非门

前面说明的单晶体管反相器电路实际上太粗糙，不能作为门实际使用。真正的逆变器电路包含多个晶体管以最大化电压增益（以确保最终输出晶体管处于完全截止或完全饱和状态），以及其他旨在减少意外损坏机会的组件。

实用逆变器原理图

此处显示的是真实逆变器电路的示意图，其中包含高效可靠运行所需的所有组件：

该电路完全由电阻器、二极管和双极晶体管组成。请记住，其他电路设计也能够执行非门功能，包括用场效应晶体管代替双极的设计（本章稍后讨论）。

非门电路操作分析

高投入

让我们分析该电路的输入为“高”或二进制“1”状态的情况。我们可以通过显示通过开关连接到 Vcc 的输入端来模拟这一点：

在这种情况下，二极管 D1 将反向偏置，因此不会传导任何电流。实际上，在电路中使用 D1 的唯一目的是在负极的情况下防止晶体管损坏施加在输入端的电压（相对于接地的负电压，而不是正电压）。

由于晶体管 Q1 的基极和发射极之间没有电压，我们预计也没有电流通过它。然而，尽管看起来很奇怪，晶体管 Q1 并没有像通常的晶体管那样使用。实际上，该电路中使用的 Q1 只不过是一对背对背的二极管。下图展示了Q1的实际功能：

这些二极管的目的是根据输入的逻辑电平“引导”电流流入或流出晶体管 Q2 的基极。这两个二极管究竟是如何“控制”电流的，乍一看并不十分明显，因此可能需要举一个简短的例子来理解。

假设我们有以下二极管/电阻器电路，将晶体管 Q2 和 Q4 的基极 - 发射极结表示为单个二极管，剥离电路的所有其他部分，以便我们可以专注于“引导”通过两个背对-背二极管：

当输入开关处于“向上”位置（连接到 Vcc）时，显然不会有电流通过 Q1 的左转向二极管，因为开关二极管 R1 开关中没有任何电压循环以激发电子流动。

但是，将会是通过 Q1 的右转向二极管以及通过 Q2 的基极-发射极二极管结和 Q4 的基极-发射极二极管结的电流：

这告诉我们，在实际的栅极电路中，晶体管Q2和Q4会有基极电流，导通后导通集电极电流。

Q1 的基极（连接两个背对背转向二极管的节点）和地之间的总压降约为 2.1 伏，等于三个 PN 结的组合压降：右侧转向二极管，Q2 的基发射极二极管，Q4的基发射极二极管。

低输入

现在，让我们将输入开关移到“向下”位置，看看会发生什么：

如果我们测量这个电路中的电流，我们会发现all 的电流通过 Q1 的左转向二极管并且 none 它通过正确的二极管。为什么是这样？似乎仍然有一条完整的电流路径通过 Q4 的二极管、Q2 的二极管、对中的正确二极管和 R1，那么为什么没有电流通过该路径？

请记住，PN 结二极管是非常非线性的器件：它们甚至不会开始传导电流，直到施加在它们两端的正向电压达到某个最小值，硅约为 0.7 伏，锗约为 0.3 伏。然后当它们开始传导电流时，它们不会大幅下降超过 0.7 伏。

当该电路中的开关处于“向下”位置时，转向二极管对的左侧二极管完全导通，因此它两端的电压下降约 0.7 伏，仅此而已。

回想一下，当开关处于“向上”位置（晶体管 Q2 和 Q4 导通）时，这两个点（Q1 的基极和地）之间大约下降了 2.1 伏，这也恰好是最小值 将三个串联的硅 PN 结正向偏置为导通状态所需的电压。

左侧二极管的正向压降提供的 0.7 伏电压根本不足以让任何电子流过右侧二极管、Q2 二极管和 R3//Q4 二极管并联支路的串联串，因此没有电子流过该串小路。没有电流通过晶体管Q2或Q4的基极，任何一个都不能传导集电极电流：晶体管Q2和Q4都处于截止状态。

因此，这种电路配置允许通过将电流分流通过左转向二极管来 100% 切换 Q2 基极电流（从而控制栅极电路的其余部分，包括输出电压）。

在我们的示例门电路的情况下，输入由开关（连接到 Vcc）保持“高”，使左转向二极管（零电压下降）。然而，右侧的转向二极管正在通过 Q2 的基极和电阻器 R1 传导电流：

提供基极电流后，晶体管 Q2 将“导通”。更具体地说，它将饱和由于 R1 允许通过基极的足够多的电流。当 Q2 饱和时，电阻器 R3 将降低足够的电压以正向偏置晶体管 Q4 的基极 - 发射极结，从而使其也饱和：

当 Q4 饱和时，输出端子将几乎直接与地短路，使输出端子的电压（相对于地）几乎为 0 伏，或二进制“0”（“低”）逻辑电平。由于二极管D2的存在，Q3的基极和发射极之间将没有足够的电压来导通它，所以它一直处于截止状态。

