昆明学院教案编写格式(数字电路)

昆明学院教案课程名称数字电子技术课程性质专业必修总学时数64专业、班级20XX级计算机科学技术2班、4班任课教师王玉见20XX年9月课程基本信息课程名称数字电子技术课程性质专业必修学分3学时总学时：64学时其中：课堂讲授54学时；课内实验10学时开课部门计算机与网络技术系任课教师王玉见授课专业、班级20XX级计算机科学技术2班、4班开课学期二年级上学期成绩评定平时成绩占20%期末成绩占80%考核方式考试选用教材书名主编出版社出版日期《数字电路与逻辑设计》宁帆等编著人民邮电出版社20XX年2月本课程在本专业人才培养方案中的地位和作用《数字电路与逻辑设计》是计算机科学与技术专业的主干课程，是一门专业技术基础课。它不仅为《计算机组成原理与汇编程序设计》、《微机接口技术》、《计算机系统结构》、《数据通信与计算机网络》等后续课程提供必要的基础知识，而且是一门理论与实践结合密切的硬件基础课程。本课程教学目标通过本课程的教学，学生应该熟练掌握数字电子技术的有关基础知识，能够阐述各种数字电路基本单元的逻辑功能，掌握分析和设计数字电路或电子系统的方法，并能够运用基本理论、基本知识和基本技能解决数字电子技术方面的实际问题，提高自己分析问题和解决问题的能力。数字电子技术是研究数字信号的运算、变换和存储的一门科学。为以后深入学习相关领域中的内容，以及电子技术在专业中的应用打好基础。学生用主要参考资料[1]阎石，《数字电子技术基础（第四版）》。高等教育出版社，1998．11

[2]康华光主编，《电子技术基础》数字部分（第三版）。高等教育出版社，1998

[3]张建华主编，《数字电子技术》。北京，机械工业出版社，1994教学进度计划表（2009学年上学期）课程名称：数字电子技术课程性质：专业必修开课部门：计算机与网络技术系任课教师：王玉见专业、班级：20XX级计算机科学技术2班、4班人数：38+45总学时数：64课堂讲授学时数：54课内实验学时数：10周次学时章、节、标题教学主要内容（讲授、讨论、习题、实验、实习）拟布置作业及要求12第一章数制、编码与逻辑代数第1节概述第2节数制与数制转换(1)数制(2)数制间的转换12第一章数制、编码与逻辑代数第3节编码(1)二进制编码(2)检错纠错码第4节布尔代数基本概念(1)布尔代数定义(2)布尔代数的基本定理(3)布尔代数的三规则22第一章数制、编码与逻辑代数第5节逻辑函数及其应用(1)逻辑函数(2)三种基本逻辑运算第6节逻辑函数的化简(1)代数法化简22第一章数制、编码与逻辑代数(2)卡诺图(3)卡诺图法化简(4)具有约束条件的逻辑函数化简第7节逻辑函数的建立及表示方法34第二章逻辑门电路第1节半导体二极管和三极管的开关特性

(1)半导体二极管的开关特性

(2)三极管的开关特性

(3)提高晶体三极管开关速度的途径第2节场效应管的开关特性

(1)N沟道增强型MOS管的开关特性

(2)NMOS反相器

第3节基本逻辑门电路

(1)二极管“与”门和“或”门电路

(2)三极管“非”门电路

(3)复合门电路44第二章逻辑门电路第4节TTL“与非”门电路(1)典型TTL“与非”门电路(2)TTL“与非”门的电压传输特性(3)TTL“与非”门的主要参数(4)TTL门电路的改进(5)集电极开路TTL门（OC门）(6)三态TTL门（TS门）第5节CMOS逻辑门电路(1)CMOS反相器(2)CMOS“与非”门(3)CMOS“或非”门(4)CMOS传输门(5)CMOS三态门第6节双极型其它类型门电路(1)高阀值逻辑门电路（HTL）(2)射极耦合逻辑门电路（ECL）(3)集成注入逻辑门电路（IIL）第7节正逻辑与负逻辑(1)正负逻辑的基本概念(2)门电路的两种逻辑符号54第三章组合逻辑电路第1节概述第2节组合逻辑电路的分析与设计(1)组合逻辑电路的一般分析方法(2)组合逻辑电路设计的基本思想(3)组合逻辑电路的一般设计方法(4)组合逻辑电路设计举例64第三章组合逻辑电路第3节常用MSI组合逻辑电路(1)编码器(2)译码器(3)数据选择与分配器(4)数字比较器(5)加法器第4节MSI组合逻辑器件的应用举例(1)数据选择器的应用举例(2)译码器的应用举例(3)加法器的应用举例72第三章组合逻辑电路第4节组合逻辑电路中的竞争——冒险现象(1)组合逻辑电路中的竞争——冒险现象(2)竞争——冒险现象的判断(3)冒险现象的消除82第四章触发器第1节基本触发器(1)基本触发器的逻辑结构和工作原理(2)基本触发器功能的描述第2节同步触发器(1)同步RS触发器(2)同步D触发器(3)同步触发器的触发方式和空翻问题第3节主从触发器(1)主从触发器基本原理(2)主从JK触发器及其一次翻转现象(3)集成主从JK触发器94第四章触发器第4节边沿触发器(1)CMOS边沿触发器(2)TTL边沿触发器(3)维持阻塞D触发器第5节触发器类型转换(1)T触发器和T’触发器(2)触发器类型转换第6节集成触发器的脉冲工作特性和动态参数(1)集成主从JK触发器的脉冲工作特性和动态参数(2)维持阻塞D触发器的脉冲工作特性和动态参数102第五章时序逻辑电路第1节概述(1)时序逻辑电路的特点(2)时序逻辑电路的功能描述方法(3)时序逻辑电路的分类第2节时序逻辑电路的分析114第五章时序逻辑电路第3节计数器(1)同步计数器(2)异步计数器第4节寄存器和移位寄存器(1)寄存器(2)移位寄存器(3)动态MOS移位寄存器124第五章时序逻辑电路第5节时序逻辑电路的设计(1)用SSI器件设计同步时序逻辑电路(2)用SSI器件设计异步时序逻辑电路(3)用MSI器件设计时序逻辑电路举例134第六章可编程逻辑器件（PLD）第1节概述

