什么是數(shù)字邏輯門(mén)_數(shù)字邏輯門(mén)基礎(chǔ)知識(shí)

數(shù)字邏輯門(mén)是一種電子電路，它根據(jù)輸入上存在的數(shù)字信號(hào)的組合做出邏輯決策

數(shù)字邏輯門(mén)可能有多個(gè)輸入，（A，B） ，C等，但通常只有一個(gè)數(shù)字輸出，（Q）。各個(gè)邏輯門(mén)可以連接在一起形成組合或順序電路，或更大的邏輯門(mén)功能。

標(biāo)準(zhǔn)的商用數(shù)字邏輯門(mén)有兩種基本系列或形式，TTL代表晶體管 - 晶體管邏輯，如7400系列，CMOS代表互補(bǔ)金屬氧化物硅，它是4000系列芯片。這種TTL或CMOS符號(hào)是指用于制造集成電路（IC）或“芯片”的邏輯技術(shù)，因?yàn)樗ǔ１环Q(chēng)為。

數(shù)字邏輯門(mén)

一般來(lái)說(shuō)，TTL邏輯IC使用NPN和PNP型雙極結(jié)型晶體管，而CMOS邏輯IC則使用互補(bǔ)MOSFET用于輸入和輸出電路的JFET型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

除TTL和CMOS技術(shù)外，還可以通過(guò)將二極管，晶體管和電阻連接在一起來(lái)制作簡(jiǎn)單的數(shù)字邏輯門(mén)，以生成RTL，電阻器 - 晶體管邏輯門(mén)，DTL，二極管 - 晶體管邏輯門(mén)或ECL，發(fā)射極 - 耦合邏輯門(mén)，但與流行的CMOS系列相比，這些都不太常見(jiàn)。

集成電路或IC，因?yàn)樗鼈兺ǔ１环Q(chēng)為，它們可以根據(jù)它們包含的晶體管數(shù)量或“門(mén)”組合成一個(gè)系列。例如，一個(gè)簡(jiǎn)單的 AND 門(mén)只包含幾個(gè)單獨(dú)的晶體管，因?yàn)楦鼜?fù)雜的微處理器可能包含數(shù)千個(gè)單獨(dú)的晶體管門(mén)。集成電路根據(jù)邏輯門(mén)的數(shù)量或單個(gè)芯片內(nèi)電路的復(fù)雜程度進(jìn)行分類(lèi)，其中單個(gè)門(mén)的數(shù)量的一般分類(lèi)如下：

集成電路的分類(lèi)

小規(guī)模集成或（SSI） - 在單個(gè)封裝中最多可包含10個(gè)晶體管或幾個(gè)門(mén)，例如AND，或，不是門(mén)。

中等規(guī)模集成或（MSI） - 在一個(gè)封裝內(nèi)的10到100個(gè)晶體管或數(shù)十個(gè)門(mén)之間執(zhí)行數(shù)字操作例如加法器，解碼器，計(jì)數(shù)器，觸發(fā)器和多路復(fù)用器。

大規(guī)模集成或（LSI） - 介于100和1,000個(gè)晶體管或數(shù)百個(gè)之間門(mén)控和執(zhí)行特定的數(shù)字操作，如I / O芯片，存儲(chǔ)器，算術(shù)和邏輯單元。

超大規(guī)模集成或（VLSI） - 介于1,000和10,000之間nsistor或數(shù)千個(gè)門(mén)并執(zhí)行計(jì)算操作，如處理器，大型存儲(chǔ)器陣列和可編程邏輯器件。

超大規(guī)模集成或（SLSI） - 單個(gè)封裝中的10,000到100,000個(gè)晶體管，并執(zhí)行計(jì)算操作，如微處理器芯片，微控制器，基本PIC和計(jì)算器。

超大規(guī)模集成或（ULSI） - 超過(guò)100萬(wàn)個(gè)晶體管 - 用于計(jì)算機(jī)CPU，GPU，視頻處理器，微控制器，FPGA和復(fù)雜PIC的大男孩。

雖然“超大規(guī)?！盪LSI分類(lèi)使用得不太好，但代表集成電路復(fù)雜性的另一級(jí)集成稱(chēng)為片上系統(tǒng)或（SOC）簡(jiǎn)而言之。在這里，微處理器，存儲(chǔ)器，外圍設(shè)備，I / O邏輯等各個(gè)組件都是在一塊硅片上生成的，它代表了一個(gè)芯片內(nèi)的整個(gè)電子系統(tǒng)，字面上將“集成”字放入集成電路中。

