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基本逻辑运算及集成逻辑门,一、基本逻辑运算,设:开关闭合=“1” 开关不闭合=“0” 灯亮,L=1 灯不亮,L=0,2.1 基本逻辑运算,与逻辑只有当决定一件事情的条件全部具备之后,这件事情才会发生。,1与运算,与逻辑表达式:,2或运算,或逻辑表达式: LA+B,或逻辑当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,这件事情就发生。,3非运算,非逻辑某事情发生与否,仅取决于一个条件,而且是对该条件的否定。即条件具备时事情不发生;条件不具备时事情才发生。,非逻辑表达式:,2.2、常用复合逻辑,2或非 由或运算和非运算组合而成。,1与非 由与运算 和非运算组合而成。,3“异或”和“同或”,异或是一种二变量逻辑运算,当两个变量取值相同时,逻辑函数值为0;当两个变量取值不同时,逻辑函数值为1。,异或的逻辑表达式为:,(1)两变量的“异或逻辑”和“同或逻辑”互为反函数。,两变量的“异或逻辑”和“同或逻辑”互为反函数。,(2) 偶数个变量的“同或”,等于这偶数个变量的“异或”之非。如: AB= ABCD= 奇数个变量的“同或”, 等于这奇数个变量的“异或”。如:,ABC=,将0, 1值代入多变量的异或式中可得出如下结论。 (1) 奇数个“1”相异或结果为1; 偶数个1相异或结果为0。,2.2.5逻辑运算的优先级别 逻辑运算的优先级别决定了逻辑运算的先后顺序。 在求解逻辑函数时, 应首先进行级别高的逻辑运算。 各种逻辑运算的优先级别, 由高到低的排序如下: 长非号是指非号下有多个变量的非号。,2.2.6逻辑运算的完备性(略),2.2.7 正负逻辑 在数字系统中, 逻辑值是用逻辑电平表示的。 若用逻辑高电平UH表示逻辑“真”, 用逻辑低电平UL表示逻辑“假”, 则称为正逻辑; 反之, 则称为负逻辑。,表2 -5 电位关系与正、 负逻辑,同样的方法可得到正与等于负或, 正异或等于负同或。,集成门电路的分类,1.按内部有源器件的不同分为:,双极型晶体管集成门电路:LSTTL、ECL、I2L,单极型MOS集成门电路:CMOS、NMOS、PMOS、LDMOS、VDMOS,晶体管和MOS管集成门电路:BiCMOS,2.按集成度分为:SSI(小规模IC)、MSI(中规模IC)、LSI(大规模IC)、VLSI(超大规模IC)。,2.3 集 成 逻 辑 门,2.3.1 TTL与非门的基本结构及工作原理,1. 电路基本结构,2功能分析,(1)输入全为高电平3.6V时。 T2、T3饱和导通,,实现了与非门的逻 辑功能之一: 输入全为高电平时, 输出为低电平。,由于T2饱和导通,VC2=1V。,T4和二极管D都截止。,由于T3饱和导通,输出电压为: VO=VCES30.3V,该发射结导通,VB1=1V。T2、T3都截止。,(2)输入有低电平0.3V 时。,实现了与非门的逻辑 功能的另一方面: 输入有低电平时, 输出为高电平。,忽略流过RC2的电流,VB4VCC=5V 。,由于T4和D导通,所以: VOVCC-VBE4-VD =5-0.7-0.7=3.6(V),综合上述两种情况,该电路满足与非的逻辑功能,即:,3 主要参数,(1)TTL与非门提高工作速度的原理 a.采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。,b.采用了推拉式输出级,输出阻抗比较小,可迅速给负载电容充放电。,(2)TTL与非门传输延迟时间tpd,导通延迟时间tPHL从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的 中点所经历的时间。,一般TTL与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒十几个纳秒。,截止延迟时间tPLH从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的 中点所经历的时间。,与非门的传输延迟时间tpd:,(3) 抗干扰能力,1电压传输特性曲线: Vo=f(Vi),(1)输出高电平电压VOH在正逻辑体制中代表逻辑“1”的输出电压。VOH的理论值为3.6V,产品规定输出高电压的最小值VOH(min)=2.4V。 VOH 的标准值是3V。 (2)输出低电平电压VOL在正逻辑体制中代表逻辑“0”的输出电压。VOL的理论值为0.3V,产品规定输出低电压的最大值VOL(max)=0.4V。 VOL 的标准值是0.3V。 (3)关门电平电压VOFF是指输出电压下降到VOH(min)时对应的输入电压。即输入低电压的最大值。在产品手册中常称为输入低电平电压,用VIL(max)表示。产品规定VIL(max)=0.8V。(0.8-1V),几个重要参数,(4)开门电平电压VON是指输出电压下降到VOL(max)时对应的输入电压。即输入高电压的最小值。在产品手册中常称为输入高电平电压,用VIH(min)表示。产品规定VIH(min)=2V。(1.4-1.8V),(5)阈值电压Vth电压传输特性的过渡区所对应的输入电压,即决定电路截止和导通的分界线,也是决定输出高、低电压的分界线。 近似地:VthVOFFVON 即ViVth,与非门关门,输出高电平; ViVth,与非门开门,输出低电平。 Vth又常被形象化地称为门槛电压。Vth的值为1.3V1.V。