逻辑运算与集成逻辑门.ppt

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1、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2.3 TTL与非门2.4 其它类型的TTL门电路2.5 MOS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

2、函数F与逻辑变量A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=ABC,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=0 0 1=01 0=0 1 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

3、”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=0 0+1=11+0=1 1+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

4、：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

5、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。

6、,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。,24,2.3 TTL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 Transistor Logic。,25,2.3.1 TTL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

7、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-ube43.4V 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,2.3.2 TTL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,UOH2.4V UOL 0.4V 便认为合格。,典型值UOH=3.4V

8、 UOL=0.3V。,2.阈值电压UT,uiUT时，认为ui是低电平。,uiUT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

9、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：uiUT，T2不导通，输出高电平。,R增大时：Ruiui=UT时，输出低电平。,43,计算临界电阻值：,即：当R1.45k时，可以认为输入为“1”；当R1.45k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 10 ns,46,如：TTL门电路芯片（四2输入与

10、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”？,（Open Collector),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。,

11、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=UCES50.3V，高电平UOH=UCC-ICEO5RCUCC。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

12、,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。,58,2.5 MOS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（318V）。,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,CMOS 反相器,1.工作原理,vi,vGSN,vGSP,TN,TP,vO,0 V,0V,-10V,截止,导通,10 V,10 V,10

13、V,0V,导通,截止,0 V,VTN=2 V,VTP=-2 V,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=2 V,VTP=-2 V,2.5.2 CMOS 逻辑门,61,或非门,2.CMOS 或非门,VTN=2 V,VTP=-2 V,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。,2.5.3 CMOS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

14、,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

15、得高电平不低于规定的VIH的最小值，则Rp的选择不能过大。,67,2.5.4 CMOS传输门(双向模拟开关),1.CMOS传输门电路,逻辑符号,68,V1管，当UGBNUTN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,GSP0,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,UGBPUTP,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 30 CMOS模拟开关(a)电路；(b)符号,72,2.5.5 CMOS 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。,2.6 CMOS逻辑门电路的技术参数,CMOS门电路各系列的性能比较,