這些完整的集成芯片可在一個(gè)封裝內(nèi)容納多達(dá)1億個(gè)硅CMOS晶體管柵極，通常用于移動(dòng)電話，數(shù)碼相機(jī)，微控制器，PIC和機(jī)器人類(lèi)應(yīng)用。 / p>

摩爾定律

1965年，英特爾公司聯(lián)合創(chuàng)始人戈登摩爾預(yù)測(cè)，“單個(gè)芯片上的晶體管和電阻器的數(shù)量將每18個(gè)月增加一倍”。半導(dǎo)體門(mén)技術(shù)。當(dāng)Gordon Moore在1965年發(fā)表他的著名評(píng)論時(shí)，單個(gè)硅片或芯片上只有大約60個(gè)單獨(dú)的晶體管柵極。

1971年世界上第一個(gè)微處理器是具有4位的Intel 4004數(shù)據(jù)總線在單個(gè)芯片上包含大約2,300個(gè)晶體管，工作頻率約為600kHz。今天，英特爾公司已經(jīng)在其近4GHz的新型四核i7-2700K Sandy Bridge 64位微處理器芯片上放置了驚人的12億個(gè)獨(dú)立晶體管柵極，片上晶體管數(shù)量仍在增加，因?yàn)楦斓奈⑻幚砥骱臀⒖刂破鏖_(kāi)發(fā)。

數(shù)字邏輯狀態(tài)

數(shù)字邏輯門(mén)是構(gòu)建所有數(shù)字電子電路和基于微處理器的系統(tǒng)的基本構(gòu)建模塊。基本數(shù)字邏輯門(mén)對(duì)二進(jìn)制數(shù)執(zhí)行 AND ， OR 和 NOT 的邏輯運(yùn)算。

僅在數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)中允許兩個(gè)電壓電平或狀態(tài)，這些狀態(tài)通常稱(chēng)為邏輯“1”和邏輯“0”，或高和低，或者為真和假。這兩種狀態(tài)分別用“1”和“0”的二進(jìn)制數(shù)字表示在布爾代數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)真值表中。

一個(gè)很好的例子數(shù)字狀態(tài)是簡(jiǎn)單的燈開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)可以是“ON”或“OFF”，一種是另一種狀態(tài)，但不能同時(shí)是兩種狀態(tài)。然后我們可以總結(jié)這些不同數(shù)字狀態(tài)之間的關(guān)系：

大多數(shù)數(shù)字邏輯門(mén)和數(shù)字邏輯系統(tǒng)使用“正邏輯”，其中邏輯電平為“0”或“LOW”由零電壓，0v或地表示，邏輯電平“1”或“HIGH”由更高的電壓表示，例如+5伏，從一個(gè)電壓電平切換到另一個(gè)電壓電平邏輯電平“0”到“1”或“1”到“0”盡可能快地進(jìn)行，以防止邏輯電路的任何錯(cuò)誤操作。

還存在一個(gè)互補(bǔ)的“否定邏輯“系統(tǒng)中邏輯的值和規(guī)則”0“并且邏輯“1”相反，但在本教程中關(guān)于數(shù)字邏輯門(mén)的部分我們只會(huì)參考正邏輯約定，因?yàn)樗亲畛Ｓ玫摹?/p>

在標(biāo)準(zhǔn)TTL（晶體管 - 晶體管邏輯）中IC有一個(gè)預(yù)先定義的輸入和輸出電壓電壓范圍，它確切地定義了什么是邏輯“1”電平，什么是邏輯“0”電平，這些如下所示。

TTL輸入和輸入輸出電壓電平

雙極7400和CMOS 4000都有各種各樣的邏輯門(mén)類(lèi)型數(shù)字邏輯門(mén)系列，如74Lxx，74LSxx，74ALSxx，74HCxx，74HCTxx，74ACTxx等，每一個(gè)都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。產(chǎn)生邏輯“0”或邏輯“1”所需的確切開(kāi)關(guān)電壓取決于特定的邏輯組或系列。

然而，當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)+5伏電源時(shí)，任何TTL電壓輸入之間2.0v和5v被認(rèn)為是邏輯“1”或“高”，而任何低于0.8v的電壓被認(rèn)為是邏輯“0”或“低”。這兩個(gè)電壓電平之間的電壓區(qū)域作為輸入或輸出稱(chēng)為 Indeterminate Region ，在此區(qū)域內(nèi)工作可能會(huì)導(dǎo)致邏輯門(mén)產(chǎn)生錯(cuò)誤輸出。

