数字电路基础与计算机中的逻辑部件..doc

计算机中的数字电路基础和逻辑部件.

计算机中的数字电路基础和逻辑部件

数字电路(digital circuit)基础

半导体材料和晶体二极管简介

正向偏置，导通，两端大约有0.7V的压降。

几乎所有的反向偏置和截止都压降到二极管上。

1. 伏安特性(也称开关特性)和理想的二极管

2. 应用案例

a) 二极管门电路

a) 只读存储器

双极三极管的结构及其伏安特性

1.双极三极管(也称晶体管)transistor)的结构

两个PN结(发射结、集电结)包括NPN型和PNP型两种

三极：发射极e、基极b和集电极c。

结构特点:发射区掺杂浓度高(有利于发射)，基础薄，掺杂低(有利于传输)，集电区面积大(有利于收集)

2.输出伏安特性

工作状态有：饱和、截止和放大

常用的数字电路有两种，即在开关状态下工作

3. 应用案例

a) 三极管反相器

b) 三极管存储单元

MOS管道的结构及其伏安特性

1. 结构与符号

增强型MOS管道：用电场控制输出电流

分为N沟道(NMOS)、P沟道(PMOS)

电极：源极(Source)、栅极(Gate)、漏极(Drain)，衬底与源极连接，大部分源漏可互换

2. 输出伏安特性

截止和深度饱和GS相当于几个pF的电容。

NMOS反相器，理想MOS管道是可控开关。

3. 应用案例

CMOS反相器

CMOS(Complementary互补):同时使用NMOS和PMOS管

功耗极小的CMOS反相器。

单管动态存储器

单管动态存储器基本电路，T为NMOS管

字线为高：T导通(注:源漏可互换)通过位线读写

EPROM、EEPROM和flashMemory的都是基于MOS管道的工作原理。

基本逻辑门和布尔代数知识基础

0.2.1 最基本的逻辑门电路

数字电路由组合逻辑电路和时序电路组成

具体应用于存储器、控制器、寄存器、译码器、加法器等，

构成这些部件最简单、最基本的逻辑电路是和、或和非门。

1.和，或，非门

a) 与门

表达式表示： Z＝A·B，

b)或门

表达式为： Z＝A＋B，

c)非门

表达式为： Z＝/A，

选择这三种最基本的逻辑门，可以实现任何逻辑功能的电路，包括组合逻辑电路和时间逻辑电路。

2.电路实现例

0和1高电平表示1，低电平表示0注意：高低电平实际上是一个范围，也是高电平，但双极三极管和MOS管道的电平范围不同。

图2.18还存在驱动能力、可靠性等问题，

与门电路更好的实现方案如图2所示.19所示。

3. 应用案例

a) 与非门

连接门和非门

b) 或非门

或门与非门连接

0.2.2 布尔代数知识基础及其应用

布尔(Boole)二值逻辑代数研究

数字电路数学工具的分析和设计

1.逻辑函数及其表示

输出与输入变量之间的逻辑关系

F=f (A,B,C…)

常用:表达式、真值表、逻辑图、波形图和卡诺图可以相互转换

a) 表达式

逻辑变量和运算符构成

Fn=Xn·/Yn＋/Xn·Yn

b) 真值表

输入变量的各种可能值与输出变量对应值之间的关系

表达式Fn =Xn/Yn＋/XnYn对应

XnYnFn000011101110

通过真值表达表达方式：

①输人取值相为l"与";

②各与项"或"。

c) 逻辑图

逻辑图表示用逻辑符号表示的逻辑关系

Fn =Xn/Yn＋/XnYn为异或门

d) 波形图

在时间上反映入出变量的逻辑关系称为波形图

图2.21电路称为半加器。

2.简化逻辑函数

逻辑函数的表达式相对简单：

电路元件较少，节省设备，提高可靠性，缩短传输延迟时间

布尔代数的基本特征

吸收律：A＋/AB＝A B

三个规则

替换规则：用逻辑函数代替逻辑等式两侧的所有变量，则等式仍然成立。

反演规则：取反函数/F。

对偶规则：将函数F中和变为或、或和、0变为1、1变为0，即获得新的函数F’，并称F作为F的对偶式。当某一等式成立时，其对偶式也成立。

和或式的简化

简化公式，卡诺图(Karnaughmap)简化和简化表格(Q-M简化)三种方法

逻辑函数对应的表达式不是唯一的

"最简"意思是表达式和项的数量最少，每个项的变量也最少。

组合逻辑电路(combinational logic circuit)及其应用

电路的输出只与此时相同