Digital-electronics 简明教程

Digital Electronics - Families

logic family 定义为一组具有诸如逻辑电平、电压电平、开关速度、功耗、抗噪性等技术参数的相似特性的电子电路设计。逻辑门电路在数字电子领域扮演着重要的角色，可以实施各种逻辑函数和运算。

根据制造技术，可以将逻辑门电路划分为以下两类：

Unipolar Logic Family
Bipolar Logic Family

一种逻辑门电路以单极型电子设备（如 MOSFET）为其主要元件，称为单极型逻辑门电路。一些单极型逻辑门电路的示例包括 PMOS、NMOS 和 CMOS。

另一方面，双极型逻辑门电路是采用双极型电子设备（如晶体管和二极管）的逻辑门电路。双极型逻辑门电路可进一步划分为以下类型 −

Resistor-Transistor Logic (RTL)
Diode Transistor Logic (DTL)
Transistor-Transistor Logic (TTL)

现在，我们详细讨论一下每一类逻辑门电路。

Resistor-Transistor Logic (RTL)

顾名思义，这种逻辑门电路以电阻和晶体管为其主要元件。在 RTL 门电路中，晶体管根据施加在其上的输入电压在截止或饱和区域工作。RTL 门电路是最早用于数字电子设计领域的逻辑门电路之一。

简而言之，在 RTL 门电路中，逻辑电路仅使用电阻和晶体管设计。

例如，双输入电阻晶体管逻辑 NOR 门的电路如下图所示。此处，A 和 B 是输入，Y 是门的输出。

该 RTL NOR 门针对不同输入组合的操作在以下表格中突出显示 −

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。

Advantages of RTL Family

电阻晶体管逻辑门电路具有一些主要优势：

使用 RTL 逻辑族设计的电子电路在设计方面很简单，因为它们包含最小数量的电阻器和晶体管。
在 RTL 族中制造的电路是 less expensive 。这些电路 consume less amount of power 在其他逻辑族中实现的电路。

Disadvantages of RTL Family

以下是电阻晶体管逻辑族的几个主要缺点 −

RTL 电路具有 low noise margin 。此限制使其容易受到噪声和干扰的影响。
这些电路具有 poor fan-out 。
由于较高的传播延迟，RTL 电路 slower in operation 。
由于在设计可扩展性和性能方面存在一些实际限制，故 RTL 族不适用于设计复杂电路。

Applications of RTL Family

电阻晶体管逻辑 (RTL) 族在数字电子领域中有一些有限的应用。以下是 RTL 族的几个常见应用 −

RTL 族具有成本效益，并且易于理解和设计。由于这个原因，它被广泛用于实验室和教室中的教学目的，以便向学生展示数字电子概念。
RTL 族还用于为低频控制应用设计电路。由于简单易于实现，因此 RTL 族可用于原型制作和实验目的。

Diode Transistor Logic (DTL)

在二极管晶体管逻辑 (DTL) 族中，二极管和晶体管是用于实现数字逻辑功能的关键元素。

以下示例电路演示了 DTL 族中的电子电路设计。

这是一个双输入 NAND 门。其中，A 和 B 是 NAND 门的输入，Y 是该门的输出。

此双输入 NAND 门的操作在以下真值表中进行了说明 −

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族实现其他类型的逻辑电路。

Advantages of DTL Family

以下是二极管晶体管逻辑族的一些主要优点 −

DTL 电路简单易于 simple to design and implement ，因为它们只包含二极管、晶体管和电阻器。
DTL 电路由同二极管和晶体管等基本电子元件 cost-effective ，这些元件通常很便宜。
DTL 电路具有 good noise immunity 。因此，与其他类型的逻辑族相比，这些电路相对不太容易受到噪声和干扰的影响。
DTL 电路有 high fan-out 。在 DTL 电路中的 power dissipation 相对 low 。

Limitations of DTL Family

除了上面提到的优势外，DTL 电路还有一些缺点，如下所列：

与其他逻辑族相比，DTL 族电路需要 higher amount of power 。
与其他类型逻辑族相比，DTL 电路包含更多数量的元件。
DTL 电路线路具有 moderate speed of operation 。这是因为传播延迟高。
由于电路的复杂性和尺寸增加，DTL 电路不适合设计更多复杂的数字电路。

Applications of DTL Family

以下是二极管晶体管逻辑家族的一些常见应用：

DTL 家族曾经在早期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。

Transistor-Transistor Logic (TTL)

晶体管-晶体管逻辑 (TTL) 是数字电子领域中最流行的逻辑族之一。在这个逻辑族中，晶体管是关键功能器件，作为开关运行，以执行逻辑运算。

让我们现在了解如何在 TTL 家族中设计逻辑电路。下图显示了一个二输入 NAND 门：

此处，A 和 B 是输入端，Y 是输出端。电路的工作原理总结在以下表格中。

Input A	Input B	晶体管 T1 的发射极结	晶体管 T2 的发射极结	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

以相同方式，我们还可以在晶体管-晶体管逻辑 (TTL) 家族中设计其他逻辑门。

Advantages of TTL Family

以下是 TTL 家族的一些关键优势：

TTL 电路具有较高的运行速度，因此非常适合在高速数字系统中使用。
TTL 电路已标准化，使其与各种数字电路和系统兼容。
TTL 电路具有良好的抗噪声能力。因此，它们适用于有噪声的环境。

Disadvantages of TTL Family

尽管如此，TTL 电路还是有一些如上所列的优势。不过，它们也有一些缺点，如下所示 −

与其他类型的逻辑系列相比，TTL 电路 consume more power 。此限制使 TTL 电路效率低于预期。
TTL 电路 generate significant heat 工作时，这是因为功耗高。因此，需要一个恰当的热管理系统。
TTL 逻辑电平比较严格， requiring specific voltage levels 才能正常运行。这有时会导致与其他逻辑家族的兼容性问题。
TTL 电路有 significant propagation delay ，这限制了它们在某些高速系统中的运用。

Applications of TTL Family

晶体管-晶体管逻辑 (TTL) 系列广泛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所示 −

TTL 电路广泛应用于数字计算机、存储器件、CPU 等。
TTL 电路也用于嵌入式系统，用于不同的目的，例如与传感器接口、处理实时应用中的数据，等等。
在通信系统中，TTL 电路用于信号调节、处理协议、数据处理，等等。TTL 电路通常用于各种测试和测量仪器。

Conclusion

总之，逻辑系列是一组共享相同的技术参数（例如逻辑电平、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，以及它们的优势、劣势和应用。