数字电子 - 系列
逻辑系列定义为一组在技术参数方面具有相似特征的电子电路设计，例如逻辑电平、电压电平、开关速度、功耗、抗噪性等。逻辑系列在数字电子领域发挥着重要作用，并允许实现各种逻辑功能和操作。
根据制造技术，逻辑系列可分为以下两种类型 −
- 单极逻辑系列
- 双极逻辑系列
使用单极电子器件(如 MOSFET)作为主要元件的逻辑系列称为单极逻辑系列。单极逻辑系列的一些示例包括 PMOS、NMOS 和 CMOS。
另一方面，双极逻辑系列是使用双极电子器件(如晶体管和二极管)的逻辑系列。双极逻辑系列可进一步分为以下类型 −
- 电阻晶体管逻辑 (RTL)
- 二极管晶体管逻辑 (DTL)
- 晶体管晶体管逻辑 (TTL)
现在让我们详细讨论一下这些逻辑系列。
电阻晶体管逻辑 (RTL)
顾名思义，该逻辑系列利用电阻和晶体管作为其关键元件。在 RTL 系列中，晶体管根据施加到其上的输入电压在截止或饱和区内工作。 RTL 系列是数字电子设计领域最早使用的逻辑系列之一。
简而言之，在 RTL 系列中，逻辑电路仅使用电阻和晶体管进行设计。
例如，下图显示了双输入电阻晶体管逻辑 NOR 门的电路。这里，A 和 B 是输入，Y 是门的输出。
下表突出显示了此 RTL NOR 门在不同输入组合下的操作 −
| Input A | Input B | Transistor T1 | Transistor T2 | Output Y |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | Off | Off | 1 |
| 0 | 1 | Off | On | 0 |
| 1 | 0 | On | Off | 0 |
| 1 | 1 | On | On | 0 |
同样，我们也可以实现其他类型的逻辑门。
RTL 系列的优势
以下是电阻晶体管逻辑系列的一些主要优势 −
- 使用 RTL 逻辑系列设计的电子电路设计简单，因为它们由最少数量的电阻器和晶体管组成。
- 在 RTL 系列中制造的电路更便宜。这些电路比其他逻辑系列中实现的电路消耗更少的电量。
RTL 系列的缺点
以下是电阻晶体管逻辑系列的一些主要缺点 −
- RTL 电路具有低噪声容限。这种限制使它们容易受到噪声和干扰的影响。
- 这些电路的扇出性差。
- 由于高传播延迟，RTL 电路运行速度较慢。
- 由于设计可扩展性和性能方面的一些实际限制，RTL 系列不适合设计复杂电路。
RTL 系列的应用
电阻晶体管逻辑 (RTL) 系列在数字电子领域的应用有限。下面列出了 RTL 系列的一些常见应用 −
- RTL 系列具有成本效益，易于理解和设计。因此，它被广泛用于实验室和教室中的教育目的，向学生展示数字电子概念。
- RTL 系列还用于设计低频控制应用的电路。由于简单易用，RTL 系列可用于原型设计和实验目的。
二极管晶体管逻辑 (DTL)
在二极管晶体管逻辑 (DTL) 系列中，二极管和晶体管是组合用于实现数字逻辑功能的关键元件。
以下示例电路演示了 DTL 系列中的电子电路设计。
它是一个双输入 NAND 门。其中，A 和 B 是 NAND 门的输入，Y 是门的输出。
以下真值表解释了这个双输入 NAND 门的操作 −
| Input A | Input B | Diode D1 | Diode D2 | Transistor T | Output Y |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | Forward biased | Forward biased | Off | 1 |
| 0 | 1 | Forward biased | Reverse biased | Off | 1 |
| 1 | 0 | Reverse biased | Forward biased | Off | 1 |
| 1 | 1 | Reverse biased | Reverse biased | On | 0 |
我们还可以使用二极管晶体管逻辑系列实现其他类型的逻辑电路。
DTL 系列的优势
以下是二极管晶体管逻辑系列的一些主要优势 −
- DTL 电路易于设计和实现，因为它们仅由二极管、晶体管和电阻器组成。
- DTL 电路具有成本效益，因为它们使用二极管和晶体管等通常很便宜的基本电子元件。
- DTL 电路具有良好的抗噪性。因此，与其他类型的逻辑系列相比，这些电路受噪声和干扰的影响相对较小。
- DTL 电路具有高扇出率。 DTL 电路中的功耗相对较低。
DTL 系列的局限性
除了上述优点外，DTL 电路还具有以下列出的一些缺点 −
- 与其他逻辑系列相比，DTL 系列电路需要更高的功率。
- 与其他类型的逻辑系列相比，DTL 电路包含的元件数量更多。
- DTL 电路具有中等运行速度。这是由于高传播延迟造成的。
- 由于电路的复杂性和尺寸增加，DTL 电路不适合设计更复杂的数字电路。
DTL 系列的应用
以下是二极管-晶体管逻辑系列的一些常见应用 −
- DTL 系列在早期的数字计算机和其他数字系统中很流行。
- 如今，DTL 电路主要用于教育目的，向学生解释数字逻辑设计的实现。
- DTL 电路用于设计定制电子项目。
晶体管-晶体管逻辑 (TTL)
晶体管-晶体管逻辑 (TTL) 是数字电子领域最流行的逻辑系列之一。在这个逻辑系列中，晶体管是关键的功能元件，它作为开关执行逻辑操作。
现在让我们了解如何设计 TTL 系列的逻辑电路。下图显示了一个双输入 NAND 门 −
这里，A 和 B 是输入端，Y 是输出端。下表总结了该电路的操作。
| Input A | Input B | Emitter Junction of Transistor T1 | Emitter Junction of Transistor T2 | Transistor T2 and T3 | Output Y |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | Forward biased | Forward biased | Off | 1 |
| 0 | 1 | Forward biased | Reverse biased | Off | 1 |
| 1 | 0 | Reverse biased | Forward biased | Off | 1 |
| 1 | 1 | Reverse biased | Reverse biased | On | 0 |
用同样的方式，我们也可以设计晶体管-晶体管逻辑 (TTL) 系列中的其他逻辑门。
TTL 系列的优点
以下是 TTL 系列的一些主要优点 −
- TTL 电路具有较高的运行速度，因此非常适合用于高速数字系统。
- TTL 电路经过标准化，可与各种数字电路和系统兼容。
- TTL 电路具有良好的抗噪性。因此，它们适合在嘈杂的环境中使用。
TTL 系列的缺点
尽管如此，TTL 电路具有上述几个优点。但是它们也有一些缺点，如下所示 −
- TTL 电路比其他类型的逻辑系列消耗更多电量。这种限制使 TTL 电路的能效较低。
- TTL 电路在运行过程中会产生大量热量，这是由于高功耗造成的。因此，需要适当的热管理系统。
- TTL 逻辑电平相对严格，需要特定的电压电平才能正常运行。这有时会导致与其他逻辑系列的兼容性问题。
- TTL 电路具有显着的传播延迟，这限制了它们在某些高速系统中的使用。
TTL 系列的应用
晶体管-晶体管逻辑 (TTL) 系列广泛应用于数字电子领域的各种应用。 TTL 系列的一些常见应用如下 −
- TTL 电路广泛用于数字计算机、内存单元、CPU 等。
- TTL 电路还用于嵌入式系统，用于不同目的，例如与传感器接口、在实时应用中处理数据等。
- 在通信系统中，TTL 电路用于信号调节、协议处理、数据处理等。TTL 电路通常用于各种测试和测量仪器。
结论
总之，逻辑系列是一组共享相同技术参数(如逻辑电平、电压电平、处理速度等)的数字电路。在本章中，我们解释了最常用的数字逻辑系列，即 RTL、DTL 和 TTL，以及它们的优点、缺点和应用。
