第二节 逻辑门电路
基本的逻辑关系是与或非，一个复杂的逻辑函数是
由这些基本关系组合而成的。
基本的逻辑门是与或非门，一个复杂的逻辑电路是
由这些基本逻辑门连接成的。
门电路是逻辑关系的基本硬件单元。按制作工艺的
不同，可分为双极型逻辑门和 MOS型逻辑门。
本章主要介绍两种工艺的代表类型,TTL集成逻辑
门和 CMOS逻辑门。
一,分立元件门电路
（一）、二极管门电路
首先看由二极管构成的“与门”和“或门”：
这种门电路串
联使用时，高低电
平会逐步提高。是
一大缺点。
下图是二极管或门，它的缺点是串联使用时，高低电
平将逐步降低。
从逻辑功能上，二极管实现“与门”、“或门”是没
有问题的。但都有一个问题，不利于串联使用。
书中讲了一下 正负逻辑问题,其 结论 是：
如果我们对同一逻辑问题，采用完全相反的两种定义
方式，一种叫正逻辑，另一种叫负逻辑,则正逻辑的与
等于负逻辑的或，正逻辑的或等于负逻辑的与。
例如,通常我们将 高 电平定义为 1,低 电平定义为 0，
此为 正逻辑 。如果将 高 电平定义为 0,低 电平定义为 1,
则称为 负逻辑 。
有一实际逻辑电路，其特点是输入有低电平时，输出
为低电平。可描述为：
对 正逻辑 来说，输入 有 低 0,则 输出为低 0。（ 与关系 ）
对 负逻辑 来说，输入 有 低 1,则 输出为低 1。（ 或关系 ）
（二）、三极管门电路
下图就是前面讲过的具有基极加速电容和钳位二极管
的三极管反相器电路，它就是一个“非门”。
三极管反相器电路常常作为门电路的输出级。下图是
将二极管与门和三极管反相器串联，构成“与非门”，由
于是二极管（ Diode）串联三极管（ Transistor）的结构，
称为 DTL 电路。 L= (Logic)
功能表、真值表见书 P140
DTL 或非门
二,TTL集成逻辑门
DTL电路的缺点是速度较慢，早已被晶体管 — 晶体
管逻辑 TTL（ Transistor-Transistor-Logic）电路所取代。
目前，我们使用的 TTL门电路和中、小规模集成电路
以 74 / 54系列为主，包括做实验时所使用的芯片，都是这
一系列产品。
74 / 54 系列又根据功耗的大小，速度的快慢等分为几
个子系列，如 74SXX,74LSXX,74ALSXX,74HXX和
74FXX等等。
（一）,TTL门电路
我们以 TTL与非门电路为例，分析一下 TTL电路的特
点，特别是输出级的结构，因为大多数 TTL门电路的输
出级都是这种结构。
? 5v
ABC任一 1v 2.1v 1v
为 0.3v 0.4v
1.4v 3.6v
0.7v 0.3v
0v
ABC均
3.6v
1、与非门内部电路和原理
2、推拉输出电路和多发射极输入
推拉输出电路,
推拉输出因 T3和 T4你通我止，你止我通而得名。它
也叫图腾柱（ Totem pole）输出，有源上拉电路（ Active
pull-up）。
本推拉输出电路由 T4,T3,D4及 R4组成，它的特点
是无论输出电平是高是低，输出阻抗始终较低,负载能
力强。 同时，电路 转换速度快。
此电路相当于反相器电路有一个 阻值可变 的集电极电
阻 RC，三极管 饱和时变大,有利于加大饱和程度，降低
输出电压；三极管 截止时变小,有利于三极管退出饱和，
降低高电平输出阻抗。
多发射极三极管
多发射极三极管 作为“与”输入代替二极管与门。
有利于提高开关速度,
输入端全为高电平时,T1处于倒置放大状态,T2、
T4饱和。当输入端有低电平出现时,T1变为正常放大状
态，会产生较大的集电极电流 IC1，该电流就是 T2的基极
反向电流，使 T2迅速退出饱和而截止。进而使 T3导通，
相当于 T4的负载电阻减小,IC4瞬间加大，加速 T4退出饱
和。 全过程：
IC1 IB2 T2截止 VC2=VB3 T3导通 IC4 T4截止
提高与非门的速度，主要是提高输出管 T4,T2从饱
和到截止的转换速度。
（二）,TTL与非门的主要外部特性
1、电压传输特性 V0 随 Vi 变化的规律
