《数字电路》| 第 3 节 ‑ 逻辑门电路 | 门电路基础

3.1 本节导论本节将带你从物理层面理解数字电路的基石——半导体开关。我们将从最基础的电路概念回路、电流、电压、电位出发明确数字世界中“0”和“1”的逻辑电平定义正逻辑与负逻辑。接着深入剖析构成现代电子设备核心的两种基本半导体开关元件二极管和晶体管包括BJT三极管和FET场效应管掌握它们作为“电子开关”的工作原理与导通条件。最后我们将看到如何用这些最基础的分立元件二极管、三极管搭建出实现基本逻辑运算与、或、非的门电路。学习本节后你将理解数字信号如何在物理电路中表示以及简单的逻辑功能是如何通过半导体器件的开关特性实现的为后续学习更复杂的集成电路IC奠定坚实的物理基础。3.2 半导体基础3.2.1 电路基本概念回路、电流、电压、电位、参考点回路在电路学中回路是指由电源、负载、导线、开关等电路元件构成的闭合路径电流能够沿着该路径从电源正极流出经过所有元件后流回电源负极电流单位时间内通过导体横截面的电荷量用符号I表示单位安培规定正电荷定向移动的方向为电流的正方向与负电荷如电子移动方向相反金属导体中实际载流子是电子电子移动方向与电流正方向相反电解液中载流子是正负离子正离子移动方向与电流方向一致。电压电场力将单位正电荷从一点移动到另一点所做的功称为这两点间的电压本质是电路中两点之间的电位差是促使电荷定向移动形成电流的动力。电压是有方向的物理量规定从高电位点正极指向低电位点负极也称为电压降的方向电位与参考点电位是相对值需指定参考点如地 GND参考点电位为0电路中任意点电位 该点到参考点的电压差3.2.2 正逻辑与负逻辑一正逻辑将高电平H定义为逻辑 1低电平L定义为逻辑 0。二负逻辑将高电平H定义为逻辑 0低电平L定义为逻辑 13.2.3 二极管开关特性一二极管导通条件3.2.4 晶体管开关特性晶体管Transistor是半导体三极管、场效应管等所有半导体放大 / 开关器件的总称核心功能是实现电流放大或电路开关三极管Bipolar Junction Transistor, BJT是晶体管的其中一种全称为双极结型晶体管依靠空穴和电子两种载流子导电常见类型有NPN 型和PNP 型一晶体管分类**双极结型晶体管BJT**→三极管NPN/PNP**场效应晶体管FET**→MOS管、结型场效应管JFET等二晶体管导通条件三极管的导通条件场效应晶体管FET增强型 MOS 管导通条件BJT饱和导通要两结正偏放大导通要发射结正偏、集电结反偏截止要发射结反偏增强型 MOS 管导通要栅压够阈值截止要栅压不够阈值3.3 分立元件构成的门电路3.3.1 二极管与门0 V - 0.7 V 表示逻辑 03 V - 3.7 V 表示逻辑 13.3.2 二极管或门-0.7 V - 0 V 表示逻辑 02.3 V - 3 V 表示逻辑 13.3.3 三极管非门3.4 本节小结本节我们系统学习了数字电路的物理基础。首先我们明确了回路、电流、电压、电位等基本电路概念它们是理解一切电子系统运作的起点。接着我们定义了数字世界的“语言”——正逻辑高电平为1低电平为0与负逻辑高电平为0低电平为1。然后我们深入剖析了两种核心的半导体开关元件二极管单向导电正向偏置导通和晶体管包括BJT三极管和FET场效应管通过控制极电压或电流实现开关。最后我们看到了如何用这些分立元件搭建出实现基本逻辑运算的门电路二极管构成与门、或门三极管构成非门。掌握这些内容你就理解了数字信号在物理电路中的表示方式以及最基础的逻辑功能是如何通过半导体器件的开关特性实现的为后续学习集成电路IC打下了坚实的基石。