电路分析课件

计算机电路基础（1）qinjie

目录：第一章电路分析的基础知识第二章半导体基本器件第三章开关理论基础第四章门电路第五章组合逻辑电路第六章时序逻辑电路第七章存储器和可编程逻辑器件第八章数字系统基础第一章电路分析的基础知识教学要求：1.掌握电流的参考方向、电压的参考极性；关联参考方向等概念。2.掌握电阻、电容、电感，电压源、电流源的伏安关系式。3.掌握列写KCL、KVL的方法。4.掌握用等效变换、分压、分流分式、KCL、KVL计算简单直流电路的方法。5.熟悉戴维南定理及叠加定理。6.熟悉简单RC电路的过渡过程。7.了解受控源的四种形式。本章主要内容1.1电路的组成及电路分析的概念1.2电路中的主要物理量及参考方向1.3电路的基本元件1.4基尔霍夫定律1.5简单电阻电路的分析方法1.6简单RC电路的过渡过程1.1电路的组成及电路分析的概念电路：是由若干电路元件按一定的方式相互连接而成的联结体。电路分析：是在已知电路结构及参数的条件下，求解电路中待求电量的过程。电路设计：是在设定输入信号或功率（能量）的条件下，欲在输出端口产生给定的信号或功率（能量），而求解电路应有结构及参数的过程。电路中常见元件有：电压源、电流源、受控源、电阻、电感和电容。为了对电路结构做进一步描述，下面介绍支路、节点和回路等概念。支路：每一个二端元件组成一条支路。有时也将流过同一个电流的几个“串联”元件的组合称为一条支路。节点：电路中元件支路的连接点。回路：电路中由若干条支路组成的闭合路径。对每一个回路常设定一个方向：沿顺时针或逆时针绕行。图1.1.1电路的组成图1.1.1ⅢⅡⅠⅣIs=2A0.40.612546Us=26VABEOCDFI返回1.2电路中的主要物理量及参考方向1.2.1电流及其参考方向电流是电路中的一个具有大小和方向的基本物理量。电流的大小：恒定电流：I=U/R变化电流：i=dq/dt电流的方向：电流的真实方向：正电荷运动的方向参考方向：可以任意假设？如何判别一个电流的参考方向？与真实方向是否一致？任意假设电流的参考方向是否影响计算结果的正确性？在一般情况下，电路图中所标出的电流方向的箭头是该电流的参考方向，在同时考虑该电流的正、负值之后，才能确定该电流的真实方向。电流I的参考方向被任意假设不影响结果正确性1.2.2电压及参考极性电压：是电路中一个具有大小的方向（极性）的物理量。如图：电路元件上的电压表示为u，u=uAB电压的大小：在电路中，单位正电荷经任意路径由A点运动到B点电场力所做的功。电压的极性：电压的方向称为电压的极性。定义为：如果该电场力做功的数值为正，则A、B之间的电压为正。ABuUAB=UA-UB>0UA，UB的电位是选定一个参考点,相对于参考点的电压。电路中A、B两点任意标定的电压极性称为电压的参考极性。若UAB>0,则电压的真实极性与参考极性相同。若UAB<0,则电压的真实极性与参考极性相反。如：UAB=2V，说明电压的真实极性与参考极性相同，UAB=-2V,说明电压的真实极性与参考极性相反。P5例1.2.1例1.2.1在图1.2.4中,方框泛指电路中的一般元件,试分别指出图中各电压的真实极性。(a)一致(b)相反(c)不确定U=2vU=-2vU=2v++––(a)(b)(c)aaabbb图1.2.4关联参考方向：当电路中某元件上的电压参考极性与电流参考方向相一致时，称为关联参考方向。反之称为非关联参考方向。例:P61.2.5(a),(c)取关联参考方向；(b),(d)取非关联参考方向-2A3V-3V2A3V2A3V-2A(a)(b)(c)(d)1.2.3功率元件上吸收的功率定义为:关联非关联例:P6图1.2.6返回iuiuiuiu++++––––(a)(b)(c)(d)对于u=-2v，i=-3A，P=ui=-2(-3)=6W(对于a,b)

P=-ui=-(-2)(-3)=-6W(对于c,d)

u=5v，i=-3A，P=ui=5(-3)=-15W(对于a,b)

P=-ui=-5(-3)=15W(对于c,d)例1.2.2求元件R和电池上分别消耗的功率。解：对于电池，由于UI取非关联参考方向，则其功率为：P=-UI=-31=-3w（产生）对于电阻，UI取关联参考方向，则其功率为：P=UI=31=3w（吸收）U=3vI=1ARU’图1.2.71.3电路的基本元件常见的有六种:电阻、电容、电感、电流源、电压源、受控源。1.3.1电阻元件U=IR（关联），U=-UI（非关联）1.3.2电容元件C=q/u，i=Cdu/dt1.3.3电感元件u=Ldi/dtC=q/u,i=dq/dt,u,i取关联参考方向i=Cdu/dt1.3.4电压源电压源是实际电源的一种模型。直流电压源是我们研究的对象。Us=某恒定值I由Us及外电路共同决定注意：1.流过电压源电流的真实方向不一定由a流向b。2.当Us=0时，a,b两点间相当于短路。abUsI1.3.5电流源电流源也是理想模型，本节研究恒流源。Is=某恒定值U由Is及外电路共同决定注意：1.电流源所吸收的功率为P=-U·Is2.当Is=0时，a,b两点相当于断路。一个实际电压源是由理想电压源Us与一个内阻Rs串联构成的一个实际电流源是由理想电流源Is与一个内阻Rs并联构成的abUIs1.3.6受控源受控源是一种四端控制元件，由控制支路和受控支路两部分组成。四种类型受控源：电压控制电压源（VCVS）电流控制电流源（CCVS）电压控制电流源（VCCS）电流控制电流源（CCCS）RsabUsbUIsaRsIIU电压源电流源U1i1U2U2U1i1i2i2(a)(b)(c)(d)(a)VCVSCCVS(c)VCCS(d)CCCS？受控源与独立电源有何区别返回1.4基尔霍夫定律在电路分析中，基尔霍夫定律与元件的伏安关系相结合形成对各种复杂电路的一般分析方法。基尔霍夫定律仅与电路结构(即组成电路的节点数、支路数及电路各支路的国家连接关系)有关，而与具体电路元件本身具有何种伏安关系无关。基尔霍夫定律有两个内容：电流定律和电压定律1.4.1基尔霍夫电流定律(简称KCL)KCL指出：在电路中的任何一个节点,在任何时刻流入(或流出)该节点的电流代数和为零,即:

