第二章 逻辑门电路讲义

第二章逻辑门电路讲义

发表时间：2008-6-2

·用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路称为逻辑

门电路。

·逻辑门电路是构成数字电路的基础。

·数字电路特点：

(1) 输入、输出信号的大小非高电平就是低电平

高电平和低电平是两个不同的可以截然区分开来的电压范围，可表示两种不同的状态。例如TTL，2.4～5V－－高电平，用U H表示；而0～0.4V－－低电平，用U L表示。

(2) 数字电路中电子器件的工作状态对应于逻辑1和逻辑0两种不同的状态，即工作在开

关状态。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器件。

·关于正、负逻辑

如果用逻辑1表示高电平，用逻辑0表示低电平，叫做正逻辑赋值，简称为正逻辑。如果用逻辑0表示高电平，用逻辑1表示低电平，叫做负逻辑赋值，简称为负逻辑。在以后的章节中，如果没有特别说明，一律采用正逻辑。

·数字IC分类

按集成度：小规模IC、中规模IC、大规模IC和超大规模IC

按器件：双极型IC、单极型IC。

2.1 半导体器件的开关特性

一理想开关的开关特性

1. 静态特性

(1) 断开时，电阻R OFF＝∞，电流I OFF＝0。

(2) 闭合时，电阻R ON＝0，不论电流多大。

2. 动态特性

(1) 开通时间t on＝0

(2) 关断时间t off＝0

实际开关：机械开关－－静态特性好，但动态特性很差（在一定的电压和电流范围内）电子开关－－静态特性差，但其动态特性较好。

在开关速度很高的情况下，开关状态的转换时间(开通时间t on和关断时间t off)显的尤为重要。数字电路中，常常要求器件的导通和截止两种状态的转换，在微秒甚至纳秒数量级的时间内完成。

二、二极管的开关特性

理想二极管：

导通时，导通压降U D＝0V，电流由外电路决定；反偏时，电流＝0，压降由外电路决定。

状态转换时间＝0。

实际二极管：

从正向导通到反向截止需要经历一个反向恢复过程。反向恢复时间t re＝t s＋t t，纳秒数量级，限制了二极管开关状态转换。

t s称为存储时间，t t称为渡越时间，

原因：

PN结正偏时，两边区域存储有载流子；偏置电压跳变后，存储电荷不能瞬间消失。PN结仍

处于正偏状态，存储电荷返回原处，数量由U

R 、R

L

决定。电流维持t

s

，之后存储电荷显著减少，

势垒区又逐渐变宽，t

t

是变宽的时间。

二极管从反向截止转换到正向导通所需的时间称为二极管的开通时间t on。但它比反向恢复时间t re要小的多，可忽略不计。

三、三极管的开关特性

1. 三极管的截止、放大和饱和状态

·NPN型硅BJT的截止条件 U

BE

<0.5V Je、Jc反偏

表现： I

C ≈0，U

CE

≈U CC，对应于开关的断开状态。

·BJT处于放大条件：Je正偏、Jc反偏

当I B增大时，I C按I C＝βI B的规律增大，而BJT管压降U CE减小，Q点向饱和区靠近。

·临界饱和：当IB增大使U

CE 降至U

CE

=U

BE

时，Jc零偏，称为临界饱和状态，此时的Ic称为

集电极饱和电流，用I CS表示，I B称为基极临界饱和电流，用I BS表示，则有

·深度饱和：I

B 继续增加，但I

C

已接近于最大值U CC/R C，受U CC和R C的限制，不会再随I B成比例

地增加，BJT进入饱和状态。所以BJT工作在饱和状态的条件为I

B

＞I BS

进入饱和状态后，i C会随i B的增加略有增加，U CE＜0.7V，集电结变为正向偏置。所以也常把集电结和发射结均正偏作为三极管工作在饱和状态的条件。饱和时的U CE电压称为饱和压降，用U CES表示，典型值U CES≈0.3V（硅管）。由于U CES很小，集电极到发射极之间相当于短路，对应于开关的闭合状态。

·R b、R C、β等参数都能决定三极管是否饱和。R b越小，β越大，R C越大，三极管越容易饱和。在数字电路中总是合理地选择这几个参数，使三极管在导通时为饱和导通。

