基本门电路及其组合
基本门电路及其组合
门电路是实现各种逻辑关系的基本电路，是组成数字电路的最基本单元。从逻辑功能上看，有与门、或门和非门，还有由它们复合而成的与非门、或非门、与或非门、异或门等。从生产工艺上看，门电路又可分为两大类：分立元件门电路和应用集成电路工艺制成的集成门电路。在学习这些逻辑电路时，不必考虑它的内部结构原理，而要着重掌握它们的逻辑功能。
1.状态的表示
逻辑是指事物的因果关系所遵循的规律。世间万物大多存在着对立统一的正反两种逻辑状态，如事物的真或假、电位(也叫电平)的高或低、开关的通或断等。若将其中一种状态规定为逻辑“真”，则另一种状态便为逻辑“假”。通常将逻辑量在形式上数字化，即用1表示逻辑“真”，用0表示逻辑“假”。这时的0和1不再有数的意义，而是两个符号，表示两种对立的逻辑状态。数字电路中，电路的工作状态最终体现于电平的高或低，什么样的电信号是高电平或低电平呢？这取决于电路元件参数和电源电压的大小。在广泛使用的TTL集成电路和计算机系统中，电源电压采用5 V，它的标准高电平值是2.4 V，标准低电平值是0.4 V，只要实际的电平值≥2.4 V，即认为是高电平，实际的电平值≤0.4 V，即认为是低电平。
若规定高电平为1，低电平为0，称为正逻辑系统。若规定低电平为1，高电平为0，则称为负逻辑系统。本书中采用的都是正逻辑系统。
2.基本逻辑门电路
(1)．与门
在逻辑问题中，如果决定某一事件发生的多个条件必须同时具备事件才能发生，则称这种因果关系为与逻辑。例如，在图8-1所示电路中，开关A和B串联控制灯Y。显然，仅当两个开关均闭合时(条件)，灯才能亮(结果)。否则，灯灭。实现与逻辑关系的电路称为与门电路，如图8-2所示的是最简单的二极管与门电路。A、B是它的两个输入端，Y是输出端。也可以认为A、B是它的两个输入变量，Y是输出变量。假设输入信号低电平为0 V，高电平为3 V，按输入信号的不同可有下述几种情况(忽略二极管正向压降)。
① 输入端全为高电平，DA、DB均导通，则输出VY=3V。
② 输入端有一个或两个为低电平。例如VA=0V， VB=3V时， DA先导通，这时 承受反向电压而截止，输出VY=0V。
可见，只有当输入端A、B全为高电平1时，才输出高电平1，否则输出端均为低电平0，这合乎与门的要求。
将逻辑电路所有可能的输入变量和输出变量间的逻辑关系列成表格，如表8-1所示，称为真值表。
表8-1 与门真值表
|
A |
B |
Y |
|
0 |
0 |
0 |
|
0 |
1 |
0 |
|
1 |
0 |
0 |
|
1 |
1 |
1 |
上述逻辑关系可用逻辑表达式描述为：
Y=A?B (8-1)
式中小圆点“?”表示A、B的与运算，也表示逻辑乘。在不致引起混淆的前提下，“?”常被省略。在某些文献中，也有用符号∧表示与运算的。图8-3所示为两输入端的与门逻辑符号。与门也可有两个以上的输入端。
式中小圆点“?”表示A、B的与运算，也表示逻辑乘。在不致引起混淆的前提下，“?”常被省略。在某些文献中，也有用符号∧表示与运算的。图8-3所示为两输入端的与门逻辑符号。与门也可有两个以上的输入端。
门电路的逻辑关系也可以用波形图来描述，如图8-4所示。
2．或门
在逻辑问题的描述中，如果决定某一事件发生的多个条件中，只要有一个或一个以上条件成立，事件便可发生，则称这种因果关系为或逻辑。例如，在图8-5所示电路中，开关A和B并联控制灯Y。可以看出，当开关A、B中有一个闭合或者两个均闭合时，灯Y即亮。因此，灯Y与开关A、B之间的关系是或逻辑关系。
实现或逻辑关系的电路称为或门电路。图8-6所示是最简单的二极管或门电路。A、Ｂ是它的两个输入，Y是输出。采用与门电路同样的分析方法，对不同的输入组合，不难得出或门电路的真值表，如表8-2所示。
表8-2 或门真值表
