计算机组成原理数字电路基础

输入特性曲线
输入回路实质是一个PN结，其输入特性基本 等同于二极管的伏安特性。
3、双极型三极管输出特性
饱和区 ic(mA)
2
放大区
0 uces 截止区
iB=0mA A uce(V)
放大状态：发射结正偏，集电结反偏；ube>uTh， ubc<0；起放大作用； 截止状态：发射结、集电极均反偏，ubc<0V，ube<0V；一般地， ube<0.5V时， ib0，ic0；三极管呈高阻抗，类似于开关断开； 饱和状态：发射结、集电极均正偏； ube>VTh， ubc>0；深度饱和状态 下，饱和压降UCEs 约为0.2V，三极管呈现低阻抗，类似于开关接通。
2
二极管内部结构 电流Ι
在4价的硅材料中加进5 价或5价以上的金属制成 的材料（里面有可以移 动的带负电荷的电子）
二极管图形符号
2、二极管静态特性（伏安特性）
iD(mA)
2
UBR
uD(V) 0 0.5 0.7
硅 PN 结伏安特性
静态特性是指二极管在导通和截止两种 稳定状态下的特性。典型二极管的静态特性 曲线(又称伏安特性曲线) 。
三、晶体三极管
1、双极型三极管结构
2
晶体三极管由集电结和发射结两个PN结构成。
根据两个PN结的偏置极性，三极管有截止、放 大、饱和3种工作状态。
NPN型
PNP型
2、双极型三极管输入特性
2
双极型三极管的应用中，通常是通过b,e间的电流 iB控制c,e间的电流iC实现其电路功能的。因此，以 b,e间的回路作为输入回路，c,e间的回路作为输出回 路。
真值表
逻辑图 卡诺图
表征逻辑事件输入和输出之间全部可能状态的表格
主要用二进制逻辑单元图形符号所绘制的电路简图 逻辑函数的一种图形表示，将逻辑函数的最小项表达 式中的各最小项相应地填入一个方格图内。
二、基本逻辑运算
逻辑值 0、1 —— 代表两种不同的状态
逻辑变量 逻辑运算
1
逻辑代数
三种基本运算（与、或、非）的组合
布尔代数已经成为分析和设计数字逻辑电路的基础和
有力工具，又称为逻辑代数。
逻辑函数
1
利用“函数－变量（自变量、因变量）”关系描
述逻辑代数之间的关系 例：
十字路口的车辆与交通指挥灯F=(R,Y,G) 任意具有因果关系的逻辑变量F=(A1,A2,„An)
逻辑函数的表达方式
逻辑表达式 用逻辑运算符将关系表达式或逻辑量连接起来的式子
注意：同样需要保证运算顺序不能发生变化
2 半导体器件的开关特性
一、开关器件
开关的特性 具有接通和断开两种工作状态
理想的开关
接通状态
要求阻抗越小越好，相当于短路 断开状态 要求阻抗越大越好，相当于开路
在数字电路中二极管和三极管大多数工作
在开关状态。它们在脉冲信号的作用下， 时而饱和导通，时而截止，相当于开关的 开通和关断。
2
开启电压
当uGS＜UT：MOS管工作在截止区，漏源电流IDS基本为0，输
出电压uDS ≈UDD，MOS管处于“断开”状态;
当uGS ＞UT ： MOS管工作在导通区，漏源电流iDS=UDD/(RD +
rDS)。其中，rDS为 MOS 管导通时的漏源电阻。 输出电压UDS=UDD ·rDS /(RD+rDS), 若rDS＜＜RD， 则uDS≈ 0V，MOS管处于“接通”状态。
关闭
断开
(a)
(b)
(c)
二极管开关电路及其等效电路
内容回顾
内容回顾
四、MOS管
1、MOS管结构
2
MOS管是金属—氧化物—半导体场效应管的简称。 （Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor） 由于只有多数载流子参与导电，故也称为单极型三极管。
MOS集成门
NMOS PMOS CMOS
一、数字逻辑信号和电信号的关系
逻辑
3
用符号0和1来表示幅度，称为逻辑0和逻辑1
用电信号表达逻辑信号的方式 脉冲——以脉冲有无表示逻辑1/0 脉位——以脉冲边沿相距远近表示逻辑1/0 电流——以电流大小表示逻辑 如用模拟电路当中的4～20mA电流环电流值表示 电压（幅度）—— 以电压波形表示逻辑 电压界限取决于具体器件 高电压（波形），也称高电平，对应逻辑1 低电压（波形），或无电压，称为低电平，对应 逻辑0
NMOS管结构图
NMOS管：通过在P型半导 体衬底上制作两个N区的 办法，形成MOS管的源极 和漏极，再在2个N区之间 的位置，用金属铝（或多 晶硅）制作栅极，并通过 一层极薄的二氧化硅绝缘 层使栅极和衬底隔离开
2
2、静态特性
MOS管作为开关元件，同样是工作在截止或导 通两种状态。MOS管是电压控制元件，主要由栅源 电压uGS决定其工作状态。 由NMOS增强型管构成的开关电路如下图所示。
A
0 0 1 1
1
B
0 1 0 1
F
0 0 0 1
定义：当一逻辑事件发生的所有条件全部具备
后，该逻辑事件才发生，这种关系称为与逻辑
3. 基本逻辑运算——或运算 “+”
A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 F 0 1 1 1
1
定义：当一逻辑事件发生的所有条件中只要有 一个条件得到满足，该逻辑事件就会发生，这 种关系称为或逻辑
代入、反演和对偶规则
代入规则
在任何一个包含逻辑变量A的等式中，如果用另一
1
个函数式F代入式中A的位置，则等式仍然成立； 例 B(A+C)=BA+BC，若A→(D+E)得： B[(D+E)+C]=B(D+E)+BC=BD+BE+BC
反演规则
规则：对逻辑表达式F当中的
运算符：与→或；或→与
4、双极型三极管开关特性
2
在数字逻辑电路中，三极管相当于一个由基极信 号控制的无触点开关，其作用对应于触点开关的“闭 合”与“断开”。
晶体三极管在截止与饱和这两种稳态下的特性 称为三极管的静态开关特性。
5、动态特性
具有的特性称为三极管的动态特性。
2
晶体三极管在饱和与截止两种状态转换过程中 三极管的开关过程和二极管一样，管子内部也
3、二极管开关特性
2
由于二极管的单向导电性，所以在数字电路中经 常把它当作开关使用。
D U 0 关闭 断开 R R
R
(a)
(b) 二极管开关电路及其等效电路
(c)
二极管组成的开关电路图如图（a）所示。二极管导 通状态下的等效电路如图(b)所示，截止状态下的等 效电路如图(c)所示，图中忽略了二极管的正向压降。
2
4、二极管动态特性
二极管的动态特性是指二极管在导通与截止两种
状态转换过程中的特性，它表现在完成两种状态 之间的转换需要一定的时间。为此，引入了反向 恢复时间和开通时间的概念。 反向恢复时间：二极管从正向导通到反向截止所 需要的时间称为反向恢复时间。 开通时间：二极管从反向截止到正向导通的时间 称为开通时间。 二极管的开通时间很短，对开关速度影响很小， 相对反向恢复时间而言几乎可以忽略不计。
存在着电荷的建立与消失过程。因此，两种状 态的转换也需要一定的时间才能完成。
开通时间：三极管从截止状态到饱和状态所需
要的时间。
关闭时间
：三极管从饱和状态到截止状态所 需要的时间。
内容回顾
iD(mA)
UBR
uD(V) 0 0.5 0.7
硅 PN 结伏安特性
二极管图形符号
内容回顾
D U 0 R R R
出发点）
F1=A+B
F1(A1，A2
F2=A·B
，… ，An)=F2(A1， A2 ，… ，An) 同一逻辑函数的两个不同公式表 达形式 两个逻辑函数的真值表必定相同
逻辑代数的公理 三个基本运算的公式形式
逻辑函数的基本定理：
1
逻辑运算的优先级：括号→非→与→或
1
四、逻辑函数的基本运算规则
3 逻辑门电路
实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电 子电路统称为逻辑门电路，它们是组成数字系统 的基本单元电路。 由二极管与门和 输入和输出端
三极管非门串接 而成
都用三极管
门 电 路
分立元件门电路
灵活、适应性好 体积大、耗电高、故障率高
双极型集成门（DTL、TTL） 集成门电路
体积小、耗电低、重 量轻、可靠性高、成 本低、使用方便
二、晶体二级管
导体
2
两端存在电压时，导体内产生电流，如银、铜
绝缘体
两端存在电压时，体内无电流，如橡胶、石英
半导体
在不同的情况下可以表现为导体或绝缘体
半导体器件（二极管）
在单一方向具有导电特性的物体
根据所加电压 方向的不同
