第20章 門電路和組合邏輯電路-1

1.掌握基本門電路的邏輯功能、邏輯符號、真值表和邏輯表達式。了解TTL門電路、CMOS門電路的特點。3.會分析和設(shè)計簡單的組合邏輯電路。理解加法器、編碼器、譯碼器等常用組合邏輯電路的工作原理和功能。5.學會數(shù)字集成電路的使用方法。本章要求：2.會用邏輯代數(shù)的基本運算法則化簡邏輯函數(shù)。第20章門電路和組合邏輯電路1.模擬信號：隨時間連續(xù)變化的信號模擬信號數(shù)字信號電子電路中的信號正弦波信號t三角波信號t

處理模擬信號的電路為模擬電路。如整流電路、放大電路等，研究輸入和輸出信號間的大小及相位關(guān)系。

在模擬電路中，晶體管通常工作在放大區(qū)。

2.數(shù)字信號---不連續(xù)的脈沖信號

是一種躍變信號，并且持續(xù)時間短暫。尖頂波t矩形波t兩種狀態(tài)，用符號“0”和“1”表示。

處理數(shù)字信號的電路稱為數(shù)字電路，它注重研究的是輸入、輸出信號之間的邏輯關(guān)系。

在數(shù)字電路中，晶體管一般工作在截止區(qū)和飽和區(qū)，起開關(guān)的作用。

將“0”和“1”按時間先后組成一定的序列，可表征各種信息。

數(shù)字電路在數(shù)字計算機、數(shù)字控制數(shù)據(jù)采集和處理、數(shù)字通訊等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。這主要基于以下優(yōu)點：（1）抗干擾（0和1易于區(qū)別）；（2）高精度（憑借提高數(shù)字信號的位數(shù)）；（3）便于儲存和讀??；（4）基本電路結(jié)構(gòu)簡單，適合集成和系列化生產(chǎn)?！?0.1數(shù)制和脈沖信號一、數(shù)制1、常用數(shù)制

十進制的進位規(guī)則是逢十進一。

在十進制中，各個數(shù)碼位于不同位數(shù)時，所代表的數(shù)值不同，即不同數(shù)位有不同數(shù)位的位權(quán)值。

整數(shù)部分從低位到高位的位權(quán)依次為100，101，102，…；小數(shù)部分從高位到低位每位的權(quán)依次為10-1，10-2，10-3，…。（1）十進制0，1，2…9

一個多位數(shù)表示的數(shù)值等于每一位的數(shù)碼乘以該位的權(quán)，然后相加。例如

十進制計數(shù)的基數(shù)（底數(shù)）是10。（2）二進制0，1(101.01)2=1╳22+0╳21+1╳20+0╳2-1+1╳2-2=(5.75)10（3）八進制(32.4)8=3╳81+2╳80+4╳8-1=(26.5)10（4）十六進制0，1，2…70，1，2…9，A，B，C，D，E，F(xiàn)(3B.6E)16=3╳161+11╳160+6╳16-1+14╳16-2

≈(59.4)102、十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為任意進制數(shù)（1）十-二進制數(shù)轉(zhuǎn)換

轉(zhuǎn)換分為整數(shù)和凈小數(shù)兩部分進行。

整數(shù)部分采用除2取余法，直到商為零為止。

凈小數(shù)部分采用乘2取整法，直到滿足規(guī)定的位數(shù)為止。

例如將十進制數(shù)(27.35)10轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)。整數(shù)部分凈小數(shù)部分0.35×2=0.70.7×2=1.40.4×2=0.80.8×2=1.60.6×2=1.20.2×2=0.4……整數(shù)0(d-1)……整數(shù)1(d-2)……整數(shù)0(d-3)……整數(shù)1(d-4)……整數(shù)1(d-5)……整數(shù)0(d-6)

