第 2章 集成门电路
主要内容：
?2.1 概述
?2.2 TTL集成门电路
?2.3 CMOS门电路
2.1 概 述
? 门电路,逻辑门电路是够实现各种基本逻辑关系的电路,
简称, 门电路, 或逻辑元件 。 最基本的门电路是与门, 或门
和非门 。 利用与, 或, 非门就可以构成各种逻辑门 。
? 在逻辑电路中,逻辑事件的是与否用电路电平的高, 低来
表示 。 若用 1代表低电平, 0代表高电平, 则称为正逻辑 。 相
反为负逻辑 。
? 集成门按内部有源器件的不同可分为两大类：一类为双极
型晶体管集成电路, 主要有晶体管 TTL逻辑, 射极耦合逻辑
ECL和集成注入逻辑 I2L等几种类型；另一类为单极型 MOS集成
电路, 包括 NMOS,PMOS和 CMOS等几种类型 。 常用的是 TTL和
CMOS集成电路 。
? 集成门电路按其集成度又可分为：小规模集成电路 (SSI)、
中规模集成电路 （ MSI）, 大规模集成电路 （ LSI） 和超大规
模集成电路 （ VLSI） 。
2.2 TTL集成门电路
主要内容：
? 2.2.1 TTL与非门的工作原理
? 2.2.2 TTL与非门的外特性与参数
? 2.2.3 TTL与非门产品介绍
? 2.2.4 TTL与非门的改进电路
? 2.2.5.TTL门电路的其他类型
? 2.2.6 TTL集成门电路使用注意事项
2.2 TTL集成门电路
TTL集成与非门电路在实际中应用非常广泛。
举例：图是一个由与非门构成的多数表决器
&
&
&
&
A
B
C
Y
A B C Y
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
0
0
0
1
0
1
1
1
多路表决器真值表
1.电路组成
如图所示，它由输入级、中间级和输出级三部分组成。
2.2.1 TTL与非门的工作原理
R
1
3 k ?
R
2
7 5 0 ?
R
5
1 0 0 ?
R
3
3 6 0 ?
R
4
3 k ?
T
2
T
3
T
4
T
5
Y
＋ U
CC
A
B
C
&A
B
C
Y
( a ) ( b )
T
1
中间级输入级 输出级
TTL
(2) 中间级。
中间级由 T2,R2和 R3组成。 T2的集电极和发
射极输出两个相位相反的信号，作为 T3和
T5的驱动信号。
(3) 输出级。
输出级由 T3,T4,T5和 R4,R5组成，这种
电路形式称为推拉式电路。
2,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 = 3.6 V时,T1的基极
电位足以使 T1的集电结和 T2,T5的发射结
导通。而 T2的集电极压降可以使 T3导通，
但它不能使 T4导通。 T5由 T2提供足够的基
极电流而处于饱和状态。因此输出为低电
平,
A=0时 TTL与非门各点电压
UO=UOL=UCE5≈0.3 V
(2) 输入至少有一个为低电平。当输入至少有一
（ A端）为低电平，即 UIL = 0.3V时,T1与 A端连接的
发射结正向导通，从图中可知,T1集电极电位 UC1使 T2、
T5均截止，而 T2的集电极电压足以使 T3,T4导通。因
UO=UOH≈UCC-UBE3-UBE4=5-0.7-0.7=3.6 V
A=B=C=1时 TTL与非门各点电压
2.2.2 TTL与非门的外特性与参数
1,
TTL与非门电压传输特性是表示输出电
压 UO随输入电压 UI变化的一条曲线,电压
传输特性曲线大致分为四段：如图所示。
TTL 与非门电压传输特性
（ a） 测试电路示意图（ b） 曲线
? AB段称截止区
0≤UI＜ 0.6V,U0≈3.6V
? BC段称线性区
0.6≤UI＜ 1.3V,U0线性下降
? CD段称转折区
1.3V≤UI＜ 1.4V,U0急剧下降
? DE段称饱和区
UI≥1.4V,U0≈0.3V
