数字逻辑3-1 二极管及三极管的开关特性

《数字电子技术》课程标准一、概述（一）课程性质本课程是五年制高职应用电子专业的专业主干项目课程。

通过本课程的学习，使学生掌握数字电路的相关理论，使学生具备高职应用型人才所必须的常用数字集成电路的应用能力，掌握常见仪器、仪表的使用，熟悉简单电子产品的一般设计过程，数字集成电路制作与调试，培养学生独立分析问题和解决问题的能力，训练学生的创新能力。

本课程是《模拟电子设计与制作》的后续课程。

是《单片机原理及应用》、《PLC及其应用技术》、《集成电路应用技术》等课程的前修基础课程。

（二）课程基本理念本课程标准的基本理念：用项目课程，突出专业课程的实践性、针对性和实用性，努力实现课程功能取向与人才培养目标取向一致性。

以强化应用为重点，以就业为导向，以能力为本位，加强实践性教学环节，注重学生综合职业素质的提高。

紧紧围绕完成工作任务的需要来选择课程内容，改变传统的学科体系中理论的“难、繁、旧、偏”等状况，增加与就业岗位直接相关的新知识、新技术和新工艺。

以“工作项目”为主线，变学科体系本位为职业能力本位，变书本知识的传授为技能的训练，结合职业资格鉴定，培养学生的实践动手能力。

实现专业课程内容与职业岗位（群）、工作任务和工作过程相一致，实现专业教育与职业资格证书相融合。

（三）课程设计思路1、按照“以能力为本位，以职业实践为主线，以项目课程为主体的模块化专业课程体系”的总体设计要求，该门课程以形成具有灵活应用常用数字集成电路实现逻辑功能的能力为基本目标，彻底打破学科课程的设计思路，紧紧围绕工作任务完成的需要来选择和组织课程内容，突出工作任务与知识的联系，让学生在职业实践活动的基础上掌握知识，增强课程内容与职业岗位能力要求的相关性，提高学生的就业能力。

2、学习项目选取的基本依据是该门课程涉及的工作领域和工作任务范围，但在具体设计过程中，还根据三人表决器或裁判器、抢答器和数字钟等典型产品为载体，使工作任务具体化，产生了具体的学习项目。

《数字电子线路》课程标准课程名称：数字电子线路适用专业：电气技术应用专业一、课程性质本课程是机电类专业的一门实践性很强的课程，通过本课程的学习，使学生熟悉数字电路的基础理论知识，理解基本数字逻辑电路的工作原理，掌握数字逻辑电路的基本分析和机电类专业的一门实践性很强的课程，通过本课程的学习，使学生熟悉数字电路的基础理论知识，理解基本数字逻辑电路的工作原理，掌握数字逻辑电路的基本分析。

能考维修电工职业资格证书。

二、课程设计思路本课程的课程标准在制定过程中严格把握学生学习该课程的基本标准，所以在研制前期要充分对学生的基础、起点，应用型中职技校人才的培养要求和培养目标等进行调研、分析，经过校内外专家（包括本校任课教师、兄弟院校教学同行、企业相关人士等）进行探讨分析，确定应用性中职技校人才对本课程的掌握和学习的最低标准或基本标准，然后在本专业实施，对存在的问题或标准的高低等进行修订、改进。

三、课程培养目标（一）总体目标通过任务驱动教学，动手能力的提高，只有通过实践性教学活动才能实现，理论和实践相互结合进而提高其现场解决实际问题的能力，培养今后从事维修电工一线岗位的职业综合能力和职业综合素质，实现职业能力目标。

（二）具体目标1．知识目标（1）能正确并熟练使用常用电工工具、电工仪器仪表；（2）掌握常用电子元器件的认识与检测方法；（3）掌握焊接技能及其工艺要求；（4）掌握电子产品正确装配的基本技能及电子产品装配过程中分析和解决实际问题的一般方法；2．能力目标（1）培养学生初步了解研究电子技术问题的思想方法，具有一定解决实际问题的能力；（2）培养学生动手实践能力和创新能力；（3）培养学生自主获取知识的能力，独立分析问题和解决问题的能力。

