数电课件第八章_清华
数字电子技术第八章
VREF 取“负”则得 VO为“正”
《数字电子技术基础》第六版
实例：AD7520
《数字电子技术基础》第六版
8.2.6 具有双极性输出的DAC 当输入数字量有±极性时， 希望输出的模拟电压也对应为±。 一、原理 例：输入为3位二进制补码。最高位为符号位，正数为0， 负数为1 补码输入 对应的 要求的
输出电压： VO RF i RF ( I 3 I 2 I1 I 0 ) VREF VREF VREF VREF RF ( d3 d 2 2 d1 3 d 0 ) R 2R 2 R 2 R V 3 2 1 0 REF ( 2 d 2 d 2 d 2 d0 ) 3 2 1 4 2
8 2 1 0 ( d 2 d 2 d 2 ) 2 1 0 3 2 000 VO 0V 001 VO 1V 111 VO 7V 100 VO 4V
*将符号位反相后接至高位输入 *将输出偏移使输入为100时，输出为0
2.偏移 4V , 使输入 100 时， VO 0
111
7 =14/15（V） 6 =12/15（V） 5 =10/15（V） 4 = 8/15（V） 3 = 6/15（V） 2 = 4/15（V） 1 = 2/15（V） 0 = 0 (V）
13/15V 6 =6/8（V） 11/15V 5 =5/8（V） 9/15V 4 =4/8（V） 7/15V 3 =3/8（V） 5/15V 2 =2/8（V） 3/15V
001 010 011 100 101 110
《数字电子技术基础》第六版
8.5 抽样保持电路
！加大输入电阻 ！减小输出电阻 ！Av=1
《数字电子技术基础》第六版
《数字电子技术基础》第六版
第八章 数字逻辑电路基础知识(清华大学出版)
第八章 数字逻辑电路基础知识1、数字电路处理的信号是数字信号，而数字信号的时间变量是离散的，这种信号也常称为离散时间信号。
2、数字电路的特点：（1）数字信号常用二进制数来表示。
（2）数字电路中，器件常工作在开关状态，即饱和或截止状态。
而模拟电路器件工作在放大状态。
（3）数字电路研究的对象是电路输入与输出的逻辑关系，即逻辑功能。
而模拟电路研究的对象是电路对输入信号的放大和变换功能。
（4）数字电路的基本单元电路是逻辑门和触发器。
（模拟电路单元是放大器）（5）数字电路的分析工具是逻辑代数。
（6）数字信号常用矩形脉冲表示。
脉冲幅度UM ，表示脉冲幅值；脉冲宽度tW ，表示脉冲持续作用的时间；周期T ，表示周期性的脉冲信号前后两次出现的时间间隔；3、整数转换一般采用“除基取余”法。
小数的转换一般采用“乘基取整”法。
4、8421BCD 码与二进制的区别：8421210001010001110028）（）（）（== BCD 码转换成二进制数是不直接的。
方法是：先转成十进制数，再转成二进制数。
反相转换亦是如此。
5、逻辑变量只有两个值，即0和1，0和1并不表示数量的大小，只表示两个对立的逻辑状态。
6、与逻辑运算表达式：F ＝A ·B ＝AB7、或逻辑运算表达式： F ＝A+B8、 非逻辑运算表达式： F ＝Ā9、数字信号常用二进制数来表示。
在数字电路中，常用数字1和0表示电平的高和低。
10、当输入A 、B 均为高电平时，输出低电平当A 、B 中至少有一个。
11、TTL 是晶体管——晶体管逻辑电路的简称。
输入和输出部分的开关元件均采用三极管(也称双极型晶体管)，因此得名TTL 数字集成电路。
12、TTL 与非门的技术参数 ：1.电压传输特性 AB 段截止区 BC 段线性区 CD 段转折区（开门电压ON U ） DE 段饱和区 大于ON U ：保证输出低电平。
13、（1）输出高电平UOH ：指逻辑门电路输出处于截止时的输出电平。
清华大学数电课件
Information resolves uncertainty. Information is simply that which cannot be predicted.
The less predictable a message is, the more information it conveys!
