数字电路基本概念

数字电路基本概念第一章由于模拟信息具有连续性，实用上难于存储、分析和传输，应用二值数值逻辑构成的数字电路或数字系统较易克服这些困难，其实质是利用数字1和0来表示这些信息。1.二值数值逻辑：常用数字0和1来表示数字信号，这里的0和1不是十进制的数字，而是逻辑0和逻辑1。2.二值数字逻辑的产生，是基于客观世界的许多事物可以用彼此相关又相互对立的两种状态表示；而且在电路上，可用电子器件的开关特性来实现，由此形成离散信号电压或数字电压。(1)技术上容易实现。用双稳态电路表示二进制数字0和1是很容易的事情。(2)可靠性高。二进制中只使用0和1两个数字，传输和处理时不易出错，因而可以保障计算机具有很高的可靠性。(3)运算规则简单。与十进制数相比，二进制数的运算规则要简单得多，这不仅可以使运算器的结构得到简化，而且有利于提高运算速度。(4)与逻辑量相吻合。二进制数0和1正好与逻辑量“真”和“假”相对应，因此用二进制数表示二值逻辑显得十分自然。(5)二进制数与十进制数之间的转换相当容易。人们使用计算机时可以仍然使用自己所习惯的十进制数，而计算机将其自动转换成二进制数存储和处理，输出处理结果时又将二进制数自动转换成十进制数，这给工作带来极大的方便。3.逻辑状态：客观世界的许多事物可以用彼此相关又相互对立的状态。4.脉冲波形：当某波形仅有两个离散值时。数字波形是逻辑电平对时间的图形表示。5..占空比表示脉冲宽度占整个周期的百分数。6.上升时间：从脉冲幅值的10%到90%所经历的时间。7.下降时间：从脉冲幅值的90%下降到10%所经历的时间。8.脉冲宽度：脉冲幅值的50%的两个时间点跨越的时间。9.数据率或比特率：每秒钟所传输数据的位数。10.时序图：表示时间关系的多重数字波形图。11.存储器：用来存储二值数据的数字电路。12.正逻辑：1表示高电平，0表示低电平。13.负逻辑：与正逻辑相反。14.表达电路功能主要用：功能表、真值表、逻辑表达式、波形图。15.当前两种主要的逻辑门电路是组合逻辑电路和时序逻辑电路。16.逻辑门是数字电路的基本单元。17.数字电路与数字集成器件的关系：现代数字电路使用半导体工艺制成的若干数字集成器件构造成而成的。18.数字电路从整体上分为：小规模、中规模、大规模、超大规模、甚大规模五类。19.集成度：每一片芯片上所包含的三极管的个数。20.十进制：是以10为基数的计数体制，任何一个数都可以用1，2，3，4，5，6，7，8，9来表示，其计数规律是逢十进一。21.位权：数值在不同位置上的倍率值，对于多位数，处在某一位上的“l”所表示的数值的大小，称为该位的位权。22.为什么计算机或数字系统中通常用二进制数？答：（1）二进制的数字装置简单可靠，所用元件少；二进制只有两个数码0和1，因此，它的每一位数可用任何具有两个不同稳定状态的元件来表示。（2）二进制的基本运算规则简单，运算操作方便。缺点：二进制表示一个数时，位数多；将人们熟悉的十进制数输入计算机时，需要转换成二进制数，运算后，再将二进制数转换成十进制的数显示。23.八进制和十六进制：由于使用二进制数经常是位数很多，不便书写和记忆，因此在数字计算机的资料中常采用十六进制和八进制来表示二进制数。UNIX系统的档案权限使用八进制，十六进制常用于数字技术、微处理器、计算机和数据通信中。24.BCD码：在这种编码中，用4位二进制数来表示十进制数中的0-9十个数码。25.BCD码可分为有权码和无权码两类：有权BCD码有8421码、2421码、5421码，其中8421码是最常用的；无权BCD码有余3码、格雷码等。26.8421BCD码是最基本和最常用的BCD码，它和四位自然二进制码相似，各位的权值为8、4、2、1，故称为有权BCD码。27.格雷码：相邻的两个码组之间仅有一位不同，因而常用于模拟量的转换中，当模拟量发生微小变化而可能引起数字量发生变化时，格雷码仅改变一位，这样与其他码同时改变两位或多位的情况相比更可靠，即减少出错的可能性。28.