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第四节 分立器件DTL门电路

在上节内容探讨了半导体器件的开关特性,例如二极管具有单向导电性,三极管具有截止和饱和两个工作区,在这两个工作区域内切换时,从三极管集电极到射极的导通特性上看也具有开关特性。但是无论二极管还是三极管的内部开关特性观察、测量等都不方便,因此我们更关心电路中半导体器件的外部特性,即输入、输出电压。同时针对电压特性也介绍了输入、输出电压标准。正是半导体的开关特性以及电压标准,才使数字电路与数字逻辑函数成为完美的映射。一般由二极管构成门电路称为DDL(Diode-Diode logic)门(Gate)电路;由二极管、三极管构成的门电路称为DTL(Diode-Transistor Logic)门电路;由三极管构成的门电路称为TTL(Transistor-Transistor Logic)门电路。下面分别介绍由二极管、三极管构成的门电路。

1. DDL(二极管)门电路

  • DDL或门电路

图1为DDL或门电路,从输入、输出电压的角度分析电路的逻辑行为,结果如表1所示。设二极管D1,D2为硅基体PN结二极管,开启电压为0.5V,导通电降为0.7V。

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图1  DDL OR Gate

 

表1 二极管开关状态与电路输入/输出关系

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从表1的输入、输出电压关系可以判断图1所示电路具有或门电路特性。但为了更好地展示其电路特性,应充分利用数学工具(逻辑函数及运算)进行研究,因此针对图1电路及表1结果,给出真值表、逻辑函数表达式和逻辑符号图。

    • DDL 或门电路真值表

由功能表1转换成真值表如图2,

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图2  DDL OR Gate Truth Table

    • DDL或门电路逻辑表达式

Y=A+B;

                    Y=A | B;

    • DDL 或门逻辑符号

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图3  或门逻辑符号

 

  • DDL与门电路

受DDL或门电路的启发,可以设计如图4所示的DDL与门电路。

    • DDL与门电路

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图4  DDL与门电路

    • 功能描述如表2

表2

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    • 与门电路真值表

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图5  DDL与门电路真值表

    • 与门电路对应的逻辑表达式

Y=AB

Y=A&B

    • 与门电路对应的逻辑符号

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图6

  • 二极管非门电路

直接对应输入电压与输出电压的非门电路,单纯由二极管构成并不容易,但如果对应输入为电压,输出为电流,依然可以构建非逻辑,如图7所示。其它如输入电压,输出为发光二极管亮与灭等都可以表示非逻辑,如图9所示。

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图7

分析图7所示电路,当输入电压Ui为高电平时,D1截止,流过R1的电流约为0,可以表示非逻辑0,即Y=0;当Ui为低电平(0V)时,流过R1的电流最大,Io约为(Vcc-0.7v)/R1, 可以表示逻辑1,即y=1。因此Y=~A。

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图9

图9中 输入电压Ui与LED的亮与灭形成非逻辑,即Y=~A。

虽然可以有各种形式的电路可以构成非逻辑,但电流、LED的亮与灭等在测量、判断、级联等都不方便,也没有对应的标准。因此上面只是采用了“非逻辑”,而没有采用“非门逻辑”的概念。以后提到门电路的概念都是指输入、输出电压之间的关系。虽然单纯二极管构成非门电路不易实现,但借助电流转换依然可以实现非门电路,如图10借助电流控制的导通与截止控制继电器的闭合与断开,可以使输出电压翻转形成非门逻辑。

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图10

2. 三极管门电路

图10所示的电路虽然可以实现非门逻辑,但由于继电器的体积、功耗、成本都急剧上升,也没有办法集成,因此像图10所以电路一般会用在弱电控制强电的输出级。在研究三极管电路时,我们知道三极管是电流控制电流型器件,可以提供开关特性。如果以基极的输入电压和集电极的输出电压形成逻辑关系,则可以非常方便形成非门电路,如图11所示。

  • 三极管非门电路

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图11  三极管非门电路

经过分析,图11具备真值表如图12所示的逻辑关系,恰好满足非门电路的要求。

  • 非门真值表

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图12 三极管非门电路真值表

  • 非门逻辑函数表达式

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  • 非门逻辑符号

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图13 非门逻辑符号

3. DTL门电路

有了与门、或门和非门电路基本模型,与非门、或非门只要将与门与非门组合,或门与非门组合即可。

  • DTL或非门

    • DTL或非门电路,如图14

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图14  DTL或非门电路

    • DTL或非门真值表,如图15

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图15     DTL或非门真值表

    • DTL或非门逻辑函数表达式

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    • DTL或非门符号图,如图16

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图16 TL或非门符号图

  • DTL与非门

    • DTL与非门电路

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图17  DTL与非门电路

    • DTL与非门真值表

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图18  DTL与非门真值表

 

    • DTL与非门逻辑表达式

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    • DTL与非门逻辑符号

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图19

总结:上面介绍了DDL,DTL门电路,有了这些基本门电路模型就与之前介绍的逻辑函数建立了联系,到此为止我们完全可以从数学建模、逻辑函数化简、建立逻辑符号图,设计符合要求的电路。反之,见到逻辑电路也可以抽象成逻辑符号,求出逻辑表达式,建立真值表,分析逻辑函数功能,也可以利用卡诺图化简,优化电路设计。

练习题:

  1.  根据TTL电平标准,试分析图1 所示电路满足TTL电平标准的输入电压范围以及在该范围内的输出电压。
  2. 分析图10 的Y与A的逻辑关系,并判断是否满足非门要求。
  3. 试分析图11的输入、输出电压关系,假设T1为硅基体NPN的三极管。按照TTL标准分析输入、输出电压的范围。并判断U0是否满足TTL电平标准。
  4. 分析DTL或非门原理(图14)。假设三极管β=100, VCC=5V,Rc=3k, Rb=100K,计算该电路是否满足或非门电路,如何改进?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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