逻辑运算与集成逻辑门ppt.ppt

1 第二章 基本逻辑运算与集成逻辑门 2 2 1基本逻辑关系 2 2门电路概述 2 3TTL与非门 2 4其它类型的TTL门电路 2 5MOS门电路 3 逻辑变量 逻辑函数 真值表 一 逻辑函数与逻辑变量 一个结论成立与否 取决于与其相关的前提条件是否成立 结论与前提条件之间的因果关系叫逻辑函数 通常记作 F f A B C 逻辑函数F也是一个逻辑变量 叫做因变量或输出变量 A B C 叫做自变量或输入变量 4 逻辑变量只有 真 假 两种可能 在逻辑数学中 把 真 假 称为逻辑变量的取值 简称逻辑值 通常用 1 表示 真 用 0 表示 假 称之为正逻辑 二 真值表 描述逻辑函数F与逻辑变量 A B C 之间真假关系的表格 称之为真值表 5 基本逻辑关系 与 and 或 or 非 not 2 1基本逻辑关系 一 与 逻辑 与逻辑 决定事件发生的各条件中 所有条件都具备 事件才会发生 成立 规定 开关合为逻辑 1 开关断为逻辑 0 灯亮为逻辑 1 灯灭为逻辑 0 6 逻辑符号 逻辑式 F A B C 逻辑乘法逻辑与 真值表 真值表特点 任0则0 全1则1 与逻辑运算规则 0 0 00 1 01 0 01 1 1 7 二 或 逻辑 或逻辑 决定事件发生的各条件中 有一个或一个以上的条件具备 事件就会发生 成立 规定 开关合为逻辑 1 开关断为逻辑 0 灯亮为逻辑 1 灯灭为逻辑 0 8 真值表 逻辑符号 逻辑式 F A B C 逻辑加法逻辑或 真值表特点 任1则1 全0则0 或逻辑运算规则 0 0 00 1 11 0 11 1 1 9 三 非 逻辑 非 逻辑 决定事件发生的条件只有一个 条件不具备时事件发生 成立 条件具备时事件不发生 规定 开关合为逻辑 1 开关断为逻辑 0 灯亮为逻辑 1 灯灭为逻辑 0 10 逻辑符号 逻辑非逻辑反 真值表特点 1则0 0则1 逻辑式 运算规则 11 四 几种常用的逻辑关系逻辑 与 或 非 是三种基本的逻辑关系 任何其它的逻辑关系都可以以它们为基础表示 与非 条件A B C都具备 则F不发生 其他几种常用的逻辑关系如下表 12 或非 条件A B C任一具备 则F不发生 异或 条件A B有一个具备 另一个不具备则F发生 同或 条件A B相同 则F发生 13 与或非运算 逻辑表达式为 14 基本逻辑关系小结 15 门电路的作用 是用以实现逻辑关系的电子电路 与基本逻辑关系相对应 门电路的主要类型 与门 或门 与非门 或非门 异或门等 门电路的输出状态与赋值对应关系 正逻辑 高电位对应 1 低电位对应 0 混合逻辑 输入用正逻辑 输出用负逻辑 或者输入用负逻辑 输出用正逻辑 一般采用正逻辑 负逻辑 高电位对应 0 低电位对应 1 2 2门电路概述 16 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 K开 VO输出高电平 对应 1 K合 VO输出低电平 对应 0 17 门 电子开关 满足一定条件时 电路允许信号通过 开关接通 开门状态 关门状态 条件不满足时 信号通不过 开关断开 18 开关作用 二极管 反向截止 开关接通 开关断开 三极管 C E 饱和区 截止区 开关接通 开关断开 正向导通 19 三极管的开关特性 20 一 二极管与门和或门电路1 与门电路 21 2 或门电路 22 二 三极管非门电路 23 1 体积大 工作不可靠 2 需要不同电源 3 各种门的输入 输出电平不匹配 分立元件门电路的缺点 采用类似的方法还可以构成或非门 异或门等 24 2 3TTL与非门 数字集成电路 在一块半导体基片上制作出一个完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线 使用时接 电源 输入和输出 数字集成电路具有体积小 可靠性高 速度快 而且价格便宜的特点 TTL型电路 输入和输出端结构都采用了半导体晶体管 称之为 Transistor TransistorLogic 25 2 3 1TTL与非门的基本原理 一 结构 26 输入级 输出级 中间级 T1 多发射极晶体管 实现 与 运算 27 非 与非门 输出级 与 28 1 任一输入为低电平 0 3V 时 0 7V 不足以让T2 T5导通 二 工作原理 29 0 7V uo 5 uR2 ube3 ube4 3 4V高电平 逻辑关系 任0则1 30 电位被嵌在2 1V 全反偏 1V 2 输入全为高电平 3 4V 时 31 全反偏 uF 0 3V 逻辑关系 全1则0 32 一 电压传输特性 2 3 2TTL与非门的特性和技术参数 33 UOL 0 3V 传输特性曲线 UOL 0 3V 阈值UT 1 4V 理想的传输特性 输出高电平 输出低点平 34 1 输出高电平UOH 输出低电平UOL UOH 2 4VUOL 0 4V便认为合格 典型值UOH 3 4VUOL 0 3V 2 阈值电压UT ui UT时 认为ui是低电平 ui UT时 认为ui是高电平 UT 1 4V 35 二 输入 输出负载特性 1 前后级之间电流的联系 分两种情况讨论 1 前级输出为高电平时 2 前级输出为低电平时 36 前级输出为高电平时 前级 后级 级间电流 流出前级 记为IOH 拉电流 拉电流能力 维持UOH时 所允许的最大拉电流值 37 前级输出为低电平时 前级 后级 级间电流 流入前级 记为IOL 约1 4mA 称为灌电流 