第 2 章 组合逻辑电路

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2 2 第第第第第第 第第第第第第 Combinational Logic Combinational Logic Circuit Circuit 2.1 引引 2.2 引引引 2.3 引引引引引引引引引引引引 2.4 引引引引 ALU 2.5 引引引引引引引引引引引引引引引

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第 2 章 组合逻辑电路. 2.1 引言 2.2 门电路 2.3 常用的中规模组合逻辑电路 2.4 运算器与 ALU 2.5 组合逻辑电路中的竞争与冒险问题. Combinational Logic Circuit. 2.1 组合逻辑引言. 组合逻辑的概念 组合逻辑函数的输出状态取决于所有输入的状态 “ 逻辑组合 ” 。 如与非、与或逻辑等。 组合逻辑电路的特点: 1 )电路的输出只是和输入的当前状态有关,和过去的状态无关。 2 )区别于时序电路:和过去的状态有关。. - PowerPoint PPT Presentation

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第第 22 章 组合逻辑电路章 组合逻辑电路Combinational Logic Combinational Logic

CircuitCircuit2.1 引言

2.2 门电路

2.3 常用的中规模组合逻辑电路

2.4 运算器与 ALU

2.5 组合逻辑电路中的竞争与冒险问题

Page 2: 第 2 章   组合逻辑电路

2.1 2.1 组合逻辑引言组合逻辑引言

组合逻辑的概念组合逻辑的概念 组合逻辑函数的输出状态取决于所有输组合逻辑函数的输出状态取决于所有输

入的状态“逻辑组合”。入的状态“逻辑组合”。 如与非、与或逻辑等。如与非、与或逻辑等。 组合逻辑电路的特点:组合逻辑电路的特点:11 )电路的输出只是和输入的当前状态有)电路的输出只是和输入的当前状态有

关,和过去的状态无关。关,和过去的状态无关。22 )区别于时序电路:和过去的状态有关。)区别于时序电路:和过去的状态有关。

Page 3: 第 2 章   组合逻辑电路

组合逻辑:电路的输出只是和当前状态有关,组合逻辑:电路的输出只是和当前状态有关,和过去的状态无关。和过去的状态无关。

ab

c

a

b

c

理想情况:门电路没有延迟

t0 t1 t2 t3

Page 4: 第 2 章   组合逻辑电路

组合逻辑:电路的输出只是和当前状态有关,组合逻辑:电路的输出只是和当前状态有关,和过去的状态无关。和过去的状态无关。

ab

c

a

b

c

pDtpDt

实际情况:门电路存在延迟 pDt

Page 5: 第 2 章   组合逻辑电路

组合逻辑:电路的输出只是和当前状态有关,组合逻辑:电路的输出只是和当前状态有关,和过去的状态无关和过去的状态无关。。

ab

c

a

b

c

pHLtpLHt

实际情况:门电路存在延迟

前沿延迟与后沿延迟不相等

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典型的组合逻辑电路典型的组合逻辑电路

(( 11 )门电路 ()门电路 ( GatesGates ))(( 22 )译码电路 ()译码电路 ( DecodersDecoders )) 编码电路 (编码电路 ( EncodersEncoders ))(( 33 )数据选择电路 ()数据选择电路 ( MultiplexerMultiplexer )(多路开关))(多路开关) 或数据选择器 (或数据选择器 ( Data SelectorData Selector ) ) (( 44 ) 加法器 () 加法器 ( AddersAdders )) 算术逻辑单元 算术逻辑单元 ( Arithmetic Logic Units )( Arithmetic Logic Units )(( 55 )奇偶校验电路 )奇偶校验电路 参考讲义:第参考讲义:第 33 章前三节,第章前三节,第 44 章 章

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集成电路的分类集成电路的分类按功能分:数字电路、线性电路(模拟电路)两大类按功能分:数字电路、线性电路(模拟电路)两大类 数字电路:从门电路到微处理器、存储器等多种数字电路:从门电路到微处理器、存储器等多种按半导体制造工艺: 双极型按半导体制造工艺: 双极型 (TTL,LTTL,STTL,LSTTL,ECL…)(TTL,LTTL,STTL,LSTTL,ECL…) MOS(PMOS,NMOS,CMOS,BiCMOS…)MOS(PMOS,NMOS,CMOS,BiCMOS…)

