74LS86 集成電路：引腳圖、功能表與詳細(xì)解析

74LS86是一款在數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)中廣泛使用的四路二輸入異或門集成電路。作為TTL（晶體管-晶體管邏輯）家族的低功耗肖特基（Low-power Schottky）系列成員，它以其優(yōu)良的速度與功耗平衡特性，在數(shù)字系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備以及各類電子產(chǎn)品中扮演著重要的角色。本篇文章將詳細(xì)介紹74LS86的引腳布局、邏輯功能、電氣特性以及典型應(yīng)用，幫助讀者深入理解這款經(jīng)典IC。

異或門（Exclusive-OR gate），簡(jiǎn)稱XOR門，是一種特殊的邏輯門，其輸出僅當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)不同時(shí)才為高電平（邏輯1）。這個(gè)特性使得異或門在許多數(shù)字邏輯操作中都不可或缺，例如加法器、比較器、奇偶校驗(yàn)器以及數(shù)據(jù)加密等。74LS86內(nèi)部集成了四個(gè)獨(dú)立的異或門，這意味著一個(gè)芯片就可以提供四路并行的異或操作，極大地簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)和布線。

1. 74LS86 引腳圖與引腳功能

了解任何集成電路的第一步都是熟悉其引腳圖和各個(gè)引腳的功能。74LS86通常采用14引腳雙列直插封裝（DIP-14），這是一種非常常見的封裝形式，便于在實(shí)驗(yàn)板和PCB上使用。

1.1 74LS86 引腳圖

通常，DIP封裝的芯片引腳從左上角逆時(shí)針開始計(jì)數(shù)，缺口或圓點(diǎn)用于指示引腳1的位置。

      +--U--+
    1A|1   14| VCC
    1B|2   13| 4Y
    1Y|3   12| 4B
    2A|4   11| 4A
    2B|5   10| 3Y
    2Y|6    9| 3B
  GND|7    8| 3A
      +-----+

1.2 74LS86 引腳功能說明

以下是74LS86各個(gè)引腳的詳細(xì)功能描述：

• 引腳 1 (1A): 第一個(gè)異或門的輸入A。

• 引腳 2 (1B): 第一個(gè)異或門的輸入B。

• 引腳 3 (1Y): 第一個(gè)異或門的輸出。

• 引腳 4 (2A): 第二個(gè)異或門的輸入A。

• 引腳 5 (2B): 第二個(gè)異或門的輸入B。

• 引腳 6 (2Y): 第二個(gè)異或門的輸出。

• 引腳 7 (GND): 接地引腳，電源負(fù)極。所有邏輯門共用此地線。

• 引腳 8 (3A): 第三個(gè)異或門的輸入A。

• 引腳 9 (3B): 第三個(gè)異或門的輸入B。

• 引腳 10 (3Y): 第三個(gè)異或門的輸出。

• 引腳 11 (4A): 第四個(gè)異或門的輸入A。

• 引腳 12 (4B): 第四個(gè)異或門的輸入B。

• 引腳 13 (4Y): 第四個(gè)異或門的輸出。

• 引腳 14 (VCC): 電源正極引腳，通常連接到+5V直流電源。這是為整個(gè)芯片提供工作電壓的引腳。

2. 74LS86 功能表與邏輯功能

異或門是基本的邏輯門之一，其功能可以通過真值表（或功能表）清晰地表示。74LS86內(nèi)部的四個(gè)異或門都遵循相同的邏輯規(guī)則。

2.1 異或門的邏輯符號(hào)

異或門的邏輯符號(hào)通常表示為一個(gè)帶有彎曲輸入線的門符號(hào)，內(nèi)部有一個(gè)“+”符號(hào)外面套一個(gè)圓圈（oplus）。

2.2 異或門的真值表（功能表）

對(duì)于單個(gè)二輸入異或門，其輸出Y與輸入A和B的關(guān)系如下：

功能表解讀：

• 當(dāng)兩個(gè)輸入A和B都為低電平（邏輯0）時(shí)，輸出Y為低電平（邏輯0）。

• 當(dāng)輸入A為低電平（邏輯0）而輸入B為高電平（邏輯1）時(shí)，輸出Y為高電平（邏輯1）。

• 當(dāng)輸入A為高電平（邏輯1）而輸入B為低電平（邏輯0）時(shí)，輸出Y為高電平（邏輯1）。

• 當(dāng)兩個(gè)輸入A和B都為高電平（邏輯1）時(shí)，輸出Y為低電平（邏輯0）。

從功能表可以看出，異或門的輸出只有在兩個(gè)輸入狀態(tài)“不同”時(shí)才為高電平。這可以用布爾表達(dá)式表示為 Y=AoplusB 或 Y=AoverlineB+overlineAB。

