一、项目简介

“逻辑门”是数字电路上的基本单元，可以实现各种逻辑关系。 《基本逻辑门分立元件电路》使用MOS管搭建，实现验证：AND、OR、NOT、NAND、NOR、EXOR、EXCLUSIVE OR等逻辑运算。

二、原理解析

1.1 PMOS

PMOS是指N型衬底（SUB）、P沟道、依靠空穴流动来承载电流的MOS管。

导电沟道的形成需要负电荷吸引、低电平导通、高电平截止。

图1-1-1 PMOS符号及结构图

图1-1-2 PMOS开关控制电路图

当使用PMOS控制时，通常用作高侧晶体管并放置在负载上方。 PMOS中常加上拉电阻，使PMOS栅极保持稳定的高电平初始状态，防止PMOS栅极电平受外界干扰影响而产生不确定性。状态，确保PMOS默认关闭。

当P0给低电平时，PMOS导通，LED点亮；

当P0为高电平时，PMOS截止，LED熄灭。

1.2 NMOS

NMOS是指P型衬底（SUB）、N沟道、依靠电子流动来承载电流的MOS管。

导电沟道的形成需要正电荷吸引、高电平导通、低电平截止。

图1-2-1 NMOS符号及结构图

图1-2-2 NMOS开关控制电路图

使用NMOS控制时，通常作为下管使用，置于负载下方。 NMOS中常常会加入下拉电阻，使NMOS栅极保持稳定的低电平初始状态，以防止NMOS栅极电平受到外界干扰而造成不确定状态。确保NMOS默认关闭。

当N0给低电平时，NMOS截止，LED熄灭；

当N0为高电平时，NMOS导通，LED点亮。

1.3CMOS

CMOS由PMOS和NMOS以对称互补的形式组成，C代表“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，又称逻辑积电路。

仅当输入均为高电平（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）。

逻辑表达式：Y1=A1·B1

表1-1 与门真值表

图2-1-1 与门逻辑符号（矩形国标符号和形状特征符号）

图2-1-2 CMOS与门电路

图2-1-3 CMOS与门电路工作原理图

如上图所示，CMOS与门电路的工作原理为：

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；

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；

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；

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；

2.2 或门

或门，又称逻辑与电路。

只要其中一个输入为高电平（逻辑1），输出就为高电平（逻辑1）；仅当两个输入均为低电平（逻辑0）时，输出才为低电平（逻辑0）。

逻辑表达式：Y2=A2+B2

表1-2 或门真值表

图2-2-1 或门逻辑符号（矩形国标符号和形状特征符号）

图2-2-2 CMOS或门电路

图2-2-3 CMOS或门工作原理图

如上图所示，CMOS或门电路的工作原理为：

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；

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；

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；

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；

2.3 非门

非门，也称为逻辑“非”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）。

逻辑表达式：Y3=A3’

表1-3 非门真值表

图2-3-1 非门逻辑符号（矩形国标符号和形状特征符号）

图2-3-2 CMOS非门电路

图2-3-3 CMOS非门电路工作原理图

如上图所示，CMOS非门电路的工作原理是：

当A3输入低电平时，Q1导通，Q2截止，Y3输出高电平；

当A3输入高电平时，Q2导通，Q1截止，Y3输出低电平；

2.4 与非门

与非门是与门和非门的叠加组合。

只有当输入均为高电平（逻辑1）时，输出才为低电平（逻辑0），否则输出为高电平（逻辑1）。

逻辑表达式：Y4=(A4·B4)’

表1-4 与非门真值表

图2-4-1 与非门逻辑符号（矩形国标符号和形状特征符号）

图2-4-2 CMOS 与非门

图2-4-3 CMOS与非门工作原理图

如上图所示，CMOS与非门电路的工作原理为：

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；

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；

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；

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；

2.5 或非门

或非门是或门和非门的叠加。

只有当输入为低电平（逻辑0）时，输出为高电平（逻辑1），否则输出为低电平（逻辑0）。

逻辑表达式：Y5=(A5+B5)’

表1-5 或非门真值表

图2-5-1 或非门逻辑符号（矩形国标符号和形状特征符号）

图2-5-2 CMOS或非门电路

图2-5-3 CMOS或非门电路工作原理图

如上图所示，CMOS或非门电路的工作原理为：

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；

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；

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；

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；

2.6 异或门

XNOR门可以仅由NAND门或NOR门组成。输入相同，输出为高电平（逻辑1）。输入不同，输出为低电平（逻辑0）。

逻辑表达式：Y6=A6B6=A6·B6 + A6’·B6’