目前最常用的工艺目前最常用的工艺 : CMOS: CMOS (互补金属氧化物半导体)(互补金属氧化物半导体)按封装(外形)分:双列直插、表面封装、按封装(外形)分:双列直插、表面封装、 BGA(Ball Grid Array)BGA(Ball Grid Array)

速度速度 功耗功耗 集成度集成度 TTL(TTL( 晶体管晶体管逻辑)晶体管晶体管逻辑) 快快 大大 低低 MOSMOS (金属氧化物半导(金属氧化物半导体)体)

慢慢 小小 高高

两大类工艺技术的特点:两大类工艺技术的特点:

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Page 9: 第 2 章   组合逻辑电路
Page 10: 第 2 章   组合逻辑电路

集成电路发展历史集成电路发展历史

““ 集成电路” 集成电路” (IC)(IC) 是相对“分立原件”而言的,是所是相对“分立原件”而言的,是所有以半导体工艺将电路集成到一块芯片的器件总称。有以半导体工艺将电路集成到一块芯片的器件总称。

半导体制造工艺的发展带动了集成电路的更新换代。半导体制造工艺的发展带动了集成电路的更新换代。VLSIVLSI 时代存储器件制造工艺带动了整个微处理器的更时代存储器件制造工艺带动了整个微处理器的更

新换代。新换代。摩尔定律:每摩尔定律:每 1818 个月集成度翻一翻。个月集成度翻一翻。集成电路内部的连线宽度是主要的指标集成电路内部的连线宽度是主要的指标 : : 0.8 0.8 m, 0.35 m, 0.35 m, 0.25m, 0.25m, 0.18m, 0.18m,0.13 m,0.13 m …….m …….

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集成电路发展历史(续)集成电路发展历史(续)

(( 11 ) ) Small Scale IC Small Scale IC (( SSISSI ) ) 小规模 小规模 IC 1965IC 1965 年年 规模: 规模: 1010 个门个门 // 片片电路以下电路以下 主要产品: 门电路主要产品: 门电路 触发器(触发器( Flip FlopFlip Flop ) )

Page 12: 第 2 章   组合逻辑电路

集成电路发展历史(续)集成电路发展历史(续)

(( 22 ) ) Medium Scale IC Medium Scale IC (( MSIMSI )) 中规模 中规模 IC 1970IC 1970 年年 规模:规模: 1010 -- 100100 个门个门 // 片片 主要产品:逻辑功能部件主要产品:逻辑功能部件 44 位位 ALUALU (( 88 位寄存器)位寄存器)

Page 13: 第 2 章   组合逻辑电路

集成电路发展历史(续)集成电路发展历史(续)

(( 33 )) Large Scale IC Large Scale IC (( LSILSI )) 大规模 大规模 IC 1976IC 1976 年年 规模:规模: 100100 -- 10001000 个门个门 // 片片 主要产品:规模更大的功能部件主要产品:规模更大的功能部件 存储器,存储器, 88 位位 CPUCPU

Page 14: 第 2 章   组合逻辑电路

集成电路发展历史(续)集成电路发展历史(续)

(( 44 )) Very large Very large Scale IC Scale IC (( VLSIVLSI )) 超大规模 超大规模 IC 80IC 80 年代初年代初 规模: 规模: 10001000 个门以上个门以上 多个子系统集成多个子系统集成

Page 15: 第 2 章   组合逻辑电路

集成电路发展历史(续)集成电路发展历史(续)

(( 55 )) Ultra large Ultra large Scale IC Scale IC (( ULSIULSI )) 甚大规模甚大规模 ICIC (微处理器等)(微处理器等) 每隔每隔 1818 个月,集成度翻一翻个月,集成度翻一翻 价格价格 1/21/2 品种多品种多 性能高性能高

Page 16: 第 2 章   组合逻辑电路

2.2 2.2 门 门 (Gate)(Gate) 电路电路 构成数字逻辑电路的基本元件构成数字逻辑电路的基本元件

门电路的逻辑功能门电路的逻辑功能 典型与非门电路结构典型与非门电路结构 与非门电路的外特性与级连与非门电路的外特性与级连 集电极开路(集电极开路( OCOC )与非门)与非门 三态门三态门

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实际的与非门器件实际的与非门器件

1 7

14 8

74LS00

2 输入 4 与非门

1 7

14 8

74LS30

8 输入与非门

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与非门与非门(( NAND——NOT-ANDNAND——NOT-AND ))

