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当前位置：控制信号通过的电路（门电路）
计算机等数字电子机器内部，通过“控制信号”的操作，使数字信号流动，让机器工作。
使数字信号的流动、停止，或者改变其流向等，这样的操作电路称为门电路。
不过，数字信号也好，控制信号也好，都是根据它所起的作用来改变信号的流动。这种理解是学习门电路的基础。门电路一般称为逻辑电路。但是，本章按照控制信号流动这个意义，仍称为门电路。有关电路的理论问题在第
5章中说明。
3.1
门是收取通行费的地方吗？3.1.1
门是控制能否通过的场所gate
具有“门”、“城门”、“出入口”的意义。一般家庭的门可以有断通过出入，而城门不在规定时间内不能自由出入。水门通过门的开、关控制水流，高速道路出入口（收费处）如果不付通行费，出入口就要关闭。而电气电路的开关也是一种门，它由外部的操作，
ON使电流通过或者OFF截断。根据以上事实，可知门不是收取费用的地方，而是控制可否流通的场所。
3.1.2
数字电路中的门电气电路中的开关，一般是控制大电压、大电流的
ON或OFF。在数字电路中所遇到的信号电压是5～10V以下，电流也大多是1mA以下。因此，控制这样的数字信号所用的控制信号，其电压大多在5～10V以下，电流在1mA以下。也即，在数字电路内，传送信息的脉冲（数字信号）和控制它的控制脉冲（控制信号）大致均为相同大小。从脉冲的大小上无法判断是什么信号。因此，在学习门电路时，不去分别它是信号脉冲或者是控制脉冲，只讨论
A和B的两个脉冲进入门电路……或者A、B、C三个脉冲进入门电路时“门电路的输出是什么？?/P>这样，对于开关门电路的脉冲（控制脉冲）和通过门电路的脉冲（信号脉冲）是同等处理的，对其数学上的说明，在第
5章的逻辑电路部分进行。3.1.3
高电平电压与低电平电压在第
1章已经说明过，数字电路的特征是非常明确的区分“白”与“黑”。也即只要判别有无即可。因此，数字电路中，将有脉冲时电压设为高电平，用H表示，无脉冲时电压设为低电平，用L表示。3.2 AND
、OR和NOT门3.2.1 3
种基本门电路（基本逻辑电路）基本的门电路是
AND（与门）、OR（或门）、NOT（非门），图3.4所示是各种门的符号，其动作如下：(a) AND
（与门）：2个输入端A和B，只有同时有脉冲输入时，端子Z才输出脉冲。(b) OR
（或门）：端子A或B中任一个有脉冲输入时，端子Z有脉冲输出。当然，A与B同时有脉冲输入时，Z也有脉冲输出。(c) NOT
（非门）：输入端A为“L电平”时，输出端Z为“H电平”，端子A有脉冲输入时，才能使Z为“L电平”，非门又称反向器。即
AND门只能2人同时通过，OR门是1人也可通过、2人也可通过，NOT门是只有倒立的人才能通过。3.2.2 AND
门电路和动作图
3.5是只能2人同时通过的门的内部电路。这里同时操作开关SW1、SW2，来观察一下输出端子的电压。在图
3.5(a)中，门的端子A处加上H电平（5V）的信号电压，端子B处加上L电平（0V）的信号电压。这时二极管D2处于ON状态（因为加上正向电压），门的输出端Z被短路，因此，Z为L电平（Z≈0）。端子
A为L电平时，B即使是H电平，同样仍然Z≈0。另外，端子A和B均为L电平时，当然Z≈0。在图
3.5(b)中，门的输入端A与B同时加上H电平（5V）的信号电压，二极管均为OFF，电源电压（VS=5V）送到输出端，Z为H电平（5V）。列出这种关系如图
3.5(c)所示，其表示了AND门的动作。3.2.3 OR
门电路和动作图
3.6(a)中，操作信号开关SW1、SW2，来观察输出端Z的电压变化情况，如图3.6(b)所示。这是一个单纯由二极管组成的电路，输入端
A与B中，无论哪一个的信号电压是H电平时，输出端Z的电压也是H电平，这是很好理解的。另外，Ａ与Ｂ同时为Ｈ电平时，同样Ｚ的电压为Ｈ电平。而输出端Ｚ要成为Ｌ电平，只有加在Ａ与Ｂ处信号电压均为Ｌ电平时才能实现。3.2.4 NOT
门电路和动作图
3.7(a)是NOT门电路。输入端A加入信号电压为H电平时，基极电流IB流通，晶体管的工作为ON（短路状态），输出Z为L电平（Z≈0）。这时，必须设定IB，使得集电极电流IC为饱和状态。设定基极电流IB的阻抗RB的数值为10RL＜RB＜hFRL。HF是晶体管发射极接地时的电流放大率。如图
