计算机组成原理数字电路基础

1、2021/8/141数字电路与逻辑数字电路与逻辑设计基础设计基础余晓容余晓容2021/8/142v1 1 逻辑函数逻辑函数v2 2 半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性v3 3 逻辑门电路逻辑门电路v4 4 组合逻辑电路及其应用组合逻辑电路及其应用v5 5 触发器触发器v6 6 计算机中常用的逻辑电路计算机中常用的逻辑电路v作业作业主要内容主要内容2021/8/1431 逻辑函数逻辑函数一、基本概念一、基本概念逻辑代数逻辑代数v1847年年George Boole提出描述客观事务逻辑关系的提出描述客观事务逻辑关系的布尔代数；布尔代数；v1938年年Claude E.Shannon将布尔代数

2、用于设计开关将布尔代数用于设计开关电路；电路；v布尔代数已经成为分析和设计数字逻辑电路的基础和布尔代数已经成为分析和设计数字逻辑电路的基础和有力工具，又称为逻辑代数。有力工具，又称为逻辑代数。2021/8/1441逻辑函数逻辑函数v利用利用“函数变量（自变量、因变量）函数变量（自变量、因变量）”关系关系描述逻辑代数之间的关系描述逻辑代数之间的关系v例：例：十字路口的车辆与交通指挥灯十字路口的车辆与交通指挥灯F=(R,Y,G)F=(R,Y,G)任意具有因果关系的逻辑变量任意具有因果关系的逻辑变量F=(A1,A2,An)F=(A1,A2,An)逻辑函数的表达方式逻辑函数的表达方式v逻辑表达式逻辑表

3、达式v真值表真值表v逻辑图逻辑图v卡诺图卡诺图用逻辑运算符将关系表达式或逻辑量连接起来的式子用逻辑运算符将关系表达式或逻辑量连接起来的式子表征逻辑事件输入和输出之间全部可能状态的表格表征逻辑事件输入和输出之间全部可能状态的表格主要用二进制逻辑单元图形符号所绘制的电路简图主要用二进制逻辑单元图形符号所绘制的电路简图逻辑函数的一种图形表示，将逻辑函数的最小项表达逻辑函数的一种图形表示，将逻辑函数的最小项表达式中的各最小项相应地填入一个方格图内。式中的各最小项相应地填入一个方格图内。 2021/8/145二、基本逻辑运算二、基本逻辑运算1. 逻辑函数与真值表逻辑函数与真值表v例：给定函数例：给定函数

4、F=(A,B)，两个自，两个自变量，共有四种取值组合：变量，共有四种取值组合：F(0,0)=0；F(0,1)=0；F(1,0)=1；F(1,1)=1；v三个自变量，有八种取值组合三个自变量，有八种取值组合逻辑代数逻辑代数逻辑值逻辑值 0 0、1 1 代表两种不同的状态代表两种不同的状态逻辑运算逻辑运算 三种基本运算（与、或、非）的组合三种基本运算（与、或、非）的组合运算的表示运算的表示 最基本的表示最基本的表示真值表真值表逻辑变量逻辑变量ABF00001010111112021/8/1462. 基本逻辑运算基本逻辑运算与运算与运算 “”v定义定义：当一逻辑事件发生的所有条件全部具备当一逻辑事件

5、发生的所有条件全部具备后，该逻辑事件才发生，这种关系称为后，该逻辑事件才发生，这种关系称为与逻辑与逻辑ABF00001010011112021/8/1473. 基本逻辑运算基本逻辑运算或运算或运算 “+”定义：当一逻辑事件发生的所有条件中只要有定义：当一逻辑事件发生的所有条件中只要有一个条件得到满足，该逻辑事件就会发生，这一个条件得到满足，该逻辑事件就会发生，这种关系称为种关系称为或逻辑或逻辑ABF00001110111112021/8/1484. 基本逻辑运算基本逻辑运算非运算非运算 “”定义：逻辑事件的发生以其相反的条件为依定义：逻辑事件的发生以其相反的条件为依据，这种关系称为据，这种关系

6、称为非逻辑非逻辑AF=A011012021/8/149这三个基本运算都可以推广到多个逻辑变量上这三个基本运算都可以推广到多个逻辑变量上F1=A1 A2 AnF2=A1 +A2 + +An12021/8/1410三、逻辑函数的基本定理三、逻辑函数的基本定理逻辑代数的相等（定理的基本逻辑代数的相等（定理的基本出发点）出发点） F1=A+B F2=ABF1=A+B F2=ABvF1(A1，A2 ， ，An)=F2(A1，A2 ， ，An)v同一逻辑函数的两个不同公式表同一逻辑函数的两个不同公式表达形式达形式v两个逻辑函数的真值表必定相同两个逻辑函数的真值表必定相同逻辑代数的公理逻辑代数的公理v三个基

7、本运算的公式形式三个基本运算的公式形式A A B B A A B B F F1 1F F2 20 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 10 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 01 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 01 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 012021/8/1411逻辑函数的基本定理：逻辑函数的基本定理：v逻辑运算的优先级：逻辑运算的优先级：括号括号非非与与或或12021/8/141212021/8/1413四、逻辑函数的基本运算规则四、逻辑函数的基本运算规则代入、反演和对偶规则代入、反演和对偶规则代入规则代入规则v在任何一个包含逻辑变量在任何一个包含逻辑变