功能:实现用“功能:实现用“ 0”0” 封锁电路,其中封锁电路,其中 CC 为控制为控制端端

10

1

FC

PFCP

CF

AB F

C

10

1

FC

ABFC

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与或非门与或非门(( AND-OR-INVERTAND-OR-INVERT ))

实现“与或非”逻辑 实现“与或非”逻辑

CDABF +

A

BF

C

D

Page 20: 第 2 章   组合逻辑电路

与或非门应用与或非门应用 (( 一)一) 实现封锁实现封锁

+

AB

FCD

E

CDABFE ;0

E=1 F= 0 实现封锁

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与或非门应用(二)与或非门应用(二) 数据选择数据选择

当 S= 1 时, A被选中

F+

A

C

S当 S= 0 时, C被选中

Page 22: 第 2 章   组合逻辑电路

关于门电路的几点说明 关于门电路的几点说明

先”与”后”非”先”与”后”非”和和先”非”后”或”先”非”后”或”等价等价

先”或”后”非”先”或”后”非”和和先”非”后”与”先”非”后”与”等价等价

P

CF P

CF+

P

CF

P

CF+

PCF PCCPF

Page 23: 第 2 章   组合逻辑电路

正逻辑与负逻辑 正逻辑与负逻辑

在逻辑电路中,常把电平的高、低和逻辑在逻辑电路中,常把电平的高、低和逻辑 00 、、 11 联系联系起来,若起来,若 H=1,L=0, H=1,L=0, 称正逻辑;若称正逻辑;若 H=0,L=1, H=0,L=1, 称负逻称负逻辑。 辑。

在本课程中,一律采用正逻辑在本课程中,一律采用正逻辑。。

S

输出信号

输入信号

R

ccV

0viv

1

0

正逻辑

0

1

负逻辑

Page 24: 第 2 章   组合逻辑电路

正逻辑与负逻辑 正逻辑与负逻辑

A BA B FF

L LL L

H LH L

L HL H

H HH H

HH

HH

HH

LL

A BA B FF

0 00 0

1 01 0

0 10 1

1 11 1

11

11

11

00

A BA B FF

1 11 1

0 10 1

1 01 0

0 00 0

00

00

00

11

功能表 正逻辑 负逻辑

ABF BAF

Page 25: 第 2 章   组合逻辑电路

2.2 2.2 门电路门电路

门电路的逻辑结构门电路的逻辑结构 典型典型 TTLTTL 与非门电路工作原理与非门电路工作原理 与非门电路的外特性与级连与非门电路的外特性与级连 集电极开路集电极开路 (OC)(OC) 与非门与非门 三态门三态门

Page 26: 第 2 章   组合逻辑电路

最简单的二值逻辑——开关最简单的二值逻辑——开关

S

输出信号

输入信号

R

ccV

0viv

1

0

正逻辑

开关打开, V0 =“ H”

开关闭合, V0 =“ L”

Page 27: 第 2 章   组合逻辑电路

晶体管的工作状态晶体管的工作状态

c

b

e

+

-

Iv

+

-

ov

ccV

BR

CR

截止状态

Vb<0.7v, Ib=0, Ic=0,

c

b

e

饱和状态

Ic < Ib ,Vb=0.7v, Vc=0.3v,

c

b

e

放大状态

Vb=0.7v, Ic = Ib

Page 28: 第 2 章   组合逻辑电路

双极型三极管的输入特性双极型三极管的输入特性

iiBB

00 Von=0.7 Vbe

输入特性

+

-

Iv

+

-

ov

ccV

BR

CR

Page 29: 第 2 章   组合逻辑电路

双极型三极管的输出特性双极型三极管的输出特性

β =

0 0.3 5 10 15

5

4

3

2

1

饱和区

Ic(mA)

截止区

50uA

40uA

30uA

20uA

10uA

Ib=0

VcE(V)

Ic

Ib

+

-

Iv

+

-

ov

ccV

BR

CR

Page 30: 第 2 章   组合逻辑电路

晶体管的开关状态晶体管的开关状态

c

b

e截至状态

Vb<0.7v, Ib=0, Ic=0,

c

b

e

饱和状态

Ic < Ib ,Vb=0.7v, Vc=0.3v,

c

b

e

放大状态

Vb=0.7v, Ic = Ib

导通状态可以是放大状态,也可以是饱和状态

Page 31: 第 2 章   组合逻辑电路

典型的五管典型的五管 TTL“TTL“ 与非门”与非门”

