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1、数字电子技术,第2章 组合逻辑电路分析与设计（20课时） 电子信息学院 特色创新教研室,第2章 组合逻辑电路分析与设计,2.1 集成门电路 （4课时） 2.2 组合逻辑电路分析 （2课时） 2.3 组合逻辑电路设计 （2课时） 2.4 译码器 （4课时） 2.5 编码器 （2课时） 2.6 数据选择器 （2课时） 2.7 应用举例：八人抢答器设计与仿真 （2课时） 总结+习题 （2课时）,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.1 数字电路的分类,随着数字电子技术的发展，分立元件构成的数字电路已经很少使用，取而代之的是数字集成电路。所谓数字集成电路是指将元器件和连线集成于
2、同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统。,1. 按电路逻辑功能的不同，可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。,2. 按集成电路的大小规模不同又分为小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）。,3. 按电路所用器件的不同，又可分为单极性电路和双极性电路。最常用的单极性电路是CMOS（Complementary Symmetry Metal Oxide Semiconductor）电路，最常用的双极性电路是TTL（Transistor-Transistor-Logic）电路。,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2
3、.1.1 数字电路的分类,图2-1 数字集成门电路实物图 （a）双列直插式 （b）贴片式,图2-2 数字集成电路管脚号排布规律,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.1 数字电路的分类,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.1 数字电路的分类,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,TTL与非门电路构成,1. 输入级：R1、T1,T1为多发射极晶体管,输入极,中间极,输出极,三极管特性,TTL电平,2. 中间级：R2、T2、R3,产生两个相反的信号，用以驱动输出级。,3. 输出级: R
4、4、T3、T4、D,输出级特点： 静态功耗低 开关速度快,这种电路结构称为推拉式电路,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,TTL与非门电路工作原理,设输入信号高低电平分别为 UiH=3.6V; UiL=0.3V,PN结正向导通电压为0.7V;,1. 输入中有低电平,T1管发射结导通，T1管饱和,由于T2基极电压仅为（0.30.3）V ,故T2、 T4均截止,T3、D导通，输出约为3.6V（5-0.7-0.7=3.6）。 输出高电平1。,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,设输入信号高低电平分别为 UiH=3.6
5、V; UiL=0.3V,PN结正向导通电压为0.7V;,2. 输入均为高电平,T1管处于倒置工作状态（be结反偏，bc结正偏）；,T2管处于饱和工作状态；,T3管处于截止工作状态;,T4管处于饱和工作状态;,TTL与非门电路工作原理,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,F输出为“0”。,综合上面两种情况,该电路实现与非功能。,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,CMOS非门电路结构,CMOS逻辑门电路是由N沟道MOSFET和P沟道MOSFET互补而成，通常称为互补型MOS逻辑电路，简称CMOS逻辑电路。,要求电源VD
6、D大于两管开启电压绝对值之和，即VDD（VTN+|VTP|），且TN=|VTP|。,CMOS非门电路 (a) 电路图 (b) 简化电路,（1）当输入为低电平，即Vi=0V时，TN截止，TP导通，TN的截止电阻约为500M，TP的导通电阻约为750，所以输出VOVDD，即Vo为高电平。,CMOS门电路,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,CMOS非门电路 (a) 电路图 (b) 简化电路,（2）当输入为高电平，即Vi=VDD时，TN导通，TP截止，TN的导通电阻约为750，TP的截止电阻约为500M，所以输出Vo0V，即Vo为低电
7、平。所以该电路实现了非逻辑。,通过以上分析可以看出，在CMOS非门电路中，无论电路处于何种状态，TN、TP中总有一个截止，所以它的静态功耗极低，有微功耗电路之称。,要求电源VDD大于两管开启电压绝对值之和，即VDD（VTN+|VTP|），且TN=|VTP|。,CMOS非门电路结构,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,CMOS与非门和CMOS或非门,CMOS与非门电路 CMOS或非门电路,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,1.电源电压：(略) 2.电压传输特性：
8、3.输入噪声容限： 4. 输入负载特性 5.输出特性、扇出系数，灌电流，拉电流： 6.传输延时与功耗：,TTL与CMOS器件性能指标：,幻灯片 26,TTL与非门的电压传输特性,TTL与CMOS器件性能指标(输入特性TTL电压传输特性),第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,TTL（74LS00）、CMOS电路电压传输特性比较,TTL与CMOS器件性能指标(输入特性CMOS电压传输特性),第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,由图示的电压传输特性可知，在输入电压vI偏
