数电-第三章-门电路

第二章逻辑门电路2.1二极管的开关特性及二极管门电路2.3TTL逻辑门电路2.4CMOS门电路本章小结2.2三极管的开关特性及反相器门电路门电路是构成数字电路的基本单元第二章逻辑门电路实现各种基本逻辑关系的电子电路称为门电路门电路中的二极管和三极管都工作在开关状态在数字电路中，只要能明确区分高电平和低电平两个状态就可以了，所以，高电平和低电平都允许有一定的范围。因此，数字电路对元器件参数精度的要求比模拟电路要低一些。§2.0概述一、正逻辑与负逻辑正逻辑：用高电平表示逻辑1，用低电平表示逻辑0负逻辑：用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑0正负逻辑之间存在着简单的对偶关系，例如正逻辑与门等同于负逻辑或门等。在数字系统的逻辑设计中，若采用NPN晶体管和NMOS管，电源电压是正值，一般采用正逻辑。若采用的是PNP管和PMOS管，电源电压为负值，则采用负逻辑比较方便。今后除非特别说明，一律采用正逻辑。二、数字系统中所用的为两值逻辑0和1，一般用高、低电平来表示，我们利用开关S获得高、低电平。如图1示：

VI控制开关S的断、通情况。S断开，VO为高电平；S接通，VO为低电平。使用的实际开关为晶体二极管、三极管以及场效应管等电子器件。

逻辑电平高电平VH：大于给定电平值的电压范围输入高电平VIH输出高电平VOH低电平VL：小于给定电平值的电压范围输入低电平VIL输出低电平VOL逻辑“0”和逻辑“1”对应的电压范围宽，因此在数字电路中，对电子元件、器件参数精度的要求及其电源的稳定度的要求比模拟电路要低工艺分类双极型门电路MOS门电路Bi-CMOS电路基本逻辑门电路与门、或门、非门常用门电路与门、或门、非门与非门、或非门、与或非门、同或、异或三、门电路概述2.1二极管的开关特性及二极管门电路理想开关特性的静态特性：先看一个简单的单向阀的开关特性闭合时电阻为0实际上开关闭合时总是有一个很小的电阻，断开时电阻不可能为∞，转换过程总要花一定的时间开关动作在瞬间完成断开时电阻为∞正向反向单向阀的开关特性球体球体tt压力流量00压力=0时压力为正时球体在喇叭口处球体在喇叭以上压力为突变为负时喇叭口球体在喇叭以上球体在喇叭口处流量0t理想特性开关动作不能瞬间完成关闭时还有一定的泄露只有正向压力足以顶起球体时才开启（图中没有画出）单向阀的工作并不理想有泄漏二极管具有单向导电性一、二极管的开关特性（一）静态特性二极管加正向电压时导通，伏安特性很陡，压降很小（硅管：0.7V，锗管0.3V），可以近似看作是一个闭合的开关二极管加反向电压时截止，截止后的伏安特性具有饱和特性（反向电流几乎不随反向电压的增大而增大）且反向电流很小（nA级），可以近似看作是一个断打开的开关伏安特性0uDiD导通时的等效电路截止时的等效电路+--+存储时间（二）动态特性当uD

为一矩形电压时电流波形的不够陡峭（不理想）tt00反向恢复时间漏电流iDuDuDiD上升时间二极管VD的电流的变化过程上升时间、恢复时间都很小，基本上由二极管的制作工艺决定常用的开关二极管是：IN4148。存储时间与正向电流，反向电压有关。VDR波形和“单向阀”的特性是相似的这就限制了二极管的最高工作频率二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。数字电路的输入和输出信号只有高电平（UIH和U0H

）和低电平（UIL和U0L

）两种状态。二、正负逻辑问题用1表示高电平，用0表示低电平，称为正逻辑用0

表示高电平，用1

表示低电平，称为负逻辑通常采用正逻辑，除非殊声明关于高电平和低电平高电平和低电平是相对的，不是一个定值三、二极管与门ABVD1YUCC（5V）VD2RA、B——输入，Y——输出设：UIH=3V，UIL=0V只要A、B中有一个为低电平（0V），二极管正向导通压降UDF=0.7V。只有A、B同时为高电平（3V），以A=0为例0V0.7V则相应的二极管导通，Y就为低电平（0.7V），即：只要AB=0，则Y=0。即：只有AB=1，才有Y=1。3V3V3.7VY才为高电平（3.7V）。逻辑符号所以：Y=AB只有A、B同时为高电平（3V），Y才为高电平（3.7V）。即：只有AB=1，才有Y=1。只要A、B中有一个为低电平（0V），Y就为低电平（0.7V），即：只要AB=0，则Y=0。逻辑电平关系真值表A/VB/VY/VABY000.7正逻辑000ABVD1YUCC（5V）VD2R030.7300.7333.7010100111这种与门电路虽然很简单，但存在着严重的缺点

