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1、第一节半导体二极管门电路第一节第一节 半导体二极管门电路半导体二极管门电路v 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性v 二极管与门二极管与门v 二极管或门二极管或门v 概述概述下下页页 总总目目录录推出推出1第一节半导体二极管门电路下下页页返回返回一、概述1.1.1.1.门电路的概念门电路的概念门电路的概念门电路的概念 用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路，用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路，用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路，用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路，通称为通称为通称为通称为逻辑门电路逻辑门电路逻辑门电路逻辑门电路，简称，简称，简称，简称
2、门电路门电路门电路门电路。常用的门电路在逻辑功能上有：常用的门电路在逻辑功能上有：常用的门电路在逻辑功能上有：常用的门电路在逻辑功能上有：与门与门与门与门、或门或门或门或门、非门非门非门非门、与非门与非门与非门与非门、或非门或非门或非门或非门、与或非门与或非门与或非门与或非门、异或门异或门异或门异或门等。等。等。等。上上页页2第一节半导体二极管门电路下下页页返回返回上上页页在二值逻辑中，逻辑变量的取值不是在二值逻辑中，逻辑变量的取值不是在二值逻辑中，逻辑变量的取值不是在二值逻辑中，逻辑变量的取值不是就是就是就是就是，在数字电路中，与之对应的是：在数字电路中，与之对应的是：在数字电路中，与之对应
3、的是：在数字电路中，与之对应的是： 电子开关电子开关电子开关电子开关的的的的两种状态两种状态两种状态两种状态。半导体二极管半导体二极管半导体二极管半导体二极管 、三极管三极管三极管三极管和和和和MOSMOSMOSMOS管管管管，则是构成这种电子开关的基本开关元件。则是构成这种电子开关的基本开关元件。则是构成这种电子开关的基本开关元件。则是构成这种电子开关的基本开关元件。 2.2.2.2.逻辑变量与状态开关逻辑变量与状态开关逻辑变量与状态开关逻辑变量与状态开关3第一节半导体二极管门电路下下页页返回返回上上页页高电平高电平高电平高电平和和低电平低电平低电平低电平是两种状态，是两种状态，是两个不同的
4、可以截然区别开来的电压范围。是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。 在电子电路中用高、低电平，分别表示二值逻在电子电路中用高、低电平，分别表示二值逻辑的辑的 1 和和 0 两种逻辑状态。两种逻辑状态。3.3.3.3.高、低电平与正、负逻辑高、低电平与正、负逻辑高、低电平与正、负逻辑高、低电平与正、负逻辑控制控制控制控制开关开关开关开关S SS S断开时，输出高电平断开时，输出高电平断开时，输出高电平断开时，输出高电平S S接通时，输出低电平接通时，输出低电平接通时，输出低电平接通时，输出低电平输输入入信信号号获得高，低电平的基本原理输输出出信信号号R vOSvIVcc4第一节半导体二极管门电
5、路下下页页返回返回上上页页4. 正逻辑和负逻辑正逻辑和负逻辑10正逻辑01负逻辑用表示高电平用表示高电平用表示高电平用表示高电平用表示低电平用表示低电平用表示低电平用表示低电平用用用用0 0表示高电平表示高电平表示高电平表示高电平用用用用1 1表示低电平表示低电平表示低电平表示低电平今后除非特别说明，本书中一律采用正逻辑。今后除非特别说明，本书中一律采用正逻辑。5第一节半导体二极管门电路下下页页返回返回上上页页5. 门电路的发展门电路的发展在最初的数字逻辑电路中，每个门电路都是用若干个在最初的数字逻辑电路中，每个门电路都是用若干个分立的半导体器件和电阻、电容连接而成的。分立的半导体器件和电阻、
6、电容连接而成的。用这种单元电路组成大规模的数字电路是非常困难的，用这种单元电路组成大规模的数字电路是非常困难的，这就严重地制约了数字电路的普遍应用。这就严重地制约了数字电路的普遍应用。随着数字集成电路的问世和大规模集成电路工艺水平随着数字集成电路的问世和大规模集成电路工艺水平的不断提高，今天已经能把大量的门电路集成在一块的不断提高，今天已经能把大量的门电路集成在一块很小的半导体芯片上，构成功能复杂的很小的半导体芯片上，构成功能复杂的“片上系统片上系统”。从制造工艺上可以将目前使用的数字集成电路分为从制造工艺上可以将目前使用的数字集成电路分为双双极型极型、单极型单极型和和混合型混合型三种。三种。
