逻辑门电路

实现基本和常用逻辑运算的电子电路，叫逻辑门电路。 在数字电路中，所谓“门”就是只能是先基本逻辑关系的电路。

逻辑门电路

最基本的逻辑关系是与、或、非，最基本的逻辑门是与门、或门、和非门。
实现“与”运算的叫 与门，实现“或”运算的叫 或门，实现“非”运算的叫非门，也叫做反相器，等等。
逻辑门是在集成电路（也称：集成电路）上的基本组件。 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。
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。逻辑门电路按其内部有源器件的不同可以分为三大类。第一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。

1、TTL全称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。

逻辑门电路

2、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沟道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。

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，它工作速度最高，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。

逻辑门电路

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永久损坏。TTL电路为7V；4000系列CMOS电路为18V。

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。

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、工作及运输环境问题：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。

由单极型MOS管构成的门电路称为Mos门电路。MOS电路具有制造工艺简单、功耗低、集成度高、电源电压使用范围宽、抗干扰能力强等优点，特别适用于大规模集成电路。MOS门电路按所用MOS管的不同可分为三种类型：第一种是由PMOS管构成的PMOS门电路，其工作速度较低；第二种是由NMOS管构成的NMOS门电路，工作速度比PMOS电路要高，但比不上TTL电路；第三种是由PMOS管和NMOS管两种管子共同组成的互补型电路，称为CMOS电路，CMOS电路的优点突出，其静态功耗极低，抗干扰能力强，工作稳定可靠且开关速度也大大高于NMOS和PMOS电路，故得到了广泛应用。

1、开启电压VT
·开启电压（又称阈值电压）：使得源极S和漏极D之间开始形成导电沟道所需的栅极电压；
·标准的N沟道MOS管，VT约为3～6V；
·通过工艺上的改进，可以使MOS管的VT值降到2～3V。
2、直流输入电阻RGS
·即在栅源极之间加的电压与栅极电流之比
·这一特性有时以流过栅极的栅流表示
·MOS管的RGS可以很容易地超过1010Ω。
3、漏源击穿电压BVDS
·在VGS=0（增强型）的条件下，在增加漏源电压过程中使ID开始剧增时的VDS称为漏源击穿电压BVDS
·ID剧增的原因有下列两个方面：（1）漏极附近耗尽层的雪崩击穿，（2）漏源极间的穿通击穿。
·有些MOS管中，其沟道长度较短，不断增加VDS会使漏区的耗尽层一直扩展到源区，使沟道长度为零，即产生漏源间的穿通，穿通后，源区中的多数载流子，将直接受耗尽层电场的吸引，到达漏区，产生大的ID4、栅源击穿电压BVGS
·在增加栅源电压过程中，使栅极电流IG由零开始剧增时的VGS，称为栅源击穿电压BVGS。
5、低频跨导gm
·在VDS为某一固定数值的条件下，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压微变量之比称为跨导
·gm反映了栅源电压对漏极电流的控制能力
·是表征MOS管放大能力的一个重要参数
·一般在十分之几至几mA/V的范围内
6、导通电阻RON
·导通电阻RON说明了VDS对ID的影响，是漏极特性某一点切线的斜率的倒数
·在饱和区，ID几乎不随VDS改变，RON的数值很大，一般在几十千欧到几百千欧之间
·由于在数字电路中，MOS管导通时经常工作在VDS=0的状态下，所以这时的导通电阻RON可用原点的RON来近似
·对一般的MOS管而言，RON的数值在几百欧以内
7、极间电容
·三个电极之间都存在着极间电容：栅源电容CGS、栅漏电容CGD和漏源电容CDS
·CGS和CGD约为1～3pF
·CDS约在0.1～1pF之间
8、低频噪声系数NF
·噪声是由管子内部载流子运动的不规则性所引起的
·由于它的存在，就使一个放大器即便在没有信号输人时，在输出端也出现不规则的电压或电流变化
·噪声性能的大小通常用噪声系数NF来表示，它的单位为分贝（dB）
·这个数值越小，代表管子所产生的噪声越小
·低频噪声系数是在低频范围内测出的噪声系数
·场效应管的噪声系数约为几个分贝，它比双极性三极管的要小 

CMOS逻辑门电路是在TTL电路问世之后，所开发出的第二种广泛应用的数字集成器件，从发展趋势来看，由于制造工艺的改进，CMOS电路的性能有可能超越TTL而成为占主导地位的逻辑器件。CMOS电路的工作速度可与TTL相比较，而它的功耗和抗干扰能力则远优于TTL。此外，几乎所有的超大规模存储器件，以及PLD器件都采用CMOS艺制造，且费用较低。早期生产的CMOS门电路为4000系列，随后发展为4000B系列。当前与TTL兼容的CMO器件如74HCT系列等可与TTL器件交换使用。MOSFET有P沟道和N沟道两种，每种中又有耗尽型和增强型两类。由N沟道和P沟道两种MOSFET组成的电路称为互补MOS或CMOS电路。CMOS反相器电路，由两只增强型MOSFET组成，其中一个为N沟道结构，另一个为P沟道结构。为了电路能正常工作，要求电源电压VDD大于两个管子的开启电压的绝对值之和，即VDD>(VTN+|VTP|)。

