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9.2 逻辑门电路
实现逻辑运算的电路称为逻辑门电路,简称门电路,前面介绍了三种基本运算,实现中基本运算的电路分别称为与门、或门和非门。
9.2.1 分立元件门电路
1.二极管与门:电路如图8-9-4(a),A、B为输入端,Y为输出端(输入、输出和电源共用的地线未在图中画出),按输入信号的不同,有四种不同的工作情况:
(1)UA=UB=0V,此时二极管D1、D2导通,UY≈0V。
(2) UA=0V,UB=3V,此时D1导通,由于钳位作用,UY≈0V,D2截止。
(3) UA=3V,UB=0V,此时D2导通,Dl截止,UY=0V。
(4) UA=3V,UB=3V。D1,D2都导通,UY≈3V。
上述输出电平与输入电平关系列于表8-9-4。若对电位赋值,高电平为“1”,低电平为“0”,可列出表8-9-5真值表。它和“与”关系真值表完全吻合。该电路实现了“与”运算称与门电路,逻辑符号如图8-9-4(b)所示。
应该说明的是上述赋值方法称正逻辑,若把低电平作为“1”。高电平为“0”,称负逻辑,在后面的分析中若不加说明均采用正逻辑。
2.二极管或门:电路及逻辑符号如图8-9-5所示。采用上述类似的分析方法,可得表8-9-6,表8-9-7。
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3.非门电路:图8-9-6示出了非门的电路及逻辑符号,非门又称反相器。在下面的分析中设β=30。
(1)UA=0V。此时的基极电位UB<0,T截止。UY=UCC
(2)UA=3V,则T导通,UB=0.7 v,IB=0.82(mA)。晶体管饱和所需的最小基极电流IBS=0.09(mA)。T饱和,UY=0V。可列表说明输出与输入的关系实现非运算(表8-9-8、表8-9-9)。图8-9-6是非门电路。
与分立元件电路相比,集成电路具有体积小、重量轻、可靠性高、功耗低、工作速率高等优点。在数字电路领域内,集成电路几乎取代了所有分立元件电路。TTL门电路中最基本的电路是与非门,其他门电路都是在此基础上组合而成。
1.TTL与非门
图8-9-8是最基本的TTL与非门电路及其图形符号。T1是多发射极晶体管。把它的集电结看成一个二极管,把发射结看成与前者背靠背的几个二极管,如图8-9-9。这样T1的作用和二极管与门的作用完全相似。
当输入端不全为1时,则T1的基极与“0”态发射极间处正偏。这时电源通过R1为T1提供基极电流。T1的基极电位约0.7V左右,不足以使T2、T5导通。所以T2、T5截止。电源通过R2向T3、T4提供基极电流,使T3、T4导通。这时:
输出高电平,为逻辑“1”。
当输入全为“1”时,T1的所有发射结反偏。电源通过R1和T1集电结向T2、T5提供基极电流,合理选择电路参数,使T2、T5饱和,输出电位UF为T5的饱和压降UCES≈0V,为逻辑“0”。电路实现与非运算。
2.CMOS门电路
它是用金属一氧化物一半导体场效应管(MOSFET)构成的。内部结构与TTL虽完 全不同,但逻辑符号和功能却是完全相同的。学习中应掌握其使用特点,这里不作详细分 析,可参阅有关文献。
3.集成门电路的主要特性参数
(1)电源电压:要使集成电路正常工作,首先要正确连接电源和地。TTL的电源电压是:5V±5%,标准CMOS系列是3V--18V。
(2)工作温度:TTL74系列工作温度是0C一70℃;54系列是―55℃~125℃,标准CMOS系列是―40℃~85℃。
(3)直流(静态)参数:直流参数是指电路处于稳定的逻辑状态下测得的参数。这些参数见表8-9―10,表8-9-11。
(4)动态参数:动态参数是指电路在进行逻辑状态转换时的有关参数。常用的有平均传输时间tpd,最高工作频率等。
(5)负载能力:门电路的负载能力是指能驱动多少个同类型门的能力(称扇出系数)。TTL电路的扇出系数N=15左右,CMOS的N>50,而手册上一般给出CMOS的N=20,主要因负载门个数太多,使负载电容增大,可能造成电路延迟时间过大。