逻辑运算与集成逻辑门.pptx

1第二章基本逻辑运算与集成逻辑门22.1 基本逻辑关系基本逻辑关系2.2 门电路概述门电路概述2.3 TTL与非门与非门2.4 其它类型的其它类型的TTL门电路门电路2.5 MOS门电路门电路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、真值表描述逻辑函数F与逻辑变量（A、B、C)之间真假关系的表格，称之为真值表。(a)(b)A FA F假真真假0 1 105基本逻辑关系：基本逻辑关系：与与 (and)、或或(or)非非(not)。2.1 基本逻辑关系基本逻辑关系一、一、“与与”逻辑逻辑与逻辑：与逻辑：决定事件发生的各条件中，所有条件都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）。具备，事件才会发生（成立）。规定规定:开关合为逻辑开关合为逻辑“1”开关断为逻辑开关断为逻辑“0”灯亮为逻辑灯亮为逻辑“1”灯灭为逻辑灯灭为逻辑“0”EFABC6&ABCF逻辑符号：逻辑符号：AFBC00001000010011000010101001101111逻辑式：逻辑式：F=ABC逻辑乘法逻辑乘法逻辑与逻辑与真值表真值表EFABC真值表特点真值表特点:任任0 则则0,全全1则则1与逻辑运算规则：与逻辑运算规则：0 0=0 0 1=01 0=0 1 1=17二、二、“或或”逻辑逻辑AEFBC或逻辑：或逻辑：决定事件发生的各条件中，有一个或一个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）。以上的条件具备，事件就会发生（成立）。规定规定:开关合为逻辑开关合为逻辑“1”开关断为逻辑开关断为逻辑“0”灯亮为逻辑灯亮为逻辑“1”灯灭为逻辑灯灭为逻辑“0”8AFBC00001001010111010011101101111111真值表真值表 1ABCF逻辑符号：逻辑符号：逻辑式：逻辑式：F=A+B+C逻辑加法逻辑加法逻辑或逻辑或AEFBC真值表特点：真值表特点：任任1 则则1,全全0则则0。或逻辑运算规则或逻辑运算规则:0+0=0 0+1=11+0=1 1+1=19三、三、“非非”逻辑逻辑“非非”逻辑：逻辑：决定事件发生的条件只有一个，条件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），条件具备不具备时事件发生（成立），条件具备时事件不发生。时事件不发生。规定规定:开关合为逻辑开关合为逻辑“1”开关断为逻辑开关断为逻辑“0”灯亮为逻辑灯亮为逻辑“1”灯灭为逻辑灯灭为逻辑“0”AEFR10逻辑符号：逻辑符号：逻辑非逻辑非逻辑反逻辑反AF0110真值表真值表AEFR真值表特点真值表特点:1则则0,0则则1。逻辑式：逻辑式：运算规则：运算规则：AF111四、几种常用的逻辑关系逻辑四、几种常用的逻辑关系逻辑“与与”、“或或”、“非非”是三种基本的逻辑关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系，任何其它的逻辑关系都可以以它们为基础表示。表示。与非：与非：条件条件A、B、C都具都具备，则备，则F 不发不发生。生。&ABCF其他几种常用的逻辑关系如下表：其他几种常用的逻辑关系如下表：12或非：或非：条件条件A、B、C任一任一具备，则具备，则F 不不发生。发生。1ABCF异或：异或：条件条件A、B有一个具有一个具备，另一个不备，另一个不具备则具备则F 发生。发生。=1ABCF同或：同或：条件条件A、B相同，则相同，则F 发生。发生。ABC=F13与或非运算：逻辑表达式为：14基本逻辑关系小结基本逻辑关系小结 逻辑逻辑 符号符号 表示式表示式与与&ABYABY1或或非非1YAY=ABY=A+B与非与非&ABY或非或非ABY1异或异或=1ABYY=A B15门电路的作用：门电路的作用：是用以实现逻辑关系的电子电是用以实现逻辑关系的电子电路，与基本逻辑关系相对应。路，与基本逻辑关系相对应。门电路的主要类型：门电路的主要类型：与门、或门、与非门、或与门、或门、与非门、或非门、异或门等。非门、异或门等。门电路的输出状态与赋值对应关系：门电路的输出状态与赋值对应关系：正逻辑：正逻辑：高电位对应高电位对应“1”；低电位对应；低电位对应“0”。混合逻辑：混合逻辑：输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输入用负逻辑、输出用正逻辑。