逻辑门及译码器

1、1逻辑门逻辑门内容提要：内容提要：（1）数字电路的基本逻辑单元）数字电路的基本逻辑单元门电路，及其门电路，及其对应的逻辑运算与图形描述符号对应的逻辑运算与图形描述符号 。（2）三态逻辑门和集电极开路输出门）三态逻辑门和集电极开路输出门 。（3）TTL集成门的电路简介、逻辑功能、外特性和集成门的电路简介、逻辑功能、外特性和性能参数性能参数 。（4）CMOS集成门的逻辑功能、外特性和性能参数。集成门的逻辑功能、外特性和性能参数。 2主要内容：主要内容：与、或、非三种基本逻辑运算与、或、非三种基本逻辑运算 与、或、非三种基本逻辑门的逻辑功能与、或、非三种基本逻辑门的逻辑功能 逻辑门真值表的列法逻辑门

2、真值表的列法 画各种逻辑门电路的输出波形画各种逻辑门电路的输出波形基本逻辑门基本逻辑门 重点：重点：基本逻辑运算基本逻辑运算基本逻辑门的逻辑功能基本逻辑门的逻辑功能3l 在逻辑代数中，最基本的逻辑运算有与与、或或、非非三种 。l 最基本的逻辑关系有三种：与与逻辑关系、或或逻辑关系、非非逻辑关系。l 实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的单元电路称为逻辑门电路逻辑门电路。 4与门l 实现实现“与与”运算的电路称为运算的电路称为与逻辑门与逻辑门，简称，简称与门与门 。l逻辑逻辑与与运算可用开关电路中两个开关相运算可用开关电路中两个开关相串联串联的例子的例子来说明来说明 。5l “与与”运算的逻辑表达

3、式为：运算的逻辑表达式为： F = ABl “与与”运算真值表运算真值表 :l “与与”逻辑的运算规律为：逻辑的运算规律为：0 000 11 001 11 001AAAA AA 6 l 与门的逻辑符号与门的逻辑符号: 国内符号国内符号 国际符号国际符号l 例例2-2 : 向向2输入与门输入图示的波形，求其输出波输入与门输入图示的波形，求其输出波形形F。 解：解： 7或门l 实现实现“或或”运算的电路称为运算的电路称为或逻辑门或逻辑门，简称，简称或门或门 。l 逻辑逻辑或或运算可用开关电路中两个开关相运算可用开关电路中两个开关相并联并联的例的例子来说明子来说明 8l “或或”运算的逻辑表达式为：

4、运算的逻辑表达式为： F = A+Bl “或或”运算真值表运算真值表 :l “或或”逻辑的运算规律为：逻辑的运算规律为：000011011 11 011AAAAAA 9l 或门的逻辑符号或门的逻辑符号: l 例例2-4 : 向向2输入或门输入图示的波形，求其输出波输入或门输入图示的波形，求其输出波形形F。 解：解： 10非门l 实现实现“非非”运算的电路称为运算的电路称为非逻辑门非逻辑门，简称，简称非门非门 。l 逻辑逻辑“非非”运算可用图（运算可用图（a）中的开关电路来说明。）中的开关电路来说明。在图（在图（b）中，若令）中，若令A表示开关处于常开位置，则表示开关处于常开位置，则A非表示开关

5、处于常闭位置。非表示开关处于常闭位置。 11l “非非”运算的逻辑表达式为：运算的逻辑表达式为：l “非非”运算真值表运算真值表 :l “非非”逻辑的运算规律为：逻辑的运算规律为：FA10AAAAA A12l 非门的逻辑符号非门的逻辑符号: l 例例2-5 : 向非门输入图示的波形，求其输出波形向非门输入图示的波形，求其输出波形F。 解：解： 13集成非门简介集成非门简介TTL反相器的工作原理反相器的工作原理A为高电平：为高电平：T1倒倒置运用，置运用，VB12.1V，T2、T5饱饱和，和，VC20.9V，T4截止，截止，L为低电为低电平。即平。即A1，L0。b) A为低电平：为低电平：T1深

6、深饱和运用，饱和运用，VB10.9V，T2、T5截截止，止，T4导通（放大导通（放大状态），状态），L为高电为高电平。即平。即A0，L1。14CMOS非门电路l 由由NMOS和和PMOS两种场效应管组成的逻辑电路称两种场效应管组成的逻辑电路称为互补为互补MOS，即，即CMOS电路。电路。 l CMOS反相器电路反相器电路（P285，图，图11-21）注意：图中注意：图中FET 均为增强型均为增强型 CMOS反相器的开关模型反相器的开关模型 1415复合逻辑门复合逻辑门 l 与非、或非、异或、同或的复合逻辑运算与非、或非、异或、同或的复合逻辑运算l 与非门、或非门的逻辑功能与非门、或非门的逻辑功

7、能l 异或门、同或门的逻辑功能异或门、同或门的逻辑功能l 各种复合逻辑门的真值表描述及输出波形各种复合逻辑门的真值表描述及输出波形主要内容：主要内容：16l 基本逻辑运算的复合叫做基本逻辑运算的复合叫做复合逻辑运算复合逻辑运算。而实现。而实现复合逻辑运算的电路叫复合逻辑运算的电路叫复合逻辑门复合逻辑门。最常用的复。最常用的复合逻辑门有合逻辑门有与非门与非门、或非门或非门、与或非门与或非门和和异或门异或门等。等。17与非门与非门l “与与”运算后再进行运算后再进行“非非”运算的复合运算称为运算的复合运算称为“与非与非”运算运算，实现，实现“与非与非”运算的逻辑电路称运算的逻辑电路称为为与非门与非

8、门。 l 与非门与非门的逻辑关系表达式为：的逻辑关系表达式为：l 与非门的逻辑符号与非门的逻辑符号 ：l “与非与非”门真值表门真值表 ：FA B18或非门或非门l “或或”运算后再进行运算后再进行“非非”运算的复合运算称为运算的复合运算称为“或非或非”运算运算，实现，实现“或非或非”运算的逻辑电路称运算的逻辑电路称为为或非门或非门。 l 或非门或非门的逻辑关系表达式为：的逻辑关系表达式为：l 或非门的逻辑符号或非门的逻辑符号 ：l “或非或非”门真值表门真值表 ：FAB19异或门异或门l 实现实现“异或异或”逻辑运算的逻辑电路称为逻辑运算的逻辑电路称为异或门异或门。 l 异或门异或门的逻辑关

9、系表达式为：的逻辑关系表达式为：l 异或门的逻辑符号异或门的逻辑符号 ：l “异或异或”门真值表门真值表 ：FABABAB20同或门同或门l “异或异或”运算之后再进行运算之后再进行“非非”运算，则称为运算，则称为“同或同或”运算。实现运算。实现“同或同或”逻辑运算的逻辑电逻辑运算的逻辑电路称为路称为同或门同或门。 l 同或门同或门的逻辑关系表达式为：的逻辑关系表达式为：l 同或门的逻辑符号同或门的逻辑符号 ：l “同或同或”门真值表门真值表 ：FABABABAB2121集成复合门电路一、 TTL与非门电路多发射极管多发射极管T1的二极管等效的二极管等效电路电路TTL与非门集成电路主要有：与非

10、门集成电路主要有：74LS00，74LS10，74LS20和和74LS30等等。典型的典型的TTL与非门电路图与非门电路图22 TTL与非门电路的低电平输出工作状态与非门电路的低电平输出工作状态 2223TTL与非门电路的高电平输出工作状态与非门电路的高电平输出工作状态 2324TTL门电路的灌电流工作状态门电路的灌电流工作状态 OLILIN ITTL与非门灌电流负载能力受限于低电平扇出系数与非门灌电流负载能力受限于低电平扇出系数 2425TTL门电路的拉电流工作状态门电路的拉电流工作状态 OHIHIN I拉电流负载能力受限于高电平扇出系数拉电流负载能力受限于高电平扇出系数 2526TTL或非

