第二章 逻辑门电路
2.1 基本逻辑门电路
2.2 TTL逻辑门电路
2.3 MOS逻辑门电路
2.4 集成 逻辑门电路的应用
2.5 正负逻辑及逻辑符号的变换
一、二极管与门和或门电路
1,与门电路
2.1 基本逻辑门电路
B
+V
A L
D
D
3k Ω
R
（ + 5V ）CC
1
2
&
L = A ·B
B
A
输 入 输出
VA（ V） VB（ V） VL（ V）
0V
0V
5V
5V
0V
5V
0V
5V
0V
0V
0V
5V
0
1
0
1
B LA
0
0
1
1
输 入
0
0
0
1
输出
与逻辑真值表
2．或门电路 输 入 输出
VA（ V） VB（ V） VL（ V）
0V
0V
5V
5V
0V
5V
0V
5V
0V
5V
5V
5V
LA
B
D
D
3k Ω
2
1
R
≥1
L = A + B
A
B
0
1
0
1
B LA
0
0
1
1
输 入
0
1
1
1
输出
或逻辑真值表
二、三极管非门电路
输 入 输 出
VA（ V） VL（ V）
0V
5V
5V
0V
LA
0
1
输 入
1
0
输 出
非逻辑真值表
+V
A
L
T
1
2
3
（ + 5 V ）
b
C
R
CC
R
A1A L = A 1 L = A
二极管与门和或门电路的缺点：
0V
5V
L
5V
+V+V
D
D
D
D
1
2
1
3k Ω
R R
3k Ω
2
CC （ + 5V ）（ + 5V ） CC
p
（ 1） 在多个门串接使用时, 会出现低电平偏离标准数值
的情况 。
（ 2） 负载能力差 。
解决办法：
将二极管与门 （ 或门 ） 电路和三极管非门电路
组合起来 。
L
B
A
+V
D
1
2
3D
1k Ω
T
P
（ + 5 V ）
1
R
2
Rc
3k Ω
CC
R
b
DD 5
R1
4.7k Ω
4
CBAL ???
三,DTL与非门电路
工作原理：
（ 1） 当 A,B,C全接为高电平 5V时, 二极管 D1～ D3都截止, 而 D4、
D5和 T导通, 且 T为 饱和 导通, VL=0.3V,即输出低电平 。
（ 2） A,B,C中只要有一个为低电平 0.3V时, 则 VP≈1V,从而使 D4、
D5和 T都截止, VL=VCC=5V,即输出高电平 。
所以该电路满足与非逻辑关系, 即：
+V
L
A
B
C
1
2
3DD D
D
D
4
（ + 5V ）
P
R
3
1 5
2
CC
3k Ω
R
4.7k Ω
R
1k Ω
T
c
1
2.2 TTL逻辑门电路
一,TTL与非门的基本结构及工作原理
1,TTL与非门的基本结构
+V
L
A
B
C
1
2
3DD D
D
D
4
（ + 5V ）
P
R
3
1 5
2
CC
3k Ω
R
4.7k Ω
R
1k Ω
T
c
1
C
+V
B
A
（ + 5 V ）
N
N
NN
P
P
P P
CC
R
b1
+V
1
3
b1
（ + 5 V ）
T 1
C
R
B
A
CC
TTL与非门的基本结构
+V
V
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
3
D
T
R
C
输入级 输出级中间级
T
4
T
c2
2
R
3
b1
B
R
c4
A
o
e2
1
1k Ω
1.6k Ω
V
c2
T
CC
V
R
（ + 5 V ）
e2
4k Ω
130 Ω
2,TTL与非门的逻辑关系
（ 1） 输入全为高电平 3.6V时 。
T2,T3饱和导通,
V
3.6V
+V
1
2
3
D
1
2
3
1
2
3
1
3
R
b1
1K
1.6k Ω
2
R
CC
4k Ω
1
（ + 5V ）
4
T
B
饱和R
R
C
e2
T
T
130 Ω
截止
o
饱和
3
倒置状态
c4
截止
c2
T
A
实现了与非门的逻
辑功能之一：
输入全为高电平时,
输出为低电平 。
由于 T2饱和导通, VC2=1V。
T4和二极管 D都截止 。
由于 T3饱和导通，输出电压为：
VO=VCES3≈0.3 V
2.1V
1.4V
0.7V
1V
0.3V
该发射结导通, VB1=1V。 T2,T3都截止 。
（ 2） 输入有低电平 0.3V 时 。
3.6V
0.3V
V
+V
1
2
3
1
2
3
1
2
3
D
1
3
1.6k Ω
4k Ω
T
C
T
1k Ω
截止
e2
导通
饱和
4
o
截止
T
130 Ω
R
b1
2
导通
T
R
R
B
CC
3
c2
1
A
R
c4
实现了与非门的逻辑
功能的另一方面：
输入有低电平时，
输出为高电平 。
忽略流过 RC2的电流, VB4≈ VCC=5V 。
由于 T4和 D导通, 所以：
VO≈ VCC-VBE4-VD
=5-0.7-0.7=3.6（ V）
CBAL ???
综合上述两种情况,
该电路满足与非的
逻辑功能, 即：
1V
5V
4.3V
3.6V
二,TTL与非门的开关速度
1,TTL与非门提高工作速度的原理
（ 1）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。
+V
V
0.3V
3.6V
1
2
3
1
2
3
1
3
β
b1
4k Ω
B1
0.7V
T
i
i
B1
1
1k Ω
B
R
1.6k Ω
c2
e2
1.4V
T
A
1V
T
R
CC
R
2
o
C
3
（ 2） 采用了推拉式输出级, 输出阻抗比较小, 可迅速
给负载电容充放电 。
+V +V
V V
1
2
3
1
2
3
DD
1
2
3
1
2
3
（ + 5 V ） （ + 5 V ）
o
CC
放电
CC
L
R
C
T
T
4
导通
T
o
L截止
c4
3
T
R
导通
3
截止
4
截止
充电
导通
c4
C
2,TTL与非门传输延迟时间 tpd
导通延迟时间 tPHL——从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的
中点所经历的时间 。
一般 TTL与非门传输延迟时间 tpd的值为几纳秒～十几个纳秒。
截止延迟时间 tPLH——从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的
中点所经历的时间。
2
P H LP L H
pd
ttt ??与非门的传输延迟时间 tpd：
t
P H L t P L H
V
o
V
i
i
V
0, 5
2, 0
V
3, 0
2, 5
3, 5
(V )
1, 5
(V )
4, 03, 02, 5
1, 0
1, 0
3, 5
0, 5
4, 0
2, 0
o
1, 5
三,TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力
1．电压传输特性曲线：
Vo=f（ Vi）
V
+V
1
3
1
2
3
1
2
3
D
1
2
3
1K
2
1
T
B
R
C
e2
T
o
3
T
A
i
V
4
T
4k Ω
c4
R
R
CC
b1
1,6k Ω
R
13 0 Ω
c2
A B
C
D E
V 2,4 VO H （ m i n ）
0,4 VV O L （ m a x ）
VOFF ONV
（ 1） 输出高电平电压 VOH——在正逻辑体制中代表逻辑, 1”的输
出电压 。 VOH的理论值为 3.6V,产品规定输出高电压的最小
值 VOH（ min） =2.4V。
（ 2） 输出低电平电压 VOL——在正逻辑体制中代表逻辑, 0”的输
出电压 。 VOL的理论值为 0.3V,产品规定输出低电压的最大
值 VOL（ max） =0.4V。
（ 3） 关门电平电压 VOFF——是指输出电压下降到 VOH（ min） 时对
应的输入电压 。 即 输入低电压的最大值 。 在产品手册中常
称为 输入低电平电压, 用 VIL（ max） 表示 。 产品规定 VIL（ max）
=0.8V。
2．几个重要参数
（ 4） 开门电平电压 VON——是指输出电压下降到 VOL（ max） 时对
应的输入电压 。 即 输入高电压的最小值 。 在产品手册中常
称为 输入高电平电压, 用 VIH（ min） 表示 。 产品规定 VIH（ min）
=2V。
（ 5） 阈值电压 Vth——电压传输特性的过渡区所对应的输入电压,
即决定电路截止和导通的分界线, 也是决定输出高, 低电
压的分界线 。
近似地,Vth≈ VOFF≈ VON
即 Vi＜ Vth,与非门关门, 输出高电平；
Vi＞ Vth,与非门开门, 输出低电平 。
Vth又常被形象化地称为 门槛电压 。 Vth的值为 1.3V～ 1.４ V。
O H （ m i n ）
3, 0
1, 5
B (0.6 V,3.6 V )
D
D ( 1.4 V,0.3 V )
o
0, 4 V
0, 5
C (1.3 V,2.4 8V )
A ( 0V,3.6 V )
i
V
V
4, 0
0, 5
E (3.6 V,0.3 V )
V
V
V
3, 52, 51, 5
V
O FF
O L （ m a x ）
2, 4 V
A
3, 5
2, 0
( V )
ON
E
4, 0
2, 0
( V )
2, 5
1, 0
B
1, 0
C
3, 0
O H （ m i n ）
3, 0
1, 5
B (0.6 V,3.6 V )
D
D ( 1.4 V,0.3 V )
o
0, 4 V
0, 5
C (1.3 V,2.4 8V )
A ( 0V,3.6 V )
i
V
V
4, 0
0, 5
E (3.6 V,0.3 V )
V
V
V
3, 52, 51, 5
V
O FF
O L （ m a x ）
2, 4 V
A
3, 5
2, 0
( V )
ON
E
4, 0
2, 0
( V )
2, 5
1, 0
B
1, 0
C
3, 0
低电平噪声容限 VNL＝ VOFF-VOL（ max） ＝ 0.8V-0.4V＝ 0.4V
高电平噪声容限 VNH＝ VOH（ min） -VON＝ 2.4V-2.0V＝ 0.4V
TTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。
3．抗干扰能力 高电平电压
“0”
2,4 V
0,4 V
3,6 V
的范围
“1”
0V
V
的范围
低电平电压
o
V
NH
i
3, 6 V
V
V
G
&
NL
1
2
V&
G
o
V
V
O L （m a x ）
O FF
0, 8 V
输入“0,
ON
O H （m i n ）
2V
0V 0V
输出“1,
V
输出“0,
V
输入“1,
V
o
V
2, 4 V
i
3, 6 V
0, 4 V
同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定
的容差，称为 噪声容限 。
( m A )14 15
1b
1BCC
IL ?
????
R
VVI
四,TTL与非门的带负载能力
1．输入低电平电流 IIL与输入高电平电流 IIH
（ 1） 输入低电平电流 IIL—— 是指当门电路的输入端接低电平时，从
门电路输入端流出的电流。
可以算出：
产品规定 IIL＜ 1.6mA。
& oV
&
&
&
G
0
G
1
G
2
G n
0,3 V
+V
1
3
b1
B1
T
R
1
i
CC
4K
1V
IL
I
（ 2） 输入高电平电流 IIH—— 是指当门电路的输入端接高电
平时，流入输入端的电流。
有两种情况,
① 寄生三极管效应：
IIH=βPIB1，
βP为寄生三极管的电流放大系数。
由于 βp和 βi的值都远小于 1，
所以 IIH的数值比较小，产品规定,IIH＜ 40uA。
② 倒置的放大状态：
IIH=βiIB1，
βi为倒置放大的电流放大系数。 3.6V
+V
0.3V
1
3
1
B1
i b1
R
CC
4K
TI
IH
A B C
1V
3,6 V
+V
1
3
b1
I
B1
IH T
R
1
i
CC
4K
A
2,1 V
1,4 V
（ 1）灌电流负载 ——当驱动门输出低
电平时，电流从负载门灌入驱动门。
IL
OL
OL I
IN ?
2．带负载能力
当负载门的个数增
加，灌电流增大，会使
T3脱离饱和，输出低电
平升高。因此，把允许
灌入输出端的电流定义
为 输出低电平电流 IOL，
产品规定 IOL=16mA。由
此可得出,
NOL称为输出低电平时的扇出系数 。
+V
+V
1
3
1
2
3
1
2
3
D
1
3
b1
C3
R
c4
输出低电平
=
R
CC
R
饱和
I
T
IL
截止
I
4K
截止 I
T
4
IL
CC
OL
I
b1
4K
3
IH
OH
OH I
IN ?
（ 2）拉电流负载 ——当驱动门输
出高电平时，电流从驱动门拉出,
流至负载门的输入端。
NOH称为 输出高电平时的扇出系数 。
产品规定,IOH=0.4mA。
由此可得出：
拉电流增大时, RC4
上的压降增大, 会使输
出高电平降低 。 因此,
把允许拉出输出端的电
流定义为 输出高电平电
流 IOH。
一般 NOL≠ NOH,常取两者中的较小值作为门电路的
扇出系数, 用 NO表示 。
+V
+V
1
2
3
1
3
1
3
D
1
2
3
c4
R
CC
输出高电平
I
导通
b1
4K4K
I
I =
R
E4
导通
IH
I
T
4
T
截止
R
b1
OH
IH
3
CC
五,TTL与非门举例 ——7400
7400是一种典型的 TTL与非门器件, 内部含有 4个 2输入端
与非门, 共有 14个引脚 。 引脚排列图如图所示 。
六, TTL门电路的其他类型
1,非门
L
+V
1
2
3
1
2
3
D
1
2
3
1
3
A
T
T
T
1
2
3
R
e2
R
c2
R
CC
R
T
c4
b1
4
1
A L = A
2．或非门
L
+V
1
2
3
1
3
1
2
3
D
1
2
3
1
2
3
1
3
R
3
T 1A
T 2A
T
1B
T
2B
A B
T
T 3
4
CC
R
R
R
R
1B2
4
1A
A
L = A + B
B
≥1
3．与或非门
+V
L
1
2
3
1
2
3
1
3
1
2
3
1
2
3
1
3
D
B
2
1
A
1B
B
R
CC
2
4
R
T
R
T
1B1AT
T
T
2B
2A
R
3
3
2A
1
T
R
4
1A
在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使用，以实现与
逻辑，称为 线与 。 普通的 TTL门电路不能进行线与 。
为此,专门生产了一种可以进行线与的门电路 —— 集电极开路门。
4,集电极开路门 （ OC门 ）
A L
B
&
+V
+V
1
2
3
1
2
3
1
2
3
D
D
1
2
3
3
导通
饱和
（ + 5 V ）
3
CC
T
CC
T
T
4
R
截止
T
截止
G
c4
导通
L
4
2 截止
1
G
+V
L
1
2
3
1
2
3
1
3
3
R
T
T
A
T
B
2
1
1K
e2
CC
Rb1
c2
1.6K
R
4K
（ 1） 实现线与 。
逻辑关系为,
OC门主要有以下几方面的应用：
（ 2） 实现电平转换 。
如图示, 可使输出高电平变为 10V。
（ 3） 用做驱动器 。
如图是用来驱动发光二极管的电路 。
+V
CC
P
1
R
&
2
L
L
B
L
&A
C
D
CDABLLL ???? 21
+ 10 V
V
&
O
+ 5V
&
27 0 Ω
（ 1） 当输出高电平时，
RP不能太大。 RP为最大值时要保证输出电压为 VOH（ min） 。
OC门进行线与时, 外接上拉电阻 RP的选择：
得：
'm
VCC-VOH（ min） = IIHRP（ max）由：
IH
'
)m i n(OH
)m a x(P Im
VVR CC
??
