哈工大电气考研电气基础习题解答 (7)-2023修改整理

千里之行，始于足下。第2页/共2页精品文档推荐哈工大电气考研电气基础习题解答(7)第7章集成逻辑门

7.1对课程内容掌握程度的建议

7.2授课的几点建议

7.2.1标准TTL与非门电路的结构

标准TTL与非门如图7.1所示，TTL与非门的重点是逻辑关系、特性曲线和参数，内部电路为曲线和参数服务，经过内部电路以便更好地了解曲线和参数，对集成数字电路内部结构做普通了解。

TTL与非门由三部分组成：输入级、中间放大级、输出级。输出有两个状态：即上止（VT3、VD4截止）下通（VT5导通），输出低电平，称为开态；上通（VT3、VD4导通）下止（VT5截止），输出高电平，也称为关态。

O

B

AV

5CC=V4

图7.1标准TTL与非门

在开态和关态时，对电路内部电流、电压的计算别作为重点，从逻辑关系了解如下逻辑状态的转换关系即可。对开态有

UA=UB=UIH?→IB1=IB2?→VT2饱和?→VT5饱和?→UOL↓↓↓↑

UB1=2.1V←?UB2=1.4V←?UB5=0.7V└??-┐↓∣UC2=1V?→VT3、VD4截止?┘

对关态有

B

A==UUB1B1==UII-

→截止截止52VTVT↓

OH43B3

R2VDVTUII→→=饱和、↓

7.2.2标准TTL与非门电路的特性曲线及参数

TTL与非门的特性曲线有：uO=f(uI)电压传输特性曲线；

uOL=f(iOL)输出低电平负载特性曲线；uOH=f(IOH)输出高电平负载特性曲线；uI=f(R)输入负载特性曲线。

对TTL逻辑门，这五条特性曲线，输出低电平负载特性曲线和输出高电平负载特性曲线是反映输出端带负载能力的事情，输出高电平常，输出电流，即拉电流是向外流；输出低电平常，输出电流，即灌电流是向里流。输出电流与逻辑门带负载的能力，工作速度有关，是重要的特性曲线。输入特性曲线，反映输入电压和输入电流之间的关系，当输入电流向里流时，是高电平输入电流，此刻那个电流仅微安量级，对电路的妨碍非常小；当输入电流向外流时，是低电平输入电流，此刻那个电流对逻辑门的妨碍由输出低电平负载特性曲线得到反映。关于CMOS门没有输入电流，因此，本书对输入特性曲线没有特意介绍。电压传输特性曲线是十分重要的特性曲线，特殊是它与许多参数关系紧密，现以电压传输特性曲线为例讲明这条曲线与逻辑门功能和参数之间的关系。

7.2.2.1uo=f(uI)电压传输特性曲线

电压传输特性曲线是研究在逻辑门的输入电压变化时，逻辑门的输出电压是怎么变化的。为了了解输入电压变化的全貌对输出电压的妨碍，因此测量时输入电压是延续变化的。电压传输特性曲线如图7.2所示。

UUoff/V

Iu

图7.2电压传输特性曲线

1．与电压传输特性曲线相关的四个逻辑电平参数①输出低电平的最大值UOLMAX②输入高电平的最小值UOHMIN③输入低电平的最大值UILMAX④输入高电平的最小值UIHMIN

关于中述系列TTL与非门规定UOLMAX=0.4V、UOHMIN=2.4V、UILMAX=0.8V、UIHMIN=2V。这四个参数之间的大小关系反映了逻辑门的噪声容限，见图7.3。对输出高电平，负向干扰只要别小于UIHMIN，电路的逻辑状态就不可能改变；对输出低电平，正向干扰只要别大于UILMIN，电路的逻辑状态就不可能改变。明白了这一点UOLMAX、UOHMIN、UILMAX、UIHMIN四个逻辑电平的大学关系就不可能搞错。从图7.3中能够看出输出逻辑电平在上下两端的外侧；输入逻辑电平在上下两端的内侧。定义

（UILMAX-UOLMAX）为低电平噪声容限UNL（或△0），（UOHMIN-UIHMIN）为高电平噪声容限UNH（或△1）。

实际的噪声容限U’NL=UILMAX-UOL，U’NH=UOH-UIHMIN普通要大一些。

UOLMAX=0.4V

UILMAX=0.8VUOHMIN=2.4V

UIHMIN=2V

UNL

图7.3逻辑电平和噪声容限

2．开门电平和关门电平

从图7.2还可得到开门电平Uon和关门电平Uon。开门电平实际是输入高电平的最小值；而关门电平实际是输入低电平的最大值。Uon和Uon与UIHMIN和UILMAX的差不是UIHMIN和UILMAX是思考了噪声容限和一批集成电路存在分散性往后制定的规范值，是对整个系列起作用的标准；而Uon和Uon是对一具具体的逻辑门而言，从物理概念上定义的输入高电平的最小值和输入低电平的最大值。

