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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Uon、Uoff、UNH和UNL。开门电平UON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UOFF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UIL时，与非门对信号源是灌电流负载，输入低电平电流IIL通常为1～1.4mA。当输入端为高电平UIH时，与非门对信号源呈现拉电流负载，输入高电平电流IIH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ROFF时，相应的输入端相当于输入低电平；当R≥?开门电阻RON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UTH近似等于1/2UDD，可获得最大限度的输入端噪声容限UNH和UNL=1/2UDD。
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。
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建议分配的分数为2～4分。
第二节 思考题题解
题2.1 TTL标准与非门电路由哪几部分组成？ 答：输入级；中间级；输出级。
题2.2 TTL与非门的电压传输特性说明什么问题？从特性曲线上可以得到UOH、UOL、UIH和UIL等参数，这些参数代表什么意义？
答：与非门的电压传输特性指的是与非门输入电压UI和输出电压UO之间的关系曲线。UOH是与非门电压传输特性曲线截止区的输出电压，称作输出高电平。UOL是电压传输特性曲线导通区的输出电压，称作输出低电平。UIH和UIL分别是输入高电平和输入低电平。
题2.3 TTL电路实现线与逻辑功能可以采用集电极开路门和三态门，试说明其原理。 答：线与是指在实际应用中，把输出端直接并联使用，实现与逻辑功能。为了实现线与功能，将集电极开路门或三态门的输出端直接并联，外接公共负载电阻和电源。每个门实现与非逻辑，两个输出只要有一个是低电平，总的输出就是低电平，只有两个输出都是高电平，总的输出才是高电平。因此实现了线与逻辑。
题2.4 抗饱和TTL电路为什么可以提高开关速度？
答：晶体管工作在饱和状态时基区存储大量的载流子，当晶体管由饱和转向截止时，存储的载流子来不及消散，晶体管不能迅速脱离饱和状态，因此影响与非门的开关速度。加速饱和管存储电荷的扩散速度，减小对负载电容充电的时间常数，就可以提高开关速度。
题2.5 ECL电路为什么具有很高的开关速度？该类电路有什么特点？
答：ECL电路中的三极管工作在放大区或截止区，所以消除了由于三极管饱和带来的存储时间。ECL电路中的电阻取值小，高、低电平之差小，因此大大缩短了电路节点的上升时间和下降时间。ECL电路的输出方式采用射级输出器，其输出电阻小，使负载电容充电的时间常数减小，因此开关速度高。
题2.6 CMOS与非门和CMOS或非门从电路结构上看有哪些不同？
答：与非门是负载部分为并联PMOS管，驱动为串联NMOS管；或非门负载为串联PMOS管，驱动为并联NMOS管。
题2.7 CMOS门电路与TTL门电路相比有哪些优点？ 答：优点主要有以下几点： 1．静态功耗低
2．集成度高，温度稳定性好 3．抗辐射能力强 4．电源利用率高 5．扇出系数大 6．电源取值范围宽
题2.8 CMOS门电路不使用的输入端不允许悬空，为什么？
答：因为CMOS电路输入阻抗高，容易受静电感应出现击穿，输入端不能悬空。与非门多余的输入端接电源正极，或非门接地，低速场合将多余的输入端和有用的信号端并联使用。
题2.9 当TTL门电路驱动CMOS门电路时，是否需要增加接口电路？为什么？
答：如果TTL和CMOS电路选择适当的话，不需要另外加任何接口电路。例如TTL采用74LS系列，CMOS采用74HCT系列。
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题2.10为什么说电压、电流参数是门电路之间实现正确连接的主要参数？
答：因为电压和电流参数是门电路实现正常功能的主要参数，所以它们是门电路之间建立正确连接的主要参数。
第三节 习题题解
习题2.1 灯控制电路如习题2.1图所示。试写出电路的功能表、真值表和逻辑表达式。 解：当开关A、B同时上扳或下扳时，灯F才亮。由此可写出电路功能表如习题表2.1所示。开关A、B和灯F只有两种相反的状态，可选用逻辑0和逻辑1来代表相应的状态。然而选用的表示方式不同，所得到的真值表和逻辑表达式也不同。
UC
UC 1 3 R01 A B A
R CA 2 4 F1 B F B U F UC R1 T F3 C
R02 R2
C D F2 -Ub D 习题2.1图
（a） （b）
习题2.2图
（1）如开关上扳用逻辑1表示，下扳则用逻辑0表示；灯亮用
习题表2.1 逻辑1表示，灯灭则用逻辑0表示。根据功能表可写出电路的真值
A B F 表如习题表2.2所示，由真值表写出电路的逻辑表达式为：
F?AB?AB=A⊙B
（2）如开关上扳用逻辑0表示，下扳则用逻辑1表示；灯亮用逻辑1表示，灯灭则用逻辑0表示。根据功能表可写出电路的真值表如习题表2.3所示，由真值表写出电路的逻辑表达式为：
上扳 上扳 上扳 下扳 下扳 上扳 下扳 下扳 亮 灭 灭 亮 F?AB?AB=A⊙B
（3）如开关上扳用逻辑1表示，下扳则用逻辑0表示；灯亮用逻辑0表示，灯灭则用逻辑1表示。根据功能表可写出电路的真值表如习题表2.4所示，由真值表写出电路的逻辑表达式为：
F?AB?AB?A?B
