门电路详细解说与用途介绍 - 全文

　　门电路简介

　　用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路称为门电路。常用的门电路在逻辑功能上有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等几种。

　　集成电路原理

　　目前实际应用的门电路都是集成电路。在集成电路设计过程中，将复杂的逻辑函数转换为具体的数字电路时，不管是手工设计还是EDA工具自动设计，通常要用到七种基本逻辑（与、或、非、与非、或非、同或、异或）的图形表示，在电路术语中这些逻辑操作符号被称作门，对应的具体电路就叫做门电路，包括某个基本逻辑或者多个基本逻辑组合的复杂逻辑。

　　比如实现取反功能的反相器，就叫做非门；实现“先与后反”功能的就是与非门，如下图所示。与非门由两个N管和两个P管组成：P管并联，一端接电源；N管串联，一端接地。根据CMOS结构互补的思想，每个N管都会和一个P管组成一对，它们的栅极连在一起，作为与非门的输入；输出则在“串-并”结构的中间。当输入端A、B中只要有一个为0时，下面接地的通路断开，而上面接电源的通路导通，就输出高电平1；而只有A、B同时为1时，才会使接地的两个串联NMOS管都导通，从而输出低电平0。而这正是与非门的逻辑：只有两个输入都为1时，输出为0；否则结果为1。

　　上述7种基本逻辑对应的门即为：与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门、同或门。另外还有一个常用的基本门电路叫传输门，可以模拟“开关”的动作，当然也是由MOS-FET组成的，利用了其栅电压控制MOS管导通的原理；当CP为1，A的数据可以传到B端，当CP为0时，其内部晶体管截止，可以把电路中的通路临时关断。它们的逻辑符号如右图所示。

　　门电路几乎可以组成数字电路里面任何一种复杂的功能电路，包括类似于加法、乘法的运算电路，或者寄存器等具有存储功能的电路，以及各种自由的控制逻辑电路，都是由基本的门电路组合而成的。

　　门电路结构类型

　　门电路输出端的电路结构有三种型式：有源负载推拉式（或互补式）输出、集电极（或漏极）开路输出和三态输出。

　　推拉式输出的门电路一般用于完成逻辑运算。集电极开路的门电路（OC门）在实现一定逻辑功能的同时，还能实现电平变换或驱动较高电压、较大电流的负载：可以把两个门的输出端直接并联，实现逻辑与的功能（称“线与”联接）。三态输出门广泛应用于和系统总线的联接以及实现信号双向传输等方面。

　　逻辑门电路原理图

　　N个输入端必须有n个NMOS管串（并）联、n个PMOS管并（串）联。当输入端的数目越多，则串联的管子也越多。

　　若串联的管子全部导通时，其总的导通电阻会增加，以致影响输出电平（与非门的低电平升高；或非门的高电平降低）CMOS逻辑门电路的输入端不宜过多。并且在输入输出端增加缓冲电路（CMOS反相器），规范电路输入和输出逻辑电平。

　　布式二极管：可以通过较大的电流，使输入引脚上的静电荷得以释放，从而保护了MOS管的栅极绝缘层二极管的反向击穿电压约为30V，小于栅极SiO2层的击穿电压输入电压在正常范围（0≦vI≦VDD），保护电路不起作用。

　　电路在使用前，输入端使悬空的，只要外界有很小的静电路，都会在输入端积累电荷而将栅极击穿逻辑门电路输出端也接入静电保护二极管，确保输出不超出正常的工作范围。

　　门电路的用途

　　门电路是一种具有多个输入端和一个输出端的开关电路，当输入信号之间满足某一特定关系时，门电路才有信号输出，否则无信号输出，如图12-21所示。门电路的控制信号的通过与通不过，这好像是在满足一定的条件时才会打开的门一样，故称门电路。

　　最基本的门电路有与门、或门和非门三种，利用各种门电路进行一定的组合，可以实现对各种信号的逻辑控制。

　　门电路的作用

　　凡是对脉冲通路上的脉冲起着开关作用的电子线路就叫做门电路，是基本的逻辑电路。门电路可以有一个或多个输入端，但只有一个输出端。门电路的各输入端所加的脉冲信号只有满足一定的条件时，“门”才打开，即才有脉冲信号输出。从逻辑学上讲，输入端满足一定的条件是“原因”，有信号输出是“结果”，门电路的作用是实现某种因果关系──逻辑关系。所以门电路是一种逻辑电路。基本的逻辑关系有三种：与逻辑、或逻辑、非逻辑。与此相对应，基本的门电路有与门、或门、非门。