74LS86 四路異或門(mén)集成電路：引腳圖、功能與應(yīng)用詳解

74LS86是一款在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的CMOS或TTL兼容的四路異或門(mén)集成電路。它集成了四個(gè)獨(dú)立的、具有相同功能的二輸入異或門(mén)，為工程師提供了緊湊且高效的邏輯運(yùn)算解決方案。本篇文章將深入探討74LS86的引腳圖、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電氣特性、工作原理、主要應(yīng)用以及在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)，旨在為讀者提供一個(gè)全面且深入的理解。

第一章：集成電路基礎(chǔ)與74LS86概述

在深入了解74LS86之前，有必要簡(jiǎn)要回顧一下集成電路（IC）的基礎(chǔ)知識(shí)以及異或門(mén)（Exclusive OR gate, XOR gate）在數(shù)字邏輯中的重要性。集成電路是現(xiàn)代電子設(shè)備的核心，通過(guò)將大量的電子元器件（如晶體管、電阻、電容等）集成到一塊小小的半導(dǎo)體芯片上，實(shí)現(xiàn)了電路的小型化、低功耗、高可靠性和高性能。

1.1 集成電路的分類與發(fā)展

集成電路根據(jù)其集成度可以分為小規(guī)模集成電路（SSI）、中規(guī)模集成電路（MSI）、大規(guī)模集成電路（LSI）和超大規(guī)模集成電路（VLSI）。74LS86屬于中規(guī)模集成電路，它包含了少量的邏輯門(mén)電路，但足以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，集成電路的集成度不斷提高，使得我們能夠構(gòu)建越來(lái)越復(fù)雜和強(qiáng)大的電子系統(tǒng)。

集成電路根據(jù)制造工藝可以分為雙極型集成電路（如TTL、ECL）和金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）集成電路（如CMOS）。74LS86屬于74LS系列，即低功耗肖特基TTL（Low-power Schottky TTL）系列，它在傳統(tǒng)的TTL電路基礎(chǔ)上，采用了肖特基二極管鉗位技術(shù)，降低了功耗并提高了開(kāi)關(guān)速度，在數(shù)字電路領(lǐng)域占據(jù)了重要的地位。

1.2 異或門(mén)（XOR）的基本概念

異或門(mén)是一種基本的邏輯門(mén)，其輸出只有在兩個(gè)輸入不同時(shí)才為高電平（邏輯“1”），當(dāng)兩個(gè)輸入相同時(shí)，輸出為低電平（邏輯“0”）。異或門(mén)的布爾表達(dá)式通常表示為AoplusB或AtextXORB。其真值表如下所示：

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異或門(mén)在數(shù)字電路中具有廣泛的應(yīng)用，包括但不限于：

• 比較器： 用于判斷兩個(gè)二進(jìn)制位是否相同。如果輸出為0，則表示兩個(gè)輸入相同；如果輸出為1，則表示兩個(gè)輸入不同。

• 奇偶校驗(yàn)器： 用于檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸中的錯(cuò)誤。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)位進(jìn)行異或運(yùn)算，可以生成一個(gè)奇偶校驗(yàn)位，接收端再根據(jù)奇偶校驗(yàn)位來(lái)判斷數(shù)據(jù)是否正確傳輸。

• 加法器： 異或門(mén)是實(shí)現(xiàn)半加器和全加器的基本組成部分。在二進(jìn)制加法中，和位可以通過(guò)異或運(yùn)算得到。

• 數(shù)據(jù)加密/解密： 異或運(yùn)算具有可逆性，即AoplusB=C，CoplusB=A，這使得它在簡(jiǎn)單的加密和解密算法中得到應(yīng)用。

• 可控反相器： 當(dāng)一個(gè)輸入端作為控制端時(shí)，異或門(mén)可以實(shí)現(xiàn)可控的反相功能。如果控制端為0，則輸出等于另一個(gè)輸入；如果控制端為1，則輸出等于另一個(gè)輸入的反相。

1.3 74LS86的特點(diǎn)

74LS86是一款四路二輸入異或門(mén)芯片，這意味著它在一個(gè)封裝中包含了四個(gè)獨(dú)立的異或門(mén)單元。每個(gè)異或門(mén)都有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。其主要特點(diǎn)包括：

• 四路獨(dú)立異或門(mén)： 提供四個(gè)獨(dú)立的邏輯功能單元，方便多路信號(hào)的處理。

• 低功耗肖特基TTL技術(shù)： 兼顧了速度和功耗的平衡，適用于各種通用數(shù)字邏輯應(yīng)用。

• 寬工作電壓范圍： 典型工作電壓為5V，但通常也能在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。

• 標(biāo)準(zhǔn)DIP封裝： 采用標(biāo)準(zhǔn)的14引腳雙列直插式封裝（DIP），方便在面包板或PCB上進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和批量生產(chǎn)。