所以：(27.35)10=(d4d3d2d1.d-1d-2d-3d-4d-5d-6)2=(11011

.010110)22721326232120……….余數(shù)1……….余數(shù)1……….余數(shù)0……….余數(shù)1……….余數(shù)1（2）十-八進制數(shù)轉(zhuǎn)換先將十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)，再將二進制數(shù)的整數(shù)部分從最低位開始每3位化為一組；將小數(shù)部分從最高位開始每3位化為一組，即

(27.35)10=(33.26)8(011011.010110)23326.()8（3）十-十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換過程與十-八進制數(shù)轉(zhuǎn)換相同，只須將二進制數(shù)每四位劃為一組，即

(27.35)10=(1B.58)16(00011011.01011000)21B58()16.3、二進制算術(shù)運算（1）加法運算0+0=00+1=11+0=11+1=0(進位，高位加1)1001+0101

9+51110

14（2）減法運算1－

0=11－

1=00－

0=00－

1=1(借位，高位減1)1001－

0101

9－

5

0100

4

（3）乘法運算9×

5450╳0=00╳

1=01╳

0=01╳

1=1

1001╳0101

1001

0000

1001

0000

0101101實際中的脈沖矩形波為：

在數(shù)字電路中，所處理的信號是脈沖的，脈沖是一種躍變信號，常見的是矩形波或尖頂波。二、脈沖信號(1)脈沖幅度AA(2)脈沖上升沿tr0.1A0.9Atr(3)脈沖下降沿tftf(4)脈沖寬度tp0.5Atp(5)脈沖周期TT(6)脈沖頻率f=1/T

在數(shù)字電路中，通常是根據(jù)脈沖信號的有無、個數(shù)、寬度和頻率來工作的。所以抗干擾能力強，準確度高。脈沖有正負之分：3V00-3V正脈沖3V00-3V負脈沖R晶體管的開關(guān)作用一、二極管的開關(guān)特性導通截止相當于開關(guān)斷開相當于開關(guān)閉合S3V0VSRRD3V0V在模擬電路中：

利用晶體管的放大作用構(gòu)成各種放大電路。在數(shù)字電路中：

利用晶體管的開關(guān)作用來傳遞脈沖信號。三種工作狀態(tài)：12342IC(mA)UCE(V)080μ16012040AIB=0放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)46810121、放大狀態(tài)(1)發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏BEC0.7V>1V(2)2、飽和狀態(tài)二、三極管的開關(guān)特性2、飽和狀態(tài)進入飽和區(qū)，IB繼續(xù)增加IC幾乎不增加UCE幾乎降為零UCE(sat)

≈0.3V(1)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。BEC0.7V0.3V(2)UCE(sat)≈0，CE間電阻很小，相當于開關(guān)閉合。(3)IC(sat)≈UCC/RC(4)臨界飽和條件：IB＞IC(sat)/β12342IC(mA)UCE(V)080μ16012040AIB=0放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)46810123、截止狀態(tài)1232IC(mA)UCE(V)080μ12040AIB=04681012進入截止區(qū)，IB=0IC≈0UCE≈UCC(1)發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏。BEC0V

UCC

(2)截止條件：IB=0(3)IC≈0，CE間電阻很大，相當于開關(guān)斷開。數(shù)字電路利用晶體管的開關(guān)作用進行工作：飽和——接通截止——斷開飽和截止3V0VuO

0相當于開關(guān)斷開相當于開關(guān)閉合uO

UCC+UCCuiRBRCuOTuO+UCCRCECuO+UCCRCEC3V0V例UIBEC+UCCRCRB晶體管處于何種工作狀態(tài)。解：臨界飽和集電極電流臨界飽和基極電流(1)UI=3V時飽和(2)UI=1V時放大(3)UI=-1V時截止>0.08mA一、邏輯門電路的基本概念所謂“門”就是一種開關(guān)，在一定條件下它能允許信號通過，條件不滿足，信號就通不過。因此，門電路的輸入信號與輸出信號之間存在一定的邏輯對應(yīng)關(guān)系，所以門電路又稱為邏輯門電路?；鹃T有：“與門”組合門有“與非門”

