本书以主编已出版的4套电工电子技术国家级规划教材为基础，从黑白帽子逻辑问题引出逻辑运算基础知识； 从分立元器件、TTL集成逻辑门、CMOS集成逻辑门、硬件描述语言4个方面介绍了常用逻辑运算的电路实现； 讲解了组合逻辑电路、时序逻辑电路的分析设计方法，典型电路构成特点及集成芯片的逻辑功能与应用； 阐述了脉冲电路及存储器、A/D转换器、D/A转换器等大规模集成电路的特点； 最后介绍了利用Verilog HDL描述数字逻辑电路的方法。

本书为“卡通说解数字电子技术”MOOC配套教材，各知识点均配有讲解视频，可微信扫码书中二维码在线观看视频。“卡通说解数字电子技术”MOOC基于虚拟教室以一张PPT阐述清楚一个知识点的思路建设了113个教学视频，利用图片映射题、基于图形的文字填空题等形式建设在线习题近300道。在线习题支持智能辅导、自动批阅，有利于更牢固地掌握各知识点，非常适合以翻转课堂教学形式开展教学活动，可作为电气类、电子信息类等大类专业的“数字电子技术”“数字电路”及类似课程的教材。

第3章逻辑运算的电路实现

本章要点： 

本章为本书基础章。学习本章应重点理解晶体管的开关特性，理解TTL电路结构及各种输出结构电路的特点，理解TTL电路的输入输出特性； 理解常用CMOS门电路构成特点，掌握CMOS集成逻辑门电路的特点； 初步理解用CMOS传输门和反相器构成逻辑电路的方法及利用硬件描述语言描述常用逻辑运算的方法。

3.1利用晶体管构成基本逻辑运算电路

逻辑运算是通过电路来实现的，实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路通称为门电路。显然，门电路是数字电路中最基本的逻辑元件，应用极为广泛。

用门来统一描述基本逻辑运算和复合逻辑运算比较形象。首先，门具有开、关两种状态，可用于表示0、1。此外，可以将它比作一个开关： 在一定的条件下允许信号通过，称门是打开的； 若条件不满足，信号就不能通过，称门是关闭的。

3.1.1二极管的开关特性及其门电路构成特点

可利用二极管构成门电路，当然，构成门电路的器件应具有开门、关门两种状态，可在开门、关门两种状态之间相互转换，这种特性称为开关特性。

1. 二极管的开关特性

二极管具有单向导电性，即正向导通、反向截止。当二极管理想时，二极管正向导通压降等于零，相当于短路。因此，当二极管正向导通时，相当于一个接通的开关，信号允许通过，相当于开门。当二极管反向截止时，由于理想二极管反向截止电阻无穷大，反向截止电流为零，此时，二极管相当于一个断开的开关，信号不允许通过，相当于关门。

可见理想二极管的导通、截止两种状态相当于开关接通、断开两种状态，可当作开关使用。

与理想二极管相比，实际二极管正向导通压降不等于零，反向截止电流I0也不为零。但当实际二极管反向截止时，由于反向截止电阻R0很大，在数字电平作用下，反向截止电流I0很小，可以忽略； 当实际二极管正向导通时，虽然导通压降不等于零，但与数字电路高、低电平相比，比较小，不影响数字电平的高、低状态。由此可知，二极管可以当作开关元件使用。而数字电路就是利用晶体二极管的开关作用进行工作的。

当然，实际二极管从反向截止转换到正向导通、从正向导通转换到反向截止均需要时间。也就是说，二极管作为一个开关，其接通与断开均需要时间。一般情况下，二极管的接通时间很短，它对开关速度的影响很小，一般可以忽略不计。开关二极管的断开时间大约在纳秒(ns)数量级，在大多数应用场合下，均能满足要求。

2. 二极管与门

如图3.1.1所示为二极管与门电路(UCC=10V)，A、B是它的两个输入端，

图3.1.1二极管与门

Y是它的输出端注： 本书A、B、Y等既指输入端、输出端，又指输入信号、输出信号，且多处交叉，统一作斜体处理。。

(1) 电压关系表。

假定输入端有一个为低电平(电平可理解为电位，习惯上用V表示，本书中统一用U表示高、低电平等各种电平，其含义为该电平与零电位点的电压差，设UA=0V)，因为UA=0V，则DA管优先导通，有

