數(shù)字系統(tǒng)的核心：邏輯門電路

數(shù)字邏輯門是一種電子電路，它根據(jù)輸入端的數(shù)字信號(hào)組合做出邏輯決策。

數(shù)字邏輯門可以有多個(gè)輸入，例如輸入A、B、C、D等，但通常僅具有一個(gè)數(shù)字輸出（Q）。單個(gè)邏輯門可以連接或級(jí)聯(lián)在一起，以形成具有任何所需數(shù)量的輸入的邏輯門功能，或者形成組合和順序型電路，或者從標(biāo)準(zhǔn)門產(chǎn)生不同的邏輯門函數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)商用數(shù)字邏輯門有兩種基本系列或形式，TTL代表晶體管-晶體管邏輯，如7400系列，CMOS代表互補(bǔ)金屬氧化物硅，即4000系列芯片。TTL或CMOS的這種表示法是指用于制造集成電路（IC）或更常見的“芯片”的邏輯技術(shù)。

一般來說，TTL邏輯IC使用NPN和PNP型雙極結(jié)晶體管，而CMOS邏輯IC使用互補(bǔ)MOSFET或JFET型場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為其輸入和輸出電路。

除了TTL和CMOS技術(shù)外，還可以通過將二極管、晶體管和電阻器連接在一起來制造簡(jiǎn)單的數(shù)字邏輯門，以產(chǎn)生RTL、電阻晶體管邏輯門、DTL、二極管晶體管邏輯門或ECL、發(fā)射極耦合邏輯門，但與流行的CMOS系列相比，這些現(xiàn)在不太常見。

集成電路（通常稱為IC）可以根據(jù)其設(shè)計(jì)中可能包含的單個(gè)晶體管或“門”的數(shù)量分組為邏輯族。例如，一個(gè)簡(jiǎn)單的與門可能只包含幾個(gè)單獨(dú)的晶體管來操作。而更復(fù)雜的微處理器芯片可以在一塊晶圓上包含數(shù)十億個(gè)單獨(dú)的晶體管柵極。集成電路根據(jù)邏輯門的數(shù)量或單個(gè)芯片內(nèi)電路的復(fù)雜性進(jìn)行分類，單個(gè)門的數(shù)量的一般分類如下：

集成電路的分類

小型集成電路（SSI）-在單個(gè)封裝中包含多達(dá)10個(gè)晶體管或幾個(gè)柵極，如AND、or、NOT柵極。

中型集成電路（MSI）-在單個(gè)封裝中包含10到100個(gè)晶體管或數(shù)十個(gè)門，并執(zhí)行數(shù)字操作，如加法器、解碼器、計(jì)數(shù)器、觸發(fā)器和多路復(fù)用器。

大規(guī)模集成電路（LSI）——100到1000個(gè)晶體管或數(shù)百個(gè)門，執(zhí)行特定的數(shù)字操作，如I/O芯片、存儲(chǔ)器、算術(shù)和邏輯單元。

超大規(guī)模集成電路（VLSI）——1000到10000個(gè)晶體管或數(shù)千個(gè)門，執(zhí)行處理器、大型存儲(chǔ)器陣列和可編程邏輯器件等計(jì)算操作。

超大規(guī)模集成電路（SLSI）-在單個(gè)封裝中包含10000到100000個(gè)晶體管，并執(zhí)行計(jì)算操作，如微處理器芯片、微控制器、基本PICs和計(jì)算器。

超大規(guī)模集成電路（ULSI）——超過100萬個(gè)晶體管——是計(jì)算機(jī)CPU、GPU、視頻處理器、微控制器、FPGA和復(fù)雜PIC中使用的大男孩。

雖然“超大規(guī)?！盪LSI分類使用得不太好，但代表集成電路復(fù)雜性的另一個(gè)集成級(jí)別被稱為片上系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱SOC）。這里的單個(gè)組件，如微處理器、存儲(chǔ)器、外圍設(shè)備、I/O邏輯等，都是在一塊硅上生產(chǎn)的，它代表了一個(gè)芯片內(nèi)的整個(gè)電子系統(tǒng)，從字面上講，“集成”一詞就是集成電路。

這些完整的集成芯片可以在一個(gè)封裝內(nèi)包含多達(dá)1億個(gè)單獨(dú)的硅CMOS晶體管門，通常用于移動(dòng)電話、數(shù)碼相機(jī)、微控制器、PIC和機(jī)器人型應(yīng)用。

