第2章组合逻辑电路.ppt

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1、第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 2.1 集成门电路集成门电路 2.2 组合逻辑电路的分析和设计组合逻辑电路的分析和设计 2.3 组合逻辑电路中的竞争组合逻辑电路中的竞争-冒险冒险 第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 2.1 集成门电路集成门电路 2.1.1 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：第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 74:标准TTL

2、(Standard TTL)。74H:高速TTL(Highspeed TTL)。74S:肖特基TTL(Schottky TTL)。74AS:先进肖特基TTL(Advanced Schottky TTL)。74LS:低功耗肖特基TTL(Lowpower Schottky TTL)。74ALS:先进低功耗肖特基TTL(Advanced Lowpower Schottky TTL)。第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 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。不同子系列在速度、功耗等参数上有所

3、不同。TTL门电路采用5V电源供电。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第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 2.1.2 CMOS门电路 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。第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路

4、从供电电源区分,CMOS门电路有5VCMOS门电路和3.3VCMOS门电路两种。3.3VCMOS门电路是最近发展起来的,它的功耗比5VCMOS门电路低得多。同TTL门电路一样,CMOS门电路也有74和54两大系列。74系列5VCMOS门电路的基本子系列如下：74HC和74HCT:高速CMOS(Highspeed CMOS),T表示和TTL直接兼容。第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 74AC和74ACT:先进CMOS(Advanced CMOS)。74AHC和74AHCT:先进高速CMOS(Advanced Highspeed CMOS)。74系列3.3VCMOS门电路的基本子系列如下：74

5、LVC:低压CMOS(Lowvoltage CMOS)。74ALVC:先进低压CMOS(Advanced Lowvoltage CMOS)。第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 2.1.3 数字集成电路的品种类型 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输入异或门第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 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。例如,74

6、00,74LS00,74ALS00,74HC00,74AHC00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。第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 图21 4路2输入与非门引脚排列和逻辑图 141312111098VCC&234567GND&1第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 2.1.4 数字集成电路的性能参数和使用 1.数字集成电路的性能参数 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、扇出系数、传输延时、功耗等。第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 1)直流电源电压UCC 一般TTL电路的直流电源电压为5V,最低4.5V,最高5.5V。CMOS

7、电路的直流电源电压有5V和3.3V两种。CMOS电路的一个优点是电源电压的变化范围比TTL电路大,如5VCMOS电路当其电源电压在26V范围内时能正常工作,3.3VCMOS电路当其电源电压在23.6V范围内时能正常工作。第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 2)输入/输出逻辑电平 数字集成电路有如下四个不同的输入/输出逻辑电平参数:低电平输入电压UIL:能被输入端确认为低电平的电压范围。高电平输入电压UIH:能被输入端确认为高电平的电压范围。低电平输出电压UOL:正常工作时低电平输出的电压范围。高电平输出电压UOH:正常工作时高电平输出的电压范围。第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 图22和

8、图23分别给出了TTL电路和CMOS电路的输入/输出逻辑电平。当输入电平在UIL(max)和UIH(min)之间时,逻辑电路可能把它当作0,也可能把它当作1，而当逻辑电路因所接负载过多等原因不能正常工作时,高电平输出可能低于UOH(min),低电平输出可能高于UOL(max)。第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 图22 标准TTL电路的输入/输出逻辑电平 逻辑1(高电平)逻辑0(低电平)输入5 V2 V0.8 V0 VUIHUILUIH(min)UIL(max)逻辑1(高电平)逻辑0(低电平)输出5 V2.4 V0.4 V0 VUOHUOLUOH(min)UOL(max)第第2章章 组合逻辑

9、电路组合逻辑电路 3)扇出系数 扇出系数指在正常工作范围内,一个门电路的输出端能够连接同一系列门电路输入端的最大数目。扇出系数越大,门电路的带负载能力就越强。一般来说,CMOS电路的扇出系数比较高。计算公式为扇出系数=OHOLIHILIIII第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 图23 CMOS电路的输入/输出逻辑电平(a)5VCMOS电路;(b)3.3VCMOS电路逻辑1(高电平)逻辑0(低电平)输入5 V3.5 V1.5 V0 VUIHUILUIH(min)UIL(max)逻辑1(高电平)逻辑0(低电平)输出5 V4.4 V0.33 V0 VUOHUOLUOH(min)UOL(max)(a

