第一章緒論

本章主要說明幾個問題，有些例題請同學們結合作業自己再看一看書。什么是數字信號？它與模擬信號的區別是什么？數制及其轉換二-十進制碼（BCD碼）數字電路的分類作業什么是數字信號？自然界廣泛存在的物理量都是模擬量，如溫度、壓力等。表示模擬量的信號叫做模擬信號，特點是：——信號在時間上和幅度上的取值都是連續的。例如：正弦波就是一種典型的模擬信號。還有一些物理量，它們在時間和幅度上的取值是不連續的、離散的，這類物理量叫做數字量。表示數字量的信號稱為數字信號。

例如：計算機要對模擬信號進行處理，就必須對模擬信號進行采樣，采樣的結果就是一種數字信號。

數字信號在數值上是離散的，為了便于實現，通常使之只有0、1兩種取值，在電路上對應開關的開和閉、電平的高和低。每個數字信號只有0、1兩種取值，如何表示模擬信號各種不同的幅度呢？——用組合數字信號來描述這個幅度。

我們以A/D模/數轉換為例，在黑板上簡單畫一畫，說明一下。

返回數制及其轉換數制我們最熟悉十進制：十個碼元0~9，逢十進一。任意地，R進制有R個碼元，逢R進一。數制之間的轉換任意數制之間都可以進行轉換，我們比較感興趣的是十進制與其他進制之間的轉換。

R進制轉換為十進制：將R進制加權求和即可。十進制轉換為R進制:需要將整數部分和小數部分分別進行轉換，然后再將它們合并起來。

整數依次除以R，用余數構成各位。

書中第4頁例1-4

小數依次乘以R，用積的整數部分構成各位。例1-7小數部分的轉換有一個精度問題，不可能都十分準確，只要滿足所提要求即可。如例1-7要求精度為0.1%，二進制數的小數點后第九位為1/512，第十位為1/1024。所以要保留到小數點后第十位，第九位達不到要求，第十一位太熱情了。

返回

二-十進制代碼（BCD代碼）我們常用的數字1、2、3……9、0通常有兩大用途：表示大小：10000（一萬），8848米。表示編碼：000213班，8341部隊。我們習慣使用十進制，計算機硬件基于二進制，兩者的結合點就是

BCD(BinaryCodedDecimal)碼，即用二進制編碼表示十進制的十個碼元0~9。至少要用四位二進制數才能表示0~9，因為三位二進制最多只有8種組合。四位二進制有16種組合，足夠了。現在的問題是要在16種組合中挑出10個，分別表示0~9，怎么挑呢？不同的挑法構成了不同的BCD碼。

常用BCD代碼給出了幾種挑選方法：數字電路的分類處理數字信號的電路叫做數字電路，數字電路可以有分立元件組成，更多的是集中制作在一個半導體基片上，稱為集成電路。集成電路按照集成度的不同分為小規模、中規模、大規模和超大規模。集成電路按照邏輯功能的設定來劃分，可分為：大、中、小規模通用型如TTL的74系列，CMOS系列專用集成電路ASIC(ApplicationSpecificIC)

可編程邏輯器件PLD(ProgrammableLogicDevice)

返回第二章邏輯函數及其簡化邏輯代數=布爾代數=開關代數解決邏輯問題的理論方法

，與布爾、香農有關主要內容基本邏輯關系：與、或、非及其組合邏輯函數的表示方法：函數式

真值表卡諾圖邏輯圖邏輯函數的化簡方法：代數法和卡諾圖法第一節邏輯代數一、基本邏輯最基本的邏輯關系只有三種，即：與或非比如要辦成一件事的條件：每個人都完成才算完成---與任一人完成即算完成------或完成的反面是沒完成------非二、邏輯運算（細節自學）

1、基本邏輯運算與邏輯：邏輯乘P=AB“有0則0”

或邏輯：邏輯加P=A+B“有1則1”非邏輯：邏輯非P=/A“求反”2.復合邏輯運算（細節自學）與非邏輯P=AB“全高出低、一低出高”或非邏輯P=A+B“全低出高、一高出低”與或非邏輯P=AB+CD異或邏輯P=AB=AB+AB“不同為1”同或邏輯P=AB=AB+AB“相同為1”三、真值表、邏輯函數及其應用

一個復雜的邏輯問題，包含多種基本邏輯關系及其組合，可用邏輯函數來表示。例如：有一個水塔，由大小兩個水泵供水。水位高于C時不供水，水位低于C時由小水泵單獨供水；水位低于B時，由大水泵單獨供水；水位低于A時，由兩個水泵同時供水，請說明兩個水泵的工作情況。解：設大電機為ML，小電機為MS，取值為1表示工作，為0表示停止。三個限位為A、B和C，取值為1表示水位低于A、B和C點

