1.半导体导电特性。对于很容易导电的材料，如金、银、铜、铁等，人们将它们称其为导体，而对于那些不能导电的材料，如橡胶、塑料、陶瓷、木材等，则称其为绝缘体。对绝缘体而言，就是通过外界施加很高的电源电压在材料上，这些材料内部几乎也没有任何电流出现。而半导体则是一种介于导体和绝缘体之间的一种材料，它的导电性比不上导体，但又比绝缘体好。为什么不同材料会出现有如此巨大差异的导电性，即引起导体、半导体和绝缘体之分根本原因何在，其实就是材料内部特性和材料内部原子结构，它们取决于材料内部可以运载电荷形成电流载粒子多少。我们知

19、道原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成。因此在任何一种原子结构中，电子又被分成几层围绕着原子核作不停的运动。所以在同一个原子中，越靠近原子核内层电子受到原子核吸引力就越大，而远离原子核外层电子受到原子核吸引力就小。对导体而言，因外层电子受到原子核束缚力最小，因此这些大量游离在外层的电子很容易挣脱原子核对它们所产生的束缚力而变成自由电子，所以这些自由电子就成为了运载电荷运动的载流子，一旦材料在施加外电场的作用下，这些载流子将形成定向运动而成为电流出现在载体中。在绝缘体中，由于外层电子受到原子核束缚力很大，这些外层电子很难挣脱原子核对它们所产生的束缚力，为此它们能成为运载电荷的载流子机遇非常小

20、，正是这个原因就决定了绝缘体导电性相对 硅原子结构图 锗原子结构图很差。 硅原子和锗原子结构示意半导体的原子结构有些特殊，外层电子既不象 导体那样很容易挣脱原子核对它的束缚力，但也不 象绝缘体那样受到原子核很强束缚。在常温条件下， 尽管有些电子能挣脱原子核对它束缚而成为了运载电荷运动的载流子，但这些载流子数量远比导体材料少得多，所以它们的导电性处在导体和绝缘体之间，这就是半导体材料导电特性由来。 2.半导体的特殊载流子。从半导体技术初创阶段 到如今器件技术全面发展阶段，这些半导体材料主要 硅晶体的共价键结构是基于硅和锗（化学符号是Si和Ge）这两种材料， 而这两种材料原子结构如图1.6所示。

21、一旦把硅、锗这种半导体材料变成单晶体结构后，这些材料的原子排列就从原来杂乱无章排列状态过渡成非常整齐的排列状态，且各个原子之间距离相等，约为 2.35 ´ 10-4微米，每个原子最外层都是有4个价电子，其结构如图1.7所示。源于原子理论使我们知道，只有当原子核外层电子要 达到八个时才是处于稳定状态，因此当硅原子在组成硅晶 共有电子运动示意图体时，每个原子将要对四周相邻原子外层电子进行争夺，来达到满足稳定状态条件，这样每两两相邻的两个硅原子将处于一种共享一个电子对状态，即共有电子对状态。在这个电子对中任何一个电子，它除了一方面围绕自己原子核运动外，也还时常出现在相邻原子所属轨迹上，人们

22、称这种组合为共价键结构。而半导体硅、锗共价键结构特点是外层共有电子所受到原子核束缚力没有绝缘体那样强烈，在一定温度条件下，由热能可以转化成电子需要运动的动能，其中有少数电子有可能将挣脱原子核束缚力而成为自由电子，这就形成了带负电载流子。我们需要注意的是在共有电子挣脱了原子核对它束缚力而成为自由电子后，它将把它原来所处位置形成了一个空位出来。正是有了这样一个空位，导致处于附近位置上的共有电子很容易对这个空位进行填补，这样就形成了共有电子运动，结构如图1.8所示。为了区别带负电自由电子运动过程，人们将这种带正电荷空位在半导体中运动过程称为空穴运动。作为空穴运动过程，也可以将其空穴看作是一种载流子。

23、当对半导体施加外电压作用时，半导体内部自由电子将按一个特定方向进行定向运动，从而产生带负电荷的电子电流，同时半导体内部共有电子也依据替补空穴原理形成带正电荷的空穴电流。这两种电流都是按照特定方向实现相反定向流动，但不同的是，电子电流是一种带负电定向电流，而空穴电流是一种带正电定向电流。所以半导体在外电压施加作用下，不仅有电子载流子所引起的负电荷电子流，而且还有空穴载流子所引起的正电荷电子流，这就是半导体非常重要的导电方式，它也是用于区别于导体导电的一种重要特性。由于物质总是处于不停运动中，因此在半导体内部热运动也不断地产生自由电子，同时也产生相应数量空穴。自由电子在运动过程中又不断地与半导体中

