简单逻辑门电路工作原理

　　为了对门电路的工作原理有一个初步了解，在介绍TTL集成逻辑门和CMOS集成逻辑门之前，先对简单的晶体与门、或门和晶体非门（又称为反相器）进行简单介绍。

　　（1）”与”门

　　”与”门有两个以上输入端和一个输出端。图1（a）给出了由二极管组成的两输入”与”门电路，与其对应的逻辑符号如图1（b）所示。

图1 二极管与门电路及与门逻辑符号

　　图1（a）中，A、B为输入端，F为输出端。输入信号为低电平0V或者高电平+5V。假定二极管正向电阻为0，反向电阻无穷大，该电路根据输入信号取值的不同，可分为两种工作情况。

　　①输入电压V_{A、VB均为低电平0V，或者其中的一个为低电平0V时，输入为低电平的二极管将处于导通状态，从而使得输出端F的电压被钳制在近似0V，即VF≈0V；}

　　②输入电压V_{A、VB均为高电平+5V时，二极管D1、D2均截止，输出端F的电压等于电压VCC，即VF＝+5V。}

　　可得出该电路输入和输出的电压取值关系如表1所示。假定高电平表示逻辑值1，低电平表示逻辑值0，则该电路输入和输出之间的逻辑取值关系如表2所示。显然，该电路实现了“与”运算的逻辑功能，即输出逻辑表达式为F=A·B。

表 1 输入与输出的电压关系	表2 输入与输出的逻辑关系
A／V B／V F／V 0 0 0 0 +5 0 +5 0 0 +5 +5 +5	A B F 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1

　　（2）“或”门

　　“或”门可以有两个或者两个以上输入端和一个输出端。由二极管构成的两输入“或”门电路如图2（a）所示，与其对应的逻辑符号如图2（b）所示。

图2 二极管或门电路及或门逻辑符号

　　图2（a）中，A、B为输入端，F为输出端。该电路根据输入信号取值的不同，同样可分为如下两种工作情况。

　　①当两个输入端电压V_{A、VB均为低电平0V时，二极管D1、D2均截止，输出端电压VF＝0V。}

　　②当两个输入端电压V_{A、VB均为+5V，或者其中的一个+5V时，输入为+5V的二极管将处于导通状态，从而使得输出端F的电压为高电平,即VF≈+5V。}

　　可得出该电路输入和输出的电压取值关系如表3所示，电路的逻辑取值关系如表4所示。显然，该电路实现“或”运算的逻辑功能，输出F和输入A、B之间的逻辑关系表达式为F=A+B。

表3 输入与输出的电压关系	表4输入与输出的逻辑关系
A B F 0V 0V 0V 0V +5V +5V +5V 0V +5V +5V +5V +5V	A B F 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1

　　（3）“非”门

　　“非”门又称为反相器。它有一个输入端和一个输出端。一个用晶体三极管构成的“非”门电路如图3（a）所示，与其对应的逻辑符号如图3（b）所示。

图3 二极管或门电路及或门逻辑符号

　　图3（a）中，A为输入端，F为输出端。假定三极管饱和导通时集电极输出电压近似为0V，三极管截止时集电极输出电压近似为+5V，根据三极管工作原理可知：当输入A为低电平时，三极管截止，输出电压V_{F≈+5V；当输入A为高电平时，三极管饱和导通，输出电压VF≈0V。输入和输出之间的电压取值关系如表5所示，逻辑取值关系如表6所示。}

表5 输入与输出的电压关系	表6 输入与输出的逻辑关系
A F 0V +5V +5V 0V	A F 0 1 1 0

　　显然，该电路实现“非”逻辑功能，输出F与输入A的逻辑关系表达式为。

　　上述由二极管、三极管构成的三种简单门电路，虽然可以实现三种基本逻辑运算，但这种门电路的负载能力、开关特性等均不理想。实际使用的是性能更好的各种集成门电路。

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　　为了对门电路的工作原理有一个初步了解，在介绍TTL集成逻辑门和CMOS集成逻辑门之前，先对简单的晶体与门、或门和晶体非门（又称为反相器）进行简单介绍。

