电子技术基础(第二版)第5章

第5章逻辑门与组合逻辑电路5.1基本逻辑门电路5.2组合逻辑电路的分析与设计5.3常用的组合逻辑电路器件

门电路是构成组合逻辑电路的基本单元，学习中注意理解各种基本逻辑门的工作原理和逻辑功能；熟悉组合逻辑电路的几种描述方法；掌握组合逻辑电路的分析步骤和方法；了解各类常用的中规模集成逻辑部件的功能、工作原理及应用。

学习目的与要求5.1基本逻辑门电路1.基本逻辑门

最基本的逻辑关系只有三种，就是我们在第4章向大家介绍的与逻辑、或逻辑和非逻辑。能够实现上述逻辑关系的基本逻辑门相应为与门、或门和非门。

（1）与门

当门电路用二极管、晶体管和电阻等分立元件构成时，称为分立元件门电路。目前电子工业的飞速发展和集成电路的日新月异，分立元件门电路几乎都被集成门电路所取代。但是，为了更好地理解和掌握基本逻辑门电路的工作原理和逻辑功能，我们仍用分立元件的门电路剖析基本逻辑门的电路组成及逻辑功能。

D1AD2B＋UCCRF“与”门电路

一个“与”门的输入端至少为两个，输出端只有一个。①输入中只要有一个为低电平0时，该低电平二极管就会迅速导通，输出F将被钳位到低电平0；其余为高电平的输入端，其端子上串接的二极管呈截止态。②输入全部为高电平3V时，输入端上串接的二极管同时导通，输出F被钳位在高电平“1”。“与”门逻辑电路图符号F

&AB注意：分析过程中与门电路输入端上串接的二极管，都是按理想二极管处理的，即导通后管压降为0V(实际硅管0.7V，锗管0.3V)。0V3V0.3V反偏截止！3V3V3V（2）“或”门D1AD2B－UCCRF“或”门电路

一个“或”门的输入端也是至少为两个，其输出端只有一个。①输入中只要有一个为高电平3V时，串接其上的二极管则迅速导通，输出F将被钳位到高电平1；其余为低电平的输入端，其端子上串接的二极管呈截止态。②输入全部为低电平0时，输入端上串接的二极管同时导通，输出F被钳位在低电平“0”。“或”门逻辑电路图符号F

≥1AB注意：电路中二极管的极性画法和与门电路的区别，所有管子都是按照理想二极管处理的。3V0V3V反偏截止！0V0V0.3V（3）“非”门TRC－UBB+UCCRB1RB2AF“非”门电路

输入变量A为高电平3V时，三极管饱和导通，ICRC≈+UCC，因此输出F为低电平0.3V；

当输入变量A为低电平0V时，三极管截止，输出F≈+UCC，显然为高电平+UCC。3V0.3V饱和导通0V+UCC截止不通

由图可看出，一个“非”门的输入端只有一个，输出端也只有一个。“非”门逻辑路图符号F

1A非符号2.复合门电路

为提高二极管和晶体管的应用范围，常把与门、或门和非门按照一定形式组合起来，构成各种复合门电路。（1）“与非”门显然，与非门电路的逻辑功能为：有0出1；全1出0与非门真值表F

&AB

1F一个与门和一个非门构成与非门与门非门F

&AB与非门的逻辑电路图符号BAF001101011110与非门的逻辑函数式为（2）“或非”门显然，或非门电路的逻辑功能为：有1出0；全0出1或非门真值表F

≥1AB

1F一个或门和一个非门构成或非门或门非门F

≥1AB或非门的逻辑电路图符号BAF001100010110或非门的逻辑函数式为：（3）“与或非”门逻辑功能：与门中只要有1个输出为1，F即为0；两个与门输出均为0时，F全为1。F1

& AB两个与门、一个或门和一个非门构成与或非门与门非门与或非门的逻辑电路图符号F2

& CD与门或门

&

ABF

≥1

&

CDF3

≥1

1F或非门的逻辑函数式为：（4）“异或”门F

=1AB异或门图符号F

=1AB

异或门是一个只有两输入、一输出的逻辑门电路。

由异或门真值表可看出，其逻辑功能可描述为：相同出0，相异出1。同或门图符号

显然，同或门是异或门的非。其逻辑功能：相同出1，相异出0。异或门真值表BAF000101011110（5）“同或”门同或门真值表BAF001100010111异或门逻辑式同或门逻辑表达式A

☉

B3.集成门电路

把电路中的半导体器件、电阻、电容及导线制作在一块半导体基片上，并封装在一个壳体内所构成的完整电路称为集成电路，简称IC。常见的数字集成电路通常为右图所示双列直插式集成组件。

