數字電子技術(第二版)（簡體書）

本書是根據教育部學科專業調整方案和電類各專業人才培養新模式的需求而編寫的。本書系統地介紹了數字電子技術的基礎知識，包括數字電路基礎、門電路、組合邏輯電路、常用組合邏輯器件、時序邏輯電路、常用時序邏輯器件、可編程邏輯器件、脈沖波形的產生和整形電路、數-模轉換器和模-數轉換器、數字系統設計基礎等內容。
本書概念清楚，內容先進、實用，在系統介紹基礎知識的基礎上，突出邏輯器件功能及應用，還對EDA的基礎知識作了介紹。每章均安排小結、思考題和習題，力求做到通俗易懂，便于使用。
本書可作為高等院校電氣信息類、電子信息類、儀器儀表類及其他相近專業的本科生教材或教學參考書使用，也可供有關工程技術人員參考使用。

數字電子技術作為一門技術基礎課，是計算機信息類、電子類、儀器儀表類、機電類等專業的必修課。隨著電子科學技術的飛速發展，電子計算機和集成電路獲得了廣泛的應用，電子技術的發展對科學技術、國民經濟和國防各個領域的影響日益深入，數字電子技術的知識、理論和方法在相關專業的地位越來越重要。

EDA技術、大規模集成電路，特別是可編程邏輯器件的高速發展，對數字電子技術課程的教學內容提出了更高的要求。為適應科學技術的發展和社會對人才培養的要求，本書在第1版的基礎上對教學內容進行了調整和充實，精簡了分立元件部分，增強了集成邏輯器件的內容，教學重點也從邏輯電路分析轉向邏輯電路設計和集成芯片的應用。本書突出了以下幾個方面。

(1) 將重點放在基本概念和基本方法上。盡管LSI、VLSI已成為數字系統的主體，但中、小規模集成電路仍不失其基礎地位，為此，本書仍以集成電路的基礎理論、基本電路、基本分析方法與設計方法為重點。

(2) 突出方法，適應發展。本書重點介紹通用系列集成電路的基本原理及特性，略去其內部復雜電路及分析，側重器件的邏輯功能及輸入、輸出電氣特性，使學生能以此為基礎進行實際工程設計與應用。

(3) 為適應電子技術的飛速發展，本書引入了EDA技術的基礎知識，在介紹VHDL語言和Multisim 10.0軟件的基礎上，對主要章節的電路采用VHDL語言描述并用Multisim軟件仿真，使讀者在微型計算機上能夠對典型電路進行功能驗證，為后續數字系統設計課程的學習打下必要的基礎。考慮到不同學校的需要，這部分作為選學內容，以'*'號標出。

(4) 近年來，集成電路理論與設計、集成工藝、電子技術應用等都有很大的發展與突破，本書突出了CMOS電路，增強了CPLD、FPGA等一類新型可編程邏輯器件的內容。

(5) 為便于讀者加深理解，本書中針對重點、難點內容都設有相應的例題，每章均安排有小結、思考題、習題，力求做到通俗易懂，便于教學。

(6) 書中各部分內容均從基本概念入手，提供學習數字電子技術的基本電路、分析方法、設計方法，通過具體的電路系統加以總結和歸納，從而培養學生分析問題、解決問題的能力。

