数字逻辑电路(三、集成门电路与触发器)

1、分立器件及数字集成电路分类

自二十世纪初期第一代电子器件真空管问世以来，电子器件和电子技术得到了飞速的发展。分立器件被广泛的应用到消费电子、计算机及外设、网络通信、汽车电子、LED显示屏等领域，大大促进了通信技术、自控技术以及计算机技术的发展。

1.1、分立元件

分立元件是与集成电路（俗话说“芯片”）相对而言的，就是指普通的电阻、电容、晶体管等电子元件，统称分立元件。如老式的彩电电源电路部分大部分仍采用的分立元件组成的电路，用的集成电路很少。因为集成电路是采用一定的制造工艺将所有元器件都制作在一小块硅片上形成的电路。其优点是成本低、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高,且便于维修。

1.1.1、电阻器

电阻器在日常生活中一般直接称为电阻。是一个限流元件，阻值不能改变的称为固定电阻器；阻值可变的称为电位器或可变电阻器。电阻的主要物理特征是变电能为热能，电阻在电路中通常起限流、分压的作用。对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻。电阻在电路中通常起分压、分流的作用。对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻。

电阻器的种类很多大致可分为：固定电阻、可变电阻、敏感电阻等。

1）固定电阻

常见的固定电阻有：碳膜电阻器（RT）、金属电阻器（RJ）、绕线电阻器（RX）、片状电阻

碳膜电阻器（RT） ：这种电阻器的电阻体是在高温下将碳氢化合物热分解产生的碳沉积在瓷棒或瓷管表面而制成的。（优点：成本低；缺点：稳定性低，误差大；）碳膜电阻器目前在我国生产量最大、应用范围也最广，如在收音机、录放机、电视机及其他一些电子设备和仪器中都广泛应用到碳膜电阻器。

金属电阻器（RJ）：是用阴极溅射或真空蒸发等工艺，让合金粉沉积在陶瓷基体的表面上，并让其形成一层薄薄的金属膜或合金膜。通过改变金属膜厚度或刻槽可以精确地控制其电阻值。（优点：稳定性好，精密；缺点：成本高；）金属膜电阻器在要求较高的通信机、雷达机、医疗和电子仪器中得到广泛应用，在收音机、录音机、电视机等民用电子产品中也得到较多的使用。

绕线电阻器（RX）：用高电阻率的镍铬合金或锰铜等合金金属线在绝缘骨架上绕制而成的。（优点：精度高、耐高温[300℃]，缺点：不宜用于高频电路）

片状电阻：主要用于SMT技术中，它的优点是体积小节约空间，常用于手机、MP3等电子产品中。

除了上述的几种，还有合成膜电阻器(RH型)、有机实芯电阻器(Rs型)、无机实芯电阻器(RN型)、金属氧化膜电阻器(RY型)、化学沉积膜电阻器(RG型)、玻璃釉膜电阻器(RI型)等。

2）可变电阻、敏感电阻

常见的可变电阻器是滑线式电阻器，多为线绕电阻，我们初中接触电路是常常用的滑动变阻器就是这种；

敏感电阻：电阻值随所处环境的某种物理量(如温度、湿度、光强、电压、气体浓度等)的变化而变化，也称电阻型敏感元件。这类电阻器在自动检测和控制电路中应用广泛。

1.1.2、电容器

电容是指容纳电荷的能力。两个相互靠近的导体，中间夹一层不导电的绝缘介质，这就构成了电容器。当电容器的两个极板之间加上电压时，电容器就会储存电荷，形成电压（电势差），但是由于中间的绝缘物质，所以整个电容器是不导电的。我们知道，任何物质都是相对绝缘的，当物质两端的电压加大到一定程度后，物质都是可以导电的，我们称这个电压为击穿电压。电容也不例外，电容被击穿后，就不是绝缘体了。但是，在交流电路中，因为电流的方向是随时间成一定的函数关系变化的。而电容器充放电的过程是有时间的，这个时候，在极板间形成变化的电场，而这个电场也是随时间变化的函数。因此，电容器在调谐、旁路、耦合、滤波等电路中起着重要的作用。