,低电平噪声容限 VNLVOFF-VOL(max)0.8V-0.4V0.4V 高电平噪声容限 VNHVOH(min)-VON2.4V-2.0V0.4V,(6)噪声容限TTL门电路的输出高低电平是一个范围, 即它的输入信号允许一定的容差。,(7)输入低电平电流IIL与输入高电平电流IIH 1.输入低电平电流IIL是指当门电路的输入端接低电平时,从 门电路输入端流出的电流。,可以算出:,产品规定IIL1.6mA。,2.输入高电平电流IIH 是指当门电路的输入端接高电平时,流入 输入端的电流。,产品规定:IIH40uA。,(8)灌电流负载当驱动门输出低电平时,电流从负载门 灌入驱动门。,NOL称为输出低电平时的扇出系数。,产品规定IOL=16mA。,(9)拉电流负载当驱动门输出高电平时,电流从驱动门 拉出,流至负载门的输入端。,NOH称为输出高电平时的扇出系数。,产品规定:IOH=0.4mA。 由此可得出:,一般NOLNOH,常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数,用 NO表示。,在工程实践中,有时需要将几个门的输出端并联使用,以实现与逻辑,称为线与。普通的TTL门电路不能进行线与。为此,专门生产了一种可以进行线与的门电路集电极开路门。,2.3.2 集电极开路门( OC门)和三态门,1)OC门,(1)实现线与。 逻辑关系为:,OC门主要有以下几方面的应用:,(2)实现电平转换。 如图示,可使输出高电平变为10V。,(3)用做驱动器。 如图是用来驱动发光二极管的电路。,(1)当输出高电平时 RP不能太大。RP为最大值时要保证输出电压为VOH(min)。,OC门进行线与时,外接上拉电阻RP的选择:,得:,(2)当输出低电平时,所以: RP(min)RPRP(max),由:,得:,RP不能太小。RP为最小值时要保证输出电压为VOL(max)。,(1)三态输出门的结构及工作原理。 当EN=0时,G输出为1,D1截止,相当于一个正常的二输入端与非门,称为正常工作状态。 当EN=1时,G输出为0,T4、T3都截止。这时从输出端L看进去,呈现高阻,称为高阻态,或禁止态。,2)三态门,去掉非门G,则EN=1时,为工作状态, EN=0时,为高阻态。,三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。 (a)组成单向总线实现信号的分时单向传送。,(b)组成双向总线, 实现信号的分时双向传送。,(2)三态门的应用,MOS管的结构,S (Source):源极 G (Gate):栅极 D (Drain):漏极 B (Substrate):衬底,金属层,氧化物层,半导体层,PN结,2.3.3 CMOS门电路的构成,1. CMOS非门(反相器),分析CMOS门电路的方法:MOS管从栅极输入,漏极输出;对N沟道管,输入逻辑1导通(相当于开关闭合),输入逻辑0截止(相当于开关断开);对P沟道管则相反,即输入逻辑0导通,输入逻辑1截止。,CMOS逻辑门电路是由N沟道MOSFET和P沟道MOSFET 互补而成。,2. CMOS与非门,3. CMOS或非门,后级为与或非门,经过逻辑变换,可得:,4CMOS异或门电路,由两级组成,前级为或非门,输出为,当EN=1时,TP2和TN2同时截止,输出为高阻状态。 所以,这是一个低电平有效的三态门。,5 CMOS三态门,当EN=0时,TP2和TN2同时导通,为正常的非门, 输出,一、TTL与CMOS器件之间的接口问题 两种不同类型的集成电路相互连接,驱动门必须要为负载门提供符合要求的高低电平和足够的输入电流,即要满足下列条件: 驱动门的VOH(min)负载门的VIH(min) 驱动门的VOL(max)负载门的VIL(max) 驱动门的IOH(max)负载门的IIH(总) 驱动门的IOL(max)负载门的IIL(总),2.3.4 集成逻辑门电路的应用,(b)用TTL门电路驱动5V低电流继电器,其中二极管D作保护,用以防止过电压。,二、TTL和CMOS电路带负载时的接口问题,1对于电流较小、电平能够匹配的负载可以直接驱动。 (a)用TTL门电路驱动发光二极管LED,这时只要在电路中串接一个约几百W的限流电阻即可。,2带大电流负载,(a)可将同一芯片上的多个门并联作为驱动器。,(b)也可在门电路输出端接三极管,以提高负载能力。,(2)对于或非门及或门,多余输入端应接低电平,比如直接接地;也可以与有用的输入端并联使用。,三、多余输入端的处理,(1)对于与非门及与门,多余输入端应接高电平。如直接接电源正端,在前级驱动能力允许时,也可以与有用的输入端并联使用。,3一端消去或加上小圆圈,同时将相应变量取反,其逻辑关系不变。,2任一条线一端上的小圆圈移到另一端,其逻辑关系不变。,2.6 混合逻辑中逻辑符号的变换,1逻辑图中任一条线的两端同时加上或消去小圆圈,其逻辑关系不变。,本章小结,1逻辑运算中的三种基本运算是与、或、非运算。 2 TTL集成逻辑门电路的输入级采用多发射极三级管、输出级采用达林顿结构,这不仅提高了门电路的开关速度,也使电路有较强的驱动负载的能力。 3集电极开路门(oc)和三态门。掌握其基本电路和连接方式及工作原理。 4MOS集成电路常用的是两种结构。一种是NMOS门电路,另一类是CMOS门电路。与TTL门电路相比,它的优点是功耗低,扇出数大,噪声容限大,开关速度与TTL接近,已成为数字集成电路的发展方向。 5为了更好地使用数字集成芯片,应熟悉TTL和CMOS各个系列产品的外部电气特性及主要参数,还应能正确处理多余输入端,能正确解决不同类型电路间的接口问题及抗干扰问题。,
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