用开关发送信息
早在十九世纪中，人们已经成功地实现了用开关传送电报信号的实验，它的基本原理如图1所示。把电键（实际上就是开关）、电阻和电池相串联，按下电键，电阻R上的电压V\(_{R}\)等于E；不按电键，R上的电压等于零。根据电文的内容和规定的电码符号（例如：“1”为“·- - - - ”“0”为“- - - - -”等）按动电键，就可以得到一系列幅度为E而宽度随电文变化的脉冲电压（图1）。显然，按动电键就是使开关K接通和断开电路，依靠开关的通、断，把信息发送出去。
现代的数字电子技术，仍然使用着开关元件。我们把开关的接通状态用数字“1”表示，把开关的断开状态用数字“0”表示，1和0按照一定的规律组合起来，就成为数字信号。以现代数字通信为例，这种通信方式中，我们先把要传送的文字、语言或图象，按1和0组成的某一种编码形式，变为一系列的数字码传送出去，在接收端再翻译回来，成为原来的信息。
在数字电子技术的基础上发展起来的电子数字计算机，虽然结构十分复杂，却是由成千上万的开关元件组合成的。这里，不再使用传统的有触点开关，而是用晶体管或场效应管作为无触点开关。所以，在学习数字电路之前，首先需要了解晶体管的开关特性。
晶体管为什么可以做开关元件
大家对晶体管的放大作用都很熟悉。电流放大仅仅是晶体管的一种重要功能，它还具有良好的开关作用呢！
图2可以说明晶体管的开关作用。管子的集电极C和发射极E相当于普通开关的两个触点，当晶体管导通并进入饱和状态时，C、E两极之间的电阻很小，管压降V\(_{CE}\)只有零点几伏，晶体管的C和E之间如同是一个接通的开关，如图2（a）所示。当晶体管截止时，集电极电流IC=0，C、E之间的电阻很大，V\(_{CE}\)=EC，又如同是一个断开的开关，如图2（b）所示。
晶体管的开关工作状态可以用图3来说明。图中直线 MN是晶体管集电极回路的直流负载线，其解析式为V\(_{CE}\)=Ec－I\(_{c}\)Rc。当晶体管的基极电流I\(_{B}\)=0时，集电极电流Ic=0，晶体管截止（图3中的M点），因此集电极负载电阻R\(_{c}\)上不产生电压降，电源电压Ec全部加在晶体管的C-E之间，这就是图2（b）所示的开关的断开状态。当晶体管的基极电流I\(_{B}\)足够大时，会使集电极电流达到由外电路参数EC和R\(_{C}\)所决定的饱和值，用ICS表示，即I\(_{CS}\)≈EC／R\(_{C}\)。此时，管压降VCE接近零伏，这就是图2（a）所示的开关的接通状态，对应于图3中的N点。
在数字电路中，晶体管开关是由脉冲信号来控制的（图4）。当加在基极上脉冲信号为低电平0时，晶体管截止；当脉冲信号为高电平1时，晶体管饱和。晶体管的开关速度极高，可由每秒钟数千次到几百万次，这是任何有触点开关所无法比拟的。
利用晶体管开关可以组成数字电路的基本单元——门电路。下面我们介绍有关门电路的基础知识。
从电灯的控制开关谈起
门电路是一种“条件开关”。只有当输入信号满足一定的条件时，门才能打开，信号才能通过，否则，信号就不能通过。常见的门电路有“与”门、“或”门、“非”门、“与非”门等。门电路又叫逻辑电路。为了了解基本门电路的逻辑关系，让我们先做几个小实验。
一盏灯串联三个开关与电池相联（图5）。显然，只有当开关A与B与C都合上时，灯才亮。我们把开关接通记为1，开关断开记为0；灯亮作为1，灯灭作为0。这时，可以把开关A、B、C的各种可能的状态与对应的电灯的状态列成一个表格（表1），叫真值表。从表1可见，如要输出Z为1，只有A与B与C都为1才能实现，否则输出为0，这就是“与”逻辑。具有“与”逻辑功能的电路，称为“与”门。
图6是用两个并联的开关控制一盏灯的电路。显然，不论开关A或开关B，只要有一个合上时，电灯就会亮。我们仍用1和0分别表示开关的接通和断开，以及灯亮和灯灭，并列出真值表（表2）。由表2可知，如要输出Z为1，只需A或B有一个是1就能实现，这就是“或”逻辑。具有“或”逻辑功能的电路，称为“或”门。
再看图7，我们把开关A与电灯并联（R为限流电阻，防止开关闭合后电源被短路），当开关断开时灯亮，开关接通时灯就熄灭。把这种关系列成真值表（表3），可以看出，A为0时，Z为1；A为1时，Z为0。输出Z是输入A的否定，这就是“非”逻辑。具有“非”逻辑功能的电路，称为“非”门。
用二极管和三极管组成门电路
晶体二极管和三极管都可以具有截止和导通两种工作状态，所以都可以作为开关元件，用来组成分立元件的门电路。如今，分立元件门电路已经很少使用，我们介绍它是为了能够学习集成门电路。
图8（a）是二极管“与”门的典型电路。图中A和B为输入端，Z为输出端。两个输入端都可以接高电平或低电平，因此我们可以把它改画成8（b）和8（c）的形式。当其中有一个输入端为低电平（OV）时，例如图8（b）中的B输入端，则二极管D\(_{2}\)导通，使输出端Z=0；如果B输入端为高电平，而A输入端为低电平，则二极管D1导通，所以输出端Z也为0；当A输入端和B输入端都为低电平时，二极管D\(_{1}\)、D2都导通，输出端Z仍为0。
只有当A输入端和B输入端都处于高电平，如图8（c）的状态时，两个二极管D\(_{1}\)和D2都不导通，这时输出端Z的电压为电源电压+5V，即高电平。
这就是说，只有当A和B都是高电平“1”，输出才是高电平“1”。输出Z与输入A和B之间是“与”逻辑关系。图8（d）是“与”门的逻辑符号。
图9（a）是二极管“或”门的典型电路，我们也可以将它改画成图9（b）的形式。当A输入端为高电平时，即A输入端接E\(_{A}\)=+5V时，二极管D1导通，电流就沿着这个二极管流经电阻R\(_{O}\)，在电阻RO上产生电压降，输出端Z即为高电平。同理，当B输入端为高电平时，二极管D\(_{2}\)导通，输出端Z也为高电平。只有当A和B都是低电平时，两个二极管都不导通，RO上没有电流，输出端Z才是低电平。这就是说，输入端A或B只要有一个为高电平“1”，输出端Z就是高电平“1”。输出Z与输入A、B之间是“或”逻辑关系。图9（c）是“或”门的逻辑符号。
前面讲到如图4所示的晶体管开关，当输入端A为低电平时，晶体管截止，输出端Z为高电平；当输入端A为高电平时，晶体管饱和，输出端Z为低电平。输出与输入倒相，具有逻辑“非”的功能，所以就是一个非门。图10（a）是一个典型的晶体管“非”门电路。（b）是“非”门的逻辑符号。（张晋纯 宋东生编译）