邏輯門電路的原理及組成

1、邏輯門電路的概述

實現(xiàn)基本和常用邏輯運算的電子電路，叫邏輯門電路。 在數(shù)字電路中，所謂“門”就是只能實現(xiàn)基本邏輯關(guān)系的電路。最基本的邏輯關(guān)系是與、或、非，最基本的邏輯門是與門、或門和非門。實現(xiàn)“與”運算的叫 與門，實現(xiàn)“或”運算的叫 或門，實現(xiàn)“非”運算的叫非門，也叫做反相器，等等。邏輯門是在集成電路（也稱：集成電路）上的基本組件。

2、邏輯門電路的組成

邏輯門可以用電阻、電容、二極管、三極管等分立原件構(gòu)成，成為分立元件門。也可以將門電路的所有器件及連接導線制作在同一塊半導體基片上，構(gòu)成集成邏輯門電路。簡單的邏輯門可由晶體管組成。這些晶體管的組合可以使代表兩種信號的高低電平在通過它們之后產(chǎn)生高電平或者低電平的信號。

3、邏輯門電路的作用

高、低電平可以分別代表邏輯上的“真”與“假”或二進制當中的1和0，從而實現(xiàn)邏輯運算。常見的邏輯門包括“與”門，“或”門，“非”門，“異或”門（也稱：互斥或）等等。邏輯門可以組合使用實現(xiàn)更為復雜的邏輯運算。

4、邏輯門電路的類別

邏輯門電路是數(shù)字電路中最基本的邏輯元件。所謂門就是一種開關(guān)，它能按照一定的條件去控制信號的通過或不通過。門電路的輸入和輸出之間存在一定的邏輯關(guān)系(因果關(guān)系)，所以門電路又稱為邏輯門電路?；具壿嬯P(guān)系為“與”、“或”、“非”三種。邏輯門電路按其內(nèi)部有源器件的不同可以分為三大類。第一類為雙極型晶體管邏輯門電路，包括TTL、ECL電路和I2L電路等幾種類型；第二類為單極型MOS邏輯門電路，包括NMOS、PMOS、LDMOS、VDMOS、VVMOS、IGT等幾種類型；第三類則是二者的組合BICMOS門電路。常用的是CMOS邏輯門電路。

（1）TTL全稱Transistor-Transistor Logic,即BJT-BJT邏輯門電路，是數(shù)字電子技術(shù)中常用的一種邏輯門電路，應用較早，技術(shù)已比較成熟。TTL主要有BJT（Bipolar Junction Transistor 即雙極結(jié)型晶體管，晶體三極管）和電阻構(gòu)成，具有速度快的特點。最早的TTL門電路是74系列，后來出現(xiàn)了74H系列，74L系列，74LS,74AS,74ALS等系列。但是由于TTL功耗大等缺點，正逐漸被CMOS電路取代。 TTL門電路有74（商用）和54（軍用）兩個系列，每個系列又有若干個子系列。TTL電平信號被利用的最多是因為通常數(shù)據(jù)表示采用二進制規(guī)定，+5V等價于邏輯“1”，0V等價于邏輯“0”，這被稱做TTL（晶體管-晶體管邏輯電平）信號系統(tǒng)，這是計算機處理器控制的設(shè)備內(nèi)部各部分之間通信的標準技術(shù)。

TTL電平信號對于計算機處理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸是很理想的，首先計算機處理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸對于電源的要求不高以及熱損耗也較低，另外TTL電平信號直接與集成電路連接而不需要價格昂貴的線路驅(qū)動器以及接收器電路；再者，計算機處理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸是在高速下進行的，而TTL接口的操作恰能滿足這個要求。TTL型通信大多數(shù)情況下，是采用并行數(shù)據(jù)傳輸方式，而并行數(shù)據(jù)傳輸對于超過10英尺的距離就不適合了。這是由于可靠性和成本兩面的原因。因為在并行接口中存在著偏相和不對稱的問題，這些問題對可靠性均有影響。

（2）CMOS邏輯門電路功耗極低，成本低，電源電壓范圍寬，邏輯度高，抗干擾能力強，輸入阻抗高，扇出能力強。

邏輯門電路按其集成度又可分為：SSI(小規(guī)模集成電路，每片組件包含10～20個等效門)。MAI(中規(guī)模集成電路，每個組件包含20～100個等效門)。LAI(大規(guī)模集成電路，每組件內(nèi)含100～1000個等效門)。VLSI(超大規(guī)模集成電路，每片組件內(nèi)含1000個以上等效門)。常用的MOS門電路有NMOS，PMOS，CMOS，LDMOS，VDMOS等5種。用N溝通增強型場效應管構(gòu)成的邏輯電路稱為NMOS電路；用P溝道場效應管構(gòu)成的邏輯電路稱為PMOS電路；CMOS電路則是NMOS和PMOS的互補型電路，用橫向雙擴散MOS管構(gòu)成的邏輯電路稱為LDMOS電路；用垂直雙擴散MOS管構(gòu)成的邏輯電路稱為VDMOS電路。

（3）ECL(Emitter Coupled Logic)即發(fā)射極耦合邏輯電路，也稱電流開關(guān)型邏輯電路。它是利用運放原理通過晶體管射極耦合實現(xiàn)的門電路。在所有數(shù)字電路中，它工作速度最高，其平均延遲時間tpd可小至1ns。ECL電路是由一個差分對管和一對射隨器組成的，所以輸入阻抗大，輸出阻抗小，驅(qū)動能力強，信號檢測能力高，差分輸出，抗共模干擾能力強。但是由于單元門的開關(guān)管對是輪流導通的，對整個電路來講沒有“截止”狀態(tài)，所以電路的功耗較大。