10、)逻辑1(高电平)逻辑0(低电平)输入3.3 V2 V0.8 V0 VUIHUILUIH(min)UIL(max)逻辑1(高电平)逻辑0(低电平)输出3.3 V2.4 V0.4 V0 VUOHUOLUOH(min)UOL(max)(b)第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 其中,IOH为高电平输出电流;IIH为高电平输入电流;IOL为低电平输出电流;IIL为低电平输入电流。例如,从74LS00与非门的参数表中可以查到,IOH=0.4mA,IIH=20A,IOL=8mA,IIL=0.4mA,因此:扇出系数=400820200.4 这说明一个74LS00与非门的输出端能够连接74LS系列门电路（不

11、一定是与非门）最多20个的输入端,如图24所示。第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 图24 74LS系列门电路的扇出系数和带负载能力 (a)低电平输出时;(b)高电平输出时&0.4 mA10.4 mA10.4 mA 最多20个输入，否则，输出会超出正常低电平范围10.4 mA&0.4 mA(a)8 mA&11&20 A11 最多20个输入，否则，输出会超出正常高电平范围1&(b)0.4 mA&0120 A20 A20 A20 A第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 4)传输延时tP 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,

12、工作频率越高。tPHL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。第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 5)功耗PD 逻辑电路的功耗PD定义为直流电源电压和电源平均电流的乘积。一般情况下,门电路输出为低电平时的电源电流ICCL比门电

13、路输出为高电平时的电源电流ICCH大。CMOS电路的功耗较低,而且与工作频率有关(频率越高功耗越大)；TTL电路的功耗较高,基本与工作频率无关。第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 2.数字集成电路的使用 1)类型选择 设计一个复杂的数字系统时,往往需要用到大量的门电路。应根据各个部分的性能要求选择合适的门电路,以使系统达到经济、稳定、可靠且性能优良。在优先考虑功耗,对速度要求不高的情况下,可选用CMOS电路；当要求很高速度时,可选用ECL电路；由于TTL电路速度较高、功耗适中、使用普遍,所以在无特殊要求的情况下,可选用TTL电路。表22给出了常用的TTL、ECL、CMOS电路的主要性能参数比

14、较。第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 表22 常用系列门电路主要性能参数比较TTLECLCMOS功耗 中 大小传输延时 中小大抗干扰能力 中弱强系列 参数 第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 2)TTL门电路和CMOS门电路的连接 我们知道,TTL门电路和CMOS门电路是两种不同类型的电路,它们的参数并不完全相同。因此,在一个数字系统中,如果同时使用TTL门电路和CMOS门电路,为了保证系统能够正常工作,必须考虑两者之间的连接问题,以满足下列条件:第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 驱动门 负载门 UOH(min)UIH(min)UOL(max)IIH IOLIIL第第2章章 组合逻辑

15、电路组合逻辑电路 如果不满足上面条件,必须增加接口电路。常用的方法有增加上拉电阻、采用专用接口电路、驱动门并接等。例如,若不满足UOH(驱动门)UIH(负载门),则可在驱动门的输出端接上上拉电阻,如图25所示。第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 图25 TTL驱动门与CMOS 负载门的连接 1TTL5 VRU&CMOS第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 2.2 组合逻辑电路的分析和设计组合逻辑电路的分析和设计 2.2.1 组合逻辑电路的特点 逻辑电路可以分为两大类:组合逻辑电路和时序逻辑电路。组合逻辑电路是比较简单的一类逻辑电路,它具有以下特点:(1)从电路结构上看,不存在反馈,不包含记忆

16、元件。(2)从逻辑功能上看,任一时刻的输出仅仅与该时刻的输入有关,与该时刻之前电路的状态无关。组合逻辑电路的特点可用框图26表示。第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 图26 组合逻辑电路框图 组合逻辑电路x1x2xmyny1y2第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 输入/输出表达式描述为y1=F1(x1,x2,xm)y2=F2(x1,x2,xm)yn=Fn(x1,x2,xm)第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 2.2.2 组合逻辑电路的分析 1.不变输入情况下组合逻辑电路的分析 分析组合逻辑电路一般是根据给出的逻辑电路图,通过分析总结出它的逻辑功能。当输入不变时,具体的步骤通常如下:（1）根据逻辑电路图,写出逻辑表达式。（2）利用所得到的逻辑表达式,列出真值表，画出卡诺图。（3）总结出电路的逻辑功能。第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 表23 函数Z的真值表 A B CZ0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 0 1 0 11 1 01 1 100010111第第2章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 【例2.1】分析图27所示的逻辑电路。解:从逻辑图可以写出如下的逻辑表达式: