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1、第第0 0章章 绪论绪论 第第1 1章章 逻辑代数基础逻辑代数基础第第2 2章章 逻辑门电路逻辑门电路第第3 3章章 组合逻辑电路组合逻辑电路第第4 4章章 触发器触发器第第5 5章章 时序逻辑电路时序逻辑电路第第6 6章章 可编程逻辑器件可编程逻辑器件2数字逻辑电路组成数字逻辑电路组成组合逻辑电路（简称组合电路）组合逻辑电路（简称组合电路）时序逻辑电路（简称时序电路）时序逻辑电路（简称时序电路）组合电路只是由组合电路只是由“逻辑门电路逻辑门电路”组成组成3第第2 2章章 逻辑门电路逻辑门电路逻辑门电路的分类逻辑门电路的分类半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性简单逻辑门电路简单逻辑门电路集
2、成电路的外部特性集成电路的外部特性TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路CMOS集成逻辑门电路集成逻辑门电路4逻辑门电路的分类方法逻辑门电路的分类方法按所采用的半导体器件分类按所采用的半导体器件分类按集成规模的大小分类按集成规模的大小分类按设计方法和功能定义分类按设计方法和功能定义分类5按所采用的半导体器件分类按所采用的半导体器件分类双极型双极型 采用双极型半导体器件作为元件，速度快、采用双极型半导体器件作为元件，速度快、负载能力强，但功耗较大、负载能力强，但功耗较大、集成度较低。集成度较低。MOS 采用金属采用金属-氧化物半导体场效应管作为元氧化物半导体场效应管作为元件。结构简单、制造方便、集成
3、度高、功耗低，件。结构简单、制造方便、集成度高、功耗低，但速度较慢。但速度较慢。6双极型集成电路的种类双极型集成电路的种类晶体管晶体管-晶体管逻辑电路晶体管逻辑电路TTLTTLTTLTTL 速度快速度快，抗干扰能力和负载能力强，有不同型号的系列抗干扰能力和负载能力强，有不同型号的系列产品，其产品，其“性能价格比性能价格比”最佳，应用最广泛最佳，应用最广泛发射极耦合逻辑电路发射极耦合逻辑电路ECLECLECLECL 速度特别快，但工艺复杂、功耗大，抗干扰能力较弱，速度特别快，但工艺复杂、功耗大，抗干扰能力较弱，主要在高速系统中应用主要在高速系统中应用集成注入逻辑电路集成注入逻辑电路I I I I
4、2 2 2 2L L L L 电路结构简单，功耗低，抗干扰能力较差，适合于大规电路结构简单，功耗低，抗干扰能力较差，适合于大规模和超大规模集成电路中应用模和超大规模集成电路中应用7MOSMOS集成电路的种类集成电路的种类 PMOS（P沟道沟道MOS）：）：早期产品，不仅工作速度低，而早期产品，不仅工作速度低，而且由于电源电压为负压，构成的逻辑器件兼容性差，很少且由于电源电压为负压，构成的逻辑器件兼容性差，很少单独使用。单独使用。NMOS（N沟道沟道MOS）：）：工作速度相对较高，且电源电压工作速度相对较高，且电源电压为正压，构成的逻辑器件兼容性较好，广泛应用。为正压，构成的逻辑器件兼容性较好，
5、广泛应用。CMOS（互补（互补MOS）：）：是由是由PMOS增强型管和增强型管和NMOS增强增强型管组成的互补型管组成的互补MOS电路，是继电路，是继TTL电路问世后所开发的电路问世后所开发的第二种广泛应用的电路，以其优越的综合性能被应用于各第二种广泛应用的电路，以其优越的综合性能被应用于各种不同规模的集成逻辑器件中。种不同规模的集成逻辑器件中。8按集成规模的大小分类按集成规模的大小分类小规模集成电路小规模集成电路SSI（100以下个等效门）以下个等效门）中规模集成电路中规模集成电路MSI（100999个等效门）个等效门）大规模集成电路大规模集成电路LSI（100099999个等效门）个等效门