2. 三极管开关的过渡过程

三极管工作在开关状态时，不是截止就是饱和，放大只是中间过渡状态。

开通时间t on=t d＋t r t d－－延迟时间，t r－－上升时间。

关闭时间t off = t S＋t f t S－－存储时间t f－－下降时间

延迟时间－－Je由宽变窄所需时间

上升时间－－基区非平衡少子建立浓度分布的时间

存储时间－－基区存贮电荷消散的时间，t S的长短取决于存储电荷数量

下降时间－－Je由窄变宽所需时间，I

B 由I

BS

减到0的时间

开通时间和关闭时间总称为三极管的开关时间，一般在几十到几百纳秒的范围，从器件手册中可以查到。

2.2.4 MOSFET的开关特性

MOS型场效应管有四种类型，作为开关器件使用的主要是增强型MOS管。

·当U

I

T

时，工作在截止区，I

D

≈0，U DS= U DD。对应于开关的断开状态。

·当U

I ＞U

T

时，NMOS管导通，I

D

＞0。工作在恒流区，随着U

I

的升高U

DS

减小，

·当U

I

较大，使NMOS管进入可变电阻区，其导通电阻R ON很小(约百欧姆)，只要R D远大于R ON，则U O≈0V，对应于开关的闭合状态。

MOS管三个电极之间均有等效电容，它们分别是C GS、C GD和C DS，C GS和C GD一般约为1～3pF，C DS一般约为0.1～1pF，以及负载电容C L。所以，当输入电压突变时，MOS管受上述电容充、放

电过程的制约，由截止到导通或由

导通到截止的转换并不能立刻完

成。

开通时间： t on＝t d1＋t r

导通延迟时间t d1和上升时间t r之

后，才能由截止状态转换到导通状

态。

关断时间： t off＝t d2＋t f

关断延迟时间t d2和下降时间t f之后，才能由导通状态转换到截止状态。

需要说明的是，由于MOS管的导通电阻比三极管的饱和导通电阻大的多，R D也比R C大，即使C DS和C L很小，其充放电速度也很慢。所以MOS管的开通和关断时间比三极管长，即其开关特性较差。

2.2 分立元器件逻辑门电路

由分立的二极管、三极管和MOS管以及电阻等元件组成的逻辑门电路，叫做分立元器件逻辑门电路。

一、二极管与门和二极管或门

1.二极管与门

·二极管与门电路

·逻辑符号

·真值表

·逻辑表达式Y＝AB

2. 二极管或门

·二极管或门电路

·逻辑符号

·真值表

·逻辑表达式Y＝A＋B

二、三极管非门(三极管反相器)

·三极管非门电路

·逻辑符号

·真值表

·逻辑表达式Y =

三、MOS管非门

逻辑关系，Y＝。

2.3 TTL逻辑门电路

TTL来自于Transistor-Transistor Logic逻辑门电路。

一、TTL非门

·工作原理

①当输入信号为高电平时，T

2、T

3

饱和导通，输出端电压U O＝U CES3，为低电平。

②当输入信号为低电平时，T

2和T

3

都截止。T

4

和D导通，输出电压为3.6V 高电平

二、TTL非门的主要特性和参数1．电压传输特性

U O＝f(U I)关系曲线形象具体地描述了输出电压U O与输入电压U I的关系，称为电压传输特性曲线。

TTL反相器的电压传输特性曲线可分为AB、BC、CD、DE四段。

AB段：U I＜0.6V，T1深度饱和，T2和T3都截止，T4和D导通，U O＝U OH

BC段：U I从0.6V增加，并且U I＜1.3V时，可得0.7V＜U B2

＜1.4V，T

2开始导通（T

3

仍截止）。所以U I增加，使T2d的U C2

减小，又因T

4

跟随，所以输出电压会随U C2线性减小。

CD段：T3开始导通→T2的发射极阻抗减小→T2的I E2↑→加速T3向饱和过渡，相应地T4和二极管D截止。该段称为转折区。

DE段：U I>1.4V后，各管的工作状态不再发生重大变换，只是略有程度的差别。T3一直处于饱和状态，U O＝U OL，因此称该段为导通区。

2．输入端噪声容限

从电压传输特性曲线可看出，当U I偏离0.3V而上升时，U O并不马上下降。同样，当U I偏离3.6V而下降时，U O也并不会立即上升。因此，在TTL反相器中，即使有噪声电压叠加在输入信号的高、低电平上，只要噪声电压的幅度不超过允许的界限，其输出端的逻辑状态就不会受到噪声的影响。通常，把不允许噪声超过的界限叫做噪声容限。显然，电路噪声容限越大，其抗干扰能力就越强。