Input AB

Vcc=5V

Output Y

GND典型的电路,优美的作品!只分析原理,不讲如何设计。

Page 32: 第 2 章   组合逻辑电路

与非门工作原理:与非门工作原理:(( 输入为低输入为低 ))

设:”设:” L”=0.1L”=0.1VV , ”, ” H”=3.6H”=3.6VV

VVAA=”L”=”L” , , VVBB=”H”=”H” ,,IIR1R1流向流向 A, A, 其电流为其电流为 IIAA== IIILIL == (V(Vcccc-V-Vbe1be1-V-VAA)/R)/R11=1.4 mA =1.4 mA

VVb1b1=V=VAA+V+Vbe1be1=0.8=0.8VV,, IIc1c1很小,很小, TT11 深饱和, 深饱和,VVc1c1=V=V

AA+V+Vces1ces1=0.1 =0.1 VV +0.3 +0.3 VV =0.4 =0.4 VV ,导致,导致 TT22 , , TT55截止,截止,

VVc2c2≈V≈Vcccc , , TT33,,TT44导通导通

输出电压 输出电压 :V:V00hh=V=Vc2c2-V-V

be3be3-V-Vbe4be4=3.6 =3.6 VV

输出电流 输出电流 IIoh oh ::从从 TT44向外流。向外流。

“H”

“L”

“H”

AB

Vcc=5V

Page 33: 第 2 章   组合逻辑电路

与非门工作原理:与非门工作原理: (( 输输入为高入为高 ))

VVAA=V=VBB=”H”=3.6=”H”=3.6VV

IIR1R1全部流向全部流向 TT22基极基极输入漏电流输入漏电流 IIIHIH ,从多发射极流入,从多发射极流入TT2 2 ,, TT55饱和饱和 , T, T

22基极的电压为基极的电压为 1.4v, T1.4v, T22 发射极发射极 (T(T

55基极基极 )) 的电的电压压

为为 0.70.7VV 。由于。由于 TT55饱和,所以:饱和,所以:输出电压输出电压 : V: V

ooLL =V=Vces5ces5=0.1~0.3=0.1~0.3VV =”L” =”L”

输出电流 输出电流 IIoLoL::从外电路流向从外电路流向 TT55

由于由于 TT22饱和饱和 ,, 所以所以 TT22 集电极的电压为集电极的电压为 11VV,T,T3,3, 微导通微导通, , TT4 4 截止截止

T3-T4 称“ 1” 输出级, T5 称“ 0” 输出级,组成推 -拉式输出结构,又称图腾柱结构( Totem )输出

图腾柱

“H”

“H”“L”

Page 34: 第 2 章   组合逻辑电路

与非门结构 与非门结构

ABAB

AB

T2

分相器AB

T3,T4

“1”驱动极

T5

“0”驱动极

ABT1

AB

Y

基极输入,集电极输出,反相

基极输入,发射极输出,同相

Page 35: 第 2 章   组合逻辑电路

t1

ABF

逻辑门由高变低和由低变高的逻辑门由高变低和由低变高的快慢对计算机运行速度的影响快慢对计算机运行速度的影响

假设假设 ttc1c1=30ns, t=30ns, tc2c2=5ns, t=5ns, t11 =10ns, =10ns, 第一种情况的第一种情况的速度为速度为 : 1: 1101099/(t/(tc1 c1 + t+ t11)=25)=25101066HzHz 。第二种。第二种情况的速度为情况的速度为 11101099/(t/(tc2 c2 + t+ t11)=66.7)=66.7101066HzHz

1ct1ct

ABF A

BF

ABF

t1

t12ct 2ct t1

Page 36: 第 2 章   组合逻辑电路

开关特性 开关特性

TTLTTL 线路有较快的开线路有较快的开 关速度,原因 :关速度,原因 :

