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1、基本逻辑运算第1页，此课件共44页哦一、基本逻辑运算一、基本逻辑运算设：开关闭合设：开关闭合=“1 1”开关不闭合开关不闭合=“0 0”灯亮，灯亮，L=1L=1 灯不亮，灯不亮，L=0L=0 2.1 2.1 基本逻辑运算基本逻辑运算 与与逻逻辑辑只只有有当当决决定定一一件件事事情情的的条条件件全全部部具具备备之之后后，这这件件事事情情才会发生。才会发生。1 1与运算与运算与逻辑表达式：与逻辑表达式：AB灯灯L不闭合不闭合不闭合不闭合闭合闭合闭合闭合不闭合不闭合闭合闭合不闭合不闭合闭合闭合不亮不亮不亮不亮不亮不亮亮亮0101BLA0011输输 入入0001输出输出 与逻辑真值表与逻辑真值表第2页
2、，此课件共44页哦2 2或运算或运算或逻辑表达式：或逻辑表达式：LA+B 或或逻逻辑辑当当决决定定一一件件事事情情的的几几个个条条件件中中，只只要要有有一一个个或或一一个以上条件具备，这件事情就发生。个以上条件具备，这件事情就发生。AB灯灯L不闭合不闭合不闭合不闭合闭合闭合闭合闭合不闭合不闭合闭合闭合不闭合不闭合闭合闭合不亮不亮亮亮亮亮亮亮0101BLA0011输输 入入0111输出输出 或逻辑真值表或逻辑真值表第3页，此课件共44页哦3 3非运算非运算 非非逻逻辑辑某某事事情情发发生生与与否否，仅仅取取决决于于一一个个条条件件，而而且且是是对对该该条条件件的的否否定定。即即条条件件具具备备时
3、时事事情情不不发发生生；条条件件不不具备时事情才发生。具备时事情才发生。A灯灯L闭合闭合不闭合不闭合不亮不亮亮亮LA0110非逻辑真值表非逻辑真值表非逻辑表达式：非逻辑表达式：第4页，此课件共44页哦 2.2、常用复合逻辑、常用复合逻辑 2 2或非或非 由由或运算和非运算或运算和非运算组合而成。组合而成。1 1与非与非 由与运算由与运算 和非运算和非运算组合而成。组合而成。0101BLA0011输输 入入1110输出输出“与与非非”真值真值表表0101BLA0011输输 入入1000输出输出“或或非非”真值真值表表第5页，此课件共44页哦3 3“异或异或”和和“同或同或”异或是一种异或是一种二
4、变量二变量逻辑运算，逻辑运算，当两个变量取值相同时，逻辑函当两个变量取值相同时，逻辑函数值为数值为0 0；当两个变量取值不同时，逻辑函数值为；当两个变量取值不同时，逻辑函数值为1 1。0101BLA0011输输 入入0110输出输出“异或异或”真值真值表表异或的逻辑表达式为：异或的逻辑表达式为：第6页，此课件共44页哦(1)两变量的两变量的“异或逻辑异或逻辑”和和“同或逻辑同或逻辑”互为反函数。互为反函数。BAL=A=+B两变量的两变量的“异或逻辑异或逻辑”和和“同或逻辑同或逻辑”互为反函数。互为反函数。第7页，此课件共44页哦图图 2 11 多变量的多变量的“异或异或”电路电路 (2)多变量
5、的多变量的“异或异或”及及“同或同或”逻辑逻辑 多变量的“异或”或“同或”运算，要利用两变量的“异或门”或“同或门”来实现。图图 2 12 多变量的多变量的“同或同或”电路电路第8页，此课件共44页哦由图2-11(a)得：由图2-11(b)得：由图2-12(a)得：由图2-12(b)得：第9页，此课件共44页哦 (2)偶数个变量的“同或”，等于这偶数个变量的“异或”之非。如：AB=ABCD=奇数个变量的“同或”，等于这奇数个变量的“异或”。如：ABC=将将0,1值代入多变量的异或式中可得出如下结论。值代入多变量的异或式中可得出如下结论。(1)奇数个“1”相异或结果为1；偶数个1相异或结果为0。
6、第10页，此课件共44页哦2.2.5逻辑运算的优先级别逻辑运算的优先级别逻辑运算的优先级别决定了逻辑运算的先后顺序。在求解逻辑函数时，应首先进行级别高的逻辑运算。各种逻辑运算的优先级别，由高到低的排序如下：长非号是指非号下有多个变量的非号。2.2.6逻辑运算的完备性（略）逻辑运算的完备性（略）第11页，此课件共44页哦2.2.7 正负逻辑正负逻辑在数字系统中，逻辑值是用逻辑电平表示的。若用逻辑高电平UH表示逻辑“真”，用逻辑低电平UL表示逻辑“假”，则称为正逻辑；反之，则称为负逻辑。表表2-5 电位关系与正、电位关系与正、负逻辑负逻辑同样的方法可得到正与等于负或，同样的方法可得到正与等于负或，
