1、 目 錄第1章：基礎概念41.1 概述41.2 基礎知識51.2.1 脈沖信號51.2.2 半導體的導電特性61.2.3 晶體二極管開關特性101.2.4 晶體三極管開關特性121.2.5 晶體三極管三種連接方法151.3 邏輯門電路161.3.1 DTL門電路161.3.2 TTL門電路181.3.3 CML門電路191.4 邏輯代數與基本邏輯運算211.4.1 析取聯結詞與正“或”門電路221.4.2 合取聯結詞與正“與”門電路221.4.3 否定聯結詞與“非”門電路231.4.4 復合邏輯門電路241.4.5 雙條件聯結詞與“同或”電路251.4.6 不可兼或聯結詞與“異或”電路251.

2、5 觸發器基本概念與分類261.5.1 觸發器與時鐘281.5.2 基本RS觸發器281.5.3 可控RS觸發器291.5.4 主從式JK觸發器321.5.5 D型觸發器341.5.6 T型觸發器36第2章 數字編碼與邏輯代數382.1 數字系統中的編碼表示382.1.1 原、補、反碼392.1.2 原、補、反碼的運算舉例452.1.3 基于計算性質的幾種常用二十進制編碼462.1.4 基于傳輸性質的幾種可靠性編碼492.2 邏輯代數基礎與邏輯函數化簡542.2.1 邏輯代數的基本定理和規則552.2.2 邏輯函數及邏輯函數的表示方式572.2.3 邏輯函數的標準形式592.2.4 利用基本定

3、理簡化邏輯函數632.2.5 利用卡諾圖簡化邏輯函數65第3章：數字系統基本概念723.1 數字系統模型概述723.1.1 組合邏輯模型733.1.2 時序邏輯模型733.2 組合邏輯模型結構的數字系統分析與設計763.2.1 組合邏輯功能部件分析773.2.2 組合邏輯功能部件設計803.3 時序邏輯模型下的數字系統分析與設計863.3.1 同步與異步863.3.2 同步數字系統功能部件分析883.3.3 同步數字系統功能部件設計923.3.4 異步數字系統分析與設計1063.4 基于中規模集成電路（MSI）的數字系統設計1173.4.1 中規模集成電路設計方法1173.4.2 中規模集成電

4、路設計舉例118第4章：可編程邏輯器件1294.1 可編程邏輯器件（PLD）演變1294.1.1 可編程邏輯器件（PLD）1304.1.2 可編程只讀存儲器（PROM）1334.1.3 現場可編程邏輯陣列（FPLA）1354.1.4 可編程陣列邏輯（PAL）1374.1.5 通用邏輯陣列（GAL）1404.2 可編程器件設計1474.2.1 可編程器件開發工具演變1474.2.2 可編程器件設計過程與舉例1484.3 兩種常用的HDPLD可編程邏輯器件1514.3.1 按集成度分類的可編程邏輯器件1514.3.2 CPLD可編程器件1524.3.3 FPGA可編程器件156第6章 數字系統功能

5、模塊設計1616.1 數字系統功能模塊1616.1.1 功能模塊概念1616.1.2 功能模塊外特性及設計過程1616.2 基于組合邏輯模型下的VHDL設計1626.2.1 基本邏輯門電路設計1626.2.2 比較器設計1656.2.3 代碼轉換器設計1676.2.4 多路選擇器與多路分配器設計1686.2.5 運算類功能部件設計1696.2.6 譯碼器設計1736.2.7 總線隔離器設計1746.3 基于時序邏輯模型下的VHDL設計1766.3.1 寄存器設計1766.3.2 計數器設計1786.3.3 并串轉換器設計1816.3.4 串并轉換器設計1826.3.5 七段數字（LED）顯示原

6、理分析與設計1846.4 復雜數字系統設計舉例1876.4.1 高速傳輸通道設計1876.4.2 多處理機共享數據保護鎖設計194第7章 系統集成2037.1 系統集成基礎知識2037.1.1 系統集成概念2037.1.2 系統層次結構模式2057.1.3 系統集成步驟2067.2 系統集成規范2087.2.1 基于總線方式的互連結構2087.2.2 路由協議2137.2.3 系統安全規范與防御2187.2.4 時間同步2217.3 數字系統的非功能設計2237.3.1 數字系統中信號傳輸競爭與險象2237.3.2 故障注入2267.3.3 數字系統測試2287.3.4 低能耗系統與多時鐘技術

7、229第1章：基礎概念 數字系統的基礎就是脈沖技術。由于脈沖技術是用離散電信號來表示數字量，并通過轉化成數字量值的脈沖信號來近似描述自然界中各種連續變化過程，所以對量化后的脈沖信號的傳輸和處理就是數字系統需要研究的對象和策略。另外在脈沖信號的處理中，記憶需要處理的信號是一個非常重要的功能，本章重點描述了如何實現對脈沖信號的記憶多種方法。1.1 概述在人類生存自然界中存在著各種各樣表現萬物變化的信息，如植物生長、水流速度快慢、環境溫度變化、空氣污染狀況等。當人類需要了解這些自然現象以及對它們進行掌控時，就必須對這些變化信息進行收集、傳遞、加工、處理及控制。但因這些變化信息都具有連續變化的一個共性

