分立元件逻辑门电路案例分析

1）逻辑门 逻辑电平 逻辑约定

逻辑门就是实现一些基本逻辑关系的电路。分立元件门电路目前已很少使用，但所有的集成门电路都是在分立元件门电路的基础上发展、演变而来的，所以有必要了解它们的工作原理。

在数字电路中，用高电平和低电平来描述两个逻辑状态，被称为逻辑电平，它们对应两个不同而具有确定范围的高、低电压，高电平对应相对较高的电压，而低电平则对应相对较低的电压，它们表示的都是一定的电压范围，而不是一个固定不变的数值。

在数字电路中，有两种逻辑约定。一种是正逻辑约定，即将高电平用“1”表示，低电平用“0”表示；另一种是负逻辑约定：高电平用“0”表示，低电平用“1”表示。本书如果不特殊声明，均采用正逻辑约定。

2）二极管门电路

（1）二极管与门

实现与逻辑关系的电路称为与门。一个硅二极管与门的电路和二输入与门的图形符号见图3.28。图中A、B是输入信号，F是输出信号，当两个输入信号进行四种不同情况的输入时，相应的输出电压可以估算求出（见表3.3）。显然，这里的3 V、3.7 V为高电平，而0 V、0.7 V为低电平。若采用正逻辑，状态赋值后，则可得到表3.4所示的逻辑真值表。由表3.4可以看出，输入信号A、B和输出信号F之间的关系为“与”逻辑，逻辑表达式为F=A·B。

图3.28　二极管与门

表3.3 图3.28电路电压功能表

表3.4　与门真值表

（2）二极管或门

实现或逻辑关系的电路称为或门。一个硅二极管或门的电路和二输入或门的图形符号见图3.29。通过分析估算可列出表3.5所示的电压功能表。同样采用正逻辑约定，则可得到表3.6所示的逻辑真值表，因此，输入A、B和输出F之间的关系为“或”逻辑关系，其逻辑表达式为F=A+B。

图3.29　二极管或门

表3.5　图3.29电路的电压功能表(www.xing528.com)

表3.6　或门的真值表

（3）三极管非门（反相器）

实现非逻辑关系的电路称为非门。一个三极管非门的电路和非门的图形符号见图3.30。当输入A为高电平时，选择合适的RB、RC，使三极管工作在饱和区，则输出F为低电平；当输入A为低电平时，三极管工作在截止区，则输出F为高电平。因此，该电路的电压功能表应为表3.7。当采用正逻辑约定时，即可得表3.8所示的逻辑真值表。显然，输入A与输出F之间的关系为“非”逻辑关系，其逻辑表达式为F=A。

图3.30　三极管非门

表3.7　图3.30电路的电压功能表

表3.8　非门真值表

（4）MOS管非门

图3.31　MOS管非门

MOS管非门（反相器）的电路如图3.31所示，其中VT1为N沟道增强型MOS，VT2为P沟道增强型MOS。VT1和VT2的栅极接在一起作为反相器的输入端，漏极连在一起作为输出端，工作时VT2的源极接电源正端，VT1的源极接地。一般取VDD＞UGS（th）1+|UGS（th）2|，UGS（th）1和UGS（th）2分别为VT1和VT2的开启电压。

当uI=0时，uGS1=0，此时VT1截止，相当于在D1、S1之间有一个开关断开。而uGS2=-VDD，即|uGS2|＞|UGS（th）2|，使VT2导通，相当于在D2、S2之间有一个开关闭合。所以uO≈VDD，输出为高电平。

当uI=VDD时，uGS1=VDD＞UGS（th）1，VT1导通，相当于在D1、S1之间有一个开关闭合。uGS2=0，VT2截止，相当于在D2、S2之间有一个开关断开。所以uO≈0，输出为低电平。

以上分析表明，该电路具有非逻辑功能。由于电路采用互补的NMOS和PMOS管，称为CMOS电路，工作时两只管子一个导通，另一个截止，电路内部工作电流几乎为0，功耗很小。因此CMOS结构的电路在集成电路中得到广泛应用。