28、数字电路中的门电路与接口技术详解

数字电路中的门电路与接口技术详解

在数字电路领域，门电路是构建复杂系统的基础，而接口技术则是实现数字与模拟世界交互的关键。本文将详细介绍TTL门电路、CMOS门电路的工作原理、特点，以及数字与模拟信号的接口方式。

1. TTL门电路

TTL（晶体管 - 晶体管逻辑）门电路是早期数字电路中广泛使用的一种技术。

1.1 基本工作原理

对于TTL与非门电路，当输入A或B为0时，晶体管Q1导通，Q2和Q4截止，输出F为1。此时输入低电平时会从门电路汲取约1mA的电流。当A和B都为逻辑1（输出范围在2.5 - 5V）时，Q1的基 - 射（B - E）结不再正向偏置，但集 - 基（C - B）结正向偏置，电流流入集电极并供给Q2的基极。若Q2导通，电流会流经R4，R4上的电压降使Q4导通，且Q4饱和，输出F为逻辑0。

1.2 不同输出类型

• 开集电极输出 ：在基本电路中可以省略电阻R3，形成开集电极配置。输出逻辑1实际上是高阻抗状态，因为输出晶体管截止。这种配置的好处是可以在多个门电路输出汇合的地方（如总线）进行“线与”操作。若单独使用开集电极门，需要在外部提供上拉电阻，使逻辑1为5V。
• 图腾柱输出 ：基本设计速度较慢，传播延迟可能高达60ns，这是由输出的RC时间常数（R4Cnextgate）引起的。改进后的图腾柱输出通过晶体管Q3将开关时间提高到约8ns。当任一输入为低电平时，Q2截止，Q3的基极为5V，Q3导通，输出约为3.8V；当两个输入都为高电平时，Q2导通，VB3 = 0.8V，输出为0.2V，VE3也