D+
G+ VGS - S -
VDS ≥ 0
Sequential logic: FSMs
PCSEL
ILL
XAd r
OP
JT
4
3
2
1
0
PC
00
+4
Instruction A
Memory
D
+
C: <15:0> << 2 si gn- ex tend ed
<PC>+4+C*4
IRQ
Z
Control Logic
Ra <20:16>
WA SEL
XP 1
Rc <25:21>
0
Z C: <15:0>
RA1 WAWA
RD1
Rb: <15:11> 0
Rc <25:21>
1
RA2SEL
Register File
JT C: <15:0>
si gn- ex tend ed
RA2 WD
RD2
WE
ASE L
1
0
1
0
BSEL
WE R F
wang_hong@
2011年 春季学期
编码的目的 二进制编码
数字电路技术基础全清华大学出版社PPT课件
《数字电子技术基础》
电子课件
郑州大学电子信息工程学院 2020年6月16日
《数字电子技术基础》
第一章 逻辑代数基础
《数字电子技术基础》
1.1 概述
1.1.1 脉冲波形和数字波形
图1.1.1几种常见的脉冲波形，图(a)为 矩形波、图(b)为锯齿波、图(c)为尖峰波、 图(d)为阶梯波。
八进制有0~7个数码，基数为8，它的计数 规则是“逢八进一”。八进制一般表达式为
D 8 ki8i
《数字电子技术基础》
十六进制数的符号有0、1、2、…、8、9、 A、B、C、D、E和F，其中符号0~9与十进制符 号相同，字母A~F表示10~15。十六进制的计数 规则“逢十六进一”，一般表示形式为
D 16 ki 16 i
十进制数325.12用位置计数法可以表示为
D 1 0 3 1 2 2 0 1 1 5 0 1 0 1 0 1 1 0 2 1 20
任意一个具有n为整数和m为小数的二进制 数表示为
D 2 k n 1 2 n 1 k n 2 2 n 2 k 1 2 1 k 0 2 0 k 1 2 1 k m 2 m
14 2
12
4
10 8 6
• 0110 + 1010 =24 • 1010是- 0110对模24 （16） 的补码
《数字电子技术基础》
四、BCD码（Binary Coded Decimal）
8421BCD码与十进制数之间的转换是直接按位转 换，例如
(2.3 9 )D (001 10 0 . 0 01 0 )84 1 21 1 B
母A、B、C、…表示。其取值只有0或者l两 种。这里的0和1不代表数量大小，而表示两 种不同的逻辑状态，如，电平的高、低；晶 体管的导通、截止；事件的真、假等等。
清华大学《数字电子技术基本教程》教学课件.pptx
与X、Q有关 仅取决于电路状态
6.2 时序电路的分析方法
《数字电子技术基本教程》
分析：找出给定时序电路的逻辑功能 即找出在输入和CLK作用下，电路的次态和输出。
一般步骤：
①根据给定的逻辑图写出存储电路中每个触发器输入端的逻 辑函数式，得到电路的驱动方程。
R’D S1 S0 工作状态 0 X X 置零 1 0 0 保持 1 0 1 右移 1 1 0 左移 1 1 1 并行输入
《数字电子技术基本教程》
6.3.3 计数器
• 用于计数、分频、定时、产生节拍脉冲等
• 分类： 按时钟分，同步、异步 按计数过程中数字增减分，加、减
……
1. 异步计数器
异步二进制加法计数器 在末位+1时，从低位到高位逐位进 位方式工作。 原则：每1位从“1”变“0”时，向高
6.1 时序逻辑电路的特点和逻辑功能的描述 一、时序逻辑电路的特点 1. 功能上：任一时刻的输出不仅取决于该时刻的输入，还
与电路原来的状态有关。 例：串行加法器，两个多位数从低位到高位逐位相加
2. 电路结构上 ①包含存储电路和组合电路 ②存储器状态和输入变量共同决定输出
《数字电子技术基本教程》
二、时序电路的一般结构形式与功能描述方法
因为 触发器有延迟时间t pd 所以 CLK 到达时，各触发器按前一级触发器原来的状态翻转
数据依次右移1位
《数字电子技术基本教程》
应用： 代码转换，串 并 数据运算
《数字电子技术基本教程》
器件实例：74LS 194A，左/右移，并行输入，保持，异步 置零等功能
并行输入
并行输出
《数字电子技术基本教程》
精品课件-数字电子技术-第8章
第8章 脉冲单元电路
图8-3 施密特触发器电路
第8章 脉冲单元电路
8.2.1 施密特触发器有两个稳态（Uo=0称为0态和Uo=1称为1
态) ，在外加信号的作用下，施密特触发器两个稳态之间可 以相互转换。施密特触发器属于波形变换电路，它可以将正弦
(1) 当输入触发信号达到一定值时，输出电平发生 变化，即由一个稳态转换到另一稳态，因而称其为电平触发电
第8章 脉冲单元电路
图8-8 施密特触发器用作光控开关
第8章 脉冲单元电路
8.3 多 谐 振 荡 器
8.3.1 1. TTL与非门构成的多谐振荡器 1) 图8-9所示为电容正反馈多谐振荡器，它由两级与非门和
电容C
第8章 脉冲单元电路
图8-9 多谐振荡器
第8章 脉冲单元电路
2) 多谐振荡器的工作，主要依靠电容C的充放电，通过引起 电压Ud的变化来完成其功能。当Ub为低电平，Ua为高电平时， 称为第一暂态；当Ub为高电平，Ua为低电平时，称为第二暂态。 设起始为第一暂态，这时Ua通过门电路的内阻R0和电阻R1对电 容C充电，工作波形如图8-9所示。随着电容C的充电, 电压Ud 不断上升。 当Ud上升到Ud>VT=1.4 V时（其中VT为门限电压) ，Ud为 高电平，电路发生翻转。Ua由原来的高电平变为低电平，Ub由
(3) 555定时器构成的施密特触发器用作光控开关。 图8-8所示电路为555定时器构成的施密特触发器用作光 控开关的电路图。图中的RL为光敏电阻，有光照时电阻值小， 无光照时阻值大。有光照时，电路设计（选取合适的可变电阻 值) 使得Ui<1/3VCC，输出Uo为高电平，继电器J不动作; 无光 照时，光敏电阻大，电路设计使得Ui>2/3VCC，输出Uo为低电平， 继电器J吸合,
清华数字电路设计课件_时序_791906702
