漫谈反相器

漫谈反相器

本文所及，皆指工作于开关状态，处理开关量信号的电路类型。线性放大器不在此列。凡文中用“=”的地方，若换用“约等于”、“ 接近”、“ 大致是”等表述，更为贴切。为图省事，一概以“=”取代之。

1、晶体三极管构成的反相器基本电路

图1 三极管反相器电路及输入、输出信号波形示意图
反相器之所以成为反相器，除电路结构适宜处理开关量信号以外，输入信号也须为“合法”信号，即具备性格鲜明的“开、关”特点，而且电压幅度也符合要求。若为反相器输入线性信号或电压幅度不适宜，反相器可能对此不知所措，此为非法信号——别怪反相器输出不正常。共发射极电路（并合理设置其静态工作点）即典型的反相器电路。其输入、输出信号变化趋势呈反向关系。
在线检测：Vbe = 0.7V（高电平），Vc=0V（低电平）；Vbe = 0V（低电平），Vc=Vcc（高电平）。若传输方波信号，其动态信号电压Vbe = 0.3V左右，Vc=Vcc/2。
正常状态仅为此。此外为故障状态。

2、集成反相器
以芯片供电+5V为例。电路对输入高、低电平的识别为：输入信号低于1.5V为低电平，高于3V以上为高电平，在1.6V~2.9V以内，为非法信号。其输出低电平，则接近0V，输出高电平接近+5V。

图2 集成反相器电路之一及波形图
（1）静态或传输直流信号时，IN=0V，OUT=Vcc，或为相反状态。
（2）动态传输脉冲信号时，用直流电压挡测量，有直流平均化倾向，反映脉冲占空比的大小，接近示波器所测信号平均值。
a、若输入信号幅度与芯片供电电压幅度相等（如为5V），并且输入信号为方波时：
IN=OUT=2.5V
b、若输入信号幅度与芯片供电电压幅度相等（如为5V），但输入信号不为方波（如图2中输入信号占空比约为1/3）时：
IN约为1.6V左右，OUT约为3.3V左右。可以想见，若输入信号占空比为30%，反相后输出信号占空比即为70%。输入、输出呈互补关系，其和应接近于Vcc。
即IN+OUT＝5V。
因而反相器若用于传输非方波的脉冲信号。在线所测输入、输出电压可能是乱七八糟的数值，其正常与否，可用IN+OUT＝5V此式验之，若符合，即为正常。否则即为反常。
c、若输入信号幅度与芯片供电电压幅度不等（如输入信号最大幅度为3.3V，而芯片供电电压为5V），输入信号不为方波（如图2中输入信号占空比约为1/3）时，可由输入信号幅度推算占空比，进而推算出输出电压值。
则测IN=1V（最大幅度为3.3V），推算输入信号占空比约为30%，反相后其占空比约为70%（最大幅度为5V），则OUT＝3.5V左右，电路传输正常。

图3 反相器电路形式之二——高电压大电流驱动器
上图虚线框内为外部负载电路。芯片供电为+5V，输入信号幅度在0~5V以内。输出级为开路集电极输出模式，外部负载电路可以根据需要采用更高的供电电压和较大的工作电流。典型电路如ULN2003A等，可直接驱动继电器，电喇叭，信号灯等负载。在应用中较灵活。
在线检测：IN=0V，OUT＝24V；IN=5V，OUT＝0V。仍符合反相器规则。

3、否定之否定等于肯定

图4 电路形式之一
此电路的IN=OUT，似乎和省略掉该电路，将IN\OUT端短接的效果是一样的。何也？
盖有两种作用：
其一，提高带载能力。如MCU引脚的拉电流能力因上拉电阻所限，可能仅为1mA电流输出能力，以至于连发光二极管也无法驱动，用图3电路，则使带载能力显著提高。

图5 电路形式之二
其二，起到阻抗变换作用。如图4串行脉冲传输电路，系主板MCU和面板MCU的通讯电路，输入和输出信号在幅度和极性上显然是一样的，但若直接传输，对外部干扰信号的抵抗力较差。串入否定之否定之电路，使传输线阻大为降低，有一定的电流在流通着，干扰信号便被“水流”冲走了。一定程度上提升了抗干扰能力。
图4，用一只同相器或许可以取代，而图5，则非用两组反相器电路不可。

4、宁愿用着不能空着

图6 反相器的多组串联方式
从逻辑关系分析，用一级反相器肯定和三组反相器的结果是一样的，为何白白浪费两组呢？
无论数字电路或放大器，因输入阻抗较高，当其突置时，其输出端电压是不确定（输出级电路是不安分）的，这和无业游民多了会增加社会的不安定因素，是一个道理。那么使其就业哪怕是一个闲职也好。
每个反相器芯片内往往包含多组反相器，如74HC14，即内含6组反相器电路，恰好有两组剩余时，构成图5电路，就算是较好的安置方法了。
5、不是反相器的反相器

图7、用其它门电路制作反相器
将或非门，或者与非门的两输入端短接起来，使其“变身”为反相器电路。电路设计当中，恰好剩余了一组与非门，而电路又需要一个非门电路时，为此增加一只反相器芯片不够经济。这时候设计者头脑中灵光一闪，就用其它门电路制作出了反相器。

图8  NE555也可以制成反相器
上图，是个准反相器电路，IN<Vcc 1/3，OUT＝Vcc；IN>Vcc 2/3，OUT＝0V。一般情况下，不会有人专门制作此电路来实现反相器功能（没事闲的啊）。要是恰好剩余一片555电路（如7555器件，含两路），顺手就做成了反相器，确实也是一款性能优良的反相器电路啊。


咸庆信
2017-10-28