电 子 技 术 基 础 教 学

湖北师范学院物理系 ·田开坤·收集整理·2004/10/10


课程的地位、作用与任务

一、课程的地位、作用与任务

本课程是高等学校本科非电类专业的一门技术基础课程。目前,电子技术应用十分广泛，发展非常迅速，并且日益渗透到其他学科领域，促进其发展，在我国社会主义现代化建设中占有重要的地位。本课程的作用与任务是：使学生通过本课程的学习，受到辨证唯物主义和爱国主义教育，获得电子技术必要的基本理论、基本知识和基本技能，了解电子技术的应用和发展概况，为学习后续课程以及从事与本专业有关的工程技术等工作打下一定的基础。


理论教学基本要求

二、理论教学基本要求

    本课程包括模拟电子技术和数字电子技术两部分。
    1.模拟电子技术
    （1）了解半导体二极管、稳压管、晶体管和MOS场效应管的工作原理和主要参数。
    （2）理解共射极单管放大电路的工作原理和性能特点，掌握静态工作点的估算和简化微变等效电路的分析方法。了解输入电阻和输出电阻的概念。了解多级放大的概念。
    （3）了解射极输出器的基本特点。了解基本的互补对称功率放大电路的工作原理。
    （4）了解差动放大电路的工作原理。了解集成运算放大器的基本组成、电压传输特性和主要参数。掌握理想运算放大器的基本分析方法。
    （5）理解反馈的概念。了解反馈对放大电路性能的影响。
    （6）理解用集成运算放大器组成的比例、加、减、积分和微分运算电路的工作原理。
    （7）了解集成电压比较器的工作原理。
    （8）了解用集成运算放大器组成的RC正弦波振荡电路的工作原理。
    （9）了解单相整流、滤波稳压电路的工作原理。了解集成稳压器的应用。
    （10）了解晶闸管和功率MOS场效应管的基本性能、主要参数和应用概况。
    2.数字电子技术
    （1）掌握与门、或门、非门、与非门、异或门的逻辑功能。了解三态门的概念。了解TTL和CMOS门电路的特点。
    （2）掌握逻辑代数的基本运算法则，能应用逻辑代数分析简单的组合逻辑电路。
    （3）了解加法器、8421编码器和二进制译码器的工作原理，了解七段LED显示译码驱动器的功能。
    （4）掌握R-S 触发器、J-K 触发器、D触发器的逻辑功能。
    （5）理解寄存器和移位寄存器的工作原理。
    （6）理解二进制计数器和十进制计数器的工作原理。
    （7）了解集成定时器的工作原理，了解用集成定时器组成的单稳态触发器和多谐振荡器的工作原理。
    （8）了解R-2R 型数模转换器和逐次逼近型模数转换器的工作原理。


课程简介

三、实验教学基本要求

    1.实验是本课程重要的实践性教学环节。实验目的不仅要帮助学生巩固和加深理解所学的理论知识，更重要的是要训练他们的实验技能，树立工程实际观点和严谨的科学作风，使他们能独立地进行实验。对学生实验技能训练的要求是：
    （1）能使用常用的电子仪器；
    （2）学习查阅手册，对常用的电子元器件具有使用的基本知识；
    （3）初步学会使用半导体二极管、晶体管和集成运算放大器、集成稳压器、门电路、触发器、移位寄存器、计数器及七段译码器等中、小规模集成电路；
    （4）能根据电路图连接简单的电子线路进行实验；
    （5）能准确读取数据、观察实验现象、测绘波形曲线；
    （6）能整理分析实验数据并写出整洁的、条理清楚的、内容完整的实验报告。
    2.实验内容的范围为：单管放大电路、集成运算放大器、直流稳压电源、组合逻辑电路和时序逻辑电路。
    3.实验每组人数一般不宜超过2人。在实验条件和指导力量允许时，最好1人1组，以便于增加学生实际动手的机会。
    4.习题也是本课程重要的教学环节。要留一定数量的习题，使学生通过习题巩固和深化对课程内容的理解，培养运算能力和分析问题的能力。


课程简介

四、学习建议

    1.本课程实验学时不低于总学时的25%。
    2.“电工技术”是本课程的先修课程。
    3.对理论教学内容所规定的深浅程度采用以下两个层次：
    （1）对于原理性和概念性的内容采用“理解”和“了解”两个层次；
    （2）对于运算性和应用性的内容采用“掌握”和“了解”两个层次。
    4.对电子器件重在外部特性、功能和应用，对内部机理或内部电路一般不作深入分析。
    5.对电子电路以定性分析为主，辅以必要的计算，使学生具有一定的数量级概念。
    6.模拟电子技术部分侧重于线性集成电路，数字电子技术部分侧重于中、小规模集成电路。
    7.为加强应用和系统概念，希望在教学中增加综合性的应用实例。在条件允许的情况下，可介绍可编程逻辑器件GAL等内容。
    8.本课程教学基本要求是工科本科生学习本课程必须达到的合格要求。各校应以此为依据，根据实际情况，制定出各自的教学大纲。
    本网络课程的教学安排如下表所示：
章 节 名 称 | 学时 | 章 节 名 称 | 学时
第一章 半导体器件基础 | 4 | 6.3 滤波电路 | 1
1.1 半导体的导电特性 | 1 | 6.4 稳压电路 | 1.5
1.2 半导体二极管 | 0.5 | 第七章 晶闸管及其应用 | 4
1.3 特殊二极管 | 0.5 | 7.1 晶闸管 | 1
1.4 双极型三极管 | 1 | 7.2 可控整流电路 | 1
1.5 场效应晶体管 | 1 | 7.3 晶闸管的保护 | 1
第二章 基本放大电路 | 8 | 7.4 晶闸管的触发电路 | 1
2.1 基本放大电路的组成 | 0.5 | 第八章 门电路和组合逻辑电路 | 10
2.2 放大电路的静态分析 | 1 | 8.1 数字电路的基础知识 | 1
2.3 放大电路的动态分析 | 1 | 8.2 晶体管的开关作用 | 0.5
2.4 静态工作点的稳定 | 0.5 | 8.3 分立元件门电路 | 1
2.5 射极输出器 | 1 | 8.4 TTL门电路 | 1
2.6 放大电路的频率特性 | 1 | 8.5 MOS门电路 | 0.5
2.7 多级放大电路及其级间耦合方式 | 1 | 8.6 逻辑代数 | 1
2.8 差分放大电路 | 1 | 8.7 组合逻辑电路的分析和设计 | 1
2.9 功率放大电路 | 0.5 | 8.8 加法器 | 1
2.10 场效应管放大电路 | 0.5 | 8.9 编码器 | 1
第三章 放大电路中的负反馈 | 4 | 8.10 译码器和数字显示 | 1
3.1 反馈的基本概念 | 1 | 8.11 数据分配器和数据选择器 | 1
3.2 负反馈的类型 | 1 | 第九章 触发器和时序逻辑电路 | 10
3.3 负反馈对放大电路工作性能的影响 | 2 | 9.1双稳态触发器 | 2
第四章 集成运算放大器 | 6 | 9.2 寄存器 | 1
4.1 集成运算放大器简介 | 0.5 | 9.3 计数器 | 2
4.2 运算放大器在信号运算方面的应用 | 1 | 9.4 单稳态触发器 | 1
4.3 运算放大器在信号处理方面的应用 | 1 | 9.5 多谐振荡器 | 1
*4.4 运算放大器在波形产生方面的应用 | 1 | 9.6 集成定时器555的原理和应用 | 2
4.5 集成功率放大器 | 1 | 9.7 时序数字逻辑电路应用举例 | 1
4.6 运算放大器中的负反馈 | 1 | 第十章 存储器与可编程逻辑器件 | 6
4.7 使用运算放大器应注意的几个问题 | 0.5 | 10.1 半导体存储器 | 2
第五章 正弦波振荡电路 | 4 | 10.2 磁盘存储器和光盘存储器介 | 2
5.1 自激振荡原理 | 1 | 10.3 可编程逻辑器件（PLD） | 2
5.2 文氏电桥振荡电路 | 1 | 第十一章 数-模和模-数的转换 | 4
5.3 LC振荡电路 | 2 | 11.1 数-模转换器（DAC） | 2
第六章 直流电源 | 4 | 11.2 模-数转换器（ADC） | 2
6.1 直流电源组成方框图 | 0.5 | 电子技术实验共16个学时(每实验1学时) |
6.2 整流电路 | 1 |  |


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导体、绝缘体和半导体

半导体导电特性
导体、绝缘体和半导体

自然界的各种物质就其导电性能来说、可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。
导体具有良好的导电特性，常温下，其内部存在着大量的自由电子，它们在外电场的作用下做定向运动形成较大的电流。因而导体的电阻率很小，只有 [image] 金属一般为导体，如铜、铝、银等。
绝缘体几乎不导电，如橡胶、陶瓷、塑料等。在这类材料中，几乎没有自由电子，即使受外电场作用也不会形成电流，所以，绝缘体的电阻率很大，在 [image] 以上。
半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅、锗、硒等，它们的电阻率通常在 [image] 之间。半导体之所以得到广泛应用，是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的影响十分显著。如纯净的半导体单晶硅在室温下电阻率约为 [image] ，若按百万分之一的比例掺入少量杂质（如磷）后，其电阻率急剧下降为 [image] ，几乎降低了一百万倍。半导体具有这种性能的根本原因在于半导体原子结构的特殊性。


本征半导体的导电特性

 常用的半导体材料是单晶硅（Si）和单晶锗（Ge）。所谓单晶，是指整块晶体中的原子按一定规则整齐地排列着的晶体。非常纯净的单晶半导体称为本征半导体。
一、本征半导体的原子结构
半导体锗和硅都是四价元素，其原子结构示意图如图Z0102所示。它们的最外层都有4个电子，带4个单位负电荷。 通常把原子核和内层电子看作一个整体，称为惯性核，如图Z0101所示。
惯性核带有4个单位正电荷，最外层有4个价电子带有4个单位负电荷，因此，整个原子为电中性。
二、本征激发
一般来说，共价键中的价电子不完全象绝缘体中价电子所受束缚那样强，如果能从外界获得一定的能量（如光照、升温、电磁场激发等），一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子。
理论和实验表明：在常温（T＝300K）下，硅共价键中的价电子只要获得大于电离能E G（= 1.1eV）的能量便可激发成为自由电子。本征锗的电离能更小，只有0.72 eV。
当共价键中的一个价电子受激发挣脱原子核的束缚成为自由电子的同时，在共价键中便留下了一个空位子，称为"空穴"。当空穴出现时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键而填补到这个空穴中来使该价电子原来所在共价键中出现一个新的空穴，这个空穴又可能被相邻原子的价电子填补，再出现新的空穴。价电子填补空穴的这种运动无 [image] 论在形式上还是效果上都相当于带正电荷的空穴在运动，且运动方向与价电子运动方向相反。为了区别于自由电子的运动，把这种运动称为空穴运动，并把空穴看成是一种带正点荷的载流子。
电子一空穴对
本征激发
复合：当自由电子在运动过程中遇到空穴时可能会填充进去从而恢复一个共价键，与此同时消失一个"电子一空穴"对，这一相反过程称为复合。
动态平衡：在一定温度条件下，产生的"电子一空穴对"和复合的"电子一空穴对"数量相等时，形成相对平衡，这种相对平衡属于动态平衡，达到动态平衡时"电子一空穴对"维持一定的数目。
可见，在半导体中存在着自由电子和空穴两种载流子，而金属导体中只有自由电子一种载流子，这也是半导体与导体导电方式的不同之处。


杂质半导体的导电特性

本征半导体的导电能力很弱，热稳定性也很差，因此，不宜直接用它制造半导体器件。半导体器件多数是用含有一定数量的某种杂质的半导体制成。根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体分为N型半导体和P型半导体两种。
一、N型半导体
在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的5价元素，例如磷，则磷原子就取代了硅晶体中少量的硅原子，占据晶格 [image] 上的某些位置。如图Z0103所示。
由图可见，磷原子最外层有5个价电子，其中4个价电子分别与邻近4个硅原子形成共价键结构，多余的1个价电子在共价键之外，只受到磷原子对它微弱的束缚，因此在室温下，即可获得挣脱束缚所需要的能量而成为自由电子，游离于晶格之间。失去电子的磷原子则成为不能移动的正离子。磷原子由于可以释放1个电子而被称为施主原子，又称施主杂质。
在本征半导体中每掺入1个磷原子就可产生1个自由电子，而本征激发产生的空穴的数目不变。这样，在掺入磷的半导体中，自由电子的数目就远远超过了空穴数目，成为多数载流子（简称多子），空穴则为少数载流子（简称少子）。显然，参与导电的主要是电子，故这种半导体称为电子型半导体，简称N型半导体。
二、P型半导体
在本征半导体硅（或锗）中，若掺入微量的3价元素，如硼，这时硼原子就取代了晶体中的少量硅原子，占据 [image] 晶格上的某些位置，如图Z0104所示。由图可知，硼原子的3个价电子分别与其邻近的3个硅原子中的3个价电子组成完整的共价键，而与其相邻的另1个硅原子的共价键中则缺少1个电子，出现了1个空穴。这个空穴被附近硅原子中的价电子来填充后，使3价的硼原子获得了1个电子而变成负离子。同时，邻近共价键上出现1个空穴。由于硼原子起着接受电子的作用，故称为受主原子，又称受主杂质。
在本征半导体中每掺入1个硼原子就可以提供1个空穴，当掺入一定数量的硼原子时，就可以使半导体中空穴的数目远大于本征激发电子的数目，成为多数载流于，而电子则成为少数载流子。显然，参与导电的主要是空穴，故这种半导体称为空穴型半导体，简称P型半导体。


PN结

一、PN结的形成
在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，那么在两种半导体交界面附近就形成了PN结，如图Z0105所示。由于P区的多数载流子是空穴，少数载流子是电子；N区多数载流于是电子，少数载流子是空穴，这就使交界 [image] 面两侧明显地存在着两种载流子的浓度差。因此，N区的电子必然越过界面向P区扩散，并与P区界面附近的空穴复合而消失，在N区的一侧留下了一层不能移动的施主正离子；同样，P区的空穴也越过界面向N区扩散，与N区界面附近的电子复合而消失，在P区的一侧，留下一层不能移动的受主负离子。扩散的结果，使交界面两侧出现了由不能移动的带电离子组成的空间电荷区，因而形成了一个由N区指向P区的电场，称为内电场。随着扩散的进行，空间电荷区加宽，内电场增强，由于内电场的作用是阻碍多子扩散，促使少子漂移，所以，当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，将形成稳定的空间电荷区，称为PN结。由于空间电荷区内缺少载流子，所以又称PN结为耗尽层或高阻区。
二、PN结的单向导电性
PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。当电源正极接P区，负极接N区时，称为给pN结加正向电压或正向偏置，如图Z0106所示。由于PN结是高阻区，而P区和N区的电阻很小，所以正向电压几乎全部加在PN结两端。在PN结上产生一个外电场，其方向与内电场相反， [image] 在它的推动下，N区的电子要向左边扩散，并与原来空间电荷区的正离子中和，使空间电荷区变窄。同样，P区的空穴也要向右边扩散，并与原来空间电荷区的负离子中和，使空间电荷区变窄。结果使内电场减弱，破坏了PN结原有的动态平衡。于是扩散运动超过了漂移运动，扩散又继续进行。与此同时，电源不断向P区补充正电荷，向N区补充负电荷，结果在电路中形成了较大的正向电流I F。而且IF 随着正向电压的增大而增大。
当电源正极接N区、负极接P区时，称为给PN结加反向电压或反向偏置。反向电压产生的外加电场的方向与内电场的方向相同，使PN结内电场加强，它把P区的多子（空穴）和N区的多子（自由电子）从PN结附近拉走，使PN结进一步加宽， PN结的电阻增大，打破了PN结原来的平衡，在电场作用下的漂移运动大于扩散运动。这时通过PN结的电流，主要是少子形成的漂移电流，称为反向电流 IR。由于在常温下，少数载流子的数量不多，故反向电流很小，而且当外加电压在一定范围内变化时，它几乎不随外加电压的变化而变化，因此反向电流又称为反向饱和电流。当反向电流可以忽略时，就可认为PN结处于截止状态。值得注意的是，由于本征激发随温度的升高而加剧，导致电子一空穴对增多，因而反向电流将随温度的升高而成倍增长。反向电流是造成电路噪声的主，要原因之一，因此，在设计电路时，必须考虑温度补偿问题。
综上所述，PN结正偏时，正向电流较大，相当于PN结导通，反偏时，反向电流很小，相当于PN结截止。这就是PN结的单向导电性。
三、PN结的击穿特性
当PN结上加的反向电压增大到一定数值时，反向电流突然剧增，这种现象称为PN结的反向击穿。PN结出现击穿时的反向电压称为反向击穿电压，用VB表示。反向击穿可分为雪崩击穿和齐纳击穿两类。
1．雪崩击穿
当反向电压较高时，结内电场很强，使得在结内作漂移运动的少数载流子获得很大的动能。当它与结内原子发生直接碰撞时，将原子电离，产生新的"电子一空穴对"。这些新的"电子一空穴对"，又被强电场加速再去碰撞其它原子，产生更多的"电子一空穴对"。如此链锁反应，使结内载流子数目剧增，并在反向电压作用下作漂移运动，形成很大的反向电流。这种击穿称为雪崩击穿。显然雪崩击穿的物理本质是碰撞电离。
2．齐纳击穿
齐纳击穿通常发生在掺杂浓度很高的PN结内。由于掺杂浓度很高，PN结很窄，这样即使施加较小的反向电压（5V以下），结层中的电场却很强（可达 [image] 左右）。在强电场作用下，会强行促使PN结内原子的价电子从共价键中拉出来，形成"电子一空穴对"，从而产生大量的载流子。它们在反向电压的作用下，形成很大的反向电流，出现了击穿。显然，齐纳击穿的物理本质是场致电离。
采取适当的掺杂工艺，将硅PN结的雪崩击穿电压可控制在8～1000V。而齐纳击穿电压低于5V。在5～8V之间两种击穿可能同时发生。


二极管的结构与伏安特性

晶体二极管
二极管的结构与伏安特性

晶体二极管也称半导体二极管，它是在PN结上加接触电极、引线和管壳封装而成的。按其结构，通常有点接触型和面结型两类。常用符号如图Z0107中V、VD（本资料用D）来表示。
点接触型适用于工作电流小、工作频率高的场合；（如图Z0108）
面结合型适用于工作电流较大、工作频率较低的场合；（如图Z0109）
平面型适用于工作电流大、功率大、工作频率低的场合。（如图Z0110）
按使用的半导体材料分，有硅二极管和锗二极管；按用途分，有普通二极管、整流二极管、检波二极管、混频二极管、稳压二极管、开关二极管、光敏二极管、变容二极管、光电二极管等。
二极管是由一个PN结构成的，它的主要特性就是单向导电性，通常主要用它的伏安特性来表示。
二极管的伏安特性是指流过二极管的电流i D与加于二极管两端的电压u D之间的关系或曲线。用逐点测量的方法 [image] 测绘出来或用晶体管图示仪显示出来的U～I曲线，称二极管的伏安特性曲线。图Z0111 是二极管的伏安特性曲线示意图，依此为例说明其特性。
一、正向特性
由图可以看出，当所加的正向电压为零时，电流为零；当正向电压较小时，由于外电场远不足以克服PN结内电场对多数载流子扩散运动所造成的阻力，故正向电流很小（几乎为零），二极管呈现出较大的电阻。这段曲线称为死区。
当正向电压升高到一定值Uγ（U th ）以后内电场被显著减弱，正向电流才有明显增加。U γ 被称为门限电压或阀电压。Uγ视二极管材料和温度的不同而不同，常温下，硅管一般为0.5V左右，锗管为0.1V左右。在实际应用中，常把正向特性较直部分延长交于横轴的一点，定为门限电压Uγ的值，如图中虚线与U轴的交点。
当正向电压大于Uγ以后，正向电流随正向电压几乎线性增长。把正向电流随正向电压线性增长时所对应的正向电压，称为二极管的导通电压，用UF来表示。通常，硅管的导通电压约为0.6～0.8V （一般取为0.7V），锗管的导通电压约为0.1～0.3V （一般取为0.2V）。
二、反向特性
当二极管两端外加反向电压时，PN结内电场进一步增强，使扩散更难进行。这时只有少数载流子在反向电压作用下的漂移运动形成微弱的反向电流IR。反向电流很小，且几乎不随反向电压的增大而增大（在一定的范围内），如图Z0111中所示。但反向电流是温度的函数，将随温度的变化而变化。常温下，小功率硅管的反向电流在nA数量级，锗管的反向电流在μA数量级。
三、反向击穿特性
当反向电压增大到一定数值U BR时，反向电流剧增，这种现象称为二极管的击穿，U BR（或用V B表示）称为击穿电压，U BR视不同二极管而定，普通二极管一般在几十伏以上且硅管较锗管为高。
击穿特性的特点是，虽然反向电流剧增，但二极管的端电压却变化很小，这一特点成为制作稳压二极管的依据。
四、二极管伏安特性的数学表达式
由理论分析可知，二极管的伏安特性可近似用下面的数学表达式来表示：

式中，iD为流过二极管的电流，u D。为加在二极管两端的电压，VT称为温度的电压当量，与热力学温度成正比，表示为
VT = kT／q其中T为热力学温度，单位是K；q是电子的电荷量， [image] ；k为玻耳兹曼常数， [image] 室温下，可求得VT = 26mV。IR（sat）是二极管的反向饱和电流。
五、温度对二极管伏安特性的影响
二极管是温度的敏感器件，温度的变化对其伏安特性的影响主要表现为：随着温度的升高，其正向特性曲线左移，即正向压降减小；反向特性曲线下移，即反向电流增大。一般在室温附近，温度每升高1°C，其正向压降减小2～2.5mV；温度每升高10°C：，反向电流大约增大1倍左右。
综上所述，二极管的伏安特性具有以下特点：
① 二极管具有单向导电性；
② 二极管的伏安特性具有非线性；
③ 二极管的伏安特性与温度有关。


半导体二极管的主要参数

描述二极管特性的物理量称为二极管的参数，它是反映二极管电性能的质量指标，是合理选择和使用二极管的主要依据。在半导体器件手册或生产厂家的产品目录中，对各种型号的二极管均用表格列出其参数。二极管的主要参数有以下几种：
1．最大平均整流电流I F（A V）
I F（A V）是指二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流。它与PN结的面积、材料及散热条件有关。实际应用时，工作电流应小于I F（A V），否则，可能导致结温过高而烧毁PN结。
2．最高反向工作电压V RM
VRM是指二极管反向运用时，所允许加的最大反向电压。实际应用时，当反向电压增加到击穿电压V BR 时，二极管可能被击穿损坏，因而，V RM通常取为（1/2 ～ 2/3）V BR 。
3．反向电流I R
IR是指二极管未被反向击穿时的反向电流。理论上IR =IR（sat），但考虑表面漏电等因素，实际上IR 稍大一些。IR 愈小，表明二极管的单向导电性能愈好。另外，IR 与温度密切相关，使用时应注意。
4．最高工作频率f M
f M是指二极管正常工作时，允许通过交流信号的最高频率。实际应用时，不要超过此值，否则二极管的单向导电性将显著退化。f M的大小主要由二极管的电容效应来决定。
5．二极管的电阻
就二极管在电路中电流与电压的关系而言，可以把它看成一个等效电阻，且有直流电阻与交流电阻之别。
（1）直流等效电阻RD
直流电阻定义为加在二极管两端的直流电压U D与流过二极管的直流电流I D 之比，即

R D的大小与二极管的工作点有关。通常用万用表测出来的二极管电阻即直流电阻。不过应注意的是，使用不同的欧姆档测出来的直流等效电阻不同。其原因是二极管工作点的位置不同。一般二极管的正向直流电阻在几十欧姆到几千欧姆之间，反向直流电阻在几十千欧姆到几百千欧姆之间。正反向直流电阻差距越大，二极管的单向导电性能越好。
（2）交流等效电阻rd

rd亦随工作点而变化，是非线性电阻。通常，二极管的交流正向电阻在 [image] 几～几十欧姆之间。
需要指出的是，由于制造工艺的限制，即使是同类型号的二极管，其参数的分散性很大。通常半导体手册上给出的参数都是在一定测试条件下测出的，使用时应注意条件。
半导体二极管的型号命名
二极管的型号命名通常根据国家标准GB-249-74规定，由五部分组成。第一部分用数字表示器件电极的数目；第二部分用汉语拼音字母表示器件材料和极性；第三部分用汉语拼音字母表示器件的类型；第四部分用数字表示器件序号；第五部分用汉语拼音字母表示规格号。如表Z101所示。


半导体二极管的等效电路与开关特性
一、二极管的电容效应
二极管具有电容效应。它的电容包括势垒电容CB和扩散电容CD。
1．势垒电容 CB（C r）
前面已经讲过，PN结内缺少导电的载流子，其电导率很低，相当于介质；而PN结两侧的P区、N区的电导率高，相当于金属导体。从这一结构来看，PN结等效于一个电容器。
事实上，当PN结两端加正向电压时，PN结变窄，结中空间电荷量减少，相当于电容"放电"，当PN结两端加反向电压时，PN结变宽，结中空间电荷量增多，相当于电容"充电"。这种现象可以用一个电容来模拟，称为势垒电容。势垒电容与普通电容不同之处，在于它的电容量并非常数，而是与外加电压有关。当外加反向电压增大时，势垒电容减小；反向电压减小时，势垒电容增大。目前广泛应用的变容二极管，就是利用PN结电容随外加电压变化的特性制成的。
2．扩散电容 C D
PN结正向偏置时，N区的电子向P区扩散，在P区形成一定的非平衡载流子的浓度分布，即靠近PN结一侧浓度高，远离PN结的一侧浓度低。显然，在P区积累了电子，即存贮了一定数量的负电荷；同样，在N区也积累了空穴，即存贮了一定数即正电荷。当正向电压加大时，扩散增强，这时由N区扩散到P区的电子数和由P区扩散到N区的空穴数将增多，致使在两个区域内形成了电荷堆积，相当于电容器的充电。相反，当正向电压减小时，扩散减弱，即由N区扩散到P区的电子数和由P区扩散到N区的空穴数减少，造成两个区域内电荷的减少，、这相当于电容器放电。因此，可以用一个电容来模拟，称为扩散电容。
总之，二极管呈现出两种电容，它的总电容C j相当于两者的并联，即C j＝C B + C D。二极管正向偏置时，扩散电容远大于势垒电容 C j≈C D ；而反向偏置时，扩散电容可以忽略，势垒电容起主要作用，C j≈C B 。
二、二极管的等效电路
二极管是一个非线性器件，对于非线性电路的分析与计算是比较复杂的。为了使电路的分析简化，可以用线性元件组成的电路来模拟二极管。使线性电路的电压、电路关系和二极管外特性近似一致，那么这个线性电路就称为二极管 [image] 的等效电路。显然等效电路是在一定条件下的近似。
二极管应用于直流电路时，常用一个理想二极管模型来等效，可把它看成一个理想开关。正偏时，相当于"开关"闭合（ON），电阻为零，压降为零；反偏时，相当于"开关"断开（OFF），电阻为无限大，电流为零。由于理想二极管模型突出表现了二极管最基本的特性--单向导电性，所以广泛应用于直流电路及开关电路中。
在直流电路中如果考虑到二极管的电阻和门限电压的影响。实际二极管可用图Z0112所示的电路来等效。
在二极管两端加直流偏置电压和工作在交流小信号的条件下，可以用简化的电路来等效。图中rs为二极管P区和N区的体电阻。
三、二极管的开关特性
二极管正偏时导通，相当于开关的接通；反偏时截止相当于开关的断开，表明二极管具有开关特性。不过一个理想的开关，在接通时开关本身电阻为零，压降为零，而断开时电阻为无穷大，电流为零，而且要求在高速开关时仍具有以上特性，不需要开关时间。但实际二极管作为开关运用，并不是太理想的。因为二极管正向导通时，其正向电阻和正向降压均不为零；反向戳止时，其反向电阻也不是无穷大，反向电流也不为零。并且二极管开、关状态的转换需要一定时间．这就限制了它的开关速度。因此作开关时，应选用正向电阻R F小、反向电阻R R大、开关时间小的开关二极管。


稳压二极管

硅稳压二极管（简称硅稳压管）实质上是一个硅晶体二极管。稳压二极管的实例和管子的符号如图Z0113所示。
1．二极管的击穿现象
由二极管的伏安特性可知，当加于它两端的反偏电压超过反向击穿电压之后，二极管将发生击穿现象。二 [image] 极管的击穿通常有三种情况，即雪崩击穿、齐纳击穿和热击穿。
（1）雪崩击穿
对于掺杂浓度较低的PN结，结较厚，当外加反向电压高到一定数值时，因外电场过强，使PN结内少数载流子获得很大的动能而直接与原子碰撞，将原子电离，产生新的电子空穴对，由于链锁反应的结果，使少数载流子数目急剧增多，反向电流雪崩式地迅速增大，这种现象叫雪崩击穿。雪崩击穿通常发生在高反压、低掺杂的情况下。
（2）齐纳击穿
对于采用高掺杂（即杂质浓度很大）形成的PN结，由于结很薄（如0.04μm）即使外加电压并不高（如4V），就可产生很强的电场（如 [image] ）将结内共价键中的价电子拉出来，产生大量的电子一空穴对，使反向电流剧增，这种现象叫齐纳击穿（因齐纳研究而得名）。齐纳击穿一般发生在低反压、高掺杂的情况下。
（3）热击穿
在使用二极管的过程中，如由于PN结功耗（反向电流与反向电压之积）过大，使结温升高，电流变大，循环反复的结果，超过PN结的允许功耗，使PN结击穿的现象叫热击穿。热击穿后二极管将发生永久性损坏。
对于硅PN结，击穿电压在7V以上的为雪崩击穿；4V以下的为齐纳击穿；在。4～7V之间的两种情况都有。无论哪种击穿，只要控制反向电流的数值不致引起热击穿，当反向电压下降到击穿电压以下，其性能可以恢复到未击穿前的状况。
2. 稳压管的击穿特性 稳压管的正向特性与一般二极管相同，而反向击穿特性很陡峭。
3. 稳压管的主要参数
（1） 稳定电压 V Z
Vz稳压管反向击穿后其电流为规定值时它两端的电压值。不同型号的稳压管其Vz的范围不同；同种型号的稳压管也常因工艺上的差异而有一定的分散性。所以，V z一般给出的是范围值，例如2CW11的Vz在3.2～4.5V （测试电流为10mA）。当然，二极管（包括稳压管）的正向导通特性也有稳压作用，但稳定电压只有0.6～0. 8V，且随温度的变化较大，故一般不常用。
（2）稳定电流 I Z
I Z是指稳压管正常工作时的参考电流。I z 通常在最小稳定电流I Zmin与最大稳定电流I Zmax之间。其中I Zmin 是指稳压管开始起稳压作用时的最小电流，电流低于此值时，稳压效果差；I Zmax是指稳压管稳定工作时的最大允许电流，超过此电流时，只要超过额定功耗，稳压管将发生永久性击穿。故一般要求 I Zmin＜ I z ＜ I Zmax 。
（3）动态电阻 r Z
rZ是指在稳压管正常工作的范围内，电压的微变量与电流的微变量之比。r Z 越小，表明稳压管性能越好。
（4）额定功耗 P Z
Pz是由管子温升所决定的参数， P z＝V z I Zmax 。
（5）温度系数α
α是指Vz受温度影响的程度。硅稳压管在V Z＜4V时α＜0；在V Z＞7V时，α＞0；在V Z = 4～7V时，α很小


三极管的结构与分类

晶体三极管
晶体三极管又称半导体三极管，简称晶体管或三极管。在三极管内，有两种载流子：电子与空穴，它们同时参与导电，故晶体三极管又称为双极型晶体三极管，简记为BJT（英文Bipo1ar Junction Transistor的缩写）。它的基本功能是具有电流放大作用。
一、结构
图Z0113和图Z0114 给出了NPN和PNP型两类三极管的结构示意图和表示符号。它有两个PN结（分别称为发射结和集电结），三个区（分别称为发射区、基区和集电区），从三个区域引出三个电极（分别称为发射极e、基极b和集电极c）。发射极的箭头方向代表发射结正向导通时的电流的实际流向。
为了保证三极管具有良好的电流放大作用，在制造三极管的工艺过程中，必须作到：
① 使发射区的掺杂浓度最高，以有效地发射载流子；
② 使基区掺杂浓度最小，且区最薄，以有效地传输载流子；
③ 使集电区面积最大，且掺杂浓度小于发射区，以有效地收集载流子。

二、分类
在实际应用中，从不同的角度对三极管可有不同的分类方法。
按材料分，有硅管和锗管；
按结构分，有NPN型管和PNP型管；
按工作频率分，有高频管和低频管；
按制造工艺分，有合金管和平面管；
按功率分，有中、小功率管和大功率管等等。


三极管内部载流子的运动规律、电流分配关系和放大作用

一、三极管的三种连接方式
三极管在电路中的连接方式有三种：①共基极接法；②共发射极接法，③共集电极接法。如图Z0115所示。 共什么极是指电路的输入端及输出端以这个极作为公共端。必须注意，无论那种接法，为了使三极管具有正常的电流放大作用，都必须外加大小和极性适当的电压。即必须给发射结加正向偏置电压，发射区才能起到向基区注入载流子的作用；必须给集电结加反向偏置电压（一般几～几十伏），在集电结才能形成较强的电场，才能把发射区注入基区，并扩散到集电结边缘的载流子拉入集电区，使集电区起到收集载流子的作用。
二、三极管内部载流子的运动规律
在发射结正偏、集电结反偏的条件下，三极管内部载流子的运动，可分为3个过程，下面以NPN型三极管为例来讨论（共射极接法）。
1．发射区向基区注入载流子的过程
由于发射结外加正向电压，发射区的电子载流子源源不断地注入基区，基区的多数载流子空穴，也要注入发射区。如图Z0116所示，二者共同形成发射极电流IE。但是，由于基区掺杂浓度比发射区小2～3个数量级，注入发射区的空穴流与注入基区的电子流相比，可略去。

2. 载流子在基区中扩散与复合的过程
由发射区注入基区的电子载流子，其浓度从发射结边缘到集电结边缘是逐渐递减的，即形成了一定的浓度梯度，因而，电子便不断地向集电结方向扩散。由于基区宽度制作得很小，且掺杂浓度也很低，从而大大地减小了复合的机会，使注入基区的95％以上的电子载流子都能到达集电结。故基区中是以扩散电流为主的，且扩散与复合的比例决定了三极管的电流放大能力。
3．集电区收集载流子的过程
集电结外加较大的反向电压，使结内电场很强，基区中扩散到集电结边缘的电子，受强电场的作用，迅速漂移越过集电结而进入集电区，形成集电极电流Inc。另一方面，集电结两边的少数载流子，也要经过集电结漂移，在c，b之间形成所谓反向饱和电流I CBO，不过，I CBO一般很小，因而集电极电流
              INC +I CBO ≈ I NC　　　　　　　　　　 GS0105
同时基极电流
            IB = I PB +I E -I CBO≈I PB - I CBO 　　　GS0106
反向饱和电流I CBO与发射区无关，对放大作用无贡献，但它是温度的函数，是管子工作不稳定的主要因素。制造时，总是尽量设法减小它。
三、三极管的电流分配关系与放大作用
1．电流分配关系
由图Z0116可知，三极管三个电极上的电流组成如下：
发射极电流IE
          I E＝I NE＋I PE ≈I NE 　　　　　　　GS0107
基极电流IB
          I B = I PB + I PE - I CBO ≈I PB - I CBO
集电极电流IC
          I C=I NC +I CBO≈ I NC
同时由图Z0116也可看出
           I NE＝ I NC ＋I PB　　　　　　　　GS0108
由以上诸式可得到
          I E＝IC＋ IB 　　　　　　　　　GS0109
它表明，发射极电流IE按一定比例分配为集电极电流I c和基极电流 IB 两个部分，因而晶体三极管实质上是一个电流分配器件。对于不同的晶体管，尽管I C与IB的比例是不同的，但上式总是成立的，所以它是三极管各极电流之间的基本关系式。
由图Z0116也可以看出，I NC 代表由发射区注入基区进而扩散到集电区的电子流，I PB代表从发射区注入基区被复合后形成的电流。对于一个特定的三极管，这二者的比例关系是确定的，通常将这个比值称为共发射极直流电流放大系数。用 [image] 表示，
即
如果忽略I CBO，则
该式说明I B对IC有控制作用。
变换一下式GS0110，可写成

令 [image] 则上式可写成:

此式表明，集电极电流由两部分组成：一部分是 [image] ，它表示I C与I B的比例关系，另一部分是
称为穿透电流其意义将在三极管参数中介绍。
综合共射极三极管的电流分配关系，可写为

三极管的电流分配关系还可以用由发射区传输到集电区的电子流 I NC与发射极总发射的电子流I E之间的比例关系来表示。将这二者的比值称为共基极直流电流放大系数，用 [image] 表示即:
由于 I C = I NC＋II CBO，且I C ＞＞I CBO，故:

该式说明IE对IC也有控制作用。
由上可得出共基极电流分配关系为

和 [image] 都是描述三极管的同一过程，它们之间必然存在着内在联系。由它们各自的表达式知：

即:

一般 [image] ≤1 （约0.9～0.99）， [image] >>1（约20～200）。
2．三极管的放大作用
图Z0117为共射接法的三极管放大电路。待放大的输入信号ui接在基极回路，负载电阻Rc接在集电极回路，Rc两端的电压变化量uo就是输出电压。由于发射结电压增加了ui（由U BE 变成U BE + u I）引起基极电流增加了ΔIB，集电极电流随之增加了ΔI C ，ΔI C =βΔI B，它在RC形成输出电压uo=ΔI C RC=βΔIB RC 。
只要Rc取值较大，便有uo >>?font size="+1">ui ，从而实现了放大。


三极管的特性曲线

三极管外部各极电压和电流的关系曲线，称为三极管的特性曲线，又称伏安特性曲线。它不仅能反映三极管的质量与特性，还能用来定量地估算出三极管的某些参数，是分析和设计三极管电路的重要依据。
对于三极管的不同连接方式，有着不同的特性曲线。应用最广泛的是共发射极电路，其基本测试电路如图Z0118所示， [image] 共发射极特性曲线可以用描点法绘出，也可以由晶体管特性图示仪直接显示出来。
一、输入特性曲线
在三极管共射极连接的情况下，当集电极与发射极之间的电压U BE 维持不同的定值时，
U BE和I B之间的一簇关系曲线，称为共射极输入特性曲线，如图Z0119所示。输入特性曲线的数学表达式为：
I B＝f（U BE）| U BE = 常数 　　GS0120
由图Z0119 可以看 [image] 出这簇曲线，有下面几个特点：
（1）U BE = 0的一条曲线与二极管的正向特性相似。这是因为U CE = 0时，集电极与发射极短路，相当于两个二极管并联，这样I B与U CE 的关系就成了两个并联二极管的伏安特性。
（2）U CE由零开始逐渐增大时输入特性曲线右移，而且当U CE的数值增至较大时（如U CE＞1V），各曲线几乎重合。这是因为U CE由零逐渐增大时，使集电结宽度逐渐增大，基区宽度相应地减小，使存贮于基区的注入载流子的数量减小，复合减小，因而I B减小。如保持I B为定值，就必须加大U BE ，故使曲线右移。当U CE 较大时（如U CE ＞1V），集电结所加反向电压，已足能把注入基区的非平衡载流子绝大部分都拉向集电极去，以致U CE再增加，I B 也不再明显地减小，这样，就形成了各曲线几乎重合的现象。
（3）和二极管一样，三极管也有一个门限电压Vγ，通常硅管约为0.5～0.6V，锗管约为0.1～0.2V。
二、输出特性曲线
输出特性曲线如图Z0120所示。测试电路如图Z0117。
输出特性曲线的数学表达式为：
由图还可以看出，输出特性曲线可分为三个区域：
（1）截止区：指I B=0的那条特性曲线以下的区域。在此区域里，三极管的发射结和集电结都处于反向偏置状态，三极管失去了放大作用，集电极只有微小的穿透电流IcEO。
（2）饱和区：指绿色区域。在此区域内，对应不同IB值的输出特性曲线簇几乎重合在一起。也就是说，U CE较小时，I c虽然增加，但Ic增加不大，即I B失去了对I c的控制能力。这种情况，称为三极管的饱和。饱和时，三极管的发射给和集电 [image] 结都处于正向偏置状态。三极管集电极与发射极间的电压称为集一射饱和压降，用U CES表示。U CES很小，通常中小功率硅管U CES＜0.5V；三极管基极与发射极之间的电压称为基一射饱和压降，以U CES表示，硅管的U CES在0．8V左右。
OA线称为临界饱和线（绿色区域右边缘线），在此曲线上的每一点应有
|U CE| = |U BE|。它是各特性曲线急剧拐弯点的连线。在临界饱和状态下的三极管，其集电极电流称为临界集电极电流，以I cs表示；其基极电流称为临界基极电流，以I BS表示。这时I cs与I BS 的关系仍然成立。
（3）放大区：在截止区以上，介于饱和区与击穿区之间的区域为放大区。在此区域内，特性曲线近似于一簇平行等距的水平线，Ic的变化量与IB的变量基本保持线性关系，即ΔI c=βΔI B，且ΔI c >>ΔI B ，就是说在此区域内，三极管具有电流放大作用。此外集电极电压对集电极电流的控制作用也很弱，当U CE＞1 V后，即使再增加U CE，I c 几乎不再增加，此时，若I B 不变，则三极管可以看成是一个恒流源。
在放大区，三极管的发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置状态。


三极管的主要参数
三极管的参数反映了三极管各种性能的指标，是分析三极管电路和选用三极管的依据。
一、电流放大系数
1．共发射极电流放大系数
（1）共发射极直流电流放大系数 [image] ，它表示三极管在共射极连接时，某工作点处直流电流I C与I B的比值，当忽略I CBO时

（2）共发射极交流电流放大系数β它表示三极管共射极连接、且U CE恒定时，集电极电流变化量ΔIC与基极电流变化量ΔI B之比，即
管子的β值大小时，放大作用差；β值太大时，工作性能不稳定。因此，一般选用β为30～80的管子。
2．共基极电流放大系数
共基极直流电流放大系数它表示三极管在共基极连接时，某工作点处IC 与 I E的比值。在忽略I CBO的情况下

（2）共基极交流电流放大系数α，它表示三极管作共基极连接时，在U CB 恒定的情况下，IC和IE的变化量之比，即：

通常在I CBO很小时， [image] 与β， [image] 与α相差很小，因此，实际使用中经常混用而不加区别。
二、极间反向电流
1．集-基反向饱和电流 I CBO
ICBO是指发射极开路，在集电极与基极之间加上一定的反向电压时，所对应的反向电流。它是少子的漂移电流。在一定温度下，I CBO 是一个常量。随着温度的升高I CBO将增大，它是三极管工作不稳定的主要因素。在相同环境温度下，硅管的I CBO比锗管的I CBO小得多。
2．穿透电流 I CEO
I CEO是指基极开路，集电极与发射极之间加一定反向电压时的集电极电流。I CEO与I CBO的关系为：
I CEO = I CBO＋ [image] I CBO＝（1＋ [image] ）I CBO GS0125
该电流好象从集电极直通发射极一样，故称为穿透电流。I CEO和I CBO一样，也是衡量三极管热稳定性的重要参数。
三、频率参数
频率参数是反映三极管电流放大能力与工作频率关系的参数，表征三极管的频率适用范围。
1．共射极截止频率 fβ
三极管的β值是频率的函数，中频段β=βo几乎与频率无关，但是随着频率的增高，β值下降。当β值下降到中频段βO1／ [image] 倍时，所对应的频率，称为共射极截止频率，用fβ表示。
2．特征频率 fT
当三极管的β值下降到β＝1时所对应的频率，称为特征频率。在f β～f T的范围内，β值与f几乎成线性关系，f越高，β越小，当工作频率f＞fT，时，三极管便失去了放大能力。
四、极限参数
1．最大允许集电极耗散功率 P CM
P CM 是指三极管集电结受热而引起晶体管参数的变化不超过所规定的允许值时，集电极耗散的最大功率。当实际功耗P c大于P CM时，不仅使管子的参数发生变化，甚至还会烧坏管子。P CM可由下式计算：
P CM ＝I C UCE GS0126
当已知管子的P CM 时，利用上式可以在输出特性曲线上画出P CM 曲线。
2．最大允许集电极电流 I CM
当I C 很大时，β值逐渐下降。一般规定在β值下降到额定值的2／3（或1／2）时所对应的集电极电流为I CM当I C＞I CM时，β值已减小到不实用的程度，且有烧毁管子的可能。
3．反向击穿电压 BV CEO 与 BV CEO
BV CEO是指基极开路时，集电极与发射极间的反向击穿电压。
BV CBO是指发射极开路时，集电极与基极间的反向击穿电压。一般情况下同一管子的
BV CEO（0.5～0.8）BV CBO 。三极管的反向工作电压应小于击穿电压的（1／2～1／3），以保证管子安全可靠地工作。
三极管的3个极限参数P CM 、I CM、BV CEO和前面讲的临界饱和线 、截止线所包围的区域，便是三极管安全工作的线性放大区。一般作放大用的三极管，均须工作于此区。


三极管的开关特性
在脉冲与数字电路中，三极管作为最基本的开关元件得到了普遍的应用。三极管工作在饱和状态时，其U CES≈0，相当于开关的接通状态；工作在截止状态时，I C≈0，相当于开关的断开状态，因此，三极管可当做开关器件使用。
（这部分内容将在16单元："脉冲波形的产生与整形"中再作详细介绍 。）


