《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 第5版》 課件全套 王美玲 第1-9章 數(shù)字電路概述-AD轉(zhuǎn)換與DA轉(zhuǎn)換

第1章數(shù)字電路概述1.1數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)

1.2數(shù)字信號(hào)的表示方法

1.3數(shù)字電路的基本功能及其應(yīng)用

1.4電路測(cè)試和故障排除

1.5數(shù)字電路EDA仿真分析與設(shè)計(jì)目錄1.1數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)3電子電路中的信號(hào)：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)：在時(shí)間和數(shù)值上都是連續(xù)的數(shù)字信號(hào)：在時(shí)間和數(shù)值上是離散的，不連續(xù)的模擬電路：處理模擬信號(hào)的電路數(shù)字電路：處理數(shù)字信號(hào)的電路1.1數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)4數(shù)字電路與模擬電路相比較，具有以下特點(diǎn)：1.一般采用二進(jìn)制，易實(shí)現(xiàn)，易復(fù)制。2.抗干擾能力強(qiáng)。3.可編程性強(qiáng)。4.便于長(zhǎng)期存儲(chǔ)，使用方便。5.保密性好。1.2數(shù)字信號(hào)的表示方法數(shù)字信號(hào)表示方法：二值邏輯、邏輯電平、波形圖等。二值邏輯：只有兩種對(duì)立邏輯狀態(tài)的邏輯關(guān)系，開/關(guān)、是/否、亮/滅等邏輯電平：電路中表示邏輯1和邏輯0的高電平和低電平正邏輯：高電平表示邏輯1，低電平表示邏輯0不同工藝的數(shù)字集成電路具有不同的邏輯電平標(biāo)準(zhǔn)。電平轉(zhuǎn)換與匹配：不同標(biāo)準(zhǔn)電平的使器件之間連接時(shí)需要電平轉(zhuǎn)換。51.2數(shù)字信號(hào)的表示方法6數(shù)字信號(hào)表示方法：二值邏輯、邏輯電平、波形圖等。波形圖/時(shí)序圖：將數(shù)字電路的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的關(guān)系按時(shí)間順序依次排列起來1.3數(shù)字電路的基本功能及其應(yīng)用7數(shù)字電路是數(shù)字電子信息系統(tǒng)不可缺少的組成部分。典型電子信息系統(tǒng)的組成框圖1.3數(shù)字電路的基本功能及其應(yīng)用81.信號(hào)采集與處理

對(duì)傳感器的信號(hào)采集，進(jìn)行隔離、放大、濾波、運(yùn)算、轉(zhuǎn)換等處理。

在模電學(xué)習(xí)。2.接口電路ADC：傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以輸入數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理DAC：數(shù)字系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，為執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供控制與驅(qū)動(dòng)信號(hào)在第9章學(xué)習(xí)。1.3數(shù)字電路的基本功能及其應(yīng)用93.運(yùn)算電路

算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。在第4章學(xué)習(xí)。4.存儲(chǔ)電路存儲(chǔ)電路用于存儲(chǔ)電子信息系統(tǒng)的信息和數(shù)據(jù)，典型存儲(chǔ)器件為存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器在第8章中學(xué)習(xí)。譯碼器在第4章學(xué)習(xí)。1.3數(shù)字電路的基本功能及其應(yīng)用105.波形的產(chǎn)生與整形電路CPU等數(shù)字電路正常工作時(shí)，需要時(shí)鐘信號(hào)，此信號(hào)可由多諧振蕩器產(chǎn)生。在第7章學(xué)習(xí)。4.分頻電路通過分頻器/計(jì)數(shù)器對(duì)基準(zhǔn)脈沖進(jìn)行分頻。

在第6章中學(xué)習(xí)。1.3數(shù)字電路的基本功能及其應(yīng)用117.順序脈沖發(fā)生器

產(chǎn)生順序信號(hào)以便各部分按序協(xié)調(diào)工作的器件。

在第7章學(xué)習(xí)。8.信號(hào)的驅(qū)動(dòng)與執(zhí)行輸出的控制信號(hào)經(jīng)過功率放大后，

驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)控制功能。

在模電中學(xué)習(xí)。1.3數(shù)字電路的基本功能及其應(yīng)用12隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，許多數(shù)字系統(tǒng)都直接采用計(jì)算機(jī)CPU等作為處理單元。數(shù)字電子系統(tǒng)可選用通用計(jì)算機(jī)作為其中心處理單元，也可選用單片機(jī)MCU、數(shù)字信號(hào)處理器DSP及基于某總線的專用CPU如PC104、ETX等。這部分內(nèi)容屬于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)范疇。13故障排除：系統(tǒng)地隔離、辨識(shí)及定位電路和系統(tǒng)故障的技術(shù)。故障診斷：一種了解和掌握設(shè)備在使用過程中的狀態(tài)的技術(shù)，以確定其整體或局部是否正常，早期發(fā)現(xiàn)故障及其原因?qū)⒛茴A(yù)報(bào)故障發(fā)展趨勢(shì)。1.4電路測(cè)試和故障排除電路測(cè)試組成框圖14常用儀器設(shè)備：萬用表、示波器、邏輯分析儀、邏輯筆和信號(hào)發(fā)生器等。萬用表：是一種多用途、多量程的便攜式儀表，它集電壓表、電流表和歐姆表于一體，可以進(jìn)行交流、直流電壓和電流以及電阻等多種電量的測(cè)量，有的萬用表還可以測(cè)量晶體管的主要參數(shù)及電容器的電容量等。1.4.1電路測(cè)試及故障排除的儀器設(shè)備15常用儀器設(shè)備：示波器：是觀察波形的窗口，可讓設(shè)計(jì)人員或維修人員將人眼看不到的信號(hào)變化轉(zhuǎn)換成可直接觀察的波形，以便進(jìn)行電路觀察、分析和測(cè)量。1.4.1電路測(cè)試及故障排除的儀器設(shè)備16常用儀器設(shè)備：邏輯分析儀：一種類似于示波器的波形測(cè)試設(shè)備，可以監(jiān)測(cè)硬件電路工作時(shí)的邏輯電平，存儲(chǔ)后采用圖形的方式顯示出來，便于用戶檢測(cè)、分析電路設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤。1.4.1電路測(cè)試及故障排除的儀器設(shè)備17常用儀器設(shè)備：邏輯筆：是一種便攜的手持式數(shù)字電路測(cè)試工具?？蓹z測(cè)到電路的高電平、低電平、單脈沖、連續(xù)脈沖以及開路等邏輯信息，體積小、使用靈活、攜帶方便。1.4.1電路測(cè)試及故障排除的儀器設(shè)備181.4.1電路測(cè)試及故障排除的儀器設(shè)備常用儀器設(shè)備：信號(hào)發(fā)生器（又稱為函數(shù)發(fā)生器）：作為電子測(cè)量系統(tǒng)中的信號(hào)源，提供正弦波、方波、三角波等多種信號(hào)。要成功地排除故障，需要做到以下幾點(diǎn)：掌握常用儀器的使用方法。理解電路工作原理。懂得故障排除方法。能辨識(shí)錯(cuò)誤現(xiàn)象，診斷電路故障。191.4.1電路測(cè)試及故障排除的儀器設(shè)備201.4.2故障排除故障排除的主要方法：直接觀察法、參數(shù)測(cè)試法、信號(hào)跟蹤法、部件替換法、斷路法、短路法等。直接觀察法：不使用儀器，通過直接觀察電路及其元器件來尋找和分析故障。包括斷電觀察和加電觀察。斷電觀察法：檢查元器件有無損壞、引腳有無接錯(cuò)、電路布局布線是否正確等。加電觀察法：查看電路有無發(fā)燙、冒煙、打火、開路及短路等現(xiàn)象。211.4.2故障排除故障排除的主要方法：直接觀察法、參數(shù)測(cè)試法、信號(hào)跟蹤法、部件替換法、斷路法、短路法等。參數(shù)測(cè)試法：借助于儀器測(cè)試電路或元器件的參數(shù)，通過理論分析找出故障原因。信號(hào)跟蹤法：在電路的輸入端接入合適信號(hào)，按信號(hào)的流向，借助示波器等測(cè)試儀器，從前級(jí)向后級(jí)逐級(jí)觀察信號(hào)波形變化情況，以判定故障。部件替換法：將電路中可能存在故障的元器件采用正常元器件進(jìn)行更換，觀察故障是否排除。221.4.2故障排除故障排除的主要方法：直接觀察法、參數(shù)測(cè)試法、信號(hào)跟蹤法、部件替換法、斷路法、短路法等。斷路法：斷開可能存在故障的電路，然后觀察剩余電路是否正常，以此縮小故障范圍，加快排除速度。短路法：臨時(shí)短接部分電路，將信號(hào)跳過部分可能存在故障的電路，觀察結(jié)果是否正確，以縮小故障范圍。231.4.2故障排除信號(hào)跟蹤法故障排除的一般步驟：第一，故障排除前的準(zhǔn)備工作。檢查電源和地是否連接正確，是否存在電源和地之間短路現(xiàn)象，保證測(cè)試儀器與被測(cè)電路的共地。第二，根據(jù)故障現(xiàn)象判定故障可能發(fā)生的部位。第三，從故障部位的輸入開始，一個(gè)一個(gè)芯片地進(jìn)行分析。采用邏輯筆、示波器或邏輯分析儀測(cè)試，將出現(xiàn)損壞的芯片脫離整個(gè)電路，單獨(dú)進(jìn)行測(cè)試。第四，一個(gè)芯片一個(gè)芯片地測(cè)試，直至故障排除。241.5數(shù)字電路EDA仿真分析與設(shè)計(jì)仿真分析：使用計(jì)算機(jī)對(duì)所設(shè)計(jì)電路的結(jié)構(gòu)和行為進(jìn)行預(yù)測(cè)，仿真器以文本或波形圖等形式給出電路的輸出，以便設(shè)計(jì)者分析系統(tǒng)，修改、完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)。EDA技術(shù)：以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái)，融合電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能化技術(shù)而開發(fā)出的電子CAD通用軟件包。EDA的出現(xiàn)使得電子電路和電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，產(chǎn)生了革命性的變化，它摒棄了靠硬件調(diào)試來達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)的繁瑣過程，實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)計(jì)軟件化。251.5數(shù)字電路EDA仿真分析與設(shè)計(jì)常用的EDA仿真軟件有Multisim，PSpice和Viewlogic等。Multisim支持模擬和數(shù)字混合電路的分析和設(shè)計(jì)，把電路原理圖的輸入、仿真和分析緊密地結(jié)合起來；支持電路原理圖的圖形、硬件描述語言等多種輸入方式。

