数字电路逻辑12


在逻辑代数中的对偶式:如果将逻辑函数表达式F中所有的“·”变成“+”,“+”变成“·”,“0”变成“1”,“1”变成“0”,并保持原函数中的运算顺序不变,则所得到的新的逻辑表达式称为函数F的对偶式,并记作F'。

F=AB+B(C+0) F'=(A+B)(B+C·1)

正逻辑:用高电bai平表示逻辑1,用低电du平表示逻辑zhi0
负逻辑:用低电平表示dao逻zhuan辑shu1,用高电平表示逻辑0
正负逻辑之间存在着简单的对偶关系,例如正逻辑与门等同于负逻辑或门等。
在数字系统的逻辑设计中,若采用NPN晶体管和NMOS管,电源电压是正值,一般采用正逻辑。若采用的是PNP管和PMOS管,电源电压为负值,则采用负逻辑比较方便。

BCD码、8421码、余三码、格雷码

用四位二进制代码来表示一位十进制数,称为二--十进制编码,简称BCD(Binary Coded Decimal)码。根据代码的每一位是否有权值BCD码可分为有权码和无权码两类,应用最多的是8421BCD码,无权码用得较多的是余三码和格雷码,我们通常所说的BCD码指的是8421BCD码。这些编码跟十进制数对应的关系如下:

十进制数                      8421BCD码                            余3码                      格雷码

0                                0000                                      0011                        0000

1                                0001                                      0100                        0001

2                                0010                                      0101                        0011

3                                0011                                      0110                        0010

4                                0100                                      0111                        0110

5                                0101                                      1000                        1110

6                                0110                                      1001                        1010

7                                0111                                      1010                        1000

8                                1000                                      1011                        1100

9                                1001                                      1100                        0100

8421BCD码中的“8421”表示从高到低各位二进制位对应的权值分别为8、4、2、1,将各二进制位与权值相乘,并将乘积相加就得相应的十进制数。例如,8421BCD码“0111”,0×8+1×4+1×2+1×1=7D,其中D表示十进制(Decimal)数。

    值得特别注意的是,8421BCD码只有0000~1001共十个,而1010、1011...等等不是8421BCD码!!

余三码是在8421BCD码的基础上,把每个数的代码加上0011(对应十进制数3)后得到的。格雷码的编码规则是相邻的两代码之间只有一位二进制位不同。不管是8421BCD码还是余三码还是格雷码,总是4个二进制位对应一个十进制数,如十进制数18对应的8421BCD码就是0001  1000。

压缩的BCD码用4个二进制位来表示十进制数,上面提到的就是压缩的BCD码。而非压缩BCD码用一个字节(八个二进制位)表示一位十进制数,高4位总是0000,低4位的0000~1001表示相应的十进制数。例如,十进制数87D,采用非压缩8421BCD码表示为二进制数是00001000 00000111B。这种非压缩BCD码主要用于非数值计算的应用领域中。

TG是transmission gate 的字头缩写bai,即传输门du。所谓传输zhi门(TG)就是dao一种传输模拟信号zhuan的模拟开关。
CMOS传输门由一个P沟道和一shu个N沟道增强型MOSFET,即TP和TN并联而成。TP和TN是结构对称的器件,它们的漏极和源极是可以互换的。而TP和TN构成的对称电路结构是为了保证在传输信号变化的情况下,保持尽量不变的导通(传输)性能。
当导通时,传输信号的幅度和极性将影响两个MOS管的导通情况:一管导通的程度愈深,另一管的导通程度则相应地减小。换句话说,当一管的导通电阻减小,则另一管的导通电阻就增加。由于两管系并联运行,可近似地认为开关的导通电阻近似为一常数。
CMOS传输门除了作为传输模拟信号的开关之外,也可作为各种逻辑电路的基本单元电路。

CMOS传输门(Transmission Gate)是一种既可以传送数字信号又可以传输模拟信号的可控开关电路。CMOS传输门由一个PMOS和一个NMOS管并联构成,其具有很低的导通电阻(几百欧)和很高的截止电阻(大于10^9欧)


场效应晶体管(Field Effect Transistor缩写(FET))简称场效应管。主要有两种类型:结型场效应管(junction FET—JFET)和金属 - 氧化物半导体场效应管(metal-oxide semiconductor FET,简称MOS-FET)。由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。

