第3章-逻辑门电路
数字电子技术基础第三章逻辑门电路
第一节 常见元器件的开关特性
❖以TTL门电路为例：高电平范围2.4V~3.6V，标准高电平为 3V；低电平范围0V~0.8V，标准低电平为0.3V。
数字电路中，不需要 关注具体电压值，只 需关注电平状态
标准低电平 0.3V
0.8V 0V
0
3.6V
1
2.4V
标准高电 平 3V
TTL门电路中的高、低电 平构成的正逻辑示意图
第一节 常见元器件的开关特性
1.二极管的开关特性
A、晶体二极管静态开关特性
VON ：门槛电压或称阈值电压、开启电压 VD ：导通电压降
二极管正向导通时 的等效电路
VD =0.7V 视为硅二极管导通的条件（锗二极管0.3V）
第一节 常见元器件的开关特性
1.二极管的开关特性
A、晶体二极管静态开关特性
第一节 常见元器件的开关特性
2.三极管的开关特性
B、晶体三极管动态开关特性
ton和toff一般约在几十纳秒（ns=10-9 s）范围。通常都
有toff > ton，而且ts > tf 。
ts 的大小是影响三极管速度的最主要因素，要提高三极 管的开关速度就要设法缩短ton与toff ，特别是要缩短ts 。
第一节 常见元器件的开关特性
❖数字集成电路绝大多数都是由双极型二极管、三极管或单极 型场效应管组成。这些晶体管大部分工作在导通和截止状态
，相当于开关的“接通”和“断开”，故门电路又称为电子
开关。
静态开关特性 ： 什么条件下导通，什么条件下截止
开关特性
动态开关特性 ： 导通与截止两种状态之间转换过程的特性
数字电子技术基础第三 章逻辑门电路
2020/8/1
第3章门电路
&Y
4
第三章门电路
2.二极管或门
图3.2.6 二极管或门
A/V B/V Y/V
000 0 3 2.3 3 0 2.3 3 3 2.3
AB
Y
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
Y=A+B A
B
A
≥1
Y
Y
B
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３.３ TTL门电路
第三章门电路
集成电路(IC)：在一块半导体基片上制作出一个完整的逻辑电路所 需要的全部元件和连线。使用时接：电源、输入和输出。
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3
第三章门电路
1.二极管与门
设：VCC=5V, VIH=3V, VIL=0V
A/V 0 0 3 3
B/V 0 3 0 3
Y/V 0.7 0.7 0.7 3.7
AB
Y
00
0
01
0
10
0
11
1
图3.2.5 二极管与门
Y=AB
A B
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YA B
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1.电路
(5v)
EN:使能端，控制端 R1
R4 R2
VB1 0.9V 4.3V 0.9V
T4
A B
T1
T2
D3 Y 2.9V
T5 (Vo)
3.6V EN 0.2V
D
R3
3.6V
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（三）三态输出门电路（TS） 1.电路
第三章门电路
第 三 章 逻辑门电路
是构成数字电路的基本单元之一
CMOS 集成门电路 用互补对称 MOS 管构成的逻辑门电路。
TTL 集成门电路 输入端和输出端都用 三极管的逻辑门电路。
CMOS 即 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor TTL 即 Transistor-Transistor Logic 按功能特点不同分 普通门 输出 三态门 CMOS (推拉式输出) 开路门 传输门 EXIT
CE(sat) CE
B
C
uI 增大使 uBE > Uth 时，三极管开始导通， iB > 0，三极管工作于放 大导通状态。
uBE < Uth E
三极管 截止状态 等效电路
EXIT
iC 临界饱和线 M T IC(sat) + uBE S Q
放大区
IB(sat)
uI=UIH
饱 和 区
O UCE(sat)
t
uI 负跳变到 iC 下降到 0.1IC(sat) 所需的时间 toff 称 为三极管关断时间。 通常 toff > ton
UCE(sat) O
开关时间主要由于电 通常工作频率不高时， 荷存储效应引起，要提高 可忽略开关时间，而工作 开关速度，必须降低三极 频率高时，必须考虑开关 管饱和深度，加速基区存 速度是否合适，否则导致 储电荷的消散。 不能正常工作。 EXIT t
iB 0，iC 0，C、E 间相当 于开关断开。
三极管 截止状态 等效电路
E
Uth为门限电压 EXIT
iC u S 为放大和饱和的交界点，这时的临界饱和线I 增大使 iB 增大， 放大区 从而工作点上移， iC 增 iB 称临界饱和基极电流，用 IB(sat) 表示； M T 相应地，IC(sat) 为临界饱和集电极电流； S 大，uCEI减小。 IC(sat) B(sat) UBE(sat) 为饱和基极电压； 饱 Q UCE(sat) 为饱和集电极电压。对硅管， 和 截止区 UBE(sat) 0.7V， UCE(sat) 0.3V。在临 A 区 界饱和点三极管仍然具有放大作用。 U O N u
《逻辑门电路 》课件
符号表示：通常用"NAND"表 示
真值表：列出所有输入和输出 组合的真值表
应用：常用于实现逻辑运算， 如与、或、非等
逻辑功能：输入全为1时输出为0，其他情况输出为1 符号表示：输入端A、B，输出端Y 真值表：列出所有输入输出组合及其对应的输出值 应用：用于实现逻辑运算、控制电路等
实现逻辑运算：与、或、非等 基本逻辑运算
控制信号：控制电路的通断、 开关等
数据处理：处理二进制数据， 实现数据传输、存储等
构建复杂电路：通过组合逻辑 门电路，构建更复杂的电路系 统
PART THREE
功能：实现逻辑与 运算
输入：两个输入信 号
输出：一个输出信 号
真值表：当两个输 入信号均为1时， 输出为1；否则输 出为0。
低功耗技术的挑 战与机遇
低功耗技术的未 来展望
人工智能：逻辑门电路是实现人工智能的关键技术之一，未来将在智能机器人、智能语音识别等领域发挥重要作 用。
物联网：逻辑门电路是实现物联网的关键技术之一，未来将在智能家居、智能交通等领域发挥重要作用。
量子计算：逻辑门电路是实现量子计算的关键技术之一，未来将在量子通信、量子加密等领域发挥重要作用。
生物科技：逻辑门电路是实现生物科技的关键技术之一，未来将在基因编辑、生物制药等领域发挥重要作用。
汇报人：
小型化趋势：随着半导 体技术的发展，逻辑门 电路的尺寸越来越小， 提高了集成度和性能
技术挑战：如何实现 更高集成度和更小尺 寸的逻辑门电路，同 时保证性能和可靠性
应用前景：随着物联 网、人工智能等新兴 技术的发展，逻辑门 电路的集成化和小型 化将更加重要。
低功耗技术在逻 辑门电路中的应 用
第三章逻辑门电路
➢ 电路类型TTL数字集成电路约有400多个品种，大致可以分为以下几类： 门电路、译码器/驱动器、触发器、计数器、移位寄存器、单稳/双稳电路和多谐
振荡器、 加法器、乘法器、奇偶校验器、 码制转换器、线驱动器/线接收器、多路 开关、存储器
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CMOS集成电路
➢ CMOS，全称Complementary Metal Oxide Semiconductor，即互补金属
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VDS增加到使VGD=VGS－VDS =VT时， 导电沟道在靠近漏极的一点刚开始出现夹断，称为预夹断。 此时的漏极电流ID 基本饱和。
VDS继续增加使VGD=VGS－VDS ＜VT
导电沟道夹断的区域向源极方 向延伸，对应特性曲线的饱和 区，VDS增加的部分基本降落 在随之加长的夹断沟道上， ID基本趋于不变。
输入高电平的下限值 VIH(min)
输出高电平的下限值 VOH(min)
输出低电平的上限值 VOL(max)
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注意：
1. VH 和 VL都是对具体门输入／输出高、低电平电压值的要 求。
2. 在正逻辑体制中，用逻辑1和0分别表示高、低电平。 3. 高电平表示逻辑状态1，低电平表示逻辑状态0，一种状态
74LS系列
74AS系列
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74ALS
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3.1.2 逻辑电路的一般特性
▪ 输入和输出的高、低电平 ▪ 噪声容限 ▪ 传输延迟时间 ▪ 功耗（静态和动态） ▪ 延时–功耗积 ▪ 扇入数与扇出数
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1. 输入和输出的高、低电平
1输出 0输出
数电-第三章逻辑门电路
了解和掌握常见时序逻辑电路的原理和应用，如寄存器、 计数器、顺序脉冲发生器等。
可编程逻辑器件应用
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可编程逻辑器件简介
了解可编程逻辑器件的基本概念和分类，如PAL、 GAL、CPLD、FPGA等。
可编程逻辑器件编程
学习使用相应的开发工具和编程语言，对可编程 逻辑器件进行编程和配置，实现特定的逻辑功能。
典型组合逻辑电路
了解和掌握常见组合逻辑电路的 原理和应用，如编码器、译码器、
数据选择器、比较器等。
时序逻辑电路分析与设计
时序逻辑电路分析
分析时序逻辑电路的工作原理，包括触发器的状态转换、 时钟信号的作用等，进而理解电路的功能。
时序逻辑电路设计
根据实际需求，设计实现特定功能的时序逻辑电路。包括 确定输入、输出变量，选择适当的触发器类型，画出状态 转换图或时序图等步骤。
数电-第三章逻辑门 电路
• 逻辑门电路基本概念 • 基本逻辑门电路 • 复合逻辑门电路 • 逻辑门电路应用 • 逻辑门电路实验与仿真 • 逻辑门电路总结与展望
目录
Part
01
逻辑门电路基本概念
逻辑门定义与分类
逻辑门定义
逻辑门是数字电路中的基本单元 ，用于实现基本的逻辑运算功能 ，如与、或、非等。
逻辑符号为带有小圆圈的与门符号。
或非门电路
01
02
03
或非门逻辑功能
实现输入信号的逻辑或操 作，并取反输出结果。
或非门符号
逻辑符号为带有小圆圈的 或门符号。
或非门真值表
输入全为0时，输出为1； 输入有1时，输出为0。
异或门电路
异或门逻辑功能
实现输入信号的异或操作， 即输入信号相同时输出为0， 不同时输出为1。
第3章逻辑门电路
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数字电路——分析与设计
(1)A、B有一端为低电平(UL=0.3v)
• UB1=0.7+0.3=1v, T1饱和, UCE1=0.1v。 • UB2=0.1+0.3=0.4v, T2截止, T5亦截止。 • UCC通过R2给T4供以基流IB4, T4、D3导
通(在输出端接负载时)。
• IB4很小，在R2上的压 降亦很小 (约0.2v)。
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数字电路——分析与设计
第3章 逻辑门电路
§3.3 基本逻辑门电路
1.二极管“与” • 输门入端A、B、C全部输入
U （ 12V） R
为3v（逻辑“1”）则输出
D1
端Y的电平为3.3v（逻辑 A
“1”）。
B
•
D2 •
Y
A
B
C
Y
• 这是一个“与”门：
C
D3
• 输入端A、B、C全部输入为 0.3v（逻辑“0”）则输出端 Y的电平为0v（逻辑“0”）。
• 这是一个“或”门：
Y = A+B+C。
第3章 逻辑门电路
D1
D2
•
A
D3
B
Y
•
Y
C
（ a）
R U（ 12V）
（b）
二极管“或”门电路
（a） 二极管或门 （b） 逻辑符号
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U （ 12V）
R
D1
•
Y
A
D2
B
Y
•
C
D3
（ b）
0 ~ 0.3v为逻辑“0”； 3v以上为逻辑“1”；
第三章 门电路
-
-
当VI为高电平VIH=Vcc时，D截止，Vo=Vcc ，输出高 电平。
当VI为低电平VIL=0时，导通，Vo=0 ，输出低电平.。
实际的二极管特性 曲线如下图：
并非我们假设的理想特性，其特性
i
O
v
即其反向电阻不是无穷大（有反向饱和电流IS),正向 电阻不为0，且其导通有一定的起始电压。
常等效成下列几种情况： 1） 当外电路电源VSS和等效电阻RS都很小时： VON S VSS VSS RS RS D
rD
2） 当二极管的导通压降与外电路电源VSS不能 忽略，二极管的正向电阻与外电路电阻相比可以 忽略时：
VSS RS VSS S VON
D
RS
在数字电路中，高电平一般仅为3V或5V，故VON的影响 不可忽略。所以常等效为这种方式。（硅二极管的导通 压降VON=0.7V，锗二极管的导通压降VON=0.3V。）
为满足输出电平变换、吸收大负载电流、 以及实现线与等需要，有时将输出级电路结构 改为一个漏级开路的MOS管，构成漏级开路输 出的门电路——OD门。
VDD
例：漏级开路 的与非门
VDD
'
Y A B
两个OD门的线与
Y=?
4）CMOS传输门和双向模拟开关
传输 门电 路结 构
T2 vI/ vO
VDD
VGS(th) ----Mos的开启电压。
MOS管的基本开GS< VGS(th) 时，
Mos管截止， iD ≈0 。输出VO为高
电平，Mos管的D—S之间就象一个断
开的开关。 当VI= VGS> VGS(th)时，
Mos管导通， iD =VDD/(RD+rDS). 输出VO= iD* rDS ≈0,
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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 A B =+=+=+=e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。