第2章+数字逻辑门剖析.ppt

第2章 数字逻辑门,主讲：成洁,,,逻辑电路中的几个问题,⑴逻辑值的概念 在数字系统中，通常用逻辑真和逻辑假状态来区分事物的两种对立的状态 逻辑真状态用‘1’表示；逻辑假状态用‘0’来表示 ‘1’和‘0’分别叫做逻辑真假状态的值 0、1只有逻辑上的含义，已不表示数量上的大小◆ 数字电路的特点 数字电路是一种开关电路； 输入、输出量可用（0，l）来表示 输入量和输出量之间的关系是一种逻辑上的因果关系⑵高、低电平的概念,以两个不同确定范围的电位与逻辑真、假两个逻辑状态对应 这两个不同范围的电位称作逻辑电平，把其中一个相对电位较高者称为逻辑高电平，简称高电平，用H表示而相对较低者称为逻辑低电平，简称低电平，用L表示⑶状态赋值和正、负逻辑的概念,状态赋值：数字电路中，经常用符号1和0表示高电平和低电平我们把用符号1、0表示输入、输出电平高低的过程叫做状态赋值 正逻辑：在状态赋值时，如果用1表示高电平，用0表示低电平，则称为正逻辑赋值，简称正逻辑 负逻辑：在状态赋值时，如果用0表示高电平，用1表示低电平，则称为负逻辑赋值，简称负逻辑A,B,Y,1,0,一个楼梯灯控制电路如图所示两个单刀双掷A和B分别装在楼上和楼下，无论在楼上或楼下都能单独控制开灯和关灯。

假设灯的状态用Y表示，而且Y=1为灯亮，Y=0为灯灭开关A、B的位置拨上为1，拨下为0例:,?,?,?,?,◆ 逻辑真值表（Truth Table） 采用一种表格来表示逻辑函数的运算关系，其中输入部分列出输入逻辑变量的所有可能组合，输出部分给出相应的输出逻辑变量值 例：,优点：能够直观、明了地反映变量取值和函数值的对应关系，一般给出逻辑问题后，比较容易列出真值表 缺点：不便推演变换；变量多时，列表比较繁琐◆ 逻辑函数式 按一定逻辑规律进行运算的代数与普通代数不同，布尔代数中的变量是二元值的逻辑变量 例：从真值表可以看出，使Y为1的 条件是： 为1或 为1 因此可用下面函数式来表示：,优点：形式简洁、书写方便，便于推演变换；直接反映变量间的运算关系，便于改用逻辑符号表示该函数 缺点：不能直接反映出变量取值间的对应关系；同一个逻辑函数可以写成多种函数式算术运算和逻辑运算,算术运算：当二进制数表示不同大小的数值时，数值与数值之间可以进行加、减、乘、除等运算，称算术运算 逻辑运算：当二进制数表示不同状态的代码时，代码与代码之间的运算是一种逻辑因果关系的运算，有与、或、非三种，称逻辑运算。

这两种运算有本质的不同算术运算—加法,1 0 0 1,+ 0 1 1 1,,0,0,0,1,0,进位1,进位1,进位1,进位1,2.1 基本逻辑门,基本逻辑运算有逻辑与、逻辑或和逻辑非实现这三种逻辑运算的电路，称作基本逻辑门2.1.1 逻辑代数的三种基本运算模型 ⑴逻辑与（乘）运算,只有决定一件事情的全部条件具备之后，结果才能发生，这种因果关系为“逻辑与”或“逻辑乘”两个开关必须同时接通，灯才亮逻辑表达式为：,Ｙ＝ＡＢ,A、B都断开，灯不亮A断开、B接通，灯不亮A接通、B断开，灯不亮A、B都接通，灯亮这种把所有可能的条件组合及其对应结果一一列出来的表格叫做真值表输入: 开关合为逻辑“1”, 开关断为逻辑“0” 输出: 灯亮为“1”, 灯灭为“0”,,功能表,实现与逻辑的电路称为与门与门的逻辑符号：,Ｙ＝ＡＢ,真值表,逻辑符号,,A B,Y,逻辑与（乘）运算,逻辑与的逻辑关系表达式写成 Y=A·B “·”表示“与运算”或“逻辑乘”，读作“与”或“乘”，可省略不读 与逻辑功能可记成：“有0出0，全1出1” 与运算规则： 0·0=0； 0·1=0； 1·0=0； 1·1=1 A·0=0； A·1=A； 0·A=0； 1·A=A 逻辑符号,⑵逻辑或（加）运算,决定一件事情的几个条件中，只要有一个或一个以上条件具备，结果就会发生，这种因果关系称为“或逻辑”，也称“逻辑加”。

