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什么是逻辑门电路(艺术)

admin 12-04 00:07 237次浏览

上次我们讲了pn结,pn结两端的连接线变成了二极管。它是P型半导体和N型半导体的结合体。三极管是P型N型P型,或N型P型N型,或简称pnp型或NP-n型半导体。每个半导体区域具有引脚端子。换句话说,二极管加直流电压可以导电,但反向电压不会导电。高电位和低电位两种状态正好对应于二进制中的1和0。在这节课中,让我们简单地看一下由二极管和三极管组成的基本逻辑门电路。

三极管

先看三极管的特性。左边是晶体管的结构。右边是三极管的电路符号。e代表发射极,b代表基极,c代表集电极。三极管的特点是:当B处于高电位时,ec导通,而当B处于低电位时,ec关断。

了解了二极管和三极管的特性,就很容易画出基本的逻辑门。我们先看看OR门。

或门电路

或门电路是由两个并联的二极管和串联的电阻组成的电路。粗短线表示接地,接地表示低电位。如果A、B、C的高电位用1表示,低电位用0表示,那么从二极管的单侧导通性来看,当A或B中有一个为高电位时(即a=1或b=1时),至少有一个二极管导通,使电流从上而下流过R,R的上端C相对于另一端为高电位,即有c=1。只有当A和B都处于低电位(a=0,b=0)时,两个二极管都不导通,没有电流流过R,R的上下电位相同,都处于低电位,即c=0。

与门电路

与门电路使用两个串联的三极管和电阻。其工作原理是,当两个三极管的基极A和B同时施加高电位时,两个三极管都导通,使电阻R从上到下都有电流,使C端为高电位(即c=1),否则,要么a=0,要么a=b=0,要么b=0,这两者中的任何一个都会使两个三极管中至少有一个。因为C端通过电阻R连接到“地”,所以地是低电位,所以C端是低电位。

非门电路

非门电路是与电阻器串联的三极管。工作原理是:当端子A的高电位为a=1时,由于三极管导通,就相当于C直接接地,所以C点的电位与地相同,即0。而当a=0时,由于三极管处于关断状态,C通过R与较低的高电位相同,存在c=1。

这三个电路可以继续组合,形成或非门、与非门、异或门、异或门等电路。

让我们看一个显示数字的例子:

图片来自《数字电子技术课程设计》:八路抢答器的模拟电路图,左边有8个输入,右边有7个输出,右边每个输出对应一个led,上电时会亮起。在左边输入十进制数字5的二进制“00000101”。逻辑门电路转换后,右侧输出端相应的led点亮,显示数字5。

如你所见,数字显示电路已经非常复杂了。如果要设计一个加法电路来计算1/1,其复杂度显然是出类拔萃的!

有了这些基本的逻辑门,芯片设计专业人员就可以设计出超复杂的电路。然后经过光刻、刻蚀等一系列复杂的工艺,就可以把电路刻在晶圆上,切下一小块来做CPU。

所以,一个看似是各种高技术结合的CPU,其底层原理也只是由这些基本的逻辑门组成。

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