– 输入由“输入由“ 1”1”跳至“跳至“ 0”0” 时,因时,因 T1T1射极突跳射极突跳至“至“ 0”0” ,, IR1IR1流入流入 T1T1射极,因射极,因 T2T2 ,, T5T5此时尚未脱离饱和,此时尚未脱离饱和, VC1VC1仍为仍为 1.4V1.4V ,, T1T1处于放大状态,于是有很大的电流从处于放大状态,于是有很大的电流从 T2T2基基极流向极流向 T1T1 ,使,使 T2T2基区存储电荷迅速消散,基区存储电荷迅速消散,加快加快 T2T2退出饱和,因而加快与非门输出由退出饱和,因而加快与非门输出由““ 0”0”向“向“ 1”1” 的转换 的转换

Page 37: 第 2 章   组合逻辑电路

开关特性开关特性

在在 T2T2由饱和向截止转换时,由饱和向截止转换时, VC2VC2升高,使升高,使T3T3 、、 T4T4同时导通,“同时导通,“ 1”1”驱动级给尚未脱离驱动级给尚未脱离饱和的饱和的 T5T5提供很大集流,从而使提供很大集流,从而使 T5T5迅速脱迅速脱离饱和。在离饱和。在 T5T5脱离饱和时,脱离饱和时, VC2VC2抬高,抬高, Ib5Ib5随之减少,这时随之减少,这时 T5T5吸收不了由吸收不了由 T3,T4T3,T4流来的流来的电流,它们大部分流向输出负载电容,使它电流,它们大部分流向输出负载电容,使它迅速充电,加快输出电压上升 迅速充电,加快输出电压上升

R3R3 为为 T5T5基区电荷的逸散提供了通路,使基区电荷的逸散提供了通路,使 T5T5截止过程加快 截止过程加快

Page 38: 第 2 章   组合逻辑电路

开关特性开关特性描述开关特性的参数:

TPLH , TPHL , TPD (Propagation Delay)

TPD =(TPLH + TPHL )/ 2 (约 3 - 5ns )

Page 39: 第 2 章   组合逻辑电路

延迟时间的测量延迟时间的测量

CH1 CH2

CP OUT

1pdt 2pdt

红色波形为输入

白色波形是延迟后的

Page 40: 第 2 章   组合逻辑电路

转移特性转移特性 (V(VININ-V-V

OUTOUT 关系曲线关系曲线 ))

在曲线上, VOUT 急剧下降时的 VIN 称:阈值电压 VT ,或称门槛电压

VIN VOUT

Page 41: 第 2 章   组合逻辑电路

直流参数 直流参数

““0”0” 输入电流 输入电流 IIILIL<=1.6 mA <=1.6 mA

““1”1” 输出电流 输出电流 II0H 0H <=0.4 mA<=0.4 mA

““1”1” 输出电压 输出电压 VVoh oh >=3>=3VV (10(10 个负载个负载 ) )

““1”1” 输入电流 输入电流 IIIH IH <=40 uA <=40 uA

““0”0” 输出电流 输出电流 II0L0L<=16 mA<=16 mA” ““0”0” 输出电压 输出电压 VVoLoL<=0.35<=0.35V V (10(10 个负载个负载 ))

“0”

“1”

“0“1”

Page 42: 第 2 章   组合逻辑电路

门电路级联:门电路级联:前一个器件的输出就是后一个器前一个器件的输出就是后一个器件的输入,后一个是前一个的负载,两者要相互影响。件的输入,后一个是前一个的负载,两者要相互影响。

OHI

IHI“1”

ILI

OLI

“0”

“1” “0”

Page 43: 第 2 章   组合逻辑电路

负载能力的计算负载能力的计算

“1” IoH=N*IIH

N=IoH/IIH=400 uAuA /40 uAuA =10

Page 44: 第 2 章   组合逻辑电路

门电路级联门电路级联

“0” IoL=N*IIL

N=IoL/IIL=16mA/1.6mA=10

Page 45: 第 2 章   组合逻辑电路

负载大于与非门承受能力负载大于与非门承受能力的状态分析(的状态分析( IIOLOL ))

T1

ILI

OLI

“0”

T5

T4

T1

正常工作时, T5 处于深饱和状态, T5 的 Vc=0.3v , Ic远小于 Ib 。当负载增大时, IOL 增大到 Ic Ib , T5 将脱离饱和状态进入放大状态, Vc 不能保持 0.3v ,将会增大,所以 T5 的输出就无法保持“低”的有效状态。

Page 46: 第 2 章   组合逻辑电路

负载大于与非门承受能力负载大于与非门承受能力的状态分析(的状态分析( IIOHOH ))

“1”