3．阈值电压UT

电压传输特性的过渡区非常陡，于是能够以为它所对应的输入电压，既是决定VT5管截止和导通的分界线，又是决定输出高、低电平的分界线。所以，经常形象化地把那个电压叫做阀值电压或门槛电压，用UT表示。但是，过渡区所对应的输入电压，实际上有一定的范围，因此严格地说，应当把阈值电压定义为过渡区中点所对应的输入电压值。

UT是一具非常重要的参数，关于大信号变化，在近似分析估算中，常把它作为决定与非门工作状态的关键值。当uI＞UT时，就以为高电平输入，与非门开启，输出为低电平UOL；当UI＜UT时，就以为低电平输入，与非门截止，输出为高电平UOH。

7.2.2.2输出负载特性曲线

输出负载特性曲线包括输出低电平负载特性曲线和输出高电平负载特性曲线，如图7.4所示。

由负载性曲线可得到相关的参数如下：

①输出低电平电流的最大值IOLMAX，依照别同的TTL系列，在几个毫安至几十个毫安；②输出高电平电流的最大值IOHMAX，普通在几个毫安；电流参数除IOLMAX和IOHMAX之外，还有

③输入高电平电流最大值IIHMAX，普通在几个微安；

④输入低电平电流最大值IILMAX，普通在一具毫安左右，与此相当的有输入短路电流Iis。

⑤扇出系数NO

0.0.0.0.OLMAX

mA

/OLV

/umA

/OHiu1

2

(a)灌电流负载特性曲线(b)输出高电平负载特性曲线

图7.4输出负载特性曲线

扇出系数NO是描述集成电路带负载能力的参数，它的定义式如下ILMAX

OLMAXOIIN=

标准TTL系列，即74TTL系列，NO=10；74LS系列，NO=20。

扇出系数NO为啥由IOLMAX与IILMAX之比定义？为啥别由IOHMAX与IIHMAX之比定义？这要紧因为IOLMAX电流值较大，是矛盾的要紧方面，在输入端IILMAX也较IILMAX大。因此，高电平输出电流最大值的规范也是按照IOHMAX=NOIIHMAX定义的。例如74LS系列的IIHMAX=20μA，NO=20，因此IOHMAX=NOIIHMAX=20×20=400μA。而实际上IOHMAX要远比400μA大，这在逻辑门驱动电容负载时，输出由低电平向高电平转换时，为了减少上升时刻，就需要较大的驱动电流，即IOHMAX要大。

7.2.2.3TTL逻辑电路输入端电阻负载特性曲线

TTL与非门输入回路的电阻值，对门的状态有非常大的妨碍。图7.5输入端电阻负载特性曲线。

O

1.

1

2

TΩ

/kiRu

图7.5输入端电阻负载特性曲线

1.输入端接地电平

当输入端对地短路时（R=0），相当于接低电平，ui=0V，于是uO=UOH。2.输入端悬空电平

TTL与非门当输入端开路时（R=∞），输入端的电流只能流向VT2，相当于接高电平，于是uo=UoL。此刻用万用表测量输入端的电压ui≈1.4V，相当于高电平。3.关门电阻Roff

随着R的增加，uI别断增加，当增加到某一数值时，R上的压落达到关门电平Uoff≈1V时，输出电压就要开始从UOH明显下落，此刻对应的电阻值称为关门电阻Roff。当R＜Roff时，与非门处于关态。

因关门电阻Roff的大小与逻辑门内部的参数有关，加上分散性，关于别同系列的逻辑门有所差不。关于74TTL系列，约在1kΩ左右，关于74LSTTL系列在5kΩ左右。4.开门电阻Ron

假如把与非门IOHMAX输入端的电阻R接着加大，输入电压uI随之增加，当uI增加到开门电平Uon≈1.4V时，与非门转入开态，输出低电平。此刻，对应的电阻值算是开门电阻Ron。当R＞Ron时，与非门处于开态。关于别同系列的逻辑门Ron≈2.5kΩ~10kΩ。

7.2.2.4电源参数和时刻参数

VCC——电源供电电压，关于MOS门，电源符号用VDD；关于TTL门，用VCC。各种逻辑门的输出高电平普通接近电源电压。ICCL——输出低电平电源电流；ICCH——输出高电平电源电流；

P0——静态功耗。静态功耗由下式计算得出P0=0.5（ICCL+ICCH）VCC

间参数是动态参数，别同系列，别同型号差不较大，对逻辑门而言普通分为如下三个时刻参数。

tPHL——输出电压从高电平变化到低电平相关于输入电压变化的延迟时刻；tPLH——输出电压从低电平变化到高电平相关于输入电压变化的延迟时刻；tpd——tPHL和tPLH的平均值，它反映了电路传输信号的速度。与非门平均传输延迟时刻

2

PLH

PHLpdttt+=

7.2.3OC门与三态门

7.2.3.1OC门

将图7.1的TTL与非门电路中的VT3、VD4去掉，就得到集电极开路门，如图7.6所示。关于OC门要紧讲明以下几个咨询题：

1.上拉电阻

在使用OC门时,由于VT5的上拉部分VT3、VD4去掉，VT5将别能得到高电平，为此OC门在工作时必须在输出端与电源之间外接一具电阻，那个电阻称为上拉电阻。

o

A

B

&

图7.6OC门电路图及符号

上拉电阻的确定办法：

ILOLOLMAXCC

cMINMIIUVR--=，CCOHMIN

cMAXCEXIH

VURNIKI-=+，RcMIN≤Rc≤RcMAX上拉电阻的计算值往往从几百欧姆到几百千欧，普通选10kΩ左右，上拉电阻小有利于

减小逻辑门的上升时刻，这时能够选1kΩ左右，但功耗大一些。

2．OC门输出端能够并联使用，实现与逻辑

当几个OC门的输出端连在一起时，如今两个门的输出端连在一起后，只要其中有一具输出低电平，总的输出算是低电平，惟独两个门都输出高电平常，总的输出才是高电平。这相当“与”的逻辑关系，那个与逻辑关系是在输出线上实现的，称为“线与”。

7.2.3.2三态门

三态与非门与普通与非门别同，它的输出端除了能够浮现高电平、低电平外，还能够浮现第三种状态——高阻状态，或称禁止状态。图7.7的电路算是一具三态门电路的实例。那个电路实际上是由两个与非门加上一具二极管VD组成的，这是TTL三态与非门的典型电路。

(a)三态门电路图(b)逻辑符号(c)使能操纵

图7.7三态与非门

在说解三态门时，强调解释高阻状态，高阻状态输出端的上下电路都呈现一具无穷大的电阻，即开路，所以，输出端高阻状态能够明白为输出端开路。如此十分有利于许多三态门的输出端并联在一起，接到输出总线上，三态门经过使能端，采纳分时的工作模式，能够轮流将各自的数据输送到总线上去。这在中、大规模集成电路的输出级往往都采纳这种工作模式。

7.2.4CMOS门

逻辑门电路有两大系列的产品，TTL和CMOS系列，由于CMOS系列产品静态功耗低，应用越来越广泛，本章重点放在对COMS电路特点的明白上。

7.2.4.1CMOS反相器

MOS集成电路的进展是速度与功耗这一对矛盾对立统一的过程，最终进展到CMOS集成电路，这一对矛盾得到较好的统一，CMOS集成电路以反相器为基本电路，许多其他的CMOS集成电路电路基本上由CMOS反相器组合而成。

的内部结构如图7.8所示，图7.9为CMOS门电路电压传输特性曲线，图7.10为CMOS和TTL逻辑门的逻辑电平，图7.11为速度功耗曲线。

I

UO

5

43

210

12345

ui(V)

图7.8CMOS反相器图7.9CMOS电压传输特性曲线

CMOS电路有许多优点，要紧有：

1．静态功耗十分弱小，往往惟独微瓦量级，然而它的动态功耗，特殊是在工作速度高

o

CC

EN

FZ

AB

10

&

ABF

EN

EN

&

A

BF

的时候别一定比TTL集成电路小。

2．在微功耗的条件下，有较高的工作速度，由图7.8可知，由于N沟道和P沟道两只场效应管在静态时不可能并且导通，因此P沟道的管子能够把沟道电阻做的小一些，如此就能够向电容负载提供较大的驱动电流，从而使输出电压获得较陡的上升沿。

3．逻辑摆幅大，在相同的供电电压下，CMOS电路的输出高电平大于TTL电路的输出高电平；而CMOS电路的输出低电平小于TTL电路的输出低电平。所以在相同的逻辑摆幅条件下，CMOS电路能够使用更低的电源电压，为落低功耗和便携式仪器提供了方便。

