电子技术基础-组合逻辑电路
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陈振源褚丽歆 主编 张连飞陈春霞副主编
第7章 组合逻辑电路
门电路是组成数字电路的最基本单元。本章讲述数字电路 的基本逻辑单元—集成门电路，重点介绍组合逻辑电路的特点及 组合逻辑电路的分析方法和设计方法，然后介绍常用的各种中 规模集成组合逻辑电路如编码器、译码器的工作原理和逻辑功能。
知识目标
在数字电路中，数字信号是用二值逻辑的1和0表示的，如 图7.1（a）所示，关门用1表示，开门用0表示。
图7.1（b）所示为实现上述两种截然不同的状态的基本原 理。
开关S断开，可表示关门状态；开关S闭合，可表示为开门 状态。
开关S用二极管或三极管实现。改变输入信号ui使二极管或 三极管工作在截止和导通两种状态，它们就可以起到图7.1（b） 中开关S的作用。
技能目标
Ø学会查阅数字集成电路手册，根据逻辑功能要求选用集成门
电路。
Ø掌握TTL和CMOS集成电路引脚识读方法，掌握其使用常识。 Ø掌握集成门电路的逻辑功能测试方法，学会使用集成逻辑门。 Ø了解组合逻辑电路一般的设计、调试及检测方法。 Ø能根据电路图安装满足特定要求的组合逻辑电路，如表决器、
数码显示器等。
Ø理解与门、或门、与非门、或非门、异或门的逻辑功能，熟识其图形符号。 Ø掌握TTL与非门电路的工作原理、逻辑功能。 Ø了解TTL反相器的基本特性，集电极开路门、三态输出门的功能及典型应用。 Ø了解常用CMOS门电路的基本工作原理，掌握CMOS门电路的使用常识。
Ø掌握组合逻辑电路的分析方法及读图方法，识别给定电路的逻辑功能。 Ø熟知编码器、译码器的基本概念，会分析一般的编码器、译码器电路。 Ø了解编码器、译码器集成电路的引脚功能及其应用。 Ø了解半导体数码管的基本结构和引脚符号的含义。
1．CMOS反相器
CMOS反相器是由N沟道和P沟道的MOS管互补构成的，其 电路组成如图7.17所示。
当输入端A为高电平1时，输出Y为低电平0；反之，当输入
端A为低电平0时，输出Y为高电平，其逻辑表达式为
。
图7.17 COMS反相器电路图
反相器集成电路CC4069的引脚图如图7.18所示。
图7.18 CC4069引脚图
②驱动显示器。显示电路采用OC输出结构，其输出管耐压值有 15V、30V等几种，导通时允许吸收电流为10～40mA不等，可用
来驱动不同类型的显示器件（如发光二极管、荧光数码管等）。 图7.11所示为用OC门驱动发光二极管的显示电路。当A、B为高 电平时，OC门的输出才为低电平，二极管处于正向导通，发光；
列图，图7.5（b）所示为74LS10三3输入与非门的引脚排列图，
其逻辑表达式分别为
和
。
（a）四2输入端与非门
（b）三3输入端与非门
图7.5 TTL与非门引脚排列图
（2）与门
图7.6所示为三3输入与门（74LS11）的引脚排列图，其逻
辑表达式为
。
图7.6 三3输入与门的引脚排列图
（3）非门 图7.7所示为六反相器（非门74LS04）的引脚排列图，其逻
④引线要尽量短，若引线不能缩短时，要考虑加屏蔽措施或采 用合线。要注意防止外界电磁干扰的影响。
*7.1.3 CMOS集成门电路
除了三极管集成电路以外，还有一种场效应管组成的集成电 路，这就是MOS集成电路。
MOS集成电路按所用的管子不同，分为PMOS电路、NMOS 电路、CMOS电路，这里重点介绍CMOS门的集成单元电路。
由于TTL集成电路生产工艺成熟，产品参数稳定，工作可 靠，开关速度高，因此获得了广泛的应用。
我国TTL系列产品型号较多，如T4000、T3000、T2000等。 国外TTL集成电路只要型号一致，其功能、性能、引脚排列和 封装形式就一致。
（1）与非门