摩爾定律

1965年，英特爾公司的聯(lián)合創(chuàng)始人Gordon Moore預(yù)測(cè)，關(guān)于半導(dǎo)體柵極技術(shù)的發(fā)展，“單個(gè)芯片上的晶體管和電阻器的數(shù)量將每18個(gè)月翻一番”。早在1965年，戈登·摩爾就發(fā)表了著名的評(píng)論，當(dāng)時(shí)一個(gè)硅片或芯片上大約只有60個(gè)單獨(dú)的晶體管柵極。

1971年，世界上第一個(gè)微處理器是Intel 4004，它有一個(gè)4位數(shù)據(jù)總線，在一個(gè)芯片上包含約2300個(gè)晶體管，工作頻率約為600kHz。如今，英特爾公司在其運(yùn)行頻率接近4GHz的新型四核i7-2700K Sandy Bridge 64位微處理器芯片上安裝了驚人的12億個(gè)單獨(dú)的晶體管門，隨著新型更快的微處理器和微控制器的開發(fā)，片上晶體管的數(shù)量仍在上升。

數(shù)字邏輯狀態(tài)

數(shù)字邏輯門是構(gòu)建所有數(shù)字電子電路和基于微處理器的系統(tǒng)的基本構(gòu)建塊?；緮?shù)字邏輯門對(duì)二進(jìn)制數(shù)執(zhí)行AND、OR和NOT的邏輯運(yùn)算。

在數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)中，只允許兩個(gè)電壓電平或狀態(tài)，這些狀態(tài)通常被稱為邏輯“1”和邏輯“0”，或高和低，或真和假。這兩種狀態(tài)在布爾代數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)真值表中分別用“1”和“0”的二進(jìn)制數(shù)字表示。

數(shù)字狀態(tài)的一個(gè)很好的例子是一個(gè)簡(jiǎn)單的電燈開關(guān)。開關(guān)可以是“ON”或“OFF”，一種狀態(tài)或另一種狀態(tài)，但不能同時(shí)處于這兩種狀態(tài)。然后，我們可以將這些不同數(shù)字狀態(tài)之間的關(guān)系總結(jié)為：

大多數(shù)數(shù)字邏輯門和數(shù)字邏輯系統(tǒng)都使用“正邏輯”，其中邏輯電平“0”或“LOW”由零電壓、0v或接地表示，邏輯電平“1”或“HIGH”由更高的電壓（如+5伏）表示，并盡可能快地從一個(gè)電壓電平切換到另一個(gè)電壓電平，從邏輯電平“O”切換到“1”，或從“1”轉(zhuǎn)換到“0”，以防止邏輯電路的任何故障操作。

還有一個(gè)互補(bǔ)的“負(fù)邏輯”系統(tǒng)，其中邏輯“0”和邏輯“1”的值和規(guī)則是相反的，但在本教程中關(guān)于數(shù)字邏輯門的部分，我們將只參考最常用的正邏輯約定。

在標(biāo)準(zhǔn)TTL（晶體管-晶體管邏輯）IC中，輸入和輸出電壓電平有一個(gè)預(yù)定義的電壓范圍，它準(zhǔn)確地定義了什么是邏輯“1”電平，什么是邏輯”0“電平，如下所示。

TTL輸入和輸出電壓電平

在雙極7400和CMOS 4000系列的數(shù)字邏輯門中都有各種各樣的邏輯門類型，例如74Lxx、74LSxx、74ALSxx、74HCxx、74HCCxx、74ACTxx等，每種邏輯門與另一種相比都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。產(chǎn)生邏輯“0”或邏輯“1”所需的確切開關(guān)電壓取決于特定的邏輯組或系列。

然而，當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)+5伏電源時(shí)，2.0伏至5伏之間的任何TTL電壓輸入都被視為邏輯“1”或“高”，而低于0.8伏的任何電壓輸入都會(huì)被視為“0”或“低”。在這兩個(gè)電壓電平之間的電壓區(qū)域作為輸入或作為輸出被稱為不確定區(qū)域，并且在該區(qū)域內(nèi)操作可能導(dǎo)致邏輯門產(chǎn)生錯(cuò)誤輸出。

