FPGA学习笔记01——数字逻辑基础

一、晶体管开关

金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors，MOSFET）。




由pFET和nFET组合的逻辑电路称为为CMOS（互补金属氧化物半导体）逻辑电路。

NOTE： nFET的源极一般接到地上，而pFET的源极一般接到Vdd上。如果强行把nFET的源极接到Vdd上而pFET的源极接到地上，将会导致MOS管丧失良好的开关特性。这就是常说的，nFET传输强0弱1；pFET传输强1弱0。
当使用FET构建一个逻辑电路时，需要满足以下四个基本规则：
（1） pFET的源极必须连接到Vdd，nFET的源极必须连接到GND。
（2） 电路输出必须通过一个pFET连接到Vdd，或者电路输出必须通过一个nFET连接到GND（电路输出不能为空、高阻）。
（3） 逻辑电路的输出决不能同时连接到Vdd和GND；
（4） 电路尽量使用最小数量的FET。

二、半导体数字集成电路

1、集成电路的发展

（1） 在上世纪六十年代早期出现了第一片集成电路，其集成的晶体管数量少于100个，该集成电路称为小规模集成电路（Small-Scale Integrated Circuit，SSI）。
（2） 在上世纪六十年代后期出现了中规模集成电路（Medium-Scale Integrated Circuit，MSI），其集成的晶体管数量达到几百个。
（3） 在上世纪七十年代中期，出现了大规模集成电路（Large-Scale Integrated Circuit，LSI），其集成的晶体管数量达到几千个。
（4） 在上世纪八十年代早期，出现了超大规模集成电路（Very-Large-Scale Integrated Circuit，VLSI），其集成的晶体管数量超过了100,000个。
（5） 到上世纪八十年代后期，集成 的晶体管数量超过1,000,000个。
（6） 到上世纪九十年代，集成的晶体管数量超过了10,000,000个。
（7） 到2004年，这一数量已经超过了100,000,000个。
（8） 现在这一数量已经突破了1,000,000,000个。
并且还在按照摩尔定律发展：每18个月，数量提高一倍。

2、集成电路构成

常见的几种封装形式

LQFP封装

BGA

三、逻辑门电路分析

1、逻辑门电路

（1） 非门

（2） 与门

（3） 与非门

（4） 或门

（5） 或非门

（6） 异或门
当逻辑输入电平不相同的时候，输出为高电平；否则当逻辑输入电平相同的时候，输出为低电平。

（7） 同或门
当逻辑输入电平相同的时候，输出为高电平；否则当逻辑输入电平不相同的时候，输出为低电平。

2、逻辑门集成电路

很多小规模的集成电路可以用于实现基本的逻辑门功能，典型的74LSXX系列器件。当器件型号以74开头时，表示商用级TTL。如果器件型号以54开头表示军用级，其工作温度更宽。在74/54后面的字母“LS”表示是“低功耗的肖特基”电路，使用了肖特基势垒二极管和晶体管，用于降低功耗。不使用肖特基的门电路，功耗较高，但由于切换时间段，因此可以工作在更高的工作频率上。

3、逻辑门电路传输特性

1、逻辑信号电平
（1） TTL逻辑门输入和输出信号电平

（2） 5V CMOS逻辑门输入和输出信号电平

（3） 10V CMOS逻辑门输入和输出信号电平

（4） 15V CMOS逻辑门输入和输出信号电平

2、逻辑门的上升与下降时间

其中，Tr表示上升沿时间，Tf表示下降沿时间，Tw表示脉冲宽度。
3、逻辑门传输延迟
传输延时表示当给逻辑门输入脉冲时，需要多长时间，才能在逻辑门的输出反应出来。
tPHL表示输出下降沿与输入触发沿中点之间的时间间隔。
tPLH表示输出上升沿与输入触发沿中点之间的时间间隔。


4、功耗
（1） 静态功耗
静态功耗指逻辑电路没有发生逻辑翻转时，所消耗的能量。
NOTE：对于TTL工艺的半导体器件，存在较大的静态功耗，而CMOS工艺的半导体器件静态功耗几乎为零。所以，在半导体数字集成电路中，多采用CMOS工艺来制造半导体集成电路。
（2） 动态功耗
动态功耗指逻辑电路发生逻辑状态翻转时，所消耗的能量。
5、扇入与扇出
扇入是指逻辑门输入端口的个数（不包含电源与地）。
扇出指在逻辑门正常工作状态下，所能驱动同类型的门电路的最大个数。扇出数越大表示逻辑门的驱动能力越强。扇出数受拉电流和灌电流两个因素制约。