24、所出现空穴重新结合而消失，它是与产生自由电子的一个相反过程。所以在一定温度条件下，这种运动将会达到一个相对平衡状态，尽管半导体内部的结合和产生过程仍在进行，但电子和空穴却维持着一定的数量。3.p型半导体和n型半导体。在单晶半导体中虽然存在着电子载流子和空穴载流子，但这些能起着导电作用载流子数量，离材料所能达到的导电性能还相去甚远。由于半导体材料对其导电性具有一种很可贵的可控特性，所以采取一些适当外界措施后，如加温、光照、或有选择性地掺入一些其它金属杂质，就可以显著提高半导体导电性。而经常提及的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，硅晶体掺杂硼、 磷后原

25、子结构结。 硅晶体掺杂硼、磷后的原子结构图因为硼是三价元素，其外层只有三个电子，所以在与硅原子组成共价键时，就自然形成一个空穴。掺入的硼杂质每个原子都可以提供一个空穴，形成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。如果在硅晶体中掺入磷，锑等五价元素，这时构成的原子结构又不一样了。在硅原子和磷原子组成共价键后，磷外层五个电子有四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

26、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。在实际应用中，半导体中经常是以p型杂质和n型杂质混合形式而出现，因此半导体究竟是p型半导体还是n型半导体导电特性，将取决于某种杂质在半导体中掺入浓度。这样半导体的导电特性可以在某种已得以确认导电特性下，通过修改掺入杂质比例而引起导电特性转变。单纯一块p型半导体或一块n型半导体只能起到一个电阻作用，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，器件生产商正是利用这些电子元件结构元件生产出各种VLSI和ULSI器件。要让p n结能形

27、成各种电子元件，就需要p n结具备单向导电行为。p n结之所以能出现导电行为，实际上就是由半导体内部扩散运动和漂移运动所引起。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，它也形成了从n区向p区扩散，图1.10表示了载流子扩散示意图。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区电子也被减少，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 因扩散运动所产生的空间电场示意图区和n区交界面上就形成了

28、一个很薄的空间电荷区，人们把这个电荷区就称为p n结。在这个p n结上，p区这边带负电，而在n区这边带正电，从而形成了一个空间电场，该电场的方向是由n区指向p区，图1.11表示因扩散运动所导致在半导体中所产生的空间电场示意图。在p n结上所存在的这个空间电场，对扩散运动带来对p区多数空穴载流子向n区扩散进行阻碍，同样它也阻碍了n区多数电子载流子向p区扩散。同时电场还使p区少数电子载流子和n区少数空穴载流子向对方区域进行漂移运动，因此在p n结内部就出现了两种运动。一个是因浓度差异所引起的扩散运动，一个是因空间电场所引起的漂移运动。开始时候，p n结内部扩散运动为主要行为，随着扩散过程的持续，p

29、 n结开始逐渐加宽，从而导致空间电场力逐渐加强，这个电场力反过来又使得漂移运动也加强。当扩散运动和漂移运动作用相互抵消时，半导体内部p n结就不再加宽了，从而达到暂时平衡。尽管半导体内部仍继续着扩散和漂移运动过程，但它们以一种大小相等，作用相反的表现行为而存在，此时半导体上不会有任何电流能流过。 p n结正向连接的单向导电行为 p n结反向连接的单向导电行为如果我们在半导体p 式，将外部电压正极接在p n结p区上，同时将外部电压负极接在p n结n区上。 此时因外加电压与半导体内部p n结上所形成的空间电场方向相反，这势必对原电场进行削弱，结果导致扩散运动能力超过漂移运动能力，使得空穴载流子就能

30、够顺利地越过p n结空间电场区，在p n结就形成较大电流出现，所以p n结在正向导通情况下其电阻是非常小的。由于在p n结上施加的外部电压使得p n结空间电场变窄，其结果驱使了p区空穴载流子向n 区运动，同样也促使n 区电子载流子向p区运动。一旦p区空穴载流子向n区运动而进入空间电荷区，就与原来存在于空间电荷区中负离子进行中和，同样由n区向p区运动电子载流子在进入空间电荷区后，也与原来空间电荷区中存在的正离子中和，这两种中和结果都使得空间电荷量减少，表现在p n结的物理特性上就是空间电场减弱，即p n结变窄。如果按图1.13所示方式，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

