數(shù)字電路（第4版） 課件全套 賈立新 第1-9章 數(shù)字邏輯基礎(chǔ)-現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)

數(shù)字電路與數(shù)字邏輯緒論2023年9月課程性質(zhì)：

本課程是電子信息類本科專業(yè)大類基礎(chǔ)課程，它既是學(xué)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)的入門課程，也為進(jìn)一步學(xué)習(xí)微機(jī)原理和單片機(jī)原理等后續(xù)課程提供必要的電路基礎(chǔ)。

先修課程:電路原理后續(xù)課程:

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，微機(jī)原理，單片機(jī)原理及實踐、電子系統(tǒng)設(shè)計等課程簡介

課程目標(biāo)：課程教學(xué)目標(biāo)1：掌握邏輯代數(shù)的基本概念、理論和方法；理解集成門電路的電路結(jié)構(gòu)、邏輯功能和電氣特性；理解半導(dǎo)體存儲器、D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理；理解脈沖產(chǎn)生與整形電路的工作原理、參數(shù)計算和應(yīng)用。課程教學(xué)目標(biāo)2：掌握組合邏輯電路、時序邏輯電路的分析方法、設(shè)計方法和調(diào)試方法；掌握實驗報告的寫作方法。課程教學(xué)目標(biāo)3：通過查閱文獻(xiàn)和撰寫讀書報告，了解數(shù)字電路的前沿技術(shù)和最新進(jìn)展，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新意識，激發(fā)學(xué)生科技報國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)。課程簡介課程簡介課程簡介1數(shù)字邏輯基礎(chǔ)2集成門電路3組合邏輯電路4觸發(fā)器、寄存器和計數(shù)器5同步時序邏輯電路6半導(dǎo)體存儲器7脈沖波形的產(chǎn)生與整形8數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換器9數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計理論課內(nèi)容1門電路測試及應(yīng)用2組合邏輯電路設(shè)計3同步時序邏輯電路設(shè)計實驗課內(nèi)容課程簡介112進(jìn)制計數(shù)器設(shè)計24位數(shù)字頻率計3自主設(shè)計題（信號發(fā)生器設(shè)計）課程設(shè)計課程簡介總評成績組成：課堂表現(xiàn)5%、作業(yè)10%、期中考試15%期末考試50%實驗

10%、讀書報告10%課程簡介

教材——《數(shù)字電路》課程簡介

參考書[1]康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分），第6版.高等教育出版社，2014年.[2]閻石，數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)，第6版.高等教育出版社，2016年.[3]斯蒂芬?布朗著，數(shù)字邏輯基礎(chǔ)與VerilogHDL設(shè)計（加），第3版，機(jī)械工業(yè)出版社，2019年10月。課程簡介主講教師：賈立新電話公室：信息樓B302E-mail：jlx＠課程簡介1.1緒論※模擬信號和數(shù)字信號※數(shù)字電路的發(fā)展歷史※數(shù)字電路的優(yōu)點(diǎn)

※模擬電路、數(shù)字電路和數(shù)

模混合電路1.1.1模擬信號與數(shù)字信號模擬信號：連續(xù)時間信號或離散時間信號，它的幅值在上限和下限之間連續(xù)。時間和幅值均連續(xù)時間離散、幅值連續(xù)高電平低電平數(shù)字信號：連續(xù)時間信號或離散時間信號，它的幅值在上限和下限之間取離散值，這些離散值被表示為數(shù)字量。1.1.1模擬信號與數(shù)字信號1.1.2模擬電路、數(shù)字電路和數(shù)?；旌想娐纺M電路：用于傳遞和處理模擬信號的電路就稱為模擬電路。放大電路就是最典型的模擬電路。

數(shù)字電路：用以傳遞和加工處理數(shù)字信號的電路就稱為數(shù)字電路。

數(shù)字電路中晶體管多數(shù)工作在開關(guān)狀態(tài)。研究對象是輸入和輸出的邏輯關(guān)系，因此主要的分析工具是邏輯代數(shù)，表達(dá)電路的功能主要是真值表、邏輯表達(dá)式及邏輯圖等。

模擬電路中的晶體管一般工作在放大狀態(tài)，因而電路的靈敏度比較高，但也容易受環(huán)境溫度、元件容差的影響。

模擬電路注重指標(biāo)，數(shù)字電路中注重功能。1.1.2模擬電路、數(shù)字電路和數(shù)?；旌想娐?/p>

數(shù)?；旌想娐罚杭瓤梢蕴幚頂?shù)字信號也可以處理模擬信號的電路。

A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、混合信號單片機(jī)。1.1.2模擬電路、數(shù)字電路和數(shù)?；旌想娐?.1.3數(shù)字電路的發(fā)展過程第一階段由電子管構(gòu)成的數(shù)字電路1906年世界上第一只真空三極管的問世，發(fā)明人是美國發(fā)明家德福雷斯特（I.DeForest，1873-1961）。電子管實物（2019年攝于浙江省廣播電視70年成就展）1.1.3數(shù)字電路的發(fā)展過程世界上第一臺電子管計算機(jī)ENIAC

ENIAC使用了17468只電子管，1500個繼電器，70000多只電阻，10000多只電容，占地167m2，重量達(dá)30噸，耗電160kW，存儲容量為17KB，字長12位，是一個名副其實的龐然大物。其運(yùn)算速度比當(dāng)時最好的機(jī)電式計算機(jī)快1000倍，每秒可進(jìn)行5000次加法運(yùn)算，357次乘法運(yùn)算或38次除法運(yùn)算。1.1.3數(shù)字電路的發(fā)展過程第二階段由晶體管構(gòu)成的數(shù)字電路經(jīng)過對半導(dǎo)體材料深入細(xì)致的研究，終于在1948年，制出了世界上第一只半導(dǎo)體（晶體）三極管，1949年建立了PN結(jié)理論，從此以后，電子技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入快速發(fā)展的時期。1.1.3數(shù)字電路的發(fā)展過程第三階段數(shù)字集成電路1962年制出了第一片集成電路，它屬于是小規(guī)模集成電路（SmallScaleIntegrationCitcuit，簡稱SSI），只含12個元件。到1966年，中規(guī)模集成電路（MSI）問世，1967年制成了大規(guī)模集成電路（LSI），到了70年代末，就已出現(xiàn)超大規(guī)模集成電路（VLSI），即一個芯片上的門數(shù)已超過1000個門。1.1.3數(shù)字電路的發(fā)展過程小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路單門集成電路

SSI/MSILSI/VLSI最小特征尺寸：特征尺寸越小，芯片的集成度越高。在2006年，數(shù)字集成電路的最小特征尺寸為78nm，到了2012年，最小特征尺寸減小到約36nm。目前，世界上最先進(jìn)的數(shù)字集成電路的特征尺寸已減小到5nm，甚至2nm的集成電路已經(jīng)出現(xiàn)。1.1.3數(shù)字電路的發(fā)展過程參觀杭州士蘭集成電路制造有限公司1.1.3數(shù)字電路的發(fā)展過程集成電路的基礎(chǔ)材料——晶圓（Wafer)1.1.3數(shù)字電路的發(fā)展過程

3種常用的數(shù)字集成電路：標(biāo)準(zhǔn)集成電路、可編程邏輯器件（PLD）、專用集成電路（ASIC).