列出真值表寫出邏輯表達式

ABCMSML可由ML（或MS）為1的各項

00000寫出ML（或MS）的與或式：

00110ML=ABC+ABC01101MS=ABC+ABC11111也可以用ML（或MS）為0的各項寫出或與式：

ML=（A+B+C）

（A+B+C）

MS=（A+B+C）（A+B+C）四、邏輯代數的基本定律1、一般規律：A+0=AA0=0A+1=1A1=A

A+A=1AA=0A+B=B+AAB=BAA+B+C=（A+B）+C=A+（B+C）

ABC=（AB）C=A（BC）

A（B+C）=AB+ACAA=AA+A=A2、特殊規律:

吸收律：（A+B）（A+C）=A+BCA+AB=AA（A+B）=AA+AB=A+BAB+AC+BC=AB+AC

反演律：ABC=A+B+CA+B+C=ABC五、邏輯代數運算的三個規則1、代入規則：任何一個含有變量A的等式，如果將所有出現變量A地方都代之以一個邏輯函數F，等式仍成立。2、反演規則（摩根定理）：F是一個邏輯函數表達式，如果將表達式中所有的“與

”換為“或+”，

所有的“或+”換為“與”，

例題見書所有的常量0換為1，1換為0，

替換時注意順序！所有的原變量換為反變量，

所有的反變量換為原變量，則所得到的表達式為F，稱為F的反函數。3、對偶規則：如果將反演規則中的原反變量互換的條件去掉，則得到的表達式為F*，稱為F的對偶式。六、邏輯函數的標準形式

一個邏輯函數的表達式不是唯一的，可以有多種形式，以與-或式為例：設F（）是邏輯函數，A、B、C是邏輯變量

F（A，B，C）=AB+AC=AB+AC+BC

=ABC+ABC+ABC+ABC其中最后一行最為復雜，但它有一個特點，每個乘積項中都包含所有的變量（原變量或反變量），且僅出現一次，這樣的乘積項叫最小項，全部由最小項相加構成的表達式稱為最小項表達式，也叫與-或式的標準形式。函數的最小項表達式是唯一的。最小項意指在邏輯變量的所有組合中，該項取值為1的可能最小

同樣地，對或-與式來說，其標準形式是最大項之積。如：F（A，B，C）=（A+B+C）（A+B+C）（A+B+C）最大項意指取值為1的機會最大。

如果一個邏輯函數有n個變量，則它有2n個最小項，也有2n個最大項。例如：

F（A，B，C）有3個變量，有8個最小項，8個最大項每個最大項、最小項由原反變量組合而成，不好寫，也不好記，我們為它們編一個號碼，最小項用小寫m，最大項用大寫M，再加一個下標，下標的取值規律是：變量按順序排好，原變量為1，反變量為0，取其2進制值三變量最小項、最大項表用最小項、最大項符號寫邏輯表達式由前例可見，將邏輯表達式寫為標準形式的過程

是一個從簡潔到煩瑣的過程，它得到的好處是形式唯一。在以后學習卡諾圖時會用到。

第二節邏輯函數的簡化如前所述，同一函數的邏輯表達式有多種形式，或繁或簡。簡單的形式對應簡潔的電路，煩瑣的形式對應復雜的電路。在滿足邏輯功能的條件下，誰愿意費時費錢費力地舍簡求繁呢？因此我們希望將邏輯表達式寫得盡量簡單。書中41頁的例子說明化簡的工作十分必要。簡化與否大不一樣！