(1)PLD的基本机构

(2)PLD电路表示法

（3）PLD的分类第2节PAL和GAL器件

(1)可编程阵列逻辑（PAL）器件

(2)通用阵列逻辑（GAL）器件

（3）PAL和GAL器件的编程142第六章可编程逻辑器件（PLD）第3节EPLD和CPLD器件

(1)EPLD器件及其结构原理

(2)CPLD器件及其结构原理

（3）EPLD和CPLD器件的编程第4节ISP—PLD器件

(1)低密度ISP—PLD原理

(2)高密度ISP—PLD原理

（3）ISP—GDS原理

第5节FPGA器件

(1)FPGA器件概述

(2)FPGA的基本原理

（3）FPGA的互连资源152第七章脉冲波形的产生和整形第1节概述

(1)脉冲电路分析方法

(2)RC电路的应用

（3）PLD的分类

第2节单稳态触发器

(1)用门电路组成的单稳态触发器

(2)集成单稳态触发器

（3）单稳态触发器的应用

第3节多谐振荡器

(1)自激多谐振荡器

(2)环型振荡器

（3）石英晶体多谐振荡器162第七章脉冲波形的产生和整形第4节施密特触发器

(1)用门电路组成的施密特触发器

(2)集成施密特触发器

（3）施密特触发器的应用

第5节555定时器

(1)555定时器的电路结构与功能

(2)555定时器的典型应用教研室主任：年月日教案教学题目：（章、节）第一章数制、编码与逻辑代数学时数4教学目的和要求：通过学习本章，要求对数字信号、数字电路及数字逻辑关系有较深的理解。教学基本内容：1.1数字信号与数字电路1.2数制与二进制编码1.3逻辑代数与逻辑函数1.4逻辑函数的描述教学重点与难点：重点：逻辑代数与逻辑函数难点：逻辑函数的描述教学过程：1．课前复习：数字信号、模拟信号2．讲授新课：1.1数字信号与数字电路1.1.1数字信号与数字电路 表示信号的物理参量之一是信号的强度随时间变化的特性，即信号的时域特性，具体到电子系统中所采用的信号则是电压或电流的时间特性。图图1-1-1信号示例模拟信号的特点是信号参量的取值随连续时间的变化而保持其连续性，模拟信号的特性一般如图1-1-1（a）所示。通常把工作在模拟信号下的电子电路称为模拟电路。数字信号与模拟信号相反，其参量取值是离散变化的。数字信号的特点是其强度的取值是有限个数，图1-1-1（b）所示为二进制数字信号。1.1.2数字电路的分类 数字电路的基本构成单元主要有电阻、电容和二极管、三极管等元器件。按电路组成结构划分为分立元件电路和集成电路两类。其中，按集成电路在一块硅片上包含的逻辑门电路或元件的数量即集成度，又分为小规模（SSI）(SmallScaleIntegration)、中规模（MSI）(MediumScaleIntegration)、大规模（LSI）和超大规模（VLSI）集成电路(VeryLargeScaleIntegration)。根据数字电路所用器件的不同，又可分为双极型（DTL、TTL、ECL、I2L和HTL型）和单极型（NMOS、PMOS和CMOS型）电路两类。1.2数制与二进制编码1.2.1数制 数制是构成多位数码中每一位的方法和由低位向高位的进位规则，它也是人们在日常生活和科学研究中采用的计数方法。1.十进制 在十进制中，每一位有0、1、2、3、4、5、6、7、8、9十个数码，超过9的数应“逢十进一”，即用多位数表示，这种方法称为位置计数法。2.二进制 在数字系统中，广泛地采用二进制计数制。主要原因是二进制的每一位数只有两种可能取值，即“0”或“1”，可以用具有两个不同稳定状态的电子开关来表示，使数据的存储和传送用简单而可靠的方式进行。3.八进制和十六进制 对于计算机、数字通信、数据通信等数字系统来说，采用二进制计数制运算、存储和传输信息极为方便，但书写起来由于数码过长很不方便，并且极易产生错误。1.2.2数制间的转换1.各种进制→十进制转换 把二进制、八进制、十六进制以及N进制数转换为等值的十进制数，通常采用“加权法”。（1）整数部分的转换（S）10＝Kn－12n－1＋Kn－22n－2＋…＋K121＋K020 ＝2×（Kn－12n－2＋Kn－22n－3＋…＋K1）＋K0（2）小数部分的转换 一个十进制小数（S）10对应的等值二进制小数为（0.K－1K－2…K－m）2，由式（1－2－3）可知：（S）10＝K－12－1＋K－22－2＋…＋K－m2－m，两边同乘以2可得2×（S）10＝K－1＋（K－22－1＋…＋K－m2－m＋1）3.二进制数←→八进制、十六进制数的转换 由于23＝8，24＝16，所以一位八进制所能表示的数值恰好相当于3位二进制数能表示的数值，而一位十六进制数与四位二进制数能表示的数值正好相当，因此八进制、十六进制与二进制数之间的转换极为方便。1.2.3二进制编码 通常数字系统中所携带的信息分为两类，一类是字符信息，另一类是数值信息。1.二进制编码 在二进制编码中，采用结构形式与二进制数完全相同的自然二进制码是最简单的编码方式。2.二－十进制编码（BCD） 一位十进制数有0～9个不同的信息，必须至少使用4位二进制数字。 8421编码是靠取自然二进制数的前10个数码并付给等值的十进制数字而获得的，权值分别为23，22，21，1。 余3码是在8421码的基础上把每个代码都加（0011）2＝（3）10而形成的。余3码是一种自补码，即表1-2-1中以虚线为中心0～4和9 用格雷码作运算时，必须首先将它转换成二进制。3.可靠性编码 为使数字电路不因代码传送出错而发生故障，通常使用可靠性代码。如采用格雷码（Gray码）传送信息，电路不易出错；用奇偶校验码可以检查出错误；用汉明码能够检查出错误并能加以改正。下面主要介绍奇偶校验码。 奇偶校验分为奇校验和偶校验两种。奇偶校验码是数字系统中最为常用的、简单方便的检错编码。奇偶校验码包括两个部分：信息位＋校验位，信息位为位数不限的任一种二进制代码；校验位又称为冗余位，仅有一位。1.3逻辑代数与逻辑函数1.3.1逻辑代数与逻辑变量 逻辑（Logic）代数又称为布尔（Boolean）代数，它是分析和设计逻辑电路的数学工具，也可用来描述数字电路和数字系统的结构和特性。 二值逻辑的基本逻辑关系只有三种：逻辑乘、逻辑加、逻辑非。1.3.2基本逻辑运算与基本逻辑门1.逻辑与（乘）运算及与门 若决定某一事件的所有条件都成立，这件事就发生，否则这件事就不发生，这样的逻辑关系称逻辑与。2.