i=0KCL源于电荷守恒。例：i1+(-i2)+(-i3)=0i1i2i31.4.2基尔霍夫电压定律（简易称KVL）KVL指出：在电路中的任何一个回路，在任何时刻，沿该回路绕行一周，该回路上所有支路的电压降的代数和为零。即

u=0KVL源于能量守恒。例1.4.2：在图1.4.3中，方框代表一般元件，且已知u1=3v，u2=-4v，u3=-2v。利用KVL求支路电压ux和uy返回解：方法一：用KVLA回路：U2+Ux+(-U1)=0得：Ux=U1-U2=3-(-4)=7vB回路：U2+Ux+U3+Uy=0得：Uy=-U2-U3-Ux=-1v方法二：“箭头首尾相衔接”Ux=-U2+u1=-(-4)+3=7vUy=-U3-Ux-U2=-(-2)-7-(-4)=-1vu1uxu2uyu3+–++++––––AB1.5简单电阻电路的分析方法1.5.1二端网络的等效概念当电路中的某个部分,由一个或多个元件组成,但只有两个端点(钮)与电路中的其他部分(外电路)相连接时,则称该电路部分为一个二端网络.当一个二端网络与另一个二端网络端点的伏安关系完全相同时,则称这两个二端网络在电路分析中对于外电路的作用是相同的.当电路中的某些元件上流过的电流相同时,称为串联当某些元件两端施加相同的电压时,称这些元件是并联一个实际的电压源与电流源之间的等效变换abUsiURs电压源bUisaRs’i电流源当这两个模型相互等效时,则它们的端点a,b上的伏安关系应相同，即i相同、u也相同。等效条件为：

Rs’=Rs和us=iRs’（推导过程教材P20）当Rs与Us相并联，Us等效为理想电压源当Rs’与is相串联时，is等效为理想电流源1.5.2电流源、电压源的等效变换，电阻的串联、并联及分压、分流公式i3i1i2iuis=i1+i2-i3i1=-15A,i2=3A,i3=2Aabuab电流源合并us=u1+u2-u3iabUabui+–+–u1u2u3电压源合并+–对于n个并联电阻R1、R2…Rn组成的二端网络，可用一个等效电阻R等效：R=R1 ‖R2‖‥‥‥‖Rn若只有R1、R2对于图1.5.7所示电路：

R1R2﹢﹣﹣﹣﹢﹢usu1u2(a)﹢﹣isi1i2R1R2u(b)图1.5.7图(a)分压公式:(R1,R2串联,电流相同)图(b)分流公式:(R1,R2并联,电压相同)例1.5.1例1.5.2例1.5.3例1.5.4例1.5.5解：对a图等效变换，将电压源等效为电流源，得IS1=20/0.4=50A,IS2=10/3A,如图bIS=IS1+IS2=50-10/3=46.7A,设并联后的总电阻为：Rs=0.4//3=0.353I3=IsRs/(R+Rs)=7A20.43I1I3I220v10v++––ba(a)图1.5.1050A0.423Is1Is210v/3v(b)I31.5.3戴维南定理戴维南定理：一个由电压源、电流源及电阻构成的二端网络，可以用一个电压源Uoc和一个电阻Ro的串联等效电路来等效。Uoc为该二端网络开路时的开路电压；Ro--戴维南等效电阻，其值为该网络中所有电压源及电流源为零值时的等效电阻。注意：当电压源为零时，将其等效为短路；当电流源为零值时，将其等效为开路。例1.5.8；例1.5.9例1.5.8用戴维南定理计算例1.5.5电路中的电流I3解:分别得到求Uoc及Ro的等效电路图1.5.13对(a)图电路,有I=(20+10)/(0.4+3)=8.82AUoc=8.823-10=16.5v由(b)图电路,得Ro=0.4//3=(0.43)/(0.4+3)=0.353由(c)图戴维南等效电路,得I3=16.5/(0.353+2)=7.0A0.43Ro20v10v30.4UocI++–––+Uoc=16.5v2Ro=0.353+–I3图1.5.13(a)求Uoc电路(b)求Ro电路(c)戴维南等效电路上一页例1.5.9用戴维南定理计算图1.5.14(a)电路中的电压Ｕ。解:(1)将(a)图a,b两端开路，由(b)图求开路电压Uoc，得Uoc=-210+3=-17v(2)将3v电压源等效为短路，将2A电流源等效为开路，得图(c)电路，则Ro=4+10=14(3)由图(d)戴维南等效电路求待求电压U：U=-176/(14+3+6)=-4.4v1042A3v++––U36ab(a)电路图+2A+––4103vUoc(b)求Uoc电路104Roab(c)求Ro电路++––Uoc=-17vURo=1436ab(d)等效电路1.5.4叠加定理当电路中由电阻、电压源及电流源组成时，电路中任何一个支路的电压（或电流）是电路中各个电源单独作用时，在该支路上产生的电压（或电流）之和。例1.5.10返回1.6简单RC电路的过渡过程研究它的过渡过程是学习电子电路中产生脉冲波形电路的基础。图1.6.1RC电路用于说明电容的充放电过程。KUsabRiC++––图1.6.1开关K接到a点：充电过程开关K接到b点：放电过程结论：当简单RC电路处于过渡过程时，其电容电压Uc(t)的表达式为：Uc(0),Uc()分别为在过渡过程起始时刻的结束时刻电容C上的电压值。三要素：Uc(0),Uc(),RC填空题1.元件的特性是由其

