逻辑门概论

在本教程中,我们将简要介绍Logic Gates。我们将看到TTL电路中不同的逻辑电平,CMOS电路,一些简单的逻辑门,如OR, NOT, NAND, AND等。

逻辑门概论

逻辑门是数字电子学的核心。门是一种电子装置,用来计算一个二值信号的函数。逻辑门是数字电路的基本组成部分。

基本上,所有逻辑门都有一个输出和两个输入。一些逻辑门,如非门或逆变器只有一个输入和一个输出。逻辑门的输入被设计为通过接收电压输入只接收二进制数据(只有低0或高1)。

低逻辑电平代表零伏,高逻辑电平代表3或5伏正电源电压。

我们可以连接任意数量的逻辑门来设计所需的数字电路。在实际应用中,我们在集成电路中实现了大量的逻辑门,从而节省了大量逻辑门所占用的物理空间。我们也可以使用集成电路(IC)在高速下执行复杂的操作。

通过组合逻辑门,我们可以设计许多特定的电路,如触发器、锁存器、多路复用器、移位寄存器等。

数字逻辑水平

逻辑电平定义为信号的特定状态或电压。我们知道0和1是逻辑门的两种状态。逻辑级别0和1分别被称为LOW和HIGH。在数字电子学中,这些二进制逻辑层在数据存储、数据传输中起着至关重要的作用。

通常这些逻辑级别可以理解为ON和OFF状态。正如我们前面所说的,逻辑电平是由电源电压引入到逻辑门的。如果逻辑门的电源电压为0伏,则为低逻辑电平或OFF状态。

类似地,如果逻辑门的电源电压为5伏或3.3伏(现代ic),它指的是高逻辑电平或ON状态。制造商在设计集成电路时将遵循TTL或晶体管-晶体管逻辑作为标准电压水平。

什么是主动高和主动低?

我们可以在集成电路和微控制器中看到有源高输入和有源低输入引脚。你知道他们真正的意思吗?他们只是向我们描述了pin是如何被激活的。

这意味着有源低引脚必须连接到低逻辑电平或地。同样,有源高引脚必须连接到高逻辑电平或5伏或3.3伏。

让我们用一种简单的方式来理解这个问题。当我们看到移位寄存器IC中的使能引脚CE,在它上没有任何线(条),我们将其连接到有源低输入即0伏地。否则,如果我们看到使能引脚上的线为(CE)̅,我们将其连接到有源高输入,即3.3或5伏电源,以使引脚。

TTL逻辑水平

TTL逻辑级是大多数逻辑器件的标准逻辑级。TTL表示晶体管-晶体管逻辑。晶体管是电子控制的开关。逻辑族的电压等级是

VOH -用于高信号的最小输出电压水平

卷- max。输出电压电平为低信号

VIH:对于高信号器件所考虑的最小输入电压水平

维尔- max。器件的输入电压水平被认为是低信号

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如果我们观察TTL逻辑电平,我们可以观察到输出的最低高电压电平是2.7伏。这意味着,当设备驱动高电压时,电压应至少为2.7伏。

类似地,输入的最小高电压电平是2伏。所以大于2伏的电压被认为是逻辑1,对TTL设备。0.8伏到2伏之间的电压称为噪声裕度。

同样,输出的最大LOW电压电平是0.4伏。这意味着,当器件驱动高电压时,电压应小于0.4伏。同样,输入的最大低压电平是0.8伏。

所以小于0伏的电压被认为是逻辑0,对TTL设备来说。所以当逻辑器件的电压在0.8 V到2v之间时,器件的逻辑电平会在高电平和低电平之间变化。这种情况被称为“浮动”。

TTL器件输入输出公差的另一种方法是

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CMOS逻辑水平

CMOS逻辑器件也被称为3.3伏器件,因为CMOS器件的最大电压水平为3.3 V。这是一项先进的技术,将运行设备在低电源(3.3 V而不是5 V)。

3.

我们通常使用5V器件(TTL兼容)来设计逻辑门,所以这些CMOS器件被用来与TTL器件接口。CMOS设备可以与任何TTL设备接口,它们不需要任何额外的组件。

例如,CMOS器件的高逻辑电平(1)的最小值是2.4 V。所以这个器件可以用TTL器件来解释,TTL器件的最小输入电压(V IH)为2 V。

但是,在将TTL连接到CMOS设备(3.3 V和5 V)之前,我们需要检查3.3 V设备是否允许5 V。因为当我们提供高于3.6 V的电压时,许多会永久地导致芯片损坏。我们可以使用分压电路或逻辑电平移位器来控制5v电压信号。

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噪声容限

逻辑电平的噪声裕度定义为逻辑门的高输入的最大低电压(VIL max)和低输入的最大电压(VIL min)之间的电压差。噪声裕度也被定义为电压信号超过准确的高或准确的低阈值水平的量。

