逻辑门电路的原理及组成

1、逻辑门电路的概述

实现基本和常用逻辑运算的电子电路，叫逻辑门电路。 在数字电路中，所谓“门”就是只能实现基本逻辑关系的电路。最基本的逻辑关系是与、或、非，最基本的逻辑门是与门、或门和非门。实现“与”运算的叫 与门，实现“或”运算的叫 或门，实现“非”运算的叫非门，也叫做反相器，等等。逻辑门是在集成电路（也称：集成电路）上的基本组件。

2、逻辑门电路的组成

逻辑门可以用电阻、电容、二极管、三极管等分立原件构成，成为分立元件门。也可以将门电路的所有器件及连接导线制作在同一块半导体基片上，构成集成逻辑门电路。简单的逻辑门可由晶体管组成。这些晶体管的组合可以使代表两种信号的高低电平在通过它们之后产生高电平或者低电平的信号。

3、逻辑门电路的作用

高、低电平可以分别代表逻辑上的“真”与“假”或二进制当中的1和0，从而实现逻辑运算。常见的逻辑门包括“与”门，“或”门，“非”门，“异或”门（也称：互斥或）等等。逻辑门可以组合使用实现更为复杂的逻辑运算。

4、逻辑门电路的类别

逻辑门电路是数字电路中最基本的逻辑元件。所谓门就是一种开关，它能按照一定的条件去控制信号的通过或不通过。门电路的输入和输出之间存在一定的逻辑关系(因果关系)，所以门电路又称为逻辑门电路。基本逻辑关系为“与”、“或”、“非”三种。逻辑门电路按其内部有源器件的不同可以分为三大类。第一类为双极型晶体管逻辑门电路，包括TTL、ECL电路和I2L电路等几种类型；第二类为单极型MOS逻辑门电路，包括NMOS、PMOS、LDMOS、VDMOS、VVMOS、IGT等几种类型；第三类则是二者的组合BICMOS门电路。常用的是CMOS逻辑门电路。

（1）TTL全称Transistor-Transistor Logic,即BJT-BJT逻辑门电路，是数字电子技术中常用的一种逻辑门电路，应用较早，技术已比较成熟。TTL主要有BJT（Bipolar Junction Transistor 即双极结型晶体管，晶体三极管）和电阻构成，具有速度快的特点。最早的TTL门电路是74系列，后来出现了74H系列，74L系列，74LS,74AS,74ALS等系列。但是由于TTL功耗大等缺点，正逐渐被CMOS电路取代。 TTL门电路有74（商用）和54（军用）两个系列，每个系列又有若干个子系列。TTL电平信号被利用的最多是因为通常数据表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”，这被称做TTL（晶体管-晶体管逻辑电平）信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。

TTL电平信号对于计算机处理器控制的设备内部的数据传输是很理想的，首先计算机处理器控制的设备内部的数据传输对于电源的要求不高以及热损耗也较低，另外TTL电平信号直接与集成电路连接而不需要价格昂贵的线路驱动器以及接收器电路；再者，计算机处理器控制的设备内部的数据传输是在高速下进行的，而TTL接口的操作恰能满足这个要求。TTL型通信大多数情况下，是采用并行数据传输方式，而并行数据传输对于超过10英尺的距离就不适合了。这是由于可靠性和成本两面的原因。因为在并行接口中存在着偏相和不对称的问题，这些问题对可靠性均有影响。

（2）CMOS逻辑门电路功耗极低，成本低，电源电压范围宽，逻辑度高，抗干扰能力强，输入阻抗高，扇出能力强。

逻辑门电路按其集成度又可分为：SSI(小规模集成电路，每片组件包含10～20个等效门)。MAI(中规模集成电路，每个组件包含20～100个等效门)。LAI(大规模集成电路，每组件内含100～1000个等效门)。VLSI(超大规模集成电路，每片组件内含1000个以上等效门)。常用的MOS门电路有NMOS，PMOS，CMOS，LDMOS，VDMOS等5种。用N沟通增强型场效应管构成的逻辑电路称为NMOS电路；用P沟道场效应管构成的逻辑电路称为PMOS电路；CMOS电路则是NMOS和PMOS的互补型电路，用横向双扩散MOS管构成的逻辑电路称为LDMOS电路；用垂直双扩散MOS管构成的逻辑电路称为VDMOS电路。

（3）ECL(Emitter Coupled Logic)即发射极耦合逻辑电路，也称电流开关型逻辑电路。它是利用运放原理通过晶体管射极耦合实现的门电路。在所有数字电路中，它工作速度最高，其平均延迟时间tpd可小至1ns。ECL电路是由一个差分对管和一对射随器组成的，所以输入阻抗大，输出阻抗小，驱动能力强，信号检测能力高，差分输出，抗共模干扰能力强。但是由于单元门的开关管对是轮流导通的，对整个电路来讲没有“截止”状态，所以电路的功耗较大。

5、逻辑门电路的注意事项

电源要求

电源电压有两个电压：额定电源电压和极限电源电压，额定电源电压指正常工作时电源电压的允许大小：TTL电路为5V±5%(54系列5V±10%)；CMOS电路为3～15V(4000B系列3～18V)。极限工作电源电压指超过该电源电压器件将永久损坏。TTL电路为7V；4000系列CMOS电路为18V。

电压要求

输入高电平电压应大于VIHmin而小于电源电压；输入低电平电压应大于0V而小于VILmax。输入电压小于0V或大于电源电压将有可能损坏逻辑电路。

负载要求

除OC门和三态门外普通门电路输出不能并接，否则可能烧坏器件；门电路的输出带同类门的个数不得超过扇出系数，否则可能造成状态不稳定；在速度高时带负载数尽可能少；门电路输出接普通负载时，其输出电流就小于IOLmax和IOHmax。4、工作及运输环境问题：温度、湿度、静电会影响器件的正常工作。74系列TTL可工作在0～70℃而54系列为-40～125℃，这就是通常的军品工作温度和民品工作温度的区别；在工作时应注意静电对器件的影响，一般通过下面方法克服其影响：在运输时采用防静电包装；使用时保证设备接地良好；测试器件是应先开机再加信号、关机时先断开信号后关电源。

6、逻辑门电路的安全措施

（1）存放CMOS集成电路时要屏蔽，一般放在金属容器中，或用导电材料将引脚短路，不要放在易产生静电高压的化工材料或化纤织物中。

（2）焊接CMOS电路时，一般用20W内热式电烙铁，而且烙铁要有良好的接地线；也可以用电烙铁断电后的余热快速焊接；禁止在电路通电情况下焊接。

（3）为了防止输入端保护二极管反向击穿，输入电压必须处在VDD和Vss之间，即Vdd≥VI≥Vss。

（4）测试CMOS电路时，如果信号电源和电路供电采用2组电源，则在开机时应先接通电路供电电源，后开信号电源。关机时，应先关信号电源，后关电路供电电源，即在CMOS电路本身没有接通供电电源的情况下，不允许输入端的信号输入。

（5）多余输入端绝对不能悬空，否则容易接受外界干扰，破坏了正常的逻辑关系，甚至损坏。对于与门、与非门的多余输入端应接Vdd或高电平或与使用的输入端并联。对于或门、或非门多余的输入端应接地或低电平或与使用的输入端并联。

（6）必须在其他元器件在印制电路板上安装就绪后，再装CMOS电路，避免CMOS电路输入端悬空。CMOS电路从印制电路板上拔出时，务必先切断印制板上的电源。

（7）输入端连线较长时，由于分布电容和分布电感的影响，容易构成LC振荡或损坏保护二极管，必须在输入端串联1个10～20ΚΩ的电阻R。

（8）防止CMOS电路输入端噪声干扰的方法是：在前一级和CMOS电路之间接入施密特触发器整形电路，或加入滤波电容滤掉噪声。

7、逻辑门电路的注意问题

（1）TTL电路的电源均采用+5V，使用时，不能将电源与地颠倒接错，也不能接高于5.5V的电源。否则会损坏器件。

（2）电路的输入端不能直接与高于+5.5V或低于－0.5V的低内阻电源连接，因为低内阻电源供给较大电流而烧坏器件。

（3）输出端不允许与电源或地短接，必须通过电阻与电源连接，以提高输出电平。

（4）插入或拔出集成电路时，务必切断电源，否则会因电源冲击而造成永久损坏。

（5）多余输入端不允许悬空。接地电阻的阻值要求R≤=500。

TTL、CMOS接口电路所谓“接口电路”，就是用于不同类型逻辑门电路之间或逻辑门电路与外部电路之间，使二者有效连接，正常工作的中间电路。

（6）CMOS电路驱动TTL电路：用CMOS电路去驱动TTL电路时，需要解决的问题是CMOS电路不能提供足够大的驱动电流。CMOS电路允许的最大灌电流一般只有0.4mA左右，而TTL电路的输入短路电流Iis约为1.4mA。

（7）TTL电路驱动CMOS电路：CMOS电路的电源电压范围宽（3V～18V），往往高于TTL电路的+5V电源，因此，用TTL电路去驱动CMOS电路时，必须将TTL的输出高电平值升高。通过接口电路可达此目的。3、TTL和CMOS门电路驱动其他负载：在许多场合，往往需要用TTL或CMOS电路去驱动指示灯、LED（发光二极管）或其他显示器、光电耦合器、继电器、可控硅等不同的负载