第9章 组合逻辑电路

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1、20042004年年1212月月制作制作 曾令琴曾令琴主编主编 曾令琴曾令琴门电路门电路 逻辑代数逻辑代数 组合逻辑电路分析及其应用组合逻辑电路分析及其应用第二篇第第9 9章章 组合逻辑电路组合逻辑电路9.1 9.1 门电路门电路9.2 9.2 组合逻辑电路分析基础组合逻辑电路分析基础9.3 9.3 编码器编码器9.4 9.4 译码显示电路译码显示电路9.5 9.5 数值比较器和数据选择器数值比较器和数据选择器第二篇9.1 9.1 门电路门电路9.1.1 9.1.1 模拟电路与数字电路的区别模拟电路与数字电路的区别9.1.2 9.1.2 基本门电路基本门电路9.1.3 9.1.3 复合门电路复

2、合门电路9.1.4 9.1.4 集成门电路集成门电路问题与讨论问题与讨论第2页9.1 9.1 门电路门电路10.1.1 模拟电路与数字电路的区别模拟信号：在时间上和 数值上连续的信号。数字信号：数字信号：在时间上和 数值上不连续的（即离 散的）信号。 uu模拟信号波形数字信号波形tt对模拟信号进行传输 、处理的电子线路称 为模拟电路。对数字信号进行传输 、处理的电子线路称 为数字电路。 第2页（1）工作信号是二进制的数字信号，在时 间上和数值上是离散的（不连续），反映 在电路上就是低电平和高电平两种状态（ 即0和1两个逻辑值）。 （2）在数字电路中，研究的主要问题是电 路的逻辑功能，即输入信号

3、的状态和输出 信号的状态之间的逻辑关系。 （3）对组成数字电路的元器件的精度要求 不高，只要在工作时能够可靠地区分0和1 两种状态即可。数字电路的特点数字电路的特点第2页（1）便于集成与系列化生产，成本低廉，使用方便； （2）工作准确可靠，精度高，搞干扰能力强。 （3）不仅能完成数值计算，还能完成逻辑运算和判断，运算速度快，保密性强。 （4）维修方便，故障的识别和判断较为容易。2. 2. 数字电路的优点数字电路的优点数字电路的优越性能使其得到广泛的应用和迅猛的 发展。数字电路不仅在计算机、通信技术中应用广泛， 而且在医疗、检测、控制、自动化生产线以及人们的日 常生活中，也都产生了越来越深刻的影

4、响。第2页获得高、低电平的基本方法：获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元 件（二极管、三极管）的导通、截止（即开、关）两 种工作状态来实现。逻辑逻辑0 0和逻辑和逻辑1 1： 电子电路中通常把高电平表示为 逻辑1；把低电平表示为逻辑0。（正逻辑）逻辑门电路：逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算 的电子电路。简称门电路。基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相 器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。9.1.2 9.1.2 基本门电路基本门电路第2页1. “1. “与与”门电门电 路路当决定某事件的全部条件同时具备时，结果才会发生，这种因 果关系叫做“与”逻辑，也称为逻辑乘。（1） “

5、与”逻辑关系F=ABF=AB与与逻辑功能：逻辑功能：有有0 0出出0 0，全，全1 1出出1 1。第2页“ “与与” ” 门门真值表 “ “与与” ”门电路图符号一个“ “与与” ”门的输入端 至少为两个，输出端只有 一个。（2）实现与逻辑关系的电路称为与门与门。第2页“ “与与” ”逻辑（逻辑乘）的运算规则逻辑（逻辑乘）的运算规则与门的输入端可以有多个。下图为一个三输入与门 电路的输入信号A、B、C和输出信号F的波形图。A BCF有0出0有0出0全1出1 第2页2. “2. “或或”门电门电 路路当某事件发生的全部条件中至少有一个条件满足时，事件必然 发生，当全部条件都不满足时，事件决不会发

