74LS86 集成电路：引脚图、功能表与详细解析

74LS86是一款在数字逻辑电路设计中广泛使用的四路二输入异或门集成电路。作为TTL（晶体管-晶体管逻辑）家族的低功耗肖特基（Low-power Schottky）系列成员，它以其优良的速度与功耗平衡特性，在数字系统、计算机、通信设备以及各类电子产品中扮演着重要的角色。本篇文章将详细介绍74LS86的引脚布局、逻辑功能、电气特性以及典型应用，帮助读者深入理解这款经典IC。

异或门（Exclusive-OR gate），简称XOR门，是一种特殊的逻辑门，其输出仅当两个输入信号不同时才为高电平（逻辑1）。这个特性使得异或门在许多数字逻辑操作中都不可或缺，例如加法器、比较器、奇偶校验器以及数据加密等。74LS86内部集成了四个独立的异或门，这意味着一个芯片就可以提供四路并行的异或操作，极大地简化了电路设计和布线。

1. 74LS86 引脚图与引脚功能

了解任何集成电路的第一步都是熟悉其引脚图和各个引脚的功能。74LS86通常采用14引脚双列直插封装（DIP-14），这是一种非常常见的封装形式，便于在实验板和PCB上使用。

1.1 74LS86 引脚图

通常，DIP封装的芯片引脚从左上角逆时针开始计数，缺口或圆点用于指示引脚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 引脚功能说明

以下是74LS86各个引脚的详细功能描述：

• 引脚 1 (1A): 第一个异或门的输入A。

• 引脚 2 (1B): 第一个异或门的输入B。

• 引脚 3 (1Y): 第一个异或门的输出。

• 引脚 4 (2A): 第二个异或门的输入A。

• 引脚 5 (2B): 第二个异或门的输入B。

• 引脚 6 (2Y): 第二个异或门的输出。

• 引脚 7 (GND): 接地引脚，电源负极。所有逻辑门共用此地线。

• 引脚 8 (3A): 第三个异或门的输入A。

• 引脚 9 (3B): 第三个异或门的输入B。

• 引脚 10 (3Y): 第三个异或门的输出。

• 引脚 11 (4A): 第四个异或门的输入A。

• 引脚 12 (4B): 第四个异或门的输入B。

• 引脚 13 (4Y): 第四个异或门的输出。

• 引脚 14 (VCC): 电源正极引脚，通常连接到+5V直流电源。这是为整个芯片提供工作电压的引脚。

2. 74LS86 功能表与逻辑功能

异或门是基本的逻辑门之一，其功能可以通过真值表（或功能表）清晰地表示。74LS86内部的四个异或门都遵循相同的逻辑规则。

2.1 异或门的逻辑符号

异或门的逻辑符号通常表示为一个带有弯曲输入线的门符号，内部有一个“+”符号外面套一个圆圈（oplus）。

2.2 异或门的真值表（功能表）

对于单个二输入异或门，其输出Y与输入A和B的关系如下：

功能表解读：

• 当两个输入A和B都为低电平（逻辑0）时，输出Y为低电平（逻辑0）。

• 当输入A为低电平（逻辑0）而输入B为高电平（逻辑1）时，输出Y为高电平（逻辑1）。

• 当输入A为高电平（逻辑1）而输入B为低电平（逻辑0）时，输出Y为高电平（逻辑1）。

• 当两个输入A和B都为高电平（逻辑1）时，输出Y为低电平（逻辑0）。

从功能表可以看出，异或门的输出只有在两个输入状态“不同”时才为高电平。这可以用布尔表达式表示为 Y=AoplusB 或 Y=AoverlineB+overlineAB。