3. 74LS86 電氣特性與工作條件

為了確保74LS86能夠穩(wěn)定可靠地工作，需要了解其電氣特性和推薦的工作條件。

3.1 供電電壓

• 推薦工作電壓 (V_CC): +5V。TTL系列芯片的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓。

• 工作電壓范圍: +4.75V 至 +5.25V。在此范圍內(nèi)，芯片的性能指標(biāo)得到保證。

3.2 輸入/輸出電壓與電流

• 高電平輸入電壓 (V_IH): 最小 2V。任何高于此電壓的輸入都被識(shí)別為邏輯1。

• 低電平輸入電壓 (V_IL): 最大 0.8V。任何低于此電壓的輸入都被識(shí)別為邏輯0。

• 高電平輸出電壓 (V_OH): 最小 2.7V。當(dāng)輸出為邏輯1時(shí)，芯片能輸出的最低電壓。

• 低電平輸出電壓 (V_OL): 最大 0.5V。當(dāng)輸出為邏輯0時(shí)，芯片能輸出的最高電壓。

• 高電平輸入電流 (I_IH): 最大 20μA。當(dāng)輸入為高電平時(shí)的輸入電流。

• 低電平輸入電流 (I_IL): 最大 -0.4mA。當(dāng)輸入為低電平時(shí)的輸入電流（負(fù)號(hào)表示電流流出芯片）。

• 高電平輸出電流 (I_OH): 最大 -0.4mA。當(dāng)輸出為高電平時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流（負(fù)號(hào)表示電流流出芯片，即芯片源出電流）。

• 低電平輸出電流 (I_OL): 最大 8mA。當(dāng)輸出為低電平時(shí)的吸收電流（即芯片吸入電流）。

這些電流參數(shù)決定了74LS86可以驅(qū)動(dòng)多少個(gè)其他門的輸入，或者可以被多少個(gè)其他門的輸出驅(qū)動(dòng)。

3.3 傳輸延遲時(shí)間

傳輸延遲時(shí)間（Propagation Delay Time）是數(shù)字邏輯芯片的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，它表示從輸入信號(hào)變化到輸出信號(hào)相應(yīng)變化所需的時(shí)間。

• 低到高傳輸延遲 (t_PLH): 通常在 9ns 左右。

• 高到低傳輸延遲 (t_PHL): 通常在 9ns 左右。

這些參數(shù)表明74LS86具有較快的響應(yīng)速度，適合于中等速度的數(shù)字系統(tǒng)。

3.4 功耗

• 靜態(tài)功耗: 74LS系列相較于標(biāo)準(zhǔn)TTL系列（如74XX）具有顯著降低的功耗，這得益于其內(nèi)部的肖特基二極管和更優(yōu)化的電路設(shè)計(jì)。通常，每個(gè)門的功耗在幾毫瓦范圍內(nèi)。

4. 74LS86 內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)化）

雖然不深入到晶體管級(jí)別，但理解74LS86異或門的簡(jiǎn)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)有助于更好地理解其工作原理。異或門通常由多個(gè)與門、或門和非門組合而成。

一個(gè)基本的二輸入異或門可以通過以下方式實(shí)現(xiàn)：Y=(AtextANDtextNOTB)textOR(textNOTAtextANDB)

在TTL或LS-TTL技術(shù)中，這會(huì)涉及到多個(gè)晶體管、二極管和電阻。LS系列通過使用肖特基鉗位二極管來防止晶體管飽和，從而提高開關(guān)速度并降低功耗。74LS86內(nèi)部的每個(gè)異或門都是獨(dú)立但基于相同原理構(gòu)建的。芯片內(nèi)部的復(fù)雜布局確保了在緊湊的空間內(nèi)集成四個(gè)功能完善且性能優(yōu)良的異或門。