3．素质目标（1）培养学生具备辩证思维的能力；（2）培养学生在学习过程中养成求真务实、认真细致的工作态度，爱岗敬业、吃苦耐劳的职业道德。

（3）能在模拟电子线路的学习中，学会交流和协调同学、师生间的关系，能与他人进行团结协作，共同解决问题。

数字逻辑第四版（欧阳星明著）课后习题答案下载数字逻辑第四版（欧阳星明著）课后答案下载第1章基础概念11.1概述11.2基础知识21.2.1脉冲信号21.2.2半导体的导电特性41.2.3二极管开关特性81.2.4三极管开关特性101.2.5三极管3种连接方法131.3逻辑门电路141.3.1DTL门电路151.3.2TTL门电路161.3.3CML门电路181.4逻辑代数与基本逻辑运算201.4.1析取联结词与正“或”门电路201.4.2合取联结词与正“与”门电路211.4.3否定联结词与“非”门电路221.4.4复合逻辑门电路221.4.5双条件联结词与“同或”电路241.4.6不可兼或联结词与“异或”电路241.5触发器基本概念与分类251.5.1触发器与时钟271.5.2基本RS触发器271.5.3可控RS触发器291.5.4主从式JK触发器311.5.5D型触发器341.5.6T型触发器37习题38第2章数字编码与逻辑代数392.1数字系统中的编码表示392.1.1原码、补码、反码412.1.2原码、反码、补码的运算举例472.1.3基于计算性质的几种常用二-十进制编码48 2.1.4基于传输性质的几种可靠性编码512.2逻辑代数基础与逻辑函数化简572.2.1逻辑代数的基本定理和规则572.2.2逻辑函数及逻辑函数的表示方式592.2.3逻辑函数的标准形式622.2.4利用基本定理简化逻辑函数662.2.5利用卡诺图简化逻辑函数68习题74第3章数字系统基本概念763.1数字系统模型概述763.1.1组合逻辑模型773.1.2时序逻辑模型773.2组合逻辑模型结构的数字系统分析与设计81 3.2.1组合逻辑功能部件分析813.2.2组合逻辑功能部件设计853.3时序逻辑模型下的数字系统分析与设计923.3.1同步与异步933.3.2同步数字系统功能部件分析943.3.3同步数字系统功能部件设计993.3.4异步数字系统分析与设计1143.4基于中规模集成电路(MSI)的数字系统设计1263.4.1中规模集成电路设计方法1263.4.2中规模集成电路设计举例127习题138第4章可编程逻辑器件1424.1可编程逻辑器件(PLD)演变1424.1.1可编程逻辑器件(PLD)1444.1.2可编程只读存储器(PROM)1464.1.3现场可编程逻辑阵列(FPLA)1484.1.4可编程阵列逻辑(PAL)1494.1.5通用阵列逻辑(GAL)1524.2可编程器件设计1604.2.1可编程器件开发工具演变1604.2.2可编程器件设计过程与举例1604.3两种常用的HDPLD可编程逻辑器件164 4.3.1按集成度分类的可编程逻辑器件164 4.3.2CPLD可编程器件1654.3.3FPGA可编程器件169习题173第5章VHDL基础1755.1VHDL简介1755.2VHDL程序结构1765.2.1实体1765.2.2结构体1805.2.3程序包1835.2.4库1845.2.5配置1865.2.6VHDL子程序1875.3VHDL中结构体的描述方式190 5.3.1结构体的行为描述方式190 5.3.2结构体的数据流描述方式192 5.3.3结构体的结构描述方式192 5.4VHDL要素1955.4.1VHDL文字规则1955.4.2VHDL中的数据对象1965.4.3VHDL中的数据类型1975.4.4VHDL的运算操作符2015.4.5VHDL的预定义属性2035.5VHDL的顺序描述语句2055.5.1wait等待语句2055.5.2赋值语句2065.5.3转向控制语句2075.5.4空语句2125.6VHDL的并行描述语句2125.6.1并行信号赋值语句2125.6.2块语句2175.6.3进程语句2175.6.4生成语句2195.6.5元件例化语句2215.6.6时间延迟语句222习题223第6章数字系统功能模块设计2556.1数字系统功能模块2256.1.1功能模块概念2256.1.2功能模块外特性及设计过程2266.2基于组合逻辑模型下的VHDL设计226 6.2.1基本逻辑门电路设计2266.2.2比较器设计2296.2.3代码转换器设计2316.2.4多路选择器与多路分配器设计2326.2.5运算类功能部件设计2336.2.6译码器设计2376.2.7总线隔离器设计2386.3基于时序逻辑模型下的VHDL设计2406.3.1寄存器设计2406.3.2计数器设计2426.3.3并/串转换器设计2456.3.4串/并转换器设计2466.3.5七段数字显示器(LED)原理分析与设计247 6.4复杂数字系统设计举例2506.4.1高速传输通道设计2506.4.2多处理机共享数据保护锁设计257习题265第7章系统集成2667.1系统集成基础知识2667.1.1系统集成概念2667.1.2系统层次结构模式2687.1.3系统集成步骤2697.2系统集成规范2717.2.1基于总线方式的互连结构2717.2.2路由协议2767.2.3系统安全规范与防御2817.2.4时间同步2837.3数字系统的非功能设计2867.3.1数字系统中信号传输竞争与险象2867.3.2故障注入2887.3.3数字系统测试2907.3.4低能耗系统与多时钟技术292习题295数字逻辑第四版（欧阳星明著）：内容提要点击此处下载数字逻辑第四版（欧阳星明著）课后答案数字逻辑第四版（欧阳星明著）：目录本书从理论基础和实践出发，对数字系统的基础结构和现代设计方法与设计手段进行了深入浅出的论述，并选取作者在实际工程应用中的一些相关实例，来举例解释数字系统的设计方案。