8、，所以需要對這些信息進行處理時，常采用比擬或模擬方法來進行，人們把這類具有描述連續變化特性物理量稱為模擬量（Analog value）。但在實際工程應用中，要想獲得模擬量精確表現是非常困難的，因此對以模擬量形式所表現信息進行檢測和傳遞就很容易產生誤差。為解決模擬量精度和信息處理方便性，人們提出了在一定精度范圍要求下以數字量值形式來表現連續變化信息方法，為區分模擬量表示，稱這種表示方法為數字表示，這種以數字形式來表示所對應模擬量就被稱為數字量（Digital value）。使用數字量來進行傳遞、加工的工程應用系統就稱為數字系統（Digital system）。在對數字量進行采集、傳遞和加工過程中

9、，數字系統一般都采用了二進制數據格式。這是因為二進制表示可以簡化工程實現難度、傳輸可靠性高、運算簡單、節省器件等優點。在使用了數字信息后，原來由模擬系統來實現對自然信息的加工，現在都轉化成由數字系統來承擔并且效果更好。因此數字系統除數字信息進行數值運算和加工外，還可以對各種邏輯思維進行加工。邏輯加工在應用于面向過程和對象的控制以及系統決策方面起著重要作用。所以數字系統也被稱為數字邏輯系統（Digital logic system），簡稱數字邏輯。采用數字量后需要注意的是，數字量具有離散量表現行為特征，而模擬量卻具有線性表現行為特征，所以為了將具有連續變化性質的自然信息（模擬量）用數字系統來實現

10、加工和處理，就必須先通過模/數變換（A D conversion），實現模擬量到數字量變換，然后對這些數字量進行加工。待加工結束后，再通過數/模變換（D A conversion），將原來已經加工后數字量還原成能直接表征線性變化的模擬量，這就是通常數字系統中所提到的A/D和D/A轉換。近年來，因微電子技術迅速發展和崛起，數字信息在傳輸和處理速度方面都達到相當高水平。若數字系統對數字信息加工處理以及傳輸所需總時間低于整個物理系統活動所需要時間，這樣的數字系統就稱為實時系統（Real - time system）。實時性在數字系統中是一個非常重要的技術指標。因此實時系統一種較為抽象定義是：若一個數

11、字系統能夠在規定時間內提供某種特殊服務。則該系統可稱為實時系統。一種更能接受的定義是：實時系統是指計算正確性不僅取決于數字系統運行邏輯正確性，也取決于結果產生時間，如果系統時間約束條件得不到滿足，此時運行系統將會發生系統出錯。目前為了精確描述數字系統實時性，其實時性又分別使用了硬實時系統和軟實時系統這兩種概念來具體區分和嚴格說明。硬實時系統是指系統自身要具備支持可能出現最壞情況下安全處理時間。因此在硬實時系統中，要求對任何突發事件的處理時間必須具有一個規定時限，否則系統將導致災難性后果。如遠程救護系統中傷情數據傳輸過程、飛行器起落架收放系統等。軟實時系統是對任何突發事件能夠提供確定處理時間，而

12、且處理過程也能夠在系統規定時間內完成，如果系統因各種外在或內在因素超越了事件處理截止期限、但最終結果并不會導致系統致命錯誤。如“蟲孔”路由算法（Worm Hole Routing）、藍牙技術中Whiting算法等。目前數字系統使用水平隨著超大規模集成電路VLSI（Very Large Scale Integration）和極大規模集成電路ULSI（Ultra Large Scale Integration）技術不斷成熟和發展，新型器件和設計手段也不斷涌現，為此數字系統設計成本和制作成本也不斷降低，使得數字系統競爭能力越來越強，加上現代新技術所特有標準化、系列化和靈活性，即使在數字系統制作成型后

13、，也可以通過各種升級手段對原有數字系統功能進行在線升級和完善。1.2 基礎知識數字系統就是對脈沖信號進行傳輸、控制和加工等處理，而這些過程所需要依賴數字系統內部基本矛盾就是晶體管導通與截止、電容充電和放電。為此了解和掌握脈沖信號概念與晶體管開關特性成為學習數字系統設計基礎。1.2.1 脈沖信號脈沖在學術上被定義成在短時間內產生一種突變，隨后又迅速返回其初始量值的一種物理特性。因此從脈沖定義可以看出，脈沖有一種間隔性特征，正因為這種間隔性特征，所以可以把脈沖作為一種信號來描述。鑒于上述特征，脈沖信號可以被定義為：相對于連續信號而言，它是在整個信號周期內所產生的短時間信號，因此脈沖信號在一個周期中

14、大部分時間段內沒有信號出現，就像人的脈搏一樣，它具有間歇性出現特征。而現在一般所指數字信號，它可根據不同占空比來表征一個周期內多少時間有信號。通常在數字系統中所使用信號就是脈沖信號，它們也被稱為數字信號。脈沖技術所包含內容非常豐富，概括的說就是有脈沖的變換、產生、放大、驅動、傳輸和測量等。這里只要建立一些基礎認識，而不需要進行很深入研究。為了解什么是脈沖以及如何產生脈沖信號，可以通過如圖1.1所示的簡單直流電路工作過程來描述。該簡單直流電路由電阻R1和R2構成一個分壓電路，電路輸出電壓將取決于R2上電壓值。而電路輸出電壓能否在R2上產生，又取決于電路中一個開關元件K的閉合和斷開。因此電源接通后