6、）超大规模集成电路超大规模集成电路VLSI（100000个以上等效门）个以上等效门）9按设计方法和功能定义分类按设计方法和功能定义分类非用户定制电路非用户定制电路（Non-custom design IC）：亦称标准集）：亦称标准集成电路，具有生产量大，使用广泛，价格便宜等优点。成电路，具有生产量大，使用广泛，价格便宜等优点。全用户定制电路全用户定制电路（Full-custom design IC）：是为了满）：是为了满足用户特殊应用要求而专门生产的集成电路，亦称专用足用户特殊应用要求而专门生产的集成电路，亦称专用集成电路，具有可靠性高，保密性好等优点。一般设计集成电路，具有可靠性高，保密性好
7、等优点。一般设计费用高，销售量小。费用高，销售量小。半用户定制电路半用户定制电路（Semi-custom design IC）：）：由厂家由厂家设设计出功能不确定的集成电路，再由用户根据要求进行适计出功能不确定的集成电路，再由用户根据要求进行适当处理，令其实现指定功能，即由用户通过对已有芯片当处理，令其实现指定功能，即由用户通过对已有芯片进行功能定义将通用产品专业化。进行功能定义将通用产品专业化。10半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性晶体二极管晶体二极管晶体三极管晶体三极管MOS管管11晶体二极管晶体二极管二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线 二极管最主要的特性是单向导电性二极管最主
8、要的特性是单向导电性 12晶体二极管的开关特性晶体二极管的开关特性q静态特性静态特性正向导通，相当于开关闭合正向导通，相当于开关闭合反向截止，相当于开关断开反向截止，相当于开关断开q动态特性动态特性开通时间开通时间反向恢复时间反向恢复时间13晶体三极管晶体三极管三极管的输入特性与输出特性三极管的输入特性与输出特性 三极管是一种电流放大器件三极管是一种电流放大器件 14晶体三极管的开关特性晶体三极管的开关特性q静态特性静态特性截止状态，相当于开关断开截止状态，相当于开关断开(a)饱和状态，相当于开关闭合饱和状态，相当于开关闭合(b)放大状态放大状态q动态特性动态特性开通时间开通时间关闭时间关闭时
9、间15MOS管管 NMOSNMOS管的符号管的符号 G 栅极栅极 D 漏极漏极 S 源极源极 BN 衬底衬底 栅极加高电平，栅极加高电平，漏极与源极间导漏极与源极间导通，通，D-S相当于接相当于接通的开关通的开关 栅极加低电平，栅极加低电平，漏极与源极间截漏极与源极间截止，止，D-S相当于断相当于断开的开关开的开关 16MOS管管 PMOSPMOS管的符号管的符号 G 栅极栅极 S 源极源极 D 漏极漏极 Bp 衬底衬底 栅极加低电平，栅极加低电平，源极与漏极间导源极与漏极间导通，通，D-S相当于相当于接通的开关接通的开关 栅极加高电平，栅极加高电平，源极与漏极间截源极与漏极间截止，止，D-S
10、相当于断相当于断开的开关开的开关 17简单逻辑门电路简单逻辑门电路与门的电子线路与逻辑符号与门的电子线路与逻辑符号或门的电子线路与逻辑符号或门的电子线路与逻辑符号非门的电子线路与逻辑符号非门的电子线路与逻辑符号18与门与门与门的电子电路与门的电子电路与门的逻辑符号与门的逻辑符号ABF 19或门的电子电路或门的电子电路或门或门或门的逻辑符号或门的逻辑符号ABF 120非门（反相器）的电子电路非门（反相器）的电子电路非门非门AF1非门的逻辑符号非门的逻辑符号21逻辑电平的概念逻辑电平的概念表示的是一定的表示的是一定的电压范围，不是电压范围，不是一个固定值一个固定值逻辑电平逻辑电平：由半导体电子元器
11、件组成的逻辑电路：由半导体电子元器件组成的逻辑电路,表表现为现为“0”0”和和“1”1”两个不同的状态两个不同的状态,常用一常用一个电压范围表示，叫做逻辑个电压范围表示，叫做逻辑0 0和逻辑和逻辑1 1，或，或叫做叫做0 0态和态和1 1态，统称逻辑电平。态，统称逻辑电平。逻辑电平不是物理量，而是物理量的相对表示。逻辑电平不是物理量，而是物理量的相对表示。VH 高电平高电平 1VL 低电平低电平 0正正 逻逻 辑辑22正逻辑与负逻辑正逻辑与负逻辑负逻辑负逻辑：用高电平用高电平H H表示逻辑值表示逻辑值“0”，用低电平，用低电平L L表表示逻辑值示逻辑值“1”。A BFL LLL HLH LLH
