由分立的半导体二极管、晶体管和MOS管以及电阻等元器件组成的门电路,称为分立元件门电路。
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。用输入端的电压或电平表示自变量,用输出端的电压或电平表示因变量。最基本的逻辑门是与门、或门和非门。
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3-7所示。图中A、B为输入信号,它们的高电平是3V,低电平是0V。Y为输出信号。
1) u A = u B =0V。此时二极管D 1 和D 2 都导通, u Y = u A + u D1 = u B + u D2 =0+0.7=0.7V。
2) u A =0V、 u B =3V。此时二极管D 1 优先导通, u D1 = u A + u D1 =0+0.7=0.7V, u D2 = u Y -u B =0.7-3=-2.3V,二极管D 2 承受的是反向电压,故截止。通常二极管导通之后,如果其阴极电位是不变的,那么就把它的阳极电位固定在比阴极高0.7V的电位上;如果其阳极电位是不变的,那么就把它的阴极电位固定在比阳极低0.7V的电位上,人们将导通后二极管的这种作用称为钳位。由于钳位作用, u Y = u A + u D1 =0+0.7=0.7V。
图3-7 二极管构成的双输入与门电路及其符号
3) u A =3V、 u B =0V。此时D 2 导通, u Y = u B + u D1 =0+0.7=0.7V,由于钳位作用,D 1 受反向电压而截止。
4) u A = u B =3V。此时二极管D 1 和D 2 都导通, u Y =3+0.7=3.7V。
把上述分析归纳起来列入表3-1中,采用正逻辑,很容易看出它实现与逻辑运算:Y=A·B=AB。与门电路真值表见表3-2。由真值表可明显看出,只有A与B所有输入端都是高电平,输出才是高电平。按此办法可构成更多输入端的与门。
表3-1 与门输入输出电压的关系
表3-2 与门电路真值表
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3-8所示。
图3-8 二极管构成的双输入或门电路及其符号
1) u A = u B =0V,即均为低电平,D 1 和D 2 由于导通, u Y =-0.7V。
2) u A =0V、 u B =3V时,D 2 导通, u Y =3-0.7=2.3V,D 1 反向偏置截止。
3) u A =3V、 u B =0V时,D 1 导通, u Y =3-0.7=2.3V,D 2 反向偏置截止。
4) u A = u B =3V,即均为高电平,D 1 和D 2 都正偏导通, u Y =3-0.7=2.3V。
采用正逻辑,即用0表示低电平,1表示高电平,则可由表3-3所示的或门输入输出电压的关系再经过设定变量、状态赋值即可列出表3-4所示的或门真值表。从表中可以很容易看出它实现或逻辑运算:Y=A+B。
表3-3 或门输入输出电压的关系
表3-4 或门电路真值表
同样,可用增加输入端和二极管的方法,构成更多输入端的或门。
图3-9所示是由晶体管组成的非门电路,非门又称反相器。晶体管的开关特性已在前文做过详细讨论,这里重点分析它的逻辑关系。仍设输入信号为+5V或0V。此电路只有以下两种工作情况:
图3-9 半导体晶体管非门
1) u A =0V。此时晶体管的发射结电压小于死区电压,满足截止条件,所以晶体管截止, u Y = V CC =5V。
2) u A =5V。此时晶体管的发射结正偏,管子导通,只要合理选择电路参数,使其满足饱和条件 i B > I BS ,则管子工作于饱和状态,有 u Y = V CES =0.3V≈0V。
把上述分析结果列入表3-5中,此电路不管采用正逻辑还是负逻辑,都满足非运算的逻辑关系。表3-6是非门电路真值表。
表3-5 非门输入输出电压的关系
表3-6 非门电路真值表
若用逻辑函数式来描述,则可写为
。
数字电路中常采用二极管与晶体管的组合,组成与非门、或非门,在带负载能力、工作速度和可靠性方面都大为提高,因此这些复合门电路成为逻辑电路中最常用的基本单元。
图3-10a是一种较早期的简单与非门电路,它由二极管与门和晶体管非门串接而成,称为二极管-晶体管逻辑门,简称DTL电路。图3-10b和c是它的等效电路和逻辑符号。电路由两部分组成,虚线左边是二极管与门,右边是晶体管非门。因此,输入和输出之间是与非关系,逻辑表达式为
。
图3-10 DTL与非门的电路和逻辑符号
其真值表见表3-7。
图3-11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,右边是晶体管非门。因此,输入和输出之间是或非关系,其真值表见表3-8。逻辑表达式为
。
图3-11 DTL或非门的电路和逻辑符号
表3-7 与非门电路真值表
表3-8 或非门电路真值表
思考与练习
3.3-1 试默画出三种基本逻辑门的图形符号。
3.3-2 二极管与门、或门有何优点和缺点?
3.3-3 迅速说出与门、或门和非门的逻辑功能。
3.3-4 基本逻辑门有哪些?