从上述分析可知,只有当所有输入端都是高电平1时,输出端才是高电平1,否则输出端均为低电平0。这种“只有当决定一事件结果的所有条件都满足时,结果才发生”的逻辑关系称为与(And)逻辑,与门电路满足与逻辑关系。与逻辑也称为逻辑乘、与运算。通常用符号“· ”表示,设A、B、F分别为逻辑变量,则与运算的表达式可写成以下形式:
F=A·B 或 F=AB
上式读作F等于A与B。逻辑与的含义是:只有输入变量A、B都为1 时,输出变量F才为1;只要A、B中有一个为0,F便为0。换言之,也就是“有0出0,全1出1”。这一结论也适合于有多个变量参加的与运算。
表4-1列出了图4-6所示电路输入与输出逻辑电平的关系。但在逻辑电路分析中,通常用逻辑0、1来描述输入与输出之间的关系,所列出的表称为真值表(即逻辑状态表)。上述与门的真值表如表4-2所示。
另外,图4-7给出了或门电路及逻辑图符号。它也是由二极管和电阻组成的。图中A、B是两个输入端,F是输出端。设A、B输入端的高电平(逻辑1)为3V,低电平(逻辑0)为0V, 并忽略二极管D1、D2的正向导通压降。通过分析(详细过程读者可以自己分析)可知,只要A 、B当中有一个是高电平(逻辑1)输出就是高电平(逻辑1)。只有当A、 B同时为低电平(逻辑0)时,输出才是低电平(逻辑0)。这种“在决定一事件结果的所有条件中,只要有一个或一个以上满足时结果就发生”的逻辑关系称或(Or)逻辑。或门电路满足或逻辑关系。
或逻辑也称为逻辑加、或运算。通常用符号“+”来表示,设A、B、F分别为逻辑变量,则或运算的表达式可写成以下形式:
F=A+B
上式读作F等于A或B。逻辑或的含义是:只有输入变量A、B中有一个或一个以上为1, 输出变量F就为1;反之,只有A、B全为0时,F才为0。换言之,也就是“有1出1,全0出0”。这一结论也适合于有多个变量参加的或运算
表4-3列出了图4-7所示电路输入与输出逻辑电平的关系。表4-4为上述或门的真值表。
4.2 特殊二极管
除了上述普通二极管外,还有一些特殊二极管,如稳压二极管、光电二极管、发光二极管等,分别介绍如下。
4.2.1 稳压管
稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管,具有稳定电压的作用。图4-8(a)为稳压管在电路中的正确联接方法;图(b)和图(c)为稳压管的伏安特性及图形符号。稳压管与普通二极管的主要区别在于,稳压管是工作在PN结的反向击穿状态。通过在制造过程中的工艺措施和使用时限制反向电流的大小,能保证稳压管在反向击穿状态下不会因过热而损坏。从稳压管的反向特性曲线可以看出,当反向电压较小时,反向电流几乎为零,当反向电压增高到击穿电压Vz(也是稳压管的工作电压)时,反向电流Iz(稳压管的工作电流)会急剧增加,稳压管反向击穿。在特性曲线ab段,当Iz在较大范围内变化时,稳压管两端电压Vz基本不变,具有恒压特性,利用这一特性可以起到稳定电压的作用。
稳压管与一般二极管不一样,它的反向击穿是可逆的,只要不超过稳压管的允许值,PN结就不会过热损坏,当外加反向电压去除后,稳压管恢复原性能,所以稳压管具有良好的重复击穿特性。
稳压管的主要参数有:
1.稳定电压VZ。稳定电压VZ指稳压管正常工作时,管子两端的电压,由于制造工艺的原因,稳压值也有一定的分散性,如2CW14型稳压值为6.0~7.5V。
2.动态电阻rz。动态电阻是指稳压管在正常工作范围内,端电压的变化量与相应电流的变化量的比值。
稳压管的反向特性愈陡,rZ愈小,稳压性能就愈好
3. 稳定电流IZ。稳压管正常工作时的参考电流值,只有I≥IZ,才能保证稳压管有较好的稳压性能。
4.最大稳定电流IZmax 。允许通过的最大反向电流,I > IZmax管子会因过热而损坏。
5. 最大允许功耗PZM。管子不致发生热击穿的最大功率损耗PZM =VZ IZmax
