第2章 门电路.docx

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第2章门电路

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2．1门电路的理论提要

组成数字电路的基本逻辑单元是各种各样的门电路，使用较多的门电路有TTL门电路和CMOS门电路。

TTL门电路由三极管组成，CMOS门电路由场效应管组成，这两种类型门电路的组成虽然不相同，但在数字电路中的符号却是相同的。

正确使用各种类型门电路的关键是了解门电路各项参数的物理意义，描述门电路主要技术指标的参数有输出高电平VOH，输出低电平VOL，输入短路电流IIS，输入漏电流IIH，开门电平Von，关门电平Voff，扇出系数N，平均传输时间tpd，导通电源电流IE1，截止电源电流IE2等，这些参数可从集成电路的手册上查到。

门电路除了有常用的与非门和或非门外，还有集电极开路门，漏极开路门，三态门，传输门等，普通的门电路输出端不能并联使用，而集电极开路门，漏极开路门，三态门器件输出端可并联使用，输出端并联使用的门电路可组成线与电路，计算线与电路上拉电阻的公式为

使用这些公式时，应注意n，m和m，各量的含义。

上面的两个公式也适合于计算TTL驱动CMOS电路的上拉电阻。

由三态门和传输门可组成用于传输数据的数据总线，为了保证数据总线能够稳定可靠地工作，数据总线的输出电流要大于输入电流的总和。

2．2典型习题的解析

2.1在搭建数字电路时，是否可以将与非门，或非门，异或门当作反相器使用？

若可以电路将如何连接。

【解】在搭建数字电路时，可以将与非门，或非门，异或门当作反相器使用。

用与非门当反相器使用时，因为与非门输入和输出的关系是

，由该表达式可见，只要将与非门多余的输入端B接高电平“1”，即可得

的逻辑关系。

用或非门当反相器使用时，因为或非门输入和输出的关系是

，由该表达式可见，只要将或非门多余的输入端B接低电平“0”，即可得

的逻辑关系。

用异或门当反相器使用时，因为异或门输入和输出的关系是

，由该表达式可见，只要将异或门多余的输入端B接高电平“1”，即可得

的逻辑关系。

将异或门当反相器使用的Multisim软件仿真实验的结果如图2-1所示。

图2-1将异或门当反相器使用的Multisim软件仿真实验的结果

在图2-1中，示波器屏幕上的第一个波形为输入信号波形，第二个波形为输出信号波形，这两个波形清晰的显示出输出信号是输入信号非的关系。

2.2分析估算如图2-2所示电路在输入信号ui=0V，ui=5V或悬空时三极管的工作状态。

【解】在图2-2（a）所示的电路中当输入信号ui=0V或悬空时，因三极管的发射结没有偏置电压，所以，三极管的工作状态为截止，输出电压UCE=5V；当ui=5V时，设三极管导通的电压Uon=0.7V，根据节点电位法可得流入三极管基极的电流IB为

因为，UCE＜0，说明IC=βIB的关系不成立，所以，三极管的工作状态为饱和导通，输出电压UCE=0.2V。

在图2-2（b）所示的电路中当输入信号ui=0V或悬空时，因三极管的发射结的偏置电压为负值，所以，三极管的工作状态为截止，输出电压UCE=5V；当ui=5V时，设三极管导通的电压Uon=0.7V，根据节点电位法可得流入三极管基极的电流IB为

因为，UCE＜0，说明IC=βIB的关系不成立，所以，三极管的工作状态为饱和导通，输出电压UCE=0.2V。

上述解的过程用Multisim软件仿真的结果如图2-3所示。

图2-3题2-2的解用Multisim软件仿真的结果

在图2-3中，左边的仿真电路对应于图2-2（a）所示的电路在输入端悬空，三极管工作在截止状态下的情况；右边的仿真电路对应于图2-2（b）所示的电路，在输入电压为5V，三极管工作在饱和导通状态下的情况。

2.3说明如图2-4所示的TTL门电路的输出状态是什么？

若这些器件为CMOS门电路，则输出状态又是什么？

【解】当图2-4所示的器件为TTL门电路时，因TTL门电路输入端悬空相当于高电平输入信号“1”，所以，或非门和与非门的输出都为低电平信号“0”；输入端通过100Ω电阻接地，相当于输入低电平信号“0”，与非门的输出为高电平信号“1”；输入端通过10kΩ电阻接地，相当于输入高电平信号“1”，与非门的输出为低电平信号“0”。