標(biāo)準(zhǔn)集成電路是指功能、物理配置固定，用戶無法修改的集成電路。標(biāo)準(zhǔn)集成電路品種多、價格低，缺點(diǎn)是采用標(biāo)準(zhǔn)集成電路設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng)體積大、功能固定。

可編程邏輯器件允許用戶根據(jù)自己的要求實現(xiàn)相應(yīng)的邏輯功能，并且可以多次編程?？删幊踢壿嬈骷Y(jié)構(gòu)上由門陣列、可編程觸發(fā)器、可編程開關(guān)組成。常見的可編程邏輯器件有CPLD和FPGA。專用集成電路是針對整機(jī)或系統(tǒng)的需要，專門為之設(shè)計制造的集成電路。1.1.3數(shù)字電路的發(fā)展過程數(shù)字電路的兩種設(shè)計方法：傳統(tǒng)設(shè)計方法（手工設(shè)計）和現(xiàn)代設(shè)計方法（計算機(jī)輔助設(shè)計）傳統(tǒng)設(shè)計方法：設(shè)計者+紙+筆。一般憑借設(shè)計者的經(jīng)驗就可以實現(xiàn)。雖然很少使用了，但仍然是本課程將介紹的主要內(nèi)容，其目的是幫助大家直觀理解數(shù)字電路工作原理?，F(xiàn)代設(shè)計方法：設(shè)計者+EDA工具+硬件描述語言+CPLD/FPGA。1.1.3數(shù)字電路的發(fā)展過程1.1.4數(shù)字電路的優(yōu)點(diǎn)（1）穩(wěn)定性好，精度高；

模擬電路容易受元件誤差，環(huán)境溫度等因素影響，精度難以超過千分之一。如果采用數(shù)字加法器，電壓值用二進(jìn)制數(shù)表示，只要增加二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)就可以提高精度。例如，16位的數(shù)字加法器可以達(dá)到1/216的精度。（2）易于設(shè)計和測試；

數(shù)字電路設(shè)計通常也稱為邏輯設(shè)計，其主要數(shù)學(xué)工具為邏輯代數(shù)，不需要深奧的數(shù)學(xué)知識。對于簡單的數(shù)字電路，采用手工設(shè)計方法就可以完成設(shè)計。對于復(fù)雜的數(shù)字電路，則可以通過借助電子設(shè)計自動化（EDA）軟件和硬件描述語言（HDL）來完成設(shè)計。數(shù)字電路的設(shè)計效率要比模擬電路高得多。1.1.4數(shù)字電路的優(yōu)點(diǎn)（4）更易小型化、集成化。

（3）可以實現(xiàn)十分復(fù)雜的數(shù)字信號處理算法；

微控制器和FPGA均屬于大規(guī)模數(shù)字集成電路，通過C語言或HDL語言編程，這些器件可以實現(xiàn)數(shù)字濾波、壓縮、頻譜分析等復(fù)雜的算法。1.1.4數(shù)字電路的優(yōu)點(diǎn)1.1.4數(shù)字電路的優(yōu)點(diǎn)《實用數(shù)字電子技術(shù)》作者（美）庫克（N.P.Cook）認(rèn)為：“二次世界大戰(zhàn)以來，電子學(xué)對現(xiàn)代世界的發(fā)展所做的貢獻(xiàn)超過了所有其它學(xué)科。電子學(xué)發(fā)展的一個重要趨勢是從模擬技術(shù)向數(shù)字技術(shù)轉(zhuǎn)化。數(shù)字技術(shù)將曾經(jīng)毫不相干的領(lǐng)域融為一體，導(dǎo)致90%以上的電子產(chǎn)品采用了數(shù)字技術(shù)。數(shù)字電子技術(shù)還將繼續(xù)整合整個工業(yè)體系，促進(jìn)人類在各個不同領(lǐng)域的進(jìn)步?！?.1.4數(shù)字電路的優(yōu)點(diǎn)1.2數(shù)制與碼制

1.2.1數(shù)制1.2.2碼制1.2.1數(shù)制1.十進(jìn)制（Decimal)=3

102

+

3

101+

3

100+3

10-1

+3

10-2權(quán)權(quán)權(quán)權(quán)權(quán)特點(diǎn)：(1)基數(shù)10，逢十進(jìn)一，即9+1=10(3)不同數(shù)位上的數(shù)具有不同的權(quán)值10i。

任意一個十進(jìn)制數(shù)，都可展成多項式的形式：(333.33)10

(2)有0-9十個數(shù)字符號=dn-110n-1++d1101+d0100+d-110-1++d-m

10-m(D)10=(dn-1

d1d0.

d-1

d-m)102.二進(jìn)制(Binary)特點(diǎn)：1）基數(shù)2，逢二進(jìn)一，即1+1=10

3）不同數(shù)位上的數(shù)具有不同的權(quán)值2i。(B)2=(bn-1

b1b0.b-1

b-m)22)有0、1兩個數(shù)字符號，數(shù)碼bi取值0或1；1.2.1數(shù)制=bn-12n-1++b121+b020+b-12-1+b-m2-m2.二進(jìn)制(Binary)1.2.1數(shù)制二進(jìn)制數(shù)的表示：10110011B，（10110011）2最高位（MSB）：二進(jìn)制數(shù)最左邊數(shù)位。字節(jié)（Byte）：8位二進(jìn)制數(shù)的組合。最低位（LSB）：二進(jìn)制數(shù)最右邊數(shù)位。加法規(guī)則：0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=0（進(jìn)位）減法規(guī)則：0-0=0，0-1=1（借位），1-0=1，1-1=0乘法規(guī)則：0×0=0，0×1=0，1×0=0，1×1=1除法規(guī)則：0÷1=0，1÷1=1

3）不同數(shù)位上的數(shù)具有不同的權(quán)值Ri。(N)R=(Kn-1

K1K0.K-1

K-m)R特點(diǎn)：1）基數(shù)R，逢R進(jìn)一;2）

有R個數(shù)字符號和小數(shù)點(diǎn)，數(shù)碼K

i從0~R-1;3.任意進(jìn)制1.2.1數(shù)制=Kn-1Rn-1++K1R1+K0R0+K-1R-1+K-mR-m4.常用數(shù)制對照表1.2.1數(shù)制（1）二進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制（2）十進(jìn)制轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制1.2.1數(shù)制5.數(shù)制轉(zhuǎn)換(bn-1

b1b0.b-1

b-m)2=bn-12n-1++b121+b020+b-12-1+b-m2-mD=bn-12n-1++b121+b0例：（81）10=（？）2=（1010001）2402010520

2

2

2

2

2

2

21b00b10b20b31b40b51b61810.65

2b-110.3

2b-200.6

2b-310.2

2b-400.4

2b-500.8例：（0.65）10=(?)2

要求精度為小數(shù)五位。由此得：(0.65)10=(0.10100)2乘基取整法：小數(shù)乘以目標(biāo)數(shù)制的基數(shù)（R=2）小數(shù)部分的轉(zhuǎn)換1.2.1數(shù)制小數(shù)點(diǎn)為界

從小數(shù)點(diǎn)開始，將二進(jìn)制數(shù)的整數(shù)和小數(shù)部分每四位分為一組，不足四位的分別在整數(shù)的最高位前和小數(shù)的最低位后加“0”補(bǔ)足，然后每組用等值的十六進(jìn)制碼替代，即得目的數(shù)。例：111011.10101B=?H111011.1010100000B3A81.2.1數(shù)制（3）二進(jìn)制十六進(jìn)制的轉(zhuǎn)換編碼：用一組二進(jìn)制碼按一定規(guī)則排列起來以表示數(shù)字、符號等特定信息。常用的編碼：BCD碼、格雷碼、ASCII碼等狀態(tài)編碼含義redlight100stopyellowlight010cautiongreenlight001go1.2.2碼制1.二—十進(jìn)制碼（BinaryCodedDecimalCode，BCD碼）（1）

8421BCD碼十進(jìn)制數(shù)8421BCD碼十進(jìn)制數(shù)8421BCD碼00000501011000160110200107011130011810004010091001

思考：8421BCD碼有何特點(diǎn)？1.2.2碼制例：（276.8）10=（？）8421BCD276.8↓↓↓↓0010011101101000（276.8）10=（001001110110.1000）8421BCD（2）其它BCD編碼請同學(xué)們參考教材表1.2-32421BCD碼、5421BCD碼、余3BCD碼1.2.2碼制

2.格雷碼（GrayCode)BinaryGrayBinaryGray00000000100011000001000110011101001000111010111100110010101111100100011011001010010101111101101101100101111010010111010011111000

思考：根據(jù)上表，請總結(jié)出Gray碼的特點(diǎn)1.2.2碼制G0=B1⊕B0

二進(jìn)制中碼的第i位與第i+1位相同，則格雷碼的第i位為0，否則為1，二進(jìn)制碼的最高位必須與0相比較。二進(jìn)制碼與格雷碼的轉(zhuǎn)換二進(jìn)制碼1001→格雷碼1101100111100G1=B2⊕B1G2=B3⊕B2

G3=B31.2.2碼制例：有一叉車數(shù)控調(diào)速系統(tǒng)，分為10檔速度，這10檔速度分別用BCD碼和格雷碼表示如下：速度BCD碼格雷碼速度BCD碼格雷碼速度BCD碼格雷碼000000000300110010701111110100010001401000110810001100200100011501010111910011000601101111現(xiàn)將3檔速度調(diào)到4檔速度。如果速度用BCD碼編碼，即：0011→0100。如果由0→1比由1→0快，在轉(zhuǎn)換過程種將會短暫出現(xiàn)0111（七檔），從而出現(xiàn)振動。0011

0100

0111

1.2.2碼制ASCII碼:七位代碼表示128個字符.96個為圖形字符，32個控制字符。請同學(xué)們參考教材表1.2-6。3.ASCII碼（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）1.2.2碼制思考題1.2.2碼制1．（1011111．01101）2=（）8=（）102．（486）10=（）8421BCD=（）余3BCD3．下列幾種說法中與BCD碼的性質(zhì)不符的是

。A．一組4位二進(jìn)制數(shù)組成的碼只能表示一位十進(jìn)制數(shù)B．BCD碼是一種人為選定的0~9十個數(shù)字的代碼C．BCD碼是一組4位二進(jìn)制數(shù)，能表示十六以內(nèi)的任何一個十進(jìn)制數(shù)D．BCD碼有多種137.3295.406250100100001100111101110011.3邏輯代數(shù)基礎(chǔ)1.3.3基本公式1.3.1基本邏輯運(yùn)算1.3.2復(fù)合邏輯運(yùn)算1.3.4基本規(guī)則

布爾代數(shù)：研究二值邏輯的數(shù)學(xué)工具就是布爾代數(shù)也稱邏輯代數(shù)，由英國數(shù)學(xué)家布爾在1854年創(chuàng)立。1.3.1基本邏輯運(yùn)算邏輯：廣義地講，就是思維的規(guī)則。

二值邏輯：無論事件發(fā)生的條件還是結(jié)果，都只能有兩種對立而又相互依存的可能狀態(tài)。與邏輯真值表與邏輯關(guān)系表與運(yùn)算：欲使某事件成立，必須所有條件具備，缺一不可。開關(guān)A開關(guān)B燈F斷斷斷合合斷合合滅滅滅亮ABF1011010000101.3.1基本邏輯運(yùn)算邏輯符號邏輯表達(dá)式F=A

B=AB或邏輯真值表或運(yùn)算：使某事件成立的條件有一即可，多也不限。ABF1011010011101.3.1基本邏輯運(yùn)算邏輯符號邏輯表達(dá)式F=A

+B非運(yùn)算：當(dāng)決定某一事件的條件滿足時，事件不發(fā)生；反之事件發(fā)生邏輯符號邏輯表達(dá)式F=A

1.3.1基本邏輯運(yùn)算思考：基本邏輯運(yùn)算中的“基本”兩個字應(yīng)該如何理解？F=ABF=A+BF=AB+CD與非邏輯或非邏輯與或非邏輯1.3.2復(fù)合邏輯運(yùn)算異或邏輯ABF101101001100邏輯表達(dá)式F=A

B=AB+AB

ABF=1邏輯符號ABF101101000011同或邏輯邏輯表達(dá)式F=A

B=A

B

ABF=邏輯符號1.3.2復(fù)合邏輯運(yùn)算1.3.2復(fù)合邏輯運(yùn)算由異或門構(gòu)成的奇偶校驗電路什么是奇偶校驗？如何產(chǎn)生校驗位？當(dāng)E=1時，表示接收數(shù)據(jù)正確還是錯誤?偶校驗位產(chǎn)生電路偶校驗電路1.3.3基本公式公理00=001=10=0

11=10+0=00+1=1+0=11+1=10-1律A0=0

A+1=1A1=A

A+0=A互補(bǔ)律A

A=0

A+A=1交換律結(jié)合律分配律A

B=B

A

A+B=B+A

(A

B)C=A(B

C)(A+B)+C=A+(B+C)A

(

B+C)=A

B+A

C

A+B

C=(A+B)(A+C)還原律

A=A重疊律A

A=A

A+A=A1.3.3基本公式1.3.3基本公式反演律A

B=A+B

A+B=AB吸收律A+A

B=A

A

(A+B)=A合并律反演律也稱為摩根定律。A

B+A

B=A

(A+B)

(A+B)=A例1：用真值表證明摩根定律ABAB

A+BABA+B001111011011110110000000AB=A+B

AB=A+B

A+B=A

BA+B=A

B1.3.3基本公式“兩項相加，一項含著另一項的非，則非因子多余.”