让我们通过一个例子来清楚地理解这一点。当逻辑电路在0伏和1.2伏之间变化时,任何低于0.2伏的电压都被认为是LOW,即0伏。任何高于1伏的电压都被认为是HIGH,即1。

CMOS逻辑器件比TTL逻辑器件具有更高的噪声水平或噪声裕度,因为其高逻辑的最小输出电压(VOH min)更接近电源电压,而低逻辑的最大输出电压(VOL max)接近0。所以噪声电平是逻辑电路所能承受的最大噪声量。

如果我们施加一个噪声水平一定的电压,我们并不一定知道电路是否会作出反应。噪声电平是不必要的电压电平,由外部干扰如电源电压波动和电路中的其他导体引起。

电路所能容忍的噪声水平称为“噪声抗扰度”或“噪声裕度”。对于TTL器件,输出电压的容限范围大于输入电压的容限范围。

简单二极管逻辑门

二极管可以起到开关的作用,因此它们被用于数字逻辑操作和开关。对于低和高阻抗状态,二极管将工作在正向偏置和反向偏置。

二极管将只在一个方向传导(正向偏置),它保持关闭在反向偏置条件。所以它就像一个开关。现在让我们看一些简单的二极管逻辑门,它是由只用二极管和电阻构建的。

或门

由两个二极管设计的简单OR门如下图所示。两个二极管给这个电路输入。在这里,逻辑高(1)用+5伏表示,逻辑低(0)用0伏或地表示。

在下面的电路中,两个输入没有连接,所以输出为0,即逻辑低。

如果任何两个输入连接到+5伏,那么二极管成为正偏,它将导通。因此输出逻辑高即1。

如果两个输入端(两个二极管)都连接+ 5v电压,将处于正向偏置状态,这使得OR电路的输出设置为HIGH逻辑。

OR门的作用在数学上给出Z = X + Y,其中Z是OR门的输出,X, Y是输入。逻辑或门的真值表、逻辑图和电路图如下所示。

45或

和门

由两个二极管设计的简单的AND门如下图所示。在这个电路中,驱动电压V通过电阻r连接到两个并联的二极管上,两个二极管给这个电路输入。

在这里,逻辑高(1)用+5伏表示,逻辑低(0)用0伏或地表示。

在下面的电路中,两个输入没有连接,所以输出也是0,即逻辑低。

如果两个输入中的任何一个连接到+0伏,那么二极管成为反向偏置,它将不导通,使输出为低逻辑即0。

如果两个输入端(两个二极管)都连接+ 5v电压,两个二极管都处于正向偏置状态,使得AND电路的输出设置为HIGH逻辑。

与门的作用在数学上给出Z = x.y,其中Z是与门的输出,X, Y是输入。逻辑与门的真值表、逻辑图和电路图如下所示。

67和

逻辑电路逻辑符号真值表

晶体管逻辑门

像二极管一样,晶体管也起着半导体的作用电子开关。我们也可以用晶体管来设计逻辑门。让我们来看看晶体管制造的逻辑门。

非门

非门通常被称为逆变器。它产生与给定输入完全相反的输出。它只有一个输入和一个输出。非门的输出总是其输入的补码。当低输入信号连接到非门的输入,那么输出将是高(逻辑1)。

类似地,如果高输入信号连接到输入,那么输出将是LOW(逻辑0)。NOT操作用' - '条形符号表示。如果非门的输入为X,输出为Z,那么非门的操作为Z =X̅,表示为X bar。

不不

用晶体管设计的非门如下所示。输入端通过电阻给晶体管的基极。这个晶体管电路是由+5伏电压驱动的。

当输入连接到低电平信号0v,那么晶体管将反向偏置。所以没有电流流过它,所以它一直处于关着状态。由于没有电流流过晶体管,在电阻上也不会有压降。因此输出将对应+5伏,使输出逻辑高。

但如果+ 5v连接到输入,输出电压将变成0。晶体管设计的非门如下所示。

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利用晶体管还可以设计另外两个门,它们是与非门和与非门。这些门被称为“宇宙之门”。

与非门

与非门有能力执行3种操作,如与、或和非。这个门是NOT和AND门的组合。与与门的输出等于与门的倒数。

与非门有两个输入X和Y,和一个输出z。输入被应用到连接到晶体管的二极管上。与非门电路由+5伏驱动。

当两个输入端都连接到5v电压电源时,二极管D1和D2都处于OFF状态。然后晶体管Q1能够从电源电压通过电阻驱动。因此晶体管处于ON状态,输出电压Vce (Sat)变为0。