一、公式法化簡

與以前簡化代數式的過程類似，只是所使用公式、定理不同，要經常使用我們前面學習的基本公式。

根據使用公式的不同，公式法化簡可分為幾種方法：1、合并項法利用公式AB+A/B=A

例如水泵例題中：

ML=/ABC+ABC=（/A+A）BC=BC2、吸收法利用公式A+AB=A

AB+/AC+BC=AB+/AC例：AC+ABCD+ABC+CD+ABD=AC+CD+ABD=AC+CD3、消去法利用公式A+AB=A+B

例：AB+AC+BC=AB+（A+B）C=AB+ABC=AB+C

4、配項法采用迂回戰術，先由簡到繁，利用1=A+/A或利用AB+AC=AB+AC+BC，先配入一些項，再重新組合、化簡。例：

AB+BC+BC+AB=AB+BC+BC（A+A）+AB（C+C）

=AB+BC+ABC+ABC+ABC+ABC=AB+BC+AC5、綜合化簡利用上述四種方法，靈活運用。例如：

AD+AD+AB+AC+BD+ACEF+BEF+DEFG=A+AB+AC+BD+BEF+ACEF=A+AC+BD+BEF=A+C+BD+BEF二、圖解法（卡諾圖法）化簡

由上述公式法化簡的例題來看，比較復雜的綜合題不太好化簡，從哪里開始下手，能簡化到什么程度，很難一下看出來。有時候，原題的給出順序都能影響化簡的思路。例如：

F=ABD+ABC+ABD+ABC=ABD+ABD+ABC+ABC=AB+AB=A

這說明如果可以將可簡化部分放在一起，會比較直觀。

1、卡諾圖卡諾圖就是一種非常直觀的圖表，通過卡諾圖可以發現哪些部分可以最大程度地化簡，哪些部分已不可能化簡。為了達到這樣的目的，卡諾圖的設計思路：

n變量的邏輯函數,有2n個最小項，將這2n個最小項適當地排放在一個由方格構成的方陣中，使任意相鄰方格中的兩個最小項之間只有一個變量是互補的，其他都相同。四變量卡諾圖示例ABCD00011110ABCDABCDABCDABCD00m0m4m12m8ABCDABCDABCDABCD01m1m5m13m9ABCDABCDABCDABCD11m3m7m15m11ABCDABCDABCDABCD10m2m6m14m10

從四變量卡諾圖可以看出卡諾圖的排布特點，兩變量函數太簡單不必用卡諾圖，五變量函數的卡諾圖由兩張四變量卡諾圖組成，但已失去了直觀性，不常用。本書對三、四變量卡諾圖使用較多。

有關N變量卡諾圖的構成，循環碼排列規律請同學再看書自學一下。

2、用卡諾圖表示邏輯函數

了解了卡諾圖的形式，我們就知道每個最小項固定的房間了。所以用卡諾圖表示邏輯函數的方法如下：

a、將邏輯函數寫成標準形式，即最小項表達式。

b、邏輯函數包含哪些最小項，其對應的方格填1。

c、邏輯函數不包含的最小項，其對應的方格填0或空著。使用熟練之后，可直接由原函數填寫卡諾圖。

例如：

F=ABC+ABD+AC

=ABCD+ABCD+ABCD+ABCD

+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD

=∑m(12,13,5,7,10,11,14,15)3、利用卡諾圖合并最小項的規律

卡諾圖合并最小項的根據是AB+AB=A，在討論合并規律之前，我們先看看卡諾圖合并最小項的幾種情況：四個相鄰項的合并舉例八個相鄰項的合并舉例

由上述各種合并情況，我們可以總結卡諾圖合并最小

項的規律如下：

在卡諾圖中，如果可畫出這樣的矩形包圍圈，內含2i

個方格，且全為1格，則可以合并。方法是保留圈內沒有0，1變化的變量，消去出現0，1變化的變量。

4、利用卡諾圖化簡邏輯函數卡諾圖合并最小項的過程，就是邏輯函數化簡的過程，實際上就是找出有效包圍圈的過程。為說明如何才能完成函數化簡，我們先說明幾個概念：

主要項：當一個包圍圈已經達到最大范圍時，其對應的合并乘積項稱為主要項。

必要項：如果主要項包圍圈中，至少有一個獨立1格，

它不屬于任何其包圍圈，則這個主要項稱為必要項。

多余項：如果主要項包圍圈中沒有獨立的1格，則稱

為多余項。

根據上述定義，我們將卡諾圖化簡法的步驟歸納如下：（1）作出欲化簡函數的卡諾圖。（2）圈出無相鄰項的孤立1格。（3）圈出只有一種圈法的包圍圈。（4）余下的1格都有兩種或兩種以上圈法，此時的原則是在保證有獨立1格的前提下，包圍圈越大越好，圈數目越少越好。所有1格至少被圈過一次。（5）將所有包圍圈對應的乘積項相加，即為所求。卡諾圖化簡舉例1：化簡函數，書例2-15

F（a,b,c,d)=∑m(0,2,5,6,7,9,10,14,15)

卡諾圖化簡舉例2：化簡函數，書例2-16

F（a,b,c,d)=∑m(3,4,5,7,9,13,14,15)卡諾圖化簡舉例3：化簡函數，書例2-17

F（a,b,c,d)=∑m(0,2,5,6,7,8,9,10,11,14,15)

本例說明每一項都是必要項的表達式，也不一定是最簡式，如本例(C)。應該選擇圈數最少的。卡諾圖化簡舉例4：化簡函數，書例2-18

F（a,b,c,d)=∑m(1,2,3,5,7,8,12,13)本例說明一個邏輯函數可能有多個最簡表達式，繁簡程度相當。卡諾圖化簡舉例5：書例2-20求函數的最簡或-與式

F（a,b,c,d)=∑m(0，2,3,5,7,8,10,11,13)

對卡諾圖中的0格畫包圍圈，畫法與1格的相同，但它關心的是函數值為0的情況，應寫為或-與式。注意：寫或-與式時，原、反變量的取值為0、1

F=(b+c+/d)(/a+/b+/c)(/b+d)5、任意項的使用

什么叫任意項？在一個邏輯問題中，如果某種輸入組合不會出現，或針對這種輸入組合的輸出不確定，則這樣的輸入組合（一個最小項）稱為任意項。

在邏輯函數化簡過程中，恰當地利用任意項，可以使函數得到進一步的簡化。例如：前面講過的水塔供水問題，我們由真值表得到：ML=/A/BC+ABCMS=/ABC+ABC經過邏輯代數化簡ML=BC

