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第21章 门电路和组合逻辑电路,21.1 脉冲信号,21.2 晶体管的开关作用,21.3 分立元件门电路,21.6 逻辑代数,21.5 MOS门电路,21.4 TTL门电路,21.7 组合逻辑电路的分析与综合,21.8 加法器,21.9 编码器,21.10 译码器和数字显示,21.10 数据分配器和数据选择器,21.12 应用举例,1. 掌握基本门电路的逻辑功能、逻辑符号、真值表和逻辑表达式。了解 TTL门电路、CMOS门电路的特点。,3. 会分析和设计简单的组合逻辑电路。,理解加法器、编码器、译码器等常用组合逻辑 电路的工作原理和功能。,5. 学会数字集成电路的使用方法。,本章要求:,2. 会用逻辑代数的基本运算法则化简逻辑函数。,第21章 门电路和组合逻辑电路,模拟信号:随时间连续变化的信号,21.1 脉冲信号,1. 模拟信号,2. 脉冲信号 是一种跃变信号,并且持续时间短暂。,如:,脉冲幅度 A,脉冲上升沿 tr,脉冲周期 T,脉冲下降沿 tf,脉冲宽度 tp,脉冲信号的部分参数:,实际的矩形波,21.2 晶体管的开关作用,1. 二极管的开关特性,相当于 开关断开,相当于 开关闭合,3V,0V,3V,0V,2. 三极管的开关特性,3V,0V,uO 0,相当于 开关断开,相当于 开关闭合,uO UCC,3V,0V,21.3 分立元件门电路,逻辑门电路是数字电路中最基本的逻辑元件。 所谓门就是一种开关,它能按照一定的条件去控制信号的通过或不通过。 门电路的输入和输出之间存在一定的逻辑关系(因果关系),所以门电路又称为逻辑门电路。,21.3.1 门电路的基本概念,基本逻辑关系为“与”、“或”、“非”三种。,下面通过例子说明逻辑电路的概念及“与”、“或”、“非”的意义。,设:开关断开、灯不亮用逻辑 “0”表示,开关闭合、灯亮用 逻辑“1”表示。,逻辑表达式: Y = A B,1. “与”逻辑关系,“与”逻辑关系是指当决定某事件的条件全部具备时,该事件才发生。,0,1,0,B,Y,A,状态表,2. “或”逻辑关系,“或”逻辑关系是指当决定某事件的条件之一具备时,该事件就发生。,逻辑表达式: Y = A + B,真值表,1,1,1,0,3. “非”逻辑关系,“非”逻辑关系是否定或相反的意思。,Y,220V,A,+,-,R,由电子电路实现逻辑运算时,它的输入和输出信号都是用电位(或称电平)的高低表示的。高电平和低电平都不是一个固定的数值,而是有一定的变化范围。,21.3 分立元件逻辑门电路,门电路是用以实现逻辑关系的电子电路,与前面所讲过的基本逻辑关系相对应。,门电路主要有:与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门等。,21.3.1 门电路的概念,电平的高低一般用“1”和“0”两种状态区别,若规定高电平为“1”,低电平为“0”则称为正逻辑。反之则称为负逻辑。若无特殊说明,均采用正逻辑。,1,0,高电平,低电平,21.3.2 二极管“与” 门电路,1. 电路,2. 工作原理,输入A、B、C全为高电平“1”,输出 Y 为“1”。,输入A、B、C不全为“1”,输出 Y 为“0”。,0V,0V,3V,21.3.2 二极管“与” 门电路,即:有“0”出“0”, 全“1”出“1”,21.3.3 二极管“或” 门电路,1. 电路,0V,3V,3V,2. 工作原理,输入A、B、C全为低电平“0”,输出 Y 为“0”。,输入A、B、C有一个为“1”,输出 Y 为“1”。,21.3.3 二极管“或” 门电路,即:有“1”出“1”, 全“0”出“0”,21.3.4 三极管“非” 门电路,“0”,“1”,1. 