• 良好的抗噪聲能力： TTL系列芯片通常具有較好的抗噪聲特性。

這些特點(diǎn)使得74LS86成為數(shù)字電路設(shè)計(jì)中不可或缺的通用邏輯器件。

第二章：74LS86的引腳圖與引腳功能

理解集成電路的引腳圖是正確使用它的關(guān)鍵。74LS86通常采用14引腳雙列直插式封裝（DIP-14），每個(gè)引腳都有其特定的功能。

2.1 74LS86 DIP-14封裝引腳圖

以下是74LS86的DIP-14封裝引腳圖示意：

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

2.2 引腳功能詳細(xì)說(shuō)明

下面對(duì)74LS86的每個(gè)引腳功能進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：

• 引腳1 (1A)： 第一個(gè)異或門(mén)的輸入A端。

• 引腳2 (1B)： 第一個(gè)異或門(mén)的輸入B端。

• 引腳3 (1Y)： 第一個(gè)異或門(mén)的輸出端。當(dāng)1A和1B的邏輯狀態(tài)不同時(shí)，1Y為高電平；當(dāng)1A和1B的邏輯狀態(tài)相同時(shí)，1Y為低電平。

• 引腳4 (2A)： 第二個(gè)異或門(mén)的輸入A端。

• 引腳5 (2B)： 第二個(gè)異或門(mén)的輸入B端。

• 引腳6 (2Y)： 第二個(gè)異或門(mén)的輸出端。當(dāng)2A和2B的邏輯狀態(tài)不同時(shí)，2Y為高電平；當(dāng)2A和2B的邏輯狀態(tài)相同時(shí)，2Y為低電平。

• 引腳7 (GND)： 接地端。此引腳應(yīng)連接到電路的公共地，通常為0V。所有邏輯門(mén)電源的負(fù)極都應(yīng)連接到此引腳，以提供穩(wěn)定的參考電位。正確的接地對(duì)于芯片的穩(wěn)定工作和抗噪聲能力至關(guān)重要。

• 引腳8 (3Y)： 第三個(gè)異或門(mén)的輸出端。當(dāng)3A和3B的邏輯狀態(tài)不同時(shí)，3Y為高電平；當(dāng)3A和3B的邏輯狀態(tài)相同時(shí)，3Y為低電平。

• 引腳9 (3A)： 第三個(gè)異或門(mén)的輸入A端。

• 引腳10 (3B)： 第三個(gè)異或門(mén)的輸入B端。

• 引腳11 (4Y)： 第四個(gè)異或門(mén)的輸出端。當(dāng)4A和4B的邏輯狀態(tài)不同時(shí)，4Y為高電平；當(dāng)4A和4B的邏輯狀態(tài)相同時(shí)，4Y為低電平。

• 引腳12 (4A)： 第四個(gè)異或門(mén)的輸入A端。

• 引腳13 (4B)： 第四個(gè)異或門(mén)的輸入B端。

• 引腳14 (VCC)： 電源正極。此引腳應(yīng)連接到芯片的供電電壓，通常為+5V。確保供電電壓在芯片的額定工作范圍內(nèi)，并且電源去耦電容（通常為0.1uF陶瓷電容）應(yīng)盡可能靠近VCC引腳和GND引腳放置，以濾除電源噪聲并提供穩(wěn)定的電源。

需要注意的是，芯片引腳的編號(hào)方向通常是從芯片上的一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)（通常是一個(gè)小圓點(diǎn)或一個(gè)缺口）逆時(shí)針開(kāi)始計(jì)算的。引腳1通常位于標(biāo)記點(diǎn)旁邊的第一個(gè)引腳。

第三章：74LS86的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理

理解74LS86的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理有助于更好地應(yīng)用它，并在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)進(jìn)行故障排除。74LS86內(nèi)部集成了四個(gè)獨(dú)立的異或門(mén)，每個(gè)異或門(mén)都是由多個(gè)晶體管、電阻和二極管組成的復(fù)雜邏輯電路。

3.1 異或門(mén)的門(mén)級(jí)實(shí)現(xiàn)

一個(gè)異或門(mén)可以通過(guò)多種基本邏輯門(mén)的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如：

• 通過(guò)與門(mén)、或門(mén)和非門(mén)實(shí)現(xiàn)： Y=(AcdotoverlineB)+(overlineAcdotB)

• 通過(guò)與非門(mén)實(shí)現(xiàn)： 這是一個(gè)更常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)方式，因?yàn)榕c非門(mén)是“通用門(mén)”，可以構(gòu)建任何其他邏輯功能。

• 通過(guò)XOR門(mén)的基本特性實(shí)現(xiàn)： 74LS86內(nèi)部的異或門(mén)通常是基于TTL或CMOS技術(shù)設(shè)計(jì)的，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)更優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)異或功能。

3.2 TTL異或門(mén)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)化）

74LS系列芯片采用的是低功耗肖特基TTL技術(shù)。一個(gè)典型的TTL異或門(mén)內(nèi)部通常包含輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)。

• 輸入級(jí)： 通常由多個(gè)發(fā)射極的晶體管（多發(fā)射極晶體管）或獨(dú)立的晶體管組成，用于接收輸入信號(hào)。當(dāng)輸入為低電平時(shí)，晶體管導(dǎo)通，拉低內(nèi)部節(jié)點(diǎn)電平；當(dāng)輸入為高電平時(shí)，晶體管截止，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)電平由上拉電阻決定。

• 中間級(jí)： 通常由倒相器和電平轉(zhuǎn)換電路組成，用于放大輸入信號(hào)，并將其電平轉(zhuǎn)換為輸出級(jí)所需的電平。

• 輸出級(jí)： 通常采用推挽式輸出結(jié)構(gòu)，由一個(gè)上拉晶體管和一個(gè)下拉晶體管組成。當(dāng)輸出為高電平時(shí)，上拉晶體管導(dǎo)通，下拉晶體管截止，輸出連接到VCC；當(dāng)輸出為低電平時(shí)，下拉晶體管導(dǎo)通，上拉晶體管截止，輸出連接到GND。這種推挽結(jié)構(gòu)能夠提供較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)降低了功耗。

