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第二章 逻辑门

第二章 逻辑门. 内容提要： （ 1）数字电路的基本逻辑单元 —— 门电路，及其对应的逻辑运算与逻辑符号 。 （2）集电极开路门和三态逻辑门。 （3） TTL 集成门逻辑功能、外特性和性能参数 。 （ 4 ） CMOS 集成门的逻辑功能、外特性和性能参数。 （ 5 ） TTL 与 CMOS 集成门的接口方法. 第 3 次课. 一、教学目的 （1） 理解逻辑门的概念 （2）理解基本逻辑运算及复合逻辑运算 （ 3 ）掌握基本逻辑门及复合逻辑门的逻辑符号、逻辑表达式、真值表。 二、教学重点、难点 重点 ：（ 1 ）真值表的含义及写法；

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第二章 逻辑门

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  1. 第二章 逻辑门 内容提要： （1）数字电路的基本逻辑单元——门电路，及其对应的逻辑运算与逻辑符号 。 （2）集电极开路门和三态逻辑门。 （3）TTL集成门逻辑功能、外特性和性能参数 。 （4）CMOS集成门的逻辑功能、外特性和性能参数。 （5） TTL 与CMOS集成门的接口方法

  2. 第3次课 一、教学目的 （1） 理解逻辑门的概念 （2）理解基本逻辑运算及复合逻辑运算 （3）掌握基本逻辑门及复合逻辑门的逻辑符号、逻辑表达式、真值表。 二、教学重点、难点 重点：（1）真值表的含义及写法； （2）各种逻辑门的功能。 难点：逻辑运算的理解。 三、教学方法：对各种逻辑门进行功能仿真演示。

  3. 2.1 基本逻辑门 • 主要内容： • 与、或、非三种基本逻辑运算 • 与、或、非三种基本逻辑门的逻辑功能 • 逻辑门的真值表 • 各种逻辑门电路的输出波形

  4. 在逻辑代数中，最基本的逻辑运算有与、或、非三种。在逻辑代数中，最基本的逻辑运算有与、或、非三种。 • 最基本的逻辑关系有三种：与逻辑关系、或逻辑关系、非逻辑关系。 • 实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的单元电路称为逻辑门电路。

  5. 2.1.1 与门 • 实现“与”运算的电路称为与逻辑门，简称与门。 • 逻辑与运算可用开关电路中两个开关相串联的例子来说明 功能表

  6. “与”运算的逻辑表达式为： • “与”运算的真值表:

  7. “与”逻辑的运算规律为： 一般形式

  8. 与门的逻辑符号: • 与门的实际产品型号： • 74LS08（四-2输入与门）、 74LS11 （三-3输入与门） 、 74LS21 （二-4输入与门）

  9. 例2-2 :向2输入与门输入图示的波形，求其输出波形F。 解：

  10. 2.1.2 或门 • 实现“或”运算的电路称为或逻辑门，简称或门。 • 逻辑或运算可用开关电路中两个开关相并联的例子来说明 真值表

  11. “或”运算的逻辑表达式为： F = A+B • “或”运算真值表 : • “或”逻辑的运算规律为： 一般形式

  12. 或门的逻辑符号: 例2-4 :向2输入或门输入图示的波形，求其输出波形F。 解： 74LS32（四-2输入或门）

  13. 2.1.2 非门 • 实现“非”运算的电路称为非逻辑门，简称非门。

  14. “非”运算的逻辑表达式为： • “非”运算真值表 : • “非”逻辑的运算规律为： 一般形式

  15. 74LS04（六非门） • 非门的逻辑符号: 例2-5 :向非门输入图示的波形，求其输出波形F。 解：

  16. 2.2 复合逻辑门 • 与非、或非、异或、同或的复合逻辑运算 • 与非门、或非门的逻辑功能 • 异或门、同或门的逻辑功能 • 各种复合逻辑门的真值表及输出波形 主要内容：

  17. 基本逻辑运算的复合叫做复合逻辑运算。而实现复合逻辑运算的电路叫复合逻辑门。基本逻辑运算的复合叫做复合逻辑运算。而实现复合逻辑运算的电路叫复合逻辑门。 • 最常用的复合逻辑门有与非门、或非门、与或非门和异或门等。

  18. 2.2.1 与非门 • “与”运算后再进行“非”运算的复合运算称为“与非”运算，实现“与非”运算的逻辑电路称为与非门。 • 与非门的逻辑关系表达式为： • 与非门的逻辑符号 ： 上述逻辑门的实际产品型号： 74LS00（四-2输入与非门）74LS10（三-3输入与非门）74LS20（二-4输入与非门） 74LS30（8输入与非门）

