第8章逻辑门电路

第8章逻辑门电路8.3TTL逻辑门电路

8.4

MOS逻辑门电路

8.2基本逻辑门电路

8.5

集成逻辑门电路的应用

8.1半导体器件的开关特性3.了解半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性，分立元件门电路的基本工作原理；本章要求：1.掌握常用门电路的逻辑特性，即逻辑功能；2.理解门电路传输延迟时间的概念及产生原因；4.理解TTL和CMOS反相器、与非门、或非门的工作原理5.了解集成门电路的动态特性，传输门、三态门、漏极和集电极开路门的电路结构特点。

逻辑门电路是数字电路中最基本的逻辑元件。

所谓门就是一种开关，它能按照一定的条件去控制信号的通过或不通过。门电路的输入和输出之间存在一定的逻辑关系(因果关系)，所以门电路又称为逻辑门电路。8.1.1门电路的基本概念

基本逻辑关系为“与”、“或”、“非”三种。8.1半导体器件的开关特性实现这三种基本关系所对应基本门电路为“与门”、“或门”、“非门”。实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。1、逻辑门电路：

2、逻辑门电路的分类：二极管门电路

三极管门电路TTL门电路

MOS门电路PMOS门CMOS门

逻辑门电路分立集成NMOS门

TTL--三极管-三极管

HTL–高阈值

ECL–射极耦合

I2L–集成注入

－构成数字逻辑电路的基本元件3、高、低电平产生的原理当S闭合，vO=当S断开，vO=0V+5V(低电平)(高电平)理想的开关应具有两个工作状态：接通状态：断开状态：要求阻抗越小越好，相当于短路（导通）

要求阻抗越大越好，相当于开路（截止）

电平的高低一般用“1”和“0”两种状态区别，若规定高电平为“1”，低电平为“0”则称为正逻辑。反之则称为负逻辑。若无特殊说明，均采用正逻辑。100VUCC高电平低电平

数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管工作在开关状态。

导通状态：相当于开关闭合

截止状态：相当于开关断开。

逻辑变量←→两状态开关：在逻辑代数中逻辑变量有两种取值：0和1；电子开关有两种状态：闭合、断开。

半导体二极管、三极管和MOS管，则是构成这种电子开关的基本开关元件。(1)静态特性：断开时，开关两端的电压不管多大，等效电阻ROFF=无穷，电流IOFF=0。

闭合时，流过其中的电流不管多大，等效电阻RON=0，电压UAK=0。

(2)动态特性：开通时间ton=0关断时间toff=0

理想开关的开关特性：

客观世界中，没有理想开关。乒乓开关、继电器、接触器等的静态特性十分接近理想开关，但动态特性很差，无法满足数字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。半导体二极管、三极管和MOS管做为开关使用时，其静态特性不如机械开关，但动态特性很好。8.1.2二极管与三极管的开关特性数字电路中，二极管工作在开关状态：

二极管正向导通时：导通电阻很小，两端相当于短路；

二极管反向截止时：等效电阻很大，两端相当于开路。

当脉冲信号的频率很高时，开关状态的变化速度很快，每秒可达百万次，这就要求器件的开关转换速度要在微秒甚至纳秒内完成。

二极管的开关特性表现在正向导通和反向截止状态之间的转换过程（即动态特性）：R1.二极管的开关特性导通截止相当于开关断开相当于开关闭合S3V0VSRRD3V0V8.1.2二极管及三极管的开关特性1、二极管的开关特性

(1)静态特性及开关等效电路正向导通时UD(ON)≈0.7V（硅）0.3V（锗）RD≈几Ω～几十Ω相当于开关闭合二极管的伏安特性曲线反向截止时反向饱和电流极小反向电阻很大（约几百kΩ）相当于开关断开二极管的伏安特性曲线二极管的开关等效电路(a)导通时(b)截止时二极管的伏安特性曲线开启电压理想化伏安特性曲线(2)动态特性：

若输入信号频率过高，二极管会双向导通，失去单向导电作用。因此高频应用时需考虑此参数。

二极管从截止变为导通和从导通变为截止都需要一定的时间。通常后者所需的时间长得多。反向恢复时间tre：二极管从导通到截止所需的时间。一般为纳秒数量级（通常tre≤5ns）。在0～t1期间，vi＝

VF时，D导通，电路中有电流流过：RL

vii＋－D①二极管从正向导通到反向截止的过程vi

tVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRitRL

vii＋－D通常将二极管从导通转为截止所需的时间称为反向恢复时间:

tre=ts+ttvi

tVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRit存储时间渡越时间在t1时，突然I＝

－VR时，电路中电流i

=?正向（饱和）电流愈大，电荷的浓度分布梯度愈大，存储的电荷愈多，电荷消散所需的时间也愈长。产生反向恢复的过程的原因：存储电荷消散需要时间②二极管从反向截止到正向导通的过程结论：二极管的开通时间与反向恢复时间相比很小，可以忽略不计。二极管的动态特性主要考虑反向恢复时间。二极管从截止转为正向导通所需的时间称为开通时间。

原因是：PN结加正偏电压时，其正向压降很小，比VF小得多，故电路中的正向电流IF

VF/

RL。主要由外电路参数决定。2.三极管的开关特性饱和截止3V0VuO0相当于开关断开相当于开关闭合uOUCC+UCCuiRBRCuOTuO+UCCRCECuO+UCCRCEC3V0V2、三极管的开关特性

