第2章 逻辑门

第二章 逻辑门内容提要：内容提要：（1）数字电路的基本逻辑单元）数字电路的基本逻辑单元门电路，及其对应门电路，及其对应的逻辑运算与逻辑符号的逻辑运算与逻辑符号。（2）集电极开路门和三态逻辑门。）集电极开路门和三态逻辑门。（3）TTL集成门逻辑功能、外特性和性能参数集成门逻辑功能、外特性和性能参数。（4）CMOS集成门的逻辑功能、外特性和性能参数。集成门的逻辑功能、外特性和性能参数。（5）TTL 与与CMOS集成门的接口方法集成门的接口方法1一、教学目的一、教学目的（1）理解逻辑门的概念理解逻辑门的概念（2）理解基本逻辑运算及复合逻辑运算）理解基本逻辑运算及复合逻辑运算（3）掌握基本逻辑门及复合逻辑门的逻辑符号、逻辑表达）掌握基本逻辑门及复合逻辑门的逻辑符号、逻辑表达式、真值表。式、真值表。二、教学重点、难点二、教学重点、难点重点重点：（：（1）真值表的含义及写法；）真值表的含义及写法；（2）各种逻辑门的功能。）各种逻辑门的功能。难点：难点：逻辑运算的理解。逻辑运算的理解。三、教学方法：对各种逻辑门进行功能仿真演示。三、教学方法：对各种逻辑门进行功能仿真演示。第3次课22.1 2.1 基本逻辑门基本逻辑门 主要内容：主要内容：与、或、非三种基本逻辑运算与、或、非三种基本逻辑运算 与、或、非三种基本逻辑门的逻辑功能与、或、非三种基本逻辑门的逻辑功能 逻辑门的真值表逻辑门的真值表 各种逻辑门电路的输出波形各种逻辑门电路的输出波形3l在逻辑代数中，最基本的逻辑运算有与与、或或、非非三种。l最基本的逻辑关系有三种：与与逻辑关系、或或逻辑关系、非非逻辑关系。l实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的单元电路称为逻辑门电路逻辑门电路。42.1.1 与门l实现实现“与与”运算的电路称为运算的电路称为与逻辑门与逻辑门，简称，简称与门与门。l逻辑逻辑与与运算可用开关电路中两个开关相运算可用开关电路中两个开关相串联串联的例子的例子来说明来说明 功功能能表表5l“与与”运算的逻辑表达式为：运算的逻辑表达式为：l“与与”运算的运算的真值表真值表:表2-2“与”运算真值表AB0000101001116l “与与”逻辑的运算规律为：逻辑的运算规律为：一般形式一般形式7l与门的逻辑符号与门的逻辑符号:l 与门与门的的实际产品型号：实际产品型号：74LS08（四四-2输入与门）输入与门）、74LS11（三三-3输入与门）输入与门）、74LS21（二二-4输入与门）输入与门）8例例2-2:向向2输入与门输入图示的波形，求其输入与门输入图示的波形，求其输出波形输出波形F。解：解：92.1.2 或门l实现实现“或或”运算的电路称为运算的电路称为或逻辑门或逻辑门，简称，简称或门或门。l逻辑逻辑或或运算可用开关电路中两个开关相运算可用开关电路中两个开关相并联并联的例子的例子来说明来说明 真真值值表表10l“或或”运算的逻辑表达式为：运算的逻辑表达式为：F=A+Bl“或或”运算真值表运算真值表:l“或或”逻辑的运算规律为：逻辑的运算规律为：一般形式一般形式11l或门的逻辑符号或门的逻辑符号:例例2-4:向向2输入或门输入图示的波形，求其输出波形输入或门输入图示的波形，求其输出波形F。解：解：74LS32（四（四-2输入或门）输入或门）122.1.2 非门l实现实现“非非”运算的电路称为运算的电路称为非逻辑门非逻辑门，简称，简称非门非门。13l“非非”运算的逻辑表达式为：运算的逻辑表达式为：l“非非”运算真值表运算真值表:l“非非”逻辑的运算规律为：逻辑的运算规律为：一般形式一般形式14l非门的逻辑符号非门的逻辑符号:例例2-5:向非门输入图示的波形，求其输出波形向非门输入图示的波形，求其输出波形F。