數(shù)字電子技術基礎 第二章 門電路 課件

第二章門電路計算機科學與技術本章內(nèi)容概述半導體器件的開關特性分立元件門電路TTL門電路概述“門”指能實現(xiàn)各種基本邏輯關系和復合關系的電路常用的門電路有與門，非門，或門、與非門，或非門等門電路可以有分立元件構(gòu)成，也可以使用集成電路集成電路的邏輯門按器件類型分：雙極性和MOS按集成度分：小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模和超大規(guī)模目前常用的為CMOS電路按封裝的外型分：雙列直插、扁平封裝、表面封裝和針式半導體的開關特性半導體構(gòu)成的器件：二極管、三極管和MOS管導通狀態(tài)時，有電信號通過，稱開態(tài)，截止時，沒有電信號，稱關態(tài)，這就是開關特性半導體的開關特性分為：靜態(tài)和動態(tài)二極管的靜態(tài)特性二極管的工作機理PNPN結(jié)外電場內(nèi)電場PN內(nèi)電場IF正向?qū)ㄍ饧拥恼螂妷河幸徊糠纸德湓赑N結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。于是，內(nèi)電場對多數(shù)載流子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。PNPN結(jié)內(nèi)電場IS外電場PN內(nèi)電場內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。反向截至在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱為反向飽和電流IS。PN結(jié)的正向電阻很小，反向電阻很大，PN具有單向?qū)щ娦訮N結(jié)V-I特性VT

與溫度環(huán)境有關，VD為PN結(jié)兩端所加的正向電壓ViDOOVonIs（1）外加電壓V=0時,iD=0;（2）V>0,iD成指數(shù)規(guī)律上升；V<Von

時，ID電流很小，只有V>Von時，iD迅速上升，導通后，電壓基本不變化V=Von（3）V<0,ID=Is，因為Is很小，可忽略，反向偏置視為截止PN節(jié)的動態(tài)開關特性動態(tài)開關特性是指二極管由導通到截止，或由截止到導通，瞬變狀態(tài)下的特性tvti動態(tài)時，加到兩邊的電壓突然反向時，電流的變化要稍微滯后，這是因為PN結(jié)要建立起足夠的電荷梯度后才有擴散運動三極管的開關特性數(shù)字電路中，三極管作為開關使用，它工作在飽和區(qū)和截止區(qū)，對應電路的兩個狀態(tài)三極管的輸出特性+5VRcTRBceb++--icibie分立元件由電阻、二極管、三極管等分立元件構(gòu)成的邏輯門，稱為分立元件門。uAuBuF0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V

+5VABDADBRFABF000010100111F=AB二極管或門uAuBuF0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3V

ABDADBRFF=A+BABF000010100111三極管非門F=A+12VRcTRAAFTTL非門電路結(jié)構(gòu)與原理+5VT1R1R2T2T3T4R3R4YWk4W.6k1W130AD2W1k輸入級倒相級輸出級D1vlvOvi=VL=0.2V,T1發(fā)射級導通，導通后T1基極電壓為0.7v+0.2v=0.9v,T2,T5截止，T2集電極為5V，T4導通。vo上電壓為3.6v，高電平;vi=VH=3.4V,T1發(fā)射級反偏，集電極正偏，工作在倒置放大狀態(tài)，T2,T5導通后，T2工作在飽和狀態(tài)，T5工作在深度飽和狀態(tài)，T2的C點電壓為0.9v(0.7+0.2)v,T4基極電壓為1.4v,T4截止，vo輸出為0.2v，低電平。得到Y(jié)=ATTL反向器的外部特性外部特性是指通過集成電路芯片引腳反映出來的特性電壓傳輸特曲線段AB，因為vi<0,6,所以vb1<1.3v,T2和T5導通，T4截止;vo=VCC-Vr2-vb4-Vd2=3.6vBC段，1.3>vi>0,6,T2通，T5截止，T2工作在放大區(qū)，隨vi增加，Vc2和vo線形下降CD段，Vi>1.4v,vb1為2.1V,T2和T4同時導通，T4截止，輸出電壓急劇為低電平，轉(zhuǎn)則區(qū)中點對應的輸入電壓為門檻電壓VTHvOvIABCDE0.51.01.51232輸入端噪聲容限在保證輸出高電平，低電平基本不變的條件下，輸入電平的允許波動的范圍。從非門電壓輸入輸出特性曲線，定義

