5逻辑门与组合逻辑电路的设计及应用

T1
2.1V
T3
实现了全1出0的与非功能
第5章 逻辑门与组合逻辑电路
电子技术基础（第2版）
关门电平
u0/V
TTL与非门的外特性和主要参数
TTL与非门参数的测试要在一定条件下进 行，一般要遵守的原则有：不用的输入端 应悬空(悬空端子为高电平“1”)；输出高 电 平时不带负载；输出低电平时输出端应接 输出低电平 规定的灌电流负载。 TTL与非门主要参数
R3
R1
R2
T1
A B
T2
UC 0.3V OC门可实现“线与”逻辑
＋UC
F
OC门的逻辑电路图符号
A B
A B C D
&
F1
“线与” 逻辑功能
RC
F还能实现
&
&
F2
F
“与或非” 逻辑运算
F F1 F 2 AB CD AB CD
第5章 逻辑门与组合逻辑电路
电子技术基础（第2版）
第5章 逻辑门与组合逻辑电路
电子技术基础（第2版）
（1） TTL集成电路
逻辑电路的输入端和输出端都采用了半导体晶体管，称之 为Transistor- Transistor-Logic(晶体管-晶体管-逻辑电路)，简 称为TTL，TTL集成逻辑门是目前应用最广泛的集成电路。 1）TTL与非门 +U
3.6V 0.3V
电子技术基础（第2版） （4） “异或” 异或门是一个只有两输入、一输出的逻 辑门电路。 门 A 由异或门真值表可看出，其逻辑功能可 =1 F 描述为：相同出0，相异出1。 B 异或门逻辑式 F A B B A A B 异或门图符号
异或门真值表
A 0 0 1 1
B 0
F 0 1 1 0
1
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2） 集电极开路的TTL与非门(OC门)
去掉普通TTL与非门中的T3、T4管，让T5管的集电极开 路，即构成集电极开路的“与非”门。
+5V R1
R2
R5
T1
A B C (Ui)
T3 T2
OC门的特点是输出门 T5的集电极开路。
T4 T5
+UC
RC
（5） “同或” 门 A =1
B
同或门真值表
F
A 0 0 1 1
B
F 1 0 0 1
同或门图符号 显然，同或门是异或 门的非。其逻辑功能： 相同出1，相异出0。
0
1
1
0 1
0
1
同或门逻辑表达式 F AB A B A B A ☉ B
第5章 逻辑门与组合逻辑电路
电子技术基础（第2版）
电子技术基础（第2版）
5.1 基本逻辑门电路 5.2 组合逻辑电路的分析与设计
5.3 常用的组合逻辑电路器件
电子技术基础（第2版）
学习目的与要求
门电路是构成组合逻辑电路的基本单 元，学习中注意理解各种基本逻辑门的 工作原理和逻辑功能；熟悉组合逻辑电 路的几种描述方法；掌握组合逻辑电路 的分析步骤和方法；了解各类常用的中 规模集成逻辑部件的功能、工作原理及 应用。
A B
B 3V
反偏截止！
“与”门电路
注意：分析过程中与门电路输入 端上串接的二极管，都是按理想 二极管处理的，即导通后管压降 为0V(实际硅管0.7V，锗管0.3V)。
第5章 逻辑门与组合逻辑电路
&
F
“与”门逻辑电路图符 号
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（2） “或” D1 门
A 0V 3V
D2
一个“或”门的输入端也是至少为 两个，其输出端只有一个。 ①输入中只要有一个为高电平3V 时，串接其上的二极管则迅速导 0.3V 通，输出F将被钳位到高电平1； F 3V 其余为低电平的输入端，其端子 上串接的二极管呈截止态。
第5章 逻辑门与组合逻辑电路
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5.1 基本逻辑门电路
1. 基本逻辑门
最基本的逻辑关系只有三种，就是我们之前向大家所 介绍的与逻辑、或逻辑和非逻辑。能够实现上述逻辑关 系的基本逻辑门相应为与门、或门和非门。
（1） “与” 门 当门电路用二极管、晶体管和电阻等分立元件构成
时，称为分立元件门电路。目前电子工业的飞速发展和 集成电路的日新月异，分立元件门电路几乎都被集成门 电路所取代。但是，为了更好地理解和掌握基本逻辑门 电路的工作原理和逻辑功能，我们仍用分立元件的门电 路剖析基本逻辑门的电路组成及逻辑功能。
B C 与门 D
& &
F1
或门 ≥1
F3
非门 1
F
F2
两个与门、一个或门和一个非门构成与或非门
A B C D & &
≥1
F
与或非门的逻辑电路图符号
