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项目二
逻辑门电路的应用
2.1
逻辑门电路
2.2
TTL门电路
2.3
MOS集成逻辑门
2.4
接口问题
2.5
门电路综合应用
本章小结
主要内容
逻辑门电路的概念、类别等;
逻辑门电路的应用;
常用TTL、COMS集成逻辑门电路 。
主要技能
熟练的掌握集成逻辑门电路的正确使用技能和功能检测技能；
能应用集成逻辑门电路实现特定的逻辑控制；
能完成电路的安装与功能调试。
基本概念
TTL、COMS、拉电流、灌电流、阀值电压
设计项目：
简单抢答器
功能要求：
用基本门电路构成简易的4人抢答器。A、B、C、D为
抢答器操作开关。任何一个人先将某一开关按下且保持闭合
状态，则与其对应的发光二极管被点亮，表示此人抢答成功；
而紧随其后的其他开关再被按下，与其对应的发光二极管则
不亮。
电路组成：
内容概述
集
成
按器件类型分
逻
辑
门
按集成度分
TTL、ECL
I2L、HTL
PMOS
双极型集成逻辑门 NMOS
CMOS
MOS集成逻辑门
SSI（100以下个等效门）
MSI（〈103个等效门）
LSI （〈104个等效门）
VLSI（>104个以上等效门）
2.1 逻辑门电路
基本门电路:与门、或门、非门（又称反相器）。
与门
或门
非门
2.1.1
非门
定义：输入与输出信号状态满足“非”逻辑关系。
非门电路：
A=1（+5V）时，T导通，L
输出0.2V～0.3V,即：L=0；
A=0（0V）时，T截止，L输
出近似+5V,即：L=1；
逻辑符号： 波形图：
逻辑表达式：L  A
2.1.2
与门
与门电路：
逻辑符号：
逻辑表达式：
L  AB
与门波形图：
1）两个输入，一个输出
2）分析电路，（围绕导通与否，先看输入，再分析输出）
3）确定逻辑关系，L=AB
2.1.3
或门
或门电路：
逻辑符号： 或门波形图：
1）两个输入，一个输出
2）分析电路，（围绕导通与否，先看输入，再分析输出）
3）确定逻辑关系，L=A+B
2.1.4
其他常见门电路
1. 与非门
与非门电路：
逻辑符号：
逻辑关系式：
L  A B
与非门波形图：
提
常用门电路也可以由基本门电路“非门”、“与门”、
“或门”间接构成。例如：
示
常我们将由逻辑符号表示的逻辑电路称为“逻辑图”。
2. 或非门
能够实现 L  A  B “或非”逻辑关系的电路均称为
“或非门”。在一个或门的输出端连接一个非门就构成了“或
非门”，如下图所示。
或非门电路：
逻辑符号：
或非门波形图：
如图蓝色线
条时刻,L输出
为……
3. 异或门
L  AB  A B  A  B
能够实现
“异或”逻辑关系
的电路均称为“异或门”。异或门可由非门、与门和或门组
合而成，如下图所示。
异或门电路：
逻辑符号：
提
双输入端异或门波形图：
示
当输入端A、B 的电平
状态互为相反时，输出端L
一定为高电平；当输入端A、
B的电平状态相同时输出L
一定为低电平。
4. 同或门
能够实现 L  A  B  A  B  A⊙B “同或”逻辑关系的
电路均称为“同或门”。由非门、与门和或门组合而成的同
或门及逻辑符号如下图所示。
同或门电路：
逻辑符号：
提
双输入端同或门波形图：
示
当输入端A、B 的电平
状态互为相反时，输出端L
一定为低电平；而当输入端
A、B 的电平状态相同时，
输出端 L 一定为高电平。
2.2 TTL门电路
输入级由多发射极晶体
管T1和基极电组R1组成，
它实现了输入变量A、
B、C的与运算
中间级是放大级，由T
TTL与非门电路
2、R2
和R3组成，T2的集电极C2和
发射极E2可以分提供两个相
位相反的电压信号
输出级：由T3、T4、T5和R4、R5组成
其中T3、T4构成复合管，与T5组成推
拉式输出结构。具有较强的负载能力
TTL与非门工作原理
输入端至少有一个接低电平
0 .3V
3 .6V
3 .6V
3 .6V
T1 管:A端发射结导通，Vb1
= VA + Vbe1 = 1V，其它发
射结均因反偏而截止.
Vb1 =1V,所以T2、T5截止,
VC2≈Vcc=5V,
T3：微饱和状态。
T4：放大状态。
电路输出高电平为：
VOH  VC2  Vbe3  Vbe4
5-0.7-0.7=3.6V
TTL与非门工作原理
输入端全为高电平
3 .6V
3 .6V
3 .6V
2.1V
0 .3V
T1:Vb1=Vbc1+Vbe2+Vbe5
= 0.7V×3 = 2.1V
发射结反偏而集电极
正偏.处于倒置放大状态
T2：饱和状态
T3 ： Vc2 = Vces2 +
Vbe5≈1V，使T3导通，
Ve3 = Vc2-Vbe3 = 10.7≈0.3V ， 使 T4 截 止 。
T5：深饱和状态，因此
输出为逻辑低电平
VOL = 0.3V
T1：倒置放大状态
T2：饱和状态
T3：导通状态
T4：截止状态
T5：深饱和状态
TTL与非门工作原理
T2：截止状态
T3：微饱和状态
T4：放大状态
T5：截止状态
 输入端全为高电平，
输出为低电平
 输入至少有一个为
低电平时，输出为高
电平
由此可见电路的输
出和输入之间满足
与非逻辑关系
F  ABC
TTL与非门工作速度
存在问题：TTL门电路工作速度相对于MOS较快，
但由于当输出为低电平时T5 工作在深度饱和状态，当
输出由低转为高电平，由于在基区和集电区有存储电
荷不能马上消散，而影响工作速度。
改进型TTL与非门
可能工作在饱和状
态下的晶体管T1 、T2 、
T3 、T5 都用带有肖特
基势垒二极管（SBD）
的三极管代替，以限
制其饱和深度，提高
工作速度
改进型TTL与非门
增加有源泄放电路
1、提高工作速度
减少了电路的开启时间
缩短了电路关闭时间
2、提高抗干扰能力
由T6、R6和R3构成
的有源泄放电路来
代替T2射极电阻R3
T2、T5同时导通，因此
电压传输特性曲线过渡
区变窄，曲线变陡，输
入低电平噪声容限VNL
提高了0.7V左右
TTL“与非”门的外特性及主要参数
电压传输特性
线性区0.6V≤V
≤1.3V，
TTL“与非”门输入电压VI与输出电压V
截
止 区 当 VII≤0.6V
，
O 之间的关系曲线，
b2＜1.4V时，T
2导
即 VO = f（VI）
V0.7V≤V
≤1.3V时，T
、T
截止，
b1
2
5
通，T
仍截止，V
随V
5
C2
b2升
输出高电平V
=
3.6V
OH
高而下降，经T3、T4两级
射随器使VO下降
转折区
饱和区
TTL“与非”门的外特性及主要参数
抗干扰能力
关门电平V OFF： 保证输出为标准高电平VSH的最大输入低电平值
开门电平V ON： 保证输出为标准低电平VSL的最小输入高电平值
低电平噪声容限V NL： V NL= V OFF - VSL
高电平噪声容限V NH： V NH= V SH - VON
VSH
VSL
Voff Von
假定输入电流II 流
入T1发射极时方向
TTL“与非”门的外特性及主要参数
为正，反之为负
输入特性
输入电流与输入电压之间的关系曲线，即II = f（VI）
1. 输入短路电流ISD（也叫输入低电平电流IIL）
前级驱动门导通时，IIL将灌
当VIL
= 0V时由输入端流出的电流
入前级门，称为灌电流负载
VCC  Vbe1 5  0.7
I IL 

 1.4 mA
R1
3K
2. 输入漏电流IIH（输入高电平电流）
指一个输入端接高电平，其余输入端接低电平，经该输
入端流入的电流。约10μA左右
TTL“与非”门的外特性及主要参数
扇入系数Ni和扇出系数NO
1. 扇入系数Ni是指合格的输入端的个数
2. 扇出系数NO是指在灌电流（输出低电平）状态
下驱动同类门的个数。
NO  IOLmax/IIL
其中IOLmax 为最大允许灌电流，,IIL 是一个负载门
灌入本级的电流（≈1.4mA）。No越大，说明门
的负载能力越强
TTL“与非”门的外特性及主要参数
平均传输延迟时间tpd
导通延迟时间tPH：L 输入波形上升沿的50%幅值处到输
出波形下降沿50% 幅值处所需要的时间，
输入信号VI
截止延迟时间t
从输入
通常tPLH ＞tPHL，PLH：
tpd 越小，
波形下降沿50%
幅值处到
电路的开关速度越高。
输出波形上升沿50%
一般tpd = 10ns～40ns幅值
输出信号V0
处所需要的时间，
平均传输延迟时间tpd：
t
pd

t
PLH
t
2
PHL
TTL系列数字电路的主要参数指标
（1）高电平输出电压VOH：2.7 ～
3.4V
（2）高电平输出电流I0H：
（3）低电平输出电压VOL：0.2 ～
0.5V
（4）低电平输出电流IOL
（5）高电平输入电压VIH：一般为2V
（6）高电平输入电流IIH
（7）低电平输入电压VIL：一般为0.8V
（8）
低电平输入电流IIL
（9）
输出短路电流IOS
（10）电源电流
（11）传输延迟时间tPLH和tPHL
（12）时钟脉冲fmax
IOH和IOL反映芯片带载能力
IIH和IIL反映其对前级集成电路的影响
集电极开路TTL“与非”门（OC门）
TTL门输出端并联
该与非门输出高
电平，T5截止
Vcc→R5→门1的
T4→门2的T5产生
一个很大的电流 当将两个TTL“与
非”门输出端直
接并联时：
产生一个大电流
1、抬高门2输出
低电平
2、会因功耗过大
该 与 非 门 输 出 低 损坏门器件
电平，T5导通
注：TTL输出端
不能直接并联
集电极开路TTL“与非”门（OC门）
OC门的结构
当输入端全为高电
VC
逻辑符号：
平时，T2、T5导通，
A
输出F为低电平；

RL
F
输 入 端 有 一B个 为
低 电 平 时 ， T2 、
T5 截止，输出F高
输出逻辑电平：
电平接近电
源电
低电平0.3V
压VC。
高电平为VC（5-30V）
 OC门完成
“与非”逻辑功
TTL与非门电路
能
集电极开路与非门（OC门）

集电极开路TTL“与非”门（OC门）
OC门实现“线与”逻辑
L  AB  CD  AB  CD
思考：负载电阻RL的选择？
三态门
什么是三态门？
除0、1外还有第三种状态——高阻抗状态
三态门的特点：
高阻抗状态时的输出阻抗非常大，输入与输出视为开路，
对外电路不起任何作用
计算机接口电路中广泛应用
三态与非门符号：
L  A B
三态门真值表
控制
G
（1）0
（1）0
（1）0
（1）0
（0）1
输入变量
输出变量
A
B
L
0
0
1
1
X
0
1
0
1
X
1
1
1
0
高阻
三态门应用举例
（a）门电路选择
（b）数据双向传输
（c）总线结构
TTL门电路的使用知识
1．多余或暂时不用的输入端不能悬空，可按以下方法处理：
（1）与其它输入端并联使用。
（2）将不用的输入端按照电路功能要求接电源或接
地。比如将与门、与非门的多余输入端接电源，将或门、
或非门的多余输入端接地。
2． 电路的安装应尽量避免干扰信号的侵入，保证电路
稳定工作。
(1) 在每一块插板的电源线上，并接几十μF的低频去耦
电容和0.01~0.047μF的高频去耦电容，以防止TTL电路的动
态尖峰电流产生的干扰。
(2) 整机装置应有良好的接地系统。
2.3 MOS集成逻辑门
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。
MOS管有NMOS管和PMOS管两种。
当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互
补，称为CMOS管(意为互补)。
MOS管有增强型和耗尽型两种。
在数字电路中，多采用增强型。
1．MOS管的开关特性
（1）NMOS管的开关特性
D接正电源
截止
导通电阻相当小
导通
NMOS管的电路符号及转移特性
(a) 电路符号 （b）转移特性
（2）PMOS管的开关特性
D接负电源
导通
截止
导通电阻相当小
PMOS管的电路符号及转移特性
(a) 电路符号 （b）转移特性
CMOS门电路举例
CMOS非门电路
工作原理
A为高电平，T1
截止T2导通，L为低
电平，符合非逻辑
关系。
CMOS与非门
工作原理
A、 B同为高电
平时T1 、T2截止，
T3 、T4导通，L为低
电平，符合与非逻辑
关系。反之亦然。
CMOS或非门
工作原理
请自行分析
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工作。
（4）输入阻抗高。
（5）负载能力强。
CMOS电路可以带50个同类门以上。
（6）逻辑摆幅大。（低电平0V，高电平VDD ）
表2-8 常用集成门电路(CMOS系列）
型 号
名 称
CC4001
四2输入或非门
CC4011
四2输入与非门
CC4030
四异或门
CC4049
六反相器
CC4066
四双向开关
CC4071
四2输入或门
CC4073
三3输入与门
CC4077
四异或非门
CC4078
8输入或 / 或非门
CC4086
2-2-2-2输入与或非门
CC4097
双8选1模拟开关
CC4502
六反相器 / 缓冲器
主要功能
可扩展
三态、有选通端
CMOS门电路的使用知识
1．输入电路的静电保护
CMOS电路的输入端设置了保护电路，给使用者带来很大
方便。但是，这种保护还是有限的。由于CMOS电路的输入阻抗
高，极易产生感应较高的静电电压，从而击穿MOS管栅极极薄
的绝缘层，造成器件的永久损坏。为避免静电损坏，应注意以
下几点：
（1）所有与CMOS电路直接接触的工具、仪表等必须可
靠接地。
（2）存储和运输CMOS电路，最好采用金属屏蔽层做包
装材料。
2．多余的输入端不能悬空
输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，造成器件
的永久损坏。对多余的输入端，可以按功能要求接电源或
接地，或者与其它输入端并联使用。
2.4 接口问题
TTL和CMOS电路的电压和电流参数各不相同，需要采用接
口电路。
一般要考虑两个问题：
一是要求电平匹配，即驱动门要为负载门提供符合标准的
输出高电平和低电平；
二是要求电流匹配，即驱动门要为负载门提供足够大的驱
动电流。
1.
TTL门驱动CMOS门
（1）电平不匹配
TTL门作为驱动门，它的UOH≥2.4V,UOL≤0.5V；
门作为负载门，它的UIH≥3.5V，UIL≤1V。
可见，TTL门的UOH不符合要求。
（2）电流匹配
CMOS电路输入电流几乎为零，所以不存在问题。
CMOS
（3）解决电平匹配问题
① 外接上拉电阻RP
在TTL门电路的输出端外接一个上拉电阻RP，使TTL门电
路的UOH≈5V。（当电源电压相同时）
TTL门驱动CMOS门
②选用电平转换电路(如CC40109)
若电源电压不一致时可选用电平转换电路。
CMOS电路的电源电压可选3~18V；
而TTL电路的电源电压只能为5V。
③采用TTL的OC门实现电平转换。
若电源电压不一致时也可选用OC门实现电平转换。
2. CMOS门驱动TTL门
（1）电平匹配
CMOS门电路作为驱动门，UOH≈5V，UOL≈0V；
TTL门电路作为负载门，UIH≥2.0V，UIL≤0.8V。
电平匹配是符合要求的。
（2）电流不匹配
CMOS门电路4000系列最大允许灌电流0.4mA，
TTL门电路的IIS≈1.4 mA，
CMOS4000系列驱动电流不足。
（3）解决电流匹配问题
①选用CMOS缓冲器
比如，CC4009的驱动电流可达4 mA。
②选用高速CMOS系列产品
选用CMOS的54HC/74HC系列产品可以直接驱动TTL电路。
CMOS电路常用的是4000系列和54HC/74HC系列产品，后
几位的序号不同，逻辑功能也不同。
2.5 门电路综合应用
三选二电路
由于检测危险的报警器自身也可能出现差错，因此为提高
例1：
报警信号的可靠性，在每个关键部位都安置了三个同类型的危
险报警器，如下图所示。只有当三个危险报警器中至少有两个
指示危险时，才实现关机操作。这就是三选二电路。
1） 根据题意作出真值表
报警信号
C B A
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
关机信号
L
0
0
0
1
0
1
1
1
2） 根据真值表确定标准“与或”表达
式
L  ABC  AB C  A BC  ABC
3） 卡诺图化简为最简“与或”表达式
4）画出逻辑图
1
1
1
1
L  AB  BC  AC
在实际电路设计中常用与非门集成电路芯片。为此，
用摩根定理进行如下变换：
L  AB  BC  AC
 AB  BC  AC
 AB  BC  AC
用与非门构
成的三选二
电路
产品分类电路
例2：
1）列真值表
某产品出厂前，要检查 4个重要参数 检测信号
质量信号
A、B、C、D 是否在允许的误差范围之
DCBA
L1 L2 L3 L4
内。分别使用4种数字测量装置对这4个
0 0 0 0
0 0 0 1
0 0 0 1
0 0 0 1
参数进行测量。若所测参数在允许范围
0 0 1 0
0 0 0 1
内，装置输出高电平1；若测得的参数超
0 0 1 1
0 0 0 1
出了允许范围，装置输出低电平0。
当所有4个参数都在允许范围内时，电
路的输出端 L1 为1。
当只有B 超出允许范围时，输出端L2
为1。
当只有B 和D 超出允许误差范围时，
输出端L3应为1。
在所有其他情况下，输出端L4为1，
说明产品是废品。
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
1
1
1
1
1
1
0
1
0
2) 写出逻辑表达式
检测信号
质量信号
DCBA
L1 L2 L3 L4
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
11
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
11
0
0
0
0
0
0
0
11
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
11
11
11
11
11
0
11
11
11
11
11
11
11
0
11
0
L1  ABCD
L2  AB CD
L3  AB CD
 L4  ABCD  ABCD  ABCD  L1  L2  L3
 L4  L1  L2  L3
写成与非形式的逻辑表达式
L1  ABCD
L2  AB CD
L3  AB CD
L4  L1  L2  L3  L1  L2  L3  L1  L2  L3
L1  ABCD
L2  AB CD
L3  AB CD
L4  L1  L2  L3  L1  L2  L3  L1  L2  L3
3) 满足以上逻辑关系的产品分类电路，如下图所示：
门电路组成数字信号源
数字信号源可由产生脉冲波形的振荡电路构成。在数字电
路的应用中，它可提供连续的且具有一定频率（周期）的脉冲
信号。可作为微型计算机、单片机等数字电路的时钟信号源。
实 例
1. 可变频率TTL振荡器
可应用在哪些地方？
2. 固定频率TTL振荡器
门电路构成控制门
与门控制电路
或门控制电路
可应用在什么地方？
门电路组成单稳态触发器
什么是单稳态触发器?
单稳态触发器具有两个开关状态：一个是稳定状态，另一
个是非稳定状态，也称为暂态。
1. 微分型单稳态触发器逻辑电路
2. 积分型单稳态触发器逻辑电路
积分型单稳态触发电路
积分型单稳态触发器波形
3.单稳态触发器构成的定时控制脉冲门电路方框图
及其波形图
用于移位电路、计数电路和存储电路等。
本 章小 结
本章主要介绍了有关逻辑电路的基本概念和TTL、
ECL、MOS等集成逻辑门
TTL电路输入级采用多发射极晶体管，输出级采用
推拉式结构，所以工作速度较快，带负载能力较强，是
目前使用最广泛的一种集成逻辑门。应掌握好TTL门电
气特性和参数。
ECL门是目前速度最高的一种非饱和型电路。其缺
点是功耗大，抗干扰能力差。一般只用在要求速度特别
高的场合
MOS电路属于单极型电路，CMOS电路是重点，具
有高速度、功耗低、扇出大、电源电压范围宽、抗干扰
能力强、集成度高等一系列特点，使之在整个数字集成
电路中占据主导地位的趋势日益明显。
习
2-2 2-3
题
2-6 2-12 2-13 2-14 2-15 2-16