7、正异或等于负同或。正异或等于负同或。第12页，此课件共44页哦集成门电路的分类集成门电路的分类1.按内部有源器件的不同分为：按内部有源器件的不同分为：双极型晶体管集成门电路：双极型晶体管集成门电路：LSTTL、ECL、I2L单极型单极型MOS集成门电路：集成门电路：CMOS、NMOS、PMOS、LDMOS、VDMOS晶体管和晶体管和MOS管集成门电路：管集成门电路：BiCMOS2.按集成度分为：按集成度分为：SSI（小规模（小规模IC）、）、MSI（中规模（中规模IC）、）、LSI（大规模（大规模IC）、）、VLSI（超大规模（超大规模IC）。）。2.3 集集 成成 逻逻 辑辑 门门第13页，
8、此课件共44页哦2.3.1 2.3.1 TTL与非门的基本结构及工作原理与非门的基本结构及工作原理第14页，此课件共44页哦1.电路电路基本结构基本结构第15页，此课件共44页哦2 2功能分析功能分析（1 1）输入全为高电平）输入全为高电平3.63.6V时。时。T2 2、T3 3饱和导通，饱和导通，实现了与非门的逻实现了与非门的逻辑功能之一：辑功能之一：输入全为高电平时，输入全为高电平时，输出为低电平输出为低电平。由于由于T2 2饱和导通，饱和导通，VC2C2=1=1V。T4 4和二极管和二极管D都截止。都截止。由于由于T3 3饱和导通，输出电压为：饱和导通，输出电压为：VO O=VCES3C
9、ES30.30.3V第16页，此课件共44页哦该发射结导通，该发射结导通，VB1 1=1=1V。T2 2、T3 3都截止。都截止。（2 2）输入有低电平）输入有低电平0.30.3V 时。时。实现了与非门的逻辑实现了与非门的逻辑功能的另一方面：功能的另一方面：输入有低电平时，输入有低电平时，输出为高电平输出为高电平。忽略流过忽略流过RC2 2的电流，的电流，VB4B4VCCCC=5=5V 。由于由于T4 4和和D导通，所以：导通，所以：VO OVC CC C-VBE4BE4-VD D =5-0.7-0.7=3.6=5-0.7-0.7=3.6（V）综综合合上上述述两两种种情情况况，该该电电路路满满
10、足足与与非非的的逻逻辑功能，即：辑功能，即：第17页，此课件共44页哦3 主要参数主要参数（1)TTL与非门提高工作速度的原理与非门提高工作速度的原理a.采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。第18页，此课件共44页哦b.b.采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电。采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电。第19页，此课件共44页哦（2)TTL2)TTL与非门传输延迟时间与非门传输延迟时间t tpdpd导通延迟时间导通延迟时间tPHL从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的从输入波形上升沿的中点到输出波形下
11、降沿的 中点所经历的时间。中点所经历的时间。一般一般TTL与非门传输延迟时间与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒十几个纳秒。的值为几纳秒十几个纳秒。截止延迟时间截止延迟时间tPLH从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的 中点所经历的时间。中点所经历的时间。与非门的传输延迟时间与非门的传输延迟时间tpd：第20页，此课件共44页哦（3 3）抗干扰能力抗干扰能力1电压传输特性曲线：电压传输特性曲线：Vo=f（Vi）ABCDE第21页，此课件共44页哦（1 1）输输出出高高电电平平电电压压V VOHOH在在正正逻逻辑辑体体制制中中代代表表逻逻辑辑“1 1”的
