高二物理競賽課件數(shù)字邏輯門電路

數(shù)字邏輯門電路1.早期門電路開關(guān)和繼電器電路的工作原理二極管的工作原理，及其與電阻構(gòu)成的與門和或門2.雙極型晶體管邏輯基本雙極型晶體管邏輯：

晶體管和電阻構(gòu)成的反向器、晶體管——二極管（DTL）邏輯及其優(yōu)點晶體管——晶體管（TTL）邏輯3.MOS晶體管p型晶體管和n型晶體管以及晶體管的未來4.與集成電路集成電路制造技術(shù)、封裝、規(guī)模類型以及使用特性數(shù)字邏輯門電路一個物理量的信號往往具有二值性，因此以開關(guān)來實現(xiàn)二值性的邏輯控制是最簡單的例子。

開關(guān)是數(shù)字計算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)模塊。開關(guān)的合理排列是數(shù)字電路中抽象計算的物理配置，即一種不同的設(shè)計。

電控開關(guān)是數(shù)字邏輯電路的核心構(gòu)成。數(shù)字技術(shù)的發(fā)展過程如下：19世紀(jì)末,電報通信，第一個簡單的二值性電氣數(shù)字系統(tǒng)。20世紀(jì)30年代，使用電磁式繼電器，增強(qiáng)了邏輯功能，在數(shù)字技術(shù)中初次引進(jìn)了信息存儲或記憶的新概念，并且產(chǎn)生了自動電話。20世紀(jì)40年代，電子管，速度上和能量消耗上更加滿足需要，并采用了存儲程序技術(shù)，產(chǎn)生了第一代計算機(jī)。緊接，晶體管，縮小了體積和降低了能量的消耗，在工作的速度上也有所提高，產(chǎn)生了第二代計算機(jī)。20世紀(jì)70年代，集成電路，產(chǎn)生了第三代計算機(jī)。緊接，大規(guī)模集成電路，產(chǎn)生了第四代計算機(jī)，即所謂的微機(jī)或單片機(jī)。產(chǎn)生了全電子電話交換系統(tǒng)。1.早期門電路

1）開關(guān)的工作原理。要構(gòu)造更大并且更有意思的電路，找到一種方法可以用一個燈泡的狀態(tài)來控制另一個電路的開關(guān)。電控開關(guān)是數(shù)字邏輯電路的核心構(gòu)成。

較早的數(shù)字電路中，用繼電器（relay）來完成，如下圖。是兩個不同的獨立電路的連接點，按照一種類似于接力賽跑中接力棒的傳送的方式，把一個值從一個電路傳送到另一個。特殊的開關(guān):鐵質(zhì)材料和開關(guān)電流流過開關(guān)附近的磁鐵來合上和斷開開關(guān)的例子。磁鐵和開關(guān)一起構(gòu)成了繼電器。

繼電器電路非常大，速度慢。

沒有人用它構(gòu)成大規(guī)模的計算機(jī)器。這是因為磁鐵充電要耗費時間，而且機(jī)械開關(guān)具有與它們的質(zhì)量直接成正比的慣性，轉(zhuǎn)換起來非常慢。真空管，電子設(shè)備，能構(gòu)造更大的系統(tǒng)。

真空管還是太大，而且經(jīng)常出現(xiàn)不可靠的問題。晶體管，能進(jìn)行非常有用的設(shè)計，能構(gòu)成非常便宜的計算設(shè)備。(即第二代計算機(jī)的出現(xiàn)——DJS130)。2）電阻和二極管構(gòu)成的邏輯門

二極管是一種僅允許電流向一個方向流動，而不能向反方向流動的二端器件。下圖所示為二極管的原理圖。二極管的兩端分別稱為正極和負(fù)極。在二極管圖示符號中，箭頭從正極指向負(fù)極。如果二極管的正極電位比負(fù)極高，二極管就處在所謂的正偏狀態(tài)：內(nèi)部電阻很低，電流通過。由于二極管并非一個理想的導(dǎo)體，所以在它上面會有一個的很小的壓降。

如果二極管正極的電位低于負(fù)極的電位，二極管就處于反偏狀態(tài)：內(nèi)部電阻極高，沒有電流流過。兩個或稍多一些的二極管以及一個電阻，構(gòu)成簡單的邏輯門電路(見下圖)。左圖是與門，右圖是或門。該電路很難級聯(lián)：級聯(lián)時，在二極管上損失的壓降將會累加在一起，從而導(dǎo)致輸出電位的嚴(yán)重惡化。

構(gòu)不成反相器（非門）：沒有非邏輯，僅有或邏輯和與邏輯不是一個完備的邏輯體系。

晶體管解決了所有這些問題。3）雙極型晶體管邏輯（20世紀(jì)70年代和80年代早期的主流技術(shù)邏輯門）雙極型晶體管是三端半導(dǎo)體器件。在基極的控制下，電流可以從集電極流到發(fā)射極。

晶體管是構(gòu)建現(xiàn)代數(shù)字邏輯電路關(guān)鍵的電控開關(guān)?；痉聪嗥鳎壕w管和電阻構(gòu)成，如下左圖所示，圖中所示的是npn型晶體管。基極的高電位使晶體管打開，輸出節(jié)點F放電到地，電位十分接近零，卻永遠(yuǎn)到不了零。基極的低電位使晶體管關(guān)斷。輸出節(jié)點F就會通過上拉負(fù)載電阻R1充電至電源電壓。

右圖是二極管——晶體管邏輯（DTL），要晶體管導(dǎo)通，D3必須是打開的，此時D3的正極電壓要達(dá)到，實現(xiàn)的是“與邏輯”。

如果D3正極接高電壓，晶體管的基極就會被高電壓驅(qū)動，晶體管就能打開，電壓越高內(nèi)阻也越低，F(xiàn)點就幾乎會被放電至0V。

如果D3正極接低電壓，基極電位相應(yīng)變低，這使得晶體管截止，內(nèi)阻無窮大，從而使輸出節(jié)點達(dá)到邏輯1的電平。DTL優(yōu)點:(1)易構(gòu)成與非邏輯、或非邏輯。是一個邏輯完備組。(2)該系列邏輯門使用更低的電壓，耗費更少的功耗，以更高速度工作。(3)能實現(xiàn)“線與”邏輯。

例如，把多個DTL與非門的輸出接在一起時，如果任一個與非門的輸出是邏輯0，那么整個電路的總輸出也將是邏輯0。要想整體輸出為邏輯1，那么只有所有的門的輸出端都是邏輯1才可以。實際上，所謂的與門并不存在。僅僅是簡單地表示這樣的連接形成了一個與邏輯。

1)當(dāng)輸入端A和B中有一個為低時，通過晶體管基極外電阻Rl的電流大部分都傳到了地上。沒有電流從基極流到集電極，也就沒有電流到達(dá)輸出晶體管的基極。因此，輸出晶體管是截止的，通過上拉電阻R2將輸出節(jié)點充電到高電位。2)當(dāng)所有的輸入端都是高電位時，通過R1的電流才能從基