数字系统电路

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数字系统电路

2024-04-18 22:25| 来源: 网络整理| 查看: 265

逻辑门电路是数字电路中最基本的单元电路,是构成各种逻辑功能电路的基本电路。逻辑是指思维的规律性,在电子电路上能够实现逻辑功能的电路就称为逻辑电路。在数字电路中,最基本的逻辑电路是按简单规律动作的电子开关电路,我们将这种电子开关电路称为逻辑门电路。

机械开关和电子开关

由于数字电路中最基本的元器件为电子开关,它只有两个状态:一是开关的开,二是开关的关,数字系统电路中的电子开关电路就是逻辑门电路。

逻辑门电路又叫逻辑电路。逻辑门电路的特点是只有一个输出端,而输入端可以只有一个,也可以有多个,且常常是输入端多于一个。

逻辑门电路的输入端和输出端只有两种状态:(1)输出高电平状态,此时用1 表示;(2)输出低电平状态,此时用0 表示。1.机械开关

机械开关我们都很熟悉,如家庭使用的电灯开关就是机械式开关,这种开关的开与关动作是通过机械触点完成的,在开关的开与关动作过程中有机械触点的转换。

机械开关的特点是开关断开时,两触点之间的断开电阻为无穷大;在开关接通时,两触点之间的电阻小到为零。但是,机械开关的动作频率不能很高,即这种开关在1s内的开关次数不能很多。

图8-1 所示是机械式开关电路,电路中的 U_i 是输入这一开关电路的输入电压,S1 是机械开关,EL 是灯泡,为负载。

图8-1 机械式开关电路示意图

当开关S1 断开时,EL 上因为没有工作电压而不亮;当开关S1 合上时,由于开关S1 的接触电阻小到为零,这样输入电压 U_i 全部加到EL 上,EL 点亮。由于S1 接通时的接触电阻为零,这样在开关S1 上的电压降为零,输入电压Ui 全部加到负载EL 上。

2.电子开关

电子开关是通过电子元器件来实现机械开关动作的,它具有机械开关的开与关功能,其特点是开关频率可以很高(比机械开关高得多),即开关速度快,这样可以适应数字系统电路工作频率高的要求。

但是,电子开关在开关接通时的接触电阻不能小到等于零的程度,开关断开时的断开电阻也不能大到无穷大的地步,只是能够做到开关断开与接通时的电阻相差很大,而数字系统电路中的开关电路并不要求像机械开关那样的接触电阻和断开电阻,电子开关的接触电阻和断开电阻特性已经能够满足数字系统电路的使用要求,所以数字系统电路中广泛使用电子开关,而无法使用机械开关。

电子开关可以用二极管、三极管等电子元器件构成。采用二极管构成电子开关时称为二极管开关电路,采用三极管构成电子开关时称为三极管开关电路。

3.二极管开关电路等效电路

二极管开关电路中要使用二极管,由于普通二极管的开关速度不够高,所以在这种开关电路中所使用的二极管为专门的开关二极管。图8-2 所示是开关二极管的图形符号及等效电路。图8-2(a)所示是开关二极管的图形符号,它与普通二极管的图形符号相同,所以只从图形符号上是无法分辨出开关二极管的。

图8-2 开关二极管图形符号及等效电路

图8-2(b)所示是开关二极管的等效电路,从图中可看出,开关二极管在等效成一只开关S1 的同时,还有两只电阻。等效电路中的开关S1 是一个理想的开关,即其接通电阻小到为零,其断开电阻大到为无穷大。

开关二极管在实际电路中并不是一个理想的开关,这是因为等效电路中存在电阻R1 和R2。电阻R1 与S1 串联,它是开关S1 接通时的接通电阻,R1 阻值小(远小于R2 的阻值),这样当开关二极管导通时的接通电阻就是R1。

当开关二极管截止时(开关S1 断开),由于电阻R2 的存在,开关二极管并不像机械式开关那样断开时电阻为无穷大,但是电阻R2的阻值相当大。

由于开关二极管接通时的电阻R1 远小于截止时的电阻R2,这样开关二极管也有一个开与关的动作差别,尽管这种差别不像机械式开关那么理想,但是在数字电路中已经能够满足使用要求,所以开关二极管可以作为电子开关来使用。

在分析数字系统中的电子开关电路时,为了方便电路的分析,通常将二极管的开关作用等效成一个理想的电子开关,即可以用图8-2(c)所示的开关图形符号来等效开关二极管。

4.二极管开关电路

图8-3(a)所示是采用开关二极管构成的电子开关电路,电路中的VD1 是开关二极管, U_i 是输入电压,R1 是负载电阻, U_o 为负载电阻R1 上的电压,输入电压 U_i 和输出电压 U_o 波形如图8-3(b)所示。

图8-3 二极管电子开关电路

这种电路的工作原理是这样:输入电压 U_i 为一个矩形脉冲电压,在 t_0 之前这一输入电压为0V,此时开关二极管VD1 的正极上没有电压,所以VD1 处于截止状态,其内阻很大,VD1 相当于断开,这样输入电压 U_i 就不能加到负载电阻R1 上,此时的输出电压 U_o 为0V,如图8-3(b)所示的是 t_0 之前的波形。

当输入电压 U_i 从 t_0 到 t_1- ( t_1- 指 t_1 时刻到来前)期间为正脉冲,这一足够大的电压加到VD1 正极,使VD1 从截止状态转换到导通状态,此时VD1 的内阻很小(可以认为小到为零),这样输入电压 U_i 就全部加到负载电阻R1,此时电阻R1 上的电压波形如图8-3(b)所示。

当输入电压 U_i 在 t_1 时刻从高电平跳变到低电平时,输入电压 U_i 为0V,这时开关二极管VD1 截止,VD1 相当于开路,电阻R1 没有电压。

从上述电路分析可知,当有电压加到VD1正极时,VD1 导通;当没有电压加到VD1 正极时,VD1 截止,负载电阻R1 上没有电压。由此可见,VD1 起到了一个开关作用。

开关二极管导通与截止之间的转换速度很快,即所谓的开关速度高。

5.三极管开关电路基础知识

同二极管一样,三极管也能构成电子开关电路,这种电路中的三极管采用专门的开关三极管。图8-4 所示是开关三极管的等效电路。

图8-4(a)所示为三极管的图形符号,在作为开关管使用时,三极管集电极和发射极分别是开关的两个电极点,其基极则是控制开关三极管通与断的控制电极,如图8-4(b)所示。

图8-4 开关三极管的等效电路

由三极管导通和截止的内阻特性可知,在三极管饱和导通时,其集电极与发射极之间的内阻很小,相当于集电极与发射极之间已经接通;当三极管截止时,集电极与发射极之间的内阻很大,相当于集电极与发射极之间已经断开。这样,三极管的集电极与发射极之间的阻值大小变化特性可作为开关来使用。

开关三极管与普通三极管的基本结构相同,只是导通时的内阻更小,截止时的内阻更大,开关三极管截止与饱和导通之间的转换时间更短,即开关三极管的开关速度更快。

6.三极管开关电路

图8-5 所示是由三极管构成的电子开关电路。电路中,VT1 是开关三极管, U_i 为输入电压,它加到VT1 管的基极,+V 是直流工作电压,EL 是灯泡。这一电路的工作原理是:输入电压 U_i 在 t_1 时刻之前为0V,这样VT1 基极没有电压,VT1 因没有正常的直流偏置电压而处于截止状态,此时VT1 集电极与发射极之间的内阻很大而相当于开关的断开状态,这样直流电压+V不能通过VT1 加到EL 上,EL 不能点亮。

图8-5 三极管电子开关电路

当输入电压U_i 在 t_1~t_2 期间,VT1 基极上加有足够的正常直流偏置电压,这一电压使VT1 管处于饱和导通状态,这时VT1 管集电极与发射极之间形成通路,所以直流电压+V 通过VT1 管的集电极和发射极加到EL 上,使EL 点亮。

从上述分析可知,开关三极管的导通与截止是受基极上直流控制电压控制的,这一点与二极管电子开关电路是不同的。

7.开关电路识图小结

关于开关电路的识图主要说明下列几点。

(1)开关电路有机械式开关电路和电子式开关电路两种,它们各自的特点是这样:机械式开关的开与关都比较彻底;而电子开关接通时不是理想的接通,断开时也不是理想的断开,但这并不影响电子开关的功能。

(2)理解电子开关电路的工作原理要从机械式开关电路入手,电子开关也同机械式开关一样,要求有开与关的动作。

(3)电子开关电路中,作为电子开关元器件的可以是开关二极管、开关三极管,也可以是其他电子元器件。

(4)二极管开关电路与三极管开关电路是有所不同的,前者的开关动作直接受工作电压控制,而后者电路中有两个电压信号,即一个直流工作电压,另一个是加到三极管基极的控制电压,控制电压只控制开关三极管的饱和与截止,不参与对开关电路的负载供电工作。

(5)二极管开关电路中的工作电压可以是加到二极管的正极(前面电路就是这样的),也可以是加到二极管的负极,这两种情况下的直流工作电压极性是不同的。无论哪种情况,加到开关二极管上的直流工作电压都要足够大,大到足以让二极管处于导通状态。

(6)对于三极管开关电路而言,开关管可以用PNP 型三极管,也可以用NPN 型三极管。采用不同极性开关三极管时,加到开关三极管基极上的控制电压极性是不同的,它们要保证开关三极管能够进入饱和与截止状态。

或门电路按逻辑功能划分基本的逻辑门电路主要有这样几种:或门电路、与门电路、非门电路、或非门电路和与非门电路。按照构成门电路的电子元器件种类来划分,门电路有这样几种:二极管门电路、TTL 门电路和MOS 门电路。

或门电路的英文名称为OR gate。

1.或逻辑

或门电路可以完成或逻辑。图8-6 所示中3个开关S1、S2、S3 相并联,对于要灯泡EL亮而言,只要S1、S2 或S3 中有一个开关接通,灯泡EL便能点亮。这种要灯泡亮的条件称为“或”逻辑,能够实现或逻辑的电路称为或门电路。

图8-6 或逻辑概念示意图2.或门电路

图8-7 所示是或门电路的逻辑符号和由二极管构成的或门电路,图8-7(a)所示为过去规定的或门电路的图形符号,方框中用+ 号表示是或逻辑。图8-7(c)所示为最新规定的或门图形符号,注意新规定中的符号与老符号不同。

图8-7 或门电路

这里的或门电路共有3 个输入端A、B、C,输出端是F,其他或门电路可以是两个输入端,或是有更多的输入端,但无论或门电路有多少个输入端,或门电路的输出端只有一个。从或门图形符号中可以知道或门电路有几个输入端。图8-7(b)所示是由二极管构成的有3 个输入端的或门电路。

分析或门电路工作原理的方法是这样:要将或门电路的输入端分成几种情况,这里以图8-7(b)所示或门电路为例。

(1)设A、B、C 3 个输入端均为逻辑0(逻辑0 为低电平,简称0,此0 不是算术中的0),此时VD1、VD2和VD3正极电压全部为低电平,这样3 只二极管全部导通,此时输出端F 通过电阻R1 与电源-V 相连,这样输出端F 输出低电平,即F 为0。

(2)设只有输入端A 为高电平1(此为逻辑1,简称1,不是算术中的1),设这一高电平1 的电压为+3V,B、C 输入端仍为0,由于A 端为1,+3V 电压加到VD1 正极, 使VD1 导通,VD1 导通后其负极也为+3V(不计VD1 导通后管压降),使或门电路输出端F 为+3V,为高电平(即为1)。此时,由于VD2、VD3 正极为0,而负极为1(VD1 导通后使F端为1),所以VD2、VD3 因反向偏置电压而处于截止状态。

(3)设输入端中除A 外的其他输入端为1,可能有两个输入端同时为1,但有两个或有一个输入端仍然为0 时,同样的道理或门电路的输出端F 输出1。

(4) 设3 个输入端A、B、C 同时为1,VD1、VD2、VD3 均导通,或门电路输出F 也是为1。

3. 或逻辑真值表

或门电路的输入端与输出端之间的逻辑关系为或逻辑,或逻辑可以用真值表来表示各输入端与输出端之间的逻辑关系。表8-1 所示是有3 个输入端的或门电路真值表。

表8-1 3 个输入端的或门电路真值表

从表8-1 中可以看出,只有第一种情况,即各输入端都是0 时,输出端才输出为0。只要输入端有一个为1,则输出端F 就为1。为了帮助记忆或门电路的逻辑关系,可将它说成“有1 出1”,也就是只要或门电路中的任意一个输入端为1,不管其他输入端是0 还是1,输出端F 都是1。

4.或门电路数学表达式

或门电路的输出端与输入端之间的或逻辑关系也可以用数学表达式来表示,3 个输入A、B、C 或门电路的数学表达式如下:

F = A + B + C

式中:F 为或门电路的输出端;A、B 和C 分别是或门电路的3 个输入端;式中的+ 号不是算术运算中的+,而是表示逻辑或。

注意式中的输入端A、B、C 只有0、1 两个状态。关于逻辑或的运算举例如下:

(1) 1 + 1 + 1 的逻辑或运算结果等于1,而不是算术运算中的1 + 1 + 1 = 3,也不是二进制中的加法运算。

(2) 1 + 0 + 1 的逻辑或运算结果等于1,而不是算术运算中的1 + 0 + 1 = 2,也不是二进制中的加法运算。

(3) 0 + 0 + 0 的逻辑或运算结果等于0。

5.识图小结

关于或门电路的识图主要说明下列几点。

(1)在分析各种门电路时常会出现高电平1、低电平0,它们也可以简称为1、0,注意这里的1 和0 不是算术中的1 和0,而是逻辑1和逻辑0,可用图8-8 所示的示意图来说明其具体含义。

图8-8 逻辑1 和0 示意图

从图8-8 中可看出,一个电平区域中,将电平值高于A 的称为高电平,用1 表示,显然1 不是一个具体的电平大小,它只表示了大于电平A 的电平,它们统称为1。

对于低电平0 也是这样,凡是电平小于B的电平都称为低电平,它们都用0 表示。

在1 和0 之间还有一段电平区域,即图中A~B 之间电平,它们不是1 也不是0,称为禁区,在禁区的电平不能正确发现逻辑关系,所以逻辑电路中的输入电平或输出电平是不能落入该电平区内的。

(2)对于某一个具体的逻辑电路而言,高电平1 的电压值是有一个确定区域的,如前面电路中高电平1 为+3V 及大于+3V 的电压,在另一个逻辑电路中高电平可以不是+3V,视具体电路而定。

(3)注意上面介绍的逻辑或运算与前面介绍的二进制数相加是不同的概念,所以运算结果是不同的,如逻辑或1+1+1 = 1,而二进制数相加1+1+1 = 11。不搞清楚它们之间的区别,电路分析就无法进行。

(4)记住分立元器件或门电路的分析方法,要分别按输入端几种不同的1 或0 输入状态进行分析,分别得出输出端F 的输出状态。但是,在掌握了或门电路的逻辑关系后就不必进行上述一步一步的分析,利用“有1 出1”的结论,直接得到或门电路的输出状态。

(5)或门电路的输入端至少有两个,上面介绍的是三输入端或门电路,还可以有更多输入端,但或门电路的输出端只有一个。

(6)真值表和数学表达式都可以表示或门电路的逻辑关系。任何一个门电路都一个与之相对应且唯一的真值表,通过真值表能够清楚地看出门电路的逻辑关系,所以在进行门电路分析过程中常用到真值表。

与门电路

与门电路的英文名称为AND gate。

1.与逻辑

与门电路可以完成与逻辑。图8-9 所示的开关电路可以说明与逻辑的概念,图中3 个开关(S1、S2、S3)相串联,对要灯泡EL 亮而言,必须做到3 个开关同时接通,若3 个开关中有一个开关没有接通,灯泡EL 因电路不成回路而不能点亮。这种要灯泡亮的条件称为“与”逻辑,与门电路能够实现与逻辑。

图8-9 与逻辑概念示意图2.与门电路

图8-10 所示是与门电路图形符号和由二极管构成的与门电路。图8-10(a)所示为与门图形符号,这是过去的图形符号,最新规定的与门图形符号如图8-10(c)所示,从这一符号中可以知道与门电路中有几个输入端。图8-10(b)所示是由二极管构成的具有3 个输入端的与门电路,与门电路可以有更多的输入端,但输入端最少不可以少于两个,图中A、B、C 为这一与门电路的3 个输入端,F 为输出端。

图8-10 与门电路

关于与门电路的工作原理分成下列几种情况进行说明。

(1)设输入端A、B、C 都是0 时,VD1、VD2、VD3 正极通过电阻R1 接在直流工作电压+V 上,这样3 只二极管都具有正向偏置电压,3 只二极管都处于导通状态,因为二极管导通后其管压降均很小,此时与门电路的输出端F为低电平,即此时F = 0。

(2)设输入端A 为+3V,B、C 端仍然为低电平0,此时VD2、VD3 导通,与门电路输出F 仍为0。此时,因为VD1 正极为低电平0,而其负极为+3V,VD1 处于截止状态。

(3)设任何一个输入端只要是输入低电平0 时,总有一只二极管导通,而使与门电路输出端F = 0。

(4)设输入端A、B、C 都为高电平1(+3V),VD1、VD2、VD3 都导通,因为直流工作电压+V 远大于+3V,在不计导通后二极管的管压降情况下,此时与门电路输出端F 为+3V,即此时F = 1(为高电平)。

从上述三输入端与门电路的分析可知,只有与门各输入端都为1 时,与门输出端才为1。

3.与逻辑真值表

表8-2 所示是三输入端与门电路真值表。

表8-2 三输入端与门电路真值表

从表8-2 可以看出,在与门电路中,只有当输入端都为1 时,输出端才为1。当输入端有一个为0 时,输出端为0。为了便于记忆与门电路的逻辑关系,可说成“全1 出1”,即只有与门电路的全部输入端为1 时,输出端才为1,否则与门电路输出为0。

从或门电路和与门电路的真值表中可以看出:对于与门电路而言,对1 状态而言是与逻辑,而对0 状态而言是或逻辑。在或门电路真值表中,对于1 状态是或逻辑,而对0 状态而言是与逻辑。所以,与逻辑、或逻辑是相对的,不是绝对的,是有条件的。

通常,在未加说明时是指1 状态的逻辑关系,可称为正逻辑。正的或门电路是负的与门电路,而正的与门电路是负的或门电路。正逻辑指输出高电平为1 状态,负逻辑指输出低电平为0 状态。

4.与门电路数学表达式

与门电路可以用下列数学式来表示:

F = A·B·C(或F = ABC)

式中:F 为与门电路的输出端;A、B 和C 分别是与门电路的3 个输入端;式中的· 是逻辑乘符号,不作算术中的乘法运算,这一“·”可以省略。

注意式中的输入端A、B、C 只有0、1 两个状态。关于逻辑乘的运算举例如下:

(1) F = 1·1·1 = 1 (2) F = 1·0·1 = 05.识图小结记住与逻辑是“全1 出1”,也就是只有所有输入端都为1 时输出端才是1;只要有一个输入端为0,无论其他输入端是1 还是0,输出端都是0。

关于与门电路的识图主要说明下列几点。

(1)记住与门电路可以实现与逻辑,当数字系统中需要进行与逻辑运算时,可以用与门电路。

(2)与门电路同或门电路一样,一定是有两个或两个以上的输入端,而输出端只有一个。输入端和输出端都是只有1 或0 两个状态。

(3)二极管与门电路的分析方法同或门电路一样,与门电路也有真值表和数学表达式。

(4)逻辑有正逻辑和负逻辑之分,通常在未加说明时指的是正逻辑。正逻辑是指输出状态为1 的逻辑,负逻辑是指输出状态为0的逻辑。根据这一定义,正与门电路就是负或门电路,正或门电路就是负与门电路,从上面的与门电路和或门电路真值表中可看出这一点。

非门电路

非门电路的英文名称为NOT gate。

1.非逻辑

所谓非逻辑就是相反,如1 的非逻辑是0,0 的非逻辑是1。数字系统中的非逻辑可以用非门电路来实现。

2.非门电路

非门电路无法用二极管构成,必须使用晶体三极管。图8-11 所示是用三极管构成的最简单的非门电路示意图,图8-11(a)所示是由三极管构成的非门电路,图8-11(b)所示是最新规定的非门图形符号,在过去的非门图形符号中没有1 标记。

图8-11 非门电路

图8-11(a)所示电路实际上是一个三极管反相器,三极管VT1 接成共发射极电路,基极是非门电路的输入端,集电极是非门电路的输出端。当给VT1 管基极输入高电平1 时,根据共发射极电路工作原理可知VT1 管集电极F 端输出低电平0。当给VT1 管基极输入低电平0 时,VT1 管集电极输出高电平1。非门电路中这种输入端A 与输出端F 之间的逻辑关系称为非逻辑。

