组合逻辑电路分析与设计

第2章组合逻辑电路分析与设计主要内容1主要内容集成逻辑门常用MSI组合逻辑模块组合型可编程逻辑器件组合逻辑电路分析组合逻辑电路设计组合逻辑电路的VHDL描述组合逻辑电路中的险象2逻辑电路组合逻辑电路时序逻辑电路现时的输出仅取决于现时的输入输出除与现时输入有关外还与电路原来的状态有关逻辑电路的分类：仅有逻辑门级联而成，没有反响通道功能可用真值表描述含有记忆元件3研究组合电路无非是两方面的问题:2.对逻辑功能的要求,要求设计一个电路来实现它。1.电路图,要求分析清楚它的逻辑功能。4分析步骤大致如下：列出输入输出状态的真值表表并得出结论。由给定的逻辑电路图写出逻辑关系表达式用逻辑代数或卡诺图对逻辑函数进行化简。5设计步骤大致如下：确定实际问题的逻辑含义列出真值表用逻辑代数或卡诺图对逻辑函数进行化简。写出逻辑代数式画出逻辑图62.1集成逻辑门逻辑门电路是够实现各种根本逻辑关系的电路，简称“门电路〞或逻辑元件。逻辑门：最根本的门电路是与门、或门和非门。利用与、或、非门就可以构成各种逻辑门。7集成电路的规模类型集成电路的制造技术类型集成电路的封装类型集成电路引脚编号集成电路的使用特性

8目前数字集成电路的集成度分为6类：小规模集成电路(SSI)中规模集成电路〔MSI〕大规模集成电路〔LSI〕超大规模集成电路〔VLSI〕特大规模集成电路〔ULSI〕巨大规模集成电路〔GSI〕通常用一个芯片中包含逻辑门或元件的数量的多少来衡量集成电路的规模。集成电路的规模类型：9集成电路的制造技术类型：集成门按内部有源器件的不同可分为两大类：一类为双极型晶体管集成电路包括晶体管TTL逻辑〔transistor-transistorlogic〕、射极耦合逻辑ECL〔emittercoupledlogic〕和集成注入逻辑I2L〔integratedinjectionlogic〕等。双极型？TTL电路形式开展较早，工艺比较成熟。ECL电路速度快，但功耗大。I2L电路速度较慢，但集成密度高。参与导电的有两种载流子。另一类为单极型MOS集成电路包括NMOS、PMOS和CMOS等。常用的是TTL和CMOS集成电路。10逻辑系列：是一些集成电路芯片的集合。同一系列的芯片具有类似的输入、输出及内部电路特征，但逻辑功能不同。同一系列的芯片可以工程连接实现各种逻辑功能。不同系列的芯片那么不能随便连接，他们可能用不同的电压表示1和0。即使是同一类型的芯片〔例如，TTL〕也可能有多种逻辑系列。111.CMOS逻辑门MOS门有PMOS、NMOS和CMOS三种类型，CMOS电路又称互补MOS电路，它突出的优点是静态功耗低、抗干扰能力强、工作稳定性好、开关速度高，是性能较好且应用较广泛的一种电路。MOS〔metal-oxidesemiconductorFET〕集成逻辑门是采用MOS管作为开关元件的数字集成电路。〔1〕简介就直流电源而言，可分为＋５V和＋３.3V两类

12〔2〕CMOS器件的系列74HC系列74HCT系列4000系列高性能CMOS器件高性能CMOS器件逻辑功能与管脚排列与74系列TTL芯片相同输入输出电平与TTL电平相同，完全兼容74系列的TTL芯片最早的CMOS系列与流行的TTL系列不兼容13第1部分第2部分第3部分第4部分产品制造单位器件系列器件品种工作温度范围符号意义符号意义符号意义符号意义CCCDTC中国制造的类型美国无线电公司产品日本东芝公司产品4045145系列符号阿拉伯数字器件功能CERM0～70℃-40～85℃-55～85℃-55～125℃〔3〕CMOS器件型号组成符号及意义14

