专题5 集成逻辑门电路的特点与使用（讲义）-山东省（春季高考）电子技术类《数字电子技术基础及应用》考纲讲练测

编写说明：本专辑为山东省（春季高考）电子技术类《数字电子技术基础及应用考纲讲练测》，严格依据山东省春季高考考试大纲（专业课）电子技术类考试范围及要求编写，精准对标考纲，兼顾考点覆盖与实战应用。每套讲练测提供讲义、课件、练习三大配套教学文件，贯穿九大核心环节：考点解读、思维导图、知识梳理、背诵环节、常考题、高考真题、课堂练习、课堂小结及课后测验，形成“讲-练-测-评”闭环式教学与复习逻辑，助力考生夯实基础、突破重难点。 山东省电子技术类 《数字电子技术基础及应用考纲讲练测》 专题5 集成逻辑门电路的特点与使用 讲义 [考点解读] 1.了解TTL、CMOS集成逻辑门电路的特点 2.了解TTL、CMOS集成逻辑门电路的使用注意事项 3.了解TTL集成逻辑门电路的输入和输出负载特性。 [思维导图] [知识梳理] 1 TTL集成逻辑门电路 （1）TTL集成电路的型号及意义 ① TTL 是晶体管—晶体管逻辑（Transistor-Transistor Logic）电路，属双极型集成电路，是数字电路中应用最早、用量很大的一类集成逻辑门。 ② 按现行国家标准，TTL 集成电路型号由五部分构成。现以 CT74LS04CP 为例说明各部分的含义，如下表所示： 组成部分 示例字符 含义 第一部分 C 表示国标 第二部分 T 表示 TTL 电路 第三部分 74LS04 74 为国际通用74系列，LS 为低功耗肖特基系列，04 为品种代号 第四部分 C 表示器件工作温度范围（C 为 0~70℃） 第五部分 P 表示封装形式（P 为塑封双列直插式） 教材给出的 TTL 集成电路型号各部分的含义如下图所示（以 CT74LS00CP 为例）： （2）TTL集成电路的特点 ① 工作速度快、带负载能力强，是早期数字系统的主流器件。 ② 功耗较大，集成度相对较低。 ③ 电源电压必须保证在 4.75~5.25V 的范围内才能正常工作，建议使用 +5V 稳压电源供电。 ④ 输入端悬空（开路）时，相当于输入端接高电平。 ⑤ 输入端外接电阻的大小会影响输出状态，这是 TTL 与非门特有的输入负载特性（详见本专题第4节）。 ⑥ 除 OC 门、三态门等特殊门电路外，普通 TTL 集成门电路的输出端不能直接并联，也不能直接与地或电源连接。 （3）TTL集成门电路的使用注意事项 ① 电源电压必须保证在 4.75~5.25V 范围内，建议使用 +5V 稳压电源供电。 ② 电源的正负极性不得接错，否则可能造成器件损坏。 ③ 不使用的多余输入端一般不能悬空。与门、与非门的多余端应通过大电阻接地或接至固定的高电平（也可与信号输入端并联）；或门、或非门的多余端应接地。 ④ 除特殊门电路外，普通 TTL 集成门电路的输出端不能直接并联，也不能直接与地或电源连接。 2 CMOS集成逻辑门电路 （1）CMOS集成电路的型号及意义 ① CMOS 是由 NMOS 管与 PMOS 管互补对称构成的单极型集成电路。 ② CMOS 集成电路的型号同样由五部分构成，现以 CC74HC××RP 为例说明，如下表所示： 组成部分 示例字符 含义 第一部分 C 表示国标 第二部分 C 表示 CMOS 电路 第三部分 74HC×× 74 为国际通用74系列，54 为军用产品系列，HC 为高速CMOS系列，×× 为品种代号 第四部分 R 表示器件工作温度（R 为 -55~85℃） 第五部分 P 表示封装形式（P 为塑封双列直插式，J 为黑瓷双列直插式） ③ 74HC 与 74LS 系列产品，只要最后 3 位数字相同，则两种器件的逻辑功能相同（如 74HC00 与 74LS00 都是四 2 输入与非门）。 