所描述的.2.KVL及KVL仅与电路

有关.3.电流及电压是具有

和

的物理量.4.关联参考方向是指

.5.若已知某元件上U=-3V,I=4A,且U,I取非关联参考方向,则其吸收的功率P=

,该元件是吸收还是产生功率?6.电容上的

及电感中的

一般不会发生突变.在直流电路中,电容相当于

,电感相当于

.7.直流电压源Us两端第二章半导体基本器件教学要求：1.掌握PN结的单向导电性,二极管导通电压Uon的概念,熟悉二极管的特性曲线。2.了解开关二极管，整流二极管、稳压二极管的基本用途。3.掌握三极管输出特性曲线中的截止区、放大区和饱和区等概念。4.熟悉三极管共发射极电流放大系数的含义，熟悉三极管开关电路工作状态的分析方法。5.了解三极管的主要参数。6.熟悉MOS场效应管的分类、符号、增强型NMOS管的特性曲线。7.了解MOS场效应管的主要参数。2.1半导体二极管2.1.1半导体基本知识1.半导体的载流子——电子与空穴2.N型半导体和P型半导体N型半导体：在硅晶体中掺入五价磷元素形成。自由电子为多子，空穴为少子。P型半导体：在硅晶体中掺入三价硼元素形成。空穴为多子，自由电子为少子。3.PN结的形成多子的扩散运动和少子的漂移运动达到动态平衡，P区和N区的交界面附近形成“空间电荷区”，称为PN结。4.PN结的单向导电性（1）外加正向电压（正偏），PN结导通；外加反向电压（反偏），PN结截止。（2）PN结的伏安特性u<UON时，PN结截止；u>UON时，PN结导通。当u<0时，PN结截止，IR=0当u<URB时，PN结反向击穿。（3）PN结动态特性2.1.2二极管符号及主要参数符号：UONU(RB)IR0iuAKD主要参数：1.最大正向电流IF2.反向击穿电压U（RB）3.反向电流IR4.最高工作频率和反向恢复时间2.2半导体三极管2.2.1三极管的结构、符号、分类、特性曲线1.结构：三极管有三个区（发射区、基区、集电区）

三个极（e、b、c）

两个结(发射结、集电结）2.分类、符号：NPN（Si,Ge）、PNP(Si,Ge)型三极管

becbecNPN型PNP型3.特性曲线三个工作区：截止区、放大区、饱和区饱和区放大区截止区Uce/vIc/mA4.三极管的放大原理条件：发射结正向偏置，集电结反偏过程：（1）发射区向基区发射电子由于发射结正偏，扩散电流为主，漂移电流可略。IE主要是发射区向基区注入的电子流，电流方向与电子运动方向相反。（2）电子在基区中的扩散与复合由于浓度差，电子到达基区后向集电区扩散，被集电极吸收形成集电极电流Ic，其中有少部分电子与基区中的空穴复合，为补偿失去的空穴，基极注入空穴，形成基区复合电流IB。AIEIsIBIcbec+–Uc（3）电子被集电极收集集电结反向偏置，阻止集电区的电子向基区扩散，但有利于将基区扩散过来的电子吸收过来，形成收集电流Ic。且有：Ie=Ib+Ic5.三极管电路的三个工作区

电路图输出特性曲线（1）截止区：UBE<UON(导通电压)，三极管处于截止状态iB0，iC0，b、e与c、e之间都近似开路。（2）放大区：UBEUON，即发射结处于正偏集电结处于反偏（c点电位高于b点电位），此时三极管处于放大状态，并满足：=Ic/IB（3）饱和区：UBE>UON，即发射结正向偏置，集电结也正偏（c点电位高于b点电位）三极管失去电流放

大作用。管压降UCE称为饱和压降UCES，流入bc极的电流称为饱和电流IBS，ICS。且有：IBS>ICS/注解：定义为直流电流IC与IB的比值。也用于表达变化电流iB与iC之间的关系。

=ic/iB=IC/IB在管子质量差时，对应不同IB有差异。不受UCE的影响。2.2.2三极管主要参数1.共发射极电流放大系数2.集电极-发射极击穿电压UCEO当UCE>UCEO时,则ce结易被击穿损坏。类似还有UCBO，UEBO

3.集电极最大电流ICM指集电极允许流过的最大电流。否则管子处于过流状态易坏。4.最大功率PCM指集电极允许的最大功率。超过PCM管子过热会损坏。5.特征频率fTf>fT，会下降6.集电极-发射极饱和压降UCES例2.2.1

