【教学课件】第2章组合逻辑电路.ppt

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1、数字电子技术（基础）数字电子技术（基础）学习要点：学习要点：运用组合电路的分析方法对具体电路进行分析；运用组合电路的设计方法设计出所需的电路；组合逻辑电路中的竞争冒险现象、产生的原因、判断方法及消除方法。第二章第二章 组合逻辑电路组合逻辑电路.2 组合逻辑电路的组合逻辑电路的分析与设计方法分析与设计方法2.2 2.2 组合逻辑电路的分析方法组合逻辑电路的分析方法组合逻辑电路的分析方法组合逻辑电路的分析方法2.3 2.3 组合逻辑电路的设计方法组合逻辑电路的设计方法组合逻辑电路的设计方法组合逻辑电路的设计方法2.4 2.4 组合逻辑电路中的竞争冒组合逻辑电路中的竞争冒组合逻辑电路中的竞争冒组合逻

2、辑电路中的竞争冒 险险险险退出退出退出退出 第二章第二章 组合逻辑电路组合逻辑电路2.1 2.1 集成门电集成门电集成门电集成门电 路路路路2.1 2.1 集成门电路一、一、一、一、TTL门电路门电路二、二、二、二、CMOS门电路门电路三、三、三、三、数字集成电路的品种类型数字集成电路的品种类型四、四、四、四、数字集成电路的性能参数和使用数字集成电路的性能参数和使用参见阎石主编的数字电路技术基础第四版45123集成电路的外部特性包含两个内容，一个是输入与输出之间的逻辑关系，即所谓的逻辑功能；另一个是外部的电气特性,包括电压传输特性、输入特性、输出特性和动态特性。电气特性是实际使用集成电路必要的

3、基础。将数字电路的元、器件和连线制作在同一硅片上的器件，称为集成电路Integrated Circuit，简称IC）。它于1961年在美国德克萨斯仪器公司诞生。按集成度（即每一片硅片中所含元、器件数）的多少，集成电路可分成：小规模集成电路（Small Scale Integration，简称SSI）、中规模集成电路（Medium Scale Integration，简称MSI)、大规模集成电路（Large Scale Integration，简称LSI)、超大规模集成电路（Very Large Scale Integration，简称VLSI）。根据制造工艺不同，集成电路可分成双极型和单极型两

4、大类：双极型有输入端和输出端均为三极管结构的逻辑电路（Transistor-Transistor Logic，简称TTL电路）、发射极耦合逻辑电路（Emitter Coupled Logic，简称ECL电路）、集成注入逻辑（Integrated Injaction Logic，简称I2L电路）。单极型有互补型金属-氧化物-半导体场效应管电路（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，简称CMOS电路）、N沟道金属-氧化物-半导体场效应管电路（N-Channel Metal-Oxide-Semiconductor，简称NMOS电路）、P沟道金属-氧化物-半导

5、体场效应管电路（N-Channel Metal-Oxide-Semiconductor，简称PMOS电路）和双极型CMOS电路（Bipolar-CMOS，简称Bi-CMOS电路）等等。一、TTL门电路TTL门电路由双极型三极管构成,它的特点是速度快、抗静电能力强、集成度低、功耗大,目前广泛应用于中、小规模集成电路中。TTL门电路有74（商用）和54（军用）两大系列,每个系列中又有若干子系列,例如，74系列包含如下基本子系列：与非门7400为例，说明74系列中各子系列的差别74:标准TTL(Standard TTL)。74H:高速TTL(Highspeed TTL)。输出级采用了达林顿（复合三极

6、管）结构，将所有的电阻值降低将近一半，提高了平均传输速度近一倍(通常在10ns以下）。功耗大。74S:肖特基TTL(Schottky TTL)。采用抗饱和三极管（或称肖特基三极管，是普通三极管和肖特基势垒二极管组合而成），避免三极管导通是深度饱和，从而缩短了传输时间；增加了一个有源泄放回路，缩短了门电路的传输时间，改善了门电路的电压传输特性。功耗大，输出低电平升高（最大值可达0.5V）74:标准TTL(Standard TTL)。74H:高速TTL(Highspeed TTL)。输出级采用了达林顿（复合三极管）结构，将所有的电阻值降低将近一半，提高了平均传输速度近一倍(通常在10ns以下）。功

