3第一节 半导体二极管门电路

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第一节 半导体二极管门电路

第一节 半导体二极管门电路概述 半导体二极管的开关特性 二极管与门 二极管或门1

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第一节 半导体二极管门电路

一、概述1.门电路的概念 1.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， 通称为逻辑门电路 简称门电路 通称为逻辑门电路，简称门电路。 逻辑门电路， 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： 与门、或门、非门、与非门、或非门、 与门、或门、非门、与非门、或非门、 与或非门、异或门等 与或非门、异或门等。

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第一节 半导体二极管门电路

2.逻辑变量与状态开关 2.逻辑变量与状态开关

在二值逻辑中，逻辑变量的取值不是1就是0 在二值逻辑中，逻辑变量的取值不是1就是0, 在数字电路中，与之对应的是： 在数字电路中，与之对应的是： 电子开关的两种状态。 电子开关的两种状态。 半导体二极管 、三极管和MOS管， 三极管和MOS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。

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第一节 半导体二极管门电路

3.高 低电平与正、 3.高、低电平与正、负逻辑 高电平和低电平是两种状态， 高电平和低电平是两种状态， 是两种状态 是两个不同的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， 在电子电路中用高、低电平，分别表示二值逻 两种逻辑状态。 辑的 1 和 0 两种逻辑状态。Vcc

控制 开关S 开关S

R 输 入 vI 信 号

输 出 vO 信 号

S

S断开时，输出高电平 断开时， S接通时，输出低电平 接通时，

获得高，低电平的基本原理4

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4. 正逻辑和负逻辑1 0

0正逻辑

1负逻辑

用1表示高电平 用0表示低电平

用0表示高电平 用1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

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5. 门电路的发展 在最初的数字逻辑电路中， 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。 个分立的半导体器件和电阻、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 这就严重地制约了数字电路的普遍应用。 的，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 平的不断提高， 平的不断提

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“ 一块很小的半导体芯片上，构成功能复杂的“片上 系统” 系统”。 从制造工艺上可以将目前使用的数字集成电路分为 双极型、单极型和混合型三种 三种。 双极型、单极型和混合型三种。6

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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、 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， 器件制作在同一硅片上，制成了数字集成电路 (Integrated Circuits,简称 IC)。 , )。 体积小、 由于集成电路体积小 重量轻、可靠性好， 由于集成电路体积小、重量轻、可靠性好，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20世纪 年代初，采用双极型三极管组成的 直到 世纪80年代初 采用双极型三极管组成的TTL 世纪 年代初， 型集成电路一直是数字集成电路的主流产品。 型集成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， 电路存在着一个严重的缺点 较大。因此， 电路只能做成小规模集成电路(简 较大。因此，用TTL电路只能做成小规模集成电路 简 电路只能做成小规模集成电路 个以内的门电路) 称SSI,其中仅包含 个以内的门电路)和中规模集 ，其中仅包含10个以内的门电路 成电路(简称 简称MSI,其中包含 个门电路) 成电路 简称 ，其中包含10~100个门电路) 。 个门电路7

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CMOS集成电路出现于 世纪 年代后期，它最突 集成电路出现于20世纪 年代后期， 集成电路出现于 世纪60年代后期 出的优点在于功耗极低， 出的优点在于功耗极低，所以非常适合制作大规模 集成电路。 集成电路。 随着CMOS制作工艺的不断进步，无论是在工作速 制作工艺的不断进步， 随着 制作工艺的不断进步 度还是在驱动能力上， 电路都已经不比TTL 度还是在驱动能力上， CMOS电路都已经不比 电路都已经不比 电路逊色。 电路逊色。 因此， 电路便逐渐取代TTL电路而成为当前 因此， CMOS电路便逐渐取代 电路便逐渐取代 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TTL电路。 电路。 但在现有的一些设备中仍旧在使用 电路

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二、半导体二极管的开关特性1.理想开关的开关特性 1.理

想开关的开关特性 静态：断开时，其等效电阻R ∞, 静态：断开时，其等效电阻ROFF = ∞, 0。 通过其中的电流 IOFF = 0。 闭合时，其等效电阻R 0, 闭合时，其等效电阻ROFF = 0, 其上的电压 UAK = 0。 0。 动态：开通时间t 0。 动态：开通时间tON = 0。 关断时间t 关断时间tOFF = 0。 0。9

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2. 半导体二极管的开关特性VCC R D + + 动画

控制二极管 的开关状态

vI-

vO-

假定二极管D 为理想二极管

二极管开关电路vI =VIL = 0vI =VIH =VCC

时，二极管导通 二极管导通 时，二极管截止 二极管截止10

vO =VOL = 0vO =VOH =VCC上页 下页 返回

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在分析各种实际的二极管电路时， 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， 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。i

反向电阻 不是无穷 大

正向电 阻不是0 阻不是0

o

v

i = Is (e

v VT

1)

二极管的伏安特性

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。11

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3. 二极管伏安特性的几种近似方法

第一节 半导体二极管门电路 + v VCC + i i RL

i

i

O

vVON VON

O

vVON VON

O

v

+

rD

-

+

-

+

-

VCC和RL都很小时 VON和rD不能忽略

与VCC和RL相比 VON不能忽略 rD可以忽略12

与VCC和RL相比 VON和rD均可忽略上页 下页 返回

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三、二极管与门1. 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A 为两个输入变量， 为输出变量 为输出变量。 图中 、B为两个输入变量，Y为输出变量。 为两个输入变量VCC(5V) ) R D1 A B D2

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0.7V 。 二极管的正向导通压降为Y 二极管与门的逻辑电平 A/V 0 0 B/V 0 3 0 3 Y/V 0.7 0.7 0.7 3.7

D1、D2导通 D1导通 D2截止 D1截止 D2导通 D1、 D2导通上页 下页 返回

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二极管与门

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2. 真值表如果规定3V以上为高电平，用逻辑1 状态表示， 如果规定3V以上为高电平，用逻辑1 状态表示， 以上为高电平二极管与门的真值表 A A B Y B Y

仿真

0.7V以下为低电平，用逻辑0状态表示，则可得如下真值表。 0.7V以下为低电平，用逻辑0状态表示，则可得如下真值表。 以下为低电平

0 0 1 1

0 1 0 1

0 0 0 1 逻辑符号

逻辑函数式

Y = AB

这种与门电路虽然简单， 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。14

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四、二极管或门1. 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A 为两个输入变量， 为输出变量 为输出变量。 图中 、B为两个输入变量，Y为输出变量。 为两个输入变量 设输入的高、低电平分别为3V、 , 设输入的高、低电平分别为 、0V,D1 A B D2 R Y

二极管的正向导通压降为0.7V 。 二极管的正向导通压降为二极管或门的逻辑电平 A/V 0 0 3 B/V 0 3 0 315

Y/V 0 2.3 2.3 2.3

D1、D2截止 D1截止 2导通 截止D D1导通 2截止 导通D D1、 D2导通上页 下页 返回

二极管或门

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2. 真值表如果规定2.3V以上为高电平，用逻辑1 状态表示， 如果规定2.3V以上为高电平，用逻辑1 状态表示， 以上为高电平

仿真

0.7V以下为低电平，用逻辑0状态表示，则可得如下真值表。 0.7V以下为低电平，用逻辑0状态表示，则可得如下真值表。 以下为低电平二极管或门的真值表 A B Y A B Y

0 0 1 1

0 1 0 1

0 1 1 1

逻辑符号

逻辑函数式

Y = A+ B

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。16

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课堂练习

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