在图8-11(a)所示非门电路中,电阻R1是VT1 管基极限流电路,电容C1 是加速电容,R2 将-V 加到VT1 管基极,使VT1 管输入端为0 时能够可靠地截止,以保证非逻辑的可靠性。电路中,R3 为VT1 集电极负载电阻。

从图8-11(b)所示非门逻辑符号中可看出,非门电路只有一个输入端和输出端,这一点与前面介绍的与门电路和或门电路不同,另外图形符号中用一个小圆圈表示非逻辑的意思。

3.真值表

非门电路可以实现非逻辑,表8-3 所示是非门电路的真值表。

表8-3 非门电路真值表4.非门电路数学表达式

非门电路输入端和输出端之间的逻辑关系可用下式表达:

式中:F 是非门电路的输出端; A是非门电路的输入端,A 上面的一横表示“否”的意思, \bar{A} 读作A 非。

5.MOS 非门电路

(1) NMOS 非门电路。图8-12 所示是NMOS 非门电路,图8-12(a)所示是基本的NMOS 非门电路,图8-12(b)所示是性能更好的NMOS 非门电路。电路中,A 是输入端,为VT1 管栅极;F 为输出端,为VT1 的漏极;R1是VT1 管漏极负载电阻。

图8-12 NMOS 非门电路

图8-12(a)所示非门电路的工作原理是这样:设输入电平A 为低电平0,由于VT1 管栅极电压小于开启电压,此时VT1 管内不能形成导电沟道,VT1 管处于截止状态,VT1 管没有漏极电流流过电阻R1,在电阻R1 上没有压降,这样VT1 管漏极为高电平(漏极电压= +V - R1上压降,R1 上压降为0,漏极电压= +V),即F = 1。

当输入端A 为高电平时,VT1 管导通,漏极电流在电阻R1 上产生压降,使VT1 管漏极为低电平,即F = 0。

从上述分析可知:A = 0 时,F = 1;A =1 时,F = 0。由此可见,这是一个非门电路。图8-12(b)所示非门电路的逻辑关系与图8-12(a)所示一样,只是漏极负截电阻R1改用了一只VT1 管,用VT1 管构成VT2 管有源漏极负载,这样做的目的是为了提高NMOS非门电路的工作性能。

图8-12(b)所示非门电路的工作原理是这样:当输入端A = 0 时,VT2 管处于截止状态,此时由于VT1 管栅极接+V,使VT1 管导通,这样+V 经导通的VT1 管漏极和源极加到输出端F,所以此时F = 1。

当输入端A = 1 时,这一输入电压使VT2 管导通,此时VT1 管也导通(VT1 管无论输入端A是1 还是0 都导通),由于VT2 管导通后其管压降(漏极与源极之间压降)很小,所以此时F = 0。

在分析图8-12(b)所示非门电路时,若将VT1 管等效成一个电阻,即VT2 管漏极负载电阻,这时的电路分析就同图8-12(a)所示电路一样。

(2) CMOS 非门电路。图8-13 所示是CMOS 非门电路。图8-13(a)所示电路中VT1和VT2 都是增强型的MOS 管,但是VT1 是P沟道MOS 管,VT2 是N 沟道MOS 管, 不同沟道MOS 管构成的这种电路称为互补型电路,即CMOS 非门电路,这一电路中采用负极性直流工作电压。

图8-13 CMOS 非门电路

这一非门电路的工作原理是:VT1 管构成有源负载电路,它实际上是VT2 管漏极负载电阻。当输入端A = 0 时,输入电压使VT1 管导通,VT2 管截止,此时F = 1。当输入端A =1 时,VT1 管截止,VT2 管导通,所以F = 0。从上述可知,这一电路具有逻辑非功能,所以是一个非门电路。

电路中,VT1 管称为负载管,因为它起有源负载电阻的作用。VT2 管称为工作管,或称为控制管。

在数字系统电路中,对于CMOS 门电路时常不标出管子源极的极性,如图8-13(b)所示,VT1和VT2 管没有源极的极性,此时是根据直流电极极性来分辨哪只是NMOS 管,哪只是PMOS 管。

判断方法是这样:正极电源供电时,正电源要接在NMOS 管的漏极;对于负电源供电时,负电源要接在PMOS 管的漏极。由此可知,电路中VT1 是NMOS 管,VT2 是PMOS 管。

这一规律也可以从图8-13(a)所示电路中VT1 管源极箭头方向来理解记忆,箭头方向所指是电流方向,VT1 管箭头方向向外,电流在外电路中的流动方向是流向电源负极的,所以VT1 管漏极要接负电源。

CMOS 非门电路具有功耗小、电压传输特性好、工作速度快、适合于大规模集成化的优点,应用广泛。

6.识图小结

非门电路无法用二极管构成,得用晶体三极管来构成,这一点与前面介绍的或门电路和与门电路不同。

关于非门电路主要说明下列几点。

(1)非门电路只有一个输入端,这一点同前面介绍的两种门电路不同,输出端为一个。

(2)当数字系统中需要进行非逻辑运算时,可以用非门电路来实现。

(3)关于非逻辑要记住:1 的非逻辑是0,0 的非逻辑是1。逻辑中只有1 和0 两种状态,记住非逻辑就是相反的结论,可方便进行非逻辑运算和分析。

(4)由于构成非门电路的半导体器件不同,有多种非门电路。其中,MOS 非门电路有3 类:一是NMOS 型,二是PMOS 型,三是COMS 型,它们的区别主要是所用MOS 管不同和电路结构不同,其中COMS非门电路应用最为广泛,性能最好。

(5)在分析MOS 管导通与截止时,有一个简便方法,要看3 个方面:一是看是增强型还是耗尽型,二看MOS 管箭头方向(也就是看是什么沟道), 三是看栅极是高电平1还是低电平0。为方便电路分析,将各种情况用图8-14 来表示,进行电路分析时可根据此图来作出MOS 管导通和截止的判断。

图8-14 各种情况下MOS 管导通、截止判断示意图

图8-14(a) 和图8-14(b) 都是耗尽型MOS 管,它们的导通和截止判断方法同三极管一样。如图8-14(a)所示,MOS 管箭头向里、栅极为低电平(G = 0)时,管子导通,可理解成栅极低电平、箭头向里有利于电流流动,所以管子导通;当G = 1 时,由于栅极为高电平,不利于电流流动,所以此时管子截止。如图8-14(b)所示,管子箭头向外,当G = 0 时不利于电流的流动,所以管子截止;当G = 1时,有利于电流流动,此时管子导通。

如图8-14(c)和图8-14(d)所示,它们都是增强型MOS 管,对它们的导通、截止判断方法与前面正好相反。如图8-14(c)所示,当G = 0 时,从箭头上判断是有利于电流流动的,管子应该导通,但判断方法同上恰好相反,此时管子应截止;同样的道理,当G = 1 时,管子导通。如图8-14(d)所示,当G = 0 时,管子导通;当G = 1 时,管子截止。