ab段,截止区 Vi<0.6v T1饱和, T2、
T4截止,T3,D4饱和。 V0=VH
bc段,线性区 VI =0.6~1.3 T4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,T4
开始导通,V0加速下降。
de段,饱和区 VI增大,T4饱和。
TTL与非门的几个主要参数
(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
的 输入高电平的最小值 。 一般 Von ? 1.8v
关门电平 Voff 在保证输出为 VSH的 90%的条件下，
允许的 输入低电平的最大值 。 一般 Voff ? 0.8v
阈值电平 Vth 转折区中点对应的输入电压
(3) 噪声容限
当输入低电平处于标准输入低电平 VIL和 Voff之间时，
输出高电平可以得到保障，此区间称为 低电平噪声容限,
VNL=Voff - VIL
当输入高电平处于 Von和标准输入高电平 VIH之间时，
输出低电平可以得到保障，此区间称为 高电平噪声容限 。
VNH=VIH - Von
由表达式可见,Voff越大,Von越小（或两者越接近）
噪声容限越大，抗干扰能力越强。
2,TTL与非门输入特性
输入电压与输入电流的关系
VI=0 时,I i =I IS,称为输入短路电流。与
非门的 I IS 是前级的负载灌电流，约 1.6mA
AB段,T4截止,T1饱和,T2先截止后导
通,I i 较大，略有减小。
BC段,T4开始导通,T1
倒置放大态，电流反向
且减小。
输入 端直接 接地,是输入恒为低电平的情况。得到
输入短路电流 。
有时将输入端下拉一个电阻 RI接地，一般作为缺省
低电平。要注意 RI的取值，只有 RI在小于某一阻值时，
才能保证输入低电平小于 Voff。
如果 RI值大于某一数值，即使接地，也不能保证输
出高电平的幅度。
输入下拉电阻取值分析电路图如下，推导自己看看。
RI越大,P点向右方移动
Ii 减小,VI加大，不能大于关
门电平。
RI 对 T4 饱和的影响
IB1一定,Ii大，
则 IB2小2.1v
V0?0
1.4v
Ii=1.4v/Ri
Ri不能太小
多余输入端的接法：为避免串入干扰，不用的输
入不应悬空。
接为无效电平或并联使用。
3,TTL与非门的输出特性
灌电流越大，饱和 拉电流越大，饱
程度越轻，输出 V0 和加深,V0下降
加大。
4、平均延迟时间 tpd
第三章已讲过了，是一个综合速度参数。
5、空载功耗 P = VCC ? IE
与非门不接负载时，电源电压与电源总电流的乘积
称为空载功耗。 分两种情况：
空载导通功耗 PL：输出低电平,T4饱和（ T1倒置，
T2导通,T3,D4截止），计算见书 P155,约为 16mw。
空载截止功耗 PH：输出高电平,T4截止（ T1饱和，
T2截止,T3,D4导通），计算见书 P155,约为 5mw。
平均功耗 P = （ PL + PH） / 2 约为 10mw。
TTL与非门稳定在开态或关态时，截止时总电流较小
而饱和时总电流较大，因为截止时 T2,T4无电流。
值得注意的是，在开关状态转换的瞬间，由于所
有管子都处于导通状态，瞬间总电流很大，约 32mA。
因此,考虑极限电流时，不能只计算稳态电流。
工作频率高，转换次数多，瞬时功耗大，散热问题 。
6、其他参数
（ 1）输入漏电流 （高电平输入电流） IIH
（ a）所有输入端均接高
T1倒置放大, IIH= ? i ? IB1 其中 ? i 为倒置放大
倍数，很小，约 0.05,所以 IIH很小。（ IIH指流过接高输
入端的电流）
(b) 输入端有高有低
因有高电平输入，仍可与基极，集电极构成倒置放
大，所以倒置放大电流仍存在 ?i ? IB1 。
另外，高电平输入端（作为集电极）、基极和低电平
输入端（作为发射极）构成寄生晶体管，放大倍数为 ?j,
? j值也很小。
总之,IIH = （ ? I + ? j ） ? IB1 约 50??
输入漏电流示意图
总之，输入漏电流是前级门电路的拉流负载，漏电
流太大，会使前级输出高电平幅度下降。
(2) 扇入、扇出系数
扇入指输入端的个数。
扇出是指一个输出端，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。用 N0表示。
IOMAX IOMAX为 VOL?0.35V的最大灌流
N0 = ————
IIS IIS为输入短路电流
通常 NO ? 8
（三）,TTL或非门、异或门,OC门和三态门
1,TTL或非门
2,TTL异或门
P
X
W Y=W
W =P+X
P=A?B
Y= A?B +A?B X=A?B
3、集电极开路的 TTL与非门（ OC门）
线与：如果电路的两个输出端可以直接连在一起使
用完成逻辑与的功能，叫线与。例如：
注意：并不是所有的输出端都可以实现线与
如图腾输出的门电路，如果输出线与，有可
能因存在低阻回路而损坏电路。
为使 TTL门也能线与，
直接将 T4的集电极引出，
即集电极开路（ OC），
去掉 T3,D4，由外电路提供 RC电阻。
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。
OC门的并联（线与）使用举例
RC的取值要考虑输出高电平
时，内阻不要太大，还要考虑输
出低电平能否足够低（饱和深度）
使用 OC门时，
别忘了外加拉
高电阻 RC。
那是你要做的事！
4、三态输出门
三态,电路输出端可以处于三种状态,高电平、低电
平 和 悬空态 。
推拉输出的特点是 T3,T4轮流导通，如果我们使 T3、
T4全都截止,则输出端处于 悬空态,也称 高阻态 。
EN为高，一切如常，
EN为低,T3,T4全断
Y如风筝断线。
（四）、其他系列 TTL门电路
除前面分析的 74XX标准系列外,TTL门电路还有其他
几个系列，主要区别在于功耗的大小，速度的快慢。
功耗和速度指标是相互制约的,通常用功耗 --延迟积
（ pd积，越小越好）来综合评价门电路的性能。
为提高速度，常用的改善方法是：
? 减小电阻值，以减小时间常数 ?
? 采用达林顿管代替 T3,D4，降低输出电阻，加大电流。
? 输出管的基极采用有源泄放回路。
? 采用抗饱和二极管、三极管降低饱和程度。
? 其他方法
74LSXX系列是最常用的,pd积较小的一种 TTL门电
路，性能价格也比较高。
74 H XX系列与非门电路
74 S XX系列与非门电路
74LSXX系列与非门电路
基本的逻辑关系是与或非，一个复杂的逻辑函数是
由这些基本关系组合而成的。
基本的逻辑门是与或非门，一个复杂的逻辑电路是
由这些基本逻辑门连接成的。
门电路是逻辑关系的基本硬件单元。按制作工艺的
不同，可分为双极型逻辑门和 MOS型逻辑门。
本章主要介绍两种工艺的代表类型,TTL集成逻辑
门和 CMOS逻辑门。
一,分立元件门电路
（一）、二极管门电路
首先看由二极管构成的“与门”和“或门”：
这种门电路串
联使用时，高低电
平会逐步提高。是
一大缺点。
下图是二极管或门，它的缺点是串联使用时，高低电
平将逐步降低。
从逻辑功能上，二极管实现“与门”、“或门”是没
有问题的。但都有一个问题，不利于串联使用。
书中讲了一下 正负逻辑问题,其 结论 是：
如果我们对同一逻辑问题，采用完全相反的两种定义
方式，一种叫正逻辑，另一种叫负逻辑,则正逻辑的与
等于负逻辑的或，正逻辑的或等于负逻辑的与。
例如,通常我们将 高 电平定义为 1,低 电平定义为 0，
此为 正逻辑 。如果将 高 电平定义为 0,低 电平定义为 1,
则称为 负逻辑 。
有一实际逻辑电路，其特点是输入有低电平时，输出
为低电平。可描述为：
对 正逻辑 来说，输入 有 低 0,则 输出为低 0。（ 与关系 ）
对 负逻辑 来说，输入 有 低 1,则 输出为低 1。（ 或关系 ）
（二）、三极管门电路
下图就是前面讲过的具有基极加速电容和钳位二极管
的三极管反相器电路，它就是一个“非门”。
三极管反相器电路常常作为门电路的输出级。下图是
将二极管与门和三极管反相器串联，构成“与非门”，由
于是二极管（ Diode）串联三极管（ Transistor）的结构，
称为 DTL 电路。 L= (Logic)
功能表、真值表见书 P140
DTL 或非门
二,TTL集成逻辑门
DTL电路的缺点是速度较慢，早已被晶体管 — 晶体
管逻辑 TTL（ Transistor-Transistor-Logic）电路所取代。
目前，我们使用的 TTL门电路和中、小规模集成电路
以 74 / 54系列为主，包括做实验时所使用的芯片，都是这
一系列产品。
74 / 54 系列又根据功耗的大小，速度的快慢等分为几
个子系列，如 74SXX,74LSXX,74ALSXX,74HXX和
74FXX等等。
（一）,TTL门电路
我们以 TTL与非门电路为例，分析一下 TTL电路的特
点，特别是输出级的结构，因为大多数 TTL门电路的输
出级都是这种结构。
? 5v
ABC任一 1v 2.1v 1v
为 0.3v 0.4v
1.4v 3.6v
0.7v 0.3v
0v
ABC均
3.6v
1、与非门内部电路和原理
2、推拉输出电路和多发射极输入
推拉输出电路,
推拉输出因 T3和 T4你通我止，你止我通而得名。它
也叫图腾柱（ Totem pole）输出，有源上拉电路（ Active
pull-up）。
本推拉输出电路由 T4,T3,D4及 R4组成，它的特点
是无论输出电平是高是低，输出阻抗始终较低,负载能
力强。 同时，电路 转换速度快。
此电路相当于反相器电路有一个 阻值可变 的集电极电
阻 RC，三极管 饱和时变大,有利于加大饱和程度，降低
输出电压；三极管 截止时变小,有利于三极管退出饱和，
降低高电平输出阻抗。
多发射极三极管
多发射极三极管 作为“与”输入代替二极管与门。
有利于提高开关速度,
输入端全为高电平时,T1处于倒置放大状态,T2、
T4饱和。当输入端有低电平出现时,T1变为正常放大状
态，会产生较大的集电极电流 IC1，该电流就是 T2的基极
反向电流，使 T2迅速退出饱和而截止。进而使 T3导通，
相当于 T4的负载电阻减小,IC4瞬间加大，加速 T4退出饱
和。 全过程：
IC1 IB2 T2截止 VC2=VB3 T3导通 IC4 T4截止
提高与非门的速度，主要是提高输出管 T4,T2从饱
和到截止的转换速度。
（二）,TTL与非门的主要外部特性
1、电压传输特性 V0 随 Vi 变化的规律
ab段,截止区 Vi<0.6v T1饱和, T2、
T4截止,T3,D4饱和。 V0=VH
bc段,线性区 VI =0.6~1.3 T4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,T4
开始导通,V0加速下降。
de段,饱和区 VI增大,T4饱和。
TTL与非门的几个主要参数
(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
的 输入高电平的最小值 。 一般 Von ? 1.8v
关门电平 Voff 在保证输出为 VSH的 90%的条件下，
允许的 输入低电平的最大值 。 一般 Voff ? 0.8v
阈值电平 Vth 转折区中点对应的输入电压
(3) 噪声容限
当输入低电平处于标准输入低电平 VIL和 Voff之间时，
输出高电平可以得到保障，此区间称为 低电平噪声容限,
VNL=Voff - VIL
当输入高电平处于 Von和标准输入高电平 VIH之间时，
输出低电平可以得到保障，此区间称为 高电平噪声容限 。
VNH=VIH - Von
由表达式可见,Voff越大,Von越小（或两者越接近）
噪声容限越大，抗干扰能力越强。
2,TTL与非门输入特性
输入电压与输入电流的关系
VI=0 时,I i =I IS,称为输入短路电流。与
非门的 I IS 是前级的负载灌电流，约 1.6mA
AB段,T4截止,T1饱和,T2先截止后导
通,I i 较大，略有减小。
BC段,T4开始导通,T1
倒置放大态，电流反向
且减小。
输入 端直接 接地,是输入恒为低电平的情况。得到
输入短路电流 。
有时将输入端下拉一个电阻 RI接地，一般作为缺省
低电平。要注意 RI的取值，只有 RI在小于某一阻值时，
才能保证输入低电平小于 Voff。
如果 RI值大于某一数值，即使接地，也不能保证输
出高电平的幅度。
输入下拉电阻取值分析电路图如下，推导自己看看。
RI越大,P点向右方移动
Ii 减小,VI加大，不能大于关
门电平。
RI 对 T4 饱和的影响
IB1一定,Ii大，
则 IB2小2.1v
V0?0
1.4v
Ii=1.4v/Ri
Ri不能太小
多余输入端的接法：为避免串入干扰，不用的输
入不应悬空。
接为无效电平或并联使用。
3,TTL与非门的输出特性
灌电流越大，饱和 拉电流越大，饱
程度越轻，输出 V0 和加深,V0下降
加大。
4、平均延迟时间 tpd
第三章已讲过了，是一个综合速度参数。
5、空载功耗 P = VCC ? IE
与非门不接负载时，电源电压与电源总电流的乘积
称为空载功耗。 分两种情况：
空载导通功耗 PL：输出低电平,T4饱和（ T1倒置，
T2导通,T3,D4截止），计算见书 P155,约为 16mw。
空载截止功耗 PH：输出高电平,T4截止（ T1饱和，
T2截止,T3,D4导通），计算见书 P155,约为 5mw。
平均功耗 P = （ PL + PH） / 2 约为 10mw。
TTL与非门稳定在开态或关态时，截止时总电流较小
而饱和时总电流较大，因为截止时 T2,T4无电流。
值得注意的是，在开关状态转换的瞬间，由于所
有管子都处于导通状态，瞬间总电流很大，约 32mA。
因此,考虑极限电流时，不能只计算稳态电流。
工作频率高，转换次数多，瞬时功耗大，散热问题 。
6、其他参数
（ 1）输入漏电流 （高电平输入电流） IIH
（ a）所有输入端均接高
T1倒置放大, IIH= ? i ? IB1 其中 ? i 为倒置放大
倍数，很小，约 0.05,所以 IIH很小。（ IIH指流过接高输
入端的电流）
(b) 输入端有高有低
因有高电平输入，仍可与基极，集电极构成倒置放
大，所以倒置放大电流仍存在 ?i ? IB1 。
另外，高电平输入端（作为集电极）、基极和低电平
输入端（作为发射极）构成寄生晶体管，放大倍数为 ?j,
? j值也很小。
总之,IIH = （ ? I + ? j ） ? IB1 约 50??
输入漏电流示意图
总之，输入漏电流是前级门电路的拉流负载，漏电
流太大，会使前级输出高电平幅度下降。
(2) 扇入、扇出系数
扇入指输入端的个数。
扇出是指一个输出端，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。用 N0表示。
IOMAX IOMAX为 VOL?0.35V的最大灌流
N0 = ————
IIS IIS为输入短路电流
通常 NO ? 8
（三）,TTL或非门、异或门,OC门和三态门
1,TTL或非门
2,TTL异或门
P
X
W Y=W
W =P+X
P=A?B
Y= A?B +A?B X=A?B
3、集电极开路的 TTL与非门（ OC门）
线与：如果电路的两个输出端可以直接连在一起使
用完成逻辑与的功能，叫线与。例如：
注意：并不是所有的输出端都可以实现线与
如图腾输出的门电路，如果输出线与，有可
能因存在低阻回路而损坏电路。
为使 TTL门也能线与，
直接将 T4的集电极引出，
即集电极开路（ OC），
去掉 T3,D4，由外电路提供 RC电阻。
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。
OC门的并联（线与）使用举例
RC的取值要考虑输出高电平
时，内阻不要太大，还要考虑输
出低电平能否足够低（饱和深度）
使用 OC门时，
别忘了外加拉
高电阻 RC。
那是你要做的事！
4、三态输出门
三态,电路输出端可以处于三种状态,高电平、低电
平 和 悬空态 。
推拉输出的特点是 T3,T4轮流导通，如果我们使 T3、
T4全都截止,则输出端处于 悬空态,也称 高阻态 。
EN为高，一切如常，
EN为低,T3,T4全断
Y如风筝断线。
（四）、其他系列 TTL门电路
除前面分析的 74XX标准系列外,TTL门电路还有其他
几个系列，主要区别在于功耗的大小，速度的快慢。
功耗和速度指标是相互制约的,通常用功耗 --延迟积
（ pd积，越小越好）来综合评价门电路的性能。
为提高速度，常用的改善方法是：
? 减小电阻值，以减小时间常数 ?
? 采用达林顿管代替 T3,D4，降低输出电阻，加大电流。
? 输出管的基极采用有源泄放回路。
? 采用抗饱和二极管、三极管降低饱和程度。
? 其他方法
74LSXX系列是最常用的,pd积较小的一种 TTL门电
路，性能价格也比较高。
74 H XX系列与非门电路
74 S XX系列与非门电路
74LSXX系列与非门电路
