邏輯門主要使用二極管或晶體管作為電子開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，但也可以使用真空管、電磁繼電器(繼電器邏輯)、流體邏輯、氣動邏輯、光學(xué)、分子甚至機(jī)械元件來構(gòu)建。通過放大，邏輯門可以以與組合布爾函數(shù)相同的方式級聯(lián)，允許構(gòu)建所有布爾邏輯的物理模型。邏輯器件包括多路復(fù)用器、寄存器、算術(shù)邏輯單元(ALU) 和計(jì)算機(jī)存儲器等設(shè)備，一直到完整的微處理器，其中可能包含超過1億個(gè)門。在現(xiàn)代實(shí)踐中，大多數(shù)柵極由MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)制成。
1.邏輯門的概念
1.1基本單元
邏輯門(LogicGates)是在集成電路(IntegratedCircuit)上的基本組件。簡單的邏輯門可由晶體管組成。這些晶體管的組合可以使代表兩種信號的高低電平在通過它們之后產(chǎn)生高電平或者低電平的信號。高、低電平可以分別代表邏輯上的“真”與“假”或二進(jìn)制當(dāng)中的1和0，從而實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算。邏輯門又稱“數(shù)字邏輯電路基本單元”。執(zhí)行“或”、“與”、“非”、“或非”、“與非”等邏輯運(yùn)算的電路。任何復(fù)雜的邏輯電路都可由這些邏輯門組成。廣泛用于計(jì)算機(jī)、通信、控制和數(shù)字化儀表。
1.2作用
通過控制高、低電平(分別代表邏輯上的“真”與“假”或二進(jìn)制當(dāng)中的“1”和“0”)，從而實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算。
2.邏輯門的種類
常見的邏輯門包括“與”門，“或”門，“非”門，“異或”(也稱：互斥或)等等。邏輯門可以組合使用實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的邏輯運(yùn)算。
2.1或門
或門(英文：Or gate)又稱或電路。如果幾個(gè)條件中，只要有一個(gè)條件得到滿足，某事件就會發(fā)生，這種關(guān)系叫做“或”邏輯關(guān)系。具有“或”邏輯關(guān)系的電路叫做或門。或門有多個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端，多輸入或門可由多個(gè)2輸入或門構(gòu)成。只要輸入中有一個(gè)為高電平時(shí)(邏輯1)，輸出就為高電平(邏輯1);只有當(dāng)所有的輸入全為低電平時(shí)，輸出才為低電平。
“或”門可以有兩個(gè)或者兩個(gè)以上輸入端和一個(gè)輸出端。由二極管構(gòu)成的兩輸入“或”門電路如圖1（a）所示，與其對應(yīng)的邏輯符號如圖1（b）所示。
圖1二極管或門電路及或門邏輯符號
圖1（a）中，A、B為輸入端，F(xiàn)為輸出端。該電路根據(jù)輸入信號取值的不同，同樣可分為如下兩種工作情況。
①當(dāng)兩個(gè)輸入端電壓VA、VB均為低電平0V時(shí)，二極管D1、D2均截止，輸出端電壓VF＝0V。
②當(dāng)兩個(gè)輸入端電壓VA、VB均為+5V，或者其中的一個(gè)+5V時(shí)，輸入為+5V的二極管將處于導(dǎo)通狀態(tài)，從而使得輸出端F的電壓為高電平，即VF≈+5V。
顯然，該電路實(shí)現(xiàn)“或”運(yùn)算的邏輯功能，輸出F和輸入A、B之間的邏輯關(guān)系表達(dá)式為F=A+B。
2.2與門
與門(英語：AND gate)又稱“與電路”。是執(zhí)行“與”運(yùn)算的基本邏輯門電路。有多個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端。當(dāng)所有的輸入同時(shí)為高電平(邏輯1)時(shí)，輸出才為高電平，否則輸出為低電平(邏輯0)。
“與”門有兩個(gè)以上輸入端和一個(gè)輸出端。圖2（a）給出了由二極管組成的兩輸入“與”門電路，與其對應(yīng)的邏輯符號如圖2（b）所示。圖2（a）中，A、B為輸入端，F(xiàn)為輸出端。該電路根據(jù)輸入信號取值的不同，同樣可分為如下兩種工作情況。
圖2 二極管與門電路及與門邏輯符號
①當(dāng)兩個(gè)輸入端電壓VA、VB均為低電平0V時(shí)，二極管D1、D2均截止，輸出端電壓VF＝0V。
②當(dāng)兩個(gè)輸入端電壓VA、VB均為+5V，或者其中的一個(gè)+5V時(shí)，輸入為+5V的二極管將處于導(dǎo)通狀態(tài)，從而使得輸出端F的電壓為高電平，即VF≈+5V。
顯然，該電路實(shí)現(xiàn)“或”運(yùn)算的邏輯功能，輸出F和輸入A、B之間的邏輯關(guān)系表達(dá)式為F=A+B。
2.3非門
非門(英文：NOT gate)又稱反相器，是邏輯電路的基本單元，非門有一個(gè)輸入和一個(gè)輸出端。邏輯符號中輸出端的圓圈代表反相的意思。當(dāng)其輸入端為高電平(邏輯1)時(shí)輸出端為低電平(邏輯0)，當(dāng)其輸入端為低電平時(shí)輸出端為高電平。也就是說，輸入端和輸出端的電平狀態(tài)總是反相的。
2.4與非門
由與門與非門組合而成。
2.5或非門
由或門和非門組合而成。其中，非門和或非門在數(shù)字電路中較為常見。
3.邏輯門符號表
圖3 邏輯門符號圖
4.邏輯門的電路符號圖
把基本邏輯運(yùn)算的電子電路稱之為邏輯門電路。在數(shù)字電路關(guān)系應(yīng)用中，邏輯門電路中的門代表著基本邏輯關(guān)系的電路。通過對邏輯門內(nèi)部電路的源器件的差異，我們可以將其分為三大類，比較常用的就是CMOS的邏輯門電路。這種CMOS邏輯門電路具備良好的應(yīng)用效益，首先其功耗比較低，具備較低的應(yīng)用成本，其電源電壓的范圍比較寬，邏輯度比較高，具備較強(qiáng)的抗干擾能力，其輸入阻抗比較高。MOS門電路是由一系列的單極型MOS管構(gòu)成，其具備比較簡單的制造工藝，其功耗水平比較低，具備較高的集成度，其抗干擾能力強(qiáng)，比較適合進(jìn)行大規(guī)模集成電路的應(yīng)用。
在實(shí)踐過程中，MOS門電路按照其MOS管的應(yīng)用不同，進(jìn)行不同類型的劃分。CMOS電路的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)比較特殊，其靜態(tài)功耗比較低，抗干擾能力強(qiáng)，工作具備較高的穩(wěn)定性，其開關(guān)速度也是比較高的，因此其應(yīng)用性比較廣泛。在數(shù)字電路應(yīng)用中，邏輯門電路是一種基本的邏輯元件。邏輯門的中就是一種開關(guān)，在一定條件的建立下，其決定信號的通過或者不通過。在實(shí)際運(yùn)作中，我們可以看到門電路輸入及其輸出存在密切的因果關(guān)系，我們把門電路稱之為邏輯門電路，其基本邏輯關(guān)系是非、或、與關(guān)系。
圖4 邏輯門電路符號圖
5.邏輯門的常見問題
5.1邏輯門的作用是什么?
邏輯門用于做出決策，以便在應(yīng)用正確的邏輯序列時(shí)“打開”電氣輸出。每個(gè)邏輯門都有一個(gè)名稱，有助于描述不同的輸入將如何確定可能的輸出。
5.2誰發(fā)明了邏輯門?
巧合電路的發(fā)明者WaltherBothe因1924年第一個(gè)現(xiàn)代電子與門獲得了1954年諾貝爾物理學(xué)獎。KonradZuse為他的計(jì)算機(jī)Z1(1935年至1938年)設(shè)計(jì)并制造了機(jī)電邏輯門。
5.3AND門如何工作?
AND門是一個(gè)基本的數(shù)字邏輯門，它實(shí)現(xiàn)了數(shù)學(xué)邏輯中的邏輯與(∧)——它根據(jù)真值表運(yùn)行。只有當(dāng)與門的所有輸入都是高電平(1)時(shí)，才會產(chǎn)生高電平輸出(1)。如果與門的所有輸入都沒有或不是全部為高電平，則結(jié)果為低電平輸出。
5.4共有多少個(gè)邏輯門?
共有七個(gè)基本邏輯門：AND、OR、XOR、NOT、NAND、NOR和XNOR。AND門之所以如此命名是因?yàn)槿绻?被稱為“假”而1被稱為“真”，則該門的作用與邏輯“與”運(yùn)算符相同。
5.5與非門如何工作?
在數(shù)字電子學(xué)中，與非門(NOT-AND)是一個(gè)邏輯門，它產(chǎn)生的輸出只有在所有輸入都為真時(shí)才為假，因此它的輸出是對與門的輸出的補(bǔ)充。只有當(dāng)門的所有輸入都是高(1)時(shí)，才會產(chǎn)生低(0)輸出，如果任何輸入為LOW(0)，則結(jié)果為HIGH(1)輸出。
5.6什么是計(jì)算機(jī)科學(xué)中的邏輯門?
邏輯門是一系列連接在一起以提供一個(gè)或多個(gè)輸出的晶體管，每個(gè)輸出都基于提供給它的輸入或輸入組合。
結(jié)語
以上就是邏輯門種類及電路圖的介紹了，自1990年代以來，大多數(shù)邏輯門采用CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)技術(shù)制造，該技術(shù)同時(shí)使用NMOS和PMOS晶體管。通常數(shù)以百萬計(jì)的邏輯門被封裝在一個(gè)集成電路中。
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