结型场效应管
场效应管
场效应管（Fjeld Effect Transistor简称FET ）是利用电场效应来控制半导体中电流的一种半导体器件，故因此而得名。场效应管是一种电压控制器件，只依靠一种载流子参与导电，故又称为单极型晶体管。与双极型晶体三极管相比，它具有输入阻抗高、 [image] 噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗小、制造工艺简单和便于集成化等优点。
场效应管有两大类，结型场效应管JFET和绝缘栅型场效应管IGFET，后者性能更为优越，发展迅速，应用广泛。图Z0121 为场效应管的类型及图形、符号。
一、结构与分类
图 Z0122 [image] 为N沟道结型场效应管结构示意图和它的图形、符号。它是在同一块N型硅片的两侧分别制作掺杂浓度较高的P型区（用P+表示），形成两个对称的PN结，将两个P区的引出线连在一起作为一个电极，称为栅极（g），在N型硅片两端各引出一个电极，分别称为源极（s）和漏极（d）。在形成PN结过程中，由于P+区是重掺杂区，所以N一区侧的空间电荷层宽度远大
二、工作原理
N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，只是偏置电压的极性和载流子的类型不同而已。下面以N沟道结型场效应管为例来分析其工作原理。电路如图Z0123所示。由于栅源间加反向电压，所以两侧PN结均处于反向偏置，栅源电流几乎为零。漏源之间加正向电压使N型半导体中的多数载流子-电子由源极出发，经过沟道到达漏极形成漏极电流ID。
1．栅源电压U GS对导电沟道的影响（设U DS＝0）
在图Z0123所示电路中，U GS ＜0， [image] 两个PN结处于反向偏置，耗尽层有一定宽度，I D=0。若|U GS| 增大，耗尽层变宽，沟道被压缩，截面积减小，沟道电阻增大；若|U GS| 减小，耗尽层变窄，沟道变宽，电阻减小。这表明U GS控制着漏源之间的导电沟道。当U GS负值增加到某一数值V P时，两边耗尽层合拢，整个沟道被耗尽层完全夹断。（V P称为夹断电压）此时，漏源之间的电阻趋于无穷大。管子处于截止状态，I D＝0。
2．漏源电压U GS对漏极电流ID的影响（设U GS＝0）
当U GS＝0时，显然I D＝0；当U DS＞0且尚小对，P+N结因加反向电压，使耗尽层具有一定宽度，但宽度上下不均匀，这是由于漏源之间的导电沟道具有一定电阻，因而漏源电压U DS沿沟道递降，造成漏端电位高于源端电位，使近漏端PN结上的反向偏压大于近源端，因而近漏端耗尽层宽度大于近源端。显然，在U DS较小时，沟道呈现一定电阻，I D随U DS成线性规律变化（如图Z0124曲线OA段）；若U GS再继续增大，耗尽层也随之增宽，导电沟道相应变窄，尤其是近漏端更加明显。由于沟道电阻的增大，I D增长变慢了（如图曲线AB段），当U DS增大到等于|V P|时，沟道在近漏端首先发生耗尽层相碰的现象。这种状态称为预夹断。这时管子并不截止，因为漏源两极间的场强已足够大，完全可以把向漏极漂移的全部电子吸引过去形成漏极饱和电流I DSS （这种情况如曲线B点）：当U DS＞|V P|再增加时，耗尽层从近漏端开始沿沟道加长它的接触部分，形成夹断区 。由于耗尽层的电阻比沟道电阻大得多，所以比|V P|大的那部分电压基本上降在夹断区上，使夹断区形成很强的电场，它完全可以把沟道中向漏极漂移的电子拉向漏极，形成漏极电流。因为未被夹断的沟道上的电压基本保持不变，于是向漏极方向漂移的电子也基本保持不变，管子呈恒流特性（如曲线BC段）。但是，如果再增加U DS达到B U DS时（B U DS称为击穿电压）进入夹断区的电子将被强电场加速而获得很大的动能，这些电子和夹断区内的原子碰撞发生链锁反应，产生大量的新生载流予，使I D急剧增加而出现击穿现象（如曲线CD段）。
由此可见，结型场效应管的漏极电流I D受U GS和U DS的双重控制。这种电压的控制作用，是场效应管具有放大作用的基础。
三、特性曲线
1．输出特性曲线
输出特性曲线是栅源电压U GS取不同定值时，漏极电流I D 随漏源电压U DS 变化的一簇关系曲线，如图Z0124 [image] 所示。由图可知，各条曲线有共同的变化规律。U GS越负，曲线越向下移动）这是因为对于相同的U DS，U GS越负，耗尽层越宽，导电沟道越窄，I D越小。
由图还可看出，输出特性可分为三个区域即可变电阻区、恒流区和击穿区。"
◆可变电阻区：预夹断以前的区域。其特点是，当0＜U DS＜|V P|时，I D几乎与U DS呈线性关系增长，U GS愈负，曲线上升斜率愈小。在此区域内，场效应管等效为一个受U GS控制的可变电阻。
◆恒流区：图中两条虚线之间的部分。其特点是，当U DS＞|V P|时，I D几乎不随U DS变化，保持某一恒定值。I D的大小只受U GS的控制，两者变量之间近乎成线性关系，所以该区域又称线性放大区。
◆击穿区：右侧虚线以右之区域。此区域内U DS＞BU DS，管子被击穿，I D随U DS的增加而急剧增加。
2．转移特性曲线
当U DS一定时，I D与U GS之间的关系曲线称为转移特性曲线。实验表明，当U DS＞|V P|后，即恒流区内，I D 受U DS影响甚小，所以转移特性通常只画一条。在工程计算中，与恒流区相对应的转移特性可以近似地用下式表示：

式GS0127中V P≤U GS≤0，I DSS是U GS＝0时的漏极饱和电流。


绝缘栅型场效应管

在结型场效应管中，栅极和沟道间的PN结是反向偏置的，所以输入电阻很大。但PN结反偏时总会有一些反向电流存在，这就限制了输入电阻的进一步提高。如果在栅极与沟道间用一绝缘层隔开，便制成了绝缘栅型场效应管，其输入电阻可提高到 [image] 。根据绝缘层所用材料之不同，绝缘栅场效应管有多种类型，目前应用最广泛的一种是以二氧化硅（SiO2）为绝缘层的金属一氧化物一半导体（Meial-Oxide-Semiconductor）场效应管，简称MOS场效应管（MOSFET）。它也有N沟道和P沟道两类，每类按结构不同又分为增强型和耗尽型。
一、增强型MOS管
1．结构与符号
图Z0125是N沟道增强型MOS管的结构示意图和符号。它是在一块P型硅衬底上，扩散两个高浓度掺杂的N+区， [image] 在两个N+区之间的硅表面上制作一层很薄的二氧化硅（SiO2）绝缘层，然后在SiO2和两个N型区表面上分别引出三个电极，称为源极s、栅极g和漏极d。在其图形符号中，箭头表示漏极电流的实际方向。
2．工作原理
绝缘栅场效应管的导电机理是，利用U GS 控制"感应电荷"的多少来改变导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流I D。若U GS＝0时，源、漏之间不存在导电沟道的为增强型MOS管，U GS＝0 时，漏、源之间存在导电沟道的为耗尽型MOS管。
图Z0125中衬底为P型半导体，在它的上面是一层SiO2薄膜、在SiO2薄膜上盖一层金属铝，如果在金属铝层和半导体之间加电压U GS，则金属铝与半导体之间产生一个垂直于半导体表面的电场，在这一电场作用下，P型硅表面的多数载流子-空穴受到排斥，使硅片表面产生一层缺乏载流子的薄层。同时在电场作用下，P型半导体中的少数载流子-电子被吸引到半导体的表面，并被空穴所俘获而形成负离子，组成不可移动的空间电荷层（称耗尽层又叫受主离子层）。U GS愈大，电场排斥硅表面层中的空穴愈多，则耗尽层愈宽，且U GS愈大，电场愈强；当U GS 增大到某一栅源电压值V T（叫临界电压或开启电压）时，则电场在排斥半导体表面层的多数载流子-空穴形成耗尽层之后，就会吸引少数载流子-电子，继而在表面层内形成电子的积累，从而使原来为空穴占多数的P型半导体表面形成了N型薄层。由于与P型衬底的导电类型相反，故称为反型层。在反型层下才是负离子组成的耗尽层。这一N型电子层，把原来被PN结高阻层隔开的源区和漏区连接起来，形成导电沟道。
用图Z0126所示 [image] 电路来分析栅源电压U GS控制导电沟道宽窄，改变漏极电流I D 的关系：当U GS＝0时，因没有电场作用，不能形成导电沟道，这时虽然漏源间外接有E D电源，但由于漏源间被P型衬底所隔开，漏源之间存在两个PN结，因此只能流过很小的反向电流，I D ≈0；当U GS＞0并逐渐增加到V T 时，反型层开始形成，漏源之间被N沟道连成一体。这时在正的漏源电压U DS作用下；N沟道内的多子（电子）产生漂移运动，从源极流向漏极，形成漏极电流I D。显然，U GS愈高，电场愈强，表面感应出的电子愈多，N型沟道愈宽沟道电阻愈小，I D愈大。
3．输出特性曲线
N沟道增强型MOS管输出特性曲线如图Z0127所示，它是U GS为不同定值时，I D 与U DS之间关系的一簇曲线。由图可见，各条曲线变化规律基本相同。现以U GS＝5V一条 [image] 曲线为例来进行分析。设U GS ＞V T，导电沟道已形成。当U DS= 0时，沟道里没有电子的定向运动，I D=0；当U DS＞0且较小时，沟道基本保持原状，表现出一定电阻，I D随U DS线性增大 ；当U DS较大时，由于电阻沿沟道递增，使U DS沿沟道的电位从漏端到源端递降，所以沿沟道的各点上，栅极与沟道间的电位差沿沟道从d至s极递增，导致垂直于P型硅表面的电场强度从d至s极也递增，从而形成沟道宽度不均匀，漏端最窄，源端最宽如图Z0126所示。随着U DS的增加，漏端沟道变得更窄，电阻相应变大，I D上升变慢 ；当U DS继续增大到U DS =U GS - V T时，近漏端的沟道开始消失，漏端一点处被夹断；如果U DS再增加，将出现夹断区。这时，U DS增加的部分基本上降在夹断区上，使夹断部分的耗尽层变得更厚，而未夹断的导电沟道不再有多大变化，所以ID将维持刚出现夹断时的数值，趋于饱和，管子呈现恒流特性。
对于不同的U GS值，沟道深浅也不同，U GS愈大，沟道愈深。在恒流区，对于相同的U DS 值，U GS大的I D 也较大，表现为输出特性曲线上移。
二、耗尽型MOS管
N沟道耗尽型MOS管和N沟道增强型MOS管的结构基本相同。差别在于耗尽型MOS管的SiO2绝缘层中掺有大量的正离子，故在U GS= 0时，就在两个N十区之间的P型表面层中感应出大量的电子来，形成一定宽度的导电沟道。这时，只要U DS＞0就会产生I D。
对于N沟道耗尽型MOS管，无论U GS为正或负，都能控制I D的大小，并且不出现栅流。这是耗尽型MOS管区别于增强型MOS管的主要特点。
对于P沟道场效应管，其工作原理，特性曲线和N沟道相类似。仅仅电源极性和电流方向不同而已。


发光二极管
发光二极管是一种直接能把电能转变为光能的半导体器件。与其它发光器件相比，具有体积小、功耗低、发光均匀、稳定、响应速度快、寿命长和可靠性高等优点，被广泛应用于各种电子仪器、音响设备、计算机等作电流指示、音频指示和信息状态显示等。
一、发光原理
发光二极管的管芯结构与普通二极管相似，由一个PN结构成。当在发光二极管PN结上加正向电压时， [image] 空间电荷层变窄，载流子扩散运动大于漂移运动，致使P区的空穴注入N区，N区的电子注入P区。当电子和空穴复合时会释放出能量并以发光的形式表现出来。
二、种类和符号
发光二极管的种类很多，按发光材料来区分有磷化镓（GaP）发光二极管、磷砷化镓（GaAsP）发光二极管、砷铝镓（GaAIAs）发光二极管等；按发光颜色来分有发红光、黄光、绿光以及眼睛看不见的红外发光二极管等；若按功率来区别可分为小功率（HG 400系列）、中功率（HG50系列）和大功率（HG52系列）发光二极管：另外还有多色、变色发光二极管等等。
发光二极管及在电路中的符号，如图Z0128所示。
小功率的发光二极管正常工作电流在10 ～ 30mA范围内。通常正向压降值在1.5 ～ 3V范围内。发光二极管的反向耐压一般在6V左右。
发光二极管的伏安特性与整流二极管相似。为了避免由于电源波动引起正向电流值超过最大允许工作电流而导致管子烧坏，通常应串联一个限流电阻来限制流过二极管的电流。由于发光二极管最大允许工作电流随环境温度的升高而降低，因此，发光二极管不宜在高温环境中使用。
发光二极管的反向耐压（即反向击穿电压）值比普通二极管的小，所以使用时，为了防止击穿造成发光二极管不发光，在电路中要加接二极管来保护。


光敏二极管和光敏三极管

光敏二极管和光敏三极管是光电转换半导体器件，与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便等优。
一、光敏二极管
1．结构特点与符号
光敏二极管和普通二极管相比虽然都属于单向导电的非线性半导体器件，但在结构上有其特殊的地方。
光敏二极管在电路中的符号如图Z0129 所示。光敏二极管使用时要反向接入电路中，即正极接电源负极，负极接电源正极。
2．光电转换原理
根据PN结反向特性可知，在一定反向电压范围内，反向电流很小且处于饱和状态。此时，如果无光照射PN结，则因本征激发产生的电子-空穴对数量有限，反向饱和电流保持不变，在光敏二极管中称为暗电流。当有光照射PN结时，结内将产生附加的大量电子空穴对（称之为光生载流子），使流过PN结的电流随着光照强度的增加而剧增，此时的反向电流称为光电流。不同波长的光（兰光、红光、红外光）在光敏二极管的不同区域被吸收形成光电流。被表面P型扩散层所吸收的主要是波长较短的兰光，在这一区域，因光照产生的光生载流子（电子），一旦漂移到耗尽层界面， [image] 就会在结电场作用下，被拉向N区，形成部分光电流；彼长较长的红光，将透过P型层在耗尽层激发出电子一空穴对，这些新生的电子和空穴载流子也会在结电场作用下，分别到达N区和P区，形成光电流。波长更长的红外光，将透过P型层和耗尽层，直接被N区吸收。在N区内因光照产生的光生载流子（空穴）一旦漂移到耗尽区界面，就会在结电场作用下被拉向P区，形成光电流。因此，光照射时，流过PN结的光电流应是三部分光电流之和。
二、光敏三极管
光敏三极管和普通三极管的结构相类似。不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏二极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通二极管。其结构 及符号如图Z0130所示。
当人射光子在基区及集电区被吸收而产生电子一空穴对时，便形成光生电压。由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了β倍的信号电流。因此，光敏三极管是一种相当干将基极、集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管放大。


基本放大电路

第二章 基本放大电路
基本放大电路的工作原理
放大电路应用非常广泛，无论是日常使用的收录机、电视机、还是精密的测量仪器，复杂的自动控制系统，其中都有各种各样的放大电路。放大电路的基本功能就是把微弱的电信号（电压、电流）放大到适用的程度，它是模拟电路中的主要电路形式和研究对象。
基本放大电路是指由一两个放大器件（如晶体管、场效应管等）组成的简单放大电路，它是构成各种复杂放大电路的基本单元。因此，掌握基本放大电路的工作原理和分析方法，是分析、研究、设计各种放大电路的基础。


基本放大电路的组成

利用放大器件工作在放大区时所具有的电流（或电压）控制特性，可以实现放大作用，因此，放大器件是放大电路中必不可少的器；
为了保证器件工作在放大区，必须通过直流电源给器件提供适当的偏置电压或电流，这就需要有提供偏置的电路和电源；
为了确保信号能有效地输入和输出，还必须设置合理的输入电路和输出电路。
可见，放大电路应由放大器件、直流电源和偏置电路、输入电路和输出电路几部分组成。
图Z0201 共发射极放大电路的三种画法.
图中NPN型晶体管T是整个电路的核心，它担负着放大的任务；
直流电源E C（几V～几十V），一方面通过R b给晶体管的发射结提供正向偏压，通过RC给集电结提供反向偏压，另一方面提供负载所需信号的能量；
R b决定基极偏置电流I B的大小，称为基极偏置电阻（一般为几十kΩ～几百kΩ）。
R c将集电极电流的变化转换为电压的变化，提供给负载，称为集电极负载电阻（一般为几kΩ～几十kΩ）；
电容C 1、C 2的作用是隔断放大电路与信号源、放大电路与负载之间的直流通路，仅让交流信号流通过，即隔直通交。C 1称为输入耦合电容，C 2称为输出耦合电容。
C 1、R b、E C及T的b、e极构成信号的输入电路；
C 2、R c、E C及T的c、e极构成信号的输出电路。
R b、E C构成晶体管的偏置电路。晶体管的发射极是输入回路和输出回路的公共端，所以称这种电路为共发射极放大电路。与晶体管的3个电极相对应，还可构成共基极放大电路和共集电极放大电路。
在分析放大电路时，常以公共端作为电路的零电位参考点，称之为"地"端（并非真正接到大地）。电路图上用"┻"作标记，电路中各点的电压都是指该点对地端的电位差。电压参考正方向规定为上"+"下"－"电流参考正方向规定为流入电路为正，流出电路为负（与双口网络规定相同）。画电路图时常采用图Z0201中电子电路的画法。
综上所述，基本放大电路有4个组成部分、3种基本电路形式（或称为组态），在构成具体放大电路时，无论那一种组态，都应遵从下列原则：
（1）必须保证放大器件工作在放大区，以实现电流或电压控制作用；
（2）元件的安排应保证信号能有效地传输，即有u I时，应有u o输出；
（3）元件参数的选择应保证输入信号能得到不失真地放大，否则，放大将失去意义。
以上3条原则也是判断一个电路是否具有放大作用的依据。


直流通路与静态工作点
无信号输入（u s＝0）时，放大电路的工作状态称为静态。静态时，电路中各处的电压、电流均为直流量。由于电路中的电容、电感等电抗元件对直流没有影响，因此，对直流而言，放大电路中的电容可视为开路（电感可视为短路），据此所得到的 [image] 等效电路称为放大电路的直流通路，如图Z0202所示。
静态时，晶体管各极的直流电流、电压分别用 I B、U BE、I C、U CE表示。由于这组数值分别与晶体管输入、输出特性曲线上一点的坐标值相对应，故常称这组数值为静态工作点，用Q表示。显然，静态工作点是由直流通路决定的。静态工作点常用如下近似计算法进行估算：
I BR b +U BE = E C
I CR C +U cE = E C
在上常工作情况下，对应不同的I B 值，U BE 的变化很小，作为近似估算，可以认为U BE不变，对硅管近似地取U BE ≈0.7V，对锗管近似地取U BE ≈0.3V。通常E C》U BE ，因而由上两式可得：

由于电子电路中电流一般比较小，在计算过程中，电流I B的单位常取μA电流I C的单位常取mA，电阻的单位为kΩ，电压的单位仍是V。放大电路既然是放大交流信号的，为什么还要设置静态工作点呢？这主要是由于晶体管等放大器件是非线性器件所致。如晶体管的发射结是单向导电的，而且存在着一定的门限电压，在门限电压附近，输入特性曲线具有严重的非线性，如图 。若不设偏置，直接输入正弦波电压u I，由图可见，不仅要求u I 要有一定幅度，而且I b已出现了严重的非线性失真，根本达不到不失真放大的目的。

要减小这种失真，就要设置一定的直流偏置电压U BE ，使交流信号u I迭加在U BE 之上，从而使加到发射结两端的电压u BE =U BE + u I，基极电流 I B= I B + I b ，成为只有大小变化、而没有极性变化的脉动直流，如图Z0203所示，这就保证了在u I 的整个周期内，晶体管始终工作在线性区域。因此，只有合理地设置静态工作点，才能不失真地放大信号。


交流通路与放大原理
有信号输入时，放大电路的工作状态称为动态。
动态时，电路中既有代表信号的交流分量，又有代表静态偏置的直流分量。是交、直流共存状态，尽管电路中既有交流分量，又有直流分量。由于电路中含有电抗性元件，因此，交流通路与直流通路是不相同的。
对交流信号而言，耦合电容C 1、C 2因其容抗较小，可视为短路，电源E C因其内阻很小，亦可视为短路。 据此原则即可画出基本放大电路的交流等效电路，称为交流通路。基本放大电路（固定偏置电路）的交流通路如图Z0204所示。图中RL为外接负载。
当输入信号u i加到放大电路输入端时，电路就由静态转入放大信号的动态。即当u i输入后，通过C 1耦合使晶体管发射结上的电压发生了变化：由U BE变为U BE +u i；于是晶体管基极电流发生变化：I B→I B + i b；其变化量 i b通过晶体管的电流控制作用使 i C发生变化，即 i C →I C + βib集电极电流通过电阻R C，在上的电压也就发生变化： i C R C→I C R C+ i C R C；从而使u CE→U CE + u ce通过隔直耦合电容C 2将直流成份U CE隔断，只把变化量传到输出端，使得到输出电压u o按u i的变化规律变化，但u o比u i大许多倍，这就相当干将u i"放大"了。动态时，电路中各处电压、电流的波形如图图Z0205中所示。由图可见，晶体管各极电流、电压均为脉动直流。在u i的整个周期内，u BE ＞ Vγ，u CE ＞ 0，这就保证了晶体管始终工作在放大状态。由图还可以看出，在没有失真（即合理设置Q点）的情况下，晶体管各极电压、电流均可视为交流分量与直流分量的线性迭加。

在这种情况下，分析放大电路时，交流与直流可以分开讨论。应当指出放大是对变化量而言的，放大信号的过程实质上是一个能量控制与转换的过程，即晶体管在能量较小的输入信号u i 的控制下，按照u i 的变化规律，将E C的直流能量转换成负载所需要的较大的交流能量。晶体管是一个能量控制器件，它本身并不会产生能量，只能消耗电源E C的直流能量。（具有能量控制作用的器件称为有源器件。）


放大电路的性能指标
放大电路放大信号性能的优劣是用它的性能指标来表示的。性能指标是指在规定条件下，按照规定程序和测试方法所获得的有关数据。放大电路性能指标很多，且因电路用途不同而有不同的侧重。这里仅介绍其中几项指标的含义。
图Z0206是测试放大电路指标时的示意图。图中输入、输出端的电压和电流均为正弦量。U s是信号源电压，R L表示各种形式的实际负载的等效电阻。
一、放大倍数
放大倍数表征放大电路对微弱信号的放大能力，它是输出信号（U o、I o、P o）比输入信号增大的倍数，又称增益。
1. 电压放大倍数
放大电路的电压放大倍数定义为输出电压有效值与输入电压有效值之比，即

它表示放大电路放大信号电压的能力。
2．电流放大倍数
放大电路电流放大倍数定义为输出电流有效值与输入电流有效值之比，即

它表示放大电路放大电流信号的能力。
3．功率放大倍数
放大电路等效负载RL上吸收的信号功率（P o =U o I o）与输入端的信号功率（P i =U i I i）之比，即

定义为放大电路的功率放大倍数。
在实际工作中，放大倍数常用分贝表示，定义为：

二、输入电阻和输出电阻
1．输入电阻
当输入信号源加进放大电路时，放大电路对信号源所呈现的负载效应用输入电阻R I来衡量，它相当于从放大电路的输入端看进去的等效电阻。这个电阻的大小等于放大电路输入电压与输入电流的有效值之比，即

放大电路的输入电阻反映了它对信号源的衰减程度。R i越大，放大电路从信号源索取的电流越小，加到输入端的信号U i；越接近信号源电压Us。
2．输出电阻
当放大电路将信号放大后输出给负载时，对负载R L而言，放大电路可视为具有内阻的信号源，该信号源的内阻即称为放大电路的输出电阻。它也相当于从放大电路输出端看进去的等效电阻。输出电阻的测量方法之一是：将输入信号电源短路（如是电流源则开放），保留其内阻，在输出端将负载RL取掉，且加一测试电压U o，测出它所产生的电流I o，则输出电阻的大小为

放大电路的输出电阻的大小，反映了它带负载能力的强弱。R o越小，带负载能力越强。


放大电路的静态图解分析

放大电路的图解分析法
放大电路有两个显著特点，即含有非线性的放大器件和工作在交直流共存状态，因此，分析放大电路不能简单地套用线性电路的分析方法。分析放大电路常用的方法有图解分析法和微变等效电路分析法。图解分析法是指以晶体管的输入、输出特性曲线为基础，通过作图来分析放大电路性能的方法。它的基本思想是，把放大电路的输入、输出回路分成线性和非线性两个部分，并把描写这两个部分特性的电压-电流关系，以曲线的形式描绘在同一平面坐标内，根据两条曲线的交点决定它们的解。
放大电路的分析包括两个方面的内容，即动态分析和静态分析。动态分析的任务是确定动态性能指标；静态分析的任务是确定静态工作点。
放大电路的静态图解分析
放大电路的静态图解分析的目的是在输入特性曲线及输出特性曲线上，通过做直流负载线而确定出静态工作点Q。再由Q求得I BQ、I CQ和U CEQ。
对输入回路，i B、uBE应同时满足：
uBE = EC - i B R b（线性电路特性） GS0212
iB = f(uBE,uCE)（晶体管输入特性）
根据式GS0212的直线方程，找出两个特殊点作直线AB。A(EC,0);B(0, [image] ) 连接这两点便得直线AB，称之为输入回路直流负载线，其斜率 [image] 。AB直线和 输入特性曲线的交点即为静态工作点Q（U BEQ、I BQ）。
由于，I B在较大范围内变化时，UBE基本上不变。因此，实际中对输入回路工作点的确定，更多地采用近似估算法。
对输出回路，i C、uCE)应同时满足：
i C = f（I B，uCE）i B = 常量 晶体管的输出特性
uCE = E C -i C R C 输出回路外电路方程 GS0213
同理，由式 GS0213可找出两个特殊点：M（EC，0），N（0， [image] ）。连接MN即得直线
uCE= E C - i C R C
如图Z0207中直线MN。这是一条斜率为： 由直流负载电阻R C所决定的直线，称为输出回路的直流负载线。 直流负载线与参变量I B＝I B的那条输出特性曲线的交点即为静态工作点Q（U CEQ，I CQ）。
由上可见，图解法确定Q点的关键在于正确地作出直流负载线。由于负载线是由外电路元件参数决定的，当外电路元件参数发生变化时、直流负载线也相应地变化，从而工作点也随之变化，因此，用图解法，可以清楚地反映出，当元件参数发生变化时，Q点的变化趋势。


放大电路的动态图解分析

放大电路的动态特性是由交流通路决定的。从图Z0204所示交流通路的输出回路可得：
            UCE = - I C [image] （ [image] = R C∥R L）　　　 GS0214
由于正确设置静态工作点之后，晶体管各极电压、电流均可等效为信号变量与静态直流量的线性迭加。即
          iC = I C + ic　　　　　　　　　　 GS0215
            UCE = UCE + uce 　　　　　　　　　GS0216
将式GS0215和GS0216代入式GS0214可得：

它反映了输入交流信号后IC与uCE 的变化规律，为斜率

是由交流负载 决定的一条直线，故称为交流负载线。
因为交流信号为零的瞬时，放大电路处于静态，所以，交流负载线必然通过Q点。如图Z0208。


输出电压的最大幅度与非线性失真分析

一、输出电压的最大幅度
由图Z0208所示的分析过程可以看出，放大电路输出信号电压的幅度受到饱和区和截止区的限制。在给定电路参数的条件下，输出电压不产生明显失真时的幅值称为最大输出幅度，常用峰值或峰～峰值来表示。
受饱和区的限制，输出电压的最大幅度只能达到（U CEQ -U CES），受截止区的限制，最大输出电压幅度只能达到I C 。因此，实际能达到的输出电压的最大幅度只能为（U CEQ - U CES）与I C 中较小值的二倍（峰-峰值）。
静态工作点的设置对最大输出幅度有很大的影响。由图Z0209 可以看出，要想获得较大的输出幅度，应把Q点设置在交流负载线的中点附近。
二、放大电路中的非线性失真
晶体管工作在非线性区所引起的失真称为非线性失真。产生非线性失真的原因来自两个方面：一是晶体管特性的非线性；二是Q点设置不合适或输入信号过大。
图Z0210、Z0211（表明因Q点选择的过高或过低而导致在输入信号部分时间内，晶体管进入饱和区或截止区而产生的失真，分别称为饱和失真和截止失真。

为了避免瞬时工作点进入截止区而引起截止失真，则应使：
      I C≥I Cm +I CEO 　　　　 GS0218
为了避免瞬时工作点进入饱和区而引起饱和失真，则应使：
        U CE≥U om+ U CES 　　GS0219


微变等效电路分析法
图解分析法虽然具有直观、形象等优点，但它不能进一步深入地分析放大电路动态性能。微变等效电路分析法是一种线性化的分析方法，它的基本思想是：把晶体管用一个与之等效的线性电路来代替，从而把非线性电路转化为线性电路，再利用线性电路的分析方法进行分析。当然，这种转化是有条件的，这个条件就是"微变"，即变化范围很小，小到晶体管的特性曲线在Q点附近可以用直线代替。这里的"等效"是指对晶体管的外电路而言，用线性电路代替晶体管之后，端口电压、电流的关系并不改变。由于这种方法要求变化范围很小，因此，输入信号只能是小信号，一般要求U bE（即uI）≤10mV。这种分析方法，只适用于小信号电路的分析，且只能分析放大电路的动态。


晶体管的h参数
在合理设置静态工作点和输入为交流小信号的前提下，晶体管可等效为一个线性双端口电路。如图Z0212所示。

晶体管的端口电压和电流的关系可表示为如图Z0213所示。
h 参数的定义如图Z0213。

h ie、hre、hfe、hoe 这4个参数称为晶体管的等效h 参数，它们的物理意义为：
hie称为输出端交流短路时的输入电阻，简称输入电阻。它反映输出电U CE不变时，基极电压对基极电流的控制能力，习惯上用R bE表示。
hre称为输入端交流开路时的反向电压传输系数，又称内部电压反馈系数。它反映输出电压u CE通过晶体管内部对输入回路的反馈作用，它是一个无量纲的比例系数。
hfe称为输出端交流短路时的电流放大系数，简称电流放大系数。它反映基极电流IB对集电极电流I C的控制能力，即晶体管的电流放大能力，是一个无量纲的数，习惯上用β表示。
hoe称为输入端交流开路时的输出电导，简称输出电导。它反映当I B不变时，输出电压u CE对输出电流的控制能力。单位是西门子（S），习惯上用1／R CE，表示。可见，这四个参数具有不同的最纲，故称为混合（HybRId）参数，记作h 。h参数第一个下标的意义为：I表示输入，R表示反向传输，f表示正向传输，o表示输出；第二个下标E表示共射接法。在使用时应当明确：
（1） 4个h参数都是微变电流与微变电压之比，因此，h参数是交流参数。
（2） 4个h参数都是在Q点的偏导数，因此，它们都和Q点密切相关，随着Q点的变化而变化；
（3） h参数是晶体管在小信号条件下的等效参数。
h参数可以从晶体管的特性曲线上近似求得，也可以用人h参数测试仪直接测出。对一般小功率晶体管，h参数的数量级如图Z0213所示。


晶体管的微变等效电路

得到了晶体管的h参数后，就可以画出晶体管的线性等效电路，图Z0214是晶体管的h参数等效电路。
关于h参数等效电路，应注意以下几点：
（1）电压的参考极性为上正下负，电流的参考正方向是流入为正；
（2）电路中出现了受控源。受控源的大小和极性均具有从属性。在分析电路时，可以象独立源一样进行等效变换，但控制量不能丢失，在涉及独立源取零值的处理中，不能对受控源进行开路或短路处理，只能视控制量而定。
（3）微变等效电路只适用于低频小信号放大电路，只能用来计算交流分量，不能计算总的瞬时值和静态工作点。
（4）晶体管的输入电阻 RbE（hie）一般可用下列近似公式进行估算：

式中 表示晶体管基区的体电阻，对一般小功率管约为300Ω左右（计算时，若未给出，可取为300Ω），I E 为通过管于发射极的静态电流，单位是mA。在I E ≤5mA范围内，式GS0220计算结果与实际测量值基本一致。


用微变等效电路法分析放大电路
用微变等效电路分析法分析放大电路的关键在于正确地画出放大电路的微变等效电路。
具体方法是：首先画出放大电路的交流通路，然后用晶体管的简化h参数等效电路代替晶体管，并标明电压、电流的参考方向。
应用微变等效电路分析法分析放大电路的基本步骤如下：
（1）确定放大电路的静态工作点。这一步多采用近似估算法或图解法；
（2）求出静态工作点Q附近的h参数。这一步可通过在输入输出特性曲线上作图确定。一般情况下，只应用式GS0220估算出R bE ；
（3）画出放大电路的微变等效电路。
（4）应用线性电路理论进行计算，求得放大电路的主要性能指标。


温度变化对静态工作点的影响
晶体管是一个温度敏感器件，当温度变化时，其特性参数（β、I CBO、U BE）的变化比较显著，实验表明：温度每升高1℃，β约增大0.1％左右，U BE减小（2～2.5）mV，温度每升高10℃，ICBO 约增加一倍。晶体管参数随温度的变化，必然导致放大电路静态工作点发生漂移，这种漂移称为温漂。
以基本共射放大电路为例，当温度t↑升高、U BE ↓、其静态电流IB↑、β↑则I C↑↑；
可见，无论是U BE的减小，还是β、I CBO的增大，都使IC增大，从而使Q点向饱和区移动。
静态工作点的移动，将影响放大电路的放大性能，为此，必须设法稳定静态工作点。稳定静态工作点的方法常用的主要有负反馈法和参数补偿法两种


工作点稳定的电路

一、电流负反馈工作点稳定电路
图Z0215为基极分压式直流电流负反馈放大电路，与共射基本放大电路相比，该电路不同的是在基极采用R b1、R b2分压式偏置，在发射极接入了反馈电阻R E及与其并联的旁路电容C E 。该电路称为分压式直流电流负反馈放大电路。

1. 稳定Q电的物理过程
当选择合适的R b1、R b2值使I R》I B，则有

分压点电压U B与管子参数无关，基本上不受温度的影响。
设温度（t）升高，使I C（I B）增加，则I B在 R E上的压降 U E =I B RE将随之增加。由于U B恒定U BE = U B - U E必然减小，引起I B 减小，I C减小，从而牵制了I C 的增大，使之基本稳定。这一过程可简单表示为：
t ↑→ I C（I B）↑→ U E↑→U BE↓→ I B ↓→ I C（I B）↓
由上述过程可以看到，RE 的作用是将输出回路电流I C的变化转换为电压UE 的变化，并送回到输入端使U BE减小，使IC趋于稳定，这种作用称为电流负反馈作用。
2．稳定条件
稳定Q点的条件有两个，即I R >> I B 和U B>>U BE 。这里I R >>I B 的要求是为了稳定U B而U B >>U BE 主要是为了稳定U E 。在设计电路时常采用下列经验公式：
I R≥ （5 ~ 10）I B
U B≥ （5 ~ 10）U BE（通常取UB ：硅管3~5V；锗管1~3V）
偏置电路元件参数的计算可由下式求得：
R b2 = U B/ I R
R b1 = （E C - U B）/ I R GS0222
R E= U E/ I E ≈U B/ I E
二、参数补偿法工作点稳定电路
利用一个元件参数随温度的变化所引起的温漂来抵消另一个元件参数随温度的变化所引起的温漂， [image] 从而达到稳定工作点的目的，这就是参数补偿法的基本思想。
利用二极管作补偿元件的工作点稳定电路如图Z0216 所示。二极管的伏安特性与晶体管发射结的特性一致。
另外，在实际电路中也常采用热敏电阻R t进行补偿，R t具有负的温度系数，当温度升高使I C增大时，R t阻值减小，从而使U B减小，I C下降而趋于稳定。


场效应管放大电路
用场效应管作为放大元件组成的放大电路，称为场效应管放大电路。和晶体管放大电路一样，为了实现放大作用，必须建立偏置电路以提供正确的偏置电压，确保场效应管工作在
其输出特性的恒流区。根据信号的输入、输出方式，场效应管放大电路也有3种基本组态，即共源组态、共栅组态和共漏组态。分析场效应管放大电路的基本方法仍然是图解分析法和微变等效电路分析法。


场效应管放大电路的静态分析

根据偏置电路形式，场效应管放大电路的直流通路分为自给偏压电路和分压式偏置电路。
一、自给偏压电路
用N沟道结型场效应管组成的自给偏压电路如图Z0217所示。
自给偏压原理：在正常工作范围内，场效应管的栅极几乎不取电流，I G= 0，所以，UG = 0，当有I S = I D流过R S时， [image] 必然会产生一个电压US＝I S R S＝I D R S，从而有
UGS = UG- US= - I D R S
依靠场效应管自身的电流I D 产生了栅极所需的负偏压，故称为自给偏压。
为了减小RS对放大倍数的影响，在R S 两端并联了一个旁路电容 Cs。
估算静态工作点,由图Z0217所示电路的直流通路可得：
UGS = UG- US= - I D R SGS0223
UDS = ED - I D（R S + Rd） GS0224
结型场效应管的转移特性可近似表示为：

式中I DSS为饱和漏电流，VP为夹断电压。
联立求解GS0223～GS0225各式，便可求得静态工作点Q（I D，UGS，UDS）。
二、分压式偏置电路
由于参数I DSS ，VP 等与温度有关，因此，场效应管放大电路也要设法稳定静态工作点。 实际上，自给偏压电路就具有一定的稳定Q点的能力。例如：温度升高使I D增加时，US也随之增加，从而使UGS 更负，反过来又抑制了I D的增大。但如果对温度稳定性要求更高时，单纯靠增大R S来稳定Q点，势必会导致Au下降，甚至产生严重的非线性失真。图Z0218所示的分压式偏置电路，通过R 1与R 2分压，给栅极一个固定的I E电压，这样就可以把R S选的比较大，而Q点又不致于过低。图中R g的主要作用是增大输入电阻，进一步减小栅极电流。
对分压式偏置电路，在确定静悉工作点时，同样可用图解法和计算法。与自给偏压电路不同之处是U G≠0。只需将栅源回路直流负载线方程改为：


多级放大电路的级间耦合方式

多级放大电路
在实际工作中，为了放大非常微弱的信号，需要把若干个基本放大电路连接起来，组成多级放大电路，以获得更高的放大倍数和功率输出。
多级放大电路内部各级之间的连接方式称为耦合方式。常用的耦合方式有三种，即阻容耦合方式、直接耦合方式和变压器耙合方式。
一、阻容耦合
通过电容和电阻将信号由一级传输到另一级的方式称为阻容耦合。
图 Z0219所示电路是典型的两级阻容耦合放大电路。
优点：耦合电容的隔直通交作用，使两级Q相互独立，给设计和调试带来了方便；
缺点：放大频率较低的信号将产生较大的衰减，加之不便于集成化，因而在应用上也就存在一定的局限性。
二、直接耦合
多级放大电路中各级之间直接 [image] （或通过电阻）连接的方式，称为直接耦合。
直接耦合放大电路具有结构简单、便于集成化、能够放大变化十分缓慢的信号、信号传输效率高等优点，在集成电路中获得了广泛的应用。
两级直接耦合放大电路如图Z0220所示。采用直接耦合，各级的静态工作点将相互影响。如图中T1管的U CE1受到U BE2的限制，仅有0.7V左右。因此，第一级输出电压的幅值将很小。为了保证第一级有合适的静态工作点，必须提高T2管的发射极电位，为此，可在T2的发射极接入电阻（图Z0221）、二极管或稳压管（图Z0222）等。
在直接耦合放大电路中，常用由NPN型和PNP型晶体管组成的直接耦合放大电路，如图Z0223所示。

三、变压器耦合
变压器耦合放大电路如图Z0224所示。这种耦合电路的特点是：级间无直流通路，各级Q独立；变压器具有阻抗变换作用，可获最佳负载；变压器造价高、体积大、不能集成，其应用受到限制。


多级放大电路的分析方法

分析多级放大电路的基本方法是：化多级电路为单级，然后再逐级求解。化解多级电路时要注意，后一级电路的输入电阻作为前一级电路的负载电阻；或者，将前一级输出电阻作为后一级电路的信号源内阻。
一、电压放大倍数

式中A u1、A u2…A un ：多级放大电路各级的电压放大倍数。
A u（dB）= A u1（dB）+ A u2（dB）+ …+ A un（dB） GS0228
二、输入电阻和偷出电阻
多级放大电路的输入电阻就是第一级放大电路的输入电阻，其输出电阻就是最后一级放大电路的输出电阻。有时第一级的输入电阻也可能与第二级电路有关，最后一级的输出电阻也可能与前一级电路有关，这就取决于具体电路结构。
例题 三级放大电路如图Z0225所示。计算该电路的A u 、r i 、r o 。

解：（1）电压放大倍数
按前述分析方法将三级放大电路划分为3个单级放大电路，如图Z0226所示。

由上图可见，第一级电路和第三级电路为共集电极放大电路，其电压放大倍数为：A u1＝A u3≈1，第二级电路为共射极放大电路，它的电压放大倍数为
A u2 = - β（R C2∥r i3）/r be2
总电压放大倍数为： A u＝A u1·A u2·A u3≈
（2）输入电阻
第一级电路为射极输出器，它的输入电阻为： 故：

（3）输出电阻
第三级电路为射极输出放大电路则：

由上例可以看出，分析多级放大电路的关键在于正确地划分出各单级放大电路。


放大电路的频率特性
前面讨论放大电路时，为了便于研究，都假定了输入信号u i是单一频率的正弦波，而实际工作中所要放大的信号并不是单一频率的正弦波。如电视信号中的图象信号，其频率包括了6～6MHz范围内各种频率分量。由于放大电路中电抗元件的存在，放大电路对不同频率分量的信号放大能力是不相同的，而且不同频率分量的信号通过放大电路后还会产生不同的相移。因此，衡量放大电路放大能力的放大倍数也就成为频率的函数，即:

这种函数关系称为放大电路的频率特性或频率响应。其中Au（ω）称为幅频特性，它反映 [image] 大小与频率的关系。φ（ω）称为相频特性，它反映输出信号与输入信号的相位差与频率之间的关系。
由于电抗元件的电抗是频率的函数，随着频率的变化而变化。如电路中的耦合电容和射极旁路电容，在频率较低时，其容抗较大，它们对交流信号不能视为短路，这就必须考虑其容抗对电路的影响。在分析放大电路的频率特性时，通常采用频率分段法进行分析，即将放大电路的工作频率范围划分为低频、中频和高频三个频段，分别求出各频段中的频率特性，然后综合求得完整的频率特性。


单级阻容耦合放大电路的频率特性

单级共射阻容耦合放大电路如图Z0227所示。在图Z0235中，C ie（C be）、Cc（C bc）。分别表示晶体管的发射结和集电结的等效电容，一般为几pF～几百pF。

一、中频段
中频段放大电路的微变等效电路如图Z0228所示。输入耦合电容C 1、输出耦合电容C 2及射极旁路电容C e因其容量较大，容抗较小，在中频段可视为短路；而输入、输出回路的分布电容C i、C o及电容C ie 、C c 容量较小，容抗较大，在中频段可视为开路。由此可得出中频段放大电路的电压放大倍数为：

它表明，在中频范围内，A u和φ均为常数，与频率无关。
二、低频段
在低频范围内，C 1、C 2 及C e容抗增大，不能忽略。C i、C o及电容C ie 、C c 的容抗很大仍可视为开路。此时的微变等效电路如图 Z0229、Z0230、Z0231、Z0232所示。
由图可知，随着频率的不断降低，C 1、C 2 及C e 的容抗增大，使 [image] 减小， [image] 减小，导致输出 [image] 减小，从而使放大倍数降低。此外，频率越低，C 1、C 2 及C e造成的附加相移越小，当f→0时，附加相移接近 -90°。
在实用电路中，常选取C 1＝C 2（5～20）μF，C e ＝（50～200）μF，基本上可满足一般低频放大电路对下限频率的要求，消除低频时的失真。
三、高频段
放大电路在高频段时也可惜助h参数微变等效电路来分析，其徽变等效电路如图Z0233、Z0234所示。 C 1、C 2 及C e的容抗较小均可视为短路，而C i、C o及电容C ie、C e的容抗也较小，其分流作用不可忽略。且这种影响随着频率的增高更加明显。同时，它们引起的附加相移也随着频率的增高而增大，当f → ∞时，附加相移接近 - 270°。
单级阻容耦合放大电路总的频率特性曲线如图Z0236所示。
因为功率与电压的平方成正比，所以在工程计算上规定，电压放大倍数的幅值下降到中频幅值A uo的0.707倍时所对应的频率称为半功率点频率（电压放大倍数下降到A uo 的0.707 倍时，相当于功率卞降一半。在幅频特性曲线上，低频端和高频端各有一个半功率点，其相应的半功率点频率称为下限频率fL和上限频率fH 。半功率点的电压放大倍数

用分贝表示
可见，半功率点的电压放大倍数比中频段 的电压放大倍数A uo衰减了3dB。我们定义fH与fL之间的频率 [image] 范围为放大电路的通频带并以B表示，即
B = f H－ f L GS0232
在通频带内，由于输出功率的减少不会超过中频区的一半，附加相移不超过45°，因而人耳感觉不到明显变化，这样就可以认为在通频带B内放大电路基本上没有频率失真。
通频带内的区域称为中频区；频率低于下限频率 f L 的频域称为低频区，频率高于上限频率f H 的频域叫高频区。
在分析放大电路的频率特性时，为了在有限的数轴上，描绘较大范围的频率变化对放大倍数的影响，通常采用对数频率特性曲线。这时横轴采用lgf，纵轴采用分贝，即201g | A u |（幅频特性），或φ的数值（相频特性）。对数频率特性又叫波特图。
放大倍数用分贝表示的优点是：可避免放大倍数的庞大数字并可以把放大倍数的乘法运算简化为加法运算；对数的单位比较符合听觉器官对声音感觉的特性；便于绘制频率特性的对数坐标图。


多级阻容耦合放大电路的频率特性
多级放大电路的电压放大倍数是各级电压放大倍数的乘积，即

其模和相角可分别表示为
A u =A u1·A u2·…·A un
φ=φ1+φ2+…+φn
以上两式说明，多级放大电路的幅频特性等于各级的幅频特性的乘积，而相频特性等于各级的相频特性之和。用分贝表示其幅频特性为
20lgA u = 20lgA u1 + 20lgA u2 + … + 20lgA un
例如两级放大电路的频率特性如图Z0237所示。它是由相同频率特性的两个单级放大电路构成的两级放大电路。对两级放大电路幅频特性而言，对应于单级下降3dB的下限频率f L1（f L2）和上限频率f H1（f H2）处，已比中频值下降6dB。由此可见，两级放大电路下降3dB的通频带，比组成它的单级电路的通频带窄了。两级放大电路的上限频率f H ＜f H1，而下限频率f L ＞ f L1。 这说明采用多级放大电路来提高总增益是用牺牲通频带来换取的。
分析证明 ，多级放大电路上、下限频率f H 、f L与单级放大电路上、下限频率的关系分别为

式中n表示电路的级数，当n = 2时，f H = 0.64f H1，f L=f L1/0. 64，如果单级放大电路的上、下限频率分别为f H1＝1MHz，f L1＝100Hz，则两级放大电路上、下限频率分别为f H＝640kHz、f L＝156.25Hz。显然上限频率降低了，而下限频率被提高，通频带变窄。
上两式表明，放大电路的级数越多则f H越低，f L越高，通频带越窄。


负反馈放大电路
基本放大电路的性能是不够完善的，在许多场合要求放大电路具有更好的性能指标。因此，需要寻求改善放大电路性能的方法和措施。理论和实践表明：负反馈对各种电子电路的性能都有重要的影响，是当前改善放大电路性能的极为重要的手段。实用电路中无不包含这样或那样的负反馈。


