第2章逻辑门电路x
数电讲义--2章
1.0
VOL（max）0.5
输入标 准低电
平
0.4V
VNL
D VNH
E
V V 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
SL VOFF VON
SH
Vi (V)
输入标准
高电平
2. 输入特性
+VCC
1) 输入伏安特性
iI
R1 3kΩ
1
-1.6 mA
<50 uA vI A
31
B
T1
1.4 V
和边沿，T4放大。 VO随iOH变化不大。 当由i于Oi以OHH受↑：线时功性,R耗变4上的化压限。降制增，大i0，H过T大3 、会T4烧饱毁和T，4管V，O随所
功耗 1mW IOH 400 A
输出高电平时的扇出系数 3.6V
R2 750Ω 2T3 Vc2 1 3 R4
VO
+VCC
R 4 +5V 100Ω
抗干扰能力越强。 高电平噪声容限
VNH= VSH ¯ VON 。
VNH越大，输入为1态下
抗干扰能力越强。
Vo (V)
4.0 A B
3.5
3.0
VOH（min）2.5 2.4V
C
2.0
1.5
A(0V, 3. 6V) B(0.6V, 3.6V) C(1.3V, 2.48V) D(1.4V, 0.3V) E(3.6V, 0.3V)
• 导通(VD>VTH) • 2、二极管的开关时间
截止5V(VDR<VT+H)
0V
D VD
uo
_
VF Vi
二极管开关状态的转换需要时间：
t1 t2
第2章 逻辑门电路-习题答案
第2章逻辑门电路2.1 题图2.1(a)画出了几种两输入端的门电路，试对应题图2.1(b)中的A、B波形画出各门的输出F1～F6的波形。
题图2.1解:2.2 求题图2.2所示电路的输出逻辑函数F1、F2。
题图2.2解:2.3 题图2.3中的电路均为TTL门电路，试写出各电路输出Y1～Y8状态。
题图2.3解: Y1=0, Y2=0, Y3=Hi-Z, Y4=0, Y5=0, Y6=0, Y7=0, Y8=0.2.4 题图2.4中各门电路为CMOS电路，试求各电路输出端Y1、Y2和Y的值。
题图2.4解: Y1=1, Y2=0, Y3=0.2.5 6个门电路及A、B波形如题图2.5所示，试写出F1～F6的逻辑函数，并对应A、B波形画出F1～F6的波形。
题图2.5解：2.6 电路及输入波形分别如题图2.6(a)和2.6(b)所示，试对应A、B、C、x1、x2、x3波形画出F端波形。
题图2.6解：2.7 TTL与非门的扇出系数N是多少？它由拉电流负载个数决定还是由灌电流负载决定？解: N≤8 N由灌电流负载个数决定.2.8 题图2.8表示三态门用于总线传输的示意图，图中三个三态门的输出接到数据传输总线，D1D2、D3D4、…、D m D n为三态门的输入端，EN1、EN2、EN n分别为各三态门的片选输入端。
试问：EN信号应如何控制，以便输入数据D1D2、D3D4、…、D m D n顺序地通过数据总线传输（画出EN1～EN n 的对应波形）。
题图2.8解：用下表表示数据传输情况2.9 某工厂生产的双互补对称反相器（4007）引出端如题图2.9所示，试分别连接成：（1）反相器；（2）三输入与非门；（3）三输入或非门。
题图2.9解： (1) 反向器(2)与非门 (3)或非门2.10 按下列函数画出NMOS 电路图。
123()()()F AB CD E H G F A B CD AB CD F A B=+++=+++=⊕解：(1)(2) (3)2.11 将两个OC门如题图2.11连接，试写出各种组合下的输出电压u o及逻辑表达式。
第02章 逻辑门电路
OC门的几种主要应用
实现线与逻辑
