第三章 逻辑门第三章 逻辑门

　　逻辑门电路：用来实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的电子电路统称为逻辑门电路。

　　基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。

　　逻辑门是构成所有数字电路的基本单元电路。目前在数字电路中用的最多的是 CMOS 电路和 TTL 电路两种类型。

3.1 MOS3.1 MOS 管的开关特性管的开关特性

S (Source) ：源极G (Gate) ：栅极D (Drain) ：漏极B (Substrate): 衬底

1. 1. NN 沟道增强型沟道增强型 MOSMOS 管管的结构和符号的结构和符号

PN 结

半导体层

SiO2 绝缘层

S (Source) ：源极G (Gate) ：栅极D (Drain) ：漏极B (Substrate): 衬底

2. 2. PP 沟道增强型沟道增强型 MOSMOS 管管的结构和符号的结构和符号

3. N3. N 沟道耗尽型和沟道耗尽型和 PP 沟道耗尽型沟道耗尽型

区别：耗尽型区别：耗尽型 MOSMOS 管在管在 VVGSGS=0=0 时就已经有导电沟道存在时就已经有导电沟道存在

3.2 CMOS3.2 CMOS 门电路门电路3.2.1 CMOS3.2.1 CMOS 反相器和传输门反相器和传输门1. CMOS1. CMOS 反相器反相器 (1) (1) 电路结构电路结构

ivv 0

11 ．逻辑关系：．逻辑关系：

（设（设 VVDDDD ＞（＞（ VVTNTN+|+|VVTPTP|| ），且），且 VVTNTN=|=|VVTPTP|| ））

（（ 11 ）当）当 VVii=0=0VV 时，时， TT11 截止，截止， TT22 导通。输出导通。输出 VVOO≈5≈5VV 。。

（（ 22 ）当）当 VVii=5=5VV 时，时， TT11 导通，导通， TT22 截止，输出截止，输出 VVOO≈0≈0VV 。。

电压、电流传输特性电压、电流传输特性

DDOTH21

21TPDDITN

OLOTPDDI

OHDDOTNI

2

1

2

1,

,

0

VVVVTT

TTVVVV

VVVVV

VVVVV

DD

时，参数完全对称，若

同时导通。，

时，

时，

2. CMOS2. CMOS 传输门传输门 开关状态由加在开关状态由加在 PP 和和 NN 的控制信号决定。的控制信号决定。 当当 PP=0V=0V ，， N=N=VVDDDD 时，两个时，两个 MOSMOS 管均导通，管均导通， A-BA-B

接通。接通。 当当 PP==VVDDDD ，， N=0VN=0V 时，两个时，两个 MOSMOS 管均截止，管均截止， A-BA-B

断开。断开。

3.2.2 CMOS3.2.2 CMOS 与非门、或非门和异或门与非门、或非门和异或门1. 1. 与非门与非门

2. 2. 或非门或非门

3. 3. 异或门异或门

4. 4. 异或非门异或非门

工作原理与异或门类似工作原理与异或门类似

5. 5. 与门、或门和同相缓冲器与门、或门和同相缓冲器由反相器、传输门、与非门、或非门可以组成其他由反相器、传输门、与非门、或非门可以组成其他逻辑功能的门电路或逻辑电路。逻辑功能的门电路或逻辑电路。

与非门与非门 ++ 反相器反相器 或非门或非门 ++ 反相器反相器 反相器反相器 ++ 反相器反相器

6. 6. 输入、输出端有反相器的或非门和与非门输入、输出端有反相器的或非门和与非门

通常在集成电路芯片的每个输入和输出端内部都接有标准参通常在集成电路芯片的每个输入和输出端内部都接有标准参数的反相器。数的反相器。

AYNE 时，0

3.2.3 3.2.3 三态输出和漏极开路输出的三态输出和漏极开路输出的 CMOSCMOS 门电路门电路

1. 1. 三态输出的门电路三态输出的门电路

)(1 高阻时， ZYNE

三态门的用途：总线连接三态门的用途：总线连接

2. 2. 漏极开路输出的门电路漏极开路输出的门电路

(1) (1) 输出并联使用，实现线与运算输出并联使用，实现线与运算(2) (2) 需要在输出端与电源之间外接上拉电阻需要在输出端与电源之间外接上拉电阻 RRPP