电容器的种类也很多，制造材料的不同大致可分为：电解电容、瓷介电容、涤纶电容、钽电容、聚丙烯电容等。

1）电解电容

如铝电解电容，是一种有极性的电容，需要分正负极，一般用于直流或低频电路（而无极性电容，一般用于交流电路），一般黑色和绿色的铝电解电容也是我们最常用的电容，用于整流后的滤波，而蓝色、金色和橙色用于精密电路，比如音频信号的耦合等。

而钽电解电容，体积小稳定性高，一般用于要求较高的电路定时、延时。

2）瓷介电容器

容量比较小，适用于超高频信号的旁路、耦合、滤波等。

3）涤纶电容

用于中低频电路，如信号耦合、旁路、隔直等，不宜在高频电路中使用。

1.1.3、电感器

电感器(Inductor)是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件。电感器具有一定的电感，它只阻碍电流的变化。如果电感器在有电流通过的状态下，电路断开时它将试图维持电流不变。

自1831年英国法拉第发现电磁感应现象的铁芯线圈。19世纪中期，电感器在电报、电话等装置中得到实际应用。

电感器的特性与电容器的特性正好相反，它具有阻止交流电通过而让直流电顺利通过的特性。直流信号通过线圈时的电阻就是导线本身的电阻压降很小；当交流信号通过线圈时，线圈两端将会产生自感电动势，自感电动势的方向与外加电压的方向相反，阻碍交流的通过，所以电感器的特性是通直流、阻交流，频率越高，线圈阻抗越大。

电感器的电感大小与线圈的结构有关，线圈绕的匝数越多，电感越大；在同样的匝数情况下，线圈增加了磁芯后，电感量增加。

电感器的特性：通低频信号，阻高频信号；通直流信号，阻交流信号。

1.1.4、二极管

半导体，指常温下导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。是一种导电性可受控制，范围可以从绝缘体至导体之间的材料。常见的半导体材料：硅、锗、砷化镓。应用最广泛的还是硅。

二极管就是用半导体材料(硅、硒、锗等)制成的一种电子器件。它具有单向导电性能，即给二极管阳极加上正向电压时，二极管导通。当给阳极和阴极加上反向电压时，二极管截止。

二极管是最早诞生的半导体器件之一，其应用非常广泛。二极管是最早诞生的半导体器件之一，其应用非常广泛。无论是在常见的收音机电路还是在其他的家用电器产品或工业控制电路中，都可以找到二极管的踪迹。

二极管就是由一个PN结加上相应的电极引线及管壳封装而成的。

常见的二极管有两种材料的：硅二极管（0.6~~0.7V）、锗二极管（0.2~~0.3V）。

按用途可以分为：整流二极管、检波二极管、发光二极管、稳压二极管、光电二极管、开关二极管和快恢复二极管。

1）二极管的静态特性

正向导通
反向截止

注：正向导通可能因电流过大而导致二极管烧坏，反向截止当达到击穿电压后反向击穿。

例如：单向导电性（可以作开关）

2）二极管的动态特性

当二极管加正向电压V_F时，正向导通有电流 $I_F$ ;当加反向电压- $V_R$ 时,反向电流并不是一下就消失，而是有一小段时间( $t_s$ )有个反向电流 $I_R$ ，之后电流逐渐下降接近0。

反向恢复时间： $t_{re}=t_s+t_t$

产生反向恢复时间的原因，是P区N区电子的运动趋于稳定的过程。

开通时间：截止转为正向导通所需的时间，主要由外部参数决定，开通时间与反向恢复时间相比很小，可以忽略不计。

3）半波整流

1.1.5、三极管

半导体三极管又称为“晶体三极管”或“晶体管”。在半导体硅或锗的单晶上制备两个相互影响的PN结，组成一个PNP（或NPN）结构。

在高中我们学习过核外电子的排布，每一层最多排2n^2个电子，且最外层不能超过8个电子。比如我们的硅，原子序数14，在元素周期表中它位于金属和非金属的过渡位置，它的核外电子分布[2,8,4]，最外层4个电子，要趋于8电子稳定结构，它即不容易得到电子也不容易失去电子。

其次，我们再来复习一下化学键相关的概念。

离子键：使带相反电荷的阴阳离子结合的相互作用。

离子化合物：阴阳离子通过静电作用形成的化合物。一定含离子键，也可能含共价键。一般来说金属容易失去电子，所以一般含金属元素和氨根NH_4^+（除了 $AlCl_3$ 、 $BeCl_2$ ）形成的化合物就是离子化合物。离子化合物在熔融或溶于水的情况下导电。

共价键：原子间通过共用电子对所形成的强烈的相互作用。

共价化合物：分子中直接相邻的原子均以共价键相结合形成的化合物。只含共价键的原子或分子（一定含极性键）。大多数不导电，只有少部分溶于水可导电。

界定离子化合物和共价化合物的可以在熔融状态下是否导电来区分，熔融状态下能导电的一定是离子化合物。

纯净的硅原子与硅原子之间形成共价键就不容易失去电子。但是在一定的外力（赋予能量，加热）电子也会挣脱束缚。（热能转换为电能）电子的定向运动形成电流。但是为了加强硅的导电性，往往会掺一些杂志增强其导电性。

接下来再来看看一个PN结的工作原理：

P型半导体：掺杂了三价元素（如硼元素）的半导体称为P型半导体，元素最外层只有三个电子，与硅形成共价键（4+3），还少一个组成8电子稳定结构，少的这个电子叫空穴，P型半导体中空穴多，自由移动的电子少（吸引力强了导电性也强了）。

N型半导体：掺杂了五价元素（如磷元素）的半导体称为N型半导体，元素最外层5个电子，多出来的一个电子很容易脱离原子核的束缚，变成自由移动的载流子（自由移动的电子多了，导电性也强了）。

扩散运动：N极的电子流向P极和空穴结合的运动。

漂移运动：P极的少量电子移动到N极的运动。

PN结：相邻区域，N极和P极经过一段时间的扩散后就会形成一个稳定的电场（P极多了电子显负，N极少了电子显正），硅的自建电场0.6左右。

如果在PN结加正向电压（P极接上正极，N极接上负极，称之为正偏，正极发射正电荷（等效空穴），负极发射负电荷（等效与电子，当完全中和掉了PN结中的电子），当扩散运动完全占据主导地位时，就形成了稳定的电荷运动，就具有导电性了。

如果在PN结加反向电压，此时漂移运动占据主导地位，内建电场逐减增强至某一极限时，即可作为一个绝缘体。

三极管的工作示意图：

当输入电压 $V_i<=0$ 时，即反向电压（发射结和集电结反偏），此时处于截止状态。

当输入正向电压 $V_i>V_{标准值}$ 时，此时 $V_b>V_e , V_b<V_c$ 时（发射结正偏、集电结反偏）， $i_e$ 的大小受基极电流i_b的控制，此时处于放大状态。

当输入正向电压 $V_i$ 大于某一数值时（使得输入电流 $i_b\ge \frac{V{cc}}{R_c}$ ），此时 $V_b>V_e , V_b>V_c$ （发射结正偏、集电结正偏），此时处于饱和状态,开关导通。

具体的工作原理，可以找个视频看看。

三极管按用途分为：高/中频放大管、低频放大管、低噪声放大管、光电管、开关管、高反压管、达林管、带阻尼的三极管。

二极管、三极管图片：

1.2、数字集成电路分类

一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连在一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，通过引脚与外部联系。

1.2.1、根据半导体器件进行分类

1）双极型集成电路

采用双极型半导体器件作为元件。其特点是：速度快、负债能力强、功耗大、集成度较低。

双极型集成电路又可分为：

TTL（Transistor Transistor Logic）：三极管-三极管电路
ECL（Emitter Coupled Logic）：射极耦合电路
PL（Integrated Injection Logic）：集成注入电路

2）单极型集成电路

金属氧化物半导体场效应管（MOS晶体管）作为元件。其特点是：结构简单、制造方便、集成度高、功耗低，速度较慢。

单极型集成电路又可分为：

- PMOS（P-channel Metal Oxide Semiconductor,P-沟道MOS）
- NMOS（N-channel Metal Oxide Semiconductor,N-沟道MOS）
- CMOS（Complement Metal Oxide Semiconductor,C-沟道MOS）