1、输出电平都比输入电平高出0.7V——电平偏离，如果将三个这种门级联（前级的输出作为后级的输入），UCC（5V）0V则最后一级的输出低电平偏离到2.1V，已接近规定的输入的高电平，会造成逻辑混乱。0.7V1.4V2.1VVD1VD2RVD1VD2RVD1VD2RVD1VD2RUCC（5V）RL=R3V3V3.7V2.5V这种与门电路虽然很简单，但存在着严重的缺点

2、当输出端对地接上负载电阻（常称为下拉负载）时，会使输出高电平降低，即带负载能力差，严重时会造成逻辑混乱。四、二极管或门ABVD1YVD2RA、B——输入，Y——输出设：UIH=3V，UIL=0V只要A、B中有一个为高电平（3V），二极管正向导通压降UDF=0.7V。只有A、B同时为低电平（0V），两个二极管均截止。以A=1为例0V0V则相应的二极管导通，Y就为低电平（2.3V），即：只要A+B=1，则Y=1。3V2.7VY才为低电平（0V）,即：只有A+B=0，才有Y=0逻辑符号所以：Y=A+B0V只有A、B同时为低电平（0V），Y才为低电平（0V）。即：只有A+B=0，才有Y=0。只要A、B中有一个为高电平（3V），Y就为高电平（2.3V），即：只要A+B=1，则Y=1。逻辑电平关系真值表A/VB/VY/VABY000正逻辑000032.3302.3332.3011101111ABVD1YVD2R这种或门电路同样存在“电平偏离”和带载能力差的问题2.2三极管的开关特性及反相器三极管是电流控制的电流源，在模拟电路中，工作在放大区。在数字电路中工作在饱和区或截止区——开关状态。下面以NPN硅管为例进行分析ICSIBSIB=0UCCiCuCEuOuiiBTRcRBUCC饱和区放大区截止区uCEiC0负载线三极管CE之间相当于一个开关：在饱和区“闭合”，截止区“断开”iCuCEuOui=0.3ViBTRcRBUCC饱和区截止区ICSIBSIB=0UCCuCEiC0一、三极管开关特性1.三极管的截止条件和等效电路当输入信号uI=UIL=0.3V时（UBE=0.3V<0.5V）三极管截止，可靠截止条件为:UBE<0V截止时，iB、iC都很小，三个极均可看作开路iC

≈0，uO=UOH=UCC输入特性0uBE/ViB0.50.7iB=0，等效电路BCE输出特性2.三极管的饱和条件和等效电路在模拟电路中，为了不产生失真，通常规定饱和时UCES=1V。由于三极管的输入特性很陡，通常认为饱和时的UBES和导通时的UBE相等（硅管：0.7V，锗管0.3V）在数字电路中，为了更接近理想开关，规定饱和时UCES=0.3V。输入特性0uBE/ViB/μAUBES饱和区截止区ICSIBSIB=0UCCuCEiC0输出特性UCES将三极管刚刚从放大进入饱和时的状态称为：临界饱和状态。当输入信号uI=UIH=3.2V时iCuCEuOui=3.2ViBTRcRBUCCIB=0UCCuCEiC0输出特性ICSIBSUCES临界饱和集电极电流：定义饱和深度：临界饱和基极电流：可靠饱和条件为：iB≥IBSUCESBCEUBES等效电路＋－RbRc+VCCbce＋－截止状态饱和状态iB≥IBSui=UIL<0.5Vuo=+VCCui=UIHuo=0.3V＋－RbRc+VCCbce＋－＋＋－－0.7V0.3V饱和区截止区放大区3.三极管三极管的动态开关特性当基极施加一矩形电压uI时截止到饱和所需的时间称为开启时间ton，它基本上由三极管自身决定。iCuCEuIiBTRcRBUCCuOiC、uO波形不够陡峭，

iC、uO滞后于uI，即三极管在截止与饱和状态转换需要一定的时间。这是由三极管的结电容引起的，内部载流子的运动过程比较复杂。uI

iC

uO

UIL

UIL

ICS

0

Ucc

UCES

tontoff饱和到截止所需的时间称为关闭时间toff，它与饱和深度S有直接关系，S越大toff越长。②ui=0.3V时，因为uBE<0.5V，iB=0，三极管工作在截止状态，ic=0。因为ic=0，所以输出电压：①ui=1V时，三极管导通，基极电流：因为0<iB<IBS，三极管工作在放大状态。iC=βiB=50×0.03=1.5mA，输出电压：三极管临界饱和时的基极电流：uo=uCE=UCC-iCRc=5-1.5×1=3.5Vuo=VCC=5V③ui＝3V时，三极管导通，基极电流：而因为iB>IBS，三极管工作在饱和状态。输出电压：uo＝UCES＝0.3V二、反相器（非门）