电路如右图所示，逻辑关系为
L L1 L2 AB CD
实现电平转换
如下图所示，可使输出高电平变为+12V
+12V
R
A& 3.4V 0.3V
12V F
0.3V
用作驱动电路
右图是用来驱动发光二极管的电路。
2.3.5 三态门
R1 4K
R2 1.6K
A
T1
T2 B
输出低电平时：NOL = IOLmax / IiLmax 输出高电平时：NOH = IOHmax / IiHmax
考虑最坏的情况，扇出系数：N = min(NL , NH)
TTL与非门的灌电流与拉电流负载
2.3.2 TTL与非门的特性及参数
平均传输延迟时间
tpd = 0.5(tpdL + tpdH ) 输出信号略滞后于输入信号. 典型值：纳秒级
Vo(V) VOH A 2.7
电压传输特性及相关参数 (1) 输出高电平 VOH
R1 4K
R2 1.6K
R4
VCC
130
A
B
B
T1
T3
T2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
D3
F
D1
D2
R3
T4
1K
典型值VOH ≥ 3.4V
VOHmin是满足输出电流指标时， 输出高电平允许的最低值，一 般要求 VOHmin ≥ 2.7V
C
(2) 输出低电平 VOL
(5) 关门电平 VOFF
保证T4截止 输出高电平 时, 输入低电平的最大值.
VOFF ≥ 0.8V
2.3.2 TTL与非门的特性及参数
数字电路第2章 门电路
2）输入负载特性 (ui R )
R1 3k b1 A B C T1 R2 750 R4 100
+5V
c1
T3
T2
3k
T4
R5 T5
F
ui
V
R
R3
360
R较小时 设：T2、T5 截止
A B C
R1 3k b1
+5V
R4
R2
c1
T1
T2
R5
T3
T4 F T5
R
ui
R3
R (5 U ) 4.3R ui be1 R1 R 3 R
I BS vcc vCES 5 0.3 mA 0.094mA βRc 50 1
V CC = +5V Rc iC 1kΩ vo c R b 10kΩ b β = 40 iB e
②vi=0.3V时，iB=0，三极管 工作在截止状态，ic=0。因 为ic=0，所以输出电压： vo=VCC=5V
IB 0
IC 0
VCE VCC
7
三极管的开关特性
+UCC 3V 0V RB RC uO T
+UCC
RC 3V
饱和时， VCE ≈ 0，C、 E极间电阻 很小 0V 截止时， IC ≈ 0，C、 E极间电阻 很大
C E
uO 0
相当于 开关闭合
ui
饱和 截止
+UCC RC
C E
uO UCC
避免！
0V 0
VL(max)
低电平
分立元件门电路和集成门电路:
分立元件门电路：用分立的元件和导线连 接起来构成的门电路。简单、经济、功耗低， 负载差。 集成门电路：把构成门电路的元器件和连 线都制作在一块半导体芯片上，再封装起来， 便构成了集成门电路。现在使用最多的是CMOS 和TTL集成门电路。
数字电子技术基础第三版第二章答案
第二章逻辑门电路第一节重点与难点一、重点:1．TTL与非门外特性（1）电压传输特性及输入噪声容限：由电压传输特性曲线可以得出与非门的输出信号随输入信号的变化情况,同时还可以得出反映与非门抗干扰能力的参数U on、U off、U NH和U NL。
开门电平U ON是保证输出电平为最高低电平时输入高电平的最小值。
关门电平U OFF是保证输出电平为最小高电平时,所允许的输入低电平的最大值。
（2）输入特性:描述与非门对信号源的负载效应。
