什么是与门电路及与非门电路原理?什么是与门电路从小巧的电子手表，到复杂的电子计算机，它们的许多元件被制成集成电路的形式，即把几十、几百，甚至成干上万个电子元件制作在一块半导体片或绝缘片上。每种集成电路都有它独特的作用。有一种用得最多的集成电路叫门电路。常用的门电路有与门、非门、与非门。什么是门电路“门”顾名思义起开关作用。任何“门”的开放都是有条件的。例如•一名学生去买书包，只买既好看又给买的，那么他的家门只对“好看”与“结实”这两个条件同时具备的书包才开放。门电路是起开关作用的集成电路。由于开放的条件不同，而分为与门、非门、与非门等等。与门我们先学习与门，在这之前请大家先看图15-16，懂得什么是高电位，什么是低电位。高亀位低电也图15-16跟电源正极相连的导体是高电怕.躍电源负极相连的导体是低电位*电流从髙电位礎向低电位.正如水流从高水位断向低水位・图15-17甲是我们实验用的与用的与门，它有两个输入端A、E和一个输出端。图15-17乙是它连人电路中的情形，发光二极管是用来显示输出端的电位高低：输出端是高电位，二极管发光；输出端是低电位，二极管不发光。+0©与*©©s门©©ffi15-17与门和它在电路中的接法实验照图15-18甲、乙、丙、丁的顺序做实验。图中由A、B引出的带箭头的弧线，表示把输入端接到高电位,*■或低电位的导线。每次实验根据二极管是否发光，判定输岀端电位的高低。4-T..4-Q上与C-严・与—^3门丄UV"与«一-V尸甲—乙T戊图15-18输入端着时，它的电位是高电位，照图15-18戊那样，让两输人端都空着，则输岀瑞的电位是高电位,二极管发光。可见，与门只在输入端A与输入端E都是高电位时，输岀端才是高电位；输入端A、E只要有一个是低电位，或者两个都是低电位时，输岀端也是低电位。输人端空着时，输岀端是高电位。与门的应用图15-19是应用与门的基本电路，只有两个输入端A、E同低电位间的开关同时断开，A与E才同时是高电位，输出端也因而是高电位，用电器开始工作。丄「1"VP4勺TI?—bn...0图15—19实验照图15-20连接电路。图中输入端与低电位间连接的是常闭按钮开关，按压时断开，不压时接通观察电动机在什么情况下转动。如果图15-20的两个常闭按钮开关分别装在汽车的前后门，图中的电动机是启动汽车内燃机的电动机，当车间关紧时常闭按钮开关才能被压开，那么这个电路可以保证只有两个车门都关紧时汽车才能开动。与非门，与非门是什么意思DTL与非门电路：常将二极管与门和或门与三极管非门组合起来组成与非门和或非门电路，以消除在串接时产生的电平偏离,并提高带负载能力。图2.L4两级二极管与门串接使用的情况其中，作了两处必要的修图2.1.5所示就是由三输入端的二极管与门和三极管非门组合而成的与非门电路。正:(1)一将电阻Rb换成两个二极管D4、D5,作用是提高输入低电平的抗干扰能力，即当输入低电平有波动时，保证三极管可靠截止，以输岀高电平。(2)二是增加了R1,目的是当三极管从饱和向截止转换时，给基区存储电荷提供一个泻放回路。—'十腕匕r+57*U「JskDLI山口aXDskoM—-p>1MTDi0、1£F*—R1严Da心0J£%1.5DTL与非门电路该电路的逻辑关系为:(1)当三输入端都接高电平时(即VA=VB=VC=5V)，二极管D1〜D3都截止，而D4、D5和T导通。可以验证，此时三极管饱和，VL=VCES0.3V，即输出低电平。(2)在三输入端中只要有一个为低电平0.3V时，则阴极接低电平的二极管导通，由于二极管正向导通时的钳位作用，VP-1V，从而使D4、D5和T都截止，VL=VCC=5V，即输出高电平。可见该电路满足与非逻辑关系，即:把一个电路中的所有元件，包括二极管、三极管、电阻及导线等都制作在一片半导体芯片上，封装在一个管壳内，就是集成电路。图2.1.5就是早期的简单集成与非门电路，称为二极管一三极管逻辑门电路，简称DTL电路TTL逻辑门电路：DTL电路虽然结构简单，但因工作速度低而很少应用。由此改进而成的TTL电路，问世几十年来，经过电路结构的不断改进和集成工艺的逐步完善，至今仍广泛应用，几乎占据着数字集成电路领域的半壁江山。TTL与非门的基本结构及工作原理1.TTL与非门的基本结构我们以DTL与非门电路为基础，根据提高电路功能的需要，从以下几个方面加以改进，从而引出TTL与非门的电路结构。首先考虑输入级，DTL是用二极管与门做输入级，速度较低。仔细
分析
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我们发现电路中的DI、D2、D3、D4的P区是相连的。我们可用集成工艺将它们做成一个多发射极三极管。这样它既是四个PN结，不改变原来的逻辑关系，又具有三极管的特性。一旦满足了放大的外部条件，它就具有放大作用，为迅速消散T2饱和时的超量存储电荷提供足够大的反向基极电流，从而大大提高了关闭速度。详细情况后面再讲。图2.2.2⑹二极菅目门第二，为提高输岀管的开通速度，可将二极管D5改换成三极管T2，逻辑关系不变。同时在电路的开通过程中利用T2的放大作用，为输出管T3提供较大的基极电流，加速了输出管的导通。另外T2和电阻RC2、RE2组成的放大器有两个反相的输出端VC2和VE2，以产生两个互补的信号去驱动T3、T4组成的推拉式输出级。第三，再分析输岀级。输岀级应有较强的负载能力，为此将三极管的集电极负载电阻RC换成由三极管T4、二极管D和RC4组成的有源负载。由于T3和T4受两个互补信号Ve2和Vc2的驱动，所以在稳态时，它们总是一个导通，另一个截止。这种结构，称为推拉式输岀级。2.TTL与非门的逻辑关系因为该电路的输岀高低电平分别为3.6V和0.3V，所以在下面的分析中假设输入高低电平也分别为3.6V和0.3V。(1)输入全为高电平3.6V时。T2、T3导通，VB1=0.7X3=2.1(V)，从而使T1的发射结因反偏而截止。此时T1的发射结反偏，而集电结正偏，称为倒置放大工作状态。由于T3饱和导通，输出电压为：VO=VCES30.3V这时VE2=VB3=0.7V，而VCE2=0.3V，故有VC2=VE2+VCE2=1V。1V的电压作用于T4的基极，使T4和二极管D都截止。可见实现了与非门的逻辑功能之一：输入全为高电平时，输岀为低电平。图2.2.^输入全为高电平时的工作况输入有低电平0.3V时3.6VQIV<
VON，Vo就是低电压，所以VON就是输入高电压的最小值，在产品手册中常称为输入高电平电压，用VIH(min)表示。从电压传输特性曲线上看VIH(min)(VON)略大于1.3V，产品规定VIH(min)=2V。阈值电压Vth――决定电路截止和导通的分界线，也是决定输岀高、低电压的分界线。从电压传输特性曲线上看，Vth的值界于VOFF与VON之间，而VOFF与VON的实际值又差别不大，所以，近似为Vth-VOFF-VONVth是一个很重要的参数，在近似分析和估算时，常把它作为决定与非门工作状态的关键值，即ViVth，与非门关门，输出高电平。Vth又常被形象化地称为门槛电压。Vth的值为1.3V〜1.4V。3•抗干扰能力TTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容差，称为噪声容限。在图2.2.11中若前一个门G1输出为低电压，则后一个门G2输入也为低电压。如果由于某种干扰，使G2的输入低电压高于了输出低电压的最大值VOL(max)，从电压传输特性曲线上看，只要这个值不大于VOFF，G2的输出电压仍大于VOH(min)，即逻辑关系仍是正确的。