5. 74LS86 典型應(yīng)用

74LS86的異或特性使其在多種數(shù)字邏輯電路中都有廣泛應(yīng)用。

5.1 奇偶校驗(yàn)器

異或門的一個(gè)重要應(yīng)用是構(gòu)建奇偶校驗(yàn)器。當(dāng)將多個(gè)數(shù)據(jù)位的異或結(jié)果作為校驗(yàn)位時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)偶校驗(yàn)或奇校驗(yàn)。

• 偶校驗(yàn)： 如果所有數(shù)據(jù)位加上校驗(yàn)位的1的個(gè)數(shù)是偶數(shù)，則校驗(yàn)通過。

• 奇校驗(yàn)： 如果所有數(shù)據(jù)位加上校驗(yàn)位的1的個(gè)數(shù)是奇數(shù)，則校驗(yàn)通過。

例如，對(duì)于四位數(shù)據(jù)D3D2D1D0，如果使用偶校驗(yàn)，則校驗(yàn)位P = D3 oplus D2 oplus D1 oplus D0。在接收端，將所有位（包括校驗(yàn)位）進(jìn)行異或，如果結(jié)果為0，則表示傳輸無誤（對(duì)于偶校驗(yàn)而言）。74LS86非常適合實(shí)現(xiàn)多位奇偶校驗(yàn)，因?yàn)樗梢约?jí)聯(lián)使用。

5.2 半加器與全加器

異或門是構(gòu)建加法器的核心組件。

• 半加器： 可以對(duì)兩個(gè)二進(jìn)制位進(jìn)行相加，產(chǎn)生和（Sum）和進(jìn)位（Carry）。和位（Sum）的邏輯表達(dá)式就是異或門：Sum=AoplusB。進(jìn)位（Carry）則通過與門實(shí)現(xiàn)：Carry=AtextANDB。

• 全加器： 能夠?qū)θ齻€(gè)二進(jìn)制位（兩個(gè)輸入位和一個(gè)來自低位的進(jìn)位）進(jìn)行相加，產(chǎn)生和（Sum）和新的進(jìn)位（Carry Out）。全加器通常由兩個(gè)半加器和一個(gè)或門構(gòu)成，其中異或門在求和部分起關(guān)鍵作用。多個(gè)74LS86可以與74LS08（四路二輸入與門）和74LS32（四路二輸入或門）等芯片配合，構(gòu)建多位二進(jìn)制加法器。

5.3 比較器

異或門可以用于比較兩個(gè)二進(jìn)制位是否相等。如果兩個(gè)輸入相等（都為0或都為1），則異或門輸出0；如果兩個(gè)輸入不等，則輸出1。因此，異或門可以作為不相等比較器。多個(gè)異或門的輸出可以通過或非門（NOR gate）組合，形成多位數(shù)值的相等比較器。

5.4 可控反相器/非門

異或門的另一個(gè)巧妙應(yīng)用是作為可控反相器或可控非門。 如果一個(gè)異或門的一個(gè)輸入固定為0，則輸出與另一個(gè)輸入相同（Y = A oplus 0 = A）。 如果一個(gè)異或門的一個(gè)輸入固定為1，則輸出與另一個(gè)輸入相反（Y = A oplus 1 = overlineA）。 這種特性使得異或門可以用于設(shè)計(jì)具有條件反相功能的電路，例如在數(shù)據(jù)處理中根據(jù)控制信號(hào)選擇是否對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反相。

5.5 數(shù)據(jù)加密/解密

在簡(jiǎn)單的數(shù)字通信或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中，異或操作常用于數(shù)據(jù)加密和解密。通過將數(shù)據(jù)與一個(gè)密鑰進(jìn)行異或操作進(jìn)行加密，然后在接收端或讀取時(shí)，再次與相同的密鑰進(jìn)行異或操作，即可恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。這是因?yàn)?(AoplusB)oplusB=A。這種對(duì)稱加密方法利用了異或運(yùn)算的自反性。

5.6 脈沖發(fā)生器與波形整形

在某些振蕩電路或脈沖發(fā)生器中，異或門可以與RC電路（電阻電容電路）配合，產(chǎn)生方波或進(jìn)行波形整形。其特性有助于在反饋環(huán)路中引入所需的延遲和邏輯操作。

6. 使用74LS86的注意事項(xiàng)