入用负逻辑、输出用正逻辑。一般采用一般采用正逻辑正逻辑负逻辑：负逻辑：高电位对应高电位对应“0”；低电位对应；低电位对应“1”。2.2 门电路门电路 概述概述16100VVcc在数字电路中，对电压值为多少并不重要，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。只要能判断高低电平即可。K开开-VO输出高电平，对应输出高电平，对应“1”。K合合-VO输出低电平，对应输出低电平，对应“0”。VOKVccR V V17门门(电子开关电子开关)满足一定条件时，电路允满足一定条件时，电路允 许信号通过许信号通过 开关接通开关接通。开门状态：开门状态：关门状态：关门状态：条件不满足时，信号通不条件不满足时，信号通不过过 开关断开开关断开。18开关开关作用作用二极管二极管反向截止：反向截止：开关接通开关接通开关断开开关断开三极管三极管（C,E)饱和区：饱和区：截止区：截止区：开关接通开关接通CEB开关断开开关断开 正向导通：正向导通：CEB19R1R2AF+uccuAtuFt+ucc0.3V三极管的开关特性：三极管的开关特性：20一、二极管与门和或门电路一、二极管与门和或门电路1与门电路与门电路21 2或门电路或门电路22二、三极管非门电路二、三极管非门电路231.体积大、工作不可靠。体积大、工作不可靠。2.需要不同电源。需要不同电源。3.各种门的输入、输出电平不匹配。各种门的输入、输出电平不匹配。分立元件门电路的缺点：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、异采用类似的方法还可以构成或非门、异或门等。或门等。242.3 TTL与非门与非门数字集成电路：数字集成电路：在一块半导体基片上制作出一个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。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、而且价路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价格便宜的特点。格便宜的特点。TTL型电路：型电路：输入和输出端结构都采用了半导体晶输入和输出端结构都采用了半导体晶体管，称之为体管，称之为:Transistor Transistor Logic。252.3.1 TTL与非门的基本原理与非门的基本原理一、结构一、结构TTL与非门的内部结构与非门的内部结构+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC360 3k750 100 26输入级输入级输出级输出级中间级中间级+5VABCR1T1R2T2R3FR4R5T3T4T5T1 多发射极晶多发射极晶体管：体管：实现实现“与与”运算。运算。27+5VABCR1T1R2T2R3FR4R5T3T4T5“非非”复合管形式复合管形式与非门与非门输出级输出级“与与”281.任一输入为低电平（任一输入为低电平（0.3V）时）时“0”0.7V不足以让不足以让T2、T5导通导通+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC360 3k750 100 二、工作原理二、工作原理三个三个PN结结导通需导通需2.1V29+5VFR4R2R13kR5R3T3T4T1T5b1c1ABC0.7V“0”uouo=5-uR2-ube3-ube4 3.4V 高电平！高电平！逻辑关系：逻辑关系：任任0则则1。30+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC“1”全导通全导通电位被嵌电位被嵌在在2.1V全反偏全反偏 1V截止截止2.输入全为高电平（输入全为高电平（3.4V）时）时31+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC全反偏全反偏“1”饱和饱和uF=0.3V输入、输出的逻辑关系式：输入、输出的逻辑关系式：逻辑关系：逻辑关系：全全1则则0。32一、电压传输特性一、电压传输特性2.3.2 TTL与非门的特性和技术参数与非门的特性和技术参数测试电路测试电路&+5Vuiuo33uo(V)ui(V)123UOH(3.4V)UOL(0.3V)传输特性曲线传输特性曲线uo(V)ui(V)123UOH“1”UOL(0.3V)阈值阈值UT=1.4V理想的传输特性理想的传输特性输出高电平输出高电平输出低点平输出低点平341.