11、门电路或非门电路 l TTL或非门集成电路有或非门集成电路有74LS02、74LS27等。等。FAB2627TTL与或非门电路l TTL与或非门集成电路有与或非门集成电路有74LS54、74LS55等。等。FABCD2728肖特基TTL与非门电路l 肖特基箝位晶体管，简称肖特基箝位晶体管，简称肖特基晶体管肖特基晶体管。l 肖特基肖特基TTL门电路门电路 2829CMOS门电路门电路 l 场效应管的场效应管的开关模型开关模型 ：场效应管像一个开关，它：场效应管像一个开关，它有无穷大的有无穷大的“断开断开”电阻和有限的电阻和有限的“导通导通”电阻电阻Ron l NMOS管符号管符号 l PMOS管

12、符号管符号 2930CMOS与非门电路与非门电路 l CMOS电路特点：电路特点：u互补互补CMOS结构的上拉和下拉网络互为对偶网络，这意结构的上拉和下拉网络互为对偶网络，这意味着在上拉网络中并联的味着在上拉网络中并联的PMOS管相应于在下拉网络中管相应于在下拉网络中NMOS管的串联管的串联 。3031CMOS或非门电路l CMOS或非门电路：或非门电路：3132CMOS门电路的构成规则l 一个一个CMOS门是由上拉网络和下拉网络的组合而门是由上拉网络和下拉网络的组合而成的成的 。l 当逻辑门的输出为逻辑当逻辑门的输出为逻辑1时，它将提供一条在输出时，它将提供一条在输出和和VDD之间的通路。之

13、间的通路。 l 当逻辑门的输出为逻辑当逻辑门的输出为逻辑0时，在输出和地之间提供时，在输出和地之间提供一条通路。一条通路。 l 上拉网络和下拉网络是以相互排斥的方式构成的上拉网络和下拉网络是以相互排斥的方式构成的 l 下拉网络由下拉网络由NMOS管构成，而上拉网络由管构成，而上拉网络由PMOS管管构成。构成。 3233l 由上拉网络和下拉网络组成的互补逻辑门由上拉网络和下拉网络组成的互补逻辑门 ：l 一个互补一个互补CMOS结构的上拉和下拉网络互为对偶结构的上拉和下拉网络互为对偶网络，这意味着在上拉网络中网络，这意味着在上拉网络中并联并联的的PMOS管相应管相应于在下拉网络中于在下拉网络中NM

14、OS管的管的串联串联，反之亦然。，反之亦然。 33343435l 例例11-3 ：利用互补利用互补CMOS 逻辑合成一个逻辑合成一个CMOS复复合门电路，其功能为：合门电路，其功能为： 解：解： ()FDABC下拉网络 识别子电路 3536设计完整的门电路如下：设计完整的门电路如下：3637其它逻辑门主要内容主要内容三态逻辑门的逻辑功能三态逻辑门的逻辑功能含有三态逻辑门电路的分析含有三态逻辑门电路的分析集电极开路输出逻辑门的逻辑功能集电极开路输出逻辑门的逻辑功能集电极开路输出逻辑门的应用集电极开路输出逻辑门的应用重点重点三态逻辑门、集电极开路的三态逻辑门、集电极开路的逻辑功能和应用逻辑功能和应

15、用38三态逻辑门l 三态输出门三态输出门（简称（简称TS门门）有三种逻辑状态，即）有三种逻辑状态，即0、1、Z。第三种状态为。第三种状态为高阻状态高阻状态(Z)，或禁止状态。，或禁止状态。l 三态逻辑门符号：l 高电平有效高电平有效的三态门真值表的三态门真值表 ：控制端EN高电平有效 控制端EN低电平有效 39三态门的应用：三态门的应用：l 三态门用于总线传输三态门用于总线传输 ：l 用三态门实现数据双向传输用三态门实现数据双向传输 ：总线传输总线传输双向传输双向传输40集电极开路逻辑门l 集电极开路门，简称集电极开路门，简称OC门门。其特点是门电路内部。其特点是门电路内部输出三极管的集电极开

