0和1的艺术，与、或、非基本逻辑门电路
cac55 2024-11-11 10:37 13 浏览 0 评论
上回我们说到pn结，在pn结两端连接上导线就变成二极管。二极管是p型半导体和n型半导体结合而成，三极管就是p型+n型+p型，或者n型+p型+n型，简称pnp型或者npn型半导体。每一个半导体区域都有一个引脚端接出。pn结或者说二极管外加正向电压可以导电，外加反向电压就不导电，高低电位这两种状态正好对应了二进制中的1和0。这节课，我们一起简单看一下利用二极管和三极管组成的基本逻辑门电路。
? 三极管
首先看一下三极管的特性。左边就是三极管的结构。右边是三极管的电路符号。E表示发射极（Emitter）、B表示基极（Base）和C表示集电极（Collector）。三极管的特性是：当b为高电位时，ec之间导通，而b为低电位时，ec之间则断开。
了解了二极管和三极管的特性，就很容易画出基本逻辑门电路。先来看一下或门电路。
? 或门电路
或门电路是用两个二极管并联再和电阻串联组成的电路，粗短线表示接地，接地表示低电位。如果将a、b、c高电位用1来表示，低电位用0来表示，那么由二极管的单向导电性可知，当a或b有一个是高电位时（即a=1或b=1时），至少就有一个二极管导通，于是R就有从上往下的电流通过，R的上端c相对于另一端是高电位，即有c=1。只有当a和b都是低电位时（a=0且b=0），两个二极管都不导通，R上就没有电流通过，R的上端和R的下端电势相同，都为低电位，即c=0。
? 与门电路
与门电路是用两个三极管和电阻串联，工作原理是：当两个三极管的基极a，b同时加上高电位时，两个三极管都导通，于是电阻R才有由上向下的电流，这样c端就是高电位（即c=1），不然，或者a=0，或者a=b=0，或者b=0，此任何一种情况都会使两个三极管至少有一个处在截止状态，这样电路就处于断开状态，电阻R没有电流通过。由于c端通过电阻R和“地”相连，地是低电位，故而c端是低电位。
? 非门电路
非门电路是一个三极管与电阻串联。工作原理是：当a端高电位即a=1时，由于三极管导通，相当于c与地直接相连，于是c点的电位和地一样，就是0。而当a=0时，由于三极管处在截止状态，c通过R与下端高电位一样，则有c=1。
这三种电路可以继续组合形成或非门、与非门、异或门、异或非门等电路。
下面一起来看一个显示数字的例子：
图片来自《数字电子技术课程设计》：八路智力竞赛抢答器的仿真电路图，左边有8个输入端，右边有7个输出端，右边的每个输出端分别对应一个led，通电时就会亮起。在左边输入十进制数字5的二进制`00000101` 经过逻辑门电路的转换，右边输出端就会相应点亮对应led，显示出数字5。
大家可以看到，光一个数字显示的电路就已经很复杂了，如果想设计一个计算1+1的加法运算电路，其复杂程度，就很明显超纲了！
有了这些基本逻辑门电路，芯片设计专业人员就可以设计出超级复杂的电路。然后经过光刻，蚀刻等一些列复杂工序，就可以将电路刻到晶圆上，切下一小块，就可以做成CPU了。
所以，一块看似集各种高科技于一身的CPU，其底层原理，也只是由这些基本的逻辑门电路构成。
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