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项目5 逻辑门与组合逻辑电路
5.1 基本逻辑门电路
5.2 组合逻辑电路的分析与设计
5.3 常用的组合逻辑电路器件
项目导入
用来实现基本逻辑关系的电子电路称为逻辑门电路，以逻辑门作为基本单元的数字电路称之为组合逻辑电路。
组合逻辑电路是指在任何时刻，输出状态只决定于同一时刻各输入状态的组合，而与电路以前状态无关，而与其他时间的状态无关。即组合逻辑电路的输入、输出之间没有反馈延迟通道；且 电路中无记忆单元。
对于每一个从事电子技术的工程技术人员来说，只有充分了解各种门电路的功能原理，且对已经设计出来的组合逻辑电路熟悉其功能和外部特性，才能在实际电子线路中正确选择和合理使用它们。因此，逻辑门和组合逻辑电路是电子工程技术人员必须掌握的重要基础知识之一。
了解本征半导体、P型和N型半导体的特征及PN结的形成过程；熟悉二极管的伏安特性、分类及用途；理解三极管的电流放大原理，掌握其输入和输出特性的分析方法；理解双极型和单极型三极管在控制原理上的区别；初步掌握工程技术人员必需具备的分析
电子电路的基本理论、基本知识
和基本技能。
学习目标
了解各种基本逻辑门的电路组成，理解其逻辑功能；掌握复合逻辑门电路的构成，熟记其逻辑功能；了解组合逻辑电路的分析步骤，掌握组合逻辑电路的分析方法，了解组合逻辑电路的设计步骤；了解编码器、译码器、数值比较器、数据选择器的逻辑功能与使用方法。
在充分掌握基本逻辑门和中规模组合逻辑器件功能的条件下，训练并掌握具有对各种逻辑
器件进行正确的功能测试的能力和
基本技能。
知识目标与技能目标
提出问题
什么是逻辑门？基本逻辑门有哪些？什么是复合逻辑门？常用的复合逻辑门又有哪些？什么是集成逻辑门？集成逻辑门有哪两种系列？
任务5.1 认识各种基本逻辑门
知识准备
5.1.1 基本逻辑门
数字电路中，门电路是最基本的逻辑单元，门电路原输入和输出之间的关系属于逻辑关系，因此又把门电路称为逻辑门。显然，逻辑门是一种开关电路。
1.半导体二极管、晶体管和MOS管的开关特性
半导体二极管最显著的特性是单向导电性，当二极管正向偏置时，相当一个闭合的开关，信号可以通过；当二极管反向偏置时，相当一个打开的开关，信号不能通过。
（1）二极管的开关特性
利用二极管“正向导通、反向阻断”的单向导电性，在数字电路中常用做电子开关使用。电子开关的“通”态用数字“1”表示，“断”态用数字“0”表示。显然，电子开关的通、断状态在数字电路中属于二值的逻辑变量。
1）正向特性
当电路的输入电压为低电平，且VCC-ui大于二极管的导通压降UT时，二极管正向导通。由于二极管导通时正向电阻很小，因此正向电流急剧增长，此时的VD相当于具有压降UT的闭合电子开关。
二极管开关电路
2）反向特性
当二极管开关电路的输入电压为高电平，即VCC-ui二极管开关电路
工程实际中，通常在二极管开关电路中串接一只限电阻R，以防止电流突然增大时造成二极管烧坏。
理想二极管的开关特性
A
S
K
理想开关
IOFF=0
UAK
+
-
ION
UAK=0
+
-
理想开关断开时，无论UAK在多大范围内变化，其等效电ROFF=∞，通过理想开关S的电流IOFF=0。
理想开关闭合时，无论流通其中的电流在多大范围内变化，其等效电阻RON=0，电压UAK=0，通过理想开关S的电流为ION。
理想二极管接通时，电阻为零，开关断开时，电阻为无穷大。工程中通常把二极管理想化。
理想开关S显然在客观世界中不存在。常见的机械开关、继电器、接触器等，在一定电压和电流的范围内，静态特性与理想开关十分接近，但动态特性较差，根本满足不了数字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。而由二极管、三极管构成的电子开关，其静态特性不如机械开关，但它们的动态特性却是机械开关无法比拟的，因此广泛应用于数字电路中。
（2）晶体管的开关特性
数字电路中，晶体管工作在饱和区时，相当一个闭合的开关；晶体管工作在截止区时，相当一个断开的开关。晶体管和二极管一样，开关状态转换时也是需要时间的，但在分析数字电路问题时，若满足一定条件，就可把晶体管作为理想电子开关。