31、n结n区上。由于这种连接方式是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，这样在半导体中使得载流子扩散运动很难继续进行。但是由物体运动所产生的热激发将在n区中生成空穴载流子和p区中生成电子载流子，它们在外加电压作用下实现漂移，从而在p n结上形成漂移电流。由于这些载流子数量极少，所以在反向电压作用下形成的反向漂移电流也很小，这个反向漂移电流就是人们通常所说的反向暗流或反向电流，这也是为什么p n结在反向电

32、压施加下产生电阻很大的原因。1.2.3 晶体二极管开关特性二极管就是一个p n结。它是在n型硅片氧化膜上利用光刻技术先开出一个窗口，然后对该窗口进行高浓度硼扩散来获得p型硅，这样在其交界处就形成了一个p n结，二极管用符号表示。二极管特性就是单向导电，以硅二极管为例的电压电流(V/A)曲线如图1.14所示。二极管伏安曲线由如下三个部分组成：1.正向特性部分：当在二极管两端施加正向电压Vf时，在二极管内部将立即产生正向电流If。如果外部施加正向电压还不能克服 内部电场对载流子扩散运动阻力时，此时流经 硅二极管电压电流(V/A)曲线二极管正向电流仍然很少，二极管仍表现出较大电阻特性。只有当外加电压

33、达到一定程度后，其结果外加电压将大大削弱二极管中内部电场，使得二极管中正向电流快速增大。这个正向电流增大也必须有一个适度，即它能表现出的最大可容忍电流量，否则使二极管产生过热现象而被烧坏。因此在一定工作电流下，希望二极管管压降是越小越好。所以这个正向压降和正向电流是二极管正向特性的两个主要参数。2.反向电流部分：反向电流是由因二极管内部p区空穴载流子和n区电子载流子漂移运动所引起的，这些少量载流子在电场作用下很容易地通过p n结而形成反向电流，所以反向电流大小将取决于载流子数，而与反向电压大小可以说几乎无关。由于半导体内的漂移运动与热激发相关联，而热激发又受到温度影响，在温度升高时，热激发更加

34、剧烈的被表现出来，从而导致反向电流随之增加。所以在数字系统应用环境中，一定要考虑环境温度，因为它将直接影响到所使用集成电路反向电流问题。所以我们说，反向电流是衡量二极管反向特性一个重要参数。如果一个二极管反向电流越大，说明二极管性能越差。3.反向击穿电压部分：反向击穿电压是提供给使用者在对二极管使用时，可以承受外部电源反接时一个标准。当对二极管采用反向连接时，反向电压开始增加并不能立即引起二极管反向电流增加，即反向电流仍基本保持不变。但当外部电压增加到一定大小时候，二极管的反向电流将突然剧增，出现二极管被击穿现象。产生二极管被击穿原因是，当外加反向电压增加到一定量值时，使得二极管内部p n结中

35、电场强度非常大，结果导致p n结中载流子获得极大动能，并去撞击其它原子而产生电离。这些被电离出来载流子又去撞击更多原子，又使得这些再度被撞击原子也产生电离作用，这个现象就如同雪崩效应一样，使得瞬间通过p n结电流量剧烈增长，最后导致二极管被击穿。因此任何一种电子元件和集成电路都给出了它们可以工作的最大反向工作电压，在对数字系统进行设计时，一定要按照电路元件或集成电路所提供的工作频率、工作电流、反向电压等参数进行选用。由于数字系统是专门研究如何通过脉冲信号来加工、传输和处理连续变化的信号量，所以在脉冲作用下，二极管将处于通（管压降很小、有电流通过）和断（没有电流通过）这两种工作状态，而且这两种状

36、态转换速度要求能极其高速的被表现出来，所以二极管开关特性反映了晶体管在导通和截止这两种状态之间快速转换问题。分析图1.15和图1.16，图1.15中接入正反两个电源，究竟是哪个外接电源被接入取决于电路中开关K，电路中电阻R起到了对二极管限流作用，Vout表示了二极管管压降，这个管压降也代表了电路输出电压。 描述二极管开关特性电路 二极管开关特性示意图当电路中开关K倒向到正向电源连接方式时，二极管立即处于正向导通状态，此时二极管两端正向压降Vout很小，电路中正向电流为If =Vf / R。如果从对外输出电压这个角度上看，此时电路对外将输出一个低电平（硅二极管约为0.7v，锗二极管约为0.3v）