由2N5550组成的三极管开关电路如图2.2.4(a)所示。输入信号UI是幅值为5V、频率为1kHz的脉冲电压信号。已知=125，三极管饱和时UBE=0.7、UCES=0.25V。试分析电路的工作状态和输出电压的波形。例2.2.2由2N5550三极管组成的线性放大电路如图2.2.5(a)所示。输入信号UI为正弦交流电压信号，其幅值为0.2v、频率为50Hz，叠加在3v直流电压U上。已知=125，三极管饱和UBE=0.7、UCES=0.25V。试分析电路的工作状态和输出电压的波形。2.2.3三极管的开关时间和极间电容三极管作为开关运作时，饱和和截止状态的转换不可能在瞬间完成，管子内部存在电荷建立和消失的过程。1.开关时间（1）延迟时间td（2）上升时间tr（3）存储时间ts（4）下降时间tf开启时间：ton=td+tr关闭时间：toff=ts+tr2.极间电容三极管内部电荷建立的消失的过程常用极间电容描述。2.2.4三极管的共基极和共集电极电路1.共基极电路(图2.2.7)输入、输出回路共基极2.共集电极电路(图2.2.8)该电路又称为射极跟随器。IBIEUc+–+–Uo图2.2.8图2.2.7IEIcUc+–+Uo2.3MOS场效应管2.3.1MOS管的分类场效应管是一种单极型半导体器件。可分为结型和MOS型。MOS按其沟道和工作类型可分成四种：1.N沟道增强型结构如图2.3.1。它用P型材料作衬底，源区和漏区是N型掺杂的扩散区，当Ugs增加到一定数值UTN（开启电压）时，在栅极下面的衬底表面形成N型电子导电沟道，当Ugs增加导电沟道扩大（增强），故称为增强型。图2.3.1PSiO2sgdAl+n+n+2.P沟道增强型3.N沟道耗尽型衬底是P型，漏区和源区是N型，在制造时在源区和漏区之间的衬底表面上形成了N型沟道，因而，当栅压为0时，仍有沟道形成。当加上负的栅极电压时，N型导电沟道变浅。栅压负到一定数值时，以致把这条电子导电沟道全部耗尽完了时，该MOS管才不能导通，故有耗尽型之称。将沟道刚耗尽完时的栅压叫夹断电压VI。4.P沟道耗尽型这种场效应管在栅压为零时，仍有P型沟道形成；当栅压为正栅压并足够大时，沟道被耗尽，该MOS管才不能导通。难制造很少用。2.3.2增强型MOS管的特性曲线1.转移特性曲线（1）转移特性反映控制电压UGS与电流iD之间的关系，UGS在输入回路，而iD在输出回路，故称之为转移特性。（2）当UGS很小时，iD基本上为零，管子截止；当UGS大于某一电压UTN时，电流iD随UGS的变化而变化。UTN称为开启电压。UGS/viD/mAUTN02.输出特性曲线输出特性是在给定UGS的条件下，iD与UDS之间的关系。有三个工作区域：（1）夹断区：UGS＜UTN，管子处于截止状态。D、S极之间的等效电阻rDS值极高，iD=0，输出回路近似开路。（2）可变电阻区：UGS>UTN，且UDS值较小。iD与UGS之间近似为线性关系，UGS值越大，曲线越陡，rDS值就越小。（3）恒流区：UGS＜UTN，且UDS值较大。iD只与UGS有关。UGS=6viD/mAuDS可变电阻区恒流区夹断区2.3.3MOS场效应管的主要参数和应用1.直流参数（1）开启电压UTN（2）输入电阻rGS:一般为109~1012。2.交流参数（1）跨导gmgm=ID/UGS|UDS=常数（2）导通电阻rDS:rDS=UDS/ID|UGS=常数第三章开关理论基础教学要求:1.掌握用二进制和十六进制数表示任意整数和带小数的数值，掌握8421BCD码的编码规则。2.熟悉二进制数与十进制数的相互转换。3.掌握与、或、非三种基本运算及其对应的三种门电路。4.熟悉与非、或非、与或非、异或和异或非等对应的门电路。5.掌握逻辑代数的基本定律和规则；掌握由真值表写出标准与或表达式的方法。6.熟悉逻辑代数法简化逻辑函数的方法。7.掌握卡诺图法简化逻辑函数的方法。8.了解在二进制中，用原码、补码表示有符号的数。3.1数制及编码3.1.1~3.1.2数制及转换1.二进制与十进制整数的转换十进制化为二进制的方法为：基数除法（除2取余法）二进制化为十进制的方法是：按权展开2.二、八、十六进制整数之间的相互转换三位二进制-----一位八进制数四位二进制-----一位十六进制数四位8421BCD码-----一位十进制数3.纯小数的数制转换十进制纯小数转换成二进制纯小数的方法：基数乘法4.带小数的数制转换将整数部分（基数除法）和小数部分（基数乘法）分开计算，再将求得的等值整数部分和小数部分合起来3.1.3二十进制码以四位二进制数表示一位十进制数的数制称“二-十进制”。最常用的是8421BCD码。见下表：十进制8421BCD码00000100012001030011401005010160110701118100091001权8421注：四位二进制可以表示16个数，还有6个不用，称为伪码：1010，1011，1100，1101，1110，11113.2逻辑变量和逻辑代数的三种基本运算三种基本运算：与、或、非1.与运算Y=A·B2.或运算Y=A+B3.非运算Y=3.3常见的复合逻辑运算及门电路1、与非运算2、或非运算3、异或运算Y=AB4、同或运算Y=A⊙B5、与或非运算&ABY+ABYABYABY⊙ABCD&&+Y3.4~3.5逻辑代数的基本公式、基本规则1、公式2、规则代入规则：任何含有变量A的等式，若将所有出现A的位置都代之以一个逻辑变量F，则等式依然成立。反演规则：设F为一逻辑函数，将逻辑函数表达式中所有的（•）（+），01，原变量换成反变量，反变量换成原变量，则所得到的逻辑函数表达式是反函数。对偶规则：设F为一逻辑函数，将逻辑函数表达式中所有的（•）（+），01，则所得到的逻辑函数表达式是对偶式F’。3.6逻辑函数的表示方法有五种：逻辑表达式、真值表、卡诺图、波形图、逻辑图。它们之间可以相互转换。3.6.1真值表它把所有可能出现的输入变量的组合及其对应的输出变量的值（即函数值）用表格方式列出来。逻辑表达式是用逻辑代数中的函数表示式描述了逻辑函数。如何由真值表写出逻辑表达式？表3.6.1输入输出ABCF000000100101011110011010110011113.6.2最小项设有n个逻辑变量，由它们组成具有n个变量的与项中，每个变量以原变量或者反变量的形式出现一次且仅出现一次，则称这个与项为最小项。对于n个变量来说，可有2n个最小项。3.7~3.8逻辑函数的化简1.化简的意义逻辑函数的表达式不唯一，逻辑表达式愈简单，根据表达式所画的图也愈简单，即电路愈简单，工作速度快。2.最简与或表达式（1）乘积项最少。（2）每个乘积项中因子最少。3.化简方法：(1)公式化简法观察各项能否合并或利用公式配项后合并(2)卡诺图化简法