(6) MOS 非门电路的优点是输入端是绝缘的,即直流电阻很大,这样对直流电源的消耗很小,功耗很小。此外,直流工作电压范围较宽,可达3 ~12V。

(7) MOS 非门电路都已集成电路化,在使用MOS 集成电路时要注意几点:输入端不能悬空,因为悬空后输入端会感应静电,击穿栅极而损坏集成电路,同时也会受到干扰而造成逻辑混乱,对于不使用的引脚根据逻辑功能接高电平(如与非门电路),或是接低电平(如或门电路、或非门电路)。另外,在使用中集成电路的电源切不可接反。

与非门电路

与非门电路的英文名称为NAND gate。

前面介绍过与门电路和非门电路,与非门电路就是实现先与逻辑再非逻辑的电路。由于与非门电路中存在非逻辑,所以这种电路要使用三极管。

1.图形符号

图8-15 所示是与非门图形符号。图8-15(a)是过去规定的与非门电路的图形符号,这是一个具有3 个输入端的与非门电路。图8-15(b)所示为最新规定的与非门图形符号。

图8-15 具有3 个输入端的与非门图形符号2.与非门电路真值表

表8-4 所示是具有3 个输入端的与非门电路真值表。

表8-4 具有3 个输入端的与非门电路真值表从上述与非门电路的真值表中可得出与非门电路输出端F 与输入端之间的与非逻辑关系是这样:只有当所有输入端都是1 时,输出端才是0;只要输入端中有一个是0,输出端就是1。这一与非逻辑实际上也是很好理解的,因为与非门就是先与逻辑,然后再非逻辑。而与逻辑只有所有输入端都是1 时,输出端才是1,1 的非逻辑是0, 所以与非门电路中的所有输入端为1 时,输出端才是0。

与非门电路能够实现与非逻辑,所以当数字系统中需要进行与非逻辑运算时,可以使用与非门电路。

3.与非门电路数学表达式

与非门电路的输出端与输入端之间的与非逻辑可以用下列数学表达式来表示:

式中:F 为与非门电路的输出端;A、B 和C是与非门电路的3 个输入端; \overline{ABC} 表示的意思是先对ABC 进行与逻辑运算,然后对它们的与逻辑结果再进行非逻辑运算。

从上式中也可以看出,一横是在A、B、C上面,这表示要先进行与逻辑,之后再进行非逻辑,并不表示A、B、C 每一个先非逻辑之后再进行与逻辑。

如果是 \bar{A}\bar{B}\bar{C} ,这就表示要先对A、B、C分别进行非逻辑,然后再对其结果进行与逻辑。

4.TTL 集成与非门电路

TTL 是英文Transistor-Transistor-Logic 的缩写,意为三极管- 三极管-逻辑电路。当逻辑门电路的输入级和输出级都是采用三极管时,将这种逻辑门电路称为TTL 逻辑门电路。TTL与非门目前都是集成电路型的,图8-16 所示是多发射极三极管,它设在集成电路内部,这是3 个发射极的三极管,图8-16(c)是这种多发射极三极管的等效电路,从图中可看出,这种三极管只有一个基极和集电极,3 个发射结和一个集电结构成一个相当于二极管的三输入端与门电路。这种多发射极三极管一般发射极的数目不多于5 个,如果需要有5个以上的输入端时,可采用一种称为TTL 扩展器的电路。

图8-16 多发射极三极管

图8-17 所示是TTL 集成与非门电路示意图。VT1 管构成输入级电路,VT2 管构成中间级电路,VT3 和VT4 构成输出级电路。输入级电路是一只三发射极三极管,根据它的等效电路可知它相当于一个三输入端的与门电路, 当A、B 和C 都为1 时,VT1 截止,其集电极为高电平,使VT2 管基极为高电平,VT2 管导通, 其发射极为高电平, 同时使VT2 管集电极为低电平。

图8-17 TTL 集成与非门电路

VT2 管发射极的高电平加到VT4 管基极,使VT4 管导通。同时,VT2 管集电极为低电平,使VT3 管基极为低电平,VT3 管截止, 这样VT4管集电极为低电平, 这一门电路输出端F = 0。

只要输入端A、B、C 中有一个是低电平,VT1 管就导通,VT1 管的导通能抽走VT2 基极电荷,使VT2 管迅速脱离饱和导通而转入截止状态。VT2 截止后其发射极为低电平,集电极为高电平,此时VT3 管基极因高电平而导通,直流电压+V 经R4、导通管VT3 集电极和发射极、导通的二极管VD4 加到VT4 管集电极。由于此时VT4 管的基极为低电平,VT4 管处于截止状态,这样VT4 管集电极为高电平,这一门电路输出端F = 1。

通过上述电路可知,只有A、B、C 3个输入端同时为1 时,输出端F = 0;只要有一个输入端为0 时,F = 1。由此可知,这一电路实现的是与非逻辑,所以这是一个与非门电路。

电路中,电阻R4 的作用是在输出端F 由低电平变为高电平时限制瞬间电流的峰值。输入端的二极管VD1、VD2 和VD3 对直流电路没有影响,它们的作用是减小负极性的瞬间干扰,并使输入端电压限制在0.7V 以内。

5.NMOS 与非门电路

图8-18 所示是由NMOS 管构成的与非门电路,这是一个两个输入端A、B 的与非门电路。电路中,VT1 管接成常导通状态,VT2 和VT3管串联,F 是与非门的输出端。

图8-18 NMOS 管构成的与非门电路

这一电路的工作原理是:当两个输入端A 和B 同时为高电平1 时,VT2 和VT3 管同时导通,此时输出端F = 0;当输入端A 或B 只要有一个为0 时, 如A = 0,VT2 管截止,由于VT2 和VT3 管串联,只要其中一只管子截止,输出端F = 1。通过上述分析可知,这一电路可以实现与非逻辑,所以是与非门电路。

6.COMS 与非门电路

图8-19 所示是两个输入端的COMS 与非门电路,电路中A 和B 端是两个输入端,F 端是门电路的输出端,VT1 和VT2 是PMOS 管,VT3 和VT4 是NMOS 管。

图8-19 两个输入端的COMS 与非门电路

这一电路的工作原理是:输入端A 和B 同时为1 时,VT3 和VT4 管导通,此时VT1 和VT2 管截止,所以输出端F = 0;当输入端A或B 中只要有一个为0,设A = 0,此时VT3管截止,VT2 管导通,此时输出端F = 1。由上述分析可知,这一电路能够实现与非逻辑,所以是一个两个输入端的与非门电路。

7.识图小结

关于与非门电路主要说明下列几点。

(1)可以这样记忆与非门的逻辑关系:因为它是先与后非,所以知道与逻辑和非逻辑之后就能够记住与非逻辑了。与逻辑是“全1 出1”,再非后就是与非逻辑“全1 出0”,只要输入端有一个为0,输出端就是1。

(2)与非门有TTL 与非门和MOS 与非门,它们的逻辑功能相同,只是构成门电路的器件不同。TTL 与非门和MOS 与非门都是集成化的电路。

(3)在掌握了前面介绍的TTL 集成与非门电路和MOS 集成与非门电路工作原理之后,没有必要对集成电路内电路中的具体与非门电路进行分析,只要记住门电路的逻辑功能就行。