一、 什么是FET

FET是Field Effect Transistor的缩写,称为场效应晶体管。它是晶体管的一种。通常所说的晶体管是指双极晶体管。

场效应晶体管的工作方式是沟道中的多数载流子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动,形成了漏极电流。只涉及

到一种载流子的漂移作用,所以也叫单极性晶体管。

FET有三个电极分别是栅极( Gate )、源极( Source )和漏极( Drain )。

小贴士:

双极性晶体管,全称双极性结型晶体管(bipolar junction transistor, BJT),俗称三极管, 晶体管中的电荷流动主要是

由于载流子在PN结处的扩散作用和漂移运动。双极性晶体管的工作,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,所以也称双极性载流子晶体管。

二、FET的工作原理

三极管是由输入端(基极)流动的电流来控制输出端(集电极)的电流,属于流控流元件。而FET是由加在输入端

(栅极)的电压来控制输出端(漏极)的电流,属于压控流元件。

下图是FET内部工作的原理图。FET对加在栅极与源极之间电压不断的监视,控制漏极与源极之间的电流源,使流动

的电流与其电压成正比。

 

三、FET的分类

如下图所示,FET按照结构可以分为结型FET ( JFET: Junction FET ) 和绝缘栅FET ( MOSFET: Metal Oxide Semiconductor FET ) 。

按照电学特性,MOSFET又可以分为耗尽型 ( depletion ) 与增强型 ( enhancement ) 两类。它们又可以进一步分为N沟型和P沟型。

 

四、FET的结构

下图是FET的简单结构示意图。

JFET的栅极与沟道(D,S间叫沟道)间有PN结,所以认为存在着二极管(由于有PN结,所以称为结型FET)。

JFET的栅极-沟道间的二极管是工作在截止状态的。所以栅极-沟道间流过的电流很小,只相当于二极管的反向漏电流,所以JFET的输入阻抗很高(约10^8 ~ 10^12 Ω)。

MOSFET的栅极是由金属构成的,它与半导体沟道之间有一层绝缘膜,形成三层结构。所谓MOS,就是因为实际的结构由金属(M)、绝缘膜(如氧化膜,O)和半导体(S)组成。

MOSFET的特点是栅极与沟道间有绝缘膜,栅极与沟道是绝缘的,所以流过栅极的电流比JFET还要小很多。因此,输入阻抗也比JFET高得多(约10^12 ~ 10^14 Ω)。

 

五、场效应管符号的说明如下:(如果是P沟道,箭头则向外)

 

晶体管电路符号中的箭头表示电流流动的方向,而FET的箭头不代表电流的方向,仅仅表示PN结的极性。

小贴士:

JFET的漏极与源极间是可以相互调换来使用的。因为JFET的源极与漏极之间没有PN结,是由同一导电类型的半导体制作的。

高频JFET器件由于源极与漏极的形状有物理性的变化,当两个FET串联时,漏极与源极是有区别的,所以漏极与源极是不可以调换使用的。

MOSFET的漏极与源极的结构也有区别,所以漏极与源极也是不可以调换使用的。

小贴士:

什么是耗尽型FET和增强型FET?

耗尽型和增强型实际指的是FET传输特性中的耗尽特性和增强特性。

耗尽特性:对于N沟道JFET,当VGS在负电压范围时,有ID流动称为耗尽特性。

增强特性:对于N沟道MOSFET,当VGS不在正的电压范围时就没有ID流过(P沟时VGS的极性相反)。

JFET都是耗尽型的;MOSFET既有耗尽型也有增强型。

FET是统称,也就是场效应管,与平衡双极型晶体管(三极管)并列。
MOS管全称是MOSFET,也就是金属绝缘栅型场效应管,是场效应管的一种。

SRAM是触发器构成的吗?

触发器可以记忆H或L,1位的信息,大量排列触发器,并使之具有可选择性后,就可以构成SRAM。 由于SRAM的输入输出速度比DRAM和闪存的访问速度高得多,所以,常用作CPU的缓存和寄存器。 尽管我们这样说,实际上CPU中内置的存储器或寄存器并非使用的是RS触发器这样的逻辑门。 由于使用逻辑门,会使电路规模变大,所以,一般使用4到6个FET,再经过优化构成存储器的1位(图A)。 88a3241d0d5c38ff16f489c0420b8e01.png 图A:SRAM的基本电路

用JK触发器组成的二进制计数器可以有2的N次方分频,N取1 2 3...
输出端的频率是输入的时钟频率的1/4倍的就是4分频,

什么是状态机?

