一、项目简介

  逻辑门是数字电路上的基本单元，能够实现各种逻辑关系。基本逻辑门分立元件电路采用MOS管搭建而成，实现验证与、或、非、与非、或非、同或和异或等逻辑运算。

二、原理解析

1.1 PMOS

      PMOS是指N型衬底（SUB）、P沟道，靠空穴的流动运送电流的MOS管。形成导通沟道需要负电荷吸引，低电平导通，高电平截止。

图1-1-1 PMOS符号与结构示意图

  使用PMOS控制时通常作为上管，放置在负载上方，常在PMOS上加一个上拉电阻，使PMOS栅极保持一个稳定的高电平初始状态，防止PMOS栅极电平受到外界干扰产生不确定状态，保证PMOS默认在关闭状态。当P0给低电平时，PMOS打开导通，LED亮起；当P0给高电平时，PMOS关闭截止，LED熄灭。

图1-1-2 PMOS开关控制电路图

1.2 NMOS

      NMOS是指P型衬底（SUB）、N沟道，靠电子的流动运送电流的MOS管。形成导通沟道需要正电荷吸引，高电平导通，低电平截止。

图1-2-1 NMOS符号与结构示意图

  使用NMOS控制时通常作为下管，放置在负载下方，常在NMOS上加一个下拉电阻，使NMOS栅极保持一个稳定的低电平初始状态，防止NMOS栅极电平受到外界干扰产生不确定状态，保证NMOS默认在关闭状态。当N0给低电平时，NMOS关闭截止，LED熄灭；当N0给高电平时，NMOS打开导通，LED亮起。

图1-2-2 NMOS开关控制电路图

1.3 CMOS

      CMOS由PMOS与NMOS以对称互补的形式组成，C表示“互补”。静态功耗低，开关速度快，抗干扰能力强，工作效率高，集成度高，性能优越。

2.1 与门

  与门（AND gate），又称逻辑积电路。 只有当输入都为高电平（逻辑1）时，输出才为高电平（逻辑1），否则输出为低电平（逻辑0）。

 

图2-1-1 与门逻辑符号（矩形国标符号与形状特征符号）

 

表1-1 与门真值表

输入		输出
A1	B1	Y1
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

逻辑表达式：Y1=A1·B1

图2-1-2 CMOS与门电路

工作原理为：

① 当A1输入低电平，B1输入低电平时，Q1,Q2,Q5导通，Q3,Q4,Q6截止，Y1输出低电平；

② 当A1输入低电平，B1输入高电平时，Q2,Q5,Q6导通，Q1,Q3,Q4截止，Y1输出低电平；

③ 当A1输入高电平，B1输入低电平时，Q1,Q4,Q5导通，Q2,Q3,Q6截止，Y1输出低电平；

④ 当A1输入高电平，B1输入高电平时，Q3,Q4,Q6导通，Q1,Q2,Q5截止，Y1输出高电平；

图2-1-3 CMOS与门电路工作原理图图

2.2 或门

  或门（OR gate），又称逻辑和电路。只要输入中有一个为高电平（逻辑1）时，输出就为高电平（逻辑1）；只有当输入都为低电平（逻辑0）时，输出才为低电平（逻辑0）。

 

图2-2-1 或门逻辑符号（矩形国标符号与形状特征符号）

 

表1-2 或门真值表

输入		输出
A2	B2	Y2
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

逻辑表达式：Y2=A2+B2

图2-2-2 CMOS或门电路

工作原理为：

① 当A2输入低电平，B2输入低电平时，Q1,Q2,Q6导通，Q3,Q4,Q5截止，Y2输出低电平；

② 当A2输入低电平，B2输入高电平时，Q1,Q3,Q5导通，Q2,Q4,Q6截止，Y2输出高电平；

③ 当A2输入高电平，B2输入低电平时，Q2,Q3,Q4导通，Q1,Q5,Q6截止，Y2输出高电平；

④ 当A2输入高电平，B2输入高电平时，Q3,Q4,Q5导通，Q1,Q2,Q6截止，Y2输出高电平；

图2-2-3 CMOS或门工作原理图

2.3 非门

  非门（NOT gate），又称逻辑否电路。当输入为低电平（逻辑0）时，输出为高电平（逻辑1）；当输入为高电平（逻辑1）时，输出为低电平（逻辑0）。

 

图2-3-1 非门逻辑符号（矩形国标符号与形状特征符号）

 

表1-3 非门真值表

逻辑表达式：Y3=A3’

图2-3-2 CMOS非门电路

工作原理为：

① 当A3输入低电平时，Q1导通，Q2截止，Y3输出高电平；

② 当A3输入高电平时，Q2导通，Q1截止，Y3输出低电平；

图2-3-3 CMOS非门电路工作原理图

2.4 与非门

  与非门（NAND gate）是与门和非门的叠加结合。只有当输入都为高电平（逻辑1）时，输出为低电平（逻辑0），否则输出为高电平（逻辑1）。

 

图2-4-1 与非门逻辑符号（矩形国标符号与形状特征符号）

 

表1-4 与非门真值表

输入		输出
A4	B4	Y4
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

逻辑表达式：Y4=(A4·B4)’

图2-4-2 CMOS与非门

工作原理为：

① 当A4输入低电平，B4输入低电平时，Q1,Q2导通，Q3,Q4截止，Y4输出高电平；

② 当A4输入低电平，B4输入高电平时，Q2,Q4导通，Q1,Q3截止，Y4输出高电平；

③ 当A4输入高电平，B4输入低电平时，Q1,Q3导通，Q2,Q4截止，Y4输出高电平；

④ 当A4输入高电平，B4输入高电平时，Q3,Q4导通，Q1,Q2截止，Y4输出低电平；

图2-4-3 CMOS与非门工作原理图

2.5 或非门

  或非门（NOR gate）是或门和非门的叠加结合。只有当输入都为低电平（逻辑0）时，输出为高电平（逻辑1），否则输出为低电平（逻辑0）。

 

图2-5-1 或非门逻辑符号（矩形国标符号与形状特征符号）

 

表1-5 或非门真值表

输入		输出
A5	B5	Y5
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	0

逻辑表达式：Y5=(A5+B5)’

图2-5-2 CMOS或非门电路

工作原理为：

① 当A5输入低电平，B5输入低电平时，Q1,Q2导通，Q3,Q4截止，Y5输出高电平；

② 当A5输入低电平，B5输入高电平时，Q1,Q4导通，Q2,Q3截止，Y5输出低电平；

③ 当A5输入高电平，B5输入低电平时，Q2,Q3导通，Q1,Q4截止，Y5输出低电平；

④ 当A5输入高电平，B5输入高电平时，Q3,Q4导通，Q1,Q2截止，Y5输出低电平；

图2-5-3 CMOS或非门电路工作原理图

2.6 同或门

  同或门（XNOR gate）可以只用与非门或者或非门组成，输入相同，输出为高电平（逻辑1），输入相异，输出为低电平（逻辑0）。

 

图2-6-1 同或门逻辑符号（矩形国标符号与形状特征符号）

 

图2-6-2 同或门实现图

 

表1-6 同或门真值表

输入		输出
A6	B6	Y6
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	1

逻辑表达式：Y6=A6⊙B6=A6·B6 + A6’·B6’

图2-6-3 CMOS同或门电路

工作原理为：

①当A6输入低电平，B6输入低电平时，Q1,Q2,Q3,Q4,Q6,Q9导通，Q5,Q7,Q8,Q10,Q11,Q12截止，Y6输出高电平；

②当A6输入低电平，B6输入高电平时，Q3,Q4,Q5,Q7,Q10,Q12导通，Q1,Q2,Q6,Q8,Q9,Q11截止，Y6输出低电平；

③当A6输入高电平，B6输入低电平时，Q1,Q2,Q5,Q8,Q10,Q11导通，Q3,Q4,Q6,Q7,Q9,Q12截止，Y6输出低电平；

④当A6输入高电平，B6输入高电平时，Q5,Q6,Q7,Q8,Q11,Q12导通，Q1,Q2,Q3,Q4,Q9,Q10截止，Y6输出高电平；

图2-6-4 CMOS同或门电路工作原理图

2.7 异或门

  异或门（XOR gate）由一个与门，或门和与非门组成，输入相异，输出为高电平（逻辑1），输入相同，输出为低电平（逻辑0）。

 

图2-7-1 异或门逻辑符号（矩形国标符号与形状特征符号）

 

图2-7-2 异或门实现图

 

表1-7 异或门真值表

输入		输出
A7	B7	Y7
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

逻辑表达式：Y7=A7⊕B7=A7·B7’ + A7’·B7

图2-7-3 CMOS异或门电路

工作原理为：

① 当A7输入低电平，B7输入低电平时，Q1,Q2,Q3,Q4,Q8导通，Q5,Q6,Q7,Q9,Q10截止，Y7输出低电平；

② 当A7输入低电平，B7输入高电平时，Q3,Q4,Q5,Q6,Q10导通，Q1,Q2,Q7,Q8,Q9截止，Y7输出高电平；

③ 当A7输入高电平，B7输入低电平时，Q1,Q2,Q5,Q7,Q9导通，Q3,Q4,Q6,Q8,Q10截止，Y7输出高电平；

④ 当A7输入高电平，B7输入高电平时，Q5,Q6,Q7,Q9,Q10导通，Q1,Q2,Q3,Q4,Q8截止，Y7输出低电平；

图2-7-4 CMOS异或门电路工作原理图

三、项目设计

1.原理图设计

  首先，打开嘉立创EDA，创建新工程并命名为【数字电路】基本逻辑门分立元件电路，将原理图文件命名为：SCH_基本逻辑门分立元件电路。

  其次，进行器件选型，这里所有元器件都选用贴片器件，元器件都可以在嘉立创EDA的元件库中进行搜索，每一个元器件在立创商城中都有唯一的商品编号，电源接口选用6Pin的TYPE-C母座，使用LED来显示验证各逻辑门的运算关系。

  最后，绘制电路原理图，各逻辑门按模块电路划分进行绘制，注明各个电路的作用，添加各逻辑门的符号，真值表和表达式，便于理解学习。

图3-1-1 SCH_电源输入电路

 

图3-1-2 SCH_PMOS和NMOS电路

 

图3-1-3 SCH_与门电路

 

图3-1-4 SCH_或门电路

 

图3-1-5 SCH_非门电路

 

图3-1-6 SCH_与非门电路

 

图3-1-7 SCH_或非门电路

 

图3-1-8 SCH_同或门电路

 

图3-1-9 SCH_异或门电路

2.物料清单

BOM_基本逻辑门分立元件电路
序号	名称	参数	位号	数量	封装	商品编号
1	电阻	10K	R2,R5~R11,R13~R18,R20,R21,R23~R26,R28~R31, R33~R44,R46~R55	46	R0805	C17414
		1K	R1,R3,R4,R12,R19, R22,R27,R32,R45,R56	10		C17513
2	电容	10uF	C1	1	C0805	C40894
		100nF	C2	1		C38141
3	PMOS	FSS2301M A1SHB	Q1,Q3~Q5,Q9~Q11, Q15,Q17,Q18,Q21,Q22, Q25~Q30,Q37~Q41	23	SOT23	C2926139
4	NMOS	FSS2302S A2SHB	Q2,Q6~Q8,Q12~Q14, Q16,Q19,Q20,Q23,Q24, Q31~Q36,Q42~Q46	23	SOT23	C2926140
5	开关	SS-3235S-L3	SW1~SW25	25	SW-SMD_SS-3235S-L3.00	C381098
6	LED	红灯	LED1~LED10	10	LED0805	C84256
7	USB 连接器	TYPE-C	USB1	1	USB-C-SMD_TYPE-C-31-M-29	C2689969
8	铜柱	M3	H1~H4	4	M3X10-6	C551322

 

3.PCB设计

  在完成原理图设计后，经过检查电路与网络连接正确后点击顶部菜单栏的 “设计 ”→ “转换原理图到PCB”（快捷键为Alt+I），然后将PCB文件保存到工程文件中，并命名为：PCB_基本逻辑门分立元件电路。

  在绘制边框设计时，控制在10cm*10cm之内，这里的边框为10cm*10cm，添加5mm的圆角，可以到嘉立创免费打样~

  在进行器件布局时，所有器件放置于顶层，各逻辑门电路按模块划分摆放，可以通过顶部菜单栏中的“设计”→“交叉选择”（快捷键Shift+X）功能快速摆放元器件。在摆放相同元器件时尽量统一方向，方便焊接。

  在进行布线时以底层走线为主，优先走直线，需要拐弯的地方以圆弧拐弯或钝角为主。完成走线检查DRC无误后，添加泪滴和覆铜。

  最后，在板上添加丝印标注说明，使电路更加清晰明了。

图3-2-1 PCB布局布线参考图

  顶面绘制完成后，在背面放置丝印标识各逻辑门的符号，真值表和表达式，清晰各个逻辑门的逻辑运算关系，方便理解学习。

图3-2-2 基本逻辑运算丝印赏析图

四、电路调试

1.器件焊接

  第一，先焊接TYPE-C接口；第二，PMOS/NMOS；第三，LED，电阻和电容，最后焊接开关。注意焊接时PMOS和NMOS不要焊错，各逻辑门电路中，上方朝左的为PMOS，下方朝右的是NMOS；LED上面的电阻为1K，其余的均为10K；电容为滤波作用，可以不焊接。