根据输入端电平的高低，与非门呈现出不同的负载效应，当输入端为低电平U IL时,与非门对信号源是灌电流负载，输入低电平电流I IL通常为1~1.4mA.当输入端为高电平U IH时，与非门对信号源呈现拉电流负载，输入高电平电流I IH通常小于50μA。
（3）输入负载特性:实际应用中，往往遇到在与非门输入端与地或信号源之间接入电阻的情况,电阻的取值不同,将影响相应输入端的电平取值。
当R≤关门电阻R OFF时,相应的输入端相当于输入低电平；当R≥ 开门电阻R ON时，相应的输入端相当于输入高电平。
2．其它类型的TTL门电路（1)集电极开路与非门（OC门）多个TTL与非门输出端不能直接并联使用,实现线与功能.而集电极开路与非门（OC门）输出端可以直接相连,实现线与的功能，它与普通的TTL与非门的差别在于用外接电阻代替复合管.(2）三态门TSL三态门即保持推拉式输出级的优点，又能实现线与功能。
它的输出除了具有一般与非门的两种状态外，还具有高输出阻抗的第三个状态，称为高阻态，又称禁止态.处于何种状态由使能端控制.3．CMOS逻辑门电路CMOS反相器和CMOS传输门是CMOS逻辑门电路的最基本单元电路，由此可以构成各种CMOS逻辑电路。
当CMOS反相器处于稳态时，无论输出高电平还是低电平，两管中总有一管导通，一管截止，电源仅向反相器提供nA级电流，功耗非常小。
CMOS器件门限电平U TH近似等于1/2U DD，可获得最大限度的输入端噪声容限U NH和U NL=1/2U DD。
第2章集成逻辑门电路
2.3.2
TTL集电极开路门
TTL集电极开路门（Open Collector Gate）也称为OC门。 在用门电路组成逻辑电路时，如果能将输出端直接并联（称为 “线与”逻辑），可以使电路简化许多。前面所介绍的TTL与非 门却不能这样使用，原因有两个：一是TTL与非门无论输出为高 电平还是低电平，输出电阻都很小；二是两个TTL与非门连在一 起以后，如果一个门输出为高电平，另一个输出为低电平，那么 会有很大的电流从截止门的三极管VT4流到导通门的三极管VT5， 此电流大大超过正常工作电流，严重时会损坏门电路。解决的办 法是把TTL与非门电路的输出级改为集电极开路的三极管结构，
图2.25
二极管的开关电路特性
2．双极型三极管的开关特性 双极型三极管的输出特性曲线如图2.26所示。由输出特性曲线 可知，三极管可分为三个区域：截止区、放大区和饱和区。特别 当三极管工作在截止区和饱和区时，电参数也表现为对立的两个 状态，可以作为开关使用。
图2.26
三极管的输出特性曲线
2.2
晶体二极管和三极管的开关特性
第一个字母C代表中国，T代表TTL；它们对应型号的门电路逻辑 功能和引脚图与国际标准基本是一样的。本书电路举例将以最常 用的74XX系列和74LSXX系列门电路为主。本章讨论的集成逻辑门 属于小规模集成电路（SSI）。
2.3.1
TTL与非门电路
1．电路结构 每个系列的TTL与非门基本都是由输入级、中间级（倒相级） 和输出级组成。图2.30为TTL与非门的基本电路。 输入级通常由多发射极晶体三极管组成，如图中VT1。我们可 以把VT1看成是发射极独立而基极和集电极分别并联在一起的三 极管。输入级完成“与”逻辑功能。 中间级由VT2组成，其集电极和发射极输出的信号相位相反。 由这两个相位相反的信号去控制输出级的VT3和VT5，所以中间级 也称倒相级。 输出级由VT3、VT4和VT5组成，采用推拉式结构。其中VT3、
数字电子技术基础第三版第二章答案
第二章逻辑门电路第一节重点与难点一、重点：1．TTL与非门外特性（1）电压传输特性及输入噪声容限：由电压传输特性曲线可以得出与非门的输出信号随输入信号的变化情况，同时还可以得出反映与非门抗干扰能力的参数U on、U off、U NH和U NL。
开门电平U ON是保证输出电平为最高低电平时输入高电平的最小值。
关门电平U OFF 是保证输出电平为最小高电平时，所允许的输入低电平的最大值。
（2）输入特性：描述与非门对信号源的负载效应。
根据输入端电平的高低，与非门呈现出不同的负载效应，当输入端为低电平U IL时，与非门对信号源是灌电流负载，输入低电平电流I IL通常为1～1.4mA。
当输入端为高电平U IH时，与非门对信号源呈现拉电流负载，输入高电平电流I IH通常小于50μA。
（3）输入负载特性：实际应用中，往往遇到在与非门输入端与地或信号源之间接入电阻的情况，电阻的取值不同，将影响相应输入端的电平取值。
当R≤关门电阻R OFF时，相应的输入端相当于输入低电平；当R≥ 开门电阻R ON时，相应的输入端相当于输入高电平。
2．其它类型的TTL门电路（1）集电极开路与非门（OC门）多个TTL与非门输出端不能直接并联使用，实现线与功能。
而集电极开路与非门（OC 门）输出端可以直接相连，实现线与的功能，它与普通的TTL与非门的差别在于用外接电阻代替复合管。
（2）三态门TSL三态门即保持推拉式输出级的优点，又能实现线与功能。
它的输出除了具有一般与非门的两种状态外，还具有高输出阻抗的第三个状态，称为高阻态，又称禁止态。
处于何种状态由使能端控制。
3．CMOS逻辑门电路CMOS反相器和CMOS传输门是CMOS逻辑门电路的最基本单元电路，由此可以构成各种CMOS逻辑电路。
当CMOS反相器处于稳态时，无论输出高电平还是低电平，两管中总有一管导通，一管截止，电源仅向反相器提供nA级电流，功耗非常小。
CMOS器件门限电平U TH近似等于1/2U DD，可获得最大限度的输入端噪声容限U NH和U NL=1/2U DD。
第2章 逻辑门电路
+VCC Rb b c Rc
uo=0.3V 0.3V
b c
Rc
uo=+VCC ui=UIH
iB≥IBS 0.7V
e
e
+V C C =+5V 例： 1kR c i C Ω uo c Rb b ui β =40 i 10k Ω B e
①ui=1V时，基极电流： 时 基极电流：
第2章 逻辑门电路 章
②ui=0.3V时，因为 BE<0.5V，iB=0， 时 因为u ， ， 三极管工作在截止状态， 三极管工作在截止状态，ic=0。因 。 为ic=0，所以输出电压： ，所以输出电压：
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第2章 逻辑门电路 章 +VCC=+5V Rc
1kΩ uo c Rb b ui β=40 i 10kΩ B NPN 型三极管截止、放大、饱和 3 种工作状态的特点 e
iC
2、三极管的开关特性
工作状态 条 件
截
止
放
大
饱
和
iB＝0 发射结反偏
0＜iB＜IBS 发射结正偏 集电结反偏 uBE>0，uBC<0 iC＝βiB uCE＝VCC－ iCRc 可变
A
电路图 逻辑符号
Y 1 0
0 1
第2章 逻辑门电路
20102010-9-14
2.1.1 非门
定义：输入与输出信号状态满足“ 定义：输入与输出信号状态满足“非”逻辑关系。 逻辑关系。 逻辑符号： 逻辑符号： 非门电路： 非门波形图： 非门电路： 非门波形图：
非门工作特点： 非门工作特点： ● 当输入端A 为高电平1（+5V）时，晶体管 当输入端A 为高电平1 +5V） 导通， 端输出0.2～0.3V的电压 的电压， 导通，L 端输出0.2～0.3V的电压，属于低电平 范围； 范围； ● 当输入端为低电平0（0V）时，晶体管截止，晶体管集电 当输入端为低电平0 0V） 晶体管截止， 发射极间呈高阻状态，输出端L的电压近似等于电源电压； 极—发射极间呈高阻状态，输出端L的电压近似等于电源电压； ● 任何能够实现 L = A “非”逻辑关系的电路均称为“非门”， 逻辑关系的电路均称为“非门” 也称为反相器。式中的符号“ 表示取反， 也称为反相器。式中的符号“-”表示取反，在其逻辑符号的输出 端用一个小圆圈来表示。 端用一个小圆圈来表示。
同或门电路： 同或门电路：
逻辑符号： 逻辑符号：
提
示
双输入端同或门波形图： 双输入端同或门波形图：
当输入端A 当输入端A、B 的电平 状态互为相反时，输出端L 状态互为相反时，输出端L 一定为低电平； 一定为低电平；而当输入端 A、B 的电平状态相同时， 的电平状态相同时， 一定为高电平。 输出端 L 一定为高电平。
20102010-9-14
第二章（1） 第二章（
3
2.1.2 与门
定义：输入与输出信号状态满足“ 定义：输入与输出信号状态满足“与”逻辑关系。 逻辑关系。 与门电路： 逻辑符号： 与门波形图： 与门电路： 逻辑符号： 与门波形图：
第2章逻辑门电路-PPT精选
逻辑门：完成一些基本逻辑功能的电子电路。现使用的 主要为集成逻辑门。
首先介绍晶体管的开关特性 着重讨论的TTL和CMOS门电路的
逻辑功能和电气特性
简要介绍其他类型的双极型和MOS门电路
2.1 晶体管的开关特性 在数字电路中,常将半导体二极管,三极管和场效应管
作 为开关元件使用。 理想开关: 接通时阻抗为零;断开时阻抗为无穷大;
1
VO
1
VI
VO 1输出 VOHmin
VNH VIHmin
0输出
VILman VNL
VOLman
VI
1输入 1输入
2.3.3 TTL与非门的静态输入与输出特性
1. 输入特性
1)输入伏安特性( II=f(Vi) ) 定义：电流流入T1的发射极
方向为正方向。
II(mA)
高电平输入
0.5 1.0 1.5 2.1 0
1.0
-15 -10 -5 0 5 10 15 I0(mA)
负载门的管脚的个数,即
IH=NIIH (IIH为负载门高电平输入电流,约为40μA左
右)
从曲线上看，当IO大于5mA时，VO才开始出现下降趋势， 但决定IOHmax值的并不是VOHmax,而是器件的功耗。在上 面讨论的电路中, IOHmax约为400mA。
在门输入端和地之间接电阻Ri,当电阻从0Ω逐步增加
时，由于电阻内部有电流流过,会使电阻两端电压Vi逐步
增加。
VCC
当T1管饱和导通时: Vi R1R iRi(VCC VB1E)
R1
4kΩ
T1
Roff≈0.9kΩ, Ron≈3kΩ。
Vi
Ri
当Ri小于R0ff时,输入为低 电平;当Ri高于Ron时,输入 为高电平。
第2章-逻辑门电路
高速，可代替74HC
高速，可代替74HCT
2.4.1．MOS反相器
2. MOS反相器
(1)电阻负载MOS电路：
如图2－37（a）所示，在这种反相器 中，输入器件是增强型MOS管，负载是线性 电阻。这种反相器在集成电路中很少采用。
(2)E/E MOS(Enhancement/Enhancement MOS) 反相器：
2.三态输出门电路(TSL门) 图227 三态门
三态输出门电路简称三态门,用 TSL(Three Sate Logic)表示，TSL电路的 主要特点是输出共有3种状态，即逻辑高电 平、逻辑低电平和高阻态。
图2-27所示为三态门电路及逻辑符号。 图中EN为三态使能端，A、B为输入逻辑变 量，Y为电路输出。
74F
速度比标准系列快近5倍, 功耗低于标准系列
2.2.1．TTL与非门的典型电路 及工作原理
1. 电路结构
电路由输入级、中间级和输出级三部 分组成。
2. 基本工作原理
（1）TTL工作在关态（截止态）
当输入信号A、B、C中少一个为低电 位（0.3V）时:
VO = VOH = VCC – VR2 – VBE3 – VD4 =5V－0.7V－0.7V =3.6V
实现了输出高电平，此时TTL工作在关 态，也称截止态。
（2）TTL工作在开态（饱和态）
输出电压Vo为
VO = VOL = VCES4 = 0.3V 实现了输出低电平，此时TTL工作在开 态，也称饱和态。
通过以上分析可知，当输入信号中至 少一个为低电位，即VI=ABC= VIL时，输出 高电平，即VO = VOH ；当输入信号全部为 高电位时，即VI=ABC= VIH时，输出低电平， 即VO = VOL。说明电路实现了与非门的逻辑 关系，即
第2章 逻辑门电路
A
1
≥1
B1
VDD R
A&
TP
Y B
Y
TN Y
TN
VOH=VDD＇- iLR
2.1.6 CMOS漏极开路门
4．OD门和OC门的应用 应用一：可以线与，简化硬件电路。
+5V
A
&
B
C
&
D
R L
L AB CD
2.1.6 CMOS漏极开路门
线与的实际应用实例——光电报警系统
光电传 1
+5V
R3kCΩ VT5
VT6
A
&
F
B
OC 门
A
&
L
B
2.2.2 LSTTL与非门
集成与非门—74LS00
74LS00是在一个封装内有四个相同的与非门。其外形 如图所示。
绝大多数 左上角Vcc
引线排列从左下角 开始,逆时针计算
14
8
正视图
VCC
&
&
缺口标记
&
&
GND
绝大多数
右下角GND
1
7
2.2.3 LSTTL门电路的电气特性
CMOS门电路几种常见系列： （1）CD4000系列：基本系列，速度较慢 （2）74HC系列：速度比CD4000系列提高近10倍 （3）74HCT系列：与LSTTL门电路兼容 （4）LVC系列：低电压系列
TTL集电极开路门 OC 门Open-Collector
A B
VD5
R1 20kΩ VD1
VD2 VD6
2.2.2 LSTTL与非门
第2章 逻辑门电路
等式两边的真值表如表1.3所示： 等式两边的真值表如表1.3所示： 1.3所示
A
0 0 1 1
B
0 1 0 1
A⋅ B
1 1 1 0
A+ B
1 1 1 0
2. 常用公式
利用上面的公理、定律、规则可以得到一些常用的公式。 利用上面的公理、定律、规则可以得到一些常用的公式。
（1）吸收律
A+A·B = A
工作原理 请自行分析
◆ 多变量的函数表达式
● ● ● ● ●
与 或 与非 或非
F=A·B·C… F=A+B+C…
F = A⋅ B ⋅C
F = A+ B +C
等等 ◆ 运算的优先级别
与或非 F = AB + CD
括号→非运算→与运算→ 括号→非运算→与运算→或运算
2.3 逻辑变量与逻辑函数
F=A+B
当输入端A 当输入端A、B 的电平 状态互为相反时，输出端L 状态互为相反时，输出端L 一定为高电平；当输入端A 一定为高电平；当输入端A、 B的电平状态相同时输出L 的电平状态相同时输出L 一定为低电平。 一定为低电平。
4. 同或门
◆ 能够实现 同或” L = A ⋅ B + A ⋅ B = A⊙B “同或”逻辑关系的 电路均称为“同或门” 由非门、 电路均称为“同或门”。由非门、与门和或门组合而成的同或门 及逻辑符号如下图所示。 及逻辑符号如下图所示。
F = A ⋅ B ⋅C ⋅ D ⋅ E
1. 要保持原式中逻辑运算的优先顺序； 保持原式中逻辑运算的优先顺序； 原式中逻辑运算的优先顺序 2. 不是一个变量上的反号应保持不变，否则就要出错。 不是一个变量上的反号应保持不变，否则就要出错。 上的反号应保持不变