12、的输输出出电电压压。VOH的的理理论论值值为为3.63.6V，产产品品规规定定输输出出高高电电压压的的最最小小值值VOH（min）=2.4=2.4V。VOH 的标准值是的标准值是3V。（2 2）输输出出低低电电平平电电压压V VOLOL在在正正逻逻辑辑体体制制中中代代表表逻逻辑辑“0 0”的的输输出出电电压压。VOL的的理理论论值值为为0.30.3V，产产品品规规定定输输出出低低电电压压的的最最大大值值VOL（max）=0.4=0.4V。VOL 的标准值是的标准值是0.3V。（3 3）关关门门电电平平电电压压V VOFFOFF是是指指输输出出电电压压下下降降到到VOH（min）时时对对应应的的
13、输输入入电电压压。即即输输入入低低电电压压的的最最大大值值。在在产产品品手手册册中中常常称称为为输输入入低低电电平平电电压压，用，用VIL（max）表示。产品规定表示。产品规定VIL（max）=0.8=0.8V。(0.8-1V)(0.8-1V)几个重要参数几个重要参数第22页，此课件共44页哦（4 4）开开门门电电平平电电压压V VONON是是指指输输出出电电压压下下降降到到VOL（max）时时对对应应的的输输入入电电压压。即即输输入入高高电电压压的的最最小小值值。在在产产品品手手册册中中常常称称为为输输入入高电平电压高电平电压，用，用VIH（min）表示。产品规定表示。产品规定VIH（min
14、）=2=2V。(1.4-1.8V)(1.4-1.8V)（5 5）阈阈值值电电压压V Vthth电电压压传传输输特特性性的的过过渡渡区区所所对对应应的的输输入入电电压压，即即决决定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的分界线。定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的分界线。近似地：近似地：VthVOFFVON 即即ViVth，与非门关门，输出高电平；，与非门关门，输出高电平；ViVth，与非门开门，输出低电平。，与非门开门，输出低电平。Vth又常被形象化地称为又常被形象化地称为门槛电压门槛电压。Vth的值为的值为1.31.3V1.1.V。第23页，此课件共44页哦低电平噪声容
15、限低电平噪声容限 VNLVOFF-VOL（max）0.80.8V-0.4-0.4V0.40.4V高电平噪声容限高电平噪声容限 VNHVOH（min）-VON2.42.4V-2.0-2.0V0.40.4V（6)噪声容限噪声容限TTL门电路的输出高低电平是一个范围，门电路的输出高低电平是一个范围，即它的输入信号允许一定的容差。即它的输入信号允许一定的容差。第24页，此课件共44页哦（7 7）输入低电平电流）输入低电平电流IIL与输入高电平电流与输入高电平电流IIH 1.1.输入低电平电流输入低电平电流I IILIL是指当门电路的输入端接低电平时，从是指当门电路的输入端接低电平时，从 门电路输入端流
16、出的电流。门电路输入端流出的电流。可以算出：可以算出：产品规定产品规定IIL1.61.6mA。2.2.输入高电平电流输入高电平电流I IIH IH 是指当门电路的输入端接高电平时，流入是指当门电路的输入端接高电平时，流入 输入端的电流。输入端的电流。产品规定：产品规定：IIH4040uA。第25页，此课件共44页哦（8 8）灌电流负载）灌电流负载当驱动门输出低电平时，电流从负载门当驱动门输出低电平时，电流从负载门 灌入驱动门。灌入驱动门。N NOLOL称为输出低电平时的扇出系数。称为输出低电平时的扇出系数。产品规定产品规定IOL=16mA。（9 9）拉电流负载）拉电流负载当驱动门输出高电平时，
17、电流从驱动门当驱动门输出高电平时，电流从驱动门 拉出拉出,流至负载门的输入端。流至负载门的输入端。NOH称为称为输出高电平时的扇出系数输出高电平时的扇出系数。产品规定产品规定:IOH=0.4=0.4mA。由此可得出：由此可得出：一般一般NOLNOH，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用NO表示。表示。第26页，此课件共44页哦 在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使用，以实现与逻辑，称为用，以实现与逻辑，称为线与线与。普通的普通的TTL门电路不门电路不能进行线与能进行线与。为此，。为此，专门生产