6、生，这种因果关系叫 做“或”逻辑，也称为逻辑加。（1） “或”逻辑关系F=A+BF=A+B或或逻辑功能：逻辑功能：有有1 1出出1 1，全，全0 0出出0 0。第2页（2）实现或逻辑关系的电路称为或门。“ “或或” ” 门门真值表 “ “或或” ”门电路图符号一个“ “或或” ”门的输入端 也是至少两个，输出端只 有一个。第2页“ “或或” ”逻辑（逻辑加）的运算规则逻辑（逻辑加）的运算规则或门的输入端也可以有多个。下图为一个三输入或 门电路的输入信号A、B、C和输出信号F的波形图。A BCF全0出0全0出0有1出1第2页3. “3. “非非”门电门电 路路当某事件相关的条件不满足时，事件必然

7、发生；当条件满足时 ，事件决不会发生，这种因果关系叫做“非”逻辑。（1） “非”逻辑关系非非逻辑功能：逻辑功能：给给1 1出出0 0，给，给0 0出出1 1。F=AF=A输入A为高电平1(3V) 时，三极管饱和导通 ，输出F为低电平0（ 0V)；输入A为低电平 0(0V)时，三极管截 止，输出F为高电平1 （3V)。第2页逻辑非（逻辑反）的运算规则“ “非非” ” 门门真值表一个“ “非非” ”门的输入端 只有只有1 1个个，输出端只有一个 。第2页9.1.3 9.1.3 复合门电路复合门电路将与门、或门、非门组合起来，可以构成多种复合门电路。由与门和非门构成与非门1. 1. 与非门与非门与非

8、门的逻辑功能：与非门的逻辑功能：有有0 0出出1 1；全；全1 1出出0 0。与非门真值表第2页内含4个两输入端的与非门，电源线及地线公用。内含两个4输入端的与非门，电源线及地线公用。第2页由或门和非门构成或非门或非门或非门的逻辑功能：或非门的逻辑功能：全全0 0出出1 1；有；有1 1出出0 0。或非门真值表2. 2. 或或非门非门第2页3. 3. 与或与或非门非门第2页异或门和同或门的逻辑图符号逻辑图符号异或门功能：异或门功能：相异出相异出1 1；相同出；相同出0 0。异或门真值表4. 4. 异或异或门门同或门真值表同或门功能：同或门功能：相同出相同出1 1；相异出；相异出0 0。5. 5

9、. 同或同或门门第2页9.1.4 9.1.4 集成门电路集成门电路R5 R1+UccR2R3AFT1T2T3T5BCR4T4F1ABCF1+UccR1等效电路1. TTL1. TTL集成电路集成电路输出级中T3、T4复合管电路构成达林顿电路，与电阻R5作为T5的 负载，不仅可降低电路的输出电阻，提高其负载能力，还可改善 门电路输出波形，提高工作速度。输入级输入级等效电路显然F1=ABC 相当与门。中间级中间级也称倒相级，即 在T2的集电级和发射级同时 输出两个相位相反的信号。推拉式输出级第2页TTLTTL与非门的与非门的 工作原理工作原理R5 R1+UccR2R3AFT1T2T3T5BCR4T

10、4F1输入信号中至少 有一个为低电平 （0.3V）时，低 电平所对应的 PN结导通，T1 的基极电位被固 定在1V（ 0.3+0.7）。1V 输入端只要有一个为低电平，T1基极电位就会固定在1V ，导致T1深度饱和，F1电位为低电平0.3V。T2、T5 截止；0.3V截止截止饱和饱和有有0 0出出1 1；T3、T4饱和导通（通过Ucc，R2）； TTL与非门的输出电位为：第2页R5 R1+UccR2R3AFT1T2T3T5BCR4T4F1输入信号全部为高 电平（3.6V）时， 电源UCC经R1、T1集 电结向T2、T5基极 提供电流，T2、T5 发射结导通后，T1 基极电位被钳位在 2.1V。

11、 0.7+0.7+0.7=2.1V2.1V 输入端全部为高电平时，T1基极电位就会钳位在2.1V ，使T1输出电 位F1为1.4V，T1处于倒置工作状态（即发射结反偏，集电结正偏）。0.7V截止微导通0.7V0.7V全全1 1出出0 0。T1在此状态下值较小，因此T2、T5饱和，T3微导通，T4截止； TTL与非门的输出电位等于T5的饱和电位值：0V1.4V饱和饱和第2页功能真值表功能真值表逻辑表达式逻辑表达式输入有输入有0 0，输出为，输出为1 1；输入全；输入全1 1，输出为，输出为0 0。&ABCF与非门图符号与非门图符号第2页（2 2）集电极开路的）集电极开路的TTLTTL与非门（与非