7、耗大。74H系列与非门电路。肖特基TTL(Schottky TTL)。采用抗饱和三极管（或称肖特基三极管，是普通三极管和肖特基势垒二极管组合而成），避免三极管导通是深度饱和，从而缩短了传输时间；增加了一个有源泄放回路，缩短了门电路的传输时间，改善了门电路的电压传输特性。功耗大，输出低电平升高（最大值可达0.5V）74H系列与非门电路。74S系列与非门电路。74S系列与非门电路。74LS系列与非门电路。74LS:低功耗肖特基TTL(Lowpower Schottky TTL)。除同74S一样，采用抗饱和三极管、引入有源泄放回路以外，还采用了将输入端的多发射极三极管改用肖特基势垒二极管、在T4的基

8、极和发射极各接入一个二极管以缩短了门电路的传输时间。采用提高电路中各个电阻的电阻值、将管的发射极接地电阻改接到输出端，来降低功耗，功耗仅为74系列的五分之一，为74H系列的十分之一。74LS:低功耗肖特基TTL(Lowpower Schottky TTL)。除同74S一样，采用抗饱和三极管、引入有源泄放回路以外，还采用了将输入端的多发射极三极管改用肖特基势垒二极管、在T4的基极和发射极各接入一个二极管以缩短了门电路的传输时间。采用提高电路中各个电阻的电阻值、将管的发射极接地电阻改接到输出端，来降低功耗，功耗仅为74系列的五分之一，为74H系列的十分之一。74AS:先进肖特基TTL(Advanc

9、ed Schottky TTL)。除了采用很低的电阻外，结构与74LS结构类似，速度快，但功耗也较74LS结构大。74ALS:先进低功耗肖特基TTL(Advanced Lowpower Schottky TTL)。与74AS系列比较，采用了更高的的电阻，来降低功耗，通过改进工艺缩小器件尺寸，获得更短的延时，来提高速度。54系列和74系列具有相同的子系列,两个系列的参数基本相同,主要在电源电压范围和工作环境温度范围上有所不同,54系列适应的范围更大些,如表21所示。表21 54系列与74系列的比较 系列 电源电压/V 环境温度/54 4.55.5 -55+125 74 4.755.25 070不

10、同子系列在速度、功耗等参数上有所不同。TTL门电路采用5V电源供电。CMOS门电路由场效应管构成,它的特点是集成度高、功耗低、速度慢、抗静电能力差。虽然TTL门电路由于速度快和更多类型选择而流行多年,但CMOS门电路具有功耗低、集成度高的优点,而且其速度已经获得了很大的提高,目前已可与TTL门电路相媲美。因此，CMOS门电路获得了广泛的应用,特别是在大规模集成电路和微处理器中目前已经占据支配地位。二、CMOS门电路 每个系列的数字集成电路都有很多不同的品种类型,用不同的代码表示,例如:00:4路2输入与非门 02:4路2输入或非门 08:4路2输入与门 10:3路3输入与非门 20:双路4输入

11、与非门 27:3路3输入或非门 32:4路2输入或门 86:4路2输入异或门三、数字集成电路的品种类型具有相同品种类型代码的逻辑电路,不管属于哪个系列,它们的逻辑功能相同,引脚也兼容。例,7400,74LS00,74ALS00,74HC00,74AHC00都是引脚兼容的4路2输入与非门封装,引脚排列和逻辑图如图21所示。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、扇出系数、传输延时、功耗等。四、数字集成电路的性能参数和使用4)传输延时tP或tpd 传输延时tP指输入变化引起输出变化所需的时间,它是衡量逻辑电路工作速度的重要指标。传输延时越短,工作速度越快,工作频率越高。t

12、PHL指输出由高电平变为低电平时,输入脉冲的指定参考点（一般为中点）到输出脉冲的相应指定参考点的时间。tPLH指输出由低电平变为高电平时,输入脉冲的指定参考点到输出脉冲的相应指定参考点的时间。标准TTL系列门电路典型的传输延时为11ns;高速TTL系列门电路典型的传输延时为3.3ns。HCT系列CMOS门电路的传输延时为7ns;AC系列CMOS门电路的传输延时为5ns;ALVC系列CMOS门电路的传输延时为3ns。（插传输时间图）2.2 2.2 组合逻辑电路的分析组合电路组合电路：输出仅由输入决定，与电路当前状：输出仅由输入决定，与电路当前状态无关；电路结构中态无关；电路结构中无无反馈环路（无