在数字电路中，TTL门电路的负载经常是同类门，这样，前一级门电路的输出，就是后一级门电路的输入。

与噪声容限有直接关系的参数是：

(1) 输出高电平U OH

U OH是TTL反相器处于截止状态时的输出电压，其典型值是3.6V，产品规定的最小值为U OHmin ＝2.4V。常称U OHmin为标准高电平。

(2) 输出低电平U OL

U OL是TTL反相器处于导通状态时的输出电压，其典型值是0.3V，产品规定的最大值为U OLmax ＝0.4V。常称U OLmax为标准低电平。

(3) 输入高电平U IH

U IH是对应于逻辑1的输入电压，其典型值是3.6V，产品规定的最小值为U IHmin＝2.0V。常称U IHmin为开门电平，并记作U ON，它是保证反相器处于导通状态所允许的输入高电平的下限。

(4) 输入低电平U IL

U IL是对应于逻辑0的输入电压，其典型值是0.3V，产品规定的最大值是U ILmax＝0.8V。常称U ILmax为关门电平，并记作U OFF，它是保证反相器处于截止状态所允许的输入低电平的上限。

·噪声容限示意图。

当G

2

门输入为高电平时的噪声容限为

U NH＝U OHmin－U IHmin＝(2.4－2.0)U＝0.4V

当G

2

门输入为低电平时的噪声容限为

U NL＝U ILmax－U OLmax＝(0.8－0.4)U=0.4V

U NH反映了同类门连接时输入高电平允许叠加在其上的负向噪声电压的最大值；

U NL反映了同类门连接时输入低电平允许叠加在其上的正向噪声电压的最大值；

由于TTL门电路的输入输出电阻都不高，虽然U NH、U NL都只有0.4V，但其抗干扰能力仍然比较强。

3.输入特性

·输入特性曲线

·输入短路电流I

IS

·输入高电平漏电流I

IH

4.输入端负载特性

在实际使用中，经常需要在TTL反相器的输入端与地之间接入电阻R i。

开门电阻R ON：输入电压为开门电平U ON时的电阻，一般取R ON＝2.5KΩ

关门电阻R OFF：输入电压为关门电平U OFF时的电阻，一般取R OFF＝0.7KΩ。

当R i＞R ON时，相当于加的是高电平

当R i＜R OFF时，相当于加的是低电平

当R OFF＜R i＜R ON时，则TTL反相器将处于放大状态。

5．输出端负载特性

分为两种情况：

(1)灌电流负载(低电平输出特性)

发生于输出为低电平时，所带负载电流流入驱动门输出端－－灌电流(Injection Current)，

的饱和程度要减轻，输出电压随灌入电流的增相应的负载称为灌电流负载。当灌电流增加时，T

3

加稍有增大。若灌电流增加过大，使T

退出饱和状态，输出低电平将显著增加。为可靠起见，

3

必须保证I OL＝NI IL≤I OLmax，从而使输出低电平U OL不超过规范值0.4V。一般TTL门电路带灌电流负载的能力I OLmax可达到16mA。

(2) 拉电流负载(高电平输出特性)

发生于输出为高电平时，所带负载电流流出驱动门输出端－－拉电流(Draw－off Current)，相应的负载称为拉电流负载。当拉电流增加时，在R c4上的压降增加，输出高电平U OH下降。若拉电流增加过大，输出高电平将显著下降。为了正常工作，必须保证I OH＝NI IH≤I OHmax，以使输出高电平U OH不低于规范值2.4V，一般I OHmax为400μA。

·扇出系数：N O表示电路带负载的能力。对于典型TTL逻辑门电路，N O≥8。

6．平均传输延迟时间

t pd =( t PHL+ t PLH )