（3）MOS管的开关特性
当MOS管栅源间电压小于其开启电压时，不能形成导电沟道，处于截止状态，相当一个断开的电子开关；当MOS管栅源间电压大于其开启电压时，导电沟道形成，数字电路中MOS管导通时，一般工作在可变电阻区，由于其导通电阻很小，可看作是一个闭合的电子开关。
MOS管导通时相当一个闭合的开关
MOS管截止时相当一个断开的开关
教学内容
2. 分立元件门电路
逻辑门
由开关元件构成的逻辑电路，工作时状态像门一样按照一定条件和规律打开或关闭，被称为逻辑门。
逻辑门开 —允许信号通过；逻辑门关——信号被阻断。逻辑门是构成组合逻辑电路的基本单元，在数字电路中应用十分广泛。
二极管与门
由二极管、电阻构成的逻辑电路，工作时按照一定条件和规律实现与逻辑功能的电路称为与门。
分析与门电路的工作原理时，电路中的二极管均视为理想二极管：即二极管正向导通时相当一个0值电阻，二极管截止时相当一个∞电阻。
VD1
VD2
＋VCC
R
VD3
A
B
C
F
VD1
VD2
＋VCC
R
VD3
与门
A
B
C
F
①与门输入至少有一个为低电平0时；
0V
3V
工作原理
0V
3V
3V
0V
反偏截止！
与门电路实现了输入有0，输出为0的与逻辑功能。
②与门输入全部为高电平3V时：
3V
3V
与门电路实现了输入全1，输出为1的与逻辑功能。
与门电路图符号
&
二极管或门
由二极管和电阻构成的、具有“有1出1，全0出0”或逻辑功能的电路称为或门。
或门电路的输入至少是两个，输出为一个。为方便于或门工作过程的分析，电路中的二极管均按理想二极管处理：导通时电阻为0值，截止时电阻为∞。
A
B
F
－VCC
或门
①或门输入只要有一个为高电平1时；
工作原理
或门电路可实现输入有1，输出为1的或逻辑功能。
②或门输入全部为低电平0时：
或门电路可实现输入全0，输出为0的或逻辑功能。
或门电路图符号
≥1
A
VD2
B
－VCC
R
F
3V
0V
3V
反偏截止！
0V
0V
0V
VD1
晶体管非门
VT
RC
-VBB
+VCC
RB1
RB2
由三极管、电阻构成的逻辑电路，工作时按照一定条件和规律实现非逻辑功能的电路。
非门中的三极管，工作状态只有导通和截止，当三极管导通时，非门打开信号通过，当三极管截止时，非门关断→信号不能通过。非门电路的三极管可以是双极型晶体管，也可以是MOS管。
非门
A
F
①非门输入为高电平时：
工作原理
3V
0V
截止！
非门电路实现了输入为1，输出为0的非逻辑功能。
②非门输入为低电平0V时：
0V
非门电路实现了输入为0，输出为1的非逻辑功能。
非门电路图符号
VT
RC
-VBB
+VCC
RB1
RB2
饱和导通
ICS
1
IC=0
≈VCC
教学内容
5.1.2 复合门电路
1.与非门
F
&
A
B
1
F
与门和非门可构成“与非”门
与门
非门
F
&
A
B
与非门图符号
有0出1；全1出0
“与非”门是“与”门的非，因此：
2.或非门
有1出0；全0出1
F
≥1
A
B
1
F
或门和非门可构成“或非”门
或门
非门
F
≥1
A
B
或非门图符号
“或非”门是“或”门的非，因此：
3. 与或非门
&
A
B
1
F
与门
或门
&
C
D
与门
≥1
非门
两个与门和或门、非门可构成“与或非”门
与或非门图符号
F
&
A
B
&
C
D
≥1
“与或非”门的逻辑函数表达式为：
4. 异或门
F
=1
A
B
异或门的图符号
异或门的功能用逻辑函数表示为：
5. 同或门
F
=1
A
B
同或门的图符号
同或门的功能用逻辑函数表示为：
5.1.3 集成逻辑门电路
分立元件构成的门电路，不但元件多体积
大，而且连线和焊点也太多，因而造成电路
的可靠性较差。随着电子技术的飞速发展及集成工艺的规
模化生产，目前分立元件门电路已经被集成门电路所替代。
采用半导体制作工艺，在一块较小的单晶硅片上制作上许多晶体管及电阻器、电容器等元器件，并按照多层布线或遂道布线的方法将元器件组合成完整的电子电路，这种特殊的工艺称为集成。集成门电路与分立元件的门电路相比，不但体积小、重量轻、功耗小、速度快、可靠性高、而且成本较低、价格便宜，十分方便于安装和调试。
按导电类型和开关元件的不同，集成门电路可分为双极型集成逻辑门和单极型集成逻辑门两大类。