3.7(b)所示，加到A的信号电压为L电平时，基极电流为零，因此，晶体管为OFF，输出Z为H电平。3.2.5
各类门的输入与输出波形以上说明的只是各类门的输入与输出的电平关系，这里再讨论一下当二个输入有时间差时的输出波形（如图
3.8）。
3.3
二重门的作用3.3.1
基本门的组合作为各类门电路的基本电路是
AND门、OR门、NOT门三种。在数字电子机器中，通过各类门的组合来进行信号处理。通过这些门（
AND、OR、NOT）的组合，可以组成两种新的门电路。第
1种是由AND与NOT组成的NAND（与非门），另1种是OR与NOT组成的NOR（或非门）。完全理解这
5种门（AND、OR、NOT、NAND、NOR）的工作原理，也是理解数字电路的一个关键。3.3.2 NAND
门电路的组成和动作NAND
门如图3.12所示，由AND与NOT连接而成。AND的输出端设为Y时，这个Y也是NOT门的输入端，因此，NAND门的工作原理，只要应用已经学过的AND与NOT的原理，将它组合起来立刻就能理解。3.3.3 NOR
门电路的组成和动作NOR
门如图3.13所示，由OR与NOT门连接而成。这与NAND门一样，将OR与NOT的连接端设为Y时，门的工作原理很容易理解。3.3.4
电压的高、低（H、L）电平和1、0的表示已经说明过，在计算机等数字电子机器内，所有信息均可以变换成“
2种电气信号”来表示。例如：“有或无”、“白与黑”的信息可变换成“H与L（高电平与低电平）”的电气信号。这些信息（白与黑）和电气信号（
H或L）均用“0和1”来表示，再用数字电压处理时，大多数情况下是很方便的。用“
H电平与L电平”表示的数字电路的工作，变换成用“1和0”表示，列出数值表称为真值表。设H为1，L为0来表示时，称为正逻辑真值表，相反，H为0，L为1来表示时，称为负逻辑真值表。（有关逻辑知识在第5章中学习）图
3.15中，表示了各种门的正逻辑真值表。[
问] ①写出下列表中NOT门的真值表。②在图
3.15中，有否相同的真值表？如果有请列出。
3.4
由门组成的门电路3.4.1
选择器的功能图
3.16是大家熟悉的音响装置。磁带、唱片或者调谐器的选择，用称为选择器的开关（旋转开关或按钮开关）来进行。同样，输出喇叭的选择也由选择器进行。在数字电路中，选择输入系统时，利用称为多路转换器的门电路。同样，选择输出目标的是称为信号分离器的门电路。
3.4.2
多路转换器图
3.17(a)是数字电路中，选择输入A、B、C中的一个，再在门电路的Z处输出的输入选择电路。电路的作用是控制端①为
H电平，②和③是L电平时，选择输入A在Z处输出，而②为H电平①和③是L电平时，选择输入B在Z处输出。同样，③为H，其他为L是，Z=C。而在计算机等的数字电子机器的情况下，大多是以
4位或8位为一组信息，进行并行传输、处理（也有16位）。因此，实际上使用的多路转换器如图3.17(b)所示。这是将图3.17(a)所示的1位的电路并联连接，这是可选择4位、2系统输入的选择器的例子。3.4.3
信号分离器图
3.18(a)是与多路转换器相反，将输出送到X还是Y或者Z上的输出选择电路，称为信号分离器。电路的作用是控制端①为
H，②与③为Ｌ时，输出送至Ｘ，②为Ｈ，①与③为Ｌ时，输出出现在Ｙ，同样③为Ｈ，则Ｚ＝Ａ。实际上使用的电路与多路转换器相同，大多是
4位或8位或16位并联后使用（如图3.18(b)）。
3.5
门集成电路的实例3.5.1
门集成电路（逻辑IC）在数字计算器及电子钟表等数字电路中，门电路用的非常多。但是，晶体管与二极管组成的门电路的制造成本相当高，而且不可能制成小型的。因而大多使用图
3.19照片中所示的门集成电路IC。在电子钟表中，大多门电路与计算器电路等所有东西制作在一块芯片上，做成高密度专用IC。在门集成电路
IC中，有以晶体管为中心制成门电路的TTL型和以FET（场效应管）为中心制成门电路的CMOS型。TTL
