2022-2023学年高二物理竞赛课件：逻辑门电路

逻辑门电路 历史回顾 1956年，肖克利、巴丁、布拉坦获得诺贝尔物理学奖，以表彰他们在半导体和晶体管研究领域的贡献。 晶体管的发明是20世纪中叶科学技术领域划时代的一件大事，它的诞生使电子学发生了根本性变革。 1962年，TTL集成逻辑电路诞生。 1971年，Intel公司推出第一款NMOS四位微处理器Intel 4004，主频108kHz，支持8位指令集及12位地址集。 1947年，美国贝尔实验室发明了半导体点接触式晶体管，从而开创了人类的硅文明时代。 随着半导体工艺的进步，CMOS集成电路逐渐称为主流。 数字集成电路的特点和分类 数字集成电路的特点 将元件和连线制作在一块半导体基片上. 体积小、可靠性高、功耗低. 集成度高，功能、系统的集成. 模拟和数字集成电路 TTL和MOS集成电路 通用、专用集成电路 数字集成电路的特点和分类 数字集成电路的发展: 小规模集成电路: 1020门 中规模集成电路: 20100门 大规模集成电路: 1001000门 超大规模集成电路: 1000门以上 标准SSI/MSI具有批量大、价格便宜等特点，是传统数字系统设计中的主要逻辑器件。缺点是密度低，数字系统硬件规模大，印刷线路板走线复杂，焊点多，系统可靠性差、功耗大、时延大。 微处理器和单片机等逻辑器件较好地弥补了标准器件的缺陷，但工作速度不够高，通常需要外围电路配合才可以工作。 四核处理器集成10亿只晶体管 4 四核微处理... text has been truncated due to evaluation version limitation. 二极管逻辑门 输出： 高电平 5 V 低电平 0.7 V 利用二极管的开关特性，可构成二极管与门电路和或门电路。 二极管与门电路 输入： 高电平 5 V 低电平 0 V A B F L L L L H L H L L H H H 二极管与门输入和输出电平关系 二极管与门真值表 A B F 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 F=AB 数字集成电路的特点和分类 数字集成电路的分类 通用集成电路: 如RAM、DRAM 专用集成电路(ASIC) 为满足特定功能需求而制造的专用芯片。集成度高、可靠性高、工作速度快、功耗低，可实现设计加密。 可编程逻辑器件PLD: 器件内部集成大量功能独立的单 元和可配置的连线，用户可以借助开发工具 对器件进行编程。 全定制电路: 由半导体器件生产厂家设计、制造。 半定制电路: 由厂家预先做好的单元电路组成, 用户可二次 编程, 有一定通用性。 晶体管的开关特性 二极管的开关特性 双极型晶体管的开关特性 2. 二极管的开关特性 一 直流等效电路 在大信号情况下，二极管的伏安特性曲线呈强非线性，即单向导电性。因此，可用两段折线近似表示伏安特性曲线，二极管可视为理想单向导电开关。 二极管 二极管特性折线化 二极管开关模型 2. 二极管的开关特性 二 开关特性 反向恢复时间： tR = ts + tf 其中： ts 存储时间 tf 下降时间 电荷存储效应 D .2 双极型晶体管的开关特性 四种工作状态 工作状态 发射结 集电结 放 大 正 偏 反 偏 饱 和 正 偏 正 偏 截 止 反 偏 反 偏 反 向 反 偏 正 偏 在放大状态： .2 双极型晶体管的开关特性 饱和深度 临界饱和状态： 在深度饱和情况下： 饱和深度： 晶体管反相器 .2双极型晶体管的开关特性 晶体管反相器 开关时间 延迟时间 td 上升时间 tr 存储时间 ts 下降时间 tf $