與TTL類(lèi)型相比，CMOS 4000邏輯系列使用不同的電壓電平，因?yàn)樗鼈兪鞘褂脠?chǎng)效應(yīng)晶體管或FET設(shè)計(jì)的。在CMOS技術(shù)中，邏輯“1”電平工作在3.0和18伏之間，邏輯“0”電平工作在1.5伏以下。然后下表顯示了傳統(tǒng)TTL和CMOS邏輯門(mén)的邏輯電平之間的差異。

TTL和CMOS邏輯電平

然后從上面的觀察中，我們可以將理想的TTL數(shù)字邏輯門(mén)定義為具有0伏（地）的“低”電平邏輯“0”和“高”電平邏輯的邏輯門(mén)。 + 1伏特的“1”，這可以證明為：

理想的TTL數(shù)字邏輯門(mén)電壓電平

開(kāi)關(guān)的打開(kāi)或關(guān)閉產(chǎn)生的任何一個(gè)邏輯電平“1”或邏輯電平“0”，電阻 R 稱(chēng)為“上拉”電阻。

數(shù)字邏輯噪聲

然而，在這些定義的HIGH和LOW值之間存在通常被稱(chēng)為“無(wú)人區(qū)域”（上面的藍(lán)色區(qū)域），如果我們?cè)谶@個(gè)無(wú)人區(qū)域內(nèi)應(yīng)用一個(gè)值的信號(hào)電壓，我們不知道是否邏輯門(mén)將響應(yīng)它作為電平“0”或電平“1”，輸出將變得不可預(yù)測(cè)。

噪聲是隨機(jī)給出的名稱(chēng)通過(guò)外部干擾（例如來(lái)自附近的開(kāi)關(guān)，電源波動(dòng)或來(lái)自拾取雜散電磁輻射的導(dǎo)線和其他導(dǎo)體）感應(yīng)到電子電路中的不需要的電壓。然后為了使邏輯門(mén)不受噪聲影響必須具有一定的噪聲容限或抗噪聲能力。

數(shù)字邏輯門(mén)噪聲抗擾度

在上面的示例中，噪聲信號(hào)疊加在Vcc電源電壓上，只要它保持在最小電平以上（V ON（min） ））輸入邏輯門(mén)的相應(yīng)輸出不受影響。但是當(dāng)噪聲電平變得足夠大并且噪聲尖峰導(dǎo)致HIGH電壓電平下降到低于該最小電平時(shí)，邏輯門(mén)可以將該尖峰解釋為低電平輸入并且相應(yīng)地切換輸出產(chǎn)生錯(cuò)誤輸出切換。然后，為了使邏輯門(mén)不受噪聲影響，它必須能夠容忍其輸入上的一定量的不需要的噪聲而不改變其輸出狀態(tài)。

簡(jiǎn)單的基本數(shù)字邏輯門(mén)

簡(jiǎn)單的數(shù)字邏輯門(mén)可以通過(guò)將晶體管，二極管和電阻器與二極管電阻邏輯（DRL） AND 門(mén)和二極管 - 晶體管邏輯（DTL）的簡(jiǎn)單示例相結(jié)合來(lái)制作下面給出 NAND 門(mén)。

二極管電阻電路	二極管 - 晶體管電路
2輸入AND門(mén)

簡(jiǎn)單的2輸入二極管電阻 AND <通過(guò)添加單個(gè)晶體管反相（ NOT ）級(jí)，可以將/ span> gate轉(zhuǎn)換為 NAND 門(mén)。使用諸如二極管，電阻器和晶體管之類(lèi)的分立元件來(lái)制造數(shù)字邏輯門(mén)電路并不用于實(shí)際商用邏輯IC，因?yàn)檫@些電路會(huì)受到傳播延遲或柵極延遲以及由于上拉電阻引起的功率損耗。

二極管電阻邏輯的另一個(gè)缺點(diǎn)是沒(méi)有“扇出”功能，即單個(gè)輸出能夠驅(qū)動(dòng)下一級(jí)的許多輸入。此類(lèi)設(shè)計(jì)也沒(méi)有完全“關(guān)閉”，因?yàn)檫壿嫛?”產(chǎn)生0.6v的輸出電壓（二極管電壓降），因此使用以下TTL和CMOS電路設(shè)計(jì)。

基本TTL邏輯門(mén)