與TTL類型相比，CMOS 4000邏輯系列使用不同級(jí)別的電壓，因?yàn)樗鼈兪鞘褂脠?chǎng)效應(yīng)晶體管或FET設(shè)計(jì)的。在CMOS技術(shù)中，邏輯“1”電平在3.0到18伏之間工作，邏輯“0”電平低于1.5伏。下表顯示了傳統(tǒng)TTL和CMOS邏輯門的邏輯電平之間的差異。

TTL和CMOS邏輯電平

然后，根據(jù)上述觀察結(jié)果，我們可以將理想的TTL數(shù)字邏輯門定義為具有0伏（接地）的“低”電平邏輯“0”和+5伏的“高”電平邏輯”1“的數(shù)字邏輯門，這可以證明為：

理想的TTL數(shù)字邏輯門電壓電平

開關(guān)的打開或閉合產(chǎn)生邏輯電平“1”或邏輯電平“0”，電阻R被稱為“上拉”電阻。

數(shù)字邏輯噪聲

然而，在這些定義的HIGH和LOW值之間是通常所說的“無人區(qū)”（上面的藍(lán)色區(qū)域），如果我們?cè)跓o人區(qū)內(nèi)施加一個(gè)值的信號(hào)電壓，我們不知道邏輯門是將其響應(yīng)為電平“0”還是電平“1”，輸出將變得不可預(yù)測(cè)。

噪聲是指由外部干擾（如附近的開關(guān)、電源波動(dòng)或拾取雜散電磁輻射的電線和其他導(dǎo)體）感應(yīng)到電子電路中的隨機(jī)和不需要的電壓。然后，為了使邏輯門不受噪聲的影響，必須具有一定的噪聲裕度或抗擾度。

數(shù)字邏輯門抗擾度

在上面的例子中，噪聲信號(hào)被疊加到Vcc電源電壓上，并且只要它保持在最小電平（VON（min））之上，邏輯門的輸入和相應(yīng)輸出就不受影響。但是，當(dāng)噪聲電平變得足夠大并且噪聲尖峰導(dǎo)致高電壓電平下降到該最小電平以下時(shí)，邏輯門可以將該尖峰解釋為低電平輸入并且相應(yīng)地切換輸出，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤的輸出切換。然后，為了使邏輯門不受噪聲的影響，它必須能夠在其輸入上容忍一定量的不需要的噪聲，而不改變其輸出的狀態(tài)。

簡(jiǎn)單的基本數(shù)字邏輯門

簡(jiǎn)單的數(shù)字邏輯門可以通過將晶體管、二極管和電阻器與下面給出的二極管-電阻器邏輯（DRL）and門和二極管-晶體管邏輯（DTL）NAND門的簡(jiǎn)單示例相結(jié)合來制造。

簡(jiǎn)單的2輸入二極管電阻器與門可以通過添加單個(gè)晶體管反相（NOT）級(jí)轉(zhuǎn)換為NAND門。在實(shí)際的商用邏輯IC中不使用諸如二極管、電阻器和晶體管之類的分立部件來制造數(shù)字邏輯門電路，因?yàn)檫@些電路遭受傳播延遲或門延遲以及由于上拉電阻器而引起的功率損耗。

二極管電阻器邏輯的另一個(gè)缺點(diǎn)是沒有“扇出”功能，即單個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)下一級(jí)的許多輸入的能力。此外，這種類型的設(shè)計(jì)不會(huì)完全“關(guān)閉”，因?yàn)檫壿嫛?”產(chǎn)生0.6v的輸出電壓（二極管壓降），因此使用以下TTL和CMOS電路設(shè)計(jì)。

基本TTL邏輯門

上面的簡(jiǎn)單二極管電阻器與門使用單獨(dú)的二極管作為輸入，每個(gè)輸入一個(gè)。由于雙極晶體管實(shí)際上是兩個(gè)連接在一起的二極管結(jié)，代表NPN（負(fù)-正-負(fù)）器件或PNP（正-負(fù)-正）器件，因此二極管-晶體管邏輯（DTL）電路的輸入二極管可以被一個(gè)具有多個(gè)發(fā)射極輸入的單個(gè)NPN晶體管取代，以形成另一種類型的邏輯電路，稱為晶體管-晶體管邏輯或TTL，如圖所示。