UY=0.7V

又因为UY=0.7V，UB=3V，所以DB管截止。

若输入端全部为高电平(UA=UB=3V)，因为UA=UB=3V，则DA、DB管均导通，有

UY=3.7V

将电路输入和输出的电压关系用表格表示，可得到表3.1.1。

(2) 设定变量、状态赋值、列真值表。

用A、B、Y分别表示UA、UB、UY，用正逻辑表示，即用0表示低电平，用1表示高电平，则表3.1.1可转换成表3.1.2。由表3.1.2看出，这是与逻辑真值

表。由于图3.1.1所示电路是由二极管组成的，所以称为二极管与门电路。

表3.1.1与门电路的电压关系

UA/VUB/VUY/V

000.7

030.7

300.7

333.7

表3.1.2与门的真值表

ABY

000

010

100

111 

3. 二极管或门

如图3.1.2所示为二极管或门电路，A、B是它的两个输入端，Y是它的输出端。

图3.1.2二极管或门

(1) 电压关系表。

假定输入端有一个为高电平(设UA=3V)，因为UA=3V，则DA管导通，有

UY=2.3V

又因为UY=2.3V、UB=0V，所以DB管截止。

若输入端全部为高电平(UA=UB=3V)，因为UA=UB=3V，则DA、DB管均导通，有

UY=2.3V

类似地，若输入端全部为低电平(UA=UB=0V)，因电源为负值，DA、DB管依旧导通，UY=-0.7V。

将电路输入和输出的电压关系用表格表示，可得到表3.1.3。

(2) 设定变量、状态赋值、列真值表。

用A、B、Y分别表示UA、UB、UY，用正逻辑表示，即用0表示低电平，用1表示高电平，则表3.1.3可转换成表3.1.4。由表3.1.4看出，这是或逻辑真值表。

表3.1.3或门电路的电压关系

UA/VUB/VUY/V

00-0.7

032.3

302.3

332.3

表3.1.4或门的真值表

ABY

000

011

101

111

读者可通过图3.1.1和图3.1.2自行总结二极管门电路的连接特点。

3.1.2三极管的开关特性及其非门电路

1. 三极管的开关特性

三极管包括： 三个区，即发射区、基区、集电区； 三个极，即发射极(E极)、基极(B极)、集电极(C极)； 两个结，即发射结、集电结。

从工艺上看，三极管有这样的特点： 发射区是高浓度掺杂区，基区很薄且杂质浓度低，集电区面积大。

三极管是一个电流控制器件，其内部结构是非常复杂的,可通过如图3.1.3所示仿真图来理解三极管的电流控制特性。

图3.1.3三极管电流控制特性仿真图

图3.1.3(a)中，将三极管B极悬空(输出为0mA的电流源等同于悬空)，C、E两极通过电阻接在6V电源上，测量结果显示流过的电流不到1μA。分析电路，三极管C、E两极相当于两个背靠背的二极管(图3.1.4)，由二极管的单向导电性，C、E两极没有电流流过。

图3.1.4三极管电流控制特性实验电路

可见当无控制电流产生时，三极管截止，无输出电流，三极管工作在截止区。

图3.1.3(b)图中，将三极管B极接0.02mA的电流源，C、E两极有电流流过，大小为2mA。

流过B极的电流称为基极电流，流过C极的电流称为集电极电流，流过E极的电流称为发射极电流。在三极管电路中，基极电流相当于一个控制信号，当基极电流流过基区时，改变了三极管内部导电载流子的分布，在发射结、集电结间形成了一个导电通路，C、E两极有电流流过，这便是三极管的电流控制特性。

当控制电流大小适中时，控制电流可有效控制输出电流，输出电流与控制电流保持线性比例关系，三极管工作在放大区(图3.1.3(b)、(c))。

显然，因电源功率等因素限制，输出电流不可能无限增长。当IB达到一定值以后，若基流IB继续增加，则集电极电流IC基本上不再变化，UCE也基本不再变化，而且降到了很小数值。由于IB失去了对IC的控制作用，三极管也就失去了放大作用。这种现象称为饱和现象。

可见，三极管具有截止、放大、饱和3种工作状态。

当发射结处于反向偏置、集电结也处于反向偏置时，三极管可靠截止。当三极管处于截止状态时，三极管C、E两极没有电流流过，相当于开关断开。

当发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置时，三极管中的电流IB和IC近似于成正比的关系，三极管处于放大工作状态。

晶体三极管工作于饱和状态时的特征为： 发射结和集电结都处于正向偏置。

当三极管饱和时，C、E两极可流过较大的电流，相当于开关闭合。

可见，三极管可以当作开关使用。而数字电路就是利用晶体三极管的开关特性进行工作的。

饱和时，B、E间的电压记为UBES，称为饱和时的基射电压； C、E间的电压记为UCES，称为饱和时的集射电压。对于NPN硅管而言，UBES=0.7V，UCES=0.3V。饱和时的集电极电流记为ICS，称为集电极饱和电流。

对如图3.1.5所示的实验电路，ICS由下式决定： 

ICS=(UCC-UCES)/ RC≈ UCC/ RC

三极管刚刚出现饱和现象时的基流称为临界饱和基流，记为IBS。且有

IBS=(UCC-UCES)/βRC

可总结三极管的饱和条件为

IB≥IBS(3.1.1)

【例3.1.1】在如图3.1.6所示电路中，UCC=12V，UBB=12V，R1=1.2kΩ， R2=10kΩ，RC=1kΩ，β=30，输入电压UI分别为UIH=3V，UIL=0.3V。试问晶体三极管处于何种工作状态？

目录

第1章绪论

1.1概述

1.1.1数字量与逻辑量

1.1.2数字信号与数字电子技术

1.1.3学习“数字电子技术”的方法

1.2数制与码制

1.2.1常见数制

1.2.2数制间的转换

1.2.3码制

1.3固定位数二进制数的算术运算

1.3.1二进制数的算术运算

1.3.2固定位数二进制数的表示方法及其运算

1.3.3固定位数二进制数用加法实现减法的原理及方法

习题

第2章逻辑运算基础

2.1常见逻辑运算

2.1.13种基本逻辑运算

2.1.2导出逻辑运算

2.2逻辑运算中的基本公式与常用公式

2.2.1逻辑运算公理

2.2.2基本公式

2.2.3其他常用公式

2.3逻辑函数基础

2.3.1什么是逻辑函数

标有星号（*）的小节属于非必修内容，可以选讲或选修。

2.3.2逻辑抽象

2.3.3逻辑函数运算的3个规则

2.3.4逻辑函数的两种标准形式

2.4逻辑函数的表达式简化与变换

2.4.1逻辑函数的最简表达式

2.4.2逻辑函数表达式的公式法化简

*2.4.3复杂逻辑函数化简方法探索

2.4.4逻辑函数的表达式变换

2.5逻辑函数的卡诺图化简法

2.5.1逻辑函数的卡诺图表示法

2.5.2利用卡诺图合并最小项的规则

2.5.3利用卡诺图化简逻辑函数

2.5.4利用无关项化简逻辑函数

习题

第3章逻辑运算的电路实现

3.1利用晶体管构成基本逻辑运算电路

3.1.1二极管的开关特性及其门电路构成特点

3.1.2三极管的开关特性及其非门电路

3.2TTL集成逻辑门电路

3.2.1TTL与非门电路的组成特点

3.2.2TTL与非门电路的输入输出特性

3.2.3其他逻辑功能的TTL门电路

3.2.4其他输出结构的TTL与非门

3.2.5TTL数字集成电路的各种系列

*3.2.6ECL集成电路简介

3.3利用MOS管构成逻辑门电路

3.3.1MOS管的开关特性

3.3.2常用CMOS门电路构成特点

3.3.3用CMOS传输门和反相器构成逻辑电路

3.4CMOS集成逻辑门电路

3.4.1集成CMOS反相器的电路特点

3.4.2CMOS集成电路的正确使用

3.4.3CMOS集成电路与TTL电路的混合使用

3.4.4CMOS数字集成电路的各种系列

3.5利用硬件描述语言描述常用逻辑运算

3.5.1硬件描述语言简介

3.5.2Verilog HDL语言的基本结构

3.5.3利用Verilog HDL描述常用逻辑运算

习题

第4章组合逻辑电路

4.1概述

4.2组合逻辑电路的分析和设计

4.2.1组合逻辑电路的分析

*4.2.2利用Quartus Ⅱ分析组合逻辑电路

4.2.3用小规模器件实现组合逻辑电路(SSI设计)

4.3常见组合逻辑电路的逻辑特点及其应用

4.3.1编码器

4.3.2译码器

4.3.3加法器

4.3.4数据选择器

4.3.5数值比较器

4.4利用中规模器件实现组合逻辑电路(MSI设计)