反馈的基本概念和一般表达式
一、反馈的基本概念
反馈是指把放大电路输出回路中某个电量（电压或电流）的一部分或全部，通过一定的电路形式（反馈网络）送回到放大电路的输入回路，并同输入信号一起参与控制作用，以使放大电路某些性能获得改善的过程。这一过程可用图Z0301 所示方框图来表示。 引入反馈后的放大电路称为反馈放大电路。
实际上，反馈的概念在第二章中讨论静态工作点稳定的电路时已经运用过了。在分压式电流负反馈偏置电路中，通过射极电阻Re，将输出回路中的直流电流I E以U E = I E Re的形式回送到了输入回路，使三极管发射结两端的电压U BE = U B - I E Re ，受到输出电流的影响，从而使输出电流趋于稳定。这种输出电量影响输入电量的方式就是反馈。不过这里的反馈仅仅是直流电量的反馈（交流量被Ce旁路），称为直流反馈。直流反馈主要用于稳定静态工作点。如果将Ce去掉，这时输出回路中的交流信号也将反馈到输入回路，并使放大电路的性能发生一系列的改变，这种交流信号的反馈称为交流反馈，实际放大电路中，一般同时存在直流反馈和交流反馈，本单元主要讨论交流反馈对放大电路性能的影响。
二、反馈的极性
按照反馈对放大电路性能影响的效果，可将反馈分为正反馈和负反馈两种极性。
凡引人反馈后，反馈到放大电路输入回路的信号（称为反馈信号用 [image] 表示）与外加激励信号（用 [image] 表示）比较的结果、使得放大电路的有效输入信号（也称净输入信号，用 [image] 表示）削弱，即 [image] ＜ [image] ，从而使放大倍数降低，这种反馈称为负反馈。凡引入反馈后，比较结果使 [image] ＞ [image] ，从而使放大倍数提高，这种反馈称为正反馈。
正反馈虽能提高放大倍数，但同时也加剧了放大电路性能的不稳定性，主要用于振荡电路（将在08知识单元中讨论）；负反馈虽降低了放大倍数，但却换来了放大电路性能的改善，是本单元讨论的重点。
不同极性的反馈对放大电路性能的影响截然不同，因此，在分析具体反馈电路时，首先必需正确地判断出电路中反馈的极性。判断反馈极性的简便方法是瞬时极性法，具体作法是：
（1）按中频段考虑，即不考虑电路中所有电抗元件的影响；
（2）用正负号（或箭头）表示电路中各点电压的瞬时极性（或瞬时变化）；
（3）假定输入电压U i为，看U i 经过放大和反馈后得到的反馈信号（U f或If）的极性是增强还是削弱有效输入信号（ [image] 或 [image] ），使有效输入信号减弱的反馈就是负反馈；使有效输入信号增强的反馈就是正反馈。
要注意的是：推断反馈信号瞬时极性时，应遵从放大电路的放大原理，对单级放大电路而言，共射电路输出电压与输入电压反相、共集电路和共基电路输出电压与输入电压同相。
例题 放大电路如图Z0302所示。试说明该电路中有无反馈，如果有反馈，是正反馈还是负反馈。
解：判断一个电路中是否存在反馈，就是要看电路中有无联系输出回路和输入回路的元件。
图Z0302中 Rf就是起这种联系作用的元件，因此，Rf就是反馈元件，它构成反馈网路。
判断反馈极性利用瞬时极性法，假定U i的极性为 ＋（对地），则经一级共射电路放大后，U O1的极性为－，再经一级共集电极电路放大后U O2的极性为 －，通过Rf的反馈电流的瞬时流向，由其两端的瞬时电压极性决定。如图中所示，由于If的分流作用，使得放大电路的有效输入信号 [image] ＝I b = I i - I f 减弱，故为负反馈。
三、反馈放大电路的方框图及一般表达式
反馈放大电路均可用图Z0301所示方框图来表示。它表明，反馈放大电路是由基本放大电路和反馈网路构成的一个闭环系统，故常称反馈放大电路为闭环放大电路，相应地称未引入反馈的放大电路为开环放大电路。图中比较与取样都是通过反馈网络与基本放大电路的特定连接方式实现的。
要注意的是，这里的基本放大电路是指考虑了反馈网络对放大电路输入和输出回路的负载效应，但又将反馈网络分离出去后的电路，它可以是单级或多级电路，而且往往还存在着局部反馈。基本放大电路的放大倍数

反馈网络通常为一线性网络，由一些电阻、电容等组成，其传输系数定义为

常称为反馈系数。
为了突出反馈的实质，忽略次要因素，简化分析过程，通常又假定：（1）信号从输入端到输出端的传输只通过基本放大电路，而不通过反馈网络；（2）信号从输出端反馈到输入端只通过反馈网络而不通过基本放大电路。也就是说，信号传输具有单向性。实践表明，这种假定是合理而有效的，符合这种假定的方框图称为理想方框图。
对图Z0301所示单一环路反馈的理想方框图有如下关系：

由此可得反馈放大电路的闭环放大倍数为：

这是反馈放大电路的基本关系式，也是分析单环反馈放大电路的重要公式。这里 [image] 可以是电压也可以是电流， [image] 、 [image] 调的具体含义由反馈类型决定。
为了分析方便，在以后讨论反馈放大电路性能时，除频率特性外，均假定工作信号在中频范围，且反馈网络具有纯电阻性质，因此， [image] 、 [image] 均可用实数表示。于是GS0306式变为：

式中（l＋FA）称为反馈深度，用D表示，负反馈对放大电路性能改善程度均与D有关。
当 |1＋FA| 》1时，由GS0307式可得：

这种情况称为深度负反馈。此时，闭环放大倍数仅与反馈系数有关。


反馈放大电路的类型与判断
一、反馈的类型
根据基本放大电路与反馈网络在输出、输入端的连接方式（即取样与比较方式），反馈有以下几种类型：
1．按反馈信号在输出端取样对象，可分为电压反馈和电流反馈。
若反馈网络与基本放大电路在输出端并联，如图Z0302，当Xf取自RL两端的电压Uo，即X f ∝Uo，输出为电压取样， [image] 称为电压反馈；若反馈网络与基本放大电路在输出端相串联，这时X f取自流过RL的电流，即X f∝Io，输出为电流取样，称为电流反馈。对电压反馈X o=Uo，对电流反馈X o=Io。
2．按反馈信号与输入信号在输入端连接方式，可分为串联反馈和并联反馈。
若反馈网络与基本放大电路在输入端相串联，X f与X i以电压形式相迭加，称为串联反馈；若在输入端相并联，X f与X I以电流形式相迭加称为并联反馈。对串联反馈

对并联反馈

3．负反馈放大电路的四种组态
综合考虑输入、输出端的反馈形式，负反馈放大电路可分为四种类型（也称四种组态），
它们是：电压串联负反馈组态、电流串联负反馈组态、电压并联负反馈组态和电流并联负反馈组态。
对不同组态的反馈电路A、F、A f的具体含义不同，由相应的X I、X f、X o决定。如表Z0301所示。
二、反馈类型判晰方法
1．电压反馈与电流反馈的判断
令Uo＝0，即将放大电路输出端交流短路，若反馈信号X f消失，则为电压反馈（X f＝FUo）；若反馈信号X f仍然存在，则为电流反馈（X f＝FIo）：
若能画出方框图，也可直接根据A、F网络在输出端连接形式来判定：并联为电压反馈，串联为电流反馈。
一般说来，反馈信号取自电压输出端（R L两端）的为电压反馈，反馈信号取自非电压输出端的为电流反馈。
2．串联反馈与并联反馈的判断
令U i = 0，即将放大电路输入端假想交流短路，若反馈信号作用不到放大电路输入端，这种反馈为并联反馈；若反馈信号仍能作用到放大电路输入端，则为串联反馈。当然也可直接根据基本放大电路与反馈网络的连接方式确定。一般说来，反馈信号加到共射电路基极的反馈为并联反馈；反馈信号加到共射电路发射极的反馈为串联反馈。
正确判断反馈放大电路的类型和反馈极性，是分析反馈放大电路的基础，一般来说可按以下步骤进行：
（1）找出反馈元件 - 联系输入、输出回路的元件；
（2）判别是电压反馈还是电流反馈令Uo = 0，看Xf是否存在；
（3）判断是串联反馈还是并联反馈令U i＝0，看Xf能否作用到输入端；
（4）判断反馈极性，采用瞬时极性法，串联反馈时看U be的增减，并联反馈时看I b的增减。


电压串联负反馈放大电路
图Z0303（a）为两级电压串联负反馈放大电路，图（b）是它的交流等效电路方框图。
1．反馈类型的判断

（1）找出联系输出回路与输入回路的反馈元件。图Z0303（a）中R f、C f、R e1是联系输出回路与输入回路的元件，故R f、C f、R e1是反馈元件，它们组成反馈网络，引入级间反馈。
（2）判断是电压反馈还是电流反馈。
可用两种方法来判别，一是反馈网络直接接在放大电路电压输出端，故为电压反馈；二是令Uo = 0，因U f由R f、R e1 对Uo分压而得，故U f= 0反馈消失，所以为电压反馈；
（3）判别是串联反馈还是并联反馈。
由图Z0303（a）可以看出：U be = U i - U f 即输入端反馈信号与输入信号以电压形式相迭加，故为串联反馈，也可令U i＝0，此时U f仍能作用到放大电路输入端，故为串联反馈；还可以根据反馈信号引至共射电路发射极则为串联反馈。
（4）判别反馈极性。
假定U i为+，则经两级共射电路放大后，Uo为+，经R f与R e1 分压得到的U f也为+，结果使得放大电路有效输入信号减弱，故为负反馈。
综上判断结果、该电路为电压串联负反馈放大电路。
2、反馈对输出电量的稳定作用
放大电路引入电压负反馈后，能够使输出电压稳定。任何外界因素引起输出电压不稳时，输出电压的变化将通过反馈网络立即回送到放大电路的输入端，并与原输入信号进行比较，得出与前一变化相反的有效输人信号，从而使输出电压的变化量得到削弱，输出电压便趋于稳定。
可见，负反馈使放大电路具有了自动调节能力。电压负反馈能够稳定输出电压。
3、信号源内阻对串联反馈效果的影响
由上面的讨论可见，对串联反馈U be = U i - U f ，显然，U I越稳定，U f 对U be 的影响就越强，控制作用就越灵敏。当信号源内阻R s = 0时，信号源为恒压源， U s就为恒定值，则U f的增加量就全部转化为U be 的减小量，此时，反馈效果最强。因此，串联反馈时，R s 越小越好，或者说串联反馈适用于信号源内阻R s 小的场合。
4、放大倍数及反馈系数的含义
对电压串联负反馈电路， X i = U i， X o = U o，X f = U f 故：

A Uf、F U，分别称为闭环电压放大倍数和电压反馈系数。


电流并联负反馈放大电路
图Z0304（a）是两级电流并联负反馈电路，图（c）是它的交流等效电路方框图。

1、反馈类型的判断
（1）找反馈元件。由图可见，R f、R e2是联系输出回路和输入回路的元件，故为反馈元件，由它们组成反馈网络。
（2）判断是电压反馈还是电流反馈。因反馈信号取自非电压输出端，故为电流反馈。
（3）判断是串联反馈还是并联反馈。因反馈信号引至共射电路的基极，故为并联反馈。
（4）判断反馈极性。假定Ui为 +（对地），经两级共射电路放大后Ue2为 － ，则通过R f的电流I f的方向如图（c）中所示，它对Ii起了分流作用，从而使有效输入信号减弱，故为负反馈。
综上判断结果，该电路为电流并联负反馈放大电路。
2、反馈对输出电量的稳定作用
当Ii一定，由于某种原因（如β或RL变化）引起输出电流发生变化时，则通过反馈网络R f、R e2的作用将产生如下自动调节过程：
β 2 ↑→I o（I e2）↑→I f↑→ I b↓→ I o↓
其效果使输出电流趋于稳定。
可见，电流负反馈能够稳定输出电流。
3、信号源内阻对并联反馈效果的影响
对并联负反馈，有I b = Ii - I f，若信号源内阻 RS = ∞，则Ii恒定，I f的增加量全部转化为I b的减小量，反馈效果最强；若R S较小，则随着I f 的增加，Ii 也有所增加，I b 的减小量被缩减，负反馈效果减弱。因此，并联负反馈适用于信号源内阻R S大的场合。
4、放大倍数和反馈系数的含义
电流并联负反馈电路中，X I 、 X o 、X f 等均为电流量，故：

A If、F I分别称为闭环电流放大倍数和电流反馈系数。


电流串联负反馈放大电路
图Z0305（a）是电流串联负反馈放大电路，图（b）是它的交流等效电路方框图。
采用与前两例类似的分析方法即可对该电路进行分析。

图中Re是反馈元件，它构成反馈网络，由图（b）可以看出，反馈网络与基本放大电路在输出端串联，故为电流反馈，反馈网络与基本放大电路在输入端串联，故为串联反馈，假定U I的瞬时极性为+，则U f的极性为-，结果使放大电路有效输入信号减弱，故为负反馈。
由于引入了电流负反馈，当某种因素引起输出电流发生变化时，电路通过反馈网络将产生如下自动调节过程：
R L ↓→I O↑→U f↑→U be↓→ I O↓
结果使I O趋于稳定。
应当注意的是，负载发生变化时，通过负反馈稳定输出电流和稳定输出电压是矛盾的。上述过程表明了这一点，即当I O 趋于稳定时， U O = I O RL却减小了，也就是说U O 的不稳定性加剧了。如果电路中R L 稳定不变，则稳定输出电流与稳定输出电压效果是相同的，此时区分电压反馈和电流反馈也就没有意义了。
对电流串联负反馈放大电路，X I = U I， X f = U f ，X O =I O ，故：

Agf、Fr分别称为闭环互导放大倍数和互阻反馈系数。


电压并联负反馈放大电路
图Z0306（a）为电压并联负反馈放大电路，图（b）是它的交流等效电路方框图。

由图（b）可见，基本放大电路与反馈网络在输出、输入端都是并联的，故为电压并联反馈；又因U i为 + 时，U O为+，流过Rf的电流如图中箭头方向所示，其结果使I b＝I i -I f减小，故为负反馈。
当某种因素（如β或R L变化）引起输出电压变化时，通过反馈将产生如下自动调节过程：
R L ↑→U O↑→I f↑→ I b↓→ U O↓
结果使输出电压趋于稳定。
对电压并联负反馈放大电路：
X i = I i， X f = I f，X O = U O ，故：

A rf、F g分别称为闭环互阻放大倍数和互导反馈系数。
通过以上基本类型负反馈放大电路的讨论，应当明确：电压负反馈具有稳定输出电压的作用，电流负反馈具有稳定输出电流的作用，而同一个电路中，如果负载是变化的，要想同时实现电压和电流的稳定是不可能的。此外，串联负反馈适用于信号源内阻较小的场合，而并联反馈则适用于信号源内阻较大的场合。熟悉了这些后，就可以根据实际需要选择适当的反馈形式。


降低放大倍数
由负反馈放大电路的一般表达式 [image] 可知，闭环放大倍数仅是开环放大倍数的（1＋FA）分之一，因为负反馈（1＋FA）＞1，故，引入负反馈后，放大电路的放大倍数降低。负反馈虽使闭环放大倍数降低，但却换来了其它性能的改善。


提高放大倍数的稳定性

我们知道，放大电路放大倍数的数值取决于电路中元器件的参数。而晶体管的更换，电源电压的不稳，温度及负载的变化等都将使放大倍数发生变化，因此，一般情况下，放大倍数是不稳定的。利用负反馈的自动调节原理，可以抑制放大倍数的变化，从而提高其稳定性。放大倍数的稳定性可用它的相对变化量来表示。
将负反馈基本关系式 [image] 对A求微分可得

则
上式表明，闭环放大倍数的相对变化量仅为开环放大倍数相对变化量的（1＋FA）分之一。也就是说闭环放大倍数的稳定性比开环放大倍数的稳定性提高了（1＋FA）倍。
例如：当（1＋FA）= 10时，Af的相对变化量只有A相对变化量的1/10，若未加反馈前放大电路的开环放大倍数变化5％，即dA/A = 5％，而引入负反馈后，放大电路的闭环放大倍数的变化量为

可见，引入负反馈以后：，放大电路放大倍数的相对变化量减小到0.5％，即放大电路的相对稳定性提高了10倍。
从负反馈的自动调节原理来看，尽管放大倍数A的变化，引起X o的变化，但因负反馈的作用，使 也随X o而变化，且与的变化趋势相反，其结果使X o 可以自动保持稳定，从而提高了A f = X o／X I的稳定性。这里A f的具体含义同样由电路的组态决定。


展宽通频带

3.3.4 展宽通频带

第二章中曾经指出，由于晶体管某些参数随频率而变化，电路中又总是存在一些电杭性元件，因而使放大倍数也随频率而变，放大电路通频带比较窄。负反馈的自动调节作用可以使放大电路的放大倍数随频率的变化减小，从而使通频带展宽。
图Z0307中 B是无反馈时放大电路的频率特性所对应的通频带， [image] 是引入较浅负反馈后放大电路频率特性的通频带。而 则是引入较深负反馈后放大电路频率特性的通频带，显然， [image] ＞ [image] ＞ B 。以电压串联负反馈为例，由于U f ∝ U o，在中频区，U o增大，U f 也增大，在高频率区或低频率区，U o减小，U f也跟着减小。就是说，随着频率f的升高或降低，反馈深度都比中频区有所减小。因为是负反馈，当信号电压U I一定时， [image] ，这就使中频区U o下降多一些，高低频区U o下降少一些，其频率特性就显得平坦，使得上限频率增加，下限频率下降。从而，展宽了通频带。
分析指出，放大电路引入负反馈以后，其中频放大倍数比原中频放大倍数降低了（1＋FA）倍，而放大电路的频率特性曲线的高频端（放大倍数下降到原中频的0.707时的频率）f Hf 比无反馈时增加了（1＋FA）倍，即
f Hf＝（1＋FA）f H GS0316
同样，低频端fLf也将比无反馈时降低了（1＋FA）倍，即
fLf＝f L/ （1＋FA） GS0317
则通频带为Bf ≈ f Hf＝（1＋FA）fH ≈（1＋FA）B 。 GS0318
显然，通频带展宽是以降低放大倍数为代价换来的。在一定条件下，频带展宽几倍，相应的放大倍数就要降低几倍（中频放大倍数与频带宽度的乘积保持不变）。


减小非线性失真

放大电路中，由于晶体管等器件的非线性，当输入信号幅度较大时，放大电路的输出波形将产生失真，如图Z0308所示。输入信号U i为正弦波，输出信号U o变成了上大下小的失真波形。
引人负反馈后，输出波形有所改善，如图中U of所示。以电压串联负反馈为例，由于反馈网络是线性网络，所以，反馈电压波形与输出电压波形一样，也是上大下小。该波形与原输入波形（正弦波）迭加，结果使净输入电压波形产生了"预失真"即U be变成了上小下大。"预失真"正好抵消了部分因晶体管特性引起的非线性失真，从而使输出波形比较接近正弦波并得到改善。
需要指出的是，由于负反馈的引入，在减小非线性失真的同时，降低了输出幅度，而且对输入信号的固有失真，负反馈是无能为力的。


改变输入电阻和输出电阻

一、输入电阻
输入电阻是从放大电路输入端看进去的等效电阻。因为反馈放大电路输入端的反馈方式有串联和并联之分，故负反馈对放大电路输入电阻的影响与串联反馈还是并联反馈直接有关。
1．串联负反馈使输入电阻增大
在串联负反馈电路中，由于U f和U I串联作用于输入端，U f抵抵了U I的一部分，因此，在U i 相同的情况下，输入电流I i比没有反馈时减小，故输入电阻RIf = U i／I i 增大了，这可用图Z0309 来说明。

因U f取自Xo，令Xo= 0 时，则Uf消失，于是开环输入电阻R I（即基本放大电路的输入电阻）为

而闭环输入电阻rif 为

因 [image] ，代入上式可得

上式表明，串联负反馈使闭环输入电阻增加到开环输入电阻的（1＋FA）倍。对于电压串联负反馈

对电流串联负反馈，。要注意的是，这里的RI必须是反馈环内的量，例如，串联反馈中，基极偏置电阻Rb对信号源的负载效应不因（1+FA）大小而变，故不属环内量。因此，要考虑Rb的活，放大电路实际输入电阻为
2．并联负反馈使输入电阻减小
在并联负反馈电路中，由于I f对I i有分流作用，因此，在I b一定时，I f的出现将使II增大，从而使闭环输入电阻减小。开环输入电阻为：

而闭环输入电阻为：

因 [image] ，代人上式可得：

可见，引入并联负反馈后，使闭环输入电阻rIf降到开环输入电阻ri的 1 /（1+FA）。要注意的是，对电压并联负反馈 :

而对电流并联负反馈
因R b的存在将对I i分流，且分流大小与（1＋FA）有关，故R b为环内量，即应计算在 ri之内，放大电路的实际闭环输入电阻就等于rif。
二、输出电阻
放大电路对负载而言，可等效为一个信号源。这个信号源的内阻就是放大电路的输出电阻。由于输出有电压反馈与电流反馈两种方式，故输出电阻的变化趋势就与电压反馈还是电流反馈直接有关。
1．电压负反馈使放大电路的输出电阻减小
在负反馈电路中，由于电压负反馈能够稳定输出电压，即使R L发生变化，也能保持输出电压稳定，放大电路近似于恒压源，其效果相当于减小了电路的输出电阻。
计算电压负反馈放大电路输出电阻的方法仍与基本放大电路中使用的方法相同。即令信号源X I＝0（电压源短路，电流源开路，可保留其内阻），然后移去R L，在输出端加一测试电压Vo（如图Z0309所示），算出相应的电流Io，则输出电阻为
R of =Vo / Io
图中R o包含了 R C。在输入回路中，虽然X I = 0，但由于反馈信号X f的存在，使 [image] ，在输出回路中便存在与 [image] 相应的受控源 [image] 。其中Ao为基本放大器输出端开路时的放大倍数。由图可见

整理可得：

上式表明，电压负反馈使放大电路的闭环输出电阻减小到开环输出电阻的 [image] 。对于电压串联负反馈有 [image] ，对于电压并联负反馈则 [image] 。必须注意的是，这里R o、AU o、ARo是考虑了反馈网络的负载效应之后，基本放大电路的输出电阻和开路（R L = ∞）放大倍数。
由于R o 中包含了R c 在内，故R of就是放大电路的实际输出电阻。
2．电流负反馈使放大电路的输出电阻增大
当引入电流负反馈后，电路具有稳定输出电流的作用，即使RL发生变化，也能保持输出电流基本稳定， [image] 放大电路近似于恒流源，其效果相当于增大了电路的输出电阻。
图Z0310是计算电流负反馈放大电路输出电阻的方框图。其计算方法同电压负反馈。只是这里输出回路用的是电流源。
由图可以看出，X I虽然为0，但由于Vo的加入，使 [image] ，而是
。
所以
式中，As为基本放大电路在输出端短路时（R L＝0）的电流放大倍数。放大器的输出电流为：

整理可得：
可见，引入电流负反馈后，电路的闭环输出电阻增加到开环输出电阻的（1＋AsF）倍。对于电流串联负反馈有
；对于电流并联负反馈则为 [image] 。
需要指出的是，这里As是R L＝0时的短路电流放大倍数。R o中不包含R C在内，这是由于R C 的存在使得流进反馈网络的电流不等于流过负载R L的电流I o，属不严格电流反馈。故放大电路的实际输出电阻为

一般R C值不大，所以即使R of增大很多，放大电路的实际输出电阻 增加并不显著。
综上所述，负反馈对放大电路输入和输出电阻的影响，可归纳以下两点：
（1）放大电路引入负反馈后，输入电阻的改变取决于输入端的联接方式，而与输出端的取样对象（电压或电流）无直接关系（取样对象将决定AF的含义），串联负反馈使输入电阻增加，并联负反馈使输入电阻减小，增加和减小的程度取决于反馈深度。
（2）放大电路引入负反馈以后，输出电阻的改变取决于输出端的取样对象，而与输入端的联接方式无直接关系，电压负反馈使输出电阻减小，电流负反馈使输出电阻增加，增加和减小的程度决定于反馈深度。


负反馈放大电路的分析方法
分析负反馈放大龟路，就是在正确判断反馈类型的基础上，进一步求出放大电路的主要性能指标（R If、R of、A f）。由前面讨论过的负反馈原理可知，只要求出基本放大器的指标R I、R o、A及反馈系数F，就可利用基本关系式求出相应的R If、R of、和A f。分析负反馈放大电路的主要方法有近似计算法和方框图法


深度负反馈放大电路的近似计算
1. 利用公式 [image] 的近似计算
如果电路满足深度负反馈条件，则有：
可见，只要根据反馈类型求出相应的反馈系数F（ Fu、Fg、Fr、Fi），再应用公式 [image] ，就可求出相应的A f（ A uf、A rf、A gf、A if）。如果反馈组态不属于电压串联负反馈，而要计算电压放大倍数时，还需经过一定转换才能求得。
2. 利用公式X f ≈ X I，的近似计算
根据负反馈放大电路的方框图（图Z0301）可知：

而深度负反馈放大电路满足 [image] ，所以由上式可得
        X f ≈ X i 　　　GS0330
上式说明：在深度负反馈条件下，反馈信号X f 和外加输入信号X i近似相等，即在深度负反馈的放大电路中，有效输入信号 经过放大、反馈得到的反馈信号X f 很强，与外加的输入信号X i 近似相等，而二者的极性相反，所以， [image] 的数值很小。反馈愈深，X f 与Xi愈接近相等， 也愈接近于零。在实际的反馈放大电路中，通常当|1＋AF| ≥10时，便可认为是深度负反馈。
对不同组态的负反馈电路，式X f ≈X i中的X f 和X i表示不同的电量。
对于串联负反馈电路： U f ≈U i
对于并联负反馈电路： I f ≈ Ii
利用上述概念和公式，可以大大简化对深度负反馈放大电路电压放大倍数的计算过程，并能得到工程上允许的近似结果。
利用式GS0328时，如何根据电路求得F呢？其方法之一是将反馈网络从电路中分离出来，分离时，对电压反馈，反馈网络与基本放大电路相连端用恒压源U o代替；对电流反馈，则用恒流源I o代替，如图Z0311（a）、（b）所示。 由于基本放大电路中已经考虑了反馈网络的负载效应，故这种等效代替是可行的。
根据这个等效的有源网络，反馈电压U f（串联反馈）就是AB端的开路电压，而反馈电流U f（并联反馈）就是AB端的短路电流。列出关系式即可求得相应的反馈系数F。
在深度负反馈情况下，因X f ≈ X i ，所以，反馈环内的基本放大电路可以看作理想放大电路，则反馈放大电路的输入、输出电阻为：
电压串联负反馈：
电医并联负反馈：
电流串联负反馈:
电流并联负反馈：
例题 电路如图Z0312所示。试估算电压放大倍数。
解：已知该电路属于电压串联负反馈组态，故，A f = A uf ，F = Fu
（1）利用关系式

该电路的反馈网络等效电路如图Z0313所示，由图知：

故

（2）利用U f ≈U i

例题 电路如图Z0314所示，估算电压放大倍数。
解：由图可判断该电路为电流串联负反馈组态，故 A f = A gf ，F = FR
（1） 利用关系式

该电路的反馈网络等效电路如图Z0315所示，由图可知
U f = IoRe （Io = Ie）
故 [image] [image] 由定义知
（2）利用关系 U f ≈U i
U f = Io, Re ≈U i
而
故
可见，利用这种关系求解Auf，不必进行转换。
例题 电路如图Z0316所示。试估算ArfS。
解：这是一个电压并联负反馈电路。故
A f = A rf ,F = Fg
（1）利用关系式
该电路的反馈网络等效电路如图Z0316所示。 由图可知：
故
而
（2）利用关系式Ii ≈ I f
由电路可知： 而
故 [image] 从而可得：
例题 电路如图Z0317 所示。试估算A ufS 。
解：该电路为电流并联负反馈组态。它的反馈网络等效电路如图Z0318 所示。 由图可知:

故
而


* 方框图法分析负反馈放大电路

我们已经知道，负反馈放大电路是由基本放大电路与反馈网络组成的一个闭环系统。放大电路的输入端不仅受输入信号的控制，也受输出信号的控制。因此，除简单电路外，直接计算电路的性能指标是比较麻烦的。由负反馈原理可知，反馈放大电路的各项性能指标均与基本放大电路的性能指标有关。那么又如何求得基本放大电路的性能指标呢？在本知识单元中曾经指出，基本放大电路是指考虑了反馈网络对放大电路输入、输出回路的负载作用，而又将反馈网络分离出去的电路，显然基本放大电路输入与输出无直接关系，因而分析就比较简单。方框图法的基本思想就是拆环，即先把反馈放大电路分成基本放大电路与反馈网络两个独立的部分，然后分别计算，再利用负反馈基本规律求得最后结果。
方框图法的基本步骤如下：
1．从反馈放大电路中划出基本放大电路
绘基本放大电路部分时，既要除去反馈信号，又要考虑反馈网络对基本放大电路的负载作用，一般按照下述方法绘基本放大电路的输入，输出等效电路。
（1）绘基本放大电路的输入回路时，对于电压反馈，令U o＝0，即将放大电路的输出端短路，以使反馈电压为零；对于电流反馈，令I o = 0，即将放大电路的输出端断开，以使反馈电流为零。
（2）绘基本放大电路的输出回路时，对于串联反馈，令I i＝0，即将放大电路的输入端断开，此时便没有反馈电压加到放大电路的输入端，对于并联反馈，令U i＝0，即将放大电路的输入端短路，此时便没有反馈电流流入反馈放大电路的输入端。
按上述方法连接绘出的输入、输出回路，如果输入端是串联反馈，输入回路中的信号源要用电压源；若输入端是并联反馈，则要用电流源，这样便得基本的放大电路。然后用等效电路法求出开环量A、R i和R o。
2．从反馈放大电路中划出反馈网络。
绘反馈网络的输入回路时，对电压反馈，其输入用恒压源U o代替基本放大电路；对电流反馈，用恒流源I o代替基本放大电路，如图Z0319所示。
绘反馈网络的输出回路时，对串联反馈、将输出端开路，其开路电压即Uf；对并联反馈，将输出端短路，其短路电流即I f 。求出反馈系数F从而得到反馈深度D＝1+AF 。
3．根据A、F、D求出闭环量Af、R if、R of及 [image] 等技术指标。


功率放大电路

第四章 功率放大电路-概述
前面讨论的各种放大电路的主要任务是使负载上获得尽可能大的不大真电压信号，它们的主要指标是电压放大倍数。而功率放大电路的主要任务则是，在允许的失真限度内，尽可能高效率地向负载提供足够大的功率。因此，功率放大电路的电路形式、工作状态、分析方法等都与小信号放大电路有所不同。对功率放大电路的基本要求是：
（1）输出功率要大。输出功率P o = U o I o，要获得大的输出功率，不仅要求输出电压高，而且要求输出电流大。因此，晶体管工作在大信号尽限运用状态，应用时要考虑管子的极限参数，注意管子的安全。
（2）效率要高。放大信号的过程就是晶体管按照输入信号的变化规律，将直流电源提供的能量转换为交流能量的过程。其转换效率为负载上获得的信号功率和电源供给的功率之比值，即：

式中：P o 负载上获得的信号功率；P E 电源供给的功率。
（3）合理的设置功放电路的工作状态。
功放电路的工作状态有甲类、乙类、甲乙类及丙类。它们的定义如下图Z0401所示。

由于在能量转换的过程中，晶体管要消耗一定的能量，从而造成了η下降。显然，要提高η，就要设法减小晶体管的损耗。而晶体管的损耗与静态工作点密切相关。图I0401 给出了晶体管的几种工作状态及对应的输出波形。由图可见，甲类状态，i C始终存在，没有信号输入时，直流电源供给的能量全部消耗在晶体管上，这种状态的效率很低，乙类状态，没有信号输入时，i C = 0，晶体管不消耗能量，这种状态的效率较高。这就指明了提高效率的途径是降低静态工作点。
（4）失真要小。 甲类功放通过合理设置静态工作点，非线性失真可以很小，但它的效率低。乙类状态虽然效率高，但输出波形却出现了严重失真。为了保存乙类状态高效率的优点，可以设想让两个管子轮流工作在输入信号的正半周和负半周，并使负载上得到完整的输出波形，这样既减小了失真，又提高了效率，还扩大了电路的动态范围。因而在买际中得到广泛应用。
由于功率放大电路工作在大信号状态，所以对功放电路的分析多采用图解法。要确定的主要性能指标是P o 、P E 、P T（损耗）和η。


甲类单管功率放大电路

典型的甲类单管功率放大电路如图 Z0402所示。在图中R b1和R b2组成偏置电路；C b、C e为交流旁路电容； [image] T r1、T r2是输入、出变压器，输出变压器T r2其初级接晶体管的集电极，次级接负载R L，它的作用
是进行阻抗变换，使放大电路获得最佳负载，从而提高输出效率。
由图Z0402可列出其直流负载线方程：
U CE = E C - I E Re GS0402
因为变压器初级的直流电阻r T很小，故可视为短路。为了充分利用直流电源E C，功放电路中Re一般选的较小（约几Ω），其上的压降也可忽略不计，于是式GS0402为：
      U CE ≈ E C 　　GS0403
它表明直流负载线是过点（E C，0）且与纵轴几乎平行的直线，如图0403所示，直流负载线与I B对应的那条输出特性曲线的交点即为Q点。
放大电路的交流负载

过Q点作斜率为 [image] 的直线即得到交流负载线，如图中所示。
由于功放管处于极限运用状态，当忽略U CES 和I CEO 时，由图可见集电极电压变化的幅值U cm ≈ E C。电流的幅值I cm = I C ，故，功率管的最大交流输出功率为：

直流电源供给的功率为：

晶体管的集电极最大效率为：

它表明甲类单管放大电路在理想情况下的效率为50％。实际应用时，为了避免输出信号失真过大，交流动态范围不能太大，应留有充分的余地，再把变压器的损耗考虑在内，实际的效率只有25～35％。
直流电源供给集电极的功率除输出给负载的功率Po外，其余消耗在晶体管的集电结上，即管子的损耗功率： P T＝P E - Po GS0408
静态时，Po = 0，则： P T = Pcmax＝P E＝E C I C＝2Pomax 　 GS0409
可见，单管甲类功放电路，静态时管耗最大。
当集电极电流i C减小时，根据电磁感应定律，变压器初级线圈中的感应电压与直流电源电压E C串联相加，使管压降U cem ≈2E C，因此，甲类功放管的最大允许集电极电压BVCER必须大于2E C。


OCL乙类互补放大电路
一、OCL乙类互补对称电路
图Z0404（a）所示电路由两个对称的工作在乙类状态的射极输出器组合而成。 T 1（NPN型）和T 2（PNP型）是两个特性一致的互补晶体管；电路采用双电源供电，负载直接接到T1，T2 的发射极上。因电路没有输出电容和变压器，故称为无输出电容电路，简称OCL电路。
设u i 为正弦波，当u i 处于正半周时，T1导通，T2截止，输出电流i L = i C1流过R L，形成输出正弦波的正半周。当u i 处于负半周时，T1截止，T2导通，输出电流i L = - i C2流过R L，其方向与 i C1 相反，形成输出正弦波的负半周。因此，在信号的一个周期内，输出电流基本上是正弦波电流。由此可见，该电路实现了在静态时管子无电流通过，而有信号时，T1、T2轮流导通，组成所谓推挽电路。由于电路结构和两管特性对称，工作时两管互相补充，故称"互补对称"电路。
OCL类互补放大电路的输出功率，直流电源供给的功率，效率及管耗的计算如下。
1．输出功率
在E C和 R L为定值时，乙类互补电路的最大输出功率为

2．直流电源供给的功率
由于 I cm1 = I cm1 = I cm 所以在输出最大功率时，两个电源供给的总直流功率为:

即
3．效率
放大电路在最大输出功率时的效率为

此结果是在输入信号足够大和忽略管予的饱和压降U CES情况下得来的，实际效率比这个数值要低些，即使如此，也比甲类工作的效率高得多。
4．管耗
互补对称放大电路在输出功率最大的情况下，两管的管耗为

二、OCL甲乙类互补对称电路
图Z0404所示电路的缺点是当输入信号u i的瞬时值小于T1，T2 的死区电压时，三极管不导通，只有当u i 的瞬时值过越Uγ以后，管子才导通。因此两管轮流工作衔接不好，出现了一段死区，产生了所谓的"交越失真"，如图Z0405示。
为了避免交越失真，通常在每管的发射结上加上一定的正向偏压，使两管在静态时都处于微导通状态，这样，当有信号时，就可使i C和u BE基本上成线性关系，消除了交越失真，如图Z0406示。此时，电路便工作在甲乙类状态。应当指出，为了提高工作效率，在设置偏压时，应尽可能接近乙类状态。
图Z0407为OCL甲乙类放大电路。T 1为前置级，二极管D接在输出级的基极回路内，静态时的D两端有一定的正向压降，给T2、T3提供一个适当的正向偏压，产生相应的偏流，从而避免了交越失真。OCL功放电路的缺点是必须采用双电源供电。


OTL甲乙类互补对称电路
图Z0408采用一个电源供电的互补对称电路，它去掉了负电源，在输出端接入一个容量较大的电容器C L，输出信号通过电容C L耦合到负载Ｒ L，而不用变压器，故称无输出变压器电路，简称OTL电路。 [ OTL是Output Transformarle less（无输出变压器）的缩写。]
静态时，一般只要适当调节电位器R P活动头的位置，就可使I C1、U B2和U B3适当变化，从而使U E = E c / 2，适当选择R 2的数值，前置放大级T1管的静态电流I C1在R 2上产生的压降为T2和T3提供一个合适的偏置。为了使加到T2和T3 的基极信号相等，常在R 2两端接上容量适当的旁路电容C 2 。R 2的取值通常由实验调试决定。
当输入信号 u i处于正半周时，T3 导通，T2 截止，于是T3以射极输出的形式将信号传输给负载，同时向C L充电；在u i 处于负半周时，T2导通，T3 截止，已充电的C L 充当T2的电源，同时通过R L放电，T2 也以射极输出形式将信号传输给负载。这样就实现了双向跟随，在R L上得到完整的输出波形。只要选择R L、C L足够大，C L上电压就基本上维持E c／2值，就可以用电容C L代替负电源的作用，只不过这时两管的工作电压是E c ／2，而不是E c 。


复合互补对称电路

在大功率输出级中，工作电流较大，而一般大功率管的电流放大系数都较小，因此要求有较大的基极电流，此外，大功率异型管配对较为困难。解决上述矛盾的方法通常是采用复合管。
1．复合管
复合管是由两只或两只以上的三极管组成一只等效的三极管。具体接法如图Z0409所示，从中我们可以看到如下规律：
（1）基极电流i b向管内流的等效为NPN管，如图Z0409 中（a）和（d）；i b 向管外流的等效为PNP管，如图中（b）和（c）。i b的流向由T 1管的基极电流决定，即导电极性取决于第一只管子。
（2）若把两只管（或多只管）正确联结成复合管，必须保证每只管各电极的电流，都能顺着各个管的正常工作电流方向流动，否则将是错误的。
2．复合管的电流放大系数和输入电阻
由图Z0409（a）所示，复合管的总电流为：
I C = I c1 + I c2 =β 1 I b1 +β2I b2 =β 1 I b1 +β 2 I e1
=β 2 I b1 +β 2(1+β 1) I b1 = (β 1+β 2+β 1 β 2) I b1≈β 1 β 2 I b1=β 1 β 2 I b
所以
可见复合管的电流放大系数近似等于每管电流放大系数的乘积。此结论也适合于其它形式的复合管。
在图Z0409（a）、（c）两种接法中，T 2管的输入电阻 r be2接于T1管射极上。因此复合管的等效输入电阻为

对于（b），（d）两种接法，复合管的输入电阻，就是T 1管的输入电阻即 r be = r be1。
3．复合互补对称电路
复合互补对称原理电路如图Z0410 所示，T2、T4和T3、T5四管组成复合互补对称电路。 当输入信号u i的负半周，T2导通，T3截止，信号经T2、T4放大后，通过C L加到负载R L上，并对C L 进行充电；当输入信号u i 的正半周，T2截止，T3 导通，信号经过T3、T5放大后，通过C L加到负载R L 上，C L 放电。结果在负载R L上就得到被放大了的全波信号。
图中R e4、R e5为发射极稳定电阻，R e2、R e3 是穿透电流的分流电阻，也是T4、T5的偏置电阻，R2是T2、T3的偏置元件，C2对交流短路；推动管T1 的静态电流I C14流过电阻R 2，在其两端产生直流压降，供给T2、T3 基极与发射极之间合适的正向偏压，以消除输出波形的交越失真。R c1 既是推动管T 1的集电极负载电阻，也是复合管T2的偏置电阻。R b1是T1的偏置电阻，又是直流负反馈电阻，用以稳定工作点，同时对输出信号形成电压并联负反馈，使放大电路稳定，改善输出波形。C 3、R 1组成自举电路，使U D＞E c，保证有足够的基极电流来推动T2、 T4，使其充分导电，以便得到最大峰值输出电压 Uom ≈ E c / 2。静态时，U D=E c - I c1 R 1 ，而U A= E c / 2子，因此，电容C 3充电到两端电压 U C3 = U D - E c /2 = E c / 2 - U R3≈E c / 2
当时间常数τ＝C3R1足够大时，U C3基本上保持常量，不随U i而变化。输入电压为负时，T2、 T4 导通，U A将由E c／2向更正的方向变化，由于U D = U C3 + U A，显然，随着U A的升高D点电位也自动提高。当U A变到E c时，U D可达到E c ／2＋E c ＝3 E c ／2，这时，相当于D点用了一个3E c／2的电源供电。这种利用C 3、R 1将D点电位自动提高的电路称为自举电路。电阻R 1的作用是把D点和电源E c隔开，为D点电位的升高创造条件。
互补对称电路具有结构简单，效率高、频率响应好，易于集成化、小型化等优点，因而获得了广泛的应用。但是在这种电路中，负载电阻的阻值需限制在一定的范围内，当负载电阻较大或较小时管子定额很难满足要求。
为了妥善地解决上述矛盾，可利用变压器进行阻抗变换，从而构成变压器耦合功率放大电路。


变压器耦合推挽功率放大电路
一、电路特点
变压器耦合推挽功率放大电路如图Z0411所示。其特点是：
（1）T1和T2，由两个NPN同型号并且特性完全相同的管子组成；
（2）利用变压器原、副边匝数比的不同实现阻抗变换，将实际的负载电阻RL通过原、副边的匝数比（n = N 1 / N 2），变换成所需要的等效电阻 [image] ；
（3）为了减小交越失真，静态时利用基极偏置电路，使T1和T2 具有较小集电极电流I C1＝I C2。由于输出变压器原绕组两部分（N 1 和N 2 ）的绕向一致，而I C1和I C2的流向相反，故绕组的直流磁势I C1 N 1 - I C2 N 2=0，即铁芯中无磁通，工作时不致产生磁饱和现象。这是它的主要优点之一。
二、工作原理
静态时，iL = 0，无功率输出。因为无输入信号（u i = 0）时，I C1和I C2很小，电源供给的直流功率也很小。
当输入正弦信号电压u i时，则通过输入变压器T r1将使T1和T2基极得到一个大小相等而极性相反的信号电压u i1和 u i2。当u i为正半周时，由变压器的同名端可知u be1为正，u be2为负。于是T1导通，T2截止。此时，输出变压器T r2的原边上半边绕组有集电极电流i C1流过，而下半边绕组无电流，i C2 =0。同理，在u i 的负半周时，情况正好相反，T1 截止，T2导通。T r2原边上半边绕组无电流通过，而下半边绕组有电流。于是在一个周期的两个半周内。i C1、i C2轮流通过T r2的原边上下两半绕组，而且大小相等，相位相反。因此，T r2 的副边将有一个较完整的正弦波iL通过通过负载RL 。
变压器耦合推挽功率放大电路与互补对称功放电路比较，前者虽然解决了负载与放大电路输出级的阻抗匹配问题，但其体积大、笨重、频带窄、不便于集成等缺点限制了它的使用范围。


直接耦合放大电路

直接耦合放大电路中的零点漂移

一、零点漂移现象及其产生的原因
零点漂移是指当放大电路输入信号为零时，由于受温度变化，电源电压不稳等因素的影响，使静态工作点发生变化，并被逐级放大和传输，导致电路输出端电压偏离原固定值而上下漂动的现象。显然，放大电路级数愈多、放大倍数愈大，输出端的漂移现象愈严重。严重时，有可能使输入的微弱信号湮没在漂移之中，无法分辩，从而达不到预期的传输效果，因此，提高放大倍数、降低零点漂移是直接耦合放大电路的主要矛盾。
产生零点漂移的原因很多，如电源电压不稳、元器件参数变值、环境温度变化等。其中最主要的因素是温度的变化，因为晶体管是温度的敏感器件，当温度变化时，其参数U BE、β、I CBO都将发生变化，最终导致放大电路静态工作点产生偏移。此外，在诸因素中，最难控制的也是温度的变化。
温度变化产生的零点漂移，称为温漂。它是衡量放大电路对温度稳定程度的一个指标，定义为：

即温度每升高1℃时，输出端的漂移电压△U op折合到输入端的等效输入电压△U ip 。式中Au为放大电路总的电压放大倍数，△T o（℃）为温度变化量。
二、抑制零点漂移的措施
抑制零点漂移的措施，除了精选元件、对元件进行老化处理、选用高稳定度电源以及用第二单元中讨论的稳定静态工作点的方法外，在实际电路中常采用补偿和调制两种手段。补偿是指用另外一个元器件的漂移来抵消放大电路的漂移，如果参数配合得当，就能把漂移抑制在较低的限度之内。在分立元件组成的电路中常用二极管补偿方式来稳定静态工作点。在集成电路内部应用最广的单元电路就是基于参数补偿原理构成的差动式放大电路。调制是指将直流变化量转换为其它形式的变化量（如正弦波幅度的变化），并通过漂移很小的阻容耦合电路放大，再没法将放大了的信号还原为直流成份的变化（有关调制的概念将在第九单元中讨论）。这种方式电路结构复杂、成本高、频率特性差。


基本差动放大电路

差动放大电路也称差分放大电路，是一种对零点漂移具有很强抑制能力的基本放大电路。差动放大原理电路如图Z0501所示。 它由两个对称的共射极基本放大电路组成：其中，T 1、T2是两个特性完全相同的晶体管、R b1=R b2、R c1 = R c2、R s1＝R s2。这种理想的对称结构在当前集成电路工艺方面是基本上可以接近的。图示电路中，信号从两管的基极输入，从两管的集电极输出，这种连接方式称为双端输入-双端输出方式。
由图可见，当输入端短路时，输出电压为：
U O = U C1 - U C2 = （Ec - I C1 R C1）- （Ec - I C2 R C2）= （I C2 - I C1）R C
由于电路对称，I C1 = I C2，则输出电压等于零。
当温度变化时，因两管电流变化规律相同，两管集电极电压漂移量也完全相同，从而使双端输出电压始终为零。也就是说，依靠电路的完全对称性，使两管的零点漂移在输出端相抵消，因此，零点漂移被抑制。
图所示电路仅是差动放大电路的雏型，它还存在许多问题，不能作为实用电路。其原因是：（1）要做到电路完全对称，是十分困难的，甚至是不可能的；（2）若需要从某个管子集电极输出（单端输出）时，则输出零点漂移仍然很大；（3）单端输出漂移大，会影响下一级直流工作状态。
基本差动放大电路如图Z0502所示。它是在图Z0501电路的基础之上增加了一个公共的发射极电阻R e。图中R w为调零电位器，调整它可以使I C1 = I C2 。辅助电源 - E c 的作用是补偿R e上的直流压降，以保证管子有合适的静态工作点。此外，采用双电源供电，可以使U B1＝U B2≈0，从而使电路既能适应正极性输入信号，也能适应负极性输入信号，扩大了应用范围。


基本差动放大电路抑制零点漂移的原理

图Z0502电路保持了图Z0501电路高度对称的特点，这是抑制零点漂移的条件之一，重要的是电阻R e对零点漂移有很强的负反馈作用。
由于电路对称，所以，I C1 = I C2，I E1 = I E2，流过R e 的电流为I E＝2 I E1 。当电源电压波动或环境温度发生变化时，管子的电流也随之变化，产生温度漂移，此时将发生如下过程：

可见，由于R e的负反馈作用，即使温度变化时，管子集电极电流也能保持稳定，从而使每个管于输出端的漂移都得到了抑制。显然，R e越大，负反馈作用越强，抑制零点漂移的能力也就越强，无论是双端输出还是单端输出零点漂移都能得到抑制。


基本差动放大电路的静态分析

U i = 0时，图Z0502电路的等效直流通路如图Z0503（a）所示。由于电路结构对称，计算静态工作点时， [image] 可从半边等效电路着手，图Z0503（a）的半边电路等效过程如图Z0503（b）。这里画等效电路的关键是对R e 的处理。因为R e 可等效为两个阻值为2Re 的电阻的并联，以及等电位点（A、B）之间无电流，从而又可将并联的2R e 分开，这样便将电路分成了两半，如图Z0503（c）所示。这里假定了R w滑动头处于中间位置。
计算静态工作点可从基极回路开始，由图Z0503（c）可得：

一般情况下，上式前两项较第三项小的多，可以忽略，从而可得

因I E1 =I E2 = I E ／2，由GS0502式可见，I E≈ E E／R e，这表明差动放大电路中R e有恒流作用，当电路中R e 、E E确定后，工作点就确定了，射极总电流 I E也就确定了。当温度变化时，I E基本上是稳定的，且R e 与EE越大，对应同样的温漂（ △U BE），I E变化越小，电路工作点越稳定。