8、量A A的等式中，如果用另一的等式中，如果用另一个函数式个函数式F F代入式中代入式中A A的位置，则等式仍然成立；的位置，则等式仍然成立；v例例B(A+C)=BA+BC，若，若A(D+E)得：得：B(D+E)+C=B(D+E)+BC=BD+BE+BC12021/8/1414反演规则反演规则v规则：对逻辑表达式规则：对逻辑表达式F当中的当中的运算符：与运算符：与或；或或；或与与变量：原变量变量：原变量反变量；反变量反变量；反变量原变量原变量常量：常量：01；10v得到：表达式得到：表达式Fv注意：注意：1. 保持原来的运算优先顺序保持原来的运算优先顺序2. 对于反变量以外的非号应保留不变对于反

9、变量以外的非号应保留不变12021/8/1415对偶规则对偶规则v对偶式对偶式对逻辑表达式对逻辑表达式F当中的当中的v运算符：与运算符：与或；或或；或与与v常量：常量：01；10得到对偶式得到对偶式Fv相等的逻辑函数，对偶式也相等相等的逻辑函数，对偶式也相等例：证明例：证明A+BC=(A+B)(A+C)对偶式为：左边对偶式为：左边=A(B+C)；右边；右边=AB+AC由分配律知由分配律知A(B+C)=AB+AC，故得证，故得证注意：同样需要保证运算顺序不能发生变化注意：同样需要保证运算顺序不能发生变化12021/8/14162 2 半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性一、开关器件一、开关器

10、件开关的特性开关的特性 具有接通和断开两种工作状态具有接通和断开两种工作状态理想的开关理想的开关v接通状态接通状态 要求阻抗越小越好，相当于短路要求阻抗越小越好，相当于短路v断开状态断开状态 要求阻抗越大越好，相当于开路要求阻抗越大越好，相当于开路在数字电路中二极管和三极管大多数工作在数字电路中二极管和三极管大多数工作在开关状态。它们在脉冲信号的作用下，在开关状态。它们在脉冲信号的作用下，时而饱和导通，时而截止，相当于开关的时而饱和导通，时而截止，相当于开关的开通和关断。开通和关断。 2021/8/1417二、晶体二级管二、晶体二级管导体导体v两端存在电压时，导体内产生电流，如银、两端存在电压

11、时，导体内产生电流，如银、铜铜绝缘体绝缘体v两端存在电压时，体内无电流，如橡胶、石两端存在电压时，体内无电流，如橡胶、石英英半导体半导体v在不同的情况下可以表现为导体或绝缘体在不同的情况下可以表现为导体或绝缘体半导体器件（二极管）半导体器件（二极管）v在单一方向具有导电特性的物体在单一方向具有导电特性的物体根据所加电压根据所加电压方向的不同方向的不同22021/8/14181、二极管结构、二极管结构电流电流二极管图形符号二极管图形符号二极管内部结构二极管内部结构在在4 4价的硅材料中加进价的硅材料中加进5 5价或价或5 5价以上的金属制成价以上的金属制成的材料（里面有可以移的材料（里面有可以移

12、动的带负电荷的电子）动的带负电荷的电子） 在在4 4价的硅材料中加入价的硅材料中加入3 3价价或或3 3价以下的金属制成的价以下的金属制成的材料（里面有可以移动的材料（里面有可以移动的带正电荷的空穴）带正电荷的空穴） 22021/8/14192 2、二极管静态特性（伏安特性）、二极管静态特性（伏安特性） 0.5 0.7 iD(mA) uD(V) 硅硅 PN结伏安特性结伏安特性 UBR 0 静态特性是指二极管在导通和截止两种静态特性是指二极管在导通和截止两种稳定状态下的特性。稳定状态下的特性。典型二极管的静态特性典型二极管的静态特性曲线曲线(又称伏安特性曲线又称伏安特性曲线) 。22021/8/

13、14201） 正向特性正向特性 门槛电压门槛电压 ( U( UTHTH ) )：使二极管开始导通的正向使二极管开始导通的正向电压，有时又称为导通电电压，有时又称为导通电压压 ( (一般锗管约一般锗管约0.1V0.1V，硅，硅管约管约0.5V)0.5V)。正向电压正向电压 UF U UTHTH ：管子截止，电阻很管子截止，电阻很大、正向电流大、正向电流 I IF F 接近于接近于 0 0， 二极管二极管类似于开关的断开类似于开关的断开状态状态 ； 正向电压正向电压 UF = UTH ：管子开始导通，正向电流管子开始导通，正向电流 IF 上升；上升； 正向电压正向电压 UF UTH (一般锗管为一

14、般锗管为0.3V，硅管为，硅管为0.7V) ：管管 子充分导通，子充分导通， 电阻很小，正向电流电阻很小，正向电流IF 急剧增加，二极急剧增加，二极 管类似于开关的接通状态。管类似于开关的接通状态。 0.5 0.7 iD(mA) uD(V) 硅硅 PN结伏安特性结伏安特性 UBR 0 门坎电压Uth反向击穿电压22021/8/1421 2） 反向特性反向特性 二极管在反向电压二极管在反向电压 UR 作用下，处于截止状态，作用下，处于截止状态，反向电阻很大，反向电流反向电阻很大，反向电流 IR 很小（将其称为反向饱很小（将其称为反向饱和电流，用和电流，用 IS 表示，通常可忽略不计表示，通常可忽

15、略不计 ），），二极管的二极管的状态类似于开关断开。状态类似于开关断开。而且反向电压在一定范围内变而且反向电压在一定范围内变化基本不引起反向电流的变化。化基本不引起反向电流的变化。注意事项：注意事项： 正向导通时可能因电流过大而导致二极管烧坏。正向导通时可能因电流过大而导致二极管烧坏。组成组成 实际电路时通常要串接一只电阻实际电路时通常要串接一只电阻 R，以限制二极管的正向电，以限制二极管的正向电 流；流； 反向电压超过某个极限值时，将使反向电流反向电压超过某个极限值时，将使反向电流IR突然猛突然猛 增，致使二极管被击穿（通常将该反向电压极限值称为增，致使二极管被击穿（通常将该反向电压极限值称