已經得到了簡化，MS不變，但其實還有化簡的可能，這就是利用任意項。我們在最初列真值表時，只考慮了可能出現的組合，現在我們把所有組合都加入，再列一個真值表：

ABCMSML

00000由卡諾圖，得到：

00110

01101MS=A+/BC

11111

010XXML=B

100XX

101XX

110XX

任意項的使用例題書P61例2-21

F（a,b,c,d)=∑m(5,6,7,8,9)+∑d(10,11,12,13,14,15)

任意項的使用例題書P61例2-21

F（a,b,c,d)=∑m(0,2,5,9,15)+∑d(6,7,8,10,11,12,13)6、靈活運用正反函數關系7、邏輯函數與邏輯圖

邏輯圖是表示邏輯函數的一種重要形式，要用硬件實現邏輯函數，離不開邏輯電路圖。

畫邏輯圖很簡單，將簡化后的表達式中的與、或、非等邏輯關系用邏輯門來表示，按前后級關系加上連線就可以了。如果最終表達式里包含有多種邏輯關系，就要用多種門電路實現。如果只允許使用一種門電路，如：與非門，則必須先對表達式進行處理，然后再畫邏輯圖。

第二章作業P471.（3）2.（1）3.（1）7.（1）8.（2）、（4）9.（3）、（5）、（8）10.

必要項中的15改為3第三章集成邏輯門

本章主要介紹以下內容：晶體管的開關特性

TTL集成邏輯門

CMOS電路對發射極耦合邏輯（ECL）和MOS邏輯門電路作一般性介紹。第一節晶體管開關特性

數字電路的基本細胞是晶體管，數字電路是由千千萬萬個晶體管組成的。數字電路的工作特性實際上取決于晶體管的特性。在數字電路中晶體管工作在開關狀態，本章將簡要介紹晶體管的開關特性，并介紹二極管限幅器、鉗位器，三極管反相器。一、PN結特性

（一）、PN結的構成半導體材料經不同摻雜過程，可使其內部的電子和空穴的濃度各不相同。濃度大的稱為多數載流子，濃度小的稱為少數載流子。多子為電子的是N型材料；多子為空穴的是P型材料。晶體二極管和三極管由P型和N型半導體材料復合而成，P型和N型半導體材料貼在一起，其接合部稱為結。二極管有一個結，三極管有兩個結。

（二）、擴散電流和漂移電流擴散電流：由于PN結兩邊載流子的濃度差別，載流子會從濃度高的一方向濃度低的一方運動，稱為擴散運動，它產生擴散電流。漂移電流：由于電位差的存在，載流子在電場的作用下產生的運動，稱為漂移運動，它產生漂移電流。電位差來自外加電壓和電荷積累構成的內電場。流過PN結的總電流

=擴散電流+漂移電流（三）、外加電壓對PN結的影響

PN結的通斷，流過PN結的電流大小，與PN結處的少子濃度有關，而少子濃度直接受PN結外加電壓的影響，

因此我們分析一下外加電壓的幾種情況：

無外加電壓：濃度造成的擴散和內電場造成的漂移達到動態平衡，PN結面的凈電荷為零，PN結沒有電流流過。

外加正向電壓：外加電場克服內電場，其形成的少子運動與擴散運動一致，PN結處少子濃度加大，有較大電流流過PN結。

外加反向電壓：加強了內電場，抑制了擴散運動，PN結處少子濃度很低，只有很小的反向電流。

三種情況下的少子濃度分布圖見書。

這可用中俄邊貿的情況作個比喻。（四）、PN結的電容效應

PN復合結構可細分為兩部分，接合部附近稱為結，也叫空間電荷區。結兩邊的區域稱為擴散區。在上述兩區域內，離子電荷、載流子濃度隨外加電壓的變化而變化，是影響PN結電流電壓特性的根本原因。這兩個區域的變化過程類似于電容的充放電過程。空間電荷區等效為位壘電容，擴散區等效為擴散電容。了解PN結內部的變化過程，對理解二極管的開關特性具有重要意義。二、晶體二極管的開關特性

二極管（就是一個PN結）具有單向導電性，理想二極管如同一個開關。但實際二極管與理想的二極管還是有一些區別的，特別是在高頻電路中，必須加以注意。（一）、二極管穩態開關特性

i=Is(eqv/(kT)-1)v=0時

I=0；v為負時，I=-Isv為正時，I=Iseqv/(kT)

理想/實際二極管：導通：端電壓=0/VD截止：I=0/-IS（二）、瞬態開關特性二極管瞬態開關特性的細節，同學們自己再看一看，主要問題是：反向恢復時間是影響二極管開關特性的主要因素、正向恢復時間往往可以忽略。出現反向恢復時間的原因是電荷存儲效應（外加正向電壓時，非平衡少子的積累）。