7、6第一节半导体二极管门电路下下页页返回返回上上页页1961年美国得克萨斯仪器公司率先将数字电路的元、年美国得克萨斯仪器公司率先将数字电路的元、器件制作在同一硅片上，制成了数字集成电路器件制作在同一硅片上，制成了数字集成电路（Integrated Circuits，简称，简称 IC）。）。由于集成电路由于集成电路体积小体积小、重量轻重量轻、可靠性好可靠性好，因而在大，因而在大多数领域里迅速取代了分立器件组成的数字电路。多数领域里迅速取代了分立器件组成的数字电路。直到直到20世纪世纪80年代初，采用双极型三极管组成的年代初，采用双极型三极管组成的TTL型集成电路一直是数字集成电路的主流产品。型集成
8、电路一直是数字集成电路的主流产品。TTL电路存在着一个严重的缺点，这就是它的功耗比电路存在着一个严重的缺点，这就是它的功耗比较大。因此，用较大。因此，用TTL电路只能做成小规模集成电路电路只能做成小规模集成电路(简称简称SSI，其中仅包含，其中仅包含10个以内的门电路）和中规模个以内的门电路）和中规模集成电路集成电路(简称简称MSI，其中包含，其中包含10100个门电路）个门电路） 。7第一节半导体二极管门电路下下页页返回返回上上页页CMOS集成电路出现于集成电路出现于20世纪世纪60年代后期，它最突出年代后期，它最突出的优点在于功耗极低，所以非常适合制作大规模集成的优点在于功耗极低，所以非常
9、适合制作大规模集成电路。电路。随着随着CMOS制作工艺的不断进步，无论是在工作速度制作工艺的不断进步，无论是在工作速度还是在驱动能力上，还是在驱动能力上， CMOS电路都已经不比电路都已经不比TTL电电路逊色。路逊色。因此，因此， CMOS电路便逐渐取代电路便逐渐取代TTL电路而成为当前电路而成为当前数字集成电路的主流产品。数字集成电路的主流产品。但在现有的一些设备中仍旧在使用但在现有的一些设备中仍旧在使用TTL电路。电路。8第一节半导体二极管门电路下下页页返回返回上上页页二、半导体二极管的开关特性1.1.1.1.理想开关的开关特性理想开关的开关特性理想开关的开关特性理想开关的开关特性 静态：
10、静态：静态：静态：断开时，其等效电阻断开时，其等效电阻断开时，其等效电阻断开时，其等效电阻R ROFFOFF = = ， 通过其中的电流通过其中的电流通过其中的电流通过其中的电流 I IOFFOFF = 0= 0。 闭合时，其等效电阻闭合时，其等效电阻闭合时，其等效电阻闭合时，其等效电阻R ROFFOFF = 0= 0， 其上的电压其上的电压其上的电压其上的电压 U UAKAK = 0= 0。动态：动态：动态：动态：开通时间开通时间开通时间开通时间t tONON = 0 = 0。 关断时间关断时间关断时间关断时间t tOFFOFF = 0 = 0。9第一节半导体二极管门电路下下页页返回返回上上
11、页页2. 2. 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性时，二极管时，二极管导通导通时，二极管时，二极管截止截止控制二极管控制二极管控制二极管控制二极管的开关状态的开关状态的开关状态的开关状态二极管开关电路二极管开关电路VCCRD+-+vOvI假定二极管假定二极管假定二极管假定二极管D D为理想二极管为理想二极管为理想二极管为理想二极管动动画画10第一节半导体二极管门电路下下页页返回返回上上页页二极管的伏安特性二极管的伏安特性vio在分析各种实际的二极管电路时，由于二极管的特在分析各种实际的二极管电路时，由于二极管的特在分析各种实际的二极管电路时
12、，由于二极管的特在分析各种实际的二极管电路时，由于二极管的特性并不是理想的开关特性，所以并不是任何时候都性并不是理想的开关特性，所以并不是任何时候都性并不是理想的开关特性，所以并不是任何时候都性并不是理想的开关特性，所以并不是任何时候都能假定二极管为理想二极管。能假定二极管为理想二极管。能假定二极管为理想二极管。能假定二极管为理想二极管。反向电阻反向电阻反向电阻反向电阻不是无穷不是无穷不是无穷不是无穷大大大大正向电正向电正向电正向电阻不是阻不是阻不是阻不是0 0为简化分析和计算，常用近似的二极管特性。为简化分析和计算，常用近似的二极管特性。为简化分析和计算，常用近似的二极管特性。为简化分析和计