逻辑或（加）运算及或门 若决定某一事件的条件中有一个或一个以上成立，这件事就发生，否则就不发生，这样的逻辑关系称为逻辑或。3.非逻辑运算及非门 发生某事件的条件是该事件成立的反，即该条件成立时，事件不发生；只有条件不成立时，该事件反而发生，这样的逻辑关系称为逻辑非。1.3.3复合逻辑运算 在实际逻辑运算中，上述三种基本运算是很少单独出现的。复杂的逻辑关系往往是由与、或、非三种逻辑运算组合来实现。图1-3-4复合逻辑的电路符号和逻辑函数表达式1.3.4逻辑代数的基本定 律和常用公式1.基本定律 逻辑代数是一门完整的学科，因此同普通代数一样，有一些用于运算的定律。这些定律反映了逻辑运算的基本规律，是简化逻辑函数、分析和设计逻辑电路的基本公式。2.几个常用的公式表1－3－11常用公式公式序号A＋AB＝A（1－3－13）A＋B＝A＋B（1－3－14）AB＋A＝A（1－3－15）A（A＋B）＝A（1－3－16）AB＋CD＝（A＋C）（A＋D）（B＋C）（B＋D）（1－3－17）AB＋C＋BC＝AB＋C（1－3－18）3.异或函数和同或函 数的常用关系式 异或函数和同或函数与逻辑代数的基本定律很相似，它们都满足交换律、结合律和分配律。1.3.5逻辑代数的三个基本定理 在逻辑代数中，有三个重要的基本定理，它们是代入定理、反演定理和对偶定理。1.代入定理 在任何逻辑代数等式中，如果等式两边所有出现某一变量的位置都代以一个逻辑函数，则等式仍然成立。2.反演定理 对原函数取反函数的过程称为反演。对于任意一个逻辑函数Y，若将其中所有的“·”换成“＋”，“＋”换成“·”，“0”换成“1”，“1”换成“0”，原变量换成反变量，反变量换成原变量，则得到的结果即为Y。这个规律称为反演定理。在使用反演定理时还应注意遵守以下两个原则：（1）仍需遵守“先括号后乘、加”的运算次序；（2）不属于单个变量的反号应保留不变。3.对偶定理 对于任意一个逻辑函数Y，若将其中所有的“·”换成“＋”，“＋”换成“·”，“0”换成“1”，“1”换成“0”，则得到的一个新逻辑式Y′，Y′称为Y的对偶式，或者说Y和Y′互为对偶式。 若两个逻辑式相等，则它们的对偶式也相等，这就是对偶定理。1.3.6正逻辑和负逻辑1.4逻辑函数的描述1.4.1逻辑函数的建立和 描述方法 对于任何一个具体的二值逻辑问题，我们常常可以设定此问题产生的条件为输入逻辑变量，设定此问题产生的结果为输出逻辑变量，从而用逻辑函数来描述它。1.4.2逻辑函数表达式的 两种标准形式 在讨论逻辑函数的标准式之前，首先要了解最小项、最大项的定义和性质，然后再介绍逻辑函数的最小项之和及最大项之积这两种标准形式。1.最小项的定义和性质 在n个变量的逻辑函数中，若m是由n个变量组成的乘积项，而且这n个变量均以原变量或反变量的形式在m中出现一次，则称该乘积项m为该组逻辑变量的最小项。2.最小项标准与或表达式 任何一个逻辑函数，都可以表示成若干个最小项之和，称为最小项标准与或表达式，或称为最小项之和表达式，式（1-4-1）即为标准与或表达式。3.最大项的定义和性质 在n个变量的逻辑函数中，若M是n个变量之和项，而且这n个变量均以原变量或反变量的形式在M中出现一次，则称M为该组逻辑变量的最大项。 与最小项类似，最大项也有几个重要的性质。 （1）n个变量的全部最大项之积为0。 这是因为每一个最大项与变量的一组取值对应，即只有这一组取值才使该最大项为0，其余最大项的值都是1。（2）任意两个最大项的之和为1，即Mi＋Mj=1（i≠j）。（3）n个变量的每一个最大项有n个相邻项。（4）在变量个数相同的条件下，编号相同的最小项和最大项互为反函数，即4.最大项标准或与表达1.4.3逻辑函数的最简表达式1.与或式变换成或与式2.与或式变换成与非-与非式3.与或式变换成或非-或非式4.与或式变换成与或非式3．课程小结：通过以上教学，学生掌握了逻辑函数的建立和变换。教学方式及教学方法：教学方式：多媒体教学方法：启发式教学作业及课外训练：P31,2、4、6教案教学题目：（章、节）第一章数制、编码与逻辑代数学时数4教学目的和要求：掌握三种基本逻辑运算，逻辑函数的两种化简方法。教学基本内容：第5节逻辑函数及其应用(1)逻辑函数(2)三种基本逻辑运算第6节逻辑函数的化简(1)代数法化简(2)卡诺图(3)卡诺图法化简(4)具有约束条件的逻辑函数化简第7节逻辑函数的建立及表示方法(2)卡诺图(3)卡诺图法化简(4)具有约束条件的逻辑函数化简第7节逻辑函数的建立及表示方法教学重点与难点：重点：逻辑函数化简难点：逻辑函数的卡若图化简教学过程：1．课前复习：逻辑函数的建立方法2．讲授新课：1.5逻辑函数的化简 1.5.1逻辑函数的公式化简法 1.并项法 2.吸收法 3.消去法 4.配项法 5.添加项法 1.5.2逻辑函数的卡诺图化简法 卡诺（Karnaugh，美国工程师）图化简法的基本原理是利用代数法中的并项法原则，即A＋A＝1，消去一个变量。这种方法能直接得到最简与或表达式和最简或与表达式，并且其化简技巧相对公式化简法更容易掌握。 1.卡诺图的构成 卡诺图实质上是将代表逻辑函数的最小项用方格表示，并将这些方格按相邻原则排列而成的方块图。 2.用卡诺图表示逻辑函数 由于任何一个逻辑函数都可以表示为若干最小项之和的形式，因此，也就可以用卡诺图来表示任意一个逻辑函数。 3.用卡诺图法化简逻辑函 数为最简与或式 由于卡诺图具有的相邻性，保证了几何位置的两方格所代表的最小项只有一个变量不同，当两个相邻项的方格为1时，可以利用式（1-3-15），即AB＋AB=A，使两项合并为一项，消去两方格不同的那个变量。 4.具有任意项的逻辑函数化简 在实际的逻辑电路中，经常会遇到某些最小项的取值可以是任意的，或者说这些最小项在电路工作时根本不会出现，例如BCD码，用4位二进制数组成的16个最小项中的10个编码，其中6个冗余项是不会出现的，这样的最小项称为任意项。在卡诺图和真值表中用ф表示这些任意项。 由于任意项的取值可为1或0，利用卡诺图化简时，应根据对逻辑函数的化简过程是否有利来决定任意项的取值。3．课程小结：介绍两种化简方法：公式法和卡若图法。各自有特点。教学方式及教学方法：教学方式：多媒体教学方法：启发式教学作业及课外训练：P33,16、20、28教案教学题目：（章、节）第二章逻辑门电路学时数4教学目的和要求：让学生了解,教学基本内容：第1节半导体二极管和三极管的开关特性

(1)半导体二极管的开关特性掌握半导体二极管和三极管的开关特性以及场效应管的开关特性。

(2)三极管的开关特性

(3)提高晶体三极管开关速度的途径第2节场效应管的开关特性

(1)N沟道增强型MOS管的开关特性

(2)NMOS反相器

第3节基本逻辑门电路

(1)二极管“与”门和“或”门电路

(2)三极管“非”门电路

(3)复合门电路教学重点与难点：重点：二极管和三极管的开关特性难点：复合门电路的分析教学过程：1．课前复习：逻辑函数的两种化简方法。2．讲授新课：2.1双极型器件的开关特性和三极管反相器2.2TTL逻辑门电路2.3其他类型的双极型数字集成电路2.4CMOS门电路2.5NMOS集成电路2.6TTL与CMOS、ECL电路的连接2.1双极型器件的开关特性和三极管反相器2.1.1半导体二极管的开关特性 二极管的开关特性主要表现在正向导通与反向截止两个状态转换过程中所具有的特性。 如果用一个二极管代替图2-1-1（a）所示电路中的开关SA时，可以得到图2-1-1（b）所示的二极管开关电路。图2-1-1二极管开关电路2.1.2双极型三极管反相器 的静态开关特性分析 在数字系统中，反相器是最基本的单元电路。反相器主要是利用半导体器件的开关特性，在输入脉冲信号的作用下，输出电压的电平变化与输入信号脉冲的变化相反，以实现逻辑非的功能。1.截止状态分析 当输入电压为低电平，三极管发射结电压Ube<0.5V（硅三极管开启电压）时，则电路可靠截止，现在检查三极管反相器是否工作在截止状态。2.饱和状态分析2.1.3双极型三极管反相器 的动态开关特性分析 在动态情况下，亦即三极管在截止和饱和导通两种状态间迅速转换时，三极管内部电荷的建立和消散都需要一定的时间，因而集电极电流ic的变化将滞后于输入电压ui的变化。 综上分析可知，三极管反相器动态开关特性的滞后现象可以用三极管的PN结间存在电容效应来理解。讨论三极管的动态开关特性，就是为了研究反相器在输入电压高低电平跳变时输出信号电平的过渡特性，以便采用相应的措施提高反相器的工作速度。2.1.4双极型三极管反相器 由对三极管反相器的分析可知，此电路完成了输入电压Ui和输出电压Uo反相的逻辑功能，故又将其称为非门电路。 在一些实用的三极管反相器中，为了改善反相器的动态开关特性，提高其工作速度，除了选用开关型三极管和合理选择电路元件参数外，通常还要采用以下的措施：①采用加速电容；②采用钳位电路。2.2TTL逻辑门电路 1961年美国德克萨斯仪器公司率先将数字电路的元、器件和连线制作在同一硅片上，制成了集成电路（IntegratedCircuit，IC）。由于集成电路体积小、重量轻、可靠性好，因而在大多数领域里迅速取代了分立元件电路。2.2.1TTL反相器的电路结 构和工作原理 TTL这种类型的集成电路的输入端和输出端均为三极管结构，所以称为三极管－三极管逻辑电路（Transistor-TransistorLogic），简称为TTL电路。1.电路结构 反相器是TTL门电路中电路结构最简单的一种，电路结构如图2-2-1所示。图2-2-1TTL反相器的典型电路结构2.TTL反相器的静态特性（1）电压传输特性 TTL反相器电路输出电压随输入电压的变化关系曲线叫做电压传输特性曲线，如图2-2-2所示，该曲线大体可分为4个区段。图2-2-2电压传输特性曲线（2）输入特性 输入特性是指输入电流随输入电压变化的特性。（3）输入端负载特性 在具体使用门电路时，有时需要在输入端与地之间或者输入端与信号的低电平之间接入电阻RI，如图2-2-5（a）所示。图2-2-5反相器输入负载特性（4）输出特性 TTL反相器输出电压uo随输出负载电流iL的关系特性叫做输出特性。输出特性主要是反映逻辑门的负载特性，在输出电平不同时，其特性是不同的。灌电流负载特性 当输出为低电平时，输出级的VT5管饱和导通而VT4管截止（见图2-2-1），输出端的等效电路如图2-2-7所示。图2-2-7反相器灌电流负载输出等效电路拉电流负载特性 对图2-2-1所示TTL反相器的分析可知，输出高电平时VT5截止，VT4和VD2导通，输出端的等效电路可以画成图2-2-9所示的形式。图2-2-9TTL反相器高电平输出等效电路3.TTL反相器的动态特性（1）传输延迟特性 在TTL电路中，当把理想的矩形电压信号加到TTL反相器的输入端时，输出电压的波形不仅要比输入信号滞后，而且波形的上升沿和下降沿也将变坏，这样的特性被称为传输延迟特性，如图2-2-11所示。图2-2-11TTL反相器的动态电压波形（2）电源的动态尖峰电流 TTL门电路工作在稳定状态时，电源供电电流大约为几毫安。（3）空载功耗 集成电路的功耗和集成度密切相关。如果功耗大，芯片的集成度就不能高，否则将无法散热而容易烧毁。其次，功耗大也将浪费电源能量，缩短电源的使用周期。当输出端空载时，反相器输出低电平时电路的功耗称为空载导通功耗PON。PON=ICCLUCC2.2.2其他逻辑功能的 TTL门电路1.与非门2.