16、为反向击反向击 穿电压穿电压UBR），一般不允许反向电压超过此值。），一般不允许反向电压超过此值。22021/8/1422二极管组成的开关电路图如图（二极管组成的开关电路图如图（a）所示。二极管导）所示。二极管导通状态下的等效电路如图通状态下的等效电路如图(b)所示，截止状态下的等所示，截止状态下的等效电路如图效电路如图(c)所示，图中忽略了二极管的正向压降。所示，图中忽略了二极管的正向压降。 二极管开关电路及其等效电路二极管开关电路及其等效电路DU0RR断开断开R关闭关闭(a)(b)(c)由于二极管的单向导电性，所以在数字电路中经由于二极管的单向导电性，所以在数字电路中经常把它当作开关使用。

17、常把它当作开关使用。3 3、二极管开关特性、二极管开关特性22021/8/14234、二极管动态特性、二极管动态特性v二极管的动态特性是指二极管在导通与截止两二极管的动态特性是指二极管在导通与截止两种状态转换过程中的特性，它表现在完成两种状种状态转换过程中的特性，它表现在完成两种状态之间的转换需要一定的时间。为此，引入了反态之间的转换需要一定的时间。为此，引入了反向恢复时间和开通时间的概念。向恢复时间和开通时间的概念。v反向恢复时间：反向恢复时间：二极管从正向导通到反向截止二极管从正向导通到反向截止所需要的时间称为反向恢复时间。所需要的时间称为反向恢复时间。 v开通时间：开通时间：二极管从反向

18、截止到正向导通的时二极管从反向截止到正向导通的时间称为开通时间。间称为开通时间。 二极管的开通时间很短，对开关速度影响很小，二极管的开通时间很短，对开关速度影响很小，相对反向恢复时间而言几乎可以忽略不计。相对反向恢复时间而言几乎可以忽略不计。22021/8/1424三、晶体三极管三、晶体三极管1 1、双极型三极管结构、双极型三极管结构v晶体三极管由集电结和发射结两个晶体三极管由集电结和发射结两个PN结构成。结构成。根据两个根据两个PN结的偏置极性，三极管有结的偏置极性，三极管有截止、放截止、放大、饱和大、饱和3种工作状态。种工作状态。 NPNNPN型型PNPPNP型型22021/8/14252

19、 2、双极型三极管输入特性、双极型三极管输入特性 双极型三极管的应用中，通常是通过双极型三极管的应用中，通常是通过b,eb,e间的电流间的电流i iB B控制控制c,ec,e间的电流间的电流i iC C实现其电路功能的。因此，以实现其电路功能的。因此，以b,eb,e间的回路作为输入回路，间的回路作为输入回路，c,ec,e间的回路作为输出回路间的回路作为输出回路。 输入回路实质是一个输入回路实质是一个PNPN结结，其输入特性基本，其输入特性基本等同于二极管的伏安特性。等同于二极管的伏安特性。输入特性曲线输入特性曲线22021/8/14263、双极型三极管输出特性、双极型三极管输出特性 截止区截止

20、区 iB=0mA A 放大区放大区 ic(mA) 饱和区饱和区 uce(V) uces 0 放大状态：发射结正偏，集电结反偏；放大状态：发射结正偏，集电结反偏；u ubebeuuThTh， u ubcbc00；起放大作用；起放大作用；截止状态：发射结、集电极均反偏，截止状态：发射结、集电极均反偏，u ubcbc0V0V，u ubebe0V0V；一般地，一般地，u ubebe0.5VVVThTh， u ubcbc00；深度饱和状态；深度饱和状态下，下，饱和压降饱和压降U UCEs CEs 约为约为0.2V0.2V，三极管呈现低阻抗，类似于开关接通。，三极管呈现低阻抗，类似于开关接通。22021/

21、8/1427晶体三极管在截止与饱和这两种稳态下的特性晶体三极管在截止与饱和这两种稳态下的特性称为三极管的静态开关特性。称为三极管的静态开关特性。在数字逻辑电路中，三极管相当于一个由基极信在数字逻辑电路中，三极管相当于一个由基极信号控制的无触点开关，其作用对应于触点开关的号控制的无触点开关，其作用对应于触点开关的“闭闭合合”与与“断开断开”。4、双极型三极管开关特性、双极型三极管开关特性22021/8/14285、动态特性、动态特性v晶体三极管在饱和与截止两种状态转换过程中晶体三极管在饱和与截止两种状态转换过程中具有的特性称为三极管的动态特性。具有的特性称为三极管的动态特性。 v三极管的开关过程

22、和二极管一样，管子内部也三极管的开关过程和二极管一样，管子内部也存在着电荷的建立与消失过程。因此，两种状存在着电荷的建立与消失过程。因此，两种状态的转换也需要一定的时间才能完成。态的转换也需要一定的时间才能完成。v开通时间：开通时间：三极管从截止状态到饱和状态所需三极管从截止状态到饱和状态所需要的时间。要的时间。v关闭时间关闭时间 ：三极管从饱和状态到截止状态所三极管从饱和状态到截止状态所需要的时间。需要的时间。22021/8/1429内容回顾内容回顾 0.5 0.7 iD(mA) uD(V) 硅硅 PN结伏安特性结伏安特性 UBR 0 二极管图形符号二极管图形符号2021/8/1430内容回

