第 2章 集成门电路
授课计划
教学内容
教学小结
一、授课计划
1、教学目标
1,掌握半导体二极管, 三极管和 MOS管的开关特性；
2,掌握基本 TTL与非门电路的工作原理, 了解 TTL数字
集成电路的电路特性及其性能参数；
3,熟练掌握 CMOS集成门电路的工作原理及其性能参数；
4,熟悉几种常用的 TTL与非门电路, CMOS集成门电路
及其逻辑符号的表示方法 。
2、重点与难点
1、重点：集成门电路外部特性及应用。
2、难点,TTL,CMOS集成门电路芯片的分类与选用。
3、学时分配：共 6学时
? 第 1,2学时：半导体二极管、三极管和 MOS管
的开关特性
? 第 3,4学时,TTL集成门电路
? 第 5,6学时,CMOS集成门电路
二、教学内容
2.1,1 晶体二极管的开关特性
二极管（就是一个 PN结）具有单向导电性，理想二极
管如同一个开关。但实际二极管与理想的二极管还是有一
些区别的，特别是在高频电路中，必须加以注意。
（一）、二极管稳态开关特性
二极管的伏安特性曲线
2.1 半导体二极管、三极管和 MOS管的开关特性 （第 1,2学时）
（二）、瞬态开关特性
上页 退出下页
从图中可知：反向恢复时间是影响二极管开关特性的主要
因素、正向恢复时间往往可以忽略。出现反向恢复时间的原因
是电荷存储效应（外加正向电压时，非平衡少子的积累）
2.1.2 晶体三极管开关特性
在数字电路中，三极管是作为开关使用的。 三极管
截止相当于开关断开；三极管饱和相当于开关闭合。
一、稳态开关特性
理想稳态开关特性：
关态：输入低电平, 三极管截止, C,E极间无电流 。
IC等于 0,输出为 VCC。
开态：输入高电平, 三极管导通, C,E极电压为零 。
IC等于 VCC / RC,输出为 0V。
实际稳态开关特性：
关态：基极接负电压, 集电结, 发射结均反偏, IC=ICBO
输出约等于 VCC。 C,E之间无导通电流 。
上页 下页 退出
开态,希望 （ 即输出电压 ） 接近于 0V,应工作 在
饱和区,C,E结电压最小 。
二、瞬态开关特性
当晶体三极管发生由截止到饱和，或由饱和到截止
的状态翻转时，其工作特性称为瞬态特性。
三、晶体三极管反相器
反相器的作用是将输入信号极性求反，高电
平变低电平，低电平变高电平。
1 工作原理
当输入电压 VI为低电平 VL时，输出 VO应为高电
平 VH； 此时三极管应可靠截止。 当输入电压为高电
平时，输出应为低电平，此时三极管应可靠饱和。
上页 下页 退出
2 反相器的带负载能力
负载能力是指当负载发生变化时，输出电路能
够保证其输出指标不变的能力。
灌电流：流入反相器的负载电流，叫灌电流 Ioi。
产生灌电流的负载叫灌流负载。
拉电流：流出反相器的负载电流，叫拉电流 Iop。
产生拉电流的负载叫拉流负载。
负载能力可用保证反相器正常工作条件下的最
大灌流 IOIM和最大拉流 IOPM表示。
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(1)带灌流负载的能力
三极管饱和时的灌流负载
Ic = IRC + IOI
灌电流加大,IC 加大，饱和
深度减小，过大则退出饱和。因此应满足：
IC = IRC + IOI ? ? IB 即
IOIM ? ? IB — VCC / RC
三极管饱和程度越深,IOI加大使 IC加大后，
退出饱和的可能性越小，负载能力越强。
还要满足,
IC = IRC + IOIM ? ICM
以免损坏三极管。 ICM为集电极最大额定电流 。
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(2)带拉流负载的能力
三极管饱和时拉流负载
IOP = IRC - IC, IRC不变,IOP越大,IC越小，有利于饱
和，负载能力强,IOPM ? VCC / RC
三极管截止时拉流负载
IRC = IDC1 + IOP, IRC一定,IOP越大,IDC1越小，应保证
钳位二极管的正向导通电流，使其起到钳位作用。 其中：
VCC - VC1 VCC - VC1
IRC = —————— 即, IOPM ? —————R
C RC
