《数字电路与逻辑设计(修订版) 教学课件 ppt 作者 杨爱琴 主编 余根墀 高志宏 副主编第二章 第二章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字电路与逻辑设计(修订版) 教学课件 ppt 作者 杨爱琴 主编 余根墀 高志宏 副主编第二章 第二章（33页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第2章 组合逻辑电路,本章提要 本章主要介绍组合逻辑电路的基本部件（集成逻辑门）的基本 原理与使用方法和基于逻辑门的组合逻辑电路的分析和设计。 本章难点 集成逻辑门的使用。 组合逻辑电路的设计。,数字电路,组合逻辑电路（结构上无反馈、功能上无记忆，电路在任何时候的输出都由该时刻的输入信号完全决定 ）,时序逻辑电路（电路在任何时候的输出不仅取决于当时的输入，而且还取决于电路以前的输入）,按逻辑功能分类,第2章 组合逻辑电路 2.1 集成逻辑门,基本逻辑运算,与、或、非,基本逻辑门,与门、或门、非门,复杂逻辑运算,复合逻辑门、复杂逻辑电路,集成逻辑门,集成逻辑门,双极型集成逻辑门（TTL、ECL、
2、I2L、HTL ）,单极型集成逻辑门（NMOS、CMOS ）,2.1.1 TTL逻辑门-输入晶体管（T）输出晶体管（T） 产品种类：TTL与门、与非门、或门、非门、或非门、与或非门、异或门等，还有集电极开路与非门（OC门）和三态门（TS门）,2.1.1 TTL逻辑门 1. 典型TTL与非门外部特性和主要参数,TTL与非门典型电路,实现输入变量A、B、C与运算逻辑功能,相当于一个电压分相器，能够在T2的发射极和集电极上分别得到两个相位相反的电压,推拉式结构的输出完成“非”运算逻辑功能,TTL与非门电路符号,2.1.1 TTL逻辑门 1. 典型TTL与非门外部特性和主要参数 （1）电压传输特性,传
3、输特性曲线,截止区：输入信号0VI0.6，为低电平，输出信号VO=3.6，为高电平。输入低电平输出高电平状态，也称“与非”门截止或关闭状态。,线性区：0.6VI1.3，VO随着输入信号的增大而线性下降。,转折区：VI1.3并继续增大，VO突然下降到0.3，实现高低电平转换,饱和区：VI 1.3，VO =0.3，输入高电平，这时输出低电平不再变化，称为“与非”门开通或饱和状态,传输特性测试电路,2.1.1 TTL逻辑门 1. 典型TTL与非门外部特性和主要参数 （2）标称逻辑电平V 门电路的逻辑功能是通过制定高电平表示1、低电平表示0获得的。这种表示逻辑1和0的理想电平值，称为标称逻辑电平，TT
4、L与非门电路的标称逻辑电平分别为V(1)= 5，V(0) =0,正逻辑,例：TTL与非门电路VOFF=0.8，VON=2，即当电平受到干扰而使高电平下降或低电平升高时，只要高电平不降到2以下，低电平不升到0.8以上，门电路仍能正常工作,（4）输出电平 输出高电平VOH是指输入端有低电平时输出端得到的电平，典型的数值为VOH2.4V。 输出低电平VOL是指输入端全部为高电平时输出端得到的电平，典型的数值为VOL0.4V。 （5）噪声容限VN 噪声容限是指允许输入电压波动的极限范围，是衡量TTL门电路抗干扰能力的参数，但是噪声容限VN对于输入为低电平和输入为高电平的影响是不同的。,（6）扇入系数V
5、r 门电路允许的输入端数目称为该门电路的扇入系数。一般门电路的扇入系数在制造时就安排好了，一般不超过8，使用者只需注意对多余端的处理就可以了。,（3）开门电平VON 、关门电平VOFF 实际门电路中，高电平或低电平都不可能是标称逻辑电平，而是处在偏离这一标称值的一个范围内。当输入电平在0VVOFF范围内都表示逻辑值0；当电平在VON5范围内都表示逻辑值1，此时电路都能实现正常的逻辑功能。我们称VOFF为关门电压，表示逻辑值0的输入电平的最大值；称VON为开门电压，表示逻辑值1的输入电平的最小值。,（7）扇出系数VC 扇出系数表示与非门输出端最多能接同类与非门的个数，或称为负载能力。一般门电路的
