本教材共分三篇共13章。第一篇是数字电路理论基础, 分为2章, 主要介绍数字电路的基本概念、数制与编码以及数字电路分析与设计的工具-逻辑代数。第二篇是数字集成电路, 分为7章, 以原理为主线, 以器件为目标, 介绍常用的门电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路器件以及存储器、整形电路和A/D、D/A转换器件, 在章未附有设计项目, 以便能用学以致用。
张俊涛 陕西科技大学电气与信息工程学院教授、硕士生导师,中国电子学会高级会员,陕西省电子线路教学指导委员会委员。长期从事电类专业基础课程教学和实践教学、电子信息类专业课程教学以及软件无线电、嵌入式系统应用等领域的科研工作,先后开设“模拟电子技术”、“数字电子技术”、“信号与系统”、“EDA技术及应用”、“数字信号处理”、“高频电路”和“单片机原理及应用”等多门本科生课程以及“电子系统设计技术”研究生课程,同时组织和指导全国大学生电子设计竞赛、EDA/SOPC电子设计专题竞赛和模数混合电路应用设计竞赛等共10多届,获*奖10多项,省级奖百余项。发表学术论文60余篇,其中EI检索6余篇。主持省部级及企业合作科研项目8项。授权国家发明专利2项,主编和参编教材5部。
第3章门电路
实现基本逻辑关系和复合逻辑关系的单元电子线路称为门电路(gates)。门电路是最基本的数字电路,其名称源于它们能够控制数字信息的流动。
逻辑代数中定义了与、或、非、与非、或非、异或和同或共7种逻辑运算,相应地,实现上述逻辑关系的门电路分别称为与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门和同或门。由于非门的输出与输入状态相反,所以习惯上称为反相器。
在门电路中,用高电平和低电平表示逻辑代数中的1和0。所谓电平,是指相对于电路中特定的参考点(一般为“地”),电路的输入、内部节点以及输出电位的高低。
TTL门电路的电源电压规定为5V,定义2.0~5.0V为高电平,0~0.8V为低电平,如图31(a)所示,而0.8~2.0V则认为是高电平和低电平之间的不确定状态。CMOS门电路的电源电压取5V时,定义3.5~5.0V为高电平,0~1.5V为低电平,如图31(b)所示,而1.5~3.5V则认为是高电平和低电平之间的不确定状态。
用高、低电平表示逻辑代数中的0和1有正逻辑和负逻辑两种赋值方法,如图32所示。用高电平表示逻辑1、低电平表示逻辑0,称为正逻辑赋值;相反地,用高电平表示逻辑0、低电平表示逻辑1,称为负逻辑赋值。两种赋值方法等价,为思维统一起见,本书默认采用正逻辑。
图31逻辑电平的定义
图32正/负逻辑表示法
高、低电平可以通过如图33所示的开关电路产生。设VCC=5V,对于图33(a)所示的单开关电路,当输入信号控制开关S闭合时输出vO为低电平,S断开时通过上拉电阻使vO=VCC,输出为高电平。
对于图33(b)所示的互补开关电路,输入信号控制开关S1闭合、S2断开时,vO输出为高电平;控制开关S1断开、S2闭合时,vO输出为低电平。
图33获得高、低电平的开关电路模型
图33中的开关可以用晶体二极管、三极管或场效应管实现。因为二极管在外加正向电压时导通,外加反向电压时截止,能够表示开关的闭合和断开。工作在饱和区和截止区的三极管同样能够表示开关的闭合和断开。场效应管作为开关的原理与三极管类似。
3.1分立元件门电路
门电路可以基于二极管、三极管或场效应管这些分立元件设计。二极管可以构成与门和或门,而非门则需要基于三极管或场效应管设计。
二极管为非线性元件,常用硅二极管的伏安特性如图34所示。从伏安特性曲线可以看出,二极管在外加反向电压但还未达到击穿电压时只有非常小的漏电流流过(一般为pA级),此漏电流可以忽略不计,认为二极管截止;
图34二极管的伏安特性
二极管在外加正向电压并高于阈值电压时导通,有明显的电流流过。对于硅二极管来说,该阈值电压一般在0.5V左右。
二极管在近似分析中通常用模型代替,以简化电路分析。图35是二极管常用的3种近似模型,图中的虚线表示二极管实际的伏安特性,实线则表示其模型的伏安特性。
图35二极管的3种近似模型
图35(a)称为理想模型。理想模型将二极管看作理想开关,外加正向电压时导通,并且导通电阻rON=0;外加反向电压时截止,并且截止电阻rOFF=∞。
图35(b)称为恒压降模型。恒压降模型认为二极管外加正向电压达到导通电压VON时才能导通,并且导通电阻rON=0;外加电压小于VON时截止,截止电阻rOFF=∞。对于硅二极管来说,VON一般按0.7V进行估算。
图35(c)称为折线模型。在折线模型中二极管导通时仍有一定的导通电阻,即rON≠0,其两端电压v随着电流i的随大而增大。导通电阻定义为rON=Δv/Δi。
由于逻辑电平定义为一段范围,而不是一个确定的数值,因此对于数字电路来说,无论采用哪种模型分析都并不影响电路逻辑关系的正确性。为方便分析,同时考虑尽量接近二极管实际的伏安特性,下面将采用恒压降模型进行分析。
3.1.1二极管与门
两输入二极管与门电路如图36所示,图中A、B为两个输入变量,Y为输出变量。
图36两输入与门
设电源VCC=5V,输入端A和B的高电平VIH为3V,低电平VIL为0V。两个输入端电平的组合共有4种可能性:0V/0V、0V/3V、3V/0V和3V/3V。当A、B中至少有一个为低电平时,二极管D1和D2至少有一个导通,由于二极管的导通压降约为0.7V左右,所以输出电平被限制为0.7V左右;当A、B同时为高电平时,二极管D1和D2同时导通,输出电平才会升到3.7V。根据上述分析可以得到表示输出与输入之间电平关系的电平表,如表31所示。
表31图36电路电平表
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