第二章逻辑门电路 第一节重点与难点 一、重点： 1．TTL与非门外特性 （1）电压传输特性及输入噪声容限：由电压传输特性曲线可以得出与非门的输出信号随输入信号的变化情况，同时还可以得出反映与非门抗干扰能力的参数U on、U off、U NH和U NL。开门电平U ON是保证输出电平为最高低电平时输入高电平的最小值。关门电平U OFF 是保证输出电平为最小高电平时，所允许的输入低电平的最大值。 （2）输入特性：描述与非门对信号源的负载效应。根据输入端电平的高低，与非门呈现出不同的负载效应，当输入端为低电平U IL时，与非门对信号源是灌电流负载，输入低电平电流I IL通常为1～1.4mA。当输入端为高电平U IH时，与非门对信号源呈现拉电流负载，输入高电平电流I IH通常小于50μA。 （3）输入负载特性：实际应用中，往往遇到在与非门输入端与地或信号源之间接入电阻的情况，电阻的取值不同，将影响相应输入端的电平取值。当R≤关门电阻R OFF时，相应的输入端相当于输入低电平；当R≥ 开门电阻R ON时，相应的输入端相当于输入高电平。 2．其它类型的TTL门电路 （1）集电极开路与非门（OC门） 多个TTL与非门输出端不能直接并联使用，实现线与功能。而集电极开路与非门（OC 门）输出端可以直接相连，实现线与的功能，它与普通的TTL与非门的差别在于用外接电阻代替复合管。 （2）三态门TSL 三态门即保持推拉式输出级的优点，又能实现线与功能。它的输出除了具有一般与非门的两种状态外，还具有高输出阻抗的第三个状态，称为高阻态，又称禁止态。处于何种状态由使能端控制。 3．CMOS逻辑门电路 CMOS反相器和CMOS传输门是CMOS逻辑门电路的最基本单元电路，由此可以构成各种CMOS逻辑电路。当CMOS反相器处于稳态时，无论输出高电平还是低电平，两管中总有一管导通，一管截止，电源仅向反相器提供nA级电流，功耗非常小。CMOS器件门限电平U TH近似等于1/2U DD，可获得最大限度的输入端噪声容限U NH和U NL=1/2U DD。 二、难点： 1．根据TTL与非门特性，正确分析和设计电路； 2．ECL门电路的逻辑功能分析； 3．CMOS电路的分析与设计； 4．正确使用逻辑门。 三、考核题型与考核重点 1．概念 题型为填空、判断和选择。
电路中D 3、D 4的作用是提高开关速度，当U o 由1跳到0时，经D 3、D 4提供放电回路，加速U o 的下降速度。R 4电阻由接地改为接在U o 上的目的是降低静态功耗，R 1电阻取值改为20k Ω也是为了降低电路的功耗。该电路的电阻值比TTL 门电路相应的电阻值大，主要目的是降低电路的功耗。实现的是与非的逻辑功能。 电路中二极管采用肖特基二极管，其正向导通压降为，而肖特基三极管的发射极的正偏电压为，集电极的正偏电压为。因此，电路的阈值电压将变为： D BE5BE2T U U U U -+==+输出的高低电平值：U OH = U OL =。 输入端的短路电流I IL = 0.23mA 20 0.4 5=- 习题 习题图TTL 与非门电路所示的电路中，若在某一输入端与地之间接一电阻R ，其余输入端悬空，试问： ⑴保证与非门可靠关闭时的最大电阻即关门电阻R OFF 为多大值 ⑵保证与非门可靠开通时的最小电阻即开门电阻R ON 为多大值 解：若在输入端A 与地之间接一电阻R i ，则R i 与地之间的电压U i 为： （1）i i i R R R U U U ?+-= 1be1 cc ≤OFF U 即 i R ?+-R 30.7 5≤ R i ≤? R OFF ?700? (2) i i i R R R U U U ?+-= 1be1 cc ≥on U 即 i R ?+-R 30.7 5≥ 由此可得： R i ≥? , 一般选R ON =2k? 1.4V T 1be1 cc ==?+-U R R R U U i i 工程计算： 得 R ON =R OFF ?? 习题 习题图所示电路由TTL 与非门组成。设G 1～G 4门的平均传输延迟时间相同为30ns ，现测得输出端F 的振荡频率为，试求G 5的平均传输延迟时间t pd5。 解：根据F 的频率求出F 的振荡周期，T =，由于五个与非门输出为原信号的非，所以延迟时间应为T /2≈156ns ，则第五个与非门的延迟时间为36ns 。 习题图 F
第2章逻辑门电路 2.1 题图2.1(a)画出了几种两输入端的门电路，试对应题图2.1(b)中的A、B波形画出各门的输出F1～ F6的波形。 题图2.1 解: 2.2 求题图2.2所示电路的输出逻辑函数F1、F2。 题图2.2 解:
2.3 题图2.3中的电路均为TTL门电路，试写出各电路输出Y1～Y8状态。 题图2.3 解: Y1=0, Y2=0, Y3=Hi-Z, Y4=0, Y5=0, Y6=0, Y7=0, Y8=0. 2.4 题图2.4中各门电路为CMOS电路，试求各电路输出端Y1、Y2和Y的值。 题图2.4 解: Y1=1, Y2=0, Y3=0. 2.5 6个门电路及A、B波形如题图2.5所示，试写出F1～F6的逻辑函数，并对应A、B波形画出 F1～F6的波形。
题图2.5 解： 2.6 电路及输入波形分别如题图2.6(a)和2.6(b)所示，试对应A、B、C、x1、x2、x3波形画出F端波 形。 题图2.6 解：
2.7 TTL与非门的扇出系数N是多少？它由拉电流负载个数决定还是由灌电流负载决定？ 解: N≤8 N由灌电流负载个数决定. 2.8 题图2.8表示三态门用于总线传输的示意图，图中三个三态门的输出接到数据传输总线，D1D2、D3D4、…、D m D n为三态门的输入端，EN1、EN2、EN n分别为各三态门的片选输入端。试问：EN信号应如何控制，以便输入数据D1D2、D3D4、…、D m D n顺序地通过数据总线传输（画出EN1～EN n 的对应波形）。 题图2.8 解：用下表表示数据传输情况 2.9 某工厂生产的双互补对称反相器（4007）引出端如题图2.9所示，试分别连接成：（1）反相器； （2）三输入与非门；（3）三输入或非门。
第二章（逻辑门电路）作业及答案 1．逻辑门电路如下图所示： （1）电路均为ＴＴＬ电路，试写出各个输出信号的表达式。 （2）电路若改为ＣＭＯＳ电路，试写出各个输出信号的表达式。 答案:（1）,,,（2）,,, 2、已知TTL反相器的电压参数为V IL(max)=0.8V，V OH(min)=3V，V TH=1.4V，V IH(min)=1.8V，V OL(max)=03V，V CC=5V，试计算其高电平噪声容限V NH和低电平噪声容限V NL。 答案:V NL= V IL(max) - V OL(max)=0.5V，V NH= V OH(min) - V IH(min) =1.2V。 3、 试写出图2-1、图2-2所示逻辑电路的逻辑函数表达式。 解：（1）（2） 4、试分析图2-3所示MOS电路的逻辑功能，写出Y端的逻辑函数式，并画出逻辑图。
5、试简要回答下列问题。
（1）有源（图腾柱）输出与集电极开路（OC）输出之间有什么区别？ 解：OC门输出端只能输出低电平和开路状态，其输出级需要上拉电阻才能输出高电平，且上拉电源可以与芯片电源不同，因此常用于不同电源电压芯片之间实现信号电平变换，OC门输出端可以并联实现线与； 有源输出可以输出低电平与高电平，两个有源输出端连接在一起时，若是一个输出端输出高电平，另外一个输出端输出低电平时，可引起较大电流损坏输出级。 （2）TTL逻辑电路输入端悬空时，可视为输入高电平信号处理，而CMOS逻辑电路输入端则不允许悬空使用，试说明其原因。 解：因为CMOS电路的输入端具有非常高的输入阻抗，容易受到干扰，一旦受到干扰后，会使输出电平发生转换，产生功耗，因此输入端不能悬空，应该连接确定的逻辑电平。 6.请查阅74LS00芯片手册（常规温度范围的），回答如下问题： （1）电源电压范围； （2）输出高电平电压范围； （3）输出低电平电压范围； （4）输入高电平电压范围； （5）输入低电平电压范围； （6）该芯片的电源电流； （7）典型传播延迟时间； （8）扇出系数。 解：（1）电源电压范围4.75~5.25V （2）输出高电平范围：当|I OH|≤0.4mA时：2.7V~5V （3）输出低电平范围：当I OL≤8mA时：0~0.5V （4）输入高电平电压范围：2V~5V （5）输入低电平电压范围；0~0.8V （6）该芯片的静态电源电流； 5.5V时：I CCH=1.6mA/每封装 5.5V时：I CCL=4.4mA/每封装 （7）典型传播延迟时间； t PHL =10ns； t PLH=9ns； （8）扇出系数。 高电平输入电流I IH=20μA，输出I OH为400μA，因此高电平扇出系数为20。 低电平输入电流I IL=0.4mA，输出I OL为8mA，因此低电平输出心事为20。