几家国外公司CMOS产品代号国别公司名称简称型号前缀美国美国无线电公司摩托罗拉公司国家半导体公司德克萨斯仪器公司RCAMOTANSCTICD××MC××CD××TP××日本东芝公司日立公司富士通公司TOSJTC××HD××MB××荷兰飞利浦公司HFE××加拿大密特尔公司MD××15〔4〕CMOS逻辑电路的特点：与TTL集成电路相比，CMOS电路具有如下特点：1、制造工艺较简单，集成度和成品率较高，本钱低。2、功耗低。3、电源电压范围宽。4、扇出系数大，驱动能力强。5、逻辑摆幅大，抗干扰能力强。16(5)CMOS集成电路使用本卷须知CMOS电路容易产生栅极击穿问题，所以要特别注意以下几点：(a)防止静电损失存放CMOS电路不能用塑料袋，要用金属将管脚短接起来或用金属盒屏蔽。工作台应当用金属材料覆盖并应良好接地。焊接时，电烙铁壳应接地。17(b)处理多余输入端CMOS电路的多余输入端不允许悬空。多余输入端应根据逻辑要求或接电源，或接地，或与其他输入端连接。18讨论题：CMOS门电路多余引脚的处理。

将2输入的CMOS逻辑门转换成CMOS反相器，其中的一个引脚多余，请分析以下4种处理方法的合理性。Z＆XZ1KΩVDD＆X1KΩZX≥1悬空ZX≥1(a)(b)(c)(d)合理合理合理不合理192.TTL逻辑门74民用系列54军用系列逻辑功能和引脚排列完全相同温度：0～70度-55～125度电压：5v5％5v10％54军用系列比74民用系列更能适应恶劣的自然环境和电气环境。〔1〕TTL逻辑系列2074系列中的子系列：74LS子系列在功耗和速度上表现较好，是应用最广泛的TTL器件。不会对静电放电非常敏感。通常由５V直流电源供电。21〔2〕TTL与CMOS的比较电源电压：典型TTL〔＋5V〕，CMOS〔3～18V〕输出高电平：TTL〔3.6V〕，CMOS〔VDD－0.1〕抗干扰能力：CMOS更好静态功耗：CMOS的静态功耗很低输出低电平：TTL〔0.3V〕，CMOS〔0〕工作速度：TTL已优势不大22第1部分第2部分第3部分第4部分第5部分型号前级工作温度符号范围器件系列器件品种封装形式符号意义符号意义符号意义符号意义符号意义CTSN中国制造的TTL类美国TEXAS公司5474-55～+125V

0～+70℃

HSLSASALSFAS标准高速肖特基低功能肖特基先进肖特基先进低功能肖特基快捷肖特基阿拉伯数字器件功能WBFDPJ陶瓷扁平封装扁平全密封扁平陶瓷双列直播塑料双列直播黑陶瓷双列直播〔3〕TTL器件型号组成的符号及意义23〔4〕TTL集成门电路使用本卷须知(a)电源电压应满足在标准值5V+10%的范围内。(b)TTL电路的输出端所接负载，不能超过规定的扇出系数。(c)多余输入端的处理。243.ECL逻辑门高速逻辑电路系列。ECL的根本逻辑门是“或/或非门〞。早期ECL电路使用的单一负电源供电，输出低电平为-1.8v，高电平为-0.8v，该电平与TTL和CMOS器件的逻辑电平不兼容。新型ECL电路既可以采用5v、也可以采用-5v供电，方便了不同系列逻辑器件的互联。强调高速度的ECL系列存在高功耗的缺点。ECL逻辑门的“或〞输出端具有“线与〞功能、“或非〞输出端具有“线或〞功能。25集成电路的封装类型：集成电路封装形式取决于它们装配在印制电路板上的方式，通常分为两大类：插孔装配：如DIP双列直插式26平面装配：27IC芯片的引脚序号是依次半圆缺口〔小点，凹槽〕为参考点定位的，缺口左下边的第一个引脚编号为1，IC引脚编号按逆时针方向增加。集成电路引脚编号：28集成电路的使用特性逻辑电平噪声容限输出驱动能力〔负载能力〕功耗特性延迟特性不同系列逻辑门的性能比较29输入低电平VIL：VOFF关门电平:输入为低电平时的最高输入电压。一个范围，当输入电平在该范围内时，被识别为低电平。输入高电平VIH：VON开门电平:输入为高电平时的最低输入电压。一个范围，当输入电平在该范围内时，被识别为高电平。1.逻辑电平30输出低电平VOL：VOLMAX:输出为低电平时的最高输出电压。一个范围，当输出为低电平时，输出电压的范围。输出高电平VOH：VOHMIN:输出为低高平时的最低输出电压。一个范围，当输出为高电平时，输出电压的范围。31VNH=VOHMIN－VON

