一、集成門電路

數(shù)字集成電路按其內(nèi)部有源器件的不同可以分為兩大類：一類為雙極型晶體管集成電路(TTL電路);另一類為單極型集成電路(MOS管組成的電路)。

1.TTL集成邏輯門電路

(1)TTL與非門

CT74S肖特基系列TTL與非門的電路組成如圖2-19(a)所示，它由輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)3個(gè)部分組成。

 

 

圖2-19 TTL與非門電路圖

輸入級(jí)：由多發(fā)射極管VT1和電阻R1組成，多發(fā)射極管的3個(gè)發(fā)射結(jié)為3個(gè)PN結(jié)。其作用是對(duì)輸入變量A、B、C實(shí)現(xiàn)邏輯與，所以它相當(dāng)于一個(gè)與門。

中間級(jí)：由VT2、R2和VT6、RB、RC組成，VT2集電極和發(fā)射極同時(shí)輸出兩個(gè)邏輯電平相反的信號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)VT3和VT5。

輸出級(jí)：由VT3、VT4、VT5和R4、R5組成，它采用了達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，VT3和VT4組成復(fù)合管降低了輸出高電平時(shí)的輸出電阻，提高了帶負(fù)載能力。

TTL 與非門的邏輯符號(hào)如圖 2-19(b)所示;邏輯表達(dá)式為：

 

對(duì)圖2-19所示電路，如果高電平用1表示，低電平用0表示，則可列出圖2-19所示的真值表，如表2-1所示。

 

 

表2-1 TTL與非門真值表

(2)集電極開路與非門(OC門)

① 工作原理。

集電極開路與非門也叫 OC 門，能使門電路輸出的電壓高于電路的高電平電壓值，且門電路的輸出端可以并聯(lián)以實(shí)現(xiàn)邏輯與功能，即線與(一般的TTL門電路不能線與)。

OC門的電路如圖2-20(a)所示，邏輯符號(hào)如圖2-20(b)所示，邏輯表達(dá)式為：

 

 

圖2-20 集電極開路與非門及邏輯符號(hào)

② OC 門的應(yīng)用。

OC門可以實(shí)現(xiàn)線與，如圖2-21所示，邏輯表達(dá)式為

;驅(qū)動(dòng)顯示器、實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，如圖2-22所示。

 

 

 

圖2-21 用OC門實(shí)現(xiàn)線與

(3)與或非門

與或非門電路如圖2-23(a)所示，邏輯符號(hào)如圖2-23(b)所示，邏輯表達(dá)式為：

 

 

圖2-22 驅(qū)動(dòng)顯示器、實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換

 

 

圖2-23 與或非門及邏輯符號(hào)

(4)三態(tài)輸出門

三態(tài)輸出門是指不僅可輸出高電平、低電平兩個(gè)狀態(tài)，而且還可輸出高阻狀態(tài)的門電路，如圖2-24所示，

為控制端。

 

當(dāng)

=0時(shí)，G輸出P=1，VD截止，輸出Y=

，三態(tài)門處于工作狀態(tài)。

低電平有效。

 

 

 

圖2-24 三態(tài)輸出與非門及其邏輯符號(hào)

當(dāng)

=1時(shí)，G輸出P=0，VD導(dǎo)通，輸出高阻狀態(tài)。

 

2.CMOS集成邏輯門

和 TTL 數(shù)字集成電路相比，CMOS 電路的突出特點(diǎn)是微功耗、高抗干擾能力。

(1)CMOS反相器

由兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管組成互補(bǔ)工作狀態(tài)，如圖 2-25 所示。邏輯表達(dá)式為：

 

 

圖2-25 CMOS 反相器

(2)CMOS與非門

如圖2-26所示，兩個(gè)串聯(lián)的增強(qiáng)型NMOS管VTN1和VTN2為驅(qū)動(dòng)管，兩個(gè)并聯(lián)的增強(qiáng)型PMOS管VTP1和VTP2為負(fù)載管，組成CMOS與非門，邏輯表達(dá)式為：

