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反相器

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基本邏輯閘
緩衝
反及
或非
互斥或 同或
蘊含 蘊含非
輸入
A
輸出
NOT A
0 1
1 0
反閘標誌

反相器(英語:Inverter)也稱反閘(英語:NOT gate),是數位邏輯中實現邏輯非邏輯閘,功能見右側真值表

這種功能代表了數位電路理想開關表現的假定,但是在實際的反相器設計中,元件有其需要特別關注的電氣特性。實際上,CMOS反相器的非理想過渡區表現使其能在類比電路中用作A類功率放大器(如作為運算放大器的輸出級[1])。

概述

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下列包括邏輯閘的3種符號:形狀特徵型符號(ANSI/IEEE Std 91-1984)、IEC矩形國標符號(IEC 60617-12)和不再使用的DIN符號(DIN 40700)。其他的邏輯閘符號見邏輯閘符號表

表達式 符號 功能表
ANSI/IEEE Std 91-1984 IEC 60617-12 DIN 40700

X
0 1
1 0

電路實現

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標準7404 TTL六反相器中反閘的排列

反相器電路輸出電壓所代表的邏輯電平與輸入相反。反相器可以僅用一個NMOS電晶體或一個PMOS連接一個電阻來構建。因為這種「阻性汲極」方式只需要使用一種類型的電晶體,其製造成本非常小。不過,由於電流以兩種狀態之一流過電阻,這種阻性汲極配置有功耗和狀態改變的處理速率問題。另外,反相器可以用兩個互補電晶體配置成CMOS反相器。這種配置可以大幅降低功耗,因為在兩種邏輯狀態中,兩個電晶體中的一個總是截止的。處理速率也能得到很好的提高,因為與NMOS型和PMOS型反相器相比,CMOS反相器的電阻相對較低。反相器也可以電阻-電晶體邏輯(RTL)或電晶體-電晶體邏輯(TTL)使用雙極性電晶體(BJT)構建。

數位電子電路在邏輯0和1(二進制)對應的固定電壓電平範圍內進行運算。反相器電路是基本的邏輯閘,可以在兩個電壓電平間變換。實際構建的反相器的電壓都是不同的,例如TTL電路中0是低電平,+5V是高電平。

數位功能模塊

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標準4049 CMOS六反相緩衝器中反閘的排列

反相器是數位電路中的一種基本功能模塊。將兩個串行反相器的輸出作為一位暫存器的輸入就構成了閂鎖。閂鎖、數據多工器解碼器狀態機等精密數位元件都需要使用基本反相器。

六反相器是一種包含6個反相器的積體電路。例如,7404 TTL晶片有14個引腳,4049 CMOS晶片有16個引腳,兩種晶片都各有2個引腳用於電源供電/基準電壓,12個引腳用於6個反相器的輸入和輸出(4049有2個引腳懸空)。[2]

性能測定

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反相器性能常用表示輸入-輸出電壓關係的電壓傳輸特性曲線(VTC)來測定。曲線圖能反映出元件的參數,包括雜訊容限增益和操作邏輯電平

北卡羅來納州立大學組建的20微米反相器的電壓傳輸特性曲線

反相器理想化的電壓傳輸特性曲線是單位階躍函數,這表明反相器能在高電平和低電平間無延遲精確的翻轉,但在實際元件中,曲線存在過渡區。曲線表明若輸入為低電壓,則輸出為高電壓;若輸入為高電壓,則輸出電壓逐漸接近0V。過渡區的斜率是性能測量的指標,過渡區越陡峭,即斜率越大,性能越好,若斜率接近無窮,則電路能在高電平和低電平間精確翻轉,反相器就是理想的。

雜訊容限可以通過每一工作區中的最大輸出電壓VOH和最小輸入電壓VIL比值來測定。

輸出電壓VOH可以在級聯多個元件時測定訊號驅動強度

參考文獻

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