這種簡(jiǎn)化的NAND門電路由具有兩個(gè)（或多個(gè)）發(fā)射極端子的輸入晶體管TR1和TR2的單級(jí)反相NPN開關(guān)晶體管電路組成。

當(dāng)代表輸入“A”和“B”的TR1的一個(gè)或兩個(gè)發(fā)射極連接到邏輯電平“0”（LOW）時(shí)，TR1的基極電流通過其基極/發(fā)射極結(jié)接地（0V），TR1飽和，其集電極端子跟隨。此動(dòng)作導(dǎo)致TR2的基極連接到地（0V），因此TR2為“OFF”，Q處的輸出為HIGH。

當(dāng)輸入“A”和“B”均為邏輯電平“1”的高電平時(shí)，輸入晶體管TR1變?yōu)椤癘FF”，開關(guān)晶體管TR2的基極變?yōu)椤癏IGH”并變?yōu)椤癘N”，因此由于晶體管的開關(guān)動(dòng)作，Q處的輸出為L(zhǎng)OW。TR1的多個(gè)發(fā)射極被連接作為輸入，從而產(chǎn)生NAND門功能。

發(fā)射極耦合數(shù)字邏輯門

發(fā)射極耦合邏輯或簡(jiǎn)稱ECL，是另一種類型的數(shù)字邏輯門，它使用雙極晶體管邏輯，其中晶體管不在飽和區(qū)工作，就像它們與標(biāo)準(zhǔn)TTL數(shù)字邏輯門一樣。相反，輸入和輸出電路是推挽連接的晶體管，其電源電壓相對(duì)于地為負(fù)。

與標(biāo)準(zhǔn)TTL類型相比，這具有將發(fā)射極耦合邏輯門的操作速度提高到千兆赫范圍的效果，但噪聲在ECL邏輯中具有更大的影響，因?yàn)椴伙柡途w管在其有源區(qū)內(nèi)操作，并放大和切換信號(hào)。

集成電路的“74”子族

隨著電路設(shè)計(jì)的改進(jìn)，考慮到傳播延遲、電流消耗、扇入和扇出要求等，這種類型的TTL雙極晶體管技術(shù)形成了前綴為“74”的數(shù)字邏輯IC系列的基礎(chǔ)，如“7400”Quad 2輸入NAND門或“7402”Quad 2-輸入NOR門等。

74xxx系列IC的子系列與用于制造柵極的不同技術(shù)有關(guān)，它們由74名稱和器件編號(hào)之間的字母表示。有許多TTL子系列可提供廣泛的開關(guān)速度和功耗，如74L00或74ALS00 NAND門，其中“L”代表“低功率TTL”，“ALS”代表“高級(jí)低功率肖特基TTL”，如下所示。

?74xx或74Nxx：標(biāo)準(zhǔn)TTL–這些器件是70年代早期引入的邏輯門的原始TTL系列。它們具有大約10ns的傳播延遲和大約10mW的功耗。電源電壓范圍：4.75至5.25伏

?74Lxx：低功率TTL–通過增加內(nèi)阻的數(shù)量，功耗比標(biāo)準(zhǔn)類型有所提高，但代價(jià)是降低了開關(guān)速度。電源電壓范圍：4.75至5.25伏

?74Hxx：高速TTL–通過減少內(nèi)阻的數(shù)量提高了開關(guān)速度。這也增加了功耗。電源電壓范圍：4.75至5.25伏

?74Sxx：與74Lxx和74Hxx類型相比，肖特基TTL–肖特基技術(shù)用于提高輸入阻抗、開關(guān)速度和功耗（2mW）。電源電壓范圍：4.75至5.25伏

?74LSxx：低功率肖特基TTL–與74Sxx類型相同，但增加了內(nèi)阻以提高功耗。電源電壓范圍：4.75至5.25伏

?74ASxx：先進(jìn)的肖特基TTL–在74Sxx肖特基類型的基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化以提高開關(guān)速度為代價(jià)，功耗約為22mW。電源電壓范圍：4.5至5.5伏

?74ALSxx：高級(jí)低功率肖特基TTL–與74LSxx類型相比，功耗降低約1mW，開關(guān)速度提高4nS。電源電壓范圍：4.5至5.5伏

?74HCxx：高速CMOS–CMOS技術(shù)和晶體管，使用CMOS兼容輸入將功耗降低到1uA以下。電源電壓范圍：4.5至5.5伏

?74HCTxx：高速CMOS–CMOS技術(shù)和晶體管，可將功耗降低到1uA以下，但由于TTL兼容輸入，傳播延遲增加了約16nS。電源電壓范圍：4.5至5.5伏