第2章邏輯代數(shù)及其化簡(jiǎn)2.1計(jì)數(shù)制與編碼2.2邏輯代數(shù)基礎(chǔ)2.3邏輯函數(shù)常用的描述方法2.4邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)2.5具有無關(guān)項(xiàng)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)2.6用Multisim進(jìn)行邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)與變換27目錄2.1計(jì)數(shù)制與編碼任何數(shù)通常都可以用兩種不同的方法來表示：一種是按其“值”表示，另一種是按“形”表示。按“值”表示，即選定某種進(jìn)位的計(jì)數(shù)制來表示某個(gè)數(shù)的值，這就是所謂的進(jìn)位計(jì)數(shù)制，簡(jiǎn)稱數(shù)制（NumberSystem）。28（自學(xué)）十進(jìn)制、二進(jìn)制、十六進(jìn)制及其相互轉(zhuǎn)換

2.1.1

常用計(jì)數(shù)制及其轉(zhuǎn)換292.1.2編碼計(jì)算機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)所處理的信息多為數(shù)值、文字、符號(hào)、圖形、聲音和圖像等，它們都可以用多位二進(jìn)制數(shù)來表示，這種多位二進(jìn)制數(shù)叫做代碼。用一組代碼并給每個(gè)代碼賦以一定的含義則稱編碼（Encode）。30在數(shù)字電路中，常用二-十進(jìn)制碼，也叫做BCD（Binary-CodedDecimal）碼。BCD碼：用4位二進(jìn)制數(shù)組成的代碼來表示1位十進(jìn)制數(shù)。4位二進(jìn)制數(shù)具有16種組合，二-十進(jìn)制數(shù)的10個(gè)數(shù)字符號(hào)只需選用其中的10種組合。2.1.2編碼31常用的幾種二-十制編碼（BCD碼）有權(quán)碼無權(quán)碼2.2邏輯代數(shù)基礎(chǔ)英國(guó)數(shù)學(xué)家喬治·布爾（GeorgeBoole）于1847年在他的著作中首先對(duì)邏輯代數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的論述，故邏輯代數(shù)始稱為布爾代數(shù)，因?yàn)檫壿嫶鷶?shù)用于研究二值變量的運(yùn)算規(guī)律，所以也稱為二值代數(shù)。332.2.1邏輯代數(shù)的基本運(yùn)算和復(fù)合運(yùn)算邏輯代數(shù)的基本運(yùn)算包括與、或、非三種運(yùn)算。下面用三個(gè)指示燈的控制電路來分別說明三種基本邏輯運(yùn)算的物理意義。設(shè)開關(guān)A、B為邏輯變量，約定開關(guān)閉合為邏輯1、開關(guān)斷開為邏輯0；設(shè)燈為邏輯函數(shù)F，約定燈亮為邏輯1，燈滅為邏輯0。341.與運(yùn)算邏輯與（也叫邏輯乘）定義如下：“一個(gè)事件要發(fā)生需要多個(gè)條件，只有當(dāng)所有的條件都具備之后，此事件才發(fā)生”。EABFQ？怎么表示與運(yùn)算呢351)

真值表:將邏輯變量所有可能取值的組合與其一一對(duì)應(yīng)的邏輯函數(shù)值之間的關(guān)系以表格的形式表示出來，叫做邏輯函數(shù)的真值表。與邏輯運(yùn)算真值表ABF0011010100011.與運(yùn)算輸入輸出362)

邏輯表達(dá)式：表示邏輯與運(yùn)算的邏輯函數(shù)表達(dá)式為F＝A·B，式中“·”為與運(yùn)算符號(hào)，有時(shí)也可以省略。與運(yùn)算的規(guī)則為：0·0＝0，0·1＝0，1·0＝0，1·1=1。與運(yùn)算可以推廣到多個(gè)邏輯變量，即

F＝A·B·C···，或表示為：F=ABC···。1.與運(yùn)算373)邏輯符號(hào)（電路圖）：在數(shù)字電路中，實(shí)現(xiàn)邏輯與運(yùn)算的單元電路叫與門，與門的邏輯符號(hào)如圖所示。1.與運(yùn)算本教材采用的符號(hào)382.或運(yùn)算在決定一事件發(fā)生的多個(gè)條件中，只要有一個(gè)條件滿足，此事件就會(huì)發(fā)生。AEBF??邏輯或運(yùn)算的真值表39或運(yùn)算邏輯函數(shù)表達(dá)式為F＝A＋B，式中“＋”為或運(yùn)算符號(hào)?；蜻\(yùn)算的規(guī)則為：

0+0＝0，0+1＝1，1+0＝1，1+1=1。邏輯或運(yùn)算也可推廣到多個(gè)邏輯變量，即

F=A+B+C+……2.或運(yùn)算402.或運(yùn)算實(shí)現(xiàn)邏輯或運(yùn)算的單元電路叫或門，或門的邏輯符號(hào)如圖所示。413.非運(yùn)算當(dāng)條件不具備時(shí)，事件才會(huì)發(fā)生。EFAR??邏輯非運(yùn)算的真值表423.非運(yùn)算非運(yùn)算的邏輯表達(dá)式為，式中A上的“－”為非運(yùn)算符號(hào)，EDA中表示為。非運(yùn)算的規(guī)則為：實(shí)現(xiàn)非運(yùn)算的單元電路叫非門(或反相器），非門的邏輯符號(hào)如圖所示。434.

幾種常用的邏輯運(yùn)算由與、或、非三種基本邏輯運(yùn)算可以組合成多種常用的復(fù)合邏輯運(yùn)算。1)與非運(yùn)算ABF001101011110444.

幾種常用的邏輯運(yùn)算2）或非運(yùn)算ABF001101011000453）與或非運(yùn)算4.

幾種常用的邏輯運(yùn)算4）異或邏輯運(yùn)算

對(duì)于兩變量的異或運(yùn)算，當(dāng)輸入相異時(shí)輸出為1，輸入相同時(shí)輸出為0。474.

幾種常用的邏輯運(yùn)算5）同或邏輯運(yùn)算對(duì)于兩變量的同或運(yùn)算，當(dāng)輸入相同時(shí)輸出為1，輸入不同時(shí)輸出為0484.

幾種常用的邏輯運(yùn)算小結(jié)邏輯運(yùn)算與、或、非；

與非、或非、與或非、異或、同或邏輯運(yùn)算的表述方法：

真值表、邏輯表達(dá)式、（門電路）邏輯符號(hào)492.2.2邏輯代數(shù)的基本公式和常用公式基本公式

01定律：重疊律：502.2.2邏輯代數(shù)的基本公式和常用公式51同理可證明：522.2.2邏輯代數(shù)的基本公式和常用公式532.2.2邏輯代數(shù)的基本公式和常用公式常用公式54常用公式5556常用公式*異或公式(補(bǔ)充)572.2.3邏輯代數(shù)的基本規(guī)則1.