6、扇出系数为，而驱动门（或称功率门）的扇出系数可达1525。,（8）平均传输延迟时间,是一个反映门电路工作速度快慢的重要参数。信号经过任何门电路都会产生时间的延迟，这是由器件本身的物理特性所决定的。,延时测量电路,平均传输延迟时间,平均传输延迟时间越小，门电路的响应速度越快。低速器件（40160ns），中速器件（1540ns），高速器件（815ns）及超高速器件（8ns）。一般TTL与非门的平均时延在10ns40ns之间，所以TTL集成门电路具有速度快的优点。,2TTL的两种特殊门电路,（1）集电极开路与非门（OC门）,例如要实现 ，需要用到两个TTL与非门，将输出并联起来实现“与“运算。前面所
7、介绍的各种TTL门电路都采用推拉式输出结构，其高电平或低电平输出阻抗都很低，因此不允许将多个门电路输出直接并联使用。所以普通的TTL门电路是不允许将输出并联使用的。为了使输出端能够并联以实现“与”运算的需要，采用集电极开路与非门，简称OC门,OC与非门电路图,OC与非门电路符号,输出三极管T4的集电极开路，使用时需接上拉电阻RP,OC门的优点是允许输出端直接并联实现“线与”,上拉电阻,（2）三态门（TS门）,2TTL的两种特殊门电路,三态门输出高电平、低电平、高阻三个状态，高阻状态又称为禁止状态或失效状态。虽然三态门输出有三种状态：高电平、低电平、高阻，但是三态门电路仍是二值逻辑电路，高阻态并
8、无逻辑值，仅仅表示电路与其它电路无关联而已。,三态门电路符号,EN为使能端或控制端。高电平使能。当EN为高电平“1”时，三态门为工作状态或使能状态，此时电路实现与非逻辑功能；当EN为低电平“0”时，电路输出端呈现高阻状态，无论电路输入电平如何，电路的逻辑功能被“禁止”,三态门总线结构 当EN1、EN2ENn轮流出现高电平时，三态门TS1、TS2TSn轮流将A1、B1，A2、B2An、Bn以与非的形式送到总线BUS上,三态门双向传输 当EN = 0时，三态门TS1工作，TS2禁止，数据A传送到B ；当EN =1时，三态门TS1禁止，TS2工作，数据B传送到A,2.1.2 CMOS逻辑门,TTL具
9、有更高的开关速度和器件类型的选择更多。CMOS主要的优点在于功耗非常的低，器件类型上与TTL不相上下，且使用MOS管作为有源负载，更有利于大规模集成。,1CMOS电路的主要电气指标 （1）电源电压范围 常用的CMOS集成电路工作电压范围很宽，为318V。（5V） （2）输出高电平VOH与输出低电平VOL 输出电压高电平接近电源电压，VOHVDD；低电平VOL0。（2.4V 0.4V） （3）阀值电压VT 由于CMOS电路电压传输特性中输出高低电平的过渡区很陡，故阀值电压VTVDD/2。 （4）抗干扰容限 CMOS非门的开门电平VON一般为0.55VDD，关门电平VOFF一般为0.45VDD。
10、（5）扇出系数 因CMOS电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，一般可达50。 （6）输入阻抗 通常情况下，等效输入电阻大于108。 (8) 传输延迟与功耗 CMOS电路的功耗很小，但传输延迟较大，且它们均与电源电压有关。如在温度 25、电源电压5且负载电容为50pF时，CMOS非门的功耗为0.5mW、传输延迟为50ns。,2.1.2 CMOS逻辑门 2CMOS传输门,CMOS传输门是CMOS电路的一种基本单元电路，是一种能够传输信号的可控开关电路,传输门电路图,传输门逻辑符号,当C为低电平时，TN、TP截止，截止电阻大于109，相当于开关断开，传输门保存信息。当C为高电平时，TN、TP中至
11、少有一只管子导通，导通电阻很低，约为几百欧姆，使V0VI ，相当于开关接通，传输门传输信息，传输门接近于一个可控理想开关。CMOS传输门结构对称，具有双向性，输出、输入可以互换，也称为双向开关。,传输门应用-模拟开关,C=1模拟开关接通，C=0模拟开关断开。它可以传递幅值在VCH（控制电压高电平）和VCL（控制电压低电平）之间任意大小的模拟电压,22 集成逻辑门电路的使用 2.2.1 集成逻辑门系列简介 1逻辑门电路的类型-非门、与门、或门、与非门、或非门、异或门、缓冲输出门等,无论在CMOS或者TTL逻辑电路中，逻辑功能的配置及它们标准名称都是相同的，一般都是名称的最后23个识别数字来表示它
12、们的逻辑功能。 00：4个2输入与非门 02：4个2输入或非门 04：6反向器（非门） 08：4个2输入与门 20：2个4输入与非门 21：2个2输入与门 27：3个3输入或非门 30：单个8输入与非门 133：单个13输入与非门,2CMOS系列-5CMOS和3.3CMOS,3.3CMOS功耗降低了34%,74系列属于通用型，一般用于商业级；54系列一般用于军用级。本书只介绍74系列器,74AHC and 74AHCT：先进高速CMOS,74ALVC：先进低压CMOS,5CMOS系列及其名称之一（T兼容TTL）,3.3CMOS系列以及名称 之一,CMOS各系列电路主要电气技术参数,高速CMOS
13、,先进CMOS,早期低速CMOS,TTL系列 74：标准TTL 74S：肖特基TTL 74AS：先进肖特基TTL 74ALS：先进低耗肖特基TTL,TTL的74系列性能参数,低耗肖特基TTL,4TTL与CMOS性能比较,CMOS和TTL系列门电路的主要性能参数比较,5集成逻辑门电路的封装,DIP双列直插式封装,SOP小外形封装,PLCC封装,QFP封装,6. 逻辑符号,例如：7400、74LS00、74F00、74HC00、74AC00,所有具有相同的后缀不论电路属于哪种工艺哪个系列，这些器件的引脚都是兼容的，即它们的引脚号是一样的 4个2输入与非门,四2输入与非门 （00）,6反向器 （04
14、）,2.2.2 TTL逻辑门使用中应注意的问题,1电源电压,TTL逻辑门对电源电压要求比较严格，所以在配备电源电压时，选用5 0.25，不可超过5.25，特别是严禁颠倒电源极性，以防损坏集成电路。,2对于多余端的处理,2.2.3 CMOS逻辑门使用中应注意的问题,1电源问题,CMOS集成电路的工作电源电压一般在318之间，国产C000系列CMOS电路的电源电压允许在715范围内选择。,因CMOS电路的输入阻抗很高，因此输入端不允许悬空。因为悬空会感应电荷使输入端电位不定，破坏正常的逻辑关系，另外也易受外界噪声干扰，使电路产生误动作，而且极易使栅极因感应静电造成击穿。所以，对于“与”门、“与非”
15、门的多余端应接高电平，对于“或”门、“或非”门的多余端应接低电平，或者与有用的输入端并接在一起，这样并联使用还可以增大输出端的负载能力,2多余输入端的处理,3CMOS器件使用,CMOS电路具有很高的输入阻抗，致使器件易受外界干扰、冲击和静电击穿，所以在其内部输入端接有二极管保护电路。输入保护网络的引入，使器件的输入阻抗有一定的下降，但仍达到108以上。因此，在安装电路、改变电路连接、插拔CMOS器件时，必须切断电源，否则CMOS器件很容易受到极大的感应或电冲击而损坏；在焊接CMOS器件时，电烙铁必须可靠接地，以防电烙铁漏电击穿器件输入端。一般可利用电烙铁断电后的余热焊接，并先焊接其接地脚；另外，虽然各种CMOS输入端有抗静电的保护措施，但仍须小心对待在包装、储存、运输等环节中可能产生的静电问题，可采取多种措施，诸如工作台面有良好的导电性，并且可靠接地。,作业,P51 1、2、3,2.3 组合逻辑电路的分析,十字路口交通指挥灯、抢答器,Z1 = F1(X1，X2，Xn) Z2 = F2(X1，X2，Xn) Zm = Fm(X1，X2，Xn),在任何时刻，电路的输出只取决于该时刻的输入，而与电路的原来状态没有关系,组合逻辑 电路分析,给定一组合 逻辑电路,找出其输入输出逻辑关系,描述其逻辑功能,评价是否为最佳设计方案,2.3.1 组