VOHMIN：輸出高電平的下限，它對應在輸入低電平的上限VILMAX

VOLMAX：輸出低電平的上限，它對應在輸入低電平的下限VIHMIN前一級門的輸出為后一級門電路的輸入，所以有高電平噪聲容限VHN=VOHMIN–VIHMIN;低電平噪聲容限VNL=VILMAX-VOLMAX靜態(tài)輸入特性描述輸入電流隨輸入電壓變化的特性；靜態(tài)輸出特性vIiI0.51.01.52.00.51.00.51.01.52.0TTL反向器的外部特性傳輸延遲TTL電路中，二極管和三極管從導通到截止動態(tài)變化都需要一定的時間，同時二極管、三極管，電阻都有電容的存在都使輸出電壓的波形比輸入電壓的波形要滯后，并且上升和下降沿都將變壞輸出電壓波形滯后輸入電壓波形的時間叫傳輸滯后延遲時間；輸出電壓由低電平跳變?yōu)楦唠娖降膫鬏斞舆ttpLH輸出電壓由高電平跳變?yōu)榈碗娖降膫鬏斞舆ttpHLTTL反向器的外部特性TTL與非門結(jié)構(gòu)與工作機理第三章組合邏輯洽電路計算機測科學與結(jié)技術本章內(nèi)容組合邏鋤輯電路攔的分析油與設計常用組痛合邏輯薯模塊的斯使用加法器齒比繡較器稅譯碼對器編賭碼器假選筍擇器了解電戒路中的年競爭和消冒險組合電鏡路輸入：呈x1,x2,…,xn輸出：F1,F2,…,撕Fm邏輯關陣系Fi=fi(x1,x2,…,xn)組合電路X1X2XnF1F2Fn特點：電路由膛邏輯門遍構(gòu)成；不含記慨憶元件愛；輸出無訂反饋到戴輸入的小回路；輸出與涌電路原管來狀態(tài)酸無關；組合電路別的分析（1）臂根據(jù)給縣定邏輯躺圖寫出耕輸出邏焦輯函數(shù)專表達式相；（2）對狠邏輯函數(shù)黎表達式化怪簡，寫出撒最簡與或走表達式；（3）根溪據(jù)最簡表害達式列出勺真值表；（4）由嘉真值表說六明給定電朗路的邏輯姐功能。分析電徹路的功勁能﹠﹠﹠﹠ABCFF=AB級·BC店·AC凡=AB暑+BC+師AC有邏輯表太達式得到目真值表ABCF00000010010001111000101111011111功能分丈析：多數(shù)輸房誠入為1劍，輸出嫂為1；多數(shù)輸入炸為0，輸根出為0；表決器分析電表路的功保能=1=1=1G0G1G2G3B3B2B1B0邏輯函勒數(shù)：G3=B3G2=B3⊕B2G1=B2⊕B1G0=B1⊕B0真值表分析功西能將自然購二進制落碼轉(zhuǎn)化自為格雷教碼電路1&&&&ABY0Y1ABBABAABY0=AB六·B搬·A·鵲AB不=AB顆+ABY1=鼠ABABY0Y10000011010101101邏輯功涼能：一驚位二進蛛制加法丑。Y0:本位和緣瑞；Y1：進位隆位。YD3SD2D1D0A0A1&&&&&111Y=SA1A0D3SA1A0D2SA1A0D1SA1A0D0Y=SA1A0D3+SA1A0D2+SA1A0D1+SA1A0D0Y=SA1A0D3+SA1A0D2+SA1A0D1+SA1A0D0YD3SD2D1D0A0A1&&&&&111D3110D2100D101001D0000YA1A0S四選一喪數(shù)據(jù)選他擇器S:使能端(選通端、片選端)低電平有效A1A0:選鳳擇控制(乘地址)D3D2D1D0:數(shù)紐奉據(jù)輸入Y1Y2Y311AB>1>1>1ABY1000010101110Y2Y310010010Y1=A+B=ABY3=A+B=ABY2=A+BA+B+=(A+B)(A+B)=AB+AB功能:當A>B趕時,赤Y1=1當A=B滲時騾,干Y2=1當A<B裕時陪,領Y3=1是一位數(shù)壟字比較器組合邏輯蘇電路設計（1）揭根據(jù)設凳計要求蝦，定義壓輸入、駕輸出邏著輯變量貫，并給呀輸入、輸出愛邏輯變量愉賦值，即檔用0和1語表示信號禁的有關狀態(tài)；（2）列鄭出真值表刪；（3）導由真值洲表寫出宵邏輯函毯數(shù)表達孕式；（4）氧化簡邏躲輯函數(shù)淹表達式油；（5）基畫出邏愉輯圖；1、半加假器不考慮翅低位進庫位輸入景，兩數(shù)補碼X、尤Y相加趨，稱半單加X

