数字电路与逻辑设计—第2章逻辑门

1、第第2章章 逻辑门逻辑门本章内容本章内容2q2.1布尔逻辑q2.2逻辑门的描述q2.3逻辑门的电路实现q2.4集成逻辑门2.1 布尔逻辑布尔逻辑一位二进制加法的进位、和与加数的关系一位二进制加法的进位、和与加数的关系4X1X0Y1Y00000010110011110二值逻辑运算二值逻辑运算5运算运算公式公式非非真 = 假假 = 真与与假假 = 假假真 = 假真假 = 假真真 = 真或或假假 = 假假真 = 真真假 = 真真真 = 真运算运算公式公式非非0 = 11 = 0与与0 0 = 00 1 = 01 0 = 01 1 = 1或或0 + 0 = 00 + 1 = 11 + 0 = 11 +

2、 1 = 1运算运算公式公式异或异或0 0 = 00 1 = 11 0 = 11 1 = 0同或同或0 0 = 10 1 = 01 0 = 01 1 = 1命题命题逻辑逻辑运算运算异或异或和同和同或的或的逻辑逻辑运算运算基本基本逻辑逻辑运算运算公式公式2.2 逻辑门的描述逻辑门的描述与门与门q代数式 F=ABq真值表q逻辑图q波形图7ABF000010100111或门或门q代数式 F=A+Bq真值表q逻辑图q波形图8ABF000011101111非门非门q代数式 F=Aq真值表q逻辑图q波形图9AF0110逻辑运算的基本定律逻辑运算的基本定律名称名称公式公式1公式公式201律A+1=1A0=0

3、自等律A+0=AA1=A重叠律A+A=AAA=A互补律A+A=1AA=0交换律A+B=B+AAB=BA结合律(A+B)+C=A+(B+C)(AB)C=A(BC)分配律A+BC=(A+B)(A+C)A(B+C)=AB+AC反演律(德摩根定理) A+B=ABAB=A+B还原律A=A10与非门与非门q代数式 F=ABq真值表q逻辑图q波形图11ABF001011101110或非门或非门q代数式 F=A+Bq真值表q逻辑图q波形图12ABF001010100110与或非门与或非门q代数式 F=AB+CDq逻辑图q真值表？q波形图？13异或门异或门q代数式 F=A + Bq真值表q逻辑图q波形图14AB

4、F000011101110同或门同或门q代数式 F=A Bq真值表q逻辑图q波形图15ABF001010100111异或、同或运算的基本定律异或、同或运算的基本定律名称名称公式公式1公式公式2自等律A 0=AA 1=A取补律A 1=AA 0=A互补律A A=1A A=0交换律A B=B AA B=B A结合律(A B) C=A (B C)(A B) C=A (B C)分配律A(B C)=AB ACA+(B C)=(A+B) (A+C)反演律A B=A BA B=A B调换律A B=A B=A BA B=A B=A B奇偶律A A=0，A A A=AA A=1，A A A=A162.3 逻辑门的

5、电路实现逻辑门的电路实现开关逻辑电路开关逻辑电路18ABFABFABFABF单开关单开关0110双开关串联双开关串联000010100111双开关并联双开关并联0000111011112.4 集成逻辑门集成逻辑门TTL与非门的基本原理与非门的基本原理20输入级由多发射极输入级由多发射极晶体管晶体管V1和基极电和基极电阻阻R1组成，它实现组成，它实现了输入变量了输入变量A、B、C的逻辑与运算。的逻辑与运算。中间级是放大级，由中间级是放大级，由V2、R2和和R3组成，组成，V2的集电极的集电极c2和发射极和发射极e2可以分别提供两可以分别提供两个相位相反的电压信号。个相位相反的电压信号。输出级：由

