第三章门电路
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第3章逻辑门电路PPT 共126页
电位被钳 在2.1V
全反偏
“1” A B C
R1 3k
b1 c1 T1
+5V
R2
R4
1V
T2 T3
T4
R5
截止
F
全导通
T5
R3
（2-24）
全反偏
“1” A
B C
R1 3k
R2
b1 c1 T1
T2
逻辑关系：全1则0。
R3
+5V
uF =0.3V F
T5
饱和
输入、输出的逻辑关系式： F ABC
（2-25）
RP的临界值可计算如下：
1.4V=
R1RPRP(5 - V be1)
=
4 . 3 RP R1 RP
RP=1.4KΩ（R1=3K Ω）为安全起见，如要求输入等 效为低电平时，对TTL门电路应使RP小于1 K Ω； 如要求输入等效为高电平时，对TTL门电路应使RP 大于2K Ω。
（2-39）
例能3正.5确.3地综在传合图送以3到上.5.门两20G种所2的情示输况的入，电端应路，取中要R，P求为≤0v保.o618证=KV门OHG时1输vI2出≥V的IH高（、min低），电平 vO1=VOL也时就，是v说I2≤GV1I和L（Gm2a之x）间，的试串计联算电RP阻的应最小大于允许值是多少？已知 G1和G26均80为7，4系否列则反当相vO器1=V，OLV时C可C=能5超V，过VVILO（H=m3ax.）4V， VOL=0.2V， VIH（min）=2.0V， VIL（max）=0.8V。 G1和G2的输入特性和输出特性 见图3.5.12和图3.5.14、图3.5.16。
（2-27）
1. 输出高电平UOH、输出低电平UOL UOH2.4V UOL 0.4V 便认为合格。 典型值UOH=3.4V UOL=0.3V 。
数字逻辑第3章 门电路
逻辑式：Y=A + B
逻辑符号： A 1
B
Y
电压关系表
uA uB uY
0V 0V 0V 0V 3V 2.3V 3V 0V 2.3V 3V 3V 2.3V
真值表
ABY
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
三、三极管非门
5V
利用二极管的压降为0.7V， 保证输入电压在1V以下时，
电路可靠地截止。
A(V) Y(V) <0.8 5 >2 0.2
II H &
II L &
… …
NOH
I OH (max) I IH
N MIN ( NOH , NOL )
NOL
IOL(max) I IL
六、CMOS漏极开路门（OD）门电路（Open Drain）
1 . 问题的提出
普通门电路
在工程实践中，往往需要将两个门的输出端 能否“线与”？
并联以实现“与”逻辑功能，称为“ 线与 。
输入 0 10% tr tf
tPHL
输出
tPLH
tr：上升时间
tf：下降时间 tw：脉冲宽度 tPHL：导通传输时间
tPLH：截止传输时间
平均传输延迟时间 （Propagation delay)
tpd= tpHL+ tpLH 2
5、功耗： 静态功耗：电路的输出没有状态转换时的功耗。 动态功耗：电路在输出发生状态转换时的功耗。
PMOS
NMOS
3、增强型MOSFET的开关特性
iD管可变子类型恒
VGS1 击开/关的条（件1）N沟道增强开型/M关O的S等FE效T电：路
数字电子技术基础 第三章(1)11-优质课件
图3.1.2 正逻辑与负逻辑
一些概念
1、片上系统（SoC） 2、双极型TTL电路 3、CMOS
1961年美国TI公司,第一片数字集成电路 （Integrated Circuits, IC）。
VLSI(Very Large Scale Integration)
3.2 半导体二极管门电路
3.2.1 半导体二极管 的开关特性
图3.2.1 二极管开关电路
可近似用PN结方程和下图所 示的伏安特性曲线来描述。
i Is ev/VT 1
其中：i为流过二极管的电流。 v为加到二极管两端的电压。
nkT VT q
图3.2.2 二极管的伏安特性
图3.2.3 二极管伏安特性的几种近似方法
三、电源的动态尖峰电流
图3.5.23 TTL反相器电源电流的计算 （a）vO＝VOL 的情况 （b） vO＝VOH的情况
图3.5.24 TTL反相器的电源动态尖峰电流
图3.5.25 TTL反相器电源尖峰电流的计算
图3.5.26 电源尖峰电流的近似波形
例3.5.4 计算f=5MHz下电源电流的平均值
图3.3.xx CMOS三态门电路结构之二 （a）用或非门控制 （b）用与非门控制
图3.3.xx CMOS三态门电路结构之三 可连接成总线结构。还能实现数据的双向传输。
3.3.6 CMOS电路的正确使用
一、输入电路的静电防护
1、在存储和运输CMOS器件时最好采用金属屏蔽层 作包装材料，避免产生静电。
tPHL：输出由高电平跳变为低电 平的传输延迟时间。
tPLH：输出由低电平跳变为高电 平的传输延迟时间。
tPD: 经常用平均传输延迟时间tPD
来表示tPHL和tPLH（通常相等）
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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5
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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31
（三）三态输出门电路（TS） 1.电路
第三章门电路
第三章TTL门电路讲解
5
IB2 80uA
三极管工作在饱和状态的电流条件为：
4
3
放大区 IB1 40uA
2
IB＞ IBS 电压条件为：
发射结正 0 截止区
集电结正偏：VBC 0,VB VC
0
2468
VCE /V
截止区：IC接近零的区域，IB=0的曲线的下方。
放大区：IC平行于VCE轴的区域，曲线基本 平行等距。 IC IB
T2、T2′截止， T5截止 ， T4导通 Y=1
Y=(A+B) ′
其他类型的TTL门电路
1、其他逻辑功能的门电路
1
0
0
1
A=B=1 T2、T5导通， T4截止 Y=0
C=D=1 T2 ′ 、T5导通， T4截止 Y=0
1
0
仅当A、B和C、D每组输
入都不同时为1
1
0
0
(例A=0B=1C=1D=0， T2、T2′截止，T5截止，T4 导通)
线性区
饱和区 转折区（CD）
中点的输入电压称为
阈值电压(门槛电压)VTH
饱和区 (DE)
截止区（AB） VI =0 T2、T5截止， T4导通 VO=1
线性区（BC） VI升高 T2导通， T5截止 VO降低
转折区（CD） VI=1
v
T2、T5导通
VO=0
中点的输入电压VTH
称为阈值电压（门槛电压）
的输出电平，并说明电路参数的设计是否合理。
vB vI vI VEE R1 (vI vI 8 3.3)V
R1 R2
13.3
RB R1 R2 3.310 2.5 KΩ
R1 R2 3.3 10
数电第三章门电路
15
§3.4 TTL门电路
数字集成电路：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。数字集成电 路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价 格便宜的特点。
TTL型电路：输入和输出端结构都采用了半导体晶 体管，称之为: Transistor— Transistor Logic。
输出高电平
UOH (3.4V)
u0(V)
UOH
“1”
输出低电平
u0(V)
UOL
UOL (0.3V)
1
(0.3V)
2 3 ui(V)
1 2 3 ui(V)
阈值UT=1.4V
传输特性曲线
理想的传输特性 28
1、输出高电平UOH、输出低电平UOL UOH2.4V UOL 0.4V 便认为合格。 典型值UOH=3.4V UOL 0.3V 。
uA t
uF
截止区： UBE< 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0 ——C、 E间相当于开关断开。
+ucc
t
4
0.3V
3.2.3MOS管的开关特 恒流区：UGS>>Uth ， UDS
性： +VDD
0V ——D、S间相当于 开关闭合。
R
uI
Uo
Ui
NMO S
uO
夹断区： UGS< Uth， ID=0 ——D、S间相当于开关断开。
3.3.4 其它门电路
一、 其它门电路
其它门电路有与非门、或非门、同或门、异或门等等,比如：
二、 门电路的“封锁”和“打开”问题
A B
&
Y
C
当C=1时，Y=AB.1=AB
§3.4 TTL门电路
数字集成电路：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。数字集成电 路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价 格便宜的特点。
TTL型电路：输入和输出端结构都采用了半导体晶 体管，称之为: Transistor— Transistor Logic。
输出高电平
UOH (3.4V)
u0(V)
UOH
“1”
输出低电平
u0(V)
UOL
UOL (0.3V)
1
(0.3V)
2 3 ui(V)
1 2 3 ui(V)
阈值UT=1.4V
传输特性曲线
理想的传输特性 28
1、输出高电平UOH、输出低电平UOL UOH2.4V UOL 0.4V 便认为合格。 典型值UOH=3.4V UOL 0.3V 。
uA t
uF
截止区： UBE< 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0 ——C、 E间相当于开关断开。
+ucc
t
4
0.3V
3.2.3MOS管的开关特 恒流区：UGS>>Uth ， UDS
性： +VDD
0V ——D、S间相当于 开关闭合。
R
uI
Uo
Ui
NMO S
uO
夹断区： UGS< Uth， ID=0 ——D、S间相当于开关断开。
3.3.4 其它门电路
一、 其它门电路
其它门电路有与非门、或非门、同或门、异或门等等,比如：
二、 门电路的“封锁”和“打开”问题
A B
&
Y
C
当C=1时，Y=AB.1=AB
第3章门电路
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3.3 CMOS门电路
6. CMOS电路的优点
（1）微功耗。 CMOS电路静态电流很小，约为纳安数量级。
（2）抗干扰能力很强。 输入噪声容限可达到VDD/2。
（3）电源电压范围宽。 多数CMOS电路可在3～18V的电源电压范围内正常
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3.2 半导体二极管门电路
2. 二极管与门
3. 二极管或门
A Y
B
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3.3 CMOS门电路
MOS门电路：以MOS管作为开关元件构成的门电路。 MOS门电路，尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、 集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点，得 到了十分迅速的发展。
3.3 CMOS门电路
➢ 功耗 ❖ 静态功耗: 逻辑电路输出状态不发生变化时的功耗。
大多数CMOS电路具有很低的静态功耗，所以在很 多低功耗的场合采用CMOS集成电路。
❖ 动态功耗: 逻辑电路输出状态发生变化时的功耗， 其值比静态功耗大得多。
PCCLVD 2D f
PTCPD VD 2 D f PDPCPT
buses.
RP IOLmax
VP
ILL Z=VOLmax RL
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3.3 CMOS门电路
❖ 施密特触发器
VOUT
5.0
VT-
VT+
2.1 2.9 5.0 VIN
Voltage of hysteresis =VT+-VT-
3.3 CMOS门电路
6. CMOS电路的优点
（1）微功耗。 CMOS电路静态电流很小，约为纳安数量级。
（2）抗干扰能力很强。 输入噪声容限可达到VDD/2。
（3）电源电压范围宽。 多数CMOS电路可在3～18V的电源电压范围内正常
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3.2 半导体二极管门电路
2. 二极管与门
3. 二极管或门
A Y
B
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3.3 CMOS门电路
MOS门电路：以MOS管作为开关元件构成的门电路。 MOS门电路，尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、 集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点，得 到了十分迅速的发展。
3.3 CMOS门电路
➢ 功耗 ❖ 静态功耗: 逻辑电路输出状态不发生变化时的功耗。
大多数CMOS电路具有很低的静态功耗，所以在很 多低功耗的场合采用CMOS集成电路。
❖ 动态功耗: 逻辑电路输出状态发生变化时的功耗， 其值比静态功耗大得多。
PCCLVD 2D f
PTCPD VD 2 D f PDPCPT
buses.
RP IOLmax
VP
ILL Z=VOLmax RL
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3.3 CMOS门电路
❖ 施密特触发器
VOUT
5.0
VT-
VT+
2.1 2.9 5.0 VIN
Voltage of hysteresis =VT+-VT-
数电-第三章逻辑门电路
典型时序逻辑电路
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
1 2
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。
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
1 2
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。
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缺点：因为饱和管的消散时间长，门的传输时延大，可达25ns
第三章门电路
三、电阻－晶体管逻辑门（RTL）
或非门 无源上拉电阻输出：
非门
无源上拉 电阻输出
输出低电平时为低内阻，输出高电平时为高内阻 因此，这类门在输出高电平时负载能力差，能带动同类门的
数目少
第三章门电路
3-3 晶体管－晶体管逻辑门（TTL）
D
K
V
F
IF
V
RL
F
IF
RL
(2)加反向电压VR时，二极管截止，反向电流IS可忽略。
二极管相当于一个断开的开关。
D
K
V
R
IS
RL
V
R
RL
可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压vi控制的开关。 当外加电压vi为一脉冲信号时，二极管将随着脉冲电压的 变化在“开”态与“关”态之间转换。
2、肖特基二极管 肖特基二极管是一种专门 设计的、开关时间极短的 二极管，开关时间trr仅为 100ps。 另外，肖特基二极管的正向阈值电压Vth约为0.3V，也比 硅管的低
一、二极管开关特性 1、二极管特点
正向阈值 对硅管约为0.7~0.8V 对锗管约为0.3V
第三章门电路
二极管的近似特性曲线 导通区Ⅰ： 导通内阻，约数十欧 截止区Ⅱ： 反向内阻，约数百欧 反向击穿区Ⅲ： 击穿内阻，约数欧
第三章门电路
(1)加正向电压VF时，二极管导通，管压降VD可忽略。二极
管相当于一个闭合的开关。
（2）、用达林顿对管T3-T4代 替T4-D3管，使输出高 电平时内阻进一步减小， 增加了输出拉电流
第三章门电路
L-TTL （1）省去了保护二极管
D1、D2 （2）增加了电阻值，使：
R1 40k
R2 20k R3 500