图7.5（a）所示为74LS00（T4000）四2输入与非门引脚排
图7.14 用三态输出门构成的双向总线
3．TTL门电路使用注意事项
（1）TTL集成电路引脚排列方法
图7.15所示为TTL集成电路外形图。TTL集成电路通常是双 列直插式，不同功能的集成电路，其引脚个数不同。
引脚编号排列方法是：把凹槽标志置于左方（图中箭头指 向为凹槽），引脚向下，逆时针自下而上顺序排列。
③ 将不使用的输入端并接在使用的输入端上，如图7.16（b）所 示。这种处理方法影响前级负载及增加输入电容，影响电路的工 作速度。
④ TTL电路输入端不可串接大电阻，不使用的与非输入端应剪短， 如图7.16（c）所示。
（a）接高电平
（b）与使用端并联 （c）剪去
图7.16 与非门闲置输入端的处理方法
辑表达式为 。
图7.7 非门引脚排列图
（4）或非门
图7.8所示为四2输入或非门（74LS02）的引脚排列图，其
逻辑表达式为
。
图7.8 或非门引脚排列图
2．其他类型TTL逻辑门
在TTL电路中，还有其他功能的门电路，如OC门、三态输出 门等。
（1）OC门
前面介绍的典型TTL与非门不能将两个或两个以上门的输出 端并联在一起。而实际电路中往往需要将两个或两个以上与非门 的输出端并联在一起，称为线与。
3．三极管非门
图7.4（a）所示为三极管开关电路，当输入为高电平时，三极 管饱和导通，输出Y为低电平；而当输入为低电平时，三极管截止， 输出为高电平。
因此，输出与输入的电平之间是反相关系，它实际上就是一个 非门（亦称反相器）。
图7.4（b）所示为非门的逻辑符号，非门的输出逻辑表达式为 。
（a）三极管非门电路
组合逻辑电路应用十分广泛，可以把一些特定功能的组合 逻辑电路，如加法器、编码器、数据选择器、数据分配器等， 设计制作成中、小规模集成电路产品。
描述组合逻辑电路功能的方法有逻辑表达式、真值表、卡 诺图、逻辑图、波形图等。在中、小规模集成电路中，通常用 逻辑表达式和真值表来表示逻辑功能。
7.2.1 组合逻辑电路的分析方法
若图（a）中路口两侧的灯同时显示为红色，则信号灯出现 了故障。如何实现故障监测呢？本节介绍的组合逻辑电路可实现 上述功能。
（a）交通信号灯实例
（b）表决器实例
图7.25 逻辑控制电路实例
组合逻辑电路中任意时刻的输出状态取决于该时刻输入信 号的状态，而与电路原来所处的状态无关，即电路不存在记忆 和存储的功能。
2．CMOS与非门
常用的CMOS与非门如CC4011等，图7.19所示为CC4011引 脚图。
3．CMOS或非门
常用的CMOS或非门如CC4001等，图7.20所示为CC4001引 脚图。
图7.19 CC4011引脚图
图7.20 CC4001引脚图
4．CMOS数字集成电路的特点 ①静态功耗低。 ②工作电源电压范围宽。 ③逻辑摆幅大。 ④噪声容限大。 ⑤输入阻抗高。 ⑥扇出系数大。
2．二极管或门
最简单的或门电路如图7.3所示，它也是由二极管和电阻组 成的。设输入的高电平为UIH=3V，低电平为UIL=0.3V。
（a）二极管或门电路
（b）逻辑符号
图7.3 二极管或门
按图7.3（a）所示连接电路，按表7.3所示输入信号，测量
Y的输出电位，观察测量结果。（建议仿真演示）
p注意
二极管或门பைடு நூலகம்在着输出电平偏移的问题，所以这种电路结 构也只用于集成电路内部的逻辑单元。
⑤同TTL门电路一样，多余的输入端不能悬空，与门的多余输入 端应接电源VDD，或门的多余输入端接低电平或VSS，如图7.21所 示。也可将多余端与使用端并联，但这样会影响信号传输速度。
图7.21 与或非门闲置输入端的处理
7.2 组合逻辑电路的分析和设计
图7.25所示为我们生活中常见的一些实际装置，其中图（a） 为交通信号灯实例，图（b）为表决器实例。
5．CMOS门电路使用注意事项