18、了一种可以进行线与的专门生产了一种可以进行线与的门电路门电路集电极开路门。集电极开路门。2.3.2 集电极开路门（集电极开路门（OC门）和三态门门）和三态门1 1）OCOC门门第27页，此课件共44页哦（1 1）实现线与。）实现线与。逻辑关系为逻辑关系为:OC门主要有以下几方面的应用：门主要有以下几方面的应用：（2 2）实现电平转换。）实现电平转换。如图示，可使输出高电平变为如图示，可使输出高电平变为1010V。（3 3）用做驱动器。）用做驱动器。如图是用来驱动发光二极管的电路。如图是用来驱动发光二极管的电路。第28页，此课件共44页哦（1）当输出高电平时当输出高电平时 RP不能太大。不能太大
19、。RP为最大值时要保证输出电压为为最大值时要保证输出电压为VOH（min）。OC门进行线与时，外接上拉电阻门进行线与时，外接上拉电阻RP的选择：的选择：得：得：VCC-VOH（min）=IIHRP（max）由：由：第29页，此课件共44页哦（2）当输出低电平时当输出低电平时 所以：所以：RP（min）RPRP（max）由：由：RP不能太小。不能太小。RP为最小值时要保证输出电压为为最小值时要保证输出电压为VOL（max）。得：得：第30页，此课件共44页哦（1 1）三态输出门的结构及工作原理。）三态输出门的结构及工作原理。当当EN=0=0时时，G输输出出为为1 1，D1 1截截止止，相相当当于
20、于一一个个正正常常的的二二输输入入端端与与非非门门，称称为为正正常工作状态。常工作状态。当当EN=1时时，G输输出出为为0，T4、T3都都截截止止。这这时时从从输输出出端端L看看进进去去，呈呈现现高高阻阻，称称为为高高阻阻态，或禁止态。态，或禁止态。2 2）三态门）三态门去去掉掉非非门门G G，则则EN=1时时，为为工工作作状状态态，EN=0时，为高阻态。时，为高阻态。第31页，此课件共44页哦三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。（a）组成单向总线）组成单向总线实现信号的分时单向传送。实现信号的分时单向传送。（b）组成双向总线，）组成双向总线，实现信
21、号的分时双向传送。实现信号的分时双向传送。（2 2）三态门的应用）三态门的应用第32页，此课件共44页哦MOS管的结构管的结构S(Source)：源极：源极G(Gate)：栅极：栅极D(Drain)：漏极：漏极B(Substrate):衬底衬底金属层金属层氧化物层氧化物层半导体层半导体层PN结结2.3.3 CMOS2.3.3 CMOS门电路的构成门电路的构成第33页，此课件共44页哦1.CMOS非门（反相器）非门（反相器）分析分析CMOS门电路的方法：门电路的方法：MOS管从栅极输入，漏极输出；管从栅极输入，漏极输出；对对N沟道沟道管，输入逻辑管，输入逻辑1导通（相当于开关闭合），输入逻辑导通
22、（相当于开关闭合），输入逻辑0截止（相当于开关断开）截止（相当于开关断开）；对；对P沟道管则相反，即输入逻辑沟道管则相反，即输入逻辑0导通，输入逻辑导通，输入逻辑1截止。截止。CMOS逻辑门电路是由逻辑门电路是由N沟道沟道MOSFET和和P沟道沟道MOSFET互补而成。互补而成。第34页，此课件共44页哦2.CMOS与非门与非门YVABDDTP1TN2TN1P2T第35页，此课件共44页哦3.CMOS或非门或非门YVABP1TDDTN2P2TN1T第36页，此课件共44页哦后级为与或非门，经过逻辑变换，可得：后级为与或非门，经过逻辑变换，可得：4 4CMOS异或门电路异或门电路由两级组成，前级
23、为或非门，输出为由两级组成，前级为或非门，输出为第37页，此课件共44页哦当当EN=1=1时，时，TP2 2和和TN2 2同时截止，输出为同时截止，输出为高阻状态高阻状态。所以，这是一个低电平有效的三态门。所以，这是一个低电平有效的三态门。5 5 CMOS三态门三态门当当EN=0=0时，时，TP2 2和和TN2 2同时导通，同时导通，为为正常的非门，正常的非门，输出输出1ALEN第38页，此课件共44页哦一、一、TTL与与CMOS器件之间的接口问题器件之间的接口问题 两种不同类型的集成电路相互连接，驱动门必须要为负载门提两种不同类型的集成电路相互连接，驱动门必须要为负载门提供符合要求的高低电平
