【大學(xué)課件】數(shù)字IC基本單元結(jié)構(gòu)

數(shù)字IC基本單元結(jié)構(gòu)本講介紹數(shù)字集成電路的基本單元結(jié)構(gòu)，包括邏輯門、觸發(fā)器、存儲(chǔ)器等。簡介數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路（DigitalIntegratedCircuit，簡稱數(shù)字IC）是現(xiàn)代電子設(shè)備的核心組成部分，它通過控制電流或電壓的開關(guān)狀態(tài)來處理數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)各種功能。基本單元數(shù)字IC是由許多基本單元組成的，這些單元構(gòu)成了數(shù)字電路的基本結(jié)構(gòu)，比如邏輯門電路、觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器、存儲(chǔ)器等。IC技術(shù)發(fā)展歷程真空管時(shí)代早期集成電路使用真空管作為基本元件。笨重且耗電，但開啟了電子技術(shù)的新時(shí)代。晶體管時(shí)代晶體管的出現(xiàn)革命性地改變了集成電路技術(shù)，體積更小、功耗更低，性能更強(qiáng)大。集成電路時(shí)代集成電路的出現(xiàn)標(biāo)志著電子技術(shù)進(jìn)入微型化時(shí)代，將多個(gè)晶體管集成在同一芯片上，實(shí)現(xiàn)了高度的集成度。超大規(guī)模集成電路時(shí)代超大規(guī)模集成電路（VLSI）將數(shù)百萬個(gè)晶體管集成在單芯片上，推動(dòng)了計(jì)算機(jī)、移動(dòng)設(shè)備等技術(shù)的飛速發(fā)展。晶體管及其特性1基本功能晶體管是數(shù)字電路的基本單元，用于放大或開關(guān)信號(hào)。2類型主要有NPN型和PNP型兩種，分別用于放大電流和電壓。3特性晶體管具有電流放大、電壓放大、開關(guān)等特性，為數(shù)字電路設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。邏輯門電路基本邏輯運(yùn)算邏輯門電路是數(shù)字電路中最基本的單元，它們實(shí)現(xiàn)基本的邏輯運(yùn)算，如與、或、非、異或等。構(gòu)建復(fù)雜電路通過組合不同的邏輯門電路，可以構(gòu)建更復(fù)雜的功能電路，實(shí)現(xiàn)各種邏輯功能。數(shù)字系統(tǒng)基礎(chǔ)邏輯門電路是數(shù)字系統(tǒng)最基本的組成部分，它們是構(gòu)建處理器、存儲(chǔ)器、通信電路等復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的基礎(chǔ)。基本邏輯門電路與門當(dāng)且僅當(dāng)所有輸入信號(hào)都為高電平時(shí)，輸出信號(hào)才為高電平?；蜷T當(dāng)任何一個(gè)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，輸出信號(hào)都為高電平。非門當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，輸出信號(hào)為低電平，反之亦然。異或門當(dāng)輸入信號(hào)不同時(shí)，輸出信號(hào)為高電平，反之亦然。NMOS和PMOS技術(shù)NMOS（N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體）PMOS（P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體）CMOS技術(shù)NMOSNMOS是增強(qiáng)型N溝道場效應(yīng)晶體管。它由N型硅襯底構(gòu)成，在襯底表面形成P型硅擴(kuò)散區(qū)，并在P型硅擴(kuò)散區(qū)形成N型硅擴(kuò)散區(qū)作為源極和漏極，在源極和漏極之間用氧化硅層隔開，并形成柵極。PMOSPMOS是增強(qiáng)型P溝道場效應(yīng)晶體管，其結(jié)構(gòu)與NMOS類似，只是N型硅襯底換成了P型硅襯底，P型硅擴(kuò)散區(qū)換成了N型硅擴(kuò)散區(qū)。CMOS基本邏輯門電路CMOS技術(shù)利用PMOS和NMOS晶體管的互補(bǔ)特性，構(gòu)成基本邏輯門電路，如非門、與非門、或非門等。CMOS邏輯門電路具有低功耗、高速度、高集成度等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)中。CMOS門電路特點(diǎn)低功耗CMOS電路在靜態(tài)狀態(tài)下功耗極低，只有在信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)才會(huì)有功耗。高集成度CMOS工藝可以實(shí)現(xiàn)非常高的集成度，可以將大量的邏輯電路集成在一個(gè)芯片上。高噪聲容限CMOS電路具有較高的噪聲容限，能夠在較差的信號(hào)環(huán)境下正常工作。高速度CMOS電路的開關(guān)速度很快，可以實(shí)現(xiàn)高速邏輯運(yùn)算。反相器電路反相器是最簡單的邏輯門電路，用于對輸入信號(hào)進(jìn)行反轉(zhuǎn)。它只有一個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，當(dāng)輸入信號(hào)為高電平（邏輯1）時(shí)，輸出信號(hào)為低電平（邏輯0），反之亦然。NAND門電路NAND門是一種基本邏輯門，其輸出僅在所有輸入都為高電平（邏輯1）時(shí)為低電平（邏輯0）。否則，輸出為高電平。NAND門的邏輯表達(dá)式為：Y=?(A·B)，其中A和B是輸入，Y是輸出。?表示邏輯非運(yùn)算，·表示邏輯與運(yùn)算。NAND門可以使用各種邏輯門實(shí)現(xiàn)，例如，可以使用兩個(gè)反相器和一個(gè)與門來實(shí)現(xiàn)NAND門。NOR門電路NOR門電路是一種邏輯門電路，它有兩個(gè)或多個(gè)輸入，一個(gè)輸出。當(dāng)所有輸入均為低電平時(shí)，輸出為高電平；當(dāng)任何一個(gè)輸入為高電平時(shí)，輸出為低電平。NOR門電路的邏輯表達(dá)式為：Y=?(A+B+...+N)，其中A、B、...、N為輸入信號(hào)，Y為輸出信號(hào)。CMOSNAND門電路結(jié)構(gòu)CMOSNAND門由兩個(gè)PMOS管并聯(lián)，兩個(gè)NMOS管串聯(lián)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)與非邏輯功能。真值表當(dāng)兩個(gè)輸入均為高電平時(shí)，輸出為低電平；其他情況下，輸出為高電平。符號(hào)NAND門的符號(hào)為一個(gè)倒置的字母“D”，代表與非邏輯。CMOSNOR門CMOSNOR門電路由一個(gè)NMOS管和一個(gè)PMOS管組成。當(dāng)輸入為高電平（邏輯1）時(shí)，NMOS管導(dǎo)通，PMOS管截止，輸出為低電平（邏輯0）。當(dāng)所有輸入為低電平（邏輯0）時(shí)，NMOS管截止，PMOS管導(dǎo)通，輸出為高電平（邏輯1）。數(shù)字IC基本單元邏輯門電路基本邏輯運(yùn)算單元，如與門、或門、非門等觸發(fā)器存儲(chǔ)狀態(tài)信息，如D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、RS觸發(fā)器等移位寄存器串行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸，如移位寄存器、計(jì)數(shù)器等記憶單元存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，如RAM、ROM、EEPROM等觸發(fā)器1記憶功能觸發(fā)器能夠存儲(chǔ)一個(gè)邏輯值，并根據(jù)輸入信號(hào)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。2時(shí)序邏輯電路觸發(fā)器是構(gòu)建時(shí)序邏輯電路的基礎(chǔ)單元，用于控制信號(hào)的時(shí)序和同步。3種類繁多常見的觸發(fā)器類型包括D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、RS觸發(fā)器等，每個(gè)類型具有不同的特性和應(yīng)用場景。D觸發(fā)器數(shù)據(jù)輸入D觸發(fā)器僅有一個(gè)數(shù)據(jù)輸入端，稱為D端，其狀態(tài)直接決定觸發(fā)器的輸出狀態(tài)。時(shí)鐘控制D觸發(fā)器通過一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)（CLK）控制數(shù)據(jù)輸入的時(shí)間，只有當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為高電平（或低電平，取決于觸發(fā)器的類型）時(shí)，D端的數(shù)據(jù)才能被存儲(chǔ)到觸發(fā)器內(nèi)部。輸出控制觸發(fā)器有一個(gè)輸出端，稱為Q端，它始終保持著最后一次被存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。JK觸發(fā)器觸發(fā)方式JK觸發(fā)器可以通過時(shí)鐘信號(hào)的上升沿或下降沿進(jìn)行觸發(fā)，根據(jù)需要選擇。