教材给出的 CMOS 集成电路型号各部分的含义如下图所示（以 CC4066EP 为例）： （2）CMOS集成电路的特点 ① 静态功耗极低，特别适用于电池供电的数字电路。 ② 电源电压允许波动范围宽（约 4.75~18V），对电源要求不高。 ③ 输入阻抗高、噪声容限大，抗干扰能力强。 ④ 扇出系数大，但工作速度比 TTL 低。 ⑤ 主要缺点是容易被静电击穿，存放、组装与调试时都必须采取防静电措施。 （3）CMOS集成门电路的使用注意事项 ① 电源的正负极性不得接错，否则可能造成器件损坏。 ② 不使用的多余输入端一般不能悬空：与门、与非门的多余端应接至固定的高电平（或与信号输入端并联）；或门、或非门的多余端应接地。 ③ 静电击穿是 CMOS 集成电路失效的主要原因，平时要用防静电材料存放 CMOS 集成电路，组装及调试时应注意采取防静电措施（电烙铁外壳接地、佩戴防静电手环等）。 ④ 电路工作频率较低时可选用 CMOS 集成电路；工作频率较高时（例如 1MHz 以上）建议选用 TTL 集成电路。 3 TTL与CMOS的比较与选用 （1）TTL与CMOS的性能比较 两类集成逻辑门电路的主要性能对比如下表所示： 比较项目 TTL集成电路 CMOS集成电路 器件类型 双极型 单极型（MOS型） 功耗 较大 极小 工作速度 快 较慢 电源电压 4.75~5.25V 4.75~18V，范围宽 抗干扰能力 一般 强 输入端悬空 相当于接高电平 不允许，易受干扰并可能击穿 多余输入端处理 与非门接高电平或并联；或非门接地 与非门接高电平；或非门接地 输出端 一般不允许直接并联 一般不允许直接并联 主要失效原因 电源极性接反、输出端并联 静电击穿 （2）TTL与CMOS的选用原则 ① 以电池为供电电源、要求微功耗的场合，宜选用 CMOS 集成电路。 ② 工作频率较高（如 1MHz 以上）、要求高速的场合，宜选用 TTL 集成电路。 ③ 电源电压波动范围较大的场合，宜选用 CMOS 集成电路。 ④ 若 74HC 与 74LS 系列产品最后 3 位数字相同，则逻辑功能相同，替换时要注意核对电源电压与电平参数。 4 TTL集成门电路的输入负载特性 （1）输入端负载特性曲线 ① 实际应用中，TTL 与非门的输入端有时会通过外接电阻 RI 接地。此时有电流流过 RI 并在 RI 上产生电压降 uI，uI 随 RI 的增大而上升；当 uI 上升到 1.4V 时，内部输出管开始导通，此后即使 RI 继续增大，uI 也被嵌位在 1.4V 不再升高。 ② uI 与 RI 之间的关系曲线称为输入端负载特性曲线。 教材给出的 TTL 与非门输入电路及输入端负载特性曲线如下图（（a）为输入电路，（b）为特性曲线，uI 上升到 1.4V 后被嵌位不再升高）： ③ 输入负载特性是 TTL 与非门特有的，不能用于 ECL（发射极耦合逻辑）门和 CMOS 门。 （2）关门电阻与开门电阻 ① 关门电阻 ROFF：保证 TTL 与非门关闭、输出为标准高电平时所允许的最大 RI 值，典型值 ROFF≈0.8kΩ。 ② 开门电阻 RON：保证 TTL 与非门导通、输出为标准低电平时所允许的最小 RI 值，典型值 RON≈2kΩ。 ③ 输入端所接电阻 RI=0（即输入端接地）时，输出为高电平；RI→∞（即输入端开路）时，输入电流没有通路，与输入端加高电平等效，此时输出为低电平。输入端外接电阻的大小与输出状态的对应关系如下表所示： 输入端所接电阻 RI 等效输入电平 与非门输出状态 RI=0（输入端接地） 低电平 高电平（门关闭） RI<0.8kΩ（RI<ROFF） 低电平 高电平（门关闭） 0.8kΩ<RI<2kΩ 不定（转折区） 状态不定 RI>2kΩ（RI>RON） 高电平 低电平（门开通） RI→∞（输入端开路、悬空） 高电平 低电平（门开通） ④ 分析实例：如下图所示的四种接法中，只要按“外接电阻小→相当于接低电平、外接电阻大或悬空→相当于接高电平”判断出各输入端的等效电平，即可确定与非门的输出状态。（a）中 A 端经 3kΩ 电阻接地相当于接高电平、B 端经 100Ω 电阻接地相当于接低电平，故输出为高电平。 （3）多余输入端的处理 ① 从逻辑功能上看，TTL 与非门输入端悬空相当于接高电平，但悬空极易引入干扰，实际使用中不允许采用悬空的办法。 ② 多余输入端常用的处理方法：与门、与非门的多余端接电源正端（接固定高电平）或与信号输入端并联；或门、或非门的多余端接地。 ③ 利用 TTL 与非门构成非门（反相器）时，可把多余输入端与信号输入端并联，也可把多余端接固定高电平。 5 TTL集成门电路的输出负载特性 （1）拉电流负载与灌电流负载 ① 输出电压 uO 随负载电流 iO 变化的特性曲线称为输出负载特性。 ② TTL 与非门的输出端接上负载后，按输出高、低电平的不同分为两种情况：输出为高电平时，电流由门电路流出并流向负载，称为拉电流负载；输出为低电平时，电流由负载流入门电路，称为灌电流负载。 ③ 无论灌电流还是拉电流，当负载电流增大到一定值时，都会引起输出电平的明显变化，使输出电平偏离标准高、低电平，甚至失去逻辑功能。 （2）扇出系数与带负载能力 ① 使输出电平不至于变化到超出标准高、低电平范围时，所能承受的最大输出电流，称为门电路的带负载能力。 ② 带负载能力一般用扇出系数 NO 表示：NO 是指门电路输出端可驱动的同类门个数。 ③ 由于输出低电平时可驱动的同类门个数比输出高电平时少，所以扇出系数一般指输出低电平时可接的最多同类门个数，典型 TTL 门电路 NO≥8。 ④ 实际使用时，后级所接同类门个数不得超过扇出系数，否则输出电平越限、逻辑功能失效。 [背诵环节] 1．TTL 集成电路的电源电压范围是多少？ 【答案】 电源电压必须保证在 4.75~5.25V 范围内才能正常工作，建议使用 +5V 稳压电源供电。 2．TTL 与门、与非门和或门、或非门的多余输入端分别应如何处理？ 【答案】 与门、与非门的多余端应通过大电阻接地或接至固定的高电平（也可与信号输入端并联）；或门、或非门的多余端应接地。两类门的多余输入端一般都不能悬空。 3．什么是关门电阻 ROFF 和开门电阻 RON？ 【答案】 关门电阻 ROFF≈0.8kΩ，是保证 TTL 与非门关闭、输出为标准高电平时所允许的最大 RI 值；开门电阻 RON≈2kΩ，是保证与非门导通、输出为标准低电平时所允许的最小 RI 值。 4．CMOS 集成电路失效的主要原因是什么？应如何防护？ 【答案】 静电击穿是 CMOS 集成电路失效的主要原因。防护方法：用防静电材料存放 CMOS 集成电路，组装及调试时采取防静电措施（电烙铁外壳可靠接地、佩戴防静电手环等）。 5．什么是扇出系数 NO？ 【答案】 扇出系数 NO 是指门电路输出端可驱动的同类门个数，用来表示门电路的带负载能力；一般指输出低电平时可接的最多同类门个数，典型 TTL 门电路 NO≥8。 [常考题] 1. TTL 集成电路正常工作时，推荐的供电电压为（　　）。 A. +5V　　B. +12V　　C. +18V　　D. +3V 【答案】 A。 【解析】 TTL 集成电路电源电压必须保证在 4.75~5.25V 范围内，建议使用 +5V 稳压电源供电；+12V、+18V 超出允许范围会损坏器件，+3V 则不足以使电路正常工作。 2. TTL 与非门有一个输入端开路（悬空）时，该门的输出电平为（　　）。 A. 高电平　　B. 不定状态　　C. 低电平　　D. 高阻状态 【答案】 C。 【解析】 输入端悬空等效为接高电平，与非门开通，输出为低电平。这也说明 TTL 与非门多余端不能悬空，否则输出被固定在低电平并易受干扰。 3. CMOS 集成电路最适合应用于下列哪一种场合？（　　）。 A. 1MHz 以上的高速电路　　B. 