一、总则1．本课程的教学目的和要求：本课程是我院计算机科学与技术专业的一门专业基础课程。

通过本课程的学习，使学生熟悉数字电路的基础理论知识，理解基本数字逻辑电路的工作原理，掌握数字逻辑电路的基本分析和设计方法，具有应用数字逻辑电路，初步解决数字逻辑问题的能力，为以后学习计算机组成原理、微机原理、单片机原理等后续课程的学习以及从事数字电子技术领域的工作打下扎实的基础。

2．本课程的主要内容：逻辑代数的公式、定理，逻辑函数的化简方法。

半导体二极管、三极管、MOS管的开关特性。

CMOS、TTL集成逻辑门。

组合电路的基本分析和设计方法。

加法器、比较器、编码器和译码器、数据选择器和分配器，只读存储器。

基本、同步、主从、边沿触发器，时钟触发器功能分类及转换。

时序电路的基本分析和设计方法。

计数器、寄存器、读/写存储器、顺序脉冲发生器。

多谐振荡器、施密特触发器。

数模、模数转换器。

3．教学重点与难点：教学重点是：逻辑代数的基本概念、公式、定理，逻辑函数的化简方法。

各种门电路的逻辑功能，两种集成逻辑门的电气特性。

各类触发器的逻辑功能及触发方式。

组合、时序电路的分析、设计方法。

常用典型组合、时序电路的功能、特点和应用。

典型中、大规模集成电路器件的功能和应用。

多谐、施密特、单稳的特点、功能、参数及应用。

数模、模数转换器的典型电路原理、输出量与输入量间的定量关系，特点、参数。

教学难点：逻辑代数的公式、定理的正确应用，逻辑函数化简的准确性。

集成逻辑门的电气特性。

组合、时序电路的设计。

触发器的触发方式以及脉冲产生，整形电路、数模、模数转换电路的工作原理。

4．本课程的知识范围及与相关课程的关系本课程是计算机科学与技术专业的硬件基础课程，其先修课为高等数学、普通物理、电路基础、模拟电路，后读课程为计算机组成原理、微机原理、单片机原理、计算机接口技术、计算机网络技术等。

5．教材的选用：数字电子技术基础简明教程（第二版）清华大学电子学教研组编余孟尝主编高等教育出版社1999年10月第2版二、课程内容及学时分配：第一章逻辑代数基础1．教学内容：概述逻辑代数、数制及其转换、BCD码。

两极管三极管两极管和三极管是电子元件中常见的两种半导体器件。

它们的功能和特性不同，因此在电路设计和应用中有不同的用途。

一、两极管1. 定义两极管是由P型半导体和N型半导体组成的二极管，具有单向导电性。

当正向偏置时，电流可以流经器件；而当反向偏置时，器件将阻止电流通过。

2. 特点（1）单向导电性：只有在正向偏置时才能通过电流，反向偏置时不能通过电流。

（2）低压降：在正常工作状态下，两极管具有很低的压降，通常为0.7V左右。

（3）快速开关：由于其结构简单，因此响应速度很快。

（4）温度敏感：两极管的特性随温度变化而变化。

3. 应用（1）整流器：由于其单向导电性，在交流信号中可以实现整流作用。

（2）稳压器：利用其低压降特点可以实现稳定输出电压。

（3）保护装置：由于其快速响应速度和单向导电性，在保护装置中可以起到限制电压和电流的作用。

二、三极管1. 定义三极管是一种由三个掺杂不同的半导体材料组成的晶体管。

它具有放大、开关等多种功能。

2. 特点（1）放大：可以将输入信号放大到较高的电压或电流。

（2）开关：可以控制输出信号的开关状态，实现数字逻辑功能。

（3）电阻：可以起到可变电阻的作用，调节输出信号的大小。

（4）温度稳定性好：相比于两极管，三极管在不同温度下具有更好的稳定性。

3. 应用（1）放大器：利用其放大特性可以实现音频、射频等信号的放大。

（2）开关器：由于其开关特性，可以实现数字逻辑电路中各种门电路和触发器等功能。

（3）稳压器：利用其可变电阻特性和负反馈原理可以实现稳定输出电压。

总之，两极管和三极管在不同应用场合中都具有重要作用。

在实际应用中需要根据不同需求选择合适的器件。

第一节二极管的开关特性一般而言，开关器件具有两种工作状态：第一种状态被称为接通，此时器件的阻抗很小，相当于短路；第二种状态是断开，此时器件的阻抗很大，相当于开路。

在数字系统中，晶体管基本上工作于开关状态。

对开关特性的研究，就是具体分析晶体管在导通和截止之间的转换问题。

晶体管的开关速度可以很快，可达每秒百万次数量级，即开关转换在微秒甚至纳秒级的时间内完成。

二极管的开关特性表现在正向导通与反向截止这样两种不同状态之间的转换过程。

二极管从反向截止到正向导通与从正向导通到反向截止相比所需的时间很短，一般可以忽略不计，因此下面着重讨论二极管从正向导通到反向截止的转换过程。

一、二极管从正向导通到截止有一个反向恢复过程在上图所示的硅二极管电路中加入一个如下图所示的输入电压。

在0―t1时间内，输入为+V F，二极管导通，电路中有电流流通。

设V D为二极管正向压降（硅管为0.7V左右），当V F远大于V D时，V D可略去不计，则在t1时，V1突然从+V F变为-V R。

在理想情况下，二极管将立刻转为截止，电路中应只有很小的反向电流。

但实际情况是，二极管并不立刻截止，而是先由正向的I F变到一个很大的反向电流I R=V R／R L，这个电流维持一段时间t S后才开始逐渐下降，再经过t t后，下降到一个很小的数值0.1I R，这时二极管才进人反向截止状态，如下图所示。

通常把二极管从正向导通转为反向截止所经过的转换过程称为反向恢复过程。

其中t S 称为存储时间，t t称为渡越时间，t re=t s+t t称为反向恢复时间。

由于反向恢复时间的存在，使二极管的开关速度受到限制。

二、产生反向恢复过程的原因——电荷存储效应产生上述现象的原因是由于二极管外加正向电压V F时，载流子不断扩散而存储的结果。

当外加正向电压时Ｐ区空穴向Ｎ区扩散，Ｎ区电子向Ｐ区扩散，这样，不仅使势垒区（耗尽区）变窄，而且使载流子有相当数量的存储，在Ｐ区内存储了电子，而在Ｎ区内存储了空穴，它们都是非平衡少数载流于，如下图所示。

40 数字逻辑电路基础1．静态特性静态特性是指处于闭合状态或关断状态时，开关所具有的特性。

（1）理想开关处于断开状态时，开关的等效电阻R OFF =∞。

因此，无论U AK 在多大范围内变化，理想开关S 上通过的电流I OFF =0。

（2）理想开关处于闭合状态时，开关的等效电阻R ON =0。

因此，无论流过开关的电流在多大范围内变化，理想开关S 两端的电压U AK =0。

2．动态特性动态特性是指理想开关由断开状态转换到闭合状态，或由闭合状态转换为断开状态时，理想开关所呈现的特性。

（1）理想开关S 的开通时间t ON =0。

说明由断开状态转换到闭合状态时，理想开关不需要时间，可以瞬间完成。

（2）理想开关S 的关断时间t OFF =0。

说明由闭合状态转换到到断开状态时，理想开关也不需要时间，可以瞬间完成。

显然，上述理想开关S 在客观世界中是不存在的。

日常生活中的机械开关，如按压式的家庭用开关，推拉式的刀闸开关，控制电路通、断的继电器触点、接触器触点等，在一定电压和电流的范围内，静态特性与理想开关十分接近，但动态特性较差，完全满足不了数字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。

而由二极管、三极管构成的电子开关，其静态特性比机械开关的特性稍差，但它们的动态特性却是机械开关无法比拟的，基本上可以满足数字电路对开关的要求。

因此，作为电子开关的二极管、三极管和MOS 管广泛应用于数字电路中。

2.1.2 半导体二极管的开关特性半导体二极管的核心部分是一个PN 结，因此具有“单向导电”性。

当二极管处于正向偏置时，开关二极管导通。

导通二极管的电阻很小，为几十至几百欧，相当于一个闭合的电子开关；二极管处于反向偏置时呈截止状态。

截止时，二极管的电阻很大，一般硅二极管在10M Ω以上，锗二极管也有几十千欧至几百千欧，相当于一个断开的电子开关。

半导体二极管的开关特性在数字电路中起控制电流接通或关断的作用。

1．静态特性二极管的静态特性是指二极管在导通和截止两种稳定状态下的特性。

《数字电子技术》教学大纲一、课程的性质与任务课程性质：本课程是电子信息工程、通信工程专业本科学生的学科基础必修课。

课程任务：《数字电子技术》课程是电子信息工程、通信工程专业必修的一门学科基础课，该课程的教学目的是使学生熟悉数字电路的基础理论知识，理解基本数字逻辑电路的工作原理，掌握数字逻辑电路的基本分析和设计方法，具有应用数字逻辑电路初步解决数字逻辑问题的能力，为以后学习微机原理、单片机原理等后续课程的学习以及从事数字电子技术领域的工作打下扎实的基础。

二、课程的基本内容及要求（一）逻辑代数基础知识1．课程教学内容（1）概述（包含数制，补充码制）（2）逻辑代数的基本概念、公式和定理（3）逻辑涵数的公式化简法（4）逻辑函数的表示方法及其相互转换2．课程重点难点重点: 数制与码制的表示方法；三种基本逻辑运算和几种导出逻辑运算；真值表、逻辑式、逻辑图之间的相互转换；基本公式和基本定律；三个重要规则；常见的逻辑式；用并项法、吸收法、消去法、配项法对逻辑函数进行化简；用卡诺图表示逻辑函数；用卡诺图化简逻辑函数；难点:二、八、十六进制的转换；将真值表转换为逻辑式。

吸收律和摩根定律；代入规则；运用代数化简法对逻辑函数进行化简。

用卡诺图化简逻辑函数以及具有无关项的逻辑函数的化简。

3．课程教学要求（1）掌握二、八、十、十六进制的表示方法及相互转换；（2）熟练掌握基本逻辑运算和几种常用复合导出逻辑运算；（3）熟练运用真值表、逻辑式、逻辑图来表示逻辑函数。

（4）理解并掌握逻辑代数的基本公式、基本定律和三个重要规则。

（5）掌握代数化简的几种基本方法并能熟练运用。

（6）熟练运用卡诺图化简逻辑函数。

（二）门电路1．课程教学内容（1）二极管、三极管和MOS管的开关特性；（2）分立元件门电路。

（3）CMOS集成门电路。

（4）TTL集成门电路。

2．课程重点难点重点:二、三极管的开关特性和开关等效电路。

TTL集成逻辑门电路的结构、工作原理和外部特性。

数字电路中的三极管一般工作数字电路中的三极管是一种常用的电子元件，它是以二极管为基础演变而来的。

由于其特殊的电学性能，使得它在数字逻辑电路中发挥着至关重要的作用。

首先，让我们来了解一下三极管的结构。

三极管由三个控制电极构成，分别是基极、发射极和集电极。

其中，基极和发射极之间是一条PN结，基极和集电极之间是另一条PN结。

这种结构使得三极管具备了放大功能，可以将小信号放大为大信号。

在数字电路中，三极管通常作为开关使用。

当输入控制信号为高电平时，三极管关断；当输入控制信号为低电平时，三极管导通。

这是由于三极管的基极-发射结和基极-集电结之间的工作原理决定的。

具体来说，当三极管处于导通状态时，基极-发射结正向偏置，使得大量电子从发射极流向基极。

同时，基极-集电结反向偏置，将大量电子从集电极排出。

这时，三极管相当于一个导通的通道，允许信号通过。

而当三极管处于关断状态时，基极-发射结反向偏置，将电子从发射极阻挡住。

同时，基极-集电结正向偏置，将电子从集电极吸引过来。

这时，三极管相当于一个断开的通道，不允许信号通过。

通过合理设计电路，我们可以利用三极管的开关特性实现多种功能。

例如，我们可以使用三极管作为数字逻辑门的构建元件，实现与门、或门、非门等各种逻辑运算。

此外，三极管还能作为信号放大器使用，将微弱的信号放大为足够大的信号，以满足数字电路的工作需求。

在这种应用中，三极管常常嵌入在放大电路中，根据不同的应用需求选择不同的工作点和放大倍数。

需要注意的是，三极管在使用时要遵循一些基本的操作准则。

首先，应使用适当的电压和电流进行工作，避免过大或过小的电压和电流对三极管造成损坏。

其次，要避免过高的工作温度，以免损坏三极管内部结构。

总之，三极管在数字电路中发挥着重要作用，既可以作为开关使用，实现逻辑运算，也可以作为信号放大器使用，增强信号强度。

合理、准确地使用三极管，能够使数字电路更加稳定、可靠地工作。