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数字电子技术基础 
定 价：49.5 元 丛书名：全国普通高校电子信息与电气学科基础规划教材
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本书具体的内容有：逻辑代数基础、常用半导体器件的工作原理和开关特性、门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、脉冲波形的产生与整形、数/模和模/数转换、存储器和可编程逻辑器件、VHDL语言基础、VHDL在数字单元电路设计中的应用。
本书是在2011年出版的《数字电子技术基础》(*版) 基础上，根据《数字电子技术基础课程教学基本要求》，并结合多年的教学实践经验，以及众多使用本教材的师生提出的宝贵意见和建议进行修订的。修订后的教材仍然坚持注重理论联系实际，理论以应用为目的，以必需、够用为度，以讲清概念、强化应用为重点，难度适中，利于创新的原则。考虑到有些院校的一些专业不开设模拟电子技术基础课程，而是直接开设数字电子技术基础，这次修订增加了半导体二极管、三极管和场效应管基本知识的内容，同时对*版其他章节的内容也进行了修改和完善，这样使得本教材的内容更加完善、合理，也为使用本教材的读者带来了很大方便。由于本课程属于专业基础课，学生需要做大量的练习，以更好地理解和消化所学的内容，因此本次修订增加了大量的习题。同时书后增加了习题的参考答案，方便学生检验自己的学习效果。另外，在每章的结尾都增加了小结，与每章开头的教学提示、教学要求前后呼应。这样教学提示会给读者一个启示作用，教学要求能使读者更好地把握每章的重点内容，小结能帮助读者归纳重要的知识点和结论，使得本书结构设计更加科学合理。
本书是在2011年出版的《数字电子技术基础》（ISBN 9787302246077，清华大学出版社）的基础上，根据2005年教育部电子信息科学与电气信息类基础课程教学指导分委员会修订的“数字电子技术基础课程教学基本要求”，并结合多年的教学实践经验，以及众多使用本教材的师生提出的宝贵意见和建议进行修订的。修订后的教材仍然坚持注重理论联系实际，理论以应用为目的，以必需、够用为度，以讲清概念、强化应用为重点，难度适中，利于创新的原则。考虑有些院校的一些专业不开设模拟电子技术基础课程，而是直接开设数字电子技术基础，这次修订增加了半导体二极管、三极管和场效应管基本知识的内容，同时对第一版其他章节的内容也进行了修改和完善，这样使得本教材的内容更加完善、合理，也为使用本教材的读者带来了很大方便。由于本课程属于专业基础课，学生需要做大量的练习，以更好地理解和消化所学的内容，因此本次修订增加了大量的习题。同时书后增加了习题的参考答案，方便学生检验自己的学习效果。另外，在每章的结尾都增加了小结，与每章开头的教学提示、教学要求前后呼应。这样教学提示会给读者一个启示作用，教学要求能使读者更好地把握每章的重点内容，小结能帮助读者归纳重要的知识点和结论，使得本书结构设计更加科学合理。本书由李雪飞主编并统稿。其中第1～6章和附录由李雪飞编写，第7章由王海军编写，第8章由张贺东编写，第9章由崔永刚编写，第10章由戚基艳编写，第11章由王铭杰编写，参考答案由对应每章的作者合作编写。在本书编写过程中，曾得到许多专家和同行的热情帮助，并参考和借鉴了许多国内外公开出版和发表的文献，在此一并表示感谢！由于时间仓促，水平有限，书中难免存在不足或疏漏之处，恳请广大读者批评指正，以便再版时修订。为方便选用本书作为教材的任课教师授课，编者还制作了与本书配套的电子课件。需要者可在清华大学出版社网站(www.tup.com.cn)上下载。
编者2016年4月 2005年，教育部电子信息科学与电气信息类基础课程教学指导分委员会主持修订了“数字电子技术基础课程教学基本要求”，再次强调了本门课程的性质是“电子技术方面入门性质的技术基础课”，其任务在于“使学生获得数字电子技术方面的基本知识、基本理论和基本技能，为深入学习数字电子技术及其在专业中的应用打下基础”。因此，作者编写本书的原则是注重理论联系实际，理论以应用为目的，以必需、够用为度，以讲清概念、强化应用为重点，难度适中，利于创新。随着电子技术的不断发展，基于EDA技术和可编程逻辑器件进行数字系统的设计与开发得到广泛应用。为此，本书在介绍了经典的数字电子技术理论之后，简单介绍了可编程逻辑器件的结构与工作原理，现代流行的数字系统设计工具——硬件描述语言(VHDL语言)以及用VHDL语言设计常用数字单元电路的方法，并且在附录中简单介绍了EDA工具软件MAX plusⅡ的使用方法，使得本书内容全面、体系完整。学生在已经掌握了数字电子技术基础知识后，再学习用VHDL语言开发设计数字系统，这样安排体例合理，适合不同层次的学生阅读，而且也方便各个学校根据教学大纲的要求选择教学内容。本书在每章的开始安排了教学提示和教学要求，给读者一个启示作用，并可更好地把握每章的内容。每章的后面都附有相关习题，方便学生检验对每章内容的掌握程度，具有很强的实用性。本书由李雪飞主编且负责全书统稿。参加本书编写的还有陈锦生、李方明、张明、张欣、刁芬、于洋、任苹、孙海静、李华玲、于荣义、董燕妮和王丹萍。在本书编写过程中，曾得到许多专家和同行的热情帮助，并参考和借鉴了许多国内外公开出版和发表的文献，在此一并表示感谢！由于时间仓促，水平有限，书中难免存在不足或疏漏之处，恳请广大读者批评指正，以便再版时修订。为方便选用本书作为教材的任课教师授课，编者还制作了与本书配套的电子课件。需要者可在清华大学出版社网站（www.tup.com.cn）上下载。编者2011年5月
目录
第1章逻辑代数基础 1.1概述 1.1.1数字电路和模拟电路 1.1.2数字信号与逻辑电平 1.1.3脉冲波形与数字波形 1.2数制和码制 1.2.1数制及数制间的转换 1.2.2码制 1.3逻辑代数中的基本运算 1.3.1逻辑与 1.3.2逻辑或 1.3.3逻辑非 1.3.4复合逻辑 1.4逻辑代数中的公式 1.4.1基本公式 1.4.2若干常用的公式 1.5逻辑代数中的基本定理 1.5.1代入定理 1.5.2反演定理 1.5.3对偶定理 1.6逻辑函数的表示方法 1.6.1逻辑函数 1.6.2逻辑真值表 1.6.3逻辑函数式 1.6.4卡诺图 1.6.5逻辑图 1.6.6各种表示方法间的互相转换 1.7逻辑函数的化简方法 1.7.1逻辑函数的种类及最简形式 1.7.2公式法化简 1.7.3卡诺图法化简 1.7.4具有无关项的逻辑函数及其化简 小结 习题 第2章常用半导体器件的工作原理和开关特性 2.1半导体的基本知识 2.1.1半导体的特性 2.1.2本征半导体 2.1.3杂质半导体 2.2半导体二极管 2.2.1PN结及其单向导电性 2.2.2二极管的结构 2.2.3二极管的伏安特性 2.2.4二极管的主要参数 2.2.5二极管的应用 2.2.6二极管的开关特性 2.3半导体三极管 2.3.1三极管的结构 2.3.2三极管的电流放大作用 2.3.3三极管的输入和输出特性曲线 2.3.4三极管的主要参数 2.3.5三极管的开关特性 2.4场效应管 2.4.1结型场效应管 2.4.2绝缘栅场效应管 2.4.3场效应管的主要参数 2.4.4场效应管的开关特性 小结 习题 第3章门电路 3.1概述 3.2分立元器件门电路 3.2.1二极管与门 3.2.2二极管或门 3.2.3三极管非门 3.3TTL门电路 3.3.1TTL非门的电路结构和工作原理 3.3.2TTL非门的外特性 3.3.3其他类型的TTL门电路 3.3.4TTL系列门电路 3.4CMOS门电路 3.4.1CMOS反相器的电路结构和工作原理 3.4.2其他类型的CMOS门电路 3.4.3CMOS传输门电路的组成和工作原理 3.4.4CMOS系列门电路的性能比较 3.5集成门电路实用知识简介 3.5.1多余输入端的处理方法 3.5.2TTL电路与CMOS电路的接口 3.5.3门电路带负载时的接口电路 小结 习题 第4章组合逻辑电路 4.1概述 4.2组合逻辑电路的分析和设计方法 4.2.1组合逻辑电路的分析方法 4.2.2组合逻辑电路的设计方法 4.3若干常用的组合逻辑电路 