①测试CMOS电路时，禁止在CMOS本身没有接通电源的情况下 输入信号。
②电源接通期间不应把器件从测试座上插入或拔出；电源电压 为3～5V，电源极性不能倒接。
③焊接CMOS电路时，电烙铁的容量不得大于20W，并要有良好 的接地线。
④输出端不允许直接接地或接电源；除具有OC结构和三态输出 结构的门电路外，不允许把输出端并联使用以实现线与逻辑。
解决这个问题的办法是将与非门的集电极开路。
将集电极开路的与非门称为OC门，图7.9（a）所示为OC门 （74LS03）的引脚排列图，图7.9（b）所示为其逻辑符号。
（a）引脚排列图
（b）逻辑符号
图7.9 OC门
OC门的主要应用如下所述。
①实现线与。几个OC门的输出端并联在一起使用，称为线与。 为了保证OC门正常工作，必须再接上一个上拉电阻RL与电源VCC 相连。图7.10所示为由3个OC门输出端并联后经电阻RL接VCC的 电路。这些OC门中只有当输入端A、B、C、D、E、F同时为高 电平时，输出Y才是低电平，只要每个OC门的输入端中有一个 为低电平时，输出Y则为高电平，其逻辑表达式为
（a）生活实例图
（b）原理图
图7.1 获得高、低电平的基本原理
7.1.1 分立元件门电路
1．二极管与门 按图7.2（a）所示连接电路，按表7.1所示输入信号，测量Y
的输出电位，观察测量结果。（建议仿真演示）
（a）二极管与门电路
（b）逻辑符号
图7.2 二极管与门
p归纳
二极管与门电路只有当A、B均输入高电平时，输出方为高 电平，在其他情况下均为低电平。
（b）逻辑符号
图7.4 三极管非门
7.1.2 TTL集成逻辑门电路
1．TTL集成逻辑门
TTL集成逻辑门电路是三极管—三极管逻辑门电路的简称， 是一种双极型三极管集成电路。TTL电路产品型号较多，国外 有美国德克萨斯公司SN54/74系列、摩托罗拉公司MC54/74系列 等，其中54为军用产品，74为工业产品（主要包括标准型、高 速型、低功耗型、肖特基型、低功耗肖特基型等）。
第7章 组合逻辑电路
门电路是组成数字电路的最基本单元。本章讲述数字电路 的基本逻辑单元—集成门电路，重点介绍组合逻辑电路的特点及 组合逻辑电路的分析方法和设计方法，然后介绍常用的各种中 规模集成组合逻辑电路如编码器、译码器的工作原理和逻辑功能。
知识目标
在数字电路中，数字信号是用二值逻辑的1和0表示的，如 图7.1（a）所示，关门用1表示，开门用0表示。
图7.1（b）所示为实现上述两种截然不同的状态的基本原 理。
开关S断开，可表示关门状态；开关S闭合，可表示为开门 状态。
开关S用二极管或三极管实现。改变输入信号ui使二极管或 三极管工作在截止和导通两种状态，它们就可以起到图7.1（b） 中开关S的作用。
技能目标
Ø学会查阅数字集成电路手册，根据逻辑功能要求选用集成门
电路。
Ø掌握TTL和CMOS集成电路引脚识读方法，掌握其使用常识。 Ø掌握集成门电路的逻辑功能测试方法，学会使用集成逻辑门。 Ø了解组合逻辑电路一般的设计、调试及检测方法。 Ø能根据电路图安装满足特定要求的组合逻辑电路，如表决器、
数码显示器等。
Ø理解与门、或门、与非门、或非门、异或门的逻辑功能，熟识其图形符号。 Ø掌握TTL与非门电路的工作原理、逻辑功能。 Ø了解TTL反相器的基本特性，集电极开路门、三态输出门的功能及典型应用。 Ø了解常用CMOS门电路的基本工作原理，掌握CMOS门电路的使用常识。
Ø掌握组合逻辑电路的分析方法及读图方法，识别给定电路的逻辑功能。 Ø熟知编码器、译码器的基本概念，会分析一般的编码器、译码器电路。 Ø了解编码器、译码器集成电路的引脚功能及其应用。 Ø了解半导体数码管的基本结构和引脚符号的含义。
1．CMOS反相器
CMOS反相器是由N沟道和P沟道的MOS管互补构成的，其 电路组成如图7.17所示。