23、顾内容回顾 二极管开关电路及其等效电路二极管开关电路及其等效电路DU0RR断开断开R关闭关闭(a)(b)(c)2021/8/1431内容回顾内容回顾2021/8/1432内容回顾内容回顾2021/8/1433 MOSMOS管是金属管是金属氧化物氧化物半导体场效应管的简称。半导体场效应管的简称。（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect TransistorMetal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）由于只有多数载流子参与导电，故也称为由于只有多数载流子参与导电，故也称为单极型三极管单极型三极管。NMOS

24、NMOS管结构图管结构图NMOSNMOS管：通过在管：通过在P P型半导型半导体衬底上制作两个体衬底上制作两个N N区的区的办法，形成办法，形成MOSMOS管的源极管的源极和漏极，再在和漏极，再在2 2个个N N区之间区之间的位置，用金属铝（或多的位置，用金属铝（或多晶硅）制作栅极，并通过晶硅）制作栅极，并通过一层极薄的二氧化硅绝缘一层极薄的二氧化硅绝缘层使栅极和衬底隔离开层使栅极和衬底隔离开 四、四、MOS管管1 1、MOSMOS管结构管结构22021/8/14342、静态特性、静态特性 MOS管作为开关元件，同样是工作在截止或导管作为开关元件，同样是工作在截止或导通两种状态。通两种状态。M

25、OS管是电压控制元件，主要由栅源管是电压控制元件，主要由栅源电压电压uGS决定其工作状态。决定其工作状态。由由NMOS增强型管构成的开关电路如下图所示。增强型管构成的开关电路如下图所示。22021/8/1435当当uGSUT：MOS管工作在截止区，漏源电流管工作在截止区，漏源电流IDS基本为基本为0，输，输出电压出电压uDS UDD，MOS管处于管处于“断开断开”状态状态; 当当uGSUT：MOS管工作在导通区，漏源电流管工作在导通区，漏源电流iDS=UDD/(RD + rDS)。其中，。其中，rDS为为 MOS 管导通时的漏源电阻。管导通时的漏源电阻。输出电压输出电压UDS=UDD rDS

26、/(RD+rDS), 若若rDSRD，则则uDS 0V，MOS管处于管处于“接通接通”状态。状态。2开启电压开启电压2021/8/14363 3、动态特性、动态特性MOS管本身导通和截止时电荷积累和消散时间很小。管本身导通和截止时电荷积累和消散时间很小。 动态特性主要取决于电路中杂散电容充、放电所需时间。动态特性主要取决于电路中杂散电容充、放电所需时间。1. 当电压当电压ui由高变低，由高变低，MOS管由导通转换为截止管由导通转换为截止时，电源时，电源UDD通过通过RD向杂散电容向杂散电容CL充电，充电时间常充电，充电时间常数数1 = RDCL。 2. 当电压当电压ui由低变高，由低变高，MO

27、S管由截止转换为导通管由截止转换为导通时，杂散电容时，杂散电容CL上的电荷通过上的电荷通过rDS进行放电，其放电进行放电，其放电时间常数时间常数2rDSCL。 因为因为rDS比比RD小得多，因此，由截止到导通的转小得多，因此，由截止到导通的转换时间比由导通到截止的转换时间要短。换时间比由导通到截止的转换时间要短。22021/8/1437 实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路统称为逻辑门电路，它们是组成数字系统子电路统称为逻辑门电路，它们是组成数字系统的基本单元电路。的基本单元电路。门电路门电路分立元件门电路分立元件门电路集成门电路集成门电路双极型集

28、成门（双极型集成门（DTL、TTL）MOS集成门集成门 NMOSPMOSCMOS由二极管与门和由二极管与门和三极管非门串接三极管非门串接而成而成 输入和输出端输入和输出端都用三极管都用三极管3 3 逻辑门电路逻辑门电路灵活、适应性好灵活、适应性好体积大、耗电高、故障率高体积大、耗电高、故障率高 体积小、耗电低、重体积小、耗电低、重量轻、可靠性高、成量轻、可靠性高、成本低、使用方便本低、使用方便 2021/8/1438一、数字逻辑信号和电信号的关系一、数字逻辑信号和电信号的关系逻辑逻辑 用符号用符号0和和1来表示幅度，称为逻辑来表示幅度，称为逻辑0和逻辑和逻辑1用电信号表达逻辑信号的方式用电信号

29、表达逻辑信号的方式v脉冲脉冲以脉冲有无表示逻辑以脉冲有无表示逻辑1/0v脉位脉位以脉冲边沿相距远近表示逻辑以脉冲边沿相距远近表示逻辑1/0v电流电流以电流大小表示逻辑以电流大小表示逻辑如用模拟电路当中的如用模拟电路当中的420mA电流环电流值表示电流环电流值表示v电压（幅度）电压（幅度） 以电压波形表示逻辑以电压波形表示逻辑电压界限取决于具体器件电压界限取决于具体器件高电压（波形），也称高电平，对应逻辑高电压（波形），也称高电平，对应逻辑1 1低电压（波形），或无电压，称为低电平，对应低电压（波形），或无电压，称为低电平，对应逻辑逻辑0 032021/8/1439正逻辑与负逻辑正逻辑与负逻辑v

30、正逻辑正逻辑用高电平表示逻辑用高电平表示逻辑1，用低电平表示逻辑，用低电平表示逻辑0v负逻辑负逻辑用低电平表示逻辑用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑，用高电平表示逻辑0 在数字系统的逻辑设计中，若采用在数字系统的逻辑设计中，若采用NPN晶体管和晶体管和NMOS管，电源电压是正值，一般采用正逻辑。若采用管，电源电压是正值，一般采用正逻辑。若采用的是的是PNP管和管和PMOS管，电源电压为负值，则采用负逻管，电源电压为负值，则采用负逻辑比较方便。今后除非特别说明，一律采用正逻辑。辑比较方便。今后除非特别说明，一律采用正逻辑。32021/8/1440VI控制开关控制开关S的断、通情况。的断、通情况