逻辑功能：与门中只要有1个输出为1，F即为0； 两个与门输出均为0时，F全为1。
或非门的逻辑函数式为： F AB CD
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（3）“非” 门
饱和导通 截止不通
A 0V 3V RB1
+UCC RC F +UCC 0.3V T
输入变量A 为高电平3V时，三 极管饱和导通，ICRC≈+UCC，因此 输出F为低电平0.3V； 当输入变量A 为低电平0V时， 三极管截止，输出F ≈+UCC，显 然为高电平+UCC。
非符号
A
RB2
1
电子技术基础（第2版） 3） 三态门 三态门与普通TTL与非门相比，只是多出了一个电阻和 两个二极管。
三态门电路分析
R1 D2
R2
+U R5 CC
T1 T3 三态门控制端EN=1时，二 T T4 极管D2截止，相当于控制端放 A B R 2 弃控制权，此时三态门相当于 F R4 D1 一个普通与非门，输出由输入 T5 端A、B决定。 R3 三态门控制端EN=0(有效态) EN 时，控制端行使控制权，此时 T1饱和，其基极电位约为1V，使T2、T5截止，同时D2导通使T3、 T4也截止。这时从外往输入端看进去，电路呈现高阻态。
B 0V 反偏截止！
R
－UCC
“或”门电路
②输入全部为低电平0时，输入 端上串接的二极管同时导通，输 出F被钳位在低电平“0”。
A B
注意：电路中二极管的极性画法 和与门电路的区别，所有管子都 是按照理想二极管处理的。
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≥1
F
“或”门逻辑电路图符 号
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电子技术基础（第2版）
＋UCC
R D1
3V A 0V
D2
一个“与”门的输入端至少为两个， 输出端只有一个。 ①输入中只要有一个为低电平0 时，该低电平二极管就会迅速导 通，输出F将被钳位到低电平0； 3V F 其余为高电平的输入端，其端子 0.3V 上串接的二极管呈截止态。 ②输入全部为高电平3V时，输入 端上串接的二极管同时导通，输 出F被钳位在高电平“1”。
－UBB
F
“非”门电路
“非”门逻辑路图符 号 由图可看出，一个“非”门的输入 端只有一个，输出端也只有一个。
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2. 复合门电路
为提高二极管和晶体管的应用范围，常把与门、或门和 非门按照一定形式组合起来，构成各种复合门电路。 与门 非门
（1） “与非” 门 与非门真值表
或门 ≥1
非门
F
1
F
A 0 0 1 1
B 0
F 1 0 0 0
一个或门和一个非门构成或非门
A B
1
0
≥1
F
1
或非门的逻辑电路图符号 或非门的逻辑函数式为：F A B
显然，或非门电路的逻辑功能为：有1出0；全0出1
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（3） “与或非”门
与门 A
R1 3kΩ
R2 750Ω
5V R5 100Ω
CC
输入级
T1
A B C (Ui) 中间级
T3 T2 T4 T5
(U0)
输出级
F
R3 300Ω
R4 3kΩ
TTL与非门内部电路组成结构图
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工作原理 ①输入端至少有一个为低电平时的工作情况：
3.6V 0.3V R1 3kΩ R2 750Ω +UCC 5V R5 深度饱和 100Ω
上述分析可知，OC门具有“线与”功能，并且在线 与的过程中实现了输出对输入的与或非逻辑运算。OC 门还可用于数字系统接口部分的电平转换。
＋12V RC
左图所示即利用OC门使
A B
&
F
＋UC
输出转换为12V 的电路
A B
&
F
OC门还可以用来驱动指示灯、 继电器等，如左图所示电路。
第5章 逻辑门与组合逻辑电路
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3. 集成门电路
