數字電路技術

本書主要內容有數制與碼制、數字邏輯運算基礎、邏輯門電路、組合邏輯電路、觸發器、時序邏輯脈衝波形的產生和交換、數模和模數轉換器、半導體存儲器和可編程邏輯器件及應用等。在內容選取和安排上,編寫時突出基本概念、基本理論和基本方法,主要講述分析和設計的方法。為便於讀者學習,着重講清思路,交代方法,每章都有小結、習題和思考題,以幫助複習和鞏固所學知識。

本書可作為電子信息工程、通信工程等相關專業本科生的教材,也可供從事電子技術的技術人員參考。

第1章 緒論

1.1 概述

用數字信號完成對數字量進行算術運算和邏輯運算的電路稱為數字電路，或數字系統。由於它具有邏輯運算和邏輯處理功能，所以又稱數字邏輯電路。現代的數字電路由半導體工藝製成的若干數字集成器件構造而成。邏輯門是數字邏輯電路的基本單元。存儲器是用來存儲二值數據的數字電路。從整體上看，數字電路可以分為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩大類。

1.2 數制和碼制

本章小結

習題和思考題

第2章 數字邏輯基礎

2.1 幾個基本概念

2.2 邏輯代數及其運算

邏輯代數是分析和設計邏輯電路的數學基礎。邏輯代數是由英國科學家喬治·布爾(George·Boole)創立的，故又稱布爾代數。

⒈與邏輯和乘法

乘法原理中自變量是因變量成立的必要條件，與邏輯的定義正好和乘法原理的描述一致，所以與邏輯和乘法對應。

⒉或邏輯和加法

加法原理中自變量是因變量成立的充分條件，或邏輯的定義正好和加法原理的描述一致，所以或邏輯和加法對應。

乘法就是廣義的與邏輯運算，加法就是廣義的或邏輯運算。與邏輯運算可以看作是乘法的特例。或邏輯運算可以看作是加法的特例。

總之，乘法原理、加法原理可以看作是與邏輯和或邏輯的定量表述；與邏輯和或邏輯可以看作是乘法原理、加法原理的定性表述。

自然邏輯：上下左右前後內外中

上

左 中 右

下

這個宇宙是以三進制而存在的。

十進制，三的存在？：任意一個幾何圖形都可以分解成九個與之一模一樣的小的圖形。九是由三構成的，所以三存在！

關於橢圓：橢圓可以分解成八個與之一模一樣的小的圖形及兩個半體圖形，合起來還是九個。

2.3 邏輯代數的公式和運算規則

邏輯運算又稱布爾運算 布爾用數學方法研究邏輯問題，成功地建立了邏輯演算。他用等式表示判斷，把推理看作等式的變換。這種變換的有效性不依賴人們對符號的解釋，只依賴於符號的組合規律 。這一邏輯理論人們常稱它為布爾代數。20世紀30年代，邏輯代數在電路系統上獲得應用，隨後，由於電子技術與計算機的發展，出現各種複雜的大系統，它們的變換規律也遵守布爾所揭示的規律。邏輯運算 (logical operators) 通常用來測試真假值。最常見到的邏輯運算就是循環的處理，用來判斷是否該離開循環或繼續執行循環內的指令。

2.4 邏輯函數及其表示方法

2.5 邏輯函數的公式化簡法

2.6 邏輯函數的卡諾圖化簡法

本章小結

習題和思考題

第3章 邏輯門電路

3.1 二極管與三極管的開關特性

二極管又稱晶體二極管,簡稱二極管(diode)，另外，還有早期的真空電子二極管；它是一種具有單向傳導電流的電子器件。在半導體二極管內部有一個PN結兩個引線端子，這種電子器件按照外加電壓的方向，具備單向電流的轉導性。一般來講，晶體二極管是一個由p型半導體和n型半導體燒結形成的p-n結界面。在其界面的兩側形成空間電荷層，構成自建電場。當外加電壓等於零時，由於p-n 結兩邊載流子的濃度差引起擴散電流和由自建電場引起的漂移電流相等而處於電平衡狀態，這也是常態下的二極管特性。

二極管（英語：Diode），電子元件當中，一種具有兩個電極的裝置，只允許電流由單一方向流過。許多的使用是應用其整流的功能。而變容二極管（Varicap Diode）則用來當作電子式的可調電容器。