解：解：74LS04（六非门）（六非门）152.2 复合逻辑门复合逻辑门 l与非、或非、异或、同或的复合逻辑运算与非、或非、异或、同或的复合逻辑运算l与非门、或非门的逻辑功能与非门、或非门的逻辑功能l异或门、同或门的逻辑功能异或门、同或门的逻辑功能l各种复合逻辑门的真值表及输出波形各种复合逻辑门的真值表及输出波形主要内容：主要内容：16l基本逻辑运算的复合叫做基本逻辑运算的复合叫做复合逻辑运算复合逻辑运算。而实现复。而实现复合逻辑运算的电路叫合逻辑运算的电路叫复合逻辑门复合逻辑门。l最常用的复合逻辑门有最常用的复合逻辑门有与非门与非门、或非门或非门、与或非门与或非门和和异或门异或门等。等。172.2.1 与非门与非门l“与与”运算后再进行运算后再进行“非非”运算的复合运算称为运算的复合运算称为“与非与非”运算运算，实现，实现“与非与非”运算的逻辑电路称为运算的逻辑电路称为与与非门非门。l与非门与非门的逻辑关系表达式为：的逻辑关系表达式为：l与非门的逻辑符号与非门的逻辑符号：上述逻辑门的实际产品型号：上述逻辑门的实际产品型号：74LS00（四四-2输入与非门）输入与非门）74LS10（三三-3输入与非门）输入与非门）74LS20（二二-4输入与非门）输入与非门）74LS30（8输入与非门）输入与非门）18l “与非与非”门真值表门真值表：表2-7“与非”门真值表AB001011101110192.2.2 或非门或非门l“或或”运算后再进行运算后再进行“非非”运算的复合运算称为运算的复合运算称为“或非或非”运算运算，实现，实现“或非或非”运算的逻辑电路称为运算的逻辑电路称为或或非门非门。l或非门或非门的逻辑关系表达式为：的逻辑关系表达式为：l或非门的逻辑符号或非门的逻辑符号：上述逻辑门的实际产品型号：上述逻辑门的实际产品型号：74LS02（四四-2输入或非门）输入或非门）74LS27（三三-3输入或非门）输入或非门）20l“或非或非”门真值表门真值表：表2-8“或非”门真值表AB001010100110212.2.3 异或门异或门l实现实现“异或异或”逻辑运算的逻辑电路称为逻辑运算的逻辑电路称为异或门异或门。l异或门异或门的逻辑关系表达式为：的逻辑关系表达式为：l异或门的逻辑符号异或门的逻辑符号：异或逻辑门的实际产品型号：异或逻辑门的实际产品型号：74LS8622l“异或异或”门真值表门真值表：表2-9 2输入“异或”门真值表AB000011101110l N个变量的个变量的“异或异或”：232.2.3 同或门同或门l“异或异或”运算之后再进行运算之后再进行“非非”运算，则称为运算，则称为“同同或或”运算。实现运算。实现“同或同或”逻辑运算的逻辑电路称为逻辑运算的逻辑电路称为同或门同或门。l同或门同或门的逻辑关系表达式为：的逻辑关系表达式为：l同或门的逻辑符号同或门的逻辑符号：F=A B24l 同或门真值表同或门真值表：表2-10 2变量“同或”门真值表AB001010100111lN个变量的个变量的“同或同或”：252.3 其它逻辑门l集电极开路逻辑门的概念集电极开路逻辑门的概念l集电极开路逻辑门的使用方法集电极开路逻辑门的使用方法l集电极开路逻辑门的应用集电极开路逻辑门的应用l三态逻辑门的概念及逻辑功能三态逻辑门的概念及逻辑功能l三态逻辑门电路的应用三态逻辑门电路的应用主要内容：主要内容：26一、教学目的一、教学目的（1）理解集电极开路逻辑门的概念理解集电极开路逻辑门的概念（2）理解三态逻辑门的概念）理解三态逻辑门的概念（3）掌握集电极开路逻辑门及三态逻辑门的功能与应用）掌握集电极开路逻辑门及三态逻辑门的功能与应用（4）了解集成逻辑门的型号、性能参数）了解集成逻辑门的型号、性能参数二、教学重点、难点二、教学重点、难点重点重点：（：（1）集电极开路逻辑门的内部构成特点及外部功能集电极开路逻辑门的内部构成特点及外部功能 （2）三态逻辑门的功能及应用三态逻辑门的功能及应用难点：难点：OC逻辑门线与功能的理解。逻辑门线与功能的理解。