數電3_1——半導體二極管門電路

1. 概述

1.1 門電路

實現基本邏輯運算和複合運算的單元電路稱爲門電路，常用門電路有非門、與非門、或非門、異或門、與或非門等

1.2 正負邏輯系統

1. 在二值邏輯中，如果用高電平表示邏輯“1” ，低電平表示邏輯“0” ，在這種規定下的邏輯關係稱爲正邏輯；如果用高電平表示邏輯“0” ，低電平表示邏輯“1” ，在這種規定下的邏輯關係稱爲負邏輯。如圖所示
   
2. 正負邏輯式互爲對偶式，即若給出一個正邏輯的邏輯式，則對偶式即爲負邏輯的邏輯式，如正邏輯爲或門，即$Y=A+B$，對偶式爲$Y^{D} ＝AB$。正負邏輯的使用依個人的習慣，但同一系統中採用一種邏輯關係,本課程採用正邏輯
   

例子：正邏輯對應的是或門時，負邏輯對應的是與門

正負邏輯	A的電平	B的電平	輸出電平
	高	高	高
正邏輯	1	1	1
負邏輯	0	0	0
	低	高	高
正邏輯	0	1	1
負邏輯	1	0	0
	高	低	高
正邏輯	1	0	1
負邏輯	0	1	0
	低	低	低
正邏輯	0	0	0
負邏輯	1	1	1

1.3 高低電平的實現

1.3.1 開關電路實現高低電平

在數字電路中，輸入輸出都是二值邏輯，其高低電平用“0”和“1”表示。其高低電平的獲得是通過開關電路來實現，如二極管或三極管電路組成。如圖所示

原理：當開關S斷開時，輸出電壓$v _{o}＝V cc$ ，爲高電平“1”；當開關閉合時，輸出電壓$v_{o} ＝0$，爲低電平“0”；若開關由三極管構成，則控制三級管工作在截止和飽和狀態，就相當開關S的斷開和閉合

1.3.2 互補開關電路

單開關電路，在導通的時候，因爲會有電流通過，所以功耗較大，所以採用下圖的互補開關電路,用另外一個管子（開關）代替電阻，節省功耗

原理： 開關$S_{1}$和$S_{2}$ 受同一輸入信號v I 的控制，而且導通和斷開的狀態相反。當$S_{1}$閉合時，$S_{2}$斷開，輸出爲高電平“1”；相反當$S_{1}$ 斷開時，$S_{2}$閉合，輸出爲高電平“0”。

優點：互補開關電路由於兩個開關總有一個是斷開的，流過的電流爲零，故電路的功耗非常低，因此在數字電路中得到廣泛的應用

1.4 數字電路概述

1. 優點：在數字電路中由於採用高低電平，並且高低電平都有一個允許的範圍，故對元器件的精度和電源的穩定性的要求都比模擬電路要低，抗干擾能力也強
2. 分類：可分爲分立元件邏輯門電路和集成邏輯門電路
   ·分立元件邏輯門電路是由半導體器件、電阻和電容連接而成。
   ·集成邏輯門電路是將大量的分立元件通過特殊工藝集成在很小的半導體芯片上

2. 半導體二極管門電路

將開關換成二極管，得到以下電路：

對於圖所示二極管開關電路，由於二極管具有單向導電性，故它可相當受外加電壓$v_{I}$控制的開關

2.1 半導體二極管開關特性

2.1.1 穩態特性

• 將電路處於相對穩定狀態(沒有劇烈變化)下，晶體二極管所呈現的開關特性稱爲穩態開關特性

設$v_{i}$的高電平爲$V_{IH} ＝V_{CC}$ ， $v_{i}$的低電平爲$V_{IL} ＝0$，且D爲理想元件，即正向導通電阻爲0，反向電阻無窮大，穩態時：

• 當$v_{I}=V_{IH} ＝V_{CC}$時，D截止，輸出電壓$v_{o} ＝V _{OH} ＝ V_{CC}$
• 當$v_{} ＝V_{IL} ＝0$時，D導通，輸出電壓$v_o ＝ V_{OL} ＝0$；

即可以用輸入電壓v i 的高低電平控制二極管的開關狀態，並在輸出端得到相應的高低電平

2.1.2 動態特性

圖解

當電路處於動態狀態，即二極管兩端電壓突然反向時，半導體二極管所呈現的開關特性稱爲動態開關特性（簡稱動態特性），二極管的動態特性如圖所示

• 由於在輸入電壓轉換狀態的瞬間，二極管由反向截止到正向導通時，內電場的建立需要一定的時間，所以二極管電流的上升是緩慢的
• 當二極管由正向導通到反向截止時，二極管的電流迅速衰減並趨向飽和電流也需要一定的時間.

因爲時間很短，在示波器一般無法看到。在輸入信號的頻率較低時，導通和截止的轉換時間可以認爲是瞬間完成，但是頻率太高時，就不能忽略（ 因爲我的電流還沒變化完成，你電壓又有變化）

開關時間

將二極管由截止轉向導通所需的時間稱爲 正向恢復時間（開通時間） $t_{on}$ ；
二極管由導通轉向截止所需的時間稱爲 反向恢復時間（關斷時間） $t_{re}$，
兩者統稱爲二極管的開關時間，一般$t_{on}$ << $t_{re}$ (覆水難收）

2.2 二極管門電路舉例

2.2.1 二極管與門

1. 電路與工作原理——並聯作開關
   
   A,B兩個二極管，只要有一個是低電平（0V），那麼電路就會導通，Y輸出低電平（0.7V）；只有兩個二極管同時爲高電平3V，電路截止，Y輸出高電平
2. 輸入輸出真值表
   

2.2.2 二極管或門

1. 電路與工作原理——並聯充當電源
   
   
   A,B兩個二極管，只要有一個是高電平（3V），那麼電路就會導通，Y輸出高電平（2.3V）；只有兩個二極管同時爲低電平0V，電路截止，Y輸出低電平0V

2. 輸入輸出真值表
   

二極管構成門電路的缺點：

• 電平有偏移:輸出的高低電平數值與輸入的高低電平數值相差一個二極管的壓降，後級的二極管門電路電平偏移，甚至使得高電平下降到門限值以下
• 帶負載能力差：由於這種二極管門電路的輸出電阻比較低，故帶負載能力差，輸出電平會隨負載的變化而變化