2.噪声容限低电平输入时的噪声容限：VNL=VOFF－VOLMAX高电平输入时的噪声容限：TTL逻辑电路的噪声容限为0.3~0.4V；而CMOS逻辑电路的噪声容限超过1V。323.输出驱动能力负载能力：一个逻辑门的输出端所能连接的下一级逻辑门输入端的节点个数，称为该逻辑门的扇出系数，或负载能力。33扇出系数：逻辑电路在正常工作条件下，一个输出端可以同时驱动同系列逻辑电路输入端数目的最大值。要求：前级门在输出高、低电平时，要满足其输出电流IOH和IOL均大于或等于后级门的输入电流的总和。计算：①输出为高电平时，可以驱动同类门的数目N1；②输出为低电平时，可以驱动同类门的数目N2；③扇出系数＝min〔N1，N2〕。344.功耗特性集成电路的功耗和集成度密切相关。功耗大的器件集成度不能很高，否那么，器件因无法散热而容易烧毁。静态功耗：电路的输出状态不变时的功率损耗。动态功耗：电路状态变化时产生的功耗。低速电路的功耗以静态功耗为主；高速电路的功耗以动态功耗为主。355.时延时延tpd，就是从输入信号到达电路输入端，到相应的输出信号出现在电路输出端之间所需要的时间。上升时延tpLH：下降时延tpHL：平均时延tpd：输出信号由低电平变为高电平的时延。输出信号由高电平变为低电平的时延。36平均传输延迟时间是反映门电路工作速度的一个重要参数。以与非门为例，在输入端加上一个正方波，那么需经过一定的时间间隔才能从输出端得到一个负方波。TTL高速8~15nsTTL超高速<8nsCMOS高速74HC9ns376．不同系列逻辑门的性能比较382.1.3逻辑电路的其它输入、输出结构为了满足应用的需求，设计者以多种方式对根本逻辑电路结构进行了修改。392.1.3逻辑电路的其它输入、输出结构为了满足应用的需求，设计者以多种方式对根本逻辑电路结构进行了修改。1.施密特触发器输入典型逻辑门对输入电压在阈值电压附近的波动敏感，容易造成输出错误。施密特触发器输入结构可以用来克服输入电压的波动。施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路。40施密特触发器工作波形及符号：P32841施密特触发器输入结构是一种独立于器件工艺和逻辑功能的输入抗干扰结构，许多系列的TTL和CMOS逻辑电路芯片都带有施密特触发器输入结构。输入有噪声的非门输出实例:422.三态输出结构三态输出：逻辑电路的输出端不仅可以输出0和1，还可以呈现高阻抗状态。具有三态输出结构的非门的逻辑符号和真值表：三态输出是一种独立于电路逻辑功能的输出结构，

不同逻辑功能的电路，可以根据需要设置三态输出端。43三态总线结构：将多个三态输出端接在一起就构成了三态总线。任何时刻只有一个使能端为高电平。可以实现“数据选择〞的功能。44双向传输结构：45

3.漏极〔集电极〕开路输出结构使用漏极开路门时，必须在输出端Z外接一个负载电阻RL，上拉到一个正电源VCC。改变上拉电源，可以改变输出电平，使之适用于逻辑电平不同的器件系列的互联。多个漏极开路逻辑门的输出端可以直接连在一起，实现所谓的“线与逻辑〞。TTL系列也有类似的结构，集电极开路输出结构，可以实现“线与逻辑〞46

4.CMOS模拟信号传输门结构当使能信号EN=1时，MOS管导通，A、B之间呈现低阻通道,模拟信号〔或数字信号〕可以沿任意方向传输〔A→B或B→A〕。当使能信号EN=0时，MOS管截止，沟道消失