因为t pd很难准确计算，所以一般用实验方法测定。

三、TTL与非门、或非门等

1．电路组成

·多发射极三极管

2．工作原理

A、B两个输入端中只要有一个输入为低电平，T1发射结就先导通，使T1处于深度饱和状态，从而将U C1钳制在0.3V，使T2、T3截止，T4、D导通，输出高电平。

只有A、B都为高电平时，T1才进入发射结反偏、集电结正偏的倒置放大状态。T2饱和导通，也饱和导通，输出低电平。

T

3

3. TTL或非门

(1) 电路组成

(2) 工作原理

4．TTL与门、或门及与或非门

5．TTL异或门

四、TTL集电极开路门(OC门)和三态门(TSL门)

1. TTL集电极开路门(简称OC门)

·线与：将几个门的输出端并联以实现与逻辑功能。

·强调：除OC（OD）门外，其它门电路不允许多个输出端直接并联。

·注意：OC门的逻辑符号，在使用OC门时，必须外接Rc电阻和电源，(上拉电阻)。

集电极开路门线与时，外接公共上拉电阻应选取合适。选取的R P应保证输出高电平U OH≥2.4V，以及输出低电平U OL≤0.4V。设有n个OC门线与，驱动个TTL与非门的m个输入端工

作，现分两种情况来计算：

①当所有的OC门都截止时，输出U O应为高电平，如图2.4.20所示。这时R P不能太大，如果R P太大，则其上压降太大，输出高电平就会太低，从而会导致U O小于U OHmin。因此当R P为最大值时要保证输出电压为U OHmin，由

U OHmin＝－I RP R Pmax＝－(nI OH+mI IH)R Pmax

得 R Pmax＝

式中I OH是流入每个OC门输出高电平时的漏电流，I IH是流入负载门每个输入端的高电平输入电流，n是OC门的个数，m是负载门输入端的个数(不是负载门的个数)。图中标出了此时各个电流的实际流向。

②当n个OC门中，只有一个导通时，输出也应为低电平且不高于U OLmax，R P中的电流I RP和负载门的输入低电平电流I IL都流入该门，这是最不利的一种情况。这时R P不能太小，如果R P 太小，则灌入导通的那个OC门的负载电流超过I OLmax，就会使OC门的T3脱离饱和，导致输出低电平上升。因此，当R P为最小值时要保证输出电压为U OLmax，由

I OLmax＝I RP+I IL＝+I IL

得R Pmin＝

式中，U OLmax是OC门输出低电平的上限值，I OLmax是OC门输出低电平时的灌电流能力，I IL是负载门的输入低电平电流，是负载门的个数。(如果负载门为或非门，则应为输入端个数。)

故所选用的公共上拉电阻R P应为

R Pmin≤R P≤R Pmax

2. 三态门(Three State Logic，简称TSL门)

三态门又称TSL门，它的特点是输出端除了高电平、低电平两个状态以外，还有第三个状态，即高阻状态，高阻状态也称为禁止状态。

注意：使能控制端的有效电平

·利用三态门可以实现总线结构，关键是轮流工作，任何时刻只有一个工作，这样就可以把各个门的输出信号轮流传输到总线上，而互不干扰。

·利用三态门实现数据双向传输

2.4 CMOS集成逻辑门电路

单元电路都是用N、P沟道增强型MOS管各一个，按照互补对称形式连接起来构成的，它们在工作时，总是一个管子导通，而另一个管子截止，即所谓互补状态。

一 CMOS反相器

1．电路组成和工作原理

电路图：T

N 是工作管；T

P

是负载管。两只管子的栅极并接在一起作为信号输入端，漏极串接

在一起作为信号输出端，T

P

的源极接电源U DD，T N的源极接地。

设T

N

的开启电压为U TN＝2V，T P的开启电压为U TP＝－2V，通常为了保证正常工作，要求U DD ＞U TN＋︱U TP︱，这里取U DD＝10V。

当输入U I为低电平0V时，U GSN＝U I

当输入U I为高电平＋10V时，U GSN＝U I＝10V>U TN，所以T N导通；同时U GSP＝U I－U DD＝(10－10)V ＝0V，大于开启电压U TP＝－2V，所以T P截止，U O≈0V。

2．输入保护电路

·加保护电路的原因：高阻、小电容、氧化硅绝缘层厚度只有10－2μm左右，其耐压大约在80～100V之间。电荷易积累、形成高电压。

·CMOS反相器的输入保护电路。图中二极管D

1、D

2

、D

3

的正向导通压降一般为U DF＝0.5～0.7V，

反向击穿电压在30V左右，R S＝1.5～2.5K，C1和C2分别是T N和T P的栅极等效电容。

3. 输出特性

(1) 低电平输出特性－－灌电流负载

当CMOS反相器的输出为低电平，即U O＝U OL时，T N导通，T P截止，这时负载电流I OL从V DD经负载电阻R L流入CMOS反相器的T N，输出电平随I OL增加而提高，由于此时的U OL就是U DSN、I OL就是i DN，所以U OL与I OL的关系曲线也就是T N的漏极特性曲线。另外由于T N的导通内阻与U GSN(U I)的大小有关，U I越大导通内阻越小。所以从曲线上还可以看到，同样的I OL值下U DD越高，T N导通时的U GSN(U I)越大，U OL也越低，CMOS反相器带灌电流负载能力则越强。

(2) 高电平输出特性

当CMOS反相器的输出为高电平，即U O＝U OH时，T P导通，T N截止，这时负载电流I OH从V DD 经T

P

流出，供给负载电阻R L，随着负载电流的增加，T P的导通电压增大，U OH下降。在同样的I OH 值下U DD越高，则T P导通时的U GSP越负，它的导通内阻越小，U OH也就下降的越少，CMOS反相器带拉电流负载能力则越强。

5. 电压传输特性和电流传输特性

·阈值电平U

TH =0.5V

DD

6. 输入端噪声容限

CMOS反相器的U NL和U NH相等，接近U DD。显然，随着U DD的增加，U NL和U NH相应地增大，这也是在使用CMOS逻辑门电路时都采用较高电源电压的重要原因。

7. 传输延迟时间

在CMOS反相器电路中，尽管MOS管的开关过程中不存在双极型三极管中载流子的聚集和消散过程，但由于电路内部电阻、电容的存在以及负载电容的影响，仍会存在传输延迟。尤其由

于CMOS电路的输出电阻比TTL电路的输出电阻大得多，所以负

载电容对传输延迟时间和输出电压的上升时间、下降时间影响更

为显著。图2.5.10所示是CMOS反相器在电容负载下的工作情况，

C L可能是下一级电路的输入电容，也可能是其他负载电路的电容

和接线电容。

此外，由于MOS管导通时的输出电阻随U GS增大而降小(导电

沟道变宽)，而通常情况下U GS又与U DD直接相关，所以传输延迟时

间也与V DD有关，这一点与TTL电路不同。

右图以CC4009为例，画出了电源电压V DD和负载电容C L对传输延迟时间的影响。

8. 功耗

CMOS反相器工作时的总功耗P D＝P S+P d，其中，P S为静态功耗，P d为动态功耗。

(1) 静态功耗

CMOS反相器的静态功耗很小。

(2) 动态功耗

CMOS反相器的动态功耗是指它从一个稳定状态突然转变到另一个稳定状态的过程中产生的功耗。动态功耗P d＝P T+P C，P T是T N和T P在短时间内同时导通所产生的功耗，P C是对负载电容充、放电所产生的功耗。

当满足U DD＞U TN+∣U TP∣时，在输入信号U I由高电平过渡到低电平或由低电平过渡到高电平的过程中，都将出现短时间U DD－∣U TP∣＞U I＞U TN的状态，这时T N和T P同时导通，有瞬时导通电流i D流过CMOS反相器，其瞬时导通功耗P T＝U DD·I D，I D为瞬时导通电流i D的平均值。

二、CMOS与非门、或非门、与门和或门

1．CMOS与非门电路

n个输入端的与非门必须有n个NMOS驱动管串联和n个PMOS负载管并联。

2．CMOS或非门电路

n个输入端的或非门，必须用n个NMOS管并联和n个PMOS管串联。

比较CMOS与非门和或非门电路可知，与非门的驱动管是彼此串联的，其输出电压随管子个数的增加而增加；或非门则相反，驱动管彼此并联，对输出电压不致有明显影响。因而CMOS或非门用的较多。

3．带缓冲级的CMOS门电路

对于基本CMOS与非门和或非门，如果从输出端上看，其结构是不对称的。这种电路的不对称将导致：

(1) 使电路的输出特性不对称；

(2) 使电路的电压传输特性发生偏移，阈值电压不再是U DD，从而使噪声容限减小。

随着输入端数目的增加，这种电路结构的不对称会更严重，带来的问题就更突出。

解决办法：

在基本门电路的每个输入端和输出端都附加一级CMOS反相器，便可构成带缓冲级的CMOS 门电路。需要注意的一点是输入、输出端增加缓冲级以后，电路的逻辑功能也发生了变化。

很显然，在基本CMOS门电路的每个输入端和输出端都加上反相器作为缓冲级后，其输入特性和输出特性就都与反相器相同了，这不仅改善了电路的电气特性，同时也给使用带来了方便。

三、CMOS传输门、三态门和漏极开路门

1．CMOS传输门

CMOS传输门(Transmission Gate，缩写为TG)的电路图，

CMOS传输门由P沟道增强型MOS管T

P 和N沟道增强型MOS管T

N

并联组成，由于T

P

和T

N

的源

极和漏极在结构上是完全对称的，源极和漏极可以互换，所以栅极的引出端画在栅极的中间，

信号可以双向传输。设T

N 和T

P

的开启电压为︱U T︱＝2V，且输入模拟信号在－5V～＋5V范围之

内。为使衬底与漏源极之间的PN结任何时候都不致正偏，故T

P 的衬底接＋5V，T

N

的衬底接－5V，

C和是互补的控制信号，分别控制两管的栅极。传输门实际上就是一种可以双向传输模拟信号

的压控开关，当然也可以传送数字信号。

CMOS传输门导通时，其导通电阻只有几百欧。

2．CMOS三态门

使能控制端低电平有效的CMOS三态门电路及逻辑符号。

使能控制端高电平有效的CMOS三态门电路及逻辑符号，即当使能控制端为高电平时电路处于工作状态，为低电平时电路呈现高阻状态。

3．CMOS漏极开路门(OD门)

CMOS漏极开路门的电路和逻辑符号。

OD门可以实现线与功能，即Y＝·。

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。 二、难点： 1．根据TTL与非门特性，正确分析和设计电路； 2．ECL门电路的逻辑功能分析； 3．CMOS电路的分析与设计； 4．正确使用逻辑门。 三、考核题型与考核重点 1．概念 题型为填空、判断和选择。

第二章逻辑门电路2

电路中D 3、D 4的作用是提高开关速度，当U o 由1跳到0时，经D 3、D 4提供放电回路，加速U o 的下降速度。R 4电阻由接地改为接在U o 上的目的是降低静态功耗，R 1电阻取值改为20k Ω也是为了降低电路的功耗。该电路的电阻值比TTL 门电路相应的电阻值大，主要目的是降低电路的功耗。实现的是与非的逻辑功能。 电路中二极管采用肖特基二极管，其正向导通压降为，而肖特基三极管的发射极的正偏电压为，集电极的正偏电压为。因此，电路的阈值电压将变为： D BE5BE2T U U U U -+==+输出的高低电平值：U OH = U OL =。 输入端的短路电流I IL = 0.23mA 20 0.4 5=- 习题 习题图TTL 与非门电路所示的电路中，若在某一输入端与地之间接一电阻R ，其余输入端悬空，试问： ⑴保证与非门可靠关闭时的最大电阻即关门电阻R OFF 为多大值 ⑵保证与非门可靠开通时的最小电阻即开门电阻R ON 为多大值 解：若在输入端A 与地之间接一电阻R i ，则R i 与地之间的电压U i 为： （1）i i i R R R U U U ?+-= 1be1 cc ≤OFF U 即 i R ?+-R 30.7 5≤ R i ≤? R OFF ?700? (2) i i i R R R U U U ?+-= 1be1 cc ≥on U 即 i R ?+-R 30.7 5≥ 由此可得： R i ≥? , 一般选R ON =2k? 1.4V T 1be1 cc ==?+-U R R R U U i i 工程计算： 得 R ON =R OFF ?? 习题 习题图所示电路由TTL 与非门组成。设G 1～G 4门的平均传输延迟时间相同为30ns ，现测得输出端F 的振荡频率为，试求G 5的平均传输延迟时间t pd5。 解：根据F 的频率求出F 的振荡周期，T =，由于五个与非门输出为原信号的非，所以延迟时间应为T /2≈156ns ，则第五个与非门的延迟时间为36ns 。 习题图 F