表1-6 异或门真值表

图2-6-1 异或门逻辑符号（矩形国标符号和形状特征符号）

图2-6-2 异或门实现图

图2-6-3 CMOS或非门电路

图2-6-4 CMOS或非门电路工作原理图

如上图所示，CMOS或非门电路的工作原理为：

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；

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；

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；

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；

2.7 异或门

异或门由与门、或门和与非门组成。输入不同，输出为高电平（逻辑1）。输入相同，输出为低电平（逻辑0）。

逻辑表达式：Y7=A7B7=A7·B7’ + A7’·B7

表1-7 异或门真值表

图2-7-1 异或门逻辑符号（矩形国标符号和形状特征符号）

图2-7-2 异或门实现图

图2-7-3 CMOS异或门电路

图2-7-4 CMOS异或门电路工作原理图

如上图所示，CMOS异或门电路的工作原理为：

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；

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；

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；

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；

三、项目设计

1. 方案设计

首先，打开嘉里创EDA新建一个工程，命名为【数字电路】基本逻辑门离散元件电路，然后将原理图文件命名为：SCH_基本逻辑门离散元件电路；

其次，进行设备选型。这里所有的元件都是SMD元件。组件可在嘉力创EDA组件库中搜索。每个组件在嘉力创商城都有唯一的产品编号。电源接口采用6Pin TYPE-C。母座采用LED来显示和验证各个逻辑门的运行关系。

最后画出电路原理图，并按照模块电路划分画出各个逻辑门，标明各个电路的功能，并添加各个逻辑门的符号、真值表和表达式，以方便理解和学习。

图3-1-1 SCH_power 输入电路

图3-1-2 SCH_PMOS 和NMOS 电路

图3-1-3 SCH_AND门电路

图3-1-4 SCH_OR门电路

图3-1-5 SCH_NOT门电路

图3-1-6 SCH_NAND门电路

图3-1-7 SCH_NOR门电路

图3-1-8 SCH_XOR门电路

图3-1-9 SCH_XOR门电路

2. 物料清单

3.PCB设计

完成原理图设计后，检查电路和网络连接正确后，点击顶部菜单栏的“设计”“将原理图转换为PCB”（快捷键为Alt+I），将PCB文件保存到工程中文件，并命名为：PCB_basic逻辑门分立元件电路。

画边框时控制在10cm*10cm以内。可以去嘉利创免费打样~

这里的边框是10cm*10cm，加了2mm的圆角。

在进行器件布局时，所有器件都放置在顶层，并将每个逻辑门电路划分为模块。您可以通过顶部菜单栏的“设计”“交叉选择”功能（快捷键Shift+X）快速放置元件。放置相同元件时，尽量保持同一方向，以利于焊接。

布线时主要采用底层布线，以直线优先。需要拐角的地方，主要是圆弧拐角或钝角。完成布线并检查DRC 正确后，添加泪滴和铜浇注。

最后在板上添加丝印标注说明，使电路更加清晰。

图3-2-1 PCB布局参考图

顶面画好后，背面贴上丝印，标识各个逻辑门的符号、真值表和表达式，以明确各个逻辑门的逻辑运算关系，方便理解和学习。

图3-2-2 丝网印刷基本逻辑运算欣赏图

四、电路调试

1.器件焊接

首先，先焊接TYPE-C接口；

二、PMOS/NMOS；

第三，LED、电阻和电容，最后焊接开关。

焊接时注意不要将PMOS和NMOS焊错。各逻辑门电路中，左上为PMOS，右下为NMOS。 LED上面的电阻是1K，其余都是10K。电容是用来滤波的，所以不需要使用。焊接。

图4-1-1 PCB组装图

焊接时，可以点击嘉力创EDA工具栏中的焊接辅助工具进行实时交互，方便焊接。

焊接过程中注意不要用电安全手接触烙铁头，以免烫伤。

焊接时对准元件，检查型号是否正确。焊接顺序应遵循从低到高的原则，避免影响小型器件的焊接。

用镊子夹住SMD元件时，要等焊锡凝固后再把镊子移开，否则容易造成虚焊。焊接过程中要注意有无漏焊点，以免影响电路性能，造成电路不能正常工作。

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

2. 上电调试

如果焊工比较粗糙，焊接完一个元件后，可以目视检查是否有短路现象或者用万用表检查。

焊接完成后，需要用万用表检查电源与地之间是否存在短路现象。焊接过程中是否出现短路或断路，检查无误后方可进行通电测试。

建议采用逐步调试的方式，避免受到其他电路的干扰。

2.1 电源电路

插入TYPE-C并通电后，将拨动开关拨到最上面，电源状态指示灯会亮起，电源给整个板子供电，每个逻辑门都有独立的电源开关进行控制。

图4-2-1 电源开关电路

2.2 PMOS电路

打开PMOS电源开关，PMOS电路工作正常。

当输入电平控制开关为低电平，即PMOS输入为低电平时，指示灯亮；当输入电平控制开关为高电平，即PMOS输入为高电平时，指示灯熄灭。图4-2-2 PMOS验证工作原理图