(1) (1) 输出并联使用，实现线与运算输出并联使用，实现线与运算(2) (2) 使用时在输出端与电源之间外接上拉电阻使用时在输出端与电源之间外接上拉电阻 RR

PP

0OLDDOHOFFPON VVVRRR 、，则若

RRPP 的计算方法的计算方法 ::

• 将将 nn 个个 ODOD 门接成“线与”结构，并考虑存在负载电流门接成“线与”结构，并考虑存在负载电流 IILL

的情况下，电路如图所示的情况下，电路如图所示

P(max)LOHOHDDP

OHPLOHDD

POH

)()(

)(

RInIVVR

VRInIV

RV

不能太大，，为保证输出电压高于

P(min)LOL(max)OLDDP

OL(max)POLDDL

POL(max)

)()(

)(

OD

RIIVVR

IRVVI

RI

不能太小，电平输出电流最大值低门的电流不超过允许的为保证流入

漏极开路输出的漏极开路输出的 CMOSCMOS 门电路的用途：接成总线结构门电路的用途：接成总线结构

3.2.4 CMOS3.2.4 CMOS 电路的静电防护和锁定效应电路的静电防护和锁定效应

1. 1. 静电防护静电防护 为了防止静电击穿，在为了防止静电击穿，在 CMOSCMOS 集成电路的每个集成电路的每个输入端都设置了输入保护电路。输入端都设置了输入保护电路。

2. 2. 锁定效应锁定效应 当当 CMOSCMOS 电路的输入端或输出端出现瞬时高电路的输入端或输出端出现瞬时高压时，有可能使电路进入这样一种状态，即电压时，有可能使电路进入这样一种状态，即电源至电路公共端之间有很大的电流流过，输入源至电路公共端之间有很大的电流流过，输入端也失去了控制作用。端也失去了控制作用。

通过改进制造工艺，已经可以做到一般情况下通过改进制造工艺，已经可以做到一般情况下不会发生，但还不能绝对避免。不会发生，但还不能绝对避免。

3.2.5 CMOS3.2.5 CMOS 电路的电气特性和参数电路的电气特性和参数

1. 1. 直流电气特性和参数直流电气特性和参数 也称静态特性，指电路处于稳定工作状态下的电也称静态特性，指电路处于稳定工作状态下的电

压、电流 特性，通常用一系列电气参数来描述。压、电流 特性，通常用一系列电气参数来描述。

(1) (1) 输入高电平输入高电平 VVIHIH 和输入低电平和输入低电平 VVILIL

VVDDDD 为为 +5V+5V 时，时， 74HC74HC 系列集成电路的系列集成电路的 VVIH(min)IH(min) 约为约为 3.5V3.5V ，， VVIL(max)IL(max) 约为约为 1.5V1.5V 。。

(2) (2) 输出高电平输出高电平 VVOHOH 和输出低电平和输出低电平 VVOLOL

VVDDDD 为为 +5V+5V 时，时， 74HC74HC 系列集成电路的系列集成电路的 VVOH(min)OH(min) 为为 4.4V4.4V

（当输出端流出的负载电流为－（当输出端流出的负载电流为－ 4mA4mA 时），时）， VVOL(max)OL(max) 为为 0.30.3

3V3V （当流入输出端的负载电流为（当流入输出端的负载电流为 4mA4mA 时）。时）。

(3) (3) 噪声容限噪声容限 VVNHNH 和和 VVNLNL

VVNHNH ＝＝ VVOH(min)OH(min) － － VVIH(min)IH(min)

＝＝ 4.34.3 －－ 3.53.5 ＝＝ 0.8V0.8V

VVNLNL ＝＝ VVIL(max)IL(max) － － VVOL(max)OL(max)

＝＝ 1.51.5 －－ 0.330.33 ＝＝ 1.17V1.17V

(4) (4) 高电平输入电流高电平输入电流 IIIHIH 和低电平输入电流和低电平输入电流 IIILIL

IIIH(max)IH(max) 和 和 IIIL(max)IL(max) 通常在通常在 11μμA A 以下。以下。

(5) (5) 高电平输出电流高电平输出电流 IIOHOH 和低电平输出电流和低电平输出电流 IIOLOL

74HC74HC 系列电路中，当系列电路中，当 VVDDDD ＝＝ 5V5V 时，时， RRON(N)ON(N) 不大于不大于 5050ΩΩ ，，而而 RRON(N)ON(N) 在在 100100ΩΩ 以内；高电平输出电流高电平输出电流 IIOHOH 为为 -4mA-4mA ；；低电平输出电流低电平输出电流 IIOLOL 为为 4mA4mA 。。

2. 2. 开关电气特性和参数开关电气特性和参数 也称动态特性，是指电路在状态转换过程中的电压、也称动态特性，是指电路在状态转换过程中的电压、

电流特性。电流特性。

(1) (1) 动态功耗动态功耗

fVCC

PPP2

DDpdL

TLD

)(

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。

2PHLPLH

pd

ttt

与非门的传输延迟时间 tpd ：

(2) (2) 传输延迟时间传输延迟时间 ttpdpd

在在 CCLL ＝＝ 50pF50pF 的条件下，的条件下， 74HC0474HC04 的传输延迟时间的传输延迟时间 ttpdpd 约为约为 9ns9ns 。。

3.3 3.3 双极型半导体二极管和三极管的开关特性双极型半导体二极管和三极管的开关特性3.3.1 3.3.1 双极型二极管的开关特性和二极管门电路双极型二极管的开关特性和二极管门电路

1. 1. 二极管的结构和伏安特性：二极管的结构和伏安特性：

PNPN 结 结 + + 引线 引线 + + 封装构成封装构成

二极管二极管与与门门

设 VCC = 5V加到 A,B 的 VIH=4V VIL=0.3V二极管导通时 VDF=0.7V

AA BB YY

0.3V0.3V 0.3V0.3V 1.0V1.0V

0.3V0.3V 4.0V4.0V 1.0V1.0V

4.0V4.0V 0.3V0.3V 1.0V1.0V

4.0V4.0V 4.0V4.0V 4.7V4.7V

AA BB YY

00 00 00

00 11 00

11 00 00

11 11 11

规定 4V 以上为1

1V 以下为 0

二极管二极管或或门门

设 VCC = 5V加到 A,B 的 VIH=4V VIL=0.3V二极管导通时 VDF=0.7V

AA BB YY

0.3V0.3V 0.3V0.3V 0V0V

0.3V0.3V 4.0V4.0V 3.3V3.3V

4.0V4.0V 0.3V0.3V 3.3V3.3V

4.0V4.0V 4.0V4.0V 3.3V3.3V

AA BB YY

00 00 00

00 11 11

11 00 11

11 11 11

规定 3.3V 以上为 1

0.3V 以下为 0

二极管构成的门电路的缺点二极管构成的门电路的缺点

• 电平有偏移电平有偏移• 带负载能力差带负载能力差

• 只用于只用于 ICIC 内部电路内部电路

1. 1. 双极型三极管的结构示意图和符号双极型三极管的结构示意图和符号

npnnpn 型三极管 型三极管 ppnpnp 型三极管型三极管

3.3.2 3.3.2 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性

2. npn2. npn 型三极管开关电路型三极管开关电路

只要参数合理：只要参数合理：VVII=V=VILIL 时，时， TT 截止，截止， VVOO=V=VOHOH

VVII=V=VIHIH 时，时， TT 导通，导通， VVOO=V=VOLOL

3. 3. 三极管的开关等效电路三极管的开关等效电路

3.4 TTL3.4 TTL 门电路门电路3.4.1 TTL3.4.1 TTL 反相器反相器1. 1. 电路结构和工作原理电路结构和工作原理 设定：设定：

(1)(1)

(2)(2)

输入级输入级 倒相级倒相级 输出级输出级

VVPN

VV

VV

VV

7.0

2.0

6.3

5

ON

IL

IH

CC

结导通压降

OHO

ILI 2.0

VV

VVV

)0(

)1(6.3

OLO

IHI

YVV

AVVV

该发射结导通， VB1≈0.9V 。 T2 、 T4 都截止。

（ 1 ）输入低电平 0.2V 时。

实现了非门的逻辑功能之一： 输入低电平时，输出为高电平。

忽略流过 R2 的电流， VB3≈VCC=5V 。

由于 T3 和 D 导通，所以： VO≈VCC-VBE3-VD

=5-0.7-0.7=3.6 （ V ）

0.2V 0.9V 5V

3.6V

（ 2 ）输入为高电平 3.6V 时。 T2 、 T4 饱和导通，

实现了非门逻辑功能的另一方面：

输入为高电平时，输出为低电平。

由于 T2 饱和导通， VC2=1V 。

T3 和二极管 D2 都截止。

由于 T4 饱和导通，输出电压为：

VO=VCES4≈0.2V

3.6V2.1V 1V

0.2V

1.4V

0.7V

AY

综合上述两种情况，该电路满足非的逻辑功能，即：

• 需要说明的几个问题：需要说明的几个问题：

①①

②②

③③

④④

故称倒相级。相反

变化方向和的输出组成。、和倒相级由

,e2C22322 VVTRRT

。带负载能力，称推拉式既能降低功耗又提高了

止。总有一个导通、一个截和

，组成输出级，在稳态下和和、由

43

4243

TT

RDTT

可靠地截止。导通时保证

抑制负向干扰

342

1

TTD

D

提供驱动信号组成，为后面的倒相级和输入级由 111 , DRT

电压传输特性电压传输特性

阈值电压阈值电压 VVTHTH 约为约为 1.4V1.4V

2. 2. 输入特性 以反相器输入特性 以反相器 SN7404SN7404 为例为例

mA1

104/)2.07.05(

/)(

V2.0

3

1ILBE1CCIL

ILI

RVvVI

VV 时，当

A40

01.0

,V1.2V6.3

IH(max)

IH

1

B1IHI

I

I

T

vVV

非常小输入电流

小于“ ”处于 倒置 状态，时，当

左右维持在，＝以后，升至

的增加而升高将随

接地，若将输入端经过电阻

V4.1

V1.2V4.1

,

I

B1

PI

P

v

v

Rv

R

结论：结论： TTLTTL 输入端悬空和接逻辑输入端悬空和接逻辑 11 电平效果相同电平效果相同

注意：注意： CMOSCMOS 电路中若输入端经过电阻接地，输入端电位为零电路中若输入端经过电阻接地，输入端电位为零

)( 11

BECCP

pI vV

RR

Rv

3. 3. 输出特性输出特性

1. 1. 反相器接有负载电路时，输出的高低电平随负载电流的变化而改变，反相器接有负载电路时，输出的高低电平随负载电流的变化而改变，且变化不大。且变化不大。

2. 2. 需要驱动较大的负载电流时，总是用输出低电平去驱动。需要驱动较大的负载电流时，总是用输出低电平去驱动。

（ 1 ） IoL—— 是输出低电平时，流入输出端的电流。 IoL(max)=16mA 。

（ 2 ） IoH—— 是输出高电平时，流出输出端的电流。 IoH(max)=0.4mA 。

3.4.2 TTL3.4.2 TTL 与非门、或非门、与或非门和异或门与非门、或非门、与或非门和异或门

1. 1. 与非门与非门

0

,V1.2V6.3

1

,V9.0V2.0

OLO423

B1

OHO342

1

VVTTT

VBA

VVTTT

VBA

BA

B

导通，和截止，

时，同为高电平和当导通，截止，和

时，有一个或同时为和当由多发射极三极管实现

加倍：每个值相同，并联后

时相同：并联后与仅一个接地输入电流计算：

IH

IL

I

I

ABY

2. 2. 或非门或非门

均加倍和输入电流计算时，

导通截止，，才有同为、只有

截止导通，均使任何一个为、所以

的输出并联和因为路两个完全一样的输入电

ILIH

OHO34

OLO34

22

0

1

II

VVTTBA

VVTTBA

TT

3.3. 与或非门与或非门

4. 4. 异或门异或门

3.4.3 3.4.3 三态输出和集电极开路输出的三态输出和集电极开路输出的 TTLTTL 门电路门电路1. 1. 三态输出的门电路三态输出的门电路

)(, OHOL ZVV ，高阻输出有三个状态：

ZYDPNE

AYDPNE

”状态“导通，输出端为 高阻”状态“截止，反相器为 工作

3

3

,0,1)2(

,1,0)1(

2. 2. 集电极开路输出的门电路（集电极开路输出的门电路（ open collectoropen collector ））

• 两个两个 OCOC 门的输出端并联实现“线与”，并可将门的输出端并联实现“线与”，并可将 OCOC 门用门用于信于信 号到总线的连接。号到总线的连接。• 为了获得输出的高低电平，需要将为了获得输出的高低电平，需要将 OCOC 门的输出端经过一门的输出端经过一个个 上拉电阻接至电源。上拉电阻接至电源。