集成芯片就象确定了输入和输出的“黑盒子”，其核心可能是非常复杂的电路。对使用者而言，只要掌握查阅器件资料的方法，了解其逻辑功能并正确使用即可。集成逻辑门是最基本的数字集成电路，是组成数字逻辑的基础，学好它，对于掌握数字电子技术极为重要。需要注意的是：几乎所有集成电路芯片的电源端和“地”端通常并不标在原理图中，但连线时，电源和地是驱动，必不可少。（1）TTL集成电路

逻辑电路的输入端和输出端都采用了半导体晶体管，称之为Transistor-Transistor-Logic(晶体管-晶体管-逻辑电路)，简称为TTL，TTL集成逻辑门是目前应用最广泛的集成电路。3.6V0.3VR4R3R5R2R1ABC3kΩ+UCC750Ω100Ω300Ω3kΩ5VFT1T2T3T4T5(U0)(Ui)1）TTL与非门输入级中间级输出级TTL与非门内部电路组成结构图R4R3R5R2R1ABC3kΩ+UCC750Ω100Ω300Ω3kΩ5VFT1T2T3T4T5(U0)(Ui)

输入级由多发射极晶体管T1和电阻R1组成。所谓多发射极晶体管，可看作由多个晶体管的集电极和基极分别并接在一起，而发射极作为逻辑门的输入端。多个发射极的发射结可看作是多个钳位二极管，其作用是限制输入端可能出现的负极性干扰脉冲。Tl的引入，不但加快了晶体管T2储存电荷的消散，提高了TTL与非门的工作速度，而且实现“与”逻辑作用。R4R3R5R2R1ABC3kΩ+UCC750Ω100Ω300Ω3kΩ5VFT1T2T3T4T5(U0)(Ui)

中间级由电阻R2，R3和三极管T2组成。中间级又称为倒相极，其作用是从T2的集电极和发射极同时输出两个相位相反的信号，作为输出极里的三极管T3和T5的驱动信号，同时控制输出级的T4、T5管工作在截然相反的两个状态，以满足输出级互补工作的要求。三极管T2还可将前级电流放大以供给T5足够的基极电流。R4R3R5R2R1ABC3kΩ+UCC750Ω100Ω300Ω3kΩ5VFT1T2T3T4T5(U0)(Ui)

输出级由晶体管T3、T4和T5，电阻R4和R5组成推拉式的互补输出电路。T5导通时T4截止，T5截止时T4导通。由于采用了推挽输出(又称图腾输出)，该电路不仅增强了带负载能力，还提高了工作速度。工作原理R4R3R5R2R1ABC3kΩ+UCC750Ω100Ω300Ω3kΩ5VFT1T2T3T4T5(U0)(Ui)①输入端至少有一个为低电平时的工作情况：0.3V3.6V3.6V3.6V0.3V低电平对应的PN结导通，T1的基极电位被固定在0.3+0.7=1V上。1V1.4V5V显然T1的集电结反偏，导致T2、T5截止。T2截止时的集电极电位：V2C≈UCC=5V深度饱和T2管集电极+5V的电位足以使T3、T4导通并处于深度饱和状态。因R2和IB3都很小，均可忽略不计，所以与非门输出端F点的电位：VF＝UCC－IB3R2－UBE3－UBE4≈5－0－0.7－0.7≈3.6V3.6V实现了有0出1的与非功能②输入端全部为高电平时的工作情况：R4R3R5R2R1ABC3kΩ+UCC750Ω100Ω300Ω3kΩ5VFT1T2T3T4T5(U0)(Ui)3.6V3.6V3.6V3.6V0.3V由“地”经T2、T5管的发射结电位升至1.4V，经T1集电结升为2.1V。2.1V1.4V显然T1处于倒置工作状态，此时集电结做为发射结使用。倒置情况下，T1可向T2基极提供较大电流。深度饱和T2管深度饱和后，其发射极电流在电阻R3上产生的压降又为T5管提供足够的基极电流使T5管饱和导通，从而使与非门输出F点的电位等于T5管的饱和输出典型值：F=0.3V0.3V实现了全1出0的与非功能深度饱和②UOL是被测与非门一输入端接1.8伏、其余输入端开路、负载接380欧的等效电阻时，输出端的电压值。典型值0.3VTTL与非门的外特性和主要参数U0HUILU0LUIHABCDEu0/Vui/V1231234TTL与非门参数的测试要在一定条件下进行，一般要遵守的原则有：不用的输入端应悬空(悬空端子为高电平“1”)；输出高电平时不带负载；输出低电平时输出端应接规定的灌电流负载。TTL与非门外特性TTL与非门主要参数输出高电平①U0H是被测TTL与非门一个输入端接地、其余输入端开路时的输出端电压值。典型值3.6V③关门电平UOFF：输出为0.9UOH时，所对应的输入电压称为关门电平UOFF。典型值为1V④开门电平UON：输出为0.35V时，所对应的输入电压称为开门电平UON。典型值为1.4V

。其余参数看课本。UON输出低电平UOFF关门电平开门电平2）集电极开路的TTL与非门(OC门)

去掉普通TTL与非门中的T3、T4管，让T5管的集电极开路，即构成集电极开路的“与非”门。R5T3T4R4R1ABCR2+5VT1T2R3T5F(U0)(Ui)RC+UCOC门在使用时要外接一个电源UC和一个电阻RCOC门的特点是输出门T5的集电极开路。R1ABR2+5VT1T2R3T5FRC+UC当OC门输入全为高时，T2和T5导通饱和，输出F为低电平0.3V0.3VOC门输入有一个为低时，T2、T5截止，输出F为高电平UC

UC

OC门同样可实现与非功能OC门的逻辑电路图符号ABF&OC门可实现“线与”逻辑ABF1&CDF2&F“线与”逻辑功能RC＋UC还能实现“与或非”逻辑运算左图所示即利用OC门使输出转换为12V的电路

上述分析可知，OC门具有“线与”功能，并且在线与的过程中实现了输出对输入的与或非逻辑运算。OC门还可用于数字系统接口部分的电平转换。ABF&RC＋12VOC门还可以用来驱动指示灯、继电器等，如左图所示电路。ABF&＋UC

三态门与普通TTL与非门相比，只是多出了一个电阻和两个二极管。

三态门控制端EN=1时，二极管D2截止，相当于控制端放弃控制权，此时三态门相当于一个普通与非门，输出由输入端A、B决定。三态门电路分析

三态门控制端EN=0(有效态)时，控制端行使控制权，此时T1饱和，其基极电位约为1V，使T2、T5截止，同时D2导通使T3、T4也截止。这时从外往输入端看进去，电路呈现高阻态。

由于电路在EN=1时输出有高、低电平两种状态；在EN=0时输出为高阻态，共呈三种状态，因此称为三态门。D2R5T3T4R4R1ABR2+UCCT1T2R3T5FENRD13）三态门三态门真值表BAF011101011110EN1110×高阻态0×三态门逻辑图符号ABE/DFEN&利用三态门可以实现总线结构总线（BUS）D1&EN……&EN&END2DnE/DnE/D1E/D2L1L2Ln

图示为三态门总线结构图。用一根总线轮流传送几个不同的数据或控制信号时，让连接在总线上的所有三态门控制端轮流处于高电平，任何时间只能有一个三态门处工作状态，其余三态门均为高阻状态。这样，总线将轮流接受来自各个三态门的输出信号。这种利用总线来传送数据或信号的方法广泛应用于计算机技术中。两种常用的TTL与非门集成电路芯片管脚排列图(a)74LS00与非门芯片管脚排列图

电源

1234567

&

&

&

&

1413

12

11

10

9

8

地

&

&

1234567

14

13

12

11

10

9

8

电源

地(b)74LS20与非门芯片管脚排列图

型号中74是指标准型系列TTL芯片；L指低功耗；S表示肖特基。其中74LS00中包含四个2输入的与非门；74LS20包括两个4输入的与非门。芯片中的电源线和“地”线均为公用。4、具有图腾结构的几个TTL与非门输出端不能并联；

输出高电平UOH(3.6V)、输出低电平

UOL(0.3V)，关门电平UOFF(1V)，开门电电平UON(1.4V)，输入高电平噪声容限UNL=UOFF－UIL，输入低电平电流IIL(1.4mA)，扇出系数NO(NO越大带负载能力越强)等。4）TTL与非门使用时需注意的事项1、不用的管脚可以悬空，不可以接地；2、不用的管脚可以接高电平，不可以接低电平；5、输出端接容性负载时，应接大电阻(≥2.7k)限流；3、几个输入端引脚可以并联连接；6、TTL集成电路的电源电压应满足±5V要求，输入信号电平应在0~5V之间。注意TTL与非门的主要参数？7、用45W以下电铬铁焊接，最好用中性焊剂，设备应良好接地。试述图腾结构的TTL与非门和OC门的主要区别是什么

？

三态门和普通TTL与非门有什么不同？主要应用在什么场合

？

TTL与非门如有多余输入端能不能与“地”相接？TTL或非门如有多余输入端能不能与5V电源相接或悬空？

思考与问题何谓“线与”？哪一种逻辑门能实现“线与”逻辑？

试通过实验记录。用内阻为20KΩ/V的万用表测量74LS00集成芯片中的一个门，在下列各种情况下：（1）其它输入端悬空；（2）其它输入端接5V电源；（3）其它输入端有一个接地；（4）其它输入端有一个接0.3V。测量门上一个悬空输入端的电压，测量值各为多少V？（2）CMOS集成电路1）CMOS反相器工作原理

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，电源电压UDD必须大于两管开启电压的绝对值之和。①ui＝0V时，T1截止，T2导通。输出电压u0＝UDD，高电平；②ui＝UDD时，T1导通，T2截止。输出电压u0＝0V，低电平。载管为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。T1工作管为N沟道增强型MOS管，T2负实现了见0出1、见1出0的非门功能！2）CMOS传输门和模拟开关工作原理

设高电平为10V，低电平为0V，电源电压为10V。开启电压为3V。①在CP＝“1”时，若输入电压为0V~7V，则TN管的栅源电压不低于3V，因此TN管导通；若输入电压为3V~10V，则TP管导通。即在输入电压为0V~10V的范围内，至少有一个管子是导通的，即u0=ui。此时传输门相当于接通的模拟开关。②当CP=“0”时，无论输入电压ui在0~10V之间如何变化，栅极和源极之间的电压都无法满足管子导通沟道产生的条件，因此两管都截止，输入信号不能传输到输出端，称传输门关断。此时相当于模拟开关断开。传输门在数字电路中起开关作用，所以也称作模拟开关。CMOS门电路的特点及注意事项⑧CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。①CMOS电路的工作速度比TTL电路低；②CMOS电路的带负载能力没有TTL电路强；④CMOS电路的抗干扰能力强；③CMOS电路的集成度比TTL电路的集成度高；注意⑤CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。门电路的功耗只有几个μW，中规模集成电路的功耗也不会超过100μW。⑥CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在3~18V；⑦CMOS电路适合于特殊环境下工作；CMOS集成电路虽然出现较晚，但发展很快，更便于向大规模集成电路发展。其主要缺点是工作速度较低。F=ABC是三输入的与门；G是非门(略)。

TTL门的逻辑高电平约为3.6V；低电平约为0.3V。CMOS门的逻辑高电平约为5~10V,低电平约为0~0.4V.使用时特别要注意CMOS门芯片不用的输入端不能悬空！其他注意事项可参看课本。TTL门和CMOS门的逻辑高电平和逻辑低电平大约为多少？使用时两类门各要注意些什么？两个TTL与非门的输出端可以直接连接吗？为什么？三态门与普通TTL与非门相比有什么不同？三态门主要应用于什么场合？

普通与非门只有高电平和低电平两种状态，三态门除了这两种状态还有高阻态。三态门主要应用于总线传送，它可进行单向数据传送，也可以进行双向数据传送。

不能直接相连！因为当输出端连在一起时，若各门的输出电平不同，则会有一个很大的电流由输出为高电平的门流向输出为低电平的门，从而将门电路烧毁。逻辑函数F=ABC和G=A各为何门？画出它们的逻辑图符号和写出其真值表.思考与问题CMOS传输门的主要用途是什么？

CMOS集成电路具有什么特点？和TTL集成电路相比较有哪些不足？

为什么说CMOS集成电路比TTL集成电路的静态功耗低？抗干扰能力强？

为什么CMOS门电路闲置的输入端不允许悬空处理？

检验学习结果如将CMOS与非门、或非门和异或门作反相器使用，输入端应如何连接？

CMOS反相器、CMOS漏极开路的OD门和CMOS三态门，它们的输出端可以并联使用吗？为什么？

5.2组合逻辑电路的分析与设计1.组合逻辑电路的分析

根据给定的逻辑电路，找出其输出信号和输入信号之间的逻辑关系，确定电路逻辑功能的过程叫做组合逻辑电路的分析。组合逻辑电路的一般分析步骤为：①根据已知逻辑电路图用逐级递推法写出对应的逻辑函数表达式；②用公式法或卡诺图法对已写出的逻辑函数式进行化简，得到最简逻辑表达式；③根据最简逻辑表达式，列出相应的逻辑电路真值表；④根据真值表找出电路可实现的逻辑功能并加以说明，以理解电路的作用。

已知逻辑图写出逻辑式运用逻辑代数化简或变换列出逻辑真值表指出逻辑功能分析下图所示组合电路的功能。例FAB&&&&

1

已知逻辑电路图

2相应逻辑表达式根据逻辑图写出相应逻辑式

3化简逻辑式BAF000101011110

4列出真值表

由真值表可看出：输入AB相同时，输出为0；输入AB相异时，输出为1。显然，这是一个异或门电路，具有异或功能。

5指出逻辑功能应用代数法化简逻辑函数式…应用了反演律…还是应用了反演律…应用了分配律…应用了吸收律，得到最简形式。化简

2

3

4

5

1

当输入A、B、C中有2个或2个以上为1时，输出F就为1，否则输出F为0。若输入是裁判，输出是裁定结果，显然该电路是一个多数表决器。例分析下图所示组合电路的功能。应用了反演律写出逻辑真值表由真值表数据分析例分析下图所示组合电路的功能。

1

2

3应用了反演律