-
+V
&
I
n
I
I
IH
V
OH
IH
IH
??
&
&
P
??
m
R
CC
&
（ 2） 当输出低电平时
所以：
RP（ min） ＜ RP＜ RP（ max）
IL
P( m in )
O L ( m a x )CC
O L ( m a x ) ImR
VVI ????由：
得：
ILO L ( m a x )
O L ( m a x )CC
P ( m in ) ImI
VVR
??
??
+V
I
I
OL
&
OL
P
CC
&
R
m??
I
&
&
IL
??
IL
V
RP不能太小 。 RP为最小值时要保证输出电压为 VOL（ max） 。
（ 1） 三态输出门的结构及工作原理 。
当 EN=0时, G输出为 1,D1截止, 相当于一个正常的二输入端与非门,
称为正常工作状态 。
当 EN=1时, G输出为 0,T4,T3都截止 。 这时从输出端 L看进去, 呈现
高阻, 称为高阻态, 或禁止态 。
5,三态门
L
+V
1
2
3
1
2
3
D
1
3
D
1
2
3
e2
V
c2
B
c4
R
R
c2
T
A
G
1
4
1
EN
CC
T
T
R
R
T
1
3
b1
p
2
L
& △
B
EN
A
B
EN
A △&
L
去掉非门 G,则 EN=1时, 为工
作状态, EN=0时, 为高阻态 。
三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用 。
（ a） 组成单向总线 ——实现信号的分时单向传送 。
（ b） 组成双向总线,
实现信号的分时双向传送 。
（ 2） 三态门的应用
A
EN
&
B
A
EN
&
B
A
EN
&
B
EN
EN
EN
1
1
1
2
2
2
3
3
3
总线
△
△
△
G 1
G 2
G 3
2
D
△
I
EN
/
D
1
D
1
△
总线
I
1
O
EN
G
EN
G
D
O
七, TTL集成逻辑门电路系列简介
1,74系列 ——为 TTL集成电路的早期产品, 属中速 TTL器件 。
2,74L系列 ——为低功耗 TTL系列, 又称 LTTL系列 。
3,74H系列 ——为高速 TTL系列 。
4,74S系列 ——为肖特基 TTL系列, 进一步提高了速度 。
74S系列的几点改进：
（ 1） 采用了抗饱和三极管
c
e
b 1
2
3
b
e
c
1
2
3
5,74LS系列 ——为低功耗肖
特基系列 。
6,74AS系列 ——为先进肖特
基系列,
7,74ALS系列 ——为先进低
功耗肖特基系列 。
（ 2） 将 Re2用, 有源泄放电路代替, 。
（ 3） 输出级采用了达林顿结构 。
（ 4） 输入端加了三个保护二极管 。
+V
V
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
3
1
2
3
1
2
3
e5
T
c4
CC
o
T
R
3
4
c2
R
T
5
1
2
C
A
T
B
T
R
b1
R
T
6
R
b6
c6
R
74S系列的几点改进：
（ 1） 采用了抗饱和三极管
所以输出为低电平 。
一, NMOS门电路
1,NMOS非门
2.3 MOS逻辑门电路
逻辑关系,（ 设两管的开启电压为 VT1=VT2=4V,且 gm1＞＞ gm2 ）
（ 1） 当输入 Vi为高电平 8V时, T1导通, T2也导通 。 因为 gm1＞＞ gm2，
所以两管的导通电阻 RDS1＜＜ RDS2,输出电压为：
V
V
V
T
(+ 1 2V )DD
o
1
T
i
2
V
V
V
T
o
2
T
(+ 1 2V )
i 1
DD
V
V
o
R
( 3 ～1 0 k Ω )
DD
( 1 0 0 ～2 0 0 k Ω )
D S 2
(+ 1 2 V )
D S 1
R
V1DD
D S 2D S 1
D S 1
OL ??? VRR
RV
（ 2） 当输入 Vi为低电平 0V时,
2,NMOS门电路
（ 1） 与非门
A
L =A B
V
B
1
T
DD
3
T
( + 1 2 V )
T
2
V
V
V
T
o
2
T
(+ 1 2V )
i 1
DD
T1截止, T2导通 。
VO=VDD-VT=8V =VOH, 即输出为高电平 。
所以电路实现了非逻辑 。
0
1
0
1
B LA
0
0
1
1
输 入
1
1
1
0
输出
与非真值表
（ 2） 或非门
B
V
L = A + B
A
DD ( + 12 V )
3
T
2
TT
1
0
1
0
1
B LA
0
0
1
1
输 入
1
0
0
0
输出
或非真值表
1,逻辑关系：
（ 设 VDD＞ （ VTN+|VTP|）, 且 VTN=|VTP|）
（ 1） 当 Vi=0V时, TN截止, TP导通 。 输出 VO≈ VDD。
（ 2） 当 Vi=VDD时, TN导通, TP截止, 输出 VO≈ 0V。
二, CMOS非门
CMOS逻辑门电路是由 N沟道 MOSFET和 P沟道 MOSFET互
补而成 。 VV
V
V
V
V
DD
T
P
T
N
DD
T
P
T
N
( a ) ( b)
i i
o o
（ 1） 当 Vi＜ 2V,TN截止, TP导通, Vo≈ VDD=10V。
2,电压传输特性,V
V
V
DD
O
P
T
T N
i
CMOS门电路的阈值电压
Vth=VDD/2
（ 设,VDD=10V,VTN=|VTP|=2V）
P
2
V
T
2
OH
P
P
( V )
和
在可变电阻区
T
T
N
0
N
N
P
截止
T
T
( V )
i
T
在可变电阻区
N
6
10
6
T
T
在饱和区
在饱和区
8
均在饱和区
截止
84
V
o
4
10
0L
V
V
（ 2） 当 2V＜ Vi＜ 5V,TN工作在饱和区, TP工作
在可变电阻区 。
（ 3） 当 Vi=5V,两管都工作在饱和区,
Vo=（ VDD/2） =5V。
（ 4） 当 5V＜ Vi＜ 8V，
TP工作在饱和区,
TN工作在可变电阻区 。
（ 5） 当 Vi＞ 8V,TP截止,
TN导通, Vo=0V。
3,工作速度
由于 CMOS非门电路工作时总有一个管子导通, 所以当带
电容负载时, 给电容充电和放电都比较快 。 CMOS非门的平
均传输延迟时间约为 10ns。 V
V
V
V
V V
CC
=0
导通
P
导通
T
T
截止
截止
O
T
N
(b)
=1
O
L
N
=0=1
L
i
P
T
DD
(a )
i
DD
（ 2） 或非门
三, 其他的 CMOS门电路
1,CMOS与非门和或非门电路
（ 1） 与非门
L
V
A
B
DD
T
P1
T
N1
T
N2
P2
T
L
V
A
B
P1
T
DD
T
N2
P2
T
N1
T
（ 3）带缓冲级的门电路
BABAL ????