结构图和逻辑符号结构图和逻辑符号

ILOL

OLCCL mII

VVR

(max)

min）（

IHOH

OHCCL mInI

VVR

）（max

式中， IOL(max) 为 OC 门导通时允许流过的最大负载电流，IOH 为 OC 门截止时的漏电流。

1. 1. 直流电气特性和参数直流电气特性和参数

(1) (1) 输入高电平输入高电平 VVIHIH 和输入低电平和输入低电平 VVILIL

在在 7474 系列中，电源电压系列中，电源电压 +5V+5V ， ， VVIH(min)IH(min) 为为 2V2V ， ， VVIH(max)IH(max) 为为0.8V0.8V 。。

(2) (2) 输出高电平输出高电平 VVOHOH 和输出低电平和输出低电平 VVOLOL

在在 7474 系列中， 系列中， VVOH(min)OH(min) 为为 2.4V2.4V （当负载电流为－（当负载电流为－ 0.4mA0.4mA ），）， VVOL(max)OL(max) 为为 0.4V0.4V （当负载电流为（当负载电流为 16mA 16mA ）。）。

3.4.4 TTL3.4.4 TTL 门电路的电气特性和参数门电路的电气特性和参数

(3) (3) 噪声容限噪声容限 VVNHNH 和和 VVNLNL

VVNHNH ＝＝ VVOH(min)OH(min) － － VVIH(min)IH(min) ＝＝ 0.4V0.4V

VVNLNL ＝＝ VVIL(max)IL(max) － － VVOL(max)OL(max) ＝＝ 0.4V0.4V

(4) (4) 高电平输出电流高电平输出电流 IIOHOH 和低电平输出电流和低电平输出电流 IIOLOL

IIOH(max)OH(max)<<<<IIOL(max)OL(max)

在在 7474 系列中，系列中， IIOL(max)OL(max) ＝＝ 16mA16mA ，， IIOH(max)OH(max) ＝－＝－ 0.4m0.4m

A A 。。(5) (5) 高电平输入电流高电平输入电流 IIIHIH 和低电平输入电流和低电平输入电流 IIILIL

IIIH(max)IH(max)<<<<IIIL(max)IL(max)

在在 7474 系列中，系列中， IIIH(max)IH(max) ＝＝ 0.04mA0.04mA ，， IIIL(max)IL(max) ＝－＝－ 1.6mA 1.6mA

。。

(6) (6) 输出高电平时的电源电流输出高电平时的电源电流 IICCHCCH 和输出低电平时的电源电流和输出低电平时的电源电流 IICCLCCL

3.4mA

106.1/)8.05(104/)1.25(

/)(/)(

1mA

104/)9.05(

/)(

33

2C2CC1B1CCCCL

3

1B1CCCCH

RvVRvVI

RvVI

2. 2. 开关电气特性和参数开关电气特性和参数(1) (1) 传输延迟时间传输延迟时间 ttpdpd

ttPLHPLH > > ttPHLPHL 在在 7474 系列中， 系列中， ttPHLPHL ＝＝ 8ns8ns ， ， ttPLHPLH ＝＝ 12ns12ns ，平，平均传均传

输延迟时间输延迟时间 ttpdpd 在在 10ns10ns 左右。左右。

(2) (2) 电源动态尖峰电流电源动态尖峰电流

成因：输出电平转换中，瞬时成因：输出电平转换中，瞬时 TT33 和和 TT44 同时导通同时导通 影响：影响： iiPP 较大，流过公共电源线形成干扰源较大，流过公共电源线形成干扰源

3.5 ECL3.5 ECL 电路电路非饱和型的高速逻辑电路非饱和型的高速逻辑电路ECLECL 或或 // 或非门电路结构或非门电路结构

优点：能以极快的速度完成电路状态的转换优点：能以极快的速度完成电路状态的转换缺点：电路功耗大，稳定性较差缺点：电路功耗大，稳定性较差

第 3 章 习题

3.1 3.3 3.4 3.6 3.13 3.

14 3.16 3.19 3.20