数字逻辑第 3 章 组合逻辑电路

图3-11 OC门实现线与
图3-12 OC门作电平转换器
3-13 OC门作驱动器
2、三态输出门（TS门）
三态输出门（Three-State Logic ）， 简称TS门或三态门。三态门有三个输出状 态，除了高电平状态和低电平状态外，还 有一个高阻抗输出状态。图3-14为三态与 非门的典型电路及逻辑符号，它是在普通 与非门的基础上增加了控制端和控制电路 （图中虚框中）而构成的。
3.2 组合逻辑电路的基本概念
如果逻辑电路在任何时刻产生的稳定输出 “0”或“1”仅仅取决于该时刻各个输入端的取 值组合，而与过去的输入端取值无关，则称该电 路是组合逻辑电路。
组合逻辑电路由门 电路构成。 组合逻辑电路中没 有反馈回路，A1， A2， …，An输入的 取值组合通过逻辑 电路进行逻辑运算， 在输出端产生输出 值。
在本教材中，若无特殊说明，约定按正 逻辑讨论问题，所有门电路的符号均按正逻 辑表示。
3.1.2 半导体器件的开关特性
在数字电路中，经常将半导体二极管、 三极管和MOS管作为开关元件使用，它们 在电路中的工作状态有时导通，有时截止， 并能在信号的控制下进行两种状态的转换。 一个理想的开关，接通时阻抗应为零，断 开时阻抗应为无穷大，而这两种状态之间 的转换应该是瞬间完成的。但实际上这两 种状态之间的转换需要时间，转换时间的 长短反映了该器件开关速度的快慢。
1、集电极开路门
集电极开路 （Open Collector）门，简称OC 门，是指这种门的输出 级为集电极开路结构。 OC 门可以是与非门， 也可以是与门、或门等 完成各种逻辑功能的门。 图3-10分别给出了 集电极开路与非门的电 路结构及其逻辑符号。
OC与非门与普通与非门电路的差别仅 在于三极管VT5的集电极是开路的，这就 把一般TTL门电路的推拉式输出级改为三 极管集电极开路输出。由于内部并没有集 电极负载，使用时必须在电源和输出端之 间外接一个适当的上拉负载电阻RL，从而 保证即使输出低电平也不会因负载电流过 大而烧毁芯片。 下面给出了OC门的一些应用。
时才能导通，而VT5的基极电位由于钳位作用 维持在0.7V左右，故VT4截止。
当两个输入中至少一个为低电平时，
VT1的基极通过电阻R1接在+5V上， VT1饱和导通，则VT2的基极电位为低电 平，VT2进入截止状态。此时VT2的集电 极与发射极之间近似开路，导致流过R2、 R3的电流近似为0，这样在两个电阻上 几乎没有压降，所以VT5的基极电位接 近0V，导致VT5截止。而VT4基极通过 R2接到+5V，导致VT4饱和导通。因为 输出端空载，流过 VT4和VD3的仅是 VT5的漏电流，其值很小，则输出F点电 位近似为+3.6V（5V-0.7V-0.7V=3.6V）， 输出为高电平。 综上所述，整个电路实现了“与非” 关系，即 F A B
两大类晶体管 双极结型晶体管——DTL、TTL、ECL MOS 晶体管——NMOS、PMOS、CMOS
根据电路集成度规模分类
类别 小规模集成电路 （SSI） 集成度 TTL系列（1～10）门/片 MOS系列（10～100）元件/片 应用电路 通常为基本逻辑单元电路，如逻 辑门电路,触发器等。
中规模集成电路 （MSI）
当二极管正极与负极之间的电压差低于其导通阈值 时，二极管呈现很大的电阻，流过二极管的电流极小， 此为二极管的截止状态，可以等效为二极管两端断开。 二极管由反向截止转换为正向导通所需的时间，一 般称为开启时间。因为二极管正向导通时电阻很小，与 二极管内PN 结等效电容并联之后，电容作用不明显，
所以转换时间很短，一般可以忽略不计。二极管由正向
第 3 章 组合逻辑电路
3.1 逻辑门电路 3.2 组合逻辑电路的基本概念 3.3 组合逻辑电路的分析 3.4 组合逻辑电路的设计 3.5 常用组合逻辑集成电路
3.1 逻辑门电路
逻辑门电路的发展
电 子 管
分 晶 立 体 元 管 件 （ 集 SSI（100以下） 成 2 3 电 MSI（ 10 ~10 ） 路 LSI（ 103~104） 超大规模 VLSI （104以上）
TTL系列>1000门/片 MOS系列>1万元件/片
通常可构成一个完整的数字系统， 如单片微处理机。
3.1.1 逻辑电平与正、负逻辑
1. 逻辑电平 在数字电路中，用逻辑电平来表示逻辑变量的逻 辑状态0和1。逻辑电平有高电平（H）和低电平 （L）之分，高电平表示一种状态，而低电平则 表示另一种不同的状态，它们表示的都是一定的 电压范围，而不是一个固定不变的值。例如在 TTL电路中，常常规定标准高电平VH=3.6V，标 准低电平为VL=0.2V。
3.1.3 TTL与非逻辑门
1、TTL与非门电路组成 图3-6为TTL与非门典型 电路，它由输入级、中间级 和输出级三部分组成。 VT 1是一个多发射极三 极管，其等效电路如右下图， 在功能上可以粗略的等效为 一个与门。 中间级起放大作用，输 出级起反相作用。