在使用74LS86或其他任何TTL系列集成電路時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)，以確保電路的穩(wěn)定性和可靠性：

6.1 電源去耦

在VCC和GND引腳之間，應(yīng)盡可能靠近芯片放置一個(gè)0.1μF的陶瓷電容（去耦電容）。這個(gè)電容能夠吸收芯片在工作時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)電流尖峰，穩(wěn)定電源電壓，防止數(shù)字電路中常見的毛刺和噪聲，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

6.2 未使用的輸入引腳處理

TTL系列芯片的未使用的輸入引腳不能懸空。懸空的TTL輸入引腳可能表現(xiàn)為高電平或在噪聲影響下隨機(jī)變化，導(dǎo)致電路功能異常。正確的處理方法是：

• 連接到VCC: 對(duì)于不需要驅(qū)動(dòng)的輸入，可以直接連接到VCC（通過一個(gè)1kΩ左右的電阻，以限制電流）。

• 連接到GND: 或者，如果邏輯允許，也可以直接連接到GND。

• 連接到其他已使用的輸入: 如果是同一門的兩個(gè)輸入，可以將未使用的輸入連接到另一個(gè)已使用的輸入。

對(duì)于74LS86，如果某個(gè)異或門的部分輸入未使用，務(wù)必將其連接到VCC或GND，或連接到該門的另一個(gè)輸入，以避免不確定的狀態(tài)。

6.3 輸出負(fù)載能力

74LS86的輸出有其電流驅(qū)動(dòng)能力限制（$I\_{OH}$和$I\_{OL}$）。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，要確保其輸出所連接的負(fù)載的總輸入電流不超過74LS86的額定輸出電流。如果需要驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載，應(yīng)考慮使用緩沖器或驅(qū)動(dòng)器。

6.4 工作溫度范圍

74LS86通常設(shè)計(jì)用于0°C到70°C的商業(yè)溫度范圍。在超出此范圍的環(huán)境下工作可能會(huì)導(dǎo)致性能下降或芯片損壞。

6.5 靜電防護(hù)

雖然TTL芯片相對(duì)CMOS芯片對(duì)靜電不那么敏感，但在處理所有集成電路時(shí)，仍應(yīng)采取基本的靜電防護(hù)措施，如佩戴防靜電腕帶、在防靜電工作臺(tái)上操作等，以防止靜電放電損壞芯片。

7. 74LS86 與其他邏輯家族的比較

74LS86屬于74LS（Low-power Schottky）系列。在數(shù)字邏輯發(fā)展史上，除了LS系列，還有：

• 74XX (Standard TTL): 最早的標(biāo)準(zhǔn)TTL系列，速度相對(duì)較慢，功耗較高。

• 74SXX (Schottky TTL): 速度比標(biāo)準(zhǔn)TTL快，但功耗更高。

• 74ALSXX (Advanced Low-power Schottky): 在LS系列基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，速度更快，功耗更低。

• 74HCXX (High-speed CMOS): 基于CMOS技術(shù)，具有非常低的靜態(tài)功耗，寬工作電壓范圍，但速度通常略低于LS或ALS系列，對(duì)靜電更敏感。

• 74HCTXX (High-speed CMOS, TTL-compatible): HC系列的一種變體，輸入兼容TTL電平，便于與TTL器件混合使用。

與這些系列相比，74LS86在性能和功耗之間取得了良好的平衡，因此在許多中速、低功耗的應(yīng)用中仍然是一個(gè)非常受歡迎的選擇。它具有良好的驅(qū)動(dòng)能力和噪聲容限，使其在實(shí)際電路中表現(xiàn)穩(wěn)定。

8. 結(jié)論

74LS86四路二輸入異或門是一款功能強(qiáng)大且應(yīng)用廣泛的數(shù)字集成電路。通過深入理解其引腳功能、邏輯行為、電氣特性以及在各種電路中的應(yīng)用，工程師和學(xué)生可以有效地利用它來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字邏輯系統(tǒng)。從基本的加法器、比較器到更復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和通信功能，74LS86以其簡(jiǎn)潔而強(qiáng)大的異或邏輯特性，持續(xù)在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。掌握這款芯片的知識(shí)，是構(gòu)建穩(wěn)健和高效數(shù)字電路的基礎(chǔ)。