或非门 或非门的典型电路如图2-2-17所示。和反相器相比增加了一个由VT′1、VT′2和R′1所组成的输入级和倒相级电路，增加的电路和VT1、VT2、R1的电路结构完全相同，VT2和VT′2的集电极和发射极相并联。3.与或非门 与或非门的电路结构如图2-2-18所示，图中的输入级采用两个多发射极三极管组成“与或”逻辑形式。当VT2和VT′2有一个导通时，都将使VT5饱和导通，输出为低电平；只有VT2和VT′2同时截止，输出才为高电平。所以，该电路实现的逻辑关系可以归纳为：当任何一组输入均为高电平时，输出为低电平；而只有每一组输入不全为高电平时，输出才是高电平。图2-2-18TTL与或非门电路结构图4.异或门 典型的异或门电路如图2-2-19所示。图中虚线右边部分和或非门的倒相级、输出级相同，只要VT6和VT7当中有一个基极为高电平，都能使VT8截止，VT9导通，输出为低电平。图2-2-19TTL异或门电路结构图5.TTL电路的改进 为满足用户在提高工作速度和降低功耗这两方面的要求，继上述的74系列电路之后，又相继研制和生产了74H、74S、74LS、74AS、74ALS系列等改进的TTL电路。（1）74H系列 由74系列TTL与非门的工作过程可知，其产生传输延迟时间的主要原因是电路内各三极管工作在深度饱和状态。（2）74S系列 74S系列又称为肖特基系列。为了进一步提高开关速度，可以采用抗饱和三极管（又称为肖特基三极管），它是由普通三极管和肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode，SBD）组合而成。（3）74LS系列 通常性能较理想的门电路应该不仅工作速度快，而且功耗也应该小。74LS系列就具有这样的特点，故又称为低功耗肖特基系列。2.2.3其他类型的TTL门电路1.集电极开路的门电路（OC门） 由图2-2-24可见，主要原因是： ①推拉式输出电路，无论输出高电平还是低电平，其输出电阻都很低。如若一个门的输出是高电平，而另一个门的输出是低电平，则输出端并联以后必然有很大的负载电流同时流过这两个门的输出级。由于这个电流很大，不但会使导通门的低电平抬高，而且还有可能损坏截止门。图2-2-24推拉式输出级并联的情况②推拉式输出结构不能满足驱动较大电流、较高电压负载的要求。③推拉式输出电路中，电源一经确定（通常规定工作在＋5Ｖ），输出的高电平也就固定了，因此无法满足对不同输出高低电平的需要。为了使门电路的输出端能够并联使用，采用的方法就是把输出级改为集电极开路的三极管结构，称为集电极开路的门电路（OpenCollectorGate，OC门），电路如图2-2-25所示。图2-2-25集电极开路与非门的电路结构和逻辑符号 OC门可以直接驱动指示灯，也可以直接驱动继电器，由于OC门能够实现“线与”功能，所以可以用在数据总线上。（1）求负载电阻的最大值 当所有的OC门同时截止时，输出为高电平。为了保证高电平不低于规定的最小输出高电平UoHmin，显然负载电阻不能太大。（2）求负载电阻的最小值 只要有一个OC处于导通状态，OC门的输出就为低电平，如图2-2-27（b）所示。为了保证全部输入低电平电流通过OC门时，其输出低电平不高于规定的最大输出低电平UoLmax，流入导通OC门的电流不超过最大允许的负载电流ILM，则RL又不能选得太小。图2-2-27OC门负载电阻RL的计算2.三态输出门电路（TS门） 普通的TTL门有两个状态，即输出逻辑“0”和输出逻辑“1”，这两个状态都是低阻输出。三态输出门（Three-StateOutputGate，TS门）是在普通门电路的基础上附加控制电路而构成的，它的特点是多了一种高阻状态。 三态门的基本用途是在数字电路系统中构成总线，也就是采用图2-2-30所示的连接方式。图2-2-30TS门构成总线结构2.3其他类型的双极型数字集成电路 在双极型数字集成电路中，TTL电路只是其中的一种。从数字电路的发展来看，还有早期的二极管—三极管逻辑（Diode-TransistorLogic，DTL），现已被TTL电路取代；另一种高域值逻辑（HighThresholdLogic，HTL）电路目前也几乎被CMOS电路所取代。2.3.1ECL电路的结构与工 作原理1.电路的工作原理 电路在正常工作时电源电压－UEE＝－5.2V，基准电压UBB＝－1.15V，输入信号的高电平UiH＝－0.75V，低电平UiL＝－1.55V。（1）输入均为低电平 可见当输入全为低电平时，Uc1是高电平0V，Uc2是低电平－0.83V。（2）输入端中有一个是高电平（3）射极跟随器的电平转换 在电路给定的参数下，Uc1和Uc2高、低电平与输入信号不一致，因而无法直接作为下一级门电路的输入信号。引入VT5、VT6构成的射极跟随器后，使Y1、Y2输出的高低电平都降低了一个发射结的压降，与输入信号的高低电平基本保持一致。2.ECL或/或非门的电压传输特性 图2-3-2所示是图2-3-1ECL或/或非门的电压传输特性曲线。