①画出逻辑函数的卡诺图

②合并最小项，必须包含所有的最小项

③写出最简与或表达式最简的特点是：“圈”的个数最少，表明项数最少；每个“圈”最大，表明每一项因子最少。例：例3.7.6例3.7.8例3.8.1求逻辑函数F(A,B,C,D)=m(0,1,2,3,14,15)的最简与或表达式。解：（1）画卡诺图（2）画卡诺圈（3）合并111111ABCD0001111000011110第四章门电路教学要求：1.了解TTL与非门、集电极开路门和三态门的工作原理。2.了解CMOS门电路的工作原理。3.掌握各种逻辑系列在速度、功能和抗干扰能力等方面的主要特点。4.掌握各种逻辑系列的主要参数和物理意义和数值的量级。4.1数字集成电路的特点与分类半导体集成电路是采用外延生长、光刻、氧化物生成、掩蔽扩散、离子注入等技术，将晶体管、电阻、电容、等元件和它们之间的连线一起做在一块半导体基片上所构成的电路。分类：双极型晶体管（TTL）集成电路：工作速度高、驱动能力强，但功耗大、集成度低MOS管（单极型）集成电路：集成度高、功耗低（常用）按集成度分类：小规模集成SSI：10~100个元件中规模集成MSI：100~1000个元件大规模集成LSI：1000~100000个元件超大规模集成VLSI：100000以上元件4.2晶体管—晶体管逻辑电路4.2.1最简单的与门、非门和与非门电路1.二极管与门

F=A•B

Ucc+5vFABDADBABF设高电位UIH=+3v,UIL=0v，DA、DB为理想二极管：当A、B均为0v时，二极管DA、DB均为正向偏置而导通，故输出端F为低电位UOL=0v。此时A和B输入端均有电流向外流出，电流值为Ucc/2R1。当A=0v，B=+3v时，由于DA两端的电位差较大而抢先导通，使F端被箝位在UOL=0v；DB因反向偏置而截止。B输入端有向内流入的二极管反向漏极电流，它小于40mA；A输入端向外流出电流，其值为Ucc/R1。当A=+3v，B=0v时，同上F端被箝位在UOL=0v。当A=+3v，B=+3v时，DA、DB均正向偏置而导通，输出端F为高电位UOH=+3v。此时，A和B均有电流向外流出，其值为(Ucc-3)/2R1。输入输出ABF00v0v0+3v0v+3v0v0v+3v+3v+3v输入输出ABF0000101001112.三极管非门UA=0.2v，三极管截止，UF=Ucc=+5v；UA=+5v，三极管饱和，UF=UCES=0.2v.

AUcc(+5v)RcRbFAB3.晶体管与非门与非门有功率放大作用，且可实现与、或、非三种基本运算，也很容易实现与或运算请大家思考怎样实现上述运算？P122UccABDADBUcc(+5v)R2RbFR1与门非门图4.2.34.2.2TTL与非门将图4.2.3中的Rb用二极管D3代替，可得下图。图中二极管D3起电平偏移作用：当输入A和B有一个为0.2v时D3的阳极电为UA+UD1=0.2v+0.7v=0.9v，它小于D3和T管发射结同时导通所需要的1.4v，从而保证D3和T管可靠截止，使输出F为Ucc的逻辑1电位。当A和B皆为高电位Ucc时，D1和D2截止，流过电阻R1的电流经过导通的D3管流入T管的基极。使T管饱和，输出F为0.2v的逻辑0电位。实现了与非功能。ABD1D2Ucc(+5v)R2FR1D3在TTL集成电路中，将图4.2.4中的D1、D2和D3用一个多发射极三极管代替，如图4.2.5示，T1的两个发射结代替了图4.2.4中的D1和D2二极管，T1的集电结代替了。T1主要用来实现与功能，T2主要用来实现非功能。ABD1D2Ucc(+5v)R2FR1D3ABUcc(+5v)R2FR1T1T2图4.2.5由前面的讨论知道，门的输入端需要有电流流入（输入为高电位时）和电流流出（输入为低电位时）。在由多个门组成的数字电路中，每个门输入端的电流是由前一级门的输出端提供的；每个门的输出端应向后一级门提供足够的流出（输出为高电位时）和流入（输出为低电位时）的电流，以保证各个门能正常工作。为了提高TTL与非门带负载的能力，在图4.2.5基上增加了输出级，如图4.2.6所示。通过对上图的分析可以得出：当输出为高电位时，T3和D导通，T4管截止；输出为低电位时，T3和D截止，T4饱和导通。这表明：无论是高电位还是低电位，图4.2.6都有较强的驱动能力。图4.2.6的输出级常称推拉式电路或图腾柱输出电路。并且:在稳态时,由电源Ucc经R4，T3，D和T4到地的路径中流过的电流是极小的，降低了器件的功耗。表4.2.6TTL门电路各晶体管工作状态ABUcc(+5v)R2FR1T1T2R3T3T4FDR4输入级中间级输出级图4.2.64.2.3TTL门的主要参数数字集成门的主要参数是涉及电路的工作速度、功耗、抗干扰能力和驱动能力的参数。1.空载功耗：器件的功耗是在单位时间所消耗的能量，TTL门通常测量其静态未带负载（空载）时的功耗。2.传输特性：它描述了输入电压从0v逐渐上升到高电位时，输出电压的变化情况。根据传输特性可得出输出高电位的下限UOH(min)、输出低电位的上限UOL(max)、输入高电位的下限UIH(min)、输入低电位的上限UIL(max)和噪声容限UNH、UNL。4.2.3TTL门的主要参数数字集成门的主要参数是涉及电路的工作速度、功耗、抗干扰能力和驱动能力的参数。1.空载功耗：器件的功耗是在单位时间所消耗的能量，TTL门通常测量其静态未带负载（空载）时的功耗。注：在TTL输出电位由低到高或由高到低的变化过程中，有一阶段是T3,D3和T4管同时导通，会有一个很大的电流流过R4，T3，D和T4，这个动态尖峰电流可达32mA，显然这个动态功耗会随工作频率的升高而加大。2.传输特性：它描述了输入电压从0v逐渐上升到高电位时，输出电压的变化情况。根据传输特性可得出输出高电位的下限UOH(min)、输出低电位的上限UOL(max)、输入高电位的下限UIH(min)、输入低电位的上限UIL(max)、和噪声容限UNH、UNL。见图4.2.10噪声容限：在数字系统中，前一级电路的输出就是后一级电路的输入，后一级的输入门坎（UIHmin）一定要小于前一级的输出最小值(UOHmin)。这两个电压之差就是该电路允许的最大干扰电压，称这为噪声容限。输入为高电平时的噪声容限为：UNH=UOH(min)-UIH(min)输入为低电平时的噪声容限为：UNL=UIL(max)-UOL(max)取二者中最小的为噪声容限值。例：继续输出为低电位时，T1集电结、T2管和T4管导通，电源提供的总电流IEL为：IEL=iR1+iR2=0.73mA+2.5mA=3.23mA输出为低电位时的功耗PCL为：PCL=IEL×Ucc=3.23mA×5v=16mW当输出为高电位时，T1处于饱和，T3和D导通，电源提供的总电流IEH基本上为iR1：IEH=iR1=1mA功耗为：PCH=IEH×Ucc=1mA×5v=5mW因PCL>PCH，通常将PCL定为空载功耗P。

