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逻辑门电路
逻辑门电路
1.1晶体管的开关特性及应用
在数字电路中,晶体管大多工作在开关状态,所以是一种无触点的电子开关。
通常的电子开关按其用途,可分为模拟开关和数字开关(又称逻辑开关)两大类。
对它们的要求也有所不同:
模拟开关应具备断开和接通时,流过的电流或两端的电压为零,两种状态转换的时间为零;而对数字开关则要求器件有两种可以区分的工作状态,同时输出能明确地用逻辑0或1来表示。
1.1.1晶体二极管的开关特性及应用
1.晶体二极管的开关特性
图1-1是硅二极管的符号和伏安特性曲线。
由伏安特性可知:
(1)二极管端电压小于0.5V作为二极管的截止条件。
一旦截止,即可近似认为电流等于0,相当于开关断开,这就是二极管截止时的特点。
(2)二极管正向电压大于0.5V作为二极管的导通条件。
一旦导通,即可将二极管认为是具有0.7V压降的闭合开关,这就是二极管导通时的特点。
2.二极管开关特性的应用
利用二极管开关特性可以构成限幅器和钳位器。
(1)二极管限幅器。
限幅器是一种波形变换或整形电路。
当输入信号在一定范围内变化时,输出电压跟随输入电压相应变化,完成信号的传输;而当输入电压超过这一范围时,其超过的部分被削去,输出电压保持不变,实现限幅作用,由于限幅器能将一定范围以外的输入波形削去,所以限幅器又称削波器。
(2)二极管钳位器。
二极管钳位器是利用二极管的开关特性,将输入波形的顶部或底部钳定在某一选定的电平上的电路。
这种错位作用又称为波形钳位,在脉冲技术中经常用到。
1.1.2晶体三级管的开关特性及应用
1.晶体三极管的开关特性
如图1-6所示为NPN型三极管的电路和特性曲线。
图中直流负载线和三极管输出特性曲线的交点称为静态工作点,用Q表示。
工作点的位置由基极电流
决定。
由于工作点的位置不同,三极管有3种不同的工作状态,或称为3个工作区域。
(1)
的区域称为截止区,如图中的Q1点。
在截止区,三极管的集电极C和发射极e之间近似为开路,相当于开关断开一样,故有
。
对于硅三极管,由于发射极存在U0=0.5V的死区电压,只有当
>U0=0.5V时三极管才会真正导通,所以三极管的截止条件为
<0.5V。
(2)
>0,
的区域称为放大区,如图中的Q点,在放大区,
受
的控制,三极管具有放大作用。
(3)
>0,
<
的区域称为饱和区。
在饱和区,
不受
的控制,关系式
不再成立,
的大小由外电路决定,这时的
称为集电极饱和电流,用
表示。
三极管饱和时,集电极C和发射极e之间的电压称为饱和电压,用
表示。
硅三极管的
,C、e之间近似于短路,相当于开关接通一样。
三极管刚达到饱和时的状态称为临界饱和,如图中的Q2点,这时
=
。
三极管临界饱和时
的关系还成立,临界饱和时的基极电流用
表示。
当
>
时,三极管进入深度饱和,这就是三极管的饱和条件。
由此可见,三极管相当于一个由基极电流所控制的无触点开关,三极管截止时相当于开关断开,而饱和时相当于开关闭合。
为了便于比较,现将NPN型三极管截止、放大、饱和3种工作状态的特点列于表1-1中。
2.晶体三极管开关特性的应用
三极管除可用于各种放大器外,还可用作限幅器、钳位器和反相器等。
尤其反相器是脉冲与数字电路中最基本、最常用的电路之一。
反相器在
作用下,输出
与输入
之间具有反相的关系。
反相器能稳定工作的条件中:
当输入
为低电平
(如
)时,应保证三极管可靠地截止,输出
为高电平
(
);而当
为高电平
(如
)时,应保证三极管可靠地饱和,输出
为低电平
(如
)。
1.2 分立元件逻辑门
在数字电路中,门电路就是实现输入信号与输出信号之间逻辑关系的电路。
