逻辑门

简介

　　把若干个有源器件和无源器件及其连线，按照一定的功能要求，制作在一块半导体基片上，这样的产品叫集成电路。若它完成的功能是逻辑功能或数字功能，则称为数字集成电路。最简单的数字集成电路是集成逻辑门。

　　集成电路比分立元件电路有许多显着的优点，如体积小、耗电省、重量轻、可靠性高等等，所以集成电路一出现就受到人们的极大重视并迅速得到广泛应用。

　　数字集成电路的规模一般是根据门的数目来划分的。小规模集成电路（SSI）约为10个门，中规模集成电路（MSI）约为100个门，大规模集成电路（LSI）约为1万个门，而超大规模集成电路（VLSI）则为1百万个门。在本节中，将介绍小规模数字集成电路的基本知识，而不涉及集成电路的内部电路。

　　集成电路逻辑门，按照其组成的有源器件的不同可分为两大类：一类是双极性晶体管逻辑门； 另一类是单极性的绝缘栅场效应管逻辑门。

　　双极性晶体管逻辑门主要有TTL门（晶体管??-晶体管逻辑门）、ECL门（射极耦合逻辑门）和I2L门（集成注入逻辑门）等。

　　单极性MOS门主要有PMOS门（P沟道增强型MOS管构成的逻辑门）、NMOS门（N沟道增强型MOS管构成的逻辑门）和CMOS门（利用PMOS管和NMOS管构成的互补电路构成的门电路，故又叫互补MOS门）。其中，使用最广泛的是TTL集成电路和CMOS集成电路。每种集成电路又分为不同的系列，每个系列的数字集成电路都有不同的品种类型，用不同的代码表示，也就是器件型号的后几位数码。例如：

　　00：4路2输入与非门

　　02：4路2输入或非门

　　08：4路2输入与门

　　10：3路3输入与非门

　　20：双路4输入与非门

　　27：3路3输入或非门

　　32：4路2输入或门

　　86：4路2输入异或门

主要参数

　　集成电路的性能参数主要包括：直流电源电压、输入 / 输出逻辑电平、扇出系数、传输延时、功耗等。

　　1．直流电源电压

　　TTL集成电路的标准直流电源电压为5V，4.5V，5.5V。CMOS集成电路的直流电源电压可以在3~18V之间，74系列CMOS集成电路有5V和3.3V两种。CMOS电路的一个优点是电源电压的允许范围比TTL电路大，如5V CMOS电路当其电源电压在2~6V范围内时能正常工作，3.3V CMOS电路当其电源电压在2~3.6V范围内时能正常工作。

　　2．输入 / 输出逻辑电平

　　对一个TTL集成门电路来说，它的输出“高电平”，并不是理想的+5V电压，其输出“低电平”，也并不是理想的0V电压。这主要是由于制造工艺上的公差，使得即使是同一型号的器件输出电平也不可能完全一样；另外，由于所带负载及环境温度等外部条件的不同，输出电平也会有较大的差异。但是，这种差异应该在一定的允许范围之内，否则就会无法正确标识出逻辑值“1”和逻辑值“0”，从而造成错误的逻辑操作。

　　3．传输延迟时间tpd

　　在集成门电路中，由于晶体管开关时间的影响，使得输出与输入之间存在传输延迟。传输延时越短，工作速度越快，工作频率越高。因此，传输延迟时间是衡量门电路工作速度的重要指标。例如，在特定条件下，传输时间为10ns的逻辑电路要比20ns的电路快。

　　4．输入/输出电流

　　对于集成门电路，驱动门与负载门之间的电压和电流关系实际上是电流在一个逻辑电路的输出与另一个电路的输入之间如何流动的描述。在高电平输出状态下，驱动门提供电流IOH给负载门，作为负载门的输入电流IIH ，这时驱动门处于“拉电流”工作状态。而在低电平输出状态下，驱动门处于“灌电流”状态。

　　5．功耗

　　功耗是指门电路通电工作时所消耗的电功率，它等于电源电压Vcc和电源电流Icc的乘积，即功耗。但由于在门电路中电源电压是固定的，而电源电流不是常数，也就是说，在门电路输出高电平和输出低电平时通过电源的电流是不一样的，因而这两种情况下的功耗大小也不一样。一般求它们的平均值。

　　一般情况下，CMOS集成电路的功耗较低，而且与工作频率有关（频率越高功耗越大），其数量级为微瓦，因而CMOS集成电路广泛应用于电池供电的便携式产品中；TTL集成电路的功耗较高，其数量级为毫瓦，且基本与工作频率无关。

实际应用问题

　　1. 多余输入端的处理

　　(1) TTL门。TTL门的输入端悬空，相当于输入高电平。 但是，为防止引入干扰，通常不允许其输入端悬空。 　  对于与门和与非门的多余输入端，可以使其输入高电平。具体措施是将其通过电阻R(约几千欧)接+UCC，或者通过大于2 kΩ的电阻接地。在前级门的扇出系数有富余的情况下，也可以和有用输入端并联连接。

　　对于或门及或非门的多余输入端，可以使其输入低电平。具体措施是通过小于500 Ω的电阻接地或直接接地。在前级门的扇出系数有富余时， 也可以和有用输入端并联连接。

　　对于与或非门，若某个与门多余，则其输入端应全部输入低电平(接地或通过小于500Ω的电阻接地)，或者与另外同一个门的有用端并联连接(但不可超出前级门的扇出能力)。

　　若与门的部分输入端多余， 处理方法和单个与门方法一样。

　　(2) MOS门。 MOS门的输入端是MOS管的绝缘栅极， 它与其它电极间的绝缘层很容易被击穿。虽然内部设置有保护电路，但它只能防止稳态过压，对瞬变过压保护效果差，因此MOS门的多余端不允许悬空。 　  由于MOS门的输入端是绝缘栅极，所以通过一个电阻R将其接地时，不论R多大，该端都相当于输入低电平。除此以外，MOS门的多余输入端处理方法与TTL门相同。

　　2. 接口电路

　　接口电路的作用是通过逻辑电平的转换，把不同逻辑值的电路(如TTL和MOS门电路)连接起来；或者用来驱动集成电路本身驱动不了的大电流及大功率负载；也可用来切断干扰源通道，增强抗干扰能力。

　　接口电路有系统接口(如PIO、 SIO、 CTC等)和器件之间的接口。下面只介绍几种用于器件之间的简单接口。

　　(1) TTL→CMOS门的接口。凡是和TTL门兼容的CMOS门(如74HCT××和74ACT××系列CMOS门)可以和TTL的输出端连接，不必外加元器件。

　　当CMOS门的逻辑电平与TTL不同，但两者的电源电压相近时，可以在TTL门的输出端和UDD之间接入上拉电阻R1， 以提高TTL门的输出高电平。这样当TTL与非门有一个输入端接低电平时，TTL的两个输出管V4和V5均截止，

　　流过R1的电流很小，使其输出高电平接近UDD，满足CMOS门的要求。R1的取值方法和OC门的上拉电阻的取值方法相同(约在几百欧到几千欧之间)。