逻辑门是什么？基础数字逻辑门详解

　　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。