15、，若電路中開關K處于閉合狀態，電路中所形成電流回路將只通過電阻R1，因開關K閉合則導致了對電阻R2短路，因此在R2兩端形成一個等電位，又因為電路輸出電壓取決于R2，所以電路輸出電壓為0v。若按圖1.2所示將開關斷開，在電源接通后，則電源將通過電阻R1和R2形成回路，流經分壓電阻R1和R2的回路電流將在R2兩端建立起一個電壓，而該電壓就是電路輸出電壓，所以其輸出電壓值為：Vout = Vcc ´ R2/( R1 + R2)。 未在R2 在R2上形成電流回路的電路若將開關K再次合上，則R2又被短路，輸出電壓也再次回到0V，周而復始重復這個開關過程，那么在輸出端上就可以得到如圖1.3所示一

16、系列斷續電壓變化波形，人們稱這種形式輸出信號為脈沖信號，所以對于脈沖也可以描述成短時間內所出現電壓或電流變化。由于電路對外輸出脈沖有效信號寬度和脈沖時間間隔取決于電路中開關元件閉合和斷開時間，因此可以通過對開關元件K的控制閉合和斷開頻度來獲取不同持續時間寬度的脈沖輸出信號。一般情況下，凡是按非正弦規律變化的電流或電壓信號都稱為脈沖信號，所以脈沖信號波形種類繁多，圖 1.4表示了幾種常見脈沖波形。 電路輸出脈沖信號尖脈沖 矩形脈沖 方波(占空比1:1) 梯形波 鋸齒波 三角波 階梯波 幾種常見脈沖信號圖1.5描述了脈沖信號常用幾個參數：脈沖幅度Vm：從一種狀態變化到另一種狀態跳變值。脈沖周期T：

17、兩個相鄰脈沖重復出現所間隔時間。上升時間tr：從0電平到高電平所需要時間。下降時間tf：從高電平到0電平所需要時間。脈沖寬度tu：脈沖出現后持續時間。 脈沖信號參數描述1.2.2 半導體的導電特性無論是早期數字系統所采用的分立元件體系結構，還是歷經20多年發展過程中數字系統所采用的各種小規模集成電路SSI（Small Scale Integration）、中規模集成電路MSI（Medium Scale Integration）和大規模集成電路LSI（Large Scale Integration），以及現代數字系統所采用的VLSI或ULSI器件，它們都是由半導體材料（鍺、硅等）做成的，了解半導

18、體導電特性將更加有助于對晶體管工作原理的理解。下面從三個方面對半導體導電性能展開描述。1.半導體導電特性。對于很容易導電的材料，如金、銀、銅、鐵等，人們將它們稱其為導體，而對于那些不能導電的材料，如橡膠、塑料、陶瓷、木材等，則稱其為絕緣體。對絕緣體而言，就是通過外界施加很高的電源電壓在材料上，這些材料內部幾乎也沒有任何電流出現。而半導體則是一種介于導體和絕緣體之間的一種材料，它的導電性比不上導體，但又比絕緣體好。為什么不同材料會出現有如此巨大差異的導電性，即引起導體、半導體和絕緣體之分根本原因何在，其實就是材料內部特性和材料內部原子結構，它們取決于材料內部可以運載電荷形成電流載粒子多少。我們知

19、道原子是由帶正電的原子核和帶負電的電子組成。因此在任何一種原子結構中，電子又被分成幾層圍繞著原子核作不停的運動。所以在同一個原子中，越靠近原子核內層電子受到原子核吸引力就越大，而遠離原子核外層電子受到原子核吸引力就小。對導體而言，因外層電子受到原子核束縛力最小，因此這些大量游離在外層的電子很容易掙脫原子核對它們所產生的束縛力而變成自由電子，所以這些自由電子就成為了運載電荷運動的載流子，一旦材料在施加外電場的作用下，這些載流子將形成定向運動而成為電流出現在載體中。在絕緣體中，由于外層電子受到原子核束縛力很大，這些外層電子很難掙脫原子核對它們所產生的束縛力，為此它們能成為運載電荷的載流子機遇非常小

20、，正是這個原因就決定了絕緣體導電性相對 硅原子結構圖 鍺原子結構圖很差。 硅原子和鍺原子結構示意半導體的原子結構有些特殊，外層電子既不象 導體那樣很容易掙脫原子核對它的束縛力，但也不 象絕緣體那樣受到原子核很強束縛。在常溫條件下， 盡管有些電子能掙脫原子核對它束縛而成為了運載電荷運動的載流子，但這些載流子數量遠比導體材料少得多，所以它們的導電性處在導體和絕緣體之間，這就是半導體材料導電特性由來。 2.半導體的特殊載流子。從半導體技術初創階段 到如今器件技術全面發展階段，這些半導體材料主要 硅晶體的共價鍵結構是基于硅和鍺（化學符號是Si和Ge）這兩種材料， 而這兩種材料原子結構如圖1.6所示。

21、一旦把硅、鍺這種半導體材料變成單晶體結構后，這些材料的原子排列就從原來雜亂無章排列狀態過渡成非常整齊的排列狀態，且各個原子之間距離相等，約為 2.35 ´ 10-4微米，每個原子最外層都是有4個價電子，其結構如圖1.7所示。源于原子理論使我們知道，只有當原子核外層電子要 達到八個時才是處于穩定狀態，因此當硅原子在組成硅晶 共有電子運動示意圖體時，每個原子將要對四周相鄰原子外層電子進行爭奪，來達到滿足穩定狀態條件，這樣每兩兩相鄰的兩個硅原子將處于一種共享一個電子對狀態，即共有電子對狀態。在這個電子對中任何一個電子，它除了一方面圍繞自己原子核運動外，也還時常出現在相鄰原子所屬軌跡上，人們