16、路。在使用时，必须外接输出三极管的集电极开路。在使用时，必须外接“上拉电阻上拉电阻RP” 。l OC与非门的逻辑符号与非门的逻辑符号 ：l 两个两个OC门输出端可以直接相连，实现门输出端可以直接相连，实现“线与线与”功功能。能。 12FFFAB CD41l OC门用来实现电平转换：门用来实现电平转换：l OC门用做驱动器：门用做驱动器：42集电极开路门与三态门电路一、集电极开路的一、集电极开路的TTL与非门电路与非门电路42常用型号：常用型号：74LS01、74LS03、74LS12等。等。 43l OC门输出并联接法门输出并联接法 ：实现了：实现了“线与线与”功能。功能。 12FFFABC

17、IJKABCIJK4344l OC门外门外接上拉电阻接上拉电阻RP的计算方法：的计算方法： CCOH(min)P(max)OHIHVVRnImICCOL(max)P(min)OL (max)IL(max) VVRIkIP(min)P P(max)RRR4445三态输出门电路三态输出门电路 l 三态输出门是在普通门电路的基础上增加控制电三态输出门是在普通门电路的基础上增加控制电路所形成的。路所形成的。控制端控制端EN高电平有效高电平有效 控制端控制端EN低电平有效低电平有效 4546集成电路逻辑门的参数及应用集成电路逻辑门的参数及应用l TTL 和和CMOS集成逻辑门概述集成逻辑门概述l 各种各

18、种TTL系列门电路的特性比较系列门电路的特性比较l 集成电路逻辑门的性能指标集成电路逻辑门的性能指标l TTL与与CMOS两种集成电路在混合应用时的接口两种集成电路在混合应用时的接口主要内容：主要内容：47概述概述 l 把若干个有源器件和无源器件及其连线，按照一把若干个有源器件和无源器件及其连线，按照一定的功能要求，制作在一块半导体基片上，这样定的功能要求，制作在一块半导体基片上，这样的产品叫的产品叫集成电路集成电路。l 最简单的数字集成电路是最简单的数字集成电路是集成逻辑门集成逻辑门。 l 集成电路的优点：如体积小、耗电省、重量轻、集成电路的优点：如体积小、耗电省、重量轻、可靠性高可靠性高

19、l 数字集成电路的规模一般是根据门的数目来划分数字集成电路的规模一般是根据门的数目来划分的的 ：有：有SSI ，MSI ，LSI ，VLSI 等。等。l 集成电路逻辑门按照组成的有源器件可分为两大集成电路逻辑门按照组成的有源器件可分为两大类：类： TTL门门 ，MOS门，后者主要是门，后者主要是CMOS门。门。 48TTL集成电路逻辑门l TTL门电路由双极型三极管构成，其特点是门电路由双极型三极管构成，其特点是速度速度快、抗静电能力强，但其功耗较大，不适宜做成快、抗静电能力强，但其功耗较大，不适宜做成大规模集成电路。大规模集成电路。 l TTL门电路有门电路有74（民用）和（民用）和54（军

20、用）两大系列，（军用）两大系列，每个系列中又有若干子系列。每个系列中又有若干子系列。图2-37 7400引脚配置及DIP封装外形图引脚及封装引脚及封装 P38 封装形式：双列直插和表面贴装封装形式：双列直插和表面贴装 4954系列与74系列的比较：TTL系列速度及功耗的比较: 50CMOS集成电路逻辑门l CMOS集成门电路由场效应管构成，它的特点是集成门电路由场效应管构成，它的特点是集成度高、集成度高、功耗低，但速度较慢、抗静电能力差。功耗低，但速度较慢、抗静电能力差。 l 同同TTL门电路一样，门电路一样，CMOS门电路也有门电路也有74和和54两大系列。两大系列。 l 74系列系列5V

21、CMOS门电路的基本子系列如下：门电路的基本子系列如下：u74HC和和74HCT：高速：高速CMOS（High-speed CMOS），），T表示和表示和TTL直接兼容。直接兼容。u74AC和和74ACT：先进：先进CMOS（Advanced CMOS），它们提供了比），它们提供了比TTL系列更高的速度和更低的功耗。系列更高的速度和更低的功耗。u74AHC和和AHCT：先进高速：先进高速CMOS（Advanced High-speed CMOS）。）。l 74系列系列3.3V CMOS门电路的基本子系列如下：门电路的基本子系列如下：u74LVC：低压：低压CMOS（Lower-voltage

22、CMOS）。）。u74ALVC：先进低压：先进低压CMOS（Advanced Lower-voltage CMOS）。）。51集成电路门的性能参数l 数字集成电路的性能参数主要包括：数字集成电路的性能参数主要包括：u直流电源电压直流电源电压u输入输入 / 输出逻辑电平输出逻辑电平u输入输入 / 输出电流输出电流u扇出系数扇出系数u传输延时传输延时u功耗功耗 52l 标准标准TTL门的输入门的输入 / 输出逻辑电平输出逻辑电平 :Unallowed53l 传输延迟时间传输延迟时间tpdl tPHL和和tPLH的定义的定义 :1()2pdPHLPLHttt54扇入和扇出系数扇入和扇出系数l “拉电

23、流拉电流”工作状态工作状态 :（相对驱动门来说的（相对驱动门来说的)l “灌电流灌电流”工作状态工作状态: l 扇入系数扇入系数：指一个门电路所能允许的输入端个数。：指一个门电路所能允许的输入端个数。l 扇出系数扇出系数：一个门电路所能驱动的同类门电路输：一个门电路所能驱动的同类门电路输入端的最大数目。入端的最大数目。 l 扇出系数的计算公式为：扇出系数的计算公式为：OHOLIHILIIII扇出系数或55TTL与CMOS集成电路的接口*TTL门与门与CMOS门的连接条件门的连接条件 表2-13 TTL门与CMOS门的连接条件驱动门负载门VOH(min)VIH(min)VOL(max)VIL(m

24、ax)IOHIIHIOLIIL56TTL与CMOS集成电路的接口*（续）TTL门与门与CMOS门连接的原则门连接的原则1、凡是满足、凡是满足表表2-13 的连接条件的，的连接条件的，TTL门和门和CMOS门可门可以直接连接。以直接连接。图2-41 TTL驱动门与CMOS负载门的连接2、凡是和、凡是和TTL门兼容的门兼容的CMOS门（如门（如74HCT和和74ACT系列系列CMOS门）可以和门）可以和TTL的输出端直接连接，的输出端直接连接，不必外加元器件。不必外加元器件。3、TTL门和门和CMOS门门不能直接连接的，必须外不能直接连接的，必须外接接口电路。接接口电路。例：输出加上拉电阻，提例：

25、输出加上拉电阻，提高高VO1H57接口电路（续）1） 直接驱动直接驱动 2) 加上拉电阻加上拉电阻3） 加集电极开路门加集电极开路门4） 加专用接口芯片加专用接口芯片CD4010B是具有两种是具有两种电源的电源的CMOS缓冲器缓冲器58负载驱动电路抗干扰措施1、直接驱动、直接驱动2、驱动门并联、驱动门并联*注意均流3、加功率放大电路、加功率放大电路1、多余端的处理、多余端的处理2、电源去耦滤波电路、电源去耦滤波电路3、正确接地、正确接地59译码器主要内容主要内容译码器的概念由门电路构成的三位二进制译码器 三位二进制集成译码器74LS138二-十进制集成译码器74LS42用集成译码器构成组合逻辑电路共阴极和共阳极数码显示管显示译码器74LS47、74LS48和CD451160 把具有特定含义的二进制代码“翻译”成数字或字符的过程称为译码，实现译码操作的电路称为译码器。 译码器是一个多输入，多输出的组合逻辑电路，根据功能可分为：二进制译码器、BCD码译码器和显示译码器。 译码器功能框图如下图所示： 译码器的概念61二进制译码器 二进制译码器通常有n个输入端，2n个输出端，并且每一个输出端对应一个n个输入端组成的最小项。 常见的MSI集成译码器有2线-4线、3线-8线和4线-16线