31、。S断开，断开，VO为高电平；为高电平；S接通，接通，VO为低电平。为低电平。 VISVccVo逻辑电平逻辑电平1 10 05V0V0.8V2V高电平下限高电平下限低电平上限低电平上限实际开关为晶体二极实际开关为晶体二极管、三极管以及场效管、三极管以及场效应管等电子器件应管等电子器件32021/8/1441数字波形数字波形 逻辑电平对时间的图形表示逻辑电平对时间的图形表示 1 0 (a) (a) 非周期数字波形非周期数字波形 1 0 (b) (b) 周期数字波形周期数字波形32021/8/1442二、基本逻辑门电路二、基本逻辑门电路1. 1. 二极管与门二极管与门 +VCC(+5V) R Y

32、VD1 A VD2 B ABY &A BY0 00 11 01 10001Y=AB32021/8/14432. 2. 二极管或门二极管或门 A VD1 B VD2 Y R ABY 1A BY0 00 11 01 10111Y=A+B32021/8/14443. 3. 三极管非门三极管非门 ui iB e Rb b +VCC iC uo 三极管开关三极管开关电路电路 Rc c 输入为低，输出为高；输入为低，输出为高；输入为高，输出为低。输入为高，输出为低。AY0110AY 1 A Y 利用二极管的压降为利用二极管的压降为0.7V0.7V，保证输入电压在，保证输入电压在1V1V以下时，开关

33、电路可以下时，开关电路可靠地截止。靠地截止。32021/8/1445三、三、TTL 集成逻辑门电路集成逻辑门电路TTL(Transistor Transistor Logic)电路是电路是晶体管晶体管-晶体管逻辑电路的简称。晶体管逻辑电路的简称。 TTL电路的功耗大、线路较复杂，使其电路的功耗大、线路较复杂，使其集成度受到一定的限制，故广泛应用于中小集成度受到一定的限制，故广泛应用于中小规模逻辑电路中。规模逻辑电路中。32021/8/14461. 典型典型TTL与非门与非门(1) (1) 电路结构电路结构 v输入级输入级 由多发射极晶体管由多发射极晶体管T1和和电阻电阻R1组成；组成； v中间

34、级中间级 由晶体管由晶体管T2和电阻和电阻R2、R3组成；组成； v输出级输出级 由晶体管由晶体管T3、T4、T5和电和电阻阻R4、R5组成。组成。32021/8/1447(2) 工作原理工作原理输入级由多发射极晶体管输入级由多发射极晶体管T1实现逻辑实现逻辑“与与”的功能；的功能；中间级由中间级由T2的集电极和发的集电极和发射极输出两个相位相反的信号射极输出两个相位相反的信号分别控制分别控制T3和和T5 ；输出级由输出级由T3、T4、T5组成组成推拉式输出电路，用以提高电推拉式输出电路，用以提高电路的带负载能力、抗干扰能力路的带负载能力、抗干扰能力和响应速度。和响应速度。逻辑功能分析如下：逻

35、辑功能分析如下： 输入端全部接高电平输入端全部接高电平(3.6V)：电源电源Ucc通过通过R1和和T1的集电的集电 结向结向T2提供足够的基极电流，使提供足够的基极电流，使T2饱和导通。饱和导通。T2的发射极电流在的发射极电流在R3 上产生的压降又使上产生的压降又使 T5 饱和导通，输出为低电平饱和导通，输出为低电平(0.3V)。 实现了实现了“输入全高输入全高 ，输出为低，输出为低”的逻辑关系。的逻辑关系。32021/8/1448当有输入端接低电平当有输入端接低电平(0.3V)时：时：输入端接低电平的发输入端接低电平的发射结导通，使射结导通，使T1的基极电位的基极电位Ub1=0.3V+0.7

36、V=1V。该电压作。该电压作用于用于T1的集电结和的集电结和T2、T5的发射结上，不可能使的发射结上，不可能使T2和和T5导导通，即通，即T2、T5均截止。均截止。 综合上述，综合上述，当输入当输入A、B、C均为高电平时，输出为低电平；均为高电平时，输出为低电平；当当 A、B、C中至少有一个为低电中至少有一个为低电平时，输出为高电平。平时，输出为高电平。 输出与输输出与输入之间为入之间为“与非与非”逻辑。逻辑。F = F = A B CA B C由于由于T T2 2截止，电源截止，电源U UCCCC通过通过R R2 2驱驱动动T T3 3和和T T4 4管，使之工作在导通状态，管，使之工作在导

37、通状态，电路输出为高电平电路输出为高电平(3.6V)(3.6V)。通常。通常将电路的这种工作状态称为截止状将电路的这种工作状态称为截止状态，它实现了态，它实现了“输入有低，输出为输入有低，输出为高高”的逻辑功能。的逻辑功能。32021/8/1449(3) (3) 主要外部特性参数主要外部特性参数 TTLTTL与非门的主要外部特性参数有输出逻辑电与非门的主要外部特性参数有输出逻辑电平、开门电平、关门电平、扇入系数、扇出系数、平、开门电平、关门电平、扇入系数、扇出系数、平均传输时延和空载功耗等。平均传输时延和空载功耗等。输出高电平输出高电平V VOHOH v输出高电平输出高电平V VOHOH是指至

