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、中間級、輸出級3個(gè)部分組成。

　　圖2-19 TTL與非門電路圖

　　輸入級：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：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，用以驅(qū)動(dòng)VT3和VT5。

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

　　對圖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

　　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

　　（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

　　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，電路和邏輯符號如圖2-28所示。

　　圖2-28 CMOS 傳輸門及邏輯符號

　　（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。

　　圖2-29 CMOS 三態(tài)門輸出及邏輯符號

　　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對地和對電源VDD都呈高阻狀態(tài)。

　　（6）CMOS異或門

　　圖2-30（a）所示為異或門，圖2-30（b）為邏輯符號。

　　圖2-30 CMOS 異或門及邏輯符號

　　當(dāng)輸入A=B=0或A=B=1時(shí)，即輸入信號相同，輸出Y=0；當(dāng)輸入A=1或B=1時(shí)，即輸入信號不同，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、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寫出各個(gè)門輸出對其輸入的邏輯表達(dá)式，從而寫出整個(gè)邏輯電路的輸出對輸入變量的邏輯函數(shù)式。必要時(shí)，可進(jìn)行化簡，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 對輸出邏輯函數(shù)進(jìn)行化簡；

　　④ 根據(jù)最簡輸出邏輯函數(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，變換為與非表達(dá)式。由圖 2-32 的卡諾圖進(jìn)行化簡，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爭冒險(xiǎn)

　　（1）競爭冒險(xiǎn)現(xiàn)象及其產(chǎn)生的原因

　　信號通過導(dǎo)線和門電路時(shí)，都存在時(shí)間的延遲，信號發(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，通過不同數(shù)目的門，經(jīng)過不同長度導(dǎo)線的傳輸，到達(dá)門輸入端的時(shí)間會有先有后，這種現(xiàn)象稱為競爭。

　　圖2-33 邏輯電路

　　邏輯門因輸入端的競爭而導(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)競爭冒險(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)，存在著競爭冒險(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，卻消除了競爭冒險(xiǎn)，即。

　　② 加封鎖脈沖。在輸入信號產(chǎn)生競爭冒險(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)在輸入信號轉(zhuǎn)換前到來，轉(zhuǎn)換后消失。

　　③ 加選通脈沖。對輸入可能產(chǎn)生尖峰干擾脈沖的門電路增加一個(gè)接選通信號的輸入端，只有在輸入信號轉(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，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。