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，通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一般了解。

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（VT 3、VD 4截止）下通（VT 5导通），输出低电平，称为开态；上通（VT 3、VD 4导通）下止（VT 5截止），输出高电平，也称为关态。

O
B
A V
5CC =V 4
图7.1 标准TTL 与非门
在开态和关态时，对电路内部电流、电压的计算不作为重点，从逻辑关系了解如下逻辑状态的转换关系即可。

对开态有
U A = U B = U IH −→ I B1 = I B2 −→VT 2饱和−→ VT 5饱和−→ U OL ↓ ↓ ↓ ↑
U B1 =2.1V ←− U B2 =1.4V ←− U B5 =0.7V └− −-┐ ↓ ∣ U C2 =1V −→ VT 3、VD 4截止−┘
对关态有
B
A ==U U B1B1==U I I -
----→截止截止52VT VT ↓
OH 43B3
R2 VD VT U I I →→=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： u O = f (u I )---电压传输特性曲线；
u OL = f (i OL )----输出低电平负载特性曲线； u OH = f (I OH )---输出高电平负载特性曲线； u I = 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情况，输出高电平时，输出电流，即拉电流是向外流；输出低电平时，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，此时这个电流仅微安量级，对电路的影响很小；当输入电流向外流时，是低电平输入电流，此时这个电流对逻辑门的影响由输出低电平负载特性曲线得到反映。

对于CMOS 门没有输入电流，所以，本书对输入特性曲线没有专门介绍。

电压传输特性曲线是十分重要的特性曲线，特别是它与许多参数关系密切，现以电压传输特性曲线为例说明这条曲线与逻辑门功能和参数之间的关系。

7.2.2.1 u o = f (u I )---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如何变化的。

为了了解输入电压变化的全貌对输出电压的影响，所以测量时输入电压是连续变化的。

电压传输特性曲线如图7.2所示。

U U off /V
I u
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U OLMAX ②输入高电平的最小值U OHMIN ③输入低电平的最大值U ILMAX ④输入高电平的最小值U IHMIN
对于中述系列TTL 与非门规定U OLMAX =0.4V 、U OHMIN =2.4V 、U ILMAX =0.8V 、U IHMIN =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，负向干扰只要不小于U IHMIN ，电路的逻辑状态就不会改变；对输出低电平，正向干扰只要不大于U ILMIN ，电路的逻辑状态就不会改变。

理解了这一点U OLMAX 、U OHMIN 、U ILMAX 、U IHMIN 四个逻辑电平的大学关系就不会搞错。

从图7.3中可以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
（U ILMAX -U OLMAX ）为低电平噪声容限U NL （或△0）， （U OHMIN -U IHMIN ）为高电平噪声容限U NH （或△1）。

实际的噪声容限U’NL = U ILMAX -U OL ，U’NH = U OH -U IHMIN 一般要大一些。

U OLMAX =0.4V
U ILMAX =0.8V U OHMIN =2.4V
U IHMIN =2V
U NL
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U on 和关门电平U on 。

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。

U on 和U on 与U IHMIN 和U ILMAX 的差别是U IHMIN 和U ILMAX 是考虑了噪声容限和一批集成电路存在分散性以后制定的规范值，是对整个系列起作用的标准；而U on 和U on 是对一个具体的逻辑门而言，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U T
电压传输特性的过渡区很陡，于是可以认为它所对应的输入电压，既是决定VT 5管截止和导通的分界线，又是决定输出高、低电平的分界线。

因此，经常形象化地把这个电压叫做阀值电压或门槛电压，用U T 表示。

然而，过渡区所对应的输入电压，实际上有一定的范围，所以严格地讲，应当把阈值电压定义为过渡区中点所对应的输入电压值。

U T 是一个很重要的参数，对于大信号变化，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u I ＞U T 时，就认为高电平输入，与非门开启，输出为低电平U OL ；当U I ＜U T 时，就认为低电平输入，与非门截止，输出为高电平U OH 。

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I OLMAX ，根据不同的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I OHMAX ，一般在几个毫安； 电流参数除I OLMAX 和I OHMAX 之外，还有
③输入高电平电流最大值I IHMAX ，一般在几个微安；
④输入低电平电流最大值I ILMAX ，一般在一个毫安左右，与此相当的有输入短路电流I is 。

⑤扇出系数N O
0.0.0.0.OLMAX
mA
/OL V
/u mA
/OH i u 1
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N O 是描述集成电路带负载能力的参数，它的定义式如下 ILMAX
OLMAX O I I N =
标准TTL 系列，即74TTL 系列，N O =10；74LS 系列，N O =20。

扇出系数N O 为什么由I OLMAX 与I ILMAX 之比定义？为什么不由I OHMAX 与I IHMAX 之比定义？这主要因为I OLMAX 电流值较大，是矛盾的主要方面，在输入端I ILMAX 也较I ILMAX 大。

所以，高电平输出电流最大值的规范也是按照I OHMAX =N O I IHMAX 定义的。

例如74LS 系列的I IHMAX =20μA ，N O =20，所以I OHMAX =N O I IHMAX =20×20=400μA 。

而实际上I OHMAX 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，为了减少上升时间，就需要较大的驱动电流，即I OHMAX 要大。

7.2. 2.3 TTL 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，对门的状态有很大的影响。

图7.5输入端电阻负载特性曲线。

O
1.
1
2
T Ω
/k i R u
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，u i =0V ，于是u O =U OH 。

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VT 2，相当于接高电平，于是u o =U oL 。

此时用万用表测量输入端的电压u i ≈1.4V ，相当于高电平。

3. 关门电阻R off
随着R 的增加，u I 不断增加，当增加到某一数值时，R 上的压降达到关门电平U off ≈1V 时，输出电压就要开始从U OH 明显下降，此时对应的电阻值称为关门电阻R off 。

当R ＜R off 时，与非门处于关态。

因关门电阻R off 的大小与逻辑门内部的参数有关，加上分散性，对于不同系列的逻辑门有所差别。

对于74TTL 系列，约在1k Ω左右，对于74LSTTL 系列在5k Ω左右。

4. 开门电阻R on
如果把与非门I OHMAX 输入端的电阻R 继续加大，输入电压u I 随之增加，当u I 增加到开门电平U on ≈1.4V 时，与非门转入开态，输出低电平。

此时，对应的电阻值就是开门电阻R on 。

当R ＞R on 时，与非门处于开态。

对于不同系列的逻辑门R on ≈2.5 k Ω~10k Ω。

7.2.2.4 电源参数和时间参数
V CC ——电源供电电压，对于MOS 门，电源符号用V DD ；对于TTL 门，用V CC 。

各种逻辑门的输出高电平一般接近电源电压。

I CCL ——输出低电平电源电流； I CCH ——输出高电平电源电流；
P 0——静态功耗。

静态功耗由下式计算得出 P 0=0.5（I CCL +I CCH ）V CC
间参数是动态参数，不同系列，不同型号差别较大，对逻辑门而言一般分为如下三个时间参数。

t PHL ——输出电压从高电平变化到低电平相对于输入电压变化的延迟时间； t PLH ——输出电压从低电平变化到高电平相对于输入电压变化的延迟时间； t pd ——t PHL 和t PLH 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间
2
PLH
PHL pd t t t +=
7.2.3 OC 门与三态门
7.2.3.1 OC 门
将图7.1的TTL 与非门电路中的VT 3、VD 4去掉，就得到集电极开路门，如图7.6所示。

对于OC 门主要说明以下几个问题：
1. 上拉电阻
在使用OC 门时,由于VT 5的上拉部分VT 3、VD 4去掉，VT 5将不能得到高电平，为此OC 门在工作时必须在输出端与电源之间外接一个电阻，这个电阻称为上拉电阻。

o
A
B
&
图7.6 OC 门电路图及符号
上拉电阻的确定方法：
IL OL OLMAX CC
cMIN M I I U V R --= ，CC OHMIN
cMAX CEX IH
V U R NI KI -=+ ，R cMIN ≤R c ≤R cMAX 上拉电阻的计算值往往从几百欧姆到几百千欧，一般选10k Ω左右，上拉电阻小有利于
减小逻辑门的上升时间，这时可以选1k Ω左右，但功耗大一些。

2．OC 门输出端可以并联使用，实现与逻辑
当几个OC 门的输出端连在一起时，现在两个门的输出端连在一起后，只要其中有一个输出低电平，总的输出就是低电平，只有两个门都输出高电平时，总的输出才是高电平。

这相当“与”的逻辑关系，这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
三态与非门与一般与非门不同，它的输出端除了可以出现高电平、低电平外，还可以出现第三种状态——高阻状态，或称禁止状态。

图7.7的电路就是一个三态门电路的实例。

这个电路实际上是由两个与非门加上一个二极管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) 使能控制
图7.7 三态与非门
在讲解三态门时，强调解释高阻状态，高阻状态输出端的上下电路都呈现一个无穷大的电阻，即开路，因此，输出端高阻状态可以理解为输出端开路。

这样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，三态门通过使能端，采用分时的工作模式，可以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用这种工作模式。

7.2.4 CMOS 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 电路特点的理解上。

7.2.4.1 CMOS 反相器
MOS 集成电路的发展是速度与功耗这一对矛盾对立统一的过程，最后发展到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 集成电路电路都是由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
U O
5
43
210
12345
u i (V )
图7.8 CMOS 反相器 图7.9 CMOS 电压传输特性曲线
CMOS 电路有许多优点，主要有：
1．静态功耗十分微小，往往只有微瓦量级，但是它的动态功耗，特别是在工作速度高
o
CC
EN
F Z
AB
10
&
A B F
EN
EN
&
A
B F
的时候不一定比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会同时导通，所以P 沟道的管子可以把沟道电阻做的小一些，这样就可以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。

因此在相同的逻辑摆幅条件下，CMOS 电路可以使用更低的电源电压，为降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
V 8.0ILMAX =V 4.0OLMAX =DD ILMAX 2.0V =V
1.0OLMAX =V
2IHMIN =V
7.2OHMIN =DD IHMIN 7.0V =V
1.0DD OHMIN -=V V
1.00.2DD NL(HC)-=V U
103
102
10
1.010101010101010101010108
输入频率（Hz ）
图7.10 CMOS 和TTL 逻辑门的逻辑电平 图7.11 速度功耗曲线
7.2.4.2 CMOS 传输门
CMOS 电路不同于TTL 电路的是它有所谓CMOS 传输门，CMOS 传输门既可以传输数字信号，又可以传输模拟信号，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 传输门具有很低的导通电阻（几十欧）和很高的截止电阻（大于107欧），接近于理想开关。

CMOS 传输门可以作为集成电路输出级的隔离门，可以作为多路开关用于数据的采集和选通，用于程序控制电路的增益控制，可以用于控制电路的零点锁定，组成开关矩阵对信号的传输方向进行编程等等，是十分有用的集成电路品种。

习 题
【7-1】 选择填空：
1、在数字电路中，稳态时三极管一般工作在 开关 状态（放大，开关）。

在图7.1-1中，若u i <0，则三极管T 截止 （截止，饱和），此时u o = 3.7V (5V ,3.7V ,2.3V)；欲使三极管处于饱和状态，u i 需满足的条件为 b （a. u i >0 b.
u .R V R i b cc
c
-≥07β c. u .R V R i b CC
C
-<07β)。

在电路中其它参数不变的条件下，仅R b 减小时，三极管的饱和程度 加深 （减轻，加深，不变）；仅R c 减小时，饱和程度减轻 （减轻，加深，不变），饱和压降U CES 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I is =1.6mA ，高电平输入漏电流I iH =40μA 。

试问：当A=B=1时，G 1的 灌 电流（拉，灌）为 3.2mA ；A=0时，G 1的 拉 电流（拉，灌）为160A μ。

3
G A B
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U OH =3V ；输出低电平U OL = 0.3V ；输入短路电流I iS = 1.4mA ；高电平输入漏电流I iH =0.02mA ；阈值电平U T =1.5V ；开门电平U ON = 1.5V ；关门电平U OFF = 1.5V ；低电平噪声容限U NL = 1.2V ；高电平噪声容限U NH = 1.5V ；最大灌电流I OLmax = 15mA ；扇出系数N= 10 .
i
1.5V
u
OH u i
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，不定）此时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 （很大，极低）；而动态功耗随着工作频率的提高而 增加 （增加，减小，不变）；输入电阻 很大 （很大，很小）；噪声容限 高 （高，低，等）于TTL 门。

7、某TTL 反向器的延迟时间t PLH =15ns ，t PHL =10ns 。

输入为占空比为50%的方波，该方波的频率不得高于 30MH Z （50MH Z ，40MH Z ，30MH Z ）。

【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 =10k Ω请画出输出F 的波形。

A
B C
A B C
(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 =B A +；当C =1时，F =A ，即，F =B A +C +A C 。

答案见图7-2(c)。

A B C F
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：
F 1=A ，F 2=1，F 3=B A +，F 4=AB ，F 5=1，F 6=B
【7-4】在下图7-4（a ）所示电路中，G 1、G 2、G 3是LSTTL 系列OC 门，输出高电平时的漏电流为I oH ≤100μA ，输出低电平时允许的最大吸收电流为I oLmax =8mA ，G 4、G 5、G 6是LS 系列与非门，它们的输入与输出特性如图（b ）所示。

已知V CC =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：
iL oL oLmax
CC I M I U V --≤ R ≤iH
cex oHmin CC I K I N U V +-
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
≤≤Ωk 5699R
【7-5】CMOS 电路如下图7-5（a ）所示，已知输入A 、B
及控制端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)
(d)
(a) (b)
图7-5 题7-5电路图
解： 当0=C 时，B A F +=；当1=C 时，B F =。

解答波形图如图7-5(c)所示。

A B
C
F
图 7-5(c) 题7-5解答波形图
【7-6】 TTL 三态门电路如图7-6所示。

画出图示输入波形所对应的输出F 的波形。

A
B C
F
A B (b)
图7-6题7-6的输入波形图
解：
当1=C 时，AB F =； 当0=C 时，B A B A F +==。

于是，逻辑表达式 C B A C AB F )(++= F
的波形见图7-6(c)所示。

图7-6(c) 题7-6的输出波形图
【7-7】图7-7中各电路中凡是能实现非功能的要打对号，否则打×。

图(a)为TTL 门电路，图(b)为CMOS 门电路。

A
A B
C
A
(a) TTL门
V
(b) CMOS门
图7-7 题7-7电路图
解：
&
1
=1&&
&
1
A
5V
A A A
100
1M
"1"
A
Ω
(a) TTL门
&1=1
A A A&
A 1M
V
DD
"1"
TG
B
(b) CMOS门
图7-7(c) 题7-7电路图
【7-8】要实现图7-8中各TTL门电路输出端所示的逻辑关系各门电路的接法是否正确？如不正确，请予更正。

C
B
A
F=
A
B
CD
AB
F+
=
X
A
X
B
X
A+
=
AB
=
图7-8 题7-8电路图
C
B A
F =A B
CD
AB F +=X
A X
B X A +=AB
=
图7-8(b) 题7-8的电路图
【7-9】图7-9所示电路中G 1为
TTL 三态门，G 2为TTL 与非门，万用表的内阻20k Ω/V ，量程5V 。

当C =1或C =0以及S 通或断等不同情况下，U O1和U O2的电位各是多少？请填入表中，如果G 2的悬空的输入端改接至0.3V ，上述结果将有何变化？
图7-9 题7-9电路图
，结果如下表：
【1G 2为TTL 与非门，图7-10（b ）是其电压传输特性及输入负载特性。

万用表表头的灵敏度为20k Ω／V ，量程为5V 。

当C =0和C =1时，试分别说明在下列情况下，万用表的读数？输出电压u o 各为多少伏？
1、悬空。

U
O 2
2、波段开关S 接到①端。

3、段开关S 接到②端。

4、波段开关S 接到③端。

5、波段开关S 接到④端。

解：
由图7-10知，G 2门的一个输入端接入电压表，内阻为20k Ω／V 大于开门电阻R on ，因此该端相当接入高电平。

其解答见表7.10
所示。

图 7-10 题7-10电路图
图 7-10(b) 题7-10电压传输特性及输入负载特性
【7-11】 已知TTL 逻辑门U oH =3V ，U oL =0.3V ，阈值电平U T =1.4V 。

试求图7-11所示电路中各电压表的读数。

解：
电压表读数V 1=1.4V ，V 2=1.4V ，V 3=0.3V ，V 4=3V ，V 5=0.3V 。

图7-11 题7-11电路图
【7-12】由CMOS 传输门和反相器构成的电路如图7-12（a ）所示，试画出在图（b ）波形
①②3.2V 0.2V i /k Ωi /V
作用下的输出u o的波形（u i1=10V u i2=5V）
t
t
(a)
(b)
图7-12 题7-12电路图
解：
t
t
10V
图7-12(b) 题7-12电路输出波形图
【7-13】甲乙两人用指针式万用表测量一个由TTL门组成的电路，发现某点的电位为1.8V。

对此甲认为是由于该点的负载过重，导致灌电流或拉电流太大所致；乙则认为应先观察一下该点的波形，才能做出判断。

你认为谁的说法正确的？为什么？
解：乙的说法正确，因为该点的电压有可能是变化的，此时万用表测得的是电压的平均值，1.8V的读数完全正常。