例2：證明常用公式解：1.3.3基本公式A+A

B=A+B

A(A+B)=A

B

“與或表達(dá)式中，兩個乘積項分別包含同一因子的原變量和反變量，而兩項的剩余因子包含在第三個乘積項中，則第三項是多余的”公式可推廣：例3：證明常用公式1.3.3基本公式AB+AC+BC=AB+AC(A+B)(

A+C)(B+C)=(A+B)(A+C)1.3.4基本規(guī)則

1.代入規(guī)則(SubstitutionRule)任何一個含有某變量的等式，如果等式中所有出現(xiàn)此變量的位置均代之以一個邏輯函數(shù)式，則此等式依然成立。例如，

AB=A+BBC替代B得由此反演律能推廣到n個變量：利用反演律2.反演規(guī)則(InversionRule)對于任意一個邏輯函數(shù)式F，做如下處理：

若把式中的運(yùn)算符“·”換成“+”,“+”換成“·”;

常量“0”換成“1”，“1”換成“0”；

原變量換成反變量，反變量換成原變量那么得到的新函數(shù)式稱為原函數(shù)式F的反函數(shù)式F。1.3.4基本規(guī)則①保持原函數(shù)的運(yùn)算次序不變，必要時適當(dāng)?shù)丶尤肜ㄌ?；其反函?shù)為③

函數(shù)式中有“

”和“⊙”運(yùn)算符，要將運(yùn)算符“

”換成“⊙”，“⊙”換成“

”。

1.3.4基本規(guī)則②不屬于單個變量上的非號的兩種處理方法：非號保留，而非號下面的函數(shù)式按反演規(guī)則變換。將大非號下面的函數(shù)式當(dāng)作一個變量，去掉大非號即可。或者。例4：已知，求（1）若把式中的運(yùn)算符“·”換成“+”，“+”換成“·”；（2）常量“0”換成“1”，“1”換成“0”得到新函數(shù)式為原函數(shù)式F的對偶式F′。對偶式如果兩個函數(shù)式相等，則它們對應(yīng)的對偶式也相等。即若F1=F2

，則F1′=F2′。3.對偶規(guī)則(DualityRule)1.3.4基本規(guī)則

函數(shù)式中有“

”和“⊙”運(yùn)算符，要將運(yùn)算符“

”換成“⊙”，“⊙”換成“

”。

求對偶式時運(yùn)算順序不變，且它只變換運(yùn)算符和常量，其變量是不變的。其對偶式1.3.4基本規(guī)則例5：已知，求。4.展開規(guī)則（FactorizationRule）設(shè)邏輯函數(shù)Y=F（A1，A2，…，Ai，…，An），則有1.3.4基本規(guī)則1.3.4基本規(guī)則例6：已知四變量邏輯函數(shù)利用展開規(guī)則，將其用多個三變量邏輯函數(shù)實現(xiàn)。F1F2思考題1．根據(jù)

規(guī)則可從可得到2．寫出函數(shù)Z=ABC+(A+BC)(A+C)的反函數(shù)

。

3．已知，其對偶式F＇=。1.4邏輯函數(shù)及其表示方法1.4.1邏輯函數(shù)的幾種基本表示方法1.4.2邏輯函數(shù)的兩種標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式1.邏輯函數(shù)的定義和特點(diǎn)定義：輸入邏輯變量和輸出邏輯變量之間的邏輯關(guān)系。2.邏輯函數(shù)的表示方法真值表邏輯函數(shù)式

邏輯圖波形圖特點(diǎn)：輸入變量和輸出變量只有邏輯0、邏輯1兩種取值。1.4.1邏輯函數(shù)的幾種基本表示方法Y

=F（A、B、C、...）HDL語言邏輯函數(shù)的真值表是唯一的

真值表：輸入變量不同取值組合與函數(shù)值間的對應(yīng)關(guān)系列成表格。1.4.1邏輯函數(shù)的幾種基本表示方法假設(shè)有一個房間有3扇門，每一扇門的邊上都有一個控制房間內(nèi)電燈的開關(guān)，要求任意一個開關(guān)都能打開或者關(guān)閉房間內(nèi)的電燈。該邏輯函數(shù)的真值表為ABCFABCF000010010011101001011100011011111.4.1邏輯函數(shù)的幾種基本表示方法例1.4-1：判斷以下等式是否成立。令A(yù)BCF1F2ABCF1F20000010011001111010001011110000110011100

在所有A、B、C取值情況下，F(xiàn)1和F2都相等，所以題中等式成立。解:ABCFABCF00001001001110100101110001101111邏輯表達(dá)式：把輸入和輸出的關(guān)系寫成與、或、非等運(yùn)算的組合式。（1）找出函數(shù)值為1的輸入組合；（2）寫出函數(shù)值為1的輸入組合對應(yīng)的乘積項；（3）這些乘積項作邏輯加。積之和表達(dá)式（SumofProducts,SOP），與-或表達(dá)式。1.4.1邏輯函數(shù)的幾種基本表示方法ABCFABCF00001001001110100101110001101111——和之積（ProductofSums，POS)表達(dá)式、或-與表達(dá)式。（1）依次找出所有函數(shù)值等于0的輸入組合；（2）把變量值為1的寫成反變量，變量值為0的寫成原變量，相或后即得到和項；（3）把這些和項作邏輯乘。由真值表寫表達(dá)式的第二種方法1.4.1邏輯函數(shù)的幾種基本表示方法邏輯圖：用邏輯符號來表示函數(shù)式的運(yùn)算關(guān)系1.4.1邏輯函數(shù)的幾種基本表示方法時序圖：反映輸入和輸出波形變化的圖形叫時序圖1.4.1邏輯函數(shù)的幾種基本表示方法ABCFABCF00001001001110100101110001101111硬件描述語言（VerilogHDL）1.4.1邏輯函數(shù)的幾種基本表示方法

在20世紀(jì)80年代，集成電路的快速發(fā)展推動了數(shù)字電路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化的開發(fā)。以VHDL和VerilogHDL為代表的硬件描述語言（HardwareDescriptionLanguage，HDL）成為描述數(shù)字電路最通用的語言。moduleZHUHE1(A,B,C,F);inputA,B,C;outputF; assignF=(~A&~B&C)|(~A&B&~C)|(A&~B&~C)|(A&B&C);endmodule1.4.2邏輯函數(shù)的兩種標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式3個變量的邏輯函數(shù)有以下8個最小項：最小項：每個變量都以原變量或反變量的形式出現(xiàn)一次且僅出現(xiàn)一次的乘積項稱為最小項。1.最小項的定義和表示最小項m0m1m2m3m4m5m6m7簡化表示2.最小項的性質(zhì)（2）任意兩個最小項的乘積恒為0，即mimj=0(i≠j)；（3）所有最小項之和恒為1。（1）每一最小項與一組變量取值相對應(yīng)，只有這一組取值使該最小項的值為1；1.4.2邏輯函數(shù)的兩種標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式3.標(biāo)準(zhǔn)與-或表達(dá)式——最小項之和的形式例：求函數(shù)的最小項之和表達(dá)式解：=m0+m1+m5+m8=∑m（0,1,5,8）=m3+m2+m1=∑m(1,2,3)1.4.2邏輯函數(shù)的兩種標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式4.最大項的定義與表示

如果一個或項包含了全部n個變量，且每個變量都以原變量或反變量的形式出現(xiàn)且僅出現(xiàn)一次，則稱該或項為最大項。M7000M3100M6001M2101M5010M1110M4011M0111簡化表示ABC最大項簡化表示ABC最大項1.4.2邏輯函數(shù)的兩種標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式5.函數(shù)最大項的性質(zhì)（1）任一最大項有且僅有一組變量取值使該最大項的值為0。