奇偶校验码是一种通过增加冗余位使得码字中1的个数恒为奇数或偶数的编码方法,它是一种检错码。29.为什么8421码是最常用的？30.逻辑代数，又称布尔代数：逻辑代数是按一定的逻辑规律进行运算的代数，虽然它和普通代数一样也是用字母表示变量，但逻辑代数中的变量（逻辑代数）只有两个值，即0和1，没有中间值，且0和1并不表示数量的大小，而是表示对立的逻辑状态。31.与逻辑：只有当一件事的几个条件全部具备后，这件事才发生。32.或逻辑：当一件事的几个条件只要有一个条件得到满足时，这件事就会发生，33.非逻辑：一件事情的发生是以其相反的条件为依据的。34.真值表：表征逻辑事件输入和输出之间全部可能状态的表格。35.分析数字电路或数字系统的工具是逻辑代数。第二章1.用来接通或断开电路的开关器件应具有两种工作状态：一种是接通（要求其阻抗很小，相当于短路），另一种是断开（要求其阻抗很大，相当于开路）。2.二极管的开关特性表现在正向导通与反向截止这样两种不同状态之间的转换过程。3.反向恢复过程：二极管有正向导通转为反向截止所经过的转换过程。4.二极管的开关速度受到限制的原因：反向恢复时间的存在。5.产生反向恢复过程的原因：电荷存储效应。6.电荷存储效应：正向导通时，非平衡少数载流子积累的现象。7.二极管的开关转换过程中出现的反向恢复过程，实质上是由于电荷存储效应所引起的，反向恢复时间就是存储电荷消失所需要的时间8.开通时间：二极管从截止转为正向导通所需的时间。9.数字电路中BJT工作在截止和饱和状态，截止相当于开关断开，饱和相当于开关闭合。10.影响BJT开关速度的因素有：开通时间和关闭时间；开通时间是建立基区电荷时间，关闭时间是存储电荷消散的时间。最主要的因素是关闭时间。11.与门电路：输入作为条件，输出作为结果，输入与输出量之间能满足与逻辑关系的电路。12.或门电路：输入输出量之间能满足或逻辑关系的电路。13.非门电路：输入输出量之间满足非逻辑关系的电路。14.BJT可以构成反相器，所以可以用来构成非门电路；模拟电路的反相器电压放大器与数字电路中的非门的不同：前者工作在放大区，后者工作在饱和区和截止区；15.利用二极管和BJT构成的与或非三种门电路的缺点：由于输出阻抗比较大，带负载能力差，开关性能也不理想，比较慢。16.TTL逻辑门电路是由若干BJT和电阻构成的，其基本环节是带电阻负载的BJT反相器(非门)。17.BJT反相器的动态性能：BJT开关速度受到限制的原因：由于BJT基区内存储电荷的影响，电荷的存入和消散需要一定的时间。18.TTL采用输入级以提高工作速度，采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力。19.噪声容限表示门电路的抗干扰能力。高电平（逻辑1）所对应的电压范围（输入高电平-输出高电平）和低电平（逻辑0）所对应的范围（输入低电平-输出低电平）称为高低电平的噪声容限。20.灌电流负载：负载电流从外电路流入门电路21.拉电流负载：负载电流从门电路流入外电路22.扇入数：门电路允许的输入端的个数。23.扇出数：门电路输出端所驱动同类型门的个数。24.传输延迟时间：表征门电路开关速度的参数，它意味着门电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多长时间。25.静态功耗是指没有状态转换时的功耗。26.空载导通功耗是指输出为低电平时的功耗。27.截止功耗是指输出为高电平时的功耗。28.线与：将两个门的输出端并联以实现与逻辑的功能。29.集电极开路：TTL与非门电路推拉式输出级中，删去电压跟随器。除了可以实现多门的线与逻辑关系外，还可用于直接驱动较大电流的负载。缺点：外接电阻受到一定限制，不能太小，影响了工作速度，同时由于省去了有源负载，使带负载能力下降。30.TTL与非门电路的主要特点：电路的输入端采用了多发射极的BJT。31.三态门：除了具备一般与非门输出电阻较小的高、低电平状态，还具有高输出电阻的第三状态，称为高阻态；既保持了推拉式输出级的优点，又能做线与连接。