37、。若将电路中开关K倒向反向电源连接方式，二极管将处于反向截止状态，此时电路中Ib » 0，Vout = Vb，二极管两端压降就是输入反向电压，即反向截止，如果从对外输出电压这个角度上看，此时电路对外输出一个高电平。从图1.16中可以看出，当电路开关K从正向连接突然倒向负向连接时，这一瞬间电路中反向电流仍然很大，Ib = Vb / R，此时二极管仍然维持很小对外输出电压。在经过一段时间后，二极管将从导通状态转变成截止状态，此时电路中才几乎没有电流流动，对外输出电压就从低电平转变成高电平，所以说二极管反向截止是有条件且可变动的。从1.2.2中已清楚知道，在二极管处于正向导通时候，p区和n

38、区载流子都是不断地向对方区域进行扩散运动，这些空穴载流子和电子载流子在克服了空间电场阻力到对方区域后，并不是立即与电子或空穴复合而消失,而是在一个称为扩散长度路程中继续扩散，虽然它们也会与一些空穴或电子复合而消失，但在这个扩散长度范围内存储了一定数量的空穴或电子，并建立了一定密度分布且在对方区域中形成一定量的存储。当对二极管突然施加反向电压时，它们将立即形成漂移运动，这就是前面所说Ib为什么开始还出现相当大的原因。在经过一段时间后，由于处于p区和n区存储电荷消失，Ib才出现几乎为零情况。由于在外加电压的突然改变，它为二极管从导通向截止方面转化奠定了基础条件，所以产生的反向电流使得存储电荷逐渐消

39、失。在存储电荷消失后， p n结空间电荷区也开始由窄逐渐变宽，因此通过二极管的电流也逐步跟随变小，导致二极管也由原来导通状态逐渐转变成截止状态，这个转换时间称为二极管反向恢复时间，用ts表示。ts和选用二极管有关，属于低频整流管类型的p n结面积大，所以存储电荷也较多，因此ts就大。而开关型二极管p n结面积小，同时在制作工艺中利用了“掺金”手段，即在半导体中掺入极少量金元素，这些金元素很容易捕获电子并与空穴复合而消失，所以可以加快二极管开关速度，这样它可以达到让存储电荷快速复合并消失效果，所以ts就小。当二极管处于反向截止状态时，若再度将外加电源修改成正向连接方式，此时二极管又从反向截止状态

40、转变成正向导通状态。二极管内部p n结电荷区再次由宽变窄，其结果所引起电荷量由多变少虽然也需要一定时间，但这个时间非常短暂，一般情况下都将该时间忽略掉。1.2.4 晶体三极管开关特性开关在电路中作用是，它只具有两个状态，接通和断开。对于理想的开关，当它接通时阻抗应为0；当它断开时阻抗应为无穷大；同时开关从一种状态转换成另一种状态时所需时间应等于0。事实上，这种理想开关是不可能存在，但至少我们可以利用三极管开关特性来较好起到开关作用。三极管构成也采用了p n结模式，但它比二极管增加了把信号放大作用，这也是三极管与二极管相比所产生的质的飞跃。三极管是由两个p n结组成，中间用一层很薄的基区来实现联

41、系，图1.17表示了三极管结构和符号，其中发射极用“e”表示，基极用“b”表示，集电极用“c”表示。 三极管结构与符号示意图放大是三极管基本特性，但放大也被一些条件所制约。在某些情况下，三极管可以从放大状态转化成截止状态，或从放大状态转化成饱和状态，因此放大、截止、饱和称为三极管三个工作状态，所以数字系统所涉及到数据信息的加工、传输和处理就利用了三极管这三个状态互相转化特性。假设有一个如图1.18所示电路，我们可以通过该电路来简单定性说明三极管三个状态之间转化过程。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

42、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结都处于反向偏置，此时三极管内部主要表 三极管截止、放大饱和状态转化示意图现的是漂移运动，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。此时三个电极之间，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。实际上只要输入电压Vin £ 射极电压Ve，将导致基极电流Ib = 0，三极管进入截止状态。三极管放大状态：如果把输入电压Vin从-3V增加到+3V，