（2）任意兩個不同的最大項的和恒為1，即Mi+Mj

=1，i≠j。（3）全部最大項的乘積恒等于0，即（4）編號相同的最小項和最大項是互反的，即

1.4.2邏輯函數(shù)的兩種標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式

6.最小項表達(dá)式和最大項表達(dá)式之間的關(guān)系1.4.2邏輯函數(shù)的兩種標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式思考題1．邏輯函數(shù)F(A,B,C)=∏M(1,3,4,6,7)，則F(A,B,C)=

∑m(

）。∑m(

0,2,5)2．已知，下列組合中，

可以肯定使F=0。A．A=0,BC=1B．B=1，C=1C．C=1，D=0D．BC=1，D=13.已知某電路的真值表如表所示，該電路的邏輯表達(dá)式為

。ABCFABCF00000101001101011001011101110111A．F=CB．F=ABC

C．F=AB+CD．都不是1.5邏輯函數(shù)的化簡1.5.2公式化簡法1.5.3卡諾圖化簡法1.5.1化簡的意義1.5.4具有無關(guān)項的邏輯函數(shù)的化簡1.5.1化簡的意義最簡與或式：乘積項最少，乘積項中的變量最少。cost=8+19=27cost=5+8=13成本（cost):門電路的總數(shù)加上所有門電路輸入引腳總數(shù)。1.5.2公式化簡法

并項：利用將兩項并為一項，且消去一個變量B。

消項：利用A+AB=A消去多余的項AB

配項：利用和互補(bǔ)律、重疊律先增添項，再消去多余項BC

消元：利用消去多余變量利用基本公式消除多余的變量和多余的項，使表達(dá)式達(dá)到最簡。例1：試化簡函數(shù)解：利用公式利用公式利用公式利用公式1.5.2公式化簡法例2：化簡函數(shù)解：（利用公式）（利用公式）（利用公式）（利用公式）（利用公式）1.5.2公式化簡法2變量卡諾圖A

B00011011

m0

m1

m2

m3AABBABBAABABAB1010

m0

m1

m2

m3

mi1.5.3卡諾圖化簡法

按照一定規(guī)律編號的一長方形或正方形的方格圖，每一方格代表一個最小項。1.卡諾圖定義3變量卡諾圖ABC01000111100001111000011110

m0

m1

m2

m3

m4

m5

m6

m7

m0

m1

m2

m3

m4

m5

m6

m7

m12

m13

m14

m15

m8

m9

m10

m11ABCD4變量卡諾圖1.5.3卡諾圖化簡法邏輯相鄰:兩個最小項如果只有一個因子不同,則稱這兩個最小項邏輯相鄰；幾何相鄰：直接相鄰、上下相鄰、左右相鄰、四角相鄰。直接相鄰

左右相鄰

上下相鄰

四角相鄰卡諾圖特點(diǎn):幾何相鄰的最小項在邏輯上也是相鄰的。1.5.3卡諾圖化簡法0001111000011110

m0

m1

m2

m3

m4

m5

m6

m7

m12

m13

m14

m15

m8

m9

m10

m11ABCD四變量K圖兩個相鄰格圈在一起，結(jié)果消去一個變量ABD

ADA1四個相鄰格圈在一起，結(jié)果消去兩個變量八個相鄰格圈在一起，結(jié)果消去三個變量十六個相鄰格圈在一起，結(jié)果

mi=1化簡的依據(jù)：邏輯相鄰的最小項。因此可以利用公式和,消去一個變量，達(dá)到化簡的目的。1.5.3卡諾圖化簡法（1）畫邏輯函數(shù)的卡諾圖；（2）畫包圍圈，其原則為：包圍圈內(nèi)必須相鄰的2n個的1方格，必須是矩形或正方形；包圍圈越大越好，包圍圈個數(shù)越少越好；同一個1方格可以多次參加畫圈，但每個圈中都要有新的1方格；先畫大圈，后畫小圈，單獨(dú)的1方格也不要漏掉；（3）每個圈寫出一個乘積項。按取同去異原則；（4）最后將全部積項邏輯加即得最簡與或表達(dá)式。2.用卡諾圖化簡邏輯函數(shù)的方法1.5.3卡諾圖化簡法例1：用卡諾圖化簡邏輯函數(shù)F(A,B,C,D)=∑m（0,4,6,7,9,10,11,12,13,14,15）。解：ACADBCBD第3步：寫最簡“與-或”式第1步：畫卡諾圖第2步：畫包圍圈1.5.3卡諾圖化簡法將上述函數(shù)化為最簡或與式。1.5.3卡諾圖化簡法解：例2：

利用卡諾圖化簡邏輯函數(shù)F（A,B,C,D）=∑m(1,5,6,7,11,12,13,15)11111111ACD多余包圍圈0100011110001110CDABF1.5.3卡諾圖化簡法解：0100011110001110CDAB11111111A00001111111m0,m5,m13兩次填1例3:用卡諾圖法化簡邏輯函數(shù)1.5.3卡諾圖化簡法1.5.4具有無關(guān)項的邏輯函數(shù)化簡例1：檢測元件A、B、C高于水面時輸出高電平，低于水面時輸出低電平。水位高于C點(diǎn)時，ML和MS停止工作；水位在B、C之間，MS單獨(dú)工作；水位在A、B之間，ML單獨(dú)工作；水位低于A點(diǎn)時ML和MS同時工作。試設(shè)計水泵控制電路。

ABCMS

MLABCMS

ML

001000010011100101110111？？

00

？？

？？

？？

10

01

11

輸入變量的某些取值在正常情況下不可能出現(xiàn)，這些取值稱為無關(guān)條件，對應(yīng)的最小項稱為無關(guān)項（don’tcare）。具有無關(guān)項的邏輯函數(shù)稱為不完全確定邏輯函數(shù)（incompletelyspecifiedfunction)。ABCMS

MLABCMS

ML

001000010011100101110111？？

00

？？

？？

？？

10

01

11

1.5.4具有無關(guān)項的邏輯函數(shù)化簡MS(A,B,C)=∑m(1,7)+∑d(2,4,5,6)ML(A,B,C)=∑m(3,7)+∑d(2,4,5,6)無關(guān)項用d表示，MS和ML的函數(shù)表達(dá)式：ABCMS

MLABCMS

ML

001000010011100101110111？？

00

？？

？？

？？

10

01

11

×

×

×

×

×

×

×

×

由于無關(guān)項對應(yīng)的輸入取值不會出現(xiàn)，因此在列真值表時，可以假定無關(guān)項對應(yīng)的函數(shù)值是1或者是0，用×表示。1.5.4具有無關(guān)項的邏輯函數(shù)化簡無關(guān)項的性質(zhì)：無關(guān)項恒等于0。1.5.4具有無關(guān)項的邏輯函數(shù)化簡邏輯圖1.5.4具有無關(guān)項的邏輯函數(shù)化簡解：畫卡諾圖例2：已知函數(shù)F(A,B,C,D)=∑m(0,2,3,4,6,8,10)+∑d(11,12,14,15)，求其最簡與或式。1.5.4具有無關(guān)項的邏輯函數(shù)化簡思考題1．邏輯函數(shù)F(A,B,C)=Σm(0，1，4，6)的最簡與非-與非式為

