反相器(非門)的作用是什么?

反相器(非門)的作用是什么?

無線電小組的同學(xué)們在了解了三極管的開關(guān)應(yīng)用之后，開始進(jìn)行趣味數(shù)字電路的實驗與制作。這次活動的內(nèi)容是采用CMOS六反相器CC4069(圖1)組裝音頻電平指示器及仿警笛發(fā)生器電路(圖5及圖7)。調(diào)試成功后，由老師解答了同學(xué)們提出的問題，并組織大家進(jìn)行了討論。
　　同學(xué)：今天我們頭一次使用CC4069六反相器集成電路，請問您反相器電路的主要功能是什么呢?
　　老師：提起反相器電路，大家其實并不陌生。還記得上次講過的三極管開關(guān)電路(圖2)吧?哪個同學(xué)說說三極管開關(guān)是怎樣工作的?
　　同學(xué)：在三極管的基極加上高電位，三極管就飽和，相當(dāng)于開關(guān)的接通，集電極輸出為低電位。在三極管的基極加上低電位，三極管就截止，相當(dāng)于開關(guān)的斷開，集電極輸出為高電位。如果輸入的是個正的矩形脈沖，輸出就是一個負(fù)的矩形脈沖。
　　老師：對了。不過請大家注意，這種電路中，輸出脈沖信號的波形總是跟輸入脈沖信號的波形相位相反，所以管它叫反相器。反相器在數(shù)字系統(tǒng)中是一種最基本的門電路。今天大家使用的CMOS反相器中，開關(guān)器件不是三極管，而是MOS場效應(yīng)管。
　　同學(xué)：什么是CMOS電路呢?CMOS反相器與三極管反相器在結(jié)構(gòu)上有什么不同呢?
　　老師：CMOS集成電路又叫互補型場效應(yīng)管集成電路，它的特點是采用了兩種不同導(dǎo)電類型的MOS場效應(yīng)管，一種是增強型P溝道MOS場效應(yīng)管(PMOS管)，另一種是增強型N溝道MOS場效應(yīng)管(NMOS管)，它們組成了互補結(jié)構(gòu)。在工作中，兩個串聯(lián)的場效應(yīng)管總是處于一個管子導(dǎo)通，另一個管子截止的狀態(tài)。CMOS反相器比起三極管反相器要簡單得多，現(xiàn)在畫出它的電路圖(圖3)，可以看到，VT1是NMOS管，VT2是PMOS管。NMOS管是開關(guān)器件，叫輸入管。PMOS管取代漏極負(fù)載電阻，叫負(fù)載管，這種負(fù)載稱為有源負(fù)載。兩只管子的柵極連在一起作為反相器的輸入端A，漏極也連在一起作為輸出端L。負(fù)載管的源極接電源正極VDD，輸入管的源極接地(VSS端)。當(dāng)輸入信號為低電位0V時，VT1截止，VT2導(dǎo)通，輸出為高電位VDD；當(dāng)輸入信號為高電平VDD時，VT1導(dǎo)通，VT2截止，輸出為低電位0V。這就實現(xiàn)了輸出與輸入的反相功能。
　　同學(xué)：您剛才說反相器在數(shù)字系統(tǒng)中是一種最基本的門電路。我們很想了解什么是門電路呢?
　　老師：門電路可以看作是一種條件開關(guān)。它有一個或多個輸入端和一個輸出端。只有當(dāng)輸入信號滿足一定的條件時，門才開啟，信號才能通過。條件得不到滿足，門就關(guān)閉，信號就不能通過。換句話說，門電路的輸出和輸入之間存在著一定的邏輯關(guān)系。不同的門電路，輸出與輸入之間的邏輯關(guān)系也不同。
　　同學(xué)：反相器為什么也是一種門電路呢?
　　老師：反相器是最簡單的門電路，它只有一個輸入端和一個輸出端，輸入和輸出都只有高電位和低電位(在數(shù)字電路中稱之為高電平和低電平)兩種相反的狀態(tài)，如果高電平用“1”表示，低電平用“0”表示，反相器輸出與輸入之間特定的邏輯關(guān)系就是“輸入為1，則輸出為0；輸入為0，則輸出為1”，輸出總是輸入的否定，所以反相器稱為“非門”。任何一種門電路都可以用邏輯代數(shù)式表示輸出與輸入之間的邏輯關(guān)系。如果非門(反相器)的輸入邏輯變量為A，輸出邏輯變量為L(圖4)，寫成邏輯代數(shù)式就是L=A，A讀作A反，也就是A為“1”則A為“0”。也可以列成表格(見附表)，稱為真值表。
　　同學(xué)：在電平指示器電路(圖5)中的反相器都是用來控制發(fā)光二極管點燃與熄滅的開關(guān)嗎?
　　老師：是的。大家可以做一個簡單的實驗(圖6)。在非門的輸入端用一個可調(diào)穩(wěn)壓電源代替信號源，當(dāng)輸入為低電平“0”狀態(tài)時，非門關(guān)閉，輸出為高電平“1”狀態(tài)，這時發(fā)光二極管不亮。當(dāng)輸入電壓逐漸增大，達(dá)到非門的開門電平，即輸入變?yōu)楦唠娖健?”狀態(tài)時，非門開啟，輸出變?yōu)榈碗娖健?”狀態(tài)，發(fā)光二極管被點燃發(fā)光。用CC4069的六個非門組成了音頻電平指示器電路，哪位同學(xué)能分析它的工作原理?
