用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路称为门电路。
门电路是数字电路中最基本的逻辑单元。它可以使输出信号与输入信号之间产生一定的逻辑关系。
在数字电路中,信号大都是用电位(电平)高低两种状态表示,利用门电路的逻辑关系可以实现对信号的转换。
常用的门电路在逻辑功能上有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等几种。
门电路的分类
分立元件门电路:用分立的元件和导线连接起来构成的门电路。
集成门电路:把构成门电路的元器件和连线都制作在一块半导体 芯片上,再封装起来,便构成了集成门电路。现在使用最多的是CMOS和TTL集成门电路。
门电路原理
实际应用的门电路都是集成电路。在集成电路设计过程中,将复杂的逻辑函数转换为具体的数字电路时,不管是手工设计还是EDA工具自动设计,通常要用到七种基本逻辑(与、或、非、与非、或非、同或、异或)的图形表示,在电路术语中这些逻辑操作符号被称作门,对应的具体电路就叫做门电路,包括某个基本逻辑或者多个基本逻辑组合的复杂逻辑。比如实现取反功能的反相器,就叫做非门;实现“先与后反”功能的就是与非门,如下图所示。
与非门由两个N管和两个P管组成:P管并联,一端接电源;N管串联,一端接地。根据CMOS结构互补的思想,每个N管都会和一个P管组成一对,它们的栅极连在一起,作为与非门的输入;输出则在“串-并”结构的中间。当输入端A、B中只要有一个为0时,下面接地的通路断开,而上面接电源的通路导通,就输出高电平1;而只有A、B同时为1时,才会使接地的两个串联NMOS管都导通,从而输出低电平0。而这正是与非门的逻辑:只有两个输入都为1时,输出为0;否则结果为1。
上述7种基本逻辑对应的门即为:与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门、同或门。另外还有一个常用的基本门电路叫传输门,可以模拟“开关”的动作,当然也是由MOS-FET组成的,利用了其栅电压控制MOS管导通的原理;当CP为1,A的数据可以传到B端,当CP为0时,其内部晶体管截止,可以把电路中的通路临时关断。它们的逻辑符号如图所示。
门电路几乎可以组成数字电路里面任何一种复杂的功能电路,包括类似于加法、乘法的运算电路,或者寄存器等具有存储功能的电路,以及各种自由的控制逻辑电路,都是由基本的门电路组合而成的。
门电路实例
警笛信号发生器电路一般用于报警电路中,通过高音和低音的交换发声,起到警示作用。
由六个非门电路组成的警笛信号发生器电路如下图:
非门1、2组成超低频脉冲振荡器,非门3、4组成高音振荡器,非门5、6组成低音振荡器。超低频脉冲振荡器的输出通过二极管VD1,VD2控制高、低音振荡器轮流发声,振荡信号分别经VD3,VD4由半导体三极管VT1放大后推动扬声器发声。
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