6、输出级：由V3、V4、V5和和R4、R5组成。其中组成。其中V3、V4构成复合管，构成复合管，与与V5组成推拉式输出结构。输出组成推拉式输出结构。输出阻抗低，带负载能力强。阻抗低，带负载能力强。21TTL与非门的基本原理与非门的基本原理 输入端全为高电平输入端全为高电平V1:Ub1=Ubc1+Ube2+Ube5= 0.73 = 2.1V因此输出为逻辑低电平因此输出为逻辑低电平UOL = 0.3V发射极反偏而集电极正偏，处发射极反偏而集电极正偏，处于倒置放大状态于倒置放大状态V2：饱和状态：饱和状态V3：Uc2 = Uces2 + Ube51V，使使V3导通导通，Ue3=Uc2-Ube3=1-0

7、.70.3V，使，使V4截止截止。V5：深饱和状态：深饱和状态3 .6V3 .6V2.1V0.3V3 .6V22TTL与非门的基本原理与非门的基本原理 输入端至少有一个接低电平输入端至少有一个接低电平0.3V3.6V3.6V1V3 .6VV1:A端发射极导通，端发射极导通，Ub1 = UA + Ube1 = 1V，其他发射极均因反偏而截止其他发射极均因反偏而截止 5-0.7-0.7=3.6VUb1 =1V，所以，所以V2、V5截止截止, Uc2Ucc=5V V3：微饱和状态微饱和状态 V4：放大状态放大状态电路输出高电平为：电路输出高电平为：5VUOH = Uc2 - Ube3 Ube4 23

8、 输入端全为高电平，输出输入端全为高电平，输出为低电平为低电平UoL 输入至少有一个为低电平输入至少有一个为低电平时，输出为高电平时，输出为高电平UoH由此可见，电路的输出和由此可见，电路的输出和输入之间满足与非逻辑关输入之间满足与非逻辑关系：系：FA B CV1：倒置放大状态：倒置放大状态V2：饱和状态：饱和状态V3：导通状态：导通状态V4：截止状态：截止状态V5：深饱和状态：深饱和状态V2：截止状态：截止状态V3：微饱和状态：微饱和状态V4：放大状态：放大状态V5：截止状态：截止状态TTL与非门的基本原理与非门的基本原理三态门三态门24 工作原理工作原理除具有除具有TTL“与非与非”门输出

9、逻辑门输出逻辑0、逻辑、逻辑1状态外，还有状态外，还有第三种输出状态第三种输出状态 高阻高阻状态状态Z，这时输出端相当于悬空。，这时输出端相当于悬空。非门，是三态门非门，是三态门的状态控制部分的状态控制部分EN使能端使能端六管六管TTL与非门与非门增加部分增加部分当当EN=0时，时，T4输出高电平输出高电平VC=1，D2截止，此时后面电截止，此时后面电路执行正常与非功能路执行正常与非功能F=AB。101V1V输出输出F端处于高阻状态记为端处于高阻状态记为Z。T6、T7、T9、 T10均截止均截止Z当当EN=1时，时，EN三态门三态门25_EN 0EN 1 FABFZ与非功能高阻状态_EN 1E

10、N 0 FABFZ 与非功能高阻状态使使能能端端的的两两种种控控制制方方式式低电平使能低电平使能高电平使能高电平使能三态门的逻辑符号三态门的逻辑符号ABFENABFEN三态门的应用三态门的应用q总线分时传送q双向传输26CMOS反相器反相器27 工作原理工作原理PMOSNMOS衬底与漏源间的衬底与漏源间的PN结始终处于结始终处于反偏反偏，NMOS管的衬底总是接管的衬底总是接到电路的到电路的最低电位最低电位，PMOS管的管的衬底总是接到电路的衬底总是接到电路的最高电位最高电位栅极相连栅极相连做输入端做输入端漏极相连做漏极相连做输出端输出端电源电压电源电压VDDVTN+|VTP|，VDD适适用范围

11、较大可在用范围较大可在318VVT1-NMOS的开启电压的开启电压VT2-PMOS的开启电压的开启电压1、输入为低电平、输入为低电平UIL = 0V时时UGS1UTNV1管截止；管截止；|UGS2| UTP 电路中电流近似为零电路中电流近似为零(忽略忽略V1的的截止漏电流截止漏电流)，UDD主要降落在主要降落在V1上，输出为高电平上，输出为高电平UOHUDDV2管导通管导通2、输入为高电平、输入为高电平UIH = UDD时，时，V1通通V2止，止，UDD主要降在主要降在V2上，上，输出为低电平输出为低电平UOL0V。实现逻辑实现逻辑“非非”功能功能FAUDDUIUOV1V228CMOS与非门与

