反相器

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基本逻辑门
  NOT
AND NAND
OR NOR
XOR XNOR
输入
A
输出
NOT A
0 1
1 0
非门标志

反相器英语Inverter)也称非门英语NOT gate),是数字逻辑中实现逻辑非逻辑门,功能见右侧真值表

这种功能代表了数字电路理想开关表现的假定,但是在实际的反相器设计中,元件有其需要特别关注的电气特性。实际上,CMOS反相器的非理想过渡区表现使其能在模拟电路中用作A类功率放大器(如作为运算放大器的输出级[1])。

概述[编辑]

下列包括逻辑门的3种符号:形状特征型符号(ANSI/IEEE Std 91-1984)、IEC矩形国标符号(IEC 60617-12)和不再使用的DIN符号(DIN 40700)。其他的逻辑门符号见逻辑门符号表

表达式 符号 功能表
ANSI/IEEE Std 91-1984 IEC 60617-12 DIN 40700
Y = \overline{X}
NOT ANSI.svg
NOT IEC.svg

IEC NOT.svg
NOT DIN.svg
X Y = \overline{X}
0 1
1 0

电路实现[编辑]

标准7404 TTL六反相器中非门的排列

反相器电路输出电压所代表的逻辑电平与输入相反。反相器可以仅用一个NMOS晶体管或一个PMOS连接一个电阻来构建。因为这种“阻性漏极”方式只需要使用一种类型的晶体管,其制造成本非常小。不过,由於电流以两种状态之一流过电阻,这种阻性漏极配置有功耗和状态改变的处理速率问题。另外,反相器可以用两个互补晶体管配置成CMOS反相器。这种配置可以大幅降低功耗,因为在两种逻辑状态中,两个晶体管中的一个总是截止的。处理速率也能得到很好的提高,因为与NMOS型和PMOS型反相器相比,CMOS反相器的电阻相对较低。反相器也可以电阻-晶体管逻辑(RTL)或晶体管-晶体管逻辑(TTL)使用三极管(BJT)构建。

數碼电子电路在逻辑0和1(二进制)对应的固定电压电平范围内进行运算。反相器电路是基本的逻辑门,可以在两个电压电平间变换。实际构建的反相器的电压都是不同的,例如TTL电路中0是低电平,+5V是高电平。

数字功能模块[编辑]

标准4049 CMOS六反相缓冲器中非门的排列

反相器是数字电路中的一种基本功能模块。将两个串行反相器的输出作为一位寄存器的输入就构成了锁存器。锁存器、数据选择器译码器状态机等精密数字元件都需要使用基本反相器。

六反相器是一种包含6个反相器的集成电路。例如,7404 TTL芯片有14个引脚,4049 CMOS芯片有16个引脚,两种芯片都各有2个引脚用於电源供电/基准电压,12个引脚用於6个反相器的输入和输出(4049有2个引脚悬空)。[2]

性能测定[编辑]

反相器性能常用表示输入-输出电压关系的电压传输特性曲线(VTC)来测定。曲线图能反映出元件的参数,包括噪声容限增益和操作逻辑电平

北卡罗来纳州立大学组建的20微米反相器的电压传输特性曲线

反相器理想化的电压传输特性曲线是单位阶跃函数,这表明反相器能在高电平和低电平间无延迟精确的翻转,但在实际元件中,曲线存在过渡区。曲线表明若输入为低电压,则输出为高电压;若输入为高电压,则输出电压逐渐接近0V。过渡区的斜率是性能测量的指标,过渡区越陡峭,即斜率越大,性能越好,若斜率接近无穷,则电路能在高电平和低电平间精确翻转,反相器就是理想的。

噪声容限可以通过每一工作区中的最大输出电压VOH和最小输入电压VIL比值来测定。

输出电压VOH可以在级联多个元件时测定信号驱动强度

參考文獻[编辑]