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A |
B |
Y |
|
0 |
0 |
0 |
|
0 |
1 |
1 |
|
1 |
0 |
1 |
|
1 |
1 |
1 |
从表中可知，输入变量只要有一个为1时，输出就为1；只有输入全为0，输出才为0。
上述逻辑关系用逻辑表达式描述为：
Y=A+B (8-2)
式中，“+”号表示逻辑或而不是算术运算中的加号。某些文献中也用“∨”表示或运算。图8-7为两输入端的或门逻辑符号。或门也可有两个以上的输入端。
或门电路的逻辑关系也可用波形图来描述，如图8-8所示。
(3)．非门
在逻辑问题中，如果某一事件的发生取决于条件的否定，即事件与事件发生的条件之间构成矛盾，则这种因果关系称为非逻辑。
例如，在图8-9所示电路中，当开关A断开时，灯亮；A闭合时，灯不亮。这个例子表示了一种条件与结果相反的非逻辑关系。
图8-10所示为三极管非门电路。非门又称反相器，它只有一个输入端和一个输出端，其输出与输入恒为相反状态。
下面分析该三极管(工作在饱和或截止状态)非门电路的逻辑功能。
① 当输入端A为高电平(VA=3V)时，适当选取RK、RB之值可使三极管饱和导通，其集电极输出低电平(VY=0V)。
② 当输入端A为低电平(VA=0V)时，负电源UBB经RK、RB分压使三极管基极电位为负，三极管截止，从而输出高电平(其电位近似等于UCC)。
表8-3是非门电路的逻辑真值表，非门的逻辑符号如图8-11所示。
表8-3 非门真值表
|
A |
Y |
|
0 |
1 |
|
1 |
0 |
如果用逻辑表达式描述，则为：
(8-3)
它可和图8-12的波形图相对照。
3．基本逻辑门电路的组合
利用与门、或门、非门三种最基本的门电路可以组成各种复合门电路，其中最常用的有与非门电路、或非门电路、异或门电路等。
(1)．与非门
与非门电路是数字电路中运用最广的一种逻辑门电路，逻辑符号及波形图如图8-13所示。
与非门的逻辑功能为：输入信号全为1，则输出为0；只要有一个输入为0，则输出为1。与非门真值表如表8-4所示。
表8-4 与非门真值表
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A |
B |
Y |
|
0 |
0 |
1 |
|
0 |
1 |
1 |
|
1 |
0 |
1 |
|
1 |
1 |
0 |
与非门的逻辑功能用逻辑表达式描述，则为：
(8-4)
与非门可以有两个或两个以上的输入端。
(2)．或非门
或非门的逻辑符号及波形图如图8-14所示。
或非门的逻辑功能是：输入全为0，输出才为1；只要有一个输入为1，输出就为0。或非门真值表如表8-5所示。
表8-5 或非门真值表
|
A |
B |
Y |
|
0 |
0 |
1 |
|
0 |
1 |
0 |
|
1 |
0 |
0 |
|
1 |
1 |
0 |
或非门的逻辑功能用逻辑表达式描述则为：
(8-5)
或非门也可有两个或两个以上的输入端。
(3)．异或门
异或门的逻辑符号及波形图如图8-15所示。
其逻辑功能为：当两个输入端信号相同时，输出为0；当两个输入端信号相异时，输出为1。其真值表如表8-6所示。
表8-6 异或门真值表
|
A |
B |
Y |
|
0 |
0 |
0 |
|
0 |
1 |
1 |
|
1 |
0 |
1 |
|
1 |
1 |
0 |
异或门的逻辑功能用逻辑表达式描述为：
(8-6)
异或门只有两个输入端。
思考与练习
1.如果正逻辑改为负逻辑，那么正逻辑条件下的与门和或门的逻辑功能有何变化?
2.假定一个电路中，指示灯Y和开关A、B、C的关系为 Y =AB+C
试画出相应的电路图。
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