  19. “与非”门真值表 ：

  20. 2.2.2 或非门 • “或”运算后再进行“非”运算的复合运算称为“或非”运算，实现“或非”运算的逻辑电路称为或非门。 • 或非门的逻辑关系表达式为： • 或非门的逻辑符号 ： 上述逻辑门的实际产品型号： 74LS02（四-2输入或非门） 74LS27（三-3输入或非门）

  21. “或非”门真值表 ：

  22. 2.2.3 异或门 • 实现“异或”逻辑运算的逻辑电路称为异或门。 • 异或门的逻辑关系表达式为： • 异或门的逻辑符号 ： 异或逻辑门的实际产品型号： 74LS86

  23. “异或”门真值表 ： • N个变量的“异或” ：

  24. 2.2.3 同或门 • “异或”运算之后再进行“非”运算，则称为“同或”运算。实现“同或”逻辑运算的逻辑电路称为同或门。 • 同或门的逻辑关系表达式为： • 同或门的逻辑符号 ： F = A⊙B

  25. 同或门真值表 ： • N个变量的“同或” ：

  26. 2.3 其它逻辑门 • 集电极开路逻辑门的概念 • 集电极开路逻辑门的使用方法 • 集电极开路逻辑门的应用 • 三态逻辑门的概念及逻辑功能 • 三态逻辑门电路的应用 主要内容：

  27. 第3次课 一、教学目的 （1） 理解集电极开路逻辑门的概念 （2）理解三态逻辑门的概念 （3）掌握集电极开路逻辑门及三态逻辑门的功能与应用 （4）了解集成逻辑门的型号、性能参数 二、教学重点、难点 重点：（1）集电极开路逻辑门的内部构成特点及外部功能 （2）三态逻辑门的功能及应用 难点：OC逻辑门线与功能的理解。 三、教学方法：对两种逻辑门进行功能仿真演示。

  28. 2.3.1 集电极开路逻辑门的概念 集电极开路与非门内部结构与输出端特点 T3饱和导通时输出低电平； T3截止时输出端悬空 普通与非门内部电路结构

  29. 仿真演示74LS03

  30. 集电极开路门，简称OC门。其特点是门电路内部输出三极管的集电极开路。集电极开路门，简称OC门。其特点是门电路内部输出三极管的集电极开路。 • 使用时，必须外接“上拉电阻RP”，才能实现正常逻辑功能。（仿真演示） • 上拉电阻RP的作用：把OC门的输出“悬空状态”对外变成“高电平”，OC门本身的特性并未改变。 • OC与非门的逻辑符号 ：

  31. 上述多个集电极开路输出端可以连接在一起： 上拉电阻 T3 T3 T3 当任一个三极管处于饱和状态时，输出低电平； 当三个三极管均处于截止状态时，输出高电平。

  32. 多个OC门输出端连接在一起时实现“线与”功能多个OC门输出端连接在一起时实现“线与”功能 仿真演示

  33. 普通的逻辑门电路不能进行线与！

  34. T4饱和导通T3截止输出1 原因解释 T3饱和导通T4截止输出0

  35. 2.3.2 集电极开路逻辑门的应用 • OC门用来实现电平转换： • OC门用做驱动器： 仿真演示

  36. 2.3.3 三态逻辑门 三态输出逻辑门（简称TS门）有三种逻辑状态，即0、1、Z。第三种状态为高阻状态(Z)。 T3、T4均截止 输出端悬空

  37. 三态逻辑门符号与功能： 控制端EN高电平有效 控制端EN低电平有效 74ls125/126/368 仿真演示

  38. 三态门的应用： • 三态门用于总线分时传输 ： • 用三态门实现数据双向传输 ：

  39. 2.4 集成电路逻辑门 • TTL集成逻辑门的概念 • 比较各种TTL系列的特性 • CMOS集成逻辑门的概念 • 集成电路逻辑门的性能参数 • 计算具体逻辑器件的扇出系数 • TTL与CMOS两种集成电路在混合应用时的接口 主要内容：

  40. 2.4.1 概述 • 把若干个有源器件和无源器件及其连线，按照一定的功能要求，制作在一块半导体基片上，这样的产品叫集成电路。 • 最简单的数字集成电路是集成逻辑门。 • 集成电路的优点：如体积小、耗电省、重量轻、可靠性高 • 数字集成电路的规模一般是根据门的数目来划分的 ：有SSI ，MSI ，LSI ，VLSI 等。 • 集成电路逻辑门应用最广的两类： TTL门、CMOS门。