　　同學(xué)：我來試試看。音頻功率放大器輸出到揚聲器的信號電壓，同時引到電平指示器輸入端的電位器RP上，經(jīng)RP分壓后加到二極管VD1上。當(dāng)輸入信號的幅度逐漸增大到超過VD1的導(dǎo)通電壓(約0?6V)時，D1(非門1)的輸入端變?yōu)楦唠娖健?”，輸出端變?yōu)榈碗娖健?”，D1開啟，VD7發(fā)光，其它發(fā)光二極管仍不發(fā)光。隨著輸入信號的幅度繼續(xù)增大，二極管VD2、VD3……依次導(dǎo)通，D2、D3……先后開啟，VD8、VD9……逐級點燃。信號幅度大小不同，發(fā)光二極管點燃的個數(shù)也不同，直觀地顯示出音頻電平的變化情況。
　　老師：分析得很正確。大家只要把握住非門的邏輯功能，分析由非門組成的各種邏輯電路就比較容易了。
　　同學(xué)：今天組裝的仿警笛發(fā)生器電路(圖7)，我們還沒分析出來，您能指點一下嗎?
　　老師：這個電路是由三個多諧振蕩器組成的。上次大家已經(jīng)組裝過三極管多諧振蕩器，哪位同學(xué)還能記得多諧振蕩器的原理和電路功能?
　　同學(xué)：多諧振蕩器是由兩個三極管反相器及電阻?電容充放電電路組成的。隨著電容器的充電和放電，兩只三極管交替地飽和與截止，使兩管的集電極周期性地在高電位和低電位之間交替轉(zhuǎn)換，輸出連續(xù)的矩形脈沖。所以，多諧振蕩器是一種矩形脈沖產(chǎn)生電路。
　　老師：回答得很好。非門(反相器)也是起開關(guān)作用的，所以用兩個非門外接RC充放電電路也能組成多諧振蕩器，現(xiàn)在我們畫出它的電原理圖(圖8)。當(dāng)電源接通瞬間，如果D1的輸入端A點為低電平“0”，則D1的輸出端B點為高電平“1”，經(jīng)D2反相，其輸出端E點為低電平“0”，電路處于暫穩(wěn)狀態(tài)。下一步請同學(xué)們繼續(xù)分析。
　　同學(xué)：根據(jù)您上次講過的脈沖電路的分析方法，由于電路中有電容C，而B點為高電平，E點為低電平，所以將有一個充電電流由B點經(jīng)過R2向電容C充電。隨著充電過程的進(jìn)行，D點電位逐漸升高，A點電位也隨之上升，經(jīng)過一定的時間，UA達(dá)到非門的開門電平UTR時，D1的輸出變成低電平“0”，D2的輸出變成高電平“1”。
　　老師：是這樣。電路狀態(tài)翻轉(zhuǎn)后，B點變成低電平，E點變成高電平，這時候，電容器C就要通過R2放電，然后再反方向充電，使D1輸入端A點電位逐漸下降，直到UA　　同學(xué)：既然是振蕩器，電路的振蕩頻率由什么決定呢?
　　老師：振蕩頻率主要由電阻R2和電容C的大小決定，與電阻R1也有一定關(guān)系。如果取R1=2R2(圖8)，振蕩頻率近似為f=1/(1?5R2C)
　　同學(xué)：這種多諧振蕩器也可以直接帶動發(fā)光二極管閃光嗎?
　　老師：可以直接帶動一個發(fā)光二極管閃光(圖8虛線支路)。
　　同學(xué)：現(xiàn)在我對由非門組成的多諧振蕩器的工作原理已經(jīng)清楚了。在仿警笛發(fā)生器電路(圖7)里，三個多諧振蕩器的振蕩頻率我分別計算了一下，左邊的約為2Hz，右上邊的為1kHz，右下邊的約為330Hz，您看對嗎?
　　老師：你計算的結(jié)果都對。由D3與D4組成的振蕩器頻率比較高，D5與D6組成的振蕩器頻率比較低，如果它們交替地工作去推動揚聲器，就會發(fā)出“嘀—、嘟—”模擬警笛的雙聲音響。我再問問你們，由D1和D2組成的超低頻振蕩器在電路里起什么作用呢?
　　同學(xué)：從電路圖(圖7)上看，D1的輸出端B通過二極管VD1接高音振蕩器，D2的輸出端E通過二極管VD2接低音振蕩器。D1和D2組成的2Hz超低頻振蕩器在振蕩時，B點和E點在低電平和高電平之間交替轉(zhuǎn)換，0?5s轉(zhuǎn)換一次。當(dāng)B點為低電平時，E點肯定是高電平，這時VD1導(dǎo)通，D3的輸入端被鉗位在低電平上，高音振蕩器不能啟振；VD2截止，低音振蕩器開始振蕩。當(dāng)B點變?yōu)楦唠娖綍r，E點變?yōu)榈碗娖?，VD1截止，高音振蕩器工作；VD2導(dǎo)通，低音振蕩器停振。這樣，超低頻振蕩器控制高、低音兩個振蕩器交替工作，使揚聲器發(fā)出“嘀—、嘟—”仿警笛聲響。
　　老師：很好。你們只要肯動腦筋，不斷學(xué)習(xí)和實踐，就能逐步掌握脈沖數(shù)字電路的分析方法。大家還有什么問題嗎?
　　同學(xué)：請問您非門多諧振蕩器(圖8)的電阻R1起什么作用呢?
　　老師：R1叫補償電阻，它是用來改善由于電源電壓波動所引起的振蕩頻率的不穩(wěn)定。在對頻率穩(wěn)定度要求不高的場合，R1也可以不用。我再給大家畫一個簡單電子門鈴電路(圖9)，有興趣的同學(xué)可以自己分析與制作?！?