8、逻辑门电路概述

一、 概述

什么叫做门电路?一个逻辑门电路就是能够完成一些基本逻辑功能的电子电路。我们前面学习到的,与门、或门、非门和与或非门,或非门等等这样一些基本的逻辑运算,我们都需要有对应的电路来实现这些功能,来实现这些逻辑运算的电路就叫做逻辑门。

实现与功能的电路,就叫做与门。实现或功能的电路,就叫做或门,如此之类的等等其他电路。

逻辑门概述

用个n个与门、或门、非门的组合就可以搭建成任何我们想要的电路。这个方式叫做:使用分立元器件搭建电路的方式。

不同的组合实现的不同功能把它集成在一起,封装在一起就叫做集成电路。里面集成的门电路个数不同,该集成电路的规模就不一样。

逻辑门发展过程

二、门电路的主要参数

2.1、总览

门电路的主要参数

2.2、电压传输特性曲线(VTC)

我们在研究一个电路特性的时候,有一个曲线是非常重要的。比如说,对于这样这个非门,输入是I,输出是O,输入和输出之间存在着某个关系。比如,输出O的电压是低的时候,那么输入I的电压就是高的。输出O的电压是高的时候,那么输入I的电压就是低的。所以它的输出和输入之间是存在互反的关系。

电压传输特性曲线

可以看到Vo在下降了一定阶段,并没有完全置0,说明还是有一定电压,但并不大。

因此可以知道,精准的高电压(如果我把5v当做1,那么如果是4.99v呢)和精准的低电压(如果我把0v当做0,那么如果是0.8v呢)是很难得到的,所以1和0不是一个固定的值,而是一个电平范围。

标准TTL电路规定

标准TTL电路规定2

在我们选取门电路、芯片的时候,可以找到它对应的使用手册。在手册上,标注了输入与输出的电平值范围。

使用手册

2.3、噪声容限

对于输入高电平、输入低电平来说,很多时候都是对应某一个逻辑门来说的。实际上我们会把单个的逻辑门最终组合成一个复杂的电路。

这里我们假设下有两个完全相同的反向器,也就是2个非门。给它级联在一起,它们就有了连接关系,第一个非门的输出也就会是第二个非门的输入。

两个非门

那么对于VI2来说,它的输入想要获得高电平,一定是需要认可Vo1是输出的高电平。不能G1输出一个高电平,G2输入却认为不是高电平。反之,低电平也是同理。

所以我们就发现了一个约束条件,对于高电平来说,G1输出高电平的最坏情况VOH(min)(假如正常平均能输出5v,最坏情况也有3v)一定要比G2输入高电平最坏情况VIH(min)要(假如正常平均能接受5v,最坏情况也有2v)。

反之,G2能接受的输入低电平最坏情况VIL(min)(假如正常平均能接受0.8v,最坏情况也有0.4v)一定要比G1输出低电平的最坏情况VOL(min)(假如正常平均能输出0.8v,最坏情况也有0.3v)要

这有这样做才能保证,G1输出的1到G2能被认为是1,G1输出0到G2能被认为是0。

噪声容限

在实际的电路中,G1到G2是通过导线来连接的,电平在通过这条导线时会受到各种各样的噪声干扰,G1输出高电平5V,在传输的过程中会受到噪声干扰,有导线自身的阻值噪声干扰,有旁边相近其他导线的噪声干扰。那么最后到G2接受时,可能就被影响到只有4.5v了。对于噪声的容忍程度就叫做噪声容限。

2.4、静态输入特性和输出特性

什么叫做静态,静态是指这个电路在输入输出的过程中信息是稳定的。

电流:代表了这个门电路能承受(驱动)多少个外接电路和接受多大输入(负载)。这个值对于输出端来说越大越好,对于输入端来说越小越好。

电阻:代表了这个门电路能在承受(驱动)外接电路和接受输入(负载)时的电阻值。

电路的输入电阻越大说明向信号源索取的电流越小,所需的信号功率也越小,这样子,只有一点点信号就能干活,理想情况最好为无穷大。

输出电阻越小,表示可以输出更大的电流但输出电压不变,这样可输出更大的功率,理想输出电阻最好是零。

静态输入特性和输出特性

2.5、扇出系数

该方程是对上面的输入输出特性的描述,为了求最大负载个数和最大驱动个数。以电流为单位进行计算。

扇出系数

2.6、传播延迟

传播延迟是对于动态电路而言,什么是动态电路,在输出和输入会发生变化的时候就叫做动态电路,反应的是这个电路的反应速度的。

假如,一个非门,它的输入端信号发生了变化,从0变成了1,输入端的变化就会造成输出端的变化,那么输入端输入了多久之后输出端才会采取相应的变化,这个时间就叫做传播延迟。

在低电平到高电平变化的过程中,信号不是突然0到1的,它是有过程的变化,如:0-->0.3-->0.5-->1。

高电平到底电平变化过程也是一样。

传播延迟

2.7、功耗

功耗是电路里面很重要的一个参数,随着电路集成的规模越来越大,它的功耗越来越高。

功耗大会带来2个问题

1、耗电,对于用电池的电路来说,耗电越高续航能力越差。

2、功耗大的电路会带来散热的问题,电路的温度升高,不能及时的排出温度会导致电路的损坏。如果使用风扇之类的工具进行散热,也不可避免的会带来体积问题。

功耗

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