。A.B.C.D.的最簡與-或表達(dá)式為

。2.A．F＝AC．F＝A+B+CD．都不是B．解：（1）邏輯表達(dá)式（2）列真值表（3）邏輯功能：少數(shù)服從多數(shù)電路，也稱表決電路例1：分析如圖所示電路的邏輯功能。邏輯電路的分析：已知邏輯電路，分析其邏輯功能。1.6邏輯電路分析設(shè)計初步邏輯電路的設(shè)計：根據(jù)實際邏輯問題，設(shè)計實現(xiàn)其功能的邏輯電路.列真值表簡化函數(shù)式畫邏輯圖實際邏輯問題公式法圖形法表達(dá)式變換根據(jù)設(shè)計所用芯片要求1.6邏輯電路分析設(shè)計初步例2：2選1數(shù)據(jù)選擇器示意圖和符號如圖所示。其邏輯功能為，當(dāng)S=0時，F(xiàn)等于A；當(dāng)S=1時，F(xiàn)等于B。試用門電路實現(xiàn)該2選1數(shù)據(jù)選擇器。SABFSABF000010000010101101011100011111111.6邏輯電路分析設(shè)計初步SABFSABF000010000010101101011100011111111.6邏輯電路分析設(shè)計初步與非-與非式或非-或非式1.6邏輯電路分析設(shè)計初步例3：在舉重比賽中，有3名裁判，其中1名為主裁判。當(dāng)有兩名以上裁判（其中必須有1名主裁判）認(rèn)為運(yùn)動員舉杠鈴合格，就按動電鈕，可發(fā)出成績有效的信號。請用與非門設(shè)計該組合邏輯電路。ABC

Y

000001010011100101110111

00000111

ABAC1.6邏輯電路分析設(shè)計初步邏輯圖1.6邏輯電路分析設(shè)計初步按鈕的信號如何輸入？如何給出成績有效信號？如何選擇器件？電源、工藝、成本？1.6邏輯電路分析設(shè)計初步邏輯電路的實現(xiàn)方法一：采用標(biāo)準(zhǔn)集成電路1.6邏輯電路分析設(shè)計初步采用標(biāo)準(zhǔn)集成電路實現(xiàn)的裁判電路1.6邏輯電路分析設(shè)計初步邏輯電路的實現(xiàn)方法二：采用可編程邏輯器件1.6邏輯電路分析設(shè)計初步采用可編程邏輯器件實現(xiàn)的裁判電路1.6邏輯電路分析設(shè)計初步思考題1.某寢室有A、B、C、D、E、F六名同學(xué)，現(xiàn)要選擇若干名參加學(xué)校集體活動，選擇規(guī)則如下：（1）A、B二人中至少去1人；（2）A、D不能一起去（3）A、E、F三人中，只派二人去（4）B、C兩人中都去或都不去（5）C、D兩人中必須去一人而且只能去一人（6）若D不去，則E也不去。請問，應(yīng)該選哪幾名同學(xué)。

邏輯函數(shù)的描述可用真值表、函數(shù)式、邏輯圖、卡諾圖、時序圖和硬件描述語言。

分析和設(shè)計邏輯電路的重要數(shù)學(xué)工具：布爾代數(shù)

邏輯函數(shù)的化簡可采用公式法和圖形法小結(jié)第一章例題講解【例1.7-1】用公式法將以下邏輯函數(shù)化為最簡或-與式。解：通常有以下3種化簡方法。方法一：利用公式直接化簡。利用公式第一章例題講解方法二：利用對偶規(guī)則間接化簡。一個最簡邏輯函數(shù)表達(dá)式的對偶式也是最簡，因此可以用對偶規(guī)則間接化簡。第一章例題講解方法三：利用反演規(guī)則化簡。點(diǎn)評：本例題不是簡單的公式化簡題，還涉及對偶規(guī)則、反演規(guī)則的應(yīng)用。同時需要指出的是，邏輯函數(shù)的或-與表達(dá)式和與-或表達(dá)式一樣重要。第一章例題講解【例1.7-2】用卡諾圖化簡邏輯函數(shù)解：將兩個表達(dá)式化成最小項之和的表達(dá)式。最小項m7、m13和無關(guān)項d7、d13同時出現(xiàn)在表達(dá)式中，應(yīng)刪除最小項m7、m13，保留無關(guān)項d7和d13。給定約束條件。第一章例題講解【例1.7-3】用卡諾圖化簡邏輯函數(shù)解：第一章例題講解【例1.7-4】某四輸入二輸出邏輯電路，其標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式如下：請設(shè)計成本最低電路（可以直接使用原變量和反變量）。解：方案一：函數(shù)Y1和Y2單獨(dú)最簡。Y1和Y2的需要7個與門，兩個或門，27個輸入，成本總計為36。第一章例題講解方案二：函數(shù)Y1和Y2整體最簡。Y1和Y2

需要5個與門，兩個或門，24個輸入，成本總計為31。點(diǎn)評：本例引入了整體最簡的概念。1.將下列邏輯函數(shù)化成最簡和之積形式

F(A,B,C,D)=∑m(0,2,4,5,6,7,8,10,12,14,15)2.將下列邏輯函數(shù)化成最簡積之和形式思考題3.說明下面的邏輯等式是否成立？4.推導(dǎo)下面邏輯函數(shù)最簡和之積形式第2章集成門電路2.2半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)2.5TTL門電路2.3NMOS門電路2.1概述2.4CMOS門電路2.1概述1.電子系統(tǒng)的抽象層次1.數(shù)字硬件系統(tǒng)2.1概述（a）嵌入式系統(tǒng)開發(fā)板（b）集成電路（c）邏輯電路（d）門電路（e）晶體管2.1概述2.電子系統(tǒng)的抽象層次3.門電路的分類2.1概述3.門電路的分類2.1概述

TTL（Transistor-TransistorLogic）門電路是20世紀(jì)80年代以前的主流產(chǎn)品，具有速度快、驅(qū)動能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。TTL門電路的主要缺點(diǎn)是電路功耗較大和集成度較低，不適合制成大規(guī)模集成電路或超大規(guī)模集成電路。CMOS（ComplementaryMOS）門電路由NMOS管和PMOS管構(gòu)成，其突出的優(yōu)點(diǎn)是功耗極低，集成度高，非常適合于制造大規(guī)模集成電路。2.2半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)2.2.1半導(dǎo)體的基本知識2.2.2PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦?.2.3二極管2.2.4雙極型三極管2.2.5MOS場效應(yīng)晶體管導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體、絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。見的半導(dǎo)體有硅（Si）和鍺（Ge）以及砷化鎵（GaAs)等。2.2.1半導(dǎo)體的基本知識1.物質(zhì)的分類容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，如金屬、石墨、電解質(zhì)溶液等；不容易導(dǎo)電的稱為絕緣體，如橡膠、玻璃、塑料。硅晶體的三維結(jié)構(gòu):2.本征半導(dǎo)體2.2.1半導(dǎo)體的基本知識本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體。2.2.1半導(dǎo)體的基本知識

T＝0K（-273oC)和沒有外界激發(fā)(如光照、電磁場等)時，本征半導(dǎo)體的價電子被共價鍵束縛，無載流子，不導(dǎo)電，相當(dāng)于絕緣體。