1.2.2、根据集成电路规模的大小进行分类

1）SSI（小规模集成电路）

逻辑门数小于10门（或元件数小于100个）

2）MSI（中规模集成电路）

逻辑门数为10-99门（或元件数100-999个）

3）LSI（大规模集成电路）

逻辑门数为100-9999门（或元件数1000-99999个）

4）VLSI（超大规模集成电路）

逻辑门数大于10000门（或元件数大于100000个）

2、门电路

2.1、简单逻辑门电路

2.1.1、二极管与门电路

三个二极管组成的与门电路：

V_A	V_B	V_B	V_F
0	+5V	+5V	0V
+5V	+5V	+5V	+5V
0	0	0	0

注：情况一， $V_A=0V,V_B,V_C$ 都接+5V时，只有A是导通的，A端为0V。高中时就学过，所谓产生电势差才会有电流通过。而此时BC端都是截止状态， $V_F=0V$ 。当ABC端都是+5V时，ABC端都是截止状态F端的电压几乎和 $V_{CC}$ 端的电压基本相同。

2.1.2、二极管或门电路

三个二极管组成的或门电路：

V_A	V_B	V_B	V_F
0	0	0	0
0	0	+5V	+5V
+5V	+5V	+5V	+5V

2.1.3、三极管非门电路-反相器

当A输入+5V时，三极管处于导通状态F端的电压与底部一致几乎为0V。而当A输入为0V时，三极管处于截止状态，所以F端的电压基本等于上端的电压+5V。

V_A	V_F
+5V	0
0	+5V

2.2、TTL集成逻辑门电路

TTL是晶体管—晶体管逻辑（Transistor-Transistor Logic）的简称。TTL逻辑门由若干晶体三极管、二极管和电阻组成。这种门电路于20世纪60年代即已问世，随后经过对电路结构和工艺的不断改进，性能得到不断改善，至今仍被广泛应用于各种逻辑电路和数字系统中。

2.2.1、典型TTL与非门

由于与非逻辑可以实现任意逻辑运算，所以与非门是应用最广泛的逻辑门电路。

输入级：由多发射极晶体管 T1 和基极电组 R1 组成，它实现了输入变量 A 、 B 、 C 的与运算。

中间级：是放大级，由T2 、R2 和 R3 组成， T2 的集电极 C2 和发射极 E2 可以分提供两个相位相反的电压信号。

输出级：由 T3 、 T4 、T5和 R4 、 R 5 组成其中 T3 、 T4 构成复合管，与 T5 组成推拉式输出结构。具有较强的负载能力。

前面我们也讲到了三极管（可以简单的理解成，发射极[发射电子]、基极[控制流量]、集电极[收集电子]，就好像我们水龙头放水，集电极接管子，基极水龙头控制流量，发射极放出水），（一般来说硅）三极管导通的电压约为0.6~0.7V，T5要导通需0.7V，T2且T5要导通则T2要1.4V，T1、T2、T5都要导通需2.1V，即，T1、T2、T5的开启电压 $V_{on}$ 为2.1V。

当 $V_i<V_{on}$ 时，即A/B/C有输入低电压，T1、T2、T5不能完全导通，处于截止状态，而选择走T3、T4。T3,T4导通需1.4V，所以Vcc和输出F的Vo之间的电压5-1.4=3.6V。

当 $V_i=V_{on}$ 时，A/B/C均输入0.7V，T1、T2、T5都能导通，处于饱和状态。此时T5发射结正偏，集电结正偏，T5向下0.7V，Vo的电压小于或等于0.3V。

当 $V_i>V_{on}$ 时，A、B、C输入高电平3.6V，T1、T2、T5导通，且处于放大状态， $I_{c1}=I_i+I_{R1}$ ，T5向下0.7V，Vo的电压小于或等于0.3V。

2.2.2、常用的集成TTL门电路

1）TTL非门

输入级只有一个变量。输入高电平输出低电平，输入低电平输出高电平。

2）或非门

2.2.3、两种特殊的门电路

1）集电极开路门（Open Collector Gate，简称OC门）

线与逻辑：只要有一个门输出为低电平，输出F便为低电平。当两个电路都输出高电平，输出F才为高电平。

2）三态输出门（Three State,简称TS门）

逻辑门的输出有三种状态：高电平状态、低电平状态、高阻状态。

当EN=1的时候，实现与非功能。当EN=0的时候，高阻状态。三态门的主要应用，如总线传送（可控制当前由谁来处理）。

当EN=1的时候，G1工作，G2高阻。当EN=0的时候，G1高阻，G2工作（D2口上有个小圆圈，就是表示EN=0才是与非功能）。

2.3、CMOS集成逻辑门电路

2.3.1、什么是MOS

MOS管：是金属物（Metal）、氧化物（Oxide）、半导体（Semiconductor）场效应晶体管。工作时，只有一种载流子参与导电，因此是单极型三极管，也具有放大和开关作用。