12、非门二输入二输入“与非与非”门电路结构如图门电路结构如图每个输入端与一每个输入端与一 个个 NMOS管管和一个和一个PMOS管的栅极相连管的栅极相连当当A和和B为高电平时为高电平时:1两个串联的两个串联的NMOS T1、T2通通通通止止止止0101通通止止通通1止止当当A和和B至少有一个为低电至少有一个为低电平时平时:输出高电平输出高电平输出低电平输出低电平 电路实现电路实现“与非与非”逻辑功能逻辑功能FAB两 个 并 联 的两 个 并 联 的PMOS管管T3、T429CMOS传输门传输门 工作原理工作原理栅极控制电压栅极控制电压为互补信号，为互补信号，如如C=0，C=UDD当当C = 0V，

13、 C= UDD时时TN和和TP均截止，均截止，Ui由由0UDD变化时，传变化时，传输门呈现高阻状态，输门呈现高阻状态，相当于开关断开，相当于开关断开， CL上的电平保持不变，上的电平保持不变，这种状态称为传输门这种状态称为传输门保存信息保存信息当当C=UDD， C= 0V时，时，Ui在在|UTP|UDD范围范围变化时变化时TP导通导通即即Ui在在0UDD范围变范围变化时，化时，TN、TP中至少中至少有一只管子导通，使有一只管子导通，使Uo=Ui，这相当于开关，这相当于开关接通，这种状态称为接通，这种状态称为传输门传输信息传输门传输信息Ui由由0(UDD-UTN)范范围变化时围变化时TN导通导通

14、30 CMOS传输门应用传输门应用1、当、当C为低电平时，为低电平时， TN、TP截止传输门相当截止传输门相当于开关断开，传输门保于开关断开，传输门保存信息存信息2、当、当C为高电平时，为高电平时， TN、TP中至少有一只管中至少有一只管子导通，使子导通，使Uo=Ui，这，这相当于开关接通，传输相当于开关接通，传输门传输信息门传输信息由此可见传输门相当由此可见传输门相当于一个理想的开关，且是一个双向开关于一个理想的开关，且是一个双向开关逻辑符号逻辑符号输入输入输出输出门控制门控制信号信号CMOS传输门传输门用用TTL电路驱动电路驱动CMOS电路电路31TTL与CMOS之间的电平移动如果如果CM

15、OS电路的电源较高，电路的电源较高，TTL的输出端仍可接一的输出端仍可接一上拉电上拉电阻阻，但需使用集电极开路门电路。，但需使用集电极开路门电路。另一种方案是采用一个专用的另一种方案是采用一个专用的CMOS电平移动器，它由两种电平移动器，它由两种直流电源直流电源UCC和和UDD供电，电平移动器接收供电，电平移动器接收TTL电平电平(对应于对应于UCC)，而输出而输出CMOS电平电平(对应于对应于UDD)。32当当CMOS电路驱动电路驱动TTL电路时，由于电路时，由于CMOS驱动电流较小驱动电流较小(特别是输特别是输出低电平时出低电平时)，所以对，所以对TTL电路的驱动能力很有限。因此采用电路的驱动能力很有限。因此采用CMOS驱动驱动器可以提高驱动能力，也可以用三极管反相器作为接口电路，即用三极器可以提高驱动能力，也可以用三极管反相器作为接口电路，即用三极管电流放大器扩展电流驱动能力。管电流放大器扩展电流驱动能力。用用CMOS电路驱动电路驱动TTL电路电路本章小结本章小结1. 熟练掌握逻辑代数的基本定律、基本公式以及运算规则，常用逻辑门的符号。2. 熟练掌握逻辑门的描述方式3. 掌握三态门和传输门的主要特点和应用场合。33代数式真值表逻辑图波形图作业作业1. 设有三个输入变量A、B、C，试按下述逻辑问题列