电池供电的微功耗电路　　C. 大功率驱动电路　　D. 高压整流电路 【答案】 B。 【解析】 CMOS 静态功耗极低、电源电压范围宽（4.75~18V），最适合电池供电的微功耗场合；1MHz 以上的高速场合应选 TTL。 4. 如图所示，各电路中 TTL 与非门的输出状态为低电平的是（　　）。 A. 图中第1个电路　　B. 图中第2个电路　　C. 图中第3个电路　　D. 图中第4个电路 【答案】 B。 【解析】 逐个判断输入端等效电平：第1个电路 A 端经 3kΩ 电阻接地（>RON=2kΩ）相当于接高电平、B 端经 100Ω 电阻接地（<ROFF=0.8kΩ）相当于接低电平，输出为高电平；第2个电路 A 端 3kΩ、B 端 10kΩ 均大于开门电阻，相当于都接高电平，与非门开通，输出为低电平；第3个电路 A 端悬空相当于接高电平、B 端经 100Ω 电阻接地相当于接低电平，输出为高电平；第4个电路 A 端接 0.6V 相当于接低电平、B 端经 10kΩ 电阻接地相当于接高电平，输出为高电平。故选 B。 5. TTL 与非门输入端外接电阻 RI 由小逐渐增大，当 uI 上升到 1.4V 后，uI 将（　　）。 A. 继续升高　　B. 降为 0V　　C. 随机变化　　D. 保持 1.4V 不再升高 【答案】 D。 【解析】 uI 升到 1.4V 时内部输出管开始导通，uI 被嵌位在 1.4V，此后即使 RI 继续增大 uI 也不再升高，这正是输入端负载特性曲线的拐点。 6. 下列集成逻辑门电路中，静态功耗最小的是（　　）。 A. TTL 电路　　B. ECL 电路　　C. HTL 电路　　D. CMOS 电路 【答案】 D。 【解析】 CMOS 电路静态功耗极低（几乎为零），TTL 功耗较大，ECL 为追求高速功耗更大，HTL 属高阈值逻辑电路功耗也较大。 [高考真题] 1.（2011 年高考）TTL 集成与非门电路中不使用的多余输入端应（　　）。 A. 悬空　　B. 接固定的高电平　　C. 直接接地　　D. 接电源负极 【答案】 B。 【解析】 与非门多余端接固定高电平（或与信号端并联）不影响 L= 的逻辑关系；接地或接电源负极会使输出恒为高电平，悬空虽等效高电平但易引入干扰，均不是规范做法。 2.（2016 年高考）关于 TTL 门电路，说法正确的是（　　）。 A. 电源的正负极性可互换　　B. 与非门多余输入端可直接接地　　C. 输出端不允许直接接地　　D. 或门多余输入端可直接接高电平 【答案】 C。 【解析】 普通 TTL 门电路输出端不允许直接与地或电源相连，也不允许直接并联；A 项电源极性接反会损坏器件；B 项与非门多余端接地会使输出恒为高电平；D 项或门多余端接高电平会使输出恒为高电平，均应接地。 3.（2014 年高考）CMOS 集成电路中或非门的多余输入端应（　　）。 A. 悬空　　B. 接地　　C. 接高电平　　D. 接大电阻 【答案】 B。 【解析】 或非门只要有一个输入端为 1，输出就恒为 0，故多余端必须接地（接低电平）才不影响逻辑功能；接高电平会使输出被封锁，CMOS 门更不允许悬空。 4.（2012 年高考）TTL 和 CMOS 集成电路相比较（　　）。 A. TTL 功耗大、CMOS 功耗小　　B. TTL 功耗小、CMOS 功耗大　　C. TTL 电源电压允许波动范围宽　　D. CMOS 集成电路所有多余端应接地 【答案】 A。 【解析】 TTL 功耗大、CMOS 功耗极小；电源电压允许波动范围宽的是 CMOS（4.75~18V）；CMOS 多余端并非都接地——与非门多余端应接高电平，或非门多余端才接地。 5.（模拟）TTL 与非门的输入端通过 10kΩ 电阻接地时，该与非门处于（　　）。 A. 关闭状态　　B. 转折区　　C. 高阻状态　　D. 