1、二极管结构
在4价的硅材料中加入3 价或3价以下的金属制成 的材料（里面有可以移动 的带正电荷的空穴）
数字电路与逻辑 设计基础
余晓容
主要内容
1 2 3 4

逻辑函数 半导体器件的开关特性 逻辑门电路 组合逻辑电路及其应用


5 触发器
6 计算机中常用的逻辑电路 作业
1 逻辑函数
一、基本概念
逻辑代数 1847年George Boole提出描述客观事务逻辑关系的 布尔代数； 1938年Claude E.Shannon将布尔代数用于设计开关 电路；
4. 基本逻辑运算——非运算 “ˉ”
A 0 1
1
F=A
1 0
定义：逻辑事件的发生以其相反的条件为依 据，这种关系称为非逻辑
1
这三个基本运算都可以推广到多个逻辑变量上 F1=A1 · A2 · … · An F2=A1 +A2 + … +An
三、逻辑函数的基本定理
逻辑代数的相等（定理的基本
1
A B A B F1 F2 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0
3、动态特性
2
MOS管本身导通和截止时电荷积累和消散时间很小。
动态特性主要取决于电路中杂散电容充、放电所需时间。
1. 当电压ui由高变低，MOS管由导通转换为截止 时，电源UDD通过RD向杂散电容CL充电，充电时间常 数τ1 = RDCL。 2. 当电压ui由低变高，MOS管由截止转换为导通 时，杂散电容CL 上的电荷通过rDS 进行放电，其放电 时间常数τ2≈rDSCL。 因为rDS 比RD 小得多，因此，由截止到导通的转 换时间比由导通到截止的转换时间要短。
变量：原变量→反变量；反变量→原变量 常量：0→1；1→0
1
得到：表达式F
注意：
1. 保持原来的运算优先顺序 2. 对于反变量以外的非号应保留不变
对偶规则
对偶式
对逻辑表达式F当中的
运算符：与→或；或→与 常量：0→1；1→0
1
得到对偶式F’
相等的逻辑函数，对偶式也相等
例：证明A+BC=(A+B)(A+C) 对偶式为：左边=A(B+C)；右边=AB+AC 由分配律知A(B+C)=AB+AC，故得证
1） 正向特性
2
门槛电压 ( UTH ) ： 使二极管开始导通的正向 iD(mA) 电压，有时又称为导通电 反向击穿电压 压 (一般锗管约0.1V，硅 UBR 管约0.5V)。 uD(V) ★正向电压 UF ≤ UTH ： 0 0.5 0.7 管子截止，电阻很 门坎电压Uth 大、正向电流 IF 接近于 0， 二极管 硅 PN 结伏安特性 类似于开关的断开 状态 ； ★正向电压 UF = UTH ：管子开始导通，正向电流 IF 上升； ★正向电压 UF ＞UTH (一般锗管为0.3V，硅管为0.7V) ：管 子充分导通， 电阻很小，正向电流IF 急剧增加，二极 管类似于开关的接通状态。
运算的表示 最基本的表示——真值表
1. 逻辑函数与真值表
例：给定函数F=(A,B)，两个自
A 0
B 0
F 0
变量，共有四种取值组合： F(0,0)=0；F(0,1)=0； F(1,0)=1；F(1,1)=1； 三个自变量，有八种取值组合
0
1 1
1
0 1
0Hale Waihona Puke Baidu
1 1
2. 基本逻辑运算——与运算 “·”
2） 反向特性
2
二极管在反向电压 UR 作用下，处于截止状态， 反向电阻很大，反向电流 IR 很小（将其称为反向饱 和电流，用 IS 表示，通常可忽略不计 ），二极管的 状态类似于开关断开。而且反向电压在一定范围内变 化基本不引起反向电流的变化。
注意事项： ● 正向导通时可能因电流过大而导致二极管烧坏。组成 实际电路时通常要串接一只电阻 R，以限制二极管的正向电 流； ● 反向电压超过某个极限值时，将使反向电流IR突然猛 增，致使二极管被击穿（通常将该反向电压极限值称为反向击 穿电压UBR），一般不允许反向电压超过此值。
正逻辑与负逻辑
正逻辑
用高电平表示逻辑1，用低电平表示逻辑0
3
负逻辑
用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑0