第5章组合逻辑电路1.ppt

第5章 组合逻辑电路,5.1 逻辑关系 5.2 逻辑门电路 5.3 逻辑函数的表示及其化简 5.4 组合逻辑电路的分析与设计 5.5 常用的集成组合逻辑电路,,,,,,,《电工和电子技术》,学习要点,在具体的数字电路与分析、设计方法之间，以分析、设计方法为主 在具体的设计步骤与所依据的概念、原理之间，以概念、原理为主 在继承电路的内部工作原理和外部特性之间，以外部特性为主数字电路分为两类：组合逻辑电路和时序逻辑电路组合逻辑电路的特点是不具有记忆功能，即输出变量的状态只取决于该时刻输入变量的状态，而与电路原来的输出状态无关5.1 逻辑关系,数字电路是研究输出变量与输入变量之间的逻辑关系这种关系用逻辑函数表示，所以又将数字电路称为逻辑电路5.1.1 基本逻辑关系,与、或、非是逻辑代数中三种最基本的逻辑关系与、或、非的逻辑关系也可以称为逻辑运算或逻辑函数1. 与逻辑运算,若决定某一事件的所有条件都满足这个事件才发生，这种逻辑关系称为与逻辑关系或称与运算右图中，只有开关A和开关B同时闭合时（条件），灯Y才亮（结果）可见灯亮事件与开关A、B的关系是与逻辑关系设开关闭合用“1”表示，断开用“0”表示；灯亮用“1”表示，灯暗用“0”表示，则与逻辑关系的表达式为 Y=A·B。

此式表示输出Y与输入 A、B之间为与运算，也称逻辑乘表示逻辑关系的状态表称为真值表,2. 或逻辑运算,若决定某一事件的各个条件中，只要有一个满足，这个事件就发生，这种逻辑关系称为或逻辑关系，也称或运算右图中，当开关A闭合、开关B闭合，或开关A、B均闭合，都使灯亮的事件发生灯亮与开关的关系为或逻辑关系，可用逻辑表达式 Y = A+B表示，输出Y与输入A、B之间为或运算，也称逻辑加3. 非运算,上述两种基本运算也可以推广到多输入变量的情况，例如：Y = A BCD，Y = A+B+C等等若某事件的发生，取决于条件的否定，即条件满足事件不发生，条件不满足事件发生这种逻辑关系称为逻辑非右图中，当开关A闭合时灯灭，而开关A打开时灯亮非逻辑关系的表达式可写为,,,,,5.1.2 复合逻辑关系,任何复杂的逻辑关系都可由三种基本逻辑关系组合而成，常用的逻辑关系有与非、或非、与或非、异或、同或等等表9.1.4 常用逻辑关系及其门电路符号,,,,,续表,,,,,5.2 逻辑门电路,实现某种逻辑运算的电路称为门电路 门电路有很多不同的种类按使用元器件可分为二极管-晶体管逻辑（DTL）门电路、晶体管-晶体管逻辑（TTL）门电路和互补型绝缘栅场效应管（CMOS）门电路。

按功能可分为与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门等；按制造方法可分为分立元件门电路和集成门电路分析逻辑电路时只用两种相反的工作状态，并用1或0表示正逻辑系统 ：高电平用1表示，低电平用0表示负逻辑系统 ：高电平用0表示，低电平用1表示本书中使用通常惯用的正逻辑结论：A、B两个输入端中，至少有一个为0（低电平）时，输出端Y = 0输入端A、B均为1（高电平）时，输出才是Y = 1因而实现了与门的“有0出0，全1出1”的逻辑功能1. 与门的工作原理,,2. 或门的工作原理,结论： A、B两个输入端中至少有一个为1时，输出Y = 1A、B均为0时，Y = 0从而实现了或门“有1出1，全0出0”的逻辑功能，,,,,,3. 非门的工作原理,下图是三极管非门（反相器）当VA=3V时，T饱和导通，VY=UCES = 0.3V，即Y=0；,当VA= 0V时，T截止，IB、IC均为零，输出为高电平，二极管D导通，将输出钳位在VY =3.3V，即Y=1T,,,,4. 与非门的工作原理,下图是由二极管与门和三极管非门组成的与非门电路，图中虚线左边为与门，右边为非门电容C的作用是，改善波形的前、后沿使其更加陡峭。