3. 74LS86 电气特性与工作条件

为了确保74LS86能够稳定可靠地工作，需要了解其电气特性和推荐的工作条件。

3.1 供电电压

• 推荐工作电压 (V_CC): +5V。TTL系列芯片的标准工作电压。

• 工作电压范围: +4.75V 至 +5.25V。在此范围内，芯片的性能指标得到保证。

3.2 输入/输出电压与电流

• 高电平输入电压 (V_IH): 最小 2V。任何高于此电压的输入都被识别为逻辑1。

• 低电平输入电压 (V_IL): 最大 0.8V。任何低于此电压的输入都被识别为逻辑0。

• 高电平输出电压 (V_OH): 最小 2.7V。当输出为逻辑1时，芯片能输出的最低电压。

• 低电平输出电压 (V_OL): 最大 0.5V。当输出为逻辑0时，芯片能输出的最高电压。

• 高电平输入电流 (I_IH): 最大 20μA。当输入为高电平时的输入电流。

• 低电平输入电流 (I_IL): 最大 -0.4mA。当输入为低电平时的输入电流（负号表示电流流出芯片）。

• 高电平输出电流 (I_OH): 最大 -0.4mA。当输出为高电平时的驱动电流（负号表示电流流出芯片，即芯片源出电流）。

• 低电平输出电流 (I_OL): 最大 8mA。当输出为低电平时的吸收电流（即芯片吸入电流）。

这些电流参数决定了74LS86可以驱动多少个其他门的输入，或者可以被多少个其他门的输出驱动。

3.3 传输延迟时间

传输延迟时间（Propagation Delay Time）是数字逻辑芯片的一个关键指标，它表示从输入信号变化到输出信号相应变化所需的时间。

• 低到高传输延迟 (t_PLH): 通常在 9ns 左右。

• 高到低传输延迟 (t_PHL): 通常在 9ns 左右。

这些参数表明74LS86具有较快的响应速度，适合于中等速度的数字系统。

3.4 功耗

• 静态功耗: 74LS系列相较于标准TTL系列（如74XX）具有显著降低的功耗，这得益于其内部的肖特基二极管和更优化的电路设计。通常，每个门的功耗在几毫瓦范围内。

4. 74LS86 内部电路结构（简化）

虽然不深入到晶体管级别，但理解74LS86异或门的简化内部结构有助于更好地理解其工作原理。异或门通常由多个与门、或门和非门组合而成。

一个基本的二输入异或门可以通过以下方式实现：Y=(AtextANDtextNOTB)textOR(textNOTAtextANDB)

在TTL或LS-TTL技术中，这会涉及到多个晶体管、二极管和电阻。LS系列通过使用肖特基钳位二极管来防止晶体管饱和，从而提高开关速度并降低功耗。74LS86内部的每个异或门都是独立但基于相同原理构建的。芯片内部的复杂布局确保了在紧凑的空间内集成四个功能完善且性能优良的异或门。

5. 74LS86 典型应用

74LS86的异或特性使其在多种数字逻辑电路中都有广泛应用。

5.1 奇偶校验器

异或门的一个重要应用是构建奇偶校验器。当将多个数据位的异或结果作为校验位时，可以实现偶校验或奇校验。

• 偶校验： 如果所有数据位加上校验位的1的个数是偶数，则校验通过。

• 奇校验： 如果所有数据位加上校验位的1的个数是奇数，则校验通过。

例如，对于四位数据D3D2D1D0，如果使用偶校验，则校验位P = D3 oplus D2 oplus D1 oplus D0。在接收端，将所有位（包括校验位）进行异或，如果结果为0，则表示传输无误（对于偶校验而言）。74LS86非常适合实现多位奇偶校验，因为它可以级联使用。

5.2 半加器与全加器

异或门是构建加法器的核心组件。

• 半加器： 可以对两个二进制位进行相加，产生和（Sum）和进位（Carry）。和位（Sum）的逻辑表达式就是异或门：Sum=AoplusB。进位（Carry）则通过与门实现：Carry=AtextANDB。

• 全加器： 能够对三个二进制位（两个输入位和一个来自低位的进位）进行相加，产生和（Sum）和新的进位（Carry Out）。全加器通常由两个半加器和一个或门构成，其中异或门在求和部分起关键作用。多个74LS86可以与74LS08（四路二输入与门）和74LS32（四路二输入或门）等芯片配合，构建多位二进制加法器。

5.3 比较器

异或门可以用于比较两个二进制位是否相等。如果两个输入相等（都为0或都为1），则异或门输出0；如果两个输入不等，则输出1。因此，异或门可以作为不相等比较器。多个异或门的输出可以通过或非门（NOR gate）组合，形成多位数值的相等比较器。

5.4 可控反相器/非门

异或门的另一个巧妙应用是作为可控反相器或可控非门。 如果一个异或门的一个输入固定为0，则输出与另一个输入相同（Y = A oplus 0 = A）。 如果一个异或门的一个输入固定为1，则输出与另一个输入相反（Y = A oplus 1 = overlineA）。 这种特性使得异或门可以用于设计具有条件反相功能的电路，例如在数据处理中根据控制信号选择是否对数据进行反相。