基本CMOS數(shù)字邏輯門

TTL數(shù)字邏輯門系列的主要缺點(diǎn)之一是，邏輯門基于雙極晶體管邏輯技術(shù)，并且由于晶體管是電流操作器件，它們消耗來自固定+5伏電源的大量功率。

此外，TTL雙極晶體管柵極在從“OFF”狀態(tài)切換到“ON”狀態(tài)時(shí)，工作速度有限，反之亦然，稱為“柵極”或“傳播延遲”。為了克服這些限制，開發(fā)了使用“場(chǎng)效應(yīng)晶體管”或FET的被稱為“CMOS”（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）的互補(bǔ)MOS邏輯門。

由于這些柵極同時(shí)使用P溝道和N溝道MOSFET作為其輸入設(shè)備，在無開關(guān)的靜態(tài)條件下，CMOS柵極的功耗幾乎為零（1至2μA），因此非常適合用于低功率電池電路，開關(guān)速度高達(dá)100MHz，用于高頻定時(shí)和計(jì)算機(jī)電路。

這個(gè)基本的CMOS柵極示例包含三個(gè)N溝道常關(guān)增強(qiáng)MOSFET，每個(gè)輸入一個(gè)，由FET1和FET2組成，以及一個(gè)額外的開關(guān)MOSFET，F(xiàn)ET3通過其柵極永久“導(dǎo)通”偏置。

當(dāng)一個(gè)或兩個(gè)輸入“A”和“B”接地至邏輯電平“0”時(shí)，相應(yīng)的輸入MOSFET、FET1或FET2被切換為“OFF”，從而從FET3的源極端產(chǎn)生邏輯“1”（高）輸出條件。

只有當(dāng)輸入“A”和“B”都保持在邏輯電平“1”的高電平時(shí)，電流才會(huì)流過相應(yīng)的MOSFET，將其切換為“ON”，從而在Q處產(chǎn)生相當(dāng)于邏輯電平“0”的輸出狀態(tài)，因?yàn)镸OSFET、FET1和FET2都導(dǎo)通。因此產(chǎn)生代表NAND門功能的開關(guān)動(dòng)作。

電路設(shè)計(jì)在開關(guān)速度、低功耗和改進(jìn)的傳播延遲方面的改進(jìn)導(dǎo)致了標(biāo)準(zhǔn)CMOS 4000“CD”系列邏輯IC的開發(fā)，以補(bǔ)充TTL范圍。

與標(biāo)準(zhǔn)TTL數(shù)字邏輯門一樣，CMOS封裝中提供了所有主要的數(shù)字邏輯門和器件，如CD4011、Quad 2輸入NAND門或CD4001、Quad 2-輸入NOR門及其所有子系列。

與TTL邏輯一樣，互補(bǔ)MOS（CMOS）電路利用了這樣一個(gè)事實(shí)，即N溝道和P溝道器件可以在同一襯底材料上一起制造，以形成各種邏輯功能。

與等效TTL類型相比，CMOS范圍的IC的一個(gè)主要缺點(diǎn)是它們很容易被靜電損壞。與TTL邏輯門的輸入和輸出電平都工作在單個(gè)+5V電壓上不同，CMOS數(shù)字邏輯門的工作電壓在+3到+18伏之間。

常見的CMOS子系列包括：

?4000B系列：標(biāo)準(zhǔn)CMOS–這些器件是70年代早期引入的原始緩沖CMOS邏輯門系列，在3.0至18v直流電源電壓下工作。

?74C系列：5v CMOS–這些器件與標(biāo)準(zhǔn)5v TTL器件引腳兼容，因?yàn)樗鼈兊倪壿嬮_關(guān)在CMOS中實(shí)現(xiàn)，但具有TTL兼容輸入。它們?cè)?.0至18v直流電源電壓下工作。

請(qǐng)注意，CMOS邏輯門和器件對(duì)靜電敏感，因此請(qǐng)始終采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，如在防靜電墊或接地工作臺(tái)上工作、佩戴防靜電腕帶以及在需要之前不要從防靜電包裝中取出零件。