在74LS系列中，為了降低功耗和提高開(kāi)關(guān)速度，輸入晶體管的基極和集電極之間通常會(huì)并聯(lián)肖特基二極管，以防止晶體管飽和，從而減少存儲(chǔ)時(shí)間，加快開(kāi)關(guān)速度。

3.3 74LS86的工作原理

74LS86的每個(gè)異或門(mén)都獨(dú)立工作。以第一個(gè)異或門(mén)（輸入1A、1B，輸出1Y）為例，其工作原理如下：

• 當(dāng)1A = 0，1B = 0時(shí)： 兩個(gè)輸入都為低電平。根據(jù)異或門(mén)的定義，輸出1Y為低電平（0）。內(nèi)部電路設(shè)計(jì)確保了這種情況下輸出級(jí)下拉晶體管導(dǎo)通，將輸出拉低到接近GND。

• 當(dāng)1A = 0，1B = 1時(shí)： 兩個(gè)輸入不同。根據(jù)異或門(mén)的定義，輸出1Y為高電平（1）。內(nèi)部電路設(shè)計(jì)確保了這種情況下輸出級(jí)上拉晶體管導(dǎo)通，將輸出拉高到接近VCC。

• 當(dāng)1A = 1，1B = 0時(shí)： 兩個(gè)輸入不同。根據(jù)異或門(mén)的定義，輸出1Y為高電平（1）。內(nèi)部電路設(shè)計(jì)確保了這種情況下輸出級(jí)上拉晶體管導(dǎo)通，將輸出拉高到接近VCC。

• 當(dāng)1A = 1，1B = 1時(shí)： 兩個(gè)輸入相同。根據(jù)異或門(mén)的定義，輸出1Y為低電平（0）。內(nèi)部電路設(shè)計(jì)確保了這種情況下輸出級(jí)下拉晶體管導(dǎo)通，將輸出拉低到接近GND。

其他三個(gè)異或門(mén)（2A/2B/2Y、3A/3B/3Y、4A/4B/4Y）的工作原理與第一個(gè)異或門(mén)完全相同，它們之間相互獨(dú)立，互不影響。這種獨(dú)立性使得74LS86可以靈活地用于同時(shí)處理多路異或邏輯。

第四章：74LS86的電氣特性與參數(shù)

了解74LS86的電氣特性對(duì)于在實(shí)際電路中正確使用和設(shè)計(jì)至關(guān)重要。這些參數(shù)通?？梢栽谄鋽?shù)據(jù)手冊(cè)（Datasheet）中找到。

4.1 絕對(duì)最大額定值（Absolute Maximum Ratings）

這些參數(shù)是芯片在不損壞的情況下所能承受的最大值。在任何情況下，芯片的實(shí)際工作條件都不能超過(guò)這些值，否則可能導(dǎo)致芯片永久性損壞。

• 電源電壓 (VCC)： 通常為7V。

• 輸入電壓 (VI)： 通常為5.5V。

• 輸出電壓 (VO)： 通常為5.5V。

• 輸入電流 (II)： 通常為±20mA。

• 輸出電流 (IO)： 通常為±20mA。

• 工作溫度范圍 (TA)： 商業(yè)級(jí)芯片通常為0°C至70°C；工業(yè)級(jí)芯片可能為-40°C至85°C；軍用級(jí)芯片可能更寬。

