數(shù)字電路中利用元件特性分析復(fù)雜電路的方法探討

一、前言

20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)的普及，數(shù)字技術(shù)正在改變?nèi)祟?lèi)所賴(lài)以生存的社會(huì)環(huán)境，并因此使人類(lèi)的生活和工作環(huán)境具備了更多的數(shù)字化特征，也帶來(lái)了人類(lèi)生活和工作方式的巨大變化，這種由數(shù)字技術(shù)和數(shù)字化產(chǎn)品帶來(lái)的全新的更豐富多彩和具有更多自由度的生活方式稱(chēng)之為“數(shù)字化生活”。做為我們個(gè)人，要了解數(shù)字技術(shù)，首先需要從學(xué)習(xí)數(shù)字電路這門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科入手，了解什么是數(shù)字技術(shù)。我們?cè)趯W(xué)習(xí)數(shù)字電路的過(guò)程中會(huì)碰到這樣的問(wèn)題，有的數(shù)字電路結(jié)構(gòu)看上去十分復(fù)雜，要分析整個(gè)電路的功能的時(shí)候，感覺(jué)不知道從何處入手。我們這里介紹一種方法，充分利用電路中所使用元件的特性，從主要構(gòu)成元件的特性入手，輕松分析出電路的工作原理，并得出電路功能。

二、利用晶體三極管的特性分析集成電路

我們?cè)诜治黾蛇壿嬮T(mén)電路時(shí)，很多TTL（晶體管—晶體管邏輯）電路構(gòu)成的的主要器件是晶體三極管，而三極管的工作狀態(tài)可分為截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)。我們首先要了解TTL電路中的三極管主要是用其中的兩種工作狀態(tài)—飽和區(qū)和截止區(qū)，而三極管另一種工作狀態(tài)—放大區(qū)主要用在模擬電路中。那么我們就可以從分析三極管這兩種工作狀態(tài)入手來(lái)分析電路，會(huì)立即讓復(fù)雜電路簡(jiǎn)單化，比如我們分析兩輸入TTL與非門(mén)：

圖1—1兩個(gè)輸入端A、B相當(dāng)于兩個(gè)二極管正極并聯(lián)在一起，原理如圖1—2所示。假設(shè)輸入信號(hào)的高、低電平分別為VIH=3.4V，VIL=0.2V，PN結(jié)的開(kāi)啟電壓為0.7V。下面就來(lái)分析其工作原理。

分析此圖的關(guān)鍵就在于利用三極管的飽和，截止兩種工作狀態(tài)。若A、B中至少有一個(gè)為低電平，則三極管T1的基極電位就被鉗定在0.9V，即T1的基極電壓VB1=VIL+VON=0.2V+0.7V=0.9V。0.9V是不能保證T2、T5導(dǎo)通的（開(kāi)啟電壓共需要1.4V），三極管T2、T5截止，截止可近似為斷開(kāi)，T2的集電極對(duì)地電平為高電平，T3、T4基極通過(guò)電阻直接與電源相連，從而導(dǎo)致T3、T4導(dǎo)通，F(xiàn)輸出為高電平，即F=1。若A、B均為高電平，則三極管T1的基極電位就被（T1的集電結(jié)、T2和T5的發(fā)射結(jié)）鉗定在2.1V左右，從而使T2和T5導(dǎo)通。本電路T5的發(fā)射極無(wú)限流電阻，T5導(dǎo)通后立即飽和，三極管飽和可近似為短路，同時(shí)T2的集電極呈現(xiàn)低電平，使得T3、T4截止，輸出端F相當(dāng)于接地，故F輸出低電平，即F=0。最終推出A、B與F之間的邏輯關(guān)系為“有0出1，全1出0”，即F=AB。

進(jìn)一步寫(xiě)出真值表：

三、利用場(chǎng)效用管特性分析集成電路

我們?cè)诜治鯟MOS集成門(mén)電路時(shí)，同樣可以利用場(chǎng)效用管特性，使復(fù)雜電路分析簡(jiǎn)單化。

比如我們分析CMOS或非門(mén)電路：

上圖中T1、T2為N溝道增強(qiáng)型MOS管，T3、T4為P溝道增強(qiáng)型MOS管。假設(shè)T1、T2的開(kāi)啟電壓為UGS(TH)N，并且有UGS(TH)N>0；T3、T4的開(kāi)啟電壓為UGS(TH)P，并且有UGS(TH)P<0；同時(shí)有VDD>|UGS(TH)P|+UGS(TH)N。分析該電路我們緊緊抓住NMOS管和PMOS管的特性，NMOS管當(dāng)柵-源電壓小于開(kāi)啟電壓時(shí)，漏-源極截止，當(dāng)柵-源電壓大于開(kāi)啟電壓時(shí)，漏-源極導(dǎo)通，PMOS管當(dāng)柵-源電壓大于開(kāi)啟電壓時(shí)，漏-源極截止，當(dāng)柵-源電壓小于開(kāi)啟電壓時(shí)，漏-源極導(dǎo)通。

圖2—1中輸入端A，B中只要有一個(gè)高電平，則T1或T2中至少有一個(gè)導(dǎo)通，T3或T4中至少有一個(gè)截止，F(xiàn)與VDD之間斷開(kāi)，輸出F為低電平，F(xiàn)=0。只有輸入端A，B同時(shí)為高電平時(shí)，T1和T2截止，T3和T4導(dǎo)通，輸出F為高電平，F(xiàn)=1。進(jìn)一步寫(xiě)出真值表：

四、利用基本邏輯門(mén)電路特點(diǎn)分析復(fù)雜邏輯門(mén)電路工作原理

我們同樣可以利用基本邏輯門(mén)電路的特性來(lái)分析復(fù)雜邏輯門(mén)電路，比如我們分析由與非門(mén)電路構(gòu)成的RS觸發(fā)器：

分析該電路時(shí)，我們應(yīng)該從該電路中使用的基本邏輯門(mén)電路與非門(mén)入手，首先了解與非門(mén)的特性，與非門(mén)的特性是“有0出1，全1出0”。當(dāng)RD=SD=0，利用與非門(mén)特性，兩個(gè)與非門(mén)均輸出1，則Q=Q=1，這種狀況原變量與反變量相等，且狀態(tài)在SD、RD同時(shí)為1時(shí)，狀態(tài)不穩(wěn)定，故為不允許狀態(tài)；當(dāng)RD=0，SD=1時(shí)，因RD=0，利用與非門(mén)特性首先推導(dǎo)出Q=1，進(jìn)一步得出Q=0；當(dāng)RD=1，SD=0時(shí)，因SD=0，利用與非門(mén)特性首先推導(dǎo)出Q=1，進(jìn)一步得出Q=0；當(dāng)RD= SD=1時(shí)，我們利用兩輸入與非門(mén)在一個(gè)輸入為為1時(shí)，對(duì)另一個(gè)輸入而言與非門(mén)相當(dāng)于非門(mén)的特性，得出電路處于保持功能。進(jìn)一步寫(xiě)出由與非門(mén)電路構(gòu)成的RS觸發(fā)器的真值表：

同樣，在分析由或非門(mén)構(gòu)成的RS觸發(fā)器時(shí)，緊緊抓住或非門(mén)“有1出0，全0出1”的特點(diǎn)，可以很輕易的分析出由或非門(mén)構(gòu)成的RS觸發(fā)器的功能特點(diǎn)。

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上所講，我們?cè)趯W(xué)習(xí)數(shù)字電路的過(guò)程中，充分掌握電路中主要元件的特性，并緊緊抓住該元件在電路中的主要功能來(lái)分析電路，可以收到事半功倍的效果。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。