5.5 数据加密/解密

在简单的数字通信或数据存储中，异或操作常用于数据加密和解密。通过将数据与一个密钥进行异或操作进行加密，然后在接收端或读取时，再次与相同的密钥进行异或操作，即可恢复原始数据。这是因为 (AoplusB)oplusB=A。这种对称加密方法利用了异或运算的自反性。

5.6 脉冲发生器与波形整形

在某些振荡电路或脉冲发生器中，异或门可以与RC电路（电阻电容电路）配合，产生方波或进行波形整形。其特性有助于在反馈环路中引入所需的延迟和逻辑操作。

6. 使用74LS86的注意事项

在使用74LS86或其他任何TTL系列集成电路时，需要注意以下几点，以确保电路的稳定性和可靠性：

6.1 电源去耦

在VCC和GND引脚之间，应尽可能靠近芯片放置一个0.1μF的陶瓷电容（去耦电容）。这个电容能够吸收芯片在工作时产生的瞬态电流尖峰，稳定电源电压，防止数字电路中常见的毛刺和噪声，提高系统稳定性。

6.2 未使用的输入引脚处理

TTL系列芯片的未使用的输入引脚不能悬空。悬空的TTL输入引脚可能表现为高电平或在噪声影响下随机变化，导致电路功能异常。正确的处理方法是：

• 连接到VCC: 对于不需要驱动的输入，可以直接连接到VCC（通过一个1kΩ左右的电阻，以限制电流）。

• 连接到GND: 或者，如果逻辑允许，也可以直接连接到GND。

• 连接到其他已使用的输入: 如果是同一门的两个输入，可以将未使用的输入连接到另一个已使用的输入。

对于74LS86，如果某个异或门的部分输入未使用，务必将其连接到VCC或GND，或连接到该门的另一个输入，以避免不确定的状态。

6.3 输出负载能力

74LS86的输出有其电流驱动能力限制（$I\_{OH}$和$I\_{OL}$）。在设计电路时，要确保其输出所连接的负载的总输入电流不超过74LS86的额定输出电流。如果需要驱动大电流负载，应考虑使用缓冲器或驱动器。

6.4 工作温度范围

74LS86通常设计用于0°C到70°C的商业温度范围。在超出此范围的环境下工作可能会导致性能下降或芯片损坏。

6.5 静电防护

虽然TTL芯片相对CMOS芯片对静电不那么敏感，但在处理所有集成电路时，仍应采取基本的静电防护措施，如佩戴防静电腕带、在防静电工作台上操作等，以防止静电放电损坏芯片。

7. 74LS86 与其他逻辑家族的比较

74LS86属于74LS（Low-power Schottky）系列。在数字逻辑发展史上，除了LS系列，还有：

• 74XX (Standard TTL): 最早的标准TTL系列，速度相对较慢，功耗较高。

• 74SXX (Schottky TTL): 速度比标准TTL快，但功耗更高。

• 74ALSXX (Advanced Low-power Schottky): 在LS系列基础上进一步优化，速度更快，功耗更低。

• 74HCXX (High-speed CMOS): 基于CMOS技术，具有非常低的静态功耗，宽工作电压范围，但速度通常略低于LS或ALS系列，对静电更敏感。

• 74HCTXX (High-speed CMOS, TTL-compatible): HC系列的一种变体，输入兼容TTL电平，便于与TTL器件混合使用。

与这些系列相比，74LS86在性能和功耗之间取得了良好的平衡，因此在许多中速、低功耗的应用中仍然是一个非常受欢迎的选择。它具有良好的驱动能力和噪声容限，使其在实际电路中表现稳定。

8. 结论

74LS86四路二输入异或门是一款功能强大且应用广泛的数字集成电路。通过深入理解其引脚功能、逻辑行为、电气特性以及在各种电路中的应用，工程师和学生可以有效地利用它来设计和实现各种数字逻辑系统。从基本的加法器、比较器到更复杂的数据处理和通信功能，74LS86以其简洁而强大的异或逻辑特性，持续在电子设计领域发挥着重要作用。掌握这款芯片的知识，是构建稳健和高效数字电路的基础。