（1）静态特性及开关等效电路三极管的三种工作状态（a）电路（b）输出特性曲线

在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和和截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。开关等效电路①截止状态

条件：发射结反偏特点：电流约为0

②饱和状态条件：发射结正偏，集电结正偏特点：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅（2）三极管的开关时间（动态特性）三极管的开关时间

开启时间ton

上升时间tr延迟时间td关闭时间toff下降时间tf存储时间ts①开启时间ton

三极管从截止到饱和所需的时间。ton=td+tr

td：延迟时间

tr：上升时间②关闭时间toff

三极管从饱和到截止所需的时间。toff=ts+tf

ts：存储时间（几个参数中最长的；饱和越深越长）tf：下降时间toff>ton

。开关时间一般在纳秒数量级。高频应用时需考虑。

开关时间随管子类型的不同而不同，一般为几十～几百纳秒。开关时间越短开关速度越高。一般可用改进管子内部构造和外电路的方法来提高三极管的开关速度。8.2.1二极管与门电路

1.电路2.工作原理A、B为输入信（+3V或0V）F为输出信号VCC＝+12V电路输入与输出电压的关系ABF0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V8.2基本逻辑门电路用逻辑1表示高电平（此例为≥+3V）用逻辑0表示低电平（此例为≤0.7V）ABF0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V3.逻辑赋值并规定高低电平4.真值表ABF000010100111二极管与门的真值表有“0”出“0”全“1”为“1”实现了与逻辑5.逻辑符号6.工作波形(又一种表示逻辑功能的方法）7.逻辑表达式F＝AB二极管与门（a）电路（b）逻辑符号（c）工作波形8.2.1二极管“与”门电路

1.电路2.工作原理输入A、B、C全为高电平“1”，输出L为“1”。输入A、B、C不全为“1”，输出L为“0”。0V0V0V0V0V3V+U12VRDADCABLDBC3V3V3V0V00000010101011001000011001001111ABLC“与”逻辑真值表0V3V4.逻辑关系：“与”逻辑即：有“0”出“0”，

全“1”出“1”L=ABC3.逻辑表达式：

5.逻辑符号：&ABLC00000010101011001000011001001111ABLC“与”逻辑真值表8.2.2二极管或门电路

1.电路2.工作原理电路输入与输出电压的关系ABF0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VA、B为输入信号（+3V或0V）F为输出信号4.真值表ABF0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3V实现了或逻辑3.逻辑赋值并规定高低电平用逻辑1表示高电平（此例为≥+2.3V）用逻辑0表示低电平（此例为≤0V）ABF000011101111有“1”为“1”全“0”为“0”二极管或门的真值表二极管或门（a）电路（b）逻辑符号（c）工作波形5.逻辑符号6.工作波形7.逻辑表达式F＝A+B8.2.2二极管“或”门电路

1.电路0V0V0V0V0V3V3V3V3V0V00000011101111011001011101011111ABLC“或”逻辑真值表3V3V-U12VRDADCABLDBC2.工作原理输入A、B、C全为低电平“0”，输出L为“0”。输入A、B、C有一个为“1”，输出L为“1”。4.逻辑关系：“或”逻辑即：有“1”出“1”，

全“0”出“0”L=A+B+C3.逻辑表达式：

5.逻辑符号：ABLC>100000011101111011001011101011111ABLC“或”门逻辑状态表8.2.3

非门（反相器）

非门(a)电路（b）逻辑符号1.电路2.工作原理A、B为输入信号（+3.6V或0.3V）F为输出信号AF0.3V+VCC3.6V0.3V3.逻辑赋值并规定高低电平用逻辑1表示高电平（此例为≥+3.6V）用逻辑0表示低电平（此例为≤0.3V）4.真值表AF0.3V+VCC3.6V0.3VAF0110三极管非门的真值表A与F相反实现了非逻辑Y=A8.2.3三极管“非”门电路+UCC-UBBARKRBRCLT10截止饱和2.逻辑表达式：L=A“0”10“1”

1.电路“0”“1”AL“非”逻辑真值表3.逻辑符号1AL“与非”门电路有“0”出“1”，全“1”出“0”“与”门&ABCL&ABC“与非”门00010011101111011001011101011110ABLC“与非”逻辑真值表L=ABC逻辑表达式：1L“非”门“或非”门电路有“1”出“0”，全“0”出“1”1L“非”门00010010101011001000011001001110ABLC“或非”逻辑真值表“或”门ABC>1“或非”门LABC>1L=A+B+C逻辑表达式：例：根据输入波形画出输出波形ABL1有“0”出“0”，全“1”出“1”有“1”出“1”，全“0”出“0”&ABL1>1ABL2L28.2.4关于高低电平的概念及状态赋值

电位指绝对电压的大小；电平指一定的电压范围。高电平和低电平：在数字电路中分别表示两段电压范围例：上面二极管与门电路中规定高电平为≥3V，低电平≤0.7V。又如，TTL电路中，通常规定高电平的额定值为3V，但从2V到5V都算高电平；低电平的额定值为0.3V，但从0V到0.8V都算作低电平。1.关于高低电平的概念

2.逻辑状态赋值

在数字电路中，用逻辑0和逻辑1分别表示输入、输出高电平和低电平的过程称为逻辑赋值。经过逻辑赋值之后可以得到逻辑电路的真值表，便于进行逻辑分析。3.关于正逻辑和负逻辑的概念正逻辑体系：用1表示高电平，用0表示低电平。负逻辑体系：用1表示低电平，用0表示高电平。