（4）如开关上扳用逻辑0表示，下扳则用逻辑1表示；灯亮用逻辑0表示，灯灭则用
习题表2.2 A B 1 1 1 0 0 1 0 0 F 1 0 0 1 习题表2.3 A B 0 0 0 1 1 0 1 1 F 1 0 0 1 习题表2.4 A B 1 1 1 0 0 1 0 0 F 0 1 1 0 习题表2.5 A B 0 0 0 1 1 0 1 1 F 0 1 1 0 逻辑1表示。根据功能表可写出电路的真值表如习题表2.5所示，由真值表写出电路的逻辑表达式为：
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F?AB?AB?A?B
习题2.2 已知电路如习题2.2图（a）所示。
⑴ 写出F1、F2、F3和F与输入之间的逻辑表达式； ⑵ 画出逻辑图；
⑶ 给定各输入波形如习题2.2图（b）所示。试画出F1、F2、F3和F的波形图。 解：（1）电路是由分立元件组成，可分为三部分： A & ≥1 第一部分，是由二极管组成的两个与门电路， B F
输入变量分别为A、B和C、D，输出变量分别为 C F1和F2，其逻辑关系表达式为： D F1?AB F2?CD
第二部分，是由二极管组成的或门电路，输入 变量为F1和F2，输出变量是F3，其逻辑关系表达
式为：
A
习题2.2图（c） B
F3?AB?CD
第三部分，是由三极管组成的非门电路，输入变量为F3，输出变量是F，其逻辑关系表达式为：
F?F3?AB?CD
由上可知，该分立电路实现的是与或非的逻辑功能。
D
（2）通过上面分析，分立电路所实现的是与或非的逻辑功能。该电路可等效F1
为与或非门，其等效图如习题2.2图（c）所示。 F2
（3）当给定各输入波形。可画出F1、F2、F3 F3
和F的波形图，如习题2.2图（d）所示。 F
习题2.2图（d）
习题2.3 试分析习题2.3图所示TTL电路的工作原理和逻辑功能，并说明D的作用，
UC
计算UOL、UOH、UIL、UN等。 +5V R4
解：从习题2.3图可看出，电路是由输入级 R2 130Ω
R1 16kΩ 4kΩ 、中间级和输出级三部分组成。 T3
输入级由多发射级三极管T1和R1组成。中 D T2
F A B C T1
间级由T2管、R2、R3构成，起分相作用。T4、 （UO）
T4
T5、R4和D构成为图腾柱式结构，具有静态功 R3
1kΩ
耗小、输出电阻小、带负载能力强等优点。
当A、B、C中有一个为低电平时，UIL=0.3V， 此时，T1管的基极电位被钳制在UB1=1.0V，T2和 习题2.3图 T4均截止，T2的集电极电位UC2为高电平，将使
T3和D导通，输出为高电平。由于IB4电流很小，故可近似认为UC2=5V，UOH=5-UBE3-UD=5-0.7-0.7=3.6V。
C
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当A、B、C全为高电平时，T1的集电极、T2的发射极和T4的发射极导通，使T1管的基极电位UB1被箝制在2.1V。此时T1管集电极正偏，发射极反偏，故电流IB1将流入T2的基极，使T2导通。IE2电流部分被R3分流外，其余部分将流入T4的基极，使T4管导通。若假设T2导通后进入饱和状态，则UC2≈0.8V，此时电压不足以使T3和D同时导通，故输出极电路上半部分截止，下半部分导通，输出呈低电平，UOL=UCE3 ≈0.3V。
由上面分析可知，电路实现的是与非的逻辑功能，逻辑表达式为：
F?A?B?C
电路中的二极管D起到电平移位的作用。 输出的高低电平值：UOH=3.6V UOL=0.3V。 输入的高低电平值：UIH=3.6V UIL=0.3V.
5?0.7输入端的短路电流：IIL=?1.075mA。
4习题2.4 用内阻足够大的万用表测量习题2.4图TTL与非门电路的一个悬空输入端的电压UI，在下列情况下，表的读数各为多少？
⑴ 其余输入端全部悬空时； ⑵ 其余输入端全部接UCC时； ⑶ 其余输入端全部接地时； ⑷ 其余输入端全部接0.3V时； ⑸ 其余输入端有一个接地时。
UCC R4 R2 120Ω UCC
8kΩ +5V R1 R4
T3 20kΩ R2 130Ω
R1 16kΩ T4 D1 4kΩ RT 4 D3 3 A 4kΩ F D T2
T 1F A B C T1 D4 B （UO） T5 D2 T4 R6 RB R3 3kΩ 1.5kΩ 1kΩ
T2
习题2.4图
习题2.5图
解：设Ube=0.7V，用内阻足够大的万用表测量与非门的一个悬空输入端的电压UI。 （1）其余输入端全部悬空时,相当于在相应的输入端接高电平，此时T2、T5均导通，T1的基极电位值为2.1V,因此，用内阻足够大的万用表测量与非门的一个悬空输入端的电压UI =2.1-Ube=2.1-0.7=1.4V。
（2）其余输入端全部接UCC时, 此时T2、T5均导通，T1的基极电位值为2.1V,因此，用内阻足够大的万用表测量与非门的一个悬空输入端的电压UI =2.1-Ube=2.1-0.7=1.4V 。
（3）其余输入端全部接地时，此时，T1的基极电位被钳制在0.7V, 用内阻足够大的万用表测量与非门的一个悬空输入端的电压UI =0.7-0.7=0V。
（4）其余输入端全部接0.3V时，此时，T1的基极电位被钳制在1V, 用内阻足够大的万用表测量与非门的一个悬空输入端的电压UI =1-0.7=0.3V。
（5）其余输入端有一个接地时，对应的输入接地的二极管优先导通，T1的基极电位被钳制在0.7V，用内阻足够大的万用表测量与非门的一个悬空输入端的电压UI =0.7-0.7=0V。
习题2.10 若要实现习题2.10图中各TTL门电路输出端所示的逻辑功能，各电路的连接是否正确？如果不正确，试说明理由。
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数字电子技术基础第三版第二章答案