• 存儲(chǔ)溫度范圍 (TSTG)： 通常為-65°C至150°C。

4.2 推薦工作條件（Recommended Operating Conditions）

這些參數(shù)是芯片在正常和可靠工作狀態(tài)下的推薦范圍。

• 電源電壓 (VCC)： 4.75V至5.25V (典型值為5V)。

• 高電平輸入電壓 (VIH)： 2.0V (最小值)。任何高于此電壓的輸入都被視為邏輯“1”。

• 低電平輸入電壓 (VIL)： 0.8V (最大值)。任何低于此電壓的輸入都被視為邏輯“0”。

• 高電平輸出電壓 (VOH)： 通常為2.7V (最小值)。TTL輸出高電平通常達(dá)不到VCC，這是其特性之一。

• 低電平輸出電壓 (VOL)： 通常為0.4V (最大值)。

4.3 靜態(tài)電氣特性（Static Electrical Characteristics）

這些參數(shù)描述了芯片在靜態(tài)（非工作狀態(tài)或直流）條件下的電氣性能。

• 輸入高電平電流 (IIH)： 當(dāng)輸入為高電平時(shí)的輸入電流。

• 輸入低電平電流 (IIL)： 當(dāng)輸入為低電平時(shí)的輸入電流。

• 輸出高電平電流 (IOH)： 當(dāng)輸出為高電平時(shí)的輸出灌電流能力（源電流）。

• 輸出低電平電流 (IOL)： 當(dāng)輸出為低電平時(shí)的輸出拉電流能力（沉電流）。

• 電源電流 (ICC)： 芯片的總電源消耗電流。對(duì)于74LS系列，ICC通常較低，以實(shí)現(xiàn)低功耗。

4.4 動(dòng)態(tài)電氣特性（Dynamic Electrical Characteristics）

這些參數(shù)描述了芯片在開(kāi)關(guān)（交流）條件下的性能，通常包括延遲時(shí)間。

• 傳輸延遲時(shí)間 (tPLH)： 從輸入從低電平變?yōu)楦唠娖剑ㄉ仙兀┑捷敵鰪牡碗娖阶優(yōu)楦唠娖剑ㄉ仙兀┲g的時(shí)間延遲。

• 傳輸延遲時(shí)間 (tPHL)： 從輸入從高電平變?yōu)榈碗娖剑ㄏ陆笛兀┑捷敵鰪母唠娖阶優(yōu)榈碗娖剑ㄏ陆笛兀┲g的時(shí)間延遲。

這些延遲時(shí)間是衡量芯片速度的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)于高速數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常重要。74LS系列通常具有納秒級(jí)的延遲時(shí)間。

4.5 噪聲容限

噪聲容限是衡量邏輯門(mén)抗噪聲能力的指標(biāo)。

• 高電平噪聲容限 (NMH)： NMH=VOH(min)?VIH(min)。

• 低電平噪聲容限 (NML)： NML=VIL(max)?VOL(max)。

對(duì)于TTL系列，典型的噪聲容限在0.4V左右。這意味著輸入信號(hào)可以承受0.4V的噪聲而不改變其邏輯狀態(tài)。

第五章：74LS86的典型應(yīng)用電路

74LS86作為通用的四路異或門(mén)，在數(shù)字電路中有廣泛的應(yīng)用。下面列舉一些典型應(yīng)用場(chǎng)景，并簡(jiǎn)要介紹其電路實(shí)現(xiàn)。

5.1 比較器

異或門(mén)最直接的應(yīng)用就是作為一位比較器。如果兩個(gè)輸入位相同，輸出為0；如果不同，輸出為1。

• 電路描述： 將兩個(gè)待比較的單比特信號(hào)分別連接到74LS86的一個(gè)異或門(mén)的兩個(gè)輸入端（例如1A和1B），其輸出（1Y）就是比較結(jié)果。

• 多位比較器： 對(duì)于多位二進(jìn)制數(shù)的比較，可以利用多個(gè)異或門(mén)并行比較每一位，然后將所有異或門(mén)的輸出通過(guò)一個(gè)多輸入或門(mén)（或與門(mén)，根據(jù)需求）進(jìn)行匯總。例如，要判斷兩個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)A3A2A1A0和B3B2B1B0是否相等，可以將A0與B0、A1與B1、A2與B2、A3與B3分別接入四個(gè)異或門(mén)，如果所有異或門(mén)的輸出都為0，則表示兩個(gè)數(shù)相等?？梢杂靡粋€(gè)四輸入或非門(mén)（NOR gate）將所有異或門(mén)的輸出連接起來(lái)，如果或非門(mén)輸出為1，則表示兩個(gè)數(shù)相等。

5.2 奇偶校驗(yàn)器/生成器

奇偶校驗(yàn)是一種簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤檢測(cè)方法。異或門(mén)是實(shí)現(xiàn)奇偶校驗(yàn)的核心。

• 奇校驗(yàn)： 如果一組數(shù)據(jù)中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，則校驗(yàn)位為0；如果為偶數(shù)，則校驗(yàn)位為1。

• 偶校驗(yàn)： 如果一組數(shù)據(jù)中“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，則校驗(yàn)位為0；如果為奇數(shù)，則校驗(yàn)位為1。

實(shí)現(xiàn)奇偶校驗(yàn)，通常通過(guò)級(jí)聯(lián)異或門(mén)來(lái)完成。 例如，要對(duì)一個(gè)3位數(shù)據(jù)D2D1D0進(jìn)行奇偶校驗(yàn)：P=D2oplusD1oplusD0 (偶校驗(yàn)位) 或者 P=overline(D2oplusD1oplusD0) (奇校驗(yàn)位)

• 電路描述： 將數(shù)據(jù)位依次輸入到級(jí)聯(lián)的異或門(mén)中。例如，D2和D1輸入到第一個(gè)異或門(mén)，其輸出再與D0輸入到第二個(gè)異或門(mén)，第二個(gè)異或門(mén)的輸出即為校驗(yàn)位。74LS86提供了四個(gè)獨(dú)立的異或門(mén)，非常適合構(gòu)建多位數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)電路。

5.3 半加器與全加器

異或門(mén)是構(gòu)建二進(jìn)制加法器的重要組成部分。

• 半加器 (Half Adder)： 對(duì)兩位二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行加法運(yùn)算，產(chǎn)生一個(gè)和位（Sum）和一個(gè)進(jìn)位（Carry）。

• Sum = A oplus B (由異或門(mén)實(shí)現(xiàn))

• Carry = A cdot B (由與門(mén)實(shí)現(xiàn))

• 全加器 (Full Adder)： 對(duì)兩位二進(jìn)制數(shù)和一個(gè)進(jìn)位輸入進(jìn)行加法運(yùn)算，產(chǎn)生一個(gè)和位和一個(gè)進(jìn)位輸出。

• Sum = A oplus B oplus Cin (由兩個(gè)異或門(mén)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn))

• Cout = (A cdot B) + (Cin cdot (A oplus B)) (由與門(mén)、或門(mén)和異或門(mén)組合實(shí)現(xiàn))