正负逻辑的规定

正负逻辑的转换对于同一个门电路，可以采用正逻辑，也可以采用负逻辑。若无特殊说明，一律采用正逻辑体制。同一个门电路，对正、负逻辑而言，其逻辑功能是不同的。ABF0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V正与门相当于负或门二极管与门电路用正逻辑ABF000010100111正与门用负逻辑负或门ABF111101011000V

CC

+

(5V)

R

3k

W

L

D

1

D

2

D

3

A

B

C

0v若输入端中有任意一个为0V,另两个为+5V输入与输出电压关系

0V5V5V8.2.1二极管与门电路

输

入输出

VA

VBVCVL000000+5V00+5V000+5V+5V0+5V0+5V0+5V0+5V0+5V+5V00+5V+5V+5V+5V

输

入输出

VA

VBVCVL000000+5V00+5V000+5V+5V0+5V0+5V0+5V0+5V0+5V+5V00+5V+5V+5V+5V

输

入输出

A

B

C

L

LLLLLLHLLHLLLHHLHLLLHLHLHHLLHHHH

V

CC

+

(5V)

R

3k

W

L

D

1

D

2

D

3

A

B

C

＋5vA、B、C三个都输入高电平+5V5V5V5V

输

入输出

A

B

C

L

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

0

0

0

1

1

0

1

0

0

0

1

0

1

0

1

1

0

0

1

1

1

1

与逻辑真值表47

8.2.2二极管或门电路二极管或门电路或逻辑符号>1输入端A、B、C都为0V0V或逻辑真值表输入

输出

A

B

C

L

0

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

1

0

1

1

1

1

0

0

1

1

0

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

输入

输出

A

B

C

L

0

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

1

0

1

1

1

1

0

0

1

1

0

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

0V0V0V输入端中有任意一个为+5V＋5V或逻辑真值表输入

输出

A

B

C

L

0

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

1

0

1

1

1

1

0

0

1

1

0

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

输入

输出

A

B

C

L

0

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

1

0

1

1

1

1

0

0

1

1

0

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

0V5V0V三极管反相电路非逻辑符号反相器传输特性8.2.3非门电路─三极管反相器当输入为逻辑0时:0

vcc1

非逻辑真值表

输入A

输出L

非逻辑真值表

01当输入为逻辑1时:1

0.3v

0输入A

输出L

非逻辑真值表

01101.TTL反相器的产生:

若考虑基本反相器负载电容CL的影响，在反相器输出电压O由低向高过渡时，电路由VCC通过Rc对CL充电。

vccRcTCL8.3.1TTL反相器8.3TTL逻辑门电路三极管—三极管逻辑门电路

TTL门电路是双极型集成电路，与分立元件相比，具有速度快、可靠性高和微型化等优点，目前分立元件电路已被集成电路替代。

反之，当O由高向低过渡时，CL又将通过BJT放电。CL的充、放电过程均需经历一定的时间，必然会增加输出电压O波形的上升时间和下降时间，导致基本的BJT反相器的开关速度不高。故需寻求更为实用的TTL电路结构。

CL包含门电路之间的接线电容以及门电路的输入电容2.TTL反相器的基本电路

R

b1

4k

W

R

c

2

1.6k

W

R

c

4

130

W

T

4

D

T

2

T

1

+

–

v

I

T

3

+

–

v

O

负载

R

e2

1K

W

V

CC

(5V)

输入级

中间级

输出级

3.TTL反相器的工作原理

（1）当输入为低电平（I=0.2V）0.9V0.2VO≈VCC－VBE4－VD

＝5－0.7－0.7=3.6V

I

低电平(0.2V)T1深饱和T2截止T3截止T4放大O高电平（3.6V）（2）当输入为高电平（I=3.6V）

3.6V4.3V2.1V1.4V0.2VI

为高电平(3.6V)T1倒置放大T2饱和T3饱和T4截止O低电平0.2V）4.采用输入级以提高工作速度

（1）当TTL反相器I由3.6V变0.2V的瞬间0.9V1.4V

T1管的变化先于T2、T3管的变化；T1管Je正偏、Jc反偏，T1工作在放大状态。T1管射极电流1

iB1很快地从T2的基区抽走多余的存储电荷,从而加速了状态转换。5.采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力当输出为低电平时，T3处于深度饱和状态，T4截止，T3的集电极电流可以全部用来驱动负载。输出为高电平时，T3截止，T4组成的电压跟随器的输出电阻很小，所以输出高电平稳定，带负载能力也较强。3.6V

2.1V1.4V

0.2V

0.9V

0.2V

3.6V波形上升沿陡直。而当输出电压由高变低后，CL很快放电，输出波形的上升沿和下降沿都很好。输出端接有负载电容CL时，在输出由低到高跳变的瞬间，CL充电，其时间常数很小，使输出

2

v

O

/

V

5

4

3

2

1

0

3

.

6

V

.

48

V

0

.

2

V

1

2

E

D

C

B

A

0

.

4

V

1.1V

1.