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。

数字电子技术第二章(逻辑门电路)作业及答案

第二章（逻辑门电路）作业及答案 1．逻辑门电路如下图所示： （1）电路均为ＴＴＬ电路，试写出各个输出信号的表达式。 （2）电路若改为ＣＭＯＳ电路，试写出各个输出信号的表达式。 答案:（1）,,,（2）,,, 2、已知TTL反相器的电压参数为V IL(max)=0.8V，V OH(min)=3V，V TH=1.4V，V IH(min)=1.8V，V OL(max)=03V，V CC=5V，试计算其高电平噪声容限V NH和低电平噪声容限V NL。 答案:V NL= V IL(max) - V OL(max)=0.5V，V NH= V OH(min) - V IH(min) =1.2V。 3、 试写出图2-1、图2-2所示逻辑电路的逻辑函数表达式。 解：（1）（2） 4、试分析图2-3所示MOS电路的逻辑功能，写出Y端的逻辑函数式，并画出逻辑图。

5、试简要回答下列问题。

（1）有源（图腾柱）输出与集电极开路（OC）输出之间有什么区别？ 解：OC门输出端只能输出低电平和开路状态，其输出级需要上拉电阻才能输出高电平，且上拉电源可以与芯片电源不同，因此常用于不同电源电压芯片之间实现信号电平变换，OC门输出端可以并联实现线与； 有源输出可以输出低电平与高电平，两个有源输出端连接在一起时，若是一个输出端输出高电平，另外一个输出端输出低电平时，可引起较大电流损坏输出级。 （2）TTL逻辑电路输入端悬空时，可视为输入高电平信号处理，而CMOS逻辑电路输入端则不允许悬空使用，试说明其原因。 解：因为CMOS电路的输入端具有非常高的输入阻抗，容易受到干扰，一旦受到干扰后，会使输出电平发生转换，产生功耗，因此输入端不能悬空，应该连接确定的逻辑电平。 6.请查阅74LS00芯片手册（常规温度范围的），回答如下问题： （1）电源电压范围； （2）输出高电平电压范围； （3）输出低电平电压范围； （4）输入高电平电压范围； （5）输入低电平电压范围； （6）该芯片的电源电流； （7）典型传播延迟时间； （8）扇出系数。 解：（1）电源电压范围4.75~5.25V （2）输出高电平范围：当|I OH|≤0.4mA时：2.7V~5V （3）输出低电平范围：当I OL≤8mA时：0~0.5V （4）输入高电平电压范围：2V~5V （5）输入低电平电压范围；0~0.8V （6）该芯片的静态电源电流； 5.5V时：I CCH=1.6mA/每封装 5.5V时：I CCL=4.4mA/每封装 （7）典型传播延迟时间； t PHL =10ns； t PLH=9ns； （8）扇出系数。 高电平输入电流I IH=20μA，输出I OH为400μA，因此高电平扇出系数为20。 低电平输入电流I IL=0.4mA，输出I OL为8mA，因此低电平输出心事为20。

第二章 逻辑门电路

第二章逻辑门电路 1、对于半导体材料，随温度升高：A A、电子—空穴对增加，载流子数目增多，导电能力增强 B、电子—空穴对减少，载流子数目增多，导电能力增强 C、电子—空穴对增加，载流子数目减少，导电能力增强 D、 2、N型半导体中主要靠（C ）载流子导电： A、束缚电子 B、空穴 C、自由电子 D、 3、在数字电路中，三极管一般作为一个开关使用，工作稳定时处于： A、饱和或放大状态 B、放大或截止状态 C、饱和或截止状态 D、 4、将多个与非门的输出端直接相连，实现各输出端相与的逻辑功能，称为： A、线与 B、线或 C、线非 D、 5、TTL门电路的输入端悬空或接大电阻相当接： A、低电平 B、高电平 C、高阻 D、 第二题、多项选择题（每题2分，5道题共10分） 1、对于本征半导体：ABC A、自由电子和空穴成对出现 B、自由电子和空穴浓度相同 C、自由电子浓度高，空穴浓度低 D、自由电子和空穴数目相同 E、自由电子数目少，空穴数目多 2、三极管工作在饱和状态时： A、如图开关断开 B、两个结均反偏 C、如图开关闭合 D、两个结均正偏 E、一个结正偏，另一个结反偏 3、若只采用二极管作为开关器件，则可以实现： A、与逻辑关系 B、非逻辑关系 C、或逻辑关系 D、与非逻辑关系 4、或非门的多余输入端可以： A、接逻辑1 B、接逻辑0 C、和有用端并接 D、悬空 5、场效应管也叫： A、电流控制器件 B、电压控制器件 C、双极性器件 D、单极性器件 第三题、判断题（每题1分，5道题共5分）1、半导体中只有自由电子一种载流子。 错误 2、载流子的漂移运动与扩散运动方向相同。 正确 3、二极管的反向饱和电流随温度的升高而增大。 正确错误 4、三极管实现电流控制及放大的外部条件是Je正偏，Jc反偏。 正确错误 5、逻辑门的多余输入端可以和有用端并接使用。 正确错误 第三章组合逻辑电路的分析与设计 1、组合逻辑电路的输出状态： A、与输入状态无关，和电路原来的状态有关， B、与输入状态有关，和电路原来的状态无关 C、与输入状态有关，和电路原来的状态有关 D、 2、最简与或式是指逻辑表达式中的：

第二章 逻辑门电路

第二章逻辑门电路 [教学要求] 1.了解门电路的定义及分类方法，二极管、三极管的开关特性，及分立元件组成的与、或、 非门的工作原理； 2.掌握TTL反相器的工作原理，静态输入、输出、电压传输特性及输入端负载特性，开关 特性；了解其它TTL门（与非门、或非门、异或门、三态门，OC门）的工作原理及TTL 门的改进系列； 3.掌握CMOS反相器的工作原理及静态特性。了解CMOS反向器的动特性。其他CMOS 门（与非门、或非门等）的工作原理。掌握门电路应用注意事项。 [教学内容] 1.分立元件组成的与、或、非门的工作原理 2.TTL反相器 3.其它TTL门 4.CMOS反相器的工作原理及静态特性 5.其他CMOS门（与非门、或非门等）的工作原理 6.门电路应用注意事项 引言

2.1 二极管的开关特性 一、二极管从正向导通到截止有一个反向恢复过程 通常把二极管从正向导通转为反向截止所经过的转换过程称为反向恢复过程。其中t S 称为存储时间，t t称为渡越时间，t re=t s+t t称为反向恢复时间。 由于反向恢复时间的存在，使二极管的开关速度受到限制。 二、产生反向恢复过程的原因——电荷存储效应 二极管在开关转换过程中出现的反向恢复过程，实质上由于电荷存储效应引起的，反向恢复时间就是存储电荷消失所需要的时间。 三、二极管的开通时间 二极管从截止转为正向导通所需的时间称为开通时间。这个时间同反向恢复时间相比是很短的。它对开关速度的影响很小，可以忽略不计。 2.2 BJT的开关特性 ＮＰＮ型BJT的结构如下图所示。

ＰＮＰ型BJT的结构如下图中的上半部所示，下边为电路图中的符号。 一、BJT的开关作用 BJT的开关作用对应于有触点开关的“断开”和“闭合”。 上图所示电路用来说明BJT开关作用，图中BJT为ＮＰＮ型硅管。 ＮＰＮ型BJT截止、放大、饱和三种工作状态的特点列于下表中。 二、BJT的开关时间 BJT的开关过程和二极管一样，也是内部电荷“建立”和“消散”的过程。因此BJT饱和与截止两种状态的相互转换也是需要一定的时间才能完成的。