1
组合逻辑电路
-门电路数字电子电路 基础
2
§ 2.1 概述门电路的作用,是用以实现逻辑关系的电子电路，与基本逻辑关系相对应。
门电路的主要类型,与门、或门、与非门、或非门、异或门等。
门电路的输出状态与赋值对应关系：
正逻辑,高电位对应,1”；低电位对应,0”。
混合逻辑,输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输入用负逻辑、输出用正逻辑。
一般采用正逻辑负逻辑,高电位对应,0”；低电位对应,1”。
3
1
00V
Vcc
在数字电路中，对电压值为多少并不重要，
只要能判断高低电平即可。
K开 ------VO输出高电平，对应,1” 。
K合 ------VO输出低电平，对应,0” 。
VO
K
Vcc
R
V
V
4
门
(电子开关 )
满足一定条件时，电路允许信号通过?开关接通 。
开门状态：
关门状态：
条件不满足时，信号通不过? 开关断开 。
5
开关作用二极管反向截止：
开关接通开关断开三极管
（ C,E)
饱和区：
截止区：
开关接通
C
E
B开关断开正向导通：
C
E
B
6
R1
R2A
F
+ucc uA
t
uF
t
+ucc 0.3V
三极管的开关特性：
7
§ 2.2 分离元件门电路一、二极管与门
FD1
D2
A
B
+12V
u
A
u
B
u
F
0V 0V 0.3V
0V 3V 0.3V
3V 0V 0.3V
3V 3V 3.3V逻辑变量逻辑函数
( uD=0.3V )
8
u
A
u
B
u
F
0V 0V 0.3V
0V 3V 0.3V
3V 0V 0.3V
3V 3V 3.3V0 0 0
0 1 0
A B F
1 0 0
1 1 1
逻辑式,F=A? B
逻辑符号：
&A
B F
9
二、二极管或门
u
A
u
B
u
F
0V 0V - 0,3V
0V 3V 2,7V
3V 0V 2,7V
3V 3V 2,7V
FD1
D2
A
B
-12V
10
u
A
u
B
u
F
0V 0V - 0,3V
0V 3V 2,7V
3V 0V 2,7V
3V 3V 2,7V0 0 0
0 1 1
A B F
1 0 1
1 1 1
逻辑式,F=A+B
逻辑符号,?1A
B F
11
R1 D
R2A
F
+12V +3V
三、三极管非门
u
A
u
F
3V 0,3
0V 3,3
嵌位二极管
12
u
A
u
F
3V 0,3
0V 3,3
A F
0 1
1 0
逻辑式,AF?
逻辑符号,1A F
13
R1 D
R2
F
+12V +3V
三极管非门
D1
D2
A
B
+12V
二极管与门四、与非门逻辑式：
BAF
&A
B F
逻辑符号：
14
1,体积大、工作不可靠。
2,需要不同电源。
3,各种门的输入、输出电平不匹配。
分立元件门电路的缺点：
采用类似的方法还可以构成或非门、异或门等。
15
§ 2.3 TTL门数字集成电路,在一块半导体基片上制作出一个完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线。
使用时接：电源、输入和输出。数字集成电路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价格便宜的特点。
TTL型电路,输入和输出端结构都采用了半导体晶体管，称之为,Transistor— Transistor Logic。
16
100个以下,小规模 集成电路
( Small Scale Integration,SSI )
几百个,中规模 集成电路
（ Medium Scale Integration,MSI )
几千个,大规模 集成电路
（ Large Scale Integration,LSI )
一万个以上,超大规模 集成电路
（ Very Large Scale Integration,VLSI )
名称
17
CBAF
TTL与非门的内部结构
+5V
F
R4R2R1
3k
T2
R5
R3
T3
T4T
1
T5
b1 c
1A
B
C
360?
3k
750? 100?
18
一、电压传输特性
2.3.1 TTL与非门的特性和技术参数
uo(V)
ui(V)1 2 3
UOH
(3.4V)
UOL
(0.3V)
传输特性曲线
uo(V)
ui(V)1 2 3
UOH
“1”
UOL
(0.3V)
阈值 UT=1.4V
理想的传输特性输出高电平输出低电平
19
1,输出高电平 UOH、输出低电平 UOL
UOH?2.4V UOL?0.4V 便认为合格。
典型值 UOH=3.4V UOL=0.3V 。
2,阈值电压 UT
ui<UT时，认为 ui是低电平。
ui>UT时，认为 ui是高电平。
UT =1.4V
20
二,扇出系数与非门电路输出能驱动同类门的个数,与非门的扇出系数一般是 10。
三,TTL与非门在使用时多余输入端处理：
1,接 +5V。
2,若悬空,UI=“1”。 为了防止干扰，一般将悬空的输入端接高电平。
3,输入端并联使用。
21
四 平均传输时间
t
ui
0
t
uo
0
50%
50%
输出下降延迟时间 tpd1 输出上升延迟时间 tpd2
)(
2
1
21 pdpdpd ttt
典型值,3? 10 ns
22
2.3.2 各种逻辑门的相互转换转换方法,采用反演定理。
例,与非门可以转换成其他各种逻辑门。
BABABA
BABABABABABABA
把与非门的输入端连接在一起，就转换成非门。
BABABABABABABA
显然，与非门、或非门等也很容易得到。
23
RL
UCC
集电极悬空
+5V
F
R2R13k
T2
R3
T1
T5
b1c
1A
BC
&
符号应用时输出端要接一上拉负载电阻 RL 。
特点,RL和 UCC可以外接。
F = ABC
§ 2.4 其它类型的 TTL门电路
2.4.1 集电极开路的与非门（ OC门）
24
1,OC门可以实现“线与”功能。
&
&
&
UCC
F1
F2
F3
F
分析,F1,F2,F3任一导通，则 F=0。
F1,F2,F3全截止，则 F=1 。
输出级
RL
UCC
RL
T5
T5
T5
F=F1F2F3
25
2,负载电阻 RL和电源 UCC可以根据情况选择。
&
J
+30V?220V
J D
26
2.4.2 三态门
E—控制端
+5V
F
R4R2
R1
3k
T2
R5
R3
T3
T4T
1
T5
b1 c
1
A
B
DE E
一、结构
27
+5V
F
R4R2
R1
3k
T2
R5
R3
T3
T4T
1
T5
b1 c
1
A
B
DE E
二、工作原理
1,控制端 E=0时的工作情况：
0 1
截止
ABF?
28
+5V
F
R4R2
R1
3k
T2
R5
R3
T3
T4T
1
T5
b1 c
1
A
B
DE E
2,控制端 E=1时的工作情况：
1 0
导通截止截止高阻态
29
&A
B
F
E
符号输出高阻
0E?
1E?
ABF?
功能表三、三态门的符号及功能表
&A
B
F
E
符号输出高阻
1?E
0?E
ABF?
功能表使能端高电平起作用使能端低电平起作用
30
E1
E2
E3
公用总线
０
１
０
三态门主要作为 TTL电路与 总线 间的 接口电路 。
四、三态门的用途工作时,E1,E2、
E3分时 接入高电平。
31
§ 2.5 MOS门电路
MOS电路 的特点：
2,是电压控制元件，静态功耗小。
3,允许电源电压范围宽（ 3?18V）。
4,扇出系数大，抗噪声容限大。
优点
1,工艺简单，集成度高。
缺点,工作速度比 TTL低 。
32
2.5.1 MOS反相器
0 UDS
ID
负载线
ui=“1”
ui=“0”
uo=“0” uo=“1”
UCC
ui
uo
33
等效结构
UCC
ui
uo
T2（负载管）
T1 (驱动管）
UGS= UDS> UT
导通有源负载
(非线性电阻 )
实际结构
UCC
ui
uo
34
2.5.2 CMOS反相器
NMOS管
PMOS管
CMOS电路工作原理：
ui=0时,ugs2=?UCC,
T2导通,T1截止，
uo=“１”；
ui=1时,T1导通,T2截止,uo=“0”。
UCC
S
T2
D
T1
ui uo
D
S
Complementary -Symmetry MOS
互补对称式 MOS
T1,ON
T2,OFF
同一电平,
OFF
ON
2.5.3 CMOS与非门
&A
B F
工作原理,
+UDD
A
F
T2
T1
B
T3
T4
S S
S
S
G
G
结构
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
A B T1 T2 T3 T4 F
BAF
A B T1 T2 T3 T4 F
A
B
F
工作原理,
+UDD
F
A
T2
T1
B
T3T4
G
G
S
S
S
结构
0 0 ×× 1
0 1? ×?× 0
1 0 × × 0
1 1 × × 0
2.5.4 CMOS或非门
BAF
37
附,门电路的常见逻辑符号与门 或门 非门
F=A?B F=A+B AF?
&A
B F
A
B F
A
B F
A
B F
A
B F
A
B F?
A 1 F
A F
A F
A F
38
与非门 或非门 OC门
(两输入与非 )BAFBAF
&A
B F
A
B F
A
B F
A
B F
A
B F?
A
B F
&A
B F
A
B F
A
B F
国标
39
A
B
E
&A
B
E
&A
B E
国家标准三态门
(两输入与非 )
与或非门
CDAB? +
A
B
C
D
F
A
B
C
D
F
&
&
组合逻辑电路
-门电路数字电子电路 基础
2
§ 2.1 概述门电路的作用,是用以实现逻辑关系的电子电路，与基本逻辑关系相对应。
门电路的主要类型,与门、或门、与非门、或非门、异或门等。
门电路的输出状态与赋值对应关系：
正逻辑,高电位对应,1”；低电位对应,0”。
混合逻辑,输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输入用负逻辑、输出用正逻辑。
一般采用正逻辑负逻辑,高电位对应,0”；低电位对应,1”。
3
1
00V
Vcc
在数字电路中，对电压值为多少并不重要，
只要能判断高低电平即可。
K开 ------VO输出高电平，对应,1” 。
K合 ------VO输出低电平，对应,0” 。
VO
K
Vcc
R
V
V
4
门
(电子开关 )
满足一定条件时，电路允许信号通过?开关接通 。
开门状态：
关门状态：
条件不满足时，信号通不过? 开关断开 。
5
开关作用二极管反向截止：
开关接通开关断开三极管
（ C,E)
饱和区：
截止区：
开关接通
C
E
B开关断开正向导通：
C
E
B
6
R1
R2A
F
+ucc uA
t
uF
t
+ucc 0.3V
三极管的开关特性：
7
§ 2.2 分离元件门电路一、二极管与门
FD1
D2
A
B
+12V
u
A
u
B
u
F
0V 0V 0.3V
0V 3V 0.3V
3V 0V 0.3V
3V 3V 3.3V逻辑变量逻辑函数
( uD=0.3V )
8
u
A
u
B
u
F
0V 0V 0.3V
0V 3V 0.3V
3V 0V 0.3V
3V 3V 3.3V0 0 0
0 1 0
A B F
1 0 0
1 1 1
逻辑式,F=A? B
逻辑符号：
&A
B F
9
二、二极管或门
u
A
u
B
u
F
0V 0V - 0,3V
0V 3V 2,7V
3V 0V 2,7V
3V 3V 2,7V
FD1
D2
A
B
-12V
10
u
A
u
B
u
F
0V 0V - 0,3V
0V 3V 2,7V
3V 0V 2,7V
3V 3V 2,7V0 0 0
0 1 1
A B F
1 0 1
1 1 1
逻辑式,F=A+B
逻辑符号,?1A
B F
11
R1 D
R2A
F
+12V +3V
三、三极管非门
u
A
u
F
3V 0,3
0V 3,3
嵌位二极管
12
u
A
u
F
3V 0,3
0V 3,3
A F
0 1
1 0
逻辑式,AF?
逻辑符号,1A F
13
R1 D
R2
F
+12V +3V
三极管非门
D1
D2
A
B
+12V
二极管与门四、与非门逻辑式：
BAF
&A
B F
逻辑符号：
14
1,体积大、工作不可靠。
2,需要不同电源。
3,各种门的输入、输出电平不匹配。
分立元件门电路的缺点：
采用类似的方法还可以构成或非门、异或门等。
15
§ 2.3 TTL门数字集成电路,在一块半导体基片上制作出一个完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线。
使用时接：电源、输入和输出。数字集成电路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价格便宜的特点。
TTL型电路,输入和输出端结构都采用了半导体晶体管，称之为,Transistor— Transistor Logic。
16
100个以下,小规模 集成电路
( Small Scale Integration,SSI )
几百个,中规模 集成电路
（ Medium Scale Integration,MSI )
几千个,大规模 集成电路
（ Large Scale Integration,LSI )
一万个以上,超大规模 集成电路
（ Very Large Scale Integration,VLSI )
名称
17
CBAF
TTL与非门的内部结构
+5V
F
R4R2R1
3k
T2
R5
R3
T3
T4T
1
T5
b1 c
1A
B
C
360?
3k
750? 100?
18
一、电压传输特性
2.3.1 TTL与非门的特性和技术参数
uo(V)
ui(V)1 2 3
UOH
(3.4V)
UOL
(0.3V)
传输特性曲线
uo(V)
ui(V)1 2 3
UOH
“1”
UOL
(0.3V)
阈值 UT=1.4V
理想的传输特性输出高电平输出低电平
19
1,输出高电平 UOH、输出低电平 UOL
UOH?2.4V UOL?0.4V 便认为合格。
典型值 UOH=3.4V UOL=0.3V 。
2,阈值电压 UT
ui<UT时，认为 ui是低电平。
ui>UT时，认为 ui是高电平。
UT =1.4V
20
二,扇出系数与非门电路输出能驱动同类门的个数,与非门的扇出系数一般是 10。
三,TTL与非门在使用时多余输入端处理：
1,接 +5V。
2,若悬空,UI=“1”。 为了防止干扰，一般将悬空的输入端接高电平。
3,输入端并联使用。
21
四 平均传输时间
t
ui
0
t
uo
0
50%
50%
输出下降延迟时间 tpd1 输出上升延迟时间 tpd2
)(
2
1
21 pdpdpd ttt
典型值,3? 10 ns
22
2.3.2 各种逻辑门的相互转换转换方法,采用反演定理。
例,与非门可以转换成其他各种逻辑门。
BABABA
BABABABABABABA
把与非门的输入端连接在一起，就转换成非门。
BABABABABABABA
显然，与非门、或非门等也很容易得到。
23
RL
UCC
集电极悬空
+5V
F
R2R13k
T2
R3
T1
T5
b1c
1A
BC
&
符号应用时输出端要接一上拉负载电阻 RL 。
特点,RL和 UCC可以外接。
F = ABC
§ 2.4 其它类型的 TTL门电路
2.4.1 集电极开路的与非门（ OC门）
24
1,OC门可以实现“线与”功能。
&
&
&
UCC
F1
F2
F3
F
分析,F1,F2,F3任一导通，则 F=0。
F1,F2,F3全截止，则 F=1 。
输出级
RL
UCC
RL
T5
T5
T5
F=F1F2F3
25
2,负载电阻 RL和电源 UCC可以根据情况选择。
&
J
+30V?220V
J D
26
2.4.2 三态门
E—控制端
+5V
F
R4R2
R1
3k
T2
R5
R3
T3
T4T
1
T5
b1 c
1
A
B
DE E
一、结构
27
+5V
F
R4R2
R1
3k
T2
R5
R3
T3
T4T
1
T5
b1 c
1
A
B
DE E
二、工作原理
1,控制端 E=0时的工作情况：
0 1
截止
ABF?
28
+5V
F
R4R2
R1
3k
T2
R5
R3
T3
T4T
1
T5
b1 c
1
A
B
DE E
2,控制端 E=1时的工作情况：
1 0
导通截止截止高阻态
29
&A
B
F
E
符号输出高阻
0E?
1E?
ABF?
功能表三、三态门的符号及功能表
&A
B
F
E
符号输出高阻
1?E
0?E
ABF?
功能表使能端高电平起作用使能端低电平起作用
30
E1
E2
E3
公用总线
０
１
０
三态门主要作为 TTL电路与 总线 间的 接口电路 。
四、三态门的用途工作时,E1,E2、
E3分时 接入高电平。
31
§ 2.5 MOS门电路
MOS电路 的特点：
2,是电压控制元件，静态功耗小。
3,允许电源电压范围宽（ 3?18V）。
4,扇出系数大，抗噪声容限大。
优点
1,工艺简单，集成度高。
缺点,工作速度比 TTL低 。
32
2.5.1 MOS反相器
0 UDS
ID
负载线
ui=“1”
ui=“0”
uo=“0” uo=“1”
UCC
ui
uo
33
等效结构
UCC
ui
uo
T2（负载管）
T1 (驱动管）
UGS= UDS> UT
导通有源负载
(非线性电阻 )
实际结构
UCC
ui
uo
34
2.5.2 CMOS反相器
NMOS管
PMOS管
CMOS电路工作原理：
ui=0时,ugs2=?UCC,
T2导通,T1截止，
uo=“１”；
ui=1时,T1导通,T2截止,uo=“0”。
UCC
S
T2
D
T1
ui uo
D
S
Complementary -Symmetry MOS
互补对称式 MOS
T1,ON
T2,OFF
同一电平,
OFF
ON
2.5.3 CMOS与非门
&A
B F
工作原理,
+UDD
A
F
T2
T1
B
T3
T4
S S
S
S
G
G
结构
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
A B T1 T2 T3 T4 F
BAF
A B T1 T2 T3 T4 F
A
B
F
工作原理,
+UDD
F
A
T2
T1
B
T3T4
G
G
S
S
S
结构
0 0 ×× 1
0 1? ×?× 0
1 0 × × 0
1 1 × × 0
2.5.4 CMOS或非门
BAF
37
附,门电路的常见逻辑符号与门 或门 非门
F=A?B F=A+B AF?
&A
B F
A
B F
A
B F
A
B F
A
B F
A
B F?
A 1 F
A F
A F
A F
38
与非门 或非门 OC门
(两输入与非 )BAFBAF
&A
B F
A
B F
A
B F
A
B F
A
B F?
A
B F
&A
B F
A
B F
A
B F
国标
39
A
B
E
&A
B
E
&A
B E
国家标准三态门
(两输入与非 )
与或非门
CDAB? +
A
B
C
D
F
A
B
C
D
F
&
&