2

V

v

I

/

V

I很低，T1的发射结为正向偏置。T1饱和使T2、T3截止，同时T4和D导通。O=3.6V。

I=B，T1仍维持饱和。但B2=C1增大使T2的发射结刚好正偏。B2=I+VCES，

I(B)=VF－VCES=0.6V－0.2V≈0.4VCD段：当I的值继续增加C点后，使T3饱和导通，O0.2VI(D)=BE3+BE2－CES1=(0.7+0.7－0.2)V=1.2V当I的值从D点再继续增加时，T1将进入倒置放大状态，保持O=0.2V

△B2=△I，BC段的斜率为dO/dI=Rc2/Re2=1.6。

I>B时，由T1的集电极供给T2的基极电流，但T1仍保持为饱和状态。在BC段内，T2对I的增量作线性放大:

6.TTL反相器的传输特性

8.3.1TTL反相器1.电路组成TTL反相器的基本电路

(1)输入级NPN当输入低电平时，

uI=0.3V，发射结正向导通，

uB1=1.0V当输入高电平时，

uI=3.6V，发射结受后级电路的影响将反向截止。uB1由后级电路决定。NNP(2)中间级反相器VT2实现非逻辑反相输出同相输出向后级提供反相与同相输出。输入高电压时饱和输入低电压时截止(3)输出级（推拉式输出）VT3为射极跟随器低输入高输入饱和截止低输入高输入截止导通2.工作原理（1）当输入高电平时，

uI=3.6V，VT1处于倒置工作状态，集电结正偏，发射结反偏，uB1=0.7V×3=2.1V，VT2和VT4饱和，输出为低电平uO=0.3V。2.1V0.3V3.6V（2）当输入低电平时，

uI=0.3V，VT1发射结导通，uB1=0.3V+0.7V=1V，VT2和VT4均截止，VT3和VD导通。输出高电平uO=VCC-UBE3-UD≈5V-0.7V-0.7V=3.6V1V3.6V0.3V(3)采用推拉式输出级利于提高开关速度和负载能力

VT3组成射极输出器，优点是既能提高开关速度，又能提高负载能力。当输入高电平时，VT4饱和，uB3=uC2=0.3V+0.7V=1V，VT3和VD截止，VT4的集电极电流可以全部用来驱动负载。当输入低电平时，VT4截止，VT3导通(为射极输出器)，其输出电阻很小，带负载能力很强。可见，无论输入如何，VT3和VT4总是一管导通而另一管截止。这种推拉式工作方式，带负载能力很强。

3.TTL反相器的电压传输特性及参数

电压传输特性：输出电压uO与输入电压uI的关系曲线。TTL反相器电路的电压传输特性截止区线性区转折区饱和区（1）曲线分析VT4截止，称关门VT4饱和，称开门（2）结合电压传输特性介绍几个参数

①输出高电平UOH典型值为3V。②输出低电平UOL典型值为0.3V。③开门电平UON一般要求UON≤1.8V④关门电平UOFF一般要求UOFF≥0.8V在保证输出为额定低电平的条件下，允许的最小输入高电平的数值，称为开门电平UON。在保证输出为额定高电平的条件下，允许的最大输入低电平的数值，称为关门电平UOFF。UOFFUON⑤阈值电压UTH电压传输特性曲线转折区中点所对应的uI值称为阈值电压UTH（又称门槛电平）。通常UTH≈1.4V。⑥噪声容限（UNL和UNH）噪声容限也称抗干扰能力，它反映门电路在多大的干扰电压下仍能正常工作。UNL和UNH越大，电路的抗干扰能力越强。UOFFUNLUILUONUNHUIH①低电平噪声容限（低电平正向干扰范围）

UNL=UOFF-UIL

UIL为电路输入低电平的典型值（0.3V）若UOFF=0.8V，则有UNL=0.8-0.3=0.5(V)

②高电平噪声容限（高电平负向干扰范围）

UNH=UIH-UONUIH为电路输入高电平的典型值（3V）若UON=1.8V，则有UNH=3-1.8=1.2(V)4.TTL反相器的输入特性和输出特性

（1）

输入伏安特性输入电压和输入电流之间的关系曲线。TTL反相器的输入伏安特性（a）测试电路（b）输入伏安特性曲线两个重要参数：

(1)输入短路电流IIS当uI=0V时，iI从输入端流出。

iI=－(VCC－UBE1)/R1=－(5－0.7)/4≈－1.1mA(2)高电平输入电流IIH当输入为高电平时，VT1的发射结反偏，集电结正偏，处于倒置工作状态，倒置工作的三极管电流放大系数β反很小(约在0.01以下)，所以

iI=IIH=β反

iB2

IIH很小，约为10μA左右。输入负载特性曲线（a）测试电路（b）输入负载特性曲线TTL反相器的输入端对地接上电阻RI时，uI随RI

的变化而变化的关系曲线。（2）输入负载特性在一定范围内，uI随RI的增大而升高。但当输入电压uI达到1.4V以后，uB1=2.1V，RI增大，由于uB1不变，故uI=1.4V也不变。这时VT2和VT4饱和导通，输出为低电平。虚框内为TTL反相器的部分内部电路

RI不大不小时，工作在线性区或转折区。RI较小时，关门，输出高电平；RI较大时，开门，输出低电平；ROFFRONRI→∞悬空时？(1)

关门电阻ROFF

——在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许RI

的最大值称为关门电阻。典型的TTL门电路ROFF≈0.7kΩ。

(2)开门电阻RON——在保证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许RI

的最小值称为开门电阻。典型的TTL门电路RON≈2kΩ。数字电路中要求输入负载电阻RI≥RON或RI≤ROFF，否则输入信号将不在高低电平范围内。振荡电路则令ROFF≤RI≤RON使电路处于转折区。(3）输出特性指输出电压与输出电流之间的关系曲线。(1)输出高电平时的输出特性负载电流iL不可过大，否则输出高电平会降低。输出高电平时的输出特性（a）电路（b）特性曲线拉电流负载图2-14输出低电平时的输出特性（a）电路（b）特性曲线(2)输出低电平时的输出特性负载电流iL不可过大，否则输出低电平会升高。一般灌电流在20mA以下时，电路可以正常工作。典型TTL门电路的灌电流负载为12.8mA。灌电流负载