Outline•Introduction(1，2，3，4)•Combinational Logic Design(3，5)•Sequential Logic Design(6，7，8)•Memory & PLD(9)•Summary1/Finite State Machines Design•Concept of Finite State Machine •Counters (7)•Basic FSM Design Approach (8)–FSM Design Procedure–Other State Reduction Method–Other State Assignment–FSM Partitioning2/Understand the problem•From the word specifications•Counters–Enumerate the sequence•General FSM–Try some input sequences–Under what conditions FSM transitionsbetween states–The various outputs are asserted4/Obtain an abstract representationof the FSM•Constructing a state table or state diagram, which is an abstract model of the network behavior–No standard technique–Define a prior set of states needed by thenetwork to preserve the information regardingthe past history of inputs•Initial state•Additional states: none of the defined statesadequately describes the information to bepreserved at some point in time5/Perform State Minimization•By means of state reduction technique •Determining equivalent pairs of states •Obtaining the equivalence classes ofstates•Constructing the minimal state table6/Algorithm for Determiningequivalent pairs of states •Construct an implication table•Place a×, √, or next states in every cell •Inspect all state pair entries in the implication table•Repeat Step 3 until all cells are inspected8/Assignment Method•Sequential Encoding–Binary Up-Counting Order–Gray•Random Encoding•One-hot Encoding•Output-Oriented Encoding•Heuristic Methods10/Guidelines Based on Next Stateand Inputs/Outputs•Highest Priority–States with the same next state for a given inputtransition should be given adjacent assignments •Medium Priority–Next states of the same state should be givenadjacent•Lowest Priority–States with the same output for a given input shouldbe given adjacent assignments•Initial state is assigned with 00 011/Implement the FSM•After state assignment, an excitation tableis constructed based on the flip-flop typesto be used in the realization•From the excitation table, the excitationand output expressions for the network are determined•The logic diagram is drawn12/Moore & Mealy Machines•Mealy–The outputs from a Mealy sequential networkare a function of both the external inputs andthe present state•Moore–The outputs from a Moore sequential networkare only a function of the present state13/Moore & Mealy Outputs•Moore Outputs are synchronous with the clock–Have a disciplined timing methodology •Mealy Outputs are asynchronous because they can change in response to any changes in the inputs–Synchronous variation16/Comparison of the Two Machine Types•Moore–Synchronous–More states•Mealy–reduced state count–asynchronous20/Two Major Issues with Mealy Machine• The output logic of Mealy machines can cause glitches on the output • The output can change asynchronously to the clock– Sometimes be an advantage – The circuit can react quickly to an input change rather than having to wait for the next clock edge to advance the state21/Timing Diagramclock x y Q1 Q2 zA B D C A Cz = xQ1 + Q1Q2DACA? 1 1 0 1 1 1 0??? 