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逻辑非门(NOT Gate)电路、作用及其应用特点

178 2022-06-21 来源: IC先生 作者: IC先生

逻辑门是数字逻辑电路和数字电子产品的基本构建块。门被定义为对2值输入信号进行功能计算的逻辑设备。逻辑门有多种类型,如OR、AND、NOR、NAND、EX-OR和NOT等。其中除NOT(非)门外,所有门都有两个输入和一个输出,而非门只有一个输入和一个输出。由于非门产生应用输入的反向输出,所以非门也被称为“数字逆变器”。

逻辑非门符号和布尔表达式

众所周知,逻辑非门是一个反相器,它将输入反转。所以输出由输入的“-”条形符号表示。非门的布尔表达式是Z=X ̅。非门的逻辑符号如下图所示。

如果X是输入,Z是输出,那么如果X = 0,那么Z = 1;如果X = 1,则Z = 0。

 非门逻辑符号

输出端口的气泡代表反相操作。这意味着对于高逻辑信号输入,非门的输出将为低,同样对于低逻辑信号输入,非门的输出将为高。可以通过下面的真值表很容易地理解这一点:

真值表

带灯开关电路的非门

使用LED(发光二极管)电路可以很容易地理解非门,这也称为灯开关电路。在该电路中,非门的功能类似于电子开关。当它输入高电平时,连接在输出端的LED将熄灭,因为非门的输出变为0。同理,当逻辑门连接到低电平输入时,LED将点亮,因为输出变为1. 带非门的光开关电路如下图所示:

带灯开关电路的非门

在上图中,将一个可变开关与非门连接,非门的输出连接到LED。LED是一种电子设备,当它分别接收到高电压和低电压时会打开和关闭。当开关连接到+5V时,开关处于打开位置,因此LED发光。当非门接地时,LED将关闭,因此不会发光。

非门的脉冲操作

当向非门施加脉冲信号时,它将分别为高电平和低电平打开和关闭,如下图所示:

脉冲操作

对于一个时钟脉冲序列,非门的输入和输出将是:

时钟脉冲序列

观察上图可以发现,,输入将如何在时钟周期的每个HIGH和LOW脉冲中反转。


脉冲反转

逻辑非门的晶体管电路

可以使用NPN晶体管设计一个非门,如下图所示。NPN晶体管的基极 (B) 与输入信号X相连。这里将+5V的电源电压连接到发射极 (E),输出Z在发射极处收集。当低电平电压 0 V连接到输入端时,晶体管将关闭。所以没有电流流过它。这意味着将在输出端口测量+5V电源电压,这被认为是高电平状态。

类似地,当高电平电压+5V连接到输入端时,晶体管将导通。因此,总电源电流将由晶体管吸收。这意味着在输出端口没有测量到电压,这被认为是低电平状态。

在这种情况下,输出电压测量为+5V,这将被视为高逻辑电平。晶体管设计的非门如下所示。

晶体管设计的非门电路图

CMOS晶体管作为逆变器

CMOS逆变器被广泛使用,并且MOSFET逆变器在芯片设计中得到应用。CMOS逆变器的一个优点是它们在高逻辑状态和低逻辑状态下都具有较大的噪声容限,并且还具有良好的逻辑缓冲特性。 

CMOS逆变器有一个nMOS和一个pMOS晶体管,连接在漏极和栅极。电源电压VDD在pMOS的源极端子提供,nMOS晶体管的源极端子接地。输入电压Vin在栅极端给出,输出Vout在漏极端收集。 

CMOS反相器

另外,CMOS逆变器不包含任何电阻器,因此没有电压降。这使得CMOS逆变器更省电。每当CMOS逆变器的输入电压在0伏和5伏之间变化时,PMOS和NMOS的状态也会发生变化。

CMOS反相器电压降

使用NAND(与非门)和NOR(或非)门的非门

也可以使用NAND或 NOR门来设计非门。

1、NOR非门

众所周知,或非门是或门和非门的组合,所以可以通过消除或非门的或部分来设计非门。或非门的NOT门设计如下所示。


或非门的NOT门设计
或非门使用的NOT门的布尔表达式为:输出 (Z) = 非 (A + A)


2、NAND非门

众所周知,与非门门和非门的组合,所以可以通过消除或非门的与部分来设计非门。与非门的非门设计如下所示。

与非门的非门设计

与非门使用的非门的布尔表达式为输出 (Z) = NOT (A . A)

常用的TTL和CMOS逻辑非门IC

74系列IC

  • 74 LS 04 – 十六进制非
  • 74 LS 05 – 十六进制非集电极开路输出
  • 74 LS 14 – 十六进制 NOT,带施密特触发器输入
4000系列IC
  • 4000 – 双 3 输入或非门 + 1 个非门
  • 4007 – 双互补对 + 1 个非门
  • 4572 – 六角门、四非、单与非、单或非
  • 40106 – 十六进制反相施密特触发器-(非门)
7404六角逆变器IC

IC 74LS04用作非门,其IC图和引脚说明如下:

7404六角逆变器IC

引脚说明图如下:

引脚说明

逻辑非门的应用

非门产生输入的反向输出,因此它们也被称为“数字逆变器”。CMOS逆变器通常用于设计振荡器,由于它们的低功耗,它们被广泛使用。CMOS逆变器的另一个优点是它们比其他逻辑器件更容易连接。

总结

非门是一个数字逻辑门,专为算术和逻辑运算而设计,该门主要用于需要数学计算的应用。所以在计算器、计算机和许多数字应用程序中都使用这个门。

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逻辑非门(NOT Gate)电路、作用及其应用特点


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