当图2-4所示的器件为COMS门电路时，因COMS门电路输入端不允许悬空，所以，或非门和与非门为非正常的工作状态；因COMS门电路的输入阻抗很高，输入端通过100Ω和10kΩ电阻接地，都相当于输入低电平信号“0”，与非门的输出为高电平信号“1”。

2．4设各门道路输入信号的波形如图2-5（a）所示，画出图2-5中各个门电路的工作波形图。

【解】根据各器件的逻辑关系可得各门电路的工作波形图如图2-6所示。

2.5试分析如图2-7所示电路能够实现的逻辑功能。

【解】用瞬时极性法可以分析图2-7（a）所示电路的逻辑功能，分析的过程如图2-8所示。

图2-8（a）所示的电路对应于A和B输入端都是高电平信号的情况，在这种情况下，三极管VT1的发射极为高电平，因为，三极管VT1是共基极电路，所以，三极管VT1的集电极为高电平，三极管VT2的基极也为高电平，因为，三极管VT2是共发射极电路，所以，三极管VT2的集电极为低电平，二极管VD截止，VT2的集电极对VT4的基极没有影响；当三极管VT2的基极为高电平时，三极管VT2的发射极也是高电平，三极管VT3饱和导通，三极管VT4截止，三极管VT5导通，三极管VT6截止，输出高电平信号“1”。

图2-8（b）所示的电路对应于A输入端是高电平信号，B输入端是低电平信号的情况，在这种情况下，三极管VT1的集电极同时出现高，低电平信号，根据钳位的规则可得三极管VT1的集电极为低电平信号，三极管VT2的基极也为低电平，三极管VT2的集电极为高电平，二极管VD导通，三极管VT4的基极为高电平；当三极管VT2的基极为低电平时，三极管VT2的发射极也是低电平，三极管VT3截止，三极管VT4导通，三极管VT5截止，三极管VT6导通，输出低电平信号“0”。

同理可得，在A和B输入端都是低电平信号的情况下，输出为低电平信号“0”。

根据上面的分析可知，图2-7（a）所示的电路具有“有0出0”的逻辑功能，所以，图2-7（a）所示的电路是与门电路。

即，

。

在图2-7（b）所示的电路中，场效应管VT7，VT8，VT12为驱动管相并联，VT9，VT10，VT11为负载管相串联，这6个场效应管组成或非门电路，输出和输入的关系为

；场效应管VT1，VT2，VT3，VT4，VT5，VT6组成三个非门电路，分别作为或非门电路三个输入端的隔离电路，VT13，VT14，VT15，VT16组成两级相串联的非门电路，作为输出端的隔离电路，考虑到这些电路的作用可得图2-7（b）所示电路的逻辑关系为

即，图2-7（b）所示的电路为与门电路。

用瞬时极性法可以分析图2-7（c）所示电路的逻辑功能，分析的过程如图2-9所示。

图2-9（a）所示的电路对应于A和B输入端都是低电平信号的情况，在这种情况下，三极管VT1和VT2的发射极都为低电平，因为，三极管VT1和VT2都是共基极电路，所以，三极管VT1和VT2的集电极都是低电平，因为，三极管VT3和VT4以共发射极电路的形式相并联，所以，三极管VT3和VT4的发射极为低电平，集电极为高电平，所以，二极管VD导通，三极管VT6的基极为高电平，发射极也为高电平，集电极为低电平，三极管VT7截止，三极管VT8导通，输出低电平信号“0”。

图2-8（b）所示的电路对应于A输入端是高电平信号，B输入端是低电平信号的情况，在这种情况下，三极管VT3的基极为高电平，VT3饱和导通，发射极为高电平，集电极为低电平，三极管VT4的基极为低电平，三极管VT4截止，发射极为低电平，集电极为高电平；高、低电平的信号同时出现在三极管VT3和VT4的发射极，根据钳位的规则可得三极管VT3和VT4的发射极为高电平信号，三极管VT5的基极为高电平，饱和导通，三极管VT6的基极为低电平信号；高、低电平的信号同时也出现在三极管VT3和VT4的集电极上，根据钳位的规则可得三极管VT3和VT4的集电极为低电平信号，二极管VD截止，对三极管VT6基极的信号不影响，三极管VT6的基极保持低电平信号，三极管VT6的发射极为低电平，集电极为高电平，三极管VT7导通，三极管VT8截止，输出高电平信号“1”。

同理可得，在A和B输入端都是高电平信号的情况下，输出为高电平信号“1”。

根据上面的分析可知，图2-7（c）所示的电路具有“有1出1”的逻辑功能，所以，图2-7（c）所示的电路是或门电路。

即，

。

在图2-7（d）所示的电路中，场效应管VT7，VT8，VT9为负载管相并联，VT10，VT11，VT12为驱动管相串联，这6个场效应管组成与非门电路，输出和输入的关系为

；场效应管VT1，VT2，VT3，VT4，VT5，VT6组成三个非门电路，分别作为与非门电路三个输入端隔离电路，VT13，VT14组成非门电路为输出端的隔离电路，考虑到这些电路的作用可得图2-7（d）所示电路的逻辑关系为

即，图2-7（d）所示的电路为或非门电路。

上述解的过程也可以用Multisim软件进行仿真，仿真实验的方法请参阅例2.9的内容。

2.6计算如图2-10所示电路的上拉电阻R的值，要求电路的输出电压应满足VOL≤0.4V，VOH≥3.4V，Vcc=5V，图中的各个门电路都是74LS系列的门电路，输出端的截止漏电流IOH≤100μA，输出低电平VOL≤0.4V时的最大负载电流ILM=8mA，输入短路电流IIS≤0.5mA，输入漏电流IIH≤20μA。

【解】在图2-10中，三个OC门的输出端并联连接组成线与电路，该电路的输出连接四个门电路，其中两个是2输入的与非门，另两个是2输入的或非门。

线与电路输出高电平信号的限流电阻为

线与电路输出低电平信号的限流电阻为

根据线与电路选择限流电路的规则R1＞R＞R2，选择限流电阻R=2kΩ。

2.7列出如图2-11所示电路输出和输入逻辑关系的真值表。

【解】在图2-11所示的电路中，四个传输门组成单向传输的数据总线，根据数据总线传输数据的规则可得输出-输入逻辑关系的真值表为

A1A0

Y

10

11

20

11

D0

D1

D2

D3

由真值表可得该电路的逻辑表达式为

2．3用Multisim软件进行门电路分析仿真实验的方法

2．8用Multisim软件画题2-4（g）的工作波形图。

【解】题2-4（g）的器件为与或非门，点击Multisim软件TTL门电路的图标，选择7451N器件即可将与或非门器件拖入工作界面。

再拖入两个非门（7404）器件，一个字信号发生器（WordGenerator）和四踪示波器到工作界面上。

按如图2-12所示的电路连接好电路，并设置正确的仿真参数，启动仿真实验的开关，即可得到如图2-12所示的结果。

图2-12仿真实验的结果

在图2-12中，示波器屏幕上的第一个波形为输入信号A，第二个波形为输入信号B，第三个波形为输出信号Y。

这些波形清晰的显示出该电路输入和输出的逻辑关系为：

当输入信号相同时输出为高电平信号“1”，当输入信号相反时输出为低电平信号“0”。

即，同或门的逻辑关系，由此可得图2-12的电路为同或门。

2．9用Multisim软件验证题2-5的结论。

【解】题2-5（a）仿真实验的电路图和结果如图2-13所示。

图2-13习题2-5（a）仿真实验的电路图

在图2-13中，示波器屏幕上的第一个波形为输入信号A，第二个波形为输入信号B，第三个波形为输出信号Y。

这些波形清晰的显示出该电路输入和输出的逻辑关系为：

有“0”出“0”。

即，与的逻辑关系，由此可得图2-13的电路为与门电路。

题2-5（c）仿真实验的电路图和结果如图2-14所示。

图2-14习题2-5（c）仿真实验的电路图

在图2-14中，示波器屏幕上的第一个波形为输入信号A，第二个波形为输入信号B，第三个波形为输出信号Y。

这些波形清晰的显示出该电路输入和输出的逻辑关系为：

有“1”出“1”。

即，或的逻辑关系，由此可得图2-14的电路为或门电路。

题2-5（b）主电路仿真实验的电路图和结果如图2-15所示。

图2-15习题2-5（b）主电路仿真实验的电路图

在图2-15中，示波器屏幕上的第一个波形为输出信号Y，第二个波形为输入信号A，第三个波形为输入信号B，第四个波形为输入信号C。

这些波形清晰的显示出该电路输入和输出的逻辑关系为：

有“1”出“0”。

即，或非的逻辑关系，由此可得图2-15的电路为或非门电路。

题2-5（d）主电路仿真实验的电路图和结果如图2-16所示。

图2-16习题2-5（d）主电路仿真实验的电路图

在图2-16中，示波器屏幕上的第一个波形为输出信号Y，第二个波形为输入信号A，第三个波形为输入信号B，第四个波形为输入信号C。

这些波形清晰的显示出该电路输入和输出的逻辑关系为：

有“0”出“1”。

即，与非的逻辑关系，由此可得图2-16的电路为与非门电路。