反向恢復時間與哪些因素有關？

trtstf的定義？（三）、晶體二極管開關參數

自己看書，應知道有哪些主要參數，它們的物理意義取值的大致范圍。比如：最大正向電流、最大反向電壓、反向電流和反向恢復時間等。

三、晶體二極管限幅器及鉗位器（一）、二極管限幅器（掐頭去尾）

利用二極管的單向導通特性，限制某些信號的通過。1、串聯限幅電路

串聯限幅電路是指二極管處于與輸入、輸出首尾相連。

可以上限幅、下限幅和雙限幅。

串聯下限幅電路可調整限幅電平的下限幅電路串聯雙限幅電路

V2>V1

理想二極管2、并聯限幅電路

二極管處于與輸出、輸入相并的狀態。

并聯下限幅電路限幅電平可調的并聯下限幅電路

雙限幅的另一個例子是輸入保護二極管限幅。并聯雙限幅電路

上述限幅器都假定二極管為理想二極管，限幅電路

的實際輸出波形會差一些。比如：

二極管正向導通電阻不為0，輸出電壓幅度會由于分壓而減小。

二極管反向截止電流不為

0，且有結電容輸出電壓會有殘留波形。

輸出端容性負載或分布電容，對輸出波形的影響：

充電電阻小，放電電阻大

對后沿影響較大。

（二）、二極管鉗位器（挪上搬下）

鉗位器的作用是將輸入波形的頂部或底部搬移到某

一電平處，不剪裁波形。四、晶體三極管開關特性

在數字電路中，三極管是作為開關使用的。三極管

截止相當于開關斷開；三極管飽和相當于開關閉合；因此我們最關心三極管截止和飽和時的情況。

（一）、穩態開關特性

理想穩態開關特性：關態：輸入低電平，三極管截止，C、E極間無電流。

IC等于0，輸出為VCC。開態：輸入高電平，三極管導通，C、E極電壓為零。

IC等于VCC/RC，輸出為0V。

實際穩態開關特性：關態：基極接負電壓，集電結、發射結均反偏，IC=ICBO

輸出約等于VCC。C、E之間無導通電流。晶體三極管工作于截止區的說明見下圖

發射極開路

IE=0基極開路

基極加反壓

-VBO

開關理想斷開C、E之間有穿透可使IE=0，臨界截止但不實用，此時電流

ICEO不可靠，使負壓負于

IB=-ICBO發射結正偏VBO-VBO才可靠實際穩態開關特性：開態：希望VC（即輸出電壓VO）接近于0V，應工作在飽和區，C、E結電壓最小。在放大區時，IB增加，IC成

倍增加，但隨著IC的增加VC逐漸下降，當達到VC=VB

(硅管約0.7v）時，CE結零偏，稱為臨界飽和此時IB叫臨界飽和基極電流IBS，此時IC叫臨界飽和集電極電流ICS。達到臨界飽和之后，IB再增加IC也增加不多了，進入飽和區，隨著IB增加，飽和深度增加，VC有所降低，最低約0.3v(硅管)。

總之，晶體三極管的穩態開關特性要求：

1、關態應可靠截止，條件是：發射結和集電結均反偏

VBVE，VBVC

通常在基極接負電壓。

2、開態應可靠飽和，條件是：發射結和集電結均正偏

VB>VE，VB>VCVCC—VCE（SAT臨）ICS

使IB

>IBS

=————————————=——

RC

上述公式是今后我們判斷飽和與放大的依據。

判斷工作狀態的例題見書，自學！（二）、瞬態開關特性

當晶體三極管發生由截止到飽和，或由飽和到截止

的狀態翻轉時，其工作特性稱為瞬態特性。

瞬態開關特性也分理想特性和實際特性，由于三極管也是PN結結構，存在電荷的積累和消散的過程，仍可等效為位壘電容和擴散電容，所以狀態轉換不可能瞬間完成，要有一個過渡過程。如下圖所示，在狀態轉換過程中，存在著位壘電容充電、擴散電容充電、擴散電容放電和位壘電容放電幾種過程。也定義了開通時間（延遲+上升）、關斷時間（存儲+下降）幾個參數，請看：