32.肖特基势垒二极管SBD采用钳位的方法来达到抗饱和的效果：为了限制BJT的饱和深度，在BJT的基极和集电极并联上一个导通阈值电压较低的肖特基二极管，当BJT集电结的正向偏压刚要达到SBD的导通阈值电压时，这个二极管先导通，使集电结的正向偏压钳制在0.4V左右，如果流向基极的电流增大，企图使集电结正向偏压加大时，则一部分电流就会通过肖特基二极管直接流向集电极，而不会使BJT基极电流过大，因此，肖特基二极管起了抵抗BJT过饱和的作用。33.肖特基TTL的改进：一是除了T4外，其余的BJT都采用了SBD钳位，已达到抗饱和效果。二是基本电路中的所有电阻值都减半。增加了功耗这两项改进使门电路的开关时间大为缩短。34肖特基TTL（STTL）对基本TTL改进还有：（1）二极管D被T4和T5所组成的复合管构成，减少了电路对负载电容的充电时间。（2）电路输入端加的SBDDA和DB，用来减少由门电路之间的连线而引起的杂散信号。（3）增加有源下拉电路，提高了开关速度。35.由于TTL门中的BJT工作在饱和状态，开关速度受到了限制，ECL（射极耦合逻辑门电路）是一种非饱和高速数字集成电路，是目前双极型电路中速度最高的。36.ECL具有很高开关速度的原因：（1）BJT工作在放大和截止区，避免因工作在饱和状态而产生存储电荷的问题（2）负载电阻小，时间常数就小，有利于提高开关速度。ECL的优点：开关速度高；逻辑功能强；负载能力强缺点：功耗大；抗干扰能力强；制造工艺要求高37.在集成电路分类中有一种说法就是有双极型和单极型之分。所谓双极型和单极型主要指的是组成集成电路的晶体管的极性而言的。双极型集成电路是由NPN或PNP型晶体管组成。由于电路中载流子有电子和空穴两种极性，因此取名为双极型集成电路，就是人们平时说的TTL集成电路。单极型集成电路是由MOS场效应晶体管组成的。因场效应晶体管只有多数载流子参加导电，故称场效应晶体管为单极晶体管，由这种单极晶体管组成的集成电路就得名为单极型集成电路，就是平时说的MOS集成电路。38.TTL—Transistor-TransistorLogic三极管－三极管逻辑MOS—Metal-OxideSemiconductor金属氧化物半导体晶体管CMOS—ComplementaryMetal-OxideSemiconductor互补型金属氧化物半导体晶体管39.TTL电路TTL电路以双极型晶体管为开关元件，所以又称双极型集成电路。双极型数字集成电路是利用电子和空穴两种不同极性的载流子进行电传导的器件。它具有速度高（开关速度快）、驱动能力强等优点，但其功耗较大，集成度相对较低。CMOS电路MOS电路又称场效应集成电路，属于单极型数字集成电路。单极型数字集成电路中只利用一种极性的载流子（电子或空穴）进行电传导。它的主要优点是输入阻抗高、功耗低、抗干扰能力强且适合大规模集成。CMOS集成电路的性能及特点功耗低工作电压范围宽逻辑摆幅大抗干扰能力强输入阻抗高温度稳定性能好扇出能力强抗辐射能力强可控性好接口方便40.CMOS与TTL相比较，它的功耗低，扇出系数大（指带同类门负载），噪声容限大，开关速度与TTL接近。41.BiCMOS（BipolarCMOS）是CMOS和双极器件同时集成在同一块芯片上的技术，其基本思想是以CMOS器件为主要单元电路，而在要求驱动大电容负载之处加入双极器件或电路。42.BiCMOS电路既具有CMOS电路高集成度、低功耗的优点，又获得了双极电路高速、强电流驱动能力的优势。43.NMOS门电路是以或非门为基础的原因：或非门的工作管都是并联的，增加管子的个数，输出低电平基本稳定，在整个电路设计中较为方便。主要用于大规模集成电路，而TTL和CMOS电路作成小规模的单个芯片。44.采用接口电路要考虑三个条件：驱动器件必须能对负载器件提供灌电流最大值；驱动器件必须对负载器件能提供足够大的拉电流；驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入