本書可作為高等院校電氣信息類、電子信息類、儀器儀表及其他相近專業的本科生教材或教學參考書使用，也可供有關工程技術人員參考使用。

緒論 1
第1章 數字電路基礎 5
概述 5
1.1 數制和碼制 5
1.2 邏輯代數基礎 17
*1.3 EDA技術基礎 45
小結 53
思考題 53
習題 54
第2章 門電路 56
概述 56
2.1 邏輯門電路中的開關器件 57
2.2 分立元件門電路 62
2.3 TTL門電路 64
2.4 CMOS門電路 84
*2.5 門電路的VHDL描述及其仿真 96
小結 99
思考題 99
習題 100
第3章 組合邏輯電路 106
概述 106
3.1 組合邏輯電路的分析 106
3.2 組合邏輯電路的設計 109
3.3 組合邏輯電路中的競爭與冒險 111
*3.4 組合邏輯電路的VHDL描述
及其仿真 115
小結 117
思考題 118
習題 118
第4章 常用組合邏輯器件 120
概述 120
4.1 編碼器和譯碼器 121
4.2 數據選擇器和數據分配器 132
4.3 加法器和數值比較器 135
4.4 中規模集成電路實現組合邏輯
函數 141
小結 145
思考題 145
習題 146
第5章 時序邏輯電路 149
概述 149
5.1 觸發器 151
5.2 時序邏輯電路狀態的描述 163
5.3 時序邏輯電路的分析方法 167
5.4 時序邏輯電路的設計方法 171
5.5 時序邏輯電路的競爭與冒險 179
*5.6 時序邏輯電路的VHDL描述及其
仿真 182
小結 186
思考題 187
習題 187
第6章 常用時序邏輯器件 191
概述 191
6.1 寄存器和移位寄存器 192
6.2 計數器 198
6.3 順序脈沖發生器 215
6.4 常用時序邏輯器件的應用 217
小結 222
思考題 222
習題 223
第7章 可編程邏輯器件 226
概述 226
7.1 可編程邏輯器件的發展 227
7.2 可編程邏輯器件的結構和表示
方法 228
7.3 存儲器 231
7.4 PLA 236
7.5 GLA 241
7.6 EPLD 245
7.7 CPLD 248
7.8 FPGA 258
7.9 可編程邏輯器件的開發流程 264
小結 266
思考題 267
習題 267
第8章 脈沖波形的產生和整形電路 269
概述 269
8.1 555定時器 270
8.2 施密特觸發器 272
8.3 單穩態觸發器 277
8.4 多諧振蕩器 283
小結 288
思考題 289
習題 289
第9章 數-模轉換器和模-數轉換器 293
概述 293
9.1 D/A轉換器 294
9.2 A/D轉換器 303
小結 312
思考題 312
習題 313
第10章 數字系統設計基礎 317
概述 317
10.1 數字系統設計方法 317
10.2 數字系統設計實例 322
小結 328
思考題 328
習題 329
附錄 330
附錄1 數字系統設計的VHDL文件 330
附錄2 基本邏輯單元圖形符號
對照表 338
附錄3 常用數字系統名詞中英文
對照表 340
參考文獻 343

第2章 门 电 路

【教学目标】

通过本章的学习，熟悉数字电路中常用开关器件(二极管、三极管与场效应管)的开关特性，了解分立元件逻辑门电路的一般结构和逻辑功能。重点掌握CMOS与TTL集成逻辑门电路的结构、工作原理与性能。在此基础上全面掌握集成逻辑门的使用方法，为后续进行数字电路分析与设计打下基础。

本章首先介绍三种器件的开关工作特性以及用三种器件组成的基本逻辑门电路的逻辑功能。2.3节和2.4节分别介绍目前广泛使用的TTL门电路和CMOS门电路，重点讨论两种逻辑电路的外部特性，为实际使用这些器件打下必要的基础。本章系统讲述了数字电路的基本逻辑单元电路--门电路，包括与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门、三态门、OC门、OD门等，它们属于小规模集成电路。

概 述

在数字系统中，目前广泛使用了半导体集成电路。数字集成电路是采用外延生长、光刻、氧化物生成及离子注入等技术，将晶体管、电阻、电容等元件和内部电路连线一起做在一块半导体基片上构成的完整的电路单元。它通常封装在外壳内，做成独立的器件。其中，用以实现基本逻辑运算和复合运算的单元电路称为门电路。

数字集成电路按其内部有源器件的不同可以分为两类：一类是绝缘栅场效应管集成电路，或称金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路；另一类是双极型晶体管集成电路，又称晶体管-晶体管(TTL)集成电路。如同样是与非门，有CMOS与非门和TTL与非门之分，它们的逻辑功能是一样的，但其特性参数有差异。目前两类产品在市场上都有大量供应，因此分析这两类门电路特性参数的目的是在实际使用门电路时，能根据实际要求正确、合适地选择和使用它们。MOS集成电路的优点是集成度高、功耗低；TTL集成电路的优点是工作速度快、驱动能力强，缺点是功耗大、集成度较低。