• 電路描述： 74LS86可以直接提供和位的異或運(yùn)算，配合與門(mén)和或門(mén)可以構(gòu)建半加器和全加器。對(duì)于多位加法器，可以級(jí)聯(lián)多個(gè)全加器，其中每個(gè)全加器的進(jìn)位輸出連接到下一個(gè)全加器的進(jìn)位輸入。

5.4 可控反相器

異或門(mén)可以作為可控反相器使用，即根據(jù)控制信號(hào)的不同，輸出可以等于輸入，也可以等于輸入的反相。

• 原理： 當(dāng)一個(gè)輸入端作為控制端（Control），另一個(gè)輸入端作為數(shù)據(jù)輸入端（Data）時(shí)：

• 如果Control = 0，則 Output = Data oplus 0 = Data (輸出等于數(shù)據(jù)輸入)

• 如果Control = 1，則 Output = Data oplus 1 = overlinetextData (輸出等于數(shù)據(jù)輸入的反相)

• 電路描述： 將控制信號(hào)連接到74LS86的一個(gè)輸入端（例如1A），將數(shù)據(jù)信號(hào)連接到另一個(gè)輸入端（1B），其輸出（1Y）即為可控反相器輸出。這個(gè)功能在數(shù)據(jù)處理、總線驅(qū)動(dòng)等場(chǎng)景中非常有用。

5.5 偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器

線性反饋移位寄存器（LFSR）是生成偽隨機(jī)二進(jìn)制序列（PN序列）的常用電路，其中異或門(mén)是其關(guān)鍵組成部分。

• 原理： LFSR由移位寄存器和異或反饋回路組成。寄存器的某些位通過(guò)異或門(mén)組合后反饋到輸入端，從而產(chǎn)生一個(gè)重復(fù)但看似隨機(jī)的序列。

• 電路描述： 將74LS86的異或門(mén)用于構(gòu)建LFSR的反饋路徑。例如，一個(gè)3級(jí)LFSR可能將第二個(gè)和第三個(gè)寄存器位的輸出通過(guò)異或門(mén)相連，然后將異或門(mén)的輸出作為第一個(gè)寄存器位的輸入。

5.6 數(shù)字調(diào)相（PSK）調(diào)制解調(diào)

在數(shù)字通信中，異或門(mén)可以用于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的數(shù)字調(diào)相（Phase Shift Keying, PSK）的調(diào)制和解調(diào)。

• 調(diào)制： 數(shù)字基帶信號(hào)與載波信號(hào)通過(guò)異或門(mén)進(jìn)行運(yùn)算，可以改變載波的相位。

• 解調(diào)： 接收到的調(diào)相信號(hào)與本地產(chǎn)生的參考載波信號(hào)通過(guò)異或門(mén)進(jìn)行運(yùn)算，可以恢復(fù)出原始的數(shù)字基帶信號(hào)。

5.7 數(shù)據(jù)加密/解密

由于異或運(yùn)算的特性（AoplusB=C，則 CoplusB=A），異或門(mén)可以用于簡(jiǎn)單的對(duì)稱密鑰加密和解密算法。

• 加密： 明文數(shù)據(jù)與密鑰進(jìn)行異或運(yùn)算，生成密文。

• 解密： 密文與相同的密鑰再次進(jìn)行異或運(yùn)算，恢復(fù)出明文。

第六章：74LS86在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

雖然74LS86是一款相對(duì)簡(jiǎn)單的芯片，但在實(shí)際電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用中仍需注意一些關(guān)鍵點(diǎn)，以確保其穩(wěn)定可靠地工作。

6.1 電源去耦

• 重要性： 電源去耦是數(shù)字電路設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一步。當(dāng)芯片的邏輯狀態(tài)切換時(shí)，會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電流，導(dǎo)致電源線上產(chǎn)生電壓尖峰和噪聲。這些噪聲可能會(huì)影響芯片的正常工作，甚至導(dǎo)致邏輯錯(cuò)誤。

• 實(shí)施方法： 建議在74LS86的VCC引腳和GND引腳之間放置一個(gè)0.1uF的陶瓷電容。這個(gè)電容應(yīng)該盡可能靠近芯片的電源引腳，以最大限度地降低寄生電感。對(duì)于多個(gè)芯片或整個(gè)電路板，通常還需要在電源輸入端放置一個(gè)較大的電解電容（例如10uF或100uF）作為大容量?jī)?chǔ)能和低頻濾波。

6.2 未使用的輸入引腳處理

• TTL門(mén)特性： 對(duì)于TTL邏輯門(mén)，未連接的輸入引腳通常會(huì)被視為高電平（邏輯“1”）。然而，這并不意味著可以隨意懸空未使用的輸入。懸空的引腳容易受到噪聲干擾，導(dǎo)致不穩(wěn)定的邏輯狀態(tài)。