5、邏輯門電路的注意事項

電源要求

電源電壓有兩個電壓：額定電源電壓和極限電源電壓，額定電源電壓指正常工作時電源電壓的允許大?。篢TL電路為5V±5%(54系列5V±10%)；CMOS電路為3～15V(4000B系列3～18V)。極限工作電源電壓指超過該電源電壓器件將永久損壞。TTL電路為7V；4000系列CMOS電路為18V。

電壓要求

輸入高電平電壓應大于VIHmin而小于電源電壓；輸入低電平電壓應大于0V而小于VILmax。輸入電壓小于0V或大于電源電壓將有可能損壞邏輯電路。

負載要求

除OC門和三態(tài)門外普通門電路輸出不能并接，否則可能燒壞器件；門電路的輸出帶同類門的個數(shù)不得超過扇出系數(shù)，否則可能造成狀態(tài)不穩(wěn)定；在速度高時帶負載數(shù)盡可能少；門電路輸出接普通負載時，其輸出電流就小于IOLmax和IOHmax。4、工作及運輸環(huán)境問題：溫度、濕度、靜電會影響器件的正常工作。74系列TTL可工作在0～70℃而54系列為-40～125℃，這就是通常的軍品工作溫度和民品工作溫度的區(qū)別；在工作時應注意靜電對器件的影響，一般通過下面方法克服其影響：在運輸時采用防靜電包裝；使用時保證設(shè)備接地良好；測試器件是應先開機再加信號、關(guān)機時先斷開信號后關(guān)電源。

6、邏輯門電路的安全措施

（1）存放CMOS集成電路時要屏蔽，一般放在金屬容器中，或用導電材料將引腳短路，不要放在易產(chǎn)生靜電高壓的化工材料或化纖織物中。

（2）焊接CMOS電路時，一般用20W內(nèi)熱式電烙鐵，而且烙鐵要有良好的接地線；也可以用電烙鐵斷電后的余熱快速焊接；禁止在電路通電情況下焊接。

（3）為了防止輸入端保護二極管反向擊穿，輸入電壓必須處在VDD和Vss之間，即Vdd≥VI≥Vss。

（4）測試CMOS電路時，如果信號電源和電路供電采用2組電源，則在開機時應先接通電路供電電源，后開信號電源。關(guān)機時，應先關(guān)信號電源，后關(guān)電路供電電源，即在CMOS電路本身沒有接通供電電源的情況下，不允許輸入端的信號輸入。

（5）多余輸入端絕對不能懸空，否則容易接受外界干擾，破壞了正常的邏輯關(guān)系，甚至損壞。對于與門、與非門的多余輸入端應接Vdd或高電平或與使用的輸入端并聯(lián)。對于或門、或非門多余的輸入端應接地或低電平或與使用的輸入端并聯(lián)。

（6）必須在其他元器件在印制電路板上安裝就緒后，再裝CMOS電路，避免CMOS電路輸入端懸空。CMOS電路從印制電路板上拔出時，務必先切斷印制板上的電源。

（7）輸入端連線較長時，由于分布電容和分布電感的影響，容易構(gòu)成LC振蕩或損壞保護二極管，必須在輸入端串聯(lián)1個10～20ΚΩ的電阻R。

（8）防止CMOS電路輸入端噪聲干擾的方法是：在前一級和CMOS電路之間接入施密特觸發(fā)器整形電路，或加入濾波電容濾掉噪聲。

7、邏輯門電路的注意問題

（1）TTL電路的電源均采用+5V，使用時，不能將電源與地顛倒接錯，也不能接高于5.5V的電源。否則會損壞器件。

（2）電路的輸入端不能直接與高于+5.5V或低于－0.5V的低內(nèi)阻電源連接，因為低內(nèi)阻電源供給較大電流而燒壞器件。

（3）輸出端不允許與電源或地短接，必須通過電阻與電源連接，以提高輸出電平。

（4）插入或拔出集成電路時，務必切斷電源，否則會因電源沖擊而造成永久損壞。

（5）多余輸入端不允許懸空。接地電阻的阻值要求R≤=500。

TTL、CMOS接口電路所謂“接口電路”，就是用于不同類型邏輯門電路之間或邏輯門電路與外部電路之間，使二者有效連接，正常工作的中間電路。

（6）CMOS電路驅(qū)動TTL電路：用CMOS電路去驅(qū)動TTL電路時，需要解決的問題是CMOS電路不能提供足夠大的驅(qū)動電流。CMOS電路允許的最大灌電流一般只有0.4mA左右，而TTL電路的輸入短路電流Iis約為1.4mA。

（7）TTL電路驅(qū)動CMOS電路：CMOS電路的電源電壓范圍寬（3V～18V），往往高于TTL電路的+5V電源，因此，用TTL電路去驅(qū)動CMOS電路時，必須將TTL的輸出高電平值升高。通過接口電路可達此目的。3、TTL和CMOS門電路驅(qū)動其他負載：在許多場合，往往需要用TTL或CMOS電路去驅(qū)動指示燈、LED（發(fā)光二極管）或其他顯示器、光電耦合器、繼電器、可控硅等不同的負載