4.3.1编码器 4.3.2译码器 4.3.3数据分配器 4.3.4数据选择器 4.3.5加法器 4.3.6数值比较器 4.4组合逻辑电路中的竞争冒险现象 4.4.1竞争冒险现象 4.4.2竞争冒险现象的判别方法 4.4.3消除竞争冒险现象的方法 小结 习题 第5章触发器 5.1概述 5.2触发器的电路结构与动作特点 5.2.1基本RS触发器的电路结构与动作特点 5.2.2同步RS触发器的电路结构与动作特点 5.2.3主从RS触发器的电路结构与动作特点 5.2.4主从JK触发器的电路结构与动作特点 5.2.5边沿触发器 5.3触发器的主要参数 5.4不同类型触发器之间的转换 5.4.1JK触发器转换成其他功能的触发器 5.4.2D触发器转换成其他功能的触发器 小结 习题 第6章时序逻辑电路 6.1概述 6.1.1时序逻辑电路的特点 6.1.2时序逻辑电路的组成和功能描述 6.1.3时序逻辑电路的分类 6.2时序逻辑电路的分析方法 6.2.1同步时序逻辑电路的分析方法 6.2.2异步时序逻辑电路的分析方法 6.3计数器 6.3.1同步计数器 6.3.2异步计数器 6.3.3任意进制计数器 6.4寄存器和移位寄存器 6.4.1寄存器 6.4.2移位寄存器 6.5移位寄存器型计数器 6.5.1环形计数器 6.5.2扭环形计数器 6.6顺序脉冲发生器和序列信号发生器 6.6.1顺序脉冲发生器 6.6.2序列信号发生器 6.7时序逻辑电路的设计方法 6.7.1同步时序电路的设计方法 6.7.2异步时序电路的设计方法 小结 习题 第7章脉冲波形的产生与整形 7.1概述 7.2555定时器 7.2.1555定时器的电路结构 7.2.2555定时器的工作原理 7.3施密特触发器 7.3.1施密特触发器的特点 7.3.2用555定时器构成的施密特触发器 7.3.3集成施密特触发器 7.3.4施密特触发器的应用 7.4单稳态触发器 7.4.1单稳态触发器的特点 7.4.2用555定时器构成的单稳态触发器 7.4.3集成单稳态触发器 7.4.4单稳态触发器的应用 7.5多谐振荡器 7.5.1多谐振荡器的特点 7.5.2用555定时器构成的多谐振荡器 7.5.3石英晶体多谐振荡器 7.5.4压控振荡器 小结 习题 第8章数/模和模/数转换 8.1概述 8.2数/模（D／A）转换器 8.2.1D/A转换器的主要电路形式 8.2.2D/A转换器的输出方式 8.2.3D/A转换器的主要技术指标 8.2.4集成D/A转换器 8.3模/数（A/D）转换器 8.3.1A／D转换器的基本工作原理 8.3.2A／D转换器的主要电路形式 8.3.3A/D转换器的主要技术指标 8.3.4集成A/D转换器 小结 习题 第9章存储器和可编程逻辑器件 9.1概述 9.1.1存储器 9.1.2可编程逻辑器件 9.2只读存储器的分类及工作原理 9.2.1只读存储器的分类 9.2.2只读存储器的电路结构及工作原理 9.2.3常用的只读存储器 9.3随机存储器 9.3.1RAM的电路结构及工作原理 9.3.2RAM的存储单元 9.3.3常用的随机存储器 9.4存储器的扩展 9.4.1位扩展方式 9.4.2字扩展方式 9.5可编程逻辑器件 9.5.1PLD的电路表示法 9.5.2低密度可编程逻辑器件 9.5.3高密度可编程逻辑器件 9.6可编程逻辑器件的编程 9.6.1并口下载电缆ByteBlaster的内部电路与信号定义 9.6.2编程配置方式 小结 习题 第10章VHDL语言基础 10.1概述 10.2VHDL设计实体的基本结构 10.2.1库和程序包 10.2.2实体 10.2.3结构体 10.3VHDL语言规则 10.3.1VHDL文字规则 10.3.2VHDL数据类型 10.3.3VHDL数据对象 10.3.4VHDL运算符和操作符 10.4VHDL的顺序语句和并行语句 10.4.1顺序语句 10.4.2并行语句 小结 习题 第11章VHDL在数字单元电路设计中的应用 11.1组合逻辑电路的设计 11.1.1基本逻辑门电路的设计 11.1.2优先编码器的设计 11.1.338译码器的设计 11.1.4显示译码器的设计 11.1.5数据选择器的设计 11.1.6加法器的设计 11.1.7数值比较器的设计 11.2时序逻辑电路的设计 11.2.1触发器的设计 11.2.2锁存器的设计 11.2.3寄存器的设计 11.2.4计数器的设计 11.3存储器的设计 11.3.1ROM的设计 11.3.2RAM的设计 小结 习题 附录MAX plusⅡ使用简介 参考答案 参考文献
第3章门电路
教学提示： 了解各种门电路的结构和工作原理，有助于对门电路外特性的理解。掌握各种门电路的外特性具有实际意义。教学要求： 要求学生了解各种门电路的结构、工作原理和性能，掌握门电路的外特性、集成门电路多余输入端的处理方法和TTL电路与CMOS电路的接口。3.1概述能够实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路称为逻辑门电路，简称门电路。门电路的种类很多，按照实现的逻辑关系的不同，可以分为与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门和同或门； 按照电路元件的结构形式不同，可以分为分立元器件门电路和集成门电路。其中集成门电路按照集成度（即每一片硅片中所含逻辑门或元器件数）又可分为小规模集成门电路（Small Scale Integration，SSI），其集成度为1~10个门/片； 中规模集成门电路（Medium Scale Integration，MSI），其集成度为10~100个门/片； 大规模集成门电路（Large Scale Integration，LSI），其集成度为大于100个门/片； 超大规模集成门电路（Very Large Scale Integration，VLSI），其集成度为超过10万个门/片。按照制造工艺的不同，分为TTL（TransistorTransistor Logic）门电路和CMOS（Complementary MetalOxide Semiconductor）门电路。在门电路中，输入、输出的高、低电平信号都有一定的范围，对高、低电平具体的精确值要求不高，只要电路能够区分高、低电平的状态即可，所以对晶体管的精度要求不高，这也是数字电路与模拟电路的一个不同之处。3.2分立元器件门电路3.2.1二极管与门1. 电路结构 图31二极管与门 利用二极管的单向导电性可以组成二极管与门 (diode AND gate)。最简单的二极管与门如图31所示。该电路有两个输入端A、B和一个输出端Y。 2. 电路的工作原理假设电源电压VCC= 5V，从A、B端输入的高、低电平分别为VIH=3V，VIL=0V，二极管的正向导通电压为0.7V。由图可知，当A、B端均输入低电平时，二极管D1、D2都导通，输出端Y的电位为0.7V； 当A、B两端中有一个输入为低电平，另一个输入为高电平时，则必有一个二极管导通，而另一个二极管截止，此时输出端Y的电位为0.7V； 当A、B端均输入高电平时，二极管D1、D2都导通，输出端Y的电位为3.7V。由以上分析得到图31电路的工作状态表如表31所示，对其进行状态赋值得到真值表如表32所示。由真值表可以写出逻辑表达式为Y=AB，所以该电路为二极管与门。 表31图31电路的工作状态表 A/VB/VY/V 000.7030.7300.7333.7 表32图31电路的真值表 ABY 000010100111 3.2.2二极管或门1. 电路结构 最简单的二极管或门（diode OR gate）如图32所示。该电路有两个输入端A、B和一个输出端Y。 图32二极管或门 2. 电路的工作原理假设从A、B端输入的高、低电平分别为VIH=3V，VIL=0V，二极管的正向导通电压为0.7V。由图32可知，当A、B端均输入低电平时，二极管D1、D2都截止，输出端Y的电位为0V； 当A、B两端中有一个输入为低电平，另一个输入为高电平时，则必有一个二极管导通，而另一个二极管截止，此时输出端Y的电位为2.3V； 当A、B端均输入高电平时，二极管D1、D2都导通，输出端Y的电位为2.3V。