如果从非门注入的输出返回到它的 OWN 输入会发生什么?

电器工程 数字逻辑 逻辑门 布尔代数
2021-12-31 18:24:00

Not Gat 自我喂食

非门,如果得到一个 0(Off) 输入,它给出一个 1(On) 输出。如果获得 1(开)输入,则返回 0(关)输出。

现在,如果-我可以将输出带回非门的输入,那么会发生什么?如果门的输入为 1,则输出为 0,如果输入为 0,则输出为 1。

这种情况听起来像是“自相矛盾”(自我虚假)的物理模型 (就像发烧的孩子伯特兰·罗素等待四月被他的兄弟愚弄,准备应对所有可能的把戏,伯特兰·罗素的兄弟通过做“no-april-fool”让伯特兰成为一个愚人节;如果伯特兰的兄弟使用任何愚人节把戏,伯特兰就不会被愚弄,如果伯特兰的兄弟不使用愚人节,那就意味着伯特兰已经四月被他的兄弟愚弄)。

现在,如果真正的硬件称为非门会发生什么?

我假设可能性;

  1. 门将始终保持为 0 (off)-output 。

  2. 门将始终保持为 1(on)-output 。

  3. 门将是“脉动的”;一旦它将 1 输出;下一时刻,在接收到该 1(on)信号后,它将发出一个零(off)信号,并且循环将继续运行。这种振荡的频率将取决于电路元件的物理特性。

  4. 电路将被损坏(由于一些异常电流,过热等)并很快永久停止工作。

在这些假设中会发生什么吗?

PS。我从学生时代就在考虑这个问题,但是从那时起我还不知道如何在电路中组装一个非门,从哪里可以买到它们等等;我还无法通过实验对其进行测试。

4个回答

发生的情况通常是案例 3. 或 5。

您尚未定义案例 5 :-)

    1. 连接的输入输出将处于电源中间附近的某个电压。

74HC14:当使用施密特触发门时,几乎肯定会发生振荡。
假设 Vin-out 最初 = 低 = 0。
当输入 = 0 时,输出将转换为 1。
执行此操作的时间是门的传播延迟(通常为 ns,具体取决于类型。
当输出开始变高时,变化率将为受负载影响。
这里的负载是栅极输入电容 + 通过栅极输出电阻和任何布线电阻驱动的任何杂散布线电容
。Cin_gate 在数据表中,可能约为 10 pF(随系列而异)
。 PCB 布线电容会很低。
在这种情况下,串联电感也可能产生很小的影响,但通常小到可以忽略不计。输出电阻随栅极类型而变化很大。
非常近似 Rout_effective = V/I = Vout/Iout_max。
例如,如果 dd = 5V,Iout max = 20 mA 那么 Rout ~~~= 5/.020 = 250 Ohms。这是非常动态的,但给出了一个想法。

当 Vout = 1 通过 Rseries + Rout 将 Cin 驱动至高电平时,栅极将看到 VIn = 1 并开始切换到 Vo = 0。在传播延迟之后,输出开始下降。
所以它继续。

74HC04:当使用非施密特触发门时,上述机制可能会发生振荡,但门更有可能在 Vin-Vout 处于大约一半电源时进入线性模式。
旨在大部分时间为其他高或低输出的内部晶体管开关对可以保持在中间状态。这可能会导致高电流消耗并可能导致 IC 损坏,但也可能不会。


作为指南:

74HC04 逆变器数据表 传播延迟 ~~= 20 ns 74HC14 逆变器数据表 传播延迟 ~~= 35 ns

74HC14 的传播延迟比 74HC04 的传播延迟大约多 50%,但施密特触发输入栅极的滞后意味着 Vin 需要稍长的时间才能上升,因此可能意味着施密特触发栅极的总延迟大约是两倍。

如果 Cin = 10 pF 且 Rout = 250 欧姆,则 Vout 驱动 Cin = t = RC = 250 x 10E-12
~~= 3E-9 = 3 ns 的时间常数。
下面由“/”分隔的数对用于 74HC04 / 74HC14 因为传播延迟 ~= 20 /40 ns ('04/'14)(参见 74HC04 数据表中的图 6)然后总的低到高和低到高时间1 个振荡周期可能是 50 / 100 ns,因此建议在 20 / 10 Mhz 左右振荡。实际上,这对于 74HC14 来说可能感觉“有点高”,但在 5V 没有其他负载的情况下,MHz 范围内的振荡可能。74HC04 可能不会振荡,但如果它确实会以更高的频率振荡。

注意:施密特门将以较低的频率振荡,这既是由于较长的传播延迟,也是因为高低阈值由滞后电压定义和分隔 - 因此 Cin 需要稍长的充电时间。如果非施密特门发生振荡,它可能会振荡得更高,但更有可能进入线性模式——可能叠加了低振幅振荡。

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里面有什么?:

Mario 展示了一个简单的逆变器的概念图,例如 74C04。这些是最早的 CMOS 门之一 - 但低输出驱动器很“烦人”,很快就出现了具有更多驱动器的缓冲门。为了获得额外的电流驱动,它们具有与输入级分开的高电流输出级。由于它们都反相,因此整体结果不是反相器,因此它们添加了第三个反相级来获得整体反相。最终结果是外部“逆变器”和半模拟驱动时未知偶然事件的黑匣子。

对于 74HC04,下图如
Fairchild
TI以及
NXP 数据表中所示,

在 ON-Semi中,
只是为了不同,使第二级成为具有反相输入的缓冲器。结果是一样的,从逻辑上讲。因此,总的来说,不能保证允许以半模拟方式运行时会发生什么。

74HC04中的6位逆变器:

在此处输入图像描述

请注意,这仅适用于基于 ONE CMOS 的版本 - 还有许多其他 CMOS 版本。

CMOS是最常用但原始的TTL,LSTTL,STTL。ECL 等等。

您所描述的称为环形振荡器

您的输出将以特定频率振荡,具体取决于您的非门的门延迟

一个完美的非门会以无限高的频率振荡。

由于不存在如此完美的设备,因此您的频率将是

\$f=\frac{1}{2*t}\$

其中 t 是您使用的非门的门延迟。

查看晶体管示意图可以看出,最终电路由两个晶体管组成,它们的栅极连接到它们的漏极。这种所谓的“二极管连接”晶体管就像一个非线性电阻器。

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

基本上你最终得到一个分压器,根据实际晶体管尺寸,你会得到一个电压,应该是电源电压的一半左右。

单个逆变器不会振荡,因为它没有足够的相移。对于振荡器,您至少需要三个串联的反相器。

这可能取决于技术,但至少一个 TTL 非门(双极晶体管)通常可以被视为只是一个高增益反相放大器。

通过将输入连接到输出,您可以创建强负反馈,因此放大器将稳定在逻辑 0 和逻辑 1 之间的某个位置。

如果通过电阻将输入连接到输出,则可以馈入并放大外部模拟信号。

如果以这种方式连接,单个门的内部元件通常没有足够的寄生容量(因此延迟)来产生振荡。然而,一个由 3 个、5 个或更多门组成的环可能有足够的延迟来生成高频信号,而不是进入稳定状态。

我在旧俄罗斯文献中看到了稳压器(非常优雅 - 数字芯片为自身稳定 5V)和发生器(3 个门链用作振荡器,大约 8 MHz)中的这种“数字模拟”解决方案。这些图参考了K155系列芯片(我认为,像旧系列的7400应该是西方的模拟)。