一般开关电路分析要点：

1

.先假定所有开关器件全部断开（截止）；2.输入端分别加低电平和高电平，从输入端开始逐个器件进行分析3.判断是否满足导通条件；若不满足，该器件截止，分析下一器件4.导通时，判断是否满足饱和条件；确定后，分析下一器件；

所有开关器件状态确定后，讨论下列特性：传输特性（电路功能）：输入电平—输出电平关系

输入特性：在高/低电平输入时，输入端电流特性（大小，方向）输出特性：在高/低电平输出时，输出端电流特性（大小，方向）

二、反相器（非门）

二、反相器（非门）

设三极管的β=20；UCES=0.3V，UBES=0.7V，UIL=0.3V，UIH=3.2V

（一）逻辑功能分析

1.当uI=UIL=0.3V，即：A=0时假设三极管截止TRCR1UCC=5VR24.7KUBB=-5VuouI10K56KEBCuO=UOH=5V，即Y=1象这样的电路（UBB是负电源），当uI=UIL=0.3V时三极管一定能可靠截止，就不必分析了。UBE<0.5V，三极管截止，假设成立，iC≈0iC0.3V5V2.当uI=UIH=3.2V，即：A=1时假设三极管饱，UBES=0.7V，UCES=0.3V可见：iB>iBS

，即假设成立实现了逻辑非：TRCR1UCC=5VR24.7KUBB=-5VuouI10K56KEBCuO=UOL=UCES=0.3V，即Y=0它是一个非门（也称反相器）R1R2UBB=-5VuI10K56K0.7V3.2V3.2Vi1i2iBUILmax

(二）电压传输特性

电压传输特性就是uI和uI关系曲线。当UIL上升到一定程度UILmax时，UBE=0.5V，三极管将退出截止转入放大，输出电压将会下降。0.5V代入有关的参数，

UILmax

≈1.5V当UIH降低到一定程度UIHmin时，iB=iBS

，三极管将退出饱和转入放大，输出电压将会上升。

代入有关的参数，

UIHmin≈2.2VuO/VuI/V055R1R2UBB=-5V10K56KBUILmaxiB=0UIHmin

R1R2UBB=-5V10K56KBUIHminiB=00.7V当1.5V<uI<2.2V，三极管工作在放大区，输出电压随输入电压的增大而线性减小。UILmax

uO/VuI/V055UOFF通常用抗干扰容限来表示抗干扰能力。“容限”可理解：作为一个实用电路必须容许有干扰，但不能太大，是有限制的。(三)抗干扰能力1.关门电平UOFF

反相器输出高电平（不是空载时的5V，要比5V低一些，如3.2V）时，称为关门或截止状态保证反相器关门（输出为高电平）的输入低电平的最大值叫关门电平UOFF

，它比UILmax略大一点。3.2关门2.开门电平UON

保证反相器开门（输出为低电平）的输入高电平的最小值叫开门电平UON，它基本上就是UIHmin。由此可见，电压传输特性越陡电路的抗干扰能力就越强。UIHmin

uO/VuI/V055UON关门反相器输出低电平时，称为开门或饱和状态。UILN=UOFF-UIL4.输入高电平时的扰干扰容限UIHNUIHN

=UIH-UON

3.输入低电平时的抗干扰容限UILNUILUIHUOFFUILNUIHN(四)反相器的带负载能力（输出特性）

按负载电流的实际方向分为两种：1.输出高电平时的带拉电流负载能力IOHTR1R2UBB=-5VuI10K56K通常认为：IOH

就是uO降到0.9UOH=0.9×3.2=2.88（V）时的iO反相器输出高电平时的等效电路不难看出，随着iO的增大（RL减小）uO降低。RC越大特性越软，带负载能力越差输出特性曲线uO/V0iO/mA15IOHiORLRCUCC=5V4.7Kuo实际电流流向反相器称为灌电流负载实际电流流向负载叫拉电流负载2.88VTTL（Transistor-Transistor-Logic）——输入输出都是由三极管来完成的逻辑电路。一、TTL非门的工作原理T1是输入级，T2是倒相级，T3

