数电基础：二极管构成的门电路
目录
一、数字电路的逻辑：0和1
二、二极管的截止导通特性
1. 二极管的结构与符号
2. 导通与截止的条件（以硅二极管为例）
三、二极管的基本开关电路
四、二极管与门
五、二极管或门
六、二极管门电路的特点与局限性
1. 输出电平偏移
2. 带负载能力差
3.无法用作非门
在数字电路中，门电路是搭建各种复杂电路的基础，就像搭建高楼大厦的砖块一样。而门电路根据制作的元件不同，可以分为二极管门电路、CMOS、TTL电路等。其中二极管门电路是最为简单的基础，本文将从基础概念出发，带大家一步步认识二极管门电路，理解其工作原理和逻辑功能，为后续学习复杂门电路打下基础。
一、数字电路的逻辑：0和1
在正式学习二极管门电路之前，我们首先要明确数字电路的核心特点 —— 它处理的是离散的数字信号，而不是模拟电路中连续变化的模拟信号。数字信号只有两种基本状态，通常用 “0” 和 “1” 来表示，这就是我们常说的二进制数。
在实际电路中，“0” 和 “1” 对应着不同的电压水平，我们称之为逻辑电平。常见的逻辑电平标准有 TTL（晶体管 - 晶体管逻辑）和 CMOS（互补金属氧化物半导体）等，在 TTL 标准中，通常规定：（这个规定不是固定的，而是人们根据常见的使用场景定义的一个范围，可以随着工作场景的改变而自己规定）
- 逻辑 “0”：对应低电平，电压范围一般为 0~0.8V；
- 逻辑 “1”：对应高电平，电压范围一般为 2.4~5V。
门电路的作用就是根据输入的逻辑电平（“0” 或 “1”），按照特定的逻辑关系输出相应的逻辑电平（“0” 或 “1”）。而二极管门电路就是利用二极管的导通与截止特性来实现这种逻辑关系的简单电路，最常见的有二极管与门和二极管或门两种。
二、二极管的截止导通特性
要理解二极管门电路的工作原理，首先必须掌握二极管的核心特性 ——单向导电性，也就是二极管在正向电压作用下导通，在反向电压作用下截止的特性。
1. 二极管的结构与符号
二极管由 P 型半导体和 N 型半导体结合形成的 PN 结组成，其电路符号中，箭头指向的一端为阳极（P 极），另一端为阴极（N 极）。电流只能从阳极流向阴极，不能反向流动（理想情况下）。
2. 导通与截止的条件（以硅二极管为例）
- 导通条件：阳极电压高于阴极电压，且正向电压（阳极与阴极之间的电压）大于死区电压（硅二极管的死区电压约为 0.7V）。当二极管导通后，其两端的正向压降基本保持不变，约为 0.7V，这是分析二极管电路的重要依据。（这和模电中我们说Ube在宏观情况下为0.7V，而在交流通路中会在0.7V左右微小变化一致）
- 截止条件：阳极电压低于阴极电压（反向偏置），或者正向电压小于死区电压。此时二极管相当于开路，几乎没有电流流过。
正是利用二极管这种 “导通时相当于有压降的导线，截止时相当于开路” 的特性，我们才能构建出实现特定逻辑功能的门电路。
三、二极管的基本开关电路
当我们对PN结封装好后，人们首先想到的使用场景就是开关，毕竟二极管最大的特点就是正向导通，反向截止。
四、二极管与门
数字电路的门电路分为与或非三种。当然二极管也能用作与门。
二极管作为与门时候，指的是共阳二极管+上拉电阻。
最后，这里的上拉电阻主要是为了防止电磁干扰等，可以保证在没有输入的时候（即悬空），可以看做断路，此时输出就是5V，为逻辑1。同时这个上拉电阻阻值会极大。保证了在没有输入时候的功耗很低。因为没有输入时候R两端电压固定为VCC-0.7V。根据P=U方/R可以看出R越大，功耗越低。
五、二极管或门
将两个二极管的阴极通过下拉电阻接到一起就形成了或门。
最后这里的下拉电阻主要是给无输入时，一个稳定的0V输出。如果不接地，就处于浮空状态，万一别人乱接线或者电磁感应等扰动可能会直接改变输出电压为不确定的值，接地后保证了稳定性。同时用极大的电阻R来下拉，可以在二极管导通的时候，体现基本开路情况，不影响输出电流和电压。
六、二极管门电路的特点与局限性
二极管与门和或门作为最基础的门电路，具有结构简单、成本低、功耗小等优点，在一些对性能要求不高的简单数字电路中仍有应用。但它们也存在明显的局限性，主要体现在以下3个方面：
1. 输出电平偏移
由于二极管导通时存在 0.7V 的正向压降，当多个二极管门电路级联（即一个门的输出作为另一个门的输入）时，输出电平会不断偏移。例如，两个二极管与门级联后，高电平会从 4.3V 降至 4.3V - 0.7V = 3.6V，再级联一次会降至 2.9V，多次级联后可能导致高电平低于标准范围，从而产生逻辑错误。
2. 带负载能力差
在与门的共阳二极管+上拉电阻中。如果输出为高电平，则电压由VCC提供，由于上拉电阻的阻值很大，即输出电阻大，导致电流会很小，带负载能力弱。如果输出低电平，则二极管至少有一个导通，那么负载电流会流经二极管，二极管本身无法通过较大的正向电流，所以带负载能力也很弱。
在或门的共阴二极管+下拉电阻中。与上述原因是完全相似的。
正是由于这些局限性，在实际的数字电路中，我们更多地使用由晶体管组成的 TTL 门电路或 CMOS 门电路（如与非门、或非门等），它们能有效解决电平偏移和带负载能力差的问题，并且具有更快的开关速度。但二极管门电路作为门电路的 “雏形”，是理解更复杂门电路的基础，新手必须掌握其工作原理和逻辑思想。
3.无法用作非门
非门的核心逻辑是 “输入 0 则输出 1，输入 1 则输出 0”，而二极管的单向导电性无法实现这种 “反向逻辑”。二极管本身只有对0和1的范围转化作用，而没有反向转化能力。