第0章数字电路基础与计算机中的逻辑部件.doc
时间：2023-09-19 13:37:02
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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
正偏，导通，两端约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
(a)伏安特性测试电路
(a)伏安特性测试电路
(b)伏安特性二极管
(c)理想二极管伏安特性
(d)理想的二极管等于开关
图2.2 二极管伏安特性及理想二极管
图2.2 二极管伏安特性及理想二极管
2. 应用案例
a) 二极管门电路
a) 只读存储器
图2.3 二极管门电路图2.4 二极管只读取存储器
图2.3 二极管门电路
图2.4 二极管只读取存储器
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
三个电极：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)
图2.5 双极三极管
图2.5 双极三极管
(a)NPN型
(b)PNP型
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
图2.7 反相器，可控开关
图2.7 反相器，可控开关
(a)
(b)
3. 应用案例
a) 三极管反相器
b) 三极管存储单元
图2.8 三极管
图2.8 三极管只读取存储器
MOS管的结构和它的伏安特性
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
图2.9 增强型MOS管的结构及其符号
图2.9 增强型MOS管的结构及其符号
2. 输出伏安特性
(b)(a)
(b)
(a)
图2.11 NMOS反相器，理想MOS管
图2.11 NMOS反相器，理想MOS管
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。
图2.13 单管动态存储器 图2.12 CMOS反相器
图2.13 一位单管动态存储器
图2.12 CMOS反相器
基本逻辑门和布尔代数知识基础
0.2.1
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，
图2
图2.14 逻辑真值表、门电路符号
b)或门
表达式为： Z＝A＋B，
图2
图2.15 或逻辑真值表、门电路符号
c)非门
表达式为： Z＝/A，
图2
图2.16 非逻辑真值表、门电路符号
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
图2.18 简单实现三种最基本的门电路
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。
(b) CMOS 与门
(b) CMOS 与门
(a) 实现晶体三极管实现
(a) 实现晶体三极管实现
图2
图2.19 以门的实际电路为例
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
图2.20b
图2.20b
图2.20a
0.2.2
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对应表
表2.1 真值表
Xn
Yn
Fn
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
0
通过真值表达表达方式：
①输人取值相为l"与";
②各与项
