J--《电工电子技术基础》电子教案-电工电子技术课件-第9章---组合逻辑电路

2004年12月制作曾令琴主编曾令琴第二篇第9章组合逻辑电路9.1门电路9.2组合逻辑电路分析基础9.3编码器9.4译码显示电路9.5数值比较器和数据选择器第二篇9.1门电路9.1.1模拟电路与数字电路的区别9.1.2基本门电路9.1.3复合门电路9.1.4集成门电路问题与讨论第2页9.1门电路10.1.1模拟电路与数字电路的区别模拟信号：在时间上和数值上连续的信号。数字信号：在时间上和数值上不连续的（即离散的）信号。uu模拟信号波形数字信号波形tt对模拟信号进行传输、处理的电子线路称为模拟电路。对数字信号进行传输、处理的电子线路称为数字电路。第2页（1）工作信号是二进制的数字信号，在时间上和数值上是离散的（不连续），反映在电路上就是低电平和高电平两种状态（即0和1两个逻辑值）。（2）在数字电路中，研究的主要问题是电路的逻辑功能，即输入信号的状态和输出信号的状态之间的逻辑关系。（3）对组成数字电路的元器件的精度要求不高，只要在工作时能够可靠地区分0和1两种状态即可。数字电路的特点第2页（1）便于集成与系列化生产，成本低廉，使用方便；（2）工作准确可靠，精度高，搞干扰能力强。（3）不仅能完成数值计算，还能完成逻辑运算和判断，运算速度快，保密性强。（4）维修方便，故障的识别和判断较为容易。2.数字电路的优点数字电路的优越性能使其得到广泛的应用和迅猛的发展。数字电路不仅在计算机、通信技术中应用广泛，而且在医疗、检测、控制、自动化生产线以及人们的日常生活中，也都产生了越来越深刻的影响。第2页获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件（二极管、三极管）的导通、截止（即开、关）两种工作状态来实现。逻辑0和逻辑1：电子电路中通常把高电平表示为逻辑1；把低电平表示为逻辑0。（正逻辑）逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。简称门电路。基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。9.1.2基本门电路第2页1.“与”门电路当决定某事件的全部条件同时具备时，结果才会发生，这种因果关系叫做“与”逻辑，也称为逻辑乘。（1）“与”逻辑关系+UCC(+5V)RFD1AD2B3V0VuAuBuFD1D20V0V0V3V3V0V3V3V0V0V0V3V导通导通导通截止截止导通导通导通F=AB与逻辑功能：有0出0，全1出1。第2页ABF&ABF000110110001“与”门真值表“与”门电路图符号一个“与”门的输入端至少为两个，输出端只有一个。（2）实现与逻辑关系的电路称为与门。第2页“与”逻辑（逻辑乘）的运算规则111001010000与门的输入端可以有多个。下图为一个三输入与门电路的输入信号A、B、C和输出信号F的波形图。ABCF有0出0有0出0全1出1第2页2.“或”门电路当某事件发生的全部条件中至少有一个条件满足时，事件必然发生，当全部条件都不满足时，事件决不会发生，这种因果关系叫做“或”逻辑，也称为逻辑加。（1）“或”逻辑关系uAuBuFD1D20V0V0V3V3V0V3V3V0V3V3V3V截止截止截止导通导通截止导通导通F=A+B或逻辑功能：有1出1，全0出0。D13V0VD2ABFR第2页（2）实现或逻辑关系的电路称为或门。ABF≥1ABF000110110111“或”门真值表“或”门电路图符号一个“或”门的输入端也是至少两个，输出端只有一个。第2页“或”逻辑（逻辑加）的运算规则111101110000或门的输入端也可以有多个。下图为一个三输入或门电路的输入信号A、B、C和输出信号F的波形图。ABCF全0出0全0出0有1出1第2页3.“非”门电路当某事件相关的条件不满足时，事件必然发生；当条件满足时，事件决不会发生，这种因果关系叫做“非”逻辑。（1）“非”逻辑关系非逻辑功能：给1出0，给0出1。F=AA+UCCF原理电路图1逻辑图符号AFRCRB1RB2-UBBT输入A为高电平1(3V)时，三极管饱和导通，输出F为低电平0（0V)；输入A为低电平0(0V)时，三极管截止，输出F为高电平1（3V)。第2页AF0110逻辑非（逻辑反）的运算规则0110“非”门真值表一个“非”门的输入端只有1个，输出端只有一个。第2页9.1.3复合门电路将与门、或门、非门组合起来，可以构成多种复合门电路。AB&F(b)逻辑符号ABF&1(a)与非门的构成ABF由与门和非门构成与非门1.与非门ABF000110111110与非门的逻辑功能：有0出1；全1出0。与非门真值表第2页(a)74LS00的引脚排列图电源1234567&&&&141312111098地(b)74LS20的引脚排列图&&1234567141312111098电源地内含4个两输入端的与非门，电源线及地线公用。内含两个4输入端的与非门，电源线及地线公用。第2页AB≥1F(b)逻辑符号ABF≥11(a)或非门的构成BAF由或门和非门构成或非门ABF000110111000或非门的逻辑功能：全0出1；有1出0。或非门真值表2.或非门第2页CDABF3.与或非门CD≥1F(b)逻辑符号ABF&1(a)或非门的构成&&&≥1ABCD第2页AB=1F同或门的图符号ABF=1异或门的图符号BABABAF异或门和同或门的逻辑图符号ABF000110110110异或门功能：相异出1；相同出0。异或门真值表4.异或门ABF000110111001同或门真值表BABAF同或门功能：相同出1；相异出0。5.同或门第2页9.1.4集成门电路R5R1+UccR2R3AFT1T2T3T5BCR4T4F1ABCF1+UccR1等效电路1.TTL集成电路输出级中T3、T4复合管电路构成达林顿电路，与电阻R5作为T5的负载，不仅可降低电路的输出电阻，提高其负载能力，还可改善门电路输出波形，提高工作速度。输入级输入级等效电路显然F1=ABC相当与门。中间级中间级也称倒相级，即在T2的集电级和发射级同时输出两个相位相反的信号。推拉式输出级第2页TTL与非门的工作原理R5R1+UccR2R3AFT1T2T3T5BCR4T4F1输入信号中至少有一个为低电平（0.3V）时，低电平所对应的PN结导通，T1的基极电位被固定在1V（0.3+0.7）。1V①输入端只要有一个为低电平，T1基极电位就会固定在1V，导致T1深度饱和，F1电位为低电平0.3V。T2、T5截止；0.3V截止截止饱和饱和V6.37.07.05BE4BE32B3CCFUURIUU有0出1；T3、T4饱和导通（通过Ucc，R2）；TTL与非门的输出电位为：第2页R5R1+UccR2R3AFT1T2T3T5BCR4T4F1输入信号全部为高电平（3.6V）时，电源UCC经R1、T1集电结向T2、T5基极提供电流，T2、T5发射结导通后，T1基极电位被钳位在2.1V。0.7+0.7+0.7=2.1V2.1V①输入端全部为高电平时，T1基极电位就会钳位在2.1V，使T1输出电位F1为1.4V，T1处于倒置工作状态（即发射结反偏，集电结正偏）。0.7V截止微导通0.7V0.7VV3.0T5FUU全1出0。T1在此状态下β值较小，因此T2、T5饱和，T3微导通，T4截止；TTL与非门的输出电位等于T5的饱和电位值：0V1.4V饱和饱和第2页CBAFABCF00000101001110010111011111111110功能真值表逻辑表达式输入有0，输出为1；输入全1，输出为0。&ABCF与非门图符号第2页（2）集电极开路的TTL与非门（OC门）实际使用中，若将两个或多个逻辑门的输出端直接与总线相连，就会得到附加的“线与”逻辑功能。上面讲到的普通TTL与非门，由于采用了推拉式输出电路，因此其输出电阻很低，使用时输出端不能长久接地或与电源短接。因此不能直接让输出端与总线相连，即不允许直接进行上述“线与”。FR5UccT3T5T4R5UccT3T5T4G1G2线与多个普通TTL与非门电路的输出端也不能连接在一起后上总线。因为，当它们的输出端连接在一起上到总线上，只要有一个与非门的输出为高电平时，这个高电平输出端就会直接与其它低电平输出端连通而形成通路，总线上就会有一个很大的电流Ic由高电平输出端经总线流向低电平输出端的门电路，该门电路将因功耗过大而极易烧毁。第2页解决的办法：集电极开路，如左下图所示，称为集电极开路的与非门，简称OC门。R1UccR2R3AFT1T2T5BCOC门在结构上将一般TTL门输出级的有源负载部分（如普通TTL与非门中的T3、T4、R4）去除,输出级晶体管T5的集电极在集成电路内部不连接任何元件，直接作为输出端（集电极开路）。OC门在使用时，应根据负载的大小和要求，合理选择外接电阻RC的数值，并将RC和电源UCC连接在OC门的输出端。另外OC门还可以实现总线传输。RCRcUccF&&&总线OC门不但可以实现“线与”逻辑；还可以作为接口电路实现逻辑电平的转换；第2页R5R1+UccR2R3AFT1T2T3T5BR4T4F1（3）三态门三态门具有三种输出状态：高电平、低电平和高阻状态。END1D2R电路分析：①当EN=1时，二极管D2截止，此时三态门是普通的与非门电路；F=AB；②当EN=0时（有效状态），T1饱和，T2、T4截止，同时D1导通使T3、T5也截止。这时从外往输入端看进去，电路呈现高阻态；因为三态门在EN=1时为普通与非门，有高、低电平两种状态，在EN=0时为高阻态，共有三种状态，因此称为三态门。三态门的逻辑符号如下：ABE/DFEN&第2页ENABF1001011101110××1110高阻态三态门真值表三态门主要用于总线结构，实现用一根导线轮流传送多路数据。通常把用于传输多个门输出信号的导线叫做总线（母线）。如下图所示。只要控制端轮流地出现高电平（每一时刻只允许一个门正常工作），总线上就轮流送出各个与非门的输出信号，由此可省去大量的机内连线。总线（BUS）D1E/D1&ENL1……D2E/D2&ENL2DnE/Dn&ENLn第2页（1）CMOS反相器1.CMOS门电路工作管T1为N沟道增强型MOS管，负载管T2为P沟道增强型MOS管，两管的漏极接在一起作为电路的输出端，两管的栅极接在一起作为电路的输入端，T1、T2源极与其衬底相连，一个接地，一个接电源uiUDDT1T2u0NMOS管PMOS管如果要使电路中的绝缘栅型场效应管形成导电沟道，T1的栅源电压必须大于开启电压的值，T2的栅源电压必须低于开启电压的值，所以，为使电路正常工作，电源电压UDD必须大于两管开启电压的绝对值之和。工作原理：（1）ui＝0V时，T1截止，T2导通。输出电压u0＝UDD；（2）ui＝UDD时，T1导通，T2截止。输出电压u0＝0V。第2页（2）CMOS传输门和模拟开关CPuiUDDu0TNTP工作原理：设高电平为10V，低电平为0V，电源电压为10V。开启电压为3V。①在CP＝“1”，若输入电压为0V～7V，则TN的栅源电压不低于3V，因此TN管导通；若输入电压为3V～10V，同理，TP管导通，即在输入电压为0V～10V的范围内，至少有一个管子是导通的。输入电压可以传送到输出端。此时传输门相当于接通的开关。②当CP＝“0”，无论输入电压在0V～10V之间如何变化，栅极和源极之间的电压无法满足管子导通沟道产生的条件，所以两个管子都截止，输入电压无法传送到输出端。此时传输门相当于断开的开关。当传输门的控制信号由一个非门的输入和输出来提供时，就构成一个模拟开关，其电路和原理不再叙述。第2页讨论题F=ABC是三输入的与门；G是非门。TTL门的逻辑高电平约为3.6V；低电平约为0.3V。CMOS门的逻辑高电平约为5~10V,低电平约为0~0.4V.使用时特别要注意CMOS门芯片不用的输入端不能悬空！其他注意事项可参看课本。TTL门和CMOS门的逻辑高电平和逻辑低电平大约为多少？使用时两类门各要注意些什么？两个TTL与非门的输出端可以直接连接吗？为