第2节 Basic Gate Function (修订中)
[TOC]
零件和材料
- 4011 四与非门（Radio Shack 目录 #276-2411）
- 八位 DIP 开关（Radio Shack 目录 # 275-1301）
- 十段条形图 LED（Radio Shack 目录 #276-081）
- 一节 6 伏电池
- 两个 10 kΩ 电阻器
- 三个 470 Ω 电阻器
__警告！4011 IC是CMOS，因此__对静电很敏感！
# 1. 延伸阅读
电路课，第 4 卷，第 3 章：“逻辑门 (opens new window)”
# 2. 学习目标
- “下拉”电阻器的用途
- 真值表 (opens new window)
- 如何将逻辑门连接在一起
- 如何使用 NAND 门创建不同的逻辑函数
# 3. 基本门功能示意图
# 4. 基本门功能说明
# 5. 实验说明
首先，将一个与非门 (opens new window)连接到两个输入开关和一个 LED，如图所示。起初，使用 8 位开关和 10 段 LED 条形图可能看起来有些过分，因为只需要两个开关和一个 LED 即可显示单个 NAND 门的操作。然而，这些额外的开关和 LED 的存在使得扩展电路非常方便，并有助于使电路布局既干净又紧凑。
强烈建议您在构建电路时提供__4011__芯片的数据表。不要只是按照上面的图示！培养阅读数据表的技能非常重要，尤其是在将 IC 端子连接到其他电路元件时的“引脚排列”图。数据表的连接图是必不可少的信息。这里显示的是我自己对任何__4011__数据表显示的内容的再现：
在面包板插图中，我展示了使用左下方与非门构建的电路：引脚 # 的 1 和 2 是输入，引脚 #3 是输出。Pin # 的 14 和 7 为 IC 芯片内部的所有四个门电路提供直流电源，“V DD ”表示电源的正极（+V），“Gnd”表示电源的负极（ -V)，或接地。有时，负电源端子会在数据表上标记为“V SS ”而不是“Gnd”，但含义相同。
数字逻辑电路不像运算放大器 (opens new window)那样使用分体式电源。然而，与运算放大器电路一样，地仍然是所有电压测量的隐含参考点。如果我说芯片的某个引脚上存在“高”信号，我的意思是该引脚与电源的负极（接地）之间存在全电压。
__请注意4011__芯片内未使用的门的所有输入如何连接到 V DD或接地。这不是错误，而是有意设计的行为。由于__4011__是一个 CMOS 集成电路，并且 CMOS 电路输入未连接（浮动）可以假设任何电压电平仅来自拦截来自附近物体的静电荷，使输入浮动意味着那些未使用的门可能会接收任何随机组合“高”和“低”信号。
如果我们不使用这些门，为什么这是不可取的？如果我们不对他们的输出做任何事情，谁在乎他们收到什么信号？问题是，如果在栅极输入端出现的静态电压信号不是完全“高”或完全“低”，则栅极的内部晶体管可能会开始导通，从而消耗过多的电流。在最坏的情况下，这可能会导致芯片损坏。
充其量，这意味着过多的功耗。如果我们选择将这些未使用的栅极输入连接到“高”（V DD）或“低”（接地），这无关紧要，只要我们将它们连接到这两个位置之一即可。在面包板插图中，我展示了连接到 V DD的所有顶部输入，以及连接到地的所有底部输入（未使用的门）。这样做仅仅是因为那些电源轨孔更近，不需要长跳线！
请注意，没有任何未使用的栅极_输出_连接到 V DD或接地，这是有充分理由的！如果我这样做，我可能会迫使一个门假设它试图实现的相反输出状态，这是一种复杂的说法，我会创建一个短路。想象一个应该输出“高”逻辑电平的门（对于与非门，如果它的任何输入为“低”，这将是真的）。
如果这样的门将其输出端子直接连接到地，则它永远不会达到“高”状态（通过跳线连接与地电共用）。相反，它的上部（P 沟道）输出晶体管将徒劳地开启，从而为不存在的负载提供最大电流。这很可能会损坏门！门输出端，就其本质而言，会产生自己的逻辑电平，并且绝不会像 CMOS 门输入那样“浮动”。
电路中放置了两个 10 kΩ 电阻，以避免使用的栅极出现浮动输入情况。开关闭合时，相应的输入将直接连接到 V DD并因此为“高”。开关打开时，10 kΩ“下拉”电阻提供接地电阻连接，确保栅极输入端处于安全“低”状态。这样，输入就不会受到杂散静态电压的影响。
如图所示，将 NAND 门连接到两个开关和一个 LED 后，您就可以为 NAND 门开发“真值表”了。即使您已经知道 NAND 门真值表是什么样子，这也是一个很好的实验练习：通过归纳发现电路的行为原理。在一张纸上画一个真值表，如下所示：
“ __A”和“B”__列分别代表两个输入开关。当开关打开时，其状态为“高”或 1。当开关关闭时，其状态为“低”或 0，由其下拉电阻确保。当然，门的输出由 LED 表示：无论是点亮 (1) 还是未点亮 (0)。将开关置于每种可能的状态组合并记录 LED 的状态后，将生成的真值表与 NAND 门的真值表进行比较。
可以想象，这个面包板电路不仅限于测试 NAND 门。任何门类型都可以用两个开关、两个下拉电阻和一个 LED 来指示输出状态。请务必仔细检查芯片的“引脚排列”图，然后再用引脚替换__4011__。并非所有“四”门芯片都具有相同的引脚分配！
# 6. 额外的改进
除了分配一个 LED 来指示输出之外，您可能想要对该电路进行的改进是分配几个 LED 来指示输入状态。这使得观察操作更有趣，并且通过向门显示_真实_输入信号来指示开关是否无法关闭（或打开），而不是强迫您从开关位置推断输入状态：
相关练习：
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