4.4.1用译码器实现组合逻辑电路

4.4.2用数据选择器实现组合逻辑电路

4.5组合逻辑电路中的竞争冒险现象

4.5.1竞争冒险的含义

4.5.2检查竞争冒险现象的方法

4.5.3消除竞争冒险现象的方法

习题

第5章触发器

5.1什么是触发器

5.2基本RS触发器的逻辑功能描述

5.3常见触发器的逻辑功能

5.4触发器的动作特点

5.4.1动作特点的引入

5.4.2同步结构触发器的动作特点

5.4.3主从结构触发器的动作特点

5.4.4边沿触发器的动作特点

5.4.5触发器的动作特点总结

*5.4.6维持阻塞结构触发器的动态特性

习题

第6章时序逻辑电路

6.1概述

6.1.1什么是时序逻辑电路

6.1.2时序逻辑电路的常见描述方法

6.1.3时序逻辑电路的种类

6.2时序逻辑电路的分析

6.2.1同步时序电路的分析方法

*6.2.2异步时序电路的分析方法

6.3寄存器

6.3.1寄存器

6.3.2移位寄存器的电路特点及逻辑功能

6.3.3集成移位寄存器的逻辑功能

6.3.4移位寄存器的应用

6.4计数器

6.4.1计数器的含义及种类

6.4.2同步计数器的电路构成特点

6.4.3常用中规模集成同步计数器

6.4.4异步计数器的电路构成特点

6.4.5集成异步计数器

6.4.6利用集成同步计数器实现N进制计数器

6.4.7利用计数器的级联获得大容量N进制计数器

6.4.8移位寄存器型计数器

6.5时序逻辑电路的设计

*6.5.1用小规模集成电路设计同步时序逻辑电路

6.5.2用中规模时序电路芯片实现实际逻辑问题的方法

习题

第7章半导体存储器

7.1概述

7.1.1存储器的电路结构及主要参数

7.1.2存储器的种类

7.2随机存取存储器

7.2.1SRAM存储原理

7.2.2DRAM电路特点

7.2.3RAM芯片实例

7.3只读存储器

7.3.1固定ROM

7.3.2ROM的写入

7.3.3ROM集成芯片实例

7.4存储器的扩展

7.5用ROM实现组合逻辑电路

习题

第8章模/数转换器与数/模转换器

8.1概述

8.2数/模转换器

8.2.1数/模转换器的基本原理

8.2.2权电阻网络数/模转换器

8.2.3倒T形电阻网络数/模转换器

8.2.4其他常用数/模转换器

8.2.5数/模转换器芯片实例及其典型电路

8.3模/数转换器

8.3.1模/数转换器的基本原理

8.3.2逐次逼近型模/数转换器

8.3.3其他常用模/数转换器

8.3.4模/数转换器的实例

8.3.5模/数转换器的转换精度与转换速度

习题

第9章脉冲单元电路

9.1概述

9.2施密特触发器

9.2.1什么是施密特触发器

9.2.2用门电路组成的施密特触发器

9.2.3集成施密特触发器

9.2.4施密特触发器的应用

9.3单稳态触发器

9.3.1用门电路组成的单稳态触发器

9.3.2集成单稳态触发器

9.4多谐振荡器

9.4.1用门电路构成多谐振荡器

9.4.2用施密特触发器构成多谐振荡器

9.4.3石英晶体多谐振荡器

9.5555定时器

9.5.1555定时器的逻辑功能

9.5.2将555定时器接成施密特触发器

9.5.3将555定时器接成单稳态触发器

9.5.4将555定时器接成多谐振荡器

9.5.5应用实例

习题

第10章利用硬件描述语言描述数字逻辑电路

10.1可编程逻辑器件

10.1.1什么是可编程逻辑器件

10.1.2早期的PLD器件

10.2利用Verilog HDL描述组合逻辑电路

10.2.1利用Verilog HDL的行为描述方法描述组合逻辑电路

10.2.2利用Verilog HDL的门级结构描述方法描述组合逻辑电路

10.3利用Verilog HDL描述时序逻辑电路

10.3.1利用Verilog HDL描述触发器

10.3.2利用Verilog HDL描述时序逻辑电路

习题

附录A本书中使用的电路符号

附录B本书中介绍的芯片

附录CQuartus Ⅱ中例3.5.1的仿真实现方法

附录D本书仿真包的使用说明

附录E利用本书资源实施翻转课堂教学的建议方法

附录F部分习题答案

参考文献