• 正確處理方法：

• 連接到VCC： 最安全的做法是將未使用的輸入引腳通過(guò)一個(gè)1kΩ到10kΩ的電阻上拉到VCC。電阻的存在是為了限制電流，避免直接短路。

• 連接到GND： 如果希望未使用的輸入固定為低電平，則可以將其直接連接到GND。

• 串聯(lián)使用： 如果一個(gè)異或門(mén)有未使用的輸入，并且其輸出不被使用，則可以將其輸入連接到其他門(mén)的輸出或固定的邏輯電平。

• 避免懸空： 無(wú)論如何，都應(yīng)避免讓輸入引腳懸空，以防止噪聲引起的不確定狀態(tài)。

6.3 扇出能力（Fan-Out）

• 定義： 扇出能力是指一個(gè)邏輯門(mén)的輸出能夠驅(qū)動(dòng)多少個(gè)相同類型的邏輯門(mén)的輸入。

• 74LS86的扇出： 74LS系列通常具有較高的扇出能力。例如，一個(gè)74LS系列門(mén)的高電平輸出可以驅(qū)動(dòng)10個(gè)低電平輸入（IOL驅(qū)動(dòng)能力），而低電平輸出可以驅(qū)動(dòng)10個(gè)高電平輸入（IOH驅(qū)動(dòng)能力）。具體數(shù)值應(yīng)查閱芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)。

• 注意事項(xiàng)： 在設(shè)計(jì)電路時(shí)，要確保驅(qū)動(dòng)門(mén)的扇出能力足以驅(qū)動(dòng)所有連接的輸入門(mén)，否則可能導(dǎo)致邏輯電平不穩(wěn)定或傳輸延遲增加。

6.4 輸入/輸出電平兼容性

• TTL與CMOS兼容： 74LS86是TTL系列芯片，其輸入輸出電平標(biāo)準(zhǔn)與CMOS系列有所不同。

• TTL輸出的高電平（VOH）通常低于CMOS輸出的高電平（VCC）。

• TTL輸入的低電平最大值（VIL）和高電平最小值（VIH）也與CMOS不同。

• 混用注意事項(xiàng)： 當(dāng)將74LS86與其他邏輯系列（如CMOS）芯片連接時(shí)，需要特別注意電平兼容性。

• TTL驅(qū)動(dòng)CMOS： 通常情況下，TTL輸出可以直接驅(qū)動(dòng)CMOS輸入。因?yàn)镃MOS的VIH通常低于TTL的VOH，VIL通常高于TTL的VOL。

• CMOS驅(qū)動(dòng)TTL： CMOS輸出的高電平通常為VCC，可以直接驅(qū)動(dòng)TTL輸入。但當(dāng)CMOS工作在較低電壓時(shí)，可能需要電平轉(zhuǎn)換。

• 電流匹配： 也要注意輸入/輸出電流的匹配，確保源端有足夠的電流驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

6.5 信號(hào)完整性與布線

• 高頻效應(yīng)： 盡管74LS86的速度相對(duì)較低，但在高頻應(yīng)用中，信號(hào)完整性問(wèn)題（如反射、串?dāng)_、地彈）仍然需要考慮。

• 布線原則：

• 短而直： 信號(hào)線應(yīng)盡可能短且直，減少?gòu)澱邸?/span>

• 避免環(huán)路： 避免形成大的電流環(huán)路，減少電磁輻射。

• 地線覆蓋： 盡量保持良好的地平面，為信號(hào)提供回流路徑。

• 阻抗匹配： 在高速設(shè)計(jì)中，可能需要考慮傳輸線阻抗匹配，以減少反射。

• 信號(hào)隔離： 將敏感信號(hào)與噪聲源（如時(shí)鐘線、大電流線）隔離，避免串?dāng)_。

6.6 靜電放電（ESD）防護(hù)

• 重要性： 集成電路對(duì)靜電放電非常敏感。靜電放電可能導(dǎo)致芯片內(nèi)部電路損壞。

• 防護(hù)措施：

• 防靜電腕帶： 操作芯片時(shí)佩戴防靜電腕帶并可靠接地。

• 防靜電工作臺(tái)： 在防靜電工作臺(tái)上進(jìn)行操作。

• 防靜電包裝： 未使用的芯片應(yīng)保存在防靜電包裝袋中。

• 接地： 確保測(cè)試設(shè)備和工具也可靠接地。

6.7 故障排除

當(dāng)電路不按預(yù)期工作時(shí)，可以按照以下步驟進(jìn)行故障排除：

• 檢查電源和接地： 確保VCC和GND連接正確且穩(wěn)定，電壓在推薦范圍內(nèi)。

• 檢查輸入信號(hào)： 使用示波器或邏輯分析儀檢查所有輸入引腳的邏輯電平是否正確，并且沒(méi)有異常的噪聲或毛刺。

• 檢查輸出信號(hào)： 檢查輸出引腳的邏輯電平。如果輸出始終保持高電平或低電平，或者輸出不穩(wěn)定，可能意味著芯片損壞或輸入信號(hào)有問(wèn)題。

• 檢查引腳連接： 確保所有引腳都正確連接到電路中的其他元件，沒(méi)有虛焊或短路。

• 替換芯片： 如果懷疑芯片損壞，可以嘗試更換一個(gè)新的芯片進(jìn)行測(cè)試。

• 參考數(shù)據(jù)手冊(cè)： 仔細(xì)閱讀74LS86的數(shù)據(jù)手冊(cè)，核對(duì)所有電氣參數(shù)和操作條件。

第七章：74LS86與其他邏輯系列芯片的比較

74LS86屬于TTL（Transistor-Transistor Logic）家族的低功耗肖特基（Low-power Schottky）子系列。理解它與其他邏輯家族的差異，有助于在特定應(yīng)用中做出最佳選擇。