返回UI/v阈值电压1.4v2.02.4UNH0.40.8UNL0.42.43.60理想特性实际特性UO/v图4.2.9传输特性返回逻辑高电平输出范围逻辑低电平输出范围逻辑高电平输入范围逻辑低电平输入范围UOHminUOLmaxUIHminUILmaxUNHUNL输出特性输入特性Ucc0v返回3.传输延时tpd和速度功耗积传输延时tpd：指与非门输出波形相对于输入波形的延时。导通延时tPHL:输出波形下降沿的50%相对于输入波形上升沿的50%之间的时间间隔关闭延时tPLH:输出波形上升沿的50%相对于输入波形下降沿的50%之间的时间间隔平均传输延时tpd:tpd=(tPHL+tPLH)/2tPHLtPLH4.扇出系数No扇出系数：是一个门能够驱动同类型门的个数。TTL器件：根据一个门在输出为高电位时能够给出的电流和在输出为低电位时允许灌入的电流考虑。NOH=|IOH|/|IIH|NOL=|IOL|

/|IIL|取NOH和NOL中较小的为No。例：4.2.4消特基TTL电路TTL门的传输延时主要受晶体管开关时间的影响，在晶体管的开关时间中，管子的饱和状态转成截止状态所需的时间较长。为了提高工作速度，采用抗饱和电路。4.2.5可以线或的TTL门1.集电极开路门通常两个TTL门的输出端是不可并联使用的。如图4.2.14（P110），否则导通管会被烧坏的。集电极开路门又称OC门。OC门的输出端可以并联在一起形成线与的关系。ABUccR2R1T1T2R3T4F电路图ABFABF&OC门常用符号国标符号线与、与或非门AB&CD&RLUcciLF=AB·CD=AB+CD2.三态TTL门普通TTL门只有两种状态：逻辑0和逻辑1，这两种状态都是低阻输出。三态逻辑输出门的第三态是高阻态输出，输出端相当于悬空。ABGF日美常用符号&ABGEN国标符号三态门功能表：ENENENENENENENENENEN数据总线图4.2.19数据总线结构12345678910工作工作阻塞阻塞01111001114.3CMOS逻辑电路4.3.1CMOS反相器结构：它是由一个增强型NMOS管和一个增强型PMOS管构成的。功能：实现逻辑非的功能工作原理：与三极管构成反相器基本相同，只是上面的电阻用PMOS管来代替。CMOS反相器的工作情况类似于TTL门的推拉式输出级；当输入为低电位时，输出为高电位，T2导通，T1截止；当当输入为高电位，输出为低电位，T2截止，T1导通。UOUIT1T2iDUDDg2g1s1s2d2d1CL1.CMOS反相器传输特性CMOS反相器的逻辑1电位为UDD；逻辑0电位为0v。CMOS反相器的阈值电压UTH为UDD/2，噪声容限较大，可达电源电压UDD的45%，抗干扰能力强。UTH=UDD/2UDD/2UIUOCMOS反相器的传输特性2.功耗：在稳态时，T1和T2管不会同时导通，因此，CMOS管的静态功耗极低，仅几十纳瓦。当CMOS门输出电位由高变低，或者由低变高的过程中，有一个阶段是T1和T2同时导通，电流iDD不为0，形成动态功耗PT，当反相器输出端接有负载电容CL时CMOS反相器的输入信号发生变化时，CL要进行充放电，造成的动态功耗PC更是不容忽视：若输入信号的重复频率为f，则电容每秒充放电各f次，功耗为PC=[CLUDD2/2(充电)+CLUDD2/2（放电）]f=CLUDD2fCMOS门总动态功耗为：PD=PC+PL。CMOS门的扇出系数取决于负载电容的大小和工作速度。负载电容的充放电是限制CMOS门传输延时的主要因素。4.3.2CMOS传输门结构：将NMOS管和PMOS管并联可构成CMOS传输门。功能：UO=UIA=UDD，当A=0，输出端断开UIUOAAT1T2UIUOAA&##A=0A=UDD4.3.3CMOS逻辑门1.与非门2.或非门3.与或非门4.3.4CMOS三态门4.4不同逻辑系列的配合问题1.逻辑电平的配合