24、和足够的输入电流，即要满足下列条件：供符合要求的高低电平和足够的输入电流，即要满足下列条件：驱动门的驱动门的VOH（min）负载门的负载门的VIH（min）驱动门的驱动门的VOL（max）负载门的负载门的VIL（max）驱动门的驱动门的IOH（max）负载门的负载门的IIH（总）（总）驱动门的驱动门的IOL（max）负载门的负载门的IIL（总）（总）2.3.4 2.3.4 集成逻辑门电路的应用集成逻辑门电路的应用 第39页，此课件共44页哦（b）用用TTL门门电电路路驱驱动动5 5V低低电电流流继继电电器器，其其中中二二极极管管D作作保保护护，用以防止过电压。用以防止过电压。二、二、TTL和和
25、CMOS电路带负载时的接口问题电路带负载时的接口问题1 1对于电流较小、电平能够匹配的对于电流较小、电平能够匹配的负载可以直接驱动。负载可以直接驱动。（a a）用）用TTL门电路驱动发光二极管门电路驱动发光二极管LED，这时只要在电路中串接一个约几百，这时只要在电路中串接一个约几百W W的限流电阻即可。的限流电阻即可。第40页，此课件共44页哦2 2带大电流负载带大电流负载（a a）可将同一芯片上的多个门并联作为驱动器。）可将同一芯片上的多个门并联作为驱动器。（b b）也可在门电路输出端接三极管，以提高负载能力。）也可在门电路输出端接三极管，以提高负载能力。第41页，此课件共44页哦 （2 2
26、）对对于于或或非非门门及及或或门门，多多余余输输入入端端应应接接低低电电平平，比比如如直直接接接接地地；也也可可以以与与有有用用的的输入端并联使用。输入端并联使用。三、多余输入端的处理三、多余输入端的处理 （1 1）对于与非门及与门，多）对于与非门及与门，多余输入端应接余输入端应接高电平高电平。如直接接。如直接接电源正端，在前级驱动能力允许电源正端，在前级驱动能力允许时，也可以与有用的输入端并联时，也可以与有用的输入端并联使用。使用。第42页，此课件共44页哦3 3一端消去或加上小圆圈，同时将相应变量取反，其逻辑关系不变。一端消去或加上小圆圈，同时将相应变量取反，其逻辑关系不变。2 2任一条线
27、一端上的小圆圈移到另一端，其逻辑关系不变。任一条线一端上的小圆圈移到另一端，其逻辑关系不变。2.6 2.6 混合逻辑中逻辑符号的变换混合逻辑中逻辑符号的变换1 1逻辑图中任一条线的两端同时加上或消去小圆圈，其逻辑关系不变。逻辑图中任一条线的两端同时加上或消去小圆圈，其逻辑关系不变。第43页，此课件共44页哦 本章小结本章小结 1逻辑运算中的三种基本运算是与、或、非运算。逻辑运算中的三种基本运算是与、或、非运算。2 2 TTLTTL集集成成逻逻辑辑门门电电路路的的输输入入级级采采用用多多发发射射极极三三级级管管、输输出出级级采采用用达达林林顿顿结结构构，这这不不仅提高了门电路的开关速度，也使电路
28、有较强的驱动负载的能力。仅提高了门电路的开关速度，也使电路有较强的驱动负载的能力。3 3集电极开路门集电极开路门(oc)(oc)和三态门。掌握其基本电路和连接方式及工作原理。和三态门。掌握其基本电路和连接方式及工作原理。4 4MOSMOS集集成成电电路路常常用用的的是是两两种种结结构构。一一种种是是NMOSNMOS门门电电路路，另另一一类类是是CMOSCMOS门门电电路路。与与TTLTTL门门电电路路相相比比，它它的的优优点点是是功功耗耗低低，扇扇出出数数大大，噪噪声声容容限限大大，开开关关速速度度与与TTLTTL接接近近，已已成为数字集成电路的发展方向。成为数字集成电路的发展方向。5 5为为了了更更好好地地使使用用数数字字集集成成芯芯片片，应应熟熟悉悉TTLTTL和和CMOSCMOS各各个个系系列列产产品品的的外外部部电电气气特特性性及及主主要要参参数数，还还应应能能正正确确处处理理多多余余输输入入端端，能能正正确确解解决决不不同同类类型型电电路间的接口问题及抗干扰问题。路间的接口问题及抗干扰问题。第44页，此课件共44页哦