为了稳定输出高低电平，可在输入输出端分别加反相器作
缓冲级。
A
B
L
V
8
T
6
T
T
7
1
4
T
3
T
10
T
9
T
DD
T
2
T
5
T
BAX ??
BABABABABAXBAL ?????????????
后级为与或非门, 经过逻辑变换, 可得：
2,CMOS异或门电路
由两级组成，前级为或非门，输出为
V
L = A
A
B
DD
X
B+
当 EN=1时, TP2和 TN2同时截止, 输出为 高阻状态 。
所以, 这是一个低电平有效的三态门 。
3, CMOS三态门
AL?
当 EN=0时,TP2和 TN2同时导通,为 正常的非门，
输出 L
V
A
EN
DD
P2
T
P1
T
T
N2
N1
T
1
1
△
EN
A
L
4, CMOS传输门
C
C
TGV
i
/ V o V o V/ i
工作原理,（ 设两管的开启电压 VTN=|VTP|）
C
（ 1） 当 C接高电平 VDD,接低电平 0V时, 若 Vi在 0V～ VDD的范围变化,
至少有一管导通, 相当于一闭合开关, 将输入传到输出, 即 Vo=Vi。
（ 2） 当 C接低电平 0V,接高电平 VDD,Vi在 0V～ VDD的范围变化时,
TN和 TP都截止, 输出呈高阻状态, 相当于开关断开 。
C
VV
C
C
V
0V
DD
T
N
T
P
i
/ V o
o
/ V i
1,CMOS逻辑门电路的系列
（ 1） 基本的 CMOS——4000系列 。
（ 2） 高速的 CMOS——HC系列 。
（ 3） 与 TTL兼容的高速 CMOS——HCT系列 。
2,CMOS逻辑门电路主要参数的特点
（ 1） VOH（ min） =0.9VDD； VOL（ max） =0.01VDD。
所以 CMOS门电路的逻辑摆幅 （ 即高低电平之差 ） 较大 。
（ 2） 阈值电压 Vth约为 VDD/2。
（ 3） CMOS非门的关门电平 VOFF为 0.45VDD,开门电平 VON为 0.55VDD。
因此, 其高, 低电平噪声容限均达 0.45VDD。
（ 4） CMOS电路的功耗很小, 一般小于 1mW/门；
（ 5） 因 CMOS电路有极高的输入阻抗, 故其扇出系数很大, 可达 50。
四,CMOS逻辑门电路的系列及主要参数
一,TTL与 CMOS器件之间的接口问题
两种不同类型的集成电路相互连接，驱动门必须要为负
载门提供符合要求的高低电平和足够的输入电流，即要
满足下列条件：
驱动门的 VOH（ min） ≥ 负载门的 VIH（ min）
驱动门的 VOL（ max） ≤ 负载门的 VIL（ max）
驱动门的 IOH（ max） ≥ 负载门的 IIH（总）
驱动门的 IOL（ max） ≥ 负载门的 IIL（总）
2.4 集成逻辑门电路的应用
（ b） 用 TTL门电路驱动 5V低电
流继电器, 其中二极管 D作
保护, 用以防止过电压 。
二, TTL和 CMOS电路带负载时的接口问题
1,对于电流较小、电平能够匹配
的负载可以直接驱动。
（ a）用 TTL门电路驱动发光二极
管 LED，这时只要在电路中串接
一个约几百 W的限流电阻即可。
V
A &
B
3 6 0 Ω
（5 V ）
CC
L E D
V
电
&
CC
B
A
D
器
继
（5 V ）
2,带大电流负载
（ a）可将同一芯片上的多个门并联作为驱动器。
（ b）也可在门电路输出端接三极管，以提高负载能力。
V （5 V ）
器
CC
继
D 电
&
B
&
A
V
1
2
3
负载
CC
&A
B
（ 2） 对于或非门及或门,
多余输入端应接 低电平,
比如直接接地；也可以与
有用的输入端并联使用 。
三, 多余输入端的处理
（ 1）对于与非门及与门，
多余输入端应接 高电平 。如
直接接电源正端，在前级驱
动能力允许时，也可以与有
用的输入端并联使用。
V
&
CC
B
A
&
A
B
（a ） （b ）
≥1A
B
B
A
（a ） （b ）
≥1
3,一端消去或加上小圆圈, 同时将相应变量取反, 其逻辑关系不变 。
2,任一条线一端上的小圆圈移到另一端, 其逻辑关系不变 。
2.5 混合逻辑中逻辑符号的变换
1．逻辑图中任一条线的两端同时加上或消去小圆圈，其逻辑关系不变。
&
B
A
≥1C
B
A
C
L L&
≥1
B
A
C
B
A
C
L L&&
≥1≥1
B
A L
B
A
L B
A L&& &
本章小结
1．最简单的门电路是二极管与门、或门和三极管非门。它们是集
成逻辑门电路的基础。
2,目前普遍使用的数字集成电路主要有两大类, 一类由 NPN型三极管
组成, 简称 TTL集成电路；另一类由 MOSFET构成, 简称 MOS集成电路 。
3,TTL集成逻辑门电路的输入级采用多发射极三级管, 输出级采用达
林顿结构, 这不仅提高了门电路的开关速度, 也使电路有较强的驱动负
载的能力 。 在 TTL系列中, 除了有实现各种基本逻辑功能的门电路以外,
还有集电极开路门和三态门 。
4,MOS集成电路常用的是两种结构 。 一种是 NMOS门电路, 另一类是
CMOS门电路 。 与 TTL门电路相比, 它的优点是功耗低, 扇出数大, 噪声
容限大, 开关速度与 TTL接近, 已成为数字集成电路的发展方向 。
5,为了更好地使用数字集成芯片, 应熟悉 TTL和 CMOS各个系列产品的
外部电气特性及主要参数, 还应能正确处理多余输入端, 能正确解决不
同类型电路间的接口问题及抗干扰问题 。
2.1 基本逻辑门电路
2.2 TTL逻辑门电路
2.3 MOS逻辑门电路
2.4 集成 逻辑门电路的应用
2.5 正负逻辑及逻辑符号的变换
一、二极管与门和或门电路
1,与门电路
2.1 基本逻辑门电路
B
+V
A L
D
D
3k Ω
R
（ + 5V ）CC
1
2
&
L = A ·B
B
A
输 入 输出
VA（ V） VB（ V） VL（ V）
0V
0V
5V
5V
0V
5V
0V
5V
0V
0V
0V
5V
0
1
0
1
B LA
0
0
1
1
输 入
0
0
0
1
输出
与逻辑真值表
2．或门电路 输 入 输出
VA（ V） VB（ V） VL（ V）
0V
0V
5V
5V
0V
5V
0V
5V
0V
5V
5V
5V
LA
B
D
D
3k Ω
2
1
R
≥1
L = A + B
A
B
0
1
0
1
B LA
0
0
1
1
输 入
0
1
1
1
输出
或逻辑真值表
二、三极管非门电路
输 入 输 出
VA（ V） VL（ V）
0V
5V
5V
0V
LA
0
1
输 入
1
0
输 出
非逻辑真值表
+V
A
L
T
1
2
3
（ + 5 V ）
b
C
R
CC
R
A1A L = A 1 L = A
二极管与门和或门电路的缺点：
0V
5V
L
5V
+V+V
D
D
D
D
1
2
1
3k Ω
R R
3k Ω
2
CC （ + 5V ）（ + 5V ） CC
p
（ 1） 在多个门串接使用时, 会出现低电平偏离标准数值
的情况 。
（ 2） 负载能力差 。
解决办法：
将二极管与门 （ 或门 ） 电路和三极管非门电路
组合起来 。
L
B
A
+V
D
1
2
3D
1k Ω
T
P
（ + 5 V ）
1
R
2
Rc
3k Ω
CC
R
b
DD 5
R1
4.7k Ω
4
CBAL ???
三,DTL与非门电路
工作原理：
（ 1） 当 A,B,C全接为高电平 5V时, 二极管 D1～ D3都截止, 而 D4、
D5和 T导通, 且 T为 饱和 导通, VL=0.3V,即输出低电平 。
（ 2） A,B,C中只要有一个为低电平 0.3V时, 则 VP≈1V,从而使 D4、
D5和 T都截止, VL=VCC=5V,即输出高电平 。
所以该电路满足与非逻辑关系, 即：
+V
L
A
B
C
1
2
3DD D
D
D
4
（ + 5V ）
P
R
3
1 5
2
CC
3k Ω
R
4.7k Ω
R
1k Ω
T
c
1
2.2 TTL逻辑门电路
一,TTL与非门的基本结构及工作原理
1,TTL与非门的基本结构
+V
L
A
B
C
1
2
3DD D
D
D
4
（ + 5V ）
P
R
3
1 5
2
CC
3k Ω
R
4.7k Ω
R
1k Ω
T
c
1
C
+V
B
A
（ + 5 V ）
N
N
NN
P
P
P P
CC
R
b1
+V
1
3
b1
（ + 5 V ）
T 1
C
R
B
A
CC
TTL与非门的基本结构
+V
V
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
3
D
T
R
C
输入级 输出级中间级
T
4
T
c2
2
R
3
b1
B
R
c4
A
o
e2
1
1k Ω
1.6k Ω
V
c2
T
CC
V
R
（ + 5 V ）
e2
4k Ω
130 Ω
2,TTL与非门的逻辑关系
（ 1） 输入全为高电平 3.6V时 。
T2,T3饱和导通,
V
3.6V
+V
1
2
3
D
1
2
3
1
2
3
1
3
R
b1
1K
1.6k Ω
2
R
CC
4k Ω
1
（ + 5V ）
4
T
B
饱和R
R
C
e2
T
T
130 Ω
截止
o
饱和
3
倒置状态
c4
截止
c2
T
A
实现了与非门的逻
辑功能之一：
输入全为高电平时,
输出为低电平 。
由于 T2饱和导通, VC2=1V。
T4和二极管 D都截止 。
由于 T3饱和导通，输出电压为：
VO=VCES3≈0.3 V
2.1V
1.4V
0.7V
1V
0.3V
该发射结导通, VB1=1V。 T2,T3都截止 。
（ 2） 输入有低电平 0.3V 时 。
3.6V
0.3V
V
+V
1
2
3
1
2
3
1
2
3
D
1
3
1.6k Ω
4k Ω
T
C
T
1k Ω
截止
e2
导通
饱和
4
o
截止
T
130 Ω
R
b1
2
导通
T
R
R
B
CC
3
c2
1
A
R
c4
实现了与非门的逻辑
功能的另一方面：
输入有低电平时，
输出为高电平 。
忽略流过 RC2的电流, VB4≈ VCC=5V 。
由于 T4和 D导通, 所以：
VO≈ VCC-VBE4-VD
=5-0.7-0.7=3.6（ V）
CBAL ???
综合上述两种情况,
该电路满足与非的
逻辑功能, 即：
1V
5V
4.3V
3.6V
二,TTL与非门的开关速度
1,TTL与非门提高工作速度的原理
（ 1）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。
+V
V
0.3V
3.6V
1
2
3
1
2
3
1
3
β
b1
4k Ω
B1
0.7V
T
i
i
B1
1
1k Ω
B
R
1.6k Ω
c2
e2
1.4V
T
A
1V
T
R
CC
R
2
o
C
3
（ 2） 采用了推拉式输出级, 输出阻抗比较小, 可迅速
给负载电容充放电 。
+V +V
V V
1
2
3
1
2
3
DD
1
2
3
1
2
3
（ + 5 V ） （ + 5 V ）
o
CC
放电
CC
L
R
C
T
T
4
导通
T
o
L截止
c4
3
T
R
导通
3
截止
4
截止
充电
导通
c4
C
2,TTL与非门传输延迟时间 tpd
导通延迟时间 tPHL——从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的
中点所经历的时间 。
一般 TTL与非门传输延迟时间 tpd的值为几纳秒～十几个纳秒。
截止延迟时间 tPLH——从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的
中点所经历的时间。
2
P H LP L H
pd
ttt ??与非门的传输延迟时间 tpd：
t
P H L t P L H
V
o
V
i
i
V
0, 5
2, 0
V
3, 0
2, 5
3, 5
(V )
1, 5
(V )
4, 03, 02, 5
1, 0
1, 0
3, 5
0, 5
4, 0
2, 0
o
1, 5
三,TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力
1．电压传输特性曲线：
Vo=f（ Vi）
V
+V
1
3
1
2
3
1
2
3
D
1
2
3
1K
2
1
T
B
R
C
e2
T
o
3
T
A
i
V
4
T
4k Ω
c4
R
R
CC
b1
1,6k Ω
R
13 0 Ω
c2
A B
C
D E
V 2,4 VO H （ m i n ）
0,4 VV O L （ m a x ）
VOFF ONV
（ 1） 输出高电平电压 VOH——在正逻辑体制中代表逻辑, 1”的输
出电压 。 VOH的理论值为 3.6V,产品规定输出高电压的最小
值 VOH（ min） =2.4V。
（ 2） 输出低电平电压 VOL——在正逻辑体制中代表逻辑, 0”的输
出电压 。 VOL的理论值为 0.3V,产品规定输出低电压的最大
值 VOL（ max） =0.4V。
（ 3） 关门电平电压 VOFF——是指输出电压下降到 VOH（ min） 时对
应的输入电压 。 即 输入低电压的最大值 。 在产品手册中常
称为 输入低电平电压, 用 VIL（ max） 表示 。 产品规定 VIL（ max）
=0.8V。
2．几个重要参数
（ 4） 开门电平电压 VON——是指输出电压下降到 VOL（ max） 时对
应的输入电压 。 即 输入高电压的最小值 。 在产品手册中常
称为 输入高电平电压, 用 VIH（ min） 表示 。 产品规定 VIH（ min）
=2V。
（ 5） 阈值电压 Vth——电压传输特性的过渡区所对应的输入电压,
即决定电路截止和导通的分界线, 也是决定输出高, 低电
压的分界线 。
近似地,Vth≈ VOFF≈ VON
即 Vi＜ Vth,与非门关门, 输出高电平；
Vi＞ Vth,与非门开门, 输出低电平 。
Vth又常被形象化地称为 门槛电压 。 Vth的值为 1.3V～ 1.４ V。
O H （ m i n ）
3, 0
1, 5
B (0.6 V,3.6 V )
D
D ( 1.4 V,0.3 V )
o
0, 4 V
0, 5
C (1.3 V,2.4 8V )
A ( 0V,3.6 V )
i
V
V
4, 0
0, 5
E (3.6 V,0.3 V )
V
V
V
3, 52, 51, 5
V
O FF
O L （ m a x ）
2, 4 V
A
3, 5
2, 0
( V )
ON
E
4, 0
2, 0
( V )
2, 5
1, 0
B
1, 0
C
3, 0
O H （ m i n ）
3, 0
1, 5
B (0.6 V,3.6 V )
D
D ( 1.4 V,0.3 V )
o
0, 4 V
0, 5
C (1.3 V,2.4 8V )
A ( 0V,3.6 V )
i
V
V
4, 0
0, 5
E (3.6 V,0.3 V )
V
V
V
3, 52, 51, 5
V
O FF
O L （ m a x ）
2, 4 V
A
3, 5
2, 0
( V )
ON
E
4, 0
2, 0
( V )
2, 5
1, 0
B
1, 0
C
3, 0
低电平噪声容限 VNL＝ VOFF-VOL（ max） ＝ 0.8V-0.4V＝ 0.4V
高电平噪声容限 VNH＝ VOH（ min） -VON＝ 2.4V-2.0V＝ 0.4V
TTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。
3．抗干扰能力 高电平电压
“0”
2,4 V
0,4 V
3,6 V
的范围
“1”
0V
V
的范围
低电平电压
o
V
NH
i
3, 6 V
V
V
G
&
NL
1
2
V&
G
o
V
V
O L （m a x ）
O FF
0, 8 V
输入“0,
ON
O H （m i n ）
2V
0V 0V
输出“1,
V
输出“0,
V
输入“1,
V
o
V
2, 4 V
i
3, 6 V
0, 4 V
同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定
的容差，称为 噪声容限 。
( m A )14 15
1b
1BCC
IL ?
????
R
VVI
四,TTL与非门的带负载能力
1．输入低电平电流 IIL与输入高电平电流 IIH
（ 1） 输入低电平电流 IIL—— 是指当门电路的输入端接低电平时，从
门电路输入端流出的电流。
可以算出：
产品规定 IIL＜ 1.6mA。
& oV
&
&
&
G
0
G
1
G
2
G n
0,3 V
+V
1
3
b1
B1
T
R
1
i
CC
4K
1V
IL
I
（ 2） 输入高电平电流 IIH—— 是指当门电路的输入端接高电
平时，流入输入端的电流。
有两种情况,
① 寄生三极管效应：
IIH=βPIB1，
βP为寄生三极管的电流放大系数。
由于 βp和 βi的值都远小于 1，
所以 IIH的数值比较小，产品规定,IIH＜ 40uA。
② 倒置的放大状态：
IIH=βiIB1，
βi为倒置放大的电流放大系数。 3.6V
+V
0.3V
1
3
1
B1
i b1
R
CC
4K
TI
IH
A B C
1V
3,6 V
+V
1
3
b1
I
B1
IH T
R
1
i
CC
4K
A
2,1 V
1,4 V
（ 1）灌电流负载 ——当驱动门输出低
电平时，电流从负载门灌入驱动门。
IL
OL
OL I
IN ?
2．带负载能力
当负载门的个数增
加，灌电流增大，会使
T3脱离饱和，输出低电
平升高。因此，把允许
灌入输出端的电流定义
为 输出低电平电流 IOL，
产品规定 IOL=16mA。由
此可得出,
NOL称为输出低电平时的扇出系数 。
+V
+V
1
3
1
2
3
1
2
3
D
1
3
b1
C3
R
c4
输出低电平
=
R
CC
R
饱和
I
T
IL
截止
I
4K
截止 I
T
4
IL
CC
OL
I
b1
4K
3
IH
OH
OH I
IN ?
（ 2）拉电流负载 ——当驱动门输
出高电平时，电流从驱动门拉出,
流至负载门的输入端。
NOH称为 输出高电平时的扇出系数 。
产品规定,IOH=0.4mA。
由此可得出：
拉电流增大时, RC4
上的压降增大, 会使输
出高电平降低 。 因此,
把允许拉出输出端的电
流定义为 输出高电平电
流 IOH。
一般 NOL≠ NOH,常取两者中的较小值作为门电路的
扇出系数, 用 NO表示 。
+V
+V
1
2
3
1
3
1
3
D
1
2
3
c4
R
CC
输出高电平
I
导通
b1
4K4K
I
I =
R
E4
导通
IH
I
T
4
T
截止
R
b1
OH
IH
3
CC
五,TTL与非门举例 ——7400
7400是一种典型的 TTL与非门器件, 内部含有 4个 2输入端
与非门, 共有 14个引脚 。 引脚排列图如图所示 。
六, TTL门电路的其他类型
1,非门
L
+V
1
2
3
1
2
3
D
1
2
3
1
3
A
T
T
T
1
2
3
R
e2
R
c2
R
CC
R
T
c4
b1
4
1
A L = A
2．或非门
L
+V
1
2
3
1
3
1
2
3
D
1
2
3
1
2
3
1
3
R
3
T 1A
T 2A
T
1B
T
2B
A B
T
T 3
4
CC
R
R
R
R
1B2
4
1A
A
L = A + B
B
≥1
3．与或非门
+V
L
1
2
3
1
2
3
1
3
1
2
3
1
2
3
1
3
D
B
2
1
A
1B
B
R
CC
2
4
R
T
R
T
1B1AT
T
T
2B
2A
R
3
3
2A
1
T
R
4
1A
在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使用，以实现与
逻辑，称为 线与 。 普通的 TTL门电路不能进行线与 。
为此,专门生产了一种可以进行线与的门电路 —— 集电极开路门。
4,集电极开路门 （ OC门 ）
A L
B
&
+V
+V
1
2
3
1
2
3
1
2
3
D
D
1
2
3
3
导通
饱和
（ + 5 V ）
3
CC
T
CC
T
T
4
R
截止
T
截止
G
c4
导通
L
4
2 截止
1
G
+V
L
1
2
3
1
2
3
1
3
3
R
T
T
A
T
B
2
1
1K
e2
CC
Rb1
c2
1.6K
R
4K
（ 1） 实现线与 。
逻辑关系为,
OC门主要有以下几方面的应用：
（ 2） 实现电平转换 。
如图示, 可使输出高电平变为 10V。
（ 3） 用做驱动器 。
如图是用来驱动发光二极管的电路 。
+V
CC
P
1
R
&
2
L
L
B
L
&A
C
D
CDABLLL ???? 21
+ 10 V
V
&
O
+ 5V
&
27 0 Ω
（ 1） 当输出高电平时，
RP不能太大。 RP为最大值时要保证输出电压为 VOH（ min） 。
OC门进行线与时, 外接上拉电阻 RP的选择：
得：
'm
VCC-VOH（ min） = IIHRP（ max）由：
IH
'
)m i n(OH
)m a x(P Im
VVR CC
??
-
+V
&
I
n
I
I
IH
V
OH
IH
IH
??
&
&
P
??
m
R
CC
&
（ 2） 当输出低电平时
所以：
RP（ min） ＜ RP＜ RP（ max）
IL
P( m in )
O L ( m a x )CC
O L ( m a x ) ImR
VVI ????由：
得：
ILO L ( m a x )
O L ( m a x )CC
P ( m in ) ImI
VVR
??
??
+V
I
I
OL
&
OL
P
CC
&
R
m??
I
&
&
IL
??
IL
V
RP不能太小 。 RP为最小值时要保证输出电压为 VOL（ max） 。
（ 1） 三态输出门的结构及工作原理 。
当 EN=0时, G输出为 1,D1截止, 相当于一个正常的二输入端与非门,
称为正常工作状态 。
当 EN=1时, G输出为 0,T4,T3都截止 。 这时从输出端 L看进去, 呈现
高阻, 称为高阻态, 或禁止态 。
5,三态门
L
+V
1
2
3
1
2
3
D
1
3
D
1
2
3
e2
V
c2
B
c4
R
R
c2
T
A
G
1
4
1
EN
CC
T
T
R
R
T
1
3
b1
p
2
L
& △
B
EN
A
B
EN
A △&
L
去掉非门 G,则 EN=1时, 为工
作状态, EN=0时, 为高阻态 。
三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用 。
（ a） 组成单向总线 ——实现信号的分时单向传送 。
（ b） 组成双向总线,
实现信号的分时双向传送 。
（ 2） 三态门的应用
A
EN
&
B
A
EN
&
B
A
EN
&
B
EN
EN
EN
1
1
1
2
2
2
3
3
3
总线
△
△
△
G 1
G 2
G 3
2
D
△
I
EN
/
D
1
D
1
△
总线
I
1
O
EN
G
EN
G
D
O
七, TTL集成逻辑门电路系列简介
1,74系列 ——为 TTL集成电路的早期产品, 属中速 TTL器件 。
2,74L系列 ——为低功耗 TTL系列, 又称 LTTL系列 。
3,74H系列 ——为高速 TTL系列 。
4,74S系列 ——为肖特基 TTL系列, 进一步提高了速度 。
74S系列的几点改进：
（ 1） 采用了抗饱和三极管
c
e
b 1
2
3
b
e
c
1
2
3
5,74LS系列 ——为低功耗肖
特基系列 。
6,74AS系列 ——为先进肖特
基系列,
7,74ALS系列 ——为先进低
功耗肖特基系列 。
（ 2） 将 Re2用, 有源泄放电路代替, 。
（ 3） 输出级采用了达林顿结构 。
（ 4） 输入端加了三个保护二极管 。
+V
V
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
3
1
2
3
1
2
3
e5
T
c4
CC
o
T
R
3
4
c2
R
T
5
1
2
C
A
T
B
T
R
b1
R
T
6
R
b6
c6
R
74S系列的几点改进：
（ 1） 采用了抗饱和三极管
所以输出为低电平 。
一, NMOS门电路
1,NMOS非门
2.3 MOS逻辑门电路
逻辑关系,（ 设两管的开启电压为 VT1=VT2=4V,且 gm1＞＞ gm2 ）
（ 1） 当输入 Vi为高电平 8V时, T1导通, T2也导通 。 因为 gm1＞＞ gm2，
所以两管的导通电阻 RDS1＜＜ RDS2,输出电压为：
V
V
V
T
(+ 1 2V )DD
o
1
T
i
2
V
V
V
T
o
2
T
(+ 1 2V )
i 1
DD
V
V
o
R
( 3 ～1 0 k Ω )
DD
( 1 0 0 ～2 0 0 k Ω )
D S 2
(+ 1 2 V )
D S 1
R
V1DD
D S 2D S 1
D S 1
OL ??? VRR
RV
（ 2） 当输入 Vi为低电平 0V时,
2,NMOS门电路
（ 1） 与非门
A
L =A B
V
B
1
T
DD
3
T
( + 1 2 V )
T
2
V
V
V
T
o
2
T
(+ 1 2V )
i 1
DD
T1截止, T2导通 。
VO=VDD-VT=8V =VOH, 即输出为高电平 。
所以电路实现了非逻辑 。
0
1
0
1
B LA
0
0
1
1
输 入
1
1
1
0
输出
与非真值表
（ 2） 或非门
B
V
L = A + B
A
DD ( + 12 V )
3
T
2
TT
1
0
1
0
1
B LA
0
0
1
1
输 入
1
0
0
0
输出
或非真值表
1,逻辑关系：
（ 设 VDD＞ （ VTN+|VTP|）, 且 VTN=|VTP|）
（ 1） 当 Vi=0V时, TN截止, TP导通 。 输出 VO≈ VDD。
（ 2） 当 Vi=VDD时, TN导通, TP截止, 输出 VO≈ 0V。
二, CMOS非门
CMOS逻辑门电路是由 N沟道 MOSFET和 P沟道 MOSFET互
补而成 。 VV
V
V
V
V
DD
T
P
T
N
DD
T
P
T
N
( a ) ( b)
i i
o o
（ 1） 当 Vi＜ 2V,TN截止, TP导通, Vo≈ VDD=10V。
2,电压传输特性,V
V
V
DD
O
P
T
T N
i
CMOS门电路的阈值电压
Vth=VDD/2
（ 设,VDD=10V,VTN=|VTP|=2V）
P
2
V
T
2
OH
P
P
( V )
和
在可变电阻区
T
T
N
0
N
N
P
截止
T
T
( V )
i
T
在可变电阻区
N
6
10
6
T
T
在饱和区
在饱和区
8
均在饱和区
截止
84
V
o
4
10
0L
V
V
（ 2） 当 2V＜ Vi＜ 5V,TN工作在饱和区, TP工作
在可变电阻区 。
（ 3） 当 Vi=5V,两管都工作在饱和区,
Vo=（ VDD/2） =5V。
（ 4） 当 5V＜ Vi＜ 8V，
TP工作在饱和区,
TN工作在可变电阻区 。
（ 5） 当 Vi＞ 8V,TP截止,
TN导通, Vo=0V。
3,工作速度
由于 CMOS非门电路工作时总有一个管子导通, 所以当带
电容负载时, 给电容充电和放电都比较快 。 CMOS非门的平
均传输延迟时间约为 10ns。 V
V
V
V
V V
CC
=0
导通
P
导通
T
T
截止
截止
O
T
N
(b)
=1
O
L
N
=0=1
L
i
P
T
DD
(a )
i
DD
（ 2） 或非门
三, 其他的 CMOS门电路
1,CMOS与非门和或非门电路
（ 1） 与非门
L
V
A
B
DD
T
P1
T
N1
T
N2
P2
T
L
V
A
B
P1
T
DD
T
N2
P2
T
N1
T
（ 3）带缓冲级的门电路
BABAL ????