“或門”

“與或門”

“非門”

“與或非門”§20.2

基本門電路及其組合

分析邏輯電路時只用兩種相反的工作狀態(tài)：“1”高通有正是“0”低斷無負非……AB

Y000010100111邏輯表達式：Y=AB1、與邏輯關(guān)系設(shè)開關(guān)通為“1”，斷為“0”

燈亮為“1”，燈暗為“0”“與門”的邏輯電路ABY+-ABY斷斷滅斷通滅通斷滅通通亮“與”邏輯關(guān)系是指當決定某事件的條件全部具備時，該事件才發(fā)生。邏輯狀態(tài)表：設(shè)開關(guān)通為“1”，斷為“0”

燈亮為“1”，燈暗為“0”邏輯狀態(tài)表：“或門”邏輯門電路ABY000011101111

邏輯表達式：Y=A+BABY+-A

B

Y斷通亮通斷亮斷斷滅通通亮

“或”邏輯關(guān)系是指當決定某事件的條件之一具備時，該事件就發(fā)生。2、或邏輯關(guān)系“非門”邏輯門電路邏輯表達式：A

Y0110設(shè)開關(guān)通為1，斷為0

燈亮為1，燈暗為0AY+-斷通亮通斷滅AAY

“非”邏輯關(guān)系是否定或相反的意思。3、非邏輯關(guān)系邏輯狀態(tài)表：

在數(shù)字電路中，這些門電路都是由半導體元件組成的，而不是用有觸點的開關(guān)。門電路的輸出和輸入都有兩種狀態(tài)，高電平和低電平，分別用“1”和“0”表示，稱為正邏輯系統(tǒng)。

如用“0”表示高電平，“1”表示低電平，稱為負邏輯。

本書中在無特別說明時，都使用正邏輯系統(tǒng)。(1)電路(2)工作原理輸入A、B、C全為高電平“1”，輸出Y為“1”。輸入A、B、C不全為“1”，輸出Y

為“0”。0V0V0V0V0V3V+U12VRDADCABYDBC3V3V3V0V00000010101011001000011001001111ABYC“與”門邏輯狀態(tài)表0V3V1、二極管“與門”電路二、分立元器件基本邏輯門電路(3)邏輯關(guān)系：“與”邏輯即：有“0”出“0”，

全“1”出“1”Y=ABC邏輯表達式：

邏輯符號：&ABYC00000010101011001000011001001111ABYC“與”門邏輯狀態(tài)表(1)電路0V0V0V0V0V3V3V3V3V0V00000011101111011001011101011111ABYC“或”門邏輯狀態(tài)表3V3V-U12VRDADCABYDBC(2)工作原理輸入A、B、C全為低電平“0”，輸出Y為“0”。輸入A、B、C有一個為“1”，輸出Y

為“1”。2、二極管“或門”電路(3)邏輯關(guān)系：“或”邏輯即：有“1”出“1”，

全“0”出“0”Y=A+B+C邏輯表達式：邏輯符號：ABYC>100000011101111011001011101011111ABYC“或”門邏輯狀態(tài)表+UCC-UBBARKRBRCYT10截止飽和邏輯表達式：Y=A“0”10“1”“0”“1”AY“非”門邏輯狀態(tài)表邏輯符號1AY3、晶體管“非門”電路二極管“與門”電路晶體管“非門”電路1、“與非”門電路二極管-晶體管組合“與非門”電路將二極管“與”門和晶體管“非”門組合在一起而構(gòu)成“與非”門。三、基本邏輯門電路的組合DADBDCRABCY+12VA-UBBR1R2RC+UCCYABCDY0000100101010010110110001101011100111110“與”門&ABCY&ABC“與非”門1Y“非”門有“0”出“1”，全“1”出“0”2、“或非”門電路ABCR-UT-UBRCRKRB+UY+3VDABCDY00001001100101001110100101011011010111101Y“非”門“或”門ABC>1“或非”門YABC>1有“1”出“0”，全“0”出“1”3、“異或”門ABY000011101110Y=A

BABY=14、“與或非”門電路ABCY&&D≥1基本門電路YABC&AY1YABC≥1“與”門Y=A·B·C“或”門Y=A+B+C“非”門Y=A=1ABYYABC&YABC≥1“與非”門Y=A·B·C“或非”門Y=A+B+C“異或”門Y=A+B導出門電路已知波形，畫出輸出波形。Y1=ABC

Y2=A+B+CY3=ABC

Y4=A+B+CABY1CY2Y3Y4例§20.3TTL門電路

門電路是邏輯門電路的簡稱，包含：與門、或門、與非門、或非門、與或非門、異或門等等，是構(gòu)成數(shù)字電路最基本單元電路。常用的集成門電路分為兩大類：TTL和CMOS。TTL為Transistor-TransistorLogic(晶體管-晶體管-邏輯）的簡稱。CMOS為Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor(互補對稱-金屬-氧化物-半導體）的簡稱。

本節(jié)重點討論基本型門電路TTL，下節(jié)重點討論基本型門電路CMOS。

TTL門電路是雙極型集成電路，與分立元件相比，具有速度快、可靠性高和微型化等優(yōu)點，目前分立元件電路已被集成電路替代。下面介紹集成與非門電路的工作原理、特性和參數(shù)。輸入級中間級輸出級1.電路：T5Y

R3R5AB

CR4R2R1T3T4T2+5VT1E2E3E1B等效電路C多發(fā)射極三極管一、TTL“與非”門電路T5YR3R5AB

CR4R2R1T3T4T2+5VT11VT2、T5截止

負載電流（拉電流）(1)

輸入端不全為高電平“1”的情況(0.3V)“1”“0”輸入有低“0”輸出為高“1”VY

5-0.7-0.7

=3.6V5V2.工作原理：T5Y

R3R5AB

CR4R2R1T3T4T2+5VT1“1”(3.6V)(2)輸入全為高電平“1”(3.6V)的情況2.工作原理：4.3VT2、T5飽和導通鉗位2.1VE結(jié)反偏截止“0”(0.3V)

負載電流（灌電流）輸入全高“1”,輸出為低“0”1V有“0”出“1”全“1”出“0”“與非”邏輯關(guān)系00010011101111011001011101011110ABYC“與非”門邏輯狀態(tài)表Y=ABC邏輯表達式：Y&ABC“與非”門74LS20（4輸入2門）74LS00（2輸入4門）891011121314

7654321UCCGND891011121314

7654321

UCCGND(1)電壓傳輸特性：輸出電壓UO與輸入電壓Ui的關(guān)系。3.TTL與非門特性及參數(shù)電壓傳輸特性測試電路&+5VUiUoVV12UO/V43210UI/VABCDE(2)TTL與非門的參數(shù)電壓傳輸特性典型值3.6V，

2.4V為合格典型值0.3V，

0.4V為合格輸出高電平電壓UOH輸出低電平電壓UOL輸出高電平電壓UOH和輸出低電平電壓UOL閾值電壓（門檻電壓）UT12UO/V43210UI/VABCDE

指一個與非門能帶同類門的最大數(shù)目，它表示帶負載的能力。對于TTL與非門

NO

8。輸入高電平電流IIH和輸入低電平電流IIL當某一輸入端接高電平，其余輸入端接低電平時，流入該輸入端的電流，稱為高電平輸入電流IIH（

A）。當某一輸入端接低電平，其余輸入端接高電平時，流出該輸入端的電流，稱為低電平輸入電流IIL（mA）。扇出系數(shù)NO平均傳輸延時間tpd輸入波形輸出波形上升延時間tpd150%50%tpd1下降延時間tpd2tpd2它們的平均值即為tpd當控制端為高電平“1”時，實現(xiàn)正常的“與非”邏輯關(guān)系

Y=A?B“1”控制端DE1.