把电路中的半导体器件、电阻、电容及 导线制作在一块半导体基片上，并封装在 一个壳体内所构成的完整电路称为集成电 路，简称IC。常见的数字集成电路通常为 右图所示双列直插式集成组件 。 集成芯片就象确定了输入和输出的“黑盒子”，其核心可能 是非常复杂的电路。对使用者而言，只要掌握查阅器件资料的 方法，了解其逻辑功能并正确使用即可 。 集成逻辑门是最基本的数字集成电路，是组成数字逻辑的基 础，学好它，对于掌握数字电子技术极为重要。需要注意的是： 几乎所有集成电路芯片的电源端和“地”端通常并不标在原理 图中，但连线时，电源和地是驱动，必不可少。
E 2 3 ui/V
输出高电平 开门电平
4 A B U0H 3 UOFF 2 1 U0L UON UIL
C
D
①U0H是被测TTL与非门一个输 入端接地、其余输入端开路时 UIH 的输出端电压值。典型值3.6V TTL与非门外特性 ② UOL是被测与非门一输入端接1.8伏、其余输入端开路、负载接 380欧的等效电阻时，输出端的电压值。典型值0.3V ③关门电平UOFF：输出为0.9UOH时，所对应的输入电压称为关门 电平UOFF。典型值为1V ④开门电平UON：输出为0.35V时，所对应的输入电压称为开门电 平UON。典型值为1.4V 。其余参数看课本。
由于电路在EN=1时输出有高、低电平两种状态；在EN=0时 输出为高阻态，共呈三种状态，因此称为三态门。
第5章 逻辑门与组合逻辑电路
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三态门真值表
B F 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 × 高阻态 利用三态门可以实现总线结构
总线（BUS）
L1 & L2 Ln
三态门逻辑图符号
A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 F 1 1 1 0
A B
&
F
Leabharlann Baidu
1
F
一个与门和一个非门构成与非门
A B
&
F
与非门的逻辑电路图符号
与非门的逻辑函数式为 F AB
显然，与非门电路的逻辑功能为：有0出1；全1出0
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（2） “或非” 门
或非门真值表
A B
3.6V 0.3V R1 3kΩ R2 750Ω +UCC 5V R5 100Ω 显然T1处于倒
臵工作状态， 3.6V A T2 此时集电结做 T4 1.4V 3.6V B 为发射结使用。 F 3.6V C (U0 0.3V) 倒臵情况下， 深度饱和 (Ui) T1可向T2基极 T5 R4 由“地”经T2、 T5管的 R3 提供较大电流。 300Ω 3kΩ 发 深度饱和 射结电位升至1.4V，经 T1集电结升为2.1V 。 T2管深度饱和后，其发射极电流在电阻R3上产生的压降又 为T5管提供足够的基极电流使T5管饱和导通，从而使与非门 输出F点的电位等于T5管的饱和输出典型值：F=0.3V
A B E/D
EN 1 1 1
A 0 0 1 1 ×
&
F EN
EN
&
EN
E/D2
…… &
EN
E/Dn
D1
E/D1 D2
Dn
图示为三态门总线结构图。 用一根总线轮流传送几个不同 的数据或控制信号时，让连接 在总线上的所有三态门控制端 轮流处于高电平，任何时间只 能有一个三态门处工作状态， 其余三态门均为高阻状态。这 样，总线将轮流接受来自各个 三态门的输出信号。这种利用 总线来传送数据或信号的方法 广泛应用于计算机技术中。
T2管集电极+5V的电位足以使T3、T4导通并处于深度饱和 状态。因R2和IB3都很小，均可忽略不计，所以与非门输出端 F点的电位： 实现了有0出1的与非功能
VF＝UCC－IB3R2－UBE3－UBE4≈5－0－0.7－0.7≈3.6V
第5章 逻辑门与组合逻辑电路
电子技术基础（第2版） ②输入端全部为高电平时的工作情况：
F
(U0)
R3
R4
OC门在使用时要外接一个电源UC和一个电阻RC
第5章 逻辑门与组合逻辑电路
电子技术基础（第2版） OC门同样可实现与非功能 +5V 当OC门输入全为高时，T2和T5 导通饱和，输出F为低电平0.3V +UC OC门输入有一个为低时，T2、 RC T5截止，输出F为高电平UC T5
T1
0.3V A 3.6V B 3.6V C (Ui)
1V
5V
T3
T4
1.4V
T2
低电平对应的PN结导 通，T1的基极电位被 固定在0.3+0.7=1V上。
显然T1的集电 F 结反偏，导致 (U0 3.6V) T2、T5截止。 T5 T2截止时的集 R4 R3 电极电位： 300Ω 3kΩ V2C≈UCC=5V