38、少有一个输入端接低电平时的是指至少有一个输入端接低电平时的输出电平；输出电平；vV VOHOH的典型值是的典型值是3.6V,3.6V,产品规范值为产品规范值为V VOHOH2.4V2.4V，标准高，标准高电平电平V VSHSH=2.4V=2.4V；输出低电平输出低电平V VOLOL v输出低电平输出低电平V VOLOL是指输入全为高电平时的输出电平；是指输入全为高电平时的输出电平；vV VOLOL的典型值是的典型值是0.3V0.3V，产品规范值为，产品规范值为V VOLOL0.4V,0.4V,标准低标准低电平电平V VSLSL=0.4V=0.4V。 32021/8/1450开门电平开门电平V

39、VONON v开门电平开门电平V VONON是指在额定负载下，使输出电平达到标准是指在额定负载下，使输出电平达到标准低电平低电平V VSLSL的输入电平，的输入电平，它表示使与非门开通的最小输它表示使与非门开通的最小输入电平入电平。vV VONON的产品规范值为的产品规范值为V VONON1.8V1.8V。开门电平的大小反映了。开门电平的大小反映了高电平抗干扰能力，高电平抗干扰能力，V VONON 愈小，在输入高电平时的抗愈小，在输入高电平时的抗干扰能力愈强。干扰能力愈强。关门电平关门电平V VOFFOFF v关门电平关门电平V VOFFOFF是指输出空载时，使输出电平达到标准高是指输出空载时

40、，使输出电平达到标准高电平电平V VSHSH的输入电平，的输入电平，它表示使与非门关断所允许的最它表示使与非门关断所允许的最大输入电平大输入电平。 vV VOFFOFF 的产品规范值的产品规范值V VOFFOFF0.8V0.8V。关门电平的大小反映了。关门电平的大小反映了低电平抗干扰能力，低电平抗干扰能力，V VOFFOFF越大，在输入低电平时的抗干越大，在输入低电平时的抗干扰能力越强。扰能力越强。32021/8/1451扇入系数扇入系数Ni Ni v扇入系数扇入系数NiNi是指与非门允许的输入端数目是指与非门允许的输入端数目。v一一 般般NiNi为为2 25 5，最多不超过，最多不超过8 8

41、。当应用中要求输入端数目。当应用中要求输入端数目超过超过NiNi时，可通过分级实现的方法减少对扇入系数的要求。时，可通过分级实现的方法减少对扇入系数的要求。扇出系数扇出系数NoNov扇出系数扇出系数NONO是指与非门输出端连接同类门的最多个数是指与非门输出端连接同类门的最多个数。v反映了与非门的带负载能力，一般反映了与非门的带负载能力，一般No8No8。 扇入和扇出是扇入和扇出是反映门电路互连性能的指标。反映门电路互连性能的指标。输入短路电流输入短路电流IiS IiS v输入短路电流输入短路电流IIsIIs是指当与非门的某一个输入端接地而其余是指当与非门的某一个输入端接地而其余输入端悬空时，流

42、过接地输入端的电流。输入端悬空时，流过接地输入端的电流。 v在实际电路中，在实际电路中，IiSIiS是流入前级与非门的灌电流，它的大小是流入前级与非门的灌电流，它的大小将直接影响前级与非门的工作情况。输入短路电流的产品将直接影响前级与非门的工作情况。输入短路电流的产品规范值规范值IiS1.6mAIiS1.6mA。32021/8/1452高电平输入电流高电平输入电流IiHIiHv高电平输入电流高电平输入电流IiHIiH是指某一输入端接高电平，而其他输是指某一输入端接高电平，而其他输入端接地时，流入高电平输入端的电流，又称为输入漏入端接地时，流入高电平输入端的电流，又称为输入漏电流。电流。 一般一

43、般IiH50AIiH50A。平均传输延迟时间平均传输延迟时间tpdtpdv平均传输延迟时间平均传输延迟时间tpd tpd 是指一个矩形波信号从与非门输是指一个矩形波信号从与非门输入端传到与非门输出端入端传到与非门输出端( (反相输出反相输出) )所延迟的时间。所延迟的时间。 v通常将从输入波上沿中点到输出波下沿中点的时间延迟通常将从输入波上沿中点到输出波下沿中点的时间延迟称为导通延迟时间称为导通延迟时间tpdLtpdL；从输入波下沿中点到输出波上；从输入波下沿中点到输出波上沿中点的时间延迟称为截止延迟时间沿中点的时间延迟称为截止延迟时间tpdHtpdH。v平均延迟时间定义为平均延迟时间定义为

44、tpd = ( tpdL+ tpdH )/2 tpd = ( tpdL+ tpdH )/2 v信号经过任何门电路都会产生时间上的延迟，这是由器信号经过任何门电路都会产生时间上的延迟，这是由器件本身特性所决定的。平均延迟时间是反映与非门开关件本身特性所决定的。平均延迟时间是反映与非门开关速度的一个重要参数。速度的一个重要参数。TpdTpd的典型值约的典型值约10ns 10ns ，一般小于，一般小于40ns40ns。2021/8/1453空载功耗空载功耗P Pv空载功耗是当与非门空载时门电路所消耗的电功率，空载功耗是当与非门空载时门电路所消耗的电功率，它的值为电源总电流它的值为电源总电流ICCIC

45、C和电源电压和电源电压UCCUCC的乘积。的乘积。 v输出为低电平时的功耗称为空载导通功耗输出为低电平时的功耗称为空载导通功耗PONPON，输出，输出为高电平时的功耗称为空载截止功耗为高电平时的功耗称为空载截止功耗POFF POFF ，PONPON大大于于POFF POFF 。 v平均功耗平均功耗 P =(PON + POFF)/2 P =(PON + POFF)/2 v一般一般P P50mW,50mW,如如74H74H系列门电路平均功耗为系列门电路平均功耗为22mW22mW。32021/8/1454(4)TTL(4)TTL与非门集成电路芯片与非门集成电路芯片TTL与非门集成电路芯片种类很多，

