数字电路：用三极管搭建数字逻辑门电路
本文将会详细解析PMOS、NMOS、CMOS、与门、或门、非门、与非门、或非门、同或门、异或门的原理。
并分享电源输入电路、PMOS和NMOS电路、与门电路、或门电路、非门电路、与非门电路、或非门电路、同或门电路、异或门电路的原理图、物料清单与PCB。文末还有焊接说明与上电调试的测试成果。
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、异或等逻辑运算。
二、原理解析1.1PMOS
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1-1-1PMOS符号与结构示意图
图1-1-2PMOS开关控制电路图
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。
1.2NMOS
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1-2-1NMOS符号与结构示意图
图1-2-2NMOS开关控制电路图
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。
1.3CMOS
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（ANDgate），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）。
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（矩形国标符号与形状特征符号）
图2-1-2CMOS与门电路
图2-1-3CMOS与门电路工作原理图图
如上图所示，CMOS与门电路的工作原理为：
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；
2.2或门
或门（ORgate），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）。
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（矩形国标符号与形状特征符号）
图2-2-2CMOS或门电路
图2-2-3CMOS或门工作原理图
如上图所示，CMOS或门电路的工作原理为：
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；
2.3非门
非门（NOTgate），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）。
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（矩形国标符号与形状特征符号）
图2-3-2CMOS非门电路
图2-3-3CMOS非门电路工作原理图
如上图所示，CMOS非门电路的工作原理为：
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；
2.4与非门
与非门（NANDgate）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）。
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（矩形国标符号与形状特征符号）
图2-4-2CMOS与非门
图2-4-3CMOS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：
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；
2.5或非门
或非门（NORgate）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）。
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（矩形国标符号与形状特征符号）
图2-5-2CMOS或非门电路
图2-5-3CMOS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：
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；
2.6同或门
同或门（XNORgate）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）。
逻辑表达式：Y6=A6⊙B6=A6·B6+A6’·B6’
表1-6同或门真值表
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
图2-6-3CMOS同或门电路
图2-6-4CMOS同或门电路工作原理图
如上图所示，CMOS同或门电路的工作原理为：
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；
2.7异或门
异或门（XORgate）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）。
逻辑表达式：Y7=A7⊕B7=A7·B7’+A7’·B7
表1-7异或门真值表
图2-7-1异或门逻辑符号（矩形国标符号与形状特征符号）
图2-7-2异或门实现图
图2-7-3CMOS异或门电路
图2-7-4CMOS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：
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；
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，再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3-1-1SCH_电源输入电路
图3-1-2SCH_PMOS和NMOS电路
图3-1-3SCH_与门电路
图3-1-4SCH_或门电路
图3-1-5SCH_非门电路
图3-1-6SCH_与非门电路
图3-1-7SCH_或非门电路
图3-1-8SCH_同或门电路
图3-1-9SCH_异或门电路
2.物料清单
3.PCB设计
在绘制边框时，控制在10cm*10cm之内，可以到嘉立创免费打样~
这里的边框为10cm*10cm，添加2mm的圆角。
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3-2-1PCB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4-1-1PCB装配图
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4-1-2PCB空板-顶面
图4-1-3PCB空板-底面
图4-1-4PCBA实物图
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。
图4-2-1电源开关电路
2.2PMOS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4-2-2PMOS验证工作图
2.3NMOS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4-2-3NMOS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
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