　　（1）”与”门

　　”与”门有两个以上输入端和一个输出端。图1（a）给出了由二极管组成的两输入”与”门电路，与其对应的逻辑符号如图1（b）所示。

图1 二极管与门电路及与门逻辑符号

　　图1（a）中，A、B为输入端，F为输出端。输入信号为低电平0V或者高电平+5V。假定二极管正向电阻为0，反向电阻无穷大，该电路根据输入信号取值的不同，可分为两种工作情况。

　　①输入电压V_{A、VB均为低电平0V，或者其中的一个为低电平0V时，输入为低电平的二极管将处于导通状态，从而使得输出端F的电压被钳制在近似0V，即VF≈0V；}

　　②输入电压V_{A、VB均为高电平+5V时，二极管D1、D2均截止，输出端F的电压等于电压VCC，即VF＝+5V。}

　　可得出该电路输入和输出的电压取值关系如表1所示。假定高电平表示逻辑值1，低电平表示逻辑值0，则该电路输入和输出之间的逻辑取值关系如表2所示。显然，该电路实现了“与”运算的逻辑功能，即输出逻辑表达式为F=A·B。

表 1 输入与输出的电压关系	表2 输入与输出的逻辑关系
A／V B／V F／V 0 0 0 0 +5 0 +5 0 0 +5 +5 +5	A B F 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1

　　（2）“或”门

　　“或”门可以有两个或者两个以上输入端和一个输出端。由二极管构成的两输入“或”门电路如图2（a）所示，与其对应的逻辑符号如图2（b）所示。

图2 二极管或门电路及或门逻辑符号

　　图2（a）中，A、B为输入端，F为输出端。该电路根据输入信号取值的不同，同样可分为如下两种工作情况。

　　①当两个输入端电压V_{A、VB均为低电平0V时，二极管D1、D2均截止，输出端电压VF＝0V。}

　　②当两个输入端电压V_{A、VB均为+5V，或者其中的一个+5V时，输入为+5V的二极管将处于导通状态，从而使得输出端F的电压为高电平,即VF≈+5V。}

　　可得出该电路输入和输出的电压取值关系如表3所示，电路的逻辑取值关系如表4所示。显然，该电路实现“或”运算的逻辑功能，输出F和输入A、B之间的逻辑关系表达式为F=A+B。

表3 输入与输出的电压关系	表4输入与输出的逻辑关系
A B F 0V 0V 0V 0V +5V +5V +5V 0V +5V +5V +5V +5V	A B F 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1

　　（3）“非”门

　　“非”门又称为反相器。它有一个输入端和一个输出端。一个用晶体三极管构成的“非”门电路如图3（a）所示，与其对应的逻辑符号如图3（b）所示。

图3 二极管或门电路及或门逻辑符号

　　图3（a）中，A为输入端，F为输出端。假定三极管饱和导通时集电极输出电压近似为0V，三极管截止时集电极输出电压近似为+5V，根据三极管工作原理可知：当输入A为低电平时，三极管截止，输出电压V_{F≈+5V；当输入A为高电平时，三极管饱和导通，输出电压VF≈0V。输入和输出之间的电压取值关系如表5所示，逻辑取值关系如表6所示。}

表5 输入与输出的电压关系	表6 输入与输出的逻辑关系
A F 0V +5V +5V 0V	A F 0 1 1 0

　　显然，该电路实现“非”逻辑功能，输出F与输入A的逻辑关系表达式为。

　　上述由二极管、三极管构成的三种简单门电路，虽然可以实现三种基本逻辑运算，但这种门电路的负载能力、开关特性等均不理想。实际使用的是性能更好的各种集成门电路。