時(shí)鐘控制JK觸發(fā)器可以利用時(shí)鐘信號(hào)來控制觸發(fā)時(shí)刻，保證數(shù)據(jù)的同步傳輸。復(fù)位功能JK觸發(fā)器通常具有復(fù)位功能，可以在需要時(shí)將觸發(fā)器置于初始狀態(tài)。RS觸發(fā)器構(gòu)成RS觸發(fā)器由兩個(gè)反相器和兩個(gè)與非門組成。它具有兩個(gè)輸入端：置位端(S)和復(fù)位端(R)，以及一個(gè)輸出端(Q)。功能當(dāng)S=1且R=0時(shí)，觸發(fā)器被置位，Q=1。當(dāng)R=1且S=0時(shí)，觸發(fā)器被復(fù)位，Q=0。當(dāng)S=R=0時(shí)，觸發(fā)器保持當(dāng)前狀態(tài)不變。應(yīng)用RS觸發(fā)器在數(shù)字電路中用于存儲(chǔ)單個(gè)比特?cái)?shù)據(jù)，例如在數(shù)據(jù)鎖存器和計(jì)數(shù)器中使用。移位寄存器數(shù)據(jù)移動(dòng)移位寄存器通過時(shí)鐘信號(hào)控制，逐位移動(dòng)數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)每個(gè)觸發(fā)器存儲(chǔ)一位數(shù)據(jù)，形成一個(gè)數(shù)據(jù)序列。應(yīng)用廣泛移位寄存器廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸、序列轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理等領(lǐng)域。計(jì)數(shù)器電路1計(jì)數(shù)功能計(jì)數(shù)器電路用于記錄脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字計(jì)數(shù)、時(shí)間測量等功能。2計(jì)數(shù)方式常見的計(jì)數(shù)方式包括同步計(jì)數(shù)和異步計(jì)數(shù)，根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)的同步性進(jìn)行分類。3計(jì)數(shù)類型常見的計(jì)數(shù)器類型包括二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和環(huán)形計(jì)數(shù)器，根據(jù)計(jì)數(shù)進(jìn)制和計(jì)數(shù)方式進(jìn)行分類。譯碼器電路功能將二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制地址或其他形式的輸出應(yīng)用內(nèi)存尋址、外設(shè)選擇、LED顯示控制等類型二進(jìn)制譯碼器、BCD譯碼器、格雷碼譯碼器等編碼器電路功能將多個(gè)輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)唯一的二進(jìn)制代碼，例如，將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于數(shù)字系統(tǒng)中，例如鍵盤掃描、地址譯碼等。類型優(yōu)先編碼器、二進(jìn)制編碼器等。多路選擇器電路選擇信號(hào)根據(jù)選擇信號(hào)的值，選擇器會(huì)從多個(gè)輸入中選擇一個(gè)輸出。數(shù)據(jù)輸入多路選擇器可以接收多個(gè)數(shù)據(jù)輸入，并根據(jù)選擇信號(hào)選擇其中一個(gè)輸出。單一輸出多路選擇器最終輸出一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)，由選擇信號(hào)決定選擇哪個(gè)數(shù)據(jù)輸入。ALU電路1算術(shù)邏輯單元ALU是數(shù)字電路的核心部件，負(fù)責(zé)執(zhí)行各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。2加減乘除運(yùn)算ALU可以執(zhí)行基本的算術(shù)運(yùn)算，包括加減乘除等。3邏輯運(yùn)算ALU還可以執(zhí)行邏輯運(yùn)算，例如與、或、非、異或等操作。4位運(yùn)算ALU也支持位運(yùn)算，如移位、循環(huán)移位、邏輯運(yùn)算等。記憶單元存儲(chǔ)數(shù)據(jù)記憶單元是數(shù)字電路中用來存儲(chǔ)信息的元件，例如寄存器，RAM，ROM等。多種類型根據(jù)不同的功能和應(yīng)用需求，記憶單元可以分為靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)等。廣泛應(yīng)用記憶單元