基本差动放大电路的动态分析
一、差模放大倍数
若输入到图Z0502电路中，差分对管（T 1、T 2）基极的信号电压U i1、U i2大小相等、极性相反，

这种输入方式称为差模输入方式，所加信号称为差模信号，常用U id表示，U id = Ui 1 - U i2， [image] 。差动放大电路对差模信号的放大能力用差模放大倍数表示：

设单管放大电路的放大倍数为Au 1、A u2，由于电路对称，A u1=A u2 ，则差动放大电路的输出电压为：
Uod = Uo1 - Uo2 = Au1Ui1 - Au2Ui2 = Au1（Ui1 - Ui2） GS0505
即输出电压与输入电压之差成比例，故称差分放大电路。
在差模输入时，U i1 - U i2 = U id ，由式GS0504和式GS0505可得：

这表明差动放大电路双端输入一双端输出时的差模电压放大倍数等于单管放大电路的放大倍数。
计算差模放大倍数，可采用第二单元中介绍的微变等效电路分析法。先画出图Z0502电路的交流等效电路，如图Z0504所示。这里要注意两点，一是由于U i1 = - U i2 = U id ／2，则 I e1 = I e2，流过R e的差模信号电流为零，因此，R e对差模信号相当于短路，这与单管放大电路中的R e不同；二是由于U i1 = - U i2 ，且电路对称，U C1升高多少，U C2就下降多少，R L的中点电位保持不变，对应于交流地电位为零。因此，半边交流等效电路如图Z0504（b）所示。将图中三极管用简化h参数等效电路代替，便可求得单管放大电路的放大倍数，即：

若输出信号取自图Z0502电路某一管的集电极即单端输出方式，此时，输出信号有一半没有利用，即U od = U o1（双端输出时U od = 2U o1 ），放大倍数必然减小一半，故：
（单端输出：T1集电极输出） GS0508

二、共板抑制比CMRR
若图Z0502电路输入端输入一对相位相同，大小相等的信号，这种输入方式称为共模输入方式。 所加信号称为共模信号，用U ic表示，U ic = U i1 = U i2。温度变化，电源电压波动等引起的零点漂移折合到放大电路输入端的漂移电压，相当于输入端加了"共模信号"，外界电磁干扰对放大电路的影响也相当于输入端加了"共模信号"。可见，共模信号对放大电路是一种干扰信号，因此，放大电路对共模信号不仅不应放大，反而应当有较强的抑制能力。
图Z0502电路，双端输出时，若电路完全对称，则 U OC = U O1 - U O2 = 0，共模信号被完全抑制掉。若电路对称性稍差，则由于共模输入时，引起两管电流变化是同相的，通过R e的电流约为单管射极电流的两倍，R e对共模信号将产生很强的负反馈作用，使共模信号仍能得到较强的抑制。
对共模信号而言，图Z0502电路的等效电路如图Z0505所示。其中图（b）为半边等效电路。由于Re仅对共模信号产生负反馈，而对差模。信号没有影响，故称之为共模负反馈电阻。电路中一般都将 R e选的很大，以对共模信号引入深度负反馈。根据深度负反馈放大电路的计算方法（X i≈X f ）可由图示电路算出单端输出时的共模放大倍数： U i≈U f = I e（2R e + 1／2R w）≈2 R e I e
U o = I o R c = - I e R c
可得：
（单端输出时的共模放大倍数） GS0509

只要2R e>?/font>R c，则Auc（单）<1，电路对共模信号就有较强的抑制能力。
为了衡量差动放大电路对差模信号的放大和对共模信号的抑制能力，引入"共模抑制比"这一指标。定义为：

CMRR越大，说明差动放大电路的质量越好。
双端输入-双端输出时，若电路完全对称，则
它表明对称性越高，抑制比越高。
双端输入-单端输出时，
它表明R e越大，共模负反馈越强，共模抑制比越高。
三、输入电阻和输出电阻
差动放大电路的差模输入电阻是指差模输入时，从两输入端看进去的等效电阻，由图I0544（a）的微变等效电路即可求得：

共模输入电阻是指共模输入时，从输入端看进去的等效电阻，由图I0545（a）画出微变等效电路可得：

电路的输出电阻是从放大器输出端看进去的电阻。当从双端输出时，其差模输出电阻为：
      r o（双）＝2R c　　　 GS0515
单端输出时，其差模输出电阻为：
      ro （单）＝Rc 　　　GS0516
例题0401已知：图Z0502电路中，R c＝30 kΩ，Rs＝5 kΩ，Re＝20kΩ，E c＝E E＝15V，R L = ∞；二极管的β＝50、r be = 4kΩ。
（1）试求双端输出时的差模放大倍数A ud（双）；
（2）若电路改为从T 1管集电极单端输出，试计算此时的 A ud（单）、A uc（单）、CMRR；
（3）若T 1、T 2发射极接入调零电位器R w＝200Ω、其滑动端处于中间位置，则单端输出时的A ud（单）、A uc（单）、CMRR各为多少？
解：（1）双端输出时的放大倍数为：
（2）单端输出时，A ud（单）= [image] （双）

（3）接入R W后，它对共模信号和差模信号均产生负反馈作用，从而使| A ud| 、|A uc| 均下降。当单端输出时：A ud（单）= -5.32 由于2R e>R w ／2 ，A uc（单）几乎不变，即A uc（单）≈-0.75，CMRR≈71。


差动放大电路的改进
由式GS0512可知，要想提高差动放大电路的共模抑制比，就要增大共模负馈电阻R e，但增大R e会使其直流压降增大， [image] 要保持合适的静态工作点，E E就要增大很多，这显然是不经济的。
恒流源电路具有输出电阻很高而直流压降较小的特点，若用恒流源电路代替图Z0502电路中的R e，就可在E E不高的情况下，获得很高的共模抑制比。图Z0506（a）就是一个带有恒流源的差动放大电路，图（b）是它的简化表示。
图中，T 3是恒流管，R 1、R 2、D是它的偏置元件，R e是负反馈电阻，用以提高恒流源电路的输出电阻。由于偏置电路一定，I B3就随之确定，I C3=βI B3，也就确定（T3管工作在放大区）当U CE3变化时，由于I C3几乎不变，则等效交流电阻 [image] 将很高而保证T3工作在放大区所需的U CE3 并不高，一般只要U CE3 ≥1V即可。
对恒流源差动放大电路进行静态分析时，应从恒流源电路着手，先确定出I C3，进而可确定出I C1=I C2=I C3/2及 U C1=U C2=E C - I C1 R C（对地）等。关于差模放大倍数、共模放大倍数及共模抑制比的计算方法同前面介绍的方法一样， [image] 仅是用恒流源的输出电阻替代了Re。
例题0502 图Z0507是某集成电路的输入级原理电路。已知三极管的β均为100，三极管的U BE和二极管的压降UD均为0.7V，R c= 7.75kΩ，R L =11.2kΩ，R b1 = 1.5kΩ，R b2 = 3.2kΩ，R e = 2.2kΩ，E C = E E = 6V
（1）估算静态工作点Q；（2）估算差模放大倍数；（3）估算差模输入电阻r id和差模输出电阻r o 。
解：（1）若忽略T3管的基极电流，则流过R b1 的电流为：

流过T 3管发射极的电流为

自此可得：

（2）双端输出时的差模放大倍数为：
式中，
所以双端输出时的差模放大倍数 Aud = - 58.9
（3）差模输入电阻和输出电阻分别为：
r id= 2r be = 2×5.6 = 11.2kΩ r o = 2R C = 2×7.75 = 15.5 kΩ
在实际应用中，差动放大电路还有单端输入-双端输出及单端输入-单端输出等连接方式，其原理可参阅有关资料自行分析。


集成运算放大电路

第六章 集成运算放大电路
集成电路是60年代发展起来的新型电子器件，它是以单晶硅为基础材料，以制造硅平面晶体管的平面工艺为基本工艺，将三极管、二极管、电阻、电容等制造在同一硅片上，并连接成能够完成各种功能的电子线路。集成电路实现了材料、元器件、电路三者的有机结合。具有体积小、可靠性高、成本低等优点，为电子技术的应用开辟了一个崭新的领域。
集成电路按其功能来分，有数字集成电路和模拟集成电路两大类。模拟集成电路品种繁多，其中集成运算放大电路（简称集成运放）具有通用性强，使用灵活等优点，获得了广泛的应用。集成运放，就是用集成电路工艺制造的一种具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路，给它配以适当的输入网络和反馈网络，便可以完成信号的运算、处理和变换，以及各种波形的产生等功能。


集成电路的特点
集成电路一般是在一块厚0.2～0.5mm、面积约为0.5mm的P型硅片上通过平面工艺制做成的。这种硅片（称为集成电路的基片）上可以做出包含为十个（或更多）二极管、电阻、电容和连接导线的电路。
一、集成电路中元器件的特点
与分立元器件相比，集成电路元器件有以下特点：
1. 单个元器件的精度不高，受温度影响也较大，但在同一硅片上用相同工艺制造出来的元器件性能比较一致，对称性好，相邻元器件的温度差别小，因而同一类元器件温度特性也基本一致；
2. 集成电阻及电容的数值范围窄，数值较大的电阻、电容占用硅片面积大。集成电阻一般在几十Ω～几十 kΩ范围内，电容一般为几十pF。电感目前不能集成；
3. 元器件性能参数的绝对误差比较大，而同类元器件性能参数之比值比较精确；
4. 纵向NPN管β值较大，占用硅片面积小，容易制造。而横向PNP管的β值很小，但其PN结的耐压高。
二、集成电路的设计特点
由于制造工艺及元器件的特点，模拟集成电路在电路设计思想上与分立元器件电路相比有很大的不同。
1. 在所用元器件方面，尽可能地多用晶体管，少用电阻、电容；
2. 在电路形式上大量选用差动放大电路与各种恒流源电路，级间耦合采用直接耦合方式；
3. 尽可能地利用参数补偿原理把对单个元器件的高精度要求转化为对两个器件有相同参数误差的要求；尽量选择特性只受电阻或其它参数比值影响的电路


集成电路恒流源

恒流源电路是指能够输出恒定电流的电路。它具有很高的动态输出电阻，在集成电路中，广泛地应用于晶体管的偏置电路、差动放大电路的射极电路、直流电平移动电路、放大电路的负载等。恒流源电路形式较多，这里仅讨论其中最基本的几种。
一、基本恒流源电路
基本恒流源电路如图Z0601所示。在集成电路中，T1、T2 是相邻的晶体管，因此它们的性能参数基本相同 [image] 。R与T1管串联作T2管的偏置电路，并提供基准电流I R。T1管的集电极与基极连接在一起，U CB＝0，它工作在临界饱和状态，I C1 = βI B1仍成立，因此，可以认为T1、T2均工作在线性区。因为U BE1 = U BE2，故有I B1 = I B2，I C1 = I C2，由图可知：

从而可得：
若β>2，则有：

它表明T1、T2管具有电流"镜像"关系。这种恒流源电路也常称为"镜像"恒流源电路。
由于U BE与温度有关，所以，这种恒流源受温度影响较大；此外，当β值不高时，I C2与I R之间误差较大，电路的镜像特性变差。因此，在此电路的基础上出现了多种改进形镜像恒流源电路。
二、微电流恒流源电路
集成电路中某些放大电路往往要求提供微弱的偏置电流，以提高输入阻抗，减小失调等。上述电路I C2 较大，要减小I C2 就要增大R，而集成电路工艺不允许使用高阻值电阻。这就需要从电路结构上改进。改进后的电路如图Z0602所示，它是在图Z0601的基础上增加了一个射极电阻Re。
当I R一定时，U BE1 - U BE2 = △U BE = I E2 R e2，从而可得：

因△U BE较小，用阻值不大的R e2 就可获得微小的工作电流。此外，由于R e2的电流负 [image] 反馈作用，使得这种电路输出电流的稳定性得以提高。
三、多路恒流源电路
在集成电路中，常常要用到多个恒流源，这时可将恒流源电路改接成图Z0603所示的组合形式。
图中，R与T2管相串联，提供基准电流I R，并建立T1、T3、T4管的偏置电压。T2与T1，T2与T3分别组成微电流源，按微电流源电流分配原则分配电流；T2 与T4组成镜像电流源，I C4＝I R 。
因为，只要满足U CE ≥ 1V，就能使恒流管工作在放大区从而具有恒流特性，所以，恒流源两端的直流压降较小，直流电阻U CE / I C也就较小。而当U CE变化时，I C基本上不变，所以，交流电阻 [image] 很大。
以上讨论的是NPN型管组成的恒流源电路，如果需要的电流方向相反，则可选用PNP型管组成恒流源电路。


有源负载的基本概念

利用恒流源代替放大电路中的负载，就构成有源负载放大电路。这种放大电路不仅单级电路电压放大倍数高，还可以改善放大电路的其他性能。因此，这种有源负载放大电路已成为模拟集成电路设计特色之一。
图Z0604是有源负载共射放大电路的基本形式。图中T是共射放大级，PNP型管T1 、T2及电阻组成恒流源电路。此时，放大电路的负载为有源器件T2，故称为有源负载放大电路。
由于 [image] 为恒流源输出电阻ro与负载电阻RL的并联值，只要R L足够大，这种电路的电压放大倍数可高达几千倍。而且放大倍数与负载两端直流压降（或Ic）无关。
图Z0605是带恒流源负载的差动放大电路。图中，T1 、T2组成带恒流源的差动放大电路，T3、T4 组成镜像恒流源电路，作为差动放大电路的有源负载。这种差动放大电路不仅电压放大倍数大，而且共模输入电压范围也大。
当uid输入时，T1 管集电极电流为I C1，T2 管集电极电流为 - I C2，且- I C2 = I C1 ；当T1管集电极电流增加的同时，T3 管电流必然也增加，且I C1 = I C3；由于I C3与I C4 为镜像关系，即I C3= I C4，这样流过负载的电流
I L = I C4 - I C2 = I C3- I C2= I C1- I C2 = 2 I C1；即负载中得到的是单端输出信号电流的两倍，也就是等于双端输出时的信号电流。这表明恒流源负载差动放大电路还能在不降低放大倍数和共模抑制比的前提下，将双端输出变为单端输出，实现单端化。
集成运放的典型电路及参数
集成运算放大电路一般由输入级、中间级、输出级和偏置电路组成，如图Z0606 所示。为了对集成运放内部电路有一个基本了解，本知识点以典型的集成运算放大电路F007为例，介绍集成运算放大电路的组成、工作原理及主要参数。


典型集成运放F007电路简介

F007属第二代集成运放，它的电路特点是：采用了有源集电极负载、电压放大倍数高、输入电阻高、共模电压范围大、校正简便、输出有过流保护等。它的原理电路如图Z0607所示
一、偏置电路
偏置电路的作用是向各级放大电路提供合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。F007的偏置电路由T 8～T 13组成。基准电流由T 12、R5、T 11，和电源E C（15V）、E E（- 15V）决定：

T10、T11和R4组成微电流源电路，提供输入级所要求的微小而又十分稳定的偏置电流，并提供T9所需的集电极电流，即I C10＝I C9 ＋2I B3；T8与T9 组成镜像恒流源电路，提供T1、T2的集电极电流，即IC1＋IC2＝IC9，T12与T13组成镜像恒流源电路，提供中间级T16、T17的静态工作电流，并充当其有源负载。
二、输入级
输入级对集成运放的多项技术指标起着决定性的作用。它的电路形式几乎都采用各种各样的差动放大电路，以发挥集成电路制造工艺上的优势。F007的输入级电路是由T1～T7组成的带有恒流源及有源负载的差动放大电路。有源负载是由T5，T6、T7及R 1、R 2、R 3组成的改进型镜象恒流源电路。用它作差动放大电路的有源负载，不仅可以提高电压放大倍数，还能在保持电压放大倍数不变的条件下，将双端输出转化为单端输出。
T1～T4组成共集一共基型差动放大电路。其中，T1、T2接成共集电极形式，可以提高电路的输入阻抗，同时由于U C1＝U C2 = E C - U BE8，，因而共模信号正向界限接近E C，即提高了共模信号的输入范围；T3、T4，组成共基极电路，具有较好的频率特性，同时还能完成电位移动功能，使输入级输出的直流电位低于输入直流电位，这样后级就可直接接NPN型管；由于PNP型管的发射结击穿电压很高，这种差动放大电路的差模输入电压也很高，可达30V以上，此外，共基极电路输入电阻较小，而输出电阻较大，有利于接有源负载，并起到将负载与NPN管隔离开的作用。
三、中间级
中间级电路的主要任务是提供足够大的电压放大倍数，并向输出级提供较大的推动电流，有时还要完成双端输出变单端输出，电位移动等功能。F007的中间级是由复合管T16、T17和电阻R6组成的共发射极放大电路，T12、T13组成的镜象恒流源作为它的有源负载，因而可以获得很高的电压放大倍数。R 6起电流负反馈作用可以改善放大特性。
四、输出级
输出级的作用是向负载输出足够大的电流，要求它的输出电阻要小，并应有过载保护措施。输出级大都采用 [image] 互补对称输出级，两管轮流工作，且每个管于导电时均使电路工作在射极输出状态，故带负载能力较强。F007输出级采用的就是由T14和复合管T18、T19组成的互补对称电路。R 7、R 8和T15组成电压并联负反馈偏置电路，使T15的c、e两端具有恒压特性，为互补管提供合适而稳定的偏压，以消除文越失真。
D1、D2和R9、R10组成过载保护电路，正常工作时，R 9、R 10上的压降较小，D1、D2均处于截止状态，即保护电路处于断开状态，一旦因某种原因而过载，T14及复合管的电流超过了额定值，则R 9、R 10上的压降明显增大，D1、D2将导通，从而对T14和T15的基极电流进行分流，限制了输出电流的增加，保护了输出管。
集成运放的新产品不断出现，它们的性能更加优越，除通用型集成运放外，还出现了一些专用集成运放。
集成运放作为一个有源放大器件应用于实际电路时，常用图Z0608所示符号表示。它有两个输入端、一个输出端。大箭头表示信号传输方向。当信号从反相端输入时，输出电压与输入电压成反相关系，当信号从同相端输入时，输出电压与输入电压同相。


集成运放的主要技术参数

评价集成运放好坏的参数很多，它们是描述一个实际运放与理想放大器件接近程度的数据，这里仅介绍其中主要的几种。
一、输入参数
1．输入失调电压U O及其温漂
在室温及标准电源电压下，为了使静态U O = 0，而在输入端需要加的补偿电压值称为U OS，它反映电路中的对称程度和电位配置情况。典型值为2mV 。
是在指定温度范围内UOS随温度变化的平均变化率。是运放电压漂移特性的量度。单位μV／℃，一般为0.3～30μV／℃。
2．输入偏置电流I B
IB是在室温及标准电源电压下，以理想恒流源驱动两输入端，使U O＝0时的两个输入端电流的平均值，即
IB＝（IB1＋IB2 ）／2。通常，I B为0.1～10μA 。
3．输入失调电流 IOS及其温漂
I OS是指在UO = 0时，两输入端静态电流之差，即I OS＝I B1 - I B2 ，一般为0.5～5μA 。
是在指定温度变化范围内，I OS随温度的变化率。其值为3pA／℃～ 50nA／℃。
二、差模特性参数
1．开环差模电压放大倍数A od及其频率特性。
Aod 是指在标准电源及规定负载凡下的开环差模电压放大倍数。|Ad（jω）| 下降到直流差模电压放大倍数A od 的 [image] 时所对应的频率为f H 。
2．最大差模输入电压U idm
U idm是指两个输入端之间所能承受的最大电压差值。超过该值，输入级某一侧将出现PN结反向击穿现象。
3．差模输入电阻rid
rid是在室温下，开环运放两输入端之间的差模输入信号的动态电阻。双极型管输入级rid在几十kΩ ～几MΩ ；场效应管差动输入级rid可达108Ω以上。
三、共模特性参数
1．最大共模输入电压U icm
Uicm是共模输入电压范围。是在标准电压下，两输入端相同电位时的最大输入电压值。一旦超过Uicm ，则CMRR将明显下降。
2．共模输入电阻r ic
ric 是指室温下，每个输入端到地的共模动态电阻。
3．共模抑制比CMRR
CMRR定义为运放开环差模电压放大倍数与其共模电压放大倍数之比，即
或
它等于差动输入级的CMRR，典型值为80dB以上。
四、大信号动态参数
1．转换速率S R
SR表示运放对大信号阶跃输入有多快的反应能力，是在额定大信号输出电压时，运放输出的最大变化速率，即
。
2．全功率带宽f pp
f pp是指在正弦输入且运放接成电压跟随器组态时，在额定输出电流I om及规定失真条件下的额定输出电压U om所对应的带宽。
其他参数可查阅有关集成电路手册。


概 述
集成运放作为通用性很强的有源器件，它不仅可以用于信号的运算、处理、变换和测量还可以用来产生正弦或非正弦信号，不仅在模拟电路中得到广泛应用，而且在脉冲数字电路中也得到日益广泛的应用，因此，它的应用电路品种繁多，为了分析这些电路的原理，必须了解运放的基本特性。
一、集成运放的开环差模电压传输特性
集成运放在开环状态下，输出电压UO与差模输入电压 U id = U- - U+ 之间的关系称为开环差模传输特性。理论分析与实验得出的开环差模传输特性曲线如图Z0609所示。
曲线表明运放有两个工作区域：线性区（阴影部分）和非线性区（阴影两侧区域）。在线性区内：
U O = A od（U- - U+），即输出电压与输入电压成线性关系。由于U omax有限，而一般运放的开环电压放大倍数A od又很大，所以，线性区域很小。应用时，应引入深度负反馈网络，以保证运放稳定地工作在线性区内。
在非线性区内，U O 与U id无关，它只有两种可能取值，即正向饱和电压＋U sat（U+ ＞U- ）和负向饱和电压 - U sat（U-＞U+）。
两种区域内，运放的性质截然不同，因此在使用和分析应用电路时，首先要判明运放的工作区域。
二、理想运放的两个重要特性
为了突出主要特性，简化分析过程，在分析实际电路时，一般将实际运放当作理想运放看待。所谓理想运放是指具有如下理想参数的运放：
开环电压放大倍数 Aod = ∞
输入电阻 r id = ∞
输出电阻 ro＝0
频带宽度 B＝∞
共模抑制比 CMRR＝∞
输入偏置电流 IB1＝IB2＝0
失调和温漂等均为零。
理想运放是不存在的，然而，随着集成电路工艺的发展，现代集成运放的参数与理想运放的参数很接近。实践表明用理想运放作为实际运放的简化模型，分析运放应用电路所得结果与实验结果基本一致，误差在工程允许范围之内。因此，在分析实际电路时，除要求考虑分析误差的电路外，均可把实际运放当作理想运放处理，以使分析过程得到合理简化。
工作在线性区域的理想运放具有两个重要特性：
1. 理想运放两个输入端的电位相等。因为U--U+=U O／A od，而A od ＝∞ ，U O为有限值，故有:
        U- = U+ 　　　GS06004
2. 理想运放的输入电流为零，这是由于r id = ∞，所以有：
        I i＝0 　　　　　GS06005
这两条特性大大简化了运放应用电路的分析过程，是分析运放工作在线性区域的各种电路的基本依据，这两条特性常用"虚短"这个概念来概括。所谓"虚短"，是指对电压而言，两个输入端是短路的；但对电流而言，两个输入端却是开路的。
运放在工作时都带有一定的正反馈或负反馈网络，因此，分析时首先要判别运放的工作状态。判别工作状态的依据是：
（1）若U-＞U+，则运放工作在线性区；
（2）若U+≥U-，则运放工作在非线性区。
理想运放工作在非线性区时，也有两个基本特性：
（1）运放的输入电流为零，即I i＝0；
（2）输出电压有两种可能取值：
U-＞U+ 则U O = - U sat
U+ ＞U- 则UO = U sat
U+ = U-只是两个状态的转换点。
综上所述，分析运放应用电路时，先将实际运放视为理想运放，然后，判别运放的工作状态，最后，按各个区域的特性结合电路分析理论进行分析计算。


运放的基本连接方式

如同三极管放大电路有三种基本组态一样，各种复杂的运放应用电路也可划分为几种最基本的组态（或称连接方式），掌握了这几种组态的分析方法及其主要特性，就可分析更为复杂的电路。
一、反相输入组态
电路连接方式如图Z0609所示。输入信号通过R1加到运放的反相输入端，输出信号通过负反馈电阻R f也加到反相输入端， [image] 从而在反相输入端实现电流相加（I 1 = I i + I f ），即引入电压并联负反馈，这种类型的应用电路称为反相输入组态。图中R p为输入平衡电阻，R p 应选为R 1∥R f 。
根据工作在线性区运放的基本特性可得：U+ = U- = 0，I 1 = I f
而
故有：
电压放大倍数：
由GS0606式可知，这种组态电路的输出电压与输入电压反相且成比例（有时称为反相比例器）， [image] 其基本功能是实现比例运算。当R f = R 1时，U O = - U I 实现了反相功能（称为反相器或反号器）。
二、同相输入组态
电路如图Z0610所示，输入信号加到同相输入端，反馈信号通过R f 、 R加到反相输入端（引入负反馈），从而在输入端实现电压相加（U+ = U id + U-），即引人电压串联负反馈，这类电路称为同相输入组态。
根据U+ = U-及I i＝0，对图示电路可得：

从而可得：
电压放大倍数为：
由GS0608 式可知，输出电压与输入电压同相且成比例，实现了同相比例运算。
当R f = 0，R = ∞时，A uf ＝1，这种电路称为电压跟随器，它具有电压放大倍数等于1，输入阻抗高、输出阻抗低的特点，广泛用作隔离或缓冲电路。
三、差动输入组态
基本差动输入组态电路如图Z0611所示。相位相关的两个信号U i1、U i2分别通过R 1、R 2加到反相端和同相端。 输出信号通过与R 3匹配的电阻R f反馈到反相输入端，从而构成闭环负反馈电路。这种组态对差模特性，虽然可以等效为同相组态与反相组态的迭加，但它的共模特性具有反相组态与同相组态不可包含的特殊性。因此，把它看作是运放应用的基本组态之一。它可以由一块运放组成，也可由两块以上的运放组成。为了保证输入端平衡工作和提高共模抑制比，选取电路参数R 1= R 2 ，R 3＝R f 。
根据I i＝0，利用叠加原理可得：

再由U+ = U-，根据上两式可得：

整理可得：

可见输出电压与输入电压之差成比例，实现了差动比例运算。
四、开环比较组态
运放应用，除上述工作在线性区的3种组态外，还有一个非线性应用的基本组态。这种组态的电路如图Z0612 所示。通常一个输入端接基准电压，另一个输入端的输入信号与基准电压相比较，根据比较结
果，输出电压产生跃变。D Z1、D Z2是稳压管，它们的作用是限制输出电压的幅度，从而使
Ui ＞ E R时，U O = - U Z
Ui ≤ E R时，U O = U Z
式中U Z 为稳压管的工作电压。


集成运放在信号运算方面的应用

一、加法器
图Z0613 电路具有对输入信号相加的功能。根据理想运放的基本特点可得：

显然，电路可将输人信号按一定的比例进行相加运算， [image] 故称之为加法器。当R 1 = R 2 = R 3 = R f时，上式简化为
U O = －（ U i1+U i2+U i3 ）
二、微分器
电路如图Z0614所示，根据U+ = U-及I i＝0可得：
U+ = U- ＝0
i C＝if
因 [image] ，
故有：

可见输出电压与输入电压的微分成比例，实现了微分运算。
三、积分器
积分运算电路如图Z0615所示。由图可得：

从而可得：
可见输出电压与输入电压的积分成比例，实现了积分运算。
四、对数及反对数运算器
根据半导体PN结的伏安特性 [image] ，可以实现对数及反对数运算。
图Z0616（a）为对数运算器电路。在U CB≥ 0，U BE＞0的条件下，I C与U BE 相当宽的范围内有精确的对数关系。即 [image] ，从而有

由 [image] 代入上式则有：

这表明该电路输出电压与输入电压的对数成比例，实现了对数运算功能。
同理，由图Z0616（b）可得：

这表明该电路输出电压与输入电压的指数成比例，实现了指数运算功能，也即实现了反对数运算的功能。
利用前述几种运算器的组合还可以实现乘、除、乘方等运算。这几种运算器都是模拟计算机中的基本单元。
例题： 利用加法器和积分器求解微分方程：

式中uo是由 [image] 所产生的输出电压，设全部初始条件为零。
解：利用积分器解微分方程的思路是：把变量对时间的高次微商项多次积分，直至得到变量，同时通过选择电路参数满足方程式中所给系数。本题；即对 [image] 积分得 [image] ，再积分得uo ，而 [image] 又可由 [image] 、 uo 及 [image] 求和得到。据此，原方程可变形为：

两边积分有：

采用求和积分器实现上式运算，电路如图Z0617所示。 图中A1为求和积分器，对方程右边三项积分后得出 [image] ，A2对 [image] 再次积分便得到 -uo，A 3为反相器，输出即为uo在运算操作时，先将K 1、K 2接通一下，使C 1、C 2放电，从而实现初始条件。当加入 [image] 后，可用示波器观察uo的波形，这就是所给微分方程的解。
关于运放非线性状态的应用仅举下例加以说明。
例题：方波产生器的基本电路如图Z0618所示。试分析其产生方波的原理。
解：由图可见，该电路输出端经R 1、R 2分压后通过R 3引入了正反馈，与此同时，R f、C组成的积分电路又引入了负反馈，运放起比较器作用。
电路接通电源瞬间，输出电压究竟偏于正向饱和还是偏于负向饱和、纯属偶然，设U o＝- U sat ，这时加到同相端的电压为-F+ U sat（相当于基准电压），加到反相端的电压为uc（相当于输入电压）。电源接通瞬间因电容C两端电压不能突变，只能由输出电压uo通过Rf按指数规律向C充电来建立。充电电流方向由C →R f →地，充电结果C上端电位越来越负，当uc略负于-F+ U sat 时，输出电压便从负饱和值迅速翻转到正饱和值U sat；这时 uo又通过R f 给C反向充电，使uc逐渐升高，直到uc略正于F+ U sat 时，输出状态再次翻转，如此循环便产生了一系列的方波。


集成运放在使用中应注意的问题
在集成运算放大电路的应用中，会碰到一些实际问题，如果对这些问题不了解和不设法解决，使用起来将十分困难，甚至根本不能工作。这些问题主要是，偏差调整、相位校正、保护措施及性能扩展等。
一、偏差调整
对一个单片集成运放，总是要求输入为零时，输出也为零。但在实际中往往做不到，主要原因是运放中第一级差动放大电路存在着失调电压和失调电流，以及使用过程中电路上某些不合理之处引起的。为了减小偏差电压，就要求：
（1）失调电压、失调电流尽可能地小；
（2）两个输入端的直流电阻一定要相等；
（3）输入端总串联电阻（R S1、R S2）不能过大；
（4）偏流应尽可能的减小。
这几条减小偏差的要点是使用运放中十分重要的问题。
实际运放都有偏差调整端子，如F007中的①、⑤端子，图Z0607中的R W就是凋零电位器。这里要注意偏差调整电路（调零电路）仅能人为做到零输入时零输出，而温度变化产生的失调温漂并不能通过调零电路来消除。
二、相位校正
由于集成运放是一个高增益的多级放大器，虽然它是在负反馈条件下工作的，但由于在高频区将产生附加相移，这就可能使负反馈变为正反馈，此时，如反馈深度较深，即 ≥1，就会产生自激振荡，从而使运放无法稳定地工作。
要保证电路稳定地工作，就必须设法破坏自激振荡条件，即要做到当 ≥1时，总相移小于180°或当总相移等于180°时，使 ＜1。
在电路中人为地加一些"校正网络"来改变电路的相频特性或幅频特性，破坏自激条件，这就是相位校正或相位补偿技术。
相位校正的方法很多，常用的有积分校正，微分校正等。
积分校正的主导思想是压低高频放大倍数，使发生自激的那些点附近的放大倍数压得很低，从而破坏 ＝1的条件。具体方法是在运放电路的某一级加"压低电容"CX，或加Rφcφ串联校正网络。RφCφ或CX一般接在集电极与基极之间（如图Z0607中的8、9端），这时，小电容可以起到大电容的作用，因而可将补偿电容集成在整个运放电路之中。
一般运放出厂时，厂家都己给出相位校正端子及不同闭环增益下补偿元件的数据，可由产品手册上查到。
微分校正的主导思想是提供一个超前的相移，以抵消滞后的相移，从而使 ＝1时总相移小于180°。当微分网络加在开环电路里面时，则提供一个超前相移，抵消开环特性的附加相移；当加到反馈支路时，则在反馈系数 中提供一个超前相移，以抵消滞后相移。
三、保护措施
集成运放的电源电压接反或电源电压突变，输入电压过大，输出短路等，都可能造成运放损坏，因此，使用时必须采取适当的保护措施。
为了防止电源反接造成故障，可在电源引线上串入保护二极管，使得当电源极性接反时，二极管处于截止状态。
为了防止差模或共模输入电压过高，而产生自锁故障（信号或干扰过大导致输出电压突然增高，接近于电源电压，此时不能调零，但集成运放不一定损坏），可在输入端加一限幅保护电路，使过大的信号或干扰不能进入电路。
为了防止输出端碰到高压而击穿或输出端短路造成电流过大，可在输出端增加过压保护电路和限流保护电路。
四、性能扩展
实际运放的某些参数有时不能满足实际电路中的要求，如有时需要有较高的输入电阻、有时需要有较大的输出功率，有时需要高速低漂移等，这时就需要在现有集成运放的基础上，增加适当的外围电路进行功能改善。
有关运放实际应用中的一些具体方法、措施可参阅有关资料。


半波整流电路
一、半波整流电路
半波整流电路如图Z0702所示。它由电源变压器T r整流二极管D和负载电阻RL组成，变压器的初级接交流电源， [image] 次级所感应的交流电压为

其中U 2m为次级电压的峰值，U 2为有效值。
电路的工作过程是：在u 2 的正半周（ωt = 0~π），二极管因加正向偏压而导通，有电流i L流过负载电阻R L。由于将二极管看作理想器件，故RL上的电压 u L与u 2的正半周电压基本相同。
在u 2的负半周（ωt =π~2π），二极管D因加反向电压而截止，R L 上无电流流过，R L 上的电压u L = 0。可画出整流波形如图I0702所示。
可见，由于二极管的单向导电作用，使流过负载电阻的电流为脉动电流，电压也为一单向脉动电压， [image] 其电压的平均值（输出直流分量）为

              GS0701
流过负载的平均电流为
            GS0702
流过二极管D的平均电流（即正向电流）为
      GS0703
加在二极管两端的最高反向电压为 [image] 　　GS0704 。
选择整流二极管时，应以这两个参数为极限参数。
半波整流电路简单，元件少，但输出电压直流成分小（只有半个波），脉动程度大，整流效率低，仅适用于输出电流小、允许脉动程度大、要求较低的场合。


全波整流电路
全波整流电路如图Z0703所示。它是由次级具有中心抽头的电源变压器Tr、两个整流二极管D1、D2和负载电阻R L组成 [image] 。变压器次级电压u 21和u 22大小相等，相位相反，即
u 21 = - u 22 =
式中，U 2 是变压器次级半边绕组交流电压的有效值。
全波整流电路的工作过程是：在u 2 的正半周（ωt = 0~π）D1正偏导通，D2反偏截止，R L上 [image] 有自上而下的电流流过，RL上的电压与u 21 相同。
在u 2 的负半周（ωt =π~2π），D1反偏截止，D2正偏导通，R L上也有自上而下的电流流过，
R L上的电压与u 22相同。可画出整流波形如图Z0704所示。 可见，负载凡上得到的也是一单向脉动电流和脉动电压。其平均值分别为：

GS0705
流过负载的平均电流为
GS0706
流过二极管D的平均电流（即正向电流）为

加在二极管两端的最高反向电压为

选择整流二极管时，应以此二参数为极限参数。
全波整流输出电压的直流成分（较半波）增大，脉动程度减小，但变压器需要中心抽头、制造麻烦，整流二极管需承受的反向电压高，故一般适用于要求输出电压不太高的场合。


桥式整流电路
桥式整流电路如图Z0705所示，其中图（a）、（b）、（c）是它的三种不同画法。 它是由电源变压器、四只整流二极管D1~4 和负载电阻R L组成。四只整流二极管接成电桥形式，故称桥式整流。
桥式整流电路的工作原理如图Z0706所示。在u 2的正半周，D1、D3导通，D2、D4截止，电流由T R次级上端经D1→ R L →D3回到TR 次级下端，在负载RL上得到一半波整流电压。
在u2的负半周，D1、D3截止，D2、D4导通，电流由Tr次级的下端经D2→ R L →D4 回到Tr次级上端，在负载RL 上得到另一半波整流电压。
这样就在负载RL上得到一个与全波整流相同的电压波形，其电流的计算与全波整流相同，即
UL = 0.9U2 　　　　　　GS0709
I L = 0.9U2／R L　　　 GS0710
流过每个二极管的平均电流为
ID = I L／2 = 0.45 U2／RL
每个二极管所承受的最高反向电压为

目前，小功率桥式整流电路的四只整流二极管，被接成桥路后封装成一个整流器件，称"硅桥"或"桥堆"，使用方便，整流电路也常简化为图Z0705（c）的形式。
桥式整流电路克服了全波整流电路要求变压器次级有中心抽头和二极管承受反压大的缺点，但多用了两只二极管。在半导体器件发展快，成本较低的今天，此缺点并不突出，因而桥式整流电路在实际中应用较为广泛。


倍压整流电路
倍压整流电路由电源变压器、整流二极管、倍压电容和负载电阻组成。它可以输出高于变压器次级电压二倍、 [image] 三倍或n倍的电压，一般用于高电压、小电流的场合。
二倍压整流电路如图Z0707所示。其工作原理是：在u 2的正半周，D 1导通，D2截止，电容C 1被充电到接近u 2的峰值u 2m，极性如图中Z0708（a）所标；在u 2 的负半周，D 1截止，D 2导通，这时变压器次级电压u 2与C 1 所充电压极性一致，二者串联，且通过D 2 向C 2充电使C 2上充电电压可接近2 u 2 m 。当负载R L并接在C 2两端时（R L一般较大），则R L 上的电压UL也可接近2 u 2 m 。
图Z0709为n倍压整流电路，整流原理相同。可见，只要增加整流二极管和电容的数
目，便可得到所需要的n倍压（n个二极管和n个电容）电路。


电容滤波电路
滤波电路
整流电路虽然可将交流电变成直流电，但其脉动成分较大，在一些要求直流电平滑的场合是不适用的，需加上滤波电路，以减小整流后直流电中的脉动成分。
一般直流电中的脉动成分的大小用脉动系数来表示：
脉动系数（S）＝ [image] 　　　GS0712

例如，全波整流输出电压uL可用付氏级数展开为：

       GS0713
其中基波最大值为0.6U 2，直流分量（平均值）为0.9 U 2，故脉动系数S≈0.67 。同理可求得半波整流输出电压的脉动系数为S＝1.57，可见其脉动系数是比较大的。一般电子设备所需直流电源的脉动系数小于0.01，故整流输出的电压必须采取一定的措施，一方面尽量降低输出电压中的脉动成分，另一方面尽量保存输出电压中的直流成分，使输出电压接近于较理想的直流电源的输出电压。这一措施就是滤波。
最基本的滤波元件是电感、电容。其滤波原理是：利用这些电抗元件在整流二极管导通期间储存能量、在截止期间释放能量的作用，使输出电压变得比较平滑；或从另一角度来看，电容、电感对交、直流成分反映出来的阻抗不同，把它们合理地安排在电路中，即可达到降低交流成分而保留直流成分的目的，体现出滤波作用。
常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。其中无源滤波的主要形式有电容滤波，电感滤波和复式滤波（包括倒L型 LC滤波，π型LC滤波和π型RC滤波等）。有源滤波的主要形式是有源RC滤波。
电容滤波
半波整流电容滤波电路如图Z0710所示。其滤波原理如下：

电容C并联于负载 RL的两端，u L＝u C。在没有并入电容C之前，整流二极管在u 2的正半周导通，负半周截止，输出电压u L的波形如图中红线所示。并入电容之后，设在 ω t=0时接通电源，则当u2由零逐渐增大时，二极管D导通，除有一电流i L流向负载以外还有一电流i C向电容C充电，充电电压u C的极性为上正下负。如忽略二极管的内阻，则u C 可充到接近u 2的峰值u 2m。在u 2 达到最大值以后开始下降，此时电容器上的电压uc也将由于放电而逐渐下降。当u 2＜u c时，D因反偏而截止，于是C以一定的时间常数通过R L 按指数规律放电，u c下降。直到下一个正半周，当u 2 ＞u c时，D又导通。如此下去，使输出电压的波形如图中蓝线所示。显然比未并电容C前平滑多了。
全波或桥式整流电容滤波的原理与半波整波电容滤波基本相同，滤波波形如图Z0711 所示。
从以上分析可以看出：
1. 加了电容滤波之后，输出电压的直流成分提高了，而脉动成分降低了。这都是由于电容的储能作用造成的。电容在二极管导通时充电（储能），截止时放电（将能量释放给负载），不但使输出电压的平均值增大，而且使其变得比较平滑了。
2．电容的放电时间常数（τ＝R L C）愈大，放电愈慢，输出电压愈高，脉动成分也愈少，即滤波效果愈好。故一般C取值较大，RL也要求较大。实际中常按下式来选取C的值：
R L C≥（3～5＞T（半波） GS0714
R L C≥（3～5）T／2（全波、桥式） GS0715
3．电容滤波电路中整流二极管的导电时间缩短了，即导通角小于180°。而且，放电时间常数越大，导通角越小。因此，整流二极管流过的是一个很大的冲击电流，对管子的寿命不利，选择二极管时，必须留有较大余量。
4. 电容滤波电路的外特性（指U L与I L之间的关系）和脉动特性（指S与I L 之间的关系）比较差，如图Z0712 所示。可以看出输出电压U L和脉动系数S随着输出电流IL 的变化而变化。当I L＝0（即R L= ∞ ）时，U L = U2（电容充电到最大值后不再放电），S = 0。当I L增大（即R L减小）时，由于电容放电程度加快而使U L下降，U L 的变化范围在 U 2 ～0.9 U 2之间（指全波或桥式），S变大。所以，电容滤波一般适用于负载电流变化不大的场合。
5．电容滤波电路输出电压的佑算。如果电容滤波电路的放电时间常数按式GS0714或GS0715 取值的话，则输出电压分别为：
UL＝（0.9～1.0）U2 （半波） GS0716
U L＝（1.1～1.2）U2 （全波） GS0717
电容滤波电路结构简单、使用方便、应用较广。


电感滤波电路

带电感滤波的全波整流电路如图Z0713 所示。滤波元件L串在整流输出与负载R L之间（电感滤波一般不与半波整流搭配）。其滤波原理可用电磁感应原理来解释。当电感中通过交变电流时，电感两端便产生出一反电势阻碍电流的变化：当电流增大时，反电势会阻碍电流的增大，并将一部分能量以磁场能量储存起来；当电流减小时，反电势会阻碍电流的减小，电感释放出储存的能量。这就大大减小了输出电流的变化，使其变得平滑，达到了滤波目的。当忽略L的直流电阻时，R L上的直流电压UL与不加滤波时负载上的电压相同，即U L =0.9U 2 　GS0718

    电感滤波原理，也可以用电感对交、直流分量感抗不同，使直流顺利通过，使交流得受阻的原理来解释。
    与电容滤波相比，电感滤波有以下特点：
    1．电感滤波的外特性和脉动特性好。其外特性和脉动特性如图Z0714 所示。U L随Ｉ L的增大下降不多，基本上是平坦的（下降是L的直流电阻引起的）；S随Ｉ L的增大而减小。
    2．电感滤波电路整流二极管的导通角 θ=π。
    3．电感滤波输出电压较电容滤波为低。故一般电感滤波适用于输出电压不高，输出电流较大及负载变化较大的场合。


复式滤波电路
复式滤波电路常用的有LCГ型、LCπ型和RCπ 型3种形式，如图Z0715所示。它们的电路组成原则是 [image] ，把对交流阻抗大的元件（如电感、电阻）与负载串联，以降落较大的纹波电压，而把对交流阻抗小的元件（如电容）与负载并联，以旁路较大的纹波电流。其滤波原理与电容、电感滤波类似，这里仅介绍RCπ型滤波。
图Z0715（c）为RCπ型滤波电路，它实质上是在电容滤波的基础上再加一级RC滤波电路组成的。其滤波原理可以这样解释：经过电容C 1滤波之后，C 1两端的电压包含一个直流分量 与交流分量 ，作为RC 2滤波的输入电压。对直流分量而言，C 2 可视为开路，R L上的输出直流电压为：

对于交流分量 [image] 而言，其输出交流电压为：
若满足条件
则有
由式 可见，R愈小，输出的直流分量愈大；由式 可见，RC 2愈大，输出的交流分量愈小。滤波效果愈好。所以R受两方面的制约，只能兼顾选择。这种滤波电路较单电容滤波效果好，、但也只适用于负载电流不大的场合。


有源滤波电路
为了提高滤波效果，解决π型RC滤波电路中交、直流分量对R的要求相互矛盾的问题， [image] 在RC电路中增加了有源器件-晶体管，形成了RC有源滤波电路。常见的RC有源滤波电路如图Z0716所示，它实质上是由C 1、R b、C 2组成的π型RC滤波电路与晶体管T组成的射极输出器联接而成的电路。该电路的优点是：
1．滤波电阻R b 接于晶体管的基极回路，兼作偏置电阻，由于流过R b 的电流入很小，为输出电流I e的1／（1＋β），故R b可取较大的值（一般为几十k Ω），既使纹波得以较大的降落，又不使直流损失太大。
2．滤波电容C 2接于晶体管的基极回路，便可以选取较小的电容，达到较大电容的滤波效果，也减小了电容的体积，便于小型化。如图中接于基极的电容C 2 折合到发射极回路就相当于（1＋β）C 2的电容的滤波效果（因 ie = （1+ β ）ib之故）。
3．由于负载凡接于晶体管的射极，故 R L上的直流输出电压U E≈U B，即基本上同R C无源滤波输出直流电压相等。
这种滤波电路滤波特性较好，广泛地用于一些小型电子设备之中。


并联型硅稳压管稳压电路
稳压电路
经整流滤波后输出的直流电压，虽然平滑程度较好，但其稳定性是比较差的。 其原因主要有以下几个方面：
1．由于输入电压（市电）不稳定（通常交流电网允许有＋10％的波动），而导致整流滤波电路输出直流电压不稳定；
2．当负载R L变化（即负载电流I L变化时，由于整流滤波电路存在一定的内阻，使得输出直流电压发生变化；
3. 当环境温度发生变化时，引起电路元件（特别是半导体器件）参数发生变化，导致输出电压发生变化。
所以，经整流滤波后的直流电压，必须采取一定的稳压措施，才能适合电子设备的需要。常用的稳压电路有并联型和串联型稳压电路两种类型。
图Z0717为硅稳压管稳压电路，因稳压元件D Z与负载是并联连接的，故称并联型稳压电路。图中输入电压Ui就是整流滤波电路的输出电压，R是限流、调压电阻，输出电压U L就是稳压管D Z 的稳压值UZ通过R的电流 I = I Z + I L，且U L＝U Z = Ui - I R 。稳压管工作于反偏状态。
该电路的稳压原理是：当电网电压升高时，必然引起整流滤波电路输出电压Ui升高，而Ui 的升高又会引起输出电压U L （即U Z ）的增大。由稳压管的稳压特性可知，UZ 的增大，势必引起I Z 的较大增大；于是限流电阻R上的电流I增大，R上的电压降也增大，这在很大程度上让R承担了Ui的变化，从而使U L基本上趋于稳定（Ui↑→UL↑→IZ↑→I↑→U R↑→↓）。反之，当Ui下降而引起UL 变小时，也会引起I Z减小，R上的压降U R减小，同样保持了U L 的基本稳定。
同理，当负载电流I L 变化（即R L 变化），如I L 增大，在Ui 不变的情况下，势必会引起U L（即U Z）的减小，使I Z有较大的下降，因而保持了总电流I（I＝IZ ＋I L ）基本不变，使U L基本稳定。
由上分析可见，在这种稳压电路中，稳压管起着电流控制作用。即不论是由于Ui 或I L 的变化，使输出电压U L发生小的波动时，I Z 都会产生较大变化。的变化或是改变了总电流的大小而调整了R上的压降，或是补偿了I L 的变化，结果都使U L 维持基本不变。R在电路中起着限流和调压作用。如R = 0，则会使Ui（远大于U Z）直接加于D Z 两端，引起过大的I Z，使D Z损坏。另外，R = 0 时，始终是U L = Ui，电路不会有稳压性能。因此，这种电路的稳压作用是稳压管D Z和限流电阻R共同完成的。


