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第3章逻辑门电路3.1 概述逻辑门电路:用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。
简称门电路.用逻辑1和0 分别来表示电子电路中的高、低电平的逻辑赋值方式，称为正逻辑,目前在数字技术中，大都采用正逻辑工作；若用低、高电平来表示，则称为负逻辑。
本课程采用正逻辑。
获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态.在数字集成电路的发展过程中，同时存在着两种类型器件的发展。
一种是由三极管组成的双极型集成电路,例如晶体管-晶体管逻辑电路（简称TTL电路）及射极耦合逻辑电路（简称ECL电路）.另一种是由MOS管组成的单极型集成电路，例如N-MOS逻辑电路和互补MOS(简称COMS）逻辑电路。
3。
2 分立元件门电路3。
3.1二极管的开关特性3.2.2三极管的开关特性NPN型三极管截止、放大、饱和3种工作状态的特点工作状态截止放大饱和条件i B＝0 0＜i B＜I BS i B＞I BS工作特点偏置情况发射结反偏集电结反偏u BE〈0，u BC〈0发射结正偏集电结反偏u BE>0，u BC〈0发射结正偏集电结正偏u BE〉0，u BC〉集电极电流i C＝0 i C＝βi B i C＝I CSce间电压u CE＝V CC u CE＝V CC－i C R cu CE＝U CES＝0.3Vce间等效电阻很大，相当开关断开可变很小，相当开关闭合3.2。
3二极管门电路1、二极管与门2、二极管或门u A u B u Y D1D20V 0V 0V 5V 5V 0V 5V 5V0V4。
3V4。
3V4.3V截止截止截止导通导通截止导通导通3。
2.4三极管非门3。
2。
5组合逻辑门电路1、与非门电路2、或非门电路3.3 集成逻辑门电路一、TTL与非门1、电路结构(1）抗饱和三极管作用：使三极管工作在浅饱和状态。
因为三极管饱和越深，其工作速度越慢，为了提高工作速度，需要采用抗饱和三极管。
构成:在普通三极管的基极B和集电极C之间并接了一个肖特基二极管(简称SBD）。
路。
简称门电路。
5V一、TTL 与非门图3-1 典型TTL 与非门电路3.2 TTL 集成门电路•数字集成电路中应用最广的为TTL 电路（Transister-Transister-Logic 的缩写）•由若干晶体三极管、二极管和电阻组成，TTL 集成电路有54/74系列 ①输出高电平UOH 和输出低电平UOL 。
•输出高电平U OH：至少有一个输入端接低电平时的输出电平。
•输出低电平U OL：输入全为高电平时的输出电平。
• 电压传输特性的截止区的输出电压UOH=3.6V，饱和区的输出电压UOL=0.3V。
一般产品规定U OH≥2.4V、U OL＜0.4V时即为合格。
二、TTL与非门的特性参数③开门电平U ON 和关门电平U OFF 。
开门电平U ON 是保证输出电平达到额定低电平(0.3V )时，所允许输入高电平的最低值，表示使与非门开通的最小输入电平。
通常U ON =1.4V ，一般产品规定U ON ≤1.8V 。
关门电平U OFF 是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，表示与非门关断所允许的最大输入电平。
通常U OFF ≈1V ，一般产品要求U OFF ≥0.8V 。
5). 扇入系数Ni和扇出系数N O 是指与非门的输入端数目。
扇入系数Ni是指与非门输出端连接同类门的个数。
反扇出系数NO映了与非门的带负载能力。
6）输入短路电流I IS 。
当与非门的一个输入端接地而其余输入端悬空时，流过接地输入端的电流称为输入短路电流。
7）8）平均功耗P 指在空载条件下工作时所消耗的电功率。
三、TTL门电路的改进 74LS系列 性能比较好的门电路应该是工作速度既快，功耗又小的门电路。
因此，通常用功耗和传输延迟时间的乘积(简称功耗—延迟积或pd积)来评价门电路性能的优劣。
74LS系列又称低功耗肖特基系列。
74LS系列是功耗延迟积较小的系列(一般t pd＜5 ns，功耗仅有2 mW) 并得到广泛应用。
3 逻辑门电路3.1 MOS 逻辑门电路3.1.2 求下列情况下TTL 逻辑门的扇出数：（1）74LS 门驱动同类门；（2）74LS 门驱动74ALS 系列TTL 门。
解：首先分别求出拉电流工作时的扇出数N OH 和灌电流工作时的扇出数N OL ，两者中的最小值即为扇出数。
从附录A 可查得74LS 系列电流参数的数值为I OH =0.4mA ，I OL =8mA ，I IH =0.02mA,I IL =0.4mA ；74ALS 系列输入电流参数的数值为I IH =0.02mA ，I IL =0.1mA ，其实省略了表示电流流向的符号。
（1） 根据（3.1.4）和式（3.1.5）计算扇出数74LS 系列驱动同类门时，输出为高电平的扇出数0.4200.02OH OH IH I mA N I mA=== 输出为低电平的扇出数 8200.4OL OL IL I mA N I mA ===所以，74LS 系列驱动同类门时的扇出数N O 为20。
（2） 同理可计算出74LS 系列驱动74ALS 系列时，有0.4200.02OH OH IH I mA N I mA=== 8800.1OL OL IL I mA N I mA === 所以，74LS 系列驱动74ALS 系列时的扇出数N O 为20。
3.1.4 已知图题3.1.4所示各MOSFET 管的T V =2V ，忽略电阻上的压降，试确定其工作状态（导通或截止）。
解：图题3.1.4（a ）和（c ）的N 沟道增强型MOS ，图题3.1.4（b ）和（d ）为P 沟道增强型MOS 。
N 沟道增强型MOS 管得开启电压V T 为正。
当GS V ＜V T 时，MOS 管处于截止状态；当GS V ≥V T ，且DS v ≥（GS V —V T ）时，MOS 管处于饱和导通状态。
对于图题3.1.4（a ），GS V =5V ，DS v =5V ，可以判断该MOS 管处于饱和导通状态。
对于图题3.1.4（c ），GS V =0V ＜V T ，所以MOS 管处于截止状态。
P 沟道增强型MOS 管得开启电压V T 为负。
当GS V ＞V T 时，MOS 管处于截止状态；当GS V ≤V T ，且DS v ≤（GS V —V T ）时，MOS 管处于饱和导通状态。
对于图题3.1.4（b ），GS V =0V ＞﹣2V ，该MOS 管处于截止状态。
对于图题3.1.4（d ），GS V =-5V ，GS V =﹣5V ，可以判断该MOS 管处于饱和导通状态。
3.1.5 为什么说74HC 系列CMOS 与非门在﹢5V 电源工作时，输入端在以下四种接法下都属于逻辑0：（1）输入端接地；（2）输入端低于1.5V 的电源；（3）输入端同类与非门的输出低电压0.1V ；（4）输入端接10k Ω的电阻到地。
解：对于74HC 系列CMOS 门电路来说，输出和输入低电平的标准电压值为：V OL =0.1V ， V IL =1.5V 。
因此，有：（1） I v =0＜V IL =1.5V ，属于逻辑0。
（2） I v ＜1.5V=V IL ，属于逻辑0。
（3） I v =0.1V ＜V IL =1.5V ，属于逻辑0。
（4） 由于CMOS 管得栅极电流非常小，通常小于1uA ，在10k Ω电阻上产生的压降小于10mV 即I v ＜0.01V ＜V IL =1.5V ，故亦属于逻辑0。
3.1.6 试分析图题3.1.6所示的电路，写出其逻辑表达式，说明它是说明逻辑电路？解：该电路由两部分组成，如图题3.1.6所示，细线左边为一级与非门，虚线右边组成与或非门，其中T 1N 和T 2N 并联实现与功能，两者再与T 3N 串联实现或功能。
与非门的输出X AB =。
与或非门的输出L 为()()L A B X A B AB AB AB AB =+=+=+=该电路实现同或功能。
3.1.7 求图题3.1.7所示电路的输出逻辑表达式。
解：图题3.1.7所示电路中，1234,,,L AB L BC L D L ===实现与功能，即4123L L L L =⋅⋅，而4L L E =⋅，所以输出逻辑表达式为L AB BC D E =⋅⋅⋅。
3.1.8 用三个漏极开路与非门74HC03和一个TTL 与非门74LS00实现图题3.1.7所示的电路，已知CMOS 管截止时的漏电流I OZ =5uA, 试计算R P(min)和R P(max)。
解：第一级的两个与非门和一个非门用漏极开路与非门74HC03组成，第二级的与非门用TTL 与非门74LS00实现。
从附录A 查得74HC 系列的参数为：V OL(max)=0.33V ,I OL(max)=4 mA ，V OH(min)=3.84V ；74LS 系列的参数为：I IL(max)=0.4mA ，I IH(max)=0.02mA 。
因为三个漏极开路门的公共上拉电阻R P 的下端74LS00的一个输入端，即：在灌电流情况下，求出R P 的最小值：(max)(min)(max)()(50.33) 1.3(40.4)DD OL p OL IL total V V V R k I I mA--==≈Ω-- 在拉电流情况下，求出R P 的最大值(min)(max)()()(5 3.84)33.1(0.00530.02)DD OH p OZ total IH total V V V R k I I mA--==≈Ω+⨯+ 3.1.9 .图题.3.1.9表示三态门作总线传输的示意图，图中n 个三态门的输出接数据传输总线，D 1、D 2、…、n D 为数据输入端，CS 1、CS 2、…、i CS 为片选信号输入端。
试问：（1）CS 信号如何进行控制，以便数据D 1、D 2、…、n D 通过该总线进行正常传输；（2）CS 信号能否有两个或两个以上同时有效？如果CS 出现两个或两个以上有效，可能发生什么情况？（3）如果CS 信号均无效，总线处在什么状态？解：（1）根据图题3.1.9可知，片选信号CS 1、CS 2、…、i CS 为高电平有效，当i CS =1时，第i 个三态门被选中，其输入数据被送到数据传输总线上。
根据数据传输的速度，分时地给CS 1、CS 2、…、i CS 端以正脉冲信号，使其相应的三态门的输出数据能分时地到达总线上。
（2）CS 信号不能有两个或两个以上同时有效，否则两个不同的信号将在总线上发生冲突。
即总线不能同时既为0又为1。
（3）如果所有CS 信号均无效，总线处于高阻状态。
3.1.10 某厂生产的双互补对及反相器（4007）引出端如图题3.1.10所示，试分别连接：（1）三个反相器；（2）三输入端或非门；（3）三输入端与非门；（4）或与非门[()L C A B =+]；（5）传输门（一个非门控制两个传输门分时传送）。
解：（1）三个反相器将图题3.1.10所示电路按下列方式连接，可以得到三个反相器。
①8、13相连，6端为输入，8端为输出，14端接V DD，7端接地；②1、5相连，3端为输入，5端为输出，2端接V DD，4端接地；③10端为输入，12端为输出，11端接V DD，9端接地。
（2）三输入端或非门电路图如图题解3.1.10（a）所示。
（3）三输入端与非门电路图如图题解3.1.10（b）所示。
（4）或与非门电路图如图题解3.1.10（c）所示。
（5）传输门电路图如图题解3.1.10（d）所示，由6端输入的信号控制TG1、TG2、分时传送数据。
6端接低电平时，TG1、导通，2端得数据传送到12端；6端接高电平时，TG2导通，4端得数据传送到12端。
3.1.11试分析图题3.1.11所示某CMOS器件的电路，写出其逻辑表达式，说明它是什么逻辑电路。
解：电路由两个输入反相器、一个输出反相器、一个传输门T1、T2、和T3构成的电路组成。
传输门由B和B控制，当B=0时传输门导通，当B=1时传输门截止。
T1、T2、和T3构成电路的工作状态由B控制，当B=1时T1、T3均截止，T1、T2、和T3构成的电路不工作；当B=0时T1、T3均导通，T1、T2和T3构成的电路工作，并且起反相作用，其输出等于A。
综上所述，当B=0时，T1、T2、和T3构成的电路不工作，传输门导通，输出L=A；当B=1=。
列出真值表如表题解3.1.11时T1、T2、和T3构成的电路工作，传输门截止，输出L A=+=⊕，故电路为异或门电路。
所示。
其逻辑表达式L AB AB A B3.1.12试分析图题3.1.12所示的CMOS电路，说明它们的逻辑功能。
解：对于图题3.1.12（a）所示的CMOS电路，当EN=0时，T P2和T N2均导通，T P1和=；当EN=1时，T P2和T N2均截止，无论A为高电平T N2构成的的反相器正常工作，L A还是低电平，输出端均为高阻状态，其真值表如表题解3.1.12所示，该电路是低电平使能三态非门，其表示符号如图题解3.1.12（a）所示。
图题3.1.12（b）所示的CMOS电路，EN=0时，T P2导通，或非门打开，T P1和T N1构成的反相器正常工作，L=A；当EN=1时，T P2截止，或非门输出低电平，使T N1截止，输出端处于高阻状态，该电路是低电平使能三态缓冲器，其标示符号如图题解3.1.12（b）所示。
同理可以分析图题3.1.12（c）和图题3.1.12（d）所示的CMOS电路，它们分别为高电平使能三态缓冲器和低电平使能三态非门，其标示符号分别如图题解3.1.12（c）和图题解3.1.12（d ）所示。
3.1.13 试分析图题3.1.13所示传输门的电路，写出其逻辑表达式，说明它是说明逻辑电路。
解：对于图题3.1.13所示的电路，输入信号A 作为传输门的控制信号，输入信号B 通过传输门与输出L 相连。
当A=0时，传输门TG 1导通，TG 2断开，L=B ；当A=1时，传输门TG 1断开，TG 2导通，L B =；其真值表如表题解3.1.13所示，该电路实现异或功能，L A B =⊕。
3.1.14 由CMOS 传输门构成的电路如图题3.1.14所示，试列出其真值表，说明该电路的逻辑功能。
解：当CS=1时，4个传输门均为断开状态，输出处于高阻状态。
当CS=0时，4个传输门的工作状态由A 和B 决定，A=B=0时，TG 1和TG 2导通，TG 3和TG 4截止，L=1。
依此分析电路可以列出真值表如表题解3.1.14所示，根据真值表可得L A B =+。
该电路实现三态输出的2输入的或非功能。
3.2 TTL逻辑门电路3.2.2为什么说TTL与非门的输入端在以下四种接法下，都属于逻辑1：（1）输入端悬空；（2）输入端接高于2V的电源；（3）输入端接同类与非门的输出高电压3.6V；（4）输入端接10kΩ电阻到地。
