逻辑门电路

  逻辑门电路是指用来实现基本逻辑关系的电子电路,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。

概述

  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,最基本的逻辑门是与门、或门、和非门。

  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。

  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。

分类

  逻辑门电路按其内部有源器件的不同可以分为三大类。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。

使用注意

  1、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损坏。

  2、输入电压要求

  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。

  3、输出负载要求

  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

  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。

常用种类及其特点

  1、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沟通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管构成二逻辑电路称为VDMOS电路。

  2、TTL(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。

  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,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。

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