数字集成电路按其集成度可分为：小规模集成电路(Small Scale Integration，SSI)，集成10～20个元件(10～20个等效门)；中规模集成电路(Medium Scale Integration，MSI)，集成100～1000个元件(20～100个等效门)；大规模集成电路(Large Scale Integration，LSI)，集成1000～10000个元件(100～1000个等效门)；超大规模集成电路(Very Large Scale Integration，VLSI)，集成10000个元件(1000个等效门)以上。目前超大规模集成电路基本上都是MOS集成电路，其工作速度不断提高，并且已经接近双极型集成电路的工作速度。

数字电路中，用高、低电平分别表示二值逻辑的1和0两种逻辑状态，这是逻辑电路中的'正逻辑'；如果反过来用高、低电平分别表示二值逻辑的0和1两种逻辑状态，则称为逻辑电路的'负逻辑'。如无特殊说明，本书将一直采用正逻辑。如何将连续的电压量变成分立的两个值呢？可取定一个分界电平，即门槛电平，大于称为高电平，小于则称为低电平。由于在分界处附近电路容易受干扰信号作用而不稳定，因此应该是一个范围而不是一个值。在电路实际工作中，只要能区分出高、低电平，就可以知道它所表示的逻辑状态，故高、低电平都有一个允许的范围。同时，高、低电平也不是无限高或者无限低的，通常高电平不能高于正的电源电压，低电平不能低于地电平，如图2.1所示。正因为如此，数字电路无论是对元器件参数精度的要求还是对供电电源稳定度的要求，都比模拟电路低一些。或者说这是数字电路比模拟电路相对稳定的原因之一。

可以用互补开关电路来获得高、低输出电平，如图2.2所示。图2.2中，开关S1和S2由半导体三极管组成，只要能通过输入信号控制三极管工作在饱和导通和截止两个状态，即可以起到开关的作用。在图2.2所示电路中，两个开关S1和S2的通断虽然受同一个输入信号的控制，但是它们的开关状态相反。若输入信号使S1导通，则S2为截止状态，输出信号为高电平；若输入信号使S1截止，则S2为导通状态，输出信号为低电平。可见，电路中总有一个开关是断开的，所以电路中始终没有同时通过S1和S2的电流，电路功耗非常小。因此，这种互补式开关电路在数字集成电路中得到了广泛应用。

图2.1 高、低电平及正逻辑与负逻辑

图2.2 获得高、低电平的开关电路

2.1 逻辑门电路中的开关器件

由图2.1可知，输入电压与逻辑值的关系是非线性的，所以可选择二极管、三极管及场效应管等非线性元件实现基本逻辑功能。对于理想开关，当开关闭合时，开关电阻，开关电压；当开关断开时，，经过开关的电流；电路转换所用时间。本节讨论二极管、三极管以及MOS管等电子器件的开关特性。

2.1.1 二极管及其开关特性

1. 二极管的开关状态

半导体二极管相当于一个受外加电压控制的开关，当外加一定的正向电压时导通，外加反向电压时截止，其伏安特性曲线如图2.3所示。二极管处于正向导通区时相当于开关的导通状态，二极管处于反向截止区时相当于开关的截止状态。用二极管代替图2.2中的开关S1，可以得到如图2.4所示的二极管开关电路。

图2.3 二极管的伏安特性曲线

图2.4 二极管开关电路

假定输入信号的高电平，低电平，二极管VD导通时的正向电阻为，反向内阻为无穷大。当时，VD截止，输出电平；当时，VD导通，，这里假设使用了硅二极管，取其导通电压为0.7 V，则V。

可见，用输入电平信号的高、低电平可以控制二极管的开关状态，从而在输出端得到相应的高、低电平信号。在上面的分析中，假定VD的反向内阻为无穷大，但是从二极管伏安特性曲线中可以看出，加反向电压时会有微弱的漏电流流过二极管，因此开关截止时的电阻不是无限大。另外，正向导通时的电阻往往也不能忽略。

2. 二极管的反向恢复时间

电路状态发生转换时，即加到二极管两端的电压突然反向时，电路状态不能瞬间改变。如图2.5所示，外加输入反向电压突然变成正向时，要等到PN结内建立起足够的电荷梯度后才开始有扩散电流形成，所以正向导通电流的建立要滞后一些。而当输入正向电压突然变成反向时，由于PN结中还有一定数量的存储电荷，所以有较大的瞬态反向电流，随着存储电荷的消散，反向电流迅速衰减并趋近于稳态时的反向漏电流。图2.5中的反向电流脉冲反映了这一特性。瞬态反向电流的大小和持续时间的长短与正向导通时电流的大小、反向电压的大小、外电路电阻的阻值大小以及二极管本身的特性有关。

反向电流持续的时间用反向恢复时间表示，同时也是二极管作为开关使用时的开关时间。定义为反向电流从其峰值衰减到峰值的十分之一所经过的时间，通常在几纳秒以内。

2.1.2 三极管及其开关特性

三极管有三种工作状态：截止、放大和饱和。在数字电路中常常使三极管处在截止或者饱和导通状态。

1. 三极管的开关状态

NPN型双极型晶体三极管的共射极接法如图2.6(a)所示，其输出特性曲线如图2.6(b)所示。作为开关使用时，三极管往往工作在截止区和饱和区。

(a) 共射极接法 (b) 三极管输出特性曲线

图2.6 三极管电路及输出特性

当输入信号足够大使得三极管处于饱和导通状态时，集射极之间的电压非常小，按硅管计算，一般不超过0.3 V，此时输出端电压=V，即输出低电平。当输入信号比较小使得三极管处于截止状态时，c、e间截止，集电极电流为零，所以=V，即输出高电平。

在电路中选取适当的电压、电阻参数，使三极管处于开关状态。三极管的截止状态是指基极和射极之间的电压小于PN结导通电压0.7 V(以硅管为例)，集电结和发射结都反向偏置的状态，此时，；三极管的饱和导通状态是指V，而且集电结和发射结都处于正向偏置的状态，此时(是三极管的放大倍数)；放大状态是介于截止和饱和状态之间的第三种状态，当V，即发射结正向偏置，但集电结反向偏置时，，，数字电路中往往不使用此状态。除此之外，在某种特殊的情况下，可能出现发射结反向偏置、集电结正向偏置的状态，称为三极管的'倒置'状态，相当于c、e端互换，此时(是倒置状态的放大倍数，通常为0.01～0.02)，。

2. 三极管的开关时间

当三极管处于截止区时，b端和c端、c端和e端间没有电流，相当于两个断开的开关；当三极管处于饱和导通区时，b端和c端经过一个PN结导通，c端和e端之间电压很小，相当于短路，因此可以看作一个闭合开关。

三极管可以看作两个背对背的PN结，当图2.6(a)中的电路的状态发生瞬间变化时，由于PN结内电荷的建立和消散都需要一定的时间，所以集电极电流的变化将滞后于的变化，，因此的变化滞后于的变化，如图2.7所示。

定义从输入正脉冲作用的瞬间开始到集电极电流上升到0.9所需的时间为开关的开启时间。这里为集电极电流的大值，若三极管导通后处于饱和区，则就是集电极饱和电流。定义从输入正脉冲结束的时刻到下降到0.1所需的时间为开关的关闭时间。

和时间的长短与三极管本身的特性有关，也与三极管的使用情况有关，正向基极电流越大，越短，但同时将使三极管饱和程度加深，加长。

2.1.3 MOS管及其开关特性

三极管中参与导电的载流子有两种。少数载流子的漂移运动受到光照、温度及辐射的影响较大，故其温度特性较差。MOS管是一种单极型半导体器件，内部只有一种载流子，即多子进行导电。多子受光照、温度及辐射等外部因素的影响较小，故其温度特性较好。本节介绍MOS管及其开关特性。

1. MOS管的分类

MOS管按其沟道和工作类型可分成四种：N沟道增强型、N沟道耗尽型、P沟道增强型、P沟道耗尽型。

1) N沟道增强型

图2.8(a)所示为N沟道增强型场效应管的结构图。在一个P型材料制成的衬底上，做两个高掺杂的N型扩散区，并引出两个端子，分别叫作源极(S)和漏极(D)。衬底的上表面做一层SiO2绝缘层，其上引出一个端子，叫作栅极(G)。由于栅极和其他极之间都是绝缘的，因此又叫作绝缘栅型场效应管。没有外加电压时源极和漏极之间没有导电沟道，因此没有电流存在。当在栅极和源极之间加上一定大小的电压时，开始在漏极和源极之间产生导电沟道，随着正栅极电压的增加，导电沟道扩大(增强)，故称为N沟道增强型场效应管。导电沟道刚刚形成时对应的栅极电压称为开启电压。由于N沟道增强型管沟道中的载流子是电子，迁移率较高，工作速度较快，所以目前其应用十分广泛。

2) N沟道耗尽型

图2.8(b)所示为N沟道耗尽型场效应管的结构图。与上述增强型NMOS管相同，N沟道耗尽型MOS管的衬底也是P型，漏区和源区是N型，不同的是，在没有外加电压时就有导电沟道存在。当在栅极和源极之间加上负向电压时，N型导电沟道变浅；当栅极负向电压达到一定数值时，能够将电子导电沟道全部耗尽，此时MOS管不再导通，故称为N沟道耗尽型MOS管。导电沟道刚刚耗尽时的栅极电压称为夹断电压。

图2.8 NMOS管的结构图及逻辑符号

3) P沟道增强型

图2.9(a)所示为P沟道增强型场效应管的结构图。在N型衬底上扩散两个P型的漏区和源区，在栅压低于一定的负压，即开启电压时，形成P型空穴导电沟道；栅极电压的值越大，导电沟道越深。由于空穴载流子的迁移率约为电子迁移率的一半，因此相对于NMOS管来说，PMOS管的工作速度较低。

4) P沟道耗尽型

图2.9(b)所示为P沟道耗尽型场效应管的结构图。与上述耗尽型NMOS管相同，P沟道耗尽型场效应管在栅极电压为0时就存在P型沟道。当栅极加上足够大的正向电压时，沟道被耗尽，MOS管截止。由于制造工艺上的困难，在数字集成电路中很少使用PMOS管。

图2.9 PMOS管的结构图

2. MOS管的输入、输出特性

从MOS管的制作过程可以看出其结构是对称的，因此源极和漏极之间可以互换，通常NMOS管的源极接地，PMOS管的源极接高电平；而栅极与源极、漏极之间是绝缘的，不存在电流，栅极电压控制着MOS管的导通或截止，因此属于压控器件。下面以N沟道增强型场效应管为例说明MOS管的输入、输出特性。

在增强型NMOS管的漏极和源极加上电压，当栅极电压为0时，漏极和源极之间没有电流，当栅极加上大于开启电压的正向电压时，有电流通过漏极和源极。其关系曲线如图2.10所示。

图2.10 NMOS管的输入、输出特性曲线

当时，衬底表面不能形成导电沟道，MOS管中没有电流产生，此时为MOS管的截止状态；当输入电压增强到时，恰好形成导电沟道；若较小，继续增加，电路进入可变电阻区，此时若固定某一值，则有，该电阻受控制；当时，基本上由决定，与关系不大，；，称为恒流区。

应当指出，由于MOS管在制作工艺和结构上的对称性，在集成电路中漏极和源极是根据其电位高低(或电流流向)决定的。对于NMOS管，电位高的一端是漏极(D)，电位低的一端是源极(S)，电流从D流向S。对于PMOS管，电位低的一端是D端，电位高的一端是S端，电流从S流向D。

3. MOS管开关电路

用MOS管也可以做成开关电路，图2.11(a)所示为用增强型NMOS管构成的开关电路。源极和衬底接地，漏极通过漏极电阻接电源，输入电压接在栅极和源极之间，输出电压为。输入的低电平为0 V，高电平为，开启电压为/2。

当=0 V时，，MOS管截止，电路中没有电流，此时是高电平；当时，，MOS管导通，。若较小，则。可见，这是一个受输入电压控制的开关电路。其导通电阻较小，截止时电阻无穷大。其开关等效电路如图2.11(b)所示。由于电容效应，G和S间相当于一个电容，MOS管截止时，D和S间无电流经过，相当于一个断开的开关；MOS管导通时，D和S间有流过电阻的电流，相当于一个有电阻的闭合开关。

(a) MOS管开关电路结构 (b) 开关等效电路

图2.11 MOS管开关电路及其等效电路