7.1 TTL家族 (Transistor-Transistor Logic)

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

• 低功耗TTL (74Lxx): 功耗降低，但速度更慢。

• 高速TTL (74Hxx): 速度提高，但功耗也更高。

• 肖特基TTL (74Sxx): 采用肖特基二極管鉗位，防止晶體管飽和，大大提高了開(kāi)關(guān)速度，但功耗仍然較高。

• 低功耗肖特基TTL (74LSxx): 74LS86所屬的系列。在74S的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，通過(guò)增加電阻值來(lái)降低功耗，同時(shí)保持了較快的開(kāi)關(guān)速度。它在速度和功耗之間取得了很好的平衡，因此在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)非常流行。

• 高級(jí)肖特基TTL (74ASxx): 比74S和74LS更快，功耗更高。

• 高級(jí)低功耗肖特基TTL (74ALSxx): 比74LS更快，功耗更低。

TTL的特點(diǎn)：

• 電源電壓： 標(biāo)準(zhǔn)為5V。

• 輸入特性： 輸入端可以懸空（被視為高電平）。

• 輸出特性： 推挽輸出，具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。

• 噪聲容限： 相對(duì)較好。

• 功耗： 相對(duì)于CMOS較高，但在74LS系列中有所改善。

• 速度： 相對(duì)較快。

7.2 CMOS家族 (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)

• 4000系列： 最早的CMOS系列，工作電壓范圍寬（3V-18V），功耗極低，但速度較慢。

• 74C系列： CMOS版本的74xx系列，引腳兼容TTL，但電氣特性是CMOS。

• 74HC/HCT系列： 高速CMOS。74HC系列在速度上與74LS接近，功耗極低。74HCT系列在輸入電平上與TTL兼容，可以直接替換TTL芯片。

• 74AC/ACT系列： 高級(jí)CMOS，速度更快，驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)。

CMOS的特點(diǎn)：

• 電源電壓： 工作電壓范圍寬，可以從1.8V到5V甚至更高。

• 輸入特性： 高阻抗輸入，對(duì)靜電敏感，未使用的輸入引腳必須連接到VCC或GND。

• 輸出特性： 推挽輸出，滿擺幅輸出（輸出高電平接近VCC，輸出低電平接近GND）。

• 噪聲容限： 相對(duì)較好。

• 功耗： 靜態(tài)功耗極低，動(dòng)態(tài)功耗隨頻率升高而增加。

• 速度： 現(xiàn)代CMOS芯片速度非?？?，甚至超越了許多TTL芯片。

7.3 74LS86的定位與選擇

74LS86作為74LS系列的一員，具有以下優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)：

優(yōu)勢(shì)：

• 成熟可靠： 74LS系列經(jīng)過(guò)多年驗(yàn)證，技術(shù)成熟，可靠性高。

• 易于獲取： 作為通用邏輯芯片，74LS86在市場(chǎng)上非常容易獲取，價(jià)格低廉。

• 速度與功耗平衡： 相對(duì)于老式TTL，它提供了更好的速度/功耗比。

• 抗噪聲能力： 具有較好的抗噪聲能力。

• 驅(qū)動(dòng)能力： 具有一定的驅(qū)動(dòng)能力，可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)TTL輸入。

劣勢(shì)：

• 功耗高于CMOS： 盡管是低功耗肖特基，但與現(xiàn)代CMOS芯片相比，其靜態(tài)功耗仍然較高，特別是當(dāng)芯片數(shù)量較多時(shí)。

• 速度不如高速CMOS： 隨著CMOS技術(shù)的發(fā)展，許多高速CMOS（如74HC/AC系列）在速度上已經(jīng)超越了74LS系列。

• 電壓限制： 只能在5V左右工作，不如CMOS的寬電壓范圍靈活。

• 溫漂： TTL器件的電氣參數(shù)可能受到溫度的影響，雖然在正常工作范圍內(nèi)是可接受的。

何時(shí)選擇74LS86？

• 遺產(chǎn)系統(tǒng)維護(hù)： 當(dāng)需要維護(hù)或擴(kuò)展基于TTL邏輯的舊系統(tǒng)時(shí)，74LS86是首選。

• 簡(jiǎn)單邏輯實(shí)現(xiàn)： 對(duì)于簡(jiǎn)單的邏輯功能，74LS86提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)且可靠的解決方案。

• 教育和實(shí)驗(yàn)： 在數(shù)字電路教學(xué)和入門(mén)級(jí)實(shí)驗(yàn)中，74LS86因其易用性和可靠性而廣受歡迎。

• 電源限制： 在只需要5V供電，且對(duì)功耗要求不極致的應(yīng)用中，74LS86仍然是可行的選擇。

何時(shí)考慮替代方案？

• 低功耗應(yīng)用： 對(duì)于電池供電或其他對(duì)功耗有嚴(yán)格要求的應(yīng)用，應(yīng)優(yōu)先考慮CMOS芯片（如74HC86）。

• 高速應(yīng)用： 對(duì)于需要極高開(kāi)關(guān)速度的應(yīng)用，應(yīng)選擇高速CMOS（如74AC86）或更先進(jìn)的邏輯系列。