  41. 2.4.2 TTL集成电路逻辑门 • TTL门电路由双极型三极管构成，其特点是速度快、抗静电能力强，但其功耗较大，不适宜做成大规模集成电路。 • TTL门电路有74（民用）和54（军用）两大系列，每个系列中又有若干子系列。

  42. (1)54/74：标准系列(standard TTL)； (2) 54L/74L：低功耗系列(Low-power TTL)； (3) 54H/74H：高速系列(High-speed TTL)； (4) 54S/74S：肖特基系列(Schottky TTL)； (5) 54AS/74AS：高级肖特基系列(Advanced Schottky TTL) ； (6) 54LS/74LS：低功耗肖特基系列(Low-power Schottky TTL) ； (7) 54ALS/74ALS：高级低功耗肖特基系列 (Advanced Low-power Schottky TTL) ；

  43. “74LS32”表示的含义： 74/54后的不同字母表示不同的系列，即性能参数值不同； 字母后的数字表示该系列中的不同型号，即具有不同的逻辑功能。 如：7400、74S00、74L00、74LS00表示不同的系列，但具有相同的逻辑功能即都是集成与非门。 又如： 74LS00和74LS08表示同一系列中的不同型号，即具有不同的逻辑功能，前者为集成与非门，后者为集成与门。

  44. TTL系列速度及功耗的比较: 54系列与74系列的比较：

  45. 自测练习： （1）所有TTL子系列的（ ）特性都相同。(a) 速度 (b) 电压 （2）TTL集成电路中，（ ）子系列速度最快。 （3）下列（ ）不是TTL集成电路。(a）74LS00 (b) 74AS00 (c) 74HC00 (d) 74ALS00 （4）下列集成电路中，同一系列的芯片是（ ） ，逻辑功能相同的是（ ）。7400、74LS00、 74LS04、7404

  46. 2.4.3 CMOS集成电路逻辑门 • CMOS集成门电路由MOS场效应管构成，它的特点是集成度高、功耗低，但速度较慢、抗静电能力差。 • 同TTL门电路一样，CMOS门电路也有74和54两大系列。 • 74系列5V CMOS门电路的基本子系列如下： • 74C：CMOS。 • 74HC和74HCT：高速CMOS（High-speed CMOS），T表示和TTL直接兼容。 • 74AC和74ACT：先进CMOS（Advanced CMOS），它们提供了比TTL系列更高的速度和更低的功耗。 • 74AHC和AHCT：先进高速CMOS（Advanced High-speed CMOS）。

  47. 74系列3.3V CMOS门电路的基本子系列如下： • 74LVC：低压CMOS（Lower-voltage CMOS）。 • 74ALVC：先进低压CMOS（Advanced Lower-voltage CMOS）。 74HC系列和74C系列的功能和管脚布局与TTL系列相同。它们可在＋5V电源电压下工作，这使得工作在同一印刷电路板上的CMOS和TTL集成电路可以共用一组电源，但两者不能直接连接。 74HCT系列为74HC系列的改进产品，它有和TTL器件相同的高低电平、逻辑功能和管脚布局，即完全兼容TTL集成电路，同时又有比TTL集成电路小得多的功耗这一优点。

  48. 目前，应用最多的是TTL和CMOS两种类型的集成电路，其中TTL主要应用于SSI/MSI集成电路，目前，应用最多的是TTL和CMOS两种类型的集成电路，其中TTL主要应用于SSI/MSI集成电路， CMOS主要应用于LSI/VLSI集成电路如微处理器、存储器器件、微控制器、A/D和D/A转换器等。 TTL和CMOS两种类型的集成电路的不同点: 主要在于集成电路内部电路不同以及性能参数值不同， 但它们的逻辑功能是相同的：例如：一个TTL与门和CMOS与门有相同的逻辑功能。

  49. 2.4.4 集成电路门的性能参数 • 数字集成电路的性能参数主要包括： • 直流电源电压 • 输入 / 输出逻辑电平 • 输入 / 输出电流 • 传输延时 • 功耗

  50. 直流电源电压 : （1）TTL集成电路的标准直流电源电压为5V，最低4.5V，最高5.5V。 （2）CMOS集成电路的直流电源电压可以在3~18V之间，74系列CMOS集成电路有5V和3.3V两种。 CMOS电路的一个优点是电源电压的允许范围比TTL电路大，如5V CMOS电路当其电源电压在2~6V范围内时能正常工作，3.3V CMOS电路当其电源电压在2~3.6V范围内时能正常工作。

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