1.TTL集成门电路
电路组成
R4
R3
R5
R2
R1
A
B
C
3kΩ
+VCC
750Ω
100Ω
300Ω
3kΩ
5V
F
VT1
VT2
VT3
VT4
VT5
(uo)
(ui)
输入级中的多发射极晶体管可看作由多个晶体管的集电极和基极并联构成，作为TTL与非门的输入端。
多个发射极的发射结可看作是多个钳位二极管，其作用是限制输入端可能出现的负极性干扰脉冲。
VTl的引入，不但加快了晶体管VT2储存电荷的消散，提高了TTL与非门的工作速度，而且实现“与”逻辑功能。
（1）TTL与非门
（1）TTL与非门
电路组成
R4
R3
R5
R2
R1
A
B
C
3kΩ
+VCC
750Ω
100Ω
300Ω
3kΩ
5V
F
VT1
VT2
VT3
VT4
VT5
(uo)
(ui)
中间级又称为倒相极，其作用是从VT2的集电极和发射极同时输出两个相位相反的信号，作为输出级中三极管VT3和VT5的驱动信号，同时控制VT4和VT5工作在两个截然相反的两种状态，以满足输出级互补工作的要求。
三极管VT2还可将前级电流放大以供给VT5足够的基极电流。
（1）TTL与非门
电路组成
R4
R3
R5
R2
R1
A
B
C
3kΩ
+VCC
750Ω
100Ω
300Ω
3kΩ
5V
F
VT1
VT2
VT3
VT4
VT5
(uo)
(ui)
由晶体管VT3、VT4、VT5和电阻R4、R5组成推拉式的互补输出电路。
VT5导通时VT4截止，VT5截止时VT4导通。由于采用了推挽输出(又称图腾输出)，该电路不仅增强了带负载能力，还提高了工作速度。
①输入端至少有一个为低电平时的工作情况
3.6V
0.3V
R4
R3
R5
R2
R1
A
B
C
3kΩ
+VCC
750Ω
100Ω
300Ω
3kΩ
5V
F
VT1
VT2
VT3
VT4
VT5
(uo)
(ui)
0.3V
3.6V
3.6V
低电平对应的PN结导通，VT1的基极电位被固定0.3+0.7=1V
1V
1.4V
5V
显然VT1的集电结反偏，导致VT2、VT5截止。VT2截止时的集电极电位：
V2C≈VCC=5V
VT2管集电极+5V的电位足以使VT3、VT4导通并处于深度饱和状态。因R2和IB3都很小，均可忽略不计，所以：
3.6V
实现了有0出1的与非功能
2） 工作原理
②输入端全部为高电平时的工作情况
3.6V
0.3V
R4
R3
R5
R2
R1
A
B
C
3kΩ
+VCC
750Ω
100Ω
300Ω
3kΩ
5V
F
VT1
VT2
VT3
VT4
VT5
(uo)
(ui)
3.6V
3.6V
3.6V
实现了全1出0的与非功能
2.1V
1.4V
显然VT1处于倒置工作状态，此时集电结做为发射结使用。倒置情况下，VT1可向VT2基极提供较大电流。
深度饱和
深度饱和
VT2管深度饱和后，其发射极电流在电阻R3上产生的压降又为VT5管提供足够的基极电流使VT5管饱和导通，从而使与非门输出F点的电位等于VT5管的饱和输出典型值
F=0.3V
0.3V
（2） 集成OC门
R1
A
B
C
R2
+5V
VT1
VT2
R3
VT5
F
(uo)
(ui)
VT3
VT4
R4
R5
OC门的电路形式
RL
+VS
图符号
&
①当OC门输入全为高电平时
②OC门输入只要有一个为低电平时
R1
A
B
C
R2
+5V
VT1
VT2
R3
VT5
F
(uo)
(ui)
RL
+VS
OC门可实现与非功能
实现了全1出0的与非功能
0.3V
3.6V
3.6V
3.6V
0.3V
+VS
实现了有0出1的与非功能
工作原理
普通的TTL与非门不允许直接驱动供电电压高于+5V的负载，而实际应用中经常会碰到这种情况；实际应用中有时还需要把若干个与非门的输出直接连在一起实现多个信号的与逻辑关系，具有图腾结构的TTL与非门无法做到。集电极开路的与非门—OC门的开发解决了上述问题。
为什么开发OC门
F
OC门可实现线与功能
A
B
F1
&
C
D
F2
&
RL
+VS
线与
OC门可用于数字系统接口部分的电平转换
A
B
F
&
RL
+12V
A
B
F
&
＋VS
OC门可用来直接驱动负载