22、稱這種組合為共價鍵結構。而半導體硅、鍺共價鍵結構特點是外層共有電子所受到原子核束縛力沒有絕緣體那樣強烈，在一定溫度條件下，由熱能可以轉化成電子需要運動的動能，其中有少數電子有可能將掙脫原子核束縛力而成為自由電子，這就形成了帶負電載流子。我們需要注意的是在共有電子掙脫了原子核對它束縛力而成為自由電子后，它將把它原來所處位置形成了一個空位出來。正是有了這樣一個空位，導致處于附近位置上的共有電子很容易對這個空位進行填補，這樣就形成了共有電子運動，結構如圖1.8所示。為了區別帶負電自由電子運動過程，人們將這種帶正電荷空位在半導體中運動過程稱為空穴運動。作為空穴運動過程，也可以將其空穴看作是一種載流子。

23、當對半導體施加外電壓作用時，半導體內部自由電子將按一個特定方向進行定向運動，從而產生帶負電荷的電子電流，同時半導體內部共有電子也依據替補空穴原理形成帶正電荷的空穴電流。這兩種電流都是按照特定方向實現相反定向流動，但不同的是，電子電流是一種帶負電定向電流，而空穴電流是一種帶正電定向電流。所以半導體在外電壓施加作用下，不僅有電子載流子所引起的負電荷電子流，而且還有空穴載流子所引起的正電荷電子流，這就是半導體非常重要的導電方式，它也是用于區別于導體導電的一種重要特性。由于物質總是處于不停運動中，因此在半導體內部熱運動也不斷地產生自由電子，同時也產生相應數量空穴。自由電子在運動過程中又不斷地與半導體中

24、所出現空穴重新結合而消失，它是與產生自由電子的一個相反過程。所以在一定溫度條件下，這種運動將會達到一個相對平衡狀態，盡管半導體內部的結合和產生過程仍在進行，但電子和空穴卻維持著一定的數量。3.p型半導體和n型半導體。在單晶半導體中雖然存在著電子載流子和空穴載流子，但這些能起著導電作用載流子數量，離材料所能達到的導電性能還相去甚遠。由于半導體材料對其導電性具有一種很可貴的可控特性，所以采取一些適當外界措施后，如加溫、光照、或有選擇性地摻入一些其它金屬雜質，就可以顯著提高半導體導電性。而經常提及的p型半導體和n型半導體就是在純單晶半導體中分別摻入三價硼元素和五價磷、銻等元素，硅晶體摻雜硼、 磷后原

25、子結構結。 硅晶體摻雜硼、磷后的原子結構圖因為硼是三價元素，其外層只有三個電子，所以在與硅原子組成共價鍵時，就自然形成一個空穴。摻入的硼雜質每個原子都可以提供一個空穴，形成硅晶體中空穴載流子數量大大增加，此時這種半導體中自由電子數量相對很少，其導電性主要依賴于空穴載流子，人們把這種半導體稱為空穴半導體，簡稱P型半導體。如果在硅晶體中摻入磷，銻等五價元素，這時構成的原子結構又不一樣了。在硅原子和磷原子組成共價鍵后，磷外層五個電子有四個與硅原子組成共價鍵，多出一個電子由于受到原子核束縛力很小，從而很容易成為自由電子，這時構成的半導體材料中，出現了電子為多數載流子，而空穴為少數載流子情況，其導電性主

26、要取決于電子，人們把這種半導體稱為電子半導體，簡稱n型半導體。在實際應用中，半導體中經常是以p型雜質和n型雜質混合形式而出現，因此半導體究竟是p型半導體還是n型半導體導電特性，將取決于某種雜質在半導體中摻入濃度。這樣半導體的導電特性可以在某種已得以確認導電特性下，通過修改摻入雜質比例而引起導電特性轉變。單純一塊p型半導體或一塊n型半導體只能起到一個電阻作用，若在一塊半導體中將這兩種半導體聯結在一起，那么在這兩個半導體的交界面上就會形成一個p n結，通過這些p n 結可以構成二極管、三極管、可控硅等電子元件，器件生產商正是利用這些電子元件結構元件生產出各種VLSI和ULSI器件。要讓p n結能形

27、成各種電子元件，就需要p n結具備單向導電行為。p n結之所以能出現導電行為，實際上就是由半導體內部擴散運動和漂移運動所引起。當做成一個p n結后，在p區中空穴載流子數量較多，因此空穴載流子就要由p區向n區擴散，同樣處于n區電子載流子數量較多，它也形成了從n區向p區擴散，圖1.10表示了載流子擴散示意圖。正因為上述半導體內部產生的擴散運動，使得p區空穴減少，失去帶正電空穴的p型雜質原子就變成了帶負電的離子。同樣也是這種擴散運動，使得n區電子也被減少，失去帶負電電子的n型雜質原子就變成了帶正電的離子。由于離子在晶體中是不能移動的，這樣在p 因擴散運動所產生的空間電場示意圖區和n區交界面上就形成了

28、一個很薄的空間電荷區，人們把這個電荷區就稱為p n結。在這個p n結上，p區這邊帶負電，而在n區這邊帶正電，從而形成了一個空間電場，該電場的方向是由n區指向p區，圖1.11表示因擴散運動所導致在半導體中所產生的空間電場示意圖。在p n結上所存在的這個空間電場，對擴散運動帶來對p區多數空穴載流子向n區擴散進行阻礙，同樣它也阻礙了n區多數電子載流子向p區擴散。同時電場還使p區少數電子載流子和n區少數空穴載流子向對方區域進行漂移運動，因此在p n結內部就出現了兩種運動。一個是因濃度差異所引起的擴散運動，一個是因空間電場所引起的漂移運動。開始時候，p n結內部擴散運動為主要行為，隨著擴散過程的持續，p