图2-3-2ECL或/或非门的电压传输特性曲线3.ECL电路的主要特点 与TTL电路相比，ECL电路具有如下优点： ①由于ECL门电路中的三极管导通时为非饱和状态（由图2-3-1所示的参数不难算出，VT1～VT3导通时Uc1b≈0V，VT4导通时Uc2b＝0.32V，导通时均未进入饱和状态，根本上消除了饱和导通产生的电荷存储效应），而且电路的电阻取值较小，逻辑高低电平变化幅度小，因而其工作速度是各种集成门电路中最高的，传输时间可缩短至0.1ns以内。②同时具有或、或非两个互补输出，使用方便、灵活。③因为输出端采用射极跟随器，输出阻抗低，带负载能力强，扇出系数NO可达25～100。④由于设计时电路在开关工作状态下的电源电流基本不变，所以电路内部的开关噪声很低。ECL电路的主要缺点也是很突出的：①噪声容限低。逻辑高、低电平的摆幅只有0.8V，噪声容限只有0.2V，故抗干扰能力差。②电路功耗大。由于电路中电阻值较小，并且三极管在导通时工作在非饱和状态，每个门的平均功耗可达100mW以上，从电路工作情况来说，这将限制电路的集成度。因此，目前的ECL产品限于中、小规模集成电路中，主要用于高速、超高速数字系统中。③输出电平的稳定性较差。因为射极跟随器输出电平直接与三极管VT5、VT6的发射结压降有关，所以输出电平对电路参数和环境温度的改变都比较敏感。2.3.2I2L电路1.I2L电路结构和工作原理 I2L的基本单元由一个NPN多集电极三极管和一个PNP三极管构成的电流源所组成的反相器，其电路结构和等效电路如图2-3-3所示。图2-3-3I2L多输出非门电路结构和逻辑符号2.I2L电路的特点 I2L电路的主要优点如下： ①电路简单，没有内部电阻，所以在双极型电路中集成度最高，可达500门/mm2以上，而TTL电路仅为20门/mm2。 ②功耗低，可在1V以下电源工作，工作电流可低至1nA，是双极型数字集成电路中功耗最低的一种。I2L电路也存在如下的缺点：①输出电压幅度小，抗干扰能力差。②开关速度较慢，工作速度低。3．课程小结：通过本课程的学习，学生掌握半导体二极管和三极管的开关特性以及场效应管的开关特性。教学方式及教学方法：启发式和案例教学作业及课外训练：P86,1、3、5、7半导体二极管和三极管的特性比较多，学生易混淆。教案教学题目：（章、节）第二章逻辑门电路学时数4教学目的和要求：让学生掌握TTL门电路、CMOS逻辑门电路分析方法。教学基本内容：第4节TTL“与非”门电路(1)典型TTL“与非”门电路(2)TTL“与非”门的电压传输特性(3)TTL“与非”门的主要参数(4)TTL门电路的改进(5)集电极开路TTL门（OC门）(6)三态TTL门（TS门）第5节CMOS逻辑门电路(1)CMOS反相器(2)CMOS“与非”门(3)CMOS“或非”门(4)CMOS传输门(5)CMOS三态门第6节双极型其它类型门电路(1)高阀值逻辑门电路（HTL）(2)射极耦合逻辑门电路（ECL）(3)集成注入逻辑门电路（IIL）第7节正逻辑与负逻辑(1)正负逻辑的基本概念(2)门电路的两种逻辑符号教学重点与难点：重点：集成电路的外部特性难点：集成电路的分析方法教学过程：1．课前复习：二极管、三极管及场效应管的开关特性。2．讲授新课：2.4CMOS门电路2.4.1四种类型的MOS场效应管1.增强型MOS管 增强型NMOS管结构如图2-4-1所示。在P型半导体衬底（B）上，扩散两个高掺杂浓度的N＋型区，形成MOS管的源极（S）和漏极（D）；在漏源极间硅片的表面再生成二氧化硅绝缘层。图2-4-1增强型NMOS场效应管的结构（1）N沟道耗尽型MOS管（2）P沟道耗尽型MOS管2.耗尽型MOS管 耗尽型MOS管的结构形式与增强型MOS管相同，不同之处是在二氧化硅绝缘层中掺入了大量的带电离子（结构图略），比如在耗尽型NMOS的二氧化硅绝缘层中掺入了大量的正离子。（1）N沟道耗尽型MOS管 采用P型衬底，导电沟道为N型，图2-4-3（a）示出了它的电路符号。（2）P沟道耗尽型MOS管 图2-4-3（b）是P沟道耗尽型MOS管的电路符号。图2-4-3耗尽型MOS场效应管的电路符号2.4.2MOS管的开关特性1.MOS管的转移特性和输出特性 图2-4-4（a）示出了增强型NMOS场效应管共源极接法的开关电路。由于栅极与漏极、源极被二氧化硅绝缘层隔离参考《模拟电子电路》相关章节。，可以认为栅极输入电流等于零。图2-4-4NMOS的基本开关电路和其特性曲线2.MOS管的开关特性 由图2-4-4（a）MOS管开关电路可以看出，当ui≤UT时（ui=uGS），MOS管工作在截止区，只要漏极负载电阻RD远远小于MOS管的截止电阻RDSOFF，在输出端就会输出高电平UoH≈UDD，此时的漏源极间相当于一个断开的开关。2.4.3CMOS反相器 CMOS逻辑门电路是目前应用较为普遍的逻辑电路，它同NMOS一样，适宜制作大规模集成电路（如存储器和微处理器等），下面先讨论CMOS反相器，然后再介绍其他CMOS逻辑门电路。