TTL:UOH(min)=2.4v，UOL(max)=0.4vCMOS:UOH=5v,UOL=0v,UT=2.5vCMOS可直接驱动TTL电路，反之则不行。必须在连接处到+5v电源之间接入一个几千欧的电阻，将连接处的电平“上拉”到+5v。2.驱动能力的配合第五章组合逻辑电路教学要求：1.掌握组合电路的特点（功能、结构）分析和设计方法。2.学会根据文字描述的设计要求列出相应的真值表。3.掌握全加器、编码器、译码器、数据选择器的逻辑功能和使用方法。4.掌握利用中规模集成译码器、数据选择器设计一般组合电路的方法。5.掌握全加器、逐位进位加法器的设计。6.了解超前进位加法器的工作原理。7.了解竞争和冒险问题。5.1组合逻辑电路的特点组合电路的特点是：任何时刻的输出仅决定于当时的输入，而与电路原来的状态无关（功能）；电路中不含存贮电路和记忆元件，且无反馈线（结构）。5.2组合电路的分析组合电路的分析是根据已经给定的逻辑电路，描述其逻辑功能；步骤：由给定的组合电路→写输出函数的表达式→简化函数（用代数法或图解法）→列真值表或采用其它方法描述电路的逻辑功能。5.3组合电路的设计组合电路的设计则是根据设计要求构成功能正确、经济、可靠的电路。步骤：由给定的逻辑问题→列真值表→写输出函数的表达式并简化（用代数法或图解法）→画逻辑电路图。

组合电路的一般分析方法1.根据逻辑图写出逻辑表达式；2.化简逻辑表达式；3.列真值表；4.确定输出变量的物理意义，说明电路的功能。例：例1:电路逻辑图如图8-4所示,A,B,C为输入变量,Y为输出变量,试说明电路的功能.解:(1)根据逻辑图写出逻辑表达式Y=AB+AC+BC(2)根据逻辑表达式列真值表如表8.3(3)从真值表可以看出,当A,B,C中有两个或三个取值为“1”时,Y=1,否则Y=0。因而电路是判断多数表决电路。ABCY00000010010001111000101111011111组合电路的一般设计方法1.对实际问题进行抽象，定义输入、输出变量；2.根据要实现的逻辑功能列真值表；3.选用门电路；4.根据真值表求逻辑表达式并化简成所需形式；5.画逻辑图；6.检验。举例如下例2:试设计一个8421BCD码的检码电路,要求当输入量DCBA≤2,或≥7时电路输出F为高电平,否则为低电平。试设计该电路，并用于非门实现之。解：1、根据题意，列真值表。由于8421BCD码由十种状态，而四变量组合由16种，6种未用的状态,可按无关项处理，由此可列出实现该功能的电路的真值表2、写出输出函数的表达式，这里借助于函数的卡诺图来化简，得函数F的最简式；3、画逻辑图由于要求用与非门实现,因而首先应将表达式变成与非表达式,利用反演定律进行变换

ABDC0001111000110101001011××××1011××DCBAY0000100011001010011001000010100110001111DCBAY10001100111010×1011×1100×1101×1110×1111×5.4组合电路中的竞争和冒险现象1.竞争冒险：信号从输入经不同通路传输到输出级的时间不同，由此可能使逻辑电路产生错误输出，这种现象称为竞争冒险。2.竞争：在组合电路中，信号从不同的路径到达某一会合点的时刻不同的现象，称为竞争。3.冒险：由竞争而引起电路发生瞬间错误的现象，称为冒险。4.毛刺：由竞争引起冒险表现为输出端出现了原设计中没有的窄脉冲，常称为毛刺。5.5常见的组合逻辑电路常用的中规模组合逻辑模块有：1.编码器2.译码器3.加法器4.数据选择器5.比较器要求：必须熟悉它们的逻辑功能、外部引线排列图并灵活运用其功能。

全加器全加器：主要实现一位数值的加法运算真值表为：AnBnCn-1CnSn0000000101010010111010001101101101011111四位加法器它是由四个全加器，将低位的进位接到高位的输入端构成的利用四位全加器可以构成任意位数的加法运算编码器1.功能：将某一输入信息按照一定的规则进行编码2.分类：二进制编码器(1)一般二进制编码器（常见16/4线编码器）(2)优先编码器十进制编码器有十个输入变量，四个输出变量（10线/4线）译码器1.功能：能将一定的代码翻译成相应的信号输出称为译码。2.分类：（1）二进制译码器四位二进制译码器（4线/16线）（2）十进制译码器四位（8421BCD码）输入端，十位输出端（4线/10线）（3）显示译码器七段显示译码器（4线/7线译码器）数据选择器功能：数据选择器具有从多个输入数据中选择一个送到输出端。它有数据输入端和地址输入端，数据与地址一一对应。常用的有：四选一、八选一、十六选一和双四选一数据选择器利用中规模集成组合电路设计一般组合电路的方法常用的器件有译码器、数据选择器。利用译码器可以实现单逻辑变量的输出和多逻辑变量的输出的组合逻辑函数。利用一个数据选择器只能实现单一输出变量的组合函数。若N个输出变量就需要N个数据选择器。步骤和方法1.根据实际问题进行抽象，定义输入、输出变量；2.列出所设计电路的真值表和功能表；3.选定合适的中规模集成芯片，确定所设计电路和所选用芯片输入变量的对应关系，写出输出变量的逻辑表达式；4.确定所设计电路的输出变量和所选用芯片输出端的对应关系；5.画出逻辑电路图；6.检验举例例1.表1是一个逻辑函数的真值表，其输入变量为A、B和C，输出变量为F。分别利用8选1和4选1多路选择器实现该逻辑函数。解(1)由真值表得：(2)A2=A，A1=B，A3=C比较八选取一功能函数式：(3)得：D0D1D4D7=0；D2D3D5D6=1(4)画出逻辑图ABCF0000001001010111100010111101111010D0D1D2D3D4D5D6D7ABCA2A1A0YF001110第六章时序逻辑电路教学要求：1.掌握RS、D、JK触发器的逻辑功能和描述方法。2.掌握常用的标准中规模寄存器、移位寄存器和计数器的逻辑功能和使用方法。3.熟悉异步置位、复位端的作用；寄存器的并行送数方式；移位寄存器的工作原理。4.熟悉同步二进制及任意进制计数器的分析方法。5.熟悉同步时序电路的特点和分析方法。6.了解各种触发器的工作原理，不同触发器在使用时对激励信号在时间上的限制。7.了解多谐振荡器、单稳态触发器、施密特触发器的工作原理及主要参数和用途。6.1时序逻辑电路1.电路特点：功能特点：时序电路的输出不仅取决于该时刻的输入信号，而且与电路的原状态有关。电路结构特点：时序电路应包括组合电路和存储电路两大部分，由触发器构成的存储电路是电路的核心部分。2.时序电路功能描述方法可以用输出方程、状态方程和驱动方程描述。6.2触发器1.触发器：能够存储一位二进制信息的基本单元称为双稳态触发器，简称触发器。特点：（1）具有两个稳定的（0和1）状态，能存储一位二进制信息。（2）根据不同的输入，可将输出置成0或1状态。（3）当输入信号消失后，被置成的状态能保存下来。2.触发器的分类：按电路结构分为基本RS触发器，同步RS触发器，主从结构触发器，边沿触发器按功能分为RS、JK、D、T、T’触发器。RS触发器真值表特性方程特点RSQn+1Qn+1=R·Qn+SRS=0(约束条件)R=1，S=1时，状态不定00Qn01110011无定义逻辑符号JK触发器真值表特性方程特点JKQn+1Qn+1=J·Qn+KQn功能最全，使用方便。00Qn01010111Qn逻辑符号D触发器真值表特性方程特点DQn+1Qn+1=D只有一个数据输入端，可使某些电路设计简化。0011逻辑符号T触发器