29、 n結開始逐漸加寬，從而導致空間電場力逐漸加強，這個電場力反過來又使得漂移運動也加強。當擴散運動和漂移運動作用相互抵消時，半導體內部p n結就不再加寬了，從而達到暫時平衡。盡管半導體內部仍繼續著擴散和漂移運動過程，但它們以一種大小相等，作用相反的表現行為而存在，此時半導體上不會有任何電流能流過。 p n結正向連接的單向導電行為 p n結反向連接的單向導電行為如果我們在半導體p 式，將外部電壓正極接在p n結p區上，同時將外部電壓負極接在p n結n區上。 此時因外加電壓與半導體內部p n結上所形成的空間電場方向相反，這勢必對原電場進行削弱，結果導致擴散運動能力超過漂移運動能力，使得空穴載流子就能

30、夠順利地越過p n結空間電場區，在p n結就形成較大電流出現，所以p n結在正向導通情況下其電阻是非常小的。由于在p n結上施加的外部電壓使得p n結空間電場變窄，其結果驅使了p區空穴載流子向n 區運動，同樣也促使n 區電子載流子向p區運動。一旦p區空穴載流子向n區運動而進入空間電荷區，就與原來存在于空間電荷區中負離子進行中和，同樣由n區向p區運動電子載流子在進入空間電荷區后，也與原來空間電荷區中存在的正離子中和，這兩種中和結果都使得空間電荷量減少，表現在p n結的物理特性上就是空間電場減弱，即p n結變窄。如果按圖1.13所示方式，將外加電壓負極接在p n結p區上，同時將外部電壓正極接在p

31、n結n區上。由于這種連接方式是外加電壓與半導體內部空間電場方向一致，它將使得p區中空穴載流子向外加電壓負極進行移動，而n區中電子載流子向外加電壓正極進行移動，這種反向運動結果導致了空間電荷量不是減少，而是增多，表現在p n結物理特性上是空間電場增強，即p n結變寬，這樣在半導體中使得載流子擴散運動很難繼續進行。但是由物體運動所產生的熱激發將在n區中生成空穴載流子和p區中生成電子載流子，它們在外加電壓作用下實現漂移，從而在p n結上形成漂移電流。由于這些載流子數量極少，所以在反向電壓作用下形成的反向漂移電流也很小，這個反向漂移電流就是人們通常所說的反向暗流或反向電流，這也是為什么p n結在反向電

32、壓施加下產生電阻很大的原因。1.2.3 晶體二極管開關特性二極管就是一個p n結。它是在n型硅片氧化膜上利用光刻技術先開出一個窗口，然后對該窗口進行高濃度硼擴散來獲得p型硅，這樣在其交界處就形成了一個p n結，二極管用符號表示。二極管特性就是單向導電，以硅二極管為例的電壓電流(V/A)曲線如圖1.14所示。二極管伏安曲線由如下三個部分組成：1.正向特性部分：當在二極管兩端施加正向電壓Vf時，在二極管內部將立即產生正向電流If。如果外部施加正向電壓還不能克服 內部電場對載流子擴散運動阻力時，此時流經 硅二極管電壓電流(V/A)曲線二極管正向電流仍然很少，二極管仍表現出較大電阻特性。只有當外加電壓

33、達到一定程度后，其結果外加電壓將大大削弱二極管中內部電場，使得二極管中正向電流快速增大。這個正向電流增大也必須有一個適度，即它能表現出的最大可容忍電流量，否則使二極管產生過熱現象而被燒壞。因此在一定工作電流下，希望二極管管壓降是越小越好。所以這個正向壓降和正向電流是二極管正向特性的兩個主要參數。2.反向電流部分：反向電流是由因二極管內部p區空穴載流子和n區電子載流子漂移運動所引起的，這些少量載流子在電場作用下很容易地通過p n結而形成反向電流，所以反向電流大小將取決于載流子數，而與反向電壓大小可以說幾乎無關。由于半導體內的漂移運動與熱激發相關聯，而熱激發又受到溫度影響，在溫度升高時，熱激發更加

34、劇烈的被表現出來，從而導致反向電流隨之增加。所以在數字系統應用環境中，一定要考慮環境溫度，因為它將直接影響到所使用集成電路反向電流問題。所以我們說，反向電流是衡量二極管反向特性一個重要參數。如果一個二極管反向電流越大，說明二極管性能越差。3.反向擊穿電壓部分：反向擊穿電壓是提供給使用者在對二極管使用時，可以承受外部電源反接時一個標準。當對二極管采用反向連接時，反向電壓開始增加并不能立即引起二極管反向電流增加，即反向電流仍基本保持不變。但當外部電壓增加到一定大小時候，二極管的反向電流將突然劇增，出現二極管被擊穿現象。產生二極管被擊穿原因是，當外加反向電壓增加到一定量值時，使得二極管內部p n結中

35、電場強度非常大，結果導致p n結中載流子獲得極大動能，并去撞擊其它原子而產生電離。這些被電離出來載流子又去撞擊更多原子，又使得這些再度被撞擊原子也產生電離作用，這個現象就如同雪崩效應一樣，使得瞬間通過p n結電流量劇烈增長，最后導致二極管被擊穿。因此任何一種電子元件和集成電路都給出了它們可以工作的最大反向工作電壓，在對數字系統進行設計時，一定要按照電路元件或集成電路所提供的工作頻率、工作電流、反向電壓等參數進行選用。由于數字系統是專門研究如何通過脈沖信號來加工、傳輸和處理連續變化的信號量，所以在脈沖作用下，二極管將處于通（管壓降很小、有電流通過）和斷（沒有電流通過）這兩種工作狀態，而且這兩種狀

36、態轉換速度要求能極其高速的被表現出來，所以二極管開關特性反映了晶體管在導通和截止這兩種狀態之間快速轉換問題。分析圖1.15和圖1.16，圖1.15中接入正反兩個電源，究竟是哪個外接電源被接入取決于電路中開關K，電路中電阻R起到了對二極管限流作用，Vout表示了二極管管壓降，這個管壓降也代表了電路輸出電壓。 描述二極管開關特性電路 二極管開關特性示意圖當電路中開關K倒向到正向電源連接方式時，二極管立即處于正向導通狀態，此時二極管兩端正向壓降Vout很小，電路中正向電流為If =Vf / R。如果從對外輸出電壓這個角度上看，此時電路對外將輸出一個低電平（硅二極管約為0.7v，鍺二極管約為0.3v）

37、。若將電路中開關K倒向反向電源連接方式，二極管將處于反向截止狀態，此時電路中Ib » 0，Vout = Vb，二極管兩端壓降就是輸入反向電壓，即反向截止，如果從對外輸出電壓這個角度上看，此時電路對外輸出一個高電平。從圖1.16中可以看出，當電路開關K從正向連接突然倒向負向連接時，這一瞬間電路中反向電流仍然很大，Ib = Vb / R，此時二極管仍然維持很小對外輸出電壓。在經過一段時間后，二極管將從導通狀態轉變成截止狀態，此時電路中才幾乎沒有電流流動，對外輸出電壓就從低電平轉變成高電平，所以說二極管反向截止是有條件且可變動的。從1.2.2中已清楚知道，在二極管處于正向導通時候，p區和n

38、區載流子都是不斷地向對方區域進行擴散運動，這些空穴載流子和電子載流子在克服了空間電場阻力到對方區域后，并不是立即與電子或空穴復合而消失,而是在一個稱為擴散長度路程中繼續擴散，雖然它們也會與一些空穴或電子復合而消失，但在這個擴散長度范圍內存儲了一定數量的空穴或電子，并建立了一定密度分布且在對方區域中形成一定量的存儲。當對二極管突然施加反向電壓時，它們將立即形成漂移運動，這就是前面所說Ib為什么開始還出現相當大的原因。在經過一段時間后，由于處于p區和n區存儲電荷消失，Ib才出現幾乎為零情況。由于在外加電壓的突然改變，它為二極管從導通向截止方面轉化奠定了基礎條件，所以產生的反向電流使得存儲電荷逐漸消

39、失。在存儲電荷消失后， p n結空間電荷區也開始由窄逐漸變寬，因此通過二極管的電流也逐步跟隨變小，導致二極管也由原來導通狀態逐漸轉變成截止狀態，這個轉換時間稱為二極管反向恢復時間，用ts表示。ts和選用二極管有關，屬于低頻整流管類型的p n結面積大，所以存儲電荷也較多，因此ts就大。而開關型二極管p n結面積小，同時在制作工藝中利用了“摻金”手段，即在半導體中摻入極少量金元素，這些金元素很容易捕獲電子并與空穴復合而消失，所以可以加快二極管開關速度，這樣它可以達到讓存儲電荷快速復合并消失效果，所以ts就小。當二極管處于反向截止狀態時，若再度將外加電源修改成正向連接方式，此時二極管又從反向截止狀態

40、轉變成正向導通狀態。二極管內部p n結電荷區再次由寬變窄，其結果所引起電荷量由多變少雖然也需要一定時間，但這個時間非常短暫，一般情況下都將該時間忽略掉。1.2.4 晶體三極管開關特性開關在電路中作用是，它只具有兩個狀態，接通和斷開。對于理想的開關，當它接通時阻抗應為0；當它斷開時阻抗應為無窮大；同時開關從一種狀態轉換成另一種狀態時所需時間應等于0。事實上，這種理想開關是不可能存在，但至少我們可以利用三極管開關特性來較好起到開關作用。三極管構成也采用了p n結模式，但它比二極管增加了把信號放大作用，這也是三極管與二極管相比所產生的質的飛躍。三極管是由兩個p n結組成，中間用一層很薄的基區來實現聯

41、系，圖1.17表示了三極管結構和符號，其中發射極用“e”表示，基極用“b”表示，集電極用“c”表示。 三極管結構與符號示意圖放大是三極管基本特性，但放大也被一些條件所制約。在某些情況下，三極管可以從放大狀態轉化成截止狀態，或從放大狀態轉化成飽和狀態，因此放大、截止、飽和稱為三極管三個工作狀態，所以數字系統所涉及到數據信息的加工、傳輸和處理就利用了三極管這三個狀態互相轉化特性。假設有一個如圖1.18所示電路，我們可以通過該電路來簡單定性說明三極管三個狀態之間轉化過程。三極管截止狀態：若在電路輸入端施加一個從-3V到+3V脈沖信號， 開始時輸入電壓為-3V，因發射極電位Ve = 0，所以在發射結上

42、施加的是一個反向偏置。此時三極管集電極電位Vc也高于Vb，同樣收集結也處于反向偏置。由于此時三極管兩個p n結都處于反向偏置，此時三極管內部主要表 三極管截止、放大飽和狀態轉化示意圖現的是漂移運動，因這種情況下三極 管中能夠獲得漂移條件的載流子為極少數，由它們形成的反向電流是可以忽略不計的，即Ib與Ie基本上為0，輸出電壓 Vout = +12v。此時三個電極之間，似乎用一種斷開現象被表現出來，因此人們把三極管這種工作狀態稱為截止狀態。實際上只要輸入電壓Vin £ 射極電壓Ve，將導致基極電流Ib = 0，三極管進入截止狀態。三極管放大狀態：如果把輸入電壓Vin從-3V增加到+3V，

43、此時Rb若很大，則Vb < 0.5V，發射結電場阻力仍未被削弱，發射區電子擴散運動還是非常困難的，這時三極管基極電流Ib和集電極電流Ic仍很小，所以三極管仍處于未導通狀態。當繼續增加輸入電壓Vin，使得基極電壓達到0.7V左右，發射結正式導通，此時對于三極管來講，只要稍微改變一點基極電流Ib，集電極電流Ic將按照一個確定放大倍數（如40倍）產生一個很大變化。由于集電極電流Ic變化，也導致輸出電壓Vout也跟隨發生相應地改變，這就是三極管放大特點。假設基極電流Ib = 50mA，按放大倍數b = 40倍計算，集電極電流Ic = 2mA，輸出電壓Vout = Ec - Ic ´ R

44、c = 12V - 2 mA ´ 1K = 12V 2V = 10V。若增加基極電流到100mA，此時三極管集電極電流達到4mA，輸出電壓Vout = Ec - Ic ´ Rc = 12V - 4 mA ´ 1K = 12V 4V = 8V。所以從這個分析中可看出，基極電流Ib變化一點，則集電極電流Ic變化是非常大的，即集電極電流變化按基極電流40倍計算，因此集電極電流巨大變化也引起輸出電壓發生相應變化，即三極管放大特點定量舉例。當三極管處于放大狀態時，由于集電極電壓Vc仍然高于基極電壓Vb，所以三極管收集結仍處于反向偏置，這樣收集結將發射區通過基區發射過來的電子

45、充分加以收集，集電極電流Ic = b ´ Ib，所以集電極電流Ic大小主要取決于發射結發射電子情況，而與負載電阻Rc，集電極電壓VC大小基本無關。三極管飽和狀態：若繼續增加基極電流Ib = 300mA，此時集電極電流Ic » 12mA，這樣電路輸出電壓Vout就是硅型三極管集 射極管壓降，約為0.3V。若繼續增加基極電流Ib = 400mA，因電源電壓為12V，集電極電流Ic只能維持在12mA，電路對外輸出仍保持在0.3V左右。所以盡管基極電流Ib可以繼續增加，但集電極電流Ic已經不能再跟隨增加了，輸出電壓幾乎趨近于0V，但決不能變成一個負電壓輸出，這時我們說三極管已經失去

46、它的放大能力，從而進入了一種稱為飽和的現象，人們把三極管這種工作狀態稱為飽和狀態。出現飽和原因是集電極電流Ic增加受到負載電阻Rc限制。在本例中，因Rc 取為1K，所以Ic增加將引起Vout下降，輸出電壓Vout最多只能接近于0V，這樣就限制了集電極電流最多只能接近于12mA。這也說明基區電子擴散運動在收集結處產生了堆積，而復合運動成主體運動，由發射區發射過來的多余電子都形成了基極電流，因此收集結由反向偏置變成了正向偏置。原本在收集結上的漂移運動被轉化成擴散運動，從而使收集極收集作用受到了限制，三極管就從原來放大狀態進入到飽和狀態。通過上面對三極管三種工作狀態分析，可以得到以圖1.18電路為例

47、的如圖1.19所示三極管特性曲線，該特性曲線描述了三極管集射極壓降Vce、集電極電流Ic和基極電流Ib之間關系。利用特性曲線圖可以直觀表示三極管工作區域，圖中拐彎處左邊部分為三極管飽和區，拐彎處右邊平坦部分為三極管放大區，曲線圖中拐點為臨界飽和點。實際上經常把特性曲線與負載線結合起來使用。 負載線就是在負載電阻Rc被固定情況下，改變 三極管特性曲線圖基極電流Ib所做出集電極電流Ic，與三極管集射極壓降Vce對應關系的一條直線，這條直線就稱為負載線。負載線與特性曲線結合起來可以決定三極管工作區，比如負載電阻Rc = 1K，基極電流Ib = 80mA，此時三極管工作在臨界飽和點，曲線圖中C點位置；

48、當基極電流Ib = 40mA，此時三極管工作在放大區，曲線圖中Q點位置；基極電流Ib > 80mA，此時三極管工作在飽和區，曲線圖中A點位置；基極電流Ib = 0mA，此時三極管工作在截止區，曲線圖中B點位置。從負載線中也可以看出，負載電阻Rc越大，三極管越容易進入飽和狀態，反之三極管越不容易飽和。建立了三極管基本工作概念后，就可以對三極管開關特性進行描述。三極管開關過程和二極管一樣，它說明當三極管工作時候，從飽和狀態到截止狀態轉換過程需要一定時間。引起該時間的原因，來自于三極管內部在p n結上電荷建立和消散過程。由于在數字電路中，只需要使用三極管截止和飽和狀態，不需要使用三極管放大狀態