Y

S000011101110C0001S=XY

+XY=XY+C=XY=1&SCXYXYSCCO2、全加將器被加數(shù)、攻加數(shù)以及男低位的進卻位三者相極加稱為“估全加”1110100110010100111011101001110010100000COiSiCIi

Bi

Ai

COCOiAiBiSiCIiCI全減器控的真值鋒表如何椅？1110100110010100111011101001110010100000COiSiCIi

Bi

Ai

全加器Ci=AiBiCIi+AiBiCIi+AiBiCIi+AiBiCIiSi=m1+m2+m4+m7=AiBiCIi=(AiBi)CIi+AiBi設計一夢三人表旱決電路癢。設計切要求：鍬多數(shù)贊勉成通過撕，反之舞不通過策。并用親與非門吩實現(xiàn)該炎電路。1.設定變量深：用A、B、愧C和Y分別表示雖輸入和輸響出信號；2.狀態(tài)磁賦值:愁贊成用1笛表示，反擋之用0表睜示。表決膊結(jié)果用指示燈表示積；燈亮表逐示1，不陳亮表示0域；3.列砌真值表仆：ABC000001010011100101110111Y000011114.寫鳥邏輯函牧數(shù)表達媽式并化崇簡：Y=ABC+ABC+ABC+ABC=AB+毀AC+B魂C=AB信AC鏡BC5.畫伸出邏輯圖韻：三人表決撞電路10A+5VCY&&&&R=ABACBCYB【例3蛋】三層樓房策，樓道只鼠有一盞燈溉。試設計隊該樓道燈汪控制電路咬。要求：美在每一層少均可控制墊開關。開關—A、B、C合——“1”開——“0”滅——“0”亮——“1”燈—YA、B元、C硬Y0肝0沸00001010100101110111001叼1減11CBAY00010110000111100001111010101011常用組合男集成邏輯縱電路4位串行志進位加法號器1.四位匆集成全加任器——7愁4LS磚283串行進位身的延遲級掏數(shù)與位數(shù)脖成正比.波考慮設置蜂專用的進摟位形成電煎路同時產(chǎn)師生各位的恒進位Cn.進位輸入怖是由專門免的“進位打門”綜合律所有低位級的加數(shù)、釣被加數(shù)及候最低位進拌位來提供槳.稱”快速加渴法器”諒或”超租前進位渡加法器扭”進位的骨產(chǎn)生：COi=AiBiCIi+AiBiCIi+AiBiCIi+AiBiCIi2.譯收碼器2.1率最小披項譯碼鍋器——掩74L哄S13皆8輸入輸出B2

B1

B0

0000010100111001011101110111111110111111110111111110111111110111111110111111110111111110譯碼器的妹擴展（1）芬對三變量打可直接使章用,但紫也可擴展牙位數(shù)，這嬌是由二片凍74LS牢138構(gòu)奇成的四位澤二進制碼決的譯碼電濟路。B3“1”01234567891011121314150123456789101112131415“1”B30000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111（1）畫這是由二校片74L姜S139障構(gòu)成的四叉位二進制未碼的譯碼蓬電路。2-4戴線譯碼醫(yī)器——臺74L似S13廣9Y0Y1Y2Y3ABE5片2－盲4譯碼器廟構(gòu)成4－算16譯碼套器。第一層的一個譯碼器用作選片。E=0時，CD＝00時選中左邊一片，譯出Y0…Y3;依此類推。用譯碼器螞實現(xiàn)組合第邏輯函數(shù)2.2著顯示譯碼貿(mào)器abfgecd?fg

abedc?LED連斯接方式七段數(shù)字凍顯示器分股為共陰極核和共陽極割兩種。abcdefg+++++?+VCC?abcdefg若采用共偵陽極LE乎D，顯示每譯碼器的報輸出應為扇低電平輸邀出有效；擴若采用共目陰極LE缺D，則高汁電平輸出畫有效。Ya

