半导体二极管门电路

第一节半导体二极管门电路1第一节半导体二极管门电路半导体二极管的开关特性二极管与门二极管或门概述下页总目录推出第一节半导体二极管门电路2下页返回一、概述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，通称为逻辑门电路，简称门电路。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、与或非门、异或门等。上页第一节半导体二极管门电路3下页返回上页在二值逻辑中，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：电子开关的两种状态。半导体二极管、三极管和MOS管，则是构成这种电子开关的基本开关元件。2.逻辑变量与状态开关第一节半导体二极管门电路4下页返回上页高电平和低电平是两种状态，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，分别表示二值逻辑的1和0两种逻辑状态。3.高、低电平与正、负逻辑控制开关SS断开时，输出高电平S接通时，输出低电平输入信号获得高，低电平的基本原理输出信号RvOSvIVcc第一节半导体二极管门电路5下页返回上页4.正逻辑和负逻辑10正逻辑01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。第一节半导体二极管门电路6下页返回上页5.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，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“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双极型、单极型和混合型三种。第一节半导体二极管门电路7下页返回上页1961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（IntegratedCircuits，简称IC）。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。直到20世纪80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。TTL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TTL电路只能做成小规模集成电路(简称SSI，其中仅包含10个以内的门电路）和中规模集成电路(简称MSI，其中包含10~100个门电路）。第一节半导体二极管门电路8下页返回上页CMOS集成电路出现于20世纪60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电路。随着CMOS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，CMOS电路都已经不比TTL电路逊色。因此，CMOS电路便逐渐取代TTL电路而成为当前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。第一节半导体二极管门电路9下页返回上页二、半导体二极管的开关特性1.理想开关的开关特性静态：断开时，其等效电阻ROFF=∞，通过其中的电流IOFF=0。闭合时，其等效电阻ROFF=0，其上的电压UAK=0。动态：开通时间tON=0。关断时间tOFF=0。第一节半导体二极管门电路10下页返回上页2.半导体二极管的开关特性IIL0vV时，二极管导通OOL0vVIIHCCvVV时，二极管截止OOHCCvVV控制二极管的开关状态二极管开关电路VCCRD+--+vOvI假定二极管D为理想二极管动画第一节半导体二极管门电路11下页返回上页二极管的伏安特性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。反向电阻不是无穷大正向电阻不是0为简化分析和计算，常用近似的二极管特性。)1e(TsVvIi第一节半导体二极管门电路12下页返回上页+-3.二极管伏安特性的几种近似方法RL+-VONrD+-VONOivVONOivVONVCC和RL都很小时VON和rD不能忽略Oiv与VCC和RL相比VON不能忽略rD可以忽略与VCC和RL相比VON和rD均可忽略i+--+VCCv第一节半导体二极管门电路13返回三、二极管与门二极管与门的逻辑电平A/V0033B/V0303Y/V0.70.70.73.7D1、D2导通D1导通D2截止D1截止D2导通D1、D2导通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。图中A、B为两个输入变量，Y为输出变量。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。Y二极管与门VCC（5V）RD1D2AB下页上页第一节半导体二极管门电路14下页返回上页A0011B0101Y0001二极管与门的真值表ABY如果规定3V以上为高电平，用逻辑1状态表示，0.7V以下为低电平，用逻辑0状态表示，则可得如下真值表。逻辑函数式2.真值表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，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。ABY逻辑符号仿真第一节半导体二极管门电路15下页返回上页四、二极管或门A/V0033B/V0303Y/V02.32.32.3二极管或门的逻辑电平D1、D2截止D1截止D2导通D1导通D2截止D1、D2导通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。图中A、B为两个输入变量，Y为输出变量。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。D1RD2ABY二极管或门第一节半导体二极管门电路16返回A0011B0101Y0111二极管或门的真值表BAY逻辑函数式2.真值表如果规定2.3V以上为高电平，用逻辑1状态表示，0.7V以下为低电平，用逻辑0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，也只用于集成电路内部的逻辑单元。ABY逻辑符号下页上页仿真第一节半导体二极管门电路17返回上页课堂练习