由上圖可知：與理想瞬態開關特性相比，實際電路的輸出波形會發生畸變，邊沿變差。作為定量分析，將波形的畸變細分為：

對上升沿：三極管從截止到導通，稱為開通時間TON它包括：TON=TD+TR

延遲時間TD，主要對應位壘電容的充電過程。上升時間TR，主要對應擴散電容的充電過程。

對下降沿：三極管從導通到截止，稱為關斷時間TOFF它包括：TOFF=TS+TF

存儲時間TS，主要對應擴散電容的放電過程。下降時間TF，主要對應位壘電容的放電過程。

由于不同三極管的開通時間和關斷時間不盡相同，為便于綜合性的對比，常用平均延遲時間Tpd

來表示：

影響瞬態特性的內部和外部因素有哪些？（三）、晶體三極管的開關參數

由書第118頁的參數表可見，開關參數分為穩態參數和瞬態參數：穩態開關參數：（飽和結壓降、反向漏電流）

ICBO、ICEO、VCE（SAT）和VBE（SAT）瞬態開關參數：（延遲時間）

ton和toff五、晶體三極管反相器

顧名思義，反相器的作用是將輸入信號極性求反，高電平變低電平，低電平變高電平。

（一）、工作原理

根據反相的要求：當輸入電壓VI為低電平VL時，輸出VO應為高電平VH；此時三極管應可靠截止。當輸入電壓為高電平時，輸出應為低電平，此時三極管應可靠飽和。

如何才能“可靠”呢？要合理地選擇元件參數。1、可靠截止使B、E之間相當于開路。

由等效電路，基極電壓VBE為

R1VBE=VL—————（VL+VBB）

R1+R2為可靠截止，VBE應小于等于0，故應滿足關系式：

R1VL—————（VL+VBB）

0R1+R2可見VBB、R1加大，R2減小對截止有利。2、可靠飽和使C、E間為飽和壓降由等效圖IB=I1-I2

VH—VBE（SAT）

I1=——————————R1VBE（SAT）—VBBI2=——————————R2

VCC—VCE（SAT）

IBS=——————————

RC應使IBIBS，我們定義飽和

IB系數S=——S大，飽和深減小R1，增大R2，IBIBS

對飽和有利。將上述表達式代入IB=SIBS但對截止不利，兩者矛盾。

由反相器可靠截止、飽和的關系式，我們就可以設計

反相器基本電路了。

由于可靠飽和、可靠截止對R1、R2的要求相反，所

以選擇R1、R2時應兼顧兩方面的要求。

書中舉例說明選定元件的方法，自己看一看。計算元件參數的題目，無外是給定一部分參數，利用上述關系式計算其他參數，應理解了公式的推導過程，不要死記硬背。

在保證電路穩態參數（可靠截止、飽和）的同時，應注意到：深度的飽和和截止，會對反相器的瞬態開關特性產生不利的影響，使開通時間和關斷時間加長，設計時應全面考慮。

（二）、提高開關速度的兩種方法

由于晶體三極管有位壘電容和擴散電容，在加上外部電的分布電容、負載電容，所以輸出波形失真，時間延

遲，為提高反相器的開關速度，可采用以下兩種方法：

1、基極加速電容法

對輸入信號進行處理，加大瞬間電壓幅度，縮短時間。2、鉗位二極管法

對輸出信號加以處理，利用電容充電的起始部分比較陡峭的特點，改善輸出信號的上升沿。輸出波形上升時間的對比

由圖可知：Vc1應為所需要的幅值不采用鉗位二極管時，最終電壓為任何值，上升時間都是相同的。

Tr=o.23RcC0采用鉗位二極管時，需用高低兩組電源，高拉低走，能夠達到改善輸出波形的目的。

VccTr=RcC0ln---------------Vcc-Vc1（三）、反相器的帶負載能力

負載能力是指當負載發生變化時，輸出電路能夠保證其輸出指標不變的能力。先說明幾個概念：

灌電流：流入反相器的負載電流，叫灌電流Ioi。產生灌電流的負載叫灌流負載。

拉電流：流出反相器的負載電流，叫拉電流Iop。產生拉電流的負載叫拉流負載。負載能力可用保證反相器正常工作條件下的最大灌流IoIM和最大拉流IopM表示。1、帶灌流負載的能力