9、离正常低电平或高电平时，输出电压vo并不随之马上改变，允许输入电压有一定的变化范围。,输入端噪声容限：是指在保证输出高、低电平基本不变（不超过规定范围）时，允许输入信号高、低电平的波动范围,TTL与CMOS器件性能指标(输入噪声容限),第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,TTL与CMOS器件性能指标(输入特性TTL噪声容限),1. TTL标称高电平：3.6V 2. TTL标称低电平：0.3V 3. UILmax输入低电平最大值（0.8V） 4.UIHmin输入高电平最小值（2.0V） 5.UOLmax输出低电平最大值（0.4V）
10、 6.UOHmin输入高电平最小值（2.4V） 7.阈值电平（1.4V） ：,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,输入噪声容限分为输入高电平噪声容限VNH和输入低电平噪声容限VNL。,输入噪声容限示意图,由图中可知，如果是多个门电路相连时，前一级门电路的输出即为后一级门电路的输入,输入低电平噪声容限,输入高电平噪声容限,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,TTL与非门的输入负载特性,TTL与CMOS器件性能指标(输入特性TTL输入负载特性),第2章 组合逻辑电路的
11、分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,TTL带拉电流负载时的输出特性,TTL与CMOS器件性能指标(输出特性),第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,TTL带灌电流负载时的输出特性,读一读 TTL与CMOS门电路,TTL与CMOS器件性能指标(输出特性),2、TTL和CMOS门电路的性能特点,TTL与非门带负载能力,带灌电流负载的扇出系数：,带拉电流负载的扇出系数：,标准TTL：,标准TTL：,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能
12、特点,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,TTL集成逻辑门各子系列重要参数比较,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,1、接插集成块时，要认清定位标记，不得插反。 2、电源电压使用范围为+4.5V+5.5V之间，实验中要求使用VCC=+5V。电源极性绝对不允许接错。 3、闲置输入端处理方法 (1)输入悬空，相当于正逻辑“l”，对于一般小规模集成电路的数据输入端，实验时允许悬空处理。但输入端悬空易受外界干扰，导致电路的逻辑功能不正常。因此，对于接有长线的输入端，中规模
13、以上的集成电路和使用集成电路较多的复杂电路，所有控制输入端必须按逻辑要求接入电路，不允许悬空。 (2)直接接电源电压VCC(也可以串入一只110k的固定电阻)或接至某一固定电压(+2.4V +4.5V)的电源上 。 (3)若前级驱动能力允许，可以与使用的输入端并联。 4、输入端通过电阻接地，电阻值的大小将直接影响电路所处的状态。当R680时，输入端相当于逻辑“0”；当R4.7k时，输入端相当于逻辑“1”。对于不同系列的器件，要求的阻值不同。 5、输出端不允许并联使用(集电极开路门(OC)和三态输出门电路(TS)除外。否则不仅会使电路逻辑功能混乱，并会导致器件损坏。 6、输出端不允许直接接地或直
14、接接+5V电源，否则将损坏器件，有时为了使后级电路获得较高的输出电平，允许输出端通过电阻R接至VCC，一般取R=35.1k。,TTL集成电路使用注意事项：,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,CMOS集成电路的性能特点 ： 微功耗CMOS电路的单门静态功耗在毫微瓦（nw）数量级。 高噪声容限CMOS电路的噪声容限一般在40%电源电压以上。 宽工作电压范围CMOS电路的电源电压一般为318伏。 高逻辑摆幅CMOS电路输出高、低电平的幅度达到全电为VDD， 逻辑“0”为VSS。 高输入阻抗 CMOS电路的输入阻抗大于108,一般可达1010。 高扇出能力 CMOS电路的扇出能力大于50
15、。 低输入电容 CMOS电路的输入电容一般不大于5PF。 宽工作温度范围陶瓷封装的CMOS电路工作温度范围为 - 55 0C 125 0C；塑封的CMOS电路为 40 0C 85 0C。,CMOS电路的特点和使用注意事项：http:/www.go-,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.3 TTL及CMOS集成门电路的其它形式,一、OC门TTL集电极开路门,图2-7 普通的TTL门电路输出并联 图2-8 OC门（a） 结构（b）符号,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.3 TTL及CMOS集成门电路的其它形式,即在输出线上实现了与运算，通过逻辑变换可转换为与或非运算,图2-9 实现线与,TTL OC门通常有如下的应用：,1. 实现线与,2个OC门实现线与时的电路如图2-9 所示。此时的逻辑关系为:,在数字系统的接口部分（与外部设备相联接的地方）需要有电平转换的时候，常用OC门来完成。如图2-10所示。 把上拉电阻接到10V电源上，这样在OC门输入普通的TTL电平，而输出高电平就可以变为10V。,2. 实现电平转换,图2