三、教学方法：对两种逻辑门进行功能仿真演示。三、教学方法：对两种逻辑门进行功能仿真演示。第3次课272.3.1 集电极开路逻辑门的概念集电极开路与非门内部结构与输出端特点集电极开路与非门内部结构与输出端特点T3饱和导通饱和导通时输出低电时输出低电平；平；T3截止时输截止时输出端悬空出端悬空普通与非门内部电路结构普通与非门内部电路结构28仿真演示仿真演示74LS03OC与非门真值表AB F00Z01Z10Z11029l集电极开路门，简称集电极开路门，简称OC门门。其特点是门电路内部。其特点是门电路内部输出三极管的集电极开路。输出三极管的集电极开路。l使用时，必须外接使用时，必须外接“上拉电阻上拉电阻RP”，才能实现正常，才能实现正常逻辑功能。（仿真演示）逻辑功能。（仿真演示）l上拉电阻上拉电阻RP的作用：的作用：把把OC门的输出门的输出“悬空状态悬空状态”对外变成对外变成“高电平高电平”，OC门本身的特性并未改变。门本身的特性并未改变。lOC与非门的逻辑符号与非门的逻辑符号：30上述多个集电极开路输出端可以连接在一起：上述多个集电极开路输出端可以连接在一起：T3T3T3上拉电阻上拉电阻当当任一个任一个三极管处于饱和状态时，输出低电平；三极管处于饱和状态时，输出低电平；当三个三极管均处于截止状态时，输出高电平。当三个三极管均处于截止状态时，输出高电平。31多个多个OC门输出端连接在一起时实现门输出端连接在一起时实现“线与线与”功功能能仿仿真真演演示示32普通的普通的逻辑逻辑门电门电路不能进行线与路不能进行线与！33T4饱和导通饱和导通T3截止输出截止输出1T3饱和导通饱和导通T4截止输出截止输出0原原因因解解释释342.3.2 集电极开路逻辑门的应用lOC门用来实现电平转换：门用来实现电平转换：lOC门用做驱动器：门用做驱动器：仿真演示仿真演示352.3.3 三态逻辑门三态输出逻辑门三态输出逻辑门（简称（简称TS门门）有三种逻辑状态，即）有三种逻辑状态，即0、1、Z。第三种状态为。第三种状态为高阻状态高阻状态(Z)。T3、T4均均截止截止输出端悬空输出端悬空36l三态逻辑门符号与功能：控制端控制端EN高电平有效高电平有效 控制端控制端EN低电平有效低电平有效 仿真演示仿真演示74ls125/126/36837三态门的应用：三态门的应用：l三态门用于总线分时传输三态门用于总线分时传输：l用三态门实现数据双向传输用三态门实现数据双向传输：382.4 集成电路逻辑门集成电路逻辑门 lTTL集成逻辑门的概念集成逻辑门的概念l比较各种比较各种TTL系列的特性系列的特性lCMOS集成逻辑门的概念集成逻辑门的概念l集成电路逻辑门的性能参数集成电路逻辑门的性能参数l计算具体逻辑器件的扇出系数计算具体逻辑器件的扇出系数lTTL与与CMOS两种集成电路在混合应用时的接口两种集成电路在混合应用时的接口主要内容：主要内容：392.4.1 概述概述 l把若干个有源器件和无源器件及其连线，按照一定把若干个有源器件和无源器件及其连线，按照一定的功能要求，制作在一块半导体基片上，这样的产的功能要求，制作在一块半导体基片上，这样的产品叫品叫集成电路集成电路。l最简单的数字集成电路是最简单的数字集成电路是集成逻辑门集成逻辑门。l集成电路的优点：如体积小、耗电省、重量轻、可集成电路的优点：如体积小、耗电省、重量轻、可靠性高靠性高 l数字集成电路的规模一般是根据门的数目来划分的数字集成电路的规模一般是根据门的数目来划分的：有：有SSI，MSI，LSI，VLSI 等。等。l集成电路逻辑门应用最广的两类：集成电路逻辑门应用最广的两类：TTL门门、CMOS门门。402.4.2 TTL集成电路逻辑门lTTL门电路由双极型三极管构成，其特点是速度快、门电路由双极型三极管构成，其特点是速度快、抗静电能力强，但其功耗较大，不适宜做成大规模抗静电能力强，但其功耗较大，不适宜做成大规模集成电路。