 1、与非门电路：包括两个串联的N沟道增强型MOS管和两个并联的P沟道增强型MOS管。每个输入端连到一个N沟道和一个P沟道MOS管的栅极。当输入端A、B中只要有一个为低电平时，就会使与它相连的NMOS管截止，与它相连的PMOS管导通，输出为高电平；仅当A、B全为高电平时，才会使两个串联的NMOS管都导通，使两个并联的PMOS管都截止，输出为低电平。因此，这种电路具有与非的逻辑功能，即n个输入端的与非门必须有n个NMOS管串联和n个PMOS管并联。
2.或非门电路：包括两个并联的N沟道增强型MOS管和两个串联的P沟道增强型MOS管。当输入端A、B中只要有一个为高电平时，就会使与它相连的NMOS管导通，与它相连的PMOS管截止，输出为低电平；仅当A、B全为低电平时，两个并联NMOS管都截止，两个串联的PMOS管都导通，输出为高电平。因此，这种电路具有或非的逻辑功能，其逻辑表达式为。显然，n个输入端的或非门必须有n个NMOS管并联和n个PMOS管并联。比较CMOS与非门和或非门可知，与非门的工作管是彼此串联的，其输出电压随管子个数的增加而增加；或非门则相反，工作管彼此并联，对输出电压不致有明显的影响。因而或非门用得较多。3、异或门电路：它由一级或非门和一级与或非门组成。或非门的输出。而与或非门的输出L即为输入A、B的异或如在异或门的后面增加一级反相器就构成异或非门，由于具有的功能，因而称为同或门。

MOSFET的输出特性在原点附近呈线性对称关系，因而它们常用作模拟开关。模拟开关广泛地用于取样——保持电路、斩波电路、模数和数模转换电路等。下面着重介绍CMOS传输门。所谓传输门（TG）就是一种传输模拟信号的模拟开关。CMOS传输门由一个P沟道和一个N沟道增强型MOSFET并联而成，如上图所示。TP和TN是结构对称的器件，它们的漏极和源极是可互换的。设它们的开启电压|VT|=2V且输入模拟信号的变化范围为-5V到+5V。为使衬底与漏源极之间的PN结任何时刻都不致正偏，故TP的衬底接+5V电压，而TN的衬底接-5V电压。两管的栅极由互补的信号电压（+5V和-5V）来控制，分别用C和表示。传输门的工作情况如下：当C端接低电压-5V时TN的栅压即为-5V，vI取-5V到+5V范围内的任意值时，TN均不导通。同时、TP的栅压为+5V，TP亦不导通。可见，当C端接低电压时，开关是断开的。为使开关接通，可将C端接高电压+5V。此时TN的栅压为+5V，vI在-5V到+3V的范围内，TN导通。同时TP的棚压为-5V，vI在-3V到+5V的范围内TP将导通。由上分析可知，当vI<-3V时，仅有TN导通，而当vI>+3V时，仅有TP导通当vI在-3V到+3V的范围内，TN和TP两管均导通。进一步分析还可看到，一管导通的程度愈深，另一管的导通程度则相应地减小。换句话说，当一管的导通电阻减小，则另一管的导通电阻就增加。由于两管系并联运行，可近似地认为开关的导通电阻近似为一常数。这是CMOS传输门的优点。在正常工作时，模拟开关的导通电阻值约为数百欧，当它与输入阻抗为兆欧级的运放串接时。可以忽略不计。CMOS传输门除了作为传输模拟信号的开关之外，也可作为各种逻辑电路的基本单元电路。

首先考虑两种极限情况：当vI处于逻辑0时，相应的电压近似为0V；而当vI处于逻辑1时，相应的电压近似为VDD。假设在两种情况下N沟道管TN为工作管P沟道管TP为负载管。但是，由于电路是互补对称的，这种假设可以是任意的，相反的情况亦将导致相同的结果。左图分析了当vI=VDD时的工作情况。在TN的输出特性iD—vDS（vGSN=VDD）(注意vDSN=vO)上，叠加一条负载线，它是负载管TP在vSGP=0V时的输出特性iD－vSD。由于vSGP

左图为CMOS反相器的传输特性图。图中VDD=10V，VTN=|VTP|=VT=2V。由于VDD>（VTN+|VTP|），因此，当VDD-|VTP|>vI>VTN时、TN和TP两管同时导通。考虑到电路是互补对称的，一器件可将另一器件视为它的漏极负载。还应注意到，器件在放大区（饱和区）呈现恒流特性，两器件之一可当作高阻值的负载。因此，在过渡区域，传输特性变化比较急剧。两管在VI=VDD/2处转换状态。

CMOS反相器在电容负载情况下，它的开通时间与关闭时间是相等的，这是因为电路具有互补对称的性质。下图表示当vI=0V时，TN截止，TP导通，由VDD通过TP向负载电容CL充电的情况。由于CMOS反相器中，两管的gm值均设计得较大，其导通电阻较小，充电回路的时间常数较小。类似地，亦可分析电容CL的放电过程。CMOS反相器的平均传输延迟时间约为10ns。