13、记忆）反馈环路（无记忆）逻辑电路分析的任务是根据给出的逻辑电路图,通过分析总结出它的逻辑功能。对原电路进行改进，寻求最佳方案。简言之，逻辑电路分析就是已知电路图，确定其功能。在产品仿制，设备维修时，逻辑电路分析过程显得十分重要。2.2.1 组合逻辑电路的分析方法组合逻辑电路的分析方法逻辑函数化简的原则：逻辑函数化简的原则：对任何一个电子系统，都是以成本低，可靠性高、速度快作为评价指标。于是逻辑函数化简，通常遵循的原则是：*逻辑电路所用的门数量最少，所用门的种类最少；*各个门的输入端要少；*逻辑电路所用的级数要少；*逻辑电路所用的连线要少；逻辑图逻辑图逻辑表逻辑表达式达式 1 1 最简与或最简与

14、或表达式表达式化简 2 2 从输入到输出逐级写出组合逻辑电路的分析步骤最简与或最简与或表达式表达式 3 真值表真值表 3 4 电路的逻电路的逻辑功能辑功能当输入A、B、C中有2个或3个为1时，输出Y为1，否则输出Y为0。所以这个电路实际上是一种3人表决用的组合电路：只要有2票或3票同意，表决就通过。4 逻辑图逻辑图逻辑表逻辑表达式达式例：例：最简与或最简与或表达式表达式 1 2 真值表真值表用与非用与非门实现门实现电路的逻电路的逻辑功能辑功能最简与或最简与或表达式表达式电路的输出Y只与输入A、B有关，而与输入C无关。Y和A、B的逻辑关系为：A、B中只要一个为0，Y=1；A、B全为1时，Y=0。

15、所以Y和A、B的逻辑关系为与非运算的关系。3 4 5 插入脉冲如输入情况P41逻辑电路设计又称逻辑电路综合,其任务是，根据给定的逻辑功能要求,求出逻辑函数表达式,然后用逻辑器件去实现所得逻辑函数。简言之，逻辑电路设计就是按照功能要求设计出电路图。逻辑电路设计实际就是产品开发一个重要环节。2.2.2 组合逻辑电路的设计方法组合逻辑电路的设计方法组合逻辑电路的设计步骤一、进行逻辑抽象。分析事件的因果关系，确定输入输出变量。这一步是最关键，也是最困难的一步。定义逻辑状态的含义。根据分析出来的因果关系列出逻辑真值表。二、写出逻辑函数表达式。三、选定器件的类型。实现组合逻辑电路所用的逻辑器件可分为三大类

16、:基本门电路、MSI组合逻辑模块、可编程器件。四、将逻辑函数化简或变换成适当的形式。当选用小规模集成的门电路进行设计时，根据器件的资源情况把逻辑函数式化简成与器件种类相适应的最简形式。当选用中规模集成的常用组合逻辑器件进行设计时，需要把函数式变换成适当的形式，以便能用最少的器件和最简单的连线接成所要求的逻辑电路。在下一章中将会看到，每一种中规模集成的常用组合逻辑器件的逻辑功能都可以写成一个逻辑函数式。在使用这些器件设计组合逻辑电路时，应该把待产生的逻辑函数式变换成与所用器件的逻辑函数式相同或类似的形式。具体做法将在下一章中介绍。关于使用存储器和可编程逻辑器件设计组合逻辑电路的具体方法，将在后续

17、有关章节再作介绍。五、根据化简或变换后的逻辑函数式，画出逻辑电路图。六、工艺设计。真值表真值表电路功电路功能描述能描述例例例例：设计一个楼上、楼下开关能独立控制楼梯路灯的控制电路。分析因果关系：独立控制的含义：在上楼前，用楼下开关可以开关电灯，上楼后，用楼上开关也可以开关电灯；或者在下楼前，用楼上开关打开电灯，下楼后，用楼下开关关灭电灯。设楼上开关为A，楼下开关为B，灯泡为Y。并设A、B闭合时为1，断开时为0；灯亮时Y为1，灯灭时Y为0。根据逻辑要求列出真值表。1 逻辑抽象 1 2 逻辑表达式逻辑表达式或卡诺图或卡诺图最简与或最简与或表达式表达式化简 3 2 最简与或表达式 4 选择器件逻辑变

18、换选择器件逻辑变换 5 逻辑电路图逻辑电路图用与非门实现用异或门实现P4346分别列出了用与非门和或非门实现组合逻辑电路的方法。真值表真值表电路功电路功能描述能描述例例例例：用与非门设计一个举重裁判表决电路。设举重比赛有3个裁判，一个主裁判和两个副裁判。杠铃完全举上的裁决由每一个裁判按一下自己面前的按钮来确定。只有当两个或两个以上裁判判明成功，并且其中有一个为主裁判时，表明成功的灯才亮。设主裁判为变量A，副裁判分别为B和C；表示成功与否的灯为Y，根据逻辑要求列出真值表。1 穷举法 1 2 2 逻辑表达式逻辑表达式 3 卡诺图卡诺图最简与或最简与或表达式表达式化简 4 5 逻辑变换逻辑变换 6

