复习
核心问题:
- 逻辑代数里 0/1 表示什么?三种基本逻辑运算(与或非)各是什么?
- 真值表怎么列?
- NMOS 和 PMOS 分别在什么电压下导通?(N1P0)
- CMOS 反相器为什么能反相?为什么静态功耗几乎为零?
- 逻辑代数的基本定律有哪些?三个基本规则(代入、反演、对偶)怎么用?
- 摩根定律怎么背、怎么用?(重点)
Q&A
真值表和三种基本逻辑运算怎么列?
NMOS 晶体管什么条件导通?
PMOS 晶体管什么条件导通?
CMOS 反相器如何工作、为什么静态功耗低?
逻辑代数有哪些基本定律?
代入/反演/对偶三个规则怎么用?
摩根定律怎么记和用?
数字逻辑概述
数字信号:只有高电平、低电平两种状态,用逻辑值 1 和 0 表示。
- 正逻辑(常用):高电平 →
1,低电平 →0 - 负逻辑:高电平 →
0,低电平 →1
为什么用数字电路数字信号只有两个电平,抗干扰能力强(偏离一点仍能判成 0/1)、易于存储与运算,是现代计算机的基础。看到”数字”别当十进制,逻辑代数是二值逻辑,只有 0 和 1。
真值表与三种基本逻辑运算
真值表:把所有可能的输入取值组合一一列出,对应写出每个组合下的输出,是描述逻辑功能最基本、最直观的方法。
| 输入 A | 输入 B | 与 F=A·B | 或 F=A+B | 非(对A)F=Ā |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
三种基本运算的记忆口诀:
- 与(AND):
F = A·B,全 1 为 1,有 0 为 0 - 或(OR):
F = A+B,有 1 为 1,全 0 为 0 - 非(NOT):
F = Ā,取反
要点
- 逻辑”与、或、非”是三种基本运算,与或非(NAND/NOR)、异或(XOR)、同或(XNOR)等都是它们的复合。
·常省略,A·B写作AB;+表示或,是逻辑加,不是十进制加法。
NMOS 晶体管
高电平
1时导通
全称 N 沟道增强型场效应管(MOSFET,Metal-Oxide-Semiconductor)。它是电压控制器件——靠栅源电压 控制源漏之间是否有导电沟道。
- 导通条件:栅源电压大于阈值电压,即 (,典型约 0.5V~1V)。
- 行为:栅极加高电平
1时导通(源漏间近似短路,流经电流);加低电平0时截止(近似开路)。 - 电路角色:NMOS 导通后能把输出端拉向地(GND,低电平),因此常作为”下拉网络”(下管)。
| 栅极输入 | NMOS 状态 | 作用 |
|---|---|---|
| 高(1) | 导通 | 将输出拉低 |
| 低(0) | 截止 | 不影响输出 |
PMOS 晶体管
低电平
0时导通
P 沟道增强型场效应管,工作原理与 NMOS 对称。
- 导通条件:栅源电压更负,即 (等效为栅极加低电平)。用 ()表示。
- 行为:栅极加低电平
0时导通;加高电平1时截止。 - 电路角色:PMOS 导通后能把输出端拉向电源 (高电平),因此常作为”上拉网络”(上管)。
| 栅极输入 | PMOS 状态 | 作用 |
|---|---|---|
| 低(0) | 导通 | 将输出拉高 |
| 高(1) | 截止 | 不影响输出 |
一句话区分NMOS:高导通、拉低;PMOS:低导通、拉高。 记不住就在 CMOS 反相器里来回推。
CMOS 反相器
结构:1 个 PMOS(上管,接 )+ 1 个 NMOS(下管,接地) 串联,两者栅极相连为输入 ,漏极相连为输出 。
V_DD │ ┌┴┐ in─┤P├ PMOS(上) └┬┘ ├───── out ┌┴┐ in─┤N├ NMOS(下) └┬┘ │ GND反相原理:
| 输入 | PMOS(上) | NMOS(下) | 输出 |
|---|---|---|---|
| 高 = 1 | 截止 | 导通 | 被 NMOS 拉低 → 低 = 0 |
| 低 = 0 | 导通 | 截止 | 被 PMOS 拉高 → 高 = 1 |
可以看到:输入高 → 输出低,输入低 → 输出高,正好”反相”,所以叫反相器(实现逻辑”非”)。
关键特点
- 静态功耗几乎为零:两种输入下,总有一支管子截止、另一支导通,从 到地的直流通路总被切断(叫”互补”CMOS),静态待机时不耗直流电。
- 输出满幅:输出要么到 0V、要么到 ,摆幅完整、抗干扰。
- 动态功耗:仅在状态翻转瞬间对负载电容充放电时产生,所以速度越快、频率越高,动态功耗越大。
CMOS 反相器是 CMOS 集成电路最基础的单元逻辑门。
逻辑代数基本定律与公式
设 为逻辑变量,常用定律如下(成对出现,一个对应”与”,一个对应”或”):
基本恒等式
| 名称 | 与形式 | 或形式 |
|---|---|---|
| 0-1 律(常量律) | , | , |
| 重叠律(幂等律) | ||
| 互补律(否定律) | ||
| 双重否定律 | 同左 | |
| 交换律 | ||
| 结合律 | ||
| 分配律 | ||
| 吸收律 | ||
| 吸收律(进阶) | ||
| 摩根定律(反演律) |
易混点
- 分配律的”或”形式不同寻常: 和普通代数不一样(普通代数里 ),逻辑代数中成立,别漏。
- 吸收律是化简常用,代价函数化简时要熟记:(多出的 被 吸收)。
逻辑代数基本规则
有了基本定律,还有三个”万能规则”,可推广和求反:
1. 代入规则
任何等式,把某一变量用任意逻辑函数式代入,等式仍然成立。
- 作用:把只对单个变量成立的公式,推广到多变量情形。例如由 ,用 代 得 。
2. 反演规则(求反函数)
求 时,将 中:
· ↔ +(与与或互换)0 ↔ 1- 原变量 ↔ 反变量
注意:运算时保持原来的运算次序;上有公共的非号(大非号)不能一起破坏,必要时先加括号。
例子:,反演得
3. 对偶规则
求对偶式 :将 中 · ↔ + 互换、0 ↔ 1 互换(变量不取反)。
- 性质:若两个逻辑式相等,它们的对偶式也相等。可用一条定律推出成对的另一条。
| 反演规则 | 对偶规则 | |
|---|---|---|
| 变量取反 | 要取反 | 不取反 |
| 与/或互换 | 互换 | 互换 |
| 0/1 互换 | 互换 | 互换 |
摩根定律
也称反演律 / 德·摩根定律,是逻辑代数最重要的定律之一(化简和与/或互换的桥梁)。
记忆口诀:“长杠变短杠,符号变化”——
把整个(被取反的)式子拆开,与 ↔ 或 互换,再把每个变量单独取反。
- 例1:
- 例2:
- 例3(多变量):
作用摩根定律可以把”与的非”换成”非的或”、把”或的非”换成”非的与”,从而在与门 ↔ 或门之间互相转换(比如用 NAND/NOR 组合实现任意逻辑),也是逻辑式化简、CMOS 门电路实现的基础。
本章小结
- 数字化:二值逻辑 0/1;基本运算是与(全1为1)、或(有1为1)、非(取反),用真值表表示。
- 晶体管:NMOS 高导通、拉低;PMOS 低导通、拉高,都由栅源电压控制。
- CMOS 反相器:PMOS 上 + NMOS 下,输入反相,静态功耗≈0,输出满幅。
- OC 门:集电极开路,外接上拉电阻,可实现线与、电平转换、驱动,需注意上拉取值。
- 逻辑代数:一套基本定律 + 代入/反演/对偶三规则 + 摩根定律(长杠变短杠、与或互换),是化简和实现的基础。