最基本的逻辑关系只有与、或非三种,其它任何复杂的逻辑关系都可以用这三种逻辑关系来表示。
所以,最基本的逻辑门是与门、或门和非门。
1.2.1二极管与门
实现与逻辑关系的电路称为与门。
由二极管构成的双输入与门电路及其符号如图1-9所示。
图中A、B为输入信号,Y为输出信号。
输入信号为5V或0V。
由表1-3可知,Y与A、B之间的关系是:
只有当A、B都是1时,Y才为1。
否则Y为0,满足与逻辑关系,可用逻辑表达式表示为:
Y=A·B。
1.2.2二极管或门
实现或逻辑关系的电路称为或门。
由二极管构成的双输入或门电路及其符号如图1-10所示。
图中图中A、B为输入信号,Y为输出信号。
输入信号为5V或0V。
由表1-5可知,Y与A、B之间的关系是:
A、B中只要有一个或一个以上是1时,Y就为1,只有当A、B全为0时Y才为0,满足或逻辑关系,可用逻辑表达式表示为:
Y=A+B。
1-5 双输入或门的逻辑真值表
输入
输出
0 0
01
1 0
1 1
0
1
1
1
1.2.3.双极型三极管非门
双极型三极管非门的原理电路如图1-11(a)所示,逻辑符号如图1-11(b)所示,真值表如表1-6所示。
由表1-6可知,Y与A、B之间的关系是:
A
时,Y=1;A
时,Y
,满足非逻辑关系,可用逻辑表达式表示为:
Y=
。
MOS三极管非门 略
1.2.4复合门电路
与门、或门、非门是三种基本逻辑门,二极管与门和或门电路简单,缺点是存在电平偏移、带负载能力差、工作速度低、可靠性差。
非门的优点恰好是没有电平偏移、带负载能力强、工作速度高。
因此常将二极管与门、或门和三极管非门连接起来,构成二极管、三极管复合逻辑门电路。
这种门电路称为与非门和或非门,简称DTL电路。
1.与非门
图1-13为DTL与非门的电路和逻辑符号。
电路由两部分组成,虚线左边是二极管与门,右边是三极管非门。
因此,输入和输出之间是与非关系,其真值表如表1-9所示。
逻辑表达式为:
。
2.或非门
图1-14为或非门的电路和逻辑符号。
电路由两部分组成,虚线左边是二极管或门,
右边是三极管非门。
因此,输入和输出之间是或非关系,其真值表如表1-10所示。
逻辑表达式为:
。
1.3 集成TTL与非门电路及工作原理
1.3.1 TTL与非门电路及工作原理
1.电路结构
图1-15为TTL与非门的电路结构。
图中输入级T1是一个多发射极三极管,其等效电路如图1-15(b)所示,T2为中间级,T3、T4、T5为输出级。
2.工作原理
图1-15所示电路的工作原理如下:
(1)输入信号不全为1的情况。
当输入端有一个或几个接低电平
时,对应于输入端接低电平的发射结导通,T1的基极电位等于输入低电平加上发射结正向电压,
因为要使三极管T2、T5导通,必须使
所以T2、T5截止。
由于T2截止,其集电极电位接近于Vcc,于是电源Vcc经过电阻R2向三极管T3、T4提供基极电流而使T3、T4导通,所以输出端的电位为:
因为
很小,可以忽略不计,电源电压
,与是:
,即输出
为高电平。
由于T5截止,当接负载后,有电流从Vcc经R4流向每个负载门,这种电流称为拉电流。
(2)输入信号全为1的情况。
当输入端全部接高电平
时,T1的几个发射结都处于反向偏置,电源Vcc经过电阻R1向T2、T5提供足够的基极电流而使T2、T5饱和导通,所以输出电位为:
,即输出
为低电平。
此时T1的基极电位:
T2集电极电位:
此值大于T3的发射结正向电压,使T3导通。
由于
,所以T4必然截止。
由于T4截止,当接负载后,T5的集电极电流全部由外接负载门灌入,这种电流称为灌电流。