为了稳定输出高低电平，可在输入输出端分别加反相器作
缓冲级。
A
B
L
V
8
T
6
T
T
7
1
4
T
3
T
10
T
9
T
DD
T
2
T
5
T
BAX ??
BABABABABAXBAL ?????????????
后级为与或非门, 经过逻辑变换, 可得：
2,CMOS异或门电路
由两级组成，前级为或非门，输出为
V
L = A
A
B
DD
X
B+
当 EN=1时, TP2和 TN2同时截止, 输出为 高阻状态 。
所以, 这是一个低电平有效的三态门 。
3, CMOS三态门
AL?
当 EN=0时,TP2和 TN2同时导通,为 正常的非门，
输出 L
V
A
EN
DD
P2
T
P1
T
T
N2
N1
T
1
1
△
EN
A
L
4, CMOS传输门
C
C
TGV
i
/ V o V o V/ i
工作原理,（ 设两管的开启电压 VTN=|VTP|）
C
（ 1） 当 C接高电平 VDD,接低电平 0V时, 若 Vi在 0V～ VDD的范围变化,
至少有一管导通, 相当于一闭合开关, 将输入传到输出, 即 Vo=Vi。
（ 2） 当 C接低电平 0V,接高电平 VDD,Vi在 0V～ VDD的范围变化时,
TN和 TP都截止, 输出呈高阻状态, 相当于开关断开 。
C
VV
C
C
V
0V
DD
T
N
T
P
i
/ V o
o
/ V i
1,CMOS逻辑门电路的系列
（ 1） 基本的 CMOS——4000系列 。
（ 2） 高速的 CMOS——HC系列 。
（ 3） 与 TTL兼容的高速 CMOS——HCT系列 。
2,CMOS逻辑门电路主要参数的特点
（ 1） VOH（ min） =0.9VDD； VOL（ max） =0.01VDD。
所以 CMOS门电路的逻辑摆幅 （ 即高低电平之差 ） 较大 。
（ 2） 阈值电压 Vth约为 VDD/2。
（ 3） CMOS非门的关门电平 VOFF为 0.45VDD,开门电平 VON为 0.55VDD。
因此, 其高, 低电平噪声容限均达 0.45VDD。
（ 4） CMOS电路的功耗很小, 一般小于 1mW/门；
（ 5） 因 CMOS电路有极高的输入阻抗, 故其扇出系数很大, 可达 50。
四,CMOS逻辑门电路的系列及主要参数
一,TTL与 CMOS器件之间的接口问题
两种不同类型的集成电路相互连接，驱动门必须要为负
载门提供符合要求的高低电平和足够的输入电流，即要
满足下列条件：
驱动门的 VOH（ min） ≥ 负载门的 VIH（ min）
驱动门的 VOL（ max） ≤ 负载门的 VIL（ max）
驱动门的 IOH（ max） ≥ 负载门的 IIH（总）
驱动门的 IOL（ max） ≥ 负载门的 IIL（总）
2.4 集成逻辑门电路的应用
（ b） 用 TTL门电路驱动 5V低电
流继电器, 其中二极管 D作
保护, 用以防止过电压 。
二, TTL和 CMOS电路带负载时的接口问题
1,对于电流较小、电平能够匹配
的负载可以直接驱动。
（ a）用 TTL门电路驱动发光二极
管 LED，这时只要在电路中串接
一个约几百 W的限流电阻即可。
V
A &
B
3 6 0 Ω
（5 V ）
CC
L E D
V
电
&
CC
B
A
D
器
继
（5 V ）
2,带大电流负载
（ a）可将同一芯片上的多个门并联作为驱动器。
（ b）也可在门电路输出端接三极管，以提高负载能力。
V （5 V ）
器
CC
继
D 电
&
B
&
A
V
1
2
3
负载
CC
&A
B
（ 2） 对于或非门及或门,
多余输入端应接 低电平,
比如直接接地；也可以与
有用的输入端并联使用 。
三, 多余输入端的处理
（ 1）对于与非门及与门，
多余输入端应接 高电平 。如
直接接电源正端，在前级驱
动能力允许时，也可以与有
用的输入端并联使用。
V
&
CC
B
A
&
A
B
（a ） （b ）
≥1A
B
B
A
（a ） （b ）
≥1
3,一端消去或加上小圆圈, 同时将相应变量取反, 其逻辑关系不变 。
2,任一条线一端上的小圆圈移到另一端, 其逻辑关系不变 。
2.5 混合逻辑中逻辑符号的变换
1．逻辑图中任一条线的两端同时加上或消去小圆圈，其逻辑关系不变。
&
B
A
≥1C
B
A
C
L L&
≥1
B
A
C
B
A
C
L L&&
≥1≥1
B
A L
B
A
L B
A L&& &
本章小结
1．最简单的门电路是二极管与门、或门和三极管非门。它们是集
成逻辑门电路的基础。
2,目前普遍使用的数字集成电路主要有两大类, 一类由 NPN型三极管
组成, 简称 TTL集成电路；另一类由 MOSFET构成, 简称 MOS集成电路 。
3,TTL集成逻辑门电路的输入级采用多发射极三级管, 输出级采用达
林顿结构, 这不仅提高了门电路的开关速度, 也使电路有较强的驱动负
载的能力 。 在 TTL系列中, 除了有实现各种基本逻辑功能的门电路以外,
还有集电极开路门和三态门 。
4,MOS集成电路常用的是两种结构 。 一种是 NMOS门电路, 另一类是
CMOS门电路 。 与 TTL门电路相比, 它的优点是功耗低, 扇出数大, 噪声
容限大, 开关速度与 TTL接近, 已成为数字集成电路的发展方向 。
5,为了更好地使用数字集成芯片, 应熟悉 TTL和 CMOS各个系列产品的
外部电气特性及主要参数, 还应能正确处理多余输入端, 能正确解决不
同类型电路间的接口问题及抗干扰问题 。