（3） 三态门
三态门简称作TSL门，是在普通TTL与非门的基础上，加上使能控制信号和控制电路构成的。
EN
VD2
VD1
R
EN A B F
1 0 0 1
1 0 1 1
1 1 0 1
1 1 1 0
0 × × 高阻态
三态门的真值表
三态门使能端无效时，具有与非门功能；若使能端有效，则将无论输入如何，输出均为高阻态。
利用三态门可以实现总线结构
图示总线结构中，只要工作时控制各个三态门的门控端EN轮流为有效态，而且任何时候仅有一个为有效态，各三态门的输出信号在公共传输总线上就会轮流输送而互不干扰。
另外，三态门还可做成单输入、单输出的总线驱动器。
利用三态门还可以实现数据的双向传输
当EN为有效态时，G1工作而G2为高阻态，数据D0经G1反相后送到总线上去；当EN为无效态时，G2工作而G1为高阻态，来自总线的数据经G2反相后由D1送出。
2. CMOS集成逻辑门
CMOS门的基本单元主要有反相器和传输门。
①当ui＝0V为低电平时
CMOS
反
相
器
②当ui＝VDD为高电平时
VDD
0V
截止！
反相器电路实现了输入为0，输出为1的非门逻辑功能。
导通！
VDD
0V
截止！
导通！
反相器电路实现了输入为1，输出为0的非门逻辑功能。
若使导电沟道形成，VDD必须大于两管的开启电压之和
①当控制端CP为高电平1时，传输门导通，数据从输入端传输到输出端。
CMOS传输门
②当控制端CP为低电平0时，传输门关闭，禁止传输数据。
工作原理
一个PMOS管和一个NMOS管并联后，可构成一个CMOS传输门
（3）CMOS逻辑门电路的特点
CMOS
逻辑门的
特点
01
02
03
04
05
06
CMOS逻辑门静态功耗非常小，仅有几个μW，因此使用CMOS集成门制作的设备成本低。
CMOS门集成度高，由于只有多子导电，所以热稳定性好、抗辐射能力强。
输入阻抗极高，通常可达108Ω。
CMOS电路的抗干扰能力强，适合于特殊环境下工作。
CMOS电路的电源电压允许范围宽。约为3~18V，十分方便于电路电源电压的选择。
CMOS电路的逻辑摆幅大。VOL=0V
VOH≈VDD。
⑦扇出能力强，带同类门电路的个数多。低频时CMOS门几乎不考虑扇出能力问题；高频下扇出系数与工作频率有关。
（4）CMOS集成电路使用时
应注意的事项
① CMOS集成电路的电源电压极性不能接反，否则会造成电路永久性失效。
②CMOS集成门电路的电源电压选择得越高，电压的抗干扰能力就越强，但是，电源电压的选择最大不允许超过极限值18V。为防止通过电源引入干扰信号，应根据具体情况对电源进行去耦和滤波。
电源
CMOS逻辑门的使用注意事项
③同一芯片上的CMOS门在输入相同时，为增大负载能力，输出端可以并联使用；输出端不允许与电源或地端直接相连，否则造成输出级的MOS管因过电流而损坏；为保证管子不因大电流而烧损，应在输出端和电容之间串接一个限流电阻。
④ CMOS 集成电路应注意输入电路的过流保护。
输出引脚
思考与问题
1
3
2
基本逻辑门有哪些？同或门和异或门的功能是什么？两者有联系吗？
你能说出常用复合门电路的种类吗？它们的功能如何？
通常集成电路可分为哪两大类？这两大类芯片在使用时注意的事项相同吗？
Sikaoyuwenti
5
试述图腾结构的TTL与非门和OC门的主要区别？
4
三态门和普通TTL与非门有什么不同？主要应用在什么场合？
7
CMOS传输门具有哪些用途？
6
TTL与非门多余的输入端能否悬空处理？CMOS集成逻辑门呢？
8
普通TTL门的输出端能否并联连接？CMOS集成逻辑门呢？
黄大年，广西南宁市人，1958年8月生，汉族。2009年12月，黄大年放弃了在英国优厚的待遇，怀着一腔爱国热情返回祖国，出任吉林大学地球探测科学与技术学院教授。八年时间，他带领团队在航空地球物理领域取得一系列成就。2017年1月8日，
黄大年因病逝世，享年58岁。
通过学习黄大年不忘初心、至诚报国的事迹，引导年轻一代继续发扬老一辈科技工作者赤诚爱国的情怀和忘我奋斗的科研精神，以科技兴国为主旨，以弘扬爱国主义、科普教育为目标，深入学习更多的知识和技能以报效祖国。
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