图4-1-1 PCB装配图 

  在进行焊接时，可在嘉立创EDA的工具栏中点击焊接辅助工具，实时交互方便焊接。注意焊接过程中用电安全手不要接触到烙铁头，避免烫伤。

  焊接时元器件对准位置，检查型号是否正确。焊接顺序应遵循从低到高原则进行，避免影响小器件的焊接。

  焊接贴片元器件用镊子夹住时，要等焊锡凝固后再移走镊子，否则容易造成虚焊。焊接过程注意是否虚焊漏焊，避免影响电路性能，导致电路不能正常工作。

图4-1-2 PCB空板-顶面

 

图4-1-3 PCB空板-底面

 

图4-1-4 PCBA实物图

 

图4-1-5 3D渲染图

2.上电调试

  若焊工比较粗糙，在焊接完一种元器件，可以目测检查是否短路，也可用万用表检查。焊接完成后需要使用万用表检查电源与地是否短路，焊接过程中有没有出现短路以及断路的情况，检查无误后方能进行上电测试。建议采用分步调试，避免其他电路的干扰。

2.1 电源电路

  插入TYPE-C通上电后，拨动开关至上方开，电源状态指示灯亮起，电源给整个板子供电，各逻辑门有独立电源开关进行控制，各逻辑门验证时建议单独控制使用。

图4-2-1 电源开关电路

2.2 PMOS电路

  拨动打开PMOS电源开关，PMOS电路正常工作。

• 当输入电平控制开关至低时，即PMOS输入低电平，指示灯亮起；
• 当输入电平控制开关至高时，即PMOS输入高电平，指示灯熄灭。

图4-2-2 PMOS验证工作图

2.3 NMOS电路

  拨动打开NMOS电源开关，NMOS电路正常工作。

• 当输入电平控制开关至低时，即NMOS输入低电平，指示灯熄灭；
• 当输入电平控制开关至高时，即NMOS输入高电平，指示灯亮起。

图4-2-3 NMOS验证工作图

2.4 与门

  拨动打开与门电源开关，与门电路正常工作。

• 当输入电平控制开关拨到00时，输出低电平，指示灯熄灭；
• 当输入电平控制开关拨到01时，输出低电平，指示灯熄灭；
• 当输入电平控制开关拨到10时，输出低电平，指示灯熄灭；
• 当输入电平控制开关拨到11时，输出高电平，指示灯亮起；

图4-2-4 与门验证工作图

2.5或门

  拨动打开或门电源开关，或门电路正常工作。

• 当输入电平控制开关拨到00时，输出低电平，指示灯熄灭；
• 当输入电平控制开关拨到01时，输出高电平，指示灯亮起；
• 当输入电平控制开关拨到10时，输出高电平，指示灯亮起；
• 当输入电平控制开关拨到11时，输出高电平，指示灯亮起；

图4-2-5 或门验证工作图

2.6非门

  拨动打开非门电源开关，非门电路正常工作。

• 当输入电平控制开关拨到0时，输出高电平，指示灯亮起；
• 当输入电平控制开关拨到1时，输出低电平，指示灯熄灭；

图4-2-6 非门验证工作图

2.7与非门

  拨动打开与非门电源开关，与非门电路正常工作。

• 当输入电平控制开关拨到00时，输出高电平，指示灯亮起；
• 当输入电平控制开关拨到01时，输出高电平，指示灯亮起；
• 当输入电平控制开关拨到10时，输出高电平，指示灯亮起；
• 当输入电平控制开关拨到11时，输出低电平，指示灯熄灭；

图4-2-7 与非门验证工作图

2.8或非门

  拨动打开或非门电源开关，或非门电路正常工作。

• 当输入电平控制开关拨到00时，输出高电平，指示灯亮起；
• 当输入电平控制开关拨到01时，输出低电平，指示灯熄灭；
• 当输入电平控制开关拨到10时，输出低电平，指示灯熄灭；
• 当输入电平控制开关拨到11时，输出低电平，指示灯熄灭；

图4-2-8 或非门验证工作图

2.9同或门

  拨动打开同或门电源开关，同或门电路正常工作。

• 当输入电平控制开关拨到00时，输出高电平，指示灯亮起；
• 当输入电平控制开关拨到01时，输出低电平，指示灯熄灭；
• 当输入电平控制开关拨到10时，输出低电平，指示灯熄灭；
• 当输入电平控制开关拨到11时，输出高电平，指示灯亮起；

图4-2-9 同或门验证工作图

2.10异或门

  拨动打开异或门电源开关，异或门电路正常工作。

• 当输入电平控制开关拨到00时，输出低电平，指示灯熄灭；
• 当输入电平控制开关拨到01时，输出高电平，指示灯亮起；
• 当输入电平控制开关拨到10时，输出高电平，指示灯亮起；
• 当输入电平控制开关拨到11时，输出低电平，指示灯熄灭；

图4-2-10 异或门验证工作图