代入規(guī)則

對(duì)任意邏輯等式，如果將式中的某一變量用其他變量或邏輯函數(shù)替換，則此等式仍然成立。例如，等式，若函數(shù)F＝BC去置換等式中地變量B，則等式左邊，而等式右邊，顯然，等式仍然成立。582.

反演規(guī)則

對(duì)于一個(gè)邏輯函數(shù)式F，若將其中所有的則得到的結(jié)果就是F的反函數(shù)。592.2.3邏輯代數(shù)的基本規(guī)則注意：優(yōu)先順序不能變，不屬于單個(gè)變量的求非操作不能變602.

反演規(guī)則

Q？化簡(jiǎn)時(shí)怎么處理呢？2.2.3邏輯代數(shù)的基本規(guī)則3.

對(duì)偶規(guī)則對(duì)于一個(gè)邏輯函數(shù)式F,若將其中的則得到的結(jié)果就是F的對(duì)偶式。若兩邏輯式相等,則它們的對(duì)偶式也相等。612.2.3邏輯代數(shù)的基本規(guī)則2.3

邏輯函數(shù)常用的描述方法及相互間的轉(zhuǎn)換2.3.1邏輯函數(shù)常用的描述方法

邏輯表達(dá)式

真值表

邏輯電路圖波形圖

卡諾圖621.邏輯表達(dá)式

由邏輯變量和邏輯運(yùn)算符號(hào)組成，用于表示變量之間邏輯關(guān)系的式子，稱為邏輯表達(dá)式。常用的邏輯表達(dá)式有與或表達(dá)式、標(biāo)準(zhǔn)與或表達(dá)式、或與表達(dá)式、標(biāo)準(zhǔn)或與表達(dá)式、與非與非表達(dá)式、或非或非表達(dá)式、與或非表達(dá)式等。63與或表達(dá)式：標(biāo)準(zhǔn)與或表達(dá)式：或與表達(dá)式：標(biāo)準(zhǔn)或與表達(dá)式:與非與非表達(dá)式:或非或非表達(dá)式:與或非表達(dá)式：641.邏輯表達(dá)式

2.真值表用來反映變量所有取值組合及對(duì)應(yīng)函數(shù)值的表格，稱為真值表。

例如，對(duì)三變量的判斷奇數(shù)個(gè)1的電路，當(dāng)A、B、C三個(gè)變量中有奇數(shù)個(gè)1時(shí)，輸出F為1；否則，輸出F為0。應(yīng)用：通信中的檢驗(yàn)碼的計(jì)算，奇校驗(yàn)：一組數(shù)據(jù)位中1的個(gè)數(shù)是偶數(shù)，那么奇校驗(yàn)位就置為1，使得總的1的個(gè)數(shù)保持奇數(shù)不變65三變量判斷奇數(shù)個(gè)1電路的真值表

663.邏輯圖由邏輯門電路符號(hào)構(gòu)成的，用來表示邏輯變量之間關(guān)系的圖形稱為邏輯電路圖，簡(jiǎn)稱邏輯圖或電路圖。674.卡諾圖將邏輯變量分成兩組，分別在橫豎兩個(gè)方向排列出各組變量的所有取值組合，構(gòu)成一個(gè)有個(gè)方格的圖形，其中，每一個(gè)方格對(duì)應(yīng)變量的一個(gè)取值組合，這種圖形叫做卡諾圖。682.3.2不同描述方法之間的轉(zhuǎn)換1.表達(dá)式→真值表(1)根據(jù)表達(dá)式確定函數(shù)的變量及變量數(shù)。(2)按自然二進(jìn)制碼的順序列出變量的所有取值組合。(3)根據(jù)輸入組合對(duì)應(yīng)寫出輸出的取值。69【例題】列出邏輯函數(shù)的真值表解：逐個(gè)將變量A、B、C的各個(gè)取值組合代入邏輯函數(shù)中，求出相應(yīng)的函數(shù)值。ABC取000時(shí)，F(xiàn)為0；ABC取001時(shí)，F(xiàn)為1；……；ABC取110時(shí)，F(xiàn)為1；ABC取111時(shí)，F(xiàn)為0。按自然二進(jìn)制碼的順序列出變量A、B、C的所有不同取值組合，再根據(jù)以上的分析結(jié)果702.3.2不同描述方法之間的轉(zhuǎn)換邏輯函數(shù)的真值表

71如果表達(dá)式不為與或式一般需要將其轉(zhuǎn)換為與或式。2.3.2不同描述方法之間的轉(zhuǎn)換

找出輸出“1”的組合

用“與”寫出使輸出為1的組合。

將所有已寫出的組合進(jìn)行“或”

真值表2.真值表→表達(dá)式723.表達(dá)式→邏輯圖732.3.3邏輯函數(shù)的建立及其描述方法為了解決某個(gè)實(shí)際問題，必須研究其因變量及其相互之間的邏輯關(guān)系，從而得出相應(yīng)的邏輯函數(shù)。(1)一般來說，首先應(yīng)根據(jù)提出的實(shí)際邏輯命題，確定輸入邏輯變量、輸出邏輯變量。(2)研究它們之間的因果關(guān)系，列出其真值表。(3)再根據(jù)真值表寫邏輯函數(shù)表達(dá)式。(4)根據(jù)表達(dá)式畫出邏輯電路圖。74【例題】用與非門設(shè)計(jì)一個(gè)三人表決電路，要求當(dāng)多數(shù)同意時(shí)決議才能通過，否則決議不能通過。75解設(shè)三人分別用A、B、C表示，同意時(shí)取值為邏輯1，否則取值為邏輯0；表決結(jié)束用F表示，決議通過時(shí)取值為1，否則取值為0。分析邏輯變量之間的因果關(guān)系，列出此邏輯函數(shù)的真值表。2.3.3邏輯函數(shù)的建立及其描述方法76真值表電路圖邏輯表達(dá)式

化簡(jiǎn)后的邏輯表達(dá)式

從此例可以看出，邏輯函數(shù)的幾種表示方法彼此等價(jià)2.4邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)2.4.1邏輯函數(shù)的最簡(jiǎn)形式

同一邏輯函數(shù)可以采用不同的邏輯電路圖來實(shí)現(xiàn)，而這些邏輯電路圖所采用的器件的種類或數(shù)量可能會(huì)有所不同，因此化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)可以簡(jiǎn)化電路、節(jié)省器材、降低成本、提高系統(tǒng)的可靠性。因此，化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)對(duì)工程設(shè)計(jì)來說具有重要意義。邏輯函數(shù)的最簡(jiǎn)表達(dá)式有很多種，常用的有最簡(jiǎn)與或式和最簡(jiǎn)或與式。77與或式F1=AB+BC與或式的最簡(jiǎn)標(biāo)準(zhǔn)是：①含的與項(xiàng)個(gè)數(shù)最少；②各與項(xiàng)中含的變量個(gè)數(shù)最少?；蚺c式F2=(A+B)(B+C)

或與式的最簡(jiǎn)標(biāo)準(zhǔn)是：①含的或項(xiàng)個(gè)數(shù)最少；②各或項(xiàng)中含的變量個(gè)數(shù)最少。常用的化簡(jiǎn)方法有公式法和卡諾圖法兩種。782.4.1邏輯函數(shù)的最簡(jiǎn)形式1.