12、 HHA BF0 000 101 001 11A BF1 111 010 110 00与门电路与门电路 用用正逻辑描述正逻辑描述与与门的逻辑功能，门的逻辑功能，结果为与运算。结果为与运算。用负用负逻辑描述逻辑描述“与与门门”的逻辑功能。的逻辑功能。结果为或运算。结果为或运算。用电平表示与门用电平表示与门的功能。的功能。23正逻辑与负逻辑正逻辑与负逻辑正逻辑正逻辑负逻辑负逻辑或门或门与门与门与门与门或门或门与非门与非门或非门或非门或非门或非门与非门与非门异或门异或门同或门同或门 为便于区分采用何种逻辑，在逻辑符号的输入为便于区分采用何种逻辑，在逻辑符号的输入端上加一个小圆圈表示负逻辑下的门电路符
13、号。端上加一个小圆圈表示负逻辑下的门电路符号。24集成电路的外部特性集成电路的外部特性标称逻辑电平标称逻辑电平开门电平开门电平V VONON与关门电平与关门电平V VOFFOFF输入高电平电流输入高电平电流（I IIHIH）与输入低电平电流与输入低电平电流（I IILIL）输出高电平电流输出高电平电流（I IOHOH）与输出低电平电流与输出低电平电流（I IOLOL）扇入系数扇入系数NrNr扇出系数扇出系数NcNc开门电阻开门电阻（R Ronon）与关门电阻与关门电阻（R Roffoff）平均传输延迟平均传输延迟时间时间t t t tpdpdpdpd空载功耗：导通功耗空载功耗：导通功耗P Po
14、non 截止截止截止截止功耗功耗P Poffoff25主要外特性参数主要外特性参数标称逻辑电平标称逻辑电平：表示逻辑值表示逻辑值1 1和和0 0的理想电平值。的理想电平值。开门电平开门电平（V VONON）：）：表示使输出为低电平时的最小表示使输出为低电平时的最小输入高电平值。输入高电平值。关门电平关门电平（V VOFFOFF）：）：表示使输出为高电平时所允许表示使输出为高电平时所允许的最大输入低电平值。的最大输入低电平值。26主要外特性参数主要外特性参数扇入系数扇入系数Nr Nr：器件的输入端数目。一般为器件的输入端数目。一般为15，最多不超过，最多不超过8。扇出系数扇出系数NcNc ：输出
15、端最多能驱动其它同类门输出端最多能驱动其它同类门的输入端的个数。标准的输入端的个数。标准TTL门为门为8。27主要外特性参数主要外特性参数平均传输延迟时间平均传输延迟时间t t t tpd pd pd pd：信号通过实际逻辑门时，信号通过实际逻辑门时，输出信号滞后于输入信号的平均时间。输出信号滞后于输入信号的平均时间。平均时延反映了门电路的工作速度。平均时延反映了门电路的工作速度。28TTLTTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路典型典型TTL与非门及其外特性参数与非门及其外特性参数TTL集成集成电路芯片电路芯片集电极开路门（集电极开路门（OC门）门）三态输出门（三态输出门（TS门）门）29TTLT
16、TL与非门电路与非门电路TTL与非门的电子电路与非门的电子电路30TTLTTL与非门电压传输特性与非门电压传输特性TTL门电路标称逻辑电平：门电路标称逻辑电平：V(1)=5V V(0)=0V高电平高电平VH 电压范围为电压范围为2V5V，额定值为，额定值为3.6V低电平低电平VL 电压范围为电压范围为0V0.8V,额定值为额定值为0.2VV Vi iV V0 0V VT TV VONONV VOFFOFF阈值电压阈值电压V VT T：1.4V1.4V 开门电平开门电平V V V VONONONON3V3V3V3V 关门电平关门电平V V V VOFFOFFOFFOFF0.4V0.4V0.4V0
17、.4VTTLTTL与非门抗干扰与非门抗干扰能力能力3131VoffVSHVonVSL低电平噪声容限低电平噪声容限V NL：V NL=V OL -VSL高电平噪声容限高电平噪声容限V NH：V NH=V SH -VOH标准高电平标准高电平标准低电平标准低电平32TTLTTL与非门扇入系数与非门扇入系数一般一般Nr5，最多不超过，最多不超过8。当当需需要要的的输输入入端端数数超超过过Nr时时，可可以以用用与与扩扩展展器器来实现。来实现。扇入系数扇入系数Nr 门电路的输入端数门电路的输入端数33其其中中I IOLmaxOLmax为为最最大大允允许许灌灌电电流流，,I,IILIL是是一一个个负负载载门