低投入产出分析

现在让我们看看如果我们通过启动输入开关将输入的逻辑电平反转为二进制“0”会发生什么：

现在将有电流通过 Q1 的左侧转向二极管，而没有电流通过右侧转向二极管。这消除了通过 Q2 基极的电流，从而将其关闭。

随着 Q2 关闭，Q4 基极电流不再有路径，因此 Q4 也进入截止状态。另一方面，Q3 现在在其基极和地之间有足够的压降来正向偏置其基极 - 发射极结并使其饱和，从而将输出端电压提高到“高”状态。

实际上，输出电压将在 4 伏左右，具体取决于饱和度和任何负载电流，但仍然足够高，足以被视为“高”(1) 逻辑电平。这样，我们对逆变器电路的模拟就完成了：“1”输入给出“0”输出，反之亦然。

电路观察

精明的观察者会注意到，如果悬空（未连接到 Vcc 或接地），该逆变器电路的输入将呈现“高”状态。在输入端悬空的情况下，将没有电流通过 Q1 的左转向二极管，R1 的所有电流都通过 Q2 的基极，从而使 Q2 饱和并将电路输出驱动到“低”状态：

晶体管到晶体管逻辑 (TTL)

如果悬空，这种电路呈现高输入状态的趋势是所有基于这种设计的门电路共享的趋势，称为 T 电阻到-T 电阻L ogic 或 TTL .可以利用这一特性来简化门的输出设计电路，知道门的输出通常会驱动其他门的输入。

如果 TTL 门电路的输入在浮动时呈现高状态，那么驱动 TTL 输入的任何门的输出只需要为低状态提供接地路径，并为高状态提供浮动。这个概念可能需要进一步阐述才能完全理解，所以我将在这里详细探讨。

源电流和灌电流

源电流

我们刚刚分析的门电路能够处理两个方向的输出电流：输入和输出。从技术上讲，这称为采购和下沉电流，分别。当栅极输出为高电平时，通过顶部输出晶体管 (Q3) 从输出端到 Vcc 之间存在连续性，允许电子从地流过，通过负载，进入栅极的输出端，通过 Q3 的发射极，最终到 Vcc 电源端（直流电源的正极）：

为了简化这个概念，我们可以将门电路的输出显示为双掷开关，根据其状态，能够将输出端子连接到 Vcc 或地。对于输出“高”逻辑电平的门，Q3 饱和和 Q4 截止的组合类似于处于“Vcc”位置的双掷开关，为电流通过接地负载提供路径：

请注意，栅极符号内显示的这个两位开关代表晶体管 Q3 和 Q4 交替将输出端子连接到 Vcc 或地，不是之前显示的开关向门发送输入信号！

下沉电流

相反，当门电路向负载输出“低”逻辑电平时，类似于将双掷开关设置在“接地”位置。如果负载电阻连接到 Vcc，电流将反向流动：从地开始，通过 Q4 的发射极，从输出端子流出，通过负载电阻，然后返回到 Vcc。在这种情况下，门被称为下沉当前：

TTL 操作要求

Q3 和 Q4 的组合用作“推挽”晶体管对（也称为图腾柱输出 ) 具有向负载提供电流（将电流吸入 Vcc）或吸收电流（从地输出电流）的能力。然而，一个标准的 TTL 门输入永远不需要电流源，只需要沉没。也就是说，由于 TTL 栅极输入在悬空时自然呈现高状态，因此驱动 TTL 输入的任何栅极输出仅需要灌电流以提供“0”或“低”输入，而无需提供电流以提供“1” ”或接收门输入端的“高”逻辑电平：

集电极开路输出

这意味着我们可以选择简化门电路的输出级，从而完全消除 Q3。结果被称为开放收集器输出 :

为了在标准门符号内指定集电极开路输出电路，使用了特殊标记。此处显示的是具有开路集电极输出的逆变器门的符号：

请记住，浮动门输入的“高”默认条件仅适用于 TTL 电路，而不适用于其他类型，尤其是由场效应晶体管构成的逻辑门。

反相器或非门是一种输出与输入相反的状态的门。也就是说，“低”输入 (0) 给出“高”输出 (1)，反之亦然。
如本节所示，由电阻器、二极管和双极晶体管构成的栅极电路称为 TTL . TTL 是 Transistor-to-Transistor Logic 的首字母缩写词 .门电路中还使用了其他设计方法，其中一些使用场效应晶体管而不是双极晶体管。
据说门是采购当它为输出端子和直流电源 (Vcc) 的正侧之间的电流提供路径时。换句话说，它是将输出端连接到电源 (+V)。
据说门正在下沉当它为输出端子和地之间的电流提供路径时。换句话说，它是将输出端子接地（下沉）。
带有图腾柱的门电路输出级能够source 和下沉当前的。带有集电极开路的门电路输出级只能吸收电流，不能拉电流。集电极开路门在用于驱动 TTL 门输入时非常实用，因为 TTL 输入不需要电流源。

非门