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数字电子技术,第2章 组合逻辑电路分析与设计(20课时) 电子信息学院 特色创新教研室,第2章 组合逻辑电路分析与设计,2.1 集成门电路 (4课时) 2.2 组合逻辑电路分析 (2课时) 2.3 组合逻辑电路设计 (2课时) 2.4 译码器 (4课时) 2.5 编码器 (2课时) 2.6 数据选择器 (2课时) 2.7 应用举例:八人抢答器设计与仿真 (2课时) 总结+习题 (2课时),第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.1 数字电路的分类,随着数字电子技术的发展,分立元件构成的数字电路已经很少使用,取而代之的是数字集成电路。所谓数字集成电路是指将元器件和连线集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统。,1. 按电路逻辑功能的不同,可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。,2. 按集成电路的大小规模不同又分为小规模集成电路(SSI)、中规模集成电路(MSI)、大规模集成电路(LSI)和超大规模集成电路(VLSI)。,3. 按电路所用器件的不同,又可分为单极性电路和双极性电路。最常用的单极性电路是CMOS(Complementary Symmetry Metal Oxide Semiconductor)电路,最常用的双极性电路是TTL(Transistor-Transistor-Logic)电路。,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.1 数字电路的分类,图2-1 数字集成门电路实物图 (a)双列直插式 (b)贴片式,图2-2 数字集成电路管脚号排布规律,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.1 数字电路的分类,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.1 数字电路的分类,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,TTL与非门电路构成,1. 输入级:R1、T1,T1为多发射极晶体管,输入极,中间极,输出极,三极管特性,TTL电平,2. 中间级:R2、T2、R3,产生两个相反的信号,用以驱动输出级。,3. 输出级: R4、T3、T4、D,输出级特点: 静态功耗低 开关速度快,这种电路结构称为推拉式电路,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,TTL与非门电路工作原理,设输入信号高低电平分别为 UiH=3.6V; UiL=0.3V,PN结正向导通电压为0.7V;,1. 输入中有低电平,T1管发射结导通,T1管饱和,由于T2基极电压仅为(0.30.3)V ,故T2、 T4均截止,T3、D导通,输出约为3.6V(5-0.7-0.7=3.6)。 输出高电平1。,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,设输入信号高低电平分别为 UiH=3.6V; UiL=0.3V,PN结正向导通电压为0.7V;,2. 输入均为高电平,T1管处于倒置工作状态(be结反偏,bc结正偏);,T2管处于饱和工作状态;,T3管处于截止工作状态;,T4管处于饱和工作状态;,TTL与非门电路工作原理,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,F输出为“0”。,综合上面两种情况,该电路实现与非功能。,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,CMOS非门电路结构,CMOS逻辑门电路是由N沟道MOSFET和P沟道MOSFET互补而成,通常称为互补型MOS逻辑电路,简称CMOS逻辑电路。,要求电源VDD大于两管开启电压绝对值之和,即VDD(VTN+|VTP|),且TN=|VTP|。,CMOS非门电路 (a) 电路图 (b) 简化电路,(1)当输入为低电平,即Vi=0V时,TN截止,TP导通,TN的截止电阻约为500M,TP的导通电阻约为750,所以输出VOVDD,即Vo为高电平。,CMOS门电路,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,CMOS非门电路 (a) 电路图 (b) 简化电路,(2)当输入为高电平,即Vi=VDD时,TN导通,TP截止,TN的导通电阻约为750,TP的截止电阻约为500M,所以输出Vo0V,即Vo为低电平。所以该电路实现了非逻辑。,通过以上分析可以看出,在CMOS非门电路中,无论电路处于何种状态,TN、TP中总有一个截止,所以它的静态功耗极低,有微功耗电路之称。,要求电源VDD大于两管开启电压绝对值之和,即VDD(VTN+|VTP|),且TN=|VTP|。,CMOS非门电路结构,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,CMOS与非门和CMOS或非门,CMOS与非门电路 CMOS或非门电路,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,1.电源电压:(略) 2.电压传输特性: 3.输入噪声容限: 4. 输入负载特性 5.输出特性、扇出系数,灌电流,拉电流: 6.