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2.2 分立元器件门电路
2,2,1 二极管与门和或门
一、二极管与门电路
二、二极管或门电路
二极管可实现“与门”、“或门”,但不利于
串联使用。与门串联使用高低电平升高，或门
串联使用高低电平降低。
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二,MOS三极管非门
TL是负载管，栅极接漏极，同为 VDD,该管恒
导通，且处于饱和区，因为：
VGS — VGS（ th） 〈 VDS
当输入 VI 为低电平时，因小于开启电压,T0
不导通，则 V0 = VDD — VGS（ th） 高
当输入 VI为高电平时,T0导通，输出低电平 。
2,2,2 三极管非门
一、晶体三极管非门
退出下页上页
2,3 TTL集成门电路 （第 3,4学时）
2,3,1 TTL与非门
TTL与非门电路图及逻辑符号 。 它是输入级,
中间级和输出级三部分组成的 。 如图,
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一, 工作原理
(1) 输入全部为高电平 。 当输入 A,B,C均为高电平,
即 UIH=3.6V时, T1基极电位升高, 使 T1的集电结和 T2、
T5的发射结导通, T5由 T2提供足够的基极电流而处于
饱和状态, 输出低电平, UO=UOL=UCE5≈0.3V
(2) 输入至少有一个为低电平。输出为高电平：
UO=UOH≈Ucc－ UBE3－ UBE4=5－ 0.7－ 0.7=3.6V
电路的输出与输入之间满足与非逻辑关系,
二, TTL与非门的外特性与参数
1.电压传输特性
即,
退出
下页
上页
V0 随 Vi 变化的规律
AB段,截止区 Vi<0.6v T1饱和, T2,T5截止,T3、
T4导通。 V0=VH
BC段,线性区
VI =0.6~1.3V T5截止，其他导通,V0随 VI增加线
性下降。
CD段,转折区
VI>1.3v以后,T5开始导通,V0加速下降。
DE段,饱和区
VI增大,T5饱和, T4截止，输出低电平。
上页 下页 退出
(1) 输出逻辑高电平 VOH,截止区对应的输出电平。
输出逻辑低电平 VOL,饱和区对应的输出电平。
(2) 额定逻辑高电平 VSH=3v
额定逻辑低电平 VSL=0.35V
(3) 开门电平 Von, 在 保证输出为 VSL的条件下，允
许 输入高电平的最小值 。 一般 Von ? 1.8v
(4) 关门电平 Voff,在保证输出为 VSH的 90%的条件
下，允许 输入低电平的最大值 。 一般 Voff ? 0.8v
(5) 阈值电平 Vth 转折区中点对应的输入电压
(6) 噪音容限 UNL,UNH
低电平噪声容限 VNL= Voff – VIL,输出高电平可以
得到保障,
2, 主要参数
退出下页上页
(7)输入漏电流 IIH:当 UI>Uth时，流经输入端的电流称
为输入漏电流 IIH,，,约为 10μA
(8)扇出系数 NO,是指一个输出端，在保证输出低电
平 VOL不大于 0.35v的条件下，能驱动同类门的最多
个数。 通常 NO ? 8
2.3.2 TTL集电极开路门和三态门
1,集电极开路门 (OC门 )
可直接将几个逻辑门的输出端相连，实现输出
“与“
功能的方式称为线与。
高电平噪声容限 VNH=VIH – Von,输出低电平可以得
到保障
上页 下页 退出
为使 TTL门能线与，直接将 T5的集电极引出即集电
极开路（ OC）,由外电路提供 RC电阻。如图
OC门电路可以实现线与，高电压、大电流的驱动
能力很强，但失去了推拉输出速度快的优点。
使用 OC门时，必须经外接电阻 RL接通电源才能
实现线与逻辑
不是所有的输出端都可以实现线与，如图
输出的门电路，如果输出线与，有可能因存在低阻
回路而损坏电路。
退出上页 下页
2.三态门 (TSL门 )
三态：逻辑门的输出有高电平, 低电平和高阻状态 。
电路组成是在 TTL与非门的输入级多了一个控制器
件 D,如图
E为控制端或称使能端。当 E=1时，二极管 D截止，
TSL门与 TTL门功能一样；当 E=0时,T1处于正向
工作状态,T2,T5截止，二级管 D使 T3基极电位钳
制在 1V左右,T4,T5都截止，输出端呈现高阻状态。
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2.3,3 典型 TTL与非门芯片介绍
部分常用中小规
模 TTL门电路的型号
及功能如表 2.1。
实际应用中, 可根
据电路需要选用不同
的型号 。
表 2.1 74系列门电路的型号及功能
74LSXX系列是最常用的、延迟积较小的一种
TTL门电路，性能价格也比较高。
退出下页上页
型 号 逻 辑 功 能
74LS00 四 2输入与非门
74LS10 三 3输入与非门
74LS20 双 4输入与非门
74LS30 8输入与非门
2.4 CMOS数字集成电路 （第 5,6学时）
2.4.1 CMOS门电路
1,与非门
A,B两个输入端均为高电平时, T1,T2导通,
T3,T4截止, 输出为低电平 。
A,B两个输入端中只要有一个为低电平时，
T1,T2中必有一个截止,T3,T4中必有一个导通，
使输出为高电平。电路的逻辑关系为
上页 下页 退出
A,B两个输入端均为低电平时, T1,T2截止,
T3,T4导通, 输出 Y为高电平；
A,B两个输入中有一个为高电平时, T1,T2中
必有一个导通, T3,T4中必有一个截止, 输出为低
电平 。 电路的逻辑关系为
3.CMOS传输门
2．或非门
退出下页上页
A,B两个输入端均为低电平时, T1,T2截止,
T3,T4导通, 输出 Y为高电平；
A,B两个输入中有一个为高电平时, T1,T2中
必有一个导通, T3,T4中必有一个截止, 输出为低
电平 。 电路的逻辑关系为
3.CMOS传输门
2．或非门
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控制信号 C=1传输门相当于接通的开关
C=0传输门相当于断开的开关
MOS管的结构是对称的，源极和漏极可以互换使
用,CMOS传输门具有双向性，又称双向开关，用
TG表示。
4.CMOS三态门
5.CMOS漏极开路门
下页上页 退出
使用 CMOS电路的注意事项：
1、包装、焊接和测试时要防静电，烙铁要接地，
触摸电路前，身体要放电。多余输入端不要悬空。
2、有大电流输入可能时，输入端串联限流电阻。
3、防止可控硅效应,提高电源质量，加去藕电
容，加钳位二极管。
4、多电源系统中,CMOS电路的电源先开后关。
退出下页上页
2.4.2 CMOS电路与 TTL电路的连接
1.TTL电路驱动 CMOS电路
2.CMOS电路驱动 TTL电路
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本章小结
1,半导体二极管, 三极管和 MOS管, 是数字电路中的基本开关元件 。
半导体二极管是不可控的；半导体三极管是用电流控制且具有放
大特性的开关元件； MOS管是用电压进行控制的, 也具有放大持
性 。
2.目前普遍使用的数字集成电路基本上有两大类：一类是双极型数字
集成电路, TTL,HTL,IL,ECT都属于此类电路；另一类是金
属 -氧化物 -半导体 (MOS)数字集成电路 。
3.在双极型数字集成电路中, TTL与非门电路在工业控制上应用广泛,
是本章介绍的重点内容之一 。
4.在 MOS数字集成电路中, CMOS电路是重点 。 由于 MOS管具有功
耗小, 输入阻抗高, 集成度高等优点, 在数字系统中逐渐被广泛
采用 。
课后作业
2.2 试判断图题 2.2所示 TTL电路能否按各图要求逻
辑关系正常工作？若电路的接法有错，则修改电路。
2.4 图题 2.4均为 TTL门电路。
(1)写出 Y1,Y2,Y3,Y4的逻辑表达式 。
(2)若已知 A,B,C的波形, 分别画出 Y1~Y4的波形 。
授课计划
教学内容
教学小结
一、授课计划
1、教学目标
1,掌握半导体二极管, 三极管和 MOS管的开关特性；
2,掌握基本 TTL与非门电路的工作原理, 了解 TTL数字
集成电路的电路特性及其性能参数；
3,熟练掌握 CMOS集成门电路的工作原理及其性能参数；
4,熟悉几种常用的 TTL与非门电路, CMOS集成门电路
及其逻辑符号的表示方法 。
2、重点与难点
1、重点：集成门电路外部特性及应用。
2、难点,TTL,CMOS集成门电路芯片的分类与选用。
3、学时分配：共 6学时
? 第 1,2学时：半导体二极管、三极管和 MOS管
的开关特性
? 第 3,4学时,TTL集成门电路
? 第 5,6学时,CMOS集成门电路
二、教学内容
2.1,1 晶体二极管的开关特性
二极管（就是一个 PN结）具有单向导电性，理想二极
管如同一个开关。但实际二极管与理想的二极管还是有一
些区别的，特别是在高频电路中，必须加以注意。
（一）、二极管稳态开关特性
二极管的伏安特性曲线
2.1 半导体二极管、三极管和 MOS管的开关特性 （第 1,2学时）
（二）、瞬态开关特性
上页 退出下页
从图中可知：反向恢复时间是影响二极管开关特性的主要
因素、正向恢复时间往往可以忽略。出现反向恢复时间的原因
是电荷存储效应（外加正向电压时，非平衡少子的积累）
2.1.2 晶体三极管开关特性
在数字电路中，三极管是作为开关使用的。 三极管
截止相当于开关断开；三极管饱和相当于开关闭合。
一、稳态开关特性
理想稳态开关特性：
关态：输入低电平, 三极管截止, C,E极间无电流 。
IC等于 0,输出为 VCC。
开态：输入高电平, 三极管导通, C,E极电压为零 。
IC等于 VCC / RC,输出为 0V。
实际稳态开关特性：
关态：基极接负电压, 集电结, 发射结均反偏, IC=ICBO
输出约等于 VCC。 C,E之间无导通电流 。
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开态,希望 （ 即输出电压 ） 接近于 0V,应工作 在
饱和区,C,E结电压最小 。
二、瞬态开关特性
当晶体三极管发生由截止到饱和，或由饱和到截止
的状态翻转时，其工作特性称为瞬态特性。
三、晶体三极管反相器
反相器的作用是将输入信号极性求反，高电
平变低电平，低电平变高电平。
1 工作原理
当输入电压 VI为低电平 VL时，输出 VO应为高电
平 VH； 此时三极管应可靠截止。 当输入电压为高电
平时，输出应为低电平，此时三极管应可靠饱和。
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2 反相器的带负载能力
负载能力是指当负载发生变化时，输出电路能
够保证其输出指标不变的能力。
灌电流：流入反相器的负载电流，叫灌电流 Ioi。
产生灌电流的负载叫灌流负载。
拉电流：流出反相器的负载电流，叫拉电流 Iop。
产生拉电流的负载叫拉流负载。
负载能力可用保证反相器正常工作条件下的最
大灌流 IOIM和最大拉流 IOPM表示。
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(1)带灌流负载的能力
三极管饱和时的灌流负载
Ic = IRC + IOI
灌电流加大,IC 加大，饱和
深度减小，过大则退出饱和。因此应满足：
IC = IRC + IOI ? ? IB 即
IOIM ? ? IB — VCC / RC
三极管饱和程度越深,IOI加大使 IC加大后，
退出饱和的可能性越小，负载能力越强。
还要满足,
IC = IRC + IOIM ? ICM
以免损坏三极管。 ICM为集电极最大额定电流 。
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(2)带拉流负载的能力
三极管饱和时拉流负载
IOP = IRC - IC, IRC不变,IOP越大,IC越小，有利于饱
和，负载能力强,IOPM ? VCC / RC
三极管截止时拉流负载
IRC = IDC1 + IOP, IRC一定,IOP越大,IDC1越小，应保证
钳位二极管的正向导通电流，使其起到钳位作用。 其中：
VCC - VC1 VCC - VC1
IRC = —————— 即, IOPM ? —————R
C RC
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2.2 分立元器件门电路
2,2,1 二极管与门和或门
一、二极管与门电路
二、二极管或门电路
二极管可实现“与门”、“或门”,但不利于
串联使用。与门串联使用高低电平升高，或门
串联使用高低电平降低。
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二,MOS三极管非门
TL是负载管，栅极接漏极，同为 VDD,该管恒
导通，且处于饱和区，因为：
VGS — VGS（ th） 〈 VDS
当输入 VI 为低电平时，因小于开启电压,T0
不导通，则 V0 = VDD — VGS（ th） 高
当输入 VI为高电平时,T0导通，输出低电平 。
2,2,2 三极管非门
一、晶体三极管非门
退出下页上页
2,3 TTL集成门电路 （第 3,4学时）
2,3,1 TTL与非门
TTL与非门电路图及逻辑符号 。 它是输入级,
中间级和输出级三部分组成的 。 如图,
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一, 工作原理
(1) 输入全部为高电平 。 当输入 A,B,C均为高电平,
即 UIH=3.6V时, T1基极电位升高, 使 T1的集电结和 T2、
T5的发射结导通, T5由 T2提供足够的基极电流而处于
饱和状态, 输出低电平, UO=UOL=UCE5≈0.3V
(2) 输入至少有一个为低电平。输出为高电平：
UO=UOH≈Ucc－ UBE3－ UBE4=5－ 0.7－ 0.7=3.6V
电路的输出与输入之间满足与非逻辑关系,
二, TTL与非门的外特性与参数
1.电压传输特性
即,
退出
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V0 随 Vi 变化的规律
AB段,截止区 Vi<0.6v T1饱和, T2,T5截止,T3、
T4导通。 V0=VH
BC段,线性区
VI =0.6~1.3V T5截止，其他导通,V0随 VI增加线
性下降。
CD段,转折区
VI>1.3v以后,T5开始导通,V0加速下降。
DE段,饱和区
VI增大,T5饱和, T4截止，输出低电平。
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(1) 输出逻辑高电平 VOH,截止区对应的输出电平。
输出逻辑低电平 VOL,饱和区对应的输出电平。
(2) 额定逻辑高电平 VSH=3v
额定逻辑低电平 VSL=0.35V
(3) 开门电平 Von, 在 保证输出为 VSL的条件下，允
许 输入高电平的最小值 。 一般 Von ? 1.8v
(4) 关门电平 Voff,在保证输出为 VSH的 90%的条件
下，允许 输入低电平的最大值 。 一般 Voff ? 0.8v
(5) 阈值电平 Vth 转折区中点对应的输入电压
(6) 噪音容限 UNL,UNH
低电平噪声容限 VNL= Voff – VIL,输出高电平可以
得到保障,
2, 主要参数
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(7)输入漏电流 IIH:当 UI>Uth时，流经输入端的电流称
为输入漏电流 IIH,，,约为 10μA
(8)扇出系数 NO,是指一个输出端，在保证输出低电
平 VOL不大于 0.35v的条件下，能驱动同类门的最多
个数。 通常 NO ? 8
2.3.2 TTL集电极开路门和三态门
1,集电极开路门 (OC门 )
可直接将几个逻辑门的输出端相连，实现输出
“与“
功能的方式称为线与。
高电平噪声容限 VNH=VIH – Von,输出低电平可以得
到保障
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为使 TTL门能线与，直接将 T5的集电极引出即集电
极开路（ OC）,由外电路提供 RC电阻。如图
OC门电路可以实现线与，高电压、大电流的驱动
能力很强，但失去了推拉输出速度快的优点。
使用 OC门时，必须经外接电阻 RL接通电源才能
实现线与逻辑
不是所有的输出端都可以实现线与，如图
输出的门电路，如果输出线与，有可能因存在低阻
回路而损坏电路。
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2.三态门 (TSL门 )
三态：逻辑门的输出有高电平, 低电平和高阻状态 。
电路组成是在 TTL与非门的输入级多了一个控制器
件 D,如图
E为控制端或称使能端。当 E=1时，二极管 D截止，
TSL门与 TTL门功能一样；当 E=0时,T1处于正向
工作状态,T2,T5截止，二级管 D使 T3基极电位钳
制在 1V左右,T4,T5都截止，输出端呈现高阻状态。
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2.3,3 典型 TTL与非门芯片介绍
部分常用中小规
模 TTL门电路的型号
及功能如表 2.1。
实际应用中, 可根
据电路需要选用不同
的型号 。
表 2.1 74系列门电路的型号及功能
74LSXX系列是最常用的、延迟积较小的一种
TTL门电路，性能价格也比较高。
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型 号 逻 辑 功 能
74LS00 四 2输入与非门
74LS10 三 3输入与非门
74LS20 双 4输入与非门
74LS30 8输入与非门
2.4 CMOS数字集成电路 （第 5,6学时）
2.4.1 CMOS门电路
1,与非门
A,B两个输入端均为高电平时, T1,T2导通,
T3,T4截止, 输出为低电平 。
A,B两个输入端中只要有一个为低电平时，
T1,T2中必有一个截止,T3,T4中必有一个导通，
使输出为高电平。电路的逻辑关系为
上页 下页 退出
A,B两个输入端均为低电平时, T1,T2截止,
T3,T4导通, 输出 Y为高电平；
A,B两个输入中有一个为高电平时, T1,T2中
必有一个导通, T3,T4中必有一个截止, 输出为低
电平 。 电路的逻辑关系为
3.CMOS传输门
2．或非门
退出下页上页
A,B两个输入端均为低电平时, T1,T2截止,
T3,T4导通, 输出 Y为高电平；
A,B两个输入中有一个为高电平时, T1,T2中
必有一个导通, T3,T4中必有一个截止, 输出为低
电平 。 电路的逻辑关系为
3.CMOS传输门
2．或非门
退出上页 下页
控制信号 C=1传输门相当于接通的开关
C=0传输门相当于断开的开关
MOS管的结构是对称的，源极和漏极可以互换使
用,CMOS传输门具有双向性，又称双向开关，用
TG表示。
4.CMOS三态门
5.CMOS漏极开路门
下页上页 退出
使用 CMOS电路的注意事项：
1、包装、焊接和测试时要防静电，烙铁要接地，
触摸电路前，身体要放电。多余输入端不要悬空。
2、有大电流输入可能时，输入端串联限流电阻。
3、防止可控硅效应,提高电源质量，加去藕电
容，加钳位二极管。
4、多电源系统中,CMOS电路的电源先开后关。
退出下页上页
2.4.2 CMOS电路与 TTL电路的连接
1.TTL电路驱动 CMOS电路
2.CMOS电路驱动 TTL电路
上页 下页 退出
本章小结
1,半导体二极管, 三极管和 MOS管, 是数字电路中的基本开关元件 。
半导体二极管是不可控的；半导体三极管是用电流控制且具有放
大特性的开关元件； MOS管是用电压进行控制的, 也具有放大持
性 。
2.目前普遍使用的数字集成电路基本上有两大类：一类是双极型数字
集成电路, TTL,HTL,IL,ECT都属于此类电路；另一类是金
属 -氧化物 -半导体 (MOS)数字集成电路 。
3.在双极型数字集成电路中, TTL与非门电路在工业控制上应用广泛,
是本章介绍的重点内容之一 。
4.在 MOS数字集成电路中, CMOS电路是重点 。 由于 MOS管具有功
耗小, 输入阻抗高, 集成度高等优点, 在数字系统中逐渐被广泛
采用 。
课后作业
2.2 试判断图题 2.2所示 TTL电路能否按各图要求逻
辑关系正常工作？若电路的接法有错，则修改电路。
2.4 图题 2.4均为 TTL门电路。
(1)写出 Y1,Y2,Y3,Y4的逻辑表达式 。
(2)若已知 A,B,C的波形, 分别画出 Y1~Y4的波形 。