(1)三極管飽和時的灌流負載

Ic=IRC+IOI

灌電流加大，IC加大，飽和深度減小，過大則退出飽和。因此應滿足：

IC=IRC+IOI

IB

即

IOIMIB—VCC/RC

進一步推論：

三極管飽和程度越深，IOI

加大使IC加大后，退出飽和的可能性越小，負載能力越強。

另外，還要滿足IC=IRC+IOIM

ICM

以免損壞三極管。ICM為集電極最大額定電流。

（2）三極管截止時的灌流負載灌電流全部流入鉗位二極管，只要不超過二極管的允許的最大值即可，通常負載能力很強。

2、帶拉流負載的能力

（1）三極管飽和時拉流負載

IOP=IRC-ICIRC不變，

IOP越大，IC越小，有利于飽和，負載能力強。

IOPM

VCC/RC

（2）三極管截止時拉流負載IRC=IDC1+IOPIRC一定，IOP越大，IDC1越小，應保證鉗位二極管的正向導通電流，使其起到鉗位作用。其中：

VCC-VC1IRC=——————RC

總之

VCC-VC1IOPM

—————RC

第二節邏輯門電路

基本的邏輯關系是與或非，一個復雜的邏輯函數是

由這些基本關系組合而成的。

基本的邏輯門是與或非門，一個復雜的邏輯電路是

由這些基本邏輯門連接成的。

門電路是邏輯關系的基本硬件單元。按制作工藝的

不同，可分為雙極型邏輯門和MOS型邏輯門。

本章主要介紹兩種工藝的代表類型：TTL集成邏輯

門和CMOS邏輯門。

一、分立元件門電路

（一）、二極管門電路

首先看由二極管構成的“與門”和“或門”：這種門電路串聯使用時，高低電平會逐步提高。是一大缺點。

下圖是二極管或門，它的缺點是串聯使用時，高低電平將逐步降低。

從邏輯功能上，二極管實現“與門”、“或門”是沒有問題的。但都有一個問題，不利于串聯使用。

書中講了一下正負邏輯問題，其結論是：如果我們對同一邏輯問題，采用完全相反的兩種定義方式，一種叫正邏輯，另一種叫負邏輯，則正邏輯的與等于負邏輯的或，正邏輯的或等于負邏輯的與。

例如：通常我們將高電平定義為1，低電平定義為0，此為正邏輯。如果將高電平定義為0

，低電平定義為1，則稱為負邏輯。

有一實際邏輯電路，其特點是輸入有低電平時，輸出為低電平。可描述為：

對正邏輯來說，輸入有低0，則輸出為低0。（與關系）對負邏輯來說，輸入有低1，則輸出為低1。（或關系）

（二）、三極管門電路

下圖就是前面講過的具有基極加速電容和鉗位二極管

的三極管反相器電路，它就是一個“非門”。

三極管反相器電路常常作為門電路的輸出級。下圖是將二極管與門和三極管反相器串聯，構成“與非門”，由于是二極管（Diode）串聯三極管（Transistor）的結構，

稱為DTL電路。L=(Logic)

功能表、真值表見書P140DTL或非門

二、TTL集成邏輯門

DTL電路的缺點是速度較慢，早已被晶體管—晶體

管邏輯TTL（Transistor-Transistor-Logic）電路所取代。

目前，我們使用的TTL門電路和中、小規模集成電路以74/54系列為主，包括做實驗時所使用的芯片，都是這一系列產品。

74/54系列又根據功耗的大小，速度的快慢等分為幾個子系列，如74SXX、74LSXX、74ALSXX、74HXX和74FXX等等。

（一）、TTL門電路我們以TTL與非門電路為例，分析一下TTL電路的特點，特別是輸出級的結構，因為大多數TTL門電路的輸出級都是這種結構。

5vABC任一

1v2.1v1v為0.3v0.4v1.4v

3.6v0.7v0.3v0v

ABC均

3.6v1、與非門內部電路和原理2、推拉輸出電路和多發射極輸入

推拉輸出電路：

推拉輸出因T3和T4你通我止，你止我通而得名。它也叫圖騰柱（Totempole）輸出，有源上拉電路（Activepull-up）。

本推拉輸出電路由T4、T3、D4及R4組成，它的特點是無論輸出電平是高是低，輸出阻抗始終較低，負載能力強。同時，電路轉換速度快。此電路相當于反相器電路有一個阻值可變的集電極電阻RC，三極管飽和時變大，有利于加大飽和程度，降低輸出電壓；三極管截止時變小，有利于三極管退出飽和，降低高電平輸出阻抗。多發射極三極管

多發射極三極管作為“與”輸入代替二極管與門。有利于提高開關速度：輸入端全為高電平時，T1處于倒置放大狀態，T2、T4飽和。當輸入端有低電平出現時，T1變為正常放大狀態，會產生較大的集電極電流IC1，該電流就是T2的基極反向電流，使T2迅速退出飽和而截止。進而使T3導通，相當于T4的負載電阻減小，IC4瞬間加大，加速T4退出飽和。全過程：

IC1IB2T2截止VC2=VB3T3導通IC4T4截止

提高與非門的速度，主要是提高輸出管T4、T2從飽和到截止的轉換速度。

（二）、TTL與非門的主要外部特性

1、電壓傳輸特性V0隨

Vi變化的規律

ab段：截止區

Vi<0.6vT1飽和，T2、

T4截止，T3、D4飽和。V0=VHbc段：線性區VI=0.6~1.3T4截止，其他導通，V0隨VI增加線性下降。

cd段：轉折區

VI>1.3v以后，T4

開始導通，V0加速下降。

de段：飽和區

VI增大，T4飽和。TTL與非門的幾個主要參數(1)輸出邏輯高電平VOH：截止區對應的輸出電平。

輸出邏輯低電平VOL：飽和區對應的輸出電平。

(2)額定邏輯高電平VSH=3v

額定邏輯低電平VSL=0.35V(3)開門電平Von

在保證輸出為VSL的條件下，允許的輸入高電平的最小值。一般Von1.8v

關門電平Voff

在保證輸出為VSH的90%的條件下，允許的輸入低電平的最大值。一般Voff0.8v

閾值電平Vth

轉折區中點對應的輸入電壓

(3)噪聲容限

當輸入低電平處于標準輸入低電平VIL和Voff之間時，輸出高電平可以得到保障，此區間稱為低電平噪聲容限:

VNL=Voff-VIL

當輸入高電平處于Von和標準輸入高電平VIH之間時，輸出低電平可以得到保障，此區間稱為高電平噪聲容限。

VNH=VIH-Von

由表達式可見，Voff越大，Von越小（或兩者越接近）噪聲容限越大，抗干擾能力越強。2、TTL與非門輸入特性

輸入電壓與輸入電流的關系

VI=0時，Ii=IIS,稱為輸入短路電流。與非門的IIS

是前級的負載灌電流，約1.6mA

AB段：T4截止，T1飽和，T2先截止后導通，Ii較大，略有減小。

BC段：T4開始導通，T1

倒置放大態，電流反向且減小。

輸入端直接接地，是輸入恒為低電平的情況。得到

輸入短路電流。

有時將輸入端下拉一個電阻RI接地，一般作為缺省

低電平。要注意RI的取值，只有RI在小于某一阻值時，才能保證輸入低電平小于Voff。

如果RI值大于某一數值，即使接地，也不能保證輸出高電平的幅度。

輸入下拉電阻取值分析電路圖如下，推導自己看看。

RI越大，P點向右方移動

Ii減小，VI加大，不能大于關門電平。RI對T4飽和的影響

IB1一定，Ii大，則IB2小

2.1vV001.4vIi=1.4v/RiRi不能太小

多余輸入端的接法：為避免串入干擾，不用的輸入不應懸空。

接為無效電平或并聯使用。3、TTL與非門的輸出特性

灌電流越大，飽和拉電流越大，飽程度越輕，輸出V0和加深，V0下降加大。4、平均延遲時間tpd

第三章已講過了，是一個綜合速度參數。

5、空載功耗P=VCC

IE

與非門不接負載時，電源電壓與電源總電流的乘積稱為空載功耗。分兩種情況：

空載導通功耗PL：輸出低電平，T4飽和（T1倒置，T2導通，T3、D4截止），計算見書P155，約為16mw。

空載截止功耗PH：輸出高電平，T4截止（T1飽和，T2截止，T3、D4導通），計算見書P155，約為5mw。

平均功耗P=（PL+PH）/2

約為10mw。

TTL與非門穩定在開態或關態時，截止時總電流較小而飽和時總電流較大，因為截止時T2、T4無電流。

值得注意的是，在開關狀態轉換的瞬間，由于所有管子都處于導通狀態，瞬間總電流很大，約32mA。

因此：考慮極限電流時，不能只計算穩態電流。工作頻率高，轉換次數多，瞬時功耗大，散熱問題。6、其他參數

（1）輸入漏電流（高電平輸入電流）IIH

（a）所有輸入端均接高

T1倒置放大，IIH=i

IB1

其中

i

為倒置放大倍數，很小，約0.05，所以IIH很小。（IIH指流過接高輸入端的電流）

(b)輸入端有高有低因有高電平輸入，仍可與基極，集電極構成倒置放大，所以倒置放大電流仍存在

i

IB1

。

另外，高電平輸入端（作為集電極）、基極和低電平輸入端（作為發射極）構成寄生晶體管，放大倍數為

j,j值也很小。總之，IIH=（I+j）IB1

約50輸入漏電流示意圖

總之，輸入漏電流是前級門電路的拉流負載，漏電

流太大，會使前級輸出高電平幅度下降。

(2)扇入、扇出系數

扇入指輸入端的個數。扇出是指一個輸出端，在保證輸出低電平VOL不大于0.35v的條件下，能驅動同類門的最多個數。用N0表示。

IOMAXIOMAX為VOL0.35V的最大灌流

N0=————IISIIS為輸入短路電流通常NO

8

（三）、TTL或非門、異或門、OC門和三態門1、TTL或非門2、TTL異或門

P

X

WY=WW=P+XP=A

BY=A

B+A

BX=A

B3、集電極開路的TTL與非門（OC門）

線與：如果電路的兩個輸出端可以直接連在一起使用完成邏輯與的功能，叫線與。例如：

注意：并不是所有的輸出端都可以實現線與如圖騰輸出的門電路，如果輸出線與，有可能因存在低阻回路而損壞電路。為使TTL門也能線與，直接將T4的集電極引出，即集電極開路（OC），去掉T3、D4，由外電路提供RC電阻。

OC門電路可以實現線與，高電壓、大電流的驅動能力很強，但失去了推拉輸出速度快的優點。

OC門的并聯（線與）使用舉例

RC的取值要考慮輸出高電平時，內阻不要太大，還要考慮輸出低電平能否足夠低（飽和深度）使用OC門時，