18、门灌灌入入本本级的电流（级的电流（1.4mA1.4mA）。）。TTLTTL与非门扇出系数与非门扇出系数扇出系数扇出系数Nc是在保证门电路输出正确的逻辑电平是在保证门电路输出正确的逻辑电平和不出现过功耗的前提下，其输出端允许连接的下和不出现过功耗的前提下，其输出端允许连接的下一级同类门输入端的个数。一级同类门输入端的个数。一般一般Nc8，Nc越大，表明门的负载能力越强。越大，表明门的负载能力越强。34TTLTTL与非门与非门平均传输延迟时间平均传输延迟时间平均传输延迟时间平均传输延迟时间是衡量门电路运算速度是衡量门电路运算速度的重要指标。当输入端的重要指标。当输入端接入输入信号后，需要接入输入信
19、号后，需要经过一定的时间经过一定的时间tpd，才，才能在输出端产生对应的能在输出端产生对应的输出信号。输出信号。输入信号输入信号VI输出信号输出信号V0平均传输延迟平均传输延迟时间时间3535导导通通延延迟迟时时间间t tPHPHL L：输输入入波波形形上上升升沿沿的的50%50%幅幅值值处处到到输输出出波波形下降沿形下降沿50%50%幅值处所需要的时间幅值处所需要的时间截截止止延延迟迟时时间间t tPLHPLH：从从输输入入波波形形下下降降沿沿50%50%幅幅值值处处到到输输出出波形上升沿波形上升沿50%50%幅值处所需要的时间幅值处所需要的时间平均传输延迟时间平均传输延迟时间t tpdpd
20、：通常通常t tPLHPLHt tPHLPHL，t tpdpd越小，越小，电路的开关速度越高。一电路的开关速度越高。一般般t tpdpd=10ns=10ns40ns40ns36TTLTTL与非门集成电路芯片与非门集成电路芯片TTL与与非非门门集集成成电电路路芯芯片片种种类类很很多多，常常用用的的TTL与与非非门门集集成成电电路路芯芯片片有有7400和和7420等等。UCC为为电电源源引引脚脚，GND为为接地脚，接地脚，NC为空脚。为空脚。74007400 7420742037TTLTTL集成电路芯片命名方式集成电路芯片命名方式 SN 74 ALS 00SN 74 ALS 00表明生产者为表明生
21、产者为表明生产者为表明生产者为德州仪器公司德州仪器公司德州仪器公司德州仪器公司54545454：军用（：军用（：军用（：军用（-55-55-55-55125125125125）74747474：商用（：商用（：商用（：商用（0 0 0 0 70707070）子系列子系列子系列子系列逻辑功能：逻辑功能：逻辑功能：逻辑功能：0000：与非门：与非门：与非门：与非门3232：与门：与门：与门：与门0202：或门：或门：或门：或门0404：非门：非门：非门：非门等等等等38TTLTTL集成电路芯片封装形式集成电路芯片封装形式 双列直插封装双列直插封装双列直插封装双列直插封装（DIPDIP）扁平封装扁平
22、封装扁平封装扁平封装（QFPQFP）阵列封装阵列封装 针式阵列针式阵列（PGA）球栅阵列（球栅阵列（BGA）39集电极开路门（集电极开路门（OC门）门）在实际应用中，如果能将两个与非门的输出端在实际应用中，如果能将两个与非门的输出端直接对接，则可以实现与逻辑功能。然而，当将两个直接对接，则可以实现与逻辑功能。然而，当将两个TTLTTL“与非与非”门输出端直接并联时，会产生一个大电门输出端直接并联时，会产生一个大电流，抬高其中一个门输出低电平，而且会因功耗过大流，抬高其中一个门输出低电平，而且会因功耗过大损坏门器件。损坏门器件。F1F2 F.为了使为了使TTL门电路能够实现门电路能够实现“线与线
