逻辑与门（AND Gate）符号、原理及应用示例

逻辑与门，英文名Logic AND Gate，可以通过使用两个简单的二极管来设计。电路驱动电压V被施加到并联的二极管上，输出被收集为二极管处的电压降。在逻辑门中，术语高电压电平表示+5 V，低逻辑电平表示 0V或接地。

当逻辑与门的一个输入连接到逻辑高电平而另一个连接到逻辑低电平时，二极管处于反向偏置状态并且输出端没有电压降，所以输出被测量为低。如果两个输入连接到低电平输入，那么二极管也将变为反向偏置状态并且不允许电流。因此，输出再次测量为0。

但是，当两个输入（两个二极管）连接到高电压电平时，两个二极管处于正向偏置状态（二极管开关打开），因此与门的输出为高电平，测量为逻辑1。

与门的逻辑表示如下图所示，具有两个输入和一个输出：

布尔表达式

如果与门的输入是X、Y，输出是Z，那么与门的运算在布尔表达式中数学表示为Z = XY，这意味着与门产生其输入的乘法：

逻辑与门的真值表如下所示：

真值表解释了了与门的输出将为低电平，除了两个高输入条件之外的所有输入组合。

带灯开关电路与门的说明

与门开关电路将有两个输入和两个手动切换开关，让两个开关分别为A和B，那么可以将与门的开关操作解释为：

• 当开关A和B都打开时（开关提供低电平输入信号）即A=0，B=0，则灯泡不会发光。
• 当开关A闭合（提供高电平输入信号）和B打开（提供低电平输入信号）即A=1，B=0时，灯泡不会发光。
• 当开关A打开（提供低电平输入信号）和B关闭（提供高电平输入信号）即A=0，B=1时，灯泡不会发光。
• 当开关A和B都闭合时（开关提供高电平输入信号）即A=1，B=1，则灯泡将发光。

脉冲操作

如果在逻辑与门X和Y的输入端应用两个不同的时钟信号，那么如果观察输出，将会得到下图所示结果（X、Y 为输入，Z 为输出）：

当两个输入为高时，与门的输出也为高，当任一输入为低时，输出变为低电平。在上图中的时钟脉冲结束时，输出为低电平，因为两个输入均为低电平。

使用BJT晶体管的与门

其实，也可以使用二极管和晶体管来设计与门，BJT晶体管的与门如下图所示：

晶体管开关比二极管开关快。与或门类似，通过电阻将+6V电源连接到两个晶体管（连接到它们的集电极）。第一个晶体管的发射极连接到第二个晶体管的集电极，第二个晶体管的发射极通过电阻接地。

电阻器的输出通过第二个晶体管的发射极和接地电阻器收集。与门的输出仅在两个晶体管导通（处于高电压电平）时为高电平，而在输入电压组合的其余部分，输出为低电平。

3输入与门

如果设计一个具有3个输入的与门，虽然与门有3个输入，但布尔方程不会改变。与门的输出等于输入之和。

3输入与门符号如下图所示：

3输入与门的真值表如下图所示：

当所有3个输入均为低电平时，3个输入与门的输出为高电平，而对于所有其他输入组合，它将为低电平。

多输入与门

与门在数学上产生等于输入乘法的输出。操作由“.”定义。我们可以通过级联其他与门作为输入来设计n个输入与门。在商业中，目前只有2输入、3输入和4输入与门IC可用。如果需要额外的输入，必须在IC的输入端级联额外的与门。

作为示例，在下图中设计了一个6输入与门。

6输入与门的布尔表达式为Q= (AB).（CD）.（EF）。此外，还可以通过将一些输入引脚设置为“未使用”，将它们直接连接到地来设计奇数输入与门。

常用的TTL和CMOS逻辑与门IC

与门IC的完整列表如下所示：

74LS08四路2输入与门IC

74LS08用作四路2输入与门IC，IC图如下所示：

7408是一个TTL系列与门，它有4个与门。下图是7408 IC的每个引脚及其用途。

引脚14的最大输入电压为5.2伏直流，如果电源电压超过5.2伏，则IC可能会因电源过高而损坏。

CD4081

CD4081用作四路2输入与门IC，如下图所示，它是一个CMOS（互补MOSFET）与门IC。与TTL与门IC 74LS08 一样，这款CMOS与门 IC也有 4 个与门，其内部引脚图如下所示：

引脚说明

CMOS 4081与门IC的引脚说明如下：

引脚14的最大输入电压为5.2伏直流，如果电源电压超过5.2伏，则IC可能会因高电源而损坏。虽然TTL与门IC和CMOS与门IC在其中实现了相同数量的与门，但它们的内部电路布置不同。

主要应用

在日常生活中，有许多应用程序都使用逻辑与门。下面简单列举2个。

1、与门在计数器设备上用作启用和禁用目的。如果观察下面的电路，当计数器开始从0计数到100时。当计数器接收到时钟信号时，它会将其计数加1。

为了使从1到100的计数操作成功，计数器电路必须连续接收脉冲。因此计数器电路可以通过计数器输入端输入的时钟信号来控制。当将时钟信号连接为2输入与门的输入时，与门的第二个输入连接到禁用/启用信号。这时可以通过将第二个输入设置为0来停止设备计数。

众所周知，当任何一个输入为低电平时，与门的输出将变为低电平（0）。因此，如果将低电平信号0施加到启用/禁用引脚，与门的输出将为低电平，因此它不允许任何时钟信号。

因此时钟信号不会到达计数器，这样就可以通过将与门的输入之一设为低来停止计数操作。如果想再次开始计数，在启用/禁用引脚上应用高输入，即设置为1。这样，计数器（其计数操作）由与门控制。

2、逻辑与门用于某种安全设备，如花园泛光灯和安全灯等。它们有一个热辐射敏感设备，称为“被动红外设备（PIR）”。因此，当设备检测到入侵者（未经授权的进入，如邻居的宠物）等热物体时，热传感器会产生高电压，使其设置为逻辑1。

由于泛光灯的光在白天不清晰可见，当周围/大气黑暗时，这些装置开始使用。当热传感器被触发时，它进入ON状态。带有与门的安全系统框图如下所示：

单稳态器件在被触发时仅产生一个脉冲。当与门的输出变高时，单稳态器件的输出也变高并保持一段时间。传感器用于为泛光灯提供足够的电流。

由于泛光灯是高压器件，单稳态器件产生的输出不足以驱动光源，所以可以使用换能器来提升电流。

在商业安全设备中，可以使用继电器作为打开和关闭泛光灯的开关。

总结

简单来说，与门是执行“与”运算的基本逻辑门电路。有多个输入端，一个输出端。当所有的输入同时为高电平（逻辑1）时，输出才为高电平，否则输出为低电平（逻辑0）。

需要注意的是，与门是基本的逻辑门，因此在TTL和CMOS集成电路中都是可以使用的。