同样,当低电平电压应用到输入即0v,晶体管将是OFF和输出电压成为+ 5v。数学上与非门表示为Z =(X.Y)̅。

因此,只有当两个输入都是高的时候,与非门的输出才会变低。对于任何其他输入组合,它都变成HIGH。与非门的真值表、逻辑符号和晶体管电路图如下所示。

1011与非

或非门

NOR门是NOT gate和OR gate的组合。NOR门的输出等于OR门的倒数。NOR门有两个输入X和Y,一个输出Z。

设计的NOR门晶体管有两个n-p-n晶体管,在它的电压供应或+5伏。

当NOR门的输入都连接到0伏,那么晶体管Q1和Q2处于OFF状态。所以没有电流流过电阻,电阻上也没有压降。然后输出电压等于电源电压+5伏,即高逻辑电平。

如果任何一个输入连接到+ 5v,那么晶体管将是ON状态。所以电压降会很高。所以电路的输出电压将是0v,即等于地电压。

数学上的NOR门表示为Z =(X+Y)̅。

因此,只有当两个输入都很低时,与非门的输出才会变高。对于任何其他输入组合,它都变成LOW。NOR门的真值表、逻辑符号和晶体管电路图如下所示。

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也不

74系列逻辑IC

7400系列集成电路是在20世纪60年代前后引入的。虽然许多其他的逻辑门集成电路正在使用中,7400 TTL家族集成电路由于其简单的编号方案和标准而成为最受欢迎的。以下是部分规格和主要特性。

逻辑集成电路

74系列芯片采用双极晶体管技术制作而成,故称为TTL家族芯片。TTL是指晶体管-晶体管逻辑。7400集成电路将工作在+5伏电源,这成为逻辑电路的标准电压水平多年,直到CMOS技术的发展。

这些是广泛应用于逻辑电路设计的IC系列。在7400系列芯片之前,我们有TTL系列芯片。摩托罗拉公司推出了一个名为mtttl的逻辑家族,意思是摩托罗拉晶体管-晶体管逻辑。

其他研究人员和制造商,如Signetics, Fairchild和国家半导体也推出了一些其他系列的ic。

有几个IC家族编号为74xx00。xx处的字母表示IC型号和规格。IC系列有74LS00、74HC00、74HCT00等不同型号。让我们看看每个IC系列的规格和用途。

74 ls系列

这是使用TTL电路的低功耗肖特基系列。它们的运行速度很快,但是比其他逻辑家族消耗更多的能量。

74 hc系列

该系列是高速CMOS家族。这些集成电路结合了4000系列的低功耗特性和74LS系列的速度。

74 hct系列

这是74HC家族非常特殊的版本。它有74LS TTL兼容输入。可方便地与74LS系列接口。使用74HCT系列作为74LS系列的替代品,因为它们的功耗要求低。

74HCT系列的缺点是它们对噪声的免疫力较差,即它们的噪声容忍度较低。

74HC系列和74HCT系列的CMOS电路由于静态灵敏度高而被广泛应用。这意味着如果我们在充电时碰触IC的任何引脚,就会损坏IC。

TTL和CMOS家族芯片的前缀列在下面。

集成电路

下面给出了一些用于逻辑门设计的最常用的集成电路

四2-input盖茨
  • 四路2输入与非门
  • 四路2输入非门,开路集电极输出
  • 四路2输入NOR门
  • 带集电极开路输出的四路2输入与非门
  • 四路2输入和门
  • 带集电极开路输出的四路2输入和门
  • 四路2输入或门
  • 带有Schmitt触发输入的四路2输入与非门
  • 四路2输入NOR门
  • 4路2输入非门,OC (15V)
  • 带OC (15V)的四路2输入与非门
  • 四路2输入NOR门,开路集电极输出
  • 四路2输入NOR门,开路集电极输出
  • 四路2输入与非门,集电极开路输出
三重3-input盖茨
  • 74 LS 10 -三重3输入NAND
  • 74 LS 11 -三重3输入和
  • 74ls12 -三重3-输入NAND与开路集电极输出
  • 74ls27 -三重3输入NOR
  • 三重3-输入和门,开路集电极输出
双重4-input盖茨
  • 74LS13 -双4输入NAND施密特触发器
  • 74l20 -双4输入NAND
  • 74ls 21 -双4输入和,开路集电极输出
  • 双4输入非门,开路集电极输出
  • 双4输入与非门
  • 8输入与非门
十六进制不是盖茨
  • 74 LS 04 -十六进制非
  • 74ls05 -十六进制不带集电极开路输出
  • 74ls14十六进制,不带施密特触发器输入
  • NAND触发,图腾柱输出
  • 74LS23 - 2x四个输入NOR带频闪
  • 74LS25 - 2x四个输入NOR带频闪
  • 8输入与非门
  • 74LS39 - 4x双输入NAND,开路采集器

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