型，其电源电压标准是5V，功耗为每个IC50～100mW。工作速度为10～?0ns(1-9s)。相反，CMOS型的电源电压使用范围广，在3～18V之间，易于使用。功耗也非常小，为0.01～?.1m。因此对于电源中使用电池的电路，CMOS比较有利，但是工作速度比TTL要慢，约100ns。3.5.2
用NAND完成各种工作门集成电路种类非常多，其中
NAND门电路与NOR门电路用途广泛。例如，图3.20是将NAND门电路与NOR门电路作为NOT门电路使用的例子。因此，如图3.21所示连接时，可由NAND制成AND，由NOR制成OR。也即只要有“NAND”和“NOR”，5种基本的门电路均可制成（只有NAND，也可制成5种基本的门电路）。另外，门集成电路也可像图3.19中所示的一样，用一个模块组装进多个门电路，组合成图3.21所示纵向连接电路时，非常方便。然而，如果纵向连接时，纵向传送时间、动作时间有延迟，时间变长，因此像计算机那样需要高速度工作的电路有可能不能使用这种电路。3.5.3
这就是门集成电路CMOS
型及TTL型的门集成电路中，代表性的内部连接法如图3.22及图3.23所示。图
3.22(b)中所示的“NOT”门集成电路的MC14049，在说明书中写着“Inverter/Buffer”。“Inverter”是反相的意思，也作为NOT电路的另一种称呼。而“Buffer”是缓冲器的意思，是指减少电路中“后边电路对前边电路的坏影响”而使用的电路。因此，MC14049也可以称为不易受到输出端电路影响的NOT门电路。
3.6
用门集成电路组成的多谐振荡器3.6.1
用门集成电路组成的自激多谐振荡器图
3.24(a)所示的开关电路是在第2章中说明过的构成自激多谐振荡器的一部分。这个电路在基极电压VB为“L电平”时，输出VZ为“H电平”，相反VB为“H?/FONT>时，输出VZ为“L”。因此，自激多谐振荡器的开关动作与“NOT门电路的动作”相同。由上述可清楚知道，将
NOT门电路与CR电路结合，可以制成自激多谐振荡器。图3.25中所示自激多谐振荡器，是在第2章的图2.5说明过的电路中，将晶体管用NOT门电路替换即可。另外，CR结合电路部分代之水晶振子时，就可以得到有正确周期（频率）脉冲的输出（如图3.26(c)）。而且，使用NAND代替NOT门电路，将它装在图3.26(a)所示的控制端子上，就能够控制振荡的开始与停止。图
3.26是由门电路组成自激多谐振荡器的代表性的电路例子。图3.26(a)、(b)中脉冲周期由C的容量决定。而图3.26(a)中的二极管D1和D2只要流动约10mA电流即可，图3.26(c)中Xtal只要频率是比10MHZ低的零件，就可以使用。3.6.2
用门集成电路组成的触发器用与前节所述的自激多谐振荡器相同的思路，也可以用门集成电路组成触发器（双稳态多谐振荡器）和单稳态多谐振荡器。图
3.27是由NAND门电路组成T型触发器电路的例子，这也是第4章要学习的1位计数器电路的基本单元。另外用NOT门电路的组合可以制成触发器。图
3.28所示为由NAND门电路组成的RS触发器与单稳态多谐振荡器。RS触发器具有置零端R与置1端S，可以构成存储元件或1位寄存器电路。RS触发器的作用在第4章中学习。另外，RS触发器因电路动作不确定，所以实际做成寄存器等电路时，应用JK触发器。JK触发器是RS触发器的改进电路。3.6.3
混合使用TTL和CMOS的IC时从一个门电路输出，送到多个门电路，表示可以接续最大的数值是输出端扇出数。一般
TTL型可带动10个输出。而在CMOS与TTL的IC混用时，因为CMOS型IC的输出电流小，必须使用图3.29(b)中所示缓冲器。本章小结
[1]
门电路小结·最基本的门电路为
AND、OR、NOT三种·通过
AND、OR、NOT的组合可制成NAND、NOR。·把握数字电路的工作状态，只要了解“白或黑”、“
1或0”2点即可·对于
IC，用途最广泛的门电路是NAND与NOR。·通过门电路组合，可以组成像多路转换器等多种复杂电路。
·通过门电路组合，可以组成多谐振荡器。
·门集成电路中有
CMOS型和TTL型。[2]
用门电路组成警报器用门集成电路组成振荡周期不同的两组自激多谐振荡器。再混合这两组的输出，可以产生声音很好听的警报声
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