由以上分析得到图32电路的工作状态表如表33所示，对其进行状态赋值得到真值表如表34所示。由真值表可以写出逻辑表达式为Y=A B，所以该电路为二极管或门。 表33图32电路的工作状态表 A/VB/VY/VA/VB/VY/V 000302.3032.3332.3 表34图32电路的真值表 ABYABY 000101011111 3.2.3三极管非门三极管在模拟电子电路中主要起放大作用，所以三极管主要工作在放大区。在数字电子电路中，三极管主要起开关作用，即三极管的动作特点是通和断。而三极管工作在截止区时，IB≈0，IC≈0，相当于开关断开状态，当三极管工作在饱和区时，VCES≈0.3V，相当于开关闭合状态。利用工作在截止区或饱和区的三极管可以组成三极管非门电路。 图33三极管非门 1. 电路结构三极管非门（transistor NOT gate）如图33所示。该电路有一个输入端A和一个输出端Y。2. 电路的工作原理假设电源电压VCC= 5V，从A端输入的高、低电平分别为VIH=3V，VIL=0V。由图可知，当A端输入低电平时，三极管将截止，输出端Y的电位将接近于 5V； 当A端输入为高电平时，三极管将饱和导通，输出端Y的电位约为0.3V。由以上分析得到图33电路的工作状态表如表35所示，对其进行状态赋值得到真值表如表36所示。由真值表可以写出逻辑表达式为Y=，所以该电路为三极管非门，又称反相器（inverter）。 表35图33电路的工作状态表 A/VY/V 0530.3 表36图33电路的真值表 AY 0110 在图33电路中，电阻RB2和电源-VEE主要是为了保证三极管在输入低电平时三极管可靠地截止。由于它们的接入，即使输入的低电平信号稍大于零，也能使三极管的基极为负电位，从而使三极管能可靠地截止，输出为高电平。3.3TTL门电路前面介绍的二极管门电路的优点是结构简单，但是在许多门级联时，由于二极管有正向压降，这样会使得逻辑信号电平偏离原来的数值而趋近未定义区域。因此，实际电路中，二极管门电路通常必须带一个晶体管放大器来恢复逻辑电平，这就是TTL门电路方案。TTL电路是目前双极型数字集成电路中应用最多的一种，它又分为不同系列，主要有74系列、74L系列、74H系列、74S系列、74LS系列等，它们主要在功耗、速度和电源电压范围方面有所不同。本节主要介绍74系列TTL电路，然后再对其他系列作以简单介绍。3.3.1TTL非门的电路结构和工作原理1. 电路结构 TTL非门是TTL门电路中电路结构最简单的一种。典型的TTL非门电路如图34所示。电路的输入端为A，输出端为Y。 图34TTL非门电路 图34所示的电路由3部分组成： T1、RB1和D1组成输入级，T2、RC2和RE2组成倒相级，T3、T4和RC3组成输出级。因为该电路的输入端和输出端均为三极管结构，所以称为TTL门电路。2. 电路的工作原理假设电源电压VCC=5V，VIH=3.4V，VIL=0.2V，PN结导通压降VON=0.7V，RB1=4kΩ，RC2=1.6kΩ，RE2=1kΩ，RC3=130Ω。当A端输入为VIL时，T1的发射结必然导通，T1的基极电位为vB1=VIL VON=0.9V。因此T2的发射结不会导通。由于T1的集电极回路电阻是RC2和T2的集电结反向电阻之和，阻值非常大，因此T1工作在深度饱和状态，VCES1≈0V，T1的集电极电流极小。T2截止后，其集电极电位vC2为高电平，而发射极电位vE2为低电平，从而使T3导通、T4截止，输出为高电平VOH VOH≈VCC-2VON=5-1.4=3.6V 当A端输入为VIH时，如果不考虑T2的存在，则三极管T1的基极电位vB1可能达到VIH VON=3.4 0.7=4.1V。而实际的情况是： 三极管T1的基极电位达到2.1V时，因为三极管T1的集电结、T2的发射结、T4的发射结相串联，同时导通，使三极管T1的基极电位被钳位在2.1V，集电极的电位为1.4V。而T1的发射极输入电位为3.4V，三极管的这种工作状态相当于发射极和集电极对调，称为倒置。因为T2、T4导通，所以VOL≈0.3V。又因为vC2≈0.7 0.3=1.0V，因此T3截止。由以上分析可以看出，图34所示电路的输出与输入之间的逻辑关系为Y=，所以该电路为非门。在图34中，因为T2集电极输出的电压信号和发射极输出的电压信号变化的方向相反，所以由T2组成的电路称为倒相级。在输出级T3和T4总是一个导通，一个截止，处在这种工作状态下的输出电路称为推拉式（Pushpull）电路。图中D1是输入端钳位二极管，它可以抑制输入端可能出现的负极性干扰脉冲，以保护集成电路的输入端不会因为负极性输入脉冲的作用而使三极管T1的发射结过流而损坏。二极管D2的作用是确保T4饱和导通时T3可靠地截止。3. 电压传输特性描述门电路的输出电压与输入电压之间关系的曲线叫做电压传输特性。图34的电压传输特性如图35所示。 图35TTL非门的电压传输特性 当vI＜0.7V时，相当于输入信号为低电平，三极管T3导通，T4截止，输出信号为高电平，对应的曲线为AB段，该工作区为截止区。当0.7V＜vI＜1.3V时，三极管T2导通，但T4仍然截止，这时三极管T2工作在放大区，随着输入电压vI的增加，输出电压vO将减小，输出电压随着输入电压按线性规律变化，对应的曲线为BC段，该工作区为线性区。当1.3V＜vI＜1.5V时，三极管T2和T4将同时导通，三极管T3迅速截止，输出电压vO将迅速下降为低电平，对应的曲线为CD段，输出电压在该段曲线的中点发生转折跳变，所以该工作区为转折区。转折区中点所对应的输入电压值称为阈值电压或门槛电压，用VTH表示，图35中的VTH=1.4V。 图36输入端噪声容限示意图 当vI＞1.5V时，相当于输入信号为高电平，三极管T3截止，T4导通，输出信号为低电平，对应的曲线为DE段，该工作区为饱和区。4. 输入端噪声容限噪声容限（noise margin）是指保证逻辑门完成正常逻辑功能的情况下，逻辑门的输入端所能承受的最大干扰电压值。噪声容限包括输入为低电平时的噪声容限VNL和输入为高电平时的噪声容限VNH。图36给出了噪声容限的示意图。其中，VOH(min)为输出高电平的下限，VOL(max)为输出低电平的上限，VIH(min)为输入高电平的下限，VIL(max)为输入低电平的上限。在将两个门电路直接连接时，前一级门电路的输出就是后一级门电路的输入，为了保证逻辑电平传输的正确性，必须满足VOH(min)＞VIH(min)，VOL(max)＜VIL(max)。由此可得输入为高电平时的噪声容限为 VNH=VOH(min)-VIH(min)（31） 输入为低电平时的噪声容限为 VNL= VIL(max)-VOL(max)（32） 74系列门电路的标准参数为VOH(min)=2.4V，VOL(max)=0.4V，VIH(min) =2.0V，VIL(max)=0.8V，所以VNH=0.4V，VNL=0.4V。5. 传输延迟时间在TTL非门电路中，由于二极管和三极管从截止变为导通或从导通变为截止都需要一定的时间，且二极管和三极管内部的结电容对输入信号波形的传输也有影响。在非门电路的输入端加上理想的矩形脉冲信号，门电路输出信号的波形将变坏。非门电路输入信号和输出信号波形示意图如图37所示。 图37TTL非门电路传输延迟时间 由图37可见，输出信号波形延迟输入信号波形一段时间，描述这种延迟特征的参数有导通传输时间tPHL和截止传输时间tPLH。导通传输时间tPHL描述输出电压从高电平跳变到低电平时的传输延迟时间。截止传输时间tPLH描述输出电压从低电平跳变到高电平时的传输延迟时间。导通传输时间tPHL和截止传输时间tPLH通常由实验测定，在集成电路手册上通常给出平均传输延迟时间tpd，具体计算公式为 tpd=tPHL tPLH2（33） 3.3.2 TTL非门的外特性TTL门电路的内部结构虽然复杂，但在实际使用的过程中，应主要考虑TTL门电路的外特性，也即门电路的输入特性和输出特性。1. 输入特性在TTL门电路中，描述输入电流随输入电压变化情况的函数称为TTL门电路的输入特性。对于TTL非门，若规定流入TTL门电路的电流为正，流出为负，则其输入特性如图38所示。 图38TTL非门的输入特性 图38中的IIS称为输入短路电流，是指输入电压vI=0时的输入电流值。对于图34所示的电路，IIS的值为 IIS=-VCC-VONRB1=-5-0.74≈-1mA（34） 低电平输入电流一般用IIS来代替。IIH称为输入漏电流或高电平输入电流，是指输入信号为高电平时的输入电流值。由前面的分析可知，当输入信号为高电平时，三极管T1工作在倒置状态，此时三极管的电流放大倍数β很小，一般在0.01以下，所以IIH的值很小。74系列门电路每个输入端的IIH值在40μA以下。输入信号在高、低电平之间的情况比较复杂，在此不作介绍。2. 输出特性在TTL门电路中，描述输出电压随输出电流变化情况的函数称为TTL门电路的输出特性。输出特性包括高电平输出特性和低电平输出特性。 （1） 高电平输出特性在图34所示的非门电路中，当输出为高电平时，T3和D2导通，T4截止，输出端的等效电路如图39（a）所示。这时T3工作在射极输出状态，电路的输出电阻很小。在负载电流较小的范围内，负载电流的变化对VOH的影响很小。随着负载电流iL绝对值的增加，RC3上的压降也随之加大，最终将使T3的bc结变为正向偏置，T3进入饱和状态。这时T3将失去射极跟随功能，因而VOH随着iL绝对值的增加几乎线性地下降。TTL非门高电平输出特性如图39（b）所示。 图39TTL非门高电平输出等效电路和输出特性 从曲线上可以看出，在|iL|<5mA的范围内，VOH变化很小。当iL>5mA以后，随着iL绝对值的增加VOH下降较快。考虑到输出功率等因素的影响，实际的高电平输出电流的最大值要比5mA小得多。集成电路手册上给出的74系列门电路的高电平输出电流大约为0.4mA。（2） 低电平输出特性当输出为低电平时，门电路的输出级三极管T4饱和导通而三极管T3截止，输出端的等效电路如图310（a）所示。由于T4饱和导通时ce间的内阻很小，通常在10Ω以内，所以负载电流iL增加时输出的低电平VOL仅稍有升高。TTL非门的低电平输出特性如图310（b）所示。从曲线可以看出，VOL与iL的关系在较大的范围内基本呈线性。 图310TTL非门低电平输出等效电路和输出特性 3. 负载特性（1） 输入端负载特性在具体使用门电路时，有时需要在输入端与地之间或输入端与信号的低电平之间接入负载电阻RP，如图311（a）所示。当RP在一定范围内增大时，由于输入电流流过RP会产生压降，其数值也随之增大，反应两者之间变化关系的曲线叫做输入负载特性，如图311（b）所示。 图311TTL非门输入端经电阻接地时的等效电路和负载特性 由图311可知，vI与RP之间的关系为 vI=RPRP RB1(VCC-vBE1) （35） 式（35）表明在RPRB1的条件下，vI与RP近似成正比。但是当vI上升到1.4V以后，三极管T2和T4的发射结同时导通，vB1被钳位在2.1V左右，这时即使RP再增大，vI也不会再升高，而是维持在1.4V左右。按照图34中的参数计算，当RP增加到大约2kΩ时，vI即上升到1.4V。 图312门电路带负载的情况 （2） 输出端带负载能力门电路的输出端根据不同的需要通常都带有不同的负载，门电路输出端典型的负载也是门电路，描述门电路输出端最多能够带的门电路数称为门电路的扇出系数（Fanout），门电路带负载的情况如图312所示。【例题3.1】设图312所示电路中门电路的输入特性和输出特性如图38、图39和图310所示，这些门电路的IIH=40μA，IOH=0.4mA，要求VOH≥3.2V，VOL≤0.2V，求门电路的扇出系数。解： 由图312可知，G1门电路的负载电流是所有负载门的输入电流之和。首先计算满足VOL≤0.2V时可带负载的数目N1。由图310（b）可以查到，VOL=0.2V时的负载电流iL=16mA。由图38可以查到，vI=0.2V时每个门的输入电流为iI=-1mA，于是得到电流绝对值间的关系为 N1|iI|≤iL 即N1≤iL|iI|=16然后计算满足VOH≥3.2V时可带负载的数目N2。由图39（b）可以查到，VOH=3.2V时的负载电流iL=-7.5mA。但因为|IOH|=0.4mA，故应取|iL|=0.4mA计算。又有IIH=40μA，于是得到 N2IIH≤|iL| 即N2≤|iL|IIH=10取N1和N2中较小的数为门电路的扇出系数，所以该电路的扇出系数为N=10。3.3.3其他类型的TTL门电路1. TTL与非门 74系列TTL与非门（NAND gate）的典型电路如图313所示。它与图34所示的TTL非门电路的主要区别就是在输入端改成了多发射极三极管。 图313TTL与非门 在图313中，只要A、B当中有一个接低电平VIL=0.2V，则T1必有一个发射结导通，并将T1的基极电位vB1钳位在0.9V，这时T2和T4都不导通，T3导通，输出为高电平VOH。只有当A、B两端同时输入为高电平VIH=3.4V时，T2和T4同时导通，T3截止，输出为低电平VOL。因此，Y和A、B之间为与非的逻辑关系，即Y=AB。比较图34和图313可知，TTL与非门电路的输出级和TTL非门电路的输出级完全相同，因此，非门的输出特性也适用于与非门。但是由于输入级不同，所以输入特性有所区别。对于图313所示的与非门，每个输入端的输入特性（其他的输入端悬空）和非门相同。但是如果将两个输入端并联使用，这时总的低电平输入电流与只有一个输入端接低电平时相同，而总的高电平输入电流则为两个输入端的高电平输入电流之和。在图313中，与的功能是用多发射极三极管来实现的，增加发射极的数目，即可扩大输入端的数目，就可以做成多输入端的与非门。2. TTL或非门典型的TTL或非门（NOR gate）电路如图314所示。不难看出，这个电路是在图34的基础上附加了T′1、T′2、D′1、R′B1而得到的，且该部分电路结构与T1、T2、D1、RB1组成的电路完全相同。所以当A、B当中任何一端输入为高电平VIH=3.4V时，都将使T2或T′2导通，并使T4导通、T3截止，输出为低电平VOL。只有在A、B两端同时输入为低电平VIL=0.2V时，T2和T′2同时截止，并使T3导通，T4截止，输出为高电平VOH。因此Y和A、B之间是或非的逻辑关系，即Y=A B。比较图34和图314，TTL或非门电路的输出级和TTL非门电路的输出级完全相同，因此，非门的输出特性也适用于或非门。由于每个或输入端都分别接在各自的输入三极管上，所以将n个或输入端并联使用时，无论总的高电平输入电流还是总的低电平输入电流都等于各个输入端输入电流的n倍。3. 与或非门TTL与或非门(ANDORINVERT gate)电路如图315所示。该电路是在图314的基础上，将三极管T1和T′1改为多发射极三极管而得到的。容易得出，只有两组输入信号A、B或C、D当中任何一组输入同时为高电平时，输出为低电平，否则输出为高电平。因此电路的输出信号Y与输入信号A、B、C、D之间是与或非的逻辑关系，即Y=AB CD。 图314TTL或非门 图315TTL与或非门 4. 异或门TTL异或门（ExclusiveOR gate）电路如图316所示。当A、B同时为低电平时，T4和T5同时截止，并使T7和T9导通而使T8截止，输出为低电平。而A、B同时为高电平时，T6和T9导通，T8截止，输出为低电平。当A、B状态不同（一个为高电平，一个为低电平）时，T6截止。同时，A、B当中的一个高电平输入使T4、T5中的一个导通，并使T7截止。由于T6和T7同时截止，因而使T9截止而T8导通，输出为高电平。因此A、B和Y之间为异或逻辑关系，即Y=AB。5. 集电极开路的门电路（OC门）在用门电路组成各种类型的逻辑电路时，如果可以将两个或两个以上的门电路输出端直接并联使用，可能对简化电路有很大帮助。但是一般的TTL门电路输出并联连接时，若并联的几个门电路的输出状态不一样，则这几个门电路的输出电路上可能有较大的电流流通，如图317所示。由于串联电路的连接电阻仅有几十到一百多欧姆，所以电路的电流将会高达几十毫安。在这种情况下，就会造成集成电路由于过度发热而损坏，也就是说，一般推拉式输出的逻辑门电路，不能将其输出端并联连接使用的。另外，在推拉式输出级的门电路中，电源一经确定，输出的高电平也就固定了，因而无法满足对输出不同高低电平的需要。此外，推拉式电路结构也不能满足驱动较大电流、较高电压负载的要求。 图316TTL异或门 图317TTL门电路输出并联 （1） 电路结构若将图34所示电路中的输出三极管T3及周围的元器件去掉，将三极管T4的集电极开路就可以组成集电极开路的门电路（Open Collector Gate），简称OC门电路。 图318集电极开路非门电路结构和逻辑符号 集电极开路门电路的结构和逻辑符号如图318所示。OC门电路在工作时需要外接负载电阻R和电源V′CC。只要电阻的阻值和电源电压的数值选择得当，就能够做到既保证输出 图319OC非门输出端并联 使用的接法 的高、低电平符合要求，又能保证输出端三极管的负载电流不过大。电阻R的作用是，当三极管T4截止时，将三极管T4的集电极的电位提高，使门电路能够输出高电平信号，所以负载电阻R又称为上拉电阻。（2） 线与电路OC门的输出端可以并联使用。比如在图319所示的电路中，输入信号A、B与输出Y之间的逻辑真值表如表37所示。由表37可以看出，两个门电路的输出端并联使用的结果等效于与逻辑关系，所以图319所示的电路又称为线与，其输入与输出之间的逻辑关系为 Y=Y1·Y2=·=A B （36） 表37图319电路的真值表 ABY1Y2Y 00111011001001011000 线与之后，输出的低电平仍然为TTL门电路的低电平等级（约为0.2V），但高电平的输出取决于V′CC的值。在空载的情况下，最高电平输出接近于V′CC的值； 在有负载的情况下，则根据负载的要求来确定。可见，OC门使用上更具有灵活性，适合于不同高电平电压等级输入的要求。另外，有些OC门的输出管足以承受较大电流和较高电压，如SN7407输出管允许的最大负载电流为40mA，截止时耐压30V，足以驱动小型继电器。 图320高电平输出时R的计算电路 （3） 上拉电阻阻值的计算上拉电阻阻值的计算分高电平输出和低电平输出两种情况。假设将n个OC门的输出端并联使用，负载是m个TTL与非门的输入端。高电平输出情况如图320所示。当所有OC门同时截止时，输出为高电平。此时，每个与非门的输入端口都有输入电流IIH流入，m个输入端口共有mIIH输入电流流过上拉电阻R； 同时每一个OC门的输出端也有漏电流IOH流入，n个输出端共有nIOH输出漏电流流过上拉电阻R。根据KCL可得，上拉电阻R上的总电流是上述各电流的总和，此时上拉电阻R的值为允许最大值Rmax： Rmax=V′CC-VOHnIOH mIIH（37） 低电平输出情况如图321所示。此时，对于与非门电路，每一个门电路输入端口只流出一个输入短路电流|IIS|，m′个与非门电路共有m′个|IIS|输入短路电流流入OC门电路的输出端（若是或非门电路，每一个输入端口都有输入短路电流流出，设每个或非门电路有n′个输入端，则m′个或非输入端口共有m′n′个|IIS|输入短路电流流入OC门电路的输出端）； 同时上拉电阻R上的电流I也流入OC门电路的输出端； 在OC门电路输出端口只有一个是低电平，其余都是高电平的情况下，所有的电流都流入输出为低电平的OC门的输出端口，该门电路的输出级电路将流过最大的电流ILM，根据KCL可得，上拉电阻R上的电流是ILM与m′|IIS|的差，此时上拉电阻R的值为允许最小值Rmin： Rmin=V′CC-VOLILM-m′|IIS|（38） 上拉电阻R的取值应介于式（37）和式（38）所规定的最大值和最小值之间。除了反相器和与非门以外，与门、或门、或非门等都可以做成集电极开路的门电路输出结构，而且外接上拉电阻的计算方法也相同。 图321低电平输出时R的计算电路 图322例题3.2的电路图 【例题3.2】电路如图322所示。已知电源电压V′CC=5V，OC与非门G1、G2的输出管截止时的漏电流IOH=200μA，输出管导通时的最大负载电流ILM=16mA，要求OC门输出的高电平VOH≥3.4V，VOL≤0.4V，G3、G4、G5均为TTL与非门，它们的低电平输入短路电流为IIS=-1mA，高电平输入电流为IIH=40μA。请计算电路中的上拉电阻R的值。解： 由电路图可知，该电路是由两个OC与非门输出端并联和三个两输入端与非门组成，即n=2，m′=3,m=6。根据式（37）可得 Rmax =V′CC-VOHnIOH mIIH=5-3.42×0.2 16×0.04=2.5kΩ 根据式（38）可得 Rmin=V′CC-VOLILM-m′|IIS|=5-0.416-3×1=0.354kΩ 所以取上拉电阻R=2kΩ。6. 三态输出门电路为了实现多个逻辑门电路输出能够实现并联连接使用，除了采用OC门以外，还可以采用三态门。（1） 电路结构和工作原理三态输出门（Three State Output Gate，TS）是在普通门电路的基础上附加控制电路而构成的。在三态输出的门电路中，输出端除了有高电平和低电平两种状态外，还有第三种状态——高阻态（Z）。控制端低电平有效的三态输出反相器的电路结构和逻辑符号如图323（a）所示。图中的控制端EN为低电平（EN=0）时，P点为高电平，二极管截止，电路的工作状态和普通的反相器没有区别。这时Y=A，根据输入信号A的情况，输出可能是高电平，也可能是低电平。而当控制端EN为高电平（EN=1）时，P点为低电平，T2和T4截止。同时，由于二极管D1导通，T3的基极电位被钳位在0.7V，使T3截止。由于T3和T4同时截止，所以输出端呈高阻状态。这样，输出端就有三种状态： 高电平、低电平和高阻状态，所以将该门电路称为三态门。图323中的（b）和（c）分别为国标和美国标准的三态反相器逻辑符号。因为三态门存在高阻态，所以三态门电路的输出端可以并联使用。 图323控制端低电平有效的三态输出反相器的电路图和逻辑符号 控制端为高电平有效的三态输出反相器的电路图和逻辑符号如图324所示。由图324可见其电路结构与图323（a）只差一个反向器，其余部分相同，所以在此不再赘述。 图324控制端高电平有效的三态输出反相器的电路图和逻辑符号 （2） 三态门电路的应用因为三态门的输出端可以并联使用，所以可以用三态门电路组成开关电路，如图325所示。当EN为低电平0时，三态门G1为高阻态，选通三态门G2，电路的输出信号Y=； 当EN为高电平1时，三态门G1被选通，而三态门G2为高阻态，电路的输出信号为Y=。可以看出使能端EN的状态决定将哪一个数据取反后输出，相当于一个开关的作用。在计算机系统中，为了减少各个单元电路之间连线的数目，希望能在同一条导线上分时传递若干个门电路的输出信号。这时可以用三态门接成总线结构，如图326所示。只要在工作时控制各个门的使能端EN，使其轮流等于0，而且任何时候仅有一个等于0，就可以把各个门的输出信号轮流送到公共的传输线（总线）上而互不干扰。用三态门还可以实现数据的双向传输，实现数据的双向传输的三态门电路如图327所示。当EN=0时，三态门G1被选通而G2为高阻态，数据D1经反相后送到总线上去。当EN=1时，三态门G2被选通而G1为高阻态，来自总线的数据经G2反相后由D2送出。 图325用三态门组成的开关电路 图326用三态门接成总线结构 图327用三态门实现数据的双向传输 3.3.4TTL系列门电路许多年来，设计者不断地对TTL门电路进行改进，从最早的74系列、74H系列，发展到74S系列、74LS系列，再到后来的74AS系列、74ALS系列、74F系列。所有的TTL系列都是兼容的，它们用同样的电源电压和逻辑电平，但每个系列在速度、功耗和价格上各有优点。 最早的TTL逻辑门系列是由Sylvania于1963年提出的，德州仪器公司使其被广泛应用，其“7400系列”型号门电路和其他TTL元件很快成为工业标准。后来用改变电路内部电阻阻值的方法生产过74H（高速TTL）和74L（低耗TTL）两种改进系列。74H系列采用低电阻以减少传播延迟时间，但同时增加了电路的功耗。而74L系列采用高电阻以减少功耗，但同时增加了传输延迟时间。如果用传输延迟时间与每个门功耗的乘积——dp积（delaypower product）来描述TTL电路的综合品质，则74H和74L系列与74系列相比，dp积并未得到改善。因此，不久这两种系列就被随后出现的74S、74LS系列取代。在74S（Schottky TTL）系列电路中采用了抗饱和的肖特基三极管，获得了比74系列更短的传输延迟时间，不过功耗仍然高于74系列。随后出现的74LS系列（低耗Schottky TTL）系列同时采用了肖特基三极管和较大的电阻阻值，并改进了电路结构，所以其dp积优于以上几个系列。74LS系列的速度与74系列相当，但功耗仅为74系列的1/5。因此，74LS系列成为设计TTL门电路应用系统的首选系列。后来随着集成电路工艺水平的不断提高和电路结构的改进，又出现了新的肖特基逻辑系列74AS（高级Schottky TTL）、74ALS（高级低耗Schottky TTL）和74F（快速TTL）。74AS系列的速度大约是74S的两倍，而功耗几乎相同。74ALS系列比74LS功耗更低，速度更高。74F系列在功耗和速度上介于74AS和74ALS之间。未来74ALS将逐步取代74LS系列而成为TTL逻辑系列中的主流产品，而74F系列也许会成为高速系统设计中使用的主要系列。表38列出了各种TTL系列门的主要特性参数，根据这些信息，可以分析TTL门电路的外部特性，而不必知道内部TTL电路的设计细节。通常，一个特定元件的输入和输出特性与表38中给出的典型值有所不同，因此在分析和设计实际电路时，必须经常参考制造厂商的数据手册。 表38TTL系列门的主要特性参数 参数名称与符号单位 系列 7474S74LS74AS74ALS74F 输入低电平最大值VIL（max）V0.80.80.80.80.80.8输入高电平最小值VIH(min)V2.02.02.02.02.02.0输出低电平最大值VOL(max)V0.40.50.50.50.50.5输出高电平最小值VOH(min)V2.42.72.72.72.72.7低电平输入电流最大值IIL(max)mA-1.0-2.0-0.4-0.5-0.2-0.6高电平输入电流最大值IIH(max)μA405020202020低电平输出电流最大值IOL(max)mA1620820820高电平输出电流最大值IOH(max)mA-0.4-1.0-0.4-2-0.4-1传输延迟时间tpdns9391.743每个门的功耗mW1019281.24延迟功耗积（dp积）pJ90571813.64.812 3.4CMOS门电路3.4.1CMOS反相器的电路结构和工作原理 图328CMOS反相器的 电路结构 CMOS反相器的电路结构如图328所示。由图328可以看出，它由一个N沟道增强型MOS管T1和一个P沟道增强型MOS管T2组成，所以该电路称为互补对称式金属氧化物半导体电路，简称CMOS电路。图中两个管的栅极相连作为输入端A，两个管的漏极相连作为输出端Y。假设电源电压VDD= 5V，输入信号的高电平VIH=5V，低电平VIL=0V，并且VDD大于T1的开启电压和T2的开启电压的绝对值之和。当输入信号A为高电平1时，T1管导通，T2管截止，输出信号Y为低电平0； 当输入信号A为低电平0时，T1管截止，T2管导通，输出信号Y为高电平1。因此，该电路的输出信号与输入信号之间为非的逻辑关系，即Y=。CMOS反相器是CMOS集成门电路的基本单元。在CMOS电路中，因P沟道MOS管在工作的过程中仅相当于一个可变电阻值的漏极电阻，所以T2管称为负载管； 而N沟道MOS管在工作的过程中起到输出信号、驱动后级电路的作用，所以T1管称为驱动管。3.4.2其他类型的CMOS门电路1. CMOS与非门的电路结构和工作原理 将两个CMOS反相器的负载管并联，驱动管串联，就组成了CMOS与非门，电路如图329所示。 当输入信号A、B同时为高电平时，驱动管T1和T2导通，负载管T3和T4截止，输出为低电平； 当输入信号A、B同时为低电平时，驱动管T1和T2截止，负载管T3和T4导通，输出为高电平； 当输入信号A、B中一个为低电平，另一个为高电平时，驱动管T1和T2中总有一个导通，一个截止，驱动管串联，总结果为断开，负载管总是一个导通，另一个截止，负载管并联，总结果为通，电路的输出信号为高电平。因此输出信号Y与输入信号A、B之间为与非的逻辑关系。2. CMOS或非门的电路结构和工作原理将两个CMOS反相器的负载管串联，驱动管并联，就组成了CMOS或非门，电路如图330所示。 图329CMOS与非门电路图 图330CMOS或非门电路 当输入信号A、B全为低电平0时，驱动管Tl和T2截止，负载管T3和T4导通，输出为高电平信号1； 当输入信号A、B全为高电平1时，驱动管Tl和T2导通，负载管T3和T4截止，输出为低电平信号0； 当输入信号A、B中有一个为高电平，而另一个为低电平时，驱动管中有一个导通，一个截止，驱动管相并联，总结果为通，负载管中一个截止，一个导通，负载管串联，总结果为断，电路输出为低电平。因此输出信号Y与输入信号A、B之间为或非的逻辑关系。CMOS门电路除了上面介绍的与非门和或非门以外，同样也有与或非门、异或门、漏极开路门和三态门电路，这些门电路的作用和符号与TTL门电路的相同，这里不再赘述。3.4.3CMOS传输门电路的组成和工作原理CMOS传输门（transmission gate）是由一个N沟道MOS管和一个P沟道MOS管并联组成的，电路如图331所示。图中，两个MOS管的栅极为传输门电路的控制端。当控制端C为高电平1，为低电平0时，传输门导通，数据可以从左边传到右边，也可以从右边传到左边，即传输门可以实现数据的双向传输。当控制端C为低电平0，而为高电平1时，传输门截止，不能传输数据，也即为高阻态。 图331CMOS传输门电路和逻辑符号 在图331中，vI、vO可以是模拟信号，这时传输门可以作为模拟开关使用。利用CMOS传输门和反相器可以构成双向模拟开关，如图332（a）所示。控制信号C作为N沟道场效应管的栅极控制信号，C经过反相器取反后得到信号作为P沟道场效应管的栅极控制信号，因此只要有一个控制信号即可控制电路的连接与断开。双向模拟开关的逻辑图和逻辑符号如图332（b）和图332（c）所示。 图332CMOS双向模拟开关电路图及逻辑符号 3.4.4CMOS系列门电路的性能比较到目前为止，CMOS门电路已经有4000系列、HC和HCT系列、VHC和VHCT系列、FCT和FCTT系列等定型产品。4000系列是最早投放市场的CMOS数字集成电路定型产品，其优点是低功耗，但是速度低，而且不易于与当时最流行的TTL逻辑系列相匹配。因此逐渐被能力更强的CMOS系列所取代。HC（Highspeed CMOS，高速CMOS）和HCT（Highspeed CMOS，TTL compatible，高速CMOS，TTL兼容）系列是高速CMOS逻辑系列的简称。与4000系列相比，HC/HCT系列具有更高的速度和更强的电流吸收和提供能力。HCT系列采用的电源电压为5V，可以与TTL器件互相配合使用； 而HC系列用于只采用CMOS逻辑的系统中，并可用2~6V的电源。高电源电压用于高速器件，低电源电压用于低功耗器件，它不能与TTL器件互相配合使用。VHC（Very Highspeed CMOS）和VHCT（Very Highspeed CMOS，TTL compatible）是新一代的CMOS系列器件，它们的工作速度是HC/HCT的两倍，并可与前辈系列保持向后兼容性。它们输入电平不同，但输出特性是完全一样的。HCT/VHCT电路可以由TTL器件来驱动。VHC和VHCT逻辑系列是由几个公司制造的，包括Motorola、Fairchild和Toshiba。而Texas Instruments和Philips只制造那些相似的但规格不一致的兼容系列，它们是AHC和AHCT，其中“A”代表“先进的”。在20世纪90年代初，又出现了一种CMOS系列——FCT（Fast CMOS，TTL compatible），它的主要优点是： 在减少功耗并与TTL完全兼容的条件下，能达到和超过最好的TTL系列的速度和输出驱动能力，它的输出高电平能达到5V。但在高速应用中，当输出从0V上升到5V时，会产生很大的功耗和噪声。因此，后来又出现了FCTT（Fast CMOS，TTL compatible with TTL VOH），它降低了高电平输出电压，减少了功耗和开关噪声，而且它可以提供或吸收大量的电流，低电平时可达到64mA。在诸多系列的CMOS电路产品中，只要产品型号最后的数字相同，它们的逻辑功能就是一样的。例如74/54HC00、74/54HCT00、74/54VHC00、74/54VHCT00、74/54FCT00等的逻辑功能是一样的，它们都是具有4个2输入端的与非门。但是，它们的电气性能和参数就大不相同了。74系列和54系列仅在工作温度范围上有所区别，而其他方面比如逻辑功能、主要的电气参数、外形封装、引脚排列等完全相同。74系列为商用器件，工作温度为0~70℃。54系列为军用器件，工作温度为-55℃~125℃。表39给出了各个系列典型CMOS器件在VCC为4.5~5.5V之间的任意值时的输入规格说明。 表39VCC在4.5~5.5V之间时CMOS系列的输入规格说明 描述单位条件 系列HCHCTVHCVHCT 最大输入漏电流IImaxμAVin为任意值±1±1±1±1低电平最大输入电压VILmaxV10101010高电平最小输入电压VIHminV3.852.03.852.0表310给出了CMOS器件在VCC为4.5~5.5V之间的任意值时的输出规格说明，它针对CMOS和TTL两种负载，在电流或电压下脚标的最后一个字母为C的表示驱动CMOS负载，为T的表示驱动TTL负载。 表310VCC在4.5~5.5V之间时CMOS系列的输出规格说明 描述单位条件 系列HCHCTVHCVHCT 低电平最大输出电流IOLmaxCmACMOS负载0.02 0.02 0.05 0.05 低电平最大输出电流IOLmaxTmATTL负载4.00 4.00 8.00 8.00 低电平最大输出电压VOLmaxCVIout≤IOLmaxC0.10 0.10 0.10 0.10 续表 描述单位条件 系列HCHCTVHCVHCT 低电平最大输出电压VOLmaxTVIout≤IOLmaxT0.33 0.33 0.44 0.44 高电平最大输出电流IOHmaxCmACMOS负载-0.02 -0.02 -0.05 -0.05 高电平最大输出电流IOHmaxTmATTL负载-4.00 -4.00 -8.00 -8.00 高电平最小输出电压VOHminCV|Iout|≤|IOhmaxC|4.40 4.40 4.40 4.40 高电平最小输出电压VOHminTVIout≤|IOhmaxT|3.84 3.84 3.80 3.803.5集成门电路实用知识简介3.5.1多余输入端的处理方法 在用集成门电路组成数字系统时，经常会遇到输入引脚有多余的问题。对于不使用的输入端，可以与要使用的输入端连在一起，如图333（a）所示。也可以将不用的输入端与一恒定逻辑值相连，不用的与门或者与非门输入端应与逻辑1相连，如图333（b）所示，不用的或门、或非门的输入端应与逻辑0相连，如图333（c）所示。在高速电路设计中，通常使用图333（b）和（c）所示的方法，这比用图333(a)所示的方法更好些，因为该方法增加了驱动信号的电容负载，使操作变慢。在图333（b）和（c）中，典型的电阻值为1~10kΩ，而且一个上拉或下拉电阻可供多个不用的输入端共用。另外，也可以将不用的输入端直接连接到电源或地上。 图333处理不用的输入端 不用的CMOS输入端决不能悬空。因为如果输入端悬空会呈现出低电平状态，但是由于CMOS输入阻抗非常高，只需很小的电路噪声就可以暂时地使一个悬空输入呈现为高电平，从而造成电路故障。同样，对于TTL电路，如果不用的输入端悬空会呈现出高电平状态，但是一个很小的噪声就会使悬空的输入端造成虚假的低电平。因此，为可靠起见，不用的输入端应连到稳定的高电平和低电平电压上。3.5.2TTL电路与CMOS电路的接口在TTL与CMOS两种电路并存的情况下，常常有不同类型的集成电路混合使用，这样就出现了TTL与CMOS电路的连接问题。两种不同类型的集成门电路，由于输入、输出逻辑电平、负载能力等参数不同，在连接时必须通过接口电路进行电平或电流的变换后才能使用。由于CMOS系列门电路中，HCT系列、VHCT系列和FCT系列门电路都与TTL电路兼容，它们可以直接相连。而对于其他的与TTL不兼容的CMOS门电路，使用时必须考虑逻辑电平或驱动电流不匹配时的互连问题。两种门电路互相连接的条件是： VOH≥VIH，VOL≤VIL，IOH≥nIIH，IOL≥nIIL1. TTL门电路驱动CMOS门电路TTL电路输出高电平的最小值为VOH(min)=2.4V，输出低电平最大值为VOL(max)=0.5V。而CMOS电路在电源电压为5V时，输入低电平的最大值为VIL(max)=1V，输入高电平的最小值为VIH(min)=3.5V。由于VOL(max)＜VIL(max)， 图334通过上拉电阻提升 TTL输出端高电平 因此TTL输出低电平时与CMOS兼容，而由于VOH(min)＜VIH(min)，为此在TTL电路的输出端与电源之间接入上拉电阻来提升TTL输出端高电平，如图334所示。图中R的取值为 R=VCC-VOHIOH（39） 式（39）中IOH为TTL电路输出级T3管截止时的漏电流。当CMOS电源电压VDD高于5V时，仍可以采用上拉电阻R解决电平转换问题，此时TTL门电路应该采用OC门，如图335所示。另外也可以采用三极管非门电路来解决电平转换问题，如图336所示。 图335通过上拉电阻解决电平转换问题 图336通过三极管非门解决电平转换问题 2. CMOS门电路驱动TTL门电路CMOS电路输出逻辑电平与TTL输入逻辑电平可以兼容，但CMOS电路输出功率较小，驱动能力不够，一般不能直接驱动TTL电路。常用的方法有以下两种方法。（1） 利用三极管的电流放大作用实现电流扩展，如图337所示。只要放大器的电路参数选择合适，可做到既满足CMOS、TTL门电路电流要求，又使放大器输出高低电平满足TTL逻辑电平要求。（2） CMOS电路的输出端增加一级CMOS驱动器来增强带负载能力，如图338所示。CMOS门电路由 5V电源供电，能直接驱动1个74系列TTL门电路。若增加缓冲器比如选用CC4049（六反相器）或CC4050（六缓冲器），能直接驱动两个74系列TTL门电路，若选用漏极开路的CMOS驱动器CC40107，能直接驱动10个74系列TTL门电路。 图337利用三极管实现电流扩展 图338利用CMOS驱动器增强带负载能力 3.5.3门电路带负载时的接口电路当用门电路驱动执行性负载时，应根据负载的要求进行正确的接口。1. 用门电路直接驱动显示器件使用逻辑门电路可以直接驱动发光二极管、液晶显示器等低电压等级类的显示器件，只要显示器件的电压等级(额定电压值)与逻辑门电路的输出电压等级或逻辑门电路的电源电压值相同就可以直接驱动。但是为了安全起见，通常在电路中接入限流电阻，如图339所示。图中74HC04为CMOS器件，提供了六路反相缓冲器，限流电阻的大小可分别按下面两种情况来计算。 图339CMOS 74HC04驱动LED的电路 对于图339(a)所示的电路，当门电路的输入为低电平时，输出为高电平，LED导通点亮，限流电阻R的取值为 R=VOH－VDID(310) 对于图339(b)所示的电路，当门电路的输入为高电平时，输出为低电平，LED导通点亮，限流电阻R的取值为 R=VCC－VD－VOLID(311) 式(310)和式(311)中，ID为LED的导通电流，VD为LED的正向导通压降，VOH、VOL分别为门电路的输出高、低电平，常取典型值。【例题3.3】在如图339(a)所示的电路中，使门电路的输入为低电平时，输出为高电平，LED导通。设ID=0.5mA，VD=0.7V，VOH=4.7V，试计算限流电阻R的取值为多大合适。解： 根据式(310)来计算限流电阻 R=VOH－VDID=4.7－0.70.5=8kΩ 2. 用门电路驱动机电性负载利用数字电路的输出信号控制其他较大工作电流的机电性负载，如电动机、照明电器和电炉等，通常采用中间继电器转换控制，即先用门电路控制继电器的动作，再用继电器的“常开触点”或“常闭触点”去连接交流、直流接触器的电磁线圈，实现对大电流工作的机电性负载的控制。中间继电器本身有其额定的电压和电流参数，一般情况下，门电路的输出电压等级必须与中间继电器额定电压一致，输出电流要略大于中间继电器的额定电流值。连接电路如图340所示。中间继电器的线圈并联一个二极管，是为了门电路输出电平发生突变时，在电感性负载的暂态过程中，为电感线圈提供一个续流电路，避免电感性负载产生感应高电压，起到对门电路的保护作用。若门电路的输出参数与中间继电器的额定参数不一致，可以加入三极管缓冲级进行转换。 图340CMOS 74HC04驱动继电器电路 小结门电路是构成各种复杂数字电路的基本逻辑单元。按照电路元件的结构形式不同，分为分立元器件门电路和集成门电路。分立元器件门电路的优点是结构简单，但是在许多门级联时，其逻辑信号电平会偏离原来的数值而趋近未定义区域。因此，实际电路中，一般很少采用。集成门电路按照集成度的不同可分为小规模集成门电路、中规模集成门电路、大规模集成门电路和超大规模集成门电路。按照制造工艺的不同，分为TTL门电路和CMOS门电路。由于TTL门电路功耗较大，其主要在中、小规模集成电路方面应用广泛，而CMOS门电路的优点是功耗很小，适合于制作大规模和超大规模集成电路。按照门电路的功能的不同，可以分为非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等，而非门是构成各种门电路的基本单元。学习门电路的内部结构和工作原理的目的在于帮助读者对器件外特性的理解，以便于更好地掌握外特性。外特性包括电压传输特性、输入特性、输出特性和负载特性。另外，输入端噪声容限和传输延迟时间也是门电路的两个重要参数。集电极开路的门电路的输出端可以并联使用，即可以实现线与功能，但是集电极开路的门电路在使用时必须外加一个电源和一个上拉电阻。三态门的输出端有三个状态，即高电平、低电平和高阻态。在使能端为有效状态时，其逻辑功能与普通的门电路一样，在使能端为无效状态时，输出为高阻态。多个三态门在其使能端轮流有效时，也可以实现线与功能。用三态门电路可以组成开关电路，总线结构，还可以实现数据的双向传输。在门电路的实际应用中，经常需要考虑多余输入端的处理方法、TTL电路和CMOS电路的接口以及门电路带不同负载时的接口电路等。 习题1. 填空题。（1） 集成电路按照集成度可分为、、和。（2） TTL非门的电压传输特性的转折区中点所对应的输入电压值称为，用VTH表示。（3） 在保证逻辑门完成正常逻辑功能的情况下，逻辑门的输入端所能承受的最大干扰电压值称为。（4） 在TTL门电路中，输入电压vI=0时的输入电流值称为。（5） 描述门电路输出端最多能够带的门电路数称为门电路的。（6） 三态门的输出有3种状态，它们是、和。(7) 多个三态门的输出端能并联在一起的条件为。(8) 除了三态门，门也有高阻输出状态。（9） 对于集成门电路中不使用的输入端，可以与要使用的输入端，也可以将不用的输入端与相连，不用的与门或者与非门输入端应与相连，不用的或门或者或非门的输入端应与相连。2. 选择题。（1） 一个二输入端的TTL与非门，一端接变量B，另一端经10kΩ电阻接地，该与非门的输出应为。A. 0B. 1C. BD. （2） TTL门电路的输入端悬空时，下列说法正确的是。A. 相当于逻辑0 B. 相当于逻辑1C. 逻辑1和逻辑0都可以 D. 由门电路的类型决定是逻辑1还是逻辑0（3） 能实现分时传送数据逻辑功能的是。A. TTL与非门B. 三态逻辑门C. 集电极开路门D. CMOS逻辑门（4） CMOS 74HC系列逻辑门与TTL74LS系列逻辑门相比，工作速度、静态功耗。A. 低，低B. 不相上下，低很多C. 高，低很多D. 高，不相上下（5） 能实现线与逻辑功能而且需要外加电源和上拉电阻的是。A. TTL与非门B. 三态逻辑门C. 集电极开路门D. CMOS逻辑门(6) 下列各种门电路中，输入端和输出端可以互换使用的是。A. 三态门B. OC门C. CMOS传输门D. TTL门 图341第2(8)的图 (7) 下列各种门电路中，输入信号既可以是数字信号，又可以是模拟信号的是。A. 三态门B. OC门C. CMOS传输门D. TTL门(8) 如图341所示的OC门组成的电路，可等效为。A. 与非门B. 或非门C. 与或非门D. 异或门 (9) 图342所示的各个门电路，能实现表311所要求的功能的是。 图342第2(9)题的图 表311第2(9)题的表 ABY 001010100110 (10) 对于集成门电路，下列选项中正确的是。A. 输入端悬空可能会造成逻辑出错B. 多余的输入端不可以并联使用C. 输入端完全可以悬空，且相当于逻辑1D. 输入端通过阻值小的电阻接到地，相当于逻辑1和逻辑0均可3. 试画出图343所示各个门电路输出端的电压波形。输入端A、B的电压波形如图343所示。 图343第3题的门电路和输入电压波形图 4. 通过适当的方法将与非门、或非门和异或门连接成反相器，实现Y=。5. 试画出用二输入端的与非门实现Y=A B，Y=AB的逻辑电路图。6. 各逻辑门的输入端A、B和输出端Y的波形如图344(a)和图344(b)所示，分别写出各个逻辑门的表达式。 图344第6题的图 7. 计算图345电路中的反相器GM能驱动多少个同样的反相器。要求GM输出的高、低电平符合VOH≥3.2V，VOL≤0.25V。所有的反相器均为74LS系列TTL电路，输入电流IIL≤-0.4mA，IIH≤20μA。VOL≤0.25V时的输出电流的最大值IOL(max )=8mA，VOH≥3.2V时的输出电流的最大值为IOH(max )=-0.4mA。GM的输出电阻忽略不计。8. 在图345所示的电路中所有与非门均为74系列TTL电路，计算门GM能驱动多少个同样的与非门。要求GM输出的高、低电平符合VOH≥3.2V，VOL≤0.4V。与非门的输入电流IIL≤-1.6mA，IIH≤40μA。VOL≤0.4V时的输出电流的最大值IOL(max )=16mA，VOH≥3.2V时的输出电流的最大值为IOH(max)=-0.4mA。GM的输出电阻忽略不计。 图345第7题的图 图346第8题的图 9. 图347所示为TTL电路，已知各个门的参数为： ILM=13mA，OC门输出管截止时的漏电流IOH=250μA，IIH=50μA，IIL=-1.4mA，VOH≥3.6V，VOL≤0.3V，试计算RL的值。10. 两个TTL OC门驱动4个TTL与非门的电路如图348所示。设电路的VOH≥3.0V，VOL≤0.4V。测得与非门的IIH=32μA，IIL=-1.3mA。TTL OC门输出高电平时的IOH=100μA，输出为低电平时的ILM=15mA。试确定上拉电阻R的取值范围。11. 试说明在下列情况下，用万用表测量图349所示电路的vI2端得到的电压各为多少？图中的与非门为74系列的TTL电路，万用表使用5V量程，内阻为20kΩ/V。（1） vI1悬空。（2） vI1接低电平（0.2V）。（3） vI1接高电平（3.2V）。（4） vI1经51Ω电阻接地。（5） vI1经10kΩ电阻接地。 图347第9题的图 图348第10题的图 12. 两个OC与非门连接成如图350所示的电路。试写出输出Y的表达式。 图349第11题的图 图350第12题的图 13. TTL三态门组成如图351（a）所示的电路，图351（b）为输入A、B、C的电压波形。（1） 写出电路输出Y的逻辑表达式。 图351第13题的图 （2） 在图351（b）所示输入波形时，画出Y的波形。14. TTL三态门组成如图352（a）所示的电路，图352（b）为输入信号的电压波形。（1） 写出输出Y的逻辑表达式。（2） 在如图352（b）所示的输入波形时，画出输出Y的波形。 图352第14题的图 15. 图353所示各个门电路均为74系列TTL电路。指出各个门电路的输出是什么状态（高电平、低电平或高阻状态）。 图353第15题的图 16. 图354所示各个门电路为CMOS电路。指出各个门电路的输出是什么状态（高电平、低电平或高阻状态）。 图354第16题的图 17. 在CMOS电路中有时采用如图355所示的方法扩展输入端。试分析电路的逻辑功能，写出输出表达式，并指出这种电路能否用于TTL门电路。假定电源电压VDD=10Ｖ，二极管的正向导通压降为0.7V。 图355第17题的图 18. 图356所示的各个电路均为TTL门，各电路在实现给定的逻辑关系时是否有错误，若有试指出并加以改正。 图356第18题的图 图356（续） 19. CMOS电路如图357所示，分析电路的功能，写出电路输出Y的逻辑表达式。 图357第19题的图
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