电路,“0”,“1”,“与非” 门电路,有“0”出“1”,全“1”出“0”,“或非” 门电路,有“1”出“0”,全“0”出“1”,例:根据输入波形画出输出波形,A,B,有“0”出“0”,全“1”出“1”,有“1”出“1”,全“0”出“0”,&,A,21.4 TTL门电路,(三极管三极管逻辑门电路),TTL门电路是双极型集成电路,与分立元件相比,具有速度快、可靠性高和微型化等优点,目前分立元件电路已被集成电路替代。下面介绍集成 “与非”门电路的工作原理、特性和参数。,21.4.1 TTL“与非”门电路,1. 电路,多发射极三极管,(1) 输入全为高电平“1”(3.6V)时,2. 工作原理,4.3V,T2、T5饱和导通,钳位2.1V,E结反偏,截止,负载电流(灌电流),输入全高“1”,输出为低“0”,1V,2. 工作原理,1V,T2、T5截止,负载电流(拉电流),(2) 输入端有任一低电平“0”(0.3V),输入有低“0”输出为高“1”,流过 E结的电流为正向电流,5V,“与非”逻辑关系,“与非”门,(1) 电压传输特性:,输出电压 UO与输入电压 Ui的关系。,3. TTL“与非”门特性及参数,电压传输特性,测试电路,C,D,E,(2)TTL“与非”门的参数,电压传输特性,典型值3.6V, 2.4V为合格,典型值0.3V, 0.4V为合格,输出高电平电压UOH,输出低电平电压UOL,输出高电平电压UOH和输出低电平电压UOL,D,E,低电平噪声容限电压UNL保证输出高电平电压不低于额定值90%的条件下所允许叠加在输入低电平电压上的最大噪声(或干扰)电压。 UNL=UOFF UIL,允许叠加干扰,定量说明门电路抗干扰能力,UOFF,UOFF是保证输出为额定高电平的90%时所对应的最大输入低电平电压。,0.9UOH,输入 低电平 电压UIL,输入 高电平 电压UIH,高电平噪声容限电压UNH保证输出低电平电压的条件下所允许叠加在输入高 电平电压上的最大噪声(或干扰)电压。 UNH=UIHUON,允许叠加干扰,定量说明门电路抗干扰能力,UON,UON是保证输出为额定低电平时所对应的最小输入高电平电压。,指一个“与非”门能带同类门的最大数目,它表示带负载的能力。对于TTL“与非”门 NO 8。,输入高电平电流 IIH和输入低电平电流 IIL,当某一输入端接高电平,其余输入端接低电 平时,流入该输入端的电流,称为高电平输入电流 IIH(A)。,当某一输入端接低电平,其余输入端接高电平时,流出该输入端的电流,称为低电平输入电流 IIL(mA)。,扇出系数NO,1,0,当某一输入端接低电平,其余输入端接高电平时,流出该输入端的电流,称为低电平输入电流 IIL (mA)。,若要保证输出为高电平,则对电阻值有限制 R IIL UNL,平均传输延迟时间 tpd,tpd1,tpd2,TTL的 tpd 约在 10ns 40ns,此值愈小愈好。,输入波形ui,输出波形uO,21.4.2 三态输出“与非”门,“1”,1. 电路,截止,21.4.2 三态输出“与非”门,“0”,1. 电路,导通,当控制端为低电平“0”时,输出 Y处于开路状态,也称为高阻状态。, 0 高阻,表示任意态,21.4.2 三态输出“与非”门,可实现用一条总线分时传送几个不同的数据或控制信号。,1. 电路,21.4.3 集电极开路“与非”门电路(OC门),OC门的特点:,1.输出端可直接驱动负载,2.几个输出端可直接相联,“0”,“0”,2.几个输出端可直接相联,“1”,“线与”功能,21.5 MOS门电路,21.5.1 NMOS门电路,1. NMOS“非”门电路,gm1gm2,T1的导通电阻 T2的导通电阻,“1”,导通,“0”,“0”,“1”,截止,即:T1的导通管压降 T2的导通管压降,2. NMOS“与非”门电路,“1”,“0”,全“1”,3. NMOS“或非”门电路,“0”,全“0”,“1”,21.5.2 CMOS门电路,1.CMOS“非”门电路,CMOS 管,负载管,驱动管,(互补对称管),A=“1”时,T1导通, T2截止,Y=“0”,A=“0”时,T1截止, T2导通,Y=“1”,2.CMOS传输门电路,(1)电路,(2)工作原理,设:,可见ui在010V连续变化时,至少有一个管子导通,传输门打开,(相当于开关接通) ui可传输到输出端,即uO= ui,所以COMS传输门可以传输模拟信号,也称为模拟开关。,(07V),导通,(310V),导通,2.CMOS传输门电路,可见ui在010V连续变化时,两管子均截止,传输门关断,(相当于开关断开) ui不能传输到输出端。,(010V),2.CMOS传输门电路,开关电路,CMOS电路优点,(1) 静态功耗低(每门只有0.01mW, TTL每门10mW),(2) 抗干扰能力强,(3) 扇出系数大,(4) 允许电源电压范围宽 ( 3 18V ),(1) 速度快,(2) 抗干扰能力强,(3) 带负载能力强,21.6 逻辑代数,逻辑代数(又称布尔代数),它是分析设计逻辑电路的数学工具。虽然它和普通代数一样也用字母表示变量,但变量的取值只有“0”,“1”两种,分别称为逻辑“0”和逻辑“1”。这里“0”和“1”并不表示数量的大小,而是表示两种相互对立的逻辑状态。,1. 常量与变量的关系,21.6.1 逻辑代数运算法则,2. 逻辑代数的基本运算法则,自等律,0-1律,重叠律,还原律,互补律,交换律,2. 逻辑代数的基本运算法则,普通代数 不适用!,证:,结合律,分配律,A+1=1,反演律,列状态表证明:,对偶关系: 将某逻辑表达式中的与( )换成或 (+),或(+)换成与( ),得到一个新的逻辑表达式,即为原逻辑式的对偶式。若原逻辑恒等式成立,则其对偶式也成立。,证明:,A+AB = A,21.6.2 逻辑函数的表示方法,下面举例说明这四种表示方法。,例:有一T形走廊,在相会处有一路灯,在进入走廊的A、B、C三地各有控制开关,都能独立进行控制。任意闭合一个开关,灯亮;任意闭合两个开关,灯灭;三个开关同时闭合,灯亮。设A、B、C代表三个开关(输入变量);Y代表灯(输出变量)。,1. 列逻辑状态表,2. 逻辑式,取 Y=“1”( 或Y=“0” ) 列逻辑式,用“与”“或”“非”等运算来表达逻辑函数的表达式。,(1)由逻辑状态表写出逻辑式,各组合之间 是“或”关系,2. 逻辑式,反之,也可由逻辑式列出状态表。,3. 逻辑图,21.6.3 逻辑函数的化简,1.用 “与非”门构成基本门电路,(2)应用“与非”门构成“或”门电路,(1) 应用“与非”门构成“与”门电路,由逻辑代数运算法则:,由逻辑代数运算法则:,(3) 应用“与非”门构成“非”门电路,(4) 用“与非”门构成“或非”门,由逻辑代数运算法则:,例1:,化简,2.应用逻辑代数运算法则化简,(1)并项法,(2)配项法,例3:,化简,(3)加项法,(4)吸收法,吸收,例5:,化简,吸收,吸收,吸收,吸收,3.应用卡诺图化简,卡诺图:是与变量的最小项对应的按一定规则排列的方格图,每一小方格填入一个最小项。,(1)最小项: 对于n输入变量有2n种组合, 其相应的乘积项也有2n个,则每一个乘积项就称为一个最小项。其特点是每个输入变量均在其中以原变量和反变量形式出现一次,且仅一次。,如:三个变量,有8种组合,最小项就是8个,卡诺图也相应有8个小方格。,在卡诺图的行和列分别标出变量及其状态。,(2) 卡诺图,二进制数对 应的十进制 数编号,( 2)卡诺图,(a)根据状态表画出卡诺图,如:,将输出变量为“1”的填入对应的小方格,为“0”的可不填。,( 2)卡诺图,(b)根据逻辑式画出卡诺图,将逻辑式中的最小项分别用“1”填入对应的小方格。如果逻辑式中最小项不全,可不填。,如:,注意:如果逻辑式不是由最小项构成,一般应先化为最小项,或按例7方法填写。,( 3)应用卡诺图化简逻辑函数,解:,(a)将取值为“1”的相邻小方格圈成圈,,(b)所圈取值为“1”的相邻小方
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