電路T5Y

R3R5AB

R4R2R1T3T4T2+5VT1截止二、三態(tài)輸出“與非”門電路“0”控制端DET5Y

R3R5AB

R4R2R1T3T4T2+5VT11.

電路導通1V1V截止截止當控制端為低電平“0”時，輸出Y處于開路狀態(tài)，也稱為高阻狀態(tài)。&YEBA邏輯符號

0

高阻0

0

1

1

0

1

11

1

0

111

1

10

表示任意態(tài)三態(tài)輸出“與非”狀態(tài)表ABEY輸出高阻功能表三態(tài)門應(yīng)用：可實現(xiàn)用一條總線分時傳送幾個不同的數(shù)據(jù)或控制信號?！?”“0”“0”如圖所示：總線&A1B1E1&A2B2E2&A3B3E3A1

B11.電路有源負載&YCBA邏輯符號T5Y

R3AB

CR2R1T2+5VT1RLU

三、集電極開路與非門電路(OC門)

OC門的特點：1.輸出端可直接驅(qū)動負載如：Y&CBAKA+24VKA~2202.幾個輸出端可直接相聯(lián)&A1B1C1Y1&A2B2C2Y2&A3B3C3Y3URLY“1”“0”“0”“0”“0”1.輸出端可直接驅(qū)動負載如：Y&CBAKA+24VKA~2202.幾個輸出端可直接相聯(lián)&A1B1C1Y1&A2B2C2Y2&A3B3C3Y3URLY“1”“0”“0”“1”“線與”功能0OC門的特點：一、NMOS門電路

1.NMOS非門電路

gm1>>gm2

T1的導通電阻<<T2的導通電阻“1”導通“0”“0”“1”截止即：T1的導通管壓降<<T2的導通管壓降+UDDAYT1T2負載管驅(qū)動管始終導通§20·4CMOS門電路MOS門電路：NMOS，PMOS，CMOS2.NMOS與非門電路

“1”“0”有“0”全“1”3.NMOS或非門電路

有“1”“0”全“0”“1”Y=ABY=A+B負載管+UDDBYT2T3AT1Y+UDDT3AT1BT2負載管1.CMOS“非”門電路DSGSDG+UDDAYT1T2PMOS管NMOS管CMOS管負載管驅(qū)動管(互補對稱管)A=“1”時，T1導通，

T2截止，Y=“0”A=“0”時，T1截止，

T2導通，Y=“1”Y=A二、CMOS門電路

2.CMOS“與非”門電路Y+UDDT2T1BT4T3ANMOS驅(qū)動管PMOS負載管ABY0001101100截止導通截止導通112.CMOS“與非”門電路Y+UDDT2T1BT4T3ANMOS驅(qū)動管PMOS負載管ABY00011011101截止導通導通截止1112.CMOS“與非”門電路Y+UDDT2T1BT4T3ANMOS驅(qū)動管PMOS負載管11導通截止導通截止0ABY0001101111103.CMOS“或非”門電路+UDDT3T2YT4T1BANMOS驅(qū)動管PMOS負載管ABY0001101100截止導通截止導通113、CMOS“或非”門電路+UDDT3T2YT4T1BANMOS驅(qū)動管PMOS負載管ABY00011011101截止導通導通截止0003、CMOS“或非”門電路+UDDT3T2YT4T1BANMOS驅(qū)動管PMOS負載管ABY0001101110011導通截止導通截止00CMOS電路優(yōu)點(1)靜態(tài)功耗低（每門只有0.01mW,TTL每門10mW)(2)抗干擾能力強(3)扇出系數(shù)大(4)允許電源電壓范圍寬(3~18V)TTL電路優(yōu)點(1)速度快(2)抗干擾能力強(3)帶負載能力強§20.5邏輯代數(shù)一、邏輯代數(shù)運算法則

