组合逻辑电路部分

+ 10V
&
L1
L
&
L2
&
VO
270Ω
（3）用做驱动器。 如图是用来驱动发光二极管的电路。
&
OC门进行线与时，外接上拉电阻RP的选择：
（1）当输出高电平时，
RP不能太大。RP为最大值时要保证输出电压为VOH（min）。
' 由： VCC-VOH（min）= m IIHRP（max）
+VCC RP
得：
第五讲 组合逻辑电路
本讲重点：
1、了解数字电路的一些基本概念和基本的 逻辑门电路。 2、掌握利用代数法和卡诺图法两种方法对 逻辑表达式进行化简。 3、掌握组合逻辑电路的分析和设计方法。
5.1 数字电路的基本概念
一、模拟信号与数字信号
模拟信号——时间连续数值也连续的信号。如速度、压 力、温度等。 数字信号——在时间上和数值上均是离散的。如电子表 的秒信号，生产线上记录零件个数的记数信号等。 数字信号在电路中常表现为突变的电压或电流。 V(V)
V DD (+12V) RDS2 (100～ 200kΩ )
T2 V o Vi T1
T2 V o Vi T1
Vo R DS1 (3～10kΩ )
逻辑关系：（设两管的开启电压为VT1=VT2=4V，且gm1＞＞gm2 ）
（1）当输入Vi为高电平8V时，T1导通，T2也导通。因为gm1＞＞gm2， 所以两管的导通电阻RDS1＜＜RDS2，输出电压为：
R c2 V c2
1
R b1
1
3
EN
T 24
D
3 3 1
A B G 1
T1
D 1
T2 2
3 1
L T3 2
去掉非门 G ，则 EN=1 时，为工 作状态， EN=0 时，为高阻态。
p
EN
EN
△
R e2
A B
&
△
R c4
+V CC
A B
&
L
L
（2）三态门的应用
三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。 （a）组成单向总线——实现信号的分时单向传送。 （b）组成双向总线， 实现信号的分时双向传送。
均传输延迟时间约为10ns。
V DD TP 导通 V i =0 TN 截止 VO = 1
C
V DD TP 截止 Vi = 1 TN 导通 VO = 0
CL
L
(a)
(b)
三、其他的CMOS门电路
1．CMOS与非门和或非门电路 （1）与非门
V DD
（2）或非门
V DD
TP2
TP1 L
A B
TP1 TP2 L TN1 TN2
下图为采用正逻辑体制所表的示逻辑信号：
逻辑1 逻辑1
逻辑0
逻辑0
逻辑0
V (V)
图中所示
为三个周期相
5 (a) 0 t (ms)
同（T=20ms），
但幅度、脉冲 宽度及占空比 各不相同的数 字信号。
(c) (b)
10 V (V)
20
30
40
50
3.6
0 10
10 V (V)
20
30
40
50
t (ms)
件不具备时事情才发生。
二、其他常用逻辑运算
1．与非 —— 由与运算 和 非运算组合而 成。
“与非”真值 表 输 入 输出
A
0 0 1 1
B
0 1 0 1
L
1 1 1 0
A B
&
L=A· B
2．或非 ——
“或非”真值 表 输 入 输出 A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 L 1 0 0 0
A B ≥1 L=A+B
由或运算和
非运算组合 而成。
3．异或
异或是一种二变量逻辑运算，当两个变量取值相同时， 逻辑函数值为0；当两个变量取值不同时，逻辑函数值为1。 异或的逻辑表达式为： L A B
“异或”真值 表 输 入 输出 A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 L 0 1 1 0
A B
=1
L=A + B
三、TTL与非门举例——7400
1
+V CC R b1 Rc2
3 1
R c4 T 25
1 3
T4
2
3 1 3
A B C
T1
T2 2
1
R e5 Vo
3
T3 2
7．74ALS系列——为先进低
功耗肖特基系列。
R b6
1
Hale Waihona Puke Baidu
Rc6
3
T 26
5.3
MOS逻辑门电路
一、 NMOS门电路 1．NMOS非门
V DD (+12V)
V DD (+12V)
与非真值表
T3 L=AB A B T1 T2
输 A 0 0 1 1
