1
第 3章 集成逻辑门电路一、逻辑门电路二、数字集成电路的分类三、本章内容
3.1 分立元件门电路一、二极管“与门”电路二、二极管“或门”电路三、“非”门电路（反相器）
2
3.2 TTL门电路一,典型 TTL与非门
3.4 CMOS门电路一,CMOS反相器
3
第 3章 集成逻辑门电路
（ 1）掌握双极性晶体管和 MOS管的开关特性和有关参数。
（ 2）了解 TTL,CMOS基本逻辑门的功能和主要外部电气特性。
4
3.地位一、逻辑门电路
1.概念
2.发展 &I
C O
数据信号控制信号实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。
5
二、数字集成电路的分类
1.按集成度
SSI
MSI
LSI
VLSI
6
74/54AC/ACT
2.按制造工艺
双极型
TTL
ECL
I2L
MOS型
PMOS
NMOS
CMOS
4000
54/74AS?
54/74
54/74H
54/74S
54/74LS
54/74ALS
54/74HC/HCT
54/74FAST
Bi-CMOS型
7
3.1 分立元件门电路结论,F=AB
一、二极管“与门”电路二极管为理想的
0V 逻辑 0
3V 逻辑 1
3V
0
A
B
F
12V
二极管“与门”电路
8
结论,F=A+B
二、二极管“或门”电路二极管“或门”电路
3V
0
A
B F 二极管为理想的
0V 逻辑 0
3V 逻辑 1
9
三、“非”门电路（反相器）
1.三极管开关特性
(1)截止条件,e结反偏,c结反偏
(2)饱和条件,e结正偏,c结正偏；
在数字电路中，只利用 截止区（关态） 和 饱和区（开态）
C
C ESCCCS
BSB R
UVIIi
ton,toff限制了电路的最高工作速度。
(3)三极管瞬时开关特性
ton（开启时间）,toff（关闭时间）
10
2.三极管反相器
(1)工作原理结论,P=A
1A F
（ b）逻辑符号（ a）电路
R1
Vcc
F (uO)
(+12V) VD (+3V)
-VBB (-12V)
A(u1)
iB iC
RC D
R2
3.4V
0.2V
图 3.1.4三极管反相器电路
(2)负载能力灌电流负载 拉电流负载
11
3.2 TTL门电路一,典型 TTL与非门
1.电路结构,输入级,中间级,输出级2.工作原理,设 U
IH=3.4V UIL=0.2V Uon=0.7V VCC=5V
结论,Y=AB
(1) A=1,B=1,
(2) A=0,B=1,
Y=0 开态
Y=1 关态
(3) A=1,B=0,Y=1 关态
(4) A=0,B=0,Y=1 关态
12
3.TTL与非门的主要外部特性
(1)电压传输特性
② 阀值电压,UT=1.4V
③ 关门电平、开门电平及噪声容限主要静态参数
① 输出逻辑高电平和低电平标准值 合格值高电平 UOH 3.4V ≥2.4V
0.2V ≤0.4V低电平 UOL
0 0.5 1.0 1.5 uI/V
a b
c
d e
3.0
2.0
1.0
uO/V
UT
(a)电压传输特性
13
(2)输入特性
iI/mA
O
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
-1.0 - 0.5 0.5 1.0 1.5 2.0 uI/V
1.4
A40
(a)输入特性
+
_uI
Vcc
uO&
V
mA
iI
(b)测试电路图 3.2.5 输入特性曲线
① 输入短路电流,IIS=-1.07mA
2个或 2个以上 输入端并联时，输入电流如何？
② 输入漏电流,IIH= IB1( < 0.01) 约为 40 A?1? 1?
14
(3)输入负载特性
① 当 uI <1.3V时,T5截止
T2截止或
T2导通，但忽略其分流作用，因其处于放大状态。
② 当 uI =1.4V时,T5导通，箝位于 1.4V
③ 稳定输出高电平，则 RI 0.91K
I
I
BECC
I RRR
uVu,
1
1
①
K④ 稳定输出低电平，则 RI 2.5 （此时 uI =1.4V ）
15
⑤ &“1”
直流 5V档内阻 20K 5?
⑥ 多余输入端的处理与信号端并接；经一个电阻（大于 1 ）接电源正极；接地。
K
悬空引脚为 1.4V左右
16
(4)输出特性
① 拉电流负载
② 灌电流负载驱动门 负载门
&
UOH
iL
&
G1 G2
&
UOL
&
IG
驱动门 负载门
17
③ 扇入系数,NI
④ 扇出系数,NO
从输出特性曲线能看出允许的最大拉电流和灌电流。
（如高电平 ≥2.4V ; 低电平 ≤0.4 V ）
通常 NO≥8。
IS
G
I
I (m ax)
IH
L
I
I (max)和 中较小的一个。
18
(5)动态特性
① 传输延迟
tPHL
tPLH
uI
uO
图 3.2.11 TTL与非门的传输延迟
&u
I
uO
19
2
P L HP H L
pd
ttt
54/74系列,10ns左右
1
u0uI
已知 tpd=10ns
uI/V
t
3.4
0.2
0.1ns
u0/V
t
3.4
0.2
20
Vcc与地间接 退耦电容 以消除尖峰电流带来的电路间的串扰。
② 动态尖峰电流
uI
O t t
icc
O
ICCH
ICCL
图 3.2.12 动态尖峰电流
21
表 3.2.1 不同系列 TTL门电路的性能比较参数名称 TTL门电路系列名称54/74 54H/74H 54S/74S 54LS/74LS
tpd(ns) 10 6 4 10
功耗 /每门
(mW) 10 22.5 20 2
pd(ns·mW) 100 135 80 20
22
3.4 CMOS门电路
CMOS门电路的特点,
CMOS反相器 （串联互补）,CMOS传输门
（并联互补）是 CMOS集成电路的基本组件。
① 制作工艺简单，集成度高；
② 工作电源允许的变化范围大，功耗低；
③ 输入阻抗高，扇出系数大；
④ 抗干扰能力强。
23
一,CMOS反相器
1.电路结构
NMOS,PMOS管串联互补。 开启电压 分别为
UTN,UTP,为正常工作，要求：
VDD> UTP + UTN
2.工作原理
3.电压传输特性和电流转移特性
24
静态参数
② DDT
2
1 VU?
③ 噪声容限
① UOL=0V,UOH=VDD （电压利用率高）
在 CC4000系列 CMOS电路的性能指标中规定：
在输出高、低电平的变化不大于 10%VDD的条件下，输入信号低，高电平允许的最大变化量。
25
4.加电后,CMOS器件输入端 不能悬空
① 输入电位不定（此时输入电位由保护二极管的反向电阻比来决定），从而破坏了电路的正常逻辑关系；
② 由于输入阻抗高，易接受外界噪声干扰，使电路产生误动作；
③ 极易使栅极感应静电，造成栅击穿。
26
作业题
3.23.1
27
图 3.1.1三极管开关电路
28
图 3.1.2三极管截止和饱和时的等效电路
29
图 3.1.3三极管瞬时开关特性
30
的最高频率则若 Io f fon unstnst,5.3,5.1
M Hzttf
o f fon
2005.31 11m a x
tontoff
uI
uO
31
(a)灌电流负载等效图图 3.1.5负载等效电路若 ICS>ICM
则 C
CC
CMG ( m a x )
3.0
R
VII
若 ICS<ICM 则
C
CC
CSG ( m a x )
7.0
R
VII
最大灌电流时,三极管处于临界饱和且满足 ICM要求
32
图 3.1.5负载等效电路
(iD=0)最大拉电流的确定：
33
(a)电路
A F&
B
（ b）逻辑符号图 3.2.1典型 TTL与非门
34
图 3.2.2 T1结构及输入级逻辑等效电路
35
+
_uI
Vcc
uO&
VV
（ b）测试电路
0 0.5 1.0 1.5 uI/V
a b
c
d e
3.0
2.0
1.0
uO/V
UT
（ a）电压传输特性图 3.2.3 TTL与非门电压传输特性
36
A
B
T
1
R
1
4 k Ω
输 入 级
R
2
1,6 K Ω
T
2
D
3
T
5
V
C C
Y
倒 相 级 输 出 级
D
1
D
2
R
4
1 3 0 Ω
R
3
1 K Ω
T
4
3.4V
3.4V
1.4V
2.1V 0.9V
0.7V
倒置放大 0.2V
37
A
B
T
1
R
1
4 k Ω
输 入 级
R
2
1,6 K Ω
T
2
T
5
V
C C
Y
倒 相 级 输 出 级
D
1
D
2
R
3
1 K Ω
3.4V
3.4V
1.4V
2.1V 0.9V
0.2V
0.7V
RL
倒置放大
38
A
B
T
1
R
1
4 k Ω
输 入 级
R
2
1,6 K Ω
T
2
D
3
T
5
V
C C
Y
倒 相 级 输 出 级
D
1
D
2
R
4
1 3 0 Ω
R
3
1 K Ω
T
4
0.2V
3.4V
0.3V
0.9V
深饱和
39
A
B
T
1
R
1
4 k Ω
输 入 级
R
2
1,6 K Ω
T
2
D
3
V
C C
Y
倒 相 级 输 出 级
D
1
D
2
R
4
1 3 0 Ω
R
3
1 K Ω
T
4
0.2V
3.4V
0.3V
0.9V 4.8V
3.4V
RL
深饱和
40
2.4
Uoff Uon
0.4
1.0
0
uO/V
uI/V
3.0
2.0
2.52.01.51.00.5
≥0.8V ≤2.0V
41
UNH
UNL
1
0
1
00.4V
0.8V
uIuO
2.0V
2.4V
1 1
uO uI
G1 G2
图 3.2.4输入端 噪声容限示意图
42
定义时，只用一个输入端，当有 2个或 2个以上 输入端并联时，输入电流如何？
IIH
2IIH
&
UIH
&
IIS
1 I
IS2
43
图 3.2.6 输入负载特性
44
图 3.2.6 输入负载特性
uI
RI
(c) 等效电路
45
46
图 3.2.8 uO=UOH时 TTL与非门输出特性
(a) uO=UOH时输出特性 (b)拉电流负载示意
47
图 3.2.9 uO=UOL时 TTL与非门输出特性
(a) uO=UOL时输出特性 (b)灌电流负载示意
48
图 3.2.10 TTL与非门的扇出
49
（ b）逻辑符号
1A P
图 3.4.1 CMOS反相器设 UTP= -3V,UTN=3V,VDD=10V。
(1)UIL=0V
310ONR 129 10~10O F FR
DDDD
ONO F F
O F F
OH VVRR
RU
(2)UIH=VDD
0?OLU
50
图 3.4.2 电压传输特性和 电流转移特性
uI
iD
A B
C D
E F
（ b）电流转移特性
OuI
VDD
uO
UTN
A B C
D E F
UT
UTP
VDDO
(a)电压传输特性
51
DDO F FON VUU 2
1
DD
DDDD
OLO F FNL
V
VV
UUU
4.0
1.05.0
( m a x )
DD
DDDD
ONOHNH
V
VV
UUU
4.0
5.09.0
( m i n )
UNH
UNL
1
0
1
0
uIuO
UOH(min)
1 1
uO uI
G1 G2
输入端 噪声容限示意图
UOL(max)
UON
UOFF
第 3章 集成逻辑门电路一、逻辑门电路二、数字集成电路的分类三、本章内容
3.1 分立元件门电路一、二极管“与门”电路二、二极管“或门”电路三、“非”门电路（反相器）
2
3.2 TTL门电路一,典型 TTL与非门
3.4 CMOS门电路一,CMOS反相器
3
第 3章 集成逻辑门电路
（ 1）掌握双极性晶体管和 MOS管的开关特性和有关参数。
（ 2）了解 TTL,CMOS基本逻辑门的功能和主要外部电气特性。
4
3.地位一、逻辑门电路
1.概念
2.发展 &I
C O
数据信号控制信号实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。
5
二、数字集成电路的分类
1.按集成度
SSI
MSI
LSI
VLSI
6
74/54AC/ACT
2.按制造工艺
双极型
TTL
ECL
I2L
MOS型
PMOS
NMOS
CMOS
4000
54/74AS?
54/74
54/74H
54/74S
54/74LS
54/74ALS
54/74HC/HCT
54/74FAST
Bi-CMOS型
7
3.1 分立元件门电路结论,F=AB
一、二极管“与门”电路二极管为理想的
0V 逻辑 0
3V 逻辑 1
3V
0
A
B
F
12V
二极管“与门”电路
8
结论,F=A+B
二、二极管“或门”电路二极管“或门”电路
3V
0
A
B F 二极管为理想的
0V 逻辑 0
3V 逻辑 1
9
三、“非”门电路（反相器）
1.三极管开关特性
(1)截止条件,e结反偏,c结反偏
(2)饱和条件,e结正偏,c结正偏；
在数字电路中，只利用 截止区（关态） 和 饱和区（开态）
C
C ESCCCS
BSB R
UVIIi
ton,toff限制了电路的最高工作速度。
(3)三极管瞬时开关特性
ton（开启时间）,toff（关闭时间）
10
2.三极管反相器
(1)工作原理结论,P=A
1A F
（ b）逻辑符号（ a）电路
R1
Vcc
F (uO)
(+12V) VD (+3V)
-VBB (-12V)
A(u1)
iB iC
RC D
R2
3.4V
0.2V
图 3.1.4三极管反相器电路
(2)负载能力灌电流负载 拉电流负载
11
3.2 TTL门电路一,典型 TTL与非门
1.电路结构,输入级,中间级,输出级2.工作原理,设 U
IH=3.4V UIL=0.2V Uon=0.7V VCC=5V
结论,Y=AB
(1) A=1,B=1,
(2) A=0,B=1,
Y=0 开态
Y=1 关态
(3) A=1,B=0,Y=1 关态
(4) A=0,B=0,Y=1 关态
12
3.TTL与非门的主要外部特性
(1)电压传输特性
② 阀值电压,UT=1.4V
③ 关门电平、开门电平及噪声容限主要静态参数
① 输出逻辑高电平和低电平标准值 合格值高电平 UOH 3.4V ≥2.4V
0.2V ≤0.4V低电平 UOL
0 0.5 1.0 1.5 uI/V
a b
c
d e
3.0
2.0
1.0
uO/V
UT
(a)电压传输特性
13
(2)输入特性
iI/mA
O
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
-1.0 - 0.5 0.5 1.0 1.5 2.0 uI/V
1.4
A40
(a)输入特性
+
_uI
Vcc
uO&
V
mA
iI
(b)测试电路图 3.2.5 输入特性曲线
① 输入短路电流,IIS=-1.07mA
2个或 2个以上 输入端并联时，输入电流如何？
② 输入漏电流,IIH= IB1( < 0.01) 约为 40 A?1? 1?
14
(3)输入负载特性
① 当 uI <1.3V时,T5截止
T2截止或
T2导通，但忽略其分流作用，因其处于放大状态。
② 当 uI =1.4V时,T5导通，箝位于 1.4V
③ 稳定输出高电平，则 RI 0.91K
I
I
BECC
I RRR
uVu,
1
1
①
K④ 稳定输出低电平，则 RI 2.5 （此时 uI =1.4V ）
15
⑤ &“1”
直流 5V档内阻 20K 5?
⑥ 多余输入端的处理与信号端并接；经一个电阻（大于 1 ）接电源正极；接地。
K
悬空引脚为 1.4V左右
16
(4)输出特性
① 拉电流负载
② 灌电流负载驱动门 负载门
&
UOH
iL
&
G1 G2
&
UOL
&
IG
驱动门 负载门
17
③ 扇入系数,NI
④ 扇出系数,NO
从输出特性曲线能看出允许的最大拉电流和灌电流。
（如高电平 ≥2.4V ; 低电平 ≤0.4 V ）
通常 NO≥8。
IS
G
I
I (m ax)
IH
L
I
I (max)和 中较小的一个。
18
(5)动态特性
① 传输延迟
tPHL
tPLH
uI
uO
图 3.2.11 TTL与非门的传输延迟
&u
I
uO
19
2
P L HP H L
pd
ttt
54/74系列,10ns左右
1
u0uI
已知 tpd=10ns
uI/V
t
3.4
0.2
0.1ns
u0/V
t
3.4
0.2
20
Vcc与地间接 退耦电容 以消除尖峰电流带来的电路间的串扰。
② 动态尖峰电流
uI
O t t
icc
O
ICCH
ICCL
图 3.2.12 动态尖峰电流
21
表 3.2.1 不同系列 TTL门电路的性能比较参数名称 TTL门电路系列名称54/74 54H/74H 54S/74S 54LS/74LS
tpd(ns) 10 6 4 10
功耗 /每门
(mW) 10 22.5 20 2
pd(ns·mW) 100 135 80 20
22
3.4 CMOS门电路
CMOS门电路的特点,
CMOS反相器 （串联互补）,CMOS传输门
（并联互补）是 CMOS集成电路的基本组件。
① 制作工艺简单，集成度高；
② 工作电源允许的变化范围大，功耗低；
③ 输入阻抗高，扇出系数大；
④ 抗干扰能力强。
23
一,CMOS反相器
1.电路结构
NMOS,PMOS管串联互补。 开启电压 分别为
UTN,UTP,为正常工作，要求：
VDD> UTP + UTN
2.工作原理
3.电压传输特性和电流转移特性
24
静态参数
② DDT
2
1 VU?
③ 噪声容限
① UOL=0V,UOH=VDD （电压利用率高）
在 CC4000系列 CMOS电路的性能指标中规定：
在输出高、低电平的变化不大于 10%VDD的条件下，输入信号低，高电平允许的最大变化量。
25
4.加电后,CMOS器件输入端 不能悬空
① 输入电位不定（此时输入电位由保护二极管的反向电阻比来决定），从而破坏了电路的正常逻辑关系；
② 由于输入阻抗高，易接受外界噪声干扰，使电路产生误动作；
③ 极易使栅极感应静电，造成栅击穿。
26
作业题
3.23.1
27
图 3.1.1三极管开关电路
28
图 3.1.2三极管截止和饱和时的等效电路
29
图 3.1.3三极管瞬时开关特性
30
的最高频率则若 Io f fon unstnst,5.3,5.1
M Hzttf
o f fon
2005.31 11m a x
tontoff
uI
uO
31
(a)灌电流负载等效图图 3.1.5负载等效电路若 ICS>ICM
则 C
CC
CMG ( m a x )
3.0
R
VII
若 ICS<ICM 则
C
CC
CSG ( m a x )
7.0
R
VII
最大灌电流时,三极管处于临界饱和且满足 ICM要求
32
图 3.1.5负载等效电路
(iD=0)最大拉电流的确定：
33
(a)电路
A F&
B
（ b）逻辑符号图 3.2.1典型 TTL与非门
34
图 3.2.2 T1结构及输入级逻辑等效电路
35
+
_uI
Vcc
uO&
VV
（ b）测试电路
0 0.5 1.0 1.5 uI/V
a b
c
d e
3.0
2.0
1.0
uO/V
UT
（ a）电压传输特性图 3.2.3 TTL与非门电压传输特性
36
A
B
T
1
R
1
4 k Ω
输 入 级
R
2
1,6 K Ω
T
2
D
3
T
5
V
C C
Y
倒 相 级 输 出 级
D
1
D
2
R
4
1 3 0 Ω
R
3
1 K Ω
T
4
3.4V
3.4V
1.4V
2.1V 0.9V
0.7V
倒置放大 0.2V
37
A
B
T
1
R
1
4 k Ω
输 入 级
R
2
1,6 K Ω
T
2
T
5
V
C C
Y
倒 相 级 输 出 级
D
1
D
2
R
3
1 K Ω
3.4V
3.4V
1.4V
2.1V 0.9V
0.2V
0.7V
RL
倒置放大
38
A
B
T
1
R
1
4 k Ω
输 入 级
R
2
1,6 K Ω
T
2
D
3
T
5
V
C C
Y
倒 相 级 输 出 级
D
1
D
2
R
4
1 3 0 Ω
R
3
1 K Ω
T
4
0.2V
3.4V
0.3V
0.9V
深饱和
39
A
B
T
1
R
1
4 k Ω
输 入 级
R
2
1,6 K Ω
T
2
D
3
V
C C
Y
倒 相 级 输 出 级
D
1
D
2
R
4
1 3 0 Ω
R
3
1 K Ω
T
4
0.2V
3.4V
0.3V
0.9V 4.8V
3.4V
RL
深饱和
40
2.4
Uoff Uon
0.4
1.0
0
uO/V
uI/V
3.0
2.0
2.52.01.51.00.5
≥0.8V ≤2.0V
41
UNH
UNL
1
0
1
00.4V
0.8V
uIuO
2.0V
2.4V
1 1
uO uI
G1 G2
图 3.2.4输入端 噪声容限示意图
42
定义时，只用一个输入端，当有 2个或 2个以上 输入端并联时，输入电流如何？
IIH
2IIH
&
UIH
&
IIS
1 I
IS2
43
图 3.2.6 输入负载特性
44
图 3.2.6 输入负载特性
uI
RI
(c) 等效电路
45
46
图 3.2.8 uO=UOH时 TTL与非门输出特性
(a) uO=UOH时输出特性 (b)拉电流负载示意
47
图 3.2.9 uO=UOL时 TTL与非门输出特性
(a) uO=UOL时输出特性 (b)灌电流负载示意
48
图 3.2.10 TTL与非门的扇出
49
（ b）逻辑符号
1A P
图 3.4.1 CMOS反相器设 UTP= -3V,UTN=3V,VDD=10V。
(1)UIL=0V
310ONR 129 10~10O F FR
DDDD
ONO F F
O F F
OH VVRR
RU
(2)UIH=VDD
0?OLU
50
图 3.4.2 电压传输特性和 电流转移特性
uI
iD
A B
C D
E F
（ b）电流转移特性
OuI
VDD
uO
UTN
A B C
D E F
UT
UTP
VDDO
(a)电压传输特性
51
DDO F FON VUU 2
1
DD
DDDD
OLO F FNL
V
VV
UUU
4.0
1.05.0
( m a x )
DD
DDDD
ONOHNH
V
VV
UUU
4.0
5.09.0
( m i n )
UNH
UNL
1
0
1
0
uIuO
UOH(min)
1 1
uO uI
G1 G2
输入端 噪声容限示意图
UOL(max)
UON
UOFF