1.CMOS反相器的工作原理2.CMOS反相器电压传输 特性和电流特性（1）电压传输特性（2）输入噪声容限（3）输入电流特性3.CMOS反相器的输入端保护 由于MOS管的二氧化硅绝缘层很薄，存在较大的电容效应，极易被击穿（耐压约100V），所以必须采取保护措施。4.CMOS反相器的输出特 性和负载能力（1）低电平输出特性（2）高电平输出特性5.CMOS反相器的功率损耗（1）静态功耗PS（2）动态功耗PD6.CMOS反相器的传输延迟特性 虽然CMOS门电路的开关过程中，没有电荷的积累和消散现象，但是由于集成电路内部电阻、电容的存在，以及负载电容的影响，输出电压的变化仍然滞后于输入电压的变化，产生传输延迟时间。2.4.4其他类型的CMOS门电路1.CMOS与非门2.CMOS或非门3.带缓冲级的CMOS门电路 上述CMOS门电路存在以下缺点：一是当输入状态不同时，其输出电阻值是不相同的；二是输出的高、低电平会受输入端数目影响。4.漏极开路的CMOS门电路（简称OD门） 与TTL电路中的OC门一样，CMOS门的输出电路结构也可以做成漏极开路的形式。5.CMOS传输门和双向模拟开关 CMOS传输门也如同反相器一样，是构成各种逻辑电路的一种基本单元电路。6.CMOS三态门电路 CMOS三态门的电路结构大体上有三种形式。（1）串联型三态门电路（2）门控制型三态门（3）模拟开关控制三态门主要的改进形式有两种。一种是高速的CMOS电路，采用工艺改进模式，减小沟道的长度，缩小整个MOS管的尺寸，从而降低了寄生电容的数值，其平均传输延迟时间小于10ns。另一种是双极型－CMOS电路（Bipolar－CMOS，Bi－CMOS）。这种电路的特点是实现逻辑功能部分采用CMOS结构，而输出级采用双极型三极管。因此，它兼有CMOS电路的低功耗和双极型电路低输出内阻的优点。2.5NMOS集成电路1.NMOS反相器 电路全部采用NMOS管组成的集成电路称为NMOS电路。首先介绍NMOS反相器，它也是组成NMOS集成电路的基本单元。2.E/E型NMOS或非门 将两个VT1、VT2驱动管并联在一起，VT3作为公共负载管，就可构成两输入端的或非门电路，如图2-5-2所示。图2-5-2E/E型NMOS或非门电路3.E/E型NMOS与非门4.其他类型的E/E型NMOS门电路 用E/E型NMOS电路也可构成与或非门、异或门、三态门等等。这里画出了与或非门、异或门的电路结构如图2-5-5所示。图2-5-5E/E型NMOS与或非门、异或门电路2.6TTL与CMOS、ECL电路的连接1.TTL与CMOS、ECL电路 连 接需要考虑的问题 数字系统连接时可定义前级为驱动电路，后级为负载电路，如图2-6-1所示（用逻辑门表示）。图2-6-1驱动门与负载门的连接2.用TTL电路驱动CMOS电路3.用CMOS电路驱动TTL电路4.TTL与ECL电路的连接 这两种电路的电平是完全不匹配的，因此，必须有适当的电平转换电路以实现它们之间电平的转换。5.TTL与CMOS电路的接口（1）TTL/CMOS电平转换接口电路（2）CMOS/TTL电流转换的接口电路6.各种系列门电路的性能比较7.CMOS电路使用时的注意事项 （1）焊接芯片时应注意将电烙铁的外壳接地。 （2）拔出或插入器件时，应关闭所有电源。 （3）不用的输入端应根据逻辑要求或接电源UDD（与非门），或接地（或非门），或与其他输入端相连。（4）输出级所接电容负载不能大于500pF，否则将因输出级动态功率过大而损坏电路。（5）由于基本的CMOS电路有互补输出的特点，所以其输出端不能并接。3．课程小结：三态门电路广泛应用于数据总线上实现多路信号在总线上分时传送。教学方式及教学方法：教学方式：多媒体教学方法：启发式教学作业及课外训练：P87,8、10、12、13教案教学题目：（章、节）第三章组合逻辑电路学时数4教学目的和要求：让学生掌握组合逻辑电路的分析和设计方法。教学基本内容：第1节概述第2节组合逻辑电路的分析与设计(1)组合逻辑电路的一般分析方法(2)组合逻辑电路设计的基本思想(3)组合逻辑电路的一般设计方法(4)组合逻辑电路设计举例教学重点与难点：重点：组合逻辑电路的分析方法。难点：组合逻辑电路的设计方法。教学过程：1．课前复习：TTL门电路及MOS门电路的原理分析方法2．讲授新课：3.1组合逻辑电路概述3.2SSI构成的组合逻辑电路的分析和设计3.3常用的中规模组合逻辑电路的分析3.4用MSI设计组合逻辑电路3.5组合逻辑电路中的竞争—冒险3.1组合逻辑电路概述在数字系统中，按照结构和逻辑功能的不同将数字逻辑电路分为两大类，一类称作组合逻辑电路，另一类称作时序逻辑电路。组合逻辑电路在电路结构上的特点是：①单纯由各类逻辑门组成，逻辑电路中不含存储元件；②逻辑电路的输入和输出之间没有反馈通路。3.2SSI构成的组合逻辑电路的分析和设计3.2.1组合逻辑电路的分析1.