集成电路。lTTL门电路有门电路有74（民用）（民用）和和54（军用）（军用）两大系列，两大系列，每个系列中又有若干子系列。每个系列中又有若干子系列。41(1)54/74：标准系列标准系列(standard TTL)；(2)54L/74L：低功耗系列低功耗系列(Low-power TTL)；(3)54H/74H：高速系列高速系列(High-speed TTL)；(4)54S/74S：肖特基系列肖特基系列(Schottky TTL)；(5)54AS/74AS：高级肖特基系列高级肖特基系列(Advanced Schottky TTL)；(6)54LS/74LS：低功耗肖特基系列低功耗肖特基系列(Low-power Schottky TTL)；(7)54ALS/74ALS：高级低功耗肖特基系列高级低功耗肖特基系列 (Advanced Low-power Schottky TTL)；4274/5474/54后的后的不同字母不同字母表示不同的系列，即性能参数值表示不同的系列，即性能参数值不同；不同；字母后的字母后的数字数字表示该系列中的不同型号，即具有表示该系列中的不同型号，即具有不同的逻辑功能。不同的逻辑功能。如：如：74007400、74S0074S00、74L0074L00、74LS0074LS00表示不同的系表示不同的系列，但具有相同的逻辑功能即列，但具有相同的逻辑功能即都是集成与非门都是集成与非门。又如：又如：74LS0074LS00和和74LS0874LS08表示同一系列中的不同型表示同一系列中的不同型号，即具有不同的逻辑功能，前者为集成号，即具有不同的逻辑功能，前者为集成与非门与非门，后，后者为集成者为集成与门与门。“74LS32”表示的含义：表示的含义：4354系列与系列与74系列的比较：系列的比较：TTL系列速度及功耗的比较系列速度及功耗的比较:44自测练习：自测练习：（1）所有）所有TTL子系列的（子系列的（）特性都相同。）特性都相同。(a)速度速度(b)电压电压（2）TTL集成电路中，（集成电路中，（）子系列速度最快。）子系列速度最快。（3）下列（）下列（）不是）不是TTL集成电路。集成电路。(a）74LS00(b)74AS00(c)74HC00 (d)74ALS00（4）下列集成电路中，同一系列的芯片是（）下列集成电路中，同一系列的芯片是（），逻辑功能相同的是（逻辑功能相同的是（）。）。7400、74LS00、74LS04、7404452.4.3 CMOS集成电路逻辑门lCMOS集成门电路由集成门电路由MOS场效应管构成，它的特点是集成场效应管构成，它的特点是集成度高、功耗低，但速度较慢、抗静电能力差。度高、功耗低，但速度较慢、抗静电能力差。l同同TTL门电路一样，门电路一样，CMOS门电路也有门电路也有74和和54两大系列。两大系列。l74系列系列5V CMOS门电路的基本子系列如下：门电路的基本子系列如下：u74C：CMOS。u74HC和和74HCT：高速：高速CMOS（High-speed CMOS），），T表示和表示和TTL直接兼容。直接兼容。u74AC和和74ACT：先进：先进CMOS（Advanced CMOS），它），它们提供了比们提供了比TTL系列更高的速度和更低的功耗。系列更高的速度和更低的功耗。u74AHC和和AHCT：先进高速：先进高速CMOS（Advanced High-speed CMOS）。）。4674系列系列3.3V CMOS门电路的基本子系列如下：门电路的基本子系列如下：u 74LVC：低压低压CMOS（Lower-voltage CMOS）。）。u 74ALVC：先进低压先进低压CMOS（Advanced Lower-voltage CMOS）。）。74HC系列和系列和74C系列的系列的功能和管脚布局功能和管脚布局与与TTL系列相系列相同。它们可在同。