数字逻辑课件——分立元件门电路

2.1.3 分立元件门电路
▪ 所有集成门电路都是在分立元件门电路的基础上发展、 演变而得到的，因此在学习集成门电路之前有必要学 习一下分立元件门电路的简单工作原理
1. 二极管与门电路 ▪ 在用数字电路实现逻辑运算时，用输入端的电位表示
逻辑自变量，用输出端的电位表示逻辑因变量（逻辑 函数），并且作出一定的逻辑规定， ▪ 如以+3V左右的输入或输出电位（高电平）表示逻辑1， 以0V左右的输入或输出电位（低电平）表示逻辑0，
uY = 0V + 0.7V = 0.7V ≈ 0V。VD1截止。 4. uA = uB = 3V。
二极管VD1和VD2都导通，
uY = 3 V+ 0.7V = 3.7V ≈ 3V。
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输出电位与输入电位uA ，uB的关系示于下面左表中，按正
逻辑规定，即高电位代表逻辑1，低电位代表逻辑0，可得
下面右表所示真值表，说明电路实现的是“与”逻辑关系，
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图2-1-14 非门电路
由于增加了电阻R2和负电源 -VEE，当输入低电平信号为
零时三极管的基极将为负电位，发射结为反向偏置，从而 保证了三极管的可靠截止。
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如果将二极管与门和反相器联接起来，就可以构成 2-1-15(a)所示的与非门。
图2-1-15 与非门电路
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其真值表如表2-1-5 表2-1-5 图2-1-15电路真值表
(5) 当A接5k电阻，B端悬空时，二极管D1为导通状态， 输出VO应为
6 0.7 VO 5 5 5 0.7 3.35V
当用万用表测B点电压时，D2导通， VB应为
VB VO VD
3.35 0.7 2.65V
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例2.3 反相器原理分析
▪ 三极管T构成的反相器电路如图所示。已知三极管T的VBE = 0.7V， = 30，T饱和时的管压降VCES 0V 。试计算： (1) 当VI为何值时，
1
在这样的规定下，图2-1-12(a)就是由二极管组成的两 输入端与门(AND Gate)电路。
其中A，B为输入端，Y为输出端，在下面的分析中，设二 极管采用硅管，其正向压降为0.7V左右，在数字电路中 常把“电位”称为“电平”。
按输入信号的不同，下图所示电路有如下四种不同的工 作情况。
图2-1-12 二极管与门
VB (VBB ) VCC VCES
R2
RC
代入已知参数
VI 0.7 0.7 (9) 9 0
2
20 301
解得 VI 2.27V
当VI大于2.27V时，三 极管T进入饱和状态。
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(2) 在VI = 3.0V时，可求得三极管基极偏置电流
IB
VI VB R1
VB
(VBB ) R2
AB
Y
00
1
01
1
10
1
11
0
11
用同样的方法，将二极管或门和反相器联接起来， 就可以构成2-1-16(a)所示的或非门。
图2-1-16 或非门电路
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其真值表如表2-1-6 表2-1-6 图2-1-16电路真值表
AB
Y
00
1
01
0
10
0
11
0
13
复合逻辑符号
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分立元件门电路的缺点： 1. 体积大、工作不可靠。 2. 需要不同电源。 3. 各种门的输入、输出电平不匹配。
▪ 仔细分析图2-1-7中的三极管开关电路就会发现：当 输入为高电平时输出等于低电平，当输入为低电平时 输出等于高电平。因此输入与输出之间是反相关系， 亦即非逻辑，可以把它当作非门（亦称反相器）使用。
▪ 在实用的反相器电路中，为保证输入低电平时三极管 能可靠截止，通常将电路接成图2-1-14(a)的形式。
多少伏？
(4) 当A接0. 3 V，B悬空，
用万用表测B端电压，则VB为多
少伏？
(5) 当A接5k电阻，B端
悬空，用万用表测B端电压，则
VB为多少伏？
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▪ 解：分析时，要判断二极管在各种输入情况下的状态 是导通还是截止。
▪ (1) 当A接3.0V，B接0.3V时，D2管导通，输出VO被钳 位在0.3 + 0.7 = 1.0V，即VO = 1.0V，此时D1管截止。 (2) 当A和B都接3.0V时，D1、D2均导通，输出VO被钳位 在3.0 + 0.7 = 3.7V，即VO = 3.7V，