、T4

是输出级。2.3TTL门电路D1起保护作用，D2起电平移位所有的TTL电路工作电压都是5V。UCCR1R2R4T3D2T4R3D1T1T2uouIYA电路集成门电路的发展方向：高速、低功耗、高抗干扰能力、带负载能力强。T1的集电极电流是T2

的极小的反向基极电流（可以理解为T2

的的集电极电阻很大），所以T1饱和、T2、T4截止，T3

、D2

导通。UCCR1R2R4T3D2T4R3D1T1T2uouIYA由于T3工作在射极输出器状态，所以带拉电流负载能力较强。uI=UIL时uO=UOH3.6V0.3V设UIL=0.3V，UIH=3.2V可以认为T4截止时有一个很小的漏电流，作为T3的下拉负载，但负载很轻，T3的基极电流就更小了，空载（没有外部负载）时，uO

=5–UBE3–UD2=3.6V。uI=UIH时UCCR1R2R4T3D2T4R3D1T1T2uouIYAuC2=UBES4+UBES2≈0.7+0.3=1V，迫使T3

、T2截止，由于T4饱和。可见输出和输入之间是反相关系，即:空载输出时约为0.3V3.2V1.4V1V0.7V0.3VuO=UOLuE1=3.2V，而T1的集电极被T2、T4的发射结限幅，uC1=1.4V，此时T1集电结正向导通而发射结反偏（常称为倒置工作状态），可以简单的认为发射结截止，可使T2、T4饱和。二、TTL非门的特性曲线

T2在电路状态转换过程中具有很大的放大倍数，其电压传输特性要陡，因而提高了抗干扰能力。（一）电压传输特性uO/VuI/V055UCCR1R2R4T3D2T4R3D1T1T2uouIYA电压传输特性T2的倒的相作用——集电极和发射极的相位相位相反。输入高电平时，输出低电平输入低电平时，输出高电平越陡，抗干扰能力就越强（二）输入特性输入特性曲线输入端的等效电路UCCR1T4R3D1T1uIT2iIIISuIiI0IIH1.输入低电平时uI=0时的输入电流叫做输入短路电流IIS2.输入高电平时UB1=2.1V（被T1的集电结、T2、T4的发射结限幅），T1的发射结反偏，所以高电平输入电流IIH也很小。IIL0.3V显然IIS的数值比IIL稍大一点。3.2V2.1V74LS系列门电路的每个输入端的IIH

在40μA以下。

1.4V0.7V1.4V当输入端开路时，T1也没有发射极电流，即:输入端开路也相当于输入高电平。当前级输出高电平时，它是一个很轻的拉电流负载。输入电压介于高、低电平之间的情况要复杂一些，但考虑到这种情况只发生在输入信号电平转换的短暂过程中，就不做详细分析了。输入特性曲线输入端的等效电路UCCR1T4R3D1T1uIT2iIIISuIiI0IIH当前级输出低电平时，它是一个较重的灌电流负载。若TTL门电路作为前级的负载，由输入特性曲线可以看出：（三）输出特性1.高电平输出特性输出高电平时的等效电路UCCR2R4T3D2uoRLIOH

T3工作在射极输出器状态，输出电阻较小，带拉电流负载能力较强，故拉电流IOH对输出高电平影响不大。但考虑到门电路（主要是T3

工作在放大状态）的功耗限制，74LS系列规定IOH=0.4mA。UCCR1R2R4T3D2T4R3D1T1T2uouIYA输出高电平输出时，T2

、T4

，截止等效2.低电平输出特性输出低电平时，T42、T3

，截止，T4饱和当我们发现门电路的输出电平不正常时，应从三个方面来考虑：1.输入电平是否满足要求；2.负载是否太重；3.门电路本身损坏UCCR1R2R4T3D2T4R3D1T1T2uouIYA

T4工作在饱和状态，输出电阻很小（一般只有10Ω左右），故灌电流IOL对输出低电平影响也很小。输出低电平时的等效电路等效RLUCCT4uoIOL考虑到门电路的功耗（主要是T3）限制，74LS系列的IOL=8mA。一片集成电路内的各个逻辑门互相独立，可以单独使用，但其电源引线（电源正极Ucc和电源负极GND）是共用的。常用TTL集成电路的封装TTL“与非”门外引线排列图4．电路应用