4.TTL反相器的其它参数

1.平均传输延迟时间tpd

平均传输延迟时间tpd表征了门电路的开关速度。tpd=（tpLH+tpHL）/2

TTL反相器的平均延迟时间

2．TTL门电路主要参数的典型数据74系列TTL门电路主要参数的典型数据参数名称典型数据导通电源电流ICCL

≤10mA截止电源电流ICCH

≤5mA输出高电平UOH

≥3V输出低电平UOL

≤0.35V输入短路电流IIS

≤2.2mA输入漏电流IIH

≤70μA开门电平UON

≤1.8V关门电平UOFF

≥0.8V平均传输时间tpd

≤30ns8.3.2TTL与非门1.TTL与非门电路多发射极BJT

T

1

e

e

e

e

b

b

c

c

A

B

&

C

E2E3E1B等效电路C2.TTL与非门电路的工作原理

任一输入端为低电平时:T1的发射结正向偏置而导通，T2截止。输出为高电平。TTL与非门各级工作状态

I

T1

T2

T3

T4

O

输入全为高电平(3.6V)倒置使用的放大状态饱和饱和截止低电平（0.2V）输入有低电平(0.2V)深饱和截止截止放大高电平（3.6V）只有当全部输入端为高电平时：

T1将转入倒置放大状态，T2和T3均饱和，输出为低电平。

v

O

/

V

5

4

3

2

1

0

3

.

6

V

2

.

48

V

0

.

2

V

1

2

E

D

C

B

A

0

.

4

V

1.1V

1.

2

V

v

I

/

V

各种类型的TTL门电路，其传输特性大同小异。VOH≈VO(A)＝3.6VVOL＝VCES

＝0.2VVIL

＝VI(B)＝0.4VVIH

＝VI(D)＝1.2V（1）TTL与非门传输特性（2）输入、输出的高、低电压

3.TTL与非门的技术参数（3）TTL与非门噪声容限

输入噪声容限:输入高电平的噪声容限为VNH=VOH(min)–VIH(min)

1

驱动门

v

o

1

负载门

v

I

噪声

1

输出

1

输入

0

输入

0

输出

v

o

v

I

+

V

DD

0

V

N

H

V

OH

(

min

)

V

IH

(

min

)

V

N

L

V

OL

(

max

)

V

IL

(

max

)

+

V

DD

0

输入低电平的噪声容限为VNL=VIL(max)–VOL(max)

当电路受到干扰时，在保证输出高、低电平基本不变的条件下，输入电平的允许波动范围。带灌电流负载：输出低电平时。88

（4）扇入与扇出系数

扇入数:取决于门的输入端的个数

扇出数:带同类门的个数。有带灌电流负载和拉电流负载两种情况:负载门驱动门

0

V

CC

(5V)

R

b1

4k

W

T

1

I

IL

T

4

T

3

R

c4

130

W

D

当负载门的个数增加时，总的灌电流IIL将增加,引起输出低电压VOL的升高。IILIOL101&89

1&负载门驱动门

1

V

CC

(5V)

R

b1

4k

W

T

1

I

IL

T

4

T

3

R

c4

130

W

D

01带拉电流负载：门输出高电平时当负载门的个数增多时，必将引起输出高电压的降低。IIHIOH例查得基本的TTL与非门7410的参数如下：IOL＝16mA，IIL＝－1.6mA，IOH＝0.4mA，IIH＝0.04mA.试计算其带同类门时的扇出数。解：(1)低电平输出时的扇出数

(2)高电平输出时的扇出数

若NOL≠NOH，则取较小的作为电路的扇出数。例题：扇出数计算举例

电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间。(5)传输延迟时间

输入

同相

输出

反相

输出

50%

t

PLH

50%

90

%

10

%

t

r

t

PLH

90

%

50%

10%

t

f

50%

t

PLH

t

PLH

90

%

50%

10

%

t

f

90

%

50%

10%

t

r

V

OL

V

O

H

V

OL

V

OH

0V

V

CC

平均传输延迟时间tPd＝(tPLH+tPHL)/2tPLH为门电路输出由低电平转换到高电平所经历的时间;tPHL为由高电平转换到低电平所经历的时间。——表征门电路开关速度的参数（6）功耗与延时功耗积①功耗分为:静态功耗：动态功耗：对于TTL门电路来说，静态功耗是主要的。②延时功耗积DP=tpdPD指的是当电路没有状态转换时的功耗是在门的状态转换的瞬间的功耗。是一综合性的指标，用DP表示，其单位为焦耳。DP的值愈小，表明它的特性愈接于理想情况。

8.3.2TTL与非门

每一个发射极能各自独立形成正向偏置的发射结，并可使三极管进入放大或饱和区。 多发射极三极管

1．TTL与非门的电路结构及工作原理有0.3V箝位于1.0V全为3.6V集电结导通三输入TTL与非门电路(a)电路(b)逻辑符号全1输出0有0输出11V2.1V为了提高工作速度，降低功耗，提高抗干扰能力，各生产厂家对门电路作了多次改进。74系列与54系列的电路具有完全相同的电路结构和电气性能参数。其不同之处见下表所示。系列参数74系列54系列工作环境温度0~70OC-55~125OC电源电压工作范围5V±5%5V±10%2．TTL门电路的改进系列不同系列TTL门电路的比较系列参数54/74标准54H/74H高速54S/74S肖特基tpd/ns1064P/门/mw1022.520系列参数54LS/74LS低功耗肖特基54ALS/74ALS低功耗肖特基高速tpd/ns104P/门/mw21其中LS系列的综合性能(功耗延迟积)较优，价格较ALS系列优越，因此得到了较广的应用。

对于不同系列的TTL器件，只要器件型号的后几位数码一样，则它们的逻辑功能、外形尺寸、引脚排列就完全相同。

例如，7420、74H20、74S20、74LS20都是四输入双与非门，都采用14条引脚双列直插式封装，而且各引脚的位置也是相同的。1.集成逻辑门系列简介（1）TTL门电路系列TTL门电路分为54（军用）和74（商用）两大系列，每个系列又有若干子系列。

74标准系列74L低功耗系列74H高速系列74S肖特基系列74LS 低功耗肖特基系列74AS先进的肖特基系列74ALS 先进的低功耗肖特基系列相同品种类型代码的逻辑电路，逻辑功能及引脚排列相同。7400、74LS00、74ALS00、74HC00、74AHC00管脚图：如：TTL门电路芯片（四2输入与非门，型号74LS00

)地GND外形&&&143121110981234567&管脚电源VCC（+5V）名称国际常用系列型号国产部标型号说明四2输入与非门74LS00T1000四2输入或门四2异或门四2输入或非门四2输入与门双4输入与非门双4输入与门六反相器8输入与非门74LS3274LS0274LS0874LS8674LS2174LS2074LS3074LS04T186T1008T1086T1021T1002一个组件内部有四个门，每个门有两个输入端一个输出端。一个组件内有两个门，每个门有4个输入端。只一个门，8个输入端。有6个反相器。各子系列传输延迟（ns/门）功耗（mW/门）扇出系数74XX10101074LXX3311074HXX6221074SXX3191074LSXX921074ASXX1.584074ALSXX4120TTL74系列各子系列参数对比（2）CMOS门电路系列CMOS门电路可分为4000系列、74CXX系列和硅-氧化铝系列等三大系列。逻辑系数电源电压V功耗mW/门传输延迟ns/门4000B3~182.525~10074HC/HCTXX2~61.21074AC/ACTXX2~60.95各系列CMOS电路的主要技术参数各类集成逻辑门的主要技术指标如表3-7所示。由表可见，在各类逻辑门中，ECL逻辑门的传输延迟最小，工作速度最高，但抗干扰能力最差，功耗也最大；CMOS逻辑门抗干扰能力和带负载能力都最强，功耗也最低，但传输延迟较大，工作速度较低。分类参数双极型门电路单极型门电路TTLLSTTLECLNMOSCMOS功耗（mW/门）10~50250~1001~100.001~0.01传输延迟（ns/门）10`4051~2300~40040抗干扰容限（V）110.23~445%ED抗干扰能力中中弱较强强扇出系数（NO）88101015逻辑摆幅（V）3.33.30.83~4ED电源电压（V）55-5.2155~15电路基本形式与非与非或/或非或非与非/或非表3-7集成逻辑门电路的性能比较输入级V1、R1倒相级V2、R2、R3输出级V4、V5、VD3、R4保护二极管:VD1、VD2图中，输入端接有用于保护的二极管VD1和VD2。当输入端加正向电压时，相应二极管处于反向偏置，具有很高的阻抗，相当于开路；如果一旦在输入端出现负极性的干扰脉冲，VD1和VD2便会导通，使A、B两端的电位被钳制在-0.7V左右，以保护多发射极晶体管V1不致被损坏。任意一个输入端加入低电平，例如A=vI=0.3V，则

vB1=0.3+0.7=1VvB1=1VV2、V5截止

V4、VD3导通vo=VCC–VR2–

Vbe4–VVD3

5–0.7–0.7=3.6VF=1(高电平）较小设PN结导通电压为0.7V，三极管饱压降为0.3VvB1=2.1Vvo=0.3VvC2=1VV2,V5导通，三个PN结的箝位作用使vB1=2.1V，V1发射结反偏。vC2=vCE2+vBE5=0.3+0.7=1V，不足以使V4、VD3同时导通V5导通，V4、VD3截止，vo=0.3V,F=0低电平2）两输入端同时输入高电平，A=B=vI=3.6V，其它几个系列与非门的主要区别（1）CT54H/74H高速系列2输入门①电路中所有的电阻值都减少了。②输出级V5管的有源负载改由V3和V4组成的复合管，通常叫做达林顿图腾柱结构，进一步提高了驱动负载的能力和工作速度，但其功耗增加了一倍以上，目前，这类产品的生产已经很少了。CT54H/74H高速系列输入与非门(2)肖特基系列2输入与非门。输入级中间级输出级8.3.2TTL“与非”门电路1.电路T5Y

R3R5AB

CR4R2R1T3T4T2+5VT1多发射极三极管E2E3E1B等效电路CT5Y

R3R5AB

CR4R2R1T3T4T2+5VT1“1”(3.6V)(1)输入全为高电平“1”(3.6V)时2.工作原理4.3VT2、T5饱和导通钳位2.1VE结反偏截止“0”(0.3V)负载电流（灌电流）输入全高“1”,输出为低“0”1VT5YR3R5AB

CR4R2R1T3T4T2+5VT11VT2、T5截止负载电流（拉电流）(2)输入端有任一低电平“0”(0.3V)(0.3V)“1”“0”输入有低“0”输出为高“1”流过E结的电流为正向电流VY5-0.7-0.7

=3.6V5V有“0”出“1”全“1”出“0”“与非”逻辑关系00010011101111011001011101011110ABYC“与非”门逻辑状态表Y=ABC逻辑表达式：Y&ABC“与非”门(1)电压传输特性：输出电压UO与输入电压Ui的关系。CDE3.TTL“与非”门特性及参数电压传输特性测试电路01231234Ui/VUO/V&+5VUiUoVVABABCDE(2)TTL“与非”门的参数电压传输特性典型值3.6V，2.4V为合格典型值0.3V，0.4V为合格输出高电平电压UOH输出低电平电压UOL输出高电平电压UOH和输出低电平电压UOLUO/V01231234Ui/VABDE低电平噪声容限电压UNL—保证输出高电平电压不低于额定值90%的条件下所允许叠加在输入低电平电压上的最大噪声（或干扰）电压。UNL=UOFF–UIL允许叠加干扰定量说明门电路抗干扰能力UOFF

UOFF是保证输出为额定高电平的90%时所对应的最大输入低电平电压。0.9UOH输入低电平电压UIL01231234Ui/VUO/V输入高电平电压UIHAB高电平噪声容限电压UNH—保证输出低电平电压的条件下所允许叠加在输入高电平电压上的最大噪声（或干扰）电压。UNH=UIH–UON允许叠加干扰定量说明门电路抗干扰能力UON

UON是保证输出为额定低电平时所对应的最小输入高电平电压。DE01231234Ui/VUO/V

指一个“与非”门能带同类门的最大数目，它表示带负载的能力。对于TTL“与非”门NO

8。输入高电平电流IIH和输入低电平电流IIL

当某一输入端接高电平，其余输入端接低电平时，流入该输入端的电流，称为高电平输入电流IIH（A）。

当某一输入端接低电平，其余输入端接高电平时，流出该输入端的电流，称为低电平输入电流IIL（mA）。扇出系数NO10

当某一输入端接低电平，其余输入端接高电平时，流出该输入端的电流，称为低电平输入电流IIL（mA）。若要保证输出为高电平，则对电阻值有限制RIIL<UNL&&Y11R平均传输延迟时间tpd50%50%tpd1tpd2TTL的tpd约在10ns~40ns，此值愈小愈好。输入波形ui输出波形uO8.3.3集电极开路门（OC门）为何要采用集电极开路门呢？

推拉式输出电路结构存在局限性。首先，输出端不能并联使用。若两个门的输出一高一低，当两个门的输出端并联以后，必然有很大的电流同时流过这两个门的输出级，而且电流的数值远远超过正常的工作电流，可能使门电路损坏。而且，输出端也呈现不高不低的电平，不能实现应有的逻辑功能。

推拉式输出级并联的情况01很大的电流不高不低的电平：1/0?其次，在采用推拉式输出级的门电路中，电源一经确定（通常规定为5V），输出的高电平也就固定了（不可能高于电源电压5V），因而无法满足对不同输出高电平的需要。集电极开路门（简称OC门）就是为克服以上局限性而设计的一种TTL门电路。

(1)电路结构：输出级是集电极开路的。1．集电极开路门的电路结构和工作原理(2)逻辑符号：用“

”表示集电极开路。集电极开路的TTL与非门（a）电路（b）逻辑符号集电极开路(3)工作原理：当VT3饱和，输出低电平UOL＝0.3V；当VT3截止，由外接电源E通过外接上拉电阻提供高电平UOH＝E。

因此，OC门电路必须外接电源和负载电阻，才能提供高电平输出信号。(1)OC门的输出端并联，实现线与功能。RL为外接负载电阻。图2-20OC门的输出端并联实现线与功能

Y1Y2Y000010100111Y1=ABY2=CD2.OC门的应用举例用OC门实现电平转换的电路

（2）用OC门实现电平转换8.3.4三态输出门电路（TS门）三态门电路的输出有三种可能出现的状态：高电平、低电平、高阻。何为高阻状态？

悬空、悬浮状态，又称为禁止状态。测电阻为∞，故称为高阻状态。测电压为0V，但不是接地。因为悬空，所以测其电流为0A。(1)电路结构：增加了控制输入端（Enable）。1．三态门的电路结构(2)工作原理：01截止Y＝ABEN=0时，电路为正常的与非工作状态，所以称控制端低电平有效。10导通1.0V1.0V截止截止悬空当EN=1时，门电路输出端处于悬空的高阻状态。控制端高电平有效的三态门(2)逻辑符号控制端低电平有效的三态门用“▽”表示输出为三态。高电平有效低电平有效2．三态门的主要应用－实现总线传输要求各门的控制端EN轮流为高电平，且在任何时刻只有一个门的控制端为高电平。用三态门实现总线传输

如有8个门，则8个EN端的波形应依次为高电平，TSL门的应用：①作多路开关：E=0时，门G1使能，G2禁止，Y=A；E=1时，门G2使能，G1禁止，Y=B。②信号双向传输：E=0时信号向右传送，B=A；E=1时信号向左传送，A=B。③构成数据总线：让各门的控制端轮流处于低电平，即任何时刻只让一个TSL门处于工作状态，而其余TSL门均处于高阻状态，这样总线就会轮流接受各TSL门的输出。1.TTL或非门

8.3.3TTL或非门、OC门和三态门电路

R

1A

R

1

R

1

B

R

4

V

CC

T

1A

T

2A

T

2

B

B

D

T

3

R

3

T

4

A

T1B

L

R

1A

R

1

R

1

B

R

4

V

CC

A

T

1A

T

2A

T

2

B

T

1B

B

D

L

T

3

R

3

T

4

TTL或非门的逻辑电路若二输入端为低电平

0.9v0.2v0.2v0.9v3.6V

若A、B两输入端都为高电平

R

1A

R

1

R

1

B

R

4

V

CC

A

T

1A

T

2A

T

2

B

T

1B

B

D

L

T

3

R

3

T

4

2.1v3.6v3.6v2.1v0.3V

问题：若A、B两输入端中有一个为高电平，输出L=?2.集电极开路门(OpenCollectorGate)

vOHvOLX

TTL

电路

TTL

电路

D

C

B

A

T

1

T

2

V

CC

R

P

L

A

B

C

D

&

)

(

)

(

CD

AB

L

=

V

CC

(5V)

R

c

4

130

W

R

c2

1.6k

W

R

b

2

1.6k

W

T

4

T

2

T

3

T

1

A

B

R

e

2

1k

W

D

集电极开路门上拉电阻Rp的计算

TTL

电路

TTL

电路

D

C

B

A

T

1

T

2

V

CC

L

R

P

在极限情况，上拉电阻Rp具有限制电流的作用。以保证IOL不超过额定值IOL(max)，故必须合理选用Rp的值。

另一方面，Rp的大小影响OC门的开关速度，Rp的值愈大，因而开关速度愈慢Rp(min)

集电极开路门上拉电阻Rp的计算举例

例:设TTL与非门74LS01(OC)驱动八个74LS04(反相器)，试确定一合适大小的上拉电阻Rp，设VCC＝5V。解：从器件手册查出得：VCC=5V，VOL(max)=0.4V，IOL(max)=8mA，IIL=400A，VIH(min)=2V,IIH=20A。IIL(total)=400A×8=3.2mA得

VCC=5V，IIH(total)=20A×8=0.16mA。

Rp的值可在985至18.75k,之间选择,可选1k的电阻器为宜。所以

集电极开路门的缺点：由于OC门输出不是推拉式(Totem)结构，电路的上升延迟很大，这是因为：T3退出饱和状态很慢；对输出负载电容的充电电流只能通过外接的RL来提供。因此，输出波形的上升沿时间很大。

3.三态与非门(TSL)三态钳位电路

R

1

R

2

R

4

V

CC

T4

L

T3

R3

T1

与非门

A

B

CS

T5

T6

T7

R5

R6

6

V

CC

D3.6V1.4V0.7V当CS=1时CS

数据输入端

输出端L

A

B

1

0

0

1

0

1

1

1

0

1

1

1

0

0三态与非门真值表

=AB当CS=0时0.2V0.9V低电平0.9V开路CS

数据输入端输出端LA

B

1

0

0

1

0

1

1

1

0

1

1

1

0

0

×

×

高阻

三态与非门真值表

A

B

CS

&

L

高电平使能CS=0

____

R

1

R

2

R

4

V

CC

T4

L

T3

R3

T1

与非门

A

B

CS

T5

T6

T7

R5

R6

6

V

CC

D=

=

高阻状态与非功能

Z

L

AB

L

CS=1

另一种形式的三态与非门：CS

数据输入端输出端L

A

B

0

0

0

1

0

1

1

1

0

1

1

1

0

1

×

×

高阻

三态与非门真值表

低电平使能____

=

=

高阻状态

与非功能

Z

L

AB

L

CS=1

CS=0

A

B

CS

&

L

三态与非门的应用：两个三态门和总线相连电路1、2只能有一个处于正常态

若要求D1向BUS传送，则应有：

若要求D2向BUS传送，则应有：1BUS2三态与非门的应用：双向传输当CS=0时，门1工作，门2禁止，数据从A送到B；当CS=1时，门1禁止，门2工作，数据从B送到A。8.3.3三态输出“与非”门“0”控制端DET5Y

R3R5AB

R4R2R1T3T4T2+5VT11.电路导通1V1V截止截止当控制端为低电平“0”时，输出Y处于开路状态，也称为高阻状态。当控制端为高电平“1”时，实现正常的“与非”逻辑关系Y=A•B“1”控制端DET5Y

R3R5AB

R4R2R1T3T4T2+5VT1截止&YEBA逻辑符号0

高阻0

0

1

1

0

1

11

1

0

111

1

10表示任意态三态输出“与非”状态表ABEY输出高阻功能表三态门应用：可实现用一条总线分时传送几个不同的数据或控制信号。“1”“0”“0”如图所示：总线&A1B1E1&A2B2E2&A3B3E3A1

B11.电路有源负载&YCBA逻辑符号T5Y

R3AB

CR2R1T2+5VT1RLU

8.3.5集电极开路“与非”门电路(OC门)OC门的特点：1.输出端可直接驱动负载如：Y&CBAKA+24VKA~2202.几个输出端可直接相联&A1B1C1Y1&A2B2C2Y2&A3B3C3Y3URLY“1”“0”“0”“1”“线与”功能0

MOS门电路：以MOS管作为开关元件构成的门电路。