1 1 022/Mealy; The values of the external input variables only at the triggering time of the clock signal are considered;Synchronous Mealy MachineCombinational Logic to Compute Outputs Combinational Logic to Compute Next State Re- Outputs gister Current State RegisterI n p u t s23/Finite State Machines Design• Concept of Finite State Machine • Counters (7) • Basic FSM Design Approach (8)– FSM Design Procedure – Other State Reduction Method – Other State Assignment – FSM Partitioning24/Other State Reduction Method• Implication Chart • Row matching– Combine the two approaches – Firstly, row matching quickly reduces the number of states – Then, implication chart, now working with fewer states, finds the equivalent states missed by row matching more rapidly• Equivalent states in the presence of don’t cares • When state minimization doesn’t help25/Implication Chart MethodPresent Next State State x=0 x=1 A* B C D E F G A D F D B G A B C E F G C F Output x=0 x=1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 026/Row Matching• Get the state transition table with multiple next-state and output columns based on the input combinations • Examine the rows of the state transition table to find any with identical next-state and output values—Row Matching • Continue matching rows until any can’t be no longer combined—Row-matching Iteration27/Modeling the sequence detector• The FSM produce a 1 output if and only if the current input and the previous three inputs correspond to either of the sequences 0110 or 1010. The machine returns to the reset state after each and every 4-bit sequence x=0010 0110 1100 1010 0011 z=0000 0001 0000 0001 000028/A*: reset B: input 0 received C: input 1 receivedState tableD: input 00 received E: input 01 received F: input 10 received G: input 11 received0/0 BA1/01/0 0/0 1/0 0/0 D E F G 0/0 1/0 0/0 1/0 0/0 1/0 0/0 1/0 H I J K 0/1 L M 0/1 N OCH: input 000 received I: input 001 received J: input 010 received K: input 011 received L: input 100 received M: input 101 received N: input 110 received O: input 111 received29/Input Sequence Reset 0 1 00 01 10 11 000 001 010 011 100 101 110 111Present State A B C D E F G H I J K L M N ONext State x=0 x=1 B C D E F G H I J K L M N O A A A A A A A A A A A A A A A AOutput x=0 x=1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0Row Matching Iteration (1)Advantages of Implication Chart•Be Straightforward•Be efficiently implemented in software35/Equivalent states in the presenceof don’t cares•If having don’t care, the problem becomes much more difficult–Input don’t cares•The state can be chosen to transition for aninput combination that is impossible•Merging more states–Output don’t cares•More problematic•Two methods rely on output patterns as acentral part of determining stateequivalence36/When state minimization doesn’t help•Advantages of State Minimization–Allow us to build smaller finite state machineswith less flip-flops and less logic•The logic equations themselves can become more complex as we fit more states into a smaller number bits–用更少的位数表示更多的状态–逻辑函数本身更复杂–Leading to a less efficient realization38/Edge Detector FSM•Moore•Detect when consecutive inputs change from 0 to 1•Output a 1 when detecting this “rising edge”in our input dream39/Minimizing states isn’t always the best thing•Leading a larger and non-obvious implementation•State Reduction is still an art•Not Straightforward as we mentioned introducing Row-matching and Implication TableQ1+=XQ1Q0’+XQ1’Q0 Q0+=XQ1’Q0’Z=Q1’Q0Q1+=Q0Q0+=XZ=Q1’Q044/Finite State Machines Design•Concept of Finite State Machine •Counters (7)•Basic FSM Design Approach (8)–FSM Design Procedure–Other State Reduction Method–Other State Assignment–FSM Partitioning45/Assignment Method•Sequential Encoding–Binary Up-Counting Order–Gray•Random Encoding•One-hot Encoding•Output-Oriented Encoding•Heuristic Methods–Minimum Bit-Change Heuristic–Guidelines based on next-state andinput/outputs46/Traffic Light Controller•As long as no vehicle is detected on the farm road, the lights should remain green in the highway direction•If a vehicle is detected on the farm road, the highway lights should change from green to yellow to red,allowing the farm road lights to become green•The farm road lights stay green only as long as a vehicle is detected on the farm road and never longer than a set interval so as not to block traffic flow along the highwayfor too long•Then farm road lights change from green to yellow to red, allowing the highway lights to return to green•Even if vehicles are waiting to cross the highway, the highway should remain green for a minimum amount oftime48/49/Inputs & Outputs & States •Inputs–Reset: Place controller in initial state–C: Detects vehicle on farm road in either direction –TS: short timer interval has expired–TL: long timer interval has expired•Outputs–ST: Reset timer and start timing long & short intervals –H 1H 0:Light at Highway–F 1F 0:Light at Farm RoadStates•HG: Highway green (farm road red)•HY: Highway yellow (farm road red)•FG: Farm road green (highway red)•FY: Farm road yellow (highway red)50/。
精品课件-数字电子技术-第8章
入端 TR
的电压低于
1 3
VDD 时,A2
输出高电平,使基本
