数字电路与逻辑设计 第2章.pdf

第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路2.1 集成门电路集成门电路2.2 组合逻辑电路的分析和设计组合逻辑电路的分析和设计2.3 组合逻辑电路中的竞争组合逻辑电路中的竞争-冒险冒险第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路2.1 集成门电路集成门电路2.1.1 TTL门电路TTL门电路由双极型三极管构成,它的特点是速度快、抗静电能力强、集成度低、功耗大,目前广泛应用于中、小规模集成电路中TTL门电路有74（商用）和54（军用）两大系列,每个系列中又有若干子系列,例如，74系列包含如下基本子系列：第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路74:标准TTL(Standard TTL)74H:高速TTL(High speed TTL)74S:肖特基TTL(Schottky TTL)74AS:先进肖特基TTL(Advanced Schottky TTL)74LS:低功耗肖特基TTL(Low power Schottky TTL)74ALS:先进低功耗肖特基TTL(Advanced Low power Schottky TTL)第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路54系列和74系列具有相同的子系列,两个系列的参数基本相同,主要在电源电压范围和工作环境温度范围上有所不同,54系列适应的范围更大些,如表2―1所示。

不同子系列在速度、功耗等参数上有所不同TTL门电路采用5V电源供电表2―1 54系列与74系列的比较0~704.75~5.25 74 -55~+125 4.5~5.5 54 环境温度/℃电源电压/V 系列第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路2.1.2 CMOS门电路CMOS门电路由场效应管构成,它的特点是集成度高、功耗低、速度慢、抗静电能力差虽然TTL门电路由于速度快和更多类型选择而流行多年,但CMOS门电路具有功耗低、集成度高的优点,而且其速度已经获得了很大的提高,目前已可与TTL门电路相媲美因此，CMOS门电路获得了广泛的应用,特别是在大规模集成电路和微处理器中目前已经占据支配地位第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路从供电电源区分,CMOS门电路有5VCMOS门电路和3.3VCMOS门电路两种3.3VCMOS门电路是最近发展起来的,它的功耗比5VCMOS门电路低得多同TTL门电路一样,CMOS门电路也有74和54两大系列74系列5VCMOS门电路的基本子系列如下：74HC和74HCT:高速CMOS(High speed CMOS),T表示和TTL直接兼容第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路74AC和74ACT:先进CMOS(Advanced CMOS)。

74AHC和74AHCT:先进高速CMOS(Advanced High speed CMOS)74系列3.3VCMOS门电路的基本子系列如下：74LVC:低压CMOS(Low voltage CMOS)74ALVC:先进低压CMOS(Advanced Low voltage CMOS)第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路2.1.3 数字集成电路的品种类型每个系列的数字集成电路都有很多不同的品种类型,用不同的代码表示,例如:00:4路2输入与非门02:4路2输入或非门08:4路2输入与门10:3路3输入与非门20:双路4输入与非门27:3路3输入或非门32:4路2输入或门86:4路2输入异或门第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路具有相同品种类型代码的逻辑电路,不管属于哪个系列,它们的逻辑功能相同,引脚也兼容例如,7400,74LS00,74ALS00,74HC00,74AHC00都是引脚兼容的4路2输入与非门封装,引脚排列和逻辑图如图2―1所示第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路图2―1 4路2输入与非门引脚排列和逻辑图141312111098VCC(b)3.3VCMOS电路逻辑1(高电平)逻辑0(低电平)输入5 V3.5 V1.5 V0 VUIHUILUIH(min)UIL(max)逻辑1(高电平)逻辑0(低电平)输出5 V4.4 V0.33 V 0 VUOHUOLUOH(min)UOL(max)(a)逻辑1(高电平)逻辑0(低电平)输入3.3 V2 V0.8 V0 VUIHUILUIH(min)UIL(max)逻辑1(高电平)逻辑0(低电平)输出3.3 V2.4 V0.4 V0 VUOHUOLUOH(min)UOL(max)(b)第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路其中,IOH为高电平输出电流;IIH为高电平输入电流;IOL为低电平输出电流;IIL为低电平输入电流。

例如,从74LS00与非门的参数表中可以查到,IOH=0.4mA,IIH=20μA,IOL=8mA,IIL=0.4mA,因此:扇出系数= 400820200.4这说明一个74LS00与非门的输出端能够连接74LS系列门电路（不一定是与非门）最多20个的输入端,如图2―4所示第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路图2―4 74LS系列门电路的扇出系数和带负载能力(a)低电平输出时;(b)高电平输出时高速TTL系列门电路典型的传输延时 为3.3nsHCT系列CMOS门电路的传输延时为7ns;AC 系列CMOS门电路的传输延时为5ns;ALVC系列CMOS 门电路的传输延时为3ns第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路5)功耗PD逻辑电路的功耗PD定义为直流电源电压和电源平均电流的乘积一般情况下,门电路输出为低电平时的电源电流ICCL比门电路输出为高电平时的电源电流ICCH大CMOS电路的功耗较低,而且与工作频率有关(频率越高功耗越大)；TTL电路的功耗较高,基本与工作频率无关第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路2.数字集成电路的使用1)类型选择设计一个复杂的数字系统时,往往需要用到大量的门电路。

应根据各个部分的性能要求选择合适的门电 路,以使系统达到经济、稳定、可靠且性能优良在优先考虑功耗,对速度要求不高的情况下,可选用CMOS电路；当要求很高速度时,可选用ECL电路；由于TTL电路速度较高、功耗适中、使用普遍,所以在无特殊要求的情况下,可选用TTL电路表2―2给出了常用的TTL、ECL、CMOS电路的主要性能参数比较第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路表2―2 常用系列门电路主要性能参数比较强弱中抗干扰能力大小中传输延时小大中功耗CMOSECLTTL系列参数第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路2) TTL门电路和CMOS门电路的连接我们知道,TTL门电路和CMOS门电路是两种不同类型的电路,它们的参数并不完全相同因此,在一个数字系统中,如果同时使用TTL门电路和CMOS门电路,为了保证系统能够正常工作,必须考虑两者之间的连接问题,以满足下列条件:第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路驱动门负载门UOH(min)>UIH(min)UOL(max)IIHIOL>IIL第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路如果不满足上面条件,必须增加接口电路常用的方法有增加上拉电阻、采用专用接口电路、驱动门并 接等。

例如,若不满足UOH(驱动门)>UIH(负载门),则可在驱动门的输出端接上上拉电阻,如图2―5所示第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路图2―5 TTL驱动门与CMOS 负载门的连接1TTL5 VRU&CMOS第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路2.2 组合逻辑电路的分析和设计组合逻辑电路的分析和设计2.2.1 组合逻辑电路的特点逻辑电路可以分为两大类:组合逻辑电路和时序逻 辑电路组合逻辑电路是比较简单的一类逻辑电路,它 具有以下特点:(1)从电路结构上看,不存在反馈,不包含记忆元件2)从逻辑功能上看,任一时刻的输出仅仅与该时刻 的输入有关,与该时刻之前电路的状态无关组合逻辑电路的特点可用框图2―6表示第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路图2―6 组合逻辑电路框图组合逻辑电路……x1 x2xmyny1 y2第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路输入/输出表达式描述为y1=F1(x1,x2,…,xm)y2=F2(x1,x2,…,xm)…yn=Fn(x1,x2,…,xm)第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路2.2.2 组合逻辑电路的分析1.不变输入情况下组合逻辑电路的分析分析组合逻辑电路一般是根据给出的逻辑电路图,通过分析总结出它的逻辑功能。

当输入不变时,具体的步骤通常如下:（1）根据逻辑电路图,写出逻辑表达式2）利用所得到的逻辑表达式,列出真值表，画出卡诺图3）总结出电路的逻辑功能第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路表2―3 函数Z的真值表000101110 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1ZA B C第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路【例2.1】 分析图2―7所示的逻辑电路解:从逻辑图可以写出如下的逻辑表达式:利用上面的逻辑表达式,列出表2―3所示的真值表和画出图2―8所示的卡诺图从真值表可以看出,当输入变量A、B、C中有两个或两个以上为1时,输出Z为1,否则,输出Z为0此电路是一个多数表决电路ZACABBCACABBC第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路图2―7 电路的逻辑图图2―8 函数Z的卡诺图&&&&ABCZ1ABC0001111100111第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路2.脉冲输入情况下组合逻辑电路的分析在脉冲输入的情况下,组合逻辑电路的工作和不变输入时是一样的,即任一时刻电路的输出只与该时刻电路的输入有关,与其他时刻的输入无关。

在脉冲输入的情况下,不同时刻电路的输入不同时,对应的输出也可能不同对电路进行分析时,首先要将输入分成不同的时段(在每个时段里,输入的组合是不变的),再确定出每个时段电路的输出,用波形图表示电路输出和输入之间对应的逻辑关系第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路【例2.2】 画出图2―9(a)所示逻辑电路的输出波形电路的输入波形如图2―9(b)所示解:逐个画出各个门电路输出的波形,最后画出逻辑电路的输出波形,如图2―9(c)所示第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路图2―9 例2.2的波形图&(a)A BY1 &Y3C1Y2 & Y4D&ZABCD(b)Y1Y2Y3Y4Z(c)第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路【例2.3】 画出图2―10(a)所示逻辑电路的输出波形电路的输入波形如图2―10(b)所示解:从图2―10(a)可以写出电路输出的逻辑表达式如下:()()ZABDCDABD CDABCD从表达式可以得到,当A、B、C同时为0或D为1时,输出Z为1,否则,Z为0逻辑电路的输出波形如图2―10(c)所示第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路图2―10 例2.3的波形图≥1(a)A B≥1C1≥1 D≥1ZABC(b)D1 C B A＝Z(c)D＝1第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路2.2.3 组合逻辑电路的设计设计组合逻辑电路,就是要根据给定的逻辑功能要求,求出逻辑函数表达式,然后用逻辑器件去实现所得逻辑函数。

实现组合逻辑电路所用的逻辑器件可分为三 大类:基本门电路、MSI组合逻辑模块、可编程器件本节中只介绍使用基本门电路设计、实现组合逻辑电 路的方法和步骤,用MSI组合逻辑模块实现组合逻辑电路的方法在第三章中介绍,用可编程器件实现组合逻辑电路的方法将在第六章中介绍第第2章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路1.用基本门电路设计组合逻辑电路的一般步骤用基本门电路设计和实现组合逻辑电路的一般步骤。