数字逻辑第3 章组合逻辑电路

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1、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逻辑门电路的发展两大类晶体管 双极结型晶体管DTL、TTL、ECL MOS 晶体管NMOS、PMOS、CMOS电电子子管管晶晶体体管管分分立立元元件件（集集成成电电路路SSI（100以下）以下）MSI（ 102103）LSI（ 103104）超大规模超大规模VLSI（104以上）以上）根据电路集成度规模分类根据电路集成度规模分类类别类别 集成度集成度应用电路应用电路小规模集成电路小规模集成电路（SSI）TTL系列（系列（110）门）门/

2、片片MOS系列（系列（10100）元件）元件/片片通常为基本逻辑单元电路，如逻通常为基本逻辑单元电路，如逻辑门电路辑门电路,触发器等。触发器等。中规模集成电路中规模集成电路（MSI）TTL系列（系列（10100）门）门/片片MOS系列（系列（1001000）元件）元件/片片通常为逻辑功能部件，如译码器、通常为逻辑功能部件，如译码器、编码器、计数器等。编码器、计数器等。大规模集成电路大规模集成电路（LSI）TTL系列（系列（1001000）门）门/片片MOS系列（系列（100010000）元件）元件/片片通常为一个小的数字系统或子系通常为一个小的数字系统或子系统，如统，如CPU、存储器等。、存储

3、器等。超大规模集成电路超大规模集成电路（VLSI）TTL系列系列1000门门/片片MOS系列系列1万元件万元件/片片通常可构成一个完整的数字系统，通常可构成一个完整的数字系统，如单片微处理机。如单片微处理机。3.1.1 逻辑电平与正、负逻辑逻辑电平与正、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。图 3-1 TTL逻辑电平的电压范围

4、2. 正逻辑和负逻辑正逻辑和负逻辑正逻辑和负逻辑是对逻辑1和逻辑0所表示的逻辑电平的一种约定。用高电平表示逻辑1，用低电平表示逻辑0，这是正逻辑；反之，如果用高电平表示逻辑0，用低电平表示逻辑1，就是负逻辑。 对于同一电路，可以采用正逻辑，也可以采用负逻辑。正逻辑和负逻辑的规定不涉及逻辑电路本身的结构与性能好坏，但不同的规定可以使同一电路具有不同的逻辑功能。可以运用反演规则实现正、负逻辑的相互转换。一个正逻辑与门输入为A、B，输出 ，运用反演规则有 ，即正逻辑与门等价于负逻辑或门。 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。BAFBAF3.1.2 半导体器

5、件的开关特性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. 半导体二极管的开关特性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

6、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)。 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

7、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2. 半导体三极管的开关特性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

8、极之间的二极管截止。 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。3.1.3 TTL与非逻辑门与非逻辑门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

9、与非门2、TTL与非门电路工作原理与非门电路工作原理 当输入A、B为高电平时，VT1工作在倒置状态（发射极与集电极颠倒起来使用），其集电极为高电平，即VT2基极电位为高电平，则VT2由于基极电位很高而进入饱和导通状态，此时VT2的集电极与发射极之间接近短路，VT2发射极由于钳位作用维持在比其基极低0.7V的电位上。由于此电位就是VT5的基极电位，它仍然很高，导致VT5进入饱和导通，所以输出F点的电位接近0V，即输出低电平。此时由于VT2饱和导通，VT4的基极与VT5的基极电位接近，但是由于VT4发射极串联了二极管VD3，至少要达到两个导通阈值（即1.4V） 时才能导通，而VT5的基极电位由于钳

10、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 。BAF3、TTL逻辑门的

11、外特性逻辑门的外特性主要特征参数：主要特征参数：（1）标称逻辑电平）标称逻辑电平门电路的逻辑功能是通过指定低电平表示门电路的逻辑功能是通过指定低电平表示“0”、高电平表示高电平表示“1”来实现的。这种表示逻辑值来实现的。这种表示逻辑值“0”和和“1”的理想电平值称为标称逻辑电平，其值的理想电平值称为标称逻辑电平，其值分别为分别为0V、5V。（2）输出高电平）输出高电平VOH与输出低电平与输出低电平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，记作平称为输出高电平，记作VOH。VOH的典型值是的典型值是3.6V，产品规范值为，产品规范值为