。

 

(3)CMOS或非門

如圖2-27所示，兩個(gè)并聯(lián)的增強(qiáng)型NMOS管VTN1和VTN2為驅(qū)動(dòng)管，兩個(gè)串聯(lián)的增強(qiáng)型PMOS管VTP1和VTP2為負(fù)載管，組成CMOS或非門，邏輯表達(dá)式為：

 

 

圖2-26 CMOS 與非門

 

 

圖2-27 CMOS 或非門

(4)CMOS傳輸門

將兩個(gè)參數(shù)對(duì)稱一致的增強(qiáng)型NMOS管VTN和PMOS管VTP并聯(lián)可構(gòu)成CMOS傳輸門，電路和邏輯符號(hào)如圖2-28所示。

 

 

圖2-28 CMOS 傳輸門及邏輯符號(hào)

(5)CMOS三態(tài)門

圖 2-29(a)所示為低電平控制的三態(tài)門輸出，圖 2-29(b)為邏輯符號(hào)。

 

 

圖2-29 CMOS 三態(tài)門輸出及邏輯符號(hào)

當(dāng)

時(shí)，VTP2和VTN2導(dǎo)通，VTN1和VTP1組成的CMOS反相器工作，所以

。

 

當(dāng)

，VTP2和VTN2同時(shí)截止，輸出Y對(duì)地和對(duì)電源VDD都呈高阻狀態(tài)。 [!--empirenews.page--]

 

(6)CMOS異或門

圖2-30(a)所示為異或門，圖2-30(b)為邏輯符號(hào)。

 

 

圖2-30 CMOS 異或門及邏輯符號(hào)

當(dāng)輸入A=B=0或A=B=1時(shí)，即輸入信號(hào)相同，輸出Y=0;當(dāng)輸入A=1或B=1時(shí)，即輸入信號(hào)不同，輸出Y=1。其真值表如表2-2所示。

 

 

表2-2 異或門真值表

3.復(fù)合門電路

除了上述介紹的邏輯門電路外，還有或非門、異或門、同或門等，表2-3是基本門和常用復(fù)合門的邏輯符號(hào)、邏輯表達(dá)式及邏輯功能。

表2-3 基本門和常用復(fù)合門的對(duì)照表

二、組合邏輯電路

邏輯電路在任何時(shí)刻的輸出狀態(tài)只取決于這一時(shí)刻的輸入狀態(tài)，而與電路的原來狀態(tài)無關(guān)，則該電路稱為組合邏輯電路。

1.組合邏輯電路的分析方法

(1)分析步驟

① 根據(jù)給定的邏輯電路寫出輸出邏輯關(guān)系式。一般從輸入端向輸出端逐級(jí)寫出各個(gè)門輸出對(duì)其輸入的邏輯表達(dá)式，從而寫出整個(gè)邏輯電路的輸出對(duì)輸入變量的邏輯函數(shù)式。必要時(shí)，可進(jìn)行化簡(jiǎn)，求出輸出邏輯函數(shù)式。

② 列出邏輯函數(shù)的真值表。將輸入變量的狀態(tài)以自然二進(jìn)制數(shù)順序的各種取值組合代入輸出邏輯函數(shù)式，求出相應(yīng)的輸出狀態(tài)，并填入表中，即得真值表。

③ 根據(jù)真值表和邏輯表達(dá)式對(duì)邏輯電路進(jìn)行分析，最后確定其功能。

(2)分析舉例

分析圖2-31所示邏輯電路的功能。

 

 

圖2-31 邏輯電路

① 寫出輸出邏輯函數(shù)表達(dá)式：

 

 

② 列出邏輯函數(shù)的真值表。將輸入A、B、C取值的各種組合代入式(2-5)中，求出輸出Y的值。由此列出真值表，見表2-4。

 

 

表2-4 真值表

 

 

續(xù)表

③ 邏輯功能分析。由表2-4可知：在輸入A、B、C這3個(gè)變量中，有奇數(shù)個(gè)1時(shí)，輸出Y為1，否則Y為0，由此可知，圖2-34為這3位奇校驗(yàn)電路。

2.組合邏輯電路的設(shè)計(jì)方法

(1)設(shè)計(jì)步驟

組合邏輯電路的設(shè)計(jì)，應(yīng)以電路簡(jiǎn)單、所用器件最少為目標(biāo)，其設(shè)計(jì)步驟為：

① 分析設(shè)計(jì)要求，列出真值表;

② 根據(jù)真值表寫出輸出邏輯函數(shù)表達(dá)式;

③ 對(duì)輸出邏輯函數(shù)進(jìn)行化簡(jiǎn);

④ 根據(jù)最簡(jiǎn)輸出邏輯函數(shù)式畫邏輯圖。

(2)設(shè)計(jì)舉例

設(shè)計(jì)一個(gè)A、B、C3個(gè)人表決電路。當(dāng)表決某個(gè)提案時(shí)，多數(shù)人同意，提案通過，同時(shí)A具有否決權(quán)。用與非門實(shí)現(xiàn)。

① 分析設(shè)計(jì)要求，列出真值表，見表2-5。設(shè)A、B、C同意提案用1表示，不同意用0表示，Y為表決結(jié)果，提案通過為1，通不過為0。

 

 

表2-5 真值表

 

 

續(xù)表

② 將輸出邏輯函數(shù)化簡(jiǎn)，變換為與非表達(dá)式。由圖 2-32 的卡諾圖進(jìn)行化簡(jiǎn)，可得

 

 

圖2-32 卡諾圖

將上式變化為與非表達(dá)式

 

 

③ 根據(jù)輸出邏輯函數(shù)式(2-6)畫邏輯圖，如圖2-33所示。

3.組合邏輯電路中的競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)

(1)競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象及其產(chǎn)生的原因

信號(hào)通過導(dǎo)線和門電路時(shí)，都存在時(shí)間的延遲，信號(hào)發(fā)生變化時(shí)也有一定的上升時(shí)間和下降時(shí)間。因此，同一個(gè)門的一組輸入信號(hào)，通過不同數(shù)目的門，經(jīng)過不同長(zhǎng)度導(dǎo)線的傳輸，到達(dá)門輸入端的時(shí)間會(huì)有先有后，這種現(xiàn)象稱為競(jìng)爭(zhēng)。

 

 

圖2-33 邏輯電路

邏輯門因輸入端的競(jìng)爭(zhēng)而導(dǎo)致輸出產(chǎn)生不應(yīng)有的尖峰干擾脈沖(又稱過渡干擾脈沖)的現(xiàn)象，稱為冒險(xiǎn)。如圖2-34所示。

 

 

圖2-34 產(chǎn)生正尖峰干擾脈沖冒險(xiǎn)

(2)冒險(xiǎn)現(xiàn)象的判別

在組合邏輯電路中，是否存在冒險(xiǎn)現(xiàn)象，可通過邏輯函數(shù)來判別。如果根據(jù)組合邏輯電路寫出的輸出邏輯函數(shù)在一定條件下可簡(jiǎn)化成下列兩種形式時(shí)，則該組合邏輯電路存在冒險(xiǎn)現(xiàn)象，即：

 

 

例如，函數(shù)式

，在A=C=0時(shí)，

。若直接根據(jù)這個(gè)邏輯表達(dá)式組成邏輯電路，則可能出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)。

 

(3)消除冒險(xiǎn)現(xiàn)象的方法

①增加多余項(xiàng)。例如：

，當(dāng)A=1，C=1時(shí)，存在著競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)。根據(jù)邏輯代數(shù)的基本公式，增加一項(xiàng) AC，函數(shù)式不變，卻消除了競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)，即

。

 

② 加封鎖脈沖。在輸入信號(hào)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)時(shí)間內(nèi)，引入一個(gè)脈沖將可能產(chǎn)生尖峰干擾脈沖的門封鎖住。封鎖脈沖應(yīng)在輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換前到來，轉(zhuǎn)換后消失。

③ 加選通脈沖。對(duì)輸入可能產(chǎn)生尖峰干擾脈沖的門電路增加一個(gè)接選通信號(hào)的輸入端，只有在輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換完成并穩(wěn)定后，才引入選通脈沖將它打開，此時(shí)才允許有輸出。

④ 接入濾波電容。如果邏輯電路在較慢速度下工作，可以在輸出端并聯(lián)一電容器。由于尖峰干擾脈沖的寬度一般都很窄，因此用電容即可吸收掉尖峰干擾脈沖。

⑤ 修改邏輯設(shè)計(jì)。

三、時(shí)序邏輯電路

與組合邏輯電路不同，時(shí)序邏輯電路在任何一個(gè)時(shí)刻的輸出狀態(tài)不僅取決于當(dāng)時(shí)的輸入信號(hào)，而且還取決于電路原來的狀態(tài)。

1.同步時(shí)序邏輯電路的分析方法

(1)分析步驟

① 寫方程式。寫出時(shí)序邏輯電路的輸出邏輯表達(dá)式(即輸出方程)、各觸發(fā)器輸入端的邏輯表達(dá)式(即驅(qū)動(dòng)方程)和時(shí)序邏輯電路的狀態(tài)方程。

② 列狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表。將電路現(xiàn)狀的各種取值代入狀態(tài)方程和輸出方程中進(jìn)行計(jì)算，求出相應(yīng)的次態(tài)和輸出，從而列出狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表。

③ 邏輯功能的說明。根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表來說明電路的邏輯功能。

④ 畫出狀態(tài)圖和時(shí)序圖。

(2)分析舉例

分析圖 2-35 所示電路的邏輯功能，并畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和時(shí)序圖。

 

 

圖2-35 待分析邏輯電路圖

① 寫方程式：

輸出方程：

 

驅(qū)動(dòng)方程：

 

狀態(tài)方程：將驅(qū)動(dòng)方程式代入 JK 觸發(fā)器的特性方程Qn+1=

，得到電路的狀態(tài)方程為

 

 

 

②列狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表：該電路的現(xiàn)狀為

，代入輸出方程(2-9)和狀態(tài)方程(2-11)中進(jìn)行計(jì)算后得 Y=0 和

，然后再將001當(dāng)作現(xiàn)態(tài)代入狀態(tài)方程式(2-11)，得

，以此類推。可求得可求得表2-6所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表。

 

 

 

表2-6 狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表

③ 邏輯功能說明：由表2-6可看出，圖2-35所示電路在輸入第六個(gè)計(jì)數(shù)脈沖CP，返回原來的狀態(tài)，同時(shí)輸出端Y輸出一個(gè)進(jìn)位脈沖。因此，該電路為同步六進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

 

 

圖2-36 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和時(shí)序圖

④ 畫狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和時(shí)序圖。根據(jù)表2-6可畫出圖2-36(a)所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。圖中的圓圈內(nèi)表示電路一個(gè)狀態(tài)，箭頭表示狀態(tài)轉(zhuǎn)換方向，箭頭線上方標(biāo)注X/Y為轉(zhuǎn)換條件，X為轉(zhuǎn)換前輸入變量的取值， Y為輸出值，由于本例沒有輸入變量，故X未標(biāo)上數(shù)值。

2.同步時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)方法

同步時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)和分析正好相反，根據(jù)給定邏輯功能的要求，設(shè)計(jì)同步時(shí)序邏輯電路。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定狀態(tài)轉(zhuǎn)換的規(guī)律和求出各觸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)方程。