输出高电平输出高电平UOH、输出低电平、输出低电平UOL UOH 2.4V UOL 0.4V 便认为合格。便认为合格。典型值典型值UOH=3.4V UOL=0.3V。2.阈值电压阈值电压UTuiUT时，认为时，认为ui是高电平。是高电平。UT=1.4V35二、输入、输出负载特性二、输入、输出负载特性&？1.前后级之间电流的联系前后级之间电流的联系分两种情况讨论：分两种情况讨论：（1）前级输出为）前级输出为 高电平时高电平时 （2）前级输出为）前级输出为 低电平时低电平时36前级输出为前级输出为 高电平时高电平时前级前级后级后级反偏反偏+5VR4R2R5T3T4R1T1+5V级间电流：级间电流：流出前级，记为流出前级，记为IOH（拉电流）。（拉电流）。拉电流能力：拉电流能力：维持维持UOH时，所允许的最大拉电流值。时，所允许的最大拉电流值。37前级输出为前级输出为 低电平时低电平时前级前级后级后级R1T1+5V级间电流：级间电流：流入前级，记为流入前级，记为IOL，约，约 1.4mA。称。称为为灌电流。灌电流。+5VR2R13kT2R3T1T5b1c138灌电流的计算灌电流的计算饱和压降饱和压降R1T1+5V+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1392.扇出系数扇出系数扇出系数：扇出系数：与非门电路输出能驱动同类门的个数。与非门电路输出能驱动同类门的个数。IiH1IiH3IOH前级输出为前级输出为 高电平时：高电平时：+5VR4R2R5T3T4T1前级前级T1T1IiH240T1T1T1+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1前级前级IOLIiL1IiL2IiL3前级输出为低电平时：前级输出为低电平时：与非门的扇出系数一般是与非门的扇出系数一般是10。413.输入端通过电阻输入端通过电阻R接地接地Rui+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC问题：问题：这时，输入是这时，输入是“1”还是还是“0”？42R 较小时：较小时：uiUT，T2不不导通，输出高导通，输出高电平。电平。R增大增大时时：Ruiui=UT时，输出低电平。时，输出低电平。+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABCRui43+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABCRui计算临界电阻值：计算临界电阻值：即：即：当当R 1.45k 时，可以认为输入为时，可以认为输入为“1”；当当RUTN时，V1产生沟道；当UGBNUTN时，V1的沟道消失。V2管,UGBPUTP时，V2的沟道消失。692、CMOS传输门电路的工作原理 GSN0,TP截止截止1）当）当c=0，c=1时时702、CMOS传输门电路的工作原理 GSN VTN,TN 导通导通开关闭合，能转送信号开关闭合，能转送信号UGBPUTP,TP 导通导通2）当）当c=1，c=0时时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10011截止截止导通导通111高阻高阻 0 输出输出L输入输入A使能使能EN0011 10 00截止截止导通导通010截止截止截止截止X1逻辑功能：高电平有效的同相逻辑门逻辑功能：高电平有效的同相逻辑门0 173CMOS逻辑集成器件发展使它的技术参数从总体上来说已经达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到或者超过TTLTTL器件的水平。器件的水平。CMOS器件的功耗低、扇出数大，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。噪声容限大，静态功耗小，动态功耗随频率的增加而增加。参数系列传输延迟时间tpd/ns(CL=15pF)功耗(mW)延时功耗积(pJ)4000B751(1MHz)10574HC101.5(1MHz)1574HCT131(1MHz)13BiCMOS2.90.00037.50.00087222.6 CMOS逻辑门电路的技术参数逻辑门电路的技术参数CMOS门电路各系列的性能比较门电路各系列的性能比较