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逻辑门是什么?基础数字逻辑门详解

转载来源:电子技术应用-AET chinaaet.com 电子发烧友 elecfans.com2017-08-18

简介逻辑门是逻辑电路的基本组成部分,可以由晶体管来构成,逻辑门大致可以分为基本门、万用门和延伸门等三种,其中基本门又可以分为与门、或门和非门三种。逻辑门可以使信号的高

  逻辑门是逻辑电路的基本组成部分,可以由晶体管来构成,逻辑门大致可以分为基本门、万用门和延伸门等三种,其中基本门又可以分为与门、或门和非门三种。逻辑门可以使信号的高低电平转化为响应的逻辑信号,从而实现逻辑运算。

  逻辑门的简介

  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输入异或门逻辑门的主要参数

  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,最低4.5V,最高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。

  首先,在“逻辑”这个概念范畴内,存在真和假这两个逻辑值,而将其对应到数字电路或C语言中,就变成了“非0值”和“0值”这两个值,即逻辑上的“假”就是数字电路或C语言中的“0”这个值,而逻辑“真”就是其它一切“非0值”。

  然后,我们来具体分析一下几个主要的逻辑运算符。我们假定有2个字节变量:A和B,二者进行某种逻辑运算后的结果为F。

  以下逻辑运算符都是按照变量整体值进行运算的,通常就叫做逻辑运算符:

  &&:逻辑与,F = A && B,当A、B的值都为真(即非0值,下同)时,其运算结果F为真(具体数值为1,下同);当A、B值任意一个为假(即0,下同)时,结果F为假(具体数值为0,下同)。

  ||:逻辑或,F = A || B,当A、B值任意一个为真时,其运算结果F为真;当A、B值都为假时,结果F为假。

  ! :逻辑非,F = !A,当A值为假时,其运算结果F为真;当A值为真时,结果F为假。

  以下逻辑运算符都是按照变量内的每一个位来进行运算的,通常就叫做位运算符:

  & :按位与,F = A & B,将A、B两个字节中的每一位都进行与运算,再将得到的每一位结果组合为总结果F,例如A = 0b11001100,B = 0b11110000,则结果F就等于0b11000000。

  | :按位或,F = A | B,将A、B两个字节中的每一位都进行或运算,再将得到的每一位结果组合为总结果F,例如A = 0b11001100,B = 0b11110000,则结果F就等于0b11111100。

  ~ :按位取反,F = ~A,将A字节内的每一位进行非运算(就是取反),再将得到的每一位结果组合为总结果F,例如,A = 0b11001100,则结果F就等于0b00110011;这个运算符我们在前面的流水灯实验里已经用过了,现在再回头看一眼,是不是清楚多了。

  ^ :按位异或,异或的意思是,如果运算双方的值不同(即相异)则结果为真,双方值相同则结果为假。在C语言里没有按变量整体值进行的异或运算,所以我们仅以按位异或为例,F = A ^ B,A = 0b11001100,B = 0b11110000,则结果F就等于0b00111100。

逻辑门是什么?基础数字逻辑门详解