23、与”，TTL系列产品中专门系列产品中专门设计了一种输出端可以直接相互设计了一种输出端可以直接相互连接的特殊逻辑门。连接的特殊逻辑门。“线与线与”40集电极开路与非门集电极开路与非门逻辑符号：逻辑符号：电子电路电子电路ABF C41FRLVC相当于相当于“与门与门”逻辑等效符号逻辑等效符号OCOC门可实现门可实现“线与线与”逻辑逻辑42三态逻辑门（三态逻辑门（TSTS门）门）TS门有三种输出状态：门有三种输出状态：三态门不是指具有三种逻辑值。三态门不是指具有三种逻辑值。输出高电平、输出低电平和高阻状态输出高电平、输出低电平和高阻状态 工作状态工作状态禁止状态（隔离状态）禁止状态（隔离状态）43三
24、态门三态门三态门经常作为输出级与其它逻辑电路集成三态门经常作为输出级与其它逻辑电路集成为一个逻辑器件为一个逻辑器件最简单的器件有三态恒等门、三态非门、三最简单的器件有三态恒等门、三态非门、三态与非门等，商品名称为缓冲器（驱动门）态与非门等，商品名称为缓冲器（驱动门）如何使电路处在工作状态和禁止状态？如何使电路处在工作状态和禁止状态？通过外加控制信号！通过外加控制信号！44在一般与非门的基础上，附加使能控制端和在一般与非门的基础上，附加使能控制端和控制电路。控制电路。三态输出与非门三态输出与非门EN=0 输出输出 F=ABEN=1 输出输出F便被悬空，即处于高阻状态。便被悬空，即处于高阻状态。电
25、路逻辑功能如下：电路逻辑功能如下：A AB BENENF F&三态门使能端的两种控制方式三态门使能端的两种控制方式4545低电平使能低电平使能高电平使能高电平使能ABF EFAB E46三态门应用三态门应用三态门的重要用途就是使多个发送信号的部件三态门的重要用途就是使多个发送信号的部件可以共用总线传输数据。可以共用总线传输数据。实际的系统中，总线是由多条传输线组成，可实际的系统中，总线是由多条传输线组成，可以并行传送多位信号，每一输出端应通过一个以并行传送多位信号，每一输出端应通过一个三态门与一条传输线相连接。三态门与一条传输线相连接。在比较复杂的系统中，三态门是一种扩展逻辑在比较复杂的系统中
26、，三态门是一种扩展逻辑功能的输出级，也是一种控制开关。功能的输出级，也是一种控制开关。三态门的应用三态门的应用之一之一47l 三态门广泛用于数据总线结构三态门广泛用于数据总线结构 任何时刻只能有一个控制端有效，即只有任何时刻只能有一个控制端有效，即只有一个门处于数据传输，其它门处于禁止状态。一个门处于数据传输，其它门处于禁止状态。三态门的应用之三态门的应用之二二48l 双向传输双向传输当当E=0时时，门门1工工作作，门门2禁禁止止，数数据据从从A送到送到B；E=1时时，门门1禁禁止止，门门2工工作作，数数据据从从B送到送到A。49CMOSCMOS集成逻辑门电路集成逻辑门电路CMOS反相器反相器
27、CMOS传输门传输门TGTGCMOS与非门与非门50PMOSNMOSCMOSCMOS反相器反相器CMOSCMOS传输门传输门TGTG51输入输入输出输出门控制门控制信号信号传输门传输门工作工作原理原理52当当C C为为低低电电平平时时，T TN N、T TP P截截止止，传传输输门门相相当当于于开开关关断断开开，传传输输门门保保存存信信息；息；当当C C为为高高电电平平时时，T TN N、T TP P中中至至少少有有一一只只管管子子导导通通，使使V VO O=V=VI I，这这相相当当于于开开关关接通，传输门传输信息；接通，传输门传输信息；由此可见传输门相当于一个理想的开关，且是一个双向开关。
28、由此可见传输门相当于一个理想的开关，且是一个双向开关。53CMOSCMOS异或门异或门54小小 结结TTL电路输入级采用多发射极晶体管，输出级采电路输入级采用多发射极晶体管，输出级采用推拉式结构，所以工作速度较快，带负载能力用推拉式结构，所以工作速度较快，带负载能力较强，是目前使用最广泛的一种集成逻辑门。较强，是目前使用最广泛的一种集成逻辑门。CMOS电路具有高速度、功耗低、扇出大、电源电路具有高速度、功耗低、扇出大、电源电压范围宽、抗干扰能力强、集成度高等一系列电压范围宽、抗干扰能力强、集成度高等一系列特点，使之在整个数字集成电路中占据主导地位特点，使之在整个数字集成电路中占据主导地位的趋势日益明显。的趋势日益明显。