T1

IHIOHI

“1”

T3

T4

T1

T2

Vcc

R2

正常工作时, T3,T4 处于导通状态, T3 基极的电流非常小, R2 上的压降可以忽略,所以 T3 基极的电压为 5v 。输出的电压为 5v-0.7v-0.7v=3.6v 。当负载( IOH) 非常大时, R2 上的电流也增大, R2 上的压降也会增大, T3 基极的电压会下降,所以输出的电压会降低。不能保持在 3.6v 左右。

Page 47: 第 2 章   组合逻辑电路

结论结论

负载大于与非门承受能力时,低电平变负载大于与非门承受能力时,低电平变高,高电平变低。与非门处于非正常工高,高电平变低。与非门处于非正常工作方式,将会导致整个逻辑电路不能工作方式,将会导致整个逻辑电路不能工作。作。

Page 48: 第 2 章   组合逻辑电路

小结小结

与非门的工作原理与非门的工作原理 与非门的开关特性与非门的开关特性 与非门的转移特性与非门的转移特性 与非门的带负载能力与非门的带负载能力

Page 49: 第 2 章   组合逻辑电路

电路设计中 “线与”

在电路设计中经常需要一些逻辑电路的输出直接连接在一起,实现“线与”。

例如简单的中断逻辑示意。

CPU

外设 1 外设 2 外设 3

int“ 线与”

Page 50: 第 2 章   组合逻辑电路

“ 线与”的定义

如果把驱动电路如果把驱动电路 AA 、、 BB 、、 C……C…… 的输出直接的输出直接挂向总线,要求当某一驱动器向总线发送数挂向总线,要求当某一驱动器向总线发送数据据 DD 时,其余驱动器时,其余驱动器 OFFOFF ,输出均为“,输出均为“ 1”1” 。。这样,总线状态为各驱动器输出状态之这样,总线状态为各驱动器输出状态之“与”,即“与”,即 D·1·1·……=DD·1·1·……=D ,把这种与连接称,把这种与连接称为“线与”(为“线与”( Wired ANDWired AND )。)。

Page 51: 第 2 章   组合逻辑电路

普通与非门输出实现“线与”时电流流向

T4

T5 T5

T4

1

2

1 2

普通与非门是否可以实现“线与”功能?

Page 52: 第 2 章   组合逻辑电路

为什么普通与非门输出不能直接连在一起

上面与非门的输入为“ 0” , T3和 T4 导通,与非门的输出为

“ 1” 。

下面与非门的输入为“ 1” , T2和 T5 导通,与非门的输出为“ 0” 。

如果“线与”在一起,由于在Vcc 和“地”之间形成了一个通路,流过这个通路的电流约为 5v/100=50mA 。这个电流数值以远远超过正常工作电流,将会损坏上面的 T4 或下面的 T5 。

“0”

“1”

“0”

“1”

Page 53: 第 2 章   组合逻辑电路

使用普通逻辑门实现“线与”时带来的问题

图腾输出结构的电路,是不能把它们的输出图腾输出结构的电路,是不能把它们的输出线与在一起的。否则,当一门电路的输出为线与在一起的。否则,当一门电路的输出为““ H”H” ,另一为“,另一为“ L”L” 时,有大电流从“时,有大电流从“ H”H”端流向“端流向“ L”L” 端,电流太大,会烧坏与非门。端,电流太大,会烧坏与非门。

Page 54: 第 2 章   组合逻辑电路

逻辑设计中遇到“线与”时怎么办?逻辑设计中遇到“线与”时怎么办?

Page 55: 第 2 章   组合逻辑电路

集电极开路输出门电路集电极开路输出门电路把 T3 、 T4网络去掉,这种输出结构称为 OC 输出结构。这种门电路称为 OC 门。线与时,输出回路间的电流通路不复存在。电流都是由 Vdd 和 RL 联合提供。一般 RL 称为上拉电阻,阻值为 1.5K, 所以当线与的输出为低电平时, T5 上的最大电流为 5V/1.5K=3.3mA 。不会损坏器件。

OUT

LR

Page 56: 第 2 章   组合逻辑电路

集电极开路输出与非门电路集电极开路输出与非门电路

由于由于 OCOC 门输出不是门输出不是 TotemTotem 结构,电路结构,电路的上升延迟很大,这是因为: 的上升延迟很大,这是因为: – T5T5 退饱和很慢退饱和很慢 –对输出负载电容的充电电流只能通过对输出负载电容的充电电流只能通过

外接的外接的 RRLL 来提供。因此,输出波形来提供。因此,输出波形的上升沿时间很大。的上升沿时间很大。

– 采用采用 OCOC 门只适合速度较慢的电路,门只适合速度较慢的电路,对于速度要求较快(例如对于速度要求较快(例如 CPUCPU 的数的数据总线),就不能使用据总线),就不能使用 OCOC 门门

Page 57: 第 2 章   组合逻辑电路

问题:问题: OCOC 门是否可以和普通与非门实门是否可以和普通与非门实现“线与”?现“线与”?

Page 58: 第 2 章   组合逻辑电路

设计速度较快“线与”逻设计速度较快“线与”逻辑需要采用三态门辑需要采用三态门

Page 59: 第 2 章   组合逻辑电路

三态门电路( 三态门电路( Tri-State CircuitTri-State Circuit )的基本原理)的基本原理

三态门电路即保留了三态门电路即保留了 TotemTotem 输出结构,又具有输出结构,又具有 OCOC 门门输出可以“线与”的特点输出可以“线与”的特点

基本原理基本原理

当当 G=0G=0 ,, T3T3 、、 T4T4 、、 T5T5 均截止,均截止, NANDNAND 输出输出 F=ZF=Z (高阻态)(高阻态)

当控制当控制 G=1G=1 时,电路是一个时,电路是一个 TotemTotem 结构的结构的 NANDNAND

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三态电路 三态电路 Tri-State CircuitTri-State Circuit

AB

G

功能表

AA BB GG FF

XX XX 00 ZZ

00 00 11 11

11 00 11 11

00 11 11 11

11 11 11 00

高阻态

正常态

Page 61: 第 2 章   组合逻辑电路

两种基本的三态两种基本的三态 NAND NAND

G

功能表

110000

001100

ZZXX11

FFBA

G

功能表

110011

001111

ZZXX00

FFBA

AB

G

AB

G

AB

G

Page 62: 第 2 章   组合逻辑电路

两个三态门和总线相连 两个三态门和总线相连

电路 1 、 2 只能有一个处于正常态

若要求 D1向 BUS传送,则应有:

若要求 D2向 BUS传送,则应有: 1,0 21 GG

0,1 21 GG

1

BUS2

1G

1D

2D

2G

Page 63: 第 2 章   组合逻辑电路

三态电路 三态电路 Tri-State CircuitTri-State Circuit

若原来是 D1向 BUS传送,现在要改为 D2向 BUS传送,如何实现这种转换? 应使门 1由正常态转为高阻态,快于门 2由高阻态转为正常态。 即有一短暂过程门 1 、 2均处于高阻态。否则,门1 、 2 有一短暂过程均处于正常态,于是门 1 、 2 输出间有很大的浪涌电流,从而影响 BUS 正常工作。

Page 64: 第 2 章   组合逻辑电路

三态门的应用——双向总线驱动器

双向总线驱动器,又称收发器( Transceiver )

E=“1” 时,读操作,上面三态门正常工作

E=“0” 时,写操作,下面三态门正常工作

E=“0” 时,读操作,

E=“1” 时,写操作

Page 65: 第 2 章   组合逻辑电路

普通门与三态门外部特性比较普通门与三态门外部特性比较

IIILIL IIIHIH IIOLOL IIOHOH VVHH VVLL

普通门普通门 1.6mA1.6mA 40μA40μA 16mA16mA 0.4mA0.4mA 3.6V3.6V 0.3V0.3V

三态门三态门正常态正常态 1.6mA1.6mA 40μA40μA 16mA16mA 6.5mA6.5mA 3.6V3.6V 0.3V0.3V

ZZ 态态 40μA40μA 40μA40μA 40μA40μA 40μA40μA 5V 1.5V 0V5V 1.5V 0V

IIIZIZ IIOZOZ

Page 66: 第 2 章   组合逻辑电路

BUS

“0”“0” “0” “0”“1” “1”

IOH IOZ IOZ IIH IIH IIH

“1”

“0”

“1”

“0”“0” “0” “1”“1” “1”

IOL IOZ IOZ IIL IIL IIZ

“0”

“1”

“0”

BUS

总线为” 1”态

总线为” 0”态