[科普中国]-与非门电路-

基本概念门电路

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，甚至成千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，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。

与非门电路与非门是与门和非门的结合，先进行与运算，再进行非运算。与非运算输入要求有两个，如果输入都用0和1表示的话，那么与运算的结果就是这两个数的乘积。如1和1（两端都有信号），则输出为0；1和0，则输出为1；0和0，则输出为1。与非门的结果就是对两个输入信号先进行与运算，再对此与运算结果进行非运算的结果。简单说，与非与非，就是先与后非。

与非门则是当输入端中有1个或1个以上是低电平时，输出为高电平；只有所有输入是高电平时，输出才是低电平。

真值表真值表如下所示：

|| ||

逻辑表达式：Y=(A·B)'=(A')+(B')

逻辑符号下面是各国门电路逻辑符号表：

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。

如下图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。

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。上图就是早期的简单集成与非门电路，称为二极管—三极管逻辑门电路，简称DTL电路。

TTL与非门电路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。仔细分析我们发现电路中的Dl、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。如图所示是TTL与非门电路的结构。

第二，为提高输出管的开通速度，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，再分析输出级。输出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，称为推拉式输出级。

TTL与非门的逻辑关系（1）输入全为高电平时，输出为低电平。

（2）输入全为高电平时，输出为低电平。

TTL与非门的开关速度（1）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。

（2）采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电。

TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力（1）电压传输特性曲线

与非门的电压传输特性曲线是指与非门的输出电压与输入电压之间的对应关系曲线，即V=f（Vi），它反映了电路的静态特性。

AB段（截止区）

BC段（线性区）

CD段（过渡区）

DE段（饱和区）

（2）几个重要参数

从TTL与非门的电压传输特性曲线上，我们可以定义几个重要的电路指标。

a.输出高电平电压VOH——VOH的理论值为3.6V，产品规定输出高电压的最小值VOH（min）=2.4V，
即大于2.4V的输出电压就可称为输出高电压VOH。

b.输出低电平电压VOL——VOL的理论值为0.3V，产品规定输出低电压的最大值VOL（max）=0.4V，
即小于0.4V的输出电压就可称为输出低电压VOL。

c.关门电平电压VOFF——是指输出电压下降到VOH（min）时对应的输入电压。显然只要ViVON，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。

e.阈值电压Vth——决定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、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Vth≈VOFF≈VON。Vth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。

（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。

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1。