邏輯門電路的概述

 實(shí)現(xiàn)基本和常用邏輯運(yùn)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(shí)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(shí)現(xiàn)“與”運(yùn)算的叫 與門，實(shí)現(xiàn)“或”運(yùn)算的叫 或門，實(shí)現(xiàn)“非”運(yùn)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。                         

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(dǎo)線制作在同一塊半導(dǎo)體基片上，構(gòu)成集成邏輯門電路。簡(jiǎn)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(hào)的高低電平在通過(guò)它們之后產(chǎn)生高電平或者低電平的信號(hào)。

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(jìn)制當(dāng)中的1和0，從而實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算。常見(jiàn)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(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的邏輯運(yùn)算。

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(kāi)關(guān)，它能按照一定的條件去控制信號(hào)的通過(guò)或不通過(guò)。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(yīng)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(diǎn)。最早的TTL門電路是74系列，后來(lái)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(diǎn)，正逐漸被CMOS電路取代。 TTL門電路有74（商用）和54（軍用）兩個(gè)系列，每個(gè)系列又有若干個(gè)子系列。TTL電平信號(hào)被利用的最多是因?yàn)橥ǔ?shù)據(jù)表示采用二進(jìn)制規(guī)定，+5V等價(jià)于邏輯“1”，0V等價(jià)于邏輯“0”，這被稱做TTL（晶體管-晶體管邏輯電平）信號(hào)系統(tǒng)，這是計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部各部分之間通信的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。TTL電平信號(hào)對(duì)于計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸對(duì)于電源的要求不高以及熱損耗也較低，另外TTL電平信號(hào)直接與集成電路連接而不需要價(jià)格昂貴的線路驅(qū)動(dòng)器以及接收器電路；再者，計(jì)算機(jī)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(jìn)行的，而TTL接口的操作恰能滿足這個(gè)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(duì)于超過(guò)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?yàn)樵诓⑿薪涌谥写嬖谥嗪筒粚?duì)稱的問(wèn)題，這些問(wèn)題對(duì)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(qiáng)，輸入阻抗高，扇出能力強(qiáng)。

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(gè)等效門)。MAI(中規(guī)模集成電路，每個(gè)組件包含20～100個(gè)等效門)。LAI(大規(guī)模集成電路，每組件內(nèi)含100～1000個(gè)等效門)。VLSI(超大規(guī)模集成電路，每片組件內(nèi)含1000個(gè)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(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的邏輯電路稱為NMOS電路；用P溝道場(chǎng)效應(yīng)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(bǔ)型電路，用橫向雙擴(kuò)散MOS管構(gòu)成的邏輯電路稱為L(zhǎng)DMOS電路；用垂直雙擴(kuò)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(kāi)關(guān)型邏輯電路。它是利用運(yùn)放原理通過(guò)晶體管射極耦合實(shí)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(shí)間tpd可小至1ns。ECL電路是由一個(gè)差分對(duì)管和一對(duì)射隨器組成的，所以輸入阻抗大，輸出阻抗小，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，信號(hào)檢測(cè)能力高，差分輸出，抗共模干擾能力強(qiáng)。但是由于單元門的開(kāi)關(guān)管對(duì)是輪流導(dǎo)通的，對(duì)整個(gè)電路來(lái)講沒(méi)有“截止”狀態(tài)，所以電路的功耗較大。

邏輯門電路的注意事項(xiàng)

電源要求

電源電壓有兩個(gè)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(shí)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(guò)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(yīng)大于VIHmin而小于電源電壓；輸入低電平電壓應(yīng)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(fù)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(gè)數(shù)不得超過(guò)扇出系數(shù)，否則可能造成狀態(tài)不穩(wěn)定；在速度高時(shí)帶負(fù)載數(shù)盡可能少；門電路輸出接普通負(fù)載時(shí)，其輸出電流就小于IOLmax和IOHmax。4、工作及運(yùn)輸環(huán)境問(wèn)題：溫度、濕度、靜電會(huì)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(shí)應(yīng)注意靜電對(duì)器件的影響，一般通過(guò)下面方法克服其影響：在運(yùn)輸時(shí)采用防靜電包裝；使用時(shí)保證設(shè)備接地良好；測(cè)試器件是應(yīng)先開(kāi)機(jī)再加信號(hào)、關(guān)機(jī)時(shí)先斷開(kāi)信號(hào)后關(guān)電源。

邏輯門電路的安全措施

1、存放CMOS集成電路時(shí)要屏蔽，一般放在金屬容器中，或用導(dǎo)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(shí)，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(hù)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(cè)試CMOS電路時(shí)，如果信號(hào)電源和電路供電采用2組電源，則在開(kāi)機(jī)時(shí)應(yīng)先接通電路供電電源，后開(kāi)信號(hào)電源。關(guān)機(jī)時(shí)，應(yīng)先關(guān)信號(hào)電源，后關(guān)電路供電電源，即在CMOS電路本身沒(méi)有接通供電電源的情況下，不允許輸入端的信號(hào)輸入。

5、多余輸入端絕對(duì)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(duì)于與門、與非門的多余輸入端應(yīng)接Vdd或高電平或與使用的輸入端并聯(lián)。對(duì)于或門、或非門多余的輸入端應(yīng)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(shí)，務(wù)必先切斷印制板上的電源。

7、輸入端連線較長(zhǎng)時(shí)，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(hù)二極管，必須在輸入端串聯(lián)1個(gè)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(jí)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。

邏輯門電路的注意問(wèn)題

1、TTL電路的電源均采用+5V，使用時(shí)，不能將電源與地顛倒接錯(cuò)，也不能接高于5.5V的電源。否則會(huì)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?yàn)榈蛢?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(guò)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(shí)，務(wù)必切斷電源，否則會(huì)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(dòng)TTL電路：用CMOS電路去驅(qū)動(dòng)TTL電路時(shí)，需要解決的問(wèn)題是CMOS電路不能提供足夠大的驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)CMOS電路時(shí)，必須將TTL的輸出高電平值升高。通過(guò)接口電路可達(dá)此目的。3、TTL和CMOS門電路驅(qū)動(dòng)其他負(fù)載：在許多場(chǎng)合，往往需要用TTL或CMOS電路去驅(qū)動(dòng)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(fù)載。