当输入端A为高电平1时，输出Y为低电平0；反之，当输入
端A为低电平0时，输出Y为高电平，其逻辑表达式为
。
图7.17 COMS反相器电路图
反相器集成电路CC4069的引脚图如图7.18所示。
图7.18 CC4069引脚图
②驱动显示器。显示电路采用OC输出结构，其输出管耐压值有 15V、30V等几种，导通时允许吸收电流为10～40mA不等，可用
来驱动不同类型的显示器件（如发光二极管、荧光数码管等）。 图7.11所示为用OC门驱动发光二极管的显示电路。当A、B为高 电平时，OC门的输出才为低电平，二极管处于正向导通，发光；
列图，图7.5（b）所示为74LS10三3输入与非门的引脚排列图，
其逻辑表达式分别为
和
。
（a）四2输入端与非门
（b）三3输入端与非门
图7.5 TTL与非门引脚排列图
（2）与门
图7.6所示为三3输入与门（74LS11）的引脚排列图，其逻
辑表达式为
。
图7.6 三3输入与门的引脚排列图
（3）非门 图7.7所示为六反相器（非门74LS04）的引脚排列图，其逻
④引线要尽量短，若引线不能缩短时，要考虑加屏蔽措施或采 用合线。要注意防止外界电磁干扰的影响。
*7.1.3 CMOS集成门电路
除了三极管集成电路以外，还有一种场效应管组成的集成电 路，这就是MOS集成电路。
MOS集成电路按所用的管子不同，分为PMOS电路、NMOS 电路、CMOS电路，这里重点介绍CMOS门的集成单元电路。
由于TTL集成电路生产工艺成熟，产品参数稳定，工作可 靠，开关速度高，因此获得了广泛的应用。
我国TTL系列产品型号较多，如T4000、T3000、T2000等。 国外TTL集成电路只要型号一致，其功能、性能、引脚排列和 封装形式就一致。
（1）与非门
图7.5（a）所示为74LS00（T4000）四2输入与非门引脚排
图7.14 用三态输出门构成的双向总线
3．TTL门电路使用注意事项
（1）TTL集成电路引脚排列方法
图7.15所示为TTL集成电路外形图。TTL集成电路通常是双 列直插式，不同功能的集成电路，其引脚个数不同。
引脚编号排列方法是：把凹槽标志置于左方（图中箭头指 向为凹槽），引脚向下，逆时针自下而上顺序排列。
③ 将不使用的输入端并接在使用的输入端上，如图7.16（b）所 示。这种处理方法影响前级负载及增加输入电容，影响电路的工 作速度。
④ TTL电路输入端不可串接大电阻，不使用的与非输入端应剪短， 如图7.16（c）所示。
（a）接高电平
（b）与使用端并联 （c）剪去
图7.16 与非门闲置输入端的处理方法
辑表达式为 。
图7.7 非门引脚排列图
（4）或非门
图7.8所示为四2输入或非门（74LS02）的引脚排列图，其
逻辑表达式为
。
图7.8 或非门引脚排列图
2．其他类型TTL逻辑门
在TTL电路中，还有其他功能的门电路，如OC门、三态输出 门等。
（1）OC门
前面介绍的典型TTL与非门不能将两个或两个以上门的输出 端并联在一起。而实际电路中往往需要将两个或两个以上与非门 的输出端并联在一起，称为线与。
3．三极管非门
图7.4（a）所示为三极管开关电路，当输入为高电平时，三极 管饱和导通，输出Y为低电平；而当输入为低电平时，三极管截止， 输出为高电平。
因此，输出与输入的电平之间是反相关系，它实际上就是一个 非门（亦称反相器）。
图7.4（b）所示为非门的逻辑符号，非门的输出逻辑表达式为 。
（a）三极管非门电路
组合逻辑电路应用十分广泛，可以把一些特定功能的组合 逻辑电路，如加法器、编码器、数据选择器、数据分配器等， 设计制作成中、小规模集成电路产品。
描述组合逻辑电路功能的方法有逻辑表达式、真值表、卡 诺图、逻辑图、波形图等。在中、小规模集成电路中，通常用 逻辑表达式和真值表来表示逻辑功能。
7.2.1 组合逻辑电路的分析方法