第二章逻辑门电路 1、对于半导体材料，随温度升高：A A、电子—空穴对增加，载流子数目增多，导电能力增强 B、电子—空穴对减少，载流子数目增多，导电能力增强 C、电子—空穴对增加，载流子数目减少，导电能力增强 D、 2、N型半导体中主要靠（C ）载流子导电： A、束缚电子 B、空穴 C、自由电子 D、 3、在数字电路中，三极管一般作为一个开关使用，工作稳定时处于： A、饱和或放大状态 B、放大或截止状态 C、饱和或截止状态 D、 4、将多个与非门的输出端直接相连，实现各输出端相与的逻辑功能，称为： A、线与 B、线或 C、线非 D、 5、TTL门电路的输入端悬空或接大电阻相当接： A、低电平 B、高电平 C、高阻 D、 第二题、多项选择题（每题2分，5道题共10分） 1、对于本征半导体：ABC A、自由电子和空穴成对出现 B、自由电子和空穴浓度相同 C、自由电子浓度高，空穴浓度低 D、自由电子和空穴数目相同 E、自由电子数目少，空穴数目多 2、三极管工作在饱和状态时： A、如图开关断开 B、两个结均反偏 C、如图开关闭合 D、两个结均正偏 E、一个结正偏，另一个结反偏 3、若只采用二极管作为开关器件，则可以实现： A、与逻辑关系 B、非逻辑关系 C、或逻辑关系 D、与非逻辑关系 4、或非门的多余输入端可以： A、接逻辑1 B、接逻辑0 C、和有用端并接 D、悬空 5、场效应管也叫： A、电流控制器件 B、电压控制器件 C、双极性器件 D、单极性器件 第三题、判断题（每题1分，5道题共5分）1、半导体中只有自由电子一种载流子。 错误 2、载流子的漂移运动与扩散运动方向相同。 正确 3、二极管的反向饱和电流随温度的升高而增大。 正确错误 4、三极管实现电流控制及放大的外部条件是Je正偏，Jc反偏。 正确错误 5、逻辑门的多余输入端可以和有用端并接使用。 正确错误 第三章组合逻辑电路的分析与设计 1、组合逻辑电路的输出状态： A、与输入状态无关，和电路原来的状态有关， B、与输入状态有关，和电路原来的状态无关 C、与输入状态有关，和电路原来的状态有关 D、 2、最简与或式是指逻辑表达式中的：
第二章逻辑门电路 [教学要求] 1.了解门电路的定义及分类方法，二极管、三极管的开关特性，及分立元件组成的与、或、 非门的工作原理； 2.掌握TTL反相器的工作原理，静态输入、输出、电压传输特性及输入端负载特性，开关 特性；了解其它TTL门（与非门、或非门、异或门、三态门，OC门）的工作原理及TTL 门的改进系列； 3.掌握CMOS反相器的工作原理及静态特性。了解CMOS反向器的动特性。其他CMOS 门（与非门、或非门等）的工作原理。掌握门电路应用注意事项。 [教学内容] 1.分立元件组成的与、或、非门的工作原理 2.TTL反相器 3.其它TTL门 4.CMOS反相器的工作原理及静态特性 5.其他CMOS门（与非门、或非门等）的工作原理 6.门电路应用注意事项 引言
2.1 二极管的开关特性 一、二极管从正向导通到截止有一个反向恢复过程 通常把二极管从正向导通转为反向截止所经过的转换过程称为反向恢复过程。其中t S 称为存储时间，t t称为渡越时间，t re=t s+t t称为反向恢复时间。 由于反向恢复时间的存在，使二极管的开关速度受到限制。 二、产生反向恢复过程的原因——电荷存储效应 二极管在开关转换过程中出现的反向恢复过程，实质上由于电荷存储效应引起的，反向恢复时间就是存储电荷消失所需要的时间。 三、二极管的开通时间 二极管从截止转为正向导通所需的时间称为开通时间。这个时间同反向恢复时间相比是很短的。它对开关速度的影响很小，可以忽略不计。 2.2 BJT的开关特性 ＮＰＮ型BJT的结构如下图所示。
ＰＮＰ型BJT的结构如下图中的上半部所示，下边为电路图中的符号。 一、BJT的开关作用 BJT的开关作用对应于有触点开关的“断开”和“闭合”。 上图所示电路用来说明BJT开关作用，图中BJT为ＮＰＮ型硅管。 ＮＰＮ型BJT截止、放大、饱和三种工作状态的特点列于下表中。 二、BJT的开关时间 BJT的开关过程和二极管一样，也是内部电荷“建立”和“消散”的过程。因此BJT饱和与截止两种状态的相互转换也是需要一定的时间才能完成的。