传输延时与功耗:,TTL与CMOS器件性能指标:,幻灯片 26,TTL与非门的电压传输特性,TTL与CMOS器件性能指标(输入特性TTL电压传输特性),第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,TTL(74LS00)、CMOS电路电压传输特性比较,TTL与CMOS器件性能指标(输入特性CMOS电压传输特性),第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,由图示的电压传输特性可知,在输入电压vI偏离正常低电平或高电平时,输出电压vo并不随之马上改变,允许输入电压有一定的变化范围。,输入端噪声容限:是指在保证输出高、低电平基本不变(不超过规定范围)时,允许输入信号高、低电平的波动范围,TTL与CMOS器件性能指标(输入噪声容限),第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,TTL与CMOS器件性能指标(输入特性TTL噪声容限),1. TTL标称高电平:3.6V 2. TTL标称低电平:0.3V 3. UILmax输入低电平最大值(0.8V) 4.UIHmin输入高电平最小值(2.0V) 5.UOLmax输出低电平最大值(0.4V) 6.UOHmin输入高电平最小值(2.4V) 7.阈值电平(1.4V) :,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,输入噪声容限分为输入高电平噪声容限VNH和输入低电平噪声容限VNL。,输入噪声容限示意图,由图中可知,如果是多个门电路相连时,前一级门电路的输出即为后一级门电路的输入,输入低电平噪声容限,输入高电平噪声容限,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,TTL与非门的输入负载特性,TTL与CMOS器件性能指标(输入特性TTL输入负载特性),第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,TTL带拉电流负载时的输出特性,TTL与CMOS器件性能指标(输出特性),第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,TTL带灌电流负载时的输出特性,读一读 TTL与CMOS门电路,TTL与CMOS器件性能指标(输出特性),2、TTL和CMOS门电路的性能特点,TTL与非门带负载能力,带灌电流负载的扇出系数:,带拉电流负载的扇出系数:,标准TTL:,标准TTL:,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,TTL集成逻辑门各子系列重要参数比较,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,1、接插集成块时,要认清定位标记,不得插反。 2、电源电压使用范围为+4.5V+5.5V之间,实验中要求使用VCC=+5V。电源极性绝对不允许接错。 3、闲置输入端处理方法 (1)输入悬空,相当于正逻辑“l”,对于一般小规模集成电路的数据输入端,实验时允许悬空处理。但输入端悬空易受外界干扰,导致电路的逻辑功能不正常。因此,对于接有长线的输入端,中规模以上的集成电路和使用集成电路较多的复杂电路,所有控制输入端必须按逻辑要求接入电路,不允许悬空。 (2)直接接电源电压VCC(也可以串入一只110k的固定电阻)或接至某一固定电压(+2.4V +4.5V)的电源上 。 (3)若前级驱动能力允许,可以与使用的输入端并联。 4、输入端通过电阻接地,电阻值的大小将直接影响电路所处的状态。当R680时,输入端相当于逻辑“0”;当R4.7k时,输入端相当于逻辑“1”。对于不同系列的器件,要求的阻值不同。 5、输出端不允许并联使用(集电极开路门(OC)和三态输出门电路(TS)除外。否则不仅会使电路逻辑功能混乱,并会导致器件损坏。 6、输出端不允许直接接地或直接接+5V电源,否则将损坏器件,有时为了使后级电路获得较高的输出电平,允许输出端通过电阻R接至VCC,一般取R=35.1k。,TTL集成电路使用注意事项:,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,CMOS集成电路的性能特点 : 微功耗CMOS电路的单门静态功耗在毫微瓦(nw)数量级。 高噪声容限CMOS电路的噪声容限一般在40%电源电压以上。 宽工作电压范围CMOS电路的电源电压一般为318伏。 高逻辑摆幅CMOS电路输出高、低电平的幅度达到全电为VDD, 逻辑“0”为VSS。 高输入阻抗 CMOS电路的输入阻抗大于108,一般可达1010。 高扇出能力 CMOS电路的扇出能力大于50。 低输入电容 CMOS电路的输入电容一般不大于5PF。 宽工作温度范围陶瓷封装的CMOS电路工作温度范围为 - 55 0C 125 0C;塑封的CMOS电路为 40 0C 85 0C。,CMOS电路的特点和使用注意事项:http:/www.go-,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.2 TTL和CMOS集成门电路性能特点,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.3 TTL及CMOS集成门电路的其它形式,一、OC门TTL集电极开路门,图2-7 普通的TTL门电路输出并联 图2-8 OC门(a) 结构(b)符号,第2章 组合逻辑电路的分析与设计,2.1 集成门电路,2.1.3 TTL及CMOS集成门电路的其它形式,即在输出线上实现了与运算,通过逻辑变换可转换为与或非运算,图2-9 实现线与,TTL OC门通常有如下的应用:,1. 实现线与,2个OC门实现线与时的电路如图2-9 所示。此时的逻辑关系为:,在数字系统的接口部分(与外部设备相联接的地方)需要有电平转换的时候,常用OC门来完成。如图2-10所示。 把上拉电阻接到10V电源上,这样在OC门输入普通的TTL电平,而输出高电平就可以变为10V。,2. 实现电平转换,图2
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