Yb

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YgA3

A2

A1

A00000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111111111001110001101100111100101100111011011001111111100001111111111001100011010011001010001110010110001111000000001234567891011121314150123456789十進制

字常用顯示兩譯碼器7447(酸低電平楚輸出有巧效）7448(高諸電平輸出謊有效7448的炸邏輯功地能：LT—燈測試(低電平有效)BI/RBO—滅燈輸入/滅零輸出(低電平有效)RBI—滅零輸入；(低電平有效)當RBI=0;A3A2A1A0=0時燈滅，RBI=1;A3A2A1A0=0時，顯示0。如何滅幣零？用744煉8驅(qū)動B缺S201軟的連接方天法3嫁編碼器一、3指位二進制銅編碼器8個輸鐘入信號巷分別用死I0~I7表示，且途高電平有貍效；輸出的狂三位二丹進制代塘碼分別責用Y0、Y1、Y2表示。輸入輸毀出I0=1Y2Y1Y00攔0悉00辣0義10槍1衡00蒸1踏11例0房誠01衡1稱11曾1酬01龜0濾1I1=1I2=1I3=1I4=1I5=1I7=1I6=1Y2=I4+I5+I6+I7Y1=I2+I3+I6+I7Y0=I1+I3+I5+I7=I4I5I6I7=I2I3I6I7=I1I3I5I7A1A0A2Y2Y1Y0Y2I7I6I5I4I3I2I1I011111111&&&用或門德實現(xiàn)的楚編碼器裂邏輯圖二、集隨成優(yōu)先遵編碼器盤——7放4148（憤8線-3丘線）(1)療輸入、例輸出均脹以低電寨平作為煎有效信爬號。(2)S展—線使能輸入(3)院YS—使能材輸出。卸“電路窗工作，先但無編刺碼輸入印”1011111111YSX10XXXXXXX01111XXXXXXX1100000000YEX111111110711111111101111111110110111110010111110X01001110XX0011110XXX001010XXXX00010XXXXX0000XXXXXX0Y2Y1Y0

654321S(4)YEX—擴展端。“電路工作，有編碼輸入”用兩片斃74L依S14梨8接成狠的16妨線－4鬧線優(yōu)先味編碼器4四選皮一數(shù)據(jù)選哭擇器YD3S1D2D1D0A0A1&111&&&&D3110D2100D101001D0000YA1A0SD3D2D1D0A1A0S1MUXYY=S1A1A0D3+S1A1A0D2+S1A1A0D1+S1A1A0D0有使能端韻的雙4選倍1數(shù)據(jù)選鈔擇器——仗74LS齊1531Y1W2Y2W++1D01D11D21D32D02D12D22D3S0S11E2E.......................1&&11111>1>1選擇器籍擴展利用一片尚74153葬構(gòu)成一純個8選合1數(shù)據(jù)怖選擇器坦。A2D7D6D5D4D3D2D1D0輸入1D31D21D11D0S1A1A074153Y2Y12D32D22D12D0S2A0A1Y>1用雙4村選1選處擇器擴展成1禾6選1選滲擇器A3A2A1A0Y00D00001D110D211D30100D401D510D611D700D810

01D910D1011D111100D1201D1310D1411D15兩種不胖同的擴爐展方案，從功膠能表上分演析，可以先蹤蝶選低兩假位，也遍可以先選高輩兩位。16選礦1功能梁表用雙4快選1選次擇器(冊無使能飯端)擴效展成1扒6選1正選擇器邏輯結(jié)堵構(gòu)：A1A0控制第一和層選擇，A3A2控制第坦二層選泳擇。A0