并項(xiàng)法利用結(jié)合律，將兩個(gè)與項(xiàng)合并為一個(gè)，消去其中的一個(gè)變量。例如792.4.2邏輯函數(shù)的公式化簡(jiǎn)公式化簡(jiǎn)法就是運(yùn)用邏輯代數(shù)的基本公式和常用公式，得到最簡(jiǎn)形式。2.吸收法利用吸收律A+AB=A，吸收多余的與項(xiàng)。例如：803.消因子法

利用吸收律消去某些與項(xiàng)中的變量。例如：814.消項(xiàng)法利用吸收律，將某些與項(xiàng)消去。例如：825.配項(xiàng)法利用等基本公式給某些邏輯函數(shù)配上適當(dāng)?shù)捻?xiàng)，進(jìn)而可消去原函數(shù)中的某些項(xiàng)或變量。例如83實(shí)際上，在化簡(jiǎn)一個(gè)較復(fù)雜的邏輯函數(shù)時(shí)，總是根據(jù)邏輯函數(shù)的不同構(gòu)成，綜合應(yīng)用上述幾種方法。例如845.配項(xiàng)法不同形式表達(dá)式之間的變換:利用基本公式對(duì)邏輯函數(shù)作形式上的變換，以便選用適合的器件來實(shí)現(xiàn)其邏輯功能。如將與或式變換成與非－與非表達(dá)式，以便用與非門來實(shí)現(xiàn)。例如85不同形式表達(dá)式之間的變換將或與式變換成或非－或非表達(dá)式，以便用或非門來實(shí)現(xiàn)。例如862.4.3邏輯函數(shù)的卡諾圖化簡(jiǎn)用公式法簡(jiǎn)化邏輯函數(shù)時(shí)，一方面，不僅要熟記邏輯代數(shù)的基本公式，而且還需要有熟練的運(yùn)算技巧；另一方面，經(jīng)過化簡(jiǎn)后的邏輯函數(shù)是否是最簡(jiǎn)或最佳有時(shí)也難以確定。卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)，簡(jiǎn)捷直觀、靈活方便、且容易確定是否已得到最簡(jiǎn)結(jié)果。但邏輯函數(shù)的變量數(shù)>6以后，使用就不很方便了。871.標(biāo)準(zhǔn)與或表達(dá)式–最小項(xiàng)（1）定義標(biāo)準(zhǔn)與或表達(dá)式是一種特殊的與或表達(dá)式，其中的每個(gè)與項(xiàng)都包含了所有相關(guān)的邏輯變量，每個(gè)變量以原變量或反變量出現(xiàn)一次且僅出現(xiàn)一次，這樣的與項(xiàng)稱為標(biāo)準(zhǔn)與項(xiàng)，又稱最小項(xiàng)。如F=F(A,B)，共有最小項(xiàng)4項(xiàng)：88m0m100000101最小項(xiàng)二進(jìn)制代碼十進(jìn)制數(shù)mim2m3m4m5m6m7010011100101110111234567（2）最小項(xiàng)編號(hào)891.標(biāo)準(zhǔn)與或表達(dá)式–最小項(xiàng)（3）最小項(xiàng)的主要性質(zhì)每個(gè)最小項(xiàng)都與變量的惟一的一個(gè)取值組合相對(duì)應(yīng)，只有該取值組合使這個(gè)最小項(xiàng)取值為1，其余任何組合均使該最小項(xiàng)為0。所有最小項(xiàng)相或，結(jié)果為1。任意兩個(gè)不同的最小項(xiàng)相與，結(jié)果為0901.標(biāo)準(zhǔn)與或表達(dá)式–最小項(xiàng)【例題】寫出函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)與或表達(dá)式。911.標(biāo)準(zhǔn)與或表達(dá)式–最小項(xiàng)（4）標(biāo)準(zhǔn)或與表達(dá)式標(biāo)準(zhǔn)或與表達(dá)式是一種特殊的或與表達(dá)式，其中的每個(gè)或項(xiàng)都包含了所有的邏輯變量，每個(gè)變量以原變量或反變量出現(xiàn)一次且僅出現(xiàn)一次。這樣的或項(xiàng)稱為標(biāo)準(zhǔn)或項(xiàng)，又稱最大項(xiàng)。例如：A、B、C的最大項(xiàng)對(duì)應(yīng)的變量取值組合為010，其大小為2，因而，記為M2。如果一個(gè)或項(xiàng)缺少某變量，則或上該變量和其反變量的邏輯與，直至每一個(gè)或項(xiàng)都為最大項(xiàng)為止。922.卡諾圖構(gòu)成的原則將邏輯變量分成兩組，分別在橫豎兩個(gè)方向排列出各組變量的所有取值組合，構(gòu)成一個(gè)有2n個(gè)方格的圖形，其中，每一個(gè)方格對(duì)應(yīng)變量的一個(gè)取值組合，這種圖形叫做卡諾圖。1）每個(gè)小方格代表一個(gè)最小項(xiàng)，對(duì)于n變量來說，共有2n個(gè)小方格。2）幾何上相鄰的最小項(xiàng)，邏輯上具有相鄰性。93AB01

010132ABABABAB二變量卡諾圖最小項(xiàng)編號(hào)ABC000111100101324

576ABCABCABCABCABCABCABCABC三變量卡諾圖2.卡諾圖構(gòu)成的原則940132457612131514891110ABCD0001111000011110ABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCD四變量卡諾圖重要特性：幾何相鄰具有邏輯相鄰注：上與下，左與右，對(duì)稱，相鄰95五變量卡諾圖963.用卡諾圖表示邏輯函數(shù)在卡諾圖中，由行和列兩組變量構(gòu)成的每一個(gè)小方格，都代表了邏輯函數(shù)的一個(gè)最小項(xiàng)，變量取值為1的代表原變量，為0的代表反變量。11111）由變量數(shù)選定卡諾圖2）所含最小項(xiàng)對(duì)應(yīng)格填197若邏輯函數(shù)為一般的與或表達(dá)式，無需先變換成最小項(xiàng)表達(dá)式，可直接將其填寫在卡諾圖中。11111111984.用卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)（1）相鄰小方格的合并規(guī)則卡諾圖中，凡相鄰的兩個(gè)小方格（此稱幾何相鄰）都具有邏輯相鄰性，也就是它們只有一個(gè)變量取值不同，其他變量取值相同。邏輯相鄰的最小項(xiàng)相或時(shí)，可利用公式合并。991）兩個(gè)相鄰小方格可以合并成一個(gè)乘積項(xiàng)，且消去一個(gè)變量。ABC000111100111利用A+A=1的關(guān)系11AC11AB1004.用卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)2）4（22）個(gè)相鄰的小方格可合并成一個(gè)乘積項(xiàng)，且消去兩個(gè)變量ABC0001111001

1111ABC0001111001

1111101ABCD00011110000111101111ABCD000111100001111011111111（3）如果是八個(gè)相鄰單元取值同為1，則可以合并，并消去三個(gè)變量。1024.用卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)ABCD0001111000011110ABCD000111100001111011111111111111114）如果是2k個(gè)相鄰單元取值同為1，則可以合并，并消去n個(gè)變量。1034.用卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)1）用卡諾圖表示邏輯函數(shù)。將邏輯函數(shù)F變換成與或式，凡在F中包含有的最小項(xiàng)，在其卡諾圖相應(yīng)的小方格中填1，其余的小方格空著或填0。104(2)用卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)的步驟2）合并最小項(xiàng)①將相鄰的2k為1的小方格圈在一起，畫圖時(shí)要將盡可能多的小方格圈在一起，圈畫得越大，消去的變量就越多。②所畫的圈內(nèi)都必須至少包含一個(gè)未被圈過的小項(xiàng)，否則所得的乘積項(xiàng)是冗余項(xiàng)。105(2)用卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)的步驟ABCD00011110000111101111錯(cuò)誤的圈法正確的圈法③所畫的圈必須是矩形，并且個(gè)數(shù)為2k，一般是先畫大圈，最后圈孤立的單個(gè)的小方格。106(2)用卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)的步驟3）根據(jù)所畫的圈寫相應(yīng)的乘積項(xiàng)，將各乘積項(xiàng)相或，便可得到化簡(jiǎn)后的邏輯函數(shù)F的與或表達(dá)式。107(2)用卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)的步驟【例2-13】

用卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)ABCD00011110000111101084.用卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)1.用卡諾圖表示邏輯函數(shù)【例2-13】用卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)ABCD00011110000111101

11111111094.用卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)1.用卡諾圖表示邏輯函數(shù)1【例2-13】用卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)ABCD00011110000111101

11111111104.用卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)2.合并最小項(xiàng)1【例2-13】用卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)ABCD00011110000111101

11111111114.用卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)3.寫出化簡(jiǎn)后的最簡(jiǎn)式12.5具有無關(guān)項(xiàng)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)寫出邏輯函數(shù)通常有兩大類：一類邏輯函數(shù)的邏輯值是完全確定的，它不是邏輯1就是邏輯0；另一類邏輯函數(shù)值對(duì)于某些最小項(xiàng)卻是不完全確定的：1）任意項(xiàng):輸入變量的某些取值的組合根本不存在，或者某些取值的組合也確實(shí)存在，但它的存在對(duì)邏輯函數(shù)的輸出沒有任何影響。比如BCD碼中16中組合中未使用的6種組合。2）約束項(xiàng):輸入變量的某些取值的組合實(shí)際存在，但對(duì)邏輯函數(shù)是不允許出現(xiàn)的。比如電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止的狀態(tài)之間的關(guān)系。112通常將任意項(xiàng)和約束項(xiàng)統(tǒng)稱為無關(guān)項(xiàng)?？刹捎靡韵路绞竭M(jìn)行表示。2.5具有無關(guān)項(xiàng)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)1132.5具有無關(guān)項(xiàng)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)無關(guān)項(xiàng)在卡諾圖中用