图3-6 TTL 与非门
2、TTL与非门电路工作原理
（3）开门电平VON与关门电平VOFF 与非门在额定负载下输出达到标准低 电平VSL时，允许输入的高电平的最小值 称为开门电平VON。只有输入电平大于VON， 与非门才进入开门状态，输出低电平。即 开门电平VON是为使与非门进入开通状态 所需要输入的最低电平。VON的典型值为 1.5V，产品规范值为VON≤1.8V。当输入高 电平受负向干扰而降低时，只要不小于开 门电平VON，输出仍然保持低电平。所以 开门电平愈小，表明电路抗负向干扰能力 愈强。
导通转换为反向截止所需的时间，一般称为关断时间。 二极管反向截止时电阻很大，PN 结等效电容作用明显
，充放电时间长，一般开关管的关断时间大约是几纳秒
。
利用二极管的单向导电开关特性，可以用它 构成逻辑门。图3-3、3-4分别给出了二极管构成 的与门与或门的电路图。
图3-3 二极管构成的与门
图 3-4 二极管构成的或门
3.1.4 OC门和TS门
由于数字电路系统的需要，有时要将 多个逻辑电路的输出连接在一起，形成一 个总线结构。但前面所述的使用推拉输出 结构的逻辑门无论出于开态还是关态，输 出都呈现低阻抗，则在总线结构下，当两 个输出电平不同时，不仅无法确定此时的 输出逻辑电平，还会有一个很大的电流流 过两个门的输出级，造成负载电流过大而 烧毁芯片。集电极开路输出门（OC门） 和三态输出门（TS门）正好可以解决这个 问题。
1. 半导体二极管的开关特性
在数字电路中，二极管可以等效成一 个单向导电的开关。当正极与负极之间的 电压差达到某个导通阈值（一般锗管约 0.1V，硅管约0.5V）后，二极管内可以流 过很大的电流，此为二极管的导通状态。 在导通状态下二极管的电阻很小，几乎可 以等效为一个接通的开关。尽管在导通状 态下流过二极管的电流可以继续增大，但 是二极管两端的电压几乎维持在导通阈值 电压附近不变（这是二极管的钳位作用)。
图3-17 组合逻辑电路结构
3.3 组合逻辑电路的分析
组合逻辑电路的分析是根据给定的组 合逻辑电路，找出输入值与输出值之间的 逻辑关系。也就是，当输入“0”或“1” 确定以后，经过逻辑电路运算，它的输出 值是什么。当输入值“0”或“1”变化后， 它的输出值又是什么。因此，通过对组合 逻辑电路的分析，能够得到该组合逻辑电 路的功能。
与非门输出空载时，使输出电平达到标准高 电平VSH的输入电平称为关门电平VOFF，它表示 使与非门关断所允许的最大输入电平。VOFF 的 典型值为1V，产品规范值VOFF≥0.8V。当输入低 电平受正向干扰而增加时，只要不大于关门电平 VOFF，输出仍能保持高电平。所以关门电平愈大， 表明电路抗正向干扰能力愈强。 （4）扇出系数NO 扇出系数是指一个与非门输出端连接同类门 的最多个数，它表示与非门的带负载能力。对 TTL与非门，NO ≥ 8。
3.3.1 组合逻辑电路的分析方法
( 1 ) 根据组合逻辑电路图，写出输出逻辑 函数表达式 ( 2 ) 化简输出逻辑函数表达式 ( 3 ) 列出输出逻辑函数真值表 ( 4 ) 逻辑功能评述
对于图3-5（a）的电路， 当输入电压Vi为高电平，三极 管进入饱和导通，输出为低电 平（Vce近似为0）。 当输入电压Vi为低电平时， 基极与发射极间二极管截止， 此时三极管处于截止状态，输 出为高电平（Vce接近为 +5V）。 三极管开关电路就是一个 “非”门，又称为反相器，其 输出的电压特性如图3-5（b） 所示。
2. 半导体三极管的开关特性
半导体三极管具有三个电极，如图3-5(a) 所示，分别是基极(b)、发射极(e)和集电极(c)。 在数字电路中，半导体三极管总是工作在两 个开关状态：饱和导通状态和截止状态，应 该避免放大状态的出现。 三极管进入饱和导通状态的条件就是基 极与发射极之间的电压差到达二极管的导通 阈值（0.7V左右）。三极管进入截止状态的 条件是基极与发射极之间的二极管截止。
。
3、TTL逻辑门的外特性
主要特征参数： （1）标称逻辑电平 门电路的逻辑功能是通过指定低电平表示“0”、 高电平表示“1”来实现的。这种表示逻辑值 “0”和“1”的理想电平值称为标称逻辑电平， 其值分别为0V、5V。 （2）输出高电平VOH与输出低电平VOL 与非门至少有一个输入端接低电平时的输出电 平称为输出高电平，记作VOH。VOH的典型值是 3.6V，产品规范值为VOH≥2.4V，标准高电平 VSH=2.4V。 与非门输入全为高电平时的输出电平称为输出低 电平，记作VOL。VOL的典型值是0.3V，产品规 范值为VOL≤0.4V，标准低电平VSL=0.4V。
图3-14 三态与非门电路和逻辑符号
上面两个电路的使能端工作电平相反：一个是高电平， 一个是低电平，使能端符号不同。
三态门的基本用途就是能够实现用一根导线 轮流传输几个不同的数据或控制信号。通常将接 受多个门的输出信号的线称为总线。