输出Y与输入A、B、C的逻辑关系为,,,,,5.2.2 TTL集成门电路,目前国产的TTL电路共有五个系列：T1000、CT2000、CT3000、CT4000和CT000，CT000又分为中速系列和高速系列CT1000系列是标准TTL系列，相当于国际SN54/74系列 CT2000系列是高速TTL系列，相当于国际SN54H/74H系列这两个系列都是采用晶体管过驱动基极电流，以使晶体管工作于深度饱和区，从而增加了电路从饱和到截止的时间，延长了平均延迟时间tpdCT3000系列是肖特基TTL系列，相当于国际SN54S/74S系列 CT4000系列是低功耗肖特基TTL系列，相当于国际SN54LS/74LS系列5V,A B C,T1,R1,R2,T2,T3,T4,T5,R3,R5,R4,,Y,T1等效电路,,,,,,,,,多发射极晶体管,,,,TTL与非门由5个晶体管和5个电阻构成T1为多发射极晶体管，在电路中起着与门的作用B1,C1,,,,,5.2.2.1 TTL与非门,1. TTL与非门的工作原理,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,+5V,A B C,T1,R1,R2,T2,T3,T4,T5,R3,R5,R4,,Y,,,,,,,RL,,拉电流,,,,,,VB1=1V,uY=3.6V,,,•,,,,,,,,(1)“有0出1”的分析,,当输入端至少有一个0时，设: VA= 0.3V ，PN结导通电压为0.7V， 则T1基极 电位VB1= 0.3+0.7= 1V,VY= UCC– IB3R2–UBE3 – UBE4  5– 0.7– 0.7= 3.6V,T2 、T5 截止,,T3、 T4导通,,即输出Y= 1,B1,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,+5V,A B C,T1,R1,R2,T2,T3,T4,T5,R3,R5,R4,,Y,,灌电流,,,,,,,,,,,,VB1=2.1V,VC2=1V,uY=0.3V,,,,,,,,,,,(2)“全1出0”的分析,,,,当输入端全接高电平时，设 VA=VB=VC=3.6V ，只要VB1 =2.1V，即可满足T2 、T5导通的条件，故T2 、T5饱和导通。

因此VY=0.3V,即输出Y=0在T1管基极，VB1被钳位在2.1V，所以T1的三个发射结均截止T2的集电极电位VC2 = UCE2 +UBE5 = 0.3 + 0.7 = 1V,,,,,使T3导通，T4截止，与电源UCC断开若负载是其它门电路，此时负载门的电流全部流入T5的集电极，这种电流称为灌电流由以上分析可知： 当输入端A、B、C均为高电平时，输出端Y为低电平当输入端A、B、C中只要有一个为低电平，输出端Y就为高电平,正好符合与非逻辑关系2. 电压传输特性,与非门输入电压与输出电压的关系用电压传输特性来描述，即 Uo = f（Ui）,它表示输入由低电平变化至高电平时，输出电平的相应变化Uo,Ui,UOH,UOL,0,a,b,c,d,TTL与非门的电压传输特性,在特性曲线上，当输入电压Ui从零逐渐增大时，如图中的ab段，T5处于截止状态，输出电压Uo保持不变为UOH当Ui增加到某一数值时，Uo逐渐下降Ui继续增加时，Uo急剧下降至UOL，如图中的bc段，T5从截止经放大至饱和，称为转折区由于在这一区域中，Uo既非高电平1，也非低电平0，所以也称为不确定区在cd段，Ui再增加时，T5处于饱和状态，Uo保持UOL不变。

Uo,Ui,UOH,UOL,,UOFF,UIH,0,,UNH,a,b,c,d,TTL与非门的电压传输特性,3. 主要参数,（1）输出高电平UOH和低电平UOL,一般要求UOH≥2.7V，UOL≤0.35V2）开门电平UON和关门电平UOFF,典型产品规定UON ≤1.8V UOFF≥0.8V3）噪声容限(或抗干扰容限)电压,高电平噪声容限电压UNH = UIH  UON,低电平噪声容限电压UNL = UOFF  UIL,UON,,,（4）阈值电压UT,（5）扇出系数No,,,,,（6）平均传输延迟时间tpd,tpd是表示门电路开关速度的参数, tpd数值越小，其工作速度越高典型产品规定tpd≤40ns4. 与非门的应用,（1）多余输入端的处理,将闲置端接高电平1,将闲置端与使用联,将闲置端悬空，等效于接无穷大的电阻，相当于接高电平2）应用举例,门电路的控制作用,将输入端A作为控制端，在输入端B加入脉冲序列，由输出端Y的波形可见，只有当A=1时，输入信号B才能通过与非门到达输出端,即与非门控制端加高电平时，门电路被开启，加低电平时，门电路被封锁三态门有三种输出状态：高电平、低电平和高阻状态。

5.2.2.2 三态输出门电路（TSL门）,1. 三态与非门的结构和工作原理,它是在普通与非门的基础上，增加控制端E和控制二极管D而构成图中A、B为数据输入端，E（Enable）为使能输入端5V,A B,T1,R1,R2,T2,T3,T4,T5,R3,R5,R4,,Y,,,•,,,,,,E,D,E=1时， D截止，TSL门的输出状态完全取决于输入端A、B，和一般与非门并无差别，即实现 的逻辑功能这种状态称为三态门的正常工作状态，或称有效状态5V,A B,T1,R1,R2,T2,T3,T4,T5,R3,R5,R4,,Y,,,,E,VB1=1V,E=0时， VB1=1V， T2 、T5截止；二极管D导通，使VB3=1V， T4截止，输出端被悬空，处于高阻状态这就是三态门的第三个状态，或称禁止态VB3=1V,,,,,,,,,,,,D,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,+5V,A B,T1,R1,R2,T2,T3,T4,T5,R3,R5,R4,,Y,,,,,,,,,,,,,D,,1,,E,控制端(使能端)低电平有效的三态与非门,,,,,,,2. 三态门的应用,三态门的一个重要用途是向总线上分时传送数据。

右图是单向数据传送电路，当使能端E0=1，而E1  En均为0时，总线Y上收到G0门传送的数据即 此时，G1  Gn门的输出均为高阻态若令使能端E0  En依次为1，则门G0  Gn的数据依次按与非关系送到总线Y上使用多个三态门与总线交换数据时，不允许有2个和2个以上门的使能端同时有效下图是由三态非门构成的双向数据传输的电路,当E =1时，G0工作，G1为高阻态：数据D0经三态门G0取反后送到总线Y上，即 当E = 0时，三态门G1工作，G0为高阻态：总线Y上的数据经非门G1取反后送到其输出端，即 5.2.2.3 集电极开路门（OC门）,下图是集电极开路与非门的电路和逻辑符号,它与典型与非门电路的差别在于去掉了由T3、T4组成的复合管，而且T5的集电极是开路的在使用时必须外接电阻R和外接电源+U只要R和U的数值合适，就可保证OC门输出具有合适的高低电平和负载电流几个OC门的输出端可以直接连在一起，实现线与的功能所谓“线与”是实现几个门电路输出端相与的功能即Y =Y0Y1  Yn右图为两个OC与非门线与的情况其输出为,利用OC门必须外接电阻R和电源U的特点，可用OC门直接驱动小电流负载。

集电极开路结构还可以用于制作驱动高电压、大电流负载的门电路例如：驱动发光二极管LED等显示器件或直流12V ~ 24V的。