串联型稳压电路的稳压原理
串联型稳压电路的稳压原理可用图Z0718 所示电路来说明。图中可变电阻R与负载R L 相串联。若R L [image] 不变，当输入电压U i增大（或减小）时，增大（或减小）R值使输入电压Ui 的变化全部降落在电阻R上，从而保持输出电压U L基本不变。同理，若Ui 不变，当负载电流I L变化时（导致U L变化），也相应地调整R的值，以保持R上的压降不变，使输出电压U L也基本不变。
在实际的稳压电路中，则是用晶体三极管来代替可变电阻R，利用负反馈的原理，以输出电压的变化量控制三极管集射极间的电阻值，以维持输出电压的基本不变。
最简单的串联型稳压电路如图Z0719 所示。晶体管T在电路中起电压调整作用，故称调整管，因它与负载R L 是串联联接的，故称串联型稳压电路。图中D Z与R组成硅稳压管稳压电路，给晶体管基极提供一个稳定的电压，叫基准电压U Z 。R又是晶体管的偏流电阻，使晶体管工作于合适的工作状态，由电路可知
U L = Ui - U CE
U BE = U B - U E = U Z - U L
该电路的稳压原理如下：当输入电压Ui 增加或负载电流 I L减小，使输出电压U L 增大时，则三极管的U BE减小，从而使I B、I C都减小，U CE 增加（相当于R CE增大）结果使U L基本不变。这一稳压过程可表示为：
Ui↑（或 I L↓）→U L↑→U BE↓→I B↓→I C↓→U CE↑→U L↓
同理，当Ui减小或I L增大，使U L减小时，通过与上述相反的调整过程，也可维持U L 基本不变。
从放大电路的角度看，该稳压电路是一射极输出器（R L接于T的射极），其输出电压U L 是跟随输入电压U B ＝U Z变化的，因UB 是一稳定值，故U L 也是稳定的，基本上不受Ui 与I L 变化的影响。
该稳压电路，由于直接用输出电压的微小变化量去控制调整管，其控制作用较小，所以，稳压效果不好。如果在电路中增加一级直流放大电路，把输出电压的微小变化加以放大，再去控制调整管，其稳压性能便可大大提高，这就是带放大环节的串联型稳压电路。


带有放大环节的串联型稳压电路
带有放大环节的串联型稳压电路如图Z0720 所示。晶体管T1为调整管，起电压调整作用。电阻R 1与R 2 [image] ，组成分压电路，输出电压变化量△U L通过R 1、R 2分压，取出一部分，加到三极管T2的基极，所以把R 1 、R 2组成的电路叫取样电路。稳压管D Z与R 3组成硅稳压管稳压电路，提供基准电压U Z。晶体管T2起比较与放大信号的作用，R C为T2 的集电极负载电阻，T2的集电极输出信号加至T1管的基极，用放大了的"变化量"去控制调整管，调整输
出电压的变化，故T2构成比较放大级。
该电路的稳压过程如下：当输入电压 U i增加，或负载电流减小时，将会引起输出电压UL增加。U L 的增加量通过R 1、R 2分压取样，使T2 的基极电压U B2升高，由于T2的射 [image] 极电压 U E2= U Z基本不变，所以，U BE2（U BE2＝U B2 - U Z）增加， I C2增加，使U C2（U C2 ＝U B1）下降，U BE1减小，导致IC 1减小，而U CE1增大，使 U L基本上维持稳定。上述稳压过程可表示为：
Ui↑（或IL↓）→U L ↑→U BE2↑→I C2↑→U C2↓（U B1↓）→U BE1↓→I C1↓→U CE1↑→U L↓
同理，当U i减小或I L 增大时，U L 降低，通过上述调整过程叉会使U L 上升，也维持U L 基本稳定。
由上述分析可以看出，典型的串联型稳压电路是由调整电路、取样电路、基准电源和比较放大电路四个基本部分组成。其框图如图Z0721所示。


稳压电源的质量指标
稳压电源的稳压性能常用稳压系数S r和输出电阻R O两个主要质量指标来衡量。
1．稳压系数S r
稳压系数S r表示在负载电流和环境温度不变的条件下，输入电压的相对变化量△U i／U i与输出电压的相对变化量△U o／U o 之比，即

式中值愈大，反映稳压效果愈好，即稳定度愈高（式中C表示常数）。
稳压系数也可用如下定义，即
式中 [image] 值愈小，表示稳定度愈高，它与式（GS0721）意义完全相同（式中C表示常数）。本资料采用式（GS0721）定义并且通常以S r表示稳定度。这样，S r值的大小与稳定度的高低就一致了，即S R值愈大，稳定度越高。
在图Z0720电路中，稳压系数SR可写成如下形式：

式中：A 2为比较放大电路的放大倍数，n为取样电路的分压系数［R 2／（R l ＋R 2?/font>?/font>］。如将 n = R 2／（R l ＋R 2）和
A 2 = β 2 R 4／（R be2 +β 2 R Z ）代如上式 ，则稳压系数可写为：

从上式可得出如下结论：
（1）比较放大电路的负载电阻R C大，放大倍数A 2就大，输出电压稳定度也就高。所以，R C值应选择大些。
（2）稳压管的动态电阻R Z愈小，S r 愈大，这是因为了愈小R Z基准电压的稳定度就愈高。
（3）取样电路的分压系数n 愈大，加入比较放大电路输入端的那部分输出电压变化量就愈大，所以S r就愈大。
2．输出电阻r O
输出电阻RO是指输入电压及环境温度不变的条件下，负载电流变化 △IL引起输出电压变化△U L的程度；也就是输出电压变化量△U L 与负载电流变化量△I L 的比值，即

对于图I0746电路的输出电阻
从上式可见，取样电路的分压系数n、调整管的电流放大系数β 1 和比较放大电路的放大倍数A 2愈大，输出电阻R O 愈小，稳压性能愈好。
通过对稳压系数S R和输出电阻R O的讨论，可以看出，为提高稳压电源的稳压性能，应采取以下措施：
（1）提高比较放大级的放大倍数。为此应增大T2的负载电阻R 4，适当提高T2的静态工作点，以便减小其输入电阻R be2 ；
（2）为提高调整管的β值，可采用2个甚至3个晶体管构成复合管；
（3）为提高取样分压比n，应适当提高基准电压，所以应选用稳压较高，输出电阻小，温度系数小的稳压管。


提高稳压电源性能的措施
为了进一步提高稳压性能，在实际应用中常采用改进型电路，其改进措施如下：
一、改变取样比，以调节输出电压范围
在取样电路中接入电位器RW，如图Z0722所示。调节R W时，可使输出电压U L在一定范围内连续可调。由图可见：

则：
式中取样比 [image] n的取值范围一般为0.5～0.8 ； 为R W的活动头到R 2上端的部分。
二、调整管采用复合管
串联型晶体管稳压电路中，全部负载电流IL都要通过调整管。I L大时调整管的基极电流I B1也要大。 比如I L＝1 A，β1＝50，则I B1＝20mA，这么大的电流要比较放大管T2的集电极电流提供是很困难的，如果调整管改用复合管这个问题就会得到解决。如图Z0723所示，T1、T2组成复合管，如β 1＝β2 = 50，复合管的β＝2500，则复合管的IB 1＝0.4 mA。只要比较放大管的集电极工作电流为1～2mA，则完全可以保证提供这么大电流。此外由式（GS0724）可知，由于β 1增大，R O减小，电源的稳定性得到提高。
三、带有辅助电源和差动放大器的稳压电路
比较放大级应具有较高的增益和温度稳定性，为了有较大的增益，总希望比较放大管的集电极负载R C（R 4）阻值大一些，这将使R 4两端的电压降增大，同时U CE1，增大，势必增加调整管的功耗。另外，R C直接与输入端相接，当输入电压U i变化时，直接通过R C把变化量 △U i加到调整管的基极，使输出电压随之波动，为了克服上述缺点，可以采用辅助电源给放大器供电，如图Z0724所示。辅助电源由D Z2和R 5组成，U Z2为辅助电源的输出电压，即D Z2两端的电压。显然；比较放大器的电源电压为U L + U Z2，是一个稳定性较好的电压。R 4的压降则
为I C2 R 4 ≈U Z2，这样既解决了△U i 直接通过R 4对调整管基极电位的影响问题，也可以使R 4取值大一些而不增加调整管的管耗。
为了解决温度变化所产生的零点漂移影响输出电压稳定的问题，采用差动放大电路或集成运放电路作比较放大器，是进一步提高电源稳定性的有效措施。这两个电路如图Z0725和图Z0726所示。

四、过载保护电路
串联型晶体管稳压电路的负载电流全部通过调整管，当输出过载，特别是输出端短路时，调整管几乎承受全部输入电压（因为：U CE1 = U i - U L， 输出短路时，U L＝0），并流过很大的电流，使调整管的管耗增大以至损坏。即使这种过载现象时间很短，也是不允许的，由于晶体管的热容量很小，普通保险丝不能起到保护作用，所以需要设置电子保护电路。
1. 限流型过载保护电路
电路如图 Z0727所示，保护电路由D Z2和电阻R g组成，Rg称检测电阻，在正常情况下，Rg上的压降不足以使保护管D Z2导通（适当选择Rg及D Z2的U Z值使D Z2正常工作时处于截止状态）。当I L过大时，I L Rg 增大，U BE1 + I L Rg 使稳压管D Z2反向击穿（导通），使调整管T1的基极电位下降，则U CE1增加，于是IL减小，I L被限制但不能截止，所以叫限流型。这种保护电路简单，但灵敏度稍差。
2．截止型过载保护电路
在这种电路中，当过载或输出短路时，可使调整管处于完全截止状态。图Z0728中绿色区域内为保护电路，适当选择Rg、R 4、R 5、R 6、R 7、R 8及D Z 2诸元件，使得正常工作时保护管T3处于可靠截止状态，即U BE3?/font>剑?font size="+1">UR 5＋U Rg - UR 7）＜0，此时保护电路对正常输出没有影响。当输出电流I L过大或输出短路时，URg = I L Rg增大并使T3导通，则集电极电压U C3下降，使T1管趋于截止，U CE1增大，而U CE1的增大使U L减小，则UR 7减小，使T3进一步导通，U L进一步下降，引起瞬间正反馈循环过程导致T1完全截止。这样，输出电压和电流接近于零，从而起到保护作用。如果短路或过载的故障已经排除，输出电压则会自动上升，使电路恢
复正常工作。由于正反馈作用使调整管在故障过程中截止，所以又称反馈截止型保护电路。


正弦波振荡电路

第八章 正弦波振荡电路
正弦波振荡电路，是一种带有选频网络的正反馈放大电路。它无需外加激励信号就能够输出具有某一特定频率的等幅正弦振荡信号。广泛应用于广播、通讯、测量及自动控制等许多技术领域。


自激振荡的条件
图Z0801是由放大电路转换到振荡电路的示意图。先将开关K置于1端，将正弦电压 [image] 输入放大电路，则输出的正弦电压 [image] 。若适当选择电路参数，使反馈电压 [image] ，与外加输入电压大小相等，相位相同，即 [image] ＝ [image] ，这时若把开关K置于2端，用 [image] 取代 [image] ，则 [image] 仍将与原来完全相同。显然，放大电路这时已不需外加任何输入信号，而在输出端就能得到 [image] 一个正弦波信号。放大电路已转变成了自激振荡电路。
可以看出，要维持自激振荡必须满足条件：
＝ [image] GS0801
由于 [image] ，代入GS0801式，从而可得维持自激振荡的条件为：

设φA和φF分别为 [image] 与 [image] 的相位角，于是

因此，维持自激振荡的条件又可表达为：
振幅平衡条件
相位平衡条件 φA +φF = 2nπ （n = 0，1，2，……） GS0804
由于φA +φF 就是 [image] 与 [image] 之间的相位差，由式GS0804可知， [image] 与 [image] 应为同相，即要求反馈为正反馈。
因为振幅平衡条件通过对电路参数的调整容易满足，所以，相位平衡条件是判断电路能否产生振荡的关键。
判断相位平衡条件一般采用瞬时极性法，即断开反馈网络与放大电路输入端的连接线（用×表示），并视放大电路的输入阻抗为反馈网络的负载。然后，假定某一瞬时极性的信号电压 [image] 作用于放大电路的输入端，经放大和反馈后得到相应的反馈电压 。再根据放大电路和反馈网络的相频特性，来分析 [image] 与 [image] 的相位关系。若在某一特定频率上，相位差为±2nπ（n = 0，1，2，……），即为正反馈时，则可认为电路满足相位平衡条件。


自激振荡的建立和振幅的稳定
上面的分析中，是先假定有一个输入信号经放大后，再由反馈网络送回到输入端而形成稳定振荡的。事实上自激振荡的起振是不需要外加信号激励的。那么自激振荡是如何建立的呢？原来，电源接通或元件的起伏噪声引起的电扰动相当于一个起始激励信号，它含有丰富的谐波，经选频放大后，选出某一特定频率的正弦波，反馈到输入端，再通过放大--正反馈--再放大的循环过程，只要这个过程中 [image] 振荡就能逐渐增强起来。因此，仅有平衡条件是不够的，为了使振荡能由弱变强逐渐地建立起来，开始时，应有：

这就是电路的起振条件。
当然，如果振荡建立起来之后，一直保持 [image] 的话，振荡就会无限制地增强。那么振荡幅度又是如何稳定的呢？看来，还需要一个稳幅环节，而晶体管恰好可以起到这个作用。晶体管是非线性器件，由于振荡的增强使它工作在非线性区时，放大器的增益就会下降，最终达到从而得到幅度稳定的正弦波振荡。


正弦波振荡电路的组成
为了获得单一频率的正弦波，正弦波振荡电路必须由放大电路和正反馈网络组成。此外电路中还必须包含选频网络和稳幅环节。增加选频网络是为了获得单一频率的正弦波振荡，而稳幅环节是为了得到稳定的等幅振荡信号。由R、C元件组成选频网络的正弦波振荡电路，称为RC正弦波振荡电路，而由LC元件组成选频网络的正弦波振荡电路，则称为LC正弦波振荡电路。
判断一个电路能否产生正弦波振荡的步骤是：
首先检查该电路是否由放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节组成；
其次是检查放大电路是否有合适的工作点，最后检查放大电路是否满足自激振荡条件。


变压器反馈式振荡电路
LC正弦波振荡电路
LC正弦波振荡电路按其反馈电压的取出方式，可分为变压器反馈式、电感反馈式以及电容反馈式振荡电路。
变压器反馈式振荡电路，又称互感耦合振荡电路，它是利用变压器耦合获得适量的正反馈来实现自激振荡的。
图Z0802（a）为共射调集型变压器耦合振荡电路，（b）是交流通道。图中当不考虑反馈时，由于L 1、C组成的并联谐振回路作为三极管的集电极负载，因此，这种放大电路具有选频特性，常称为选频放大电路。L 2为反馈网络，它通过电感耦合取得反馈信号，并将信号的一部分反馈到输入端，显然，该电路具备了振荡电路的组成环节。
一、 相位平衡条件
断开图（a）中的a点。设在放大电路的输入端加信号令其频率为L 1 C回路的谐振频率fO，此时三极管集电极负载可等效为一纯电阻，若忽略其它电容和分布参数的影响，则 [image] 与 [image] 反相；在如图所示的变压器同名端情况下，比又引入180°相移（设负载电阻很大），即 [image] 与 [image] 反相，因此 [image] 与 [image] 同相，电路满足振荡的相位平衡条件。对fo以外的其它频率，L1 C回路处于失谐状态，不再呈纯电阻性，因而 [image] 与 [image] 不再是反相关系，自然 [image] 与 [image] 也不再是同相关系，也就是说对fo以外的电信号，电路不能满足振荡的相位平衡条件。这样，就保证了振荡电路只能够输出频率为fo的单一频率的正弦波。
在Q值足够高和忽略分布参数影响的条件下，振荡电路的振荡频率就是L 1 C回路的谐振频率，即
。
二、起振条件
根据自激振荡的振幅条件，应使，对于图Z0802所示电路。可以证明其起振条件为：

式中M为绕组L 1与L 2之间的互感系数，r be为三极管b、e间的等效电阻，R＇为折合到L 1 C回路中与电感串联的等效总损耗电阻。
三、电路特点
（1）由式GS0806可知，对三极管β值要求并不太高，只要变压器同名端接线正确，则不难起振。采用变压器耦合，容易满足阻抗匹配要求；
（2）C可以采用可变电容器，因而调节频率方便；
（3）由于变压器分布参数的限制，捺荡频率不能太高，一般小于几十MHz。且输出波形不太好。
图Z0803（a）是超外差收音机中常用的共基调射式变压器耦合振荡电路，图（b）是它的交流通路。图（a）中R b1、R b2、R e是偏置电阻，L 5、C组成中频选频回路，它对振荡频率失谐，阻抗很小，可视为短路。C b是高频旁路电容，对振荡信号相当于短路，从而使晶体管呈共基接法。L 1、L 2同C 2、C 3、C a组成LC谐振回路。其中C a为振荡电容，改变Ca的数值，可调节振荡频率。C 2为垫整电容，C 3为补偿电容，它们是为保证波段的低、高端频率跟踪而设置的，其原理将在第十单元讲述。L 3是反馈线圈，为了保证相位平衡条件，变压器同名端应按图中所示接法联接。
图Z0803（a）中振荡回路是通过耦合电容C 1部分接入到发射极极的。这样共基极电路的输入阻抗Zi虽然很小（约100Ω），但折合到3、5两端的阻抗Z就增大许多倍，使得晶体管输入阻抗对振荡回路的影响大大减弱，不会严重降低回路的Q值，从而使输出波形较好，又利于起振。
设 [image] 为接入系数，由变医器原理知：

例如晶体管收音机本机振荡线圈LTF-1-1，总匝数N1 + N 2 = 146匝，N 2 = 8匝，则Z＝333Zi。这相当于把晶体管的输入阻抗Zi 提高了333倍。
共基振荡电路振荡频率高，而且比较稳定，容易起振、应用比较广泛。


三点式LC振荡电路的构成原则
三点式LC振荡电路
三点式振荡电路是指三极管的三个极（对于交流信号）分别与LC谐振回路的三个端点直接相接的振荡电路。这种电路的一般结构如图Z0804所示。图中X表示组成谐振回路各元件的电抗。
谐振回路是由电感和电容两种不同性质的电抗元件组感的，谐振时，其等效阻抗呈纯电阻性，因此总电抗必然为零，即X 1 + X 2 + X 3 = 0，而且，共射放大电路的输出电压 [image] （图中为U C）与输入电压 [image] （图中为U b）反相，即φA =π。为了满足振荡的相位平衡条件，即φA + φF = 2nπ，则要求φF =π，即反馈网络必须有180°的相移。设回路电流为 ，由图I0817可以得到

显然，只有X 1与X 2同号时才能满足φF =π，也就是说，X 1与X 2只有电抗性质相同时（同为电感或同为电容），才满足相位平衡条件。又因为X 1 + X 2 + X 3 = 0，所以X 3与X 1、X 2性质必须相反，即若X 1、X 2为电感，则X 3必须是电容。
综上所述，构成三点式振荡电路的原则是X 1与X2性质相同，而X 3则与它们的性质相反。可概括为"射同基（集）反"即与射极相连的两个电抗元件的性质相同，与基极（或集电极）相连的两个电抗元件的性质相反。用这一原则，可以迅速判断出三点式振荡电路是否满足振荡的相位平衡条件。


电感三点式振荡电路
图Z0805是电感三点式振荡电路，又称哈特莱振荡电路。图中L 1、L 2、C组成谐振回路，L 2兼作反馈网络， [image] 通过耦合电容C b将L 2上反馈电压送到三极管的基极。
由图Z0806交流通路看出，谐振回路有三个端点与三极管的三个电极相连，而且与发射极相接的是L 1、L 2，与基极相接的是L 2、C即满足"射同基反"的原则。因此电路必然满足相位平衡条件。
当回路的Q值较高时，该电路的振荡频率基本上等于LC回路的谐振频率，即

式中L = L1＋L2＋2M为回路总电感。
该电路的特点与变压器反馈式振荡电路极为相似。须指出：它的输出波形较差，这是由于反馈电压取自电感的两端，而电感对高次谐波的阻抗较大，不能将它短路，从而使Uf中含有较多的谐波分量，因此，输出波形中也就含有较多的高次谐波。
用集成运放构成的电感三点式振荡电路如图Z0807所示，不难证明其振荡频率为：


电容三点式振荡电路

电容三点式振荡电路又称考毕兹振荡电路，如图Z0808所示，其结构与电感三点式振荡电路相似，只是将电感、电容互换了位置。为了形成集电极回路的直流通路，增设了电阻RC。该电路的交流通路如图Z0809 所示。可以看出，它符合三点式振荡电路"射同基反"的构成原则，满足自激振荡的相位平衡条件。
在L C谐振回路Q值足够高的条件下，电路的振荡频率为
其中
这种振荡电路的特点是振荡频率可做得较高，一般可达到100MHz以 [image] 上，由于C 2对高次谐波阻抗小，使反馈电压中的高次谐波成分较小，因而振荡波形较好。电路的缺点是频率调节不便，这是因为调节电容来改变频率时，（既使C 1、C 2 采用双连可变电容）C 1与C 2也难于按比例变化，从而引起电路工作性能的不稳定。因此，该电路只适宜产生固定频率的振荡。
用集成运放构成的电容三点式振荡电路，如Z0810所示。可以证明，其振荡频率为：


克拉泼与席勒振荡电路

克拉泼与席勒振荡电路（改进型电容三点式振荡电路）

当要求电容三点式振荡电路的振荡频率更高时，则应使电容C 1、C 2的值较小。由于C 1并接在三极管的c、e极之间，C 2并接在三极管的b、e极之间，当管子的极间电容随温度等因素的变化而变化时，将对振荡频率产生显著影响，造成振荡频率的不稳定。为了减小极间电容的影响，提高电路频率的稳定性，对电容三点式振荡电路进行适当改进就形成了改进型电容三点式振荡电路，如图Z0811 所示。该电路称为串联型电容三点式振荡电路，又称克拉泼振荡电路。
由图可知，这种电路是在电容三点式振荡电路的电感支路上串进了一个小电容C而构成的（C 3对交流短路，属共基组态）。C 1、C 2、C及L组成谐振回路，当C<< C1、C<<C2时，求得振荡频率为：

上式可见，振荡频率基本上与C 1、C 2无关，因此，可选C 1、C 2的值远大于极间电容，这就减小了极间电容变化对振荡频率的影响，提高了振荡频率的稳定性。
LC回路谐振电阻R 0反射到三极管集、射极的等效负载电阻为：

其中 [image] 。由上式可知：若C调至较小时，将使 [image] 变小，导致电路增益下降，因此，这一电路的振荡频率只能在小范围内调节，否则将出现输出幅度明显下降的现象。
图Z0812所示电路，是并联型三点式振荡电路，又称席勒振荡电路， [image] 它是在串联型电容三点式振荡电路的电感L旁并接了一个电容C而构成的。
由于LC回路的谐振电阻R 0反射到三极管集、射极间的等效负载电阻

而C 3 ＞C，当C变小时， 变化程度不如式GS0813那样显著，从而削弱了振荡幅度受频率改变的影响。因此，席勒振荡电路的频率调节范围较克拉泼电路要宽，由图I0823可知，当C3<<C1、C3<<C2时，振荡频率为：

改进型电容三点式振荡电路除具有电容三点式振荡电路的特点外，还具有频率稳定度高（可达1O-5以上）的优点。该电路广泛应用于各类电视机中。


石英晶体的基本特性和等效电路

一、基本特性
石英晶体具有"压电效应"，即在晶片两面加上电场，晶片就会产生形变。相反，若在晶片上施加机械压力，则在晶片的相应方向上会产生一定的电场。因此，当晶片的两极加上交变电压时，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。若从外电路来看，这就相当于有一交变电流通过晶片。在一般情况下，晶体机械振动的振幅是非常微小的，只有在外加交变电压的频率等于晶片的固有振荡频率时，振动的振幅和交变电流才突然增至最大，这种现象称为压电谐振，因此，石英晶体又称为石英谐振器。
二、等效电路
石英晶体谐振器的符号和等效电路如图Z0813（a）、（b）所示。当晶体不振动时，它相当于一个平行板电容C0，称为静态电容，其值仅与晶片的尺寸有关，一般约为几pF到几十pF。当晶片振动时，其等效电路应包含等效电感Lg、等效电容Cg和晶片振动时摩擦损耗的等效电阻Rg，它们的值分别为L g ≈1O-3～102H、Cg ≈10-4～10-1pF、Rg～102Ω。由于晶片的Lg 很大，Cg、Rg，都很小，故Q＝ωLg ／Rg 值极高，可达104～106，比一般LC回路Q值超出2～4个数量级。此外，由于它本身的固有振动频率很稳定，所以用它做成的振荡器，可获得很高的频率稳定度。
从石英谐振器的等效电路可知，它有两个谐振频率，一个是串联谐振频率f S，它是Lg、Cg、Rg 支路谐振时的频率。即：

另一个是并联谐振频率fp，它是等效电路的谐振频率。即：

由于Cg<C 0，所以两个频率非常接近。
从石英谐振器的等效电路可以求出它的电抗频率特性，如图Z0814所示。在f S与f p 之间，呈电感性，在此区域以外，呈电容性。


石英晶体振荡电路

石英晶体振荡电路：并联型晶体振荡电路
石英晶体振荡电路的形式是多种多样的，但其基本电路只有并联型和串联型两种。
并联型晶体振荡电路如图Z0815所示。振荡回路由C1、C2和晶体组成。由图可知，电路满足"射同基反"的原则，从而构成电容三点式振荡电路。显然，晶体在回路中起着电感的作用，亦即晶体必然工作在f S与f p之间。
从等效电路不难求得回路的振荡频率

式中： ，由于Cg<(C 0 + C′），即在回路中起决定作用的是Cg，所以谐振频率近似为：


石英晶体振荡电路：串联型晶体振荡电路

串联型晶体振荡电路如图Z0816（a）所示，图（b）为它的交流等效电路，由图（b）可知，该电路与电容三点式振荡电路十分相似。不同的只是反馈信号不是直接接到晶体管的输入端， 而是经过石英晶体接到晶体管的发射极与基极之间，从而实现正反馈。当调谐振荡回路，使其振荡频率等于石英晶体谐振器的串联谐振频率f S时晶体的阻抗最小，且为纯电阻，这时正反馈最强，相移为零，故满足自激振荡条件。对于f S以外的其它频率，晶体的阻抗增大，相移也不为零，不满足自激振荡条件，因此振荡频率等于晶体的串联谐振频率f S。
由于晶体的固有频率与温度有关，所以在特定的场合下，将采用温度补偿电路或将石英晶体置于恒温槽中，以达到更高频率稳定度的要求。


RC相移振荡电路

RC振荡电路
常用LC振荡电路产生的正弦波频率较高，若要产生频率较低的正弦振荡，势必要求振荡回路要有较大的电感和电容，这样不但元件体积大、笨重、安装不便，而且制造困难、成本高。因此，200kHz以下的正弦振荡电路，一般采用振荡频率较低的RC振荡电路。常用的RC振荡电路有相移式和桥式两种。
图Z0817是典型的超前型RC相移振荡电路， [image] 它是由一个反相放大器和一个移相反馈网络组成的。如果放大器在相当宽的频率范围内φA为180°，反馈网络还必须使通过它的某一特定频率的正弦电压再移相180°，才能满足自激振荡的相位平衡条件。一节RC电路如图I0831 所示。由它的相量图可知 [image] 超 [image] 一个相角φ， [image] ，当f →0时，φ→90°；f →∞时，φ→0。这说明：一节RC电路最大相移不超过90°，不能满足相位平衡条件。若两节RC电路最大相移虽可接近180°，但此时频率必须很低，从而容抗很大，致使输出电压接近于零，又不能满足自激振荡的幅度平衡条件。所以，实际上至少要用三节RC电路来实现移相180°，才能满足振荡条件。
图Z0817所示振荡电路，反馈网络由三节RC移相电路组成。可用瞬时极性法判断它是否满足振荡的相位平衡条件：在基极与C 3的连接处断开，若输入一频率由低到高的信号，经放大器移相φA=180°后，再经过移相网络移相φF，而φF可从270°连续变到0°，其间必有一频率f 0使φF＝180°，于是在此频率上满足相位平衡条件，若同时满足幅度平衡条件，则电路可产生自激振荡。
将图Z0817移相网络中的R、C位置互换，便得到滞后移相振荡器，分析方法同上。
为了得到振荡频率和起振条件，可画图Z0817的微变等效电路如图Z0818所示，并设R 1 = R 2 = R C = R，C 1＝C 2 = C 3，列出回路方程，可解出振荡频率为

图 Z0819为由运算放大器组成的RC相移振荡电路，三节RC网络在特定频率f 0下产生180°相移，只要反相放大器增益适当，即可满足振荡条件而产生振荡，放大器的放大倍数应当可调，使之既能起振，失真又较小。超前型的运算放大器组成的RC相移振荡电路的振荡频率同于式GS0819。
RC移相式振荡器，具有电路简单，经济方便等优点，但选频作用较差，振幅不够稳定，频率调节不便，因此一般用于频率固定、稳定性要求不高的场合。


文氏电桥振荡电路

为克服RC移相振荡器的缺点，常采用RC串并联电路作为选频反馈网络的正弦振荡电路，也称为文氏电桥振荡电路，如图Z0820所示。它由两级共射电路构成的同相放大器和RC串并联反馈网络组成。由于φA= 0，这就要求RC串并联反馈网络对某一频率的相移φF＝2nπ，才能满足振荡的相位平衡条件。下面分析RC串并联网络的选频特性，再介绍其它
有关元件的作用。
图Z0820中RC串并联网络在低、高频时的等效电路如图Z0821所示。这是因为在频率比较低的情况下，（1/ωC）>R，而频率较高的情况下，则（1/ωC）<R，前者等效于一节超前型移相电路，后者等效于一节滞后型移相电路。显然频率从低到高连续变化，相移从+90°到-90°连续变化，其中必存在一个中间频率f 0，使RC串并联网络的相移为零。于是满足相位平衡条件。对此，可进一步作定量分析，由图Z0821（a）得：

为调节频率方便，通常取R 1 = R 2 = R，C 1 = C 2 = C，如果令ω 0＝1/ RC，则上式简化为：

可见，RC串并联反馈网络的反馈系数是频率的函数。由式GS0821可画出的幅频和相频特性，如图Z0822所示。由图可以看出：
当 [image] 时， [image] 的模最大，且| [image] | = 1/3 ，φF＝0；当f大于f 0时，| [image] |都减小，且φF≠0 。这就表明RC串并联网络具有选频特性。因此图Z0820电路满足振荡的相位平衡条件。如果同时满足振荡的幅度平衡条件，就可产生自激振荡。振荡频率为：

一般两级阻容耦合放大器的电压增益A u远大于3，如果利用晶体管的非线性兼作稳幅环节，放大器件的工作范围将超出线性区，使振荡波形产生严重失真。为了改善振荡波形，实用电路中常引进负反馈作稳幅环节。图Z0820中电阻R f 和R e引入电压串联深度负反馈。这不仅使波形改善、稳定性提高，还使电路的输入电阻增加和输出电阻减小，同时减小了放大电路对选频网络的影响，增强了振荡电路的负载能力。通常Rf 用负温度系数的热敏电阻（R t）代替，能自动稳定增益。假如某原因使振荡输出U o增大，Rf上的电流增大而温度升高，阻值Rf 减小，使负反馈增强，放大器的增益下降，从而起到稳幅的作用。
从图Z0820可以看出，RC串并联网络和Rf、R e，正好组成四臂电桥，放大电路输入端和输出端分别接到电桥的两对角线上，因此称为文氏电桥振荡器。
目前广泛采用集成运算放大器代替图Z0820中的两级放大电路来构成RC桥式振荡器。图Z0823是它的基本电路。
文氏电桥振荡器的优点是：不仅振荡较稳定，波形良好，而且振荡频率在较宽的范围内能方便地连续调节。


调制、解调和变频

调制、解调和变频－调制方式
在无线电通讯和广播中，需要传送由语言、音乐、文字、图象等转换成的电信号。由于这些信号频率比较低，根据电磁理论，低频信号不能直接以电磁波的形式有效地从天线上发射出去。因此，在发送端须采用调制的方式，将低频信号加到高频信号之上，然后将这种带有低频信号的高频信号发射出去，在接收端则把带有这种低频信号的高频信号接收下来，经过频率变换和相应的解调方式"检出"原来的低频信号，从而达到通讯和广播的目的。
要把低频信号"加到"高频振荡上去，可由低频信号去控制高频等幅振荡的某一参数（振幅，频率或相位）来达到。这种用低频信号去控制高频振荡，使其具有低频信号特征的过程称为调制。其中低频信号称为调制信号或调制波，被控制的高频等幅振荡称为被调信号或载波。经过调制后的高频信号称为已调波。根据低频信号所控制高频信号参数的不同，有不同的调制方式。以调制信号去控制载波的振幅，使载波的振幅按调制信号的规律变化，这种调制称为振幅调制，简称调幅，以调制信号去控制载波的频率，使载波的频率按调制信号的规律变化，则称频率调制，简称调频，同理，使载波的相位按调制信号的规律变化，则称调相。
上述的调幅、调频和调相属于连续调制，此外，还有脉冲调制，以及近代数字通讯中发展起来的所谓脉冲编码调制等。但是，使用最早，应用较广的是振幅调制方式。这种方式尽管效率较低，抗干扰性能较差，但它占用的频带窄，线路简单，所以，现在的中、短波广播仍广泛采用调幅制。
调制不仅使低频信号得到了有效的传输，还可以使不同电台具有不同的载波频率，从而使各电台相互区别。


调幅原理

用调制信号去控制高频载波的振幅、使载波的振幅按调制信号的规律变化，便可得到调幅波。这一过程中，载波、调制波和已调波的波形如图Z0901（补图） 所示。由图可见，连接已调波幅值各点所形成的包络线，反映了调制波的特点。显然，已调波已经不是纯粹的正弦波了，这表明已调波的获得是一个频率变换过程，只有通过非线性元件才能实现。
图Z0902是调幅的原理电路，它由非线性器件二极管和谐振频率为ω0的LC并联谐振回路组成。uC为载波电压，um为调制电压。由于二极管的伏安特性可以近似地用一个n次多项式来表示，即：io =a 0＋a 1 u＋a 2 u 2＋a 3 u 3+…，系数a 0、a 1、a2、a3等的大小和符号取决于二极管伏安特性的特点。而该多项式的项数取决于信号u的大小和对分析结果所要求的精确度，信号愈大或者所要求的精确度愈高，所取的项数就应愈多。通常，取前三项就足以反映出二极管的非线形特点，即：
io = u＋a 1 u +a2u2 （式中iO即iD） GS0901
若：u C = Ucmcosω 0 tum = UmmcosΩt
则作用于电路的总电压u（即ua）为：
u = u C + um= Ucmcosω 0 t + UmmcosΩt
代入式GS0901可得：
io = a0＋a 1（Ucmcosω 0 t+ UmmcosΩt）+a2（Ucmcosω 0 t+UmmcosΩt）2 GS0902
将GS0902式展开，可得：

显然，当ω0 >>Ω 时，只有ω 0 及ω 0±Ω这三种频率的信号才能在固有频率为ω 0的LC并联谐振回路上产生较大的压降，于是LC回路两端的电压为：

式中Z 0表示谐振回路的谐振阻抗。利用三角函数关系式不难将式GS0904变换为：

式GS0905就是已调波的数学表达式它表明已调波的振幅为 ，是按调制波

的特点而变化的，已调波的重复频率等于载波频率ω 0，ma称为调幅系数，又叫调幅度。由式GS0907可知，它与调制电压的幅度成正比，是一个反映调幅程度的量。其值由图Z0903所示的调幅波的波形图可以求出：

在实际情况中，总是0＜ma≤1。ma = 1称为最大调制。若 ma＞1，Uamin必为负值，称为过调制，这时调幅波的幅度在一段时间内变为零，其幅度的包络线不再与调制波形成线性关系，出现严重失真。最大调制与过调制的波形如图Z0903所示，所以应尽量避免过调制，如果m a = 0，则为无调制情况。


调幅波的频谱

利用三角公式，可把式GS0905写成：

该式表明，调幅波包含了三种频率分量，即：角频率为ω 0的载波分量，角频率为（ω 0+Ω）的上边频分量和角频率为（ω 0 - Ω）的下边频分量。如果以频率ω为横坐标，幅度 ua为纵坐标，则可得出单一频率正弦波调制时调幅波的频谱图，如图Z0904所示。其中垂线的长度代表振幅或相对振幅。

实际的调制信号并不是单一频率的正弦信号，而是包含了从Ωmin到Ωmax各个频率迭加成的复杂信号，用这种信号对载波调制时，所得频谱如图Z0905所示。由图可见，载波ω 0的两旁不再是两个边频，而是两个边频带，每个边带包含从Ωmin到Ωmax的频率范围，整个调幅波所占频带宽度为2Ωmax。例如：调幅广播系统中，规定每个电台所占据的频带宽度为9kHz，因此。每个电台所传送的音频信号频率应在4.5kHz以内。


调幅波的功率

调幅波在不同的调制情况下，它的功率相差很大，如果把天线看做是发射机的负载，当它的等放电阻为R A时，则在没有调制的情况下。载波功率（一个周期内的平均功率）P 0为：

由于调制以后、已调波的振幅是变化的，因而，调幅波的功率也是变化的，对应调制电压不同的瞬间，高频信号一周期内的平均功率也不同、当调幅波幅度达到最大值，即cosΩt = 1时，高频一周内的平均功率最大，为：

当调幅波幅度为最小值，即： cosΩt＝-1时，高频一周内的平均功率最小，为：

显然，当ma＝1时，Pomax＝4Po，Pomin＝0，因此，调幅发射机的输出管，只有当它的额定功率Pc满足P c＞4P o时，才能安全工作。可见，输出管的利用率很低，这是调幅制的一个缺点。
由式GS0908可知：调幅波在调制信号一周内的平均功率P等于载波功率Po、上边频功率Pω o+Ω和下边频功率Pω o-Ω之和，即：

由此可见，只有当ma＞0，即进行调制时，功率才增大，但载波功率不变；增加的只是两个边频的功率。当ma＝1时，反映信息的两个边频功率增至最大，由式GS0909可算出，此时它为平均功率P的1／3 ，而不反映信息的载波功率却占2／3。据统计，电台广播语言信号时，其平均调幅度仅为0.2～0.25，就以0.3计，则边频功率仅占平均功率的很小一部分，还不足5％，而95％以上的载波功率被白白浪费掉。因此，调幅发射机的功率利用率很低，这是调幅波的又一缺点。
尽管如此，由于调幅制具有占用频带较窄，设备简单等优点，在中、短波广播中和通讯中仍得到广泛应用。
由于载波功率不包含信息，调幅波所传递的信息只包含在两个边带中，因此，可只将载波和其中一个边带发送，这在有线载波和短波无线电通讯中，获得广泛的应用。但它的缺点是设备结构复杂。


调幅电路

任何一种非线性器件都可以用来产生调幅彼。晶体管是一种非线性器件，只要让其工作在非线性（甲乙类，乙类或丙类）状态下，即可用它构成调幅电路。一般总是把高频载波信号和调制信号分别加在谐振功率放大器的晶体管的某个电极上，利用晶体管的发射结进行频率变换，并通过选频放大，从而达到调幅的目的。根据信号所加的电极不同，可分为基极调幅，集电极调幅和发射极调幅等多种调幅电路。它们的调幅原理基本相同。这里只介绍基极调幅电路。
基极调幅电路如图Z0906 所示，图中C b1，C b2分别对载波和调制信号旁路以形成通路，C 3对载波和调制信号均能旁路。R b1、Rb2为偏置电路，使晶体管发射结处于临界导通，从而使放大器工作在甲乙类状态。T r1是高频变压器，T r2是低频变压器，它们分别使高频载波信号和低频调制信号耦合到晶体管基极上。由图可见，载波电压、直流偏压和调制信号电压在基极电路中是串联的。故：

如把U BE + u m看成是放大器晶体管的总偏压时，显然，这个偏压将随调制信号变化而变化。如图Z0907所示。这正是基极调幅电路与谐振功率放大器的区别点。这样，当加上等幅的高频载波后，由于基极偏压的变化，在集电极回路中将出现幅度随u m而变化的一系列高频电流脉冲，如图所示。这种高频电流包含着许多新的频率成份，又由于集电极电路中的LC回路谐振在ω 0上，所以只有ω 0，和ω 0±Ω三个频率成份在回路上有较大的压降，而其他成份都将滤去，因此，在回路两端便得到调幅电压ua，如图所示。
图Z0908是一个典型的基极调幅、小型近离发射机电路图。其中T1、C 1、L 1等组成电感三点式振荡电路，用以产生频率f0为1MHz的载波。T2组成甲乙类的基极调幅电路。作为调制信号的音频信号um，由电容C 8耦合到T2的基极与L 2耦合来的高频信号叠加。天线与线圈L 4连接，长度由实验决定。


小信号平方律检波

从调幅波中检出低频信号的过程也是一个频谱变换过程。要完成这一变换，必须使用非线性元件。为了从变换后产生的多种频率成份中，取出低频信号，并将不需要的成份滤掉，检波器的负载应具有低通滤波器的特性。因此，检波器是由非线性元件和具有低通滤波器特性的负载组成。滤波电容数值的选择应使高频时近于短路，低频时近于开路。
目前应用最广泛的是二极管检波器，因为它具有线路简单，大信号输入时非线性失真小等优点。根据调幅信号的大小，可分为大信号直线性检波和小信号平方律检波两种方式。
当检波器的输入调幅信号幅度较小（≤0.2V时的检波称为小信号平方律检波。其特点是二极管运用在伏安特性曲线的弯曲部分，而且在整个信号周期内二极管总是导通的。小信号平方律检波的原理电路如图Z0909所示，图中D是检波二极管，C 2 R L是检波负载，E为外加直流偏压，以提高二极管D的工作点Q的位置。ua是调幅信号，其包络线的最大幅度小于E 。
显然，在这一输入信号作用下，流过二极管的电流波形是失真的如图Z0910所示。
这一失真波形中包含有低频电流i m（iΩ），如图中实线（平均电流）所示，它的形状与输入已调波电压ua的包络线形状基本一致，因此，用电容C 2将高频成份滤掉后，负载R上就得到了低频信号u 0。
从频谱变换的角度来分析上述检波过程，二极管在工作点Q附近的电压、电流仍有式GS0901的关系。
设输入调幅电压为：

将ua代入式GS0901经整理，得：

上式表明，检波电流i0中包含有直流分量、低频分量（Ω和2Ω）及高频分量（ω 0、ω 0±Ω、2ω 0和2ω 0±2Ω）。当通过滤波电容和隔直电容去掉高频和直流分量后，检出低频分量为：

由上式可知，检波的低频分量的幅度 [image] 与载波电压振幅的平方成正比，因此、这种检波称为平方律检波。
检出的低频分量中还有二次谐波2Ω而且无法滤掉，所以，这种检波有较大的非线性失真。
二极管小信号平方律检波由于失真大，效率低，输入阻抗小等缺点，所以在现代通讯和广播接收机中已很少使用。但因它具有线路简单，能对很小的信号检波，以及检波输出电流与输入载波电压幅度的平方（即与输入信号的功率）成正比等优点，因而，在无线电测量仪表中得到较为广泛的应用。


大信号直线性检波

当检波器的输入调幅信号幅度较大（大于0.5V）时的检波称为大信号检波。其特点是二极管运用在伏安特性曲线的线性部分，虽然输入调幅信号的幅度较大，但在整个周期内二极管不总是导通的。图Z0911是大信号二极管直线性检波原理电路。图中D为检波二极管，一般 [image] 采用点接触型锗二极管（2 AP系列），它们具有正向电阻小，反向电阻大，结电容小等特点。
当调幅信号输入时，调幅信号正半周的包络线则全部落在二极管特性的线性区，从而保证了检波电流与输入信号电压的幅度成线性关系，实现了它们包络线完全一致的结果。这一原理如图Z0912所示。
应该明确，大信号直线性检波还是运用了二极管的整个特性，亦即运用了二极管的非线性，否则是无法实现检波的。
由图Z0911可见，调幅信号ua加到检波器输入端，在信号正半周时， [image] 二极管导通，所形成的电流i D的一部分向电容器C充电，另一部分则流向负载R通常R远大于二极管的正向电阻r D，即：R>>r D，因此，i D的大小主要决定于充电电路的电阻r（二极管的内阻和信号源的内阻）。因为这个电阻很小，所以充电时间常数rC很小，iD很大，电容两端的电压u C，即输出电压u O很快上升接近于输入高频电压的峰值。u C对于二极管来说是个反向电压，因此，ua在由峰值下降到ua＜u C时，二极管截止，这时电容开始通过电阻R放电。由于R＝r，放电时间常数RC远大于高频电压的周期，因此，u C来不及下降多少，下一个周期又将到来。当ua上升至ua＞u C时，二极管再次导通，又一次使电容充电到接近于高频电压的峰值。如此反复循环，便得到图Z0912所示锯齿状输出电压波形。可以看出，这个电压波形与调幅波的包络线相似。实际上，由于载波频率远大于调制波频率，检波器输出的波形比图示波形要光滑得多。由图Z0912还可以看出，输出电压中含直流分量，低频分量和高频分量。直流分量可由耦合电容隔开；高频分量很小 [image] （图中的锯齿形状），所以，检波器的输出电压主要是低频分量，这个分量随输入调幅波包络线的规律变化，也就是原调制信号的再现，从而达到了检波的目的。
为了提高检波器的性能，减小失真，RC值应取得较大，通常要求T m（调制信号周期）>>R C1>>T C（载波信号周期），但R C1取值也不能太大，否则会因放电太慢而发生对角线切割失真，如图Z0914所示。在收音机中R常取2～10kΩ，C常取5100pF～0.01μF。
大信号直线性检波的失真小，因而被广泛地应用到通讯和广播接收机中。
◆ 接收机中常用的检波电路
图Z0914是接收机常用的检波电路。中频调幅信号ua（f＝465kHz），经中频变压器Tr（次级线圈L）加到检波器输入端，经二极管检波后，残余的中频分量由C 1、C 2、R组成的滤波电路滤除。电位器R W上将获得检波后的直流和音频分量，再经隔直电容C 3将音频信号耦合到低放级加以放大。


调频的特点

调频波的形成过程及调频波的波形如图所示，由图可见调频波（调频信号）的特点是：其频率随调制信号振幅的变化而变化，而它的幅度却始终保持不变。当调制信号的幅度为零时，调频波的频率称为中心频率ω 0。当用一完整的调制信号（即调制信号的幅度作正负变化）对高频载波进行调频时，调频波的频率就围绕着ω 0而随调制电压线性地改变。当调制信号向正的方向增大时，调频波的频率就高于中心频率；反之，当调制信号向着负的方向变化时，调频波的频率就低于中心频率。
可见，调制信号的幅度越大，频率的偏移也越大，调频波以其频率的变化代表着调制信号的特征。设调制电压为

而载波电压为

调频时载波电压幅度u cm和相位φ 0不变，瞬时角频率ω(t)围绕着ω 0随调制电压线性地改变，因此有

式中K为比例常数，Δω＝KU mm是由调制电压引起的最大频率偏移量，称为最大频偏。式GS0914表明，最大频偏与调制信号的振幅成正比，而与调制信号的频率无关。这就是调频波的基本特征。


调频波的表达式

一个简谐波的瞬时角频率等于相位对时间的导数，即：

所以，简谐波的相位为
将GS0914式代入式GS0916可得：

把式GS0917代入式GS0913，并设初相角φ 0 = 0，得调频波的表达式：

式中，mf 称调频系数，
当mf ＝0时，式GS0918表示载波，当mf ≠0时，就是调频波的表达式。显然，它与调幅系数小于1不同，调频系数mf 可大于1，这是调频制与调幅制的重大区别之一。
理论分析表明，如果忽略振幅小于高频载波振幅的15％以下的边频分量，则调频波频谱的频带宽度可以用下式表示

式中△fm为最大频偏，F＝Ω／2π（调制信号频率），由式GS0919可知，调频波的宽度比调幅波宽得多，例如，当F max = 15kHz时，调幅波的宽度B＝2Fmax＝30kHz，而调频波的mf ＝5时，B＝2（mf +1）F＝180kHz，它比调幅波的频带宽度大五倍，这是调频制的主要缺点。因此，调频广播只适用于超短波（甚高频）波段。通常调频波的载波频率多在30MHz以上。目前国际上规定，调频电台的波段为88MHz～108MHz的甚高频段。并规定每个调频台所占用的频带宽度为200kHz（通常mf =4～8），它的音频、即调制信号频带规定为30Hz～15000Hz。


调频电路

调频电路：变容二极管调频电路

实现调频的方法很多，大致可分为两类，一类是直接调频，另一类是间接调频。直接调频是用调制信号电压直接去控制自激振荡器的振荡频率（实质上是改变振荡器的定频元件），变容二极管调频便属于此类。间接调频则是利用频率和相位之间的关系，将调制信号进行适当处理（如积分）后，再对高频振荡进行调相，以达到调频的目的。两种调频法各有优缺点。直接调频的稳定性较差，但得到的频偏大，线路简单，故应用较广；间接调频稳定性较高，但不易获得较大的频偏。
常用的变容二极管直接调频电路如图Z0916（a）所示。
图中D为变容二极管，C 2、L 1、和C 3组成低通滤滤器，以保证调制信号顺利加到调频级上，同时也防止调制信号影响高频振荡回路，或高频信号反串入调制信号电路中。调制级本身由两组电源供电。
对高频振荡信号来说，L 1可看作开路，电源E B的交流电位为零，R 1与C 3并联；如果将隔直电容C 4近似看作短路，R 2看作开路，则可得到 [image] 图（b）所示的高频等效电路。不难看出，它是一个电感三点式振荡电路。变容二极管D的结电容Cj，充当了振荡回路中的电抗元件之一。所以振荡频率取决于电感L 2和变容二极管的结电容Cj的值， [image] 。
变容二极管的正极直流接地（L 2对直流可视为短路），负极通过R 1接+EB，使变容二极管获得一固定的反偏压，这一反偏压的大小与稳定，对调频信号的线性和中心频率的稳定性及精度，起着决定性作用。
对调制信号来说，L 2可视为短路，调制信号通过隔直流电容C 1和L 1加到变容二极管D的负极，因此，当调制信号为正半周时，变容二极管的反偏电压增加，其结电容减小，使振荡频率变高；调制信号为负半周时，变容二极管的反偏压减小，其结电容增大，使振荡频率变低。
由上可见，变容二极管调频的原理是，用调制信号去改变加在变容二极管上的反偏压，以改变其结电容的大小，从而改变高频振荡频率的大小，达到调频的目的。由变容二极管结电容Cj变化实现调频的波形示意图如图Z0917所示。
图Z0918是应用电路举例请读者自行分析。


调频与调幅的比较
1． 调频比调幅抗干扰能力强
外来的各种干扰、加工业和天电干扰等，对已调波的影响主要表现为产生寄生调幅，形成噪声。调频制可以用限幅的方法，消除干扰所引起的寄生调幅。而调幅制中已调幅信号的幅度是变化的，因而不能采用限幅，也就很难消除外来的干扰。
另外，信号的信噪比愈大，抗干扰能力就愈强。而解调后获得的信号的信噪比与调制系数有关，调制系数越大，信噪比越大。由于调频系数远大于调幅系数，因此，调频波信噪比高，调频广播中干扰噪声小。
2．调频波比调幅波频带宽
频带宽度与调制系数有关，即：调制系数大，频带宽。调频中常取调频系数大于1，而调幅系数是小于1的，所以，调频波的频带宽度比调幅波的频带宽度大得多。
3．调频制功率利用率大于调幅制
发射总功率中，边频功率为传送调制信号的有效功率，而边频功率与调制系数有关，调制系数大，边频功率大。由于调频系数mf大于调幅系数ma，所以，调频制的功率利用率比调幅制高。


对称式比例鉴频电路

从调频波中"检出"原来调制信号的过程称为调频波的解调，又叫鉴频。 实现鉴频的电路称为鉴频器，也叫频率检波器。常用的鉴频电路有比例鉴频电路和相位鉴频电路，它们的工作原理相同，都是先把等幅的调频波变换成幅度按调制信号规律变化的调频调幅波，然后，用振幅检波器把幅度的变化检出来，得到原来的调制信号，这一过程如图Z0919所示。实际电路中应用较多的是比例鉴频电路，比例鉴频电路有对称式和不对称式两种。
对称式比例鉴频电路如图Z0920（a）所示，它由两部分组成。第一部分由电感线圈L 11、L 2、L 12、L 3及电容C 1、C 2组成，它把调频信号的频率变化转换成两个电压之间的相位差的变化；第二部分由D1、C 3、R 3和D2、C 4、R 4组成平衡式振幅检波电路，它把两个电压之间的相位差的变化变换为幅度的变化，并从中检出原来的调制信号。
电路中，C 1、L 11、L 12和L 2，C 2组成双调谐回路，均谐振于载波频率f 0（f C），D1、D2为检波二极管，R 3、C 3和R 4、C 4是它们的负载。要求电路对称即D1，D2的特性相同，R 3＝R 4，C 3 = C 4。两只二极管顺向相接，与R 3、R 4和L 2形成直流通路。C W容量较大（＞10μF），有稳幅作用。
1．频幅转换过程
图 Z0920（a）中，L 12与L 3为强耦合，L 3产生的电压 [image] 与 [image] 大小相等，且同相或反相，这里取同相。L 11、与L 2的互感耦合，在次级回路C 2两端产生电压U 2，则次级两端与中心抽头之间的电压分别为 [image] 和 [image] ，其等效电路如图Z0920（b）所示。由此可见，两个振幅检波器的输入电压 [image] 和 [image] 分别为：

由于 [image] 是等幅的调频信号，对应 [image] 的不同频率，次级回路所呈现的阻抗性质和大小也各不相同，因此，次级电压 [image] 也随之变化，于是，合成电压 [image] 和 [image] 的大小将随的 [image] 频率变化而变化。可用向量分析如下：
（1）当f = f 0，即调频信号 [image] 的频率f等于中心频率时（电路谐振），初级线圈L11的电流 [image] 的相位滞后 [image] 90°，而次级回路中产生的感应电动势 [image] 与 [image] 反相并滞后 [image] 90°。由于次级回路处于谐振状态，其电流 [image] 与 [image] 必然同相，而 [image] 在电容C2上产生的电压 [image] 又滞后 [image] 90°，它们的相位关系如图Z0921（a）所示。结果使 [image] 与 [image] 相位差90°，合成电压 [image] 如图I0997（a）所示。可见， [image] 和 [image] 大小相等即：| [image] | = | [image] |；
（2）当f ＞ f 0，即调频信号U 1的频率f大于中心频率时， [image] 、 [image] 、 [image] 的关系仍和f = f 0情况一样，只是由于f ＞ f 0时，次级回路因失谐而呈现电感性（ωL 2＞1／ωC 2），于是 [image] 滞后 [image] 一个相角，而 [image] 又滞后 [image] 90°，如图Z0921（b）所示，结果 [image] 与 [image] 相位差小于90°，合成电压如图I0997（b）所示。可见， [image] 的幅度大于 [image] 的幅度，即| [image] | ＞ | [image] |；
（3）当f ＜ f 0时，即调频信号 [image] 的频率f小于中心频率时， [image] 、 [image] 、 [image] 关系仍不改变，但次级回路因失谐而呈现电容性（ωL2＜1／ωC2)，于是 [image] 超前 [image] 一个角度，而 [image] 又滞后 [image] 90°，如图Z0921（c）所示，结果， [image] 与 [image] 的相位差大于90°，合成电压如图Z0922（c）所示。可见， [image] 的幅度小于 [image] 的幅度即：| [image] | ＜ | [image] |。
由此可见，调频信号的频率偏移（±△f）通过鉴频器的谐振回路，转换为 [image] 、 [image] 幅度的变化，完成了调频--调幅波的转换。
2．检波过程
当次级回路的调频信号使D1、D2导通时，D1的检波电流经C 3→L 3回到L 2的上半段；D2的检波电流由L 2的中点→L 3→C 4→D2，回到L 2的下半段，分别给C 3、C 4充上同向电压 [image] ， [image] 。与此同时，D1、D2导通也给C W充电，而充电回路的时间常数远小于由C W、R 3、R 4构成的放电回路的时间常数。C W两端的电压被充至U2的峰值电压，即U W≈U 2，由图Z0922（a）可知：

因为R3＝R4，检波电路的直流通路建立的UR 3＝UR 4＝U W／2，检波电路的输出电压：
U 0 = U PD = -U C3 + U C4 = [image] = （UC4 -UC3）／2 GS0920
U C3，U C4分别是 [image] 、 [image] 产生的检波电流在C 3、C 4上形成的电压，即U C3＝K| [image] | ，U C4 = K| [image] |，K为检波电路的传输系数，因此： U0 = K（| [image] | -| [image] |）／2
所以，检波输出调制电压（如用于伴音时，调制电压为音频电压）也有下列情况：
（1）当 f ＝ f O时，| [image] | = | [image] |，U 0 = 0
（2）当 f ＞ f O时，（即f。+ △f ）；| [image] | ＞ | [image] |，U C3 ＞U C4，U o＜ 0；
（3）当 f ＜ f O时，（即f。- △f），| [image] | ＜ | [image] |，U C3 ＜ U C4，U o?/font>? 0。
这就完成了检波过程。
以上分析可知，鉴频电路当输入调频信号时，输出电压在一定范围内输出正或负的电
压，且输出电压U o在一定范围内与频偏△f成正比。当超出这个范围，则LC回路失谐，U o反而跌落。根据这一特点，可画出如图Z0923所示的鉴频器输出电压与输入信号的频偏变化的关系曲线，称为鉴频特性曲线。
将 [image] 代入式GS0920可得：

上式可见，U o不取决于U C3 、U C4本身的大小，而是取决于它们的比值，故称它为比例鉴频器。因此，当输入信号的振幅变化时，U C3 、U C4也同比例变化，只要U W及U C3 与U C4的比值不变，其输出电压就保持不变。由于C W容量很大，其充电电压相当稳定，使输出电压不受寄生调幅的影响，故此鉴频电路还有限幅作用。
在实际的鉴频电路中，往往给D1，D2串接如图Z0920（a）中所示的均衡电阻R 1、R 2以调节两检波电路的性能，使之易于对称。


不对称式比例鉴频电路

不对称式比例鉴频电路如图Z0924所示，它同对称式比例鉴频电路相似，也具有实现频-幅转换的初次级调谐回路，两只检波二极管和稳压电容C W，所不同的只是用一个检波负载电容与电阻，检波负载元件两端对地不对称，两组检波器对地的直流电阻也不对称，故称为不对称比例鉴频电路。
不对称比例鉴频电路的频--幅转换和检波过程与对称式比例鉴频电路一样。当次级信号 [image] 为正半周时，D1检波电流 [image] 经E→D1→ R 1→ C W、C 3→C 4→L 3→A，在C 4上形成上"+"下"-"的调制电压，D2检波电流 [image] 由A→L 3→C 4→R 2 →D2→C（端点），给C 4充上了反向电压。当输入调频信号时， [image] 与 [image] 不相等，则C 4上就有调制电压输出。其输出的情况也与对称比例鉴频电路输出的情况相似，也有：
（1）当 f ＝ f 0时，| [image] | = | [image] |，I 1 = I 2，U 0 = U C4= 0；
（2）当 f＞ f 0时，（即 f0+ △ f ）；| [image] | ＞ | [image] |，I 1 ＞ I 2，U O = U C4＜ 0；
（3）当 f＜ f 0时，（即 f 0- △ f），| [image] | ＜ | [image] |，I 1 ＜ I 2，U O = U C4 ＞ 0 。
鉴频曲线与对称式比例鉴频电路相似。
变频
如果将接收到的高频调幅信号直接放大后就进行检波，则高频放大器对强弱不同的高频调幅信号，不能做到均匀地放大，同时，由于频率高，放大器的增益做不高，而且往往容易引起自激。因此，现代的接收机中，都是先把各个电台的高频载波信号先变为一个固定的中频载波信号，然后将中频信号进行放大、检波。这种预先把高频载波变换为一个固定中频载波的频率变换过程叫变频。实现变频的电路叫变频器。变频器的原理方框图如Z0925图所示。
图中u S为高频载波信号，u L为本机振荡信号，u P=( u L - u S)为变频后得到的固定中频信号。


变频原理

变频主要是靠非线性器件来实现的一种线性频率变换过程。非线性器件可以采用二极管，也可以采用三极管，通常多用三极管，因为三极管变频电路兼有变频和放大作用。利用管实现变频的原理电路如图所示。
当高频载波信号u S 和高频等幅振荡信号u L 同时加到三极管的发射结（相当于一个二极管）上时，利用发射结特性的非线性便会产生许多频率成分，经三极管进行放大、再由集电极电路中的LC谐振回路选频，因回路调谐在预先设计好的差频即中频 fP = f L - f S上，故只有差频分量能有效地输出，这就是三极管变频的过程。
设：调幅电压为
式中
本机振荡高频等幅电压为： 。当uS 和uL同时作用于混频管时，并适当调节该管的工作点，使其工作在非线性区，则该管的集电极电流iC同样符合式GS0901关系，将uS 和uL代入并展开，便得知iC中含有角频率为ω L、2ω L、ω S、2ω S、(ω L +ω S)，(ω L -ω S)等交流分量。若使调谐回路谐振在（ω L -ω S）上，则从混频器输出的差频（中频）调幅信号电压为：

式中：Z 0为谐振回路阻抗。
由上式可见，中频电压的幅度与高频电压幅值的一次方成正比，说明中频信号包络线与高频信号包络线是一致的，只是改变了载波频率，而调制规律并没有改变。


变频电路

晶体三极管变频器的实际电路主要有两类：本振电压由单独振荡器产生的他激式变频器和本振电压由变频管自身产生的自激式变频器，它们都可接成共基极或共发射极电路。
他激式变频电路比较复杂，但u S和u L之间牵连作用小，稳定性高，容易调整，而且可使本振与混频各自处于最佳工作状态，常用在质量较高的收音机中。自激式变频电路中，一管两用，u S与u L相直牵连，稳定性差，不易调到最佳工作状态，但所用元件少，线路简单，故在一般超外差收音机中广泛采用。
按本振电压注入晶体管的不同电极来分，变频电路有基极注入，发射极注入和集电极注入三种形式。其中以发射极注入应用最为广泛。
图Z0926是收音机中的典型变频电路。其工作过程是：天线上感应的信号由L 1，C1a，C 0组成的输入回路注入，经调谐选频，把选出的某一电台的调幅信号u S耦合到L 2加至晶体管的基极。晶体管T与L 3、L 4、C 4、C 5、C 1b组成变压器耦合共基调发式振荡电路，产生的高频等幅信号经C 3加到晶体管的发射极。晶体管静态工作点选得很低，发射结处于非线性状态，以便进行频率变换。集电极输出后的多种频率分量，由于C 6、L 5组成的并联谐振回路谐振于中频，所以只将中频信号选出经L 6送至下一级。


无线电广播与接收
无线电广播系统主要由发送系统和接收系统两部分组成。无线电广播的基本过程是信号的"发送 [image] 接收过程。在发送端，将需要传播的信息，如声音、文字，图像等低频信号，转换成电信号后,经调制器"调制"在高频载波上，然后由发射机通过发射天线辐射到空中去，并以无线电电磁波的形式进行远距离传播。在接收端，这些已调制的高频无线电波被接收机天线接收下来，经过"解调"和一系列处理后，获复成原来的低频信息。在这一过程中，无线电波是信息传播的重要工具。
无线电波是波长比较长的一种电磁波，它在电磁波谱中所占的范围比较广。
无线电波可用波长和频率来表示。习惯上，中、长波一般用频率来表示，短波、超短波一般用波长来表示。
广播、通讯用无线电波波段划分如表Z1001。


无线电波的传播

在介绍无线电波传播方式之前先了解一下对无线电波传播有极大影响的电离层情况。
电离层是距地面50～300公里处的空气分子由于受到阳光、字宙射线等作用发生电离而形成的，这些电离层特别是其中自由电子的密度,是影响无线电波传播的主要因素。电离层的厚度和高度随昼夜及季节的不同而变化。电磁波长不同，电离层对它的反射和吸收也不同。一般而言，波长愈长愈容易产生反射，但电离层对其能量吸收也愈大，反之，波长愈短愈不容易产生反射，然而电离层对其能量吸收也愈小。
无线电波从天线辐射出来，传到接收点，主要有三种不同的传播方式：（1）地面波，见图Z1001 (a)，这种波利用地面的传导作用。沿地面推进；（2）空间波,它包括由发射点直接到达接收点的直射波和经地面反射而到达接收点的反射波,见图Z1001（b）；（3）天波，靠电离层的反射作用，、使无线电波返回地面而到达接收点，如图Z1001（c）。
由于大地和空间对无线电波传播的影响，决定了各种不同波段的传播特性和应用范围。
一、长波及中波的传播
长波及中波是指波长在100m 以上的无线电波。其中波长在 100m 至 1000m 范围内为
中波；波长在1000m以上的为长波。长波和中波在电离层中均因受到强烈地反射而折向地面，然而,由于电离层对其吸收太强，因此只有在晚上或冬天，电离层中自由电子密度较低时，才能收到这种空间波。在白天，它们主要是依靠地面波传播的,强度随着地面距离的增大而减小，而且频率越高，对其强度的衰减越大，这就决定了长波、中波在白天传播距离是不会很远的.它主要用来作无线电广播、导航、通讯之用。
二、短波的传播
前面已经指出，地面波在高频时衰减很快,在短波范围内不能到达远处。因此，短波主要是依靠电离层传播的。
短波在传播时，既可以通过电离层的一次反射到达接收点，又可以经过电离层及地面的多次反射而到达接收点，而且电离层的高度又是变化着的，这就使接收点的信号情况相当复杂。有时信号强度会因电离层的高度改变而突然变得很小，这种现象称为"衰落现象"，它是短波传播的一个严重缺点。所以，在短波接收机中特别强调相应地处理(自动增益控制),以弥补这种不足。
短波传播的优点是能以很小的功率,借助电离层把信号传送到很远的地方。因此，可作为远距离国际无线电广播、远距离无线电通讯等用。
三、超短波及微波的传播
波长在1m～10m的波为超短波，小于1m的为微波。这种波在电离层中几乎没有反射，地面传播时衰减也很大。所以超短波及微波的传播主要是依靠空间波进行。在一般的天线高度下，这种波的传送距离不过几十公里，因此，超短波及微波通常只能作近距离传播用。
然而，超短波及微波却有一些十分重要的优点：波段宽，可容纳大量电台同时工作而互不干扰，由于电离层对超短波及微波很少有反射和吸收，因而卫星无线电信号可以在很少衰减的情况下传至地面，这就使超短波及微波信号传播不远的缺点得以弥补。


超外差收音机方框图

超外差收音机电路组成方框图如图Z1002所示。它主要由输入回路、变频级、中放级、检波级、低放级（前置或推动级）和功放级及电源等部分组成。
超外差收音机的主要工作特点是:采用了"变频"措施。输入回路从天线接收到的信号中选出某电台的信号后，送入变频级，将高频已调制信号的载频降低成一固定的中频（对各电台信号均相同），然后经中频放大、检波、低放等一系列处理，最后推动扬声器发出声音。
这一"变频"措施，是超外差收音机性能得以改善的关键，也是分析超外差收音机"重点"。


超外差收音机性能指标

收音机质量的高低是用其性能指标来衡量的。国家标准中规定的指标很多，我们就其重要的几项作一介绍。
1.灵敏度　收音机正常工作（即输出功率和输出信噪比达到额定值）时，天线上感应的最小信号(场强或电势)称为灵敏度。它反映收音机接收微弱信号的能力。使用磁性天线接收信号时，用电场强度来表示，其单位是mV／m，一般中波段收音机的灵敏度应不劣于2mV／m；使用外接天线或拉杆天线时，灵敏度用电势表示，单位是μV。
2.选择性 收音机抑制邻近电台信号干扰、选择有用信号的能力称为选择性。它反映收音机选择电台的能力。
调幅广播电台的中心频率是按9kHz间隔来分布的，故收音机的选择性通常用输入信号失谐±9kHz时，灵敏度的衰减程度来衡量，一般要求收音机的选择性大于20ｄB。
3.失真度 收音机输出波形与输入波形相比失真的程度称为失真度。收音机中对音质有影响的主要是频率失真和非线性失真。
4.波段覆盖范围 收音机所能接收的载波频率范围。调幅收音机的中波段频率范围为535～1605kHz，而短波范围则为1.6─26 MHz，调频收音机的覆盖范围为88─108 MHz。


LC串联谐振回路
LC谐振回路
LC谐振回路广泛地用于超外差收音机的选频电路之中，如输入回路、变频电路、 [image] 中频电路等。故在分析超外差收音机的工作原理之前，我们先复习一下LC 谐振回路的性能及特点。
图Z1003为一LC串联谐振电路，其中R表示线圈L的损耗电阻。该电路的交流阻抗为
Z=R+j（ [image] ），当回路发生谐振时， [image] =0，故回路的谐振频率为：
f0= [image] GS1001
该电路谐振时的特点是，回路的阻抗最小且Z 0＝R；信号电压一定时，回路的电流最大且I 0＝ [image] ；电感或电容两端的电压最大，且是信号电压的Q倍。Q的定义为：
Q＝ [image] 。
Q叫回路的品质因数。下面我们重点讨论LC串联电路的幅频特性、通频带和选择性。
1. 回路电流的幅频特性
由图Z1003知，该电路的电流

为方便起见，通常用电流的相对比值（称归一化）来表示串联回路电流的幅频特性：
a＝ [image] ＝ [image] 　　 GS1003
利用上式可画出图Z1004的幅频特性曲线（即谐振曲线）。从曲线看出：Q值愈大，曲线愈尖锐，回路的选择性愈好。
2．回路的通频带
在谐振频率附近，f+f0≈2f

上式代入式GS1003可得

满足a≥ [image] (即0.707)的频率认为可以通过回路，通过回路的频率范围称通频带，通频带的宽度用B表示，
因 [image] 则 B＝2△f＝ [image] 　 　　　 GS1005
由此可见： Q值越低，通频带越宽，Q值越高，通频带越窄。
3. 回路的选择性
回路的选择性通常用谐振曲线的矩形系数Kr来表示，如图Z1004所示，Kr定义为a下降到0.1时的频宽B0.1与a下降到0.7时频宽B0.7的比值，即

R、L、C串联回路的矩形系数为：

理想矩形系数Kr=1，而LC串联回路谐振曲线矩形系数较大，因此选择性较差。


LC并联谐振回路
图Z1005为一LC并联谐振回路，其中R为线圈的损耗电阻。该回路的阻抗

该回路的谐振频率为
f 0＝
并联谐振回路的特点是，谐振时回路阻抗最大且为纯电阻，即Z 0＝R 0＝ [image] ；谐振阻抗为感抗或容抗的Q倍，
即Z 0=Qω 0 L=Q ∕ω 0 C。
式中 Q＝
一般Q远大于1。
当电流一定时，电感或电容两端的电压最大，若偏离谐振频率，回路阻抗及电压将明显减小。
1．回路电压的幅频特性
在谐振频率附近，ωL＞＞R，f+f 0≈2f，式GS1007可整理成
Z＝
回路电压
电压幅频特性：
其表达式和特性曲线与串联回路相同。
2．回路通频带和选择性
由GS1008式可求出并联回路的通频带
B＝2Δf＝
Q愈大，通频带愈窄；Q愈小，通频带愈宽。
与串联回路选择性分析一致，并联回路谐振曲线的矩形系数Kr＝9.96，即选择性也较差，但这种电路结构简单，调试方便，常用于接收机的中频放大电路之中。


输入回路

输人回路是收音机的"大门"，从广播电台传来的高频信号到达收音机，首先碰到的是输入回路。 常用的晶体管收音机输入回路如图Z1006所示。它是一个由可变电容器C 1、输入调谐线圈L 1组成的LC串联调谐回路，其作用是从天线接收到的许多频率的信号中,选择出欲收听的电台信号。被选出的电台信号，再由L 2耦合到第一级晶体管的基极。输入回路选择电台信号的原理是这样的，当不同频率的电磁波(即不同电台的信号)在输入回路中感应出不同回路的电动势时，如某电台的信号频率与输入调谐回路的谐振频率f0＝ [image] （可变电容在某位置时）相同，则在回路中产生谐振，回路电流最大，在线圈L 1上产生的压降也最大,经L 1、L 2耦合送入晶体管基极的电压也最大；而其他不符合谐振回路谐振频率的电台信号，在L 1上产生的压降很小，送入晶体管基极的信号电压也就很微弱，可以认为被输入回路抑制掉了。改变C 1可获得不同的谐振频率，也就可选择出不同的电台信号。
晶体管收音机输入回路广泛采用磁性天线。将输入调谐回路的线圈L 1和L2绕在磁棒上就构成了磁性天线。磁棒一般用导磁率较高的铁氧体材料，以集聚磁力线，增强感应电势，提高选择性；L 1和L2的圈数比必须选合适，以使收音机获得较好的灵敏度和选择性。一般L 1取60～80圈，L 2为L 1的1／10左右。
磁性天线有较强的方向性，如图B1007所示。 一般中、短波电台发射的是垂直极化波，其交变磁场是水平方向的，只有磁棒的轴线与电磁波传播的方向垂直，且与交变磁场的水平面平行时穿过线圈的磁力线才最多，产生的感应电势才最大。对输入回路的要求：要有良好的选择性。即选出欲收电台型信号，抑制邻近电台信号的能力要强。要有足够的频率范围。即输入回路要能调谐到所需接收的整个频段内的各个电台信号。频率范围又称频率覆盖,且用频率覆盖系数来表示。它定义为频段中最高频率与最低频率之比，即Kf＝ [image] 。在中波段，
f max＝1605 kHｚ，f ｍin＝535 kHz，
故K f＝ [image] ＝3可变电容C1的变化范围要满足此要求，即使
f ｍin= [image],fmax=
要有足够的电压传输系数。这就要求输入调谐回路的谐振阻抗与晶体管的输入阻抗相匹配，即满足
N1／N2＝ [image] ／
（其中N 1、N 2分别为　L 1、L 2的匝数，Z 0为输入回路的谐振阻抗，ri为晶体管的输入阻抗）。适当地选择L 1、L 2的匝数即可满足要求。


统 调
超外差式收音机的主要特点之一，是它有一个变频级。变频级里有3个调谐回路，如图Z1006所示。一个是信号输入回路,调节这个回路可以选择不同电台的信号频率fs；一个是本机振荡回路，调节这个回路可以改变本机振荡的频率f L； [image] 另一个是中频选频回路，它调谐于固定的中频f P（465kHz）。他们之间的关系是:f L- f s=f P,当接受的信号频率改变时，则f L也得相应的改变，才能保证上面的条件。通常改变f L和 f s是用改变回路电容量来实现的。为了简化调谐过程，通常是把两个回路的可变电容的动片连再同一轴上，作成单一旋钮统一控制。这种统一调节C 1a和C 1b使变频级输出信号频率保持或逼近中频f P的过程叫统一调谐。简称统调，也称跟踪调谐。实践证明，要在整个波段内做到严格地跟踪调谐是困难的。由于输入回路和本振回路
的频率覆盖系数分别为：

例如对中波段（535～1605KHz）
K S= [image] =3 　　K L= [image] =2.07
比较两式可知,两个回路在同一波段内的频率覆盖系数不相等，即它们分别从最低频率变到最高频率时所要求的可变电容变化量不相同。 但C 1a和C 1b实际上是等容同轴的，这就造成了跟踪调谐的困难,即很难做到在整个频率范围内都能相差固定的中频f P.常用的跟踪统调方法是调节本振回路去凑合输入回路，使它们的差频保持或逼近中频f P＝465kHz就可以了。
目前，广泛采用同轴等容双连可变电容器，并在本振回路中串联和并联电容器的方法，由于这种方法需要附加电容，所以又叫附加电容法。这样就可在整个波段内达到低端、中端和高端三点上满足f L- f s=f P的要求（即三点跟踪），在波段内的其他频率上，也就可以近似地实现跟踪了。例如，中波段的3个统调点是低端600 kHz，中端1000 kHz，高端1500kHz。
下面以直线频率式双连电容器为例，对三点统调原理进行分析。
我们知道输入回路和本振回路的谐振频率分别为：

式中L S和L L分别为输入回路和本振回路的电感，C为直线频率式等容双连可变电容器的电容量。
直线频率式等容双连电容器的电容与转动角θ有如下关系：
＝a+ｂθ GS1012
式中a、b是与电容器的几何尺寸有关的常数。将GS1012式代入GS1011式，则图B1001中的输入回路和本振回路的谐振频率分别为：

可见频率与转角θ有直线关系，这就是直线频率式可变电容器名称的由来。根据式GS1013可以作出如图Z1007中直线AB和直线CD所示f～θ特性， [image] 即f L、f s与双连可变电容器旋转角度θ的关系曲线。
由于要求f L-fs＝f P＝465kHz，所以L L＜L S，从式GS1013可知a2＞a1、b2＞b1。从图Z1007中可见，由于CD直线较之AB直线在频率轴上的截距大（a2＞a1），斜率也较大（b2＞b1），所以直线CD和直线AB不平行因此在0～180°的任意角度θ上，fL和fS的差都不会相同。例如，使θ=90°时，两者频差恰好为465kＨz，则θ=0°时，差频小于465kHz,则θ=180°时，差频大于465kHz 。若能使本机振荡频率fL随转动角度θ的变化曲线如图中的E F（粉色线），则能达到理想的跟踪。然而，在任意角度时，要求f P=f L-f S=465kHz，实际上是办不到的。不过，若在本振回路中增加两个附加电容Cb和CDZ，如图Z1006所示，就可以显著的改善统调跟踪特性。
在图Z1006中，并联在振荡回路里的电容Cb，称为补偿电容，它的容量较小，与C 1bmin近似。当本振回路调谐在f Lmin时，电容C 1b的值最大（双连电容动片全部旋进），此时，C 1bmax＞＞C b,所以,C b对本振回路的低端频率几乎没有影响但随着双连可变电容器动片旋出，本振回路频率随着升高，C b的影响就逐渐显著。由于C b和C 1b是并联的，则高端频率将大为减小。所以在波段的高频端，C b对回路的影响最大。若C b的数值选得适当（C b为半可变电容，可以调节大小），则由于C b的作用使本振回路的频率不再随C 1b的减小而沿CD直线上升，而是在上升中逐渐减慢，使得高频端跟踪曲线弯曲下移，接近于理想的跟踪曲线EF，并与其相交于一点f 3，如图Z1007所示。
串联在振荡回路里的电容C DZ叫做垫整电容，它的容量较大，与C 1bmax相近，当本振频率最高时，C 1b的值最小（双连全部旋出），由于C DZ＞＞C 1bmin，所以C DZ对本振高端频率几乎没有影响。但当本振频率逐渐下降对，C DZ的影响就逐渐显著。由于C DZ和C 1bmin是串联的，则总的回路电容下降，所以本振低端频率将有所上升，其结果本振频率不再随C 1b的增大而沿直线CD下降。若C DZ选得适当，则可使低端跟踪曲线向上提升变弯，接近于理想跟踪曲线EF，并与其相交于一点f 1。
这样，本振回路经过附加电容C DZ、C b的补偿以后，它的跟踪曲线由直线CD变为"S"形曲线，在f 1、f 2、f 3三点实现了跟踪调谐。在其他频率上，虽不能完全实现跟踪调谐，但跟踪情况大有改善，已能满足变频的要求，如图Z1007中红色线所示


中频放大电路
中频放大电路的任务是把变频得到的中频信号加以放大，然后送到检波器检波。中频放大电路对超外差收音机的灵敏度、选择性和通频带等性能指标起着极其重要的作用。
图Z1008（a）是LC单调谐中频放大电路，图Z1008（b）为它的交流等效电路。图中B 1、B 2为中频变压器，它们分别与C 1、C 2组成输入和输出选频网络，同时还起阻抗变换的作用，因此，中频变压器是中放电路的关键元件。
中频变压器的初级线圈与电容组成LC并联谐振回路，它谐振于中频465kHz。由于并联谐振回路对诣振频率的信号阻抗很大，对非谐振频率的信号阻抗较小。所以中频信号在中频变压器的初级线圈上产生很大的压降，并且耦合到下一级放大，对非谐振频率信号压降很小，几乎被短路（通常说它只能通过中频信号），从而完成选频作用，提高了收音机的选择性。
由LC调谐回路特性知，中频选频回路的通频带B＝f 2- f 1＝ [image] ，见图Z1009。式中Q L是回路的有载品质因数。Q L值愈高，选择性愈好，通频带愈窄；反之,通频带愈宽，选择性愈差。
中频变压器的另一作用是阻抗变换。因为晶体管共射极电路输入阻抗低，输出阻抗高，所以一般用变压器耦合，使前后级之间实现阻抗匹配。
一般收音机采用两级中放，有3个中频变压器（常称中周）。第一个中频变压器要求有较好的选择性，第二个中频变压器要求有适当的通频带和选择性，第三个中频变压器要求有足够的通频带和电压传输系数，由于各中频变压器的要求不同，匝数比不一样，通常磁帽用不同颜色标志，以示区别，所以不能互换使用。
实际电路中常采用具有中间抽头的并联谐振回路,如图Z1010（a）所示。（b）是它的等效电路， [image] 可以看出，它是由两个阻抗性质不同的支路组成。由于L 1、L 2都绕在同一磁芯上，实际上是一个自耦变压器。
利用变压器的阻抗变换关系，可求得等效谐振电路的谐振阻抗：
Z OB0＝（ [image] ）2ZAB0＝（ [image] ）2Z AB0
（式中N＝N 1＋N 2为电感线圈的总匝数）。
即具有抽头并联谐振电路的谐振阻抗Z OB0等于没有抽头的谐振阻抗ZAB0的 [image] 倍。由于 [image] ＜1，所以Z OB0＜ZAB0，适当选择变比可取得所需求的Z OB0，从而实现阻抗匹配。
上述中放电路结构简单，回路损耗小，调试方便，所以应用广泛。但很难同时满足选择性和通频带两方面的要求，所以只能用在要求不太高的收音机上。


自动增益电路（AGC）
收音机接收强台和弱台信号时，信号场强的变化是很大的， [image] 约在0.1mV／m～100mV／m范围内（因电离层变化也会引起信号变化，这在短波段内特别严重）。为防止强信号阻塞及对短波衰落，要求放大器的增益应能随信号强弱而自动调整，以保持输出相对稳定。因此一般收音机都设置自动增益控制（AGC）电路。
图Z1011是常用的AGC电路，它利用晶体管的电流放大系数β随I C的大小而改变的特性（见图Z1012），通过I C的调节，以达到控制增益的目的。控制信号取自检波器的直流输出，被控对象是第一级中放管集电极电流。无信号时，T2的基极电流由R 3和R 4+（R 7+R D）∥R W决定（R D是D3的正向电阻）。当有信号输入时，检波输出的中频成分由　C 12、R 7、C 13 网络滤除，音频成分一路经 W 1、C 14 送入低放级；另一部分R4、C8滤除。根据D3的极性，检波后的直流成分在A点可看作是两路汇集处， [image] 一路 I D1，一路 I D2。由图可见 I D1在B点是对I b2分流的，总使T2基流减小，从而使T2集电极电流减小，增益下降。当输入信号强时,检波直流分量也大,有I D1↑→I b2↓→I C2↓→β↓,使T2增益大为下降，反之当输入信号较弱时，I D1分流作用小β下降很小，T2的增益也就下降很少。这就起到了自动增益控制的作用。
R4、C8除音频滤波外，还影响着控制作用的速度。滤波电路时间常数取得小些，控制信号能迅速跟踪输入信号强弱的变化，有利于提高信号接收灵敏度，适用于衰落严重的短波。但过小就会有残留的音频成分，引起失真或自激啸叫，一般R4取5～10kΩ，C8取10～30μF。
这种AGC电路的缺点是：当外来信号很强时，受控管可能因被控而截止，使中放电路处于乙类放大状态，会产生严重失真。同时，由于受控基流过小，输入阻抗较高，这个阻抗使前级输出回路负载阻抗增大，Q值增加，通频带变窄。但由于这种电路简单，效果尚好，仍被广泛采用。
经过前面的讨论,可以看出，超外差收音机具有以下几个优点：
① 由于变频后的固定中频频率较低，容易获得较高的增益，且工作稳定又不易引起自激。因此，收什机的灵敏度可以做得很高；
② 由于增益较高，便于进行各种自动控制，使在整个接收范围内的高端和低端的灵敏度比较均匀；
③ 由于中放级的选频作用，可对中频信号进行有效地放大，而将混进收音机的其它频率信号抑制掉，从而提高了收音机的选择性。


晶体管超外差收音机整机电路分析
图Z1013为常用典型七管超外差收音机电路，它主要由输入回路、变频级、中放级、检波级、低放级、功率输出级和AGC电路组成。

一、输入回路
从磁性天线感应的调幅信号送入C 1a、C 2和L 1组成的输入回路进行调谐，选出所需接收的电台信号，通过互感耦合送入变频管T1的基极。
二、变频级
变频级是由一只晶体管T1同时起本振和混频作用的自激式变频电路。本振回路由L 2、C 7、C 5、C 1b组成，它是互感耦合共基调射式的LC振荡电路。L 2抽头是为了减小晶体管的输入阻抗对振荡回路的影响。本振信号通过耦合电容C 4从T1的射极注入，它与输入回路耦合到T1管基极的高频调幅信号在T1管中混频，由集电极调谐回路（中周）选出二者的差频即465kHz的中频信号，然后再将中频信号送入中放电路去放大。
为了提高电路的稳定性，兼顾变频和振荡性能，静态工作电流一般取为0.3～0.4mA。为了保证在电源电压降低时，本机振荡仍能稳定工作，变频级基极偏置电路采用了相应的稳压措施，即利用两只硅二极管D1、D2进行稳压（1.4V左右）。
三、中放级
中放级由T2、T3组成两级单调谐中频选频放大电路。各中频变压器均调谐于465kHz的中频频率上，以提高整机的灵敏度、选择性和减小失真。第一级中放(T2)加有自动增益控制，以使强、弱台信号得以均衡，维持输出稳定。中放管采用了硅管，其温度稳定性较好，所以采用了固定偏置电路。T2管因加有自动增益控制，静态电流不宜过大，一般取0.2～0.6mA；T3管主要要提高增益，以提供检波级所必须的功率，故静态电流取得较大些在0.5～0.8mA范围。为了有效地抑制强信号中放级还加了二极管D3作为强信号阻尼二次AGC控制。
四、检波级
经中频放大级放大了的中频信号，由中频变压器送至检波二极管D4进行检波。检波后的残余中频及高次谐波由C 14 C 13和R 8组成的RCπ型滤波电路予以滤除。音频信号由C 15耦合到低放级去放大。电位器R w是音量调节电位器兼作电源开关。检波后的直流成分经R 4、C 8组成的退耦电路送到T2的基极作为AGC控制之用。
五、低放级与功率输出级
T4为低频放大级，接成固定偏置电路，工作电流一般取0.5～1mA范围。
功放输出级为典型的OTL电路，由T5、T6和T7等组成。其中T5为激励级，T6、T7为互补推挽输出级。R 15、R 16为激励级T5的偏置电阻；R 18使T6、T7两管基极保持固定的电位差，改变R 18可改变输出级的静态工作点。输出级工作电流一般取1.5～5mA范围。C 16为交流负反馈电容，C 19为输出电容，C 12、R 14、C 20为电源去耦电路的电容、电阻。另外，输出级T6、T7的中点电位（3v）可由R 16来调节。


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  • 了解半导体二极管的工作原理和主要参数；
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  • 了解半导体三极管的工作原理和主要参数；
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半导体的基本知识

1.1　半导体的导电特性

    自然界的各种物质就其导电性能来说，可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。
    半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅、锗等，它们的电阻率通常在 [image] 之间。半导体之所以得到广泛应用，是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的影响十分显著。如纯净的半导体单晶硅在室温下电阻率约为 [image] ，若按百万分之一的比例掺入少量杂质（如磷）后，其电阻率急剧下降为 [image] ，几乎降低了一百万倍。半导体具有这种性能的根本原因在于半导体原子结构的特殊性。

    1.1.1　本征半导体
图1.1.1 硅原子的简化模型

    常用的半导体材料是单晶硅（Si）和单晶锗（Ge）。所谓单晶，是指整块晶体中的原子按一定规则整齐地排列着的晶体。非常纯净的单晶半导体称为本征半导体。

    1.本征半导体的原子结构
    半导体锗和硅都是四价元素，其原子结构示意图如图1.1.1所示。它们的最外层都有4个电子，带4个单位负电荷。通常把原子核和内层电子看作一个整体，称为惯性核。惯性核带有4个单位正电荷，最外层有4个价电子带有4个单位负电荷，因此，整个原子为电中性。


PN结

1.1.2 N半导体和P半导体

    本征半导体的导电能力很弱，热稳定性也很差，因此，不宜直接用它制造半导体器件。半导体器件多数是用含有一定数量的某种杂质的半导体制成。根据掺入杂质性质的不同，杂质半导体分为N型半导体和P型半导体两种。

图 1.1.3 N型半导体

    1.N型半导体
    在本征半导体硅（或锗）中掺入微量的5价元素，例如磷，则磷原子就取代了硅晶体中少量的硅原子，占据晶格上的某些位置，如图1.1.3所示。
    由图可见，磷原子最外层有5个价电子，其中4个价电子分别与邻近4个硅原子形成共价键结构，多余的1个价电子在共价键之外，只受到磷原子对它微弱的束缚，因此在室温下，即可获得挣脱束缚所需要的能量而成为自由电子，游离于晶格之间。失去电子的磷原子则成为不能移动的正离子。磷原子由于可以释放1个电子而被称为施主原子，又称施主杂质。
    在本征半导体中，每掺入1个磷原子就可产生1个自由电子，而本征激发产生的空穴的数目不变。这样，在掺入磷的半导体中，自由电子的数

目就远远超过了空穴数目，成为多数载流子（简称多子），空穴则为少数载流子（简称少子）。显然，参与导电的主要是电子，故这种半导体称

图 1.1.4 P型半导体

为电子型半导体，简称N型半导体。

    2.P型半导体
    在本征半导体硅（或锗）中，若掺入微量的3价元素，如硼，这时硼原子就取代了晶体中的少量硅原子占据晶格上的某些位置，如图1.1.4所示。由图可知，硼原子的3个价电子分别与其邻近的3个硅原子中的3个价电子组成完整的共价键，而与其相邻的另1个硅原子的共价键中则缺少1个电子，出现了1个空穴。这个空穴被附近硅原子中的价电子来填充后，使3价的硼原子获得了1个电子而变成负离子。同时，邻近共价键上出现1个空穴。由于硼原子起着接受电子的作用，故称为受主原子，又称受主杂质。
    在本征半导体中每掺入1个硼原子就可以提供1个空穴，当掺入一定数量的硼原子时，就可以使半导体中空穴的数目远大于本征激发电子的数目，成为多数载流于，而电子则成为少数载流子。显然，参与导电的主要是空穴，故这种半导体称为空穴型半导体，简称P型半导体。


半导体二极管

1.1.3 PN结

    PN结是构成各种半导体器件的核心。许多半导体器件都是用不同数量的PN结构成的，所以PN结的理论是半导体器件的基础。
    1.PN结的形成
图 1.1.5　PN结的形成

    在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体，那么在两种半导体交界面附近就形成了PN结，如图1.1.5所示。由于P区的多数载流子是空穴，少数载流子是电子；N区多数载流子是电子，少数载流子是空穴，这就使交界面两侧明显地存在着两种载流子的浓度差。因此，N区的电子必然越过界面向P区扩散，并与P区界面附近的空穴复合而消失，在N区的一侧留下了一层不能移动的施主正离子；同样，P区的空穴也越过界面向N区扩散,与N区界面附近的电子复合而消失，在P区的一侧，留下一层不能移动的受主负离子。扩散的结果，使交界面两侧出现了由不能移动的带电离子组成的空间电荷区，因而形成了一个由N区指向P区的电场，称为内电场。随着扩散的进行，空间电荷区加宽，内电场增强，由于内电场的作用是阻碍多子扩散，促使少子漂移，所以，当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时，将形成稳定的空间电荷区，称为PN结。由于空间电荷区内缺少载流子，所以又称PN结为耗尽层或高阻区。

动画1-02 PN结的形成


半导体的基本知识

1.2.1 基本结构

    晶体二极管也称半导体二极管，它是在PN结上加接触电极、引线和管壳封装而成的。按其结构，通常有点接触型和面结型两类。常用符号如图1.2.1所示。
    点接触型（如图1.2.2）适用于工作电流小、工作频率高的场合；
    面结合型（如图1.2.3）适用于工作电流较大、工作频率较低的场合；
    平面型（如图1.2.4）适用于工作电流大、功率大、工作频率低的场合。
    按使用的半导体材料分，有硅二极管和锗二极管；按用途分，有普通二极管、整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、变容二极管、光电二极管等。
图1.2.1 二极管符号 | 图1.2.2 点接触型 | 图1.2.3 面结合型 | 图1.2.4 平面型


PN结

1.2.2 伏安特性

    二极管是由一个PN结构成的，它的主要特性就是单向导电性，通常用它的伏安特性来表示。
    二极管的伏安特性是指流过二极管的电流iD与加于二极管两端的电压VD之间的关系或曲线。用逐点测量的方法测绘出来或用晶体管图示仪显示出来的V-I曲线，称二极管的伏安特性曲线。图1.2.5 是二极管的伏安特性曲线示意图，以此为例说明其特性。

图 1.2.5　二极管的伏安特性
    1．正向特性
    由图可以看出，当所加的正向电压为零时，电流为零；当正向电压较小时，由于外电场远不足以克服PN结内电场对多数载流子扩散运动所造成的阻力，故正向电流很小（几乎为零），二极管呈现出较大的电阻。这段曲线称为死区。
    当正向电压升高到一定值Vth以后内电场被显著减弱，正向电流才有明显增加。Vth被称为门限电压或阀电压。Vth视二极管材料和温度的不同而不同，常温下，硅管一般为0.5V左右，锗管为0.1V左右。在实际应用中，常把正向特性较直部分延长交于横轴的一点，定为门限电压Vth的值，如图中虚线与横轴的交点。
    正向特性整体来说，电压V 与电流I 不成线性关系，也就是所说的非线性，但当正向电压大于Vth以后，正向电流随正向电压几乎线性增长。把正向电流随正向电压线性增长时所对应的正向电压，称为二极管的导通电压，用VF来表示。通常，硅管的导通电压约为0.6～0.8V，一般取为0.7V；锗管的导通电压约为0.1～0.3V一般取为0.2V。


1.2.3 主要参数

    半导体二极管的参数包括最大整流电流IF、反向击穿电压VBR、最大反向工作电压VRM、反向电流IR、最高工作频率fmax和结电容Cj等。几个主要的参数介绍如下：
    1．最大整流电流I F--二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向平均电流。
    2．反向击穿电压V BR和最大反向工作电压V RM--二极管反向电流急剧增加时对应的管子反向击穿电压值称为反向击穿电压V BR。为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压V RM一般只按反向击穿电压V BR的一半计算，以确保管子安全运行。
    3．反向电流IR--在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(mA)级。
    4．正向压降V F--在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.6～0.8 V；锗二极管约0.2～0.3 V。
    5．动态电阻rd--反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，r d与工作电流的大小有关，即
                                  r d ＝△VF /△IF

    例1.2.1 图1.2.6(a)中的R和C构成一微分电路。当输入电压v1如图1.2.6(b)中所示时，试画出输出电压vO的波形。设vC(0)=0。(答案)

图1.2.6 例1.2.1图

    例1.2.2 在图1.2.7所示的电路中，已知二极管为理想元件V S1=5V，VS2=10V，R1=R2=10KΩ，R3=R4=5KΩ试判断二极管是导通还是截止，并求流过二极管的电流。(答案)
图1.2.7 例1.2.2图


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最大稳定工作电流I zMAX : 在确定的稳定电压下，最大耗散功率P zM所对应的工作电流。
  1.3.1 稳压二极管

    稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线基本相似，但反向特性陡直。稳压二极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如图1.3.1所示。

图1.3.1 稳压二极管的伏安特性

    从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。
    1．稳定电压 VZ --在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。
    2．动态电阻 rZ--其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。 RZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。
      r Z＝△VZ /△IZ
    3．最大耗散功率 PZM --稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时，PN结的功率损耗为 PZ＝VZIZ，管子不致发生热击穿的最大耗散功率PZM=VZIZmax。
    4．最大稳定工作电流 I ZMAX 和最小稳定工作电流I ZMIN --稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax ＝VZIZmax 。而IZmin对应V Zmin。 若I Z＜IZmin，则不能稳压。
    5．稳定电压温度系数 αVZ--温度的变化将使VZ改变，在稳压管中，
    当|VZ|＞7 V时，稳压管具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。
    当|VZ|＜4V时， 稳压管具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。
    当4V＜|VZ| ＜7V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。
    使用稳压二极管时要注意三点：
    （1） 工程上使用的稳压二极管无一例外都是硅管；
    （2） 连接电路时应反接；
    （3） 稳压管需串入一只电阻。该电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次，当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。

最大耗散功率: 这是指晶体管功率损耗的最大值。P ZM与PN结的面积和散热条件有关。


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1.3.2 光电二极管
      光电二极管又称光敏二极管，它是光电转换半导体器件，与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好、可靠性好、体积小、使用方便等优点。
图1.3.2 光电二极管

    1．结构特点与符号
    光敏二极管和普通二极管相比虽然都属于单向导电的非线性半导体器件，但在结构上有其特殊的地方。
    光敏二极管在电路中的符号如图1.3.2 所示。光敏二极管使用时要反向接入电路中，即正极接电源负极，负极接电源正极。
    2．光电转换原理
    根据PN结反向特性可知，在一定反向电压范围内，反向电流很小且处于饱和状态。此时，如果无光照射PN结，则因本征激发产生的电子-空穴对数量有限，反向饱和电流保持不变，在光敏二极管中称为暗电流。当有光照射PN结时，结内将产生附加的大量电子空穴对（称之为光生载流子,使流过PN结的电流随着光照强度的增加而剧增，此时的反向电流称为光电流。不同波长的光（兰光、红光、红外光）在光敏二极管的不同区域被吸收形成光电流。被表面P型扩散层所吸收的主要是波长较短的兰光，在这一区域，因光照产生的光生载流子（电子）一旦漂移到耗尽层界面，就会在结电场作用下，被拉向N区，形成部分光电流；波长较长的红光，将透过P型层在耗尽层激发出电子-空穴对，这些新生的电子和空穴载流子也会在结电场作用下,分别到达N区和P区,形成光电流。波长更长的红外光，将透过P型层和耗尽层，直接被N区吸收。在N区内因光照产生的光生载流子（空穴）一旦漂移到耗尽区界面，就会在结电场作用下被拉向P区，形成光电流。因此，光照射时，流过PN结的光电流应是三部分光电流之和。


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1.3.3 发光二极管

    发光二极管是一种直接能把电能转变为光能的半导体器件。与其他发光器件相比，具有体积小、功耗低、发光均匀、稳定、响应速度快、寿命长和可靠性高等优点，被广泛应用于各种电子仪器、音响设备、计算机等作电流指示、音频指示和信息状态显示等。
    1．发光原理
    发光二极管的管芯结构与普通二极管相似，由一个PN结构成。当在发光二极管PN结上加正向电压时，空间电荷层变窄，载流子扩散运动大于漂移运动，致使P区的空穴注入N区，N区的电子注入P区。当电子和空穴复合时会释放出能量并以发光的形式表现出来。

图1.3.3 发光二极管

    2．种类和符号
    发光二极管的种类很多，按发光材料来区分有磷化镓　（GaP）发光二极管、磷砷化镓（GaAsP）发光二极管、砷铝镓（GaAIAs）发光二极管等；按发光颜色来分有发红光、黄光、绿光以及眼睛看不见的红外发光二极管等；若按功率来区别可分为小功率（HG 400系列）、中功率（HG50系列）和大功率（HG52系列）发光二极管；另外还有多色、变色发光二极管等等。
    发光二极管及在电路中的符号，如图 1.3.3所示。
    小功率的发光二极管正常工作电流在10 ～ 30mA范围内。通常正向压降值在1.5 ～ 3V范围内。发光二极管的反向耐压一般在6V左右。
    发光二极管的伏安特性与整流二极管相似。为了避免由于电源波动引起正向电流值超过最大允许工作电流而导致管子烧坏，通常应串联一个限流电阻来限制流过二极管的电流。由于发光二极管最大允许工作电流随环境温度的升高而降低，因此，发光二极管不宜在高温环境中使用。
    发光二极管的反向耐压（即反向击穿电压）值比普通二极管的小，所以使用时，为了防止击穿造成发光二极管不发光，在电路中要加接二极管来保护。

1.3.1 为什么稳压管的动态电阻愈小，则稳压愈好？
1.3.2 利用稳压管或普通二极管的正向压降，是否可以稳压？


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1.4 双极型三极管

    半导体三极管又称晶体三极管，简称晶体管或三极管。在三极管内，有两种载流子：电子与空穴，它们同时参与导电，故晶体三极管又称为双极型三极管，简记为BJT（英文Bipo1ar Junction Transistor的缩写）。它的基本功能是具有电流放大作用。

    1.4.1 基本结构
    双极型半导体三极管的结构示意图如图1.4.1所示。它有两种类型：NPN型和PNP型。中间部分称为基区，相连电极称为基极，用B或b表示（Base）；
    一侧称为发射区，相连电极称为发射极，用E或e表示（Emitter）；
    另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示（Collector）。
    E-B间的PN结称为发射结（Je），
    C-B间的PN结称为集电结（Jc）。

图1.4.1 两种极性的双极型三极管

    双极型三极管的符号如图1.4.2所示。发射极的箭头代表发射极电流的实际方向。

图1.4.2 双极型三极管的符号

    为了保证三极管具有良好的电流放大作用，在制造三极管的工艺过程中，必须作到：
    1. 使发射区的掺杂浓度最高，以有效地发射载流子；
    2. 使基区掺杂浓度最小，且区最薄，以有效地传输载流子；
    3. 使集电区面积最大，且掺杂浓度小于发射区，以有效地收集载流子。


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1.4.2 电流分配和放大原理

    1．双极型半导体三极管内部电流分配关系
    双极型半导体三极管在工作时一定要加上适当的直流偏置电压。若工作在放大状态，发射结加正向电压，集电结加反向电压。现以 NPN型三极管为例，当它导通时三个电极上的电流必然满足节点电流定律，即流入三极管的基极电流I B和集电极电流I C等于流出三极管的发射极电流IE，如式1.4.1。
                          I E＝ IC＋IB （1.4.1）
    下面用载流子在三极管内部的运动规律来说明上述电流关系，见图1.4.3。

 动画1-04 三极管内载流子的运动

    （1）发射极电流IE的形成
    发射结加正偏时，从发射区将有大量的多数载流子（电子）不断向基区扩散，并不断从电源补充进电子，形成了发射极电流IE。与此同时，从基区向发射区也有多数载流子（空穴）的扩散运动，但其数量小，形成的电流可以忽略不计。这是因为发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。

图1.4.3 双极型三极管的电流传输关系

    （2）基极电流IB的形成
    进入基区的电子流将有少数的电子不断与基区中的空穴复合。因基区中的空穴浓度低，被复合的空穴自然很少。复合掉的空穴将由电源不断的予以补充，它基本上等于基极电流I B。
    （3）集电极电流IC的形成
    进入基区的电子流因基区的空穴浓度低，被复合的机会较少。又因基区很薄，在集电结反偏电压的作用下，电子在基区停留的时间很短，很快就运动到集电结的边缘，进入集电结的结电场区域，被集电极所收集，形成电流I CE，它基本上等于集电极电流IC。
    另外，因集电结反偏，在内电场的作用下，集电区的少子（空穴）与基区的少子（电子）将发生漂移运动，形成电流ICBO，并称为集电极-基极反向饱和电流。由此可得
                          I C = ICE ＋ ICBO
ICBO是集电极电流和基极电流的一小部分，它受温度影响较大，而与外加电压的关系不大。
    由以上分析可知，发射区掺杂浓度高，基区很薄，是保证三极管能够实现电流放大的关键。

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1.4.3 双极型半导体三极管的特性曲线
    本节介绍共发射极接法三极管的特性曲线，即

      输入特性曲线-- 　　　　　　　　　　　　　　（1.4.5）

      输出特性曲线-- 　　　　　　　　　　　　　　（1.4.6）

    其中， iB是输入电流，vBE是输入电压，加在B、E两电极之间；iC是输出电流，vCE是输出电压，从C、E两电极取出。
    共发射极接法的供电电路和电压-电流关系如图1.4.6所示。

图1.4.6 共发射接法的电压电流关系
图1.4.7
    1．输入特性曲线
    简单地看，输入特性曲线类似于发射结的伏安特性曲线，现讨论iB和vBE之间的函数关系。因为有集电结电压的影响，它与一个单独的PN结的伏安特性曲线不同。为了排除vCE的影响，在讨论输入特性曲线时，应使vCE＝const(常数)。vCE的影响可以用三极管的内部的反馈作用解释，即vCE对iB的影响。
图1.4.8

共发射极接法的输入特性曲线见图1.4.7，其中vCE＝0V的那一条相当于发射结的正向特性曲线。当vCE≥1V时， vCB＝vCE－ vBE＞0，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，且基区复合减少， IC / IB增大，特性曲线将向右稍微移动一些。但vCE再增加时，曲线右移很不明显。曲线的右移是三极管内部反馈所致，右移不明显说明内部反馈很小。
    输入特性曲线的分区：死区、非线性区、线性区。

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1.4.4 半导体三极管的主要参数

    半导体三极管的参数分为直流参数、交流参数和极限参数三大类。　　 　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　1．直流参数
    （1）直流电流放大系数
    ① 共发射极直流电流放大系数
                 （1.4.7）
     在放大区基本不变。在共发射极输出特性曲线上，通过垂直于X轴的直线(vCE＝const)来求取IC / IB ，如图1.4.9所示。在IC较小时和IC较大时，会有所减小，这一关系见图1.4.10。

图 1.4.9 在输出特性曲线上决定
图1.4.10 [image] 值与IC的关系

    ② 共基极直流电流放大系数
                                    （1.4.8）

图1.4.11 ICEO在输出特性曲线上的位置
   显然 [image] 与 [image] 之间有如下关系
                     （1.4.9）
    （2）极间反向电流
    ① 集电极-基极间反向饱和电流ICBO
    ICBO的下标CB代表集电极和基极，O是Open的字头，代表第三个电极E开路。它相当于集电结的反向饱和电流。
    ② 集电极-发射极间的反向饱和电流ICEO：ICEO和ICBO有如下关系
    ICEO＝（1＋β ）ICBO （1.4.10）
    相当基极开路时，集电极和发射极间的反向饱和电流，即输出特性曲线IB＝0那条曲线所对应的Y坐标的数值，如图1.4.11所示。集电极-发射极间的反向饱和电流又称穿透电流。

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1.5 场效应晶体管

    场效应管（Field Effect Transistor简称FET）是利用电场效应来控制半导体中电流的一种半导体器件，故因此而得名。场效应管是一种电压控制器件，只依靠一种载流子参与导电，故又称为单极型晶体管。与双极型晶体三极管相比，它具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗小、制造工艺简单和便于集成化等优点。
    场效应管的类型若从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件；从场效应三极管的结构来划分，它有结型场效应三极管JFET和绝缘栅型场效应三极管IGFET 之分。IGFET也称金属-氧化物-半导体三极管MOSFET，简称MOS管。MOS管性能更为优越，发展迅速，应用广泛。
    本书重点介绍MOS场效应三极管。
  1.5.1 MOS场效应管的基本结构和工作原理

图1.5.1 N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号
    MOS场效应三极管分为：增强型（又有N沟道、P沟道之分）及耗尽型（分有N沟道、P沟道）。N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号见图1.5.1。其中：电极 D（Drain） 称为漏极，相当双极型三极管的集电极；

    电极 G（Gate） 称为栅极，相当于双极型三极管的基极；
    电极 S（Source）称为源极，相当于双极型三极管的发射极。

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1.5.2 伏安特性曲线和主要参数

    场效应三极管的特性曲线类型比较多，根据导电沟道的不同以及是增强型还是耗尽型可有四种转移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方向也有所不同。如果按统一规定的正方向，特性曲线就要画在不同的象限。在讨论N沟道MOSFET的工作原理时，已经对其伏安特性作了阐述这里就不再介绍。
    场效应三极管的主要参数有：
    1．开启电压V GS(th) (或V T)
    开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值，场效应管不能导通。
    2．夹断电压V GS(off) (或V P)
    夹断电压是耗尽型FET的参数，当V GS＝VGS(off) 时，漏极电流为零。
    3．饱和漏极电流IDSS
    耗尽型场效应三极管，当V GS＝0时所对应的漏极电流。
    4．输入电阻R GS
    场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管，反偏时R GS约大于 [image] ，对于绝缘栅场型效应三极管，RGS约是 [image] 。
    5．低频跨导gm
    低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用十分相像。gm可以在转移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。
    6．最大漏极功耗P DM
    最大漏极功耗可由P DM＝VDSID决定，与双极型三极管的P CM相当。


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1.5.3 结型场效应管

    结型场效应管是另一个类型的场效应管，其电路结构、工作原理、输出特性及转移特性可通过以下动画来学习。

动画1-08 结型场效应管的结构

动画1-0９结型场效应管的工作原理

动画1-10 结型场效应管的输出特性

动画1-11 结型场效应管的转移特性

 1.5.1 场效应管与双极型三极管比较有何特点？
1.5.2 绝缘栅场效应管的栅极为什么不能开路？


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(每题5分)

(1)晶体管工作在放大区时,发射结：__________
反偏 正偏 零偏

(2)二极管的伏安特性反映了：__________
单向导电性 ID与VD之间的关系 非线性

(3)场效应管是：__________
电流控制器件 电压控制器件 其它物理量控制器件

(4)对PN结外加正向电压，其效果是：__________
使内电场增强 使扩散容易进行 使漂移容易进行 使空间电荷区加宽

(5)正常工作状态下的稳压二极管，处于伏安特性曲线中的：__________
正向特性的工作区 反向击穿区 正向特性的非工作区 特性曲线的所有区域


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  • 理解共射极单管放大电路的工作原理和性能特点，掌握静态工作点的估算和微变等效电路的分析方法。了解输入电阻和输出电阻的概念。了解多级放大电路的概念；
  • 了解射极输出器的基本特点；
  • 了解基本的互补对称功率放大电路的工作原理；
  • 了解差动放大电路的工作原理；
动画教学
名词解释
电路仿真


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2.1 基本放大电路的组成

    2.1.1 共射组态基本放大电路的组成
图2.1.1共射组态交流基本放大电路

    共射组态基本放大电路如图2.1.1所示。利用放大器件工作在放大区时所具有的电流（或电压）控制特性，可以实现放大作用。因此，放大器件是放大电路中必不可少的器件。为了保证器件工作在放大区，必须通过直流电源给器件提供适当的偏置电压或电流，这就需要有提供偏置的电路和电源；

    为了确保信号能有效地输入和输出，还必须设置合理的输入电路和输出电路。
    可见，放大电路应由放大器件、直流电源和偏置电路、输入电路和输出电路几部分组成。

动画2-01 共射极基本放大电路的组成


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2.1.2 基本放大电路的各元器件作用
    图2.1.1中NPN型三极管T是整个电路的核心，它担负着放大的任务；
    直流电源VCC（几V～几十V），一方面通过R b给晶体管的发射结提供正向偏压，通过RC给集电结提供反向偏压，另一方面提供负载所需信号的能量；
    R b决定基极偏置电流IB的大小，称为基极偏置电阻（一般为几十kΩ～几百kΩ）。
    R C将集电极电流的变化转换为电压的变化，提供给负载，称为集电极负载电阻（一般为几kΩ～几十kΩ）；
图2.1.1 共射组态交流基本放大电路

    电容C 1、C2的作用是隔断放大电路与信号源、放大电路与负载之间的直流通路，仅让交流信号流通过，即隔直通交。C1称为输入耦合电容，C2称为输出耦合电容。

    C1、Rb、VCC及T的b、e极构成信号的输入电路；
    C2、R C、VCC及T的c、e极构成信号的输出电路。
    VCC、Rb构成晶体管的偏置电路。晶体管的发射极是输入回路和输出回路的公共端，所以称这种电路为共发射极放大电路。与晶体管的3个电极相对应，还可构成共基极放大电路和共集电极放大电路。
    在分析放大电路时，常以公共端作为电路的零电位参考点，称之为“地”端（并非真正接到大地）。电路图上用“┻”作标记，电路中各点的电压都是指该点对地端的电位差。电压参考正方向规定为上“+”下“－”电流参考正方向规定为流入电路为正，流出电路为负（与双口网络规定相同）。画电路图时常采用图2.1.1中电子电路的画法。
    综上所述，基本放大电路有4个组成部分、3种基本电路形式（或称为组态）。

在构成具体放大电路时，无论那一种组态，都应遵从下列原则：
1．必须保证放大器件工作在放大区，以实现电流或电压控制作用；
2．元件的安排应保证信号能有效地传输，即有vi时，应有vo输出；
3．元件参数的选择应保证输入信号能得到不失真地放大，否则，放大将失去意义。
以上3条原则也是判断一个电路是否具有放大作用的依据。

动画2-02 基本放大电路的放大作用
2.1.1 什么叫偏置电路？作用如何？
2.1.2 放大电路有几部分组成？每部分作用是什么？


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2.2 放大电路的静态分析
   无信号输入时（vi＝0），放大电路的工作状态称为静态。静态时，电路中各处的电压、电流均为直流量。由于电路中的电容、电感等电抗元件 对直流没有影响，因此，对直流而言，放大电路中的电容可视为开路、电感可视为短路，据此所得到的等效电路称为放大电路的直流通路，如图 2.2.1所示。对直流通路作电路分析，求解输入、输出电路的伏安关系即放大电路的静态分析，从而确定出静态工作点Q。
    通常静态分析有两种方法：一种是由直流通路确定静态值称为近似估算法，另一种是图解法。

    2.2.1 用放大电路的直流通路确定静态值
    静态时，晶体管各极的直流电流、电压分别用 IB、 VBE、IC 、 VCE表示。由于这组数值分别与晶体管输入、输出特性曲线上一点的坐标值相对应，故常称这组数值为 静态工作点 Q，用Q表示。显然，静态工作点Q是由直流通路决定的。静态工作点Q常用如下近似计算法进行估算：
图2.2.1 基本放大电路的直流通路

    输入回路电压方程 IBRb + VBE ＝ VCC
    输出回路电压方程 ICRC + VCE ＝ VCC
    在上述方程中，对应不同的IB值，VBE 　　 　　的变化很小，作为近似估算，可以认为VBE不变，对硅管近似地VBE≈0.7V，对锗管近似地取VBE≈0.2V。通常 V CC >>VBE ，因而由上两式可得：
                   （2.2.1）
            IC＝β IB　　　　　　　（2.2.2）
           VCE ＝ VCC-ICRC　　　　（2.2.3）
    由上述公式求得的IB、 IC和 VCE值即是静态工作点Q。

    在测试基本放大电路时，往往测量三个电极对地的电位VB、VE和VC即可确定三极管的工作状态。
    例2.2.1 在图2.2.1电路中，已知VCC = 12V，RC= 4 kΩ，Rb= 　300 kΩ，β = 37.5，试求放大电路的静态工作点。(答案)


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2.2.2 用图解法确定静态值

    用图解法确定放大电路静态值如图2.2.2所示。

图2.2.2 放大电路静态工作状态的图解分析
    直流负载线的确定方法：
    1. 由直流负载列出方程式V CE＝VCC－ICRC
    2. 在输出特性曲线X轴及Y轴上确定两个特殊点__VCC和V CC/RC，即可画出直流负载线。
    3. 在输入回路列方程式V BE ＝VCC－IBRb
    4. 在输入特性曲线上，作出输入负载线，两线的交点即是Q。
    5. 得到Q点的参数I BQ、ICQ和V CEQ。

    2.2.1 什么是放大电路的静态分析，分析方法如何？
    2.2.2 试讨论改变电路参数时，将对直流负载线有那些影响？
    2.2.3 测量三极管三个电极对地电位如图2.2.3所示，试判断三极管的工作状态。
    2.2.4 电路如图2.2.4所示，用数字电压表测得V B =4.5 V 、VE =3.8 V 、VC =8 V，试判断三极管的工作状态。

图2.2.3 三极管工作状态判断 | 图2.2.4

 仿真 2-01 固定偏置共射级放大电路


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2.3 放大电路的动态分析

    当放大电路有输入信号时，即v i≠ 0，三极管各电极上的电流和电压都含有直流分量和交流分量。直流分量可由静态分析来确定，而交流分量（信号分量）则是通过放大电路的动态分析来求解。微变等效电路法和图解法是动态分析的两种基本方法。
    值得注意的是，在作放大电路分析时应先静态分析再动态分析。

    2.3.1 微变等效电路法
    微变等效电路分析法,是一种线性化的分析方法，它的基本思想是：把晶体管用一个与之等效的线性电路来代替，从而把非线性电路转化为线性电路，再利用线性电路的分析方法进行分析。当然，这种转化是有条件的，这个条件就是“微变”，即变化范围很小，小到晶体管的特性曲线在Q点附近可以用直线代替。这里的“等效”是指对晶体管的外电路而言，用线性电路代替晶体管之后，端口电压、电流的关系并不改变。由于这种方法要求变化范围很小，因此，输入信号只能是小信号，一般要求v be（即v i）≤10mV。这种分析方法，只适用于小信号电路的分析，且只能分析放大电路的动态。

    1．三极管的微变等效电路
    如何把三极管线性化，用一个等效电路来代替，可从共发射极接法三极管的输入特性和输出特性两方面来分析讨论。
    图2.3.1（a）是三极管的输入特性，是非线性的。但当输入信号很小时，在静态工作

图2.3.1 由三极管的特性曲线求rbe，β和rce

点Q 附近的工作段可认为是直线。当VCE为常数时，△VBE与△IB之比
    r be ＝ △VBE / △IB ＝ vbe / ib （VCE 为常数）
称为三极管的输入电阻，小信号时rbe是一个常数。它确定了三极管输入电路交流分量的伏安关系，因此三极管输入电路可以用rbe等效代替，如图2.3.2所示。
    低频小功率三极管的输入电阻常用下式进行估算：
               (2.3.1)

图2.3.2

式中rbb' 表示晶体管基区的体电阻，对一般小功率管约为300Ω左右（计算时，若未给出，可取为300Ω），IE是发射极的静态电流。rbe通常为几百欧到几千欧。
    图2.3.1（b）是三极管的输出曲线族，在放大区它是一组近似与横轴平行、等距的直线。当VCE 为常数时，令△IC 和 △IB的比值为β，即
            β ＝ △IC /△IB ＝ ic / ib （2.3.2）
    β为三极管的交流电流放大系数。小信号时β是一个常数，由它确定ic受ib控制的关系，即 ic ＝ βib。因此三极管的输出电路可以用一个电流控制电流源来代替。β通常在20～200之间。
    此外，在图2.3.1（b）中还可见到，三极管的输出特性曲线并不完全与横轴平行，当IB为常数时，设△VCE与△IC之比为rce，即
    rce ＝ △VCE /△Ic ＝ vce / ic （2.3.3）
    rce称为三极管的输出电阻，在小信号输入情况下rce也是一个常数，当将三极管的输出电路视作电流控制电流源，则rce是该电流源的内阻，在等效电路中它与受控电流源并联。如图2.3.2（b）所示。rce的阻值很高约为几十千欧到几百千欧，在动态分析中常将其忽略。

[1] [2]
微变等效电路分析法: 是一种线性化的分析方法，输入信号为小信号时（一般要求vbe（即vi）≤10mV）把晶体管用等效的线性电路来代替，从而把非线性电路转化为线性电路，再利用线性电路的分析方法进行分析。所谓"微变"，即变化范围很小，特性曲线在Q点附近可以用直线代替。而"等效"是指对晶体管的外电路而言，即伏安关系不变。这种分析方法，只适用于小信号电路的分析，且只能分析放大电路的动态。
三极管的输出电阻: 三极管的输出电阻用rce表示，其定义式r ce ＝ △VCE /△Ic ＝ vce / ic 。


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2.3.2 图解法
图2.3.5放大电路的动态工作状态的图解分析

    1．交流负载线

    交流负载线确定方法

    （1） 通过输出特性曲线上的Q点做一条直线，其斜率为1/RL′。
    （2） R L′＝ RL∥RC，是交流负载电阻。
    （3） 交流负载线是有交流输入信号时，工作点Q的运动轨迹。
    （4） 交流负载线与直流负载线相交，通过Q点。

 动画2-04 放大电路动态图解分析
[1] [2]


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2.4 静态工作点的稳定

    放大电路静态工作点设置的不合适，是引起非线性失真的主要原因之一。实践证明，放大电路即使有了合适的静态工作点，在外部因素的影响下，例如温度变化、电源电压的波动等，将引起静态工作点的偏移，由此同样会产生非线性失真，严重时放大电路不能正常工作。在外部因素中，对静态工作点影响最大的是温度变化，如何克服温度变化的影响，稳定静态工作点则是本节所要讨论的问题。

    2.4.1 温度对静态工作点的影响
    晶体管是一个温度敏感器件，当温度变化时，其特性参数（β、ICBO、VBE）的变化比较显著，实验表明：温度每升高1℃，β约增大0.1％左右，VBE 减小（2～2.5）mV，温度每升高10℃，ICBO 约增加一倍。晶体管参数随温度的变化，必然导致放大电路静态工作点发生漂移，这种漂移称为温漂。
    以基本放大电路为例，当温度t↑升高、V BE↓、其静态电流IB↑、β↑则I C↑↑；
    可见，无论是V BE的减小，还是β、ICBO的增大，都使IC增大，从而使Q点向饱和区移动。
    静态工作点的移动，将影响放大电路的放大性能，为此，必须设法稳定静态工作点。稳定静态工作点的方法经常采用分压式偏置电路。

 动画２-0６ 温度对Q点的影响


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2.4.2 分压式偏置电路

    1．电路的组成
    分压式偏置电路如图2.4.1（a）所示。其中：
    R b1和Rb2是基极偏置电阻。
    C 1是耦合电容，将输入信号v i耦合到三极管的基极。
    R c是集电极负载电阻。

图2.4.1 分压式偏置电路及其微变等效电路

    R e是发射极电阻，C e是R e的旁路电容，它为交流信号提供通道，避免了R e对输入信号的衰减。C e的电容量一般为几十微法到几百微法。
    C 2是耦合电容，将集电极的信号耦合到负载电阻RL上。
    图2.4.1（b）是图2.4.1（a）电路的微变等效电路。

    2．稳定静态工作点原理
    设流过基极偏置电阻 [image] 的电流I R>>IB，因此可以认为基极电位V B只取决于分压电阻 [image] 、 [image] ，VB与三极管参数无关，不受温度影响。
    静态工作点的稳定是由VB和Re共同作用实现，稳定过程如下：
    设温度升高→I C↑→IE↑→VBE↓→IB↓→IC↓
其中：I C↑→IE↑是由电流方程 I E ＝ IB＋IC得出，I E↑→VBE↓是由电压方程V BE＝ VB－IERe得出，I B↓→IC↓是由 IC ＝βIB得出。
    由上述分析不难得出，R e越大稳定性越好。但事物总是具有两面性，R e太大其功率损耗也大，同时V E也会增加很多，使V CE减小导致三极管工作范围变窄。因此R e不宜取得太大。在小电流工作状态下，R e值为几百欧到几千欧；大电流工作时，R e为几欧到几十欧。

 动画2-07 分压式偏置电路
[1] [2]


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2．5 射极输出器

    放大电路的负载接在三极管的发射极上，由发射极输出放大电路信号，称为射极输出器，如图2.5.1所示。对交流信号而言，放大电路的输入端和输出端是以集电极作为公共端即共集组态，因此射极输出器又叫做共集电极放大电路。

仿真２-03 射极输出器

动画2-08 射极输出器

(a) 射极输出器 　　　　　(b) 射极输出器的直流通路
图2.5.1 共集组态放大电路及其直流通路

    2.5.1 静态分析
    共集组态基本放大电路的直流通路如图2.5.1（b）所示，设流过基极偏置电路的电流IR>>IB，于是有
                                        IB＝ ( VB－VBE) / (1+β)Re
式中 　　　　　　　　　　　　　　　　　VB ＝ VCCRb2 /（Rb1+ Rb2）
又 　　　　　　　　　　　　　　　　　　IC＝IB
及 　　　　　　　　　　　　　　　　　　VCE＝ VCC－IERe≈ VCC－ICRe


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2.5.2 动态分析

    图2.5.1（a）放大电路的微变等效电路如图2.5.2所示。分析计算可求得放大电路的电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。

    1．电压放大倍数

    比较共射和共集组态放大电路的电压放大倍数公式，它们的分子都是β乘以输出电极对地的交流等效负载电阻，分母都是三极管基极对地的交流输入电阻。

图2.5.2 共集组态微变等效电路 | 图2.5.3 求ro的微变等效电路

    2．输入电阻
    ri＝Rb1// Rb2//[rbe +(1+β)RL′] （2.5.2）
    RL′=RL//Re （2.5.3）

    3．输出电阻
    输出电阻可从图2.5.3求出。将输入信号源短路，负载开路，由所加的等效输出信号Vo′可以求出输出电流


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2.6 放大电路的频率特性

    前面讨论放大电路时，为了便于研究，都假定了输入信号vi是单一频率的正弦波，而实际工作中所要放大的信号并不是单一频率的正弦波。由于放大电路中电抗元件的存在，放大电路对不同频率分量的信号放大能力是不相同的，而且不同频率分量的信号通过放大电路后还会产生不同的相移。因此，衡量放大电路放大能力的放大倍数也就成为频率的函数。
    放大电路的电压放大倍数与频率的关系称为幅频特性,输出信号与输入信号的相位差与频率之间的关系称为相频特性。两者统称频率特性。
    晶体管PN结两侧电荷的分布使之具有一个附着的小电容，我们称之为极间电容或结电容。结电容、放电电路中耦合电容和旁路电容、电路联线分布电容，这些使得实际放大电路的电压放大倍数随着频率的变化而变化。在工业电子技术中，最常用的是低频放大电路，其频率范围约为20～10000Hz。在分析放大电路的频率特性时，再将低频范围分为低、中、高三个频段，分别求出各频段中的频率特性，然后综合求得完整的频率特性。
    放大电路的频率特性中有三项性能指标，它们是：

图2.6.1 放大电路的频率特性
（a）幅频特性（b）相频特性

    1．下限频率
    在低频段，放大电路的电压放大倍数降到中频段电压放大倍数A vo的0.707Avo时的频率值叫做下限频率 　fL，如图2.6.1（a）所示。
    引起低频段电压放大倍数下降的原因主要是输入耦合电容、输出耦合电容和射极旁路电容，对低频信号形成较大的衰减，从而使电压放大倍数下降。
    2．上限频率
    在高频段，放大电路的电压放大倍数降到中频段电压放大倍数Avo的0.707Avo时的频率值叫做上限频率　fH，如图2.6.1（a）所示。
    引起高频段电压放大倍数下降的原因主要是三极管的极间电容和放大电路的输入电路和输出电路的分布电容，将高频信号旁路，从而使电压放大倍数下降。
    3．通频带
    在频率特性的中频段，放大电路的各种电容对交流信号的影响均可以忽略，因此电压放大倍数Avo基本不变。这个频率带宽B ＝ fH － fL，称B为通频带。放大电路的通频带越宽，即放大电路的频率特性就越好。

     2.6.1 什么是放大电路的频率特性？幅频特性和相频特性又是什么？
    2.6.2 放大电路频率特性的技术指标主要有那些？
通频带: 频率带宽 fH － fL称通频带，用B表示。B的定义式是B ＝ fH － fL。


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2.7 多级放大电路及其级间耦合方式

    在实际工作中，为了放大非常微弱的信号，需要把若干个基本放大电路连接起来，组成多级放大电路，以获得更高的放大倍数和功率输出。
    多级放大电路内部各级之间的连接方式称为耦合方式。常用的耦合方式有三种，即阻容耦合方式、直接耦合方式和变压器耦合方式。

    2.7.1 阻容耦合
    通过电容和电阻将信号由一级传输到另一级的方式称为阻容耦合。
    图 2.7.1所示电路是典型的两级阻容耦合放大电路。
    优点：耦合电容的隔直通交作用，使两级Q相互独立，给设计和调试带来了方便。
    缺点：放大频率较低的信号将产生较大的衰减，加之不便于集成化，因而在应用上也就存在一定的局限性。

图2.7.1 两级阻容耦合放大电路


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2.7.2 直接耦合

    多级放大电路中各级之间直接（或通过电阻）连接的方式，称为直接耦合。
    直接耦合放大电路具有结构简单、便于集成化、能够放大变化十分缓慢的直流信号又能放大交流信号，所以在集成电路中获得了广泛的应用。

图2.7.2 | 图2.7.3

    两级直接耦合放大电路如图2.7.2所示。采用直接耦合，各级的静态工作点将相互影响。如图中T1管的VCE1受到VBE2的限制，仅有0.7V左右。因此，第一级输出电压的幅值将很小。为了保证第一级有合适的静态工作点，必须提高T2管的发射极电位，为此，可在T2的发射极接入电阻、二极管或稳压管等。
    在直接耦合放大电路中，常用由NPN型和PNP型晶体管组成的直接耦合放大电路，如图2.7.3所示。
    直接耦合放大电路还存在另一个突出问题，即零点漂移，其解决方法将在差分放大电路中进行讨论。


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2.7.3 变压器耦合

    变压器耦合放大电路如图2.7.4所示。这种耦合电路的特点是：级间无直流通路，各级Q独立；变压器具有阻抗变换作用，可获最佳负载；变压器造价高、体积大、不能集成，其应用受到限制。

图2.7.4 变压器耦合放大电路


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2.7.4 多级放大电路电压放大倍数的计算

    在求分立元件多级放大电路的电压放大倍数时有两种处理方法。一是将后一级的输入电阻作为前一级的负载考虑，即将第二级的输入电阻与第一级集电极负载电阻并联，简称输入电阻法。二是将后一级与前一级开路，计算前一级的开路电压放大倍数和输出电阻，并将其作为信号源内阻加以考虑，共同作用到后一级的输入端，简称开路电压法。
    现以图2.7.5的两级放大电路为例加以说明。

图2.7.5 两级放大电路计算

    三极管的β 1＝β2＝β＝100，VBE1＝VBE2＝0.7 V，计算总电压放大倍数。分别用输入电阻法和开路电压法计算。解法(一) 解法(二)

     2.7.1 什么叫级间耦合？多级放大电路中的级间耦合通常有哪几种方式？　各有什么优缺点？
    2.7.2 如何计算多级放大电路的Av、ri、ro？


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2.8 差分放大电路

    在直接耦合多级放大电路中抑制零点漂移最有效的电路结构是差动放大电路。因此，在要求较高的多级直接耦合放大电路的前置级和集成电路中广泛采用这种电路。

    2.8.1 差分放大电路的工作情况
图2.8.1 差分放大电路

    1．差分放大电路的组成
    差分放大电路是由对称的两个基本放大电路，通过射极公共电阻耦合构成的，如图2.8.1所示。
    对称的含义是两个三极管的特性一致，电路参数对应相等。
    β1＝β2＝β　　　　VBE1＝VBE2＝VBE
     rbe1＝ rbe2＝rbe　　ICBO1＝ICBO2＝ICBO
    Rc1＝Rc2＝Rc　　　　 Rb1＝Rb2＝Rb

    2. 差分放大电路的输入和输出方式
    差分放大电路一般有两个输入端：同相输入端，反相输入端。
    根据规定的正方向，在一个输入端加上一定极性的信号，如果所得到的输出信号极性与其相同，则该输入端称为同相输入端。
    反之，如果所得到的输出信号的极性与其相反，则该输入端称为反相输入。
    信号的输入方式：若信号同时加到同相输入端和反相输入端，称为双端输入； 若信号仅从一个输入端加入，称为单端输入。
    差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电极C1，另一个是集电极C2。
    从C1和C2输出称为双端输出，仅从集电极C1或C2对地输出称为单端输出。

[1] [2]


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2.8.2 典型差分放大电路

    典型差分放大电路的静态和动态计算方法与基本放大电路基本相同。为了使差分放大电路在静态时，其输入端基本上是零电位，将Re从接地改为接负电源－VEE，如图2.8.3所示。由于接入负电源，所以偏置电阻Rb可以取消，改为－VEE和Re提供基极偏置电流。

图2.8.3 典型差分放大电路

    1．静态分析
    基极电流为
                               （2.8.1）

由IB的计算式可知，Re对一半差分电路而言，
只有2Re 才能获得相同的电压降。
实际上，电阻Re对共模信号有负反馈作用，而对差模信号没有负反馈作用（参阅《第三章 放大电路中的负反馈》，建议学习完第三章后再进一步理解动画2－11）。零点漂移对于差分放大电路来说相当于共模信号。电阻Re越大，共模负反馈作用越强烈，零点漂移的抑制效果更好。由于恒流源具有很大的动态电阻，也很方便利用各类晶体管实现（恒流源偏置电路），故图2.8.3中电阻Re和发射极负电源－VEE可由恒流源替代，形成所谓的长尾电路。

 动画2-11 Re的抑制零漂作用
[1] [2]


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2.9 功率放大电路

    前面讨论的各种放大电路的主要任务是使负载上获得尽可能大的不失真电压信号，它们的主要指标是电压放大倍数。而功率放大电路的主要任务则是，在允许的失真限度内，尽可能高效率地向负载提供足够大的功率。因此，功率放大电路的电路形式、工作状态、分析方法等都与小信号放大电路有所不同。

    2.9.1 对功率放大电路的基本要求
    对功率放大电路的基本要求是：
    1．功率要大　输出功率P o ＝ VoIo，要获得大的输出功率，不仅要求输出电压高，而且要求输出电流大。因此，晶体管往往工作在极限状态，应用时要考虑管子的极限参数，注意管子的安全。
    2．效率要高　放大信号的过程就是晶体管按照输入信号的变化规律，将直流电源提供的能量转换为交流能量的过程。其转换效率为负载上获得的信号功率和电源供给的功率之比值，即：
                                       （2.9.1）
    式中：Po 负载上获得的信号功率；PV 电源供给的功率。

图2.9.1 三极管的四种工作状态

    3．合理的设置功放电路的工作状态　在这里，我们主要讨论三种功放电路：甲类、甲乙类、乙类。它们的定义如图2.9.1所示。
    由于在能量转换的过程中，晶体管要消耗一定的能量，从而造成了η下降。显然，要提高η，就要设法减小晶体管的损耗。而晶体管的损耗与静态工作点密切相关。图2.9.1 给出了晶体管的几种工作状态及对应的输出波形。由图可见，甲类状态，iC 始终存在，没有信号输入时，直流电源供给的能量全部消耗在晶体管上，这种状态的效率很低；乙类状态，没有信号输入时，iC ＝ 0，晶体管不消耗能量，这种状态的效率较高。这就指明了提高效率的途径是降低静态工作点。

 动画2-12 类型与效率

    （4）失真要小。 甲类功放通过合理设置静态工作点，非线性失真可以很小，但它的效率低。乙类状态虽然效率高，但输出波形却只有半波波形。为了保存乙类状态高效率的优点，可以设想让两个管子轮流工作在输入信号的正半周和负半周，并使负载上得到基本完整的输出波形。三极管从甲类工作状态改为乙类或甲乙类工作状态。此时虽降低了静态工作电流，但依然还存在失真问题，即交越失真。如果不能解决乙类状态下交越失真问题，乙类工作状态在功率放大电路中仍不能采用。推挽电路和互补对称电路较好地解决了乙类工作状态下的失真问题。
由于功率放大电路工作在大信号状态，所以对功放电路的分析多采用图解法。要确定的主要性能指标是Po 、PV 、PT（损耗）和η。


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2.9.2 互补对称放大电路
    1．乙类互补功率放大电路
    （1）乙类互补功率放大电路的工作原理
图2.9.2 乙类互补功率放大电路
     ① 电路组成
    乙类互补功率放大电路，如图2.9.2所示。它由一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组成。这种电路也称为OCL（Output Capacitorless）无输出电容互补功率放大电路。
 ② 工作原理
    当输入信号处于正半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时NPN型三极管导电，有电流通过负载RL，按图中方向由上到下，与假设正方向相同。
    当输入信号处于负半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时PNP型三极管导电，有电流通过负载RL，按图中方向由下到上，与假设正方向相反。
    于是两个三极管一个正半周、一个负半周轮流导电，在负载上将正半周和负半周合成在一起，得到一个完整的不失真波形。如图2.9.3（a）所示。严格说，输入信号很小时，达不到三极管的开启电压，三极管不导电。因此在正、负半周交替过零处会出现一些非线性失真，这个失真称为交越失真如图2.9.3（b）所示。
      (a) 波形图 　　　　　　　　　　　(b) 交越失真
          图2.9.3 乙类互补功率放大电路波形的合成

    为解决交越失真，可给三极管稍稍加一点偏置，使之工作在甲乙类。此时的互补功率放大电路如图2.9.4所示。

图 2.9.4 甲乙类互补功率放大电路
动画2-13 图解分析
动画2-14 交越失真

[1]　[2] [3] [4]


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2.10.1 简化的小信号模型

    场效应管是一个电压控制器件仿照前述双极型三极管小信号微变等效线性化办法可以用图 2.10.1（a）的微变等效电路来表示。图中场效应管交流输入电阻r gs就是栅源直流输入电阻R GS，通常它大于兆欧数量级，可视为开路。因此，栅极电流交流分量i g ＝ 0也就是说栅极与源极可视为开路。
    在图 2.10.1（a）输出电路里，由于场效应管的输出曲线具有恒流特性，故其输出电阻r ds也是很高的，它对漏极电流i d的分流作用可忽略。
    据上，可得到图2.10.1（b）所示的简化等效电路。在低频小信号下，可将图2.10.1（b）所示的简化等效电路作为场效应管的模型。

（a） 微变等效电路 　　　　　　　（b） 小信号模型
图 2.10.1 场效应管低频小信号下的微变等效电路及其模型


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2.10 场效应管放大电路

    用场效应管作为放大元件组成的放大电路，称为场效应管放大电路。和晶体管放大电路一样，为了实现放大作用，必须建立偏置电路以提供正确的偏置电压，确保场效应管工作在其输出特性的恒流区。根据信号的输入、输出方式，场效应管放大电路也有3种基本组态，即共源组态、共栅组态，和共漏组态。分析场效应管放大电路的基本方法仍然是图解分析法和微变等效电路分析法。

    2.10.1 共源组态基本放大电路
    对于采用场效应三极管的共源基本放大电路，可以与共射组态接法的基本放大电路相对应，只不过场效应三极管是电压控制电流源。共源组态的基本放大电路如图2.10.2所示。与共射放大电路比较，它们在电路结构上基本相同。图2.10.2电路叫做分压式偏置电路，其中
    R 为源极电阻，其阻值约为几千欧；
    Cs为源极电阻上的交流旁路电容，其容量约为几十微法；
    Rg1、Rg2为栅极分压电阻，其阻值约为几十千欧～几百千欧；
    Rd为漏极电阻，其阻值约为几十千欧；
    C1、C2分别为输入电路和输出电路的耦合电容，其容量约为0.01～0.047微法。

图2.10.2 共源组态接法基本放大电路
图2.10.3 共源电路的直流通路

    1.直流分析
    将共源基本放大电路的直流通路画出，如图2.10.3所示。图中Rg1、Rg2是栅极偏置电阻，R是源极电阻，Rd是漏极负载电阻。与共射基本放大电路的R b1、Rb2，Re和Rc分别一一对应。而且只要结型场效应管栅源PN结是反偏工作，无栅流，那么JFET和MOSFET的直流通路和交流通路是一样的。
    根据图2.10.3可写出下列方程

    于是可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ。

[1] [2]


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2.10.2 共漏组态基本放大电路
  共漏组态基本放大电路如图2.10.6所示，其直流工作状态和动态分析如下。
图2.10.6 共漏组态放大电路 | 图2.10.7 共漏放大电路的直流通路

    1．直流分析
    共漏组态基本放大电路的直流通路如图2.10.7。于是有

    由此可以解出V GSQ、IDQ和VDSQ。

[1] [2]


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(每题5分)

(1)在单管共射放大器中：__________
IO与Vi反相 VO与IO同相 VO与Vi同相 VO与Vi反相

(2)设单级放大器的通频带为BW1，由它组成的多级放大器的通频带为BW，则：__________
BW ＞ BW 1 BW ＜ BW 1 BW ＝ BW 1 不定

(3)为消除截止失真，应：__________
增大集电极电阻RC 改换β值大的管子 增大基极偏置电阻Rb 减小基极偏置电阻Rb

(4)与甲类放大器相比，乙类互补对称功率放大器的主要优点是：__________
可以使用两个电源供电 可以进行功率放大 效率高 无交越失真

(5)在典型的差动放大电路中，用恒流源代替Re的优点是：__________
便于集成化 避免辅助电源VEE的电压数值取得过高 增加电压放大倍数


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  • 理解负反馈的概念；
  • 了解负反馈对放大电路性能的影响。
动画教学
名词解释
电路仿真


3-1-1

3.1 反馈的基本概念

    3.1.1 什么是放大电路中的负反馈
图3.1.1 反馈概念方框图

    反馈是指把放大电路输出回路中某个电量（电压或电流）的一部分或全部，通过一定的电路形式（反馈网络）送回到放大电路的输入回路，并同输入信号一起参与控制作用，以使放大电路某些性能获得改善的过程。这一过程可用图3.1.1所示方框图来表示。引入反馈后的放大电路称为反馈放大电路。
    图中 [image] 是输入信号， [image] 是反馈信号， [image] 称为净输入信号。所以有
                       （3.1.1）
    实际上，反馈的概念在第二章中讨论静态工作点稳定的电路时已经运用过了。在分压式电流负反馈偏置电路中，通过射极电阻Re，将输出回路中的直流电流IE以V E = IERe的形式回送到了输入回路，使三极管发射结两端的电压VBE = VB － IERe ，受到输出电流的影响，从而使输出电流趋于稳定。这种输出电量影响输入电量的方式就是反馈。不过这里的反馈仅仅是直流电量的反馈（交流量被Ce旁路），称为直流反馈。直流反馈主要用于稳定静态工作点。如果将Ce去掉，这时输出回路中的交流信号也将反馈到输入回路，并使放大电路的性能发生一系列的改变，这种交流信号的反馈称为交流反馈，实际放大电路中，一般同时存在直流反馈和交流反馈，本单元主要讨论交流反馈对放大电路性能的影响。