2.3 NMOS电路

打开NMOS电源开关，NMOS电路正常工作。

当输入电平控制开关为低电平，即NMOS输入为低电平时，指示灯熄灭；当输入电平控制开关为高电平，即NMOS输入为高电平时，指示灯亮。图4-2-3 NMOS验证工作原理图

2.4 与门

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设置为00时，输出为低电平，指示灯熄灭；当输入电平控制开关设置为01时，输出为低电平，指示灯熄灭；当输入电平控制开关置于10时，输出低电平，指示灯熄灭；当输入电平控制开关置于11时，输出高电平，指示灯亮；图4-2-4 与门验证工作原理图

2.5 或门

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设置为00时，输出为低电平，指示灯熄灭；当输入电平控制开关设置为01时，输出为高电平，指示灯亮；当输入电平控制开关置于10时，输出高电平，指示灯亮；当输入电平控制开关置于11时，输出高电平，指示灯亮；图4-2-5 或门验证工作原理图

2.6 非门

打开非门电源开关，非门电路工作正常。

当输入电平控制开关拨至0时，输出为高电平，指示灯亮；当输入电平控制开关拨至1时，输出低电平，指示灯灭；图4-2-6 非门验证工作图

2.7 与非门

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设置为00时，输出为高电平，指示灯亮；当输入电平控制开关设置为01时，输出为高电平，指示灯亮；当输入电平控制开关置于10时，输出为高电平，指示灯亮；当输入电平控制开关置于11时，输出为低电平，指示灯灭；图4-2-7 与非门验证工作原理图

2.8 或非门

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设置为00时，输出为高电平，指示灯亮；当输入电平控制开关设置为01时，输出为低电平，指示灯灭；当输入电平控制开关置于10时，输出低电平，指示灯熄灭；当输入电平控制开关设置为11时，输出低电平，指示灯熄灭；图4-2-8 或非门验证工作原理图

2.9 同或门

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设置为00时，输出为高电平，指示灯亮；当输入电平控制开关设置为01时，输出为低电平，指示灯灭；当输入电平控制开关置于10时，输出低电平，指示灯熄灭；当输入电平控制开关置于11时，输出高电平，指示灯亮；图4-2-9 同或门验证工作原理图

2.10 异或门

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设置为00时，输出为低电平，指示灯熄灭；当输入电平控制开关设置为01时，输出为高电平，指示灯亮；当输入电平控制开关置于10时，输出为高电平，指示灯亮；当输入电平控制开关置于11时，输出为低电平，指示灯灭；图4-2-10 异或门验证工作原理图

用户评论

容纳我ii

这个题目好新颖啊！我以前只知道用晶体管做大集成电路

    有9位网友表示赞同！

逃避

三极管搭建逻辑门是经典的学习内容，很有借鉴意义

    有7位网友表示赞同！

眷恋

想学学看怎么用三极管搭建逻辑门，这太酷了!

    有9位网友表示赞同！

ー半忧伤

数字电路真的很考验人的抽象思维能力，能用三极管模拟出来真厉害！

    有13位网友表示赞同！

夏至离别

还是老老实实学一下集成电路吧，三极管太复杂了

    有19位网友表示赞同！

灵魂摆渡人

这个项目很有挑战性，需要深入理解数字逻辑门的工作原理

    有9位网友表示赞同！

眉黛如画

希望详细讲解一下每个逻辑门的搭建过程

    有15位网友表示赞同！

♂你那刺眼的温柔

数字电路真是一个很精彩的领域！

    有14位网友表示赞同！

一生荒唐

三极管这种元器件真神奇，能实现这么多功能

    有18位网友表示赞同！

为爱放弃

学习完三极管电路后是不是可以尝试用它搭建CPU呀？

    有15位网友表示赞同！

墨城烟柳

逻辑门是现代电子设备的基础，了解它的工作机制很有帮助！

    有17位网友表示赞同！

陌離

三极管这种元器件比晶体管要古老啊

    有12位网友表示赞同！

未来未必来

数字电路和编程是一起学吧，理解起来会更深刻

    有9位网友表示赞同！

歆久

真是个牛X的学习内容！

    有10位网友表示赞同！

我怕疼别碰我伤口

有详细的仿真实验步骤吗？能亲自动手模拟出来感觉更好学习。

    有17位网友表示赞同！

爱你的小笨蛋

三极管搭建逻辑门电路，这课要我好好努力了！

    有17位网友表示赞同！

千城暮雪

太酷了！

    有17位网友表示赞同！

太易動情也是罪名

厉害！

    有7位网友表示赞同！