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱRS
触发器翻转,Q＝
1。
第8
2、基本 RS 触发器 由两个或非门 G1、G2 组成。当 R 端置 1 时,触发器置 0,输出端 OUT
为 0；当 S 端置 1 时,触发器置 1,输出端 OUT 为 1。当直接复位端 RD 加
低电平时,不管其它输入状态如何,触发器直接置 0,输出端 OUT 为 0；不使
容元件,就可以很方便地构成多谐振荡器、单稳态触发器以及施密特 触发器等脉冲的产生与整形电路。555 还可输出一定功率，可驱动 微电机、指示灯、扬声器等。它在脉冲波形的产生与变换、仪器与 仪表、测量与控制、家用电气与电子玩具等领域都有着广泛的应用。
第8
表8－1 CC7555定时器的逻辑功能表
阈值输入 TH⑥ 触发输入 TR ②
第8
555定时器按内部器件类型可分为双极型（TTL型）和单 极型（CMOS型）。TTL型产品型号的最后3位数码是555或556， CMOS型产品型号的最后4位数码是7555或7556，它们的逻辑功 能和外部引线排列完全相同。555芯片和7555芯片是单定时器， 556芯片和7556芯片是双定时器。TTL型的定时器静态功耗高， 电源电压使用范围为＋5～＋15V；CMOS型的定时器静态功耗 较低，输入阻抗高，电源电压使用范围为＋3～＋18V，且在 大多数的应用场合可以直接代换TTL型的定时器。下面以CMOS 型的CC7555
×
×
2 ＞ 3 VDD
1
1 ＞ 3 VDD
1
2 ＜ 3 VDD
0
1 ＜ 3 VDD
0
2 ＜ 3 VDD
数字电子技术基础》(第五版第八章门电路[1]
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8.3.2 PAL的输出电路结构和反馈形式
一. 专用输出结构
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•用途：产生组合逻辑电 路
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二. 可编程输入/输出结构
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•用途：组合逻辑电路，
•有三态控制可实现总线连接
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2020/11/21
数字电子技术基础》(第五版第八章 门电路[1]
第八章 可编程逻辑器件
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数字电子技术基础》(第五版第八章 门电路[1]
第八章 可编程逻辑器件 （PLD, Programmable Logic Device）
以上各种PLD均需离线进行编程操作，使用开发系统
一、开发系统 1. 硬件：计算机+编程器 2. 软件：开发环境（软件平台） 3. VHDL, Verilog 4. 真值表，方程式，电路逻辑图（Schematic） 5. 状态转换图（ FSM）
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数字电子技术基础》(第五
数字电子技术基础》(第五版第八章 门电路[1]
编程单元
OLMC
采用E2CMOS 可改写
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•GAL16V8
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8.4.2 OLMC
•数据选择器
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8.4.3 GAL的输入和输出特性
五. 运算反馈结构
数电第八章57页PPT
0
vd
0
vO
1
v
0
I2
V DD V TH
0 vO
0
tw
t1
t2
I2
vO1
t
t
I2 =VTH产生如下正反馈过程：
vI2 vO vO1
迅速使 o1 = 1 o =0 电容放电 c =0
电路由暂稳态自动返回到稳态
1
0
t
vO1
vO
G1 1
t
vI Cd
vd
Rd
t
1 G2
CD
v
C
v I2 R
vO
A1
A2 B vI
A2
Q
B
Q
VCC
vI
0 vO1
t1 tw1
0 vO
tw2
0
t tw1
t
tw2 t
4. 组成噪声消除电路
如用I作为下降沿触发的计数器触发脉冲,干扰加入,就会造 成计数错误.
C
R
VCC
Cext Rext/Cext
噪声
7412
A1 1
Q
A2
Q
1D C1
vI
vO
Q
vI
B
R
vO
单稳触发器的输出脉宽应大于噪声宽度而小于信号脉宽，才可 消除噪声。
VT+
(1
R1 R2
)VTH
(3) υI1 VTH电路,维持 υ O=VOH 不变
(4)当υI下降, υI1也下降 ,只要υI1 > VTH， 则保持 υo =VOH
当 υI1 =VTH，电路产生如下正反馈 ：
R2
数字电路清华PPT学习教案
第18页/共57页
目前数字系统中普遍使用TTL和CMOS集成电路。
TTL集成电路工作速度高、 驱动能力强，但功耗大 、集成度低；
)
1)2
当VGS
VGS
(
th
下
)
，i
D
VGS 2
第28页/共57页
可变电阻区：当VDS 较低（近似为 0），VVDGSSi一D 定常时数（电阻）
这个电阻MOS管的基本开关电路
因为 ROFF 109 , RON 1K 只要RON RD ROFF , 则：
VI 12VDD时，VO 12VDD
第34页/共57页
电压传输特性 电流传输特性
第35页/共57页
三、输入噪声容限
VNH VOH (min) VIH (min) VNL VIL(max) VOL(max)
在保证输出低电平不变的 条件下，允许叠加在输入 高电平的最大噪声电压称 为高电平噪声容限。
中规模集成电路(MSI-Medium Scale Integration)， 每片组件内含100~1000个元件(或20~100个等效门)。
大规模集成电路(LSI-Large Scale Integration)， 每 片组件内含1000~100 000个元件(或100~1000个等效门 )。
超大规模集成电路(VLSI-Very Large Scale Integration)， 每片组件内含100 000个元件(或1000个 以上等效门)。
第39页/共57页
3.3.4 CMOS反相器的动态特性
清华课件时序电路
LOGIC对扰动不敏感（2）Register寄存器为存放二进制数据的器件，通常由Latch 构成。
一般地，寄存器为边沿触发。
（3）flip-flops（触发器）任何由交叉耦合的门形成的双稳电路Register 时序参数D Q Clk T Clk D tsu Q tc-q thold注意：数据的上升和下降时间不同时，延时将不同。
2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德 第 8 章 (1) 第 11 页Latch 时序参数Latch 的时序（ Timing ）参数还要考虑tD 2 D Q DQtD-qQClk tC 2Clk tC 2QQ寄存器（Register）2004－12－1锁存器（Latch）第 8 章 (1) 第 12 页清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德Latch 时序参数D Q Clk正电平 Latch 时钟负边沿T Clk D tc-q PWm thold td-q tsuQ注意：数据的上升和下降时间不同时，延时将不同。
2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德 第 8 章 (1) 第 13 页最高时钟频率φ FF’s LOGIC tp,comb最高时钟频率需要满足：tclk-Q + tplogic+ tsetup < = T但同时需要满足:其中tplogic = tp,comb (max) tcd:污染延时（contamination delay） = 最小延时（minimum delay）第 8 章 (1) 第 14 页tcdreg + tcdlogic > thold =2004－12－1其中清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德研究不同时刻 （t1, t2）FF1φ (t1) LOGIC t p,combφ (t2)CLKt1tsu D tholdFF1 输入数据 应保持稳定t tsuF F2t2holdtFF2 输入数据 应保持稳定tclk-q QFF1 输出数据 经组合逻辑到达 t 已达稳定 寄存器输入端tclk-Qtp,comb (max）tsetup因此要求：tclk-Q + tp,comb (max) + tsetup < =T2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德 第 8 章 (1) 第 15 页研究同一时刻 （t1）t1 时FF1φ (t1) LOGIC FF1 t p,combt1 时FF2输入数据（2）φ (t1)输入数据（1）tclk-q QFF1 输出数据 已达稳定经组合逻辑已 到达FF2 输入端破坏了本应保 持的数据（2）tt1tcdregtcdlogicholdsuD输入数据（2）应保持稳定至 t1F F2t因此要求 :2004－12－1= tcd: 污染延时（contamination delay） = 最小延时（minimum delay）清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德 第 8 章 (1) 第 16 页tcdreg + tcdlogic > thold写入（触发）静态 Latch 的方法：以时钟作为隔离信号, 它区分了“透明” （transparent ）和“不透明” （opaque）状态CLKCLKQ CLKD CLKDD弱反相器CLKMUX 实现弱反相器实现（强制写入）（控制门可仅用NMOS实现）2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德第 8 章 (1) 第 17 页Latch 的具体实现基于Mux 的 Latch负（电平） latch (CLK= 0 时透明) 正（电平） latch (CLK= 1 时透明)1 D CLK 0Q D CLK0 1QQ = Clk ⋅ Q + Clk ⋅ In2004－12－1Q = Clk ⋅ Q + Clk ⋅ In第 8 章 (1) 第 18 页清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德基于（传输门实现的） Mux 的 LatchCLKQ CLK DCLK（1）尺寸设计容易 （2）晶体管数目多（时钟负载因而功耗大）2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德 第 8 章 (1) 第 19 页基于（传输管实现）Mux 的 LatchCLK QM QM CLK CLK（仅NMOS 实现）CLK仅NMOS 实现不重叠时钟 （Non-overlapping clocks）（1）仅NMOS 实现，电路简单，减少了时钟负载 （2）有电压阈值损失（影响噪声容限和性能，可能引起静态功耗）2004－12－1清华大学微电子所 《数字大规模集成电路》 周润德 第 8 章 (1) 第 20 页Q单元形式的Latch采用串联电压开关逻辑（CVSL）QNon-overlap时间过长，存储在动态节点上的电荷会泄漏掉（故称伪静态）低电压静态Latch双边沿触发寄存器RS Latch?动态Latch 和Register（1）比静态Latch和Register 简单（2）基于在寄生电容上存储电荷，由于漏电需要周期刷新（或经常更新数据）（3）不破坏的读信息：因此需要输入高阻抗的器件传输门构成的动态边沿触发寄存器（只需8 个晶体管，节省功耗和提高性能，甚至可只用NMOS 实现）动态节点正电平灵敏正沿触发＝＝正沿负沿t DC > Wt SUt SUt DC >t SU=t DQ=t DQ。
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《数字电子技术基础》第五版
二、步骤 • 抽象（系统设计采用Top-Down的设计方法） • 选定PLD • 选定开发系统 • 编写源程序（或输入文件） • 调试，运行仿真，产生下载文件 • 下载 • 测试
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isp器件的编程接口（Lattice）
开发 环境
• 使用ispPLD的优点： • *不再需要专用编程器 • *为硬件的软件化提供可能 • *为实现硬件的远程构建提供可能
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GAL输出缓冲级
8.5 可擦除的可编程逻辑阵列EPLD
一、结构特点 相当于 “与-或”阵列（PAL） + OLMC 二、采用E第五版
8.7 现场可编程门阵列FPGA
一、基本结构
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1. IOB 2. CLB 3. 互连资源 4. SRAM
8.8 在系统可编程通用数字开关（ispGDS）
ispGDS22的 结构框图
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8.9 PLD的编程
以上各种PLD均需离线进行编程操作，使用开发系统 一、开发系统 1. 硬件：计算机+编程器 2. 软件：开发环境（软件平台） VHDL, Verilog 真值表，方程式，电路逻辑图（Schematic） 状态转换图（ FSM）
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1. IOB
可以设置为输入/输出； 输入时可设置为：同步（经触发器）
异步（不经触发器）
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2. CLB
本身包含了组合电路和触发器，可构成小的时序电路
将许多CLB组合起来，可形成大系统
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3. 互连资源
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二、编程单元 出厂时， 所有的交叉点均有熔丝
8.3.2 PAL的输出电路结构和反馈形式
一. 专用输出结构
《数字电子技术基础》第五版
用途：产生组合逻辑电路
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二. 可编程输入/输出结构
用途：组合逻辑电路，
有三态控制可实现总线连接
可将输出作输入用
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三. 寄存器输出结构
4. SRAM 分布式 每一位触发器控制一个编程点
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二、编程数据的装载
1. 数据可先放在EPROM或PC机中 2. 通电后，自行启动FPGA内部的一 个时序控制逻辑电路，将在 EPROM中存放的数据读入FPGA 的SRAM中 3. “装载”结束后，进入编程设定的 工作状态 ！！每次停电后，SRAM中数据消失 下次工作仍需重新装载
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可编程“与”阵列 + 固定“或”阵列 + 可编程输出 电路 OLMC 编程单元 采用E2CMOS 可改写
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GAL16V8
8.4.2 OLMC
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数据选择器
《数字电子技术基础》第五版
8.4.3 GAL的输入和输出特性
GAL是一种较为理想的高输入阻抗器件
二、PLD的发展和分类 PROM是最早的PLD 1. 2. 3. 4. 5. 6. PAL 可编程逻辑阵列 FPLA 现场可编程阵列逻辑 GAL 通用阵列逻辑 EPLD 可擦除的可编程逻辑器件 FPGA 现场可编程门阵列 ISP-PLD 在系统可编程的PLD
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三、LSI中用的逻辑图符号
《数字电子技术基础》第五版
《数字电子技术基础》（第五版）教学课件
清华大学 阎石 王红
联系地址：清华大学 自动化系 邮政编码：100084 电子信箱：wang_hong@ 联系电话：(010)62792973
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第八章
可编程逻辑器件
《数字电子技术基础》第五版
用途：产生时序逻辑电路
《数字电子技术基础》第五版
四. 异或输出结构
时序逻辑电路 还可便于对“与-或”输出求 反
《数字电子技术基础》第五版
五. 运算反馈结构
时序逻辑电路 可产生A、B的十六种算术、逻辑运算
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8.3.3 PAL的应用举例
8.4 通用逻辑阵列 GAL 8.4.1 电路结构形式
《数字电子技术基础》第五版
8.2 现场可编程逻辑阵列 FPLA 组合电路和时序电路结构的通用形式
A0~An-1
W0
D0
W(2n-1) Dm
《数字电子技术基础》第五版
组合电路和时序电路结构的通用形式
8.2 FPLA
可编程的“与”阵列 可编程的“或”阵列
《数字电子技术基础》第五版
8.3 PAL（Programmable Array Logic） 8.3.1 PAL的基本电路结构 一、基本结构形式 可编程“与”阵列+固定“或”阵列+输出电路 最简单的形式为：
第八章 可编程逻辑器件 （PLD, Programmable Logic Device）
8.1 概述 一、PLD的基本特点 1. 数字集成电路从功能上有分为通用型、专用型两大类
数字 系统
2. PLD的特点：是一种按通用器件来生产，但逻辑功能是由 用户通过对器件编程来设定的
《数字电子技术基础》第五版