(4) MOS 管与非门电路根据所用MOS 管的不同分为多种,它们的逻辑功能都是实现与非逻辑,只是组成与非门电路的MOS器件不同,其中COMS 电路用得最为广泛。

(5)要记住所谓CMOS 电路就是采用互补型的MOS 管构成的电路。

或非门电路

或非门电路的英文名称为NOR gate。

或非门电路的组成是这样,在或门电路之后再接一个非门电路,从逻辑功能上讲这种电路可以实现先或逻辑再非逻辑。

1.图形符号

图8-20 所示是或非门图形符号, 其中图8-20(a)是过去规定的或非门电路的图形符号,图8-20(b)所示是最新规定的或非门图形符号。从或非门图形符号中可看出,同与非门电路的图形符号中相同,在右侧有一个小圆圈表示是非门。图形符号中的A、B、C 是3 个输入端,F 是输出端。

图8-20 或非门图形符号2.真值表

表8-5 所示是3 个输入端的或非门电路真值表。

表8-5 3 个输入端的或非门电路真值表从表8-5 中可看出,或非逻辑是输入端全0 时输出1,输入端只要有1 输出就是0。3.或非门电路数学表达式

或非门电路输入端与输入端之间的或非逻辑可以用下列数学表达式来表示:

式中:F 为或非门电路的输出端;A、B 和C是或非门电路的3 个输入端; \overline{A+B+C} 表示的意思是先对A、B、C 进行或逻辑运算,然后对它们的或逻辑结果再进行非逻辑运算。从上式中也可以看出,一横是加在A、B、C 上面,这表示要先进行或逻辑,之后再进行非逻辑,并不表示A、B、C 每一个先非逻辑之后再进行或逻辑。如果是 \bar{A} + \bar{B}+ \bar{C} ,这就表示要先对A、B、C 分别进行非逻辑,然后再对其结果进行或逻辑。

4.NMOS 集成或非门电路

图8-21 所示是由NMOS 管构成的或非门电路,这是一个两个输入端的或非门电路。电路中,VT1、VT2 和VT3 管是NMOS 管,A 和B 是或非门电路的输入端,F 是或非门电路的输出端。

图8-21 NMOS 管构成的或非门电路

这一电路的工作原理是:当两个输入端都为高电平1 时,VT1 和VT3 导通, 由于VT2管始终导通,这样输出端F = 0;当输入端A或B 为高电平1 时,VT1 和VT3 管子中有一只管处于导通状态,这时输出端F 也是为0;当两个输入端都是低电平0 时,VT1 和VT3 管处于截止状态,VT2 管导通,这样输出端F = 1。

从上述电路分析可知,这一电路可以实现或非逻辑,所以是或非门电路。

5.CMOS 集成或非门电路

图8-22 所示是由NMOS 和PNOS 管构成的两个输入端的CMOS 或非门电路。电路中,VT1 和VT4 是NMOS 管,VT2 和VT3 是PMOS 管,A 和B 是或非门电路的输入端,F是或非门电路的输出端。

图8-22 NMOS 和PNOS 管构成的两个输入端CMOS 或非门电路

这一电路的工作原理是:当两个输入端A、B 都是低电平0 时,A = 0 使VT2 管导通、VT1 管截止,B= 0 使VT3 管导通、VT4 管截止,这样门电路输出端F = 1;当A、B 都是高电平1 或其中一个为高电平1 时,VT2 和VT3 管截止,VT1 和VT4 管导通,这时输出端F = 1。

通过上述电路分析可知,这一电路能够实现或非逻辑,所以是一个两输入端的或非门电路。

6.识图小结

关于或非门电路主要说明下列几点。

(1)或非门电路能够实现或非逻辑的运算。或非门电路的输出端只有一个,但可以有许多个输入端。或非门电路的输出端与输入端之间的逻辑关系是:只有当所有的输入端为低电平0 时,输出端才是1;只要输入端有一个为高电平1,输出端就输出为0。

(2)记忆或非逻辑的方法同前面介绍的与非逻辑一样,先进行或逻辑,再将或逻辑结果进行非逻辑。

(3)或非门电路可以采用TTL 门电路,也可以使用MOS 门电路,这两种电路都是集成电路型的。

其他门电路1.TTL 与扩展器电路

多发射极三极管受制造工艺的限制,其发射极数目一般不能多于5 个,但是数字系统中往往要求有更多输入端的与非门电路,此时可用TTL 与非门扩展器来解决这一问题。

图8-23(a)所示是TTL 与扩展器图形符号,图8-23(b)所示是与扩展器和与门电路相连后的电路。从图8-23(b)中可看出,上面是一个与门电路,只有5 个输入端A、B、C、D 和E,在使用了与扩展器后可将输入端扩展到10 个。

图8-23 TTL 与扩展器图形符号2.与或非门电路

与或非门电路是两个或两个以上与门和一个或门,再加一个非门串联起来的门电路,图8-24 所示是这种逻辑门电路的结构示意图和图形符号。图8-24(a)所示是逻辑门电路结构示意图,图8-24(b)所示是两种与或非门图形符号。

图8-24 与或非门电路结构和图形符号

从图8-24(a)所示结构示意图中可看出,两个与门的输出端分别输出A·B 和C·D,加到或非门电路的两个输入端,这样就构成了与或非门电路。显然,4 个输入端A、B、C、D 先进行两个与逻辑运算,再对结果进行或逻辑运算,最后再次进行非逻辑运算。

图8-24(b)所示是过去采用的与或非门图形符号,图8-24(c)所示是最新规定的与或非门图形符号。

3.异或门电路

图8-25 所示是异或门电路图形符号。这种逻辑门电路只有两个输入端,一个输出端。

图8-25 异或门电路图形符号

输出端与输入端之间的逻辑关系是:当两个输入端一个为1、另一个为0 时,输出端为1;当两个输入端都是为1 或都是为0 时,输出端为0。表8-6 所示是这种异或门电路的真值表。

表8-6 异或门电路真值表4.OC 门电路

OC 是英文Open Collector 的缩写,OC 门又称为集电极开路与非门,它的逻辑功能同其他与非门电路一样,只是具体的与非门电路结构不同,如图8-26 所示。图8-26(a)所示是一个三输入端的OC 与非门电路,图8-26(b)所示是这种与非门电路的图形符号。

图8-26 OC 与非门电路

这种与非门电路同前面介绍的TTL 与非门电路的不同之处是,在输出端VT4 管集电极与电源+V 之间接有一只集电极电阻R5。通过这种电路结构的改变,可以用OC 与非门实现“线与”电路。所谓“线与”电路就是不必使用与门电路,

而是直接将OC 与非门电路输出端相连,以实现与逻辑的电路。注意,并不是各种逻辑门电路都可以将输出端相连来构成线与电路。图8-27 所示是采用OC 与非门构成的线与电路。