或X表示。對(duì)具有無關(guān)項(xiàng)的邏輯函數(shù)來講，無論是否包含該項(xiàng)，都不會(huì)影響原函數(shù)的邏輯功能，因而，將此類邏輯函數(shù)進(jìn)行化簡(jiǎn)時(shí)，可以利用其無關(guān)項(xiàng)使邏輯函數(shù)得到進(jìn)一步的化簡(jiǎn)。114【例2-14】有一水塔，用一大一小兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)MS和ML分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)水泵向水塔注水，當(dāng)水塔的水位降到C點(diǎn)時(shí)，小電動(dòng)機(jī)MS單獨(dú)驅(qū)動(dòng)小水泵注水，當(dāng)水位降到B點(diǎn)時(shí)，大電動(dòng)機(jī)ML單獨(dú)驅(qū)動(dòng)大水泵注水，當(dāng)水位降到A點(diǎn)時(shí)由兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)水泵注水。試設(shè)計(jì)一個(gè)控制電動(dòng)機(jī)工作的邏輯電路。1152.5具有無關(guān)項(xiàng)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)解1）設(shè)水位C、B、A為輸入變量，當(dāng)水位降到C、B、A的某點(diǎn)時(shí)，取值為邏輯“1”，否則取值為邏輯“0”；電動(dòng)機(jī)MS和ML為輸出變量，工作時(shí)取值為“1”，不工作時(shí)為“0”。2)分析邏輯變量之間的因果關(guān)系，列出此邏輯函數(shù)的真值表。1162.5具有無關(guān)項(xiàng)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)ABCMS

ML000001011111001001113）寫出表達(dá)式1172.5具有無關(guān)項(xiàng)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)ABCMS

ML000001011111001001114）畫出電路圖1182.5具有無關(guān)項(xiàng)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)1192.5具有無關(guān)項(xiàng)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)ABCMS

ML00000101111100100111水位控制真值表，如左表所示。除表中的4種取值外，其他4種情況均為無關(guān)項(xiàng)，完整的真值表如右表所示。ABCMS

ML0000010100111001011101110010

01

111202.5具有無關(guān)項(xiàng)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)ABCMS

ML0000010100111001011101110010

01

113）寫出表達(dá)式MSML1212.5具有無關(guān)項(xiàng)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)4）畫出電路圖5）與未考慮無關(guān)項(xiàng)情況對(duì)比2.6用Multisim進(jìn)行邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)與變換(演示）通過MultisimEDA中的“邏輯轉(zhuǎn)換器”可以實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)與變換。122【例2-15】已知邏輯函數(shù)F的真值表如下圖所示，試用Multisim求出F的邏輯函數(shù)式，并將其化簡(jiǎn)為最簡(jiǎn)與或形式。1232.6用Multisim進(jìn)行邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)與變換解：?jiǎn)?dòng)Multisim以后，選擇儀表工具欄中的“LogicConverter”（邏輯轉(zhuǎn)換器），點(diǎn)擊邏輯轉(zhuǎn)換器圖標(biāo)“XLC1”，彈出下圖所示的邏輯轉(zhuǎn)換器操作窗口“Logicconverter–XLC1”。1242.6用Multisim進(jìn)行邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)與變換根據(jù)題中邏輯函數(shù)的真值表可知共有4個(gè)輸入變量，點(diǎn)擊邏輯轉(zhuǎn)換器的對(duì)應(yīng)4個(gè)變量，EDA自動(dòng)給出4個(gè)變量的取值組合根據(jù)真值表中F與輸入變量的對(duì)應(yīng)取值設(shè)置EDA中的輸出值，完成真值表的輸入1252.6用Multisim進(jìn)行邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)與變換點(diǎn)擊邏輯轉(zhuǎn)換器的“Conversions”選項(xiàng)中的第三個(gè)按鈕，便可得到最簡(jiǎn)與或式化簡(jiǎn)結(jié)果出現(xiàn)在操作窗口底部一欄中。126從上圖可以看到，利用“Conversions”選項(xiàng)中的六個(gè)按鈕，可以在邏輯函數(shù)的真值表、最小項(xiàng)之和形式的函數(shù)式、最簡(jiǎn)與或式以及邏輯圖之間任意進(jìn)行轉(zhuǎn)換。2.6用Multisim進(jìn)行邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)與變換本章小結(jié)計(jì)算機(jī)等數(shù)字設(shè)備中的常用數(shù)制與代碼。邏輯代數(shù)的公式和定理、邏輯函數(shù)的表示方法及其相互轉(zhuǎn)換、邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn)方法。采用EDA化簡(jiǎn)邏輯函數(shù)。127第3章集成邏輯門電路目錄3.1概述3.2半導(dǎo)體二極管門電路3.3

TTL集成門電路3.4

CMOS門電路3.5各類邏輯門的性能比較3.6不同類型數(shù)字集成電路的接口1293.1概述用來實(shí)現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算和復(fù)合邏輯運(yùn)算的單元電路稱為門電路。常用的門電路有與門、或門、非門、與非門、或非門、與或非門、異或門等。從制造工藝方面來分類，數(shù)字集成電路可分為雙極型、單極型和混合型三類。正邏輯、負(fù)邏輯130一、半導(dǎo)體半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。常用半電體材料為硅（Si）和鍺（Ge），四價(jià)元素半導(dǎo)體具有特殊性質(zhì)：光敏特性、熱敏特性及摻雜特性等3.2.1半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)131把純凈的沒有結(jié)構(gòu)缺陷的半導(dǎo)體單晶稱為本征半導(dǎo)體在熱力學(xué)溫度零度和沒有外界激發(fā)時(shí),本征半導(dǎo)體不導(dǎo)電。

硅原子價(jià)電子+4+4+4+4+4+4+4+4+41.本征半導(dǎo)體132+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴本征激發(fā)復(fù)合成對(duì)出現(xiàn)成對(duì)消失本征激發(fā)和復(fù)合本征半導(dǎo)體中的兩種載流子電子和空穴1.本征半導(dǎo)體133+4+4+4+4+4+4+4+4+4外電場(chǎng)方向空穴移動(dòng)方向

電子移動(dòng)方向

在外電場(chǎng)作用下，電子和空穴均能參與導(dǎo)電形成兩種電流：電子電流，空穴電流價(jià)電子填補(bǔ)空穴1.本征半導(dǎo)體134+4+4+4+4+4+4+4+42.雜質(zhì)半導(dǎo)體（1）N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的五價(jià)元素,如磷,則形成N型半導(dǎo)體。

磷原子+4+5多余價(jià)電子自由電子正離子N型半導(dǎo)體135

N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖少數(shù)載流子多數(shù)載流子正離子在N型半導(dǎo)體中,電子是多數(shù)載流子（多子）,空穴是少數(shù)載流子（少子），但仍是電中性2.雜質(zhì)半導(dǎo)體136+4+4+4+4+4+4+4空穴（2）P型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的三價(jià)元素,如硼,則形成P型半導(dǎo)體。

+4+4硼原子填補(bǔ)空位+3負(fù)離子2.雜質(zhì)半導(dǎo)體137電子是少數(shù)載流子負(fù)離子空穴是多數(shù)載流子在P型半導(dǎo)中,空穴是多數(shù)載流子,電子是少數(shù)載流子。2.雜質(zhì)半導(dǎo)體（2）P型半導(dǎo)體1381.

PN結(jié)的形成在同一塊半導(dǎo)體單晶上,形成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體,在這兩種半導(dǎo)體的交界處就形成了一個(gè)PN結(jié)。二、PN結(jié)多子擴(kuò)散少子漂移內(nèi)電場(chǎng)方向空間電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)139

由于載流子的濃度差，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散。這種由于濃度差引起的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。

隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，P區(qū)出現(xiàn)負(fù)離子區(qū)，這個(gè)不能移動(dòng)的電荷區(qū)叫空間電荷區(qū)。因沒有載流子，也叫耗盡層、勢(shì)壘區(qū)、阻擋層。1.

PN結(jié)的形成二、PN結(jié)140

由空間電荷區(qū)產(chǎn)生的、方向?yàn)镹區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)阻礙了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，同時(shí)使少子產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)，即N區(qū)的空穴向P區(qū)漂移，P區(qū)的電子向N區(qū)漂移。

當(dāng)漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，擴(kuò)散電流等于漂移電流且方向相反，PN結(jié)中電流為零，PN結(jié)寬度及電位差Uho為恒定值。硅：（0.6～0.8）V；鍺：（0.1～0.3）V。1.

PN結(jié)的形成二、PN結(jié)硅：0.7V；鍺：0.2

V141內(nèi)電場(chǎng)方向2.

PN結(jié)的特性（1）PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)單向?qū)щ娦裕篜N結(jié)在不同極性的外加電壓作用時(shí)，其導(dǎo)電能力有顯著差異。142內(nèi)電場(chǎng)方向E外電場(chǎng)方向RIP區(qū)N區(qū)外電場(chǎng)驅(qū)使P區(qū)的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷N區(qū)電子進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷空間電荷區(qū)變窄擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的正向電流I外加正向電壓(正偏)（P端接電源正極）PN結(jié)兩端不能直接接電源兩端（1）PN結(jié)的單向?qū)щ娦?43P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場(chǎng)方向ER空間電荷區(qū)變寬外電場(chǎng)方向IRII外加反向電壓(反偏)（N端接電源正極）少數(shù)載流子越過PN結(jié)形成很小的反向電流（1）PN結(jié)的單向?qū)щ娦?44PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)正向偏置時(shí)靠多子導(dǎo)電，產(chǎn)生的正向電流數(shù)值較大，此時(shí)容易導(dǎo)電；PN結(jié)反向偏置時(shí)靠少子導(dǎo)電，產(chǎn)生的反向電流數(shù)值很小，幾乎不導(dǎo)電。145（2）PN結(jié)的伏安特性及其表達(dá)式I/mAU/VI為流過PN結(jié)的電流，U為PN結(jié)兩端的外加電壓。Is為反向飽和電流，UT為“溫度電壓當(dāng)量”，常溫時(shí)，UT≈26mVPN結(jié)的伏安特性是指PN結(jié)兩端的外加電壓與流過PN結(jié)的電流之間的關(guān)系曲線。146PN加正向電壓，且U

>>UT時(shí)，PN加反向電壓，且

U

>>UT時(shí)，I/mAU/V（2）PN結(jié)的伏安特性及其表達(dá)式147（3）PN結(jié)的擊穿特性當(dāng)PN結(jié)反向電壓超過一定數(shù)值UBR后，反向電流急劇增加，該現(xiàn)象稱為反向擊穿，UBR稱為反向擊穿電

雪崩擊穿2.齊納擊穿當(dāng)PN結(jié)反向電壓增加時(shí)，可能會(huì)發(fā)生反向擊穿。要保證PN結(jié)不因電流過大產(chǎn)生過熱而損壞。當(dāng)反向電壓下降到擊穿電壓（絕對(duì)值）以下時(shí)，PN結(jié)的性能便可恢復(fù)擊穿前狀態(tài)。148PN結(jié)電容勢(shì)壘電容擴(kuò)散電容（4）PN結(jié)的電容效應(yīng)PN結(jié)除有單向?qū)щ娦酝猓€有電容效應(yīng)。空間電荷區(qū)P區(qū)N區(qū)1493.2.2半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性

1.二極管的符號(hào)正極-P極負(fù)極-N極1502.二極管的伏安特性600400200–0.1–0.200.40.7–50–100二極管/硅管的伏安特性V/VI/mA正向特性反向特性反向擊穿特性151二極管（PN結(jié)）的單向?qū)щ娦裕篜N結(jié)外加正偏電壓（P端接電源正極，N端接電源負(fù)極）時(shí)，形成較大的正向電流，PN結(jié)呈現(xiàn)較小的正向電阻；外加反偏電壓時(shí)，反向電流很小，PN結(jié)呈現(xiàn)很大的反向電阻。2.二極管的伏安特性-二極管的單向?qū)щ娦哉龢O-P極負(fù)極-N極1521533.二極管等效電路導(dǎo)通電壓VON硅管取0.7V鍺管取0.2V結(jié)論：只有當(dāng)外加正向電壓（P極電壓大于N極電壓）大于VON

(硅管0.7V）時(shí)，二極管才導(dǎo)通。二極管導(dǎo)通后具有電壓箝位作用。1541554.二極管的動(dòng)態(tài)特性在動(dòng)態(tài)情況下，亦即加到二極管兩端的電壓突然反向時(shí)，電流的變化過程如圖所示。156因?yàn)榘雽?dǎo)體二極管具有單向?qū)щ娦?，即外加正向電壓時(shí)導(dǎo)通，外加反向電壓時(shí)截止，所以它相當(dāng)于一個(gè)受外加電壓極性控制的開關(guān)。5.

半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性VCC=5V當(dāng)vI為高電平VIH時(shí)，VD可能截止，可能導(dǎo)通，vO為高電平：VCC或者VIH+VON。當(dāng)vI為低電平VIL時(shí)，VD導(dǎo)通，vO=VIL+VON，為低電平。5.

半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性1573.2.3二極管與門電路二極管與門電路及邏輯符號(hào)與門真值表1583.2.4二極管或門電路二極管或門電路及邏輯符號(hào)或門真值表159在同一個(gè)硅片上制造出三個(gè)摻雜區(qū)域，三個(gè)區(qū)分別叫發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。引出的三個(gè)電極分別為：發(fā)射極e、基極b和集電極c。基區(qū)和集電區(qū)形成集電結(jié)，發(fā)射區(qū)和基區(qū)形成發(fā)射結(jié)。3.3.1雙極型晶體管1.基本結(jié)構(gòu)集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)集電極c基極b發(fā)射極eNNP160集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)NN集電極c基極b發(fā)射極ePecb符號(hào)

按照摻雜方式的不同分為NPN型和PNP型兩種類型NPN型3.3.1雙極型晶體管箭頭方向：PN結(jié)正偏方向161集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)PP集電極c基極b發(fā)射極eNecb符號(hào)PNP型1621.基本結(jié)構(gòu)（1）兩個(gè)PN結(jié)（發(fā)射結(jié)和集電結(jié)）均無外加電壓載流子運(yùn)動(dòng)處于動(dòng)平衡，凈電流為零（2）發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓

（e結(jié)正偏，c結(jié)反偏：放大區(qū)）2.晶體管中的電流控制作用（以NPN型為例說明）163PNNRBRCVBBVCC發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏I(xiàn)EN電源負(fù)極向發(fā)射區(qū)補(bǔ)充電子產(chǎn)生流出發(fā)射極電流IEN電子在基區(qū)擴(kuò)散與復(fù)合電源正極拉走電子，補(bǔ)充被復(fù)合的空穴，形成IBNIBN集電區(qū)收集電子電子流向電源正極形成ICNICNIEPICBO164（1）發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子發(fā)射區(qū)的多子電子擴(kuò)散到基區(qū)，形成流出發(fā)射極的電流IEN；基區(qū)的多子空穴擴(kuò)散到發(fā)射區(qū)，形成流出發(fā)射極的電流IEP。發(fā)射極電流：IE=IEN+IEP165NPNIEPIBNICBOICNIENIEIBIC2.晶體管的電流控制作用（2）電子在基區(qū)的擴(kuò)散與復(fù)合發(fā)射區(qū)的電子發(fā)射到基區(qū)后，少量的被復(fù)合，形成流入基區(qū)電流IBN；基區(qū)的多子空穴擴(kuò)散到發(fā)射區(qū)，VBB電源拉走電子，形成流入基極的電流IEP；集電結(jié)反偏形成流出基極的飽和電流ICBO?；鶚O電流：IB=IBN+IEP

-

ICBO166NPNIEPIBNICBOICNIENIEIBIC2.晶體管的電流控制作用（3）電子被集電極收集由于集電結(jié)反偏，發(fā)射到基區(qū)的大量電子被集電極收集，形成流入集電極電流ICN；集電結(jié)反偏形成流入集電極的飽和電流ICBO。集電極電流：IC=ICN+ICBO1672.晶體管的電流控制作用NPNIEPIBNICBOICNIENIEIBIC推導(dǎo)可得:三個(gè)極的電流關(guān)系168NPNIEPIBNICBOICNIENIEIBIC2.晶體管的電流控制作用ecb1692.晶體管的電流控制作用雙極型三極管實(shí)現(xiàn)電流放大或控制的條件（１）內(nèi)因晶體管結(jié)構(gòu)上的保證：三個(gè)濃度不同的摻雜區(qū)、基區(qū)薄，摻雜濃度低；集電結(jié)面積大。（２）外因外加直流電源保證：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。1702.晶體管的電流控制作用根據(jù)材料分為硅管和鍺管；根據(jù)三個(gè)區(qū)的摻雜方式分為NPN和PNP；根據(jù)使用的頻率范圍分為低頻管和高頻管；根據(jù)允許的功率損耗分為小功率管、中功率管和大功率管1713.晶體管類型4.共射接法晶體管的特性曲線

(以NPN管共射接法為例）公共端共射極172（1）輸入特性曲線（2）輸出特性曲線輸入回路輸出回路（1）輸入特性曲線輸入特性曲線與PN結(jié)的伏安特性類似；數(shù)字電路應(yīng)用分析時(shí)，如果輸入端加入高電平，則管子導(dǎo)通，并且具有電壓箝位的作用；否則截止。4.共射接法晶體管的特性曲線

(以NPN管共射接法為例）

173截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反偏iB≈0集電結(jié)反偏I(xiàn)CEO≤1μA截止，開關(guān)斷開iC/mAvCE/V0放大區(qū)iB=0μA20μA40μA截止區(qū)飽和區(qū)60μA80μA(2)輸出特性曲線：集電極電流iC和集電極電壓vCE之間關(guān)系的曲線截止區(qū)174iC/mAvCE/V0放大區(qū)iB=0μA20μA40μA截止區(qū)飽和區(qū)60μA80μA放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏iC

=

iB用于放大(2)輸出特性曲線：集電極電流iC和集電極電壓vCE之間關(guān)系的曲線放大區(qū)175iC/mAvCE/V0放大區(qū)iB=0μA20μA40μA截止區(qū)飽和區(qū)60μA80μA飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏VCES

≈0.3V導(dǎo)通，開關(guān)閉合(2)輸出特性曲線：集電極電流iC和集電極電壓vCE之間關(guān)系的曲線飽和區(qū)176177三極管輸出特性上的三個(gè)工作區(qū)放大區(qū)：iC=

·iB飽和區(qū)：VCES=0.3V截止區(qū)：ICEO≤1μAiC/mAvCE/V0放大區(qū)iB=0μA20μA40μA截止區(qū)飽和區(qū)60μA80μA1785.雙極型三極管的開關(guān)電路用NPN型三極管取代下圖中的開關(guān)S，就得到了三極管開關(guān)電路。179當(dāng)vI為低電平時(shí)，三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)（截止區(qū)），輸出高電平vO

VCC

。當(dāng)vI為高電平時(shí)，三極管工作在飽和導(dǎo)通狀態(tài)（飽和區(qū)），輸出低電平vOL（VCES

）。5.雙極型三極管的開關(guān)電路三極管相當(dāng)一個(gè)受vI控制的開關(guān)6.三極管非門電路由三極管開關(guān)電路組成的最簡(jiǎn)單的門電路就是非門電路（反相器）。當(dāng)輸入A為低電平時(shí)，三極管截止，F(xiàn)輸出為高電平；當(dāng)輸入A為高電平時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通，輸F為低電平。實(shí)現(xiàn)了邏輯非功能。1803.2.3二極管與門電路二極管與門電路及邏輯符號(hào)與門真值表1813.2.4二極管或門電路二極管或門電路及邏輯符號(hào)或門真值表1825.二極管－三極管門電路

(1)與非門電路將二極管與門的輸出與三極管非門的輸入連接，便構(gòu)成了二極管－三極管與非門電路。F1183184（2）或非門電路將二極管或門的輸出與三極管非門的輸入連接，便構(gòu)成了二極管－三極管或非門電路。1853.2.4TTL反相器1.電路結(jié)構(gòu)輸入級(jí)VT1、R1倒相級(jí)VT2、R2

、R3輸出級(jí)VT4、VT5、VD2

、R4保護(hù)二極管:VD11862.工作原理當(dāng)A為低電平時(shí)，

vB1=0.3+0.7=1VvB1=1VVT2、VT5截止

VT4、VD3導(dǎo)通vo=VCC–VR2–Vbe4–VVD3

5–0.7–0.7=3.6VF=1(高電平）較小設(shè)PN結(jié)導(dǎo)通電壓為0.7V電源電壓VCC=5V三極管飽和壓降以及低電平為0.3V高電平為3.6V187vB1=2.1VvC2=1VvC2=vCE2+vBE5=0.3+0.7=1V，不足以使V4、VD3同時(shí)導(dǎo)通VT5導(dǎo)通，VT4

、VD3截止，vo=0.3V,F=0

低電平2）當(dāng)輸入A為高電平3.6V時(shí)，VT2,VT5導(dǎo)通，三個(gè)PN結(jié)的箝位作用使vB1=2.1V，V1發(fā)射結(jié)反偏。vo=0.3V1883.

TTL反相器的靜態(tài)特性（1）電壓傳輸特性

輸出電壓隨輸入電壓的變化特征曲線，叫做門電路的電壓傳輸特性。1891)AB段當(dāng)vI<0.6V時(shí)，

VT2和VT5管都截止，VD2和VT4管導(dǎo)通，輸出為高電平。故段稱為電壓傳輸特性的截止區(qū)。1902)BC段當(dāng)0.6V<vI<1.3V時(shí)，

VT2管開始導(dǎo)通，處于放大狀態(tài)，所以其集電極電壓vC2

和輸出電壓vO

隨輸入電壓的增高而線性下降，此時(shí)VT5管仍截止，此段稱為線性區(qū)。1913)CD段當(dāng)1.3V<vI<1.4V時(shí)，VT5管由截止過渡到飽和導(dǎo)通，VT4管和VD2管開始截止，輸出急劇下降為低電平，vO=vces5=0.3V，故稱此段為轉(zhuǎn)折區(qū)D點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸入電壓VTH

叫閾值電壓，VTH

1.4V。1924）DE段當(dāng)vI大于1.4V以后，vb1被鉗位在2.1V，VT2和VT5管均飽和,vO=vces5=0.3V，故此段稱為飽和區(qū)。193從電壓傳輸特性上可以看反相器的三個(gè)主要參數(shù)：輸出高電平VOH≈3.6V，輸出低電平VOL≈0.3V；閾值電壓VTH≈1.4V。194（2）TTL反相器的噪聲容限門電路在使用中，其輸入端有時(shí)會(huì)受到雜散電磁場(chǎng)和其它環(huán)境干擾源的影響，當(dāng)上述噪聲電壓超過一定限度時(shí)，就會(huì)破壞輸出與輸入之間正常的邏輯關(guān)系，通常將不致影響輸出邏輯狀態(tài)時(shí)輸入端所允許的最大噪聲電壓，叫做門電路的噪聲容限。195圖3-24說明直流噪聲容限定義的示意圖196高電平的噪聲容限低電平的噪聲容限197（3）

輸入特性和輸出特性為了能正確使用門電路，必須了解其電氣特性，下面將分別討論TTL反相器的輸入特性和輸出特性。1981）輸入特性約定vI和iI的方向如圖所示。把輸入電流iI與輸入電壓vI之間的關(guān)系曲線，叫做門電路的輸入特性曲線。+-iI199IISIILIIS：輸入短路電流。IIL:輸入低電平電流200VTHIIHIIH：輸入高電平電流（輸入漏電流）VTH：閾值電壓(1.4V)。2012）輸出特性輸出電壓vO隨輸出負(fù)載電流的變化而變化的關(guān)系曲線，叫做輸出特性。輸出特性說明了電路帶負(fù)載的能力。由于邏輯門電路輸出可為高電平，也可為低電平，因此，輸出特性也應(yīng)分為輸出高電平時(shí)的輸出特性和輸出低電平時(shí)的輸出特性兩種情況來討論。202

①輸出高電平時(shí)的輸出特性當(dāng)反相器輸入低電平時(shí)，則VT2和VT5管都截止，VT4管和VD2管都導(dǎo)通，輸出為高電平。203負(fù)載電流由VT4管的發(fā)射極經(jīng)二極管VD2流入負(fù)載，故稱這類負(fù)載為拉電流負(fù)載。在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)將這類門電路輸出高電平時(shí)的負(fù)載電流限制在400

A以內(nèi)。204②輸出低電平時(shí)的輸出特性當(dāng)反相器的輸入端為高電平時(shí)，VT2和VT5管都飽和導(dǎo)通，VT4管截止，輸出低電平。205由于輸出低電平時(shí)負(fù)載電流是由負(fù)載流入VT5管，故稱這類負(fù)載為灌電流負(fù)載。206空載時(shí)的輸出低電平常小于0.3V，帶有負(fù)載時(shí)的輸出低電平與VT5管的飽和電阻值有關(guān)，在環(huán)境溫度25

C時(shí)，VT5管的飽和電阻值約為8

左右，所以，隨著負(fù)載電流絕對(duì)值的增加，輸出低電平會(huì)稍有升高，iL通常小于12mA。與輸出特性有關(guān)的參數(shù)是：輸出高電平VOH

輸出高電平電流

IOH

輸出低電平

VOL

輸出低電平電流

IOL

扇出系數(shù)

NO207208(4)輸入負(fù)載特性當(dāng)用TTL反相器組成一些較復(fù)雜的邏輯電路時(shí)，有時(shí)需要在信號(hào)與輸入端或輸入端與地之間接一電阻。209TTL反相器輸入負(fù)載特性如圖所示。210開門電阻：為保證與非門輸出為額定低電平所允許的RI的最小阻值，定義為開門電阻，用RON表示，該阻值一般可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得。一般取RON=2k

，當(dāng)RI>RON時(shí)認(rèn)為輸入為高電平，當(dāng)RI<<RON時(shí)認(rèn)為輸入為低電平。TTL反相器的輸入端懸空，相當(dāng)于在其輸入端接一個(gè)阻值為無窮大的電阻，也就是相當(dāng)于接高電平。(4)輸入負(fù)載特性為保證輸入低電平不超過輸入低電平的上限，對(duì)應(yīng)輸入負(fù)載電阻值為關(guān)門電阻ROFF。若取VIL(max)=0.8V，則ROFF=0.91k

。2112123.3.5

TTL或非門和與非門二輸入或非門電路結(jié)構(gòu)圖或非門真值表1.或非門2133.3.5

TTL或非門和與非門二輸入與非門電路結(jié)構(gòu)圖2.與非門2143.3.5

TTL或非門和與非門二輸入與非門電路結(jié)構(gòu)圖與非門真值表2.與非門215門電路的扇出系數(shù)扇出系數(shù)NO的定義是：“一個(gè)門電路能驅(qū)動(dòng)與其同類門的個(gè)數(shù)”。它標(biāo)志著一個(gè)門電路的帶負(fù)載能力。216門電路的扇出系數(shù)計(jì)算扇出系數(shù)分為輸出高電平時(shí)的扇出系數(shù)及輸出低電平時(shí)的扇出系數(shù)，并取兩者較小的作為電路的扇出系數(shù)。217驅(qū)動(dòng)門，輸出高電平的最大負(fù)載電流為IOH驅(qū)動(dòng)門，輸出低電平的最大負(fù)載電流為IOL負(fù)載門，輸入端數(shù)為m負(fù)載門，輸入高電平時(shí)的漏電流為IIH負(fù)載門，輸入低電平的電流為IIL門電路的扇出系數(shù)2181.反相器門電路的扇出系數(shù)NO=min(IOH/IIH

,

IOL/IIL)高電平：IOH/IIH低電平：IOL/IIL2192.與非門門電路的扇出系數(shù)NO=min(IOH/

(mIIH)

,

IOL/IIL)高電平：IOH/

(mIIH)

低電平：IOL/IILVIL=0.3V①②2203.或非門門電路的扇出系數(shù)NO=min(IOH/

(mIIH)

,

IOL/(mIIL))1.反相器NO=min(IOH/IIH

,

IOL/IIL)門電路的扇出系數(shù)2.與非門NO=min(IOH/

(mIIH)

,

IOL/IIL)3.或非門NO=min(IOH/

(mIIH)

,

IOL/(mIIL))2212223.3.6集電極開路門集電極開路門高電平低電平OC門：Open

Collector2233.3.6集電極開路門集電極開路門OC門224多個(gè)OC門的輸出端并聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)“線與”。225影響因素：并聯(lián)在一起的開路門（驅(qū)動(dòng)門）的個(gè)數(shù)n所接負(fù)載門的輸入端數(shù)m負(fù)載門的個(gè)數(shù)M線與輸出的邏輯狀態(tài)：高/低電平上拉電阻RL選擇nMm226（1）驅(qū)動(dòng)門輸出高電平RL的最大值RLmax當(dāng)驅(qū)動(dòng)門輸出高電平時(shí)，應(yīng)使得VOH

VOHmin負(fù)載門輸入端數(shù)驅(qū)動(dòng)門個(gè)數(shù)227（2）驅(qū)動(dòng)門輸出低電平RL的最小值RLmin當(dāng)驅(qū)動(dòng)門輸出低電平時(shí)，應(yīng)使得VOL

VOLmax負(fù)載門數(shù)上拉電阻RL的取值228【例3-1】三個(gè)集電極開路門組成線與輸出電路，TTL反相器和與非門作為負(fù)載，其電路連接如左圖所示。設(shè)線與輸出的高電平VOHmin=3.0V，每個(gè)OC門截止時(shí)其輸出管VT5流入的漏電流IOH=2uA；在滿足VOL

0.4V的條件下，驅(qū)動(dòng)管VT5飽和導(dǎo)通時(shí)所允許的最大灌電流IOLmax=16mA。負(fù)載門的輸入特性如右圖所示。

試確定線與輸出時(shí)的上拉電阻RL的取值情況，已知V’CC=VCC=5V。2293.3.6TTL集電極開路門上拉電阻取值解：上拉電阻取值范圍2303.3.6TTL集電極開路門上拉電阻取值IOLmax=16mAV‘CC=VCC=5VVOHmin=3.0VIOH=2uAVOLmax=0.4V由輸入特性可得IIH=40A2310.43.3.6TTL集電極開路門上拉電阻取值VOLmax=0.4VIIL=-1.5mA解：上拉電阻取值范圍2323.3.6TTL集電極開路門上拉電阻取值M：負(fù)載門的數(shù)目M：3m：負(fù)載門的輸入端數(shù)m：6n：驅(qū)動(dòng)門的數(shù)目n：4解：上拉電阻取值范圍3.3.6TTL集電極開路門上拉電阻取值根據(jù)以上計(jì)算，0.4k

RL8.1k，故可選2k233解：上拉電阻取值范圍3.3.6TTL集電極開路門上拉電阻取值如果用4IOLmax，則RLmin為80

，那么當(dāng)只有一個(gè)輸出為低電平時(shí)，流入該門的電流I’OL

61mA>IOLmax(16mA)2342353.3.7三態(tài)門三態(tài)門電路及邏輯符號(hào)三態(tài)門：TS門，Three-State-Logic

使能端高電平有效236EN=1，使能有效時(shí)，附加電路不影響輸出。電路功能為與非門。3.3.7三態(tài)門F1F21237EN=0，使能無效時(shí),V4、V5均截止，電路輸出為高阻狀態(tài)3.3.7三態(tài)門F1F2使能端高電平有效1V1V238使能端低電平有效3.3.7三態(tài)門使能端高電平有效2393.3.7三態(tài)門利用三態(tài)門構(gòu)成總線系統(tǒng)XX2403.3.7三態(tài)門利用三態(tài)門構(gòu)成總線系統(tǒng)2413.4.1

MOS管場(chǎng)效應(yīng)管（Field

Effect

Transistor，F(xiàn)ET）：是利用輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件，為電壓控制電流源。按結(jié)構(gòu)不同分為：結(jié)型(JFET)

絕緣柵型(IGFET)，MOS管按導(dǎo)電溝通類型不同分為：N溝道和P溝道按上電時(shí)導(dǎo)電溝道是否存在分為：耗盡型和增強(qiáng)型2423.4.1

MOS管N溝道增強(qiáng)型MOS管源極s漏極d柵極g1.結(jié)構(gòu)243D與S之間是兩個(gè)反向串聯(lián)的PN結(jié)，無論D與S之間加什么極性的電壓，漏極電流均接近于零。1)VGS=03.4.1

MOS管2.工作原理X244導(dǎo)電溝道—N型半導(dǎo)體2)vGS>

03.4.1

MOS管2.工作原理N型半導(dǎo)體N溝道增強(qiáng)型MOS管245開啟電壓VTH：剛剛開始出現(xiàn)N溝道或者是產(chǎn)生漏極電流時(shí)的vGSNMOS管，VTNPMOS管，VTP2)vGS>

0，vGD>

03.4.1

MOS管2.工作原理246可變電阻區(qū)：vGS>VTH，vGD>VTH（vGD=vGS

–vDS）2)vGS>

0，vGD>

03.4.1

MOS管2.工作原理vDSvGS247飽和區(qū)：vGS>VTH，vGD<VTH2)VGS>

0，VGD>

03.4.1

MOS管2.工作原理vDSvGS248截止區(qū)（又稱夾斷區(qū)）

vGS<VTH(2)

可變電阻區(qū)

vGD>VTH，vGD>VTH(3)

飽和區(qū)

vGD>VTH，vGD<VTH3.4.1

MOS管3.增強(qiáng)型NMOS管輸出特性曲線截止區(qū)（又稱夾斷區(qū)）可變電阻區(qū)飽和區(qū)vGSvDSiD2493.4.2

MOS管的開關(guān)特性MOS管的開關(guān)特性NMOS反相器vI為低電平：MOS管工作在截止區(qū)，輸出vO為高電平。vI為高電平：MOS管工作在可變電