开通状态 【答案】 D。 【解析】 10kΩ 远大于开门电阻 RON=2kΩ，输入端相当于接高电平，与非门开通，输出为低电平；只有当 RI<0.8kΩ 时门才关闭、输出高电平。 6.（模拟）TTL 与非门特有的、CMOS 与 ECL 门不具备的特性是（　　）。 A. 输出负载特性　　B. 输入负载特性　　C. 电压传输特性　　D. 抗干扰特性 【答案】 B。 【解析】 输入端外接电阻的大小能决定输出状态，这一输入负载特性由 TTL 与非门的多发射极输入结构决定，是 TTL 与非门特有的，不能推广到 ECL 门和 CMOS 门。 7.（模拟）TTL 与非门输出低电平时，负载电流的流向是（　　）。 A. 由门电路流向负载　　B. 双向流动　　C. 由负载流入门电路　　D. 电流为零 【答案】 C。 【解析】 输出低电平时电流由负载灌入门电路，称为灌电流负载；输出高电平时电流由门电路流向负载，称为拉电流负载。 8.（模拟）下列器件中，与 74LS00 逻辑功能相同的是（　　）。 A. 74LS04　　B. 74HC00　　C. 74LS20　　D. 74LS86 【答案】 B。 【解析】 74HC 与 74LS 系列产品最后 3 位数字相同则逻辑功能相同，74HC00 与 74LS00 都是四 2 输入与非门；74LS04 是六反相器、74LS20 是双 4 输入与非门、74LS86 是四 2 输入异或门。 [课堂练习] 1.（单项选择题）若把 TTL 集成电路的电源正极与负极接反，通电后最可能发生的是（　　）。 A. 输出电平升高　　B. 功耗明显降低　　C. 扇出系数增大　　D. 器件被烧毁 【答案】 D。 【解析】 TTL（以及 CMOS）集成电路的电源正负极性均不得接错，否则会造成器件永久性损坏。 2.（单项选择题）CMOS 集成电路的主要失效原因是（　　）。 A. 电源接反　　B. 输入信号幅度过大　　C. 输出端并联　　D. 静电击穿 【答案】 D。 【解析】 CMOS 器件输入阻抗极高、栅极绝缘层极薄，静电感应产生的高压极易将其击穿，故存放与焊接都必须采取防静电措施。 3.（单项选择题）下列场合中，宜选用 TTL 集成电路的是（　　）。 A. 用干电池供电的便携式仪表　　B. 工作频率在 1MHz 以上的高速电路　　C. 电源电压波动很大的场合　　D. 要求微功耗的电路 【答案】 B。 【解析】 TTL 速度快，适用于 1MHz 以上的高频场合；电池供电、微功耗、电源电压波动大的场合都应选用 CMOS。 4.（单项选择题）TTL 与非门输入端直接接地（RI=0）时，其输出状态为（　　）。 A. 低电平　　B. 高电平　　C. 不定　　D. 高阻 【答案】 B。 【解析】 RI=0<ROFF，输入端相当于接低电平，与非门关闭，输出为标准高电平。 5.（单项选择题）TTL 与非门输入端外接电阻 RI 介于 0.8kΩ 与 2kΩ 之间时，门电路（　　）。 A. 可靠关闭　　B. 可靠开通　　C. 工作在线性区或转折区，状态不定　　D. 输出高阻 【答案】 C。 【解析】 RI 大于关门电阻、小于开门电阻时，门电路工作在线性区或转折区，输出既不是标准高电平也不是标准低电平，属于应当避免的工作状态。 6.（单项选择题）下列关于 CMOS 集成电路的说法，正确的是（　　）。 A. 静态功耗极低　　B. 工作速度比 TTL 快　　C. 电源电压必须为 +5V　　D. 输入端可以悬空 【答案】 A。 【解析】 CMOS 静态功耗极低，这是它最突出的优点；CMOS 速度比 TTL 慢、电源电压范围宽（4.75~18V）、输入端不允许悬空。 7.（单项选择题）普通 TTL 集成门电路的输出端（　　）。 A. 可以直接并联使用　　B. 不允许直接与地或电源相连　　C. 必须外接上拉电阻后才能工作　　D. 