两个开关只要有一个接通，灯就会亮逻辑表达式为：,Ｙ＝Ａ+Ｂ,A、B都断开，灯不亮A断开、B接通，灯亮A接通、B断开，灯亮A、B都接通，灯亮实现或逻辑的电路称为或门或门的逻辑符号：,Y=A+B,真值表,功能表,,逻辑符号,逻辑或（加）运算,逻辑或的逻辑关系表达式 Y=A+B “+”表示“或运算”或“逻辑加”，读作“或”或“加” 或逻辑功能: “有1出1，全0出0” 或运算规则： 0+0=0；0+1=1；1+0=1；1+1=1 A+0=A；A+1=1；A+A=A逻辑或（加）运算,二进制运算和逻辑代数的区别： 二进制运算中的加法、乘法有进位问题，1+1=10；但逻辑代数研究的是“0”、“1”两种逻辑状态的逻辑加、逻辑乘、逻辑非，是一种逻辑运算，所以 1+1=1，1+1+···+1=1 逻辑符号,逻辑运算—或,1 0 0 1,+ 0 1 1 1,,1,1,1,1,⑶逻辑非运算,条件具备时结果不发生，条件不具备时结果反而发生，这种因果关系是逻辑非非也称为取反实现非逻辑的电路称为非门非门的逻辑符号：,A断开，灯亮A接通，灯灭。

真值表,功能表,逻辑符号,,A,Y,逻辑非运算,逻辑非的逻辑表达式写成 “ˉ”表示“非运算”或“逻辑非”，读作“非” 非运算的运算规则： 逻辑符号,,,,A,Y,(b),,基本逻辑门,2.1.2 基本逻辑符号,,,,基本逻辑符号,图2-3 3输入和8输入与门,图2-4 3输入或门和8输入或门,逻辑式：Y=A+B+C,逻辑式：Y=A•B•C,,,,基本逻辑符号,A B,A B Y,A B,Y,图2-5 2输入与门及其输入和 输出波形,(a)输入波形,(b)2输入与门,(c),输出波形,逻辑式：Y=A•B,,,,,A B,A B Y,图2-6 2输入或门及其输入和输出波形,(a)输入波形,(b)2输入或门,(c),输出波形,基本逻辑符号,逻辑式：Y=A+B,,,,,,图2-7 非门及其输入和输出波形,A,Y,A,Y,(a)输入波形,(b)非门,(c),输出波形,基本逻辑符号,逻辑式：,复合逻辑运算,与、或、非为三种基本逻辑运算 实际逻辑问题要比与、或、非复杂得多，但都可以用简单的与、或、非逻辑组合来实现从而构成复合逻辑 复合逻辑常见的有与非、或非、异或、同(或)运算等2.1.3 与非门,与非运算的逻辑结论：有0出1，全1出0。

2.1.4 或非门,或非运算的逻辑结论：有1出0，全0出12.1.5 异或门,逻辑关系是: 相异出1；相同出0 逻辑结论：AB时，Y=1；A=B时，Y=02.1.6 同或门,,异或运算和同或运算互为反函数即 A⊙B=A⊕B 逻辑关系：相同出1；相异出0 逻辑结论： A=B时Y=1；AB时Y=0复合逻辑运算,=A⊙B,逻辑符号如下图，其中第一行为IEEE84国际标准符号；第二行为惯用符号；第三行为IEEE91国际标准符号1、已知Y=ABC+CD，选出下列肯定可以使Y=0的情况 （1）A=0，BC=1 （2）B=1，C=1 （3）C=1，D=0 （4）BC=1，D=1 （5）AB=1，CD=0,参考： 因为在或非逻辑中，只要输入 有一个为1，则输出必为0在5种情况中，仅有（4）符合肯定可使Y=0的要求，因为在（4）中，BC=1，必有B=C=1；又因D=1，故CD=1，从而可推出Y=ABC+CD=0练习题,2、连续异或985个1的结果是什么？,985是奇数，所以异或的结果为1提示： 多变量异或Y=A⊕B⊕C⊕D，可通过多个异或门来实现多变量异或的逻辑特性： 奇数个1相异或，结果为1； 偶数个1相异或，结果为0。

在数字电路中，对电压值为多少并不重要，只要能判断高低电平即可S开---VO输出高电平，对应“1” S合---VO输出低电平，对应“0”获得高、低电平的基本原理,如何获得高电平或者低电平呢？,电子开关 （二极管、三极管、MOS管）,37,2.2 集成逻辑门电路,集成逻辑门电路，是把门电路的所有元器件及连接导线制作在同一块半导体基片上构成的 它属于小规模集成电路(SSI)，它是组成一个较大数字系统的基本单元38,集成逻辑门电路,应用 目前，广泛使用的逻辑门有TTL (Transistor-Transistor Logic)和CMOS两个系列 TTL门电路属双极型数字集成电路，其输入级和输出级都是三极管结构，故称TTL CMOS门电路是由NMOS管和PMOS管组成的互补MOS集成电路，属单极性数字集成电路双极型晶体管集成门电路,BICMOS 门电路,单极型MOS 集成门电路,TTL(晶体管―晶体管逻辑)电路 ECL(射极耦合逻辑)电路,NMOS、PMOS LDMOS、VDMOS VVMOS、IGT,（前二者组合）,,TTL集成门电路工作速度高，驱动能力强，但功耗大，集成度低,CMOS集成门电路功耗极低，成本低，电源电压范围宽，集成度高，抗干扰能力强，输入阻抗高，扇出能力强,上世纪80年代开始，CMOS逐渐取代TTL，成为集成电路的主导技术。

现CMOS集成门电路占80%以上分类,按其内部有源器件的不同分,集成电路逻辑门,单极型MOS(Metal Oxide Semiconductor)集成电路分PMOS、NMOS和CMOS三种 NMOS电气性能较好，工艺较简单，适合制作高性能的存储器、微处理器等大规模集成电路 而由NMOS和PMOS构成的互补型CMOS电路以其性能好、功耗低等显著特点，得到愈来愈广泛的应用 主要介绍NMOS和CMOS门电路MOS场效应管的类型及特性,N沟道增强型MOS管,P沟道增强型MOS管,N沟道耗尽型MOS管,P沟道耗尽型MOS管,√,2.2.1 MOS晶体管的结构与工作原理,MOS晶体管的结构与工作原理,NMOS管的开关特性,MOS管和晶体管一样可以当开关用 如图所示，RD为负载电阻NMOS管的基本开关电路,NMOS管的开关特性,当用增强型NMOS做工作管时，如输入电压vI为高电平（大于开启电压VT）则NMOS管导通，开关闭合，输出电压vO为低电平UGS UT 0 (开启电压）,NMOS管的开关特性,输入电压vI为低电平时则NMOS管截止，开关断开，输出电压vO为高电平UGS UT,PMOS管的开关特性,A=1，开关断开，F=0,A=0，开关闭合，F=1,,MOSFET开关作用,MOSFET管 D 、 S极之间的开关状态受 UGS 的控制:,增强型：,N沟道,P沟道,UGS UT 0 (开启电压）,,UGS UT,,UGS UT 0 (开启电压）,UGS UT,2.2.2 CMOS逻辑门的结构与工作原理,CMOS: Complementary-Symmetry Metal-Oxide Semiconductor ⑴CMOS反相器 ⑵CMOS或非门 ⑶CMOS与非门,1. CMOS反相器的工作原理,Complementary -Symmetry MOS 互补对称式MOS,T1(负载管）,T2 (驱动管）,,,T1 : ON T2: OFF,OFF ON,1) 结构：,“0” (0V),,,UGS UT 0 导通,UGS UT 截止,“1” (+UDD),① UA=0V,“0” (0V),,,UGS UT 截止,UGS UT 0 导通,“1” (+UDD),F,② UA= UDD,真 值 表：,F,1 导通 截止,0,0 截止 导通,1,逻辑式：F=,A,2) CMOS或非门工作原理,Y =,当输入A、B至少有一个高电平时，并联的NMOS管 中至少有一个。