43、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）产生一个很大变化。由于集电极电流Ic变化，也导致输出电压Vout也跟随发生相应地改变，这就是三极管放大特点。假设基极电流Ib = 50mA，按放大倍数b = 40倍计算，集电极电流Ic = 2mA，输出电压Vout = Ec - Ic ´ R

44、c = 12V - 2 mA ´ 1K = 12V 2V = 10V。若增加基极电流到100mA，此时三极管集电极电流达到4mA，输出电压Vout = Ec - Ic ´ Rc = 12V - 4 mA ´ 1K = 12V 4V = 8V。所以从这个分析中可看出，基极电流Ib变化一点，则集电极电流Ic变化是非常大的，即集电极电流变化按基极电流40倍计算，因此集电极电流巨大变化也引起输出电压发生相应变化，即三极管放大特点定量举例。当三极管处于放大状态时，由于集电极电压Vc仍然高于基极电压Vb，所以三极管收集结仍处于反向偏置，这样收集结将发射区通过基区发射过来的电子

45、充分加以收集，集电极电流Ic = b ´ Ib，所以集电极电流Ic大小主要取决于发射结发射电子情况，而与负载电阻Rc，集电极电压VC大小基本无关。三极管饱和状态：若继续增加基极电流Ib = 300mA，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 = 400mA，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，但决不能变成一个负电压输出，这时我们说三极管已经失去

46、它的放大能力，从而进入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。出现饱和原因是集电极电流Ic增加受到负载电阻Rc限制。在本例中，因Rc 取为1K，所以Ic增加将引起Vout下降，输出电压Vout最多只能接近于0V，这样就限制了集电极电流最多只能接近于12mA。这也说明基区电子扩散运动在收集结处产生了堆积，而复合运动成主体运动，由发射区发射过来的多余电子都形成了基极电流，因此收集结由反向偏置变成了正向偏置。原本在收集结上的漂移运动被转化成扩散运动，从而使收集极收集作用受到了限制，三极管就从原来放大状态进入到饱和状态。通过上面对三极管三种工作状态分析，可以得到以图1.18电路为例

47、的如图1.19所示三极管特性曲线，该特性曲线描述了三极管集射极压降Vce、集电极电流Ic和基极电流Ib之间关系。利用特性曲线图可以直观表示三极管工作区域，图中拐弯处左边部分为三极管饱和区，拐弯处右边平坦部分为三极管放大区，曲线图中拐点为临界饱和点。实际上经常把特性曲线与负载线结合起来使用。 负载线就是在负载电阻Rc被固定情况下，改变 三极管特性曲线图基极电流Ib所做出集电极电流Ic，与三极管集射极压降Vce对应关系的一条直线，这条直线就称为负载线。负载线与特性曲线结合起来可以决定三极管工作区，比如负载电阻Rc = 1K，基极电流Ib = 80mA，此时三极管工作在临界饱和点，曲线图中C点位置；

48、当基极电流Ib = 40mA，此时三极管工作在放大区，曲线图中Q点位置；基极电流Ib > 80mA，此时三极管工作在饱和区，曲线图中A点位置；基极电流Ib = 0mA，此时三极管工作在截止区，曲线图中B点位置。从负载线中也可以看出，负载电阻Rc越大，三极管越容易进入饱和状态，反之三极管越不容易饱和。建立了三极管基本工作概念后，就可以对三极管开关特性进行描述。三极管开关过程和二极管一样，它说明当三极管工作时候，从饱和状态到截止状态转换过程需要一定时间。引起该时间的原因，来自于三极管内部在p n结上电荷建立和消散过程。由于在数字电路中，只需要使用三极管截止和饱和状态，不需要使用三极管放大状态

49、，所以这两个状态之间转换速度就决定了数字系统实时性和可用性。通过图1.20等效电路来了解三极管开关特性。（1）等效电路 （2）电压和电流波形 三极管开关特性示意图当输入电压Vin突然从-1.3V跳变到+1.8V时，三极管还不能立即导通，而需要经过一个延迟时间td，再经过一个上升时间tr后，三极管才能进入饱和状态。所以这两个时间之和就称为三极管开启时间，用ton表示，即ton = td + tr。其中延迟时间td表示输入信号从-向变化这一时刻开始，直到集电极电流上升到开启三极管工作所对应这段时间称为延迟时间。上升时间tr表示从集电极电流引起三极管工作这个时间起，到集电极电流上升到三极管饱和工作所