4．具有较TTL电路更大的噪声容限，抗干扰能力更强。

543210

V8.0ILMAX=V4.0OLMAX=DDILMAX2.0V=V

1.0OLMAX=V

2IHMIN=V

7.2OHMIN=DDIHMIN7.0V=V

1.0DDOHMIN-=VV

1.00.2DDNL(HC)-=VU

103

102

10

1.010101010101010101010108

输入频率（Hz）

图7.10CMOS和TTL逻辑门的逻辑电平图7.11速度功耗曲线

7.2.4.2CMOS传输门

CMOS电路别同于TTL电路的是它有所谓CMOS传输门，CMOS传输门既能够传输数字信号，又能够传输模拟信号，也称数字开关。CMOS传输门具有双向特性，通常也称为双向开关。CMOS传输门具有非常低的导通电阻（几十欧）和非常高的截止电阻（大于107欧），接近于理想开关。

CMOS传输门能够作为集成电路输出级的隔离门，能够作为多路开关用于数据的采集和选通，用于程序操纵电路的增益操纵，能够用于操纵电路的零点锁定，组成开关矩阵对信号的传输方向举行编程等等，是十分实用的集成电路品种。

习题

【7-1】挑选填空：

1、在数字电路中，稳态时三极管普通工作在开关状态（放大，开关）。在图7.1-1中，若ui0b.

u.RVRibcc

c

-≥07βc.u.RVRibCC

C

-<07β)。在电路中其它参数不变的条件下，仅Rb减小时，三极管的饱和程度加深（减轻，加深，不变）；仅Rc减小时，饱和程度减轻（减轻，加深，不变），饱和压降UCES增大(增大，减小，不变)。图中C的作用是加速（去耦，加速，隔直）。

2、由TTL门组成的电路如图7.1-2所示，已知它们的输入短路电流为Iis=1.6mA，高电平输入漏电流IiH=40μA。试咨询：当A=B=1时，G1的灌电流（拉，灌）为3.2mA；A=0时，G1的拉电流（拉，灌）为160Aμ。

3

GAB

图7.1-1图7.1-2

3、图7.1-3中示出了某门电路的特性曲线，试据此确定它的下列参数：输出高电平UOH=3V；输出低电平UOL=0.3V；输入短路电流IiS=1.4mA；高电平输入漏电流IiH=0.02mA；阈值电平UT=1.5V；开门电平UON=1.5V；关门电平UOFF=1.5V；低电平噪声容限UNL=1.2V；高电平噪声容限UNH=1.5V；最大灌电流IOLmax=15mA；扇出系数N=10.

i

1.5V

u

OHui

OL

u

图7.1-3

4、TTL门电路输入端悬空时，应视为高电平；（高电平，低电平，别定）此刻如用万用表测量其电压，读数约为1.4V（3.6V，0V，1.4V）。

5、集电极开路门（OC门）在使用时须在输出与电源之间接一电阻（输出与地，输出与输入，输出与电源）。

6、CMOS门电路的特点：静态功耗极低（非常大，极低）；而动态功耗随着工作频率的提高而增加（增加，减小，别变）；输入电阻非常大（非常大，非常小）；噪声容限高（高，低，等）于TTL门。

7、某TTL反向器的延迟时刻tPLH=15ns，tPHL=10ns。输入为占空比为50%的方波，该方波的频率别得高于30MHZ（50MHZ，40MHZ，30MHZ）。

【7-2】如图7-2(a)所示CMOS电路，已知各输入波形A、B、C如图(b)所示。R=10kΩ请画出输出F的波形。

A

BC

ABC

(a)(b)

图7-2题7-2电路图

解：

当C=0时，输出端逻辑表达式为F=BA+；当C=1时，F=A，即，F=BA+C+AC。答案见图7-2(c)。

ABCF

图7-2(c)例题7-2解答图

【7-3】电路如图7-3(a)～(f)所示，试写出其逻辑函数的表达式。

图7-3题7-3图

解：

F1=A，F2=1，F3=BA+，F4=AB，F5=1，F6=B

【7-4】在下图7-4（a）所示电路中，G1、G2、G3是LSTTL系列OC门，输出高电平常的漏电流为IoH≤100μA，输出低电平常允许的最大汲取电流为IoLmax=8mA，G4、G5、G6是LS系列与非门，它们的输入与输出特性如图（b）所示。已知VCC=5V，试计算外接负载电阻R的范围。

L

H

(b)(c)(d)

图7-4题7-4电路图

解：

iLoLoLmax

CCIMIUV--≤R≤iH

cexoHminCCIKINUV+-

其中M为TTL门的个数，K为TTL输入端数，N为OC门个数。

02

.031.032

.354.03825.05?

+?-≤

≤?--R

Ω

≤≤Ωk5699R

【7-5】CMOS电路如下图7-5（a）所示，已知输入A、B

及操纵端C的电压波形如图（b）所示，试画出F端的波形。

CMOS

1

TTL

2

CMOS

3

TTL

4

6

CMOS

5

(a)

(b)

(c)

(f)(e)