图8-27 OC 与非门构成的线与电路

这一电路的工作原理是:当所有的OC 与非门电路输出端都是高电平1 时,线与电路输出端F = 1。只要有一个OC 与非门电路输出端为低电平0 时,线与电路输出端F = 0。在数字系统中,时常需要将几个来自不同电路的数据接到一个公共总线上,此时可以采用OC 与非门实现线与电路。

5.TSL 门电路

TSL 是英文Tristate Logic 的缩写,TSL 门电路又称为三态门电路。

前面介绍的各种门电路的输出端输出状态只有两种:一是高电平1,二是低电平0。三态门输出端的状态有3 种,即除高电平1 和低电平0 之外,还有一态是高阻状态,或称为禁止状态。当这种门电路输出端处于1 或0 状态时,与前面介绍的门电路相同;当三态门电路处于高阻状态时,门电路的输出级管子处于截止状态,整个三态门电路相当于开路,输入端的输入信息对此时的门电路输出端状态不起作用。三态门电路也是为了实现线与电路而设计的。

(1)三态门电路的特点。这种门电路是在OC 门电路基本上发展起来的,它克服了OC 门工作速度不够高和带负载能力欠佳的缺点,与普通的TTL 与非门相比,它具有TTL 与非门的优点,同时还能构成线与电路。

(2)三态门电路的结构。图8-28 所示是具体的三态门电路。从电路中可看出,这一电路与TTL 与非门电路基本相同,只是在电路中多了一只二极管VD1。电路中,A、B 和C都是数据输入端,C 在这里起控制作用,称为控制端,实际参与逻辑功能运算的输入端只有A 和B 两个,所以当三态门电路不进入高阻状态时,这一电路是具有两个输入端的与非门电路;F 是这一与非门电路的输出端。

图8-28 三态门电路

这一电路的工作原理是这样:当电路中的控制端C 输入高电平1 时, 二极管VD1正极接高电平,VD1 处于反向偏置而进入截止状态,此时电路与一个两输入端的TTL与非门电路相同,门电路可以实现与非逻辑运算。

当控制输入端C 输入低电平0 时,由于二极管VD1 负极接低电平,VD1 导通,导通的VD1 使VT3 基极为低电平,VT3 进入截止状态,其发射极为低电平,又使VT4 管基极为低电平,这样VT4 管也截止。

同时,由于VT2 集电极为低电平,VT2 截止,这又导致VT5 管基极为低电平,VT5 也进入截止状态,这样电路中的VT2~VT5 都为截止状态,此时门电路进入高阻状态,即输出端F 对地之间的阻抗相当大,相当于F 端对地之间开路。这一门电路进入高阻状态后,无论输入端A、B 输入高电平还是低电平,输出端F都没有响应。

(3)三态门电路的图形符号与真值表。图8-29所示是三态门电路图形符号。三态门电路控制端对门电路控制状态有两种情况:一是控制端为高电平1 时,门电路进入高阻状态,此时的三态门电路的图形符号如图8-29 (a)所示,控制端C 上有一个小圆圈,二是控制端为低电平0 时,门电路进入高阻状态,此时三态门电路的图形符号如图8-29(b)所示,这时的三态门电路图形符号中控制端C 上没有小圆圈;就是前面介绍的三态门电路。

图8-29 三态门电路图形符号

表8-7 所示是三态门电路真值表(控制端为0 时为高阻态)。

表8-7 三态门电路真值表

(4)三态门线与电路。图8-30 所示是采用三态门构成的线与电路,电路中的DF 是数据总线,即该线是3 个三态门电路共用的数据传输线,该线与电路要实现这样一个功能,即当其中一个三态门通过总线传输数据时,要求其他两个三态门处于关闭状态。电路中的三态门电路在控制端C 接高电平时处于高阻状态。

图8-30 三态门线与电路

这一电路的工作原理是:当电路中的C1、C2 和C3 轮流为低电平时,总有一个三态门电路与总线相连,另两个与总线脱离,这样就能实现轮流按与非逻辑输出到总线DF 上。例如,控制端C2 为低电平0,此时C1 和C3为高电平,只有A2 和B2 与非运算后的结果加到总线DF 上,另两个门由于处于高阻状态而与总线脱离。

6.复合门电路

采用分立元器件二极管和三极管组合而成的门电路称为复合门电路,这种门电路在带负载能力、工作速度和可靠性等方面都是比较好的。图8-31 所示是一种复合门电路,这一电路实际是一个采用二极管和三极管构成的三输入端与非门电路。

图8-31 复合门电路(与非门电路)

输入电路中的二极管VD1、VD2 和VD3构成二极管与门电路,VT1 构成三极管非门电路。电路中,负极性直流电压-V 用来保证VT1管在应该截止时可以可靠截止,因为负电压通过电阻R3 加到VT1 管基极。

电路中的二极管VD4 称为钳位二极管,它的作用有两个:一是使门电路输出端输出高电平时其最高电压不超过一定值,因为当输出端电压大于某一定值时,二极管VD4 导通,使门电路输出端的电压不能增大;二是加入VD4 管后可使输出电压在一定范围内不受负载变化和管子参数变化的影响,以保证门电路逻辑的可靠性。当门电路输出端为低电平时,二极管VD4 截止,此时对门电路没有影响。

7.DTL 门电路

DTL 是英文Diode-Transistor Logic 的缩写,意为二极管- 三极管逻辑门电路,这种门电路是最简单的集成门电路。

图8-32 所示是DTL 与非门电路。电路中,A、B、C 是输入端,F 是输出端,这实际上是一个三输入端的与非门电路。这一电路的特点是:在二极管与门电路和三极管非门电路之间接入了两只二极管VD4 和VD5,这两只二极管称为电平转移二极管,其作用是增大二极管与门电路输出端(即VD1 正极)同非门电路输入端(即VT1 基极)之间的电平差,使与门电路输入端的干扰电平不容易影响到VT1 管基极电平,达到提高门电路抗干扰能力的目的。

图8-32 DTL 与非门电路8.STTL 门电路

STTL 门电路是SBD TTL 门电路的简称,中文名称有抗饱和TTL 门电路,或称为肖特基钳位TTL 门电路。这种门电路传输速度很高,是TTL 门电路的改良型。该门电路中采用了肖特基势垒二极管。

(1)肖特基势垒二极管特性。这种二极管的主要特性有这样几点:一是具有普通PN 结的单向导电性;二是它导通后正向电压比普通PN 结要小(一般为0.4 ~ 0.5V),比硅PN 结的压降小0.2V 左右;三是这种二极管的导电机构是多数载流子,所以电荷存储效应很小。

(2) 带有肖特基势垒二极管钳位的三极管。图8-33 所示是带有肖特基势垒二极管钳位的三极管示意图,图8-33(a)所示是这种三极管的结构示意图,图8-33(b)所示为这种三极管的图形符号。

图8-33 带有肖特基势垒二极管钳位的三极管

普通三极管在饱和时,其集电结和发射结都是处于饱和导通状态的,数字电路中的三极管工作在饱和、截止两个状态,要求三极管在这两种状态之间转换时速度愈快愈好。三极管饱和导通时,集电结正向偏置电压愈大,其饱和程度愈深。为了提高三极管饱和、截止的转换速度,可以采取降低三极管饱和时的集电结正向偏置电压的措施,带有肖特基势垒二极管的三极管就具有这种特性。