13、算，常用近似的二极管特性。11第一节半导体二极管门电路下下页页返回返回上上页页+ +- -3. 3. 二极管伏安特性的几种近似方法二极管伏安特性的几种近似方法二极管伏安特性的几种近似方法二极管伏安特性的几种近似方法RL+ +- -VONrD+ +- -VONOivVONOivVONV VCCCC和和R RL L都很小时都很小时V VONON和和r rD D不能忽略不能忽略Oiv与与V VCCCC和和R RL L相比相比V VONON不能忽略不能忽略r rD D可以忽略可以忽略与与V VCCCC和和R RL L相比相比V VONON和和r rD D均可忽略均可忽略i+-+VCCv12第一节半导体
14、二极管门电路返回返回三、二极管与门二极管与门的逻辑电平二极管与门的逻辑电平A/V0033B/V0303Y/V0.70.70.73.7D1、D2导通导通D1导通导通 D2截止截止D1截止截止 D2导通导通D1、 D2导通导通1. 1. 电路组成及工作原理电路组成及工作原理电路组成及工作原理电路组成及工作原理最简单的与门可以由二极管和电阻组成。最简单的与门可以由二极管和电阻组成。图中图中A、B为两个输入变量，为两个输入变量，Y为输出变量。为输出变量。设输入的高、低电平分别为设输入的高、低电平分别为3V、0V，二极管的正向导通压降为二极管的正向导通压降为0.7V 。Y二极管与门二极管与门VCC（5V
15、）RD1D2AB下下页页上上页页13第一节半导体二极管门电路下下页页返回返回上上页页A0011B0101Y0001二极管与门的真值表二极管与门的真值表如果规定如果规定如果规定如果规定3V3V以上为高电平，用逻辑以上为高电平，用逻辑以上为高电平，用逻辑以上为高电平，用逻辑1 1 状态表示，状态表示，状态表示，状态表示，以下为低电平，用逻辑以下为低电平，用逻辑以下为低电平，用逻辑以下为低电平，用逻辑0 0状态表示，则可得如下真值表。状态表示，则可得如下真值表。状态表示，则可得如下真值表。状态表示，则可得如下真值表。逻辑函数式逻辑函数式逻辑函数式逻辑函数式2. 2. 真值表真值表真值表真值表这种与门
16、电路虽然简单，这种与门电路虽然简单，但输出的高、低电平数值和输入的高、低电平数值不相等，但输出的高、低电平数值和输入的高、低电平数值不相等，负载电阻的改变有时会影响输出高电平。负载电阻的改变有时会影响输出高电平。仅用作集成电路内部的逻辑单元。仅用作集成电路内部的逻辑单元。ABY逻辑符号逻辑符号逻辑符号逻辑符号仿真仿真仿真仿真14第一节半导体二极管门电路下下页页返回返回上上页页四、二极管或门 A/V0033B/V0303Y/V02.32.32.3二极管或门的逻辑电平二极管或门的逻辑电平D1、D2截止截止D1截止截止D2导通导通 D1导通导通D2截止截止D1、 D2导通导通1. 1. 电路组成及工
17、作原理电路组成及工作原理电路组成及工作原理电路组成及工作原理最简单的或门也是由二极管和电阻组成。最简单的或门也是由二极管和电阻组成。图中图中A、B为两个输入变量，为两个输入变量，Y为输出变量。为输出变量。设输入的高、低电平分别为设输入的高、低电平分别为3V、0V，二极管的正向导通压降为二极管的正向导通压降为0.7V 。D1 RD2ABY二极管或门二极管或门15第一节半导体二极管门电路返回返回A0011B0101Y0111二极管或门的真值表二极管或门的真值表逻辑函数式逻辑函数式逻辑函数式逻辑函数式2. 2. 真值表真值表真值表真值表如果规定以上为高电平，用逻辑如果规定以上为高电平，用逻辑如果规定
18、以上为高电平，用逻辑如果规定以上为高电平，用逻辑1 1 状态表示，状态表示，状态表示，状态表示，以下为低电平，用逻辑以下为低电平，用逻辑以下为低电平，用逻辑以下为低电平，用逻辑0 0状态表示，则可得如下真值表。状态表示，则可得如下真值表。状态表示，则可得如下真值表。状态表示，则可得如下真值表。二极管或门同样存在输出电平偏移的问题，二极管或门同样存在输出电平偏移的问题，二极管或门同样存在输出电平偏移的问题，二极管或门同样存在输出电平偏移的问题，也只用于集成电路内部的逻辑单元。也只用于集成电路内部的逻辑单元。也只用于集成电路内部的逻辑单元。也只用于集成电路内部的逻辑单元。ABY逻辑符号逻辑符号逻辑符号逻辑符号下下页页上上页页仿真仿真仿真仿真16第一节半导体二极管门电路返回返回上上页页课堂练习课堂练习课堂练习课堂练习17