6.电压温度系数αV。温度变化10C时,稳定电压变化的百分数定义为电压温度系数。电压温度系数越小,温度稳定性越好,通常硅稳压管在VZ低于4V时具有负温度系数,高于6V时具有正温度系数, VZ在4~6V之间,温度系数很小。
稳压管正常工作的条件有两条,一是工作在反向击穿状态,二是稳压管中的电流要在稳定电流和最大允许电流之间。当稳压管正偏时,它相当于一个普通二极管。图4-8(a)为最常用的稳压电路,当Vi或RL变化时,稳压管中的电流发生变化,但在一定范围内其端电压变化很小,因此起到稳定输出电压的作用。(该电路分析见4.4节)
4.2.2 光电二极管
光电二极管又称光敏二极管。它的管壳上备有一个玻璃窗口,以便于接受光照。其特点是,当光线照射于它的PN结时,可以成对地产生自由电子和空穴,使半导体中少数载流子的浓度提高。这些载流子在一定的反向偏置电压作用下可以产生漂移电流,使反向电流增加。因此它的反向电流随光照强度的增加而线性增加,这时光电二极管等效于一个恒流源。当无光照时,光电二极管的伏安特性与普通二极管一样。光电二极管的等效电路如图4-9(a)所示,图4-9(b)为光电二极管的符号。
暗电流:无光照时的反向饱和电流。一般<1μA。
光电流:指在额定照度下的反向电流,一般为几十毫安。
灵敏度:指在给定波长(如0.9μm)的单位光功率时,光电二极管产生的光电流。一般≥0.5μA/μW。
峰值波长:使光电二极管具有最高响应灵敏度(光电流最大)的光波长。一般光电二极管的峰值波长在可见光和红外线范围内。
响应时间:指加定量光照后,光电流达到稳定值的63%所需要的时间,一般为10-7S。
光电二极管作为光控元件可用于各种物体检测、光电控制、自动报警等方面。当制成大面积的光电二极管时,可当作一种能源而称为光电池。此时它不需要外加电源,能够直接把光能变成电能。
www.55dianzi.com4.2.3 发光二极管
发光二极管是一种将电能直接转换成光能的半导体固体显示器件,简称LED(Light EMItting Diode)。和普通二极管相似,发光二极管也是由一个PN结构成。发光二极管的PN结封装在透明塑料壳内,外形有方形、矩形和圆形等。发光二极管的驱动电压低、工作电流小,具有很强的抗振动和冲击能力、体积小、可靠性高、耗电省和寿命长等优点,广泛用于信号指示等电路中。在电子技术中常用的数码管,就是用发光二极管按一定的排列组成的
发光二极管的原理与光电二极管相反。当这种管子正向偏置通过电流时会发出光来,这是由于电子与空穴直接复合时放出能量的结果。它的光谱范围比较窄,其波长由所使用的基本材料而定。不同半导体材料制造的发光二极管发出不同颜色的光,如磷砷化镓(GaAsP)材料发红光或黄光,磷化镓(GaP)材料发红光或绿光,氮化镓(GaN)材料发蓝光,碳化硅(SIC)材料发黄光,砷化镓(GaAs)材料发不可见的红外线。
发光二极管的符号如图4-10所示。它的伏安特性和普通二极管相似,死区电压为0.9~1.1V,其正向工作电压为1.5~2.5V,工作电流为5~15mA。反向击穿电压较低,一般小于10V。
4.3 二极管整流及滤波电路
电路中,通常都需要电压稳定的直流电源供电。小功率稳压电源的组成可以用图4-11表示,它是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成。
电源变压器是将交流电网电压变为所需要的电压值,然后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波,必须通过滤波电路加以滤除,从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动(一般有±10%左右的波动)、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后,还需要接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时,维持输出直流电压稳定。