高二物理競(jìng)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(kāi)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(diǎn)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(lái)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(gè)物理量的信號(hào)往往具有二值性，因此以開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)二值性的邏輯控制是最簡(jiǎn)單的例子。

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

電控開(kāi)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(guò)程如下：19世紀(jì)末,電報(bào)通信，第一個(gè)簡(jiǎn)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(chǔ)或記憶的新概念，并且產(chǎn)生了自動(dòng)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(chǔ)程序技術(shù)，產(chǎn)生了第一代計(jì)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(jì)算機(jī)。20世紀(jì)70年代，集成電路，產(chǎn)生了第三代計(jì)算機(jī)。緊接，大規(guī)模集成電路，產(chǎn)生了第四代計(jì)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(kāi)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(gè)燈泡的狀態(tài)來(lái)控制另一個(gè)電路的開(kāi)關(guān)。電控開(kāi)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(lái)完成，如下圖。是兩個(gè)不同的獨(dú)立電路的連接點(diǎn)，按照一種類似于接力賽跑中接力棒的傳送的方式，把一個(gè)值從一個(gè)電路傳送到另一個(gè)。特殊的開(kāi)關(guān):鐵質(zhì)材料和開(kāi)關(guān)電流流過(guò)開(kāi)關(guān)附近的磁鐵來(lái)合上和斷開(kāi)開(kāi)關(guān)的例子。磁鐵和開(kāi)關(guān)一起構(gòu)成了繼電器。

繼電器電路非常大，速度慢。

沒(méi)有人用它構(gòu)成大規(guī)模的計(jì)算機(jī)器。這是因?yàn)榇盆F充電要耗費(fèi)時(shí)間，而且機(jī)械開(kāi)關(guān)具有與它們的質(zhì)量直接成正比的慣性，轉(zhuǎn)換起來(lái)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(wèn)題。晶體管，能進(jìn)行非常有用的設(shè)計(jì)，能構(gòu)成非常便宜的計(jì)算設(shè)備。(即第二代計(jì)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(gè)方向流動(dòng)，而不能向反方向流動(dòng)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(hào)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(guò)。由于二極管并非一個(gè)理想的導(dǎo)體，所以在它上面會(huì)有一個(gè)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(méi)有電流流過(guò)。兩個(gè)或稍多一些的二極管以及一個(gè)電阻，構(gòu)成簡(jiǎn)單的邏輯門電路(見(jiàn)下圖)。左圖是與門，右圖是或門。該電路很難級(jí)聯(lián)：級(jí)聯(lián)時(shí)，在二極管上損失的壓降將會(huì)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(méi)有非邏輯，僅有或邏輯和與邏輯不是一個(gè)完備的邏輯體系。

晶體管解決了所有這些問(wèn)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(kāi)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(kāi)，輸出節(jié)點(diǎn)F放電到地，電位十分接近零，卻永遠(yuǎn)到不了零?；鶚O的低電位使晶體管關(guān)斷。輸出節(jié)點(diǎn)F就會(huì)通過(guò)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(kāi)的，此時(shí)D3的正極電壓要達(dá)到，實(shí)現(xiàn)的是“與邏輯”。

如果D3正極接高電壓，晶體管的基極就會(huì)被高電壓驅(qū)動(dòng)，晶體管就能打開(kāi)，電壓越高內(nèi)阻也越低，F(xiàn)點(diǎn)就幾乎會(huì)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(wú)窮大，從而使輸出節(jié)點(diǎn)達(dá)到邏輯1的電平。DTL優(yōu)點(diǎn):(1)易構(gòu)成與非邏輯、或非邏輯。是一個(gè)邏輯完備組。(2)該系列邏輯門使用更低的電壓，耗費(fèi)更少的功耗，以更高速度工作。(3)能實(shí)現(xiàn)“線與”邏輯。

例如，把多個(gè)DTL與非門的輸出接在一起時(shí)，如果任一個(gè)與非門的輸出是邏輯0，那么整個(gè)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(shí)際上，所謂的與門并不存在。僅僅是簡(jiǎn)單地表示這樣的連接形成了一個(gè)與邏輯。

1)當(dāng)輸入端A和B中有一個(gè)為低時(shí)，通過(guò)晶體管基極外電阻Rl的電流大部分都傳到了地上。沒(méi)有電流從基極流到集電極，也就沒(méi)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(guò)上拉電阻R2將輸出節(jié)點(diǎn)充電到高電位。2)當(dāng)所有的輸入端都是高電位時(shí)，通過(guò)R1的電流才能從基