46、常用的与非门集成电路芯片种类很多，常用的TTL与非门集成电路芯片有与非门集成电路芯片有7400和和7420等。等。 7400的引脚分配图如图的引脚分配图如图(a)所示；所示；7420的引脚分的引脚分配图如图配图如图(b)所示。图中，所示。图中，UCC为电源引脚，为电源引脚，GND为接地脚，为接地脚，NC为空脚。为空脚。32021/8/14552. 2. 其它功能的其它功能的TTLTTL门电路门电路 集成集成TTL门电路除了与非门外，还有与门电路除了与非门外，还有与门、或门、非门、或非门、与或非门、异或门门、或门、非门、或非门、与或非门、异或门等不同功能的产品。此外还有两种特殊门电等不同功能的产

47、品。此外还有两种特殊门电路路三态门和集成电路开路门等。三态门和集成电路开路门等。32021/8/1456（1 1）非门）非门v当输入当输入A A为低电平（为低电平（0.3V0.3V）时，电路工作在截止状）时，电路工作在截止状态，即态，即T3T3截止，截止，T4T4和和D D导通，输出端导通，输出端F F为高电平为高电平（3.6V3.6V）；）；v当输入高电平时，电路工作在导通状态，即当输入高电平时，电路工作在导通状态，即T3T3饱饱和导通，和导通，T4T4和和D D截止，截止，F F输出低电平（输出低电平（0.3v0.3v）。）。2021/8/1457（2）或非门）或非门v任何一路输入为高，输

48、出都为低任何一路输入为高，输出都为低输入输入2输入输入1+Vcc (+5V)输出输出电源电源接地接地T1T232021/8/1458（3 3）与或非门）与或非门v当当A A1 1、A A2 2和和B B1 1、B B2 2中均中均有低电平时，有低电平时，T T2 2、T T2 2 和和T T3 3截止，截止，T T4 4和和D D导通，导通，输出输出F F为高电平；为高电平；v当当A A1 1、A A2 2均为高或均为高或B B1 1、B B2 2均为高，或者均为高，或者A A1 1、A A2 2、B B1 1、B B2 2均为高时，使均为高时，使T T3 3导通，导通，T T4 4和和D D

49、截止，截止，输出输出F F为低电平。为低电平。32021/8/1459与或非门集成电路芯片与或非门集成电路芯片74517451的引脚排列图的引脚排列图32021/8/1460(4) (4) 三态输出门三态输出门(Three state Gate) (Three state Gate) （TSTS门）门） “三态三态”是指电路可以输出正常的是指电路可以输出正常的“0”0”或或“1”1”逻辑电平，也可以处于高阻态。逻辑电平，也可以处于高阻态。注意：注意：三态门不是指具有三种逻辑值。为高阻态三态门不是指具有三种逻辑值。为高阻态时，时，“0” 0” 和和 “1”1”的输出极都截止，相当于与的输出极都截

50、止，相当于与所连接的线路断开，便于实现从多个数据输入中所连接的线路断开，便于实现从多个数据输入中选择其一。选择其一。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！ 三态门电路是一种最重要的总线接口电路，它三态门电路是一种最重要的总线接口电路，它保留了具有图腾输出结构的保留了具有图腾输出结构的TTLTTL电路信号传输速度快、电路信号传输速度快、驱动能力强的特性，又有集电极开路输出可以驱动能力强的特性，又有集电极开路输出可以“线线与与”的优点，是构建计算机总线的理想电路。的优点，是构建计算机总线的理想电路。32021/8/1461在一般与

51、非在一般与非门的基础上，门的基础上，附加使能控附加使能控制端和控制制端和控制电路构成的。电路构成的。BAF电路逻辑功能电路逻辑功能 EN=0EN=0：二极管二极管D D反偏，此时电路功能与一般与非门无反偏，此时电路功能与一般与非门无区别，输出区别，输出 ； EN=1EN=1：一方面因为一方面因为T T1 1有一个输入端为低，使有一个输入端为低，使T T2 2、T T5 5截截止。另一方面由于二极管导通，迫使止。另一方面由于二极管导通，迫使T T3 3的基极电位变的基极电位变低，致使低，致使T T3 3、T T4 4也截止。输出也截止。输出F F便被悬空，处于高阻态。便被悬空，处于高阻态。320

52、21/8/1462因为该电路是在因为该电路是在EN=0时为正常工作状态，所以称为使能时为正常工作状态，所以称为使能控制端低电平有效的三态与非门。该电路的逻辑符号如图中控制端低电平有效的三态与非门。该电路的逻辑符号如图中(b)所示。控制端加一个小圆圈表示低电平有效，并将控制信号写所示。控制端加一个小圆圈表示低电平有效，并将控制信号写成成EN，也有写成，也有写成G。 若某三态与非门的逻辑符号在控制端未加小圆圈，且控制若某三态与非门的逻辑符号在控制端未加小圆圈，且控制信号写成信号写成EN时，则表明电路在时，则表明电路在EN=1时为正常工作状态，称该时为正常工作状态，称该三态与非门为使能控制端高电平有