综上所述,图1-15(a)所示电路的输入与输出之间的逻辑关系为与非逻辑关系,即输入有0时输出为1,输入全1时输出为0,所以图1-15(a)所示电路实现了与非逻辑运算,是与非门。
即有:
1.3.2 TTL与非门的外特性
为了正确合理使用TTL与非门,必须掌握与非门电路在其外部所表现出来的特性。
1.电压传输特性
输入电压从低电平逐渐增大到高电平时,输出电压随之变化的特性称为电压传输特性。
描述输入电压与输出电压间关系的曲线称为电压传输特性曲线。
测试电路及曲线如图1-16所示。
曲线分为四段:
(1)AB段。
该段为特性曲线的截止区或关门区。
此区输入电压<
,T1饱和、T5截止、T4导通,输出为高电平
。
(2)BC段。
该段为特性曲线的线性区。
此区输入电压在
~
之间,T2、T3、T4导通,T5截止。
T2处于放大导通状态,即输出电压随输入电压增加而近似线性下降,故称BC段为线性区。
(3)CD段。
该段为特性曲线的转折区。
输入电压在
~
之间略有增加,输出电压迅速下降到
,曲线很陡。
电路由输出高电平转换为低电平,基本上是在这一段内完成的。
转折区中点所对应的输入电压称为阈值电压。
一般TTL与非门的阈值电压
。
BC段、CD段又可总称为过渡区。
(4)DE段。
该段为特性曲线的饱和区或开门区。
T5饱和后,若输入电压继续增大,T5仍饱和,输出电压
不变。
2.输入、输出高低电平
3.噪声容限
4.扇入扇出数:
拉电流、灌电流
5.传输延迟时间
6.功耗
7.延时-功耗积
1.3.3 其他常用的TTL逻辑门
在
电路中,除了与非门以外,还有一些其它功能的门电路,如或非门、与门、或门、与或非门、、异或门、同或门、集电极开路门、三态门等。
下面仅做些简单介绍。
1.
集电极开路门
集电极开路门简称
门,图1-33(a)所示为一种集电极开路与非门电路,它与普通的
与非门的区别,就在于取消了提供高电平输出的两极射极跟随器
、
,代之以一个外接电阻
,实现与非逻辑功能。
门的特点是便于“线于”逻辑,如图1-33(b)所示即为集电极开路与非门逻辑符号的线于电路图。
所谓“线于”,就是将几个
门的输出端连在一起,公共电阻
外接。
此电阻具有这样的功能:
当所有
门的输出都是高电路时,电路的总输出
才是高电平,而当任一个
门输出为低电平时,总输出就是低电平。
其逻辑表达式为:
从表达式看,相当于在输出端增加了“与”功能,但这种“与”功能并不是由与门来实现的,而是通过输出线相连接而获得的,故称“线与”。
2.
三态门
三态门简称
,它是在普通门的基础上,加上使能控制信号和控制电路构成的。
图1-35所示为
反相器的原理电路,其中
为控制信号端,又称为使能端,
为信号输入端,
为输出端。
由图1-35可知,当
时,二极管
导通,T1基极和T2基极均被钳在低电平,因而T2~T5均截止,输出端开路,电路处于高阻状态。
当
时,二极管
截止,
门的输出状态完全取决于输入信号
的状态,电路输出与输入的逻辑关系和一般反相器相同,即:
为高电平;
为低电平,实现与非功能。
可见电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态,所以称此门电路为高电平有效三态门,其逻辑符号如图1-36(a)所示。
由于
门处于高阻状态时电路不工作,所以高阻态又叫做悬浮状态或禁止状态。
还有一种三态输出与非门电路,将控制信号经一非门后相后再送到与非门的控制输入端。
显然,当
时,电路也实现与非功能,并有两种可能的状态;而当
时,电路处于高阻输出状态,即禁止状态,这种三态门称为低电平有效三禁止状态,这种三态门称为低电平有效三态门。
,其逻辑符
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