第3章 门电路

门电路是数字电路的基本逻辑单元。构成门电路的基本元件是晶体二极管、三极管和MOS管。本章首先介绍晶体管的开关特性，然后重点讨论目前广泛使用的TTL集成门电路和CMOS集成门电路。对于每一种门电路，除了介绍其电路结构、工作原理和逻辑功能外，还着重讨论它们的电气特性，为实际使用这些器件打下基础。

3.1 概述

在数字电路中，“门”是能实现某种逻辑关系的电路。最基本的逻辑关系有与、或、非三种，因此最基本的逻辑门是与门、或门和非门。此外还有实现复合运算的与非门、或非门、与或非门、异或门等。

逻辑门可以用电阻、电容、二极管、三极管等分立元件构成，称为分立元件门。如果把构成门电路的基本元件制作在一小片半导体芯片上，则构成集成门。除了门电路可以集成外，以门电路为基础的数字电路都可以集成，形成数字集成电路（Integrated Circuit，简称IC）系统。集成电路按单位芯片面积上集成门电路的个数（即集成度）分为小规模集成电路（Small Scale Integration，简称SSI）、中规模集成电路（Medium Scale Integration，简称MSI）、大规模集成电路（Large Scale Integration，简称LSI）和超大规模集成电路（Very Large Scale Integration，简称VLSI）。SSI以单个逻辑门为单位进行集成封装，门电路的个数一般不超过10个。目前使用的单门、多门、触发器等型号的产品，都属于SSI的范围。MSI通常是将一些标准的逻辑部件如计数器、比较器、寄存器等集成在一块芯片中，这些部件一般包含10个至100个门电路的全部元件和连线。LSI和VLSI没有本质区别，只是集成度不同。它们可以把一些标准的接口以至微处理器等集成在一块芯片中，LSI一般可包含100个至1000个门电路的全部元件和连线，而VLSI可包含1000个以上门电路的全部元件和连线。随着微电子技术的发展，单片集成电路包含的晶体管个数越来越多，因此也采用单片集成电路中包含的晶体管的个数来衡量集成度的大小，目前集成电路的集成度可达到几亿至数十亿只晶体管/片。

从制造工艺来看，数字集成电路又分为双极型集成电路和单极型集成电路。双极型集成电路中的基本开关元件是晶体三极管。在晶体三极管中，自由电子和空穴两种载流子都参与导电，所以称为双极型材料。双极型集成电路包括TTL、ECL、HTL和I2L等类型。单极型集成电路中的基本开关元件是MOS晶体管。在MOS晶体管中，只有一种载流子（自由电子或空穴）参与导电，所以称为单极型材料。单极型集成电路包括PMOS、NMOS和CMOS等类型。从目前情况看，双极型集成电路的速度高而集成度低，单极型集成电路的集成度高而速度低，但两者都向着高速、高集成度和低功耗的方向发展。