R4 12k 门的功耗降到1mW,但传输时延却延长到30ns 以上
第三章门电路
（1/4 7400)为代表
R b1
4kΩΒιβλιοθήκη 131AB
T1
输入级
Rc2
1.6kΩ
Vc2
1
+VCC（+5V） R c4 130Ω
3
T2 4
3
2T2
Ve2
1
R e2 1kΩ
D
Vo
3
2T 3
中间级
输出级
2、快速型和低功耗型TTL门电路（H-TTL及L-TTL）
H-TTL
改进方法：
（1）、降低电阻值改善
管子的开关速度
第三章门电路
二、 三极管(BJT)的开关特性 1、晶体管特性
第三章门电路
三极管饱和时：
VCES VBES
<0.3V 硅管 0.1V 锗管 0.7~0.8V 硅管
0.3V
锗管
两个PN结都是正偏的
0.8V 0.3V
0.3V 0.1V
第三章门电路
饱和晶体管的等效电路
C B
VBES
VCES
C B
E E
第三章 门电路
现代数字集成电路，就是在半导体硅一类材料的芯片上， 用特殊工艺制造出大量晶体管，同时布上适当的连线， 再经测试和封装而成。 数字集成电路中晶体管工作在开关状态 模拟电路中晶体管工作在线性状态
第三章门电路
3-1 晶体管的开关特性及反相器
二极管
第三章门电路
三极管
第三章门电路
第三章门电路
第三章门电路
转换区 门的输入阈值电平Vth: 曲线转折的中点所对应的输入电压 对LS型约为1.0V 对S型约为1.3V 对F型约为1.5V 对标准型约为1.4V
第三章门电路
各类74系列TTL电路输入、输出电平的极限值
VOFF
VON
电流参数：流入为正，流出为负
第三章门电路
TTL的门与门之间的级联，必须满足： 前级输出逻辑电平，一定要落在后级输入逻辑电平允许范围 之内，如LS-TTL
忽略饱和压降
第三章门电路
三极管截止时等效电路：
C
C
ICBO
B
B
忽略ICBO E
E
第三章门电路
三、场效应管（FET）开关 结型场效应管（J-FET）：用于分立的脉冲电路及 模拟集成电路 金属－氧化物－半导体 场效应管（MOS-FET）：用于数字集成电路
第三章门电路
第三章门电路
常用的N沟道增强型MOS管构成的反向器
D2L组S成-T的TL与门逻的辑功电耗为2mW，传输时延只有10ns 路，近以来提又高度出与现操了作先速进的肖特基型（AS-TTL）和
先进的低功耗肖特基型（ALS-TTL） 第三章门电路
5、高速型TTL门电路（F-TTL)
新措施的目的是：保持高速，降低输入端的电流， 提高了驱动能力 速度同最快的S-TTL第,功三章耗门仅电路为S-TTL的五分之一
早期门电路：由分立的晶体管和电阻、二极管等构成，体积 较大，性能不够理想
混合集成电路：可以部分集成，体积有所缩小，性能得到 改进
集成逻辑门：所有元器件，连同相应布线，都可集成在一 小片硅芯片上，形成真正的集成逻辑门，即 集成块（IC）
1、标准型TTL门电路
第三章门电路
TTL与非门的基本结构
以2输入与非门
0.5V
第三章门电路
0.5V
高电平噪声容限 低电平噪声容限
3、肖特基型TTL门电路（S-TTL) 利用肖特基管（SBD)作为抗饱和措施，推出了速度更快 的肖特基型TTL电路
第三章门电路
4、低功耗型肖特基门电路（LS-TTL）
增加电阻值， 以降低功耗
添入D5、D6，
将多发射极管T1改成 由肖特基二极管D1、
D6:可加速T5的通导过程 D5:缩短T3的截止过程
二、TTL门电路的外部特性及参数 1、电压转换特性、噪声容限及传输时延
电压转换特性又称为电压传输特性，它就是门的输出电压
随输入电压变化的曲线 v0 f (vI)
74系列不同类型的TTL与非门的转换特性
第三章门电路
VIL max
VIH min
转换区
输入信号的关门（截止）电平 VOFF 开门（导通）电平 VON
而或门的输出高电平要下移0.7V 不利于实行多级逻辑运算 2、输出缺乏驱动能力，负载的接入将 进一步影响输出电平 改善的方法是 后面接一反向缓冲器
第三章门电路
二、二极管－晶体管逻辑门（DTL）
与门
无源上拉电 阻输出
非门
当输出F为高电平时，后接的同类DTL负载门不会对输出F
高电平造成负担，因为这时负载门的输入二极管是截止的
第三章门电路
反向器的传输时延 t pd
不论是晶体管或是场效应管的开关电路，当计及分布电容及 管子的开关惰性后，电路的输入、输出波形都不可能跃变， 而且输出总是滞后于输入。
反向器的平均时延为：
tpd
tpHLtpL 2
H
第三章门电路
第二节 早期门电路
一、二极管门电路
第三章门电路
二极管门电路的缺点： 1、与门的输出低电平要上浮0.7V,