计算机组成原理 马辉 第2章

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1、第2章计算机逻辑部件基础本章导读本章内容主要为没有系统学过数字电路的读者准备，其内容包括二极管、三极管和MOS管的结构与工作特性；布尔代数与门电路；计算机中常用的组合逻辑电路和时序逻辑电路；最后介绍现代数字系统设计的方法流程和各种可编程的逻辑器件。本章要点二极管、三极管、MOS管工作特性布尔代数与逻辑运算门电路功能与符号表示计算机常用组合逻辑电路计算机常用时序逻辑电路数字系统设计方法2.1数字电路基础2.1.1半导体材料和晶体二极管简介2.1.2双极性三极管的结构及其伏安特性2.1.3MOS管的结构及其工作特性2.1.1半导体材料和晶体二极管简介1、二极管的单向导电特性从物

2、体的导电特性区分，可以把它们划分为导体和绝缘体两大类。在导体两端有电压存在时，会在导体内产生流动的电流；在绝缘体两端有电压存在时，绝缘体内不会产生流动的电流。两类物质不同的导电特性是由于其内部的结构不同所造成的。导体物质的原子核与它的电子层结合得不那么紧，在有外界电场作用的情况下，电子容易移动，大量朝一个方向流动的电子群就是电流。绝缘体物质的原子核与它的电子层结合得十分紧密，就是在有外界电场作用的情况下，电子也很难脱离它的原子核的吸引而移动，就不会产生电流。人们也可以制作出半导体器件，例如二极管。这里所说的半导体，是指在不同的情况下，它可以表现为导体或绝缘体的性质。不同情况是

3、指所加电压的方向，当在半导体的某一个方向上加一个电压后，这种器件可以导电，表现出一个导体的特性；而在相反的方向加一个电压后，这种器件就不导电，表现出一个绝缘体的特性。制作半导体器件，基本上是通过在绝缘材料（例如硅）中掺杂进少量的导体材料完成的。根据掺杂的导体材料的不同可分为N型材料（里面有可以移动的带负电荷的电子）和P型材料（可以认为里面有可以移动的带正电荷的空穴），当把这样两种材料结合在一起时，就组成了一个二极管器件，如图2-1所示。图2-1二极管器件的内部结构和导电特性图当在P型区的一侧连线端加高电平，在N型区的一侧连线端加低电平时（此时称正向电压），将产生自左向右流动的

4、电流，称为二极管导通，此时二极管两端有大约0.7V的压降。当反向施加这一电压时，即在P型区的一侧连线端加低电压，在N型区的一侧连线端加高电压时，则P型区的空穴不能流向右方，N型区的电子也不能流向左方，两端就不会有电流产生，称为二极管截止，此时全部压降加到了二极管上。2、二极管的开关特性二极管的开关特性（又称伏安特性）是指二极管的电压和电流之间的关系，如图2-2所示。图2-2二极管的伏安特性当加在二极管两端的正向电压很小时，例如低于0.5V，管中流过的电流也很小，当处于0.5V~0.7V时，电流很快增大。当加在二极管两端的反向电压较小时，例如在20V之内，二极管中的反向电流很小

5、很小，接近于0，当超过某一电压（击穿电压）时，二极管被击穿，反向电流迅速增大。综上所述，在数字电路中可以近似认为，二极管是一个电子开关，当有0.7V以上正向电压加在二极管两端时，它处于导通状态，可以流过一定数量的电流；当有不超过一定范围的反向电压加在二极管两端时，它处于截止状态，没有电流流过二极管。2.1.2双极性三极管的结构及其伏安特性1、双极性三极管的结构双极型三极管通常由三层P型和N型半导体材料结合在一起而构成，包括NPN型和PNP型两种，如图2-3所示。它提供3条连接线与其他电子线路相连接，分别称为集电极、基极和发射极。图2-3双极性三极管对NPN型三极管，可以粗略

6、认为，基极和发射极构成一个二极管，若发射极接地，当基极有0.7V电压出现时，会有一个小的电流从基极流向发射极，并且，若集电极经一个电阻接到+5V电源上，则会有一个更大的电流从集电极流向发射极，并在集电极和发射极之间产生0.1~0.3V的压降，这种状态称为三极管饱和导通。但是若基极给出0V电压，就不会有电流从基极流向发射极，接下来形成的直接效果，就是在集电极和发射极之间也不会有电流流过，这种状态称为三极管截止。2、双极性三极管器件的伏安特性图2-4双极型三极管的伏安特性从图中可以看到，双极型三极管的输出特性曲线，由3个不同的区域组成。最左侧（带阴影线部分）构成饱和区，其特点是，

7、从集电极流向发射极的电流会随基极电流的大小而变化，但集电极和发射极之间的电压总是在一个较小的范围，在深度饱和的情况下为0.3V以下。在最接近横轴的上方是截止区，其特点是，当基极电流特别小（接近0或者就是0V），集电极和发射极之间的电压在比较大的范围变化时，从集电极流向发射极的电流都非常小，此时称为三极管处于截止状态。在特性曲线的水平部分是放大区，其特点是，从集电极流向发射极的电流会随基极电流的大小而变化，而且二者之间基本成线性正比（几十到几百倍）关系，几乎不受集电极和发射极之间的电压变化的影响。在实现模