19、逻辑电逻辑电路图路图 3 化简 4 111Y=AB+AC 5 6 前面的章节里我们对电路的讨论都是在理想情况下进行的，即假设电路中的连线和集成门都没有延时，电路中的信号发生变化时，都是在瞬间完成。实际上，无论是二极管还是三极管从导通变为截至或从截至变为导通都需要一定的时间，而且二极管、三极管、电阻以及连接线 等都存在寄生电容，但我们把理想的矩形电压信号加到任意一个门电路的输入端时，其输出电压的波形不仅要比输入信号滞后，而且波形的上升沿和下降沿也将变坏。（插入传输时间图）2.2.3 组合电路中的竞争冒险组合电路中的竞争冒险信号变化不可能瞬间完成，而是需要一个过渡时间。因此在理想情况设计的组合逻辑

20、电路，受到上述因素影响后，可能在输入信号变化的瞬间，在输出端出现一些不正确的尖峰信号。下面让我们用两个最简单的例子来观察一下输入信号逻辑电平发生变化的瞬间电路的工作情况。例2:Y=A+B稳态时，0+1=1这些尖峰脉冲不符合门电路稳态Y=AB下的逻辑功能例1：Y=AB稳态时，01=0我们把门电路两个输入信号同时向相反的逻辑电平跳变（一01个从01，另一个1 0）的现象叫做竞争。由于竞争而在输出端可能产生尖峰脉冲的现象就叫做竞争冒险有竞争现象时不一定都会产生竞争Y=ABY=AB例2例31、产生竞争冒险的原因、产生竞争冒险的原因产生竞争冒险的主要原因有三：所经路径不同，各路信号产生的延迟时间不同；任

21、何一个门电路都具有一定的传输延时。使得一个或几个输入信号经不同的路径到达同一点的时间有差异。信号变化不可能瞬间完成，而是需要一个过渡时间。干扰信号判断一个组合逻辑电路是否存在竞争-冒险有两种常用的方法：代数法和卡诺图法。1)代数法 在一个组合逻辑电路中，如果某个门电路的输出表达式在一定条件下简化为 或 的形式，而式中A和 是变量A经过不同传输途径来的，则该电路存在竞争-冒险现象。2)卡诺图法 如果逻辑函数对应的卡诺图中存在相切的圈，而相切的两个方格又没有同时被另一个圈包含，则当变量组合在相切方格之间变化时，存在竞争-冒险现象。2、判断竞争冒险的方法、判断竞争冒险的方法在编号1方格和编号5方格中

22、,A=0、C=0、D=1、B变化。在编号3方格和编号11方格中,B=0、C=1、D=1、A变化。有圈相切，则有竞争冒险有圈相切，则有竞争冒险增加冗余项，增加冗余项，消除竞争冒险消除竞争冒险消除组合逻辑电路中竞争-冒险现象的常用方法有:滤波法、脉冲选通法和修改设计方案3、消除竞争冒险的方法、消除竞争冒险的方法2)脉冲选通法1)滤波法3)修改设计法 P49 增加冗余项，在一定条件下不会出现 或 形式本节小结组组合合电电路路的的特特点点：在在任任何何时时刻刻的的输输出出只只取取决决于于当当时时的的输输入入信信号号，而而与与电电路路原原来来所所处处的的状状态态无无关关。实实现现组合电路的基础是逻辑代数

23、和门电路。组合电路的基础是逻辑代数和门电路。组组合合电电路路的的逻逻辑辑功功能能可可用用逻逻辑辑图图、真真值值表表、逻逻辑辑表表达达式式、卡卡诺诺图图和和波波形形图图等等5种种方方法法来来描描述述，它它们们在在本本质上是相通的，可以互相转换。质上是相通的，可以互相转换。组组合合电电路路的的分分析析步步骤骤：逻逻辑辑图图写写出出逻逻辑辑表表达达式式逻辑表达式化简逻辑表达式化简列出真值表列出真值表逻辑功能描述。逻辑功能描述。组组合合电电路路的的设设计计步步骤骤：列列出出真真值值表表写写出出逻逻辑辑表表达达式式或或画画出出卡卡诺诺图图逻逻辑辑表表达达式式化化简简和和变变换换画画出出逻逻辑图。辑图。在在许许多多情情况况下下，如如果果用用中中、大大规规模模集集成成电电路路来来实实现现组合函数，可以取得事半功倍的效果。组合函数，可以取得事半功倍的效果。