53、效的三态与非门。三态与非门为使能控制端高电平有效的三态与非门。32021/8/1463右图分析：右图分析： 当某个三态门的控制端为当某个三态门的控制端为1 1时，该逻辑门的输入数据经时，该逻辑门的输入数据经反相后送至总线。反相后送至总线。 为了保证数据传送的正确为了保证数据传送的正确性，性，任意时刻，任意时刻，n n个三态门的个三态门的控制端只能有一个为控制端只能有一个为1 1，其余，其余均为均为0 0，即只允许一个数据端，即只允许一个数据端与总线接通，其余均断开，以与总线接通，其余均断开，以便实现便实现n n个数据的分时传送。个数据的分时传送。三态与非门主要应用于三态与非门主要应用于总线传送

54、，它既可用于总线传送，它既可用于单向数据传送，也可用单向数据传送，也可用于双向数据传送。于双向数据传送。32021/8/1464用两种不同控制输入的三态门可构成的双向总线。用两种不同控制输入的三态门可构成的双向总线。EN=1时时: G1工作，工作，G2处于处于高阻状态，数据高阻状态，数据D1被取反被取反后送至总线；后送至总线； EN=0时时: G2工作，工作，G1处于处于高阻状态，总线上的数据高阻状态，总线上的数据被取反后送到数据端被取反后送到数据端D2。 实现了数据的分时双向传实现了数据的分时双向传送。送。 32021/8/1465（5 5）集电极开路门）集电极开路门(OC(OC门门) )

55、集电极开路门集电极开路门(Open Collector Gate(Open Collector Gate）是一种输出端）是一种输出端可以直接相互连接的特殊逻辑门，简称可以直接相互连接的特殊逻辑门，简称OCOC门。门。 OCOC门电路将一般门电路将一般TTLTTL与非门电路的推拉式输出级改为与非门电路的推拉式输出级改为三极管集电极开路输出。下图给出了一个集电极开路三极管集电极开路输出。下图给出了一个集电极开路与非门的电路结构图和逻辑符号。与非门的电路结构图和逻辑符号。32021/8/1466 注意！集电极开路与非门只有在外接负载电阻注意！集电极开路与非门只有在外接负载电阻R RL L和电源和电源

56、UUCCCC后才能正常工作。后才能正常工作。 集电极开路与非门在计算机中应用很广泛，可集电极开路与非门在计算机中应用很广泛，可以用它实现以用它实现 线与线与 逻辑、电平转换以及直接驱动发逻辑、电平转换以及直接驱动发光二极管、干簧继电器等。光二极管、干簧继电器等。32021/8/1467例如，下图所示电路中，只要有一个门输出为低例如，下图所示电路中，只要有一个门输出为低电平，输出电平，输出F F便为低电平；仅当两个门的输出均为高便为低电平；仅当两个门的输出均为高电平时，输出电平时，输出F F才为高电平。即才为高电平。即 F=F1 F2=A1B1C1 A2B2C2该电路实现了两个该电路实现了两个与

57、非门输出相与非门输出相“与与”的的逻辑功能。由于该逻辑功能。由于该“与与”逻辑功能是由输出端引逻辑功能是由输出端引线连接实现的，故称为线连接实现的，故称为“线与线与”逻辑。逻辑。 32021/8/1468非逻辑门中，小圆圈表示非运算，可在输入端或输出端非逻辑门中，小圆圈表示非运算，可在输入端或输出端四、逻辑功能的表示和等效电路四、逻辑功能的表示和等效电路1 1、三种基本逻辑门、三种基本逻辑门F=A B A B & F=A + B A B 1 F A A 1 F A A 1 与门与门或门或门非门非门基本逻辑门的真值表和相应的基本运算完全相同基本逻辑门的真值表和相应的基本运算完全相同320

58、21/8/1469691) 与、非合成为与非逻辑与、非合成为与非逻辑2) 或、非合成为或非逻辑或、非合成为或非逻辑2. 2. 常用的复合逻辑及其逻辑门常用的复合逻辑及其逻辑门与非门：与非门：当且仅当输入全部为当且仅当输入全部为1 1时时输出才为输出才为0 0或非门：或非门：当且仅当输入全部为当且仅当输入全部为0 0时时输出才为输出才为1 1FAB A B A B FAB 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 & FA B A B A B FA B 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 32021/8/1470703 3 异或逻辑及同或逻辑异或逻辑及同或逻辑异或门

59、：异或门：输入相异，输出为输入相异，输出为1 1同或门：同或门：输入相同，输出为输入相同，输出为1 1异或逻辑异或逻辑同或逻辑同或逻辑BABABAFBAABBAF FA B A B A B FA B 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 =1 FA B A B A B FA B 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 =1 32021/8/14714 4 组合逻辑电路及其应用组合逻辑电路及其应用v组合逻辑电路组合逻辑电路任意时刻产生的稳定输出值仅仅取决于该时刻任意时刻产生的稳定输出值仅仅取决于该时刻的输入，与电路原来的状态无关。的输入，与电路原来的状态无关。特点特点v由逻辑门

60、电路组成，电路中不包含任何记忆元件；由逻辑门电路组成，电路中不包含任何记忆元件；v信号是单向传输的，电路中不存在任何反馈回路；信号是单向传输的，电路中不存在任何反馈回路；v时序逻辑电路时序逻辑电路任意时刻的输出不仅取决于当时的输入信号，任意时刻的输出不仅取决于当时的输入信号，而且还取决于电路原来的状态，或者说，还与而且还取决于电路原来的状态，或者说，还与以前的输入有关以前的输入有关 。2021/8/1472v根据电路输出端是一个还是多个分为单输出和根据电路输出端是一个还是多个分为单输出和多输出组合逻辑电路；多输出组合逻辑电路；v数字系统中常用的比较器、全加器、编码器、数字系统中常用的比较器、全加器、编码器、译码器、