邏輯代數(shù)也稱布爾代數(shù)，它是分析與設(shè)計邏輯電路的數(shù)學工具。他雖然和普通代數(shù)一樣也用字母（A、B、C等）表示變量，但變量的取值只有“1”和“0”兩種，所謂邏輯“1”和邏輯“0”。他們不是數(shù)學符號，而是代表兩種相反的邏輯狀態(tài)。邏輯代數(shù)所表示的是邏輯關(guān)系，不是數(shù)量關(guān)系，這是它與普通代數(shù)本質(zhì)上的區(qū)別。

邏輯代數(shù)只有邏輯乘（“與”運算）、邏輯加（“或”運算）和求反（“非”運算）三種基本運算。(1)基本運算法則0A1AAAAA0A1AAAAA(2)交換律(3)結(jié)合律(4)分配律普通代數(shù)不適用！(5)吸收律(6)反演律(摩根定律)A、B、C……輸入變量Y——輸出變量A——原變量A——反變量

輸出變量是輸入變量的邏輯函數(shù)。110011111100列狀態(tài)表證明：AB00011011111001000000二、邏輯函數(shù)的表示方法

邏輯函數(shù)式是輸出邏輯量Y與邏輯輸入量A、B……等之間的函數(shù)關(guān)系。各邏輯輸入量之間是邏輯“與”、“或”、“非”、“與非”及“或非”等的邏輯運算。

邏輯函數(shù)常用邏輯狀態(tài)表、邏輯式、邏輯圖及卡諾圖表示。它們之間可以相互轉(zhuǎn)換。

例如，A、B、C三個開關(guān)均能控制一盞燈的照明。設(shè)開關(guān)閉合為“1”、斷開為“0”；燈亮Y為“1”、燈滅為“0”。規(guī)定：1個開關(guān)閉合燈亮、2各開關(guān)閉合燈滅、3個開關(guān)閉合燈亮。1、Y的邏輯狀態(tài)表：ABCY00001111001100110101010101101001N個變量，共有2N種組合。三個變量有8種組合。一種組合中，輸入變量之間是“與”關(guān)系，2、Y的邏輯表達式用“與”、“或”、“非”等運算來表達邏輯函數(shù)的表達式。

在邏輯狀態(tài)表中，n個變量，有2n種組合。ABCY00000101001110010111011101101001每一組合對應(yīng)邏輯式中的一項，稱為最小項。

每一項都含有三個輸入變量，每個變量是它的一個因子；每項中每個因子或以原變量的形式或以反變量的形式只出現(xiàn)一次。

在邏輯表達式中：

每一組合輸入變量之間是“與”的邏輯關(guān)系，

各種組合之間是“或”的邏輯關(guān)系。取Y=1的項列邏輯式（也可取Y=0）對每一個Y=1的項，各輸入變量之間是“與”的關(guān)系。“1”用原量表示(A)；”0”用反量表示()。2、Y的邏輯表達式ABCY00000101001110010111011101101001取Y=1列邏輯式；A

B

CA

B

CA

B

CA

B

C+++Y=對應(yīng)于Y=1的四個最小項若取Y=0列邏輯式；A

BCA

B

CA

B

CA

B

C+++Y=對應(yīng)于Y=0的四個最小項Y=A

B

CABCABCABC+++ABCABCABCABC+++=2、Y的邏輯表達式Y(jié)CBA&&&&&&&>1CBA3、Y的邏輯圖卡諾圖:是與變量的最小項對應(yīng)的按一定規(guī)則排列的方格圖，每一小方格填入一個最小項。（1）最小項：對于n輸入變量有2n種組合,其相應(yīng)的乘積項也有2n個，則每一個乘積項就稱為一個最小項。其特點是每個輸入變量均在其中以原變量和反變量形式出現(xiàn)一次，且僅一次。如：三個變量，有8種組合，最小項就是8個，卡諾圖也相應(yīng)有8個小方格。在卡諾圖的行和列分別標出變量及其狀態(tài)。4、Y