[科普中国]-二极管逻辑电路

基本概念

二极管逻辑电路（Diode logic circuit）是用晶体二极管作为操作开关的逻辑电路。二极管逻辑的优点是电路简单。但是并不是所有的逻辑功能都可以用二极管逻辑来实现的，二极管逻辑电路中只有逻辑与门，或门，不能实现非门。在几个二极管逻辑电路级联的时候会出现电压降的问题，所以二极管逻辑电路只能单独使用，不能级联。二极管逻辑的使用：二极管逻辑一般是用于构建二极管—晶体管逻辑（DTL）门电路中。

二极管的工作原理P-N结的单向导电性利用二极管实现逻辑电路主要是利用了二极管的单向导电性，二极管之所以具有单向导电性，是因为制作二极管的半导体中P-N结的作用，下面首先对P-N结做一些介绍。

P-N结是在一块半导体中，掺入施主（如硅元素）杂质，使其中一部分成为N型半导体。其余部分掺入受主杂质（如硼元素）而成为P型半导体，当P型半导体和N型半导体这两个区域共处一体时，这两个区域之间的交界层就是P-N结。P-N结很薄，结中电子和空穴都很少，但在靠近N型一边有带正电荷的离子，靠近P型一边有带负电荷的离子。这是因为，在P型区中空穴的浓度大，在N型区中电子的浓度大，所以把它们结合在一起时，在它们交界的地方便要发生电子和空穴的扩散运动.由于P区有大量可以移动的空穴，N区几乎没有空穴，空穴就要由P区向N区扩散。同样N区有大量的自由电子，P区几乎没有电子，所以电子就要由N区向P区扩散.随着扩散的进行，P区空穴减少，出现了一层带负电的粒子区；N区电子减少，出现了一层带正电的粒子区。结果在P-N结的边界附近形成了一个空间电荷区，P型区一边带负电荷的离子，N型区一边带正电荷的离子，因而在结中形成了很强的局部电场，方向由N区指向P区。当结上加正向电压（即P区加电源正极，N区加电源负极如图1）时，这时电场减弱，N区中的电子和P区中的空穴都容易通过，因而电流较大;当外加电压相反（图2）时，则这时电场增强，只有原N区中的少数空穴和P区中的少数电子能够通过，因而电流很小。这就是P-N结的单向导电性1。

图1

图2

二极管的单向导电性二极管多用半导体材料制成，由于其中P-N结单向导电性的作用，故二极管具有单向导电性。

（1）正向特性

在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为 0.3V，硅管约为 0.7V），称为二极管的“正向压降”。二极管正向导通电压很低与高电压相比可以近似认为为零。如图6。

（2）反向特性

在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。

二极管逻辑电路二极管与门电路如图，若输入端中有任意一个例如为0V，为+6 V，在这种情况下，D1导通，使Y点电压钳制在0V。此时D2受反向电压作用而截止，所以。由此可见，与门几个输入端中，只有加低电压输入的二极管才导通，并把Y钳制在低电压（接近0V），而加高电压输入的二极管都截止。

若输入端A，B都处于高电压+6V，这时，D1和D2都截止，所以输出端Y点电压与+相等，即=+6V。

二极管或门电路或门电路为：

输入与输出电压之间的关系表为：

从而得出或门逻辑真值表为：

三种逻辑电路的比较随着现代科技的发展，人们的生活已经离不开数字电路。逻辑门电路是数字电路中最基本的逻辑元件。所谓门就是一种开关，它能按照一定的条件去控制信号的通过或不通过。门电路的输入和输出之间存在一定的逻辑关系（因果关系），所以门电路又称为逻辑门电路。基本逻辑关系为“与”、“或”、“非”三种。常用的有CMOS逻辑，TTL逻辑和二极管逻辑，下面是三种逻辑的比较：

（1）二极管逻辑电路优点是电路形式简单，工作电压范围不受限制，用开关管或超快恢复二极管、肖特基二极管可以达到较高的速度，但驱动能力相对较弱，功耗相对较大，输入阻抗相对较低，综合起来造成扇出系数很低。并且由于不能实现逻辑非门，不能级联，二极管逻辑的使用是很受限制的。

（2）TTL逻辑电路缺点是电路形式比二极管逻辑电路要复杂，工作电压范围较窄，输入阻抗高于二极管逻辑电路但不如CMOS逻辑电路，功耗略大，优点是速度较高，驱动能力也较强，综合起来扇出系数中等。

（3）CMOS逻辑电路缺点是电路形式比二极管逻辑电路要复杂，工作电压范围宽于TTL逻辑电路但明显小于二极管逻辑电路，优点是速度较高，驱动能力也较强，而且输入阻抗极高，综合起来扇出系数最大。CMOS比TTL的噪声容限更大，抗干扰能力，驱动负载能力更强。正由于这些优点，CMOS的使用占据了主导地位。