因此在输入低电压时，把关门电压VOFF与VOL(max)之差称为低电平噪声容限，用VNL来表示，即低电平噪声容限VNL=VOFF-VOL(max)=0.8V-0.4V=0.4V图2.2.10输出高低电平的电压范围若前一个门G1输出为高电压，则后一个门G2输入也为高电压。如果由于某种干扰，使G2的输入低电压低于了输出高电压的最小值VOH(min)，从电压传输特性曲线上看，只要这个值不小于VON，G2的输出电压仍小于VOL(max)，逻辑关系仍是正确的。因此在输入高电压时，把VOH(min)与开门电压VON与之差称为高电平噪声容限，用VNH来表示，即高电平噪声容限VNH=VOH(min)-VON=2.4V-2.0V=0.4V噪声容限表示门电路的抗干扰能力。显然，噪声容限越大，电路的抗干扰能力越强。通过这一段的讨论，也可看岀二值数字逻辑中的“0和“1都是允许有一定的容差的，这也是数字电路的一个突岀的特点。TTL与非门的带负载能力：在数字系统中，门电路的输出端一般都要与其他门电路的输入端相连，称为带负载。一个门电路最多允许带几个同类的负载门？就是这一部分要讨论的问题。1.输入低电平电流IIL与输入高电平电流IIH这是两个与带负载能力有关的电路参数。(1)输入低电平电流IIL是指当门电路的输入端接低电平时，从门电路输入端流出的电流。可以算出兀■0二色,产品规定血G花磁0.3V图2.2.12门电路带负截的情说图2-2.13输入低电平电痂丘(2)输入高电平电流IIH是指当门电路的输入端接高电平时，流入输入端的电流。有两种情况。寄生三极管效应。当与非门一个输入端(如A端)接高电平，其它输入端接低电平，这时IIH=BPIB1,BP为寄生三极管的电流放大系数。倒置工作状态。当与非门的输入端全接高电平，这时，T1的发射结反偏，集电结正偏，工作于倒置的放大状态。这时IIH=BilBI，B为倒置放大的电流放大系数。由于Bp和B的值都远小于1,所以IIH的数值比较小，产品规定IIHv40uA63.6T■inJlH«h|n2.1VT0.3V3酬圈Z.2A4输入高电辛电涼昂2•带负载能力(1)灌电流负载。当驱动门输岀低电平时，驱动门的T4、D截止，T3导通。这时有电流从负载门的输入端灌入驱动门的T3管，灌电流”由此得名。灌电流的来源是负载门的输入低电平电流IIL，如图2.2.15所示。很显然，负载门的个数增加，灌电流增大，即驱动门的T3管集电极电流IC3增加。当IC3>BIB3时,T3脱离饱和，输出低电平升高。前面提到过输出低电平不得高于VOL(max)=0.4V。因此，把输出低电平时允许灌入输出端的电流定义为输出低电平电流IOL，这是门电路的一个参数，产品规定IOL=16mA。由此可得岀，输岀低电平时所能驱动同类门的个数为：%-,甌称为输岀低电平时的崩出至数刃ttihA.图2.2.15带灌曲流窃载(2)拉电流负载。当驱动门输岀高电平时，驱动门的T4、D导通，T3截止。这时有电流从驱动门的T4、D拉出而流至负载门的输入端，拉电流”由此得名。由于拉电流是驱动门T4的发射极电流IE4，同时又是负载门的输入高电平电流IIH，如图2.2.16所示，所以负载门的个数增加，拉电流增大，即驱动门的T4管发射极电流IE4增加，RC4上的压降增加。当IE4增加到一定的数值时，T4进入饱和，输出高电平降低。前面提到过输出高电平不得低于VOH(min)=2.4V。因此，把输出高电平时允许拉出输出端的电流定义为输出高电平电流IOH，这也是门电路的一个参数，产品规定IOH=0.4mA。由此可得出，输出高电平时所能驱动同类门的个数为：NO表示。一般NOHNOH，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用
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