就是状态转移图。举个最简单的例子。人有三个状态健康,感冒,康复中。触发的条件有淋雨(t1),吃药(t2),打针(t3),休息(t4)。所以状态机就是健康->(t4)->健康;健康->(t1)->感冒;感冒->(t3)->健康;感冒->(t2)->康复中;康复中->(t4)->健康,等等。就是这样状态在不同的条件下跳转到自己或不同状态的图。

状态机可归纳为4个要素,即现态、条件、动作、次态。这样的归纳,主要是出于对状态机的内在因果关系的考虑。“现态”和“条件”是因,“动作”和“次态”是果。详解如下:

①现态:是指当前所处的状态。

②条件:又称为“事件”,当一个条件被满足,将会触发一个动作,或者执行一次状态的迁移。

③动作:条件满足后执行的动作。动作执行完毕后,可以迁移到新的状态,也可以仍旧保持原状态。动作不是必需的,当条件满足后,也可以不执行任何动作,直接迁移到新状态。

④次态:条件满足后要迁往的新状态。“次态”是相对于“现态”而言的,“次态”一旦被激活,就转变成新的“现态”了。

以物理课学的灯泡图为例,就是一个最基本的小型状态机

这里就是两个状态:①打开开关,灯泡亮,②关闭开关,灯泡灭

可以画出以下的状态机图

如果进度卡住,该怎么办?这里有个比较形象的案例就是淘宝的自动确认收货,卖家发货后状态变为待收货,若买家迟迟不点确认收货的话,那么流程就停止在这里,卖家也迟迟收不到货款,因此,在这里,淘宝做了一个条件,判断时间是否达到15天,如果达到15天,做出确认收货的动作,使得状态得到流转。以小灯泡为例,假设为了节约,小灯泡开了超过8个小时就自动关闭,除非再次做打开开关的操作,画出此时的状态机图如下

但是,

判断不是状态机必要的,如正常小灯泡的两种状态,可以不需要经过判断

起始和终止状态可能是相同的,也可能是不同的,即同一种状态可能是起始状态,也可能为终止状态

在这里以美团外卖为例,制作了一个简单的状态机图

总结

状态机图和业务流程图有些类似,但是又有不同:

1、两种不同的思维方式

2、两者思考的出发点不一样,因而两者所表达的目的也是不同的

3、两者的各个节点都是不同的,流程图为动作,状态机为状态

状态机可以对业务状态进行梳理,一目了然,之后可以根据业务场景不断增加。同时,使用状态机和相关人员进行表达时,也可以更加清晰,提升沟通效率。

状态机一般分为三种类型:
  1、Moore型状态机:下一状态只由当前状态决定,即次态=f(现状,输入),输出=f(现状);
  2、Mealy 型状态机:下一状态不但与当前状态有关,还与当前输入值有关,即次态=f(现状,输入),输出=f(现状,输入);
  3、混合型状态机。

Moore型与Mealy型两种状态机的不同点在于:

  Moore型状态机的输出信号是直接由状态寄存器译码得到,
  而Mealy型状态机则是以现时的输入信号结合即将变成次态的现态,编码成输出信号。

  Mooer状态机的输出只与当前的状态有关,也就是数当前的状态决定输出,而与此时的输入无关,输入只决定状态机的状态改变,不影响电路最终的输出。(注意:这里所说的输出不是状态机的状态机状态的输出,而是当前状态的所代表的含义,比如:检测110 序列的状态机,当状态机跳转到STA_GOT110时,电路会有一个输出信号,假如说是find,此时find就会为高电平,其他(状态时)时find就会为低电平。find 是我们最后电路的输出,find的值置于我们的转台机当前所处的状态有关,而与输出无关)。用一本书上的话说就是:Moore状态机的每一状态指定它的输出独立于电路的输入 。

  Mealy状态机的输出不仅与当前的状态有关,还与当前的输出有关(同样,不要误认为状态机的输出只能是状态机的状态),即当前的输入和当前的状态共同决定当前的输入。

猜你喜欢

转载自blog.csdn.net/shenwansan_gz/article/details/113920191