即与门电路。
电路输入、输出电位关系
uA (V) uB(V)
uY(V)
电路真值表
AB
Y
0
0
0.7
00
0
0
3
0.7
01
0
3
0
0.7
10
0
3
3
3.7
11
1
如果在图2-1-12中增加一个输入端和一个二极管，就可变 成三输入端与门，按此办法就可构成更多输入端的与门。
5
2. 二极管或门电路 ▪ 图2-1-13是由二极管组成的两输入端或 门（OR Gate）电路。
3.0 0.7 0.7 9 0.67mA
2
20
在VO端有注入电流ILL时， 流入三极管集电极总电流为
I RC ILL ,
随 ILL注入增大，三极管饱和深度下降，当出现
I RC
ILL
IB
时，T管将脱离饱和。有
ILL
IB
I RC
0.67 30
9 1
11.1mA
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因此，在VI = 3.0V时，VO端灌入电流ILL大于 11.1mA时，三极管T管将脱离饱和。
(3) 当A接3.0V，B端悬空时， D1导通，VO = 3.7V，用万用表测 B点电压时， D2相当于被接通， VO经D2管应减去0.7V，故VB =
3.0V。
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(4) 当A接0. 3 V，B端悬空时，D1导通，VO被A端电位钳 在1.0V。当用万用表测B点电位时，D2相当于导通，因此 VB = 0.3 V。
三极管T可进入饱和状态？
(2) 在VI = 3.0V情况下，VO端
灌入电流为多大时，T管将脱 离饱和？
(3) VO = VOH 时，电路外拉
电流的能力为多大？
图例2.3 反相器电路
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解：(1) VI取值要满足T管饱和，应满足 IB IBS
由给定电路可知 IB IR1 IR2
可得
IB
VI VB R1
2
1. uA = uB = 0V。
二极管VD1和VD2都导通，
uY = 0V + 0.7V = 0.7V ≈ 0V。
2. uA = 0V，uB = 3V。
二极管VD1导通，
uY = 0V + 0.7V = 0.7V ≈ 0V。VD2截止。
3
3. uA = 3V，uB = 0V。
二极管VD2导通，
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补充例2.1 二极管门电路波形画法
▪ 二极管D1，D2组成的与门电路如下图(a)所示，图(b)
所示为输入A，B的波形。试画出电路输出端VO的波形。 已知输入A，B的高、低电平分别为3.0V和0V。
图例2.1 二极管与门电路和输入A，B波形
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▪ 解：按逻辑与的含义，只有当输入量A，B同为高电平时， 输出才为高电平。 A，B中只要有一个为低电平，输出一 定为低电平。若假设电路中二极管的导通压降VD = 0.7V ， 则输出VO高电平值VOH = 3.7V，输出VO低电平值VOL =
(3) 在电路输出为高电平时，由于钳位电路的存 在，VOH 值应为VOH = EQ + VD = 2.9 + 0.7 =3.6V
这时，电路允许的外拉电流ILH应满足
I LH
VCC VOH RC
9 3.6 5.4mA 1
当外拉电流超过5.4mA时， VOH将随ILH的进一步增大 而下降。
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0.7V 。
图例2.1(c) 二极管与门电路和输入A，B波形
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例2.2 二极管门电路电位测量
▪ 二极管同上题图(a)所示电路。已知二极管D1，D2导通压
降为0.7V，电阻R = 5k。试回答：
(1) 当A接3.0V，B接0.3V时，输出VO为多少伏？ (2) 当A和B都接3.0V时，输出VO为多少伏？ (3) 当A接3.0V，B悬空，用万用表测B端电压，则VB为
+
图2-1-13 二极管或门
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按上述同样的分析方法，输入、输出电位关系有如下面 左表所示四种，对应的真值表如下面右表，实现或逻辑 关系。
电路输入、输出电位关系
电路真值表
uA (V) uB(V)
0
0
0
3
3
0
3
3
uY(V)
-0.7 2.3 2.3 2.3
AB
Y
00
0
01
1
10Hale Waihona Puke Baidu
1
11
1
7
3. 非门电路