若图（a）中路口两侧的灯同时显示为红色，则信号灯出现 了故障。如何实现故障监测呢？本节介绍的组合逻辑电路可实现 上述功能。
（a）交通信号灯实例
（b）表决器实例
图7.25 逻辑控制电路实例
组合逻辑电路中任意时刻的输出状态取决于该时刻输入信 号的状态，而与电路原来所处的状态无关，即电路不存在记忆 和存储的功能。
2．CMOS与非门
常用的CMOS与非门如CC4011等，图7.19所示为CC4011引 脚图。
3．CMOS或非门
常用的CMOS或非门如CC4001等，图7.20所示为CC4001引 脚图。
图7.19 CC4011引脚图
图7.20 CC4001引脚图
4．CMOS数字集成电路的特点 ①静态功耗低。 ②工作电源电压范围宽。 ③逻辑摆幅大。 ④噪声容限大。 ⑤输入阻抗高。 ⑥扇出系数大。
2．二极管或门
最简单的或门电路如图7.3所示，它也是由二极管和电阻组 成的。设输入的高电平为UIH=3V，低电平为UIL=0.3V。
（a）二极管或门电路
（b）逻辑符号
图7.3 二极管或门
按图7.3（a）所示连接电路，按表7.3所示输入信号，测量
Y的输出电位，观察测量结果。（建议仿真演示）
p注意
二极管或门பைடு நூலகம்在着输出电平偏移的问题，所以这种电路结 构也只用于集成电路内部的逻辑单元。
⑤同TTL门电路一样，多余的输入端不能悬空，与门的多余输入 端应接电源VDD，或门的多余输入端接低电平或VSS，如图7.21所 示。也可将多余端与使用端并联，但这样会影响信号传输速度。
图7.21 与或非门闲置输入端的处理
7.2 组合逻辑电路的分析和设计
图7.25所示为我们生活中常见的一些实际装置，其中图（a） 为交通信号灯实例，图（b）为表决器实例。
5．CMOS门电路使用注意事项
①测试CMOS电路时，禁止在CMOS本身没有接通电源的情况下 输入信号。
②电源接通期间不应把器件从测试座上插入或拔出；电源电压 为3～5V，电源极性不能倒接。
③焊接CMOS电路时，电烙铁的容量不得大于20W，并要有良好 的接地线。
④输出端不允许直接接地或接电源；除具有OC结构和三态输出 结构的门电路外，不允许把输出端并联使用以实现线与逻辑。
解决这个问题的办法是将与非门的集电极开路。
将集电极开路的与非门称为OC门，图7.9（a）所示为OC门 （74LS03）的引脚排列图，图7.9（b）所示为其逻辑符号。
（a）引脚排列图
（b）逻辑符号
图7.9 OC门
OC门的主要应用如下所述。
①实现线与。几个OC门的输出端并联在一起使用，称为线与。 为了保证OC门正常工作，必须再接上一个上拉电阻RL与电源VCC 相连。图7.10所示为由3个OC门输出端并联后经电阻RL接VCC的 电路。这些OC门中只有当输入端A、B、C、D、E、F同时为高 电平时，输出Y才是低电平，只要每个OC门的输入端中有一个 为低电平时，输出Y则为高电平，其逻辑表达式为
（a）生活实例图
（b）原理图
图7.1 获得高、低电平的基本原理
7.1.1 分立元件门电路
1．二极管与门 按图7.2（a）所示连接电路，按表7.1所示输入信号，测量Y
的输出电位，观察测量结果。（建议仿真演示）
（a）二极管与门电路
（b）逻辑符号
图7.2 二极管与门
p归纳
二极管与门电路只有当A、B均输入高电平时，输出方为高 电平，在其他情况下均为低电平。
（b）逻辑符号
图7.4 三极管非门
7.1.2 TTL集成逻辑门电路
1．TTL集成逻辑门
TTL集成逻辑门电路是三极管—三极管逻辑门电路的简称， 是一种双极型三极管集成电路。TTL电路产品型号较多，国外 有美国德克萨斯公司SN54/74系列、摩托罗拉公司MC54/74系列 等，其中54为军用产品，74为工业产品（主要包括标准型、高 速型、低功耗型、肖特基型、低功耗肖特基型等）。