38 灌电流的计算 39 2 扇出系数 扇出系数 与非门电路输出能驱动同类门的个数 前级输出为高电平时 40 前级输出为低电平时 41 3 输入端通过电阻R接地 问题 这时 输入是 1 还是 0 42 R较小时 ui UT T2不导通 输出高电平 R增大时 R ui ui UT时 输出低电平 43 计算临界电阻值 即 当R 1 45k 时 可以认为输入为 1 当R 1 45k 时 可以认为输入为 0 44 以上分析说明 悬空的输入端相当于接高电平 为了防止干扰 一般将悬空的输入端接高电平 TTL与非门在使用时多余输入端处理 1 接 5V 2 若悬空 UI 1 3 输入端并联使用 45 4 平均传输时间 tpd1 tpd2 典型值 3 10ns 46 如 TTL门电路芯片 四2输入与非门 型号74LS00 地GND TTL门电路芯片简介 外形 电源VCC 5V 47 2 4其它类型的TTL门电路 2 4 1集电极开路的与非门 OC门 一 问题的提出 标准TTL与非门进行与运算 能否 线与 OpenCollector 48 TTL与非门的输出电阻很低 这时 直接线与会使电流i剧烈增加 i 功耗 T4热击穿 UOL 与非门2 不允许直接 线与 与非门1截止 与非门2导通 UOH UOL 与非门1 问题 TTL与非门能否直接线与 49 集电极悬空 应用时输出端要接一上拉负载电阻RL 二 OC门结构 特点 RL和UCC可以外接 50 1 OC门可以实现 线与 功能 分析 F1 F2 F3任一导通 则F 0 F1 F2 F3全截止 则F 1 F F1F2F3 OC门的应用 51 实现电平转换 抬高输出高电平 OC门输出的低电平UOL UCES5 0 3V 高电平UOH UCC ICEO5RC UCC 所以 改变电源电压可以方便地改变其输出高电平 OC门的这一特性 被广泛用于数字系统的接口电路 实现前级和后级的电平匹配 52 驱动非逻辑性负载 图2 22 a 是用来驱动发光二极管 LED 的 当OC门输出UOL时 LED导通发光 当OC门输出UOH时 LED截止熄灭 53 2 4 2三态门 E 控制端 一 结构 54 二 工作原理 1 控制端E 0时的工作情况 55 2 控制端E 1时的工作情况 56 功能表 三 三态门的符号及功能表 功能表 57 三态门主要作为TTL电路与总线间的接口电路 四 三态门的用途 工作时 E1 E2 E3分时接入高电平 58 2 5MOS门电路 MOS电路的特点 2 是电压控制元件 静态功耗小 3 允许电源电压范围宽 3 18V 4 扇出系数大 抗噪声容限大 优点 1 工艺简单 集成度高 缺点 工作速度比TTL低 59 2 5 1CMOS反相器 1 工作原理 vi vGSN vGSP TN TP vO 0V 0V 10V 截止 导通 10V 10V 10V 0V 导通 截止 0V VTN 2V VTP 2V 逻辑图 逻辑表达式 60 与非门 1 CMOS与非门 a 电路结构 b 工作原理 VTN 2V VTP 2V 2 5 2CMOS逻辑门 61 或非门 2 CMOS或非门 VTN 2V VTP 2V N输入的或非门的电路的结构 输入端增加有什么问题 62 1 CMOS漏极开路门的提出 输出短接 在一定情况下会产生低阻通路 大电流有可能导致器件的损毁 并且无法确定输出是高电平还是低电平 2 5 3CMOS漏极开路 OD 门 0 1 63 2 漏极开路门的结构与逻辑符号 c 可以实现线与功能 电路 逻辑符号 b 与非逻辑不变 漏极开路门输出连接 a 工作时必须外接电源和电阻 64 2 上拉电阻对OD门动态性能的影响 Rp的值愈小 负载电容的充电时间常数亦愈小 因而开关速度愈快 但功耗大 且可能使输出电流超过允许的最大值IOL max 电路带电容负载 Rp的值大 可保证输出电流不能超过允许的最大值IOL max 功耗小 但负载电容的充电时间常数亦愈大 开关速度因而愈慢 65 只有一个OD门导通 为保证低电平输出OD门的输出电流不能超过允许的最大值IOL max 且VO VOL max RP不能太小 当VO VOL IIL total 66 当VO VOH 为使得高电平不低于规定的VIH的最小值 则Rp的选择不能过大 67 2 5 4CMOS传输门 双向模拟开关 1 CMOS传输门电路 逻辑符号 68 V1管 当UGBN UTN时 V1产生沟道 当UGBNUTP时 V2的沟道消失 69 2 CMOS传输门电路的工作原理 GSN VTN TN截止 开关断开 不能转送信号 GSP 0 TP截止 70 2 CMOS传输门电路的工作原理 GSN VTN TN导通 开关闭合 能转送信号 UGBP UTP TP导通 71 把一个传输门TG和一个非门按图2 30 a 连接起来 即可构成模拟开关 其符号如图2 30 b 所示 当C 1时 开关接通 当C 0时 开关断开 该模拟开关也是双向器件 图2 30CMOS模拟开关 a 电路 b 符号 72 2 5 5CMOS三态门电路 1 0 0 1 1 截止 导通 1 0 0 截止 导通 0 1 0 截止 截止 X 1 逻辑功能 高电平有效的同相逻辑门 0 1 73 CMOS逻辑集成器件发展使它的技术参数从总体上来说已经达到或者超过TTL器件的水平 CMOS器件的功耗低 扇出数大 噪声容限大 静态功耗小 动态功耗随频率的增加而增加 2 6CMOS逻辑门电路的技术参数 CMOS门电路各系列的性能比较