A1

D0

D3

Y

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D3

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D15

..方案二緞：用雙4選欲1選擇器方(無使能陜端)擴展葛成16選味1選擇器A0

A1

D0

D3

Y

D0

D3

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D0

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D0

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Y

A3

A2

A1

A0D0D4D8D12D1D5D9D13D2D6D10D14D3D7D11D15邏輯結(jié)借構(gòu)：A3A2控制第驚一層選敘擇，A1A0控制第二鉤層選擇。方案三芳：用雙4選歉1選擇器財(有使能抓端)擴展咽成16選室1選擇器用譯碼攻器＋數(shù)板據(jù)選擇姿器，一澆級選擇夸就可以帽。高兩位控制端經(jīng)譯碼后分別控制數(shù)據(jù)選擇器的使能端E，以實現(xiàn)擴展。輸出級是OC門，因此可以“線與”。A3A2A1A0ED0D3D4D7D8D11D12D151W2W1W2WVCCRLYA1A0EY0Y1Y2Y3A1A1A0A0E1D01D3E2D02D3E1D01D3E2D02D3......用數(shù)據(jù)選異擇器實現(xiàn)賴組合邏輯板函數(shù)【例1醬】利用選態(tài)擇器實鬧現(xiàn)邏輯民函數(shù)Y（A觀,B,俱C）=（1玻,2,剛4,6拉,7）用八選達一741磚51Y=m1+m2+

m4+m6+m7=ABC+ABC+ABC+ABC+ABC74151D7D6D5D4D3D2D1D0A1A0YA2YABC“1”=ABC0+ABC1+ABC1+ABC0+ABC1+ABC0+ABC1+ABC1ABC用四選殘一741直53Y=AB灘C+AB古C+AB賭C+A遲BC+覽ABCAB1D31D21D11D0S1A1A074153Y2Y12D32D22D12D0S2YC“1”..1=AB?C+AB?C+AB?C+AB?1【例2摸】利用八選一數(shù)據(jù)選擇器實現(xiàn)邏輯函數(shù)Y=ACD+ABCD+BC+BCDBADC0011011000110110111111111Y=DC瀉B?0+DC炮B?1+D瞇CB?0+D從CB?1+DC何B?A+D侄CB?A+D齡CB?A+D花CB?174151D7D6D5D4D3D2D1D0A1A0YA2YDCB“1”A....1..數(shù)據(jù)同比項較器—【例3】分析下斃面組合攪邏輯電棍路的邏賓輯功能S2S1S0ES3S2S1YYD7D6D5

D4D3D2

D1D0Y7Y6Y5

Y4Y3Y2

Y1Y0A2A1A074LS15174LS138A2A1A0B2B1B0AB比較結(jié)果被：若A=拿B，則Y=枕0，反之，Y遷=1。只能比較趟兩個二進失制數(shù)是否欺相同，而制不能比較險其大小。S2S1S0S1D7D6D5D4D3D2D1D0Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0A2A1A074L帶S15揀174L絕S13饒8AB5香數(shù)值艙比較器1、一蘇位數(shù)值比較器1.定義咬：用來比栽較兩個一脅位二進制眨數(shù)大小的房誠電路。2.真值摔表：Ai

Bi

YA>B0000101011100010YA<BYA=B1001YA>B=AiBiYA<B=AiBi3.邏輯凡圖：YA=B=AiBi+AiBi=AiBi+AiBiYA<BYA=BYA>BAiBi11&&=2、四位繡數(shù)值比較密器A3A2A1A0B3B2B1B0從高位開食始比較，若A3>B3則A>B曉，若A3<B3則A<B否，若A3=B3則再比較籍低位A3B3A2B2A1B1A0B0IA>BIA<BIA=BA>BA<BA=BA3>B3XXXXXX100A3<B3XXXXXX010A3=B3A2>B2XXXXX100A3=B3A2<B2XXXXX010A3=B3A2=B2A1>B1XXXX100A3=B3A2=B2A1<B1XXXX010A3=B3A2=B2A1=B1A0>B0XXX100A3=B3A2=B2A1=B1A0<B0XXX010A3=B3A2=B2A1=B1A0=B0100100A3=B3A2=B2A1=B1A0=B0001001A3=B3A2=B2A1=B1A0