大部分二極管所具備的電流方向性我們通常稱之為“整流（Rectifying）”功能。二極管最普遍的功能就是隻允許電流由單一方向通過（稱為順向偏壓），反向時阻斷 （稱為逆向偏壓）。因此，二極管可以想成電子版的逆止閥。然而實際上二極管並不會表現出如此完美的開與關的方向性，而是較為複雜的非線性電子特徵——這是由特定類型的二極管技術決定的。二極管使用上除了用做開關的方式之外還有很多其他的功能。

早期的二極管包含“貓須晶體（"Cat's Whisker" Crystals）”以及真空管(英國稱為“熱遊離閥（Thermionic Valves）”)。現今最普遍的二極管大多是使用半導體材料如硅或鍺。

正向性，外加正向電壓時，在正向特性的起始部分，正向電壓很小，不足以克服PN結內電場的阻擋作用，正向電流幾乎為零，這一段稱為死區。這個不能使二極管導通的正向電壓稱為死區電壓。當正向電壓大於死區電壓以後，PN結內電場被克服，二極管正向導通，電流隨電壓增大而迅速上升。在正常使用的電流範圍內，導通時二極管的端電壓幾乎維持不變，這個電壓稱為二極管的正向電壓。

三極管又稱“晶體三極管”或“晶體管”。在半導體鍺或硅的單晶上製備兩個能相互影響的PN結，組成一個PNP（或NPN）結構。中間的N區（或P區）叫基區，兩邊的區域叫發射區和集電區，這三部分各有一條電極引線，分別叫基極B、發射極E和集電極C，是能起放大、振盪或開關等作用的半導體電子器件。

三極管（以下簡稱三極管）按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結構形式，但使用最多的是硅NPN和鍺PNP兩種三極管，（其中，N表示在高純度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在電壓刺激下產生自由電子導電，而p是加入硼取代硅，產生大量空穴利於導電）。兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。　對於NPN管，它是由2塊N型半導體中間夾着一塊P型半導體所組成，發射區與基區之間形成的PN結稱為發射結，而集電區與基區形成的PN結稱為集電結，三條引線分別稱為發射極e、基極b和集電極c。

當b點電位高於e點電位零點幾伏時，發射結處於正偏狀態，而C點電位高於b點電位幾伏時，集電結處於反偏狀態，集電極電源Ec要高於基極電源Ebo。在製造三極管時，有意識地使發射區的多數載流子濃度大於基區的，同時基區做得很薄，而且，要嚴格控制雜質含量，這樣，一旦接通電源後，由於發射結正偏，發射區的多數載流子（電子）及基區的多數載流子（空穴）很容易地越過發射結互相向對方擴散，但因前者的濃度基大於後者，所以通過發射結的電流基本上是電子流，這股電子流稱為發射極電流了。由於基區很薄，加上集電結的反偏，注入基區的電子大部分越過集電結進入集電區而形成集電極電流Ic，只剩下很少（1-10%）的電子在基區的空穴進行復合，被複合掉的基區空穴由基極電源Eb重新補給，從而形成了基極電流Ibo.根據電流連續性原理得：Ie=Ib+Ic，這就是説，在基極補充一個很小的Ib，就可以在集電極上得到一個較大的Ic，這就是所謂電流放大作用，Ic與Ib是維持一定的比例關係，即：β1=Ic/Ib 式中：β1--稱為直流放大倍數，集電極電流的變化量△Ic與基極電流的變化量△Ib之比為：β= △Ic/△Ib。式中β--稱為交流電流放大倍數，由於低頻時β1和β的數值相差不大，所以有時為了方便起見，對兩者不作嚴格區分，β值約為幾十至一百多。三極管是一種電流放大器件，但在實際使用中常常利用三極管的電流放大作用，通過電阻轉變為電壓放大作用。

3.2 1TrL集成門電路

3.3 CMOS集成邏輯門電路

邏輯門（Logic Gates）是在集成電路(Integrated Circuit)上的基本組件。簡單的邏輯門可由晶體管組成。這些晶體管的組合可以使代表兩種信號的高低電平在通過它們之後產生高電平或者低電平的信號。高、低電平可以分別代表邏輯上的“真”與“假”或二進制當中的1和0，從而實現邏輯運算。常見的邏輯門包括“與”門，“或”門，“非”門，“異或”門(Exclusive OR gate)（也稱：互斥或）等等。邏輯門可以組合使用實現更為複雜的邏輯運算。

3.4 門電路使用及連接的問題

本章小結

習題和思考題

第4章 組合邏輯電路