组合逻辑电路的分析步骤 对于任何一个组合逻辑电路，分析的基本步骤如下：（1）由给定的逻辑电路逐级写出各个输出端的逻辑表达式，最后得到表示输出与输入关系的逻辑表达式；（2）化简和变换逻辑表达式为最小项表达式；（3）根据最小项表达式，列出真值表； （4）由真值表分析其执行的逻辑功能； （5）评价原设计电路，改进设计，寻找最佳设计方案。2.组合逻辑电路的分析举例3.2.2组合逻辑电路的设计1.组合逻辑电路的基本设计方法 组合逻辑电路的设计，就是根据给定的设计要求，设计出最佳（或最简）的组合电路。以SSI逻辑门作为电路基本单元的设计，其最佳的含义是，所用门的数目要最少，而且各门输入端的数目和电路的级数也要最少。组合逻辑电路的设计方法，一般可按如下步骤进行。①对给出的逻辑设计问题，进行逻辑抽象。即从逻辑的角度来描述设计问题的因果关系，再根据因果关系确定输入变量和输出变量，依据变量的状态进行逻辑赋值，确定哪种状态用逻辑“0”表示，哪种状态用逻辑“1”表示。②根据设计问题的逻辑抽象，列出逻辑真值表。③根据真值表，写出设计问题的逻辑函数表达式。④用SSI逻辑门实现组合逻辑设计时，化简逻辑函数表达式，得到最简的逻辑函数表达式；用MSI集成组件实现组合逻辑设计时，应该把逻辑函数表达式变换成与所用器件的逻辑函数式相同或类似的适当形式。 ⑤按最简或适当形式的逻辑函数表达式画出逻辑电路图。2.用SSI设计组合逻辑电路3．课程小结：应用实例讲解组合逻辑电路的分析和设计方法。教学方式及教学方法：教学方式：多媒体教学方法：启发式教学作业及课外训练：P139,1、3、5教案教学题目：（章、节）第三章组合逻辑电路学时数4教学目的和要求：让学生了解,掌握中规模集成电路的分析和设计方法。教学基本内容：第3节常用MSI组合逻辑电路(1)编码器(2)译码器(3)数据选择与分配器(4)数字比较器(5)加法器第4节MSI组合逻辑器件的应用举例(1)数据选择器的应用举例(2)译码器的应用举例(3)加法器的应用举例教学重点与难点：1.重点：MSI组合逻辑电路的分析难点：MSI组合逻辑电路的设计教学过程：1．课前复习：小规模集成电路的分析和设计步骤2．讲授新课：3.3常用的中规模组合逻辑电路的分析3.3.1编码器 将二进制码按一定的规律进行编排，使每一组代码具有一定的含义（比如代表某个数或符号），这一过程称为编码。实现编码的逻辑电路称为编码器。1.二—十进制编码器 二—十进制编码器的逻辑功能是将十进制的十个数字（0～9）分别编成四位BCD码。2.二进制编码器 二进制编码器的逻辑功能是将2n个输入信号，编成n位二进制代码输出。3.优先编码器 上述两种编码器，在任一时刻，只允许在一个输入端加入有效电平，当两个以上输入端加入有效电平时，编码器的输出状态将是混乱的。3.3.2译码器 译码是编码的逆过程，它的逻辑功能是将每一组代码的含义“翻译”出来，即将每一组代码译为一个特定的输出信号表示它原来所代表的信息。能完成译码功能的逻辑电路称为译码器。1.二进制译码器 二进制译码器的原理图如图3-3-6所示。图3-3-6二进制译码器原理框图2.二—十进制译码器 二—十进制译码器的逻辑功能是将四位BCD码的十组代码翻译成十组高、低电平输出信号，代表十进制数码。3.显示译码驱动器 在数字系统中，常常需要将某些数字或运算的结果显示出来。数字显示电路通常由译码器、驱动器和显示器三部分组成。3.3.3数据分配器和数据选择器1.数据分配器 在数据传输过程中，完成将一路输入数据分配到多路输出端的电路称为数据分配器。它是一种单路输入，多路输出的逻辑器件，从哪一路输出由当时的地址控制端决定。2.数据选择器 在数据传输过程中，经常遇到需要把其中的某一路信号挑选出来。能完成这一功能的逻辑部件，称为数据选择器（或多路开关）。它是一种多路输入，单路输出的逻辑器件，从哪一路输入由当时的地址控制端决定。（1）双四选一数据选择器 图3-3-15示出了双四选一数据选择器74LS153的逻辑电路图和逻辑符号图，其中包含两个完全相同的四选一数据选择器。74LS153的逻辑电路图及逻辑符号图（2）八选一数据选择器 八选一数据选择器74LS151的逻辑电路图和逻辑符号图如图3-3-17所示。图3-3-1774LS151的逻辑电路图及逻辑符号图3.3.4数值比较 器 在数字和计算机系统中，经常需要比较两个数的大小。能执行两数比较功能的数字逻辑电路，称为数值比较器。用来比较的两个数可以是二进制数，也可以是其他进制数。下面以二进制数为例，讨论数值比较器的构成和工作原理。1.一位数值比较器 A和B均为1位二进制数，进行数值比较，比较结果只能有3种情况： ①A>B，应使比较器的输出Y(A>B)=1; ②A=B，应使比较器的输出Y(A=B)=1; ③A<B，应使比较器的输出Y(A<B)=1。2.多位数值比较器3.3.5算术运算电路 算术运算电路是数字计算机系统中不可缺少的组成单元，应用十分广泛。在数字计算机中，加、减、乘、除运算都可以通过加法运算实现，因此加法器是最基本的算术运算单元。1.一位加法器（1）半加器 半加，是指只考虑本位两个一