50、对应这段时间时称为上升时间。当输入电压Vin-1.3V时，三极管也不能立即关闭，它先需要经过一个延迟时间ts，然后再经过一个下降时间tf后，三极管才能从饱和状态返回到截止状态。所以这两个时间之和就称为三极管关闭时间，用toff表示，即toff = ts+ tf。其中存储时间ts表示输入信号开始向负跳变，到三极管开始退出饱和区所需要时间称为存储时间。下降时间tf表示输入信号负跳变结束后，三极管从饱和区到截止区变化时间称为下降时间。从上述描述可以知道，开启时间就是三极管p n结充电和基区电荷需要所建立时间，而关闭时间就是清除三极管内部存储电荷时间。因此影响三极管开关时间因素首先取决于三极管内部构造

51、。在基于开关模式下的三极管，由于内部掺金作用，引起三极管关闭时间大大加快，所以这类三极管开关特性非常好。因为集成电路都是在硅片上通过光刻来实现电阻、电容、二极管和三极管的，所以三极管内在因素也构成了集成电路的一些限制，任何一种集成电路都在使用手册中都详细描述了它的各种参数，使用时设计者将依据这些参数来针对不同需求数字系统进行设计。1.2.5 晶体三极管三种连接方法由于三极管只有三个电极，当三极管被连接到电路时，其中要有两个电极作为输入信号输入端，同时也要两个电极作为输出信号输出端，这样必将有一个电极作为输入和输出信号共享信号端。因此使用不同电极作为输入、输出信号端共享方式，就形成了三极管的不同

52、连接方式，因此不同连接方式产生的电路性能将有所不同。1.共发射极电路连接结构。共发射极连接方式也称为共射电路，连接结构如图1.21。这种电路结构既有电流放大作用，也有电压的放大作用，因此它的功率放大能力最强，它可以用较小的功率来控制很大的功率，所以这种电路结构在数字电路和线性电路中都得到非常广泛的应用。 2.共基极电路连接结构。 该电路连接结 图1.21 共射电路结构构如图1.22所示。在这种电路结构中，如果输入电压Vin为负电位，此时三极管将会处于导通状态，即射极电流Ie =（| Vin | - Vbe）/ Re，如果输入电压Vin远远高于发射结电压Vbe，此时电路射极电流Ie »

53、 | Vin | / Re。因此在这种情况下，射极电流将由外电路的电源电压和射极电阻来决定，所以它可以获得非常稳定的电流表现。在共基极电路连接结构中，共基电流放 图 共基极电路连接结构大系数a在三极管工作在放大状态时，它接 近于“1”，所以电路中三极管基极电流Ib很小。由于a变化波动很小，因此集电极电流Ic也相对比较稳定。 这种共基极电路连接方式在数字系统中经常被用来作为一个提供稳定电流的恒流源，利 用它来产生比较稳定的集电极电流Ic。因此这种连接方式的一个重大优点就是三极管截止频率高，动态特性很好。但这种连接方式是利用损失电流放大作用结果，来换取较好频率特性效果，所以它一般被用在高频放大、高

54、频振荡电路结构中。 3.共集电极电路连接结构。这种连接方式也称为射极跟随器，该电路连接结构如图1.23所示。这种电路结构使三极管通常都工作在放大区，所以三极管发射结一直是处于正向导通状态。当发射结处于正向导通状态时，三极管基射极电压Vbe很小，电路输出电压Vout跟随输入电压变化而变化，但略小于输入电压，这是因为在这种连接方式中，输入电压Vout = Vout + Vbe。这种连接方式优点是输入阻抗很高，它对前级电路来说只提供了很轻的负载，因此形成的数字系统将产生很低热效应，便于现代移动数字系统实现。 而它的输出阻抗小，表示这种连接方式的电路将可以带动较大负载，因此在数字系统中，可以实现并发性地监测多种外部设备。因射极跟随器具备上述优点，所以这 图1.23 共集电路结构种连接方式经常在数字系统中被用作实现阻抗匹配地方，以起到信号隔离。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。 数字电路是集成电路技术最大应用领域。由于数字电路基本形式是由“与”、“或