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数字电子技术基础第11章

11.1逻辑门电路及其特性

在数字电子技术中，逻辑门电路是构成复杂数字系统的基本单元。逻辑门电路的基本功能是对输入信号进行逻辑运算，以产生输出信号。常见的逻辑门有与门（ANDgate）、或门（ORgate）、非门（NOTgate）、异或门（XORgate）和与非门（NANDgate）等。这些逻辑门电路通过基本的逻辑运算实现布尔代数中的基本逻辑操作。

与门电路是数字电路中应用最广泛的一种基本逻辑门，其基本逻辑功能是两个或两个以上的输入信号同时为高电平时，输出信号才为高电平。与门的逻辑表达式可以表示为Y=AB，其中Y为输出信号，A和B为两个输入信号。在数字电路中，与门通常采用双极型晶体管（BJT）或金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）实现。例如，在一个简单的4位二进制数加法器中，每一位的输出都是通过相应的与门电路得到的。

或门电路的逻辑功能是在其任一输入信号为高电平时，输出信号即为高电平。或门的逻辑表达式可以表示为Y=A+B。在实际应用中，或门同样可以通过BJT或MOSFET实现。以一个8位并行数据输出为例，当需要将数据并行输出到外部设备时，可以通过多个或门将数据线上的信号组合起来，实现并行输出。

非门电路是所有逻辑门电路中的基础，其功能是对输入信号进行逻辑否定，即将高电平输入转换为低电平输出，将低电平输入转换为高电平输出。非门的逻辑表达式可以表示为Y=A。在数字电路中，非门可以通过简单的反相器实现。例如，在计算机的CPU中，每个逻辑操作单元都包含有多个非门，用于实现各种复杂的逻辑运算。

随着技术的发展，逻辑门电路的设计也在不断进步。在传统的TTL（Transistor-TransistorLogic）电路中，逻辑门的延迟时间通常在几个纳秒到几十个纳秒之间。而随着CMOS（ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor）工艺的发展，现代的逻辑门电路可以以更高的速度和更低的功耗工作。例如，一个采用0.1微米工艺的CMOS与门，其延迟时间可以低至1纳秒左右。此外，为了满足数字电路的特定应用需求，人们还设计出了各种特殊的逻辑门，如三态门（Tri-stategate）、缓冲门（Buffergate）和触发器（Flip-flop）等，这些逻辑门在数字电路设计中发挥着至关重要的作用。

11.2组合逻辑电路的分析与设计

(1)组合逻辑电路的分析与设计是数字电子技术中的重要内容，这类电路的特点是输出仅取决于当前的输入，而不依赖于电路的先前状态。在分析组合逻辑电路时，需要根据输入信号和逻辑门的功能，推导出输出信号的表达式。例如，一个简单的4位二进制加法器电路，其输出是两个4位二进制数的和。

(2)组合逻辑电路的设计通常遵循以下步骤：首先，根据电路的功能需求确定输入输出变量的数量；然后，根据逻辑表达式设计电路的拓扑结构；接着，选择合适的逻辑门实现电路；最后，进行电路仿真和测试，以确保电路满足设计要求。在设计过程中，可能会用到布尔代数简化逻辑表达式，以减少逻辑门的使用数量，提高电路的效率。

(3)实际设计组合逻辑电路时，还需要考虑电路的时序特性，如建立时间、保持时间和传播延迟等。这些时序参数对于保证电路的正确运行至关重要。例如，在高速数据传输系统中，如果电路的传播延迟过大，可能会导致数据传输错误。因此，设计时需要优化电路结构，确保时序性能满足系统要求。此外，对于大规模集成电路，还需要考虑功耗和温度等因素。

11.3时序逻辑电路的分析与设计

(1)时序逻辑电路是数字电路中的一种重要类型，其输出不仅取决于当前的输入信号，还依赖于电路的先前状态。这类电路在数字系统中扮演着关键角色，如计数器、寄存器和微处理器等。时序逻辑电路的分析主要包括状态分析、时序分析和稳定性分析。状态分析涉及识别电路的所有可能状态和状态转换；时序分析则关注电路的时序特性，如建立时间、保持时间和时钟周期等；稳定性分析则确保电路在给定条件下能稳定运行。

(2)时序逻辑电路的设计过程通常包括以下步骤：首先，根据系统需求确定电路的功能和性能指标；接着，设计电路的状态图和状态表，以描述电路的状态转换关系；然后，根据状态图和状态表设计电路的触发器网络和输出逻辑；最后，进行电路仿真和验证，确保电路符合设计要求。在设计时，需要选择合适的触发器类型，如D触发器、JK触发器和T触发器等，并合理设计触发器的时钟边沿和复位功能。此外，为了提高电路的稳定性和抗干扰能力，还需考虑电路的布局和布线。

(3)时序逻辑电路在实际应用中面临许多挑战，如噪声干扰、电源电压波动和温度变化等。为了解决这些问题，可以采用多种技术手段，如增加电路的冗余度、采用差分信号传输和采用温度补偿等措施。例如，在微处理器设计中，可以通过增加冗余