利用图所示74LS00可控制信号传送。

与非门电路选通信号实验三、其它类型的TTL门电路

（一）其它功能的TTL门电路常用的其它功能的TTL门电路有：与门、与非门、或门、或非门、与或非门、异或门。在使用这些门电路时，会遇到多余输入端的问题，处理方法是

&&&AABAB&YBUCCABYUCCYYBAAB≥1ABY≥1≥1≥1YYBA与门、与非门的处理办法是一样的，并联使用或接电源或门、或非门的处理办法是一样的，并联使用或接地TTL与非门的内部结构+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC

多发射极的逻辑1.任一输入为低电平（0.3V）时“0”1V不足以让T2、T5导通三个PN结导通需2.1V+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC

+5VFR4R2R13kR5T3T4T1b1c1ABC1.任一输入为低电平（0.3V）时“0”1Vuouo=5-uR2-ube3-ube43.4V高电平！

2.输入全为高电平（3.4V）时“1”全导通电位被嵌在2.1V全反偏1V截止+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC

2.输入全为高电平（3.4V）时+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC全反偏“1”饱和uF=0.3V

(二)其它输出结构的TTL门电路 普通的TTL门电路有输出端是不允许直接连接在一起。TTL门电路的输出结构有以下三种：①推拉式结构②集电极开路输出结构即OC门

③三态输出结构

普通TTL与非门禁止输出端直接相连(二)其它输出结构的TTL门电路1.集电极开路（OC）门以集电极开路的反相器为例，就是原反相器去掉T3、D2，T4的集电极内部开路。R4T3D2AUCCR1T4R3D1T1T2YR2UCC2RL1AYOC反相器符号这样就可以带一些小型的继电器。实际上这种电路必须接上拉负载才能工作，负载的电源UCC2一般可工作在12～24V。集电极开路的与非门（OC门）集电极悬空无T3,T4+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC

T3T4应用时输出端要接一上拉负载电阻RLRLUCC+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC

1.OC门可以实现“线与”功能&&&UCCF1F2F3FF=F1F2F3RL输出级

UCCRLT5T5T5

FF=F1F2F3?任一导通F=0UCCRLF1F2F3F

全部截止F=1F=F1F2F3?所以：F=F1F2F3UCCRLF1F2F3F

问题如何确定上拉电阻RL?（RL(max)

RL(min)）问题的提出：为解决一般TTL与非门不能线与而设计的。①A、B不全为1时，uB1=1V，T2、T3截止，Y=1。接入外接电阻R后：②A、B全为1时，uB1=2.1V，T2、T3饱和导通，Y=0。外接电阻R的取值范围为：OC门集电极开路与非门输出低电平为0.3V（T4饱和），输出的高电平接近UCC2（T4截止）。特别说明：OC门不是功能的分类，只是电路的输出结构不同，输出还可以并联。AUCCR1T4R3D1T1T2YR2UCC2RL输入、输出的电平不一致，这种功能叫电平转换。OC与非门输出并联后，所实现的逻辑功能是：Y＆＆UCC2RLABCDOC门的应用这种功能叫线与。线与①线与

②电平转移

一般TTL电路输出高电平为3.6V，在需要不同高电平电压值输出的情况下，也可以用OC实现。如图所示电路中，OC电路的输出经负载电阻RL接向+10V电源电压VCC。这样，当电路输入低电平时输出管截止，输出高电平电压值为10V。

OC实现电平转移③用作驱动电路

OC门通常具有较大电流驱动能力，可直接用它驱动指示灯、继电器、脉冲变压器等等，其连接见下图。

OC门用作驱动电路2.三态（TS）门三态门是指输出除了高、低电平，还有一个状态：高阻。当当叫做使能端，低电平有效现以一个三态反相器为例介绍D1、D2截止，实际上普通的反相器，实现正常的反相功能。时D1、D2

导通，迫使T2、T3、T4都截止，输出端就呈现高阻状态时使能端也有高电平使能的1ENAYUCCYR4T3D2AR1T4R3T1T2R2D2D11EN三态反相器符号三态门E---控制端+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5AB

DE

01截止+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5AB

DE

10导通截止截止高阻态+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5AB

DE

&ABF符号功能表低电平起作用&ABF符号功能表高电平起作用使能端的两种控制方式低电平使能高电平使能三态门的逻辑符号ABF

EFAB

E返回总结

三态门又称为三态输出门，它的输出端有三种状态：①门导通，输出低电平；②门截止，输出高电平；③高阻态，或称禁止态，此时输出端相当于是悬空的，即与内部电路断开。

三态门是在普通门电路的基础上加上控制电路构成的。主要改变的是电路的输出结构，不改变逻辑功能，所以任何逻辑功能门都可以有三态输出的功能。

三态门的典型应用分时控制电路依次使三态门G1、G2……G7使能（且任意时刻使能一个），就将D1、D2……D7（以反码的形式）分时送到总线上

1EN1EN1EN分时控制电路D0D1D7G0G1G7在一些复杂的数字系统中（如计算机）为了减少各单元电路之间的连线，使用了“总线”011101110总线双向传输数据线当G1使能，G2高阻时当时G2使能，G1高阻1EN1G1G21ENAB/BABAX数据从A到B数据从B到AX0101TSL门的应用：用于控制信号的传输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。右图是利用三态门进行数据的双向传送应用于微机读写控制的连接图，此时的控制端EN可作为读/写(RW)选择端。当此端为低电平时，由微处理器向存储器写入信号，数据传送从左往右；当此端为高电平时，微处理器（CPU）从存储器读出数据，数据传送从右往左。

（2）三态门的用途

利用三态门进行数据的双向传送四、TTL的改进系列

在工艺上同时满足上述要求是有一定的困难的、甚至是不可能的，所以不同的子系列有着自己的特点。常用的有(说明只要×××的数字相同逻辑功能就相同）：在工艺上同时满足上述要求是有一定的困难的、甚至是不可能的，所以不同的子系列有着自己的特点。

74LS×××：低功耗中速TTL。功耗是74系列的1/5，速度与74系列相当。

74HC×××：电平与兼容的TTL的CMOS逻辑电路74系列的工作温度是0～70℃。和74系列功能一一对应而工作温度为-55～125℃的产品是54系列，它主要用于军工产品、汽车电子产品。数字电路的发展，对集成电路的要求更高。集成电路的改进主要从提高工作速度、降低功耗、增强抗干扰能力等方面进行。常用的三种改进型的TTL与非门的特性四、TTL的改进系列

CMOS门电路有和TTL相当功能的逻辑门，如：与门、或门、与非门、或非门、与或非门、三态门、异或门、和类似TTL的OC门的OD门（漏极开路的门电路）等，其逻辑符号和表达式与TTL门电路的完全一致。此外，CMOS传输门也是常用的CMOS门电路。

TTL门电路只能用于控制数字信号的传递，而CMOS传输门可用来控制模拟信号的传递。

2.1CMOS门电路

CMOS集成门电路是互补金属氧化物半导体器件的简称。

2.1CMOS门电路

一、MOS管的开关特性（一）MOS管的基本开关电路以增强型NMOS管基本开关电路为例

当uI<UGS（TH）时，MOS管工作在截止区，当uI>UGS（TH）

时，沟道电阻变得很小，我们可以将MOS管看作是一个电压控制的电子开关TuIuOUDDRDDGSUGS(TH)UDSID0UGSID0输出为低电平，uO=UOL≈0V输出即为高电平，uO=UOH≈UDDUGS<UGS(TH)UGS>UGS(TH)（二）MOS管的开关等效电路截止时漏源间的内阻ROFF很大，可视为开路C表示栅极的输入电容。数值约为几个皮法因此这个电阻一般情况不能忽略不计导通时漏源间的内阻RON约在1KΩ以内，且与UGS有关（UGS

↑→RON↓

）开关电路的输出端不可避免地会带有一定的负载电容，所以在动态工作时，漏极电流ID和输出电压UO=UDS的变化会滞后于输入电压的变化，这一点和双极型三极管是相似的。

DGSCDGSCRON导通时截止时UDSID0UGS<UGS(TH)UGS2UGS2>UGS1UGS1RON2RON1ROFFSDGIDUDSUGS特性曲线越陡，表示RON越小RON2<RON1uI=0V时，T1导通，T2截止，

输出与输入之间为逻辑非的关系只有当uI>UDD时，D1导通；uI<0V时D2导通。对电路进行保护二、CMOS反相器的工作原理uI=UDD时，T1截止，T2导通，T1为增强型PMOS，D1、D2

是保护二极管T2为增强型NMOS静态时T1、T2总是有一个导通而另一个截止——谓互补状态，所以把这种电路结构形式称为互补MOS（Complementary-SymmeteryMOS，简称CMOS）。工作在互补状态，流过T1、T2

的静态电流极小，静态功耗极小,这是CMOS电路最突出的一大优点T1T2UDDuIuoD1D2uO≈UDD

uO≈0三、CMOS反相器的特性曲线

（一）电压传输特性及噪声容限T1T2UDDuIuoD1D2uiuo0传输特性特性很陡，阈值电压，从而获得了更大的输入噪声容限，UDD/2UDDUDD增大时的特性曲线（二）输入特性在正常情况下，保护电路不动作，其输入电流不大于1μA。由于保护电路的二极管电流的容量有限，一般为1mA，所以有可能出现大电流的场合，如：输入端接有低内阻的信号源、长线时（存在分布电感和分布电容），应在输入端串入保护电阻，串入保护电阻且随着电源电压（5-15V）提高而增大。阈值电压确保流经保护二极管的电流不超过1mA。（三）输出特性在UDD>5V时，且输出电流不超出允许范围时，UOH≥0.95UDD；UOL≤0.05V。四、其它类型的CMOS门电路

（一）其他逻辑功能的CMOS门电路在CMOS门电路的系列产品中，除了反相器外常用的还有与门、或门、与非门、或非门、与或非门、异或门等（二）漏极开路的门电路（OD门）如同TTL电路中的OC门那样，CMOS门的输出电路结构也可做成漏极开路（OD）的形式。其使用方法与TTL的OC门类似（三）CMOS传输门和双向模拟开关C和若C=0（0V），若C=1（UDD），是一对互补的控制信号。T1的底衬接UDD、T2的底衬接地，这时源极、漏极是可以互换的，输入、输出也可以互换，即是双向传输的。（UDD）时，T1、T2均截止，输入与输出之间呈高阻态（ROFF>109Ω），传输门截止。输入在0～UDD

之间T1、T2

总有一个导通，输入与输出之间呈低阻态（RON<1KΩ），传输门导通。（0V）时，T1T2UDDCCuo/uiui/uoTGuo/uiui/uoCC利用传输门可以组合成各种复杂的逻辑电路传输门的另一个重要用途是做模拟开关，用来传输连续变化的模拟电压信号。模拟开关广泛用于多路模拟信号的切换，如电视机的多路音频、视频切换。TGuo/uiui/uoC1C常用的模拟开关有CC4066四路双向模拟开关，在UDD=15V时的导通电阻RON<240Ω，且基本不受输入电压的影响。这一点是无法用一般的逻辑门实现的，模拟开关的基本电路是由传输门和反相器组成的。目前精密的CMOS双向模拟开关的RON<10Ω（如MAX312、313、314）。(四)三态输出的CMOS门电路三态输出CMOS门电路和TTL三态门电路功能和应用没有什么区别，只是在电路结构上CMOS的三态输出门电路要简单得多。五、TTL电路与CMOS电路的接口在目前TTL与CMOS两种电路并存的情况下，经常会遇到互相对接的问题。驱动门负载门UOH(min)≥UIH(min)UOL(max)≤UIL(max)IOH(max)≥nIIH(max)IOL(max)≥mIIL(max0其中n和m分别为负载电流中IIH和IIL的个数，当所有负载门的输入端没有并联（指多余输入端）的情况下，n=m驱动门必须能为负载门提供合乎标准的高、低电平和足够的驱动电流，也就是必须同时满足下列各式：CMOS逻辑门电路的主要参数

CMOS门电路主要参数的定义同TTL电路，下面主要说明CMOS电路主要参数的特点。（1）输出高电平VOH与输出低电平VOL。CMOS门电路VOH的理论值为电源电压VDD，VOH（min）=0.9VDD；VOL的理论值为0V，VOL（max）=0.01VDD。所以CMOS门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大，接近电源电压VDD值。（2）阈值电压Vth。阈值电压Vth约为VDD/2。（3）抗干扰容限。CMOS非门的关门电平VOFF为0.45VDD，开门电平VON为0.50VDD。因此，其高、低电平噪声容限均达0.45VDD。其他CMOS门电路的噪声容限一般也大于0.3VDD，电源电压VDD越大，其抗干扰能力越强。（4）传输延迟与功耗。CMOS电路的功耗很小，一般小于1mW/门，但传输延迟较大，一般为几十ns/门，且与电源电压有关，电源电压越高，CMOS电路的传输延迟越小，功耗越大。74HC高速CMOS系列的工作速度己与TTL系列相当。（5）扇出系数。因CMOS电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，一般额定扇出系数可达50。但必须指出的是，扇出系数是指驱动CMOS电路的个数，若就灌电流负载能力和拉电流负载能力而言，CMOS电路远远低于TTL电路。

CMOS逻辑门电路的主要参数

系列参数/单位TTLCMOS74系列74LS系列4000系列①74HC系列74HCT系列UOH(min)/V2.42.74.64.44.4UOL(max)/V0.40.50.050.10.1UIH(min)/V2.02.03.53.52UIL(max)/V0.80.81.51.00.8IOH(max)/mA-0.4-0.4-0.51-4.00-4.00IOL(max)/mA1680.514.004.00IIH(max)/μA40200.10.10.1IIL(max)/mA-1.6-0.4-0.1×10-3-0.1×10-3-0.1×10-3TTL和CMOS两种电路输入电压、电流和输出电压、电流的参数对照比较表①——4000系列电路在UDD=5V时的参数CMOS集成门电路的应用灯光报警器电路下图是用CMOS集成六反相器构成的灯光报警器电路。2.2

集成门电路的实用知识2.2.1

常用集成门电路型号系列简介1、TTL门电路型号系列介绍

2.CMOS门电路型号系列介绍

3、74系列的TTL、和4000系列的CMOS门电路输入、输出参数

在该表中CMOS门电路的供电电压采用与TTL门电路相同的供电电压+5V。

2.2.2

集成门电路使用注意事项

1、TTL门电路的使用注意事项：

（1）TTL电路的电源正端通常标以“VCC”，负端标以“GND”。电源正常是集成电路门电路能否正常工作的必要条件。

（2）TTL集成电路对电源电压要求比较严格，除了低电压、低功耗系列外，通常只允许在+5V±0.5V的范围内工作，若电源电压超过5.5V，将损坏器件；若电源电压低于4.5V,器件的逻辑功能将不正常。

TTL与非门输入端经电阻接地（3）TTL门电路的多余输入端处理方法集成电路在使用集成电路时有时可能会出现多余的引脚。多余的引脚要按具体情况进行处理。1、TTL门电路的使用注意事项：

（4）TTL集成电路的输出端不允许直接接地或直接接+5V，否则将导致器件损坏。与非门多余输入端的处理或门、或非门多余输入端的处理（1）CMOS电路的电源正端标以“VDD”，负端标以“VSS”。使用时一般将“VSS”接地。（2）由于CMOS通过上千Ω的电阻接地，仍看作低电平输入。（3）CMOS集成电路一定要先加VDD，后加输入信号；先撤去输入信号，后去掉VDD。（4）CMOS集成电路的输出端不允许直接接VDD或VSS（5）在储存和运输中，MOS集成电路应用金属纸（如铝箔）包好，短路集成电路的管脚，装入金属盒内屏蔽。使用时，开封后要马上使用，以免静电击穿集成电路。（6）所有与CMOS电路直接接触的工具，测试设备必须可靠地接地。2、CMOS集成电路的使用注意事顶

2.2.3TTL与CMOS电路的接口技术1.TTL驱动CMOSTTL电路驱动CMOS电路的接口电路的作用是：提高输出高电平，以便与CMOS电路逻辑电平相容。TTL驱动CMOS(一)用TTL电路驱动CMOS电路1.用TTL电路驱动4000系列和74HC系列CMOS电路

根据TTL和CMOS两种电路的参数对照比较表可知，无论是74系列还是74LS系列作驱动门，只有输出的高电平不满足要求。参数/单位74系列74LS系列4000系列①74HC系列74HCT系列UOH(min)/V2.42.74.64.44.4UOL(max)/V0.40.50.050.10.1UIH(min)/V2.02.03.53.52UIL(max)/V0.80.81.51.00.8IOH(max)/mA-0.4-0.4-0.51-4.00-4.00IOL(max)/mA1680.514.004.00IIH(max)/μA40200.10.10.1IIL(max)/mA-1.6-0.4-0.1×10-3-0.1×10-3-0.1×10-3输出高电平不满足要求输出低电平满足要求输出拉电流满足要求输出灌电流满足要求UOH=UDD-RU（IO+nIIH）由于IO和IIH都很小，所以只要RU值不是特别大，输出高电平将被提到UOH≈UDD。最简单的方法是在TTL的输出端与电源之间接一电阻（通常称为上拉电阻）RU。1.用TTL电路驱动4000系列和74HC系列CMOS电路

当TTL的输出为高电平（输出级T4

截止）时RUR4T3D2UCCT4TTL的输出级RU强迫输出级的T3截止IOIO为TTL输出级截止时的漏电流TTLUCC=UDD=5Vn个CMOS1&11….RUIO+nIIHIOIIH另一种解决的方法是采用专用的电平转换电路，如CC40109,它有两个电源UCC和UDD，当UCC=5V，UDD=10V时2.用TTL电路驱动74HCT列CMOS电路74HCT系列