49、，所以這兩個狀態之間轉換速度就決定了數字系統實時性和可用性。通過圖1.20等效電路來了解三極管開關特性。（1）等效電路 （2）電壓和電流波形 三極管開關特性示意圖當輸入電壓Vin突然從-1.3V跳變到+1.8V時，三極管還不能立即導通，而需要經過一個延遲時間td，再經過一個上升時間tr后，三極管才能進入飽和狀態。所以這兩個時間之和就稱為三極管開啟時間，用ton表示，即ton = td + tr。其中延遲時間td表示輸入信號從-向變化這一時刻開始，直到集電極電流上升到開啟三極管工作所對應這段時間稱為延遲時間。上升時間tr表示從集電極電流引起三極管工作這個時間起，到集電極電流上升到三極管飽和工作所

50、對應這段時間時稱為上升時間。當輸入電壓Vin-1.3V時，三極管也不能立即關閉，它先需要經過一個延遲時間ts，然后再經過一個下降時間tf后，三極管才能從飽和狀態返回到截止狀態。所以這兩個時間之和就稱為三極管關閉時間，用toff表示，即toff = ts+ tf。其中存儲時間ts表示輸入信號開始向負跳變，到三極管開始退出飽和區所需要時間稱為存儲時間。下降時間tf表示輸入信號負跳變結束后，三極管從飽和區到截止區變化時間稱為下降時間。從上述描述可以知道，開啟時間就是三極管p n結充電和基區電荷需要所建立時間，而關閉時間就是清除三極管內部存儲電荷時間。因此影響三極管開關時間因素首先取決于三極管內部構造

51、。在基于開關模式下的三極管，由于內部摻金作用，引起三極管關閉時間大大加快，所以這類三極管開關特性非常好。因為集成電路都是在硅片上通過光刻來實現電阻、電容、二極管和三極管的，所以三極管內在因素也構成了集成電路的一些限制，任何一種集成電路都在使用手冊中都詳細描述了它的各種參數，使用時設計者將依據這些參數來針對不同需求數字系統進行設計。1.2.5 晶體三極管三種連接方法由于三極管只有三個電極，當三極管被連接到電路時，其中要有兩個電極作為輸入信號輸入端，同時也要兩個電極作為輸出信號輸出端，這樣必將有一個電極作為輸入和輸出信號共享信號端。因此使用不同電極作為輸入、輸出信號端共享方式，就形成了三極管的不同

52、連接方式，因此不同連接方式產生的電路性能將有所不同。1.共發射極電路連接結構。共發射極連接方式也稱為共射電路，連接結構如圖1.21。這種電路結構既有電流放大作用，也有電壓的放大作用，因此它的功率放大能力最強，它可以用較小的功率來控制很大的功率，所以這種電路結構在數字電路和線性電路中都得到非常廣泛的應用。 2.共基極電路連接結構。 該電路連接結 圖1.21 共射電路結構構如圖1.22所示。在這種電路結構中，如果輸入電壓Vin為負電位，此時三極管將會處于導通狀態，即射極電流Ie =（| Vin | - Vbe）/ Re，如果輸入電壓Vin遠遠高于發射結電壓Vbe，此時電路射極電流Ie »

53、 | Vin | / Re。因此在這種情況下，射極電流將由外電路的電源電壓和射極電阻來決定，所以它可以獲得非常穩定的電流表現。在共基極電路連接結構中，共基電流放 圖 共基極電路連接結構大系數a在三極管工作在放大狀態時，它接 近于“1”，所以電路中三極管基極電流Ib很小。由于a變化波動很小，因此集電極電流Ic也相對比較穩定。 這種共基極電路連接方式在數字系統中經常被用來作為一個提供穩定電流的恒流源，利 用它來產生比較穩定的集電極電流Ic。因此這種連接方式的一個重大優點就是三極管截止頻率高，動態特性很好。但這種連接方式是利用損失電流放大作用結果，來換取較好頻率特性效果，所以它一般被用在高頻放大、高

54、頻振蕩電路結構中。 3.共集電極電路連接結構。這種連接方式也稱為射極跟隨器，該電路連接結構如圖1.23所示。這種電路結構使三極管通常都工作在放大區，所以三極管發射結一直是處于正向導通狀態。當發射結處于正向導通狀態時，三極管基射極電壓Vbe很小，電路輸出電壓Vout跟隨輸入電壓變化而變化，但略小于輸入電壓，這是因為在這種連接方式中，輸入電壓Vout = Vout + Vbe。這種連接方式優點是輸入阻抗很高，它對前級電路來說只提供了很輕的負載，因此形成的數字系統將產生很低熱效應，便于現代移動數字系統實現。 而它的輸出阻抗小，表示這種連接方式的電路將可以帶動較大負載，因此在數字系統中，可以實現并發性地監測多種外部設備。因射極跟隨器具備上述優點，所以這 圖1.23 共集電路結構種連接方式經常在數字系統中被用作實現阻抗匹配地方，以起到信號隔離。1.3 邏輯門電路 作為數字系統應用，人們經常需要對其構成的數字系統施加一些外部條件，去控制脈沖信號能否通過這些數字系統，這種控制條件所需電路機制就是邏輯門，而門電路基本形式就是“與門”和“或門”兩種。 數字電路是集成電路技術最大應用領域。由于數字電路基本形式是由“與”、“或