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1、1 体系结构中心-QuantumGroup 2015 19:04:24 数字逻辑与数字系统数字逻辑与数字系统 ( 2015-2016 第一学期（秋季）) 主讲：黄智濒 博士 计算机类本科生授课内容 联系方式：vastyellow QQ：574832909 教三楼1017 2 体系结构中心-QuantumGroup 2015 19:04:24 第2章：数字集成电路与 数字系统概述 第一节. 数字集成电路 第二节. VHDL与EDA 3 体系结构中心-QuantumGroup 2015 19:04:24 第一节. 数字集成电路 第2章：数字集成电路与 数字系统概述 逻辑门电路 数字集成电路的分类
2、（标准）数字集成电路的命名 数字集成电路的使用特性 4 体系结构中心-QuantumGroup 2015 19:04:24 第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节. 数字集成电路 数字集成电路（Digital electronics, or digital (electronic) circuits）： 数字集成电路，也称数字电路,与模拟电路相对，它主要进行数字信号的处理 （即信号以0与1两个状态表示），因此抗干扰能力较强。 数字集成电路 的供应商将元器件和连线集成于同一半导体的供应商芯片上而 制成的数字逻辑电路。 是由许多的逻辑门（ logic gates）组成的复杂电路。 Intel
3、80486DX2 HitachiJ100A A binary clock, hand-wired on breadboards 5 体系结构中心-QuantumGroup 2015 19:04:24 第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节. 数字集成电路 数字集成逻辑门的实现： 逻辑门电路 （门电路、逻辑器件） 晶体管作为一种可变开关，基于输入的电压，控制流出的电流,因 此晶体管可做为电流的开关，开关速度可以非常之快。 晶体管(transistor)泛指一切以半导体材料为基础的单一元件，包 括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管等。 Gate Circuit 指用以实现基本逻辑关系
4、和常用复合逻辑关系的电子电路 用半导体器件来实现（晶体管、场效应管） 最基本的电路：与、或、非门 是构成数字电路的基本单元之一 6 体系结构中心-QuantumGroup 2015 19:04:24 第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节. 数字集成电路 数字集成逻辑门的实现： 逻辑门电路 （门电路、逻辑器件） 晶体管主要分为两大类： 双极性结型晶体管（ bipolar junction transistor, BJT ）（俗称三极管) 因同时涉及电子和空穴两种载流子的流动，因此它被称为双极性的； p-n结二极管一般都是由BJT进行不同型式的连接而构成的（常常称 为集成二极管） 场效应晶体
5、管（ Field Effect Transistor ，FET） 仅涉及单一种类载流子的漂移作用 Gate Circuit 7 体系结构中心-QuantumGroup 2015 19:04:24 第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节. 数字集成电路 数字集成逻辑门的实现： 晶体管主要分为两大类： 双极性结型晶体管（ bipolar junction transistor, BJT ）（俗称三极管） 双极性晶体管是电子学历史上具有革命意义的一项发明，其发明者威 廉肖克利、约翰巴丁和沃尔特布喇顿被授予了1956年的诺贝尔物理 学奖。 锗晶体管，硅晶体管,砷化镓晶体管 NPN型晶体管,PNP型
6、晶体管,异质结双极性晶体管 BJT是非对称器件;发射区、基区和集电区的典型掺杂浓度各不相同 Gate Circuit 8 体系结构中心-QuantumGroup 2015 19:04:24 第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节. 数字集成电路 数字集成逻辑门的实现： 晶体管主要分为两大类： 双极性结型晶体管（ bipolar junction transistor, BJT ）（俗 称三极管） 分立元件的逻辑门电路 利用分立的三极管/二极管构成的逻辑门电路 TTL门电路（Transistor-Transistor Logic(三极管三极管逻辑） TTL门电路是以双极型三极管作为开关器件的
7、小规模集成电路。 TTL逻辑器件分成54系列和74系列两大类，54系列工作环境温度 、电源工作范围比74系列宽 Gate Circuit TTL集成门电路工作 速度高，驱动能力 强，但功耗大，集 成度低 9 体系结构中心-QuantumGroup 2015 19:04:24 第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节. 数字集成电路 数字集成逻辑门的实现： 晶体管主要分为两大类： 场效应晶体管（ Field Effect Transistor ，FET） 一种载流子参与导电，利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流 的三极管，又称单极型三极管 Gate Circuit 特点 单极型器件(一种载
8、流子导电)； 输入电阻高； 工艺简单、易集成、功耗小、体积小、 成本低。 10 体系结构中心-QuantumGroup 2015 19:04:24 第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节. 数字集成电路 数字集成逻辑门的实现： 晶体管主要分为两大类： 场效应晶体管（ Field Effect Transistor ，FET） 它属于电压控制型半导体器件。噪声小、功耗低、动态范围大、易于 集成等优点。 Gate Circuit 场效应管的分类 N沟道 P沟道 增强型 耗尽型 N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 （耗尽型/总是导通的） FET 场效应管 JFET 结型 MOSFET 绝缘栅型 (I
9、GFET) 结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名 绝缘栅型场效应管（IGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而 得名。 11 体系结构中心-QuantumGroup 2015 19:04:24 第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节. 数字集成电路 数字集成逻辑门的实现： 晶体管主要分为两大类： 两大类晶体管的比较： Gate Circuit 晶体管场效应管 结构NPN型、PNP型 结型耗尽型 N沟道 P沟道 绝缘栅增强型 N沟道 P沟道 绝缘栅耗尽型 N沟道 P沟道 C与E一般不可倒置使用D与S有的型号可倒置使用 载流子 多子扩散少子漂移 多子运动 输入量 电流输入 电压输入 控制
10、电流控制 电压控制 12 体系结构中心-QuantumGroup 2015 19:04:24 第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节. 数字集成电路 数字集成逻辑门的实现： 晶体管主要分为两大类： 两大类晶体管的比较： Gate Circuit 晶体管场效应管 噪声 较大 较小 温度特性 受温度影响较大 较小 输入电阻 几十到几千欧姆 几兆欧姆以上 静电影响 不受静电影响 易受静电影响 集成工艺 不易大规模集成 适宜大规模和 超大规模集成 13 体系结构中心-QuantumGroup 2015 19:04:24 第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节. 数字集成电路 数字集成电路： 根
11、据包含的门电路或元、器件数量，可将数字集成电路分为 小规模集成（SSI）电路，12个门以下/片 中规模集成MSI电路，1299门/片 大规模集成（LSI）电路，1009999门/片 超大规模集成VLSI电路，1万99999门/片 特大规模集成（ULSI）电路，10万门以上/片 14 体系结构中心-QuantumGroup 2015 19:04:24 第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节. 数字集成电路 数字集成电路： 根据电路的功能，数字集成电路可分为： 1）门电路 与门/与非门、或门/或非门、非门等。 2） 触发器 锁存器 R-S触发器、D触发器、J-K触发器 3） 编码器 译码器 二
12、进制十进制译码器、BCD7段译码器等。 4）计数器 二进制、十进制、N进制计数器等。 5）运算电路 加/减运算电路、奇偶校验发生器、幅值比较器等。 6） 时基 定时电路 单稳态电路 、延时电路等。 7） 模拟电子开关 数据选择器 8） 寄存器 基本寄存器、移位寄存器（单向、双向）。 9） 存储器 RAM、ROM、E2PROM、Flash ROM等 10） CPU 15 体系结构中心-QuantumGroup 2015 19:04:24 第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节. 数字集成电路 数字集成电路： 数字集成电路的命名 数字集成电路的型号组成一般由前缀、编号、后缀三大部分组成，前缀代
13、表制造厂 商，编号包括产品系列号、器件系列号，后缀一般表示温度等级、封装形式等。 表 TTL74系列数字集成电路型号的组成及符号的意义 第1部分 第2部分第3部分第4部分第5部分 前缀 产品系列器件类型器件功能器件封装形式、温度范围 符号意义符号意义符号 意 义 符号意义 54军用 电路 -55 +125 oC 标准电路 阿拉 伯数 字 器 件 功 能 W陶瓷扁平 H高速电路B塑封扁平 代表制 造厂商 S肖特基电路F全密封扁平 74 民用 通用 电路 LS低功耗肖特基电 路 D陶瓷双列直插 ALS先进低功耗肖特 基电路 P塑封双列直插 AS先进肖特基电路 16 体系结构中心-QuantumGr
14、oup 2015 19:04:24 第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节. 数字集成电路 数字集成电路： 数字集成电路的命名 数字集成电路的型号组成一般由前缀、编号、后缀三大部分组成，前缀代表制造厂 商，编号包括产品系列号、器件系列号，后缀一般表示温度等级、封装形式等。 例子： 54LS21/DM54LS21/DM74LS21 仙童公司生产的54系列低功耗肖特基电路双路4输入与门 仙童公司生产的74系列低功耗肖特基电路双路4输入与门 17 体系结构中心-QuantumGroup 2015 19:04:24 第2章：数字集成电路与数字系统概述/第一节. 数字集成电路 数字集成电路： 集成电
15、路的封装类型 封装形式外观 DIP双列直插 DIP封装（Dual In-line Package），也叫双列直插式封装技术，是一种 最简单的封装方式.指采用双列直插形式封装的集成电路芯片，绝大多数 中小规模集成电路均采用这种封装形式，其引脚数一般不超过100。 SOIC表面贴 SOIC（Small Outline Integrated Circuit Package），小外形集成电 路封装，一般有宽体和窄体两种封装形式。SOIC是表面贴装集成电路封 装形式中的一种，它比同等的DIP封装减少约30-50%的空间，厚度方面 减少约70%。与对应的DIP封装有相同的插脚引线。 PLCC 嵌入式 PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier),带引线的塑料芯片载体.表面贴装 型封装之一,外形呈正方形,32脚封装,引脚从封装的四个侧面引出,呈丁字 形,是塑料制品,外形尺寸比DIP封装小得多. PLCC为特殊引脚芯片封装， 它是贴片封装的一种，这种封装的引脚在芯片底部向内弯曲，因此在芯 片的俯视图中是看不见芯片引脚的。这种芯片的焊接采用回流焊工艺， 需要专用的焊接设备，在调试时要取下芯片也很麻