硅原子擁有4個價電子，各原子之間通過共價鍵結(jié)合在一起。共價鍵對電子是一種束縛。2.本征半導(dǎo)體

T＝300K（室溫)或有外界刺激時，本征半導(dǎo)體的價電子獲得足夠能量掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子——本征激發(fā)。2.2.1半導(dǎo)體的基本知識

自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，這個空位為空穴?？昭ǖ某霈F(xiàn)是半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的一個重要特點(diǎn)。

在外加電場的作用下，鄰近價電子就可以填補(bǔ)到空穴上，而在價電子原來的位置上產(chǎn)生新的空穴，從而出現(xiàn)了空穴的移動。（1）本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴是成對出現(xiàn)的。任何時刻濃度相等，ni=pi，濃度只與溫度有關(guān)。復(fù)合就是電子落入空穴，使電子—空穴對消失。復(fù)合就是電子落入空穴，使電子—空穴對消失。溫度一定時，載流子的復(fù)合率等于產(chǎn)生率，達(dá)到動態(tài)平衡。本征半導(dǎo)體特點(diǎn)：2.2.1半導(dǎo)體的基本知識（2）本征半導(dǎo)體中的載流子有兩種運(yùn)動：激發(fā)和復(fù)合。（3）本征半導(dǎo)體中自由電子濃度很低。在室溫下，3.45×1012個原子中，只有一個價電子打破共價鍵的束縛而成為自由電子。2.2.1半導(dǎo)體的基本知識

思考：如何理解本征半導(dǎo)體中有兩種載流子參與導(dǎo)電？2.2.1半導(dǎo)體的基本知識

思考：本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力受溫度、光照影響很大。這個特性對半導(dǎo)體器件有什么影響？

缺點(diǎn)：影響模擬電路工作的穩(wěn)定性

優(yōu)點(diǎn)：制成各種傳感器3.雜質(zhì)半導(dǎo)體（1）N

（Negative）型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入5價的元素(磷、砷、銻

)。在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。2.2.1半導(dǎo)體的基本知識N型半導(dǎo)體的特點(diǎn)：2.2.1半導(dǎo)體的基本知識※所摻雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)（或N型雜質(zhì)）；※空穴數(shù)=本征激發(fā)的空穴數(shù)；※自由電子為多數(shù)載流子（多子）；空穴為少數(shù)載流子（少子）；※在無外電場時，呈電中性。※自由電子濃度=本征激發(fā)的自由電子濃度+施主雜質(zhì)自由電子濃度；（2）P（Positive)型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入3價的元素（硼）。得到電子成為不能移動的負(fù)離子硅原子的共價鍵缺少一個電子形成了空穴2.2.1半導(dǎo)體的基本知識P型半導(dǎo)體的特點(diǎn)：2.2.1半導(dǎo)體的基本知識※所摻雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)（或P型雜質(zhì)）；※電子數(shù)=本征激發(fā)電子數(shù)；※空穴濃度=本征激發(fā)的空穴濃度+受主雜質(zhì)的濃度；※空穴為多數(shù)載流子（多子），電子為少數(shù)載流子（少子）；※在無外電場時，呈電中性。

摻入雜質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:（1）室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm3（3）本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

以上三個濃度基本上依次相差106/cm3

。（2）摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:n=5×1016/cm3雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響：2.2.1半導(dǎo)體的基本知識

4.思考題（1）在本征半導(dǎo)體中摻入五價元素，其少數(shù)載流子為

。A．自由電子B．空穴C．正離子D．負(fù)電子（2）P型半導(dǎo)體就是在本征半導(dǎo)體中摻入

。A．3價元素B．4價元素C．5價元素D．6價元素（3）雜質(zhì)半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子濃度取決于的

。

A.摻雜濃度B.工藝C.溫度D.晶體缺陷2.2.1半導(dǎo)體的基本知識（4）半導(dǎo)體有哪些特點(diǎn)？答：（1）導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體、絕緣體之間；（2）導(dǎo)電能力在外界光和熱的刺激時發(fā)生很大變化；（3）摻進(jìn)微量雜質(zhì)，導(dǎo)電性能顯著增加。（5）N型半導(dǎo)體硅原子濃度、自由電子濃度、空穴濃度分別位多少？2.2.1半導(dǎo)體的基本知識

5.思考題4.96×1022/cm3

5×1016/cm31.4×1010/cm32.2半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)2.2.1半導(dǎo)體的基本知識2.2.2PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦?.2.3二極管2.2.4雙極型三極管2.2.5MOS場效應(yīng)晶體管

在一塊本征半導(dǎo)體中,通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體，交界處就形成PN結(jié)。1.載流子的擴(kuò)散與漂移2.2.2PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦钥昭娮与s質(zhì)離子雜質(zhì)離子擴(kuò)散運(yùn)動：由載流子濃度差引起的載流子的運(yùn)動稱為擴(kuò)散運(yùn)動。P區(qū)N

區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場方向1.載流子的擴(kuò)散與漂移2.2.2PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦钥臻g電荷區(qū)內(nèi)電場方向P區(qū)N區(qū)少子漂移漂移運(yùn)動：由電場作用引起的載流子的運(yùn)動稱為漂移運(yùn)動。1.載流子的擴(kuò)散與漂移2.2.2PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦?.PN結(jié)的形成

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場內(nèi)電場促使少子漂移

內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散

多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)2.2.2PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦砸驖舛炔?/p>

空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定

思考：PN結(jié)中有內(nèi)建電場，假設(shè)有理想電壓表去測兩端，為什么沒有電壓？因為空間電荷區(qū)的內(nèi)電場與飄移到對方的少數(shù)載流子產(chǎn)生的電場抵消。整個PN結(jié)是電中性的，所以兩端沒有電壓。2.2.2PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦钥昭ǖ臄?shù)量多于負(fù)離子電子的數(shù)量多于正離子PN結(jié)的幾種叫法：留下的是不能運(yùn)動的離子——空間電荷區(qū)。多子都擴(kuò)散到對方被復(fù)合掉了——耗盡層。形成的內(nèi)電場阻止擴(kuò)散運(yùn)動——阻擋層。形成的內(nèi)電場具有電位梯度，稱接觸電位差（很?。獎輭緟^(qū)。2.2.2PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦酝怆妶龇较蚺cPN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場?？臻g電荷變窄，擴(kuò)散電流加大，遠(yuǎn)大于漂移電流。

（1）PN結(jié)加正向電壓——正偏置3.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.2.2PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦缘碗娮杼匦裕蟮恼驍U(kuò)散電流。外電場與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，增強(qiáng)內(nèi)電場。空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小，漂移電流加大，少子漂移電流大于擴(kuò)散電流。（2）PN結(jié)加反向電壓——反偏置3.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.2.2PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦杂杀菊骷ぐl(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流

4.PN結(jié)伏安特性曲線2.2.2PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦訮N結(jié)從小加到大加正向電壓時，剛開始的時候沒有電流，直到某個電壓突然產(chǎn)生電流，這個電壓稱為死區(qū)；如果外加電壓變化一點(diǎn)，電流變化很多。加正向電壓時，PN結(jié)呈低電阻特性，產(chǎn)生大的正向擴(kuò)散電流。如果電流不加以限制，正向電壓越大，電流越大，PN結(jié)就可能燒毀（電轉(zhuǎn)熱），所以我們在PN結(jié)的電路中增加一個電阻，用來限制最大電流通過。當(dāng)環(huán)境溫度一定時隨著反偏電壓的增加，漂移電流將達(dá)到一個“飽和”值，即漂移電流不再隨反偏電壓的增加而增加，故該電流通常稱為反向飽和電流，用IS