上面的簡(jiǎn)單二極管電阻 AND 門(mén)為其輸入使用單獨(dú)的二極管，每個(gè)輸入一個(gè)。由于晶體管由連接在一起代表NPN或PNP器件的兩個(gè)二極管電路組成，因此DTL電路的輸入二極管可以由一個(gè)具有多個(gè)發(fā)射極輸入的NPN晶體管代替，如圖所示。

2輸入與非門(mén)

由于與非門(mén)包含單級(jí)反相NPN晶體管電路（ TR 2 ） Q 時(shí)的輸出邏輯電平“1”僅在 TR 1 的兩個(gè)發(fā)射極連接到邏輯時(shí)出現(xiàn)電平“0”或接地允許基極電流通過(guò)發(fā)射極的PN結(jié)而不是集電極。 TR 1 的多個(gè)發(fā)射極作為輸入連接，從而產(chǎn)生 NAND 門(mén)功能。

在標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯門(mén)中，晶體管完全在“截止”區(qū)域工作，或者完全在飽和區(qū)域工作，晶體管作為開(kāi)關(guān)類(lèi)型工作。

發(fā)射極耦合數(shù)字邏輯門(mén)

發(fā)射極耦合邏輯或 ECL 是另一種使用雙極晶體管邏輯的數(shù)字邏輯門(mén)，晶體管不在飽和區(qū)工作，因?yàn)樗鼈兣c標(biāo)準(zhǔn)的TTL數(shù)字邏輯門(mén)。相反，輸入和輸出電路是推挽式連接晶體管，電源電壓相對(duì)于地為負(fù)。

這樣可以提高發(fā)射極耦合邏輯門(mén)的工作速度，達(dá)到千兆赫茲范圍與標(biāo)準(zhǔn)TTL類(lèi)型相比，噪聲對(duì)ECL邏輯的影響更大，因?yàn)椴伙柡途w管在其有源區(qū)域內(nèi)工作并放大和切換信號(hào)。

集成電路的“74”子系列

考慮到傳播延遲，電流消耗，扇入和扇出要求等電路設(shè)計(jì)的改進(jìn)，這種類(lèi)型的TTL雙極晶體管技術(shù)構(gòu)成了前綴“74”系列數(shù)字邏輯IC的基礎(chǔ)，例如“7400”四路2輸入 AND 門(mén)，或“7402”四路2輸入或門(mén)等

74xx系列IC的子系列可用于制造門(mén)的不同技術(shù)，它們用74號(hào)和之間的字母表示。設(shè)備編號(hào)。有許多TTL子系列可提供各種開(kāi)關(guān)速度和功耗，例如74L00或74ALS00 AND gate，“L”代表“低功率TTL”，“ALS”代表“高級(jí)低功率肖特基TTL”，下面列出了這些。

?74xx或74Nxx：標(biāo)準(zhǔn)TTL - 這些器件是70年代早期推出的原始TTL系列邏輯門(mén)。它們具有大約10ns的傳播延遲和大約10mW的功耗。供電電壓范圍：4.75至5.25伏

?74Lxx：低功率TTL - 通過(guò)增加內(nèi)部電阻的數(shù)量，功耗比標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型提高，但代價(jià)是降低在切換速度。電源電壓范圍：4.75至5.25伏

?74Hxx：高速TTL - 通過(guò)減少內(nèi)部電阻數(shù)量來(lái)改善開(kāi)關(guān)速度。這也增加了功耗。電源電壓范圍：4.75至5.25伏

?74Sxx：肖特基TTL -Schottky技術(shù)用于改善輸入阻抗，開(kāi)關(guān)速度和功耗（2mW），與74Lxx和74Hxx類(lèi)型。電源電壓范圍：4.75至5.25伏

?74LSxx：低功率肖特基TTL - 與74Sxx類(lèi)型相同，但內(nèi)部電阻增加，以提高功耗。電源電壓范圍：4.75至5.25伏

?74ASxx：高級(jí)肖特基TTL - 改進(jìn)的設(shè)計(jì)超過(guò)74Sxx肖特基類(lèi)型，經(jīng)過(guò)優(yōu)化可提高開(kāi)關(guān)速度，但功耗約為22mW。電源電壓范圍：4.5至5.5伏

?74ALSxx：高級(jí)低功耗肖特基TTL - 與74LSxx類(lèi)型相比，功耗約為1mW，開(kāi)關(guān)速度更高，為4nS。電源電壓范圍：4.5至5.5伏

?74HCxx：高速CMOS -CMOS技術(shù)和晶體管，通過(guò)CMOS兼容輸入降低功耗小于1uA。供電電壓范圍：4.5至5.5伏

?74HCTxx：高速CMOS -CMOS技術(shù)和晶體管，可降低小于1uA的功耗，但傳播延遲增加約16nS到TTL兼容輸入。電源電壓范圍：4.5至5.5伏

基本CMOS數(shù)字邏輯門(mén)

TTL數(shù)字邏輯門(mén)系列的主要缺點(diǎn)之一是邏輯門(mén)基于在雙極晶體管邏輯技術(shù)和晶體管是電流操作器件時(shí)，它們從固定的+5伏電源消耗大量電能。

此外，TTL雙極晶體管門(mén)在切換時(shí)的工作速度有限“OFF”狀態(tài)為“ON”狀態(tài)，反之亦然，稱(chēng)為“門(mén)”或“傳播延遲”。為了克服這些限制，互補(bǔ)MOS稱(chēng)為“CMOS”（C> > > > > > 這些門(mén)使用“場(chǎng)效應(yīng)晶體管”或FET開(kāi)發(fā)。

由于這些門(mén)同時(shí)使用P溝道和N溝道MOSFET作為輸入器件，在沒(méi)有開(kāi)關(guān)的靜態(tài)條件下，CMOS門(mén)的功耗幾乎為零（1至2μA），非常適合用于低功耗電池電路，開(kāi)關(guān)速度高達(dá)100MHz，適用于高頻定時(shí)和計(jì)算機(jī)電路。

2輸入與非門(mén)

此CMOS門(mén)示例包含三個(gè)N溝道MOSFET，每個(gè)輸入FET一個(gè) 1 和FET 2 ，一個(gè)用于輸出FET 3 。當(dāng)輸入 A 和 B 都處于邏輯電平“0”時(shí)，F(xiàn)ET 1 和FET 2 都是切換為“OFF”，從FET 3 的源提供輸出邏輯“1”。

當(dāng)一個(gè)或兩個(gè)輸入處于邏輯電平“1”時(shí)，電流流過(guò)相應(yīng)的FET在 Q 處提供相當(dāng)于邏輯“0”的輸出狀態(tài)，從而產(chǎn)生 NAND 門(mén)功能。

電路設(shè)計(jì)的改進(jìn)方面開(kāi)關(guān)速度，低功耗和改進(jìn)的傳播延遲導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)CMOS 4000“CD”系列邏輯IC正在開(kāi)發(fā)中，以補(bǔ)充TTL范圍。

與標(biāo)準(zhǔn)TTL數(shù)字邏輯門(mén)一樣，所有CMOS封裝中提供主要的數(shù)字邏輯門(mén)和器件，如CD4011，四路2輸入 NAND 門(mén)，或CD4001，四路2輸入 NOR 門(mén)及其所有子系列。

與TTL邏輯一樣，互補(bǔ)MOS（CMOS）電路利用了N溝道和P溝道器件可以在同一襯底材料上一起制造以形成各種邏輯功能的事實(shí)。

其中一個(gè)主要缺點(diǎn)是與同等TTL類(lèi)型相比，CMOS系列IC容易被靜電損壞。與TTL邏輯門(mén)不同，它們的輸入和輸出電平均采用+ 5V單電壓工作，CMOS數(shù)字邏輯門(mén)工作在+3至+18V的單電源電壓下。

通用CMOS子電路系列產(chǎn)品包括：

?4000B系列：標(biāo)準(zhǔn)CMOS - 這些器件是70年代初推出的原始緩沖CMOS系列邏輯門(mén)，運(yùn)行電源電壓為3.0至18V dc

?74C系列：5v CMOS - 這些器件與標(biāo)準(zhǔn)5v TTL器件引腳兼容，因?yàn)樗鼈兊倪壿嬮_(kāi)關(guān)采用CMOS實(shí)現(xiàn)，但與TTL兼容的輸入。它們的工作電壓為3.0至18V dc

請(qǐng)注意，CMOS邏輯門(mén)和器件對(duì)靜電非常敏感，因此請(qǐng)務(wù)必采取適當(dāng)?shù)姆漓o電墊或接地工作臺(tái)的預(yù)防措施，防靜電腕帶，除非需要，否則不要從防靜電包裝中取出部件。

在下一個(gè)關(guān)于數(shù)字邏輯門(mén)的教程中，我們將看到數(shù)字邏輯與門(mén)功能，如下所用TTL和CMOS邏輯電路以及布爾代數(shù)定義和真值表。