它们可在5V电源电压下工作，这使得工作在同一印刷电源电压下工作，这使得工作在同一印刷电路板上的电路板上的CMOS和和TTL集成电路可以共用一组电源，但集成电路可以共用一组电源，但两两者不能直接连接者不能直接连接。74HCT系列为系列为74HC系列的改进产品，它有和系列的改进产品，它有和TTL器件器件相同的高低电平相同的高低电平、逻辑功能和管脚布局逻辑功能和管脚布局，即完全兼容，即完全兼容TTL集集成电路，同时又有比成电路，同时又有比TTL集成电路小得多的功耗这一优点。集成电路小得多的功耗这一优点。47 目前，应用最多的是目前，应用最多的是TTLTTL和和CMOSCMOS两种类型的集成电路，两种类型的集成电路，其中其中TTLTTL主要应用于主要应用于SSI/MSISSI/MSI集成电路，集成电路，CMOSCMOS主要应用于主要应用于LSI/VLSILSI/VLSI集成电路如微处理器、存储器器集成电路如微处理器、存储器器件、微控制器、件、微控制器、A/DA/D和和D/AD/A转换器等。转换器等。TTLTTL和和CMOSCMOS两种类型的集成电路的不同点两种类型的集成电路的不同点:主要在于集成电路内部电路不同以及性能参数值不同，主要在于集成电路内部电路不同以及性能参数值不同，但但它它们们的的逻逻辑辑功功能能是是相相同同的的：例例如如：一一个个TTLTTL与与门门和和CMOSCMOS与与门门有相同的逻辑功能。有相同的逻辑功能。482.4.4 集成电路门的性能参数l数字集成电路的性能参数主要包括：数字集成电路的性能参数主要包括：u直流电源电压直流电源电压u输入输入/输出逻辑电平输出逻辑电平u输入输入/输出电流输出电流u传输延时传输延时u功耗功耗 49l直流电源电压直流电源电压 :（1）TTL集成电路的标准直流电源电压为集成电路的标准直流电源电压为5V，最低，最低4.5V，最高，最高5.5V。（2）CMOS集成电路的直流电源电压可以在集成电路的直流电源电压可以在318V之之间，间，74系列系列CMOS集成电路有集成电路有5V和和3.3V两种。两种。CMOS电路的一个优点是电源电压的允许范围比电路的一个优点是电源电压的允许范围比TTL电路大，如电路大，如5V CMOS电路当其电源电压在电路当其电源电压在26V范围内时能正常工作，范围内时能正常工作，3.3V CMOS电路当其电源电压电路当其电源电压在在23.6V范围内时能正常工作。范围内时能正常工作。50l标准标准TTL门的输入门的输入/输出逻辑电平输出逻辑电平:51lCMOS门的输入门的输入/输出逻辑电平输出逻辑电平(5V电源时电源时):0.33V4.4V52自测练习：自测练习：（1）对于）对于TTL集成电路，如用万用表测得某输出端集成电路，如用万用表测得某输出端电压为电压为2V，则输出电平为：，则输出电平为：(a)高电平高电平(b)低电平低电平 (c)既不是高电平也不是低电平既不是高电平也不是低电平（2）对于）对于TTL集成电路，集成电路，3V输入为（输入为（）输入。）输入。(a)禁止禁止 (b)高电平高电平(c)低电平低电平（3）对于）对于TTL集成电路，集成电路，0.5V输入为（输入为（）输入。）输入。(a)禁止禁止(b)高电平高电平(c)低电平低电平53l传输延迟时间传输延迟时间tpdl tPHL和和tPLH的定义（的定义（下图为非门的输入和输出波形）下图为非门的输入和输出波形）:54l输入输入/输出电流输出电流 （1）“拉电流拉电流”工作状态工作状态（2）“灌电流灌电流”工作状态工作状态l扇出系数扇出系数：一个门电路所能驱动其它门电路的数量。：一个门电路所能驱动其它门电路的数量。l扇出系数的计算公式为：扇出系数的计算公式为：55l功耗功耗功耗是指门电路通电工作时所消耗的功耗是指门电路通电工作时所消耗的电功率电功率，它等于电源电压它等于电源电压Vcc和电源电流和电源电流Icc的乘积，即功耗。的乘积，即功耗。56