从图8-33(a)中可看出,当普通三极管的集电极与基极之间接上肖特基势垒二极管后,三极管处于饱和状态时,集电结正向偏置电压大到一定程度肖特基势垒二极管将正向导通,使一部分流入集电结的电流通过肖特基势垒二极管流向集电极,这样可以使三极管的饱和程度减轻,所以称为抗饱和电路。

(3) STTL 门电路。图8-34 所示是STTL门电路,这一电路实际是一个三输入端的TTL与非门电路,不同的是电路中的VT1、VT2 和VT6 采用了带有肖特基势垒二极管的三极管,使这3 只三极管在饱和时饱和深度受到限制,从而提高了门电路的传输速度,所以称这种门电路为抗饱和TTL 门电路。这一门电路的输出端与3 个输入端之间的逻辑关系同普通三输入端与非门电路一样。

图8-34 STTL 门电路9.ECL 门电路

ECL 是英文Emitter Coupled Logic 的缩写,中文称为射极耦合逻辑门电路,这种电路又称为电流开关型电路,即CML 逻辑门电路,CML 是英文Current Mode Logic 的缩写。

这种门电路也是TTL 门电路的改良型电路,TTL 门电路中的三极管都要工作在饱和状态,为了提高开关速度(三极管导通与截止转换速度),只有通过改变电路工作状态,将三极管的饱和型工作改变成非饱和型工作,才能从根本上提高门电路的开关速度,ECL 门电路就是一种非饱和型高速数字集成电路,它是双极型门电路中工作速度最快的一种门电路。

图8-35 所示是ECL 门电路的基本结构电路。电路中VT1、VT2 和VT3 构成发射极耦合电路( 差分电路),A、B 是这一门电路的两个输入端,VT3 基极接一个固定的基准电压(+1V),F1 和F2是两个输出端, 对F1 而言为或非输出端,对F2 而言为或输出端。

图8-35 ECL 基本门电路

这一电路的工作原理是:当输入端A、B有一个为高电平1 时,这里设A = 1,VT1 管因为基极为高电平而导通但不处于饱和状态,根据差分电路工作原理可知,此时VT3 管截止。这样,VT1 管集电极(即门电路输出端F1)输出低电平0,VT3 管集电极(即门电路输出端F2)输出高电平1。由于VT1 和VT2管发射极并联,输入端A、B 中只有一个输入高电平1,该门电路的输出状态同上述分析的结果相同。

当输入端A、B 都是低电平0 时,VT1 和VT2 管处于截止状态。此时VT3 管导通,由于此时VT3 管集电极电压仍然高于其基极电压,所以VT3 管没有进入饱和状态,只是进入了导通状态。这时,该门电路的输出端F1 = 1,F2 = 0。

从上述分析可知,电路中的各三极管并没有入饱和工作状态,而是工作在截止与放大状态(且在饱和区的边缘),所以三极管从放大状态进入截止状态的转换速度很快,从而提高了开关转换速度。

另外,从上述电路分析还可知,这种门电路具有两种逻辑功能:一是对输出端F1 而言是或非逻辑门,即 F1 = \overline{A+B} ,二是对于 F2 而言是或逻辑门,即 F2 = A+B 。

I^2L 门

I^2L 是英文Integrated Injection 的缩写,中文意思为集成注入逻辑门,这是一种高集成度的双极型逻辑门电路,这种门电路的基本结构如图8-36(a)所示,图8-36(b)所示是这种逻辑门电路的图形符号。

图8-36 I2L 门电路结构和图形符号

从图8-36(a)所示门电路结构中可看出,这种门电路主要由两只三极管构成,即一只PNP 型三极管和一只多集电极的NPN 型三极管,这两只三极管构成一个有源反相器电路,其中PNP 型三极管是有源负载,多集电极NPN型三极管是工作管。前面介绍了多发射极三极管,在这种门电路中使用的是多集电极三极管,各集电极都是门电路的输出端,所以这种门电路的输出端不是一个而是有多个。

在电路结构上,PNP 型三极管的基极与NPN 型三极管的发射极相连,PNP 型三极管的集电极与NPN 型三极管的基极相连,整个逻辑单元电路中不需要电阻,它们合并成一个特定的逻辑单元,称为合并三极管,所以由这种三极管构成的门电路又称为合并三极管逻辑门电路(英文简称MTL)。合并三极管体积很小,这样集成度就能很高。由于 I^2L 门电路中的驱动电流是由PNP 型三极管发射极注入的,所以这种逻辑门又称为集成注入逻辑门。

虽然基本的 I^2L 门电路是一个反相器电路,但是运用这种基本门电路可以组成或非门等各种逻辑门电路。

11.CMOS 传输门

CMOS 传输门就是用CMOS 电路构成的传输门,所谓传输门就是一种可控开关电路,它接近于一个理想的电子开关,其导通时电阻只有几百欧,截止时的电阻高达兆欧级。传输门用TG 表示,TG 是英文Transmission Gate 的缩写。图8-37(a)所示为CMOS 传输门的电路结构示意图,图8-35(b)所示为这种门电路的图形符号。电路中,A 是传输门的输入端,F 是它的输出端,C是它的两个控制端之一,C 是它的另一个控制端。这一电路主要由一只NMOS管和一只PMOS 管并联组成。

图8-37 CMOS 传输门电路结构和图形符号

这一传输门电路的工作原理是这样:当控制端 \bar{C} 为低电平0 时,VT1 管导通,此时输入端A 的输入信号可通过导通的VT1 管从F 端输出; 当控制端 \bar{C} 为高电平1 时,VT2 管导通,此时输入端A 的输入信号可通过导通的VT2 管从F 端输出;当控制端C为1 时VT1 管截止, 当控制端C 为0 时VT2管截止,这时传输门处于截止状态,输出端无法输出A 端的信号。

\bar{C} 、 C 是传输门的两个控制端,这两个控制端的控制作用是相同的,只是一个是高电平控制,即C 端;另一个是低电平控制,即 \bar{C} 。在数字系统电路中像这样一个高电平控制、一个低电平控制的电路有许多。

逻辑门电路识图小结

最基本的逻辑门电路主要有5 种:与门电路、或门电路、非门电路、与非门电路和或非门电路。此外,还有异或门、与或非门。

1.集成门电路

逻辑电路有分立元器件和集成门电路两大类,目前在数字系统中主要使用集成门电路。在集成门电路中按照各种方式划分又分为许多,如图8-38 所示。

图8-38 逻辑门电路分类2.门电路逻辑功能

表8-8 所示是最基本的几种逻辑门电路的逻辑功能,可方便识图。

表8-8 最基本的几种逻辑门电路的逻辑功能3.门电路名称说明

在进行数字系统电路识图时,时常会遇到各种名称的门电路,还时常采用英文名称来说明。表8-9 所示是各种门电路的中、英文名称对照表。

表8-9 各种门电路的中、英文名称对照表



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