三态门Multisim电路仿真——硬件工程师笔记

目录

1三态门基础

1.1 定义

1.2 符号表示

1.3 控制信号

1.4 电路结构

1.5 高阻态的实现原理

1.6 应用

1.6.1 总线系统

1.6.2 数据选择器和多路复用器

2三极管构成三态门(TTL三态门)

2.1 解析说明

2.2 仿真实验

3MOS管构成三态门

3.1 解析说明

3.2 仿真实验

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1三态门基础

三态门是一种特殊的数字逻辑电路。

1.1 定义

三态门是一种具有三种输出状态的数字逻辑门。这三种状态分别是高电平（通常用逻辑“1”表示）、低电平（通常用逻辑“0”表示）和高阻态（用“Z”表示）。高阻态是一种特殊的输出状态，它相当于电路没有连接，既不是高电平也不是低电平，就像是电路处于一种“断路”的状态。

1.2 符号表示

在电路图中，三态门的符号通常是在普通逻辑门（如与门、或门等）的符号基础上进行修改。它会在输出端旁边有一个小的三角形符号或者用其他方式标注，以表示其具有三态输出的特性。例如，一个三态非门，其符号可能是一个普通的非门符号，输出端旁边有一个小三角形。

上图所示，A是信号输入端，Y是输出端，EN是控制信号端,也称使能端。

1.3 控制信号

三态门有一个额外的控制信号(EN)，这个控制信号用来决定三态门是正常输出高电平或低电平，还是输出高阻态。

使能端(EN)有小圆圈者为低电平有效，即在该使能端加的信号为低电平时，三态门处在工作状态，Y=A‾(输入取反)，为高电平时被禁止，Y = Z(高阻态)

使能端(EN)无小圆圈者为高电平有效，即在该使能端加的信号为高电平时，三态门处在工作状态，Y =A‾(输入取反)，为低电平时被禁止，Y = Z(高阻态)

真值表如下

1.4 电路结构

三态门的内部电路结构比较复杂。以三态非门为例，它通常由多个晶体管和电阻等元件组成。在正常工作时（控制信号为低电平），输入信号经过晶体管的反相作用，输出与输入相反的电平。当控制信号为高电平时，内部的晶体管配置会发生变化，使得输出端与电源和地之间的通路被切断，从而进入高阻态。

1.5 高阻态的实现原理

高阻态的实现是通过控制输出端的电流路径来实现的。当三态门处于高阻态时，输出端既不与电源相连，也不与地相连。从外部电路来看，输出端就像悬空一样，不会对其他电路产生影响。这是因为内部的晶体管被控制信号控制，使得输出端的电流无法流动，从而形成高阻态。

1.6 应用

1.6.1 总线系统

三态门在总线系统中应用非常广泛。在计算机系统等多设备共享总线的场合，多个设备需要通过总线进行数据传输。三态门可以很好地解决总线冲突问题。例如，在一个8位数据总线系统中，多个存储器芯片可能需要向总线发送数据。每个存储器芯片的输出端都通过三态门连接到总线上。当某个存储器芯片被选中时，其控制信号使三态门正常工作，数据可以输出到总线上；而其他未被选中的存储器芯片的三态门处于高阻态，不会对总线上的数据产生干扰。这样就可以实现多个设备在不同时刻向总线发送数据，而不会出现信号冲突。

1.6.2 数据选择器和多路复用器

在数据选择器和多路复用器电路中，三态门可以用来实现多路信号的切换。例如，在一个4选1多路复用器中，四个输入信号分别通过三态门连接到输出端。通过控制信号来选择其中一个三态门正常工作，其他三态门处于高阻态，从而将选定的输入信号传输到输出端。这种方式可以方便地实现信号的切换和选择，而且可以减少电路的复杂度和功耗。

2三极管构成三态门(TTL三态门)

2.1 解析说明

如下图所示，74LS04D为反相器，X1和X2与运算：表示输入状态，X3：表示使能端状态，X4：输出状态，使能端低电平有效，真值表如下所示：

2.2 仿真实验

低电平

X1X2与运算(输入)：1     X3(使能端)：0          X4(输出)：0

高电平

X1X2与运算(输入)：0     X3(使能端)：0          X4(输出)：1

高电平

X1X2与运算(输入)：0     X3(使能端)：0          X4(输出)：1

高阻态

X1X2与运算(输入)：0     X3(使能端)：1          X4(输出)：Z

高阻态

X1X2与运算(输入)：0     X3(使能端)：1          X4(输出)：Z

高阻态

X1X2与运算(输入)：1     X3(使能端)：1          X4(输出)：Z

3MOS管构成三态门

3.1 解析说明

如下图所示，4001BD为或非门，X1：表示输入状态，X2：使能端状态，X3：表示输出状态，使能端高电平有效，真值表如下所示：

3.2 仿真实验

低电平

使能端：高电平         输入端：高电平     输出端：低电平

高电平

使能端：高电平         输入端：低电平     输出端：高电平

高阻态

使能端：低电平         输入端：低电平     输出端：高阻态

高阻态

使能端：低电平         输入端：高电平     输出端：高阻态

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