目前，几乎所有超大规模集成器件，如超大规模存储器件、可编程逻辑器件等都采用CMOS工艺制造。

2.3.2、MOS工作原理

栅极接高电平，吸引电子上来，最终在源-漏极间形成N型导电沟道，就会通电。接低电平则不会导通。

所以如果是N沟道：

$V_{GS}>V_T$ （开启电压）NMOS时导通，否则截止

如果是P沟道：

$V_{GS}>V_T$ （开启电压）PMOS时截止，否则导通

表示符号：

其中箭头就是表示电子运动方向。向里是N型，向外是P型。

2.3.3、CMOS反向器

CMOS逻辑门电路由增强型N沟道MOSFET和P沟道MOSFET互补而成。

当 $V_i$ =0V时， $T_N$ 截止， $T_P$ 导通，输出 $V_o=V_{DD}$ ;

当 $V_i=V_{DD}$ 时， $T_N$ 导通， $T_P$ 截止，输出 $V_o=0V$ ;

反相器想当于一个非门，当然CMOS也可以实现与非门电路和或非门电路以及三态门。

2.4、正逻辑和负逻辑

前面介绍的一些逻辑门电路，基本上都是默认了用高电平表示1，低电平表示0。

事实上，既可以规定用高电平表示1、低电平表示0（正逻辑）；也可以规定高电平表示0、低电平表示1（负逻辑）。

3、触发器

3.1、什么是触发器

在实际的数字系统中往往包含大量的存储单元，而且经常要求他们在同一时刻同步动作，为达到这个目的，在每个存储单元电路上引入一个时钟脉冲（CLK）作为控制信号，只有当CLK到来时电路才被“触发”而动作，并根据输入信号改变输出状态。把这种在时钟信号触发时才能动作的存储单元电路称为触发器，以区别没有时钟信号控制的锁存器。

它有一个或多个输入端，有两个互补输出端，分别用Q和 $\bar{Q}$ 表示。

3.1.1、触发器的分类

按逻辑功能分类：RS（复位位置）、D（数据）、JK（多功能）、T（可控）、T’（计数式）触发器等；

按有无时钟信号：基本触发器、时钟触发器；

按空翻电路结构：主从触发器、维持阻塞触发器、边沿触发器等。

3.2、各类触发器简介

3.2.1、基本RS触发器

基本RS触发器（a逻辑图，b逻辑符号）：

当 $\bar{R_D}=0、\bar{S_D}=1$ 时，触发器置为0；

当 $\bar{R_D}=1、\bar{S_D}=0$ 时，触发器置为1；

当 $\bar{R_D}=1、\bar{S_D}=1$ 时，触发器保持原状态不变；

当 $\bar{R_D}=0、\bar{S_D}=0$ 时，触发器输出状态不定；

3.2.2、JK触发器

JK触发器具有置0、置1、保持和翻转功能。在各类集成触发器中，JK触发器的功能最为齐全。在实际应用中，它不仅有很强的通用性，而且能灵活地转换其他类型的触发器。由JK触发器可以构成D触发器和T触发器。

JK触发器的特性表：

3.2.3、D触发器

D触发器是一个具有记忆功能的，具有两个稳定状态的信息存储器件，是构成多种时序电路的最基本逻辑单元，也是数字逻辑电路中一种重要的单元电路。

D触发器应用很广，可用做数字信号的寄存，移位寄存，分频和波形发生器等等。

3.2.4、T触发器和T’触发器

T触发器是在数字电路中，凡在CP时钟脉冲控制下，根据输入信号T取值的不同，具有保持和翻转功能的触发器，即当T=0时能保持状态不变，当T=1时一定翻转的电路。

T′触发器又叫计数器，一个时钟周期到来，在上升沿到来实现对原状态的反转，那么每次上升沿到来都对原状态进行反转就可以实现计数（改变次数）。

今天的文章数字逻辑电路(三、集成门电路与触发器)分享到此就结束了，感谢您的阅读。

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