真值表特性方程特点TQn+1Qn+1=TQn

受控制的翻转触发器，当T=1时，变为T’触发器。0Qn1Qn逻辑符号例1：写出如下图电路的函数表达式，画出输出端的波形。

Qn+1=

解：Y=;Qn+1=;Qn+1=QnQn+1=

例2：试写出如下图所示触发器的特性方程，并根据A、B的波形画出Q1Q2Q3的波形（设Q1Q2Q3的初态为0）。1.2.3.解：6.3时序电路的一般分析方法1.同步时序电路的一般分析方法(1)根据给定逻辑图，写出各个触发器的特性方程和输出方程；(2)将各触发器的驱动方程代入触发器的特性方程得到各触发器的状态方程组；(3)假设现态，依次代入各个触发器的状态方程组进行计算，求出次态；(4)列状态表，画出状态图；(5)说明功能。2.分析举例例6.3.1：分析图6.3.2电路的逻辑功能，写出方程式、列状态表、画出状态图，说明功能。解：(1)驱动方程：D0=Q0，D1=Q1⊙Q0⊙X(2)状态方程：(3)列状态转换表：(4)画状态转换图(5)功能说明：当X=0时，作加法计数，四进制加法计数器；当X=1时，作减法计数，四进制减法计数器。==C11D1DC1Q1Q0D1D0XCP例2：如图所示计数器，写出驱动方程，状态方程，列出真值表，画出状态图、波形图。解：时钟方程：CP0=CP，CP1=，CP2=CP驱动方程：D0=，D1=，D2=Q1Q2状态方程：Q0n+1=,CP上升沿Q1n+1=，上升沿Q2n+1=Q1Q0,CP上升沿真值表见表Q2Q1Q0

Q2n+1Q1n+1Q0n+1

000001001010010011011100100000101010110010111100（a）(b)6.4常见的时序逻辑电路常见的时序电路有：寄存器、移位寄存器、计数器6.4.1寄存器寄存器是用来存放数据、信息的，一个触发器可以存放一位二进制代码，n个触发器组成的寄存器可存放n位二进制代码。1.电路结构2.工作原理当RD=0，寄存器清零，使Q3Q2Q1Q0=0000；当RD=1时，CP加入正脉冲，Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0。6.4.2移位寄存器1.单向移位寄存器电路结构：功能：能实现串行输入—并行输出，串行输入—串行输出。2.双向移位寄存器功能表如下：Q0Q1Q2Q3CPRDS1S2工作状态0置0100保持101右移110左移111并行输入6.4.3计数器1.计数器的特点和分类：特点：计数器是一种含有若干个触发器、并按预定顺序改变各触发器的状态，累计脉冲个数的数字电路。分类：（1）同步计数器：组成各触发器的CP相同异步计数器：各触发器的CP不相同（2）加法计数器：输出状态计数增1的减法计数器：输出状态计数减1的可逆计数器：可作加法也可作减法（3）二进制计数器：按二进制规律计数的十进制计数器：按8421BCD码计数的

2.同步二进制加法计数器CPRDLDS1S2工作状态0置010

置数1101保持110保持（c=0）1111计数74LS161功能表：3.二进制同步可逆计数器CPSLDU/D工作状态11保持0置数010加法计数011减法计数74LS191功能表：6.中规模集成计数器的应用（1）计数器的级联应用将两片十进制计数器74LS160级联可构成一百进制的计数器。（2）置数法构成任意进制计数器复位法（反馈归零法）：同步复位法（无过度状态）：有S0,S1,……SN-1个状态，SN-1为有效状态异步复位法（有过度状态）：N进制计数器有S0S1，……SN-1个状态，但SN-1是过渡状态。置数法：同步置数法（无过度状态）：有S0,S1,……SN-1个状态，SN-1为有效状态异步置数法（有过度状态）：N进制计数器有S0S1，……SN-1个状态，但SN-1是过渡状态。例1：分析电路5.1计数器电路的功能，分别画出当M=0和M=1时的状态转换图，说明电路的进制，T4160是同步十进制加法计数器。功能表见表5.1CPRDLDS1S2工作状态0置010

置数1101保持110保持（c=0）1111计数解：当M=0时，，电路用同步置数法构成计数器，无过度状态当输出为Q3Q2Q1Q0=1000时，被置成D3D2D1D0=0000，状态转换图如下：

0000→0001→0010→0011→0100