入 B 0 1 0 1
输出 L 1 1 1 0
（2）或非门
V DD (+12V)
或非真值表 输 入 B 0 1 0 1 输出 L 1 0 0 0
T3 L=A+B A T1 B T2
A 0 0 1 1
二、CMOS非门
CMOS 逻辑门电路是由 N 沟道 MOSFET 和 P 沟道 MOSFET 互 补而成。
G1
△
总线 A1 B1 EN1 A2 B2 EN2 A3 B3 EN3 & EN & EN & EN G3 G2 G1
△ △ △
总线
DI EN
1 EN
D I / DO
1 DO
△
EN
G2
五、TTL集成逻辑门电路系列简介
1．74系列——为TTL集成电路的早期产品，属中速TTL器件。 2．74L系列——为低功耗TTL系列，又称LTTL系列。
L A B X A B A B A B A B A B
V DD
A X B L =A + B
3 ．CMOS三态门
当EN=0时，TP2和TN2同时导通，为正常的非门， 输出 L A
当EN=1时，TP2和TN2同时截止，输出为高阻状态。 所以，这是一个低电平有效的三态门。
3．74H系列——为高速TTL系列。
4．74S系列——为肖特基TTL系列，进一步提高了速度。 74S系列的几点改进：
（1）采用了抗饱和三极管
c
c 3 1 2 e
3 b 1 2 e
b
74S系列的几点改进：
（1）采用了抗饱和三极管 （2）将Re2用“有源泄放电路代替”。 （3）输出级采用了达林顿结构。 （4）输入端加了三个保护二极管。 5 ． 74LS 系列 —— 为低功耗肖 特基系列。 6 ． 74AS 系列 —— 为先进肖特 基系列，
5 t(ms)
0
10
20
30 40
50
二、正逻辑与负逻辑
数字信号是一种二值信号，用两个电平（高电平和低电 平）分别来表示两个逻辑值（逻辑1和逻辑0）。 有两种逻辑体制： 正逻辑体制规定：高电平为逻辑1，低电平为逻辑0。 负逻辑体制规定：低电平为逻辑1，高电平为逻辑0。
下图为采用正逻辑体制所表的示逻辑信号：
3
3 3 1
3 1 3
1
T 24 D
A
T1A
T T2A 2 22B
T1B
B
1
L
3 2T 3
R3
A B
≥1
L=A+B
3．与或非门
+V CC R1A
1
R2
R1B
1
R4
3
3
3 1 3
1
T 24
D
A1 A2
3 1
T1A
T T2A 2B 2 2
T1B
B1 B2
1
L
3 2 T3
R3
4．集电极开路门（ OC门）
V DD V DD TP Vo TN Vi TN Vo
TP Vi
(a)
(b)
1．逻辑关系：
（设VDD＞（VTN+|VTP|），且VTN=|VTP|） （1）当Vi=0V时，TN截止，TP导通。输出VO≈VDD。
（2）当Vi=VDD时，TN导通，TP截止，输出VO≈0V。
2．电压传输特性：
（设: VDD=10V， VTN=|VTP|=2V） （1）当Vi＜2V，TN截止，TP导通，Vo≈VDD=10V。
+V 在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使用，以实现与 CC （ + 5V） 逻辑，称为 线与 。普通的TTL门电路不能进行线与。 T4 3
2 为此，专门生产了一种可以进行线与的门电路 ——集电极开路门。 D
导通 1
G1
导通 T 1 3 截止
3 2
R b1 4K
1
+VCC Rc 2 1.6K
& +VCC RP VOL IOL IIL &
VCC VOL(max) I OL(max) m I IL
„„
„„
m
所以： RP（min）＜RP＜RP（max）
&
IIL
&
5．三态门
（1）三态输出门的结构及工作原理。 当EN=0时，G输出为1，D1截止，相当于一个正常的二输入端与非门， 称为正常工作状态。 当EN=1时，G输出为0，T4、T3都截止。这时从输出端L看进去，呈现 高阻，称为高阻态，或禁止态。
VOH 10
8 6 4 2
TN 截止
TN 在饱和区 TP 在可变电阻区
TN 和TP 均在饱和区 TP在饱和区 TN在可变电阻区 TP截止
2 4 6 8 10
Vth=VDD/2
V0L
0
V (V) i
3．工作速度
由于CMOS非门电路工作时总有一个管子导通，所以当带 电容负载时，给电容充电和放电都比较快。CMOS非门的平
3
+VCC Rc 4 T4 截止 1 G2
D 3 2
3 1
L
A B
T1
T2 2
3 1
L T3 2
Re 2 1K
截止 T3
1 3 2
饱和
A B
&
L
OC门主要有以下几方面的应用：
（1）实现线与。 逻辑关系为:
+VCC RP A B C D
+ 5V
L L1 L2 AB CD
（2）实现电平转换。 如图示，可使输出高电平变为10V。
& VOH
IIH
&
n
„„
m' I IH
„„
RP ( max)
VCC - VOH ( min)
IIH m
&
IIH
&
（2）当输出低电平时
RP不能太小。RP为最小值时要保证输出电压为VOL（max）。 由： I OL(max) 得：RP(min)
VCC VOL(max) RP(min) m I IL
RDS1 VOL VDD 1V RDS1 RDS2
所以输出为低电平。
（2）当输入Vi为低电平0V时，
T1截止，T2导通。 VO=VDD-VT=8V =VOH ，即输出为高电平。
V DD (+12V)
T2 V o Vi T1
所以电路实现了非逻辑。
2．NMOS门电路
（1）与非门
V DD (+12V)
7400是一种典型的TTL与非门器件，内部含有 4个 2输入端 与非门，共有14个引脚。引脚排列图如图所示。
四、 TTL门电路的其他类型
1．非门
Rc 2 R b1
1
Rc 4
3
+VCC
1
T 24
1
3 13
A
T1
T2 2
3 1
D L
2T 3
A
L=A
Re 2
2．或非门
+V CC R1A
1
R2
R1B
1
R4
Vi
V DD TP VO TN
（2）当2V＜Vi＜5V，TN工作在饱和区，TP工作
在可变电阻区。 （3）当Vi=5V，两管都工作在饱和区，
V o (V)
Vo=（VDD/2）=5V。 （4）当5V＜Vi＜8V，
TP工作在饱和区， TN工作在可变电阻区。 （5）当Vi＞8V，TP截止， TN导通，Vo=0V。 CMOS门电路的阈值电压
0
10
20
30
40
50
t (ms)
5.2
一、基本逻辑运算
1．与运算
设：开关闭合=“1” 开关不闭合=“0”
基本逻辑运算
A B
A & L =A· B B
V
L
A B
不闭合 闭合 不闭合 闭合 灯L 不亮 不亮 不亮 亮
与逻辑真值表 输 入 输出
灯亮，L=1
灯不亮，L=0 与逻辑表达式：
不闭合 不闭合 闭合 闭合
A
0 0 1 1
B
0 1 0 1
L
0 0 0 1
L A B
件事情才会发生。
与逻辑——只有当决定一件事情的条件全部具备之后，这
2．或运算
A B
A
不闭合 不闭合
B
不闭合 闭合 不闭合 闭合 或逻辑真值表
灯L
不亮 亮 亮 亮
V
L
闭合 闭合
A B
≥1
L =A+B
输 A 0 0 1 1
入 B 0 1 0 1
A B
TN1 TN2
（3）带缓冲级的门电路
为了稳定输出高低电平，可在输入输出端分别加反相器作 缓冲级。
V DD T1 A T2 B T4 T7 T8 T10 T3 T6 T9 L T5
L A B A B
2．CMOS异或门电路
由两级组成，前级为或非门，输出为
X A B
后级为与或非门，经过逻辑变换，可得：
逻辑1 逻辑1
逻辑0
逻辑0
逻辑0
三、数字信号的主要参数
V(V)
5
Vm
t(ms)
0
tw
T
一个理想的周期性数字信号，可用以下几个参数来描绘： Vm——信号幅度。
T——信号的重复周期。
tW——脉冲宽度。 q——占空比。其定义为：
tW q(%) 100% T
四、正逻辑与负逻辑
数字信号是一种二值信号，用两个电平（高电平和低电 平）分别来表示两个逻辑值（逻辑1和逻辑0）。 有两种逻辑体制： 正逻辑体制规定：高电平为逻辑1，低电平为逻辑0。 负逻辑体制规定：低电平为逻辑1，高电平为逻辑0。
输出 L 0 1 1 1
或逻辑表达式： L＝A+B
或逻辑——当决定一件事情的几个条件中，只要有一个
或一个以上条件具备，这件事情就发生。
3．非运算
R A
A
闭合 不闭合
灯L
不亮 亮
V
L
A
1
非逻辑真值表
L=A
A
0 1
L
1 0
非逻辑表达式：
AL
非逻辑——某事情发生与否，仅取决于一个条件，而 且是对该条件的否定。即条件具备时事情不发生；条
V DD TP2 TP1 A TN1 EN 1 TN2 L