普通門電路,對輸入信號是被動傳輸的。而可控門電路,則有一定的主動權,輸入信號到了“門口”,是放行(正常傳輸),還是阻止(處于阻斷狀態),則由開、關門控制信號說了算。說白了,這種可控門,起碼有兩種狀態,“開門”和“關門”狀態。相對于普通門,多一個“關門”狀態。
對此種數字電路的定義概念較多,如題目括號中所示。其輸出級電路具三態特性。何謂三態?需從數字電路芯片的輸出級結構來談起。
圖1 數字門電路輸出級的三種結構形式
普通數字門電路的輸出級電路,常用a電路形式,因內部Q1、Q2僅工作于飽和和截止兩種工作狀態,電路實質上相當于一刀兩擲的高、低電平切換開關,要求接通電阻越小越好(傳輸電壓信號時可忽略接通電阻/電壓降),無論輸出高、低電平,均為低阻狀態。
b電路形式(開路集成極輸出),稱為高電壓大電流器件,具備一定的功率驅動能力,如可以直接驅動繼電器,典型器件如ULN2003A等,而外部負載電源可以另供為高電壓(如24V或48V),以適應負載電源電壓要求。c電路形式,則除了高、低電平的低阻狀態,還存在第三種狀態:高阻態。如圖2所示。
圖2 三態式輸出級的三種工作狀態
其輸出級Q1、Q2基極輸入的是兩路獨立電平信號:
a態:當Q1導通時,相當于輸出端與+5V接通,輸出為高電平(低阻態1);b態:Q2導通時,輸出端相當于與供電地接通,輸出為低電平(低阻態2);c態:當控制信號俱為0時,Q1、Q2均處于截止狀態,此時OUT輸出端相當于“懸空”——高阻態(與內部電路失掉聯系)。有兩個問題:
1、處于高阻狀態時,檢測OUT端應該為什么電平?高阻態有何意義?
這與電路設計者的考慮——后級電路的輸入要求相關。處于高阻態時,其輸出電壓狀態的高、低完全由設計者決定——由接入偏置(上拉、或上拉電阻)電路來決定之。
圖3 三態式輸出級的三種工作狀態
a電路,在高阻態其輸出端取決于R1電路形式,為5V高電平。此高電平內部電路無關;b電路,在高阻態則由R2的下拉作用,使輸出端為低電平,同樣與輸出級電路無關;c電路,為一個偏置電路實例,當電路設計要求在靜態時,光電耦合器PC1處于截止狀態,電路的安全性能更有保障時,接入R1上接電阻,使電路靜態時,PC1無導通條件,顯然更為合理和可靠。
因而電路的第三態——高阻態的出現,其意義如下:
1)可由設計者任意決定輸出的高、低電平狀態(與輸出信號無關);
2)當多組器件輸出端需要并聯(如信號總線模式)時,只有“需要動作”的器件工作模式為高、低電平(指低阻)態,而“閑置”電路,則處于高阻態,從而不會影響總線電平,不會影響有用信號。
2、什么情況下輸出端會進入高阻態?三態門與普通門的區別?
以74HC240電路(八反相緩沖器/線驅動器/線接收器)為例加以說明。
圖4 三態式輸出級的三種工作狀態
從上圖可看出,芯片內含8路反相器電路,與普通反相器電路相比較,每路反相器除輸入、輸出端外,多出一個OE控制端。當OE端為低電平時,電路處于“開門”即通態,相當于普通反相器的功能;當OE端為高電平時,傳輸狀態被阻斷,輸出端處于高阻狀態。
顯然,與普通門電路相比,可控門(為反相器或同相器)電路,多出一個OE控制端——“開、關門”信號輸入端。信號的傳輸不但與輸入信號狀態相關,而且與OE控制端的狀態相關。以74HC240為例,當信號傳輸異常時,對可控門的故障檢修需注意:輸入信號無,查前級電路;控制端是否有“關門”信號存在,即1、19腳是否變為高電平?是,查OE端控制信號來源;芯片本身損壞。當輸入信號與控制端電平狀態都正常時,落實至芯片本身。
常見三態同相/反相可控門電路型號為74HC240(八反相可控門)、74HC244(八同相可控門)、74HC365(六同相可控門)、75HC366(六反相可控門)。以74HC240為例:該器件斜對角10、20腳為電源引腳,除信號輸入、輸出引腳外,尚有兩個OE控制端(1、19腳),每個OE端分別控制四路反相器電路的開、關門。
通常,普通門與三態門為基本邏輯電路,在些基礎上,將普通門電路進行有序搭接,可組成復雜的組合型邏輯電路。近年來,MCU、DSP、PIC和JTAG等器件技術的完善,在一定程度上取代了組合邏輯電路(完成同一邏輯功能,采用MCU更為簡潔,用軟件方法即可完成——用程序行來代替了大片的硬件數字信號處理電路)。