表示。

5.PN結(jié)伏安特性表達(dá)式VT為一常數(shù)。在常溫下（T=300K），VT等于26mV。①當(dāng)二極管的PN結(jié)兩端加正向電壓時，②當(dāng)二極管的PN結(jié)兩端加反向電壓時，2.2.2PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦运伎碱}（1）P型和N型半導(dǎo)體通過一定工藝形成無縫隙的連接，當(dāng)

與

運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡時，交界面形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，即形成PN結(jié)。擴(kuò)散、漂移

（2）PN結(jié)外加正向電壓，就是將外加電壓的正端接

區(qū)，負(fù)端接

區(qū)，這時空間電荷區(qū)的寬度變

。PN結(jié)的基本特征是

。P，N，窄，單向?qū)щ娦裕?）什么是二極管的反向飽和電流？答：在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個電流稱為反向飽和電流。思考題（5）如果正向電壓不斷加大，會產(chǎn)生什么結(jié)果？（4）如果反向電壓不斷加大，會產(chǎn)生什么結(jié)果？

PN結(jié)就可能燒毀（電轉(zhuǎn)熱），所以我們在PN結(jié)的電路中增加一個電阻，用來限制最大電流通過。如果反向電壓不斷加大，反向電流突然增加，這個現(xiàn)象稱為反向擊穿。2.2半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)2.2.1半導(dǎo)體的基本知識2.2.2PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦?.2.3二極管2.2.4雙極型三極管2.2.5MOS場效應(yīng)晶體管2.2.3二極管

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。1.二極管的結(jié)構(gòu)硅管的Vth=0.5V左右

當(dāng)0＜V＜Vth時，正向電流為零，Vth稱死區(qū)電壓或開啟電壓。（1）正向特性

當(dāng)V＞Vth時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。硅管正向?qū)▔航导s為0.7V

2.二極管的V-I特性2.2.3二極管當(dāng)VBR＜V＜0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS

。（2）反向特性反向飽和電流：硅管為納安（10－9）級。

2.二極管的V-I特性2.2.3二極管（1）理想模型

正偏時：管壓降為0，電阻也為0。反偏時：電流為0，電阻為∞。又稱開關(guān)模型

3.二極管的直流模型2.2.3二極管（2）恒壓降模型（iD≥1mA時）0.7V硅管0.2V鍺管正偏時：反偏時:邏輯門電路多用此模型3.二極管的直流模型2.2.3二極管（3）折線模型正偏時：折線段：反偏時:3.二極管的直流模型2.2.3二極管例1

:VDD=10V，R=10kΩ，求采用不同二極管近似模型時的ID。（1）理想模型（2）恒壓模型（3）折線模型2.2.3二極管VD=0V，ID=VDD/R=1mA。VD=0.7V，ID=(VDD-VD)/R=0.93mA。Vth=0.5V,rD=0.2kΩ,VD=Vth+IDrD=0.69V。VA<VB，所以二極管D截止解：斷開二極管D例2.判別二極管是導(dǎo)通還是截止。2.2.3二極管例3

分析以下由二極管構(gòu)成電路的功能。（1）二極管分別采用理想模型和恒壓降模型時，寫出A、B、L的電壓值；（2）如果把虛框內(nèi)電路視作邏輯電路，實現(xiàn)什么邏輯功能？（3）該邏輯電路能夠級聯(lián)使用嗎？2.2.3二極管邏輯錯誤例4.特殊二極管的應(yīng)用。2.2.3二極管（1）穩(wěn)壓二極管構(gòu)成簡單的直流穩(wěn)壓電路。例4.特殊二極管的應(yīng)用。2.2.3二極管（2）發(fā)光二極管主要用于顯示。例4.特殊二極管的應(yīng)用。2.2.3二極管（3）紅外發(fā)射接收管主要用于顯示。2.2半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)2.2.1半導(dǎo)體的基本知識2.2.2PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦?.2.3二極管2.2.4雙極型三極管2.2.5MOS場效應(yīng)晶體管雙極型晶體管（bipolarjunctiontransistor）簡稱BJT。2.2.4雙極型三極管小功率三極管貼片三極管大小功率三極管半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)有兩種類型:NPN型和PNP型。1.NPN型三極管的結(jié)構(gòu)符號2.2.4雙極型三極管放大時外加偏置電壓的要求：集電結(jié)應(yīng)加反向電壓（反向偏置）發(fā)射結(jié)應(yīng)加正向電壓（正向偏置）2.放大狀態(tài)下載流子的運(yùn)動2.2.4雙極型三極管

（1）發(fā)射結(jié)加正向電壓，形成電子擴(kuò)散電流IEN和空穴擴(kuò)散電流IEP。由于基區(qū)參雜濃度很低，IEP

很小。IE=IEN+IEP≈IEN。2.放大狀態(tài)下載流子的運(yùn)動2.2.4雙極型三極管

（2）集電結(jié)加反向電壓，收集擴(kuò)散過來的電子（ICN），另外，基區(qū)集電區(qū)本身存在的少子，在集電結(jié)上存在漂移運(yùn)動，由此形成電流ICBO。

IC=ICN+ICBO≈ICN2.放大狀態(tài)下載流子的運(yùn)動2.2.4雙極型三極管IB=IEP+IBN-ICBO=IEP+IEN-ICN-ICBO=IE-IC（3）電子在基區(qū)的擴(kuò)散和復(fù)合（IBN)2.放大狀態(tài)下載流子的運(yùn)動2.2.4雙極型三極管IB？確定IB的方法：保證基區(qū)空穴濃度不變，少掉多少空穴，就補(bǔ)充多少空穴。（4）電流分配關(guān)系

β一般為50

200之間。2.放大狀態(tài)下載流子的運(yùn)動2.2.4雙極型三極管BJT是一種電流控制器件。三極管工作示意圖2.2.4雙極型三極管思考：為什么三極管的基區(qū)寬度窄、雜質(zhì)濃度低可以提高三極管放大能力？2.2.4雙極型三極管減少從發(fā)射區(qū)進(jìn)入基區(qū)的電子與空穴復(fù)合的機(jī)會，使盡量多的電子進(jìn)入集電區(qū)，從而提高三極管的放大能力。伏安特性曲線是指各電極之間的電壓與電流之間的關(guān)系曲線，也稱為三極管的外特性。3.BJT的伏安特性2.2.4雙極型三極管BJT的伏安特性是三極管內(nèi)部載流子運(yùn)動規(guī)律在管子外部的表現(xiàn)。（1）輸入特性曲線

iB=f(vBE)

vCE=const.（2）輸出特性曲線iC=f(vCE)

iB=const.

iB=f(vBE)

vCE=const.②隨著vCE增大，特性曲線右移。（1）輸入特性曲線③

當(dāng)

vCE>1V以后，特性曲線幾乎重疊。3.BJT的伏安特性2.2.4雙極型三極管①

形狀相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向伏安特性曲線。iC=f(vCE)

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