只允许接一个负载 【答案】 B。 【解析】 除 OC 门、三态门等特殊器件外，普通 TTL 门电路输出端不能直接并联，也不能直接与地或电源相连，否则会因电流过大损坏器件。 8.（单项选择题）对 CMOS 集成电路进行焊接时，下列做法正确的是（　　）。 A. 使用 100W 外热式电烙铁且烙铁外壳不接地　　B. 电烙铁外壳可靠接地，必要时佩戴防静电手环　　C. 直接用手触摸引脚以加快散热　　D. 焊接时间越长越可靠 【答案】 B。 【解析】 CMOS 器件怕静电，焊接时宜用 20W 内热式电烙铁，烙铁外壳应可靠接地，操作者宜佩戴防静电手环，并尽量缩短焊接时间。 9.（单项选择题）在输出高电平时，TTL 门电路的负载电流方向是（　　）。 A. 由负载流入门电路，称为灌电流　　B. 由门电路流向负载，称为拉电流　　C. 双向流动　　D. 无电流 【答案】 B。 【解析】 输出高电平时电流由门电路流出并流向负载，叫拉电流负载；输出低电平时电流由负载流入门电路，叫灌电流负载。 10.（单项选择题）某 TTL 门电路的扇出系数 NO=8，表示（　　）。 A. 最多可驱动 8 个同类门　　B. 最多可有 8 个输入端　　C. 输出电流为 8mA　　D. 电源电压为 8V 【答案】 A。 【解析】 扇出系数 NO=8 表示该门输出端最多可驱动 8 个同类门，超过则输出电平会越限。 11. 简述 TTL 集成门电路的使用注意事项。 【答案】 ① 电源电压必须保证在 4.75~5.25V 范围内，建议使用 +5V 稳压电源供电；② 电源正负极性不得接错，否则可能损坏器件；③ 不使用的多余输入端一般不能悬空，与门、与非门的多余端应接固定高电平或与信号端并联，或门、或非门的多余端应接地；④ 除特殊门电路外，普通 TTL 集成门电路的输出端不能直接并联，也不能直接与地或电源连接。 【解析】 四条注意事项分别对应电源范围、电源极性、多余输入端处理、输出端使用，是本节最常考的简答要点。 12. 什么是关门电阻和开门电阻？输入端外接电阻的大小对 TTL 与非门的输出状态有何影响？ 【答案】 关门电阻 ROFF≈0.8kΩ，是保证与非门关闭、输出为标准高电平时所允许的最大 RI 值；开门电阻 RON≈2kΩ，是保证与非门导通、输出为标准低电平时所允许的最小 RI 值。RI<0.8kΩ（含 RI=0，即接地）时相当于输入端接低电平，输出为高电平；RI>2kΩ（含开路）时相当于输入端接高电平，输出为低电平；RI 介于两者之间时门电路工作在线性区或转折区，输出状态不定。 【解析】 答题时应先给出两个电阻的定义与数值，再分三种情况说明输出状态，并注意指出该特性是 TTL 与非门特有的。 [课堂小结] 本专题核心考点与结论如下： ①【TTL 集成电路】型号由五部分构成（例 CT74LS04CP）；功耗较大、速度快；电源 4.75~5.25V；输入端悬空相当于高电平；输出端一般不允许并联。 ②【CMOS 集成电路】型号由五部分构成（例 CC74HC××RP）；静态功耗极低、电源电压范围宽（4.75~18V）、抗干扰强；主要失效原因是静电击穿；多余输入端不允许悬空。 ③【多余输入端处理】与门、与非门多余端接固定高电平或与信号端并联；或门、或非门多余端接地；TTL/CMOS 电源极性均不得接反。 ④【输入/输出负载特性】TTL 与非门输入负载：ROFF≈0.8kΩ、RON≈2kΩ；RI 小→低电平→输出高，RI 大→高电平→输出低，中间区不定。输出高电平为拉电流、低电平为灌电流；带负载能力用扇出系数 NO（可驱动同类门个数）表示。 ◆ 本节必记：TTL 与 CMOS 型号五部分含义；多余端“与/与非接高、或/或非接地”；ROFF/RON、NO 三个参数。 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $