数字逻辑教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第1章基础概念
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高中教育数字逻辑基础新精品PPT课件
例1-3
(218)10 =( 1101?1010 )2
第1章 数字逻辑基础
19
• 十进制小数转换为二进制小数
乘2取整法：乘2取整，先整为高 N10=N2=2-1×b-1+2-2×b-2+…+2-m×b-m
例1-4 (0.6875)10 =( 0.1?011 )2
思考：(218.6875) 10=( ? )2 (11011010.1011)2
11
第1章 数字逻辑基础
重点内容，熟练掌握
• 数制与编码 • 逻辑代数基础 • 逻辑函数的描述方法 • 逻辑函数的化简
第1章 数字逻辑基础
12
1.2 数制与编码
一、 数制 Number System
数制 :人类表示数值大小的各种方法的统称。
1、数的表示方法：
位置记数法 ：NR=(rn-1rn-2…r1r0.r-1r-2…r-m)R
• 学科基础核心课 • 承前启后
先修课程：电路分析基础 模拟电子电路
后续课程: 数字通信、微机原理 计算机硬件技术基础
第1章 数字逻辑基础
8
学习要求
• 课前预习，适当自学 • 认真听课，做好笔记，积极思考问题 • 课后复习，完成作业 • 重视实验，理论联系实际
第1章 数字逻辑基础
9
十一五国家教级材规划教材
X反= (00001101)2
Y反= (11110010)2
第1章 数字逻辑基础
24
3、补码表示法
• 符号位：+用0表示，–用1表示。
• 数值位：正数不变，负数按位取反、末位加1 。
• n位二进制补码可表示十进制数范围：
–（2n-1）~ +（2n-1–1）
(218)10 =( 1101?1010 )2
第1章 数字逻辑基础
19
• 十进制小数转换为二进制小数
乘2取整法：乘2取整，先整为高 N10=N2=2-1×b-1+2-2×b-2+…+2-m×b-m
例1-4 (0.6875)10 =( 0.1?011 )2
思考：(218.6875) 10=( ? )2 (11011010.1011)2
11
第1章 数字逻辑基础
重点内容，熟练掌握
• 数制与编码 • 逻辑代数基础 • 逻辑函数的描述方法 • 逻辑函数的化简
第1章 数字逻辑基础
12
1.2 数制与编码
一、 数制 Number System
数制 :人类表示数值大小的各种方法的统称。
1、数的表示方法：
位置记数法 ：NR=(rn-1rn-2…r1r0.r-1r-2…r-m)R
• 学科基础核心课 • 承前启后
先修课程：电路分析基础 模拟电子电路
后续课程: 数字通信、微机原理 计算机硬件技术基础
第1章 数字逻辑基础
8
学习要求
• 课前预习，适当自学 • 认真听课，做好笔记，积极思考问题 • 课后复习，完成作业 • 重视实验，理论联系实际
第1章 数字逻辑基础
9
十一五国家教级材规划教材
X反= (00001101)2
Y反= (11110010)2
第1章 数字逻辑基础
24
3、补码表示法
• 符号位：+用0表示，–用1表示。
• 数值位：正数不变，负数按位取反、末位加1 。
• n位二进制补码可表示十进制数范围：
–（2n-1）~ +（2n-1–1）
《数字逻辑基础》课件
公式化简法
使用逻辑代数公式对逻辑函数进行化简，通过消去多余的项和简化 表达式来得到最简结果。
卡诺图化简法
使用卡诺图对逻辑函数进行化简，通过填1、圈1、划圈和填0的方 法来得到最简结果。
03
组合逻辑电路
组合逻辑电路的分析
组合逻辑电路的输入和输出
分析组合逻辑电路的输入和输出信号，了解它们之间的关系。
交通信号灯控制系统的设计与实现
交通信号灯简介
交通信号灯是一种用于控制交通流量的电子设备，通常设置在路口或 交叉口处。
设计原理
交通信号灯控制系统的设计基于数字逻辑电路和计算机技术，通过检 测交通流量和车流方向来实现信号灯的自动控制。
实现步骤
首先确定系统架构和功能需求，然后选择合适的元件和芯片，接着进 行电路设计和搭建，最后进行测试和调整。
真值表
通过列出输入和输出信号的所有可能组合，构建组合逻辑电路的真值表，以确定输出信 号与输入信号的逻辑关系。
逻辑表达式
根据真值表，推导出组合逻辑电路的逻辑表达式，表示输入和输出信号之间的逻辑关系 。
组合逻辑电路的设计
确定逻辑功能
根据实际需求，确定所需的逻辑功能，如与、或、非等。
设计逻辑表达式
根据确定的逻辑功能，设计相应的逻辑表达式，用于描述输入和 输出信号之间的逻辑关系。
实现电路
根据逻辑表达式，选择合适的门电路实现组合逻辑电路，并完成 电路的物理设计。
常用组合逻辑电路
01
02
03
04
编码器
将输入信号转换为二进制码的 电路，用于信息处理和控制系
统。
译码器
将二进制码转换为输出信号的 电路，用于数据分配和显示系
统。
多路选择器
使用逻辑代数公式对逻辑函数进行化简，通过消去多余的项和简化 表达式来得到最简结果。
卡诺图化简法
使用卡诺图对逻辑函数进行化简，通过填1、圈1、划圈和填0的方 法来得到最简结果。
03
组合逻辑电路
组合逻辑电路的分析
组合逻辑电路的输入和输出
分析组合逻辑电路的输入和输出信号，了解它们之间的关系。
交通信号灯控制系统的设计与实现
交通信号灯简介
交通信号灯是一种用于控制交通流量的电子设备，通常设置在路口或 交叉口处。
设计原理
交通信号灯控制系统的设计基于数字逻辑电路和计算机技术，通过检 测交通流量和车流方向来实现信号灯的自动控制。
实现步骤
首先确定系统架构和功能需求，然后选择合适的元件和芯片，接着进 行电路设计和搭建，最后进行测试和调整。
真值表
通过列出输入和输出信号的所有可能组合，构建组合逻辑电路的真值表，以确定输出信 号与输入信号的逻辑关系。
逻辑表达式
根据真值表，推导出组合逻辑电路的逻辑表达式，表示输入和输出信号之间的逻辑关系 。
组合逻辑电路的设计
确定逻辑功能
根据实际需求，确定所需的逻辑功能，如与、或、非等。
设计逻辑表达式
根据确定的逻辑功能，设计相应的逻辑表达式，用于描述输入和 输出信号之间的逻辑关系。
实现电路
根据逻辑表达式，选择合适的门电路实现组合逻辑电路，并完成 电路的物理设计。
常用组合逻辑电路
01
02
03
04
编码器
将输入信号转换为二进制码的 电路，用于信息处理和控制系
统。
译码器
将二进制码转换为输出信号的 电路，用于数据分配和显示系
统。
多路选择器
数字逻辑基础教学课件PPT
4. 各种表示方法间的相互转换
（1）逻辑函数式→真值表 举例：例1-6（P9） （2）逻辑函数式→逻辑图 举例：例1-7（P10） （3）逻辑图→逻辑函数式 方法：从输入到输出逐级求取。
举例：例1-8（P10）
（4）真值表→函数式
方法：将真值表中Y为 1 的输入变量相与，取 值为 1 用原变量表示，0 用反变量表示， 将这 些与项相加，就得到逻辑表达式。这样得到的 逻辑函数表达式是标准与－或逻辑式。
断开为0；灯为Y，灯亮为1，灭为0。
真值表
AB Y 00 0 01 1 10 1 11 1
由“或”运算的真值表可知
“或”运算法则为：
有1出
0＋0 = 0 1＋0 = 1
1
0＋1 = 1 1＋1 = 1
全0为
0
⒊ 表达式
逻辑代数中“或”逻辑关系用“或”运算 描述。“或”运算又称逻辑加，其运算符为 “＋”或“ ”。两变量的“或”运算可表示
0
卡诺图是一 种用图形描 述逻辑函数
的方法。
00 0 01 0 11 0
10 1
例：函数 F=AB + AC
ABC F
000 0
1 001 1 010 0
1 011 1
1 100 1
0
101 1 110 0
1 111 0
1.逻辑函数式
特点：
例：函数 F=AB + AC
（1）便于运算； （2）便于用逻辑图实现； （3）缺乏直观。
真值表
K
Y
0
1
1
0
由“非”运算的真值表可知 “非”运算法则为：
0 =1 1 =0
⒊ 表达式
“非”逻辑用“非”运算描述。“非”运 算又称求反运算，运算符为“－”或“¬”， “非”运算可表示为：
（1）逻辑函数式→真值表 举例：例1-6（P9） （2）逻辑函数式→逻辑图 举例：例1-7（P10） （3）逻辑图→逻辑函数式 方法：从输入到输出逐级求取。
举例：例1-8（P10）
（4）真值表→函数式
方法：将真值表中Y为 1 的输入变量相与，取 值为 1 用原变量表示，0 用反变量表示， 将这 些与项相加，就得到逻辑表达式。这样得到的 逻辑函数表达式是标准与－或逻辑式。
断开为0；灯为Y，灯亮为1，灭为0。
真值表
AB Y 00 0 01 1 10 1 11 1
由“或”运算的真值表可知
“或”运算法则为：
有1出
0＋0 = 0 1＋0 = 1
1
0＋1 = 1 1＋1 = 1
全0为
0
⒊ 表达式
逻辑代数中“或”逻辑关系用“或”运算 描述。“或”运算又称逻辑加，其运算符为 “＋”或“ ”。两变量的“或”运算可表示
0
卡诺图是一 种用图形描 述逻辑函数
的方法。
00 0 01 0 11 0
10 1
例：函数 F=AB + AC
ABC F
000 0
1 001 1 010 0
1 011 1
1 100 1
0
101 1 110 0
1 111 0
1.逻辑函数式
特点：
例：函数 F=AB + AC
（1）便于运算； （2）便于用逻辑图实现； （3）缺乏直观。
真值表
K
Y
0
1
1
0
由“非”运算的真值表可知 “非”运算法则为：
0 =1 1 =0
⒊ 表达式
“非”逻辑用“非”运算描述。“非”运 算又称求反运算，运算符为“－”或“¬”， “非”运算可表示为：
数字逻辑-1
0 -1 -2 ... -126 -127 -128
n=8
0111 1111 0111 1110
... 0000 0010 0000 0001 0000 0000 1111 1111 1111 1110
... 1000 0010 1000 0001 1000 0000
十六进制
7F 7E … 02 01 00 FF FE … 82 81 80
★ 基本知识； ★ 半导体的导电特性； ★ 晶体二极管； ★ 晶体三极管； ★ 逻辑门电路；逻辑代数基础 ★ 触发器；
数字系统中处理 的是数字信号， 当数字系统要 与模拟信号发 生联系时，必 须经过模/数 (A/D)转换和 数/模(D/A)转 换电路，对信 号类型进行变
换。
数字信号
A/D 模拟信号
• 触发器二次翻转问题
• 引起触发器空翻原因是 在CP信号持续期间，若 输入信号R、S端连续发 生变化，触发器输出状 态也出现对应连续变化， 结果导致触发器不能有 效进行数据记录。
主从式JK触发器
JK触发器解决了双输入受限问题，并且也开拓出触发器一种新的 计数用途，并企图通过使用CP边沿模式来解决空翻现象。但它并没 有真正解决因输入信号多次变化引起的触发器误动作问题。
• 数字计算机就是一种最常见的数字系统。
脉冲信号
• 信号的产生（以开关电路为例） • 常见的脉冲波形 • 脉冲信号的参数
如何产生理想的脉冲信号
逻辑代数基础
析取联结词与正“或”门电路
字系统中的析取联 结词是“可兼或” 的表示
或门
或运算可以表示为F = A + B或F = A∨B
合取联结词与正“与”门电路
真值为：
N1 +N2=1000
n=8
0111 1111 0111 1110
... 0000 0010 0000 0001 0000 0000 1111 1111 1111 1110
... 1000 0010 1000 0001 1000 0000
十六进制
7F 7E … 02 01 00 FF FE … 82 81 80
★ 基本知识； ★ 半导体的导电特性； ★ 晶体二极管； ★ 晶体三极管； ★ 逻辑门电路；逻辑代数基础 ★ 触发器；
数字系统中处理 的是数字信号， 当数字系统要 与模拟信号发 生联系时，必 须经过模/数 (A/D)转换和 数/模(D/A)转 换电路，对信 号类型进行变
换。
数字信号
A/D 模拟信号
• 触发器二次翻转问题
• 引起触发器空翻原因是 在CP信号持续期间，若 输入信号R、S端连续发 生变化，触发器输出状 态也出现对应连续变化， 结果导致触发器不能有 效进行数据记录。
主从式JK触发器
JK触发器解决了双输入受限问题，并且也开拓出触发器一种新的 计数用途，并企图通过使用CP边沿模式来解决空翻现象。但它并没 有真正解决因输入信号多次变化引起的触发器误动作问题。
• 数字计算机就是一种最常见的数字系统。
脉冲信号
• 信号的产生（以开关电路为例） • 常见的脉冲波形 • 脉冲信号的参数
如何产生理想的脉冲信号
逻辑代数基础
析取联结词与正“或”门电路
字系统中的析取联 结词是“可兼或” 的表示
或门
或运算可以表示为F = A + B或F = A∨B
合取联结词与正“与”门电路
真值为：
N1 +N2=1000
数字逻辑第1章概论PPT课件
第1章
数字逻辑概论 1.1 概述 1.2 数制系统 1.3 有符号二进制数的编码表示 1.4 二进制编码 1.5 本章小结 1.6 习题
第1页/共61页
1.1 概述
1.1.1数字系统的发展简史 第一次变革发生在以加工制造为主导的IC产业发展的初级阶段。 第二次变革的标志是代加工公司与IC设计公司的崛起。 第三次变革发生在20世纪90年代初，
更复杂的功能逻辑单
元，如微处理器
VLSI级
第3级 第2级
功能逻辑单元，如加 MSI、LSI 法器，计数器，乘法 级 器 功触发能器逻等辑单元 ，如 门 ， SSI级
第1级 电子元件，如晶体管， 二极管，电阻，电容 元件级
第6页/共61页
1.1 概述
1.1.3 模拟信号的数字化处理
(1) 把模拟信号数字化，即模数转换（A/D），将原始的模拟信号 转换为时间离散和值离散的数字信号；
十六进制数运算规则自行推导
第15页/共61页
1.3 有符号二进制数的编码表示
术语：
1、真值：二进制数值前用“－”、 “＋”符号表示二进制数负数和正数。 这种表示的二进制数的方法，称为符 号数的真值，简称真值。
2、机器数：将真值的符号部分数字化 以及真值的数值部分采用编码表示， 称为机器数。
真值的符号部分在机器数中称为符号位， 真值的数值部分在机器数中称为尾数。
• 6. 二进制:在计算机系统中采用的进位计数制。在二进制中，数 用0和1两个符号来描述。计数规则是逢二进一。
• 7. 十六进制:人们在计算机指令代码和数据的书写中经常使用的 数制。在十六进制中，数用0，1，…，9和A,B,…，F（或a， b，…，f）16符号来描述。计数规则是逢十六进一。
第9页/共61页
数字逻辑概论 1.1 概述 1.2 数制系统 1.3 有符号二进制数的编码表示 1.4 二进制编码 1.5 本章小结 1.6 习题
第1页/共61页
1.1 概述
1.1.1数字系统的发展简史 第一次变革发生在以加工制造为主导的IC产业发展的初级阶段。 第二次变革的标志是代加工公司与IC设计公司的崛起。 第三次变革发生在20世纪90年代初，
更复杂的功能逻辑单
元，如微处理器
VLSI级
第3级 第2级
功能逻辑单元，如加 MSI、LSI 法器，计数器，乘法 级 器 功触发能器逻等辑单元 ，如 门 ， SSI级
第1级 电子元件，如晶体管， 二极管，电阻，电容 元件级
第6页/共61页
1.1 概述
1.1.3 模拟信号的数字化处理
(1) 把模拟信号数字化，即模数转换（A/D），将原始的模拟信号 转换为时间离散和值离散的数字信号；
十六进制数运算规则自行推导
第15页/共61页
1.3 有符号二进制数的编码表示
术语：
1、真值：二进制数值前用“－”、 “＋”符号表示二进制数负数和正数。 这种表示的二进制数的方法，称为符 号数的真值，简称真值。
2、机器数：将真值的符号部分数字化 以及真值的数值部分采用编码表示， 称为机器数。
真值的符号部分在机器数中称为符号位， 真值的数值部分在机器数中称为尾数。
• 6. 二进制:在计算机系统中采用的进位计数制。在二进制中，数 用0和1两个符号来描述。计数规则是逢二进一。
• 7. 十六进制:人们在计算机指令代码和数据的书写中经常使用的 数制。在十六进制中，数用0，1，…，9和A,B,…，F（或a， b，…，f）16符号来描述。计数规则是逢十六进一。
第9页/共61页
[高中教育]第1章--数字逻辑基础新PPT课件
![[高中教育]第1章--数字逻辑基础新PPT课件](https://img.taocdn.com/s3/m/c6edfc99cf84b9d529ea7ac2.png)
成绩合格的条件
必须同时满足以下两个条件：
相
(1)主裁判A同意；
A=1
(2)副裁判B、C中至少有1人同意。B+C=1
与 为 1
裁判结果Z的表达式 Z=A(B+C)
-
51
三、逻辑图描述法
裁判结果Z的表达式 Z=A(B+C)
也可改写为
Z=AB+AC
-
52
四、逻辑函数的标准形式
1、逻辑函数的基本形式
Z=A(B+C)
-
27
4、补码的运算
• 减法运算要变为加法运算来进行。 • 溢出：运算结果超出了给定位数带符号数
的表示范围。 • 同号相减、异号相加不会发生溢出； • 同号相加、异号相减有可能发生溢出。
正数加正数或正数减负数结果应为正数； 负数加负数或负数减正数结果应为负数。 否则，即为溢出。
-
28
补码运算举例
• 例：“7”的8421BCD码“0111” 奇校验码为 00111 校验位为0 偶校验码为 10111 校验位为1
• 奇偶校验码只能发现奇数个码元错误
-
37
1.3 逻辑代数基础
• 逻辑代数(Logic Algebra) 也称布尔代数(Boolean Algebra)，它是英国数学家乔治.布尔(George Boole) 于1849年提出来的。
5位小数。
整数部分
0.4 2 0.8
0
0.8 2 1.6
1
0.6 2 1.2
1
0.2 2 0.4
0
(0.4)10(0.01101)2
0.4 2 0.8
0
0.8 2 1.6
1
-
《数字逻辑基础》课件
《数字逻Hale Waihona Puke 基础》课件CONTENTS
• 数字逻辑概述 • 数字逻辑基础概念 • 组合逻辑电路 • 时序逻辑电路 • 数字逻辑电路的实现
01
数字逻辑概述
数字逻辑的定义
01
数字逻辑是研究数字电路和数字 系统设计的理论基础，它涉及到 逻辑代数、逻辑门电路、组合逻 辑和时序逻辑等方面的知识。
02
数字逻辑是计算机科学和电子工 程学科的重要分支，为数字系统 的设计和分析提供了基本的理论 和方法。
详细描述
布尔代数是逻辑代数的一个分支，它研究的是逻辑变量和逻辑运算的规律。布尔代数包括基本的逻辑 运算，如与、或、非等，以及一些复合运算，如异或、同或等。布尔代数在数字电路设计中有广泛应 用。
逻辑函数的表示方法
总结词
逻辑函数是指一种特定的函数，它将输 入的逻辑值映射到输出的逻辑值。
VS
详细描述
逻辑函数是指一种特定的函数，它将输入 的逻辑值映射到输出的逻辑值。在数字电 路中，逻辑函数通常用真值表、逻辑表达 式、波形图等形式来表示。理解逻辑函数 的表示方法对于数字电路设计和分析非常 重要。
数字逻辑电路的测试与验证
测试目的
确保电路功能正确、性能稳定。
测试方法
采用仿真测试和实际测试两种方法。
验证手段
逻辑仿真、时序仿真和布局布线仿真等。
谢谢您的聆听
THANKS
逻辑门电路
总结词
逻辑门电路是实现逻辑运算的电路，它是数字电路的基本单 元。
详细描述
逻辑门电路是实现逻辑运算的电路，它是数字电路的基本单 元。常见的逻辑门电路有与门、或门、非门等。这些门电路 可以实现基本的逻辑运算，并能够组合起来实现更复杂的逻 辑功能。
• 数字逻辑概述 • 数字逻辑基础概念 • 组合逻辑电路 • 时序逻辑电路 • 数字逻辑电路的实现
01
数字逻辑概述
数字逻辑的定义
01
数字逻辑是研究数字电路和数字 系统设计的理论基础，它涉及到 逻辑代数、逻辑门电路、组合逻 辑和时序逻辑等方面的知识。
02
数字逻辑是计算机科学和电子工 程学科的重要分支，为数字系统 的设计和分析提供了基本的理论 和方法。
详细描述
布尔代数是逻辑代数的一个分支，它研究的是逻辑变量和逻辑运算的规律。布尔代数包括基本的逻辑 运算，如与、或、非等，以及一些复合运算，如异或、同或等。布尔代数在数字电路设计中有广泛应 用。
逻辑函数的表示方法
总结词
逻辑函数是指一种特定的函数，它将输 入的逻辑值映射到输出的逻辑值。
VS
详细描述
逻辑函数是指一种特定的函数，它将输入 的逻辑值映射到输出的逻辑值。在数字电 路中，逻辑函数通常用真值表、逻辑表达 式、波形图等形式来表示。理解逻辑函数 的表示方法对于数字电路设计和分析非常 重要。
数字逻辑电路的测试与验证
测试目的
确保电路功能正确、性能稳定。
测试方法
采用仿真测试和实际测试两种方法。
验证手段
逻辑仿真、时序仿真和布局布线仿真等。
谢谢您的聆听
THANKS
逻辑门电路
总结词
逻辑门电路是实现逻辑运算的电路，它是数字电路的基本单 元。
详细描述
逻辑门电路是实现逻辑运算的电路，它是数字电路的基本单 元。常见的逻辑门电路有与门、或门、非门等。这些门电路 可以实现基本的逻辑运算，并能够组合起来实现更复杂的逻 辑功能。
数字逻辑课件
数字信号 u t
特点是脉冲式的，只有两种状态： 有脉冲和无脉冲。 一般我们用高电平代表有脉冲，低电平代表无脉 冲----正逻辑 当然也可以反过来定义----负逻辑
研究数字电路时注重电路输出、
输入间的逻辑关系，因此不能采用 模拟电路的分析方法。主要的分析 工具是逻辑代数，时序图，逻辑电 路图等。
2 1 0
位权
一个十进制数 N可以表示成加权和的形式： D:decimal
( N )D
n 1 i m
取值
ai 10i
权重
若用电子电路进行十进制数运算， 必须要有十个电路状态与十个数码相对 应。这样将在技术上带来许多困难，电 路复杂，运算速度慢，而且很不经济。 早期的模拟计算机就是如此。
• 方法： 整数部分 • －－从低位（小数点左边第一位）开始，每三位二进制数分为一组， 最后不足三位的前面补零，每组用一位等价的八进制数来代替； 小数部分 • －－从高位（小数点右边第一位）开始，每三位二进制数分为一组， 最后不足三位的后面补零，然后按顺序写出对应的八进制数。
• 例：将二进制数（10111101.01110111）2转换为八进制数。
开关合为逻辑1开关断为逻辑0灯亮为逻辑1灯灭为逻辑0非逻辑逻辑反非逻辑真值表非逻辑关系非逻辑关系表示式与非逻辑真值表与非逻辑表达式与非逻辑表达式ab或非逻辑真值表或非逻辑表达式或非逻辑表达式cdab两输入变量ab不同时输出y为1而ab相同时输出y为0两输入变量ab相同时输出y为1而ab不同时输出y为0yyaabb运算类型逻辑表达式功能说明相同为1不同为0abcdabcdab与非逻辑或非逻辑与或非逻辑异或逻辑同或逻辑复合逻辑关系小结乘运算规则
t
对模拟信号进行传输、 处理的电子线路称为 模拟电路。
数字逻辑教学作者王茜黄仁许光辰基础概念
• 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 终结果并不会导致系统致命错误.
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
• 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
• 3．p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
• 掺入的硼杂质每个原子都可以提供一个空 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
• 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1章 基础概念
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）。
• 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
• 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 质在半导体中掺入浓度。
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
• 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
• 3．p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
• 掺入的硼杂质每个原子都可以提供一个空 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
• 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1章 基础概念
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）。
• 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
• 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 质在半导体中掺入浓度。
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• 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
• 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
• 逻辑同电路符号表示
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 ←Q Q P 双条件联结词 P← 的否定，记为 → →
• 不可兼或联结词定义
• 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。
• 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 质在半导体中掺入浓度。
• CML电路结构和符号
• 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
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
1.2.3 二极管开关特性
• 二极管具有单向导电特性
• • • •
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
1.2.4 三极管开关特性
• 三极管结构与符号示意图
• 放大、截止、饱和称为三极管的3个工作状 态
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
• 三极管特性曲线图
• 三极管开关特性
1.2.5 三极管3种连接方法
• 1．共发射极电路连接结构
2．共基极电路连接结构
3．共集电极电路连接结构
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。
1.2.2 半导体的导电特性
• 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
• 与非、或非运算表
A 0 0 1 1 B 0 1 0 1
AB A+B
1 1 1 0
1 0 0 0
• 与非门、或非门符号
• 实现与或非门的复杂表现
• 与或非门的惯用符号
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
P T T F F Q T F T F P Q T F F T
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。
否定联结词定义
P T F ┐P F T
• 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
• 非运算表
P
0 1
┐ P 1 0
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 = AB ； • “或非”逻辑表示为：F = A+B ；
1.3.1 DTL门电路
DTL逻辑门工作原理
• DTL输出高电平示意图
• 无反向驱动电流示意图
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
• TTL输出为低电平示意图
• 产生反向基流的示意图
• 上升沿变化示意图
• 典型TTL集成电路
• 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
• 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，这样在半导体中 使得载流子扩散运动很难继续进行
• 合取也是一个复合命题，记作P∧Q。
合取联结词定义
P T T F F Q T F T F P ∧Q T F F F
• 在数字电路中，实现与运算逻辑功能的电 子电路称为与门。
• 与运算表
A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 F 0 0 0 1
1.4.3 否定联结词与“非”门电路
• 否定联结词用符号“┐”
第1章 基础概念
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）。
• 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
• • • •
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
• 3．p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
• 掺入的硼杂质每个原子都可以提供一个空 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
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
• 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 终结果并不会导致系统致命错误.
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。