• 多電壓系統(tǒng)： 當(dāng)系統(tǒng)中有多種電源電壓時(shí)，寬工作電壓范圍的CMOS芯片更具優(yōu)勢(shì)。

• 高集成度： 對(duì)于更復(fù)雜的邏輯功能，通常會(huì)考慮可編程邏輯器件（PLD，如CPLD或FPGA）或微控制器。

第八章：總結(jié)與展望

74LS86作為一款經(jīng)典的四路異或門(mén)集成電路，在數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要的作用。通過(guò)對(duì)其引腳圖、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電氣特性和典型應(yīng)用的詳細(xì)剖析，我們可以看到其在位比較、奇偶校驗(yàn)、加法器以及數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域的核心地位。

8.1 74LS86的意義與貢獻(xiàn)

74LS86及其所屬的74LS系列芯片，在計(jì)算機(jī)和數(shù)字系統(tǒng)發(fā)展史上留下了濃墨重彩的一筆。它們以其穩(wěn)定的性能、合理的功耗和成本，推動(dòng)了數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)的普及和發(fā)展。對(duì)于初學(xué)者而言，通過(guò)使用這些基本邏輯門(mén)芯片，可以直觀地理解數(shù)字邏輯的基本原理和組合邏輯電路的設(shè)計(jì)方法。對(duì)于工程師而言，它們提供了一種快速實(shí)現(xiàn)小型、中型數(shù)字邏輯功能的高效途徑。

8.2 現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的地位

盡管FPGA、CPLD和微控制器等可編程邏輯器件和嵌入式系統(tǒng)在現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計(jì)中占據(jù)了主導(dǎo)地位，能夠?qū)崿F(xiàn)更加復(fù)雜、靈活的功能，并且具有更高的集成度和更低的功耗（在一定條件下），但74LS86等通用邏輯門(mén)芯片仍然有其存在的價(jià)值和應(yīng)用場(chǎng)景。

• 基礎(chǔ)教學(xué)與驗(yàn)證： 在數(shù)字電子技術(shù)課程中，74LS86仍然是理解基本邏輯門(mén)功能的最佳實(shí)踐工具。

• 小型簡(jiǎn)單邏輯： 對(duì)于只需要少量邏輯門(mén)就能解決的簡(jiǎn)單功能，直接使用通用邏輯門(mén)芯片可能比使用可編程器件更經(jīng)濟(jì)、更簡(jiǎn)單。例如，在一些傳感器接口、電平轉(zhuǎn)換或簡(jiǎn)單的組合邏輯中，使用74LS86可能比啟動(dòng)一個(gè)微控制器或FPGA更快更省成本。

• 輔助功能： 在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中，74LS86也可以作為輔助電路，例如作為接口的電平轉(zhuǎn)換、簡(jiǎn)單的信號(hào)處理或狀態(tài)指示。

• 成本敏感應(yīng)用： 在一些對(duì)成本非常敏感的批量產(chǎn)品中，如果功能足夠簡(jiǎn)單，使用分立的邏輯門(mén)芯片可能比集成度更高的器件更具成本優(yōu)勢(shì)。

• 快速原型開(kāi)發(fā)： 在進(jìn)行一些簡(jiǎn)單邏輯的原型驗(yàn)證時(shí)，直接使用DIP封裝的74LS86可以方便地在面包板上進(jìn)行搭建和測(cè)試。

8.3 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，集成電路的集成度、速度和功耗效率將持續(xù)提升。

• 更低的功耗和更高的速度： 未來(lái)的邏輯器件將繼續(xù)向更低的功耗和更高的速度方向發(fā)展，CMOS技術(shù)將繼續(xù)主導(dǎo)這一趨勢(shì)。

• 更高的集成度： 更多的邏輯功能將被集成到單個(gè)芯片中，使得系統(tǒng)更加緊湊和復(fù)雜。

• 異構(gòu)集成： 不同功能的芯片（如數(shù)字邏輯、模擬、射頻、存儲(chǔ)器）將在同一個(gè)封裝內(nèi)或通過(guò)先進(jìn)的封裝技術(shù)進(jìn)行集成，形成更完整的系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）。

• 可編程邏輯的普及： FPGA和CPLD等可編程邏輯器件將繼續(xù)發(fā)展，提供更高的靈活性和更強(qiáng)的計(jì)算能力，使得數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)更加快速和迭代。

• 開(kāi)源硬件和RISC-V： 隨著開(kāi)源硬件生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展，以及RISC-V等開(kāi)源指令集的興起，未來(lái)的數(shù)字電路設(shè)計(jì)將更加開(kāi)放和社區(qū)驅(qū)動(dòng)。

盡管如此，理解74LS86等基本邏輯門(mén)芯片的工作原理，仍然是任何數(shù)字電子工程師必備的基礎(chǔ)知識(shí)。這些基礎(chǔ)知識(shí)如同建筑的基石，無(wú)論上層建筑如何復(fù)雜，其根本原理依然適用。掌握了74LS86的原理和應(yīng)用，也就掌握了數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)的重要一環(huán)，這對(duì)于學(xué)習(xí)更高級(jí)的數(shù)字電路知識(shí)和技術(shù)具有重要的鋪墊作用。

總之，74LS86以其經(jīng)典的四路異或門(mén)功能，為數(shù)字電路設(shè)計(jì)提供了簡(jiǎn)潔而強(qiáng)大的工具。它的引腳圖清晰明了，功能直觀易懂，使其成為工程師和學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)踐數(shù)字邏輯的優(yōu)秀選擇。雖然技術(shù)不斷發(fā)展，但這些基礎(chǔ)元件的價(jià)值將永遠(yuǎn)存在于數(shù)字世界的基石之中。