12、门（OCOC门）门）实际使用中，若将两个或多个逻辑门的输出端直 接与总线相连，就会得到附加的“线与线与”逻辑功能。上面讲到的普通TTL与非门，由于采用了推 拉式输出电路，因此其输出电阻很低，使用时输 出端不能长久接地或与电源短接。因此不能直接 让输出端与总线相连，即不允许直接进行上述“ 线与”。FR5UccT3T5T4R5UccT3T5T4G1G2线与多个普通TTL与非门电路的输出端也不能连 接在一起后上总线。因为，当它们的输出端连接 在一起上到总线上，只要有一个与非门的输出为 高电平时，这个高电平输出端就会直接与其它低 电平输出端连通而形成通路，总线上就会有一个 很大的电流Ic由高电平输出端

13、经总线流向低电平 输出端的门电路，该门电路将因功耗过大而极易 烧毁。第2页解决的办法：解决的办法：集电极开路，如左下图所示，称为集电极开路集电极开路的 与非门，简称OCOC门门。R1UccR2R3A FT1T2 T5B COC门在结构上将一般TTL门输 出级的有源负载部分（如普通TTL 与非门中的T3、T4、R4）去除,输出 级晶体管T5的集电极在集成电路内 部不连接任何元件，直接作为输出 端（集电极开路）。OC门在使用时，应根据负载的大小和 要求，合理选择外接电阻RC的数值，并将 RC和电源UCC连接在OC门的输出端。另外另外 OCOC门还可以门还可以实现总线传输。实现总线传输。RCRcUc

14、cF&总线OC门不但可以实现“ “线与线与” ”逻辑逻辑；还可 以作为接口电路实现逻辑电平的转换；作为接口电路实现逻辑电平的转换；第2页R5R1+UccR2R3AFT1T2T3T5BR4T4F1（3 3）三态门）三态门三态门具有三种输出状态：高电平、低电平高电平、低电平和高阻状态高阻状态。END1D2R电路分析： 当EN= 1 时，二极管D2截 止，此时三态门是普通的与 非门电路；F = AB； 当EN= 0时（有效状态）， T1饱和，T2、T4截止，同时D1 导通使T3、T5也截止。这时从 外往输入端看进去，电路呈现 高阻态；因为三态门在EN=1时为普通 与非门，有高、低电平两种状态， 在E

15、N=0时为高阻态，共有三种状 态，因此称为三态门。三态门的逻辑符号如下：A B E/DF ENEN&第2页三态门真值表三态门真值表三态门主要用于总线结构， 实现用一根导线轮流传送多路数 据。通常把用于传输多个门输出 信号的导线叫做总线（母线）。 如下图所示。只要控制端轮流地 出现高电平（每一时刻只允许一 个门正常工作），总线上就轮流 送出各个与非门的输出信号，由 此可省去大量的机内连线。总线（总线（BUSBUS）D1E/D1&ENL L1 1D2E/D2&ENL L2 2DnE/Dn&ENL Ln n第2页（1 1）CMOSCMOS反相器反相器1. CMOS1. CMOS门电路门电路工作管T1

16、为N沟道增强型MOS管，负载管T2为P沟道增强型MOS管，两管的漏极接在一起作为电路的输出端，两管的栅极接在一起作 为电路的输入端，T1、T2源极与其衬底相连，一个接地，一个接电源uiUDDT1T2u0NMOS管PMOS管如果要使电路中的绝缘栅型场效应管形 成导电沟道，T1的栅源电压必须大于开启电 压的值，T2的栅源电压必须低于开启电压的 值，所以，为使电路正常工作，电源电压 UDD必须大于两管开启电压的绝对值之和。工作原理：工作原理：（1）ui0V时，T1截止，T2导通。输出电压u0UDD； （2）uiUDD时，T1导通，T2截止。输出电压u00V。第2页（2 2）CMOSCMOS传输门和模拟开关传输门和模拟开关CPuiUDDu0TNTP工作原理：工作原理：设高电平为10V，低电平为0V， 电源电压为10V。开启电压为3V。在CP“1”，若输入电压为0V7V ，则TN的栅源电压不低于3V，因此 TN管导通；若输入电压为3V10V， 同理，TP管