2,主要参数
（ 1）输出高电平 UOH和输出低电平 UOL。电压传输特性
曲线截止区的输出电压为 UOH，饱和区的输出电压为 UOL。
一般产品规定 UOH≥2.4V,UOL＜ 0.4 V。
（ 2） 阈值电压 Uth。电压传输特性曲线转折区中点所
对应的输入电压为 Uth，也称门槛电压。一般 TTL与非
门的 Uth≈ 1.4V。
（ 3）关门电平 UOFF和开门电平 UON。保证输出电平
为额定高电平（ 2.7V左右）时，允许输入低电平的最
大值，称为关门电平 UOFF。通常 UOFF≈1V,一般产品
要求 UOFF≥0.8 V 。
保证输出电平达到额定低电平（ 0.3V）时，允许输
入高电平的最小值，称为开门电平 UON。通常
UON≈1.4V，一般产品要求 UON≤1.8 V
（ 4） 噪声容限 UNL,UNH。在实际应
用中，由于外界干扰、电源波动等
原因，可能使输入电平 UI偏离规定
值。为了保证电路可靠工作，应对
干扰的幅度有一定限制，称为噪声
容限。它是用来说明门电路抗干扰
能力的参数。
低电平噪声容限是指在保证输出为高电平的
前提下，允许叠加在输入低电平 UIL上的最大正向
干扰（或噪声）电压。用 UNL表示,
UNL = UOFF - UIL
高电平噪声容限是指在保证输出为低电平的
前提下，允许叠加在输入高电平 UIH上的最大负向
干扰（或噪声）电压。用 UNH表示：
UNH = UIH - UON
(5) 输入短路电流 IIS。当 UI=0时，流经这个输入端的
电流称为输入短路电流 IIS。在如图所示电路中
IIS= ≈-1.4 mA
输入短路电流的典型值约为 -1.5mA 。
3
705
1
1 ??????
R
UU BECC
(6) 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,即 T1倒置工作时的反向漏电
流。其值很小，约为 10μA。
(7) 扇出系数 N。扇出系数是以同一型号的与非
门作为负载时，一个与非门能够驱动同类与非门的最
大数目，通常 N≥8。
（ 8）平均延迟时间 tpd。平均延迟时间指输出信
号滞后于输入信号的时间，它是表示开关速度的参数，
如图所示
IIS的计算图 延迟时间
从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿中点
之间的时间称为导通延迟时间 tPHL；从输入波形下降
沿的中点到输出波形上升沿的中点之间的时间称为截
止延迟时间 tPLH,所以 TTL与非门平均延迟时间为
tpd= ( tPHL+ tPLH)
一般,TTL与非门 tpd为 3～ 40ns
2
1
2.2.3 TTL与非门产品介绍
常用 TTL门电路型号
型 号 逻 辑 功
能
74LS00
74LS10
74LS20
74LS30
四 -2输入与非门
三 -3输入与非门
二 -4输入与非门
8输入与非门
74LS00,74LS20 管脚图
&
&
12 11 10 9 814 13
3 4 5 6 71 2
&
&
V
CC
4 B 4 A 4 Y 3 B 3 A 3 Y
1 B1 A 1 Y 2 B2 A 2 Y G N D
12 11 10 9 814 13
3 4 5 6 71 2
&
&
V
CC
2 D 3 C 2 B NC 2 A 2 Y
1 B1 A NC 1 D1 C 1 Y G N D
( a ) ( b )
7 4 L S 0 0 7 4 L S 2 0
TTL器件型号组成的符号及意义
第 1 部 分 第 2 部 分 第 3 部 分 第 4 部
分
第 5部分
型号前级 工作温度符号
范围
器件系列 器件品
种
封装形式
符
号
意义 符
号
意义 符号 意义 符
号
意
义
符
号
意义
CT
S
N
中国制造
的 TTL类
美国
TEXAS
公司
54
74
-55～
+125V
0～ +70℃
H
S
LS
AS
ALS
FAS
标准
高速
肖特基
低功能肖特基
先进肖特基
先进低功能
肖特基
快捷肖特基
阿
拉
伯
数
字
器
件
功
能
W
B
F
D
P
J
陶瓷扁平
封装扁平
全密封扁平
陶瓷双列直播
塑料双列直播
黑陶瓷双列直播
2.2.4 TTL 与非门的改进电路
典型 T T L
1 0 n s / 1 0 m W
H 系列 T T L
6 n s / 2 2 m W
L 系列 T T L
3 3 n s / 1 m W
S 系列 T T L
3 n s / 2 0 m W
AS 系列 T T L
1, 5 n s / 2 2 m W
LS 系列 T T L
5 n s / 2 m W
A L S 系列 T T L
4 n s / 1 m W
T 0 0 0
TTL
LS系列 TTL门 tpd＜ 5ns，而功耗 2mW，因而得到广泛
应用。
我国 TTL集成电路目前有 CT54/74(普通 ), CT54/74H
(高速 ), CT54/74S（肖特基）和 CT54/74LS(低功耗）等
四个系列国家标准的集成门电路。它们的主要性能指如
表 2.4所示。在 TTL门电路中，无论是哪一种系列，只器
件品名相同,那么器件功能就相同，只是性能不同。
电路型
号
参数名称
CT74系
列
CT74H系
列
CT745系
列
CT74LS系
列
电源电压 /V 5 5 5 5
UOH(MIN)/V 2.4 2.4 2.5 2.5
UOL(MAX)/V 0.4 0.4 0.5 0.5
逻辑摆幅 3.3 3.3 3.4 3.4
每门功耗 10 22 19 2
每门传输延时 10 6 3 9.5
最高工作频率 35 50 125 45
扇出系数 10 10 10 20
抗干扰能力 一般 一般 好 好
TTL各系列集成门电路主要性能指标
2.2.5 TTL 门电路的其他类型
TTL门电路除与非门之外,还有许多种门电路，
1,集电极开路门（ OC
在实际使用中，可直接将几个逻辑门的输出端相连，这种
输出直接相连，实现输出与功能的方式称为线与。图所示为实现
线与功能的电路。即
Y=Y1·Y2
但是普通 TTL与非门的输出端是不允许直接相连的,因为当
一个门的输出为高电平（ Y1），另一个为低电平（ Y2）时,将有
一个很大的电流从 UCC经 Y1到 Y2，到导通门的 T5管，因功耗过大
而损坏该门电路。如图所示。
EFCDABY ???
&
&
&
R
L
B
A
C
D
E
F
Y
＋ U
CC
T5的集电极是断开的，必须经外接电阻 RL接通电
源后，电路才能实现与非逻辑及线与功能。
图是实现线与逻辑的 OC门,其逻辑表达式为
外接电阻 RL
假设有 n个 OC门接成线与的形式，其输出负载
为 m个 TTL与非门，如图所示。
&
&
&
1
1
1
… …
＋ U
CC
R
L
I
OH
I
IH
L
R
I
I
IH
I
IH
I
OH
I
OH
1
2
m
&
&
&
1
1
1
… …
＋ U
CC
R
L
I
OL
I
IS
L
R
I
I
IS
I
IS
1
2
m
＋＋ 3, 6 V
( a ) ( b )
IHOH
OHCC
L mInI
UU
R
?
?
? m inm a x
当所有 OC门都为截止状态时，输出电压 UO为高电
平，为保证输出的高电平不低于规定值,RL不能
太大。根据上图（ a）所示的情况,RL的最大值
为
式中,n为 OC门并联的个数,m为并联
负载门的个数,IOH为 OC门输出管截
止时的漏电流,IIH为负载门输入端为
高电平时的输入漏电流。
当有一个 OC门处于导通状态时，输
出电压 UO为低电平。而且应保证在最不利
的情况下，所有负载电流全部流入唯一的
一个导通门时，输出低电平仍低于规定值。
根据上图所示的情况,RL的最小值为
ISL
OLCC
L mII
UU
R
?
?
?
m a x
m a x
m in
式中,ILmax是导通 OC门所允许的最大漏
电流,IIS为负载门的输入短路电流。
综合以上两种情况,RL的选取应满足：
RLmin＜ RL＜ RLmax
为了减少负载电流的影响,RL值应选接近 RLmin
的值。
2,三态门（ TSL
三态门，是指逻辑门的输出除有高、低电平两种状
态外，还有第三种状态 —— 高阻状态（或称禁止状态）
的门电路，简称 TSL(Tristate Logic)门。电路如图所
示。
T
1
T
2
R
1
＋ U
CC
R
2
R
3
Y
E
A
B
T
5
T
4
T
3
R
5
R
4
D
A
B
E
Y
( b )
A
B
Y
( c )
( a )
E
&
EN
&
EN
三态门电路,符号图
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，促使 T2,T5截止，
同时,通过二极管 D使 T3基极电位钳制在１ V左右，致使 T4
也截止。这样 T4,T5都截止，输出端呈现高阻状态。
TSL门中控制端 E除高电平有效外，还有为低电平有效
的，这时的电路符号上图 (c)
BAY ??
表 2.5 一种 TSL门的真值表
控制端 输 入 输 出
E A B F
1
1
1
1
0
0 0
0 1
1 0
1 1
× ×
1
1
1
0
高阻态
三态门的主要用途是实现多个数据或控制信号的
总线传输，如图所示。
A
1
B
1
E
1
&
EN
A
2
B
2
E
2
&
EN
A
3
B
3
E
3
&
EN
D
C
2.2.6 TTL集成门电路使用注意事项
在使用 TTL集成门电路时,应注意以下事项：
(1) 电源电压（ UCC）应满足在标准值 5V+10%的范
围内。 (2) TTL电路的输出端所接负载，不能超过规
定的扇出系数。
(3) TTL
1,
2,或非门
≥1U
I
＋ U
CC
U
O
U
I
U
O
≥1U
I
＋ U
CC
U
O
( a ) ( b ) ( c )
≥1
R
或非门多余输入端的处理方法
(a) 接地 ; (b) 通过 R接地 ; （ c） 与使用输入端并联
主要内容：
? 2.3.1 CMOS门电路
? 2.3.2 CMOS门电路系列及型号的命名法
? 2.3.3 CMOS门集成电路使用注意事项
? 2.3.4 CMOS门电路的连接
2.3 CMOS集成门电路
2.3 CMOS 集成门电路
MOS集成逻辑门是采用 MOS管作为开关元件的数字
集成电路。 它具有工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、
功耗低等优点,MOS门有 PMOS,NMOS和 CMOS三种
类型,CMOS电路又称互补 MOS电路，它突出的优点是
静态功耗低、抗干扰能力强、工作稳定性好、开关速度
高，是性能较好且应用较广泛的一种电路。
与 TTL集成电路相比,CMOS电路具
有如下特点：
? 制造工艺较简单，集成度和成品率较高。
? 功耗低。
? 电源电压范围宽。
? 输入阻抗高，扇出系数大。
? 抗干扰能力强。
? 当配备适当的缓冲器后，能与现有的大多数逻
辑电路兼容
2.3.1 CMOS
1,与非门
CMOS 与非门电路。
当 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。
当 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,输出为
高电平。 电路的逻辑关系为
BAY ??
2,
CMOS 或非门电路如图所示。当 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；当 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
BAY ??
3,CMOS 传输门
传输门是数字电路用来传输信号的一种基本单元电路。
其电路和符号如图所示，
U
I
U
O
＋ U
DD
Y
S
2
S
1
D
2
T
2
D
1
T
1
A
C
C
TG
C
C
A Y
( a ) ( b )
当控制信号 C=1（ UDD） ( =0)时,输入信号 UI接近
于 UDD，则 UGS1≈-UDD，故 T1截止,T2导通；如输入信号
UI接近 0，则 T1导通,T2截止；如果 UI接近 UDD/2，则 T1、
T2同时导通。所以，传输门相当于接通的开关，通过不同
的管子连续向输出端传送信号。
反之，当 C=0（ =1）时，只要 UI在 0～ UDD之间，则
T1,T2都截止，传输门相当于断开的开关。
因为 MOS管的结构是对称的，源极和漏极可以互换使
用，所以 CMOS传输门具有双向性，又称双向开关，用 TG
表示。
C
C
2.3.2 CMOS 门电路系列及型号的命名法
CMOS 逻辑门器件有三大系列, 4000系列、
74C×× 系列和硅氧化铝系列。
1,4000
表 2.5列出了 4000 CMOS 器件型号组成
符号及意义。
表 2.6 CMOS器件型号组成符号及意义
第 1部分 第 2部分 第 3部分 第 4部分
产品制造单位 器件系列 器件品种 工作温度范围
符号 意义 符号 意义 符号 意义 符号 意义
CC
CD
TC
中国制造的
类型
美国无线电
公司产品
日本东芝公
司产品
40
45
145
系
列
符
号
阿
拉
伯
数
字
器
件
功
能
C
E
R
M
0～ 70℃
-40～ 85℃
-55～ 85℃
-55～ 125℃
几家国外公司 CMOS产品代号
国别 公司名称 简 称 型号前缀
美国 美国无线电公司
摩托罗拉公司
国家半导体公司
德克萨斯仪器公司
RCA
MOTA
NSC
TI
CD××
MC××
CD××
TP××
日本 东芝公司
日立公司
富士通公司
TOSJ TC××
HD××
MB××
荷兰 飞利浦公司 HFE××
加拿大 密特尔公司 MD××
2,74C××
74C×× 系列有：普通 74C×× 系列、高速
CMOS74HC×× /HCT×× 系列及先进的
CMOS74AC×× /ACT 系列。
2.3.3 CMOS集成电路使用注意事
项
TTL电路的使用注意事项,一般对 CMOS电路
也适用。因 CMOS电路容易产生栅极击穿问题，所以
要特别注意以下几点：
(1) 避免静电损失。
存放 CMOS电路不能用塑料袋，要用金属将管
脚短接起来或用金属盒屏蔽。工作台应当用金属材料
覆盖并应良好接地。焊接时，电烙铁壳应接地。
(2) 多余输入端的处理方法。 CMOS电路的输入阻
抗
高，易受外界干扰的影响，所以 CMOS电路的多余输入
端
不允许悬空。多余输入端应根据逻辑要求或接电源 DD(与
非门,与门），或接地（或非门、或门），或与其他输
入端连接。
2.3.4 CMOS电路与 TTL 电路的连接
1,TTL电路驱动 CMOS
(1) 当 TTL电路驱动 4000系列和 HC系列 CMOS时，
如
电源电压 UCC与 UDD均为 5V时,TTL与 CMOS电路的连接
如图所示。 & 1
＋ U
CC
( ＋ 5 V )
A
B
Y
R
T T L C M O S
&
1
＋ U
CC
( ＋ 5 V )
A
B
T T L OC C M O S
R
＋ U
D D
( ＋ 1 0 V )
Y
&
1
＋ U
CC
( ＋ 5 V )
A
B
T T L C M O S
＋ U
D D
( ＋ 1 0 V )
Y1
C M O S 接口
C C 4 5 0 2
( a ) ( b ) ( c )
UCC与 UDD不同时,TTL与 CMOS电路的连
接方法如图（ b）所示。还可采用专用的 CMOS电
平转移器（如 CC4502,CC40109等）完成 TTL
对 CMOS电路的接口，电路如图（ c）所示。
(2) 当 TTL电路驱动 HCT系列和 ACT系列
的 CMOS门电路时，因两类电路性能兼容，故可
以直接相连，不需要外加元件和器件。
2,CMOS电路驱动 TTL电路
为了实现 CMOS和 TTL电路的连接，可经过 CMOS
“接口”电路，如图所示。
&
1
＋ U
CC
( ＋ 1 0 V )
A
B
T T LC M O S
＋ U
D D
( ＋ 5 V )
Y1
C M O S 接口
C C 4 0 4 9
【 思考题 】
1,CMOS 门电路有什么优、
2,TTL与 CMOS 逻辑如何解决, 接口,
问题？
本章小结
1,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。
2,在双极型数字集成电路中,TTL与非门电路在工
业
控制上应用最广泛，是本章介绍的重点。对该电路要着
重了解其外部特性和参数，以及使用时的注意事项。
3,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，
在数字集成电路中逐渐被广泛采用。