3-1-2

3.1.2 反馈的极性

    按照反馈对放大电路性能影响的效果，可将反馈分为正反馈和负反馈两种极性。
    凡引人反馈后，反馈到放大电路输入回路的信号（称为反馈信号用 [image] 表示）与外加激励信号（用 [image] 表示）比较的结果使得放大电路的有效输入信号（也称净输入信号，用 [image] 表示）削弱，即 [image] ＜ [image] ，从而使放大倍数降低，这种反馈称为负反馈。凡引入反馈后，比较结果使 [image] ＞ [image] ，从而使放大倍数提高，这种反馈称为正反馈。
    正反馈虽能提高放大倍数，但同时也加剧了放大电路性能的不稳定性，主要用于振荡电路；负反馈虽降低了放大倍数，但却换来了放大电路性能的改善，是本章讨论的重点。
    不同极性的反馈对放大电路性能的影响截然不同，因此，在分析具体反馈电路时，首先必需正确地判断出电路中反馈的极性。判断反馈极性的简便方法是瞬时极性法，具体作法是：
    （1）按中频段考虑，即不考虑电路中所有电抗元件的影响；
    （2）用正负号（或箭头）表示电路中各点电压的瞬时极性（或瞬时变化）；
    （3）假定输入电压Vi为＋，看Vi 经过放大和反馈后得到的反馈信号（Vf或If）的极性是增强还是削弱有效输入信号（Vi′或Ii′），使有效输入信号减弱的反馈就是负反馈；使有效输入信号增强的反馈就是正反馈。

    推断反馈信号瞬时极性时，应遵从放大电路的放大原理，对单级放大电路而言,共射电路输出电压与输入电压反相、共集电路和共基电路输出电压与输入电压同相。


3-1-3

3.1.3 反馈放大电路的一般表达式
    反馈放大电路均可用图 3.1.1所示方框图来表示。它表明，反馈放大电路是由基本放大电路和反馈网路构成的一个闭环系统，故常称反馈放大电路为闭环放大电路，相应地称未引入反馈的放大电路为开环放大电路。图中比较与取样都是通过反馈网络与基本放大电路的特定连接方式实现的。
    要注意的是，这里的基本放大电路是指考虑了反馈网络对放大电路输入和输出回路的负载效应，但又将反馈网络分离出去后的电路，它可以是单级或多级电路，而且往往还存在着局部反馈。基本放大电路的放大倍数
                                               （3.1.2）
反馈网络通常为一线性网络，由一些电阻、电容等组成，其传输系数定义为
                                               （3.1.3）
常称为反馈系数。
    为了突出反馈的实质，忽略次要因素，简化分析过程，通常又假定：
    （1）信号从输入端到输出端的传输只通过基本放大电路，而不通过反馈网络；
    （2）信号从输出端反馈到输入端只通过反馈网络而不通过基本放大电路。
    也就是说，信号传输具有单向性。实践表明，这种假定是合理而有效的，符合这
种假定的方框图称为理想方框图。
    对图3.1.1所示单一环路反馈的理想方框图有如下关系：

由此可得反馈放大电路的闭环放大倍数为：
                                     （3.1.6）
这是反馈放大电路的基本关系式，也是分析闭环反馈放大电路的重要公式。这里 [image] 可以是电压也可以是电流， [image] 的具体含义由反馈类型决定。
    为了分析方便，在以后讨论反馈放大电路性能时，除频率特性外，均假定工作信号在中频范围，且反馈网络具有纯电阻性质，因此， [image] 均可用实数表示。于是（3.1.6） 式变为：
                                                       （3.1.7）
式中 [image] 称为反馈深度，用D表示，负反馈对放大电路性能改善程度均与D有关。
    当 [image] 时，由（3.1.7）式可得：
                                                       （3.1.8）
这种情况称为深度负反馈。此时，闭环放大倍数仅与反馈系数有关。


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3.2 负反馈的类型

    3.2.1 负反馈和正反馈

    负反馈，加入反馈后，净输入信号 [image] ，输出幅度下降。

正反馈，加入反馈后，净输入信号 [image] ，输出幅度增加。
    正反馈和负反馈的判断法之一：瞬时极性法
    在放大电路的输入端，假设一个输入信号的电压极性，可用"+"、"－"或"↑"、"↓"表示。按信号传输方向依次判断相关点的瞬时极性，直至判断出反馈信号的瞬时电压极性。如果反馈信号的瞬时极性使净输入减小，则为负反馈；反之为正反馈。

动画3-01 瞬时极性法


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3.2.2 电压反馈和电流反馈

   电压反馈，反馈信号的大小与输出电压成比例的反馈称为电压反馈；
    电流反馈，反馈信号的大小与输出电流成比例的反馈称为电流反馈。

   电压反馈与电流反馈的判断
   将输出电压"短路"，若反馈回来的反馈信号为零，则为电压反馈；反馈信号仍然存在，则为电流反馈。


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3.2.3 串联反馈和并联反馈

    反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的同一个电极上，则为并联反馈，此时反馈信号与输入信号是电流相加减的关系；反之，加在放大电路输入回路的两个电极上，则为串联反馈，此时反馈信号与输入信号是电压相加减的关系。

    串联反馈和并联反馈的判断
    对于三极管来说，反馈信号与输入信号同时加在输入三极管的基极或发射极，则为并联反馈；一个加在基极，另一个加在发射极则为串联反馈。
    对于运算放大器来说，反馈信号与输入信号同时加在同相输入端或反相输入端，则为并联反馈；　一个加在同相输入端，另一个加在反相输入端则为串联反馈。


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  3.2.4 交流反馈和直流反馈
    反馈信号只有交流成分时为交流反馈，反馈信号只有直流成分时为直流反馈，既有交流成分又有直流成分时为交直流反馈。
    正反馈和负反馈的判断法之二
    正反馈可使输出幅度增加，负反馈则使输出幅度减小。在明确串联反馈和并联反馈后，正反馈和负反馈可用下列规则来判断：反馈信号和输入信号加于输入回路一点时，瞬时极性相同的为正反馈，瞬时极性相反的是负反馈；反馈信号和输入信号加于输入回路两点时，瞬时极性相同的为负反馈，瞬时极性相反的是正反馈。对三极管来说这两点是基极和发射极，对运算放大器来说是同相输入端和反相输入端。
动画3-02 反馈组态的判断（一）

例3.2.1 试判断图3.2.1所示电路的反馈组态　解法(一)

图3.2.1 　例题3.2.1图
动画3-03 反馈组态的判断（二）


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3.3 负反馈对放大电路工作性能的影响

    3.3.1 降低放大倍数
    由负反馈放大电路的一般表达式 [image] 可知，闭环放大倍数仅是开环放大倍数的 [image] 分之一，因为负反馈 [image] ，故，引入负反馈后，放大电路的放大倍数降低。负反馈虽使闭环放大倍数降低，但却换来了其他性能的改善。


3-3-1

3.3.2 提高放大倍数的稳定性

    我们知道，放大电路放大倍数的数值取决于电路中元器件的参数。而晶体管的更换，电源电压的不稳，温度及负载的变化等都将使放大倍数发生变化，因此，一般情况下，放大倍数是不稳定的。利用负反馈的自动调节原理，可以抑制放大倍数的变化，从而提高其稳定性。放大倍数的稳定性可用它的相对变化量来表示。
    将负反馈基本关系式 [image] 对 [image] 求微分可得

    则 [image] 　　　　（3.3.1）
    上式表明，闭环放大倍数的相对变化量仅为开环放大倍数相对变化量的（1＋FA）分之一。
也就是说闭环放大倍数的稳定性比开环放大倍数的稳定性提高了（1＋FA）倍。
    例如：当（1＋FA）= 10时，Af的相对变化量只有A相对变化量的1/10，若未加反馈前放大电路的开环放大倍数变化5％，即dA/A = 5％，而引入负反馈后，放大电路的闭环放大倍数的变化量为

    可见，引入负反馈以后，放大电路放大倍数的相对变化量减小到0.5％，即放大电路的相对稳定性提高了10倍。
    从负反馈的自动调节原理来看，尽管放大倍数A的变化，引起Xo的变化，但因负反馈的作用，使Xi' 也随Xo而变化，且与Xo的变化趋势相反，其结果使Xo 可以自动保持稳定，从而提高了A f = Xo／Xi的稳定性。这里Af的具体含义同样由电路的组态决定。

    例3.3.1 有一负反馈放大电路，A=1000，F=0.009 ,如果由于器件参数和环境温度的影响，而使其放大倍数减小了20%，试求变化前后的A f值及其相对变化。（答案）


3-3-3

3.3.3 展宽通频带

   第二章中曾经指出，由于晶体管某些参数随频率而变化，电路中又总是存在一些电抗性元件，因而使放大倍数也随频率而变，放大电路通频带比较窄。而引入负反馈是展宽通频带的有效措施之一。由于在深度负反馈时，

显然，此时放大器的放大倍数只与反馈网络参数有关。如果反馈网络里不含L、C等电抗元件，是一个纯电阻电路，则可近似认为反馈放大器的放大倍数为一常数，即可使频带增宽。


3-3-4

3.3.4 减小非线性失真

    放大电路中，由于晶体管等器件的非线性，当输入信号幅度较大时，放大电路的输出波形将产生失真，如图3.3.1 所示。设反馈为电压串联负反馈，输入信号v i（Xi）为正弦波，输出信号v o（Xo）变成了上大下小的失真波形。
图3.3.1 负反馈对非线性失真的影响
动画3-04 负反馈对放大器的影响

    引人负反馈后，输出波形将得到改善。以电压串联负反馈为例，由于反馈网络是线性网络，所以，反馈电压波形与输出电压波形一样，也是上大下小。该波形与原输入波形（正弦波）迭加，结果使净输入电压波形产生了“预失真”即v be（Xi'）变成了上小下大。“预失真”正好抵消了部分因晶体管特性引起的非线性失真，从而使输出波形基本上是正弦波。
    需要指出的是，由于负反馈的引入，在减小非线性失真的同时，降低了输出幅度，而且对输入信号的固有失真，负反馈是无能为力的。


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3.3.5 对输入电阻和输出电阻的影响

    1．对输入电阻的影响

    输入电阻是从放大电路输入端看进去的等效电阻。因为反馈放大电路输入端的反馈方式有串联和并联之分，故负反馈对放大电路输入电阻的影响与串联反馈还是并联反馈直接有关。
    （1）串联负反馈使输入电阻增大
在串联负反馈电路中，由于Vf和Vi串联作用于输入端，Vf抵消了Vi的一部分，因此，在Vi 相同的情况下，输入电流Ii比没有反馈时减小，故输入电阻rif = Vi／Ii 增大了。分析表明，串联负反馈使闭环输入电阻增加到开环输入电阻的（1＋FA）倍。
    （2）并联负反馈使输入电阻减小
在并联负反馈电路中，由于If对Ii有分流作用，因此，在Ib一定时，If的出现将使Ii 增大。也就是说，引入并联负反馈后使得闭环输入电阻减小，故Ii 增大。
    可以证明，引入并联负反馈后，使闭环输入电阻rif降到开环输入电阻ri的 1 /（1+FA）。

    2．对输出电阻的影响

    放大电路对负载而言，可等效为一个信号源。这个信号源的内阻就是放大电路的输出电阻。由于输出有电压反馈与电流反馈两种方式，故输出电阻的变化趋势就与电压反馈还是电流反馈直接有关。
    （1）电压负反馈使放大电路的输出电阻减小
在负反馈电路中，由于电压负反馈能够稳定输出电压，即使RL发生变化，也能保持输出电压稳定，放大电路近似于恒压源，其效果相当于减小了电路的输出电阻。
    分析表明，电压负反馈使放大电路闭环输出电阻减小到开环输出电阻的 [image] 。
    （2）电流负反馈使放大电路的输出电阻增大
    当引入电流负反馈后，电路具有稳定输出电流的作用，即使RL发生变化，也能保持输出电流基本稳定，放大电路近似于恒流源，其效果相当于增大了电路的输出电阻。
    引入电流负反馈后，电路的闭环输出电阻增加到开环输出电阻的（1＋AF）倍。
    综上所述，负反馈对放大电路输入和输出电阻的影响，可归纳以下两点：
    ①　放大电路引入负反馈后，输入电阻的改变取决于输入端的联接方式，而与输出端的取样对象（电压或电流）无直接关系（取样对象将决定AF的含义），串联负反馈使输入电阻增加，并联负反馈使输入电阻减小，增加和减小的程度取决于反馈深度。
    ②　放大电路引入负反馈以后，输出电阻的改变取决于输出端的取样对象，而与输入端的联接方式无直接关系，电压负反馈使输出电阻减小，电流负反馈使输出电阻增加，增加和减小的程度决定于反馈深度

仿真3-01 电压串联负反馈；

仿真3-02 电压并联负反馈；

仿真3-03 电流串联负反馈；

仿真3-04 电流并联负反馈；

    3.1 反馈电路有几种类型，各有何特点？
    3.2 如果输入信号已是一个失真的正弦波，试问引入负反馈后能否改善失真，为什么？


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(每题5分)

(1)一个放大器由两个相同的放大级组成。已知每级的通频带为10kHz，放大器的总通频带是：_______
10kHz 20kHz 大于10kHz 小于10kHz

(2)在差动放大器中，被抑制的是：__________
差模信号 共模信号 二者均有 二者均无

(3)电流并联负反馈对放大器的输入、输出的电阻的影响是：__________
减小输入电阻及输出电阻 　　 减小输入电阻、增大输出电阻
增大输入电阻、减小输出电阻 　 增大输入电阻及输出电阻

(4)要想稳定放大器的输出电压，并同时提高其输入电阻，则需引________负反馈。
电流串联 电流并联 电压串联 电压并联

(5)已知某深度负反馈电路中基本放大器的放大倍数A＝10000，反馈网络的反馈系数F＝0.01则闭环放大倍数AF为：__________
500 10000 100 250


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  • 理解用集成运算放大器组成的比例、加、减、积分和微分运算电路的工作原理；
  • 了解集成电压比较器的工作原理。
动画教学
名词解释
电路仿真


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    4.1 集成运算放大器简介

    4.1.1 集成运算放大器的特点

    集成电路一般是在一块厚0.2～0.5mm、面积约为 [image] 的P型硅片上通过平面工艺制做成的。这种硅片（称为集成电路的基片）上可以做出包含有数十个（或更多）二极管、电阻、电容和连接导线的电路。
    1．集成电路中元器件的特点
与分立元器件相比，集成电路元器件有以下特点：
    （1）单个元器件的精度不高，受温度影响也较大，但在同一硅片上用相同工艺制造出来的元器件性能比较一致，对称性好，相邻元器件的温度差别小，因而同一类元器件温度特性也基本一致；
    （2）集成电阻及电容的数值范围窄，数值较大的电阻、电容占用硅片面积大。集成电阻一般在几十欧姆～几十千欧姆范围内，电容一般为几十微微法拉。电感目前不能集成；
    （3）元器件性能参数的绝对误差比较大，而同类元器件性能参数之比值比较精确；
    （4）纵向NPN管β值较大，占用硅片面积小，容易制造。而横向PNP管的β值很小，但其PN结的耐压高。
    2．集成电路的设计特点
由于制造工艺及元器件的特点，模拟集成电路在电路设计思想上与分立元器件电路相比有很大的不同。
    （1）在所用元器件方面，尽可能地多用晶体管，少用电阻、电容；
    （2）在电路形式上大量选用差动放大电路与各种恒流源电路，级间耦合采用直接耦合方式；
    （3）尽可能地利用参数补偿原理把对单个元器件的高精度要求转化为对两个器件有相同参数误差的要求，尽量选择特性只受电阻或其他参数比值影响的电路


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    4.1.2 电路的简单说明

    １.集成运算放大器的组成方框图

    集成运算放大器

    图4.1.1 运算放大器方框图
    （1）输入级要使用高性能的差分放大电路，它必须对共模信号有很强的抑制力，而且采用双端输入、双端输出的形式。
    （2）中间放大级要提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器。
    （3）互补输出级由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。
    （4）偏置电流源可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。

图4.1.2 模拟集成运算放大器的符号

(1)为国家标准符号 (2)为原标准符号

    2．集成运算放大器的符号
    按照国家标准符号如图4.1.2所示。
    运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，一个输出端。一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号"+"表示；另一个称为反相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相异，用符号"－"表示。输出端一般画在输入端的另一侧，在符号边框内标有"+"号。实际的运算放大器通常必须有正、负电源端，有的品种还有补偿端和调零端。


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4.1.3 主要参数

    评价集成运放好坏的参数很多，它们是描述一个实际运放与理想放大器件接近程度的数据，这里仅介绍其中主要的几种。为了合理地选用和正确地运用运算放大器必须了解各主要参数的意义。
    1. 开环差模电压放大倍数Avd ：运放在无外加反馈条件下，输出电压与输入电压的变化量之比。
    2．最大输出电压 V OPP：能使输出电压保持不失真的最大输出电压，称为运算放大器的最大输出电压。
    3. 输入失调电压 V IO ：输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。VIO是表征运放内部电路对称性的指标。典型值为2mV 。
    4. 输入失调电流IIO：在零输入时，差分输入级的差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。一般为0.5～5μA 。
    5. 输入偏置电流IIB：运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。通常，IIB为0.1～10μA
    6.最大差模输入电压Vidmax：运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。
    7.最大共模输入电压Vicmax ：在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。
    8. 差模输入电阻rid ：输入差模信号时，运放的输入电阻。
    9. 共模抑制比 KCMR：与差分放大电路中的定义相同，是差模电压增益 与共模电压增益 之比，常用分贝数来表示。
                            KCMR＝20lg(Avd / Avc ) (dB)

    其他参数可查阅有关集成电路手册。


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4.1.4 理想运算放大器及其分析依据

   1．理想运算放大器的条件
    满足下列参数指标的运算放大器可以视为理想运算放大器。
    （1）差模电压放大倍数Aid＝∞，实际上Aid≥80dB或Aid≥104即可。
    （2）差模输入电阻Rid＝∞，实际上Rid比输入端外电路的电阻大2～3个量级即可。
    （3）输出电阻Rio＝0，实际上Rio比输入端外电路的电阻小2～3个量级即可。
    （4）带宽足够宽。
    （5）共模抑制比足够大。
    实际上在做一般原理性分析时，产品运算放大器都可以视为理想的。只要实际的运用条件不使运算放大器的某个技术指标明显下降即可。
    2．理想运算放大器的特性
    理想运算放大器具有"虚短"和"虚断"的特性，这两个特性对分析线性运用的运放电路十分有用。为了保证线性运用，运算放大器必须在闭环下工作。
    （1） 虚短
    由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10V～14 V。因此，运放的差模输入电压不足1mV，两输入端近似等电位，相当于“短路”。 开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。
虚短是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。
    （2） 虚断
    由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1MΩ以上。因此，流入运放输入端的电流往往不足1μA，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。 “虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。

动画4-01 虚短和虚断

[1] [2]


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4.2 运算放大器在信号运算方面的应用
    当运算放大器工作在线性区时，能完成比例、加法、减法、积分和微分等运算。
    4.2.1 比例运算
    1．反相输入
    输入信号通过R1加到运放的反相输入端，即反相输入，完成反相运算，它是比例运算的基本形式之一。电路如图4.2.1所示。输出信号通过负反馈电阻Rf也加到反相输入端，从而在反相输入端实现电流相加（I 1 ＝ Ii + If ），即引入电压并联负反馈，这种类型的应用电路称为反相输入组态。图中R2是输入平衡电阻，R2 应选为R1∥Rf 。
根据运放的基本特性可得：V+ ＝V－＝0，Ii＝If
图4.2.1 反相比例运算

    而
    故有：　　 　　　　　　　　　　（4.2.1）
    电压放大倍数： 　　　　　　　　　（4.2.2）

    由（4.2.1）式可知，电路的输出电压与输入电压反相且成比例（称为反相比例运算），其基本功能是实现比例运算。当Rf ＝R1时，Vo 与Vi之间实现了反相功能（称为反相器或反号器）。

    例4.2.1 在图4.2.1中，设R 1 ＝ 10kΩ，Rf ＝50kΩ，求Avf；如果vi ＝－1V，vo ＝？(答案)

仿真4-02 同相比例运算电路
[1] [2]


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  4.2.2 加法运算
    1. 反相输入加法运算
    在反相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，就构成了反相输入求和电路，见图4.2.3。此时两个输入信号电压产生的电流都流向Rf 。所以输出是两输入信号的比例和，
图4.2.3 反相求和运算电路

当 R 1=R2=Rf 时，输出等于两输入反相之和。

    2. 同相输入加法运算

图4.2.4 同相求和运算电路

对运放同相输入端的电位可用叠加原理求得：

而 V－=V＋由此可得出

式中RP=R1//R2//R',Rn=Rf//R．

  当Rp=Rn,R1=R2=Rf,时Vo=Vi1+Vi2

[1] [2]


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4.2.3 积分运算
图4.2.7 积分运算电路

    积分运算电路的分析方法与求和电路差不多，反相积分运算电路如图4.2.7所示。根据虚地有 [image] , 于是，

当输入信号是阶跃直流电压VI时，即

    例4.2.3 画出在给定输入波形作用下积分器的输出波形。

图4.2.8 积分器的输入和输出波形

    图4.2.8给出了在阶跃输入和方波输入下积分器的输出波形。这里要注意当输入信号在某一个时间段等于零时，积分器的输出是不变的，保持前一个时间段的最终数值。因为虚地的原因，积分电阻R两端无电位差，因此C不能放电，故输出电压保持不变。


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4.2.4 微分运算
图4.2.9 微分运算电路

    微分运算电路如图4.2.9所示。显然

    即输出电压与输入电压对时间的一次微分成正比。

仿真4-05 积分运算电路
仿真4-06 微分运算电路

    4.2.1 当同相输入端接地时，反相输入端的电位近似为零称此为"虚地"，既然如此是否可将两端连接起来？为什么？
    4.2.2 写出加法运算、减法运算、积分运算和微分运算的输出电压与输入电压的关系式。


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4.3 运算放大器在信号处理方面的应用
    运算放大器在信号处理方面常见的有信号滤波及信号比较等。

    4.3.1 有源滤波器

    有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。它是在运算放大器的基础上增加一些R、C等无源元件而构成的。
通常有源滤波器分为：低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）和带阻滤波器（BEF）。
滤波器也可以由无源的电抗性元件或晶体构成，称为无源滤波器或晶体滤波器。
    1. 有源低通滤波器（LPF）
（1） 简单一阶低通有源滤波器中的公式推倒是二阶低通有源滤波器的
    一阶低通滤波器的电路如图4.3.1所示，其幅频特性见图4.3.2，图中虚线为理想的情况，实线为实际的情况。特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。
图4.3.1 一阶LPF 图 | 4.3.2 一阶LPF的幅频特性曲线

    当f ＝ 0时，各电容器可视为开路，通带内的增益为
                                                 （4.3.5）
    二阶低通有源滤波器传递函数根据图4.3.3可以写出

                 ，
    通常有 ，联立求解以上三式，可得滤波器的传递函数
                         （4.3.6）

[1] [2] [3]


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4.3.2 电压比较器
    电压比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。常用的幅度比较电路有电压幅度比较器，具有滞回特性的比较器。这些比较器的阈值是固定的，有的只有一个阈值，有的具有两个阈值。
    1．过零比较器
    过零电压比较器是典型的幅度比较电路。在集成运放电路的反相输入端加入信号电压v s，同相输入端接地（V REF ＝ 0），即输入信号与零电平比较，称为过零电压比较器，它的电路图和传输特性曲线如图4.3.6所示。
图4.3.6 过零电压比较器

    2．电压幅度比较器
    将过零比较器的同相输入端从接地改接到一个固定电压值V REF上，就得到电压比较器，电路如图4.3.7所示。调节VREF可方便地改变阈值。输出端接的双向稳压管VZ可获得固定电压输出。

图4.3.7 固定电压比较器
仿真4-07 用运放接成的比较器
[1] [2]


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4.4 运算放大器在波形产生方面的应用

    4.4.1 方波发生器

    方波发生器是由滞回比较器和RC定时电路构成的，电路见图4.4.1。

图4.4.1 方波发生器 | 图4.4.2 方波发生器波形图

    1. 工作原理
    电源刚接通时
    设 [image] 所以 [image],电容C充电，v C升高。参阅图4.4.2。当vC＝V N≥V P时，vo＝-V Z，所以 [image] ，电容C放电， v C下降。
当vC＝V N≤V P时，vo＝+V Z，返回初态。

动画4-02 方波发生器

    方波的周期Ｔ用过渡过程公式可以方便地求出

                                            （4.4.1）


4-4-2

4.4.2 三角波发生器
    三角波发生器的电路如图4.4.3 所示。它是由滞回比较器和积分器闭环组合而成的。积分器的输出反馈给滞回比较器，作为滞回比较器的VREF。

图4.4.3 三角波发生器图 | 图 4.4.4 三角波发生器的波形图
    当vO1＝+VZ时,则电容C 充电, 同时vO按线性逐渐下降，当使A 1的Vp略低于V N 时，vO1 从+VZ跳变为-VZ。波形图参阅图4.4.4。
    在vO1＝-VZ后，电容C开始放电，vO按线性上升，当使A 1的Vp略大于零时，vO1 从-VZ跳变为+VZ，如此周而复始，产生振荡。vO的上升、下降时间相等，斜率绝对值也相等，故vO为三角波。
    输出峰值Vom：
    振荡周期：　 ；


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4.4.3 锯齿波发生器

    锯齿波发生器的电路如图4.4.5所示，图中的二极管D和R '将使充电时间常数减小为(R∥R ')C，而放电时间常数仍为RC。改变充、放电时间常数，第一级运放的输出vo1为占空比（高电平宽度占整个周期的比）可调矩形波脉冲，第二级运放的输出vo为波形可调锯齿波输出。该电路的波形图如图4.4.6所示。
图4.4.5 锯齿波发生器电路图

图4.4.6
    锯齿波的周期可以根据时间常数和锯齿波的幅值求得，锯齿波的幅值为：

           ，

于是有：
             ，　 [image] 　　（4.4.3）

                           （4.4.4）


4-5-1

4.5 集成功率放大器

    集成功率放大器广泛用于音响、电视和小电机的驱动方面。集成功放是在集成运算放大器的电压互补输出级后，加入互补功率输出级而构成的。大多数集成功率放大器实际上也就是一个具有直接耦合特点的运算放大器。它的使用方法原则上与集成运算放大器相同。
    集成功放使用时不能超过规定的极限参数，极限参数主要有功耗和最大允许电源电压。集成功放要加有足够大的散热器，保证在额定功耗下温度不超过允许值。集成功放一般允许加上较高的工作电压，但许多集成功放可以在低电压下工作，适用于无交流供电的场合。此时集成功放电源电流较大，非线性失真也较大。
集成功率放大器的品种和型号繁多，常见的有：LM380、LM384及LM386。图4.5.1 是由LM386构成的功率放大电路。图中，R2C4组成电源滤波电路；R3C3是相位补偿电路，用来改善高频时的负载特性；C2、C3还用于消振。
图4.5.1 集成功率放大电路


4-6-1

4.6 运算放大器中的负反馈

    负反馈的类型有四种，即电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈和电流并联负反馈。在此要分析反馈的属性、求放大倍数等动态参数。
    4.6.1 电压串联负反馈
图4.6.1 电压串联负反馈

    图4.6.1是同相比例运算电路，因输入信号和反馈信号加在运放的两个输入端，故为串联反馈，根据瞬时极性判断是负反馈，且为电压负反馈。结论是同相比例运算电路属交直流串联电压负反馈。
    它的电压放大倍数是


4-6-2

4.6.2 电压并联负反馈

    图4.6.2是反相比例运算电路，因反馈信号与输入信号在一点相加，故为并联反馈。根据瞬时极性法判断，为负反馈，且为电压负反馈。
    它的电压放大倍数是
图4.6.2 电压并联负反馈

    对于深度负反馈，

其中，Fg称为互导反馈系数。
    而电压增益为

式中Arf叫做闭环互阻放大倍数。


4-6-3

4.6.3 电流串联负反馈

    对图4.6.3，根据瞬时极性和反馈电压接入方式，可判断为串联负反馈。因输出电压短路，反馈电压仍然存在，故为串联电流负反馈。

这里忽略了Rf的分流作用。电压增益为

式中，A vf、Agf分别称为闭环电压放大倍数和闭环互导放大倍数。
图4.6.3 电流串联负反馈图


4.6.4 电流并联负反馈

    电流并联负反馈的电路如图4.6.4所示。因反馈节点与输入点相同，所以是电流并联负反馈。

图 4.6.4 并联电流负反馈图

    电流反馈系数是

    电流放大倍数
    显然，电流放大倍数基本上只与外电路的参数有关，与运放内部参数无关。电压放大倍数为


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4.7 使用运算放大器应注意的几个问题

    在集成运算放大电路的应用中，会碰到一些实际问题，如果对这些问题不了解和不设法解决，使用起来将十分困难，甚至根本不能工作。这些问题主要是，选用元件、消振、保护及扩大输出电流等。
    4.7.1 选用元件
    集成运算放大器类型很多，同一类型按其技术指标又分有许多型号。实际应用中，一定要根据需要认真的选型选号。元件确定后，还应进行参数测试以便掌握器件的实际数据与厂家给定的典型数据之间的差距，做到心中有数，这对缩短调试周期十分有益。


4-7-2

4.7.2 消振

    由于集成运放是一个高增益的多级放大器，虽然它是在负反馈条件下工作的，但由于在高频区将产生附加相移，这就可能使负反馈变为正反馈，此时，如反馈深度较深，即 [image] ≥1，就会产生自激振荡，从而使运放无法稳定地工作。
    要保证电路稳定地工作，就必须设法破坏自激振荡条件，即要做到当 [image] ≥1时，总相移小于180°或当总相移等于180°时，使 [image] ＜1。
    在电路中人为地加一些RC串联校正网络来改变电路的相频特性或幅频特性，破坏自激条件，这就是相位校正或相位补偿技术。
    一般运放出厂时，厂家都己给出相位校正端子及不同闭环增益下补偿元件RC的数据，可由产品手册上查到。


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4.7.3 调零

    对一个单片集成运放，总是要求输入为零时，输出也为零。但在实际中往往做不到，主要原因是运放中第一级差动放大电路存在着失调电压和失调电流，以及使用过程中电路上某些不合理之处也会引起输入为零时，输出不为零。为了减小偏差电压，就要求：
    1．失调电压、失调电流尽可能地小；
    2．两个输入端的直流电阻一定要相等；
    3．输入端总串联电阻不能过大；
    4．偏流应尽可能的减小。
这几条减小偏差的要点是使用运放中十分重要的问题。
    实际运放都有偏差调整端子，如F007中的①、⑤端子，在其间接入调零电位器RP。这里要注意偏差调整电路（调零电路）仅能人为做到零输入时零输出，而温度变化产生的失调温漂并不能通过调零电路来消除。


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4.7.4 保护

    集成运放的电源电压接反或电源电压突变，输入电压过大，输出短路等，都可能造成运放损坏，因此，使用时必须采取适当的保护措施。
    为了防止电源反接造成故障，可在电源引线上串入保护二极管，使得当电源极性接反时，二极管处于截止状态。
    为了防止差模或共模输入电压过高，而产生自锁故障（信号或干扰过大导致输出电压突然增高，接近于电源电压，此时不能调零，但集成运放不一定损坏），可在输入端加一限幅保护电路，使过大的信号或干扰不能进入电路。
    为了防止输出端碰到高压而击穿或输出端短路造成电流过大，可在输出端增加过压保护电路和限流保护电路。


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4.7.5 扩大输出电流

    实际运放的某些参数有时不能满足实际电路中的要求，特别是运算放大器的输出电流一般不大，如果负载需要较大电流时，可在输出端加接一级互补对称电路进行功能改善。
    有关运放实际应用中的一些具体方法、措施可参阅有关资料。


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(每题5分)
(1)设图中电路为理想集成运放，电路的输出电压Uo ＝ ______
RfUi / R1 - RfUi / R1 (1+ Rf/ R1)Ui -(1+ Rf/ R1)Ui

(2)由于集成工艺制造大电容不容易，因此集成电路通常大都采用__________，其低频特性好
电阻耦合方式 阻容耦合方式 变压器耦合方式 直接耦合方式

(3)设上图所示电路为理想集成运放，电路中存在如下关系：__________
U- ＝ 0 U- ＝ Ui U- ＝ Ui - I2R2 I1＝ If

(4)集成运算放大器实质是一个：__________
单级放大器 直接耦合的多级放大器 阻容耦合的多级放大器 变压器耦合的多级放大器

(5)能将矩形波变成三角形波的电路为：__________
比例运算电路 微分电路 积分电路 加法电路


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  • 了解用集成运算放大电路组成的RC正弦波振荡电路的工作原理。
动画教学
名词解释
电路仿真


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5.1 自激振荡原理

    5.1.1 正弦波发生电路的组成
    为了产生正弦波，必须在放大电路里加入正反馈，因此放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要部分。但是，这样两部分构成的振荡器一般得不到正弦波，这是由于很难控制正反馈的量。如果正反馈量大，则增幅，输出幅度越来越大，最后由三极管的非线性限幅，这必然产生非线性失真。反之，如果正反馈量不足，则减幅，可能停振，为此振荡电路要有一个稳幅电路。为了获得单一频率的正弦波输出，应该有选频网络，选频网络往往和正反馈网络或放大电路合而为一。选频网络由R、C和L、C等电抗性元件组成。正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名。正弦波发生电路是由放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路四部分组成的。


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5.1.2 产生正弦波的条件

    产生正弦波的条件与负反馈放大电路产生自激的条件十分类似。只不过负反馈放大电路中是由于信号频率达到了通频带的两端，产生了足够的附加相移，从而使负反馈变成了正反馈。在振荡电路中加的就是正反馈，振荡建立后只是一种频率的信号，无所谓附加相移。
图5.1.1 振荡器的方框图

    比较图5.1.1(a) 和 (b)就可以明显地看出负反馈放大电路和正反馈振荡电路的区别了。由于振荡电路的输入信号 [image] =0，所以 [image] = [image] 。由于正、负号的改变，有反馈的放大倍数为：

    振荡条件是 　　　| [image] | = 1　　　　　　　　　（5.1.1）
    幅度平衡条件 　　　| [image] | = 1　　　　　　　　　（5.1.2）

    相位平衡条件　　 [image] 　　　 　　　　（5.1.3）
 动画5-01 起振条件


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5.1.3 起振条件和稳幅原理
    振荡器在刚刚起振时，为了克服电路中的损耗，需要正反馈强一些，即要求

                      | [image] | ＞ 1 　　　　　　　（5.1.4）

    这称为起振条件。既然| [image] | ＞ 1，起振后就要产生增幅振荡，需要靠三极管大信号运用时的非线性特性去限制幅度的增加，这样电路必然产生失真。这就要靠选频网络的作用，选出失真波形的基波分量作为输出信号，以获得正弦波输出。
    也可以在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益，从而达到稳幅的目的。这在下面具体的振荡电路中加以介绍。


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5.2 文氏电桥振荡电路
    产生200kHz以下的正弦波振荡电路，一般采用振荡频率较低的RC振荡电路。常用的RC振荡电路有桥式振荡电路（又称文氏电桥振荡电路）。
图5.2.1 RC串并联网络

    5.2.1 RC网络的频率响应
    RC串并联网络的电路如图5.2.1所示。RC串联臂的阻抗用Z1表示，RC并联臂的阻抗用Z2表示。
    其频率响应如下：

    谐振频率为 [image] 　　　（5.2.1）
    当R1 = R2，C1 =C2时，谐振角频率和谐振频率分别为：
           （5.2.2）
    幅频特性
  （5.2.3）
    相频特性
                  （5.2.4）

    当f =f0时的反馈系数为1/3，且与频率f0的大小无关，此时的相角φF=0°。即调节谐振频率不会影响反馈系数和相角，在调节频率的过程中，不会停振，也不会使输出幅度改变。


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5.2.2 RC文氏电桥振荡电路
   1.RC文氏电桥振荡电路的构成
    RC文氏电桥振荡器的电路如图5.2.2所示，RC串并联网络是正反馈网络，另外还增加了R3和R4负反馈网络。
    C1、R1和C2、R2正反馈支路与R3、R4负反馈支路正好构成一个桥路，称为文氏电桥。当C1 =C2、R1 =R2时
                              （5.2.3）

            φF = 0°， [image] （5.2.4）

    为满足振荡的幅度条件 | [image] |=1，所以Af≥3。加入R3R4支路，构成串联电压负反馈
             （5.2.5）

[1] [2]
图5.2.2 RC文氏桥振荡器


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5.3 LC振荡电路
    LC正弦波振荡电路的构成与RC正弦波振荡电路相似，包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。这里的选频网络是由LC并联谐振电路构成，正反馈网络因不同类型的LC正弦波振荡电路而有所不同。
    LC正弦波振荡电路按其反馈电压的取出方式，可分为变压器反馈式、电感反馈式以及电容反馈式振荡电路。后两种振荡电路统称三点式振荡电路。
    5.3.1 电感三点式LC振荡电路
    电感三点式LC振荡电路又叫做哈脱莱振荡电路。
图5.3.1 电感三点式LC振荡电路（CB） | 图5.3.2 电感三点式LC振荡电路（CE）
    图5.3.1 为共基极电感三点式LC振荡电路。电感线圈L1和L2是一个线圈，2点是中间抽头。如果设某个瞬间集电极电流减小，线圈上的瞬时极性如图所示。反馈到发射极的极性对地为正，图中三极管是共基极接法，所以使发射结的净输入减小，集电极电流减小，符合正反馈的相位条件。图5.3.2是共射极电感三点式LC振荡电路。
电极之间，有Zbe、Zce、Zcb，如图5.3.3所示。对于图5.3.3 Zbe是L1、Zce是L2、Zcb是C。可以证明，若满足相位平衡条件，Zbe和Zce必须同性质，即同为电容或同为电感，且与Zcb 性质相反。 当回路的Q值较高时，该电路的振荡频率基本上等于LC回路的谐振频率，即 |
（5.3.1） 式中L = L1＋L2＋2M 为回路总电感。
 | 图5.3.3 电感三点式振荡电路
动画5-02 变压器反馈式LC振荡器


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5.3.2 电容三点式LC振荡电路

    电容三点式LC振荡电路又叫做考尔毕兹振荡电路。它与电感三点式LC振荡电路类似，所不同的是电容元件与电感元件互换位置。如图5.3.4所示。

图5.3.4 电容三点式LC振荡电路

    在LC谐振回路Q值足够高的条件下，电路的振荡频率为

    这种振荡电路的特点是振荡频率可做得较高，一般可达到100MHz以上，由于C2对高次谐波阻抗小，使反馈电压中的高次谐波成分较小，因而振荡波形较好。电路的缺点是频率调节不便，这是因为调节电容来改变频率时，既使C1、C2 采用双连可变电容，C1与C2也难于按比例变化，从而引起电路工作性能的不稳定。因此，该电路只适宜产生固定频率的振荡。

图5.3.5 由集成电路组成的三点式振荡电路

 仿真5-02 电感三点式振荡电路
仿真5-03 电容三点式振荡电路


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(每题5分)

(1)正弦波振荡器必须具备的组成部分是：__________
选频网络 反馈网络 滤波电路 A和B

(2)所谓振荡器的相位平衡条件，指的是输出端反馈到输入端电压必须与输入电压：__________
单向导电性 同相位 非线性

(3)当输入信号频率为fL和fH时，和中频相比，放大器的附加相移为 ：__________
30度 45度 +90度或-90度 180 度

(4)产生单一频率的振荡器，称为：__________
恒流源 正弦波振荡器 多谐振荡器 施密特触发器

(5)放大器的电压倍数为60dB，相当于把电压信号放大：__________
60倍 100倍 1000倍 10 倍


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6.1 直流电源组成方框图

    一般直流电源由如下几部分组成:
    整流变压器：将交流电源电压变换为符合整流需要的电压。
    整流电路：利用具有单向导电特性的电子器件，将交流电压转换为单向脉动电压。
    滤波电路：减少整流电压的交流成分，以适合负载的需要。
    稳压电路：采用负反馈技术，对整流后的直流电压进一步进行稳定。
直流电源的方框图如图6.1.1所示。
图6.1.1 直流电源电路组成方框图


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  • 了解单相整流、滤波、稳压电路的工作原理；
  • 了解集成稳压电路的应用。
动画教学
名词解释
电路仿真


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6.2 整流电路
图6.2.1单相半波整流电路

    整流电路有单相整流和三相整流电路。在单相整流电路里，包括有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流电路。本节将讨论半波整流和桥式整流电路。
    6.2.1 单相半波整流电路

    1.工作原理
    单相半波整流电路是最基本的整流电路，电路如图6.2.1所示。
整流电路工作时，利用整流二极管的单向导电特性作为开关使用。
当正半周时，二极管D导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。当负半周时，二极管D截止，在负载电阻上没有电流通过。因此加在负载电阻上的电压也仅是半个正弦波，是同一个方向的半波脉动电压，该波形见图6.2.2。
    2．参数计算
    根据图6.2.2可知，输出电压在一个周期内，只是正半周导电，在负载上得到的是半个正弦波。则有
负载上输出平均电压为

             （6.2.1）

图6.2.2 单相半波整流电路的电流与电压波形
流过负载和二极管的平均电流为
               （6.2.2）
二极管所承受的最大反向电压
                               （6.2.3）


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6.2.2 单相桥式整流电路
    1．工作原理
    单相桥式整流电路是工程上最常用的单相整流电路，如图6.2.3所示。

    图6.2.3 单相桥式整流电路
    整流电路在工作时，电路中的四只二极管都是作为开关运用，根据图6.2.3的电路图可知：
    当正半周时，二极管D1、D3导通（D2、D4截止），在负载电阻上得到正弦波的正半周；
    当负半周时，二极管D2、D4导通（D1、D3截止），在负载电阻上得到正弦波的负半周。
    在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。单相桥式整流电路的电流与电压波形见图6.2.4。
动画6-01 单相桥式整流电路
[1] [2]


6-3-1

6.3 滤波电路
   6.3.1 电容滤波电路
    滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C 对直流开路，对交流阻抗小，所以C 应该并联在负载两端。电感器L 对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L 应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量，又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。
        图6.3.1 电容滤波电路
    1．电容滤波电路
     以单相桥式整流电容滤波电路为例分析电容滤波的工作原理，电路如图6.3.1所示，显然，该电路只是在桥式整流的负载电阻上并联了一个滤波电容C。
    2．工作原理
图6.3.2 电容滤波电路波形

    电容滤波过程见图6.3.2。
    若v2处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C 充电。此时C 相当于并联在v2上，所以输出波形同v2 ，是正弦波。
    当v2到达ωt ＝π/2时，开始下降。先假设二极管关断，电容C 就要以指数规律向负载R L放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过ωt ＝π/2时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过ωt ＝π/2时二极管仍然导通。在超过ωt ＝π/2后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。所以在t2到t3时刻，二极管导电，C 充电，Vi＝Vo按正弦规律变化；t1到t2时刻二极管关断，Vi＝Vo按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。
    需要指出的是，当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移，t2点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小，电容滤波的效果好；反之，RLC 减少时，导通角增加。显然。当R L很小，即IL很大时，电容滤波的效果不好。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。
动画6-02 电容滤波电路

[1] [2]


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*6.3.2 电感滤波电路（L滤波器）

    桥式整流电感滤波电路如图6.3.4 所示。滤波元件L串在整流输出与负载RL之间（电感滤波一般不与半波整流搭配）。其滤波原理可用电磁感
图6.3.4 电感滤波电路
应原理来解释。当电感中通过交变电流时，电感两端便产生出一反电势阻碍电流的变化：当电流增大时，反电势会阻碍电流的增大，并将一部分能量以磁场能量储存起来；当电流减小时，反电势会阻碍电流的减小，电感释放出储存的能量。这就大大减小了输出电流的变化，使其变得平滑，达到了滤波目的。当忽略L的直流电阻时，RL上的直流电压VO与不加滤波时负载上的电压相同，即
          VO ＝ 0.9V2 　　（6.3.5）
与电容滤波相比，电感滤波有以下特点：
1．电感滤波的外特性和脉动特性比较平坦；
2．电感滤波电路整流二极管的导通角 θ＝π；
3．电感滤波输出电压较电容滤波为低。故一般电感滤波适用于输出电压不高，输出电流较大及负载变化较大的场合。


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6.3.3 复式滤波电路

    复式滤波电路常用的有电感电容滤波器（又叫LC 型滤波器或LC滤波器）和π 型滤波器两种形式。它们的电路组成原则是，把对交流阻抗大的元件（如电感、电阻）与负载串联，以降落较大的纹波电压，而把对交流阻抗小的元件（如电容）与负载并联，以旁路较大的纹波电流。其滤波原理与电容、电感滤波类似。
图6.3.5 电感电容滤波电路

    1．电感电容滤波器（LC滤波器）
如电感电容滤波器图6.3.5所示。
具有LC滤波器的整流电路适用于输出电流较大、输出电压脉动很小的场合。
    2．π 型滤波器（CLC滤波器、CRC滤波器）
图6.3.6为CLCπ型滤波电路，用于要求输出电压脉动更小的场合。但对整流二极管的冲击电流较大。图6.3.7为CRCπ型滤波电路，它适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动小的场合

图6.3.6 C LC π型滤波 | 图6.3.7 CRC π型滤波


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6.4 稳压电路
     经整流滤波后输出的直流电压，虽然平滑程度较好，但其稳定性是比较差的。其原因主要有以下几个方面：
    1．由于输入电压（市电）不稳定（通常交流电网允许有±10%的波动）而导致整流滤波电路输出直流电压不稳定；
    2．当负载RL变化（即负载电流IL变化）时，由于整流滤波电路存在一定的内阻，使得输出直流电压发生变化；
    3. 当环境温度发生变化时，引起电路元件（特别是半导体器件）参数发生变化，导致输出电压发生变化。
    所以，经整流滤波后的直流电压，必须采取一定的稳压措施，才能适合电子设备的需要。常用的稳压电路有稳压管稳压电路（又称并联型稳压电路）和串联型稳压电路两种类型。
    6.4.1 稳压管稳压电路
图6.4.1 稳压管稳压电路

    稳压管稳压电路如图6.4.1所示。它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳压的，由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。
    1. 当输入电压变化时如何稳压
    根据电路图可知

    输入电压VI的增加，必然引起VO的增加，即VZ增加，从而使IZ增加，IR增加，使VR增加，从而使输出电压VO减小。这一稳压过程可概括如下：

    这里VO减小应理解为，由于输入电压VZ的增加，在稳压二极管的调节下，使VO的增加没有那么大而已。VO还是要增加一点的，这是一个有差调节系统。
    2. 当负载电流变化时如何稳压
    负载电流IO的增加，必然引起IR的增加，即VR增加，从而使VZ＝VO减小，IZ减小。IZ的减小必然使IR减小，VR减小，从而使输出电压VO增加。这一稳压过程可概括如下：

    3. 稳压管的选取
    选择稳压管时，一般取

    例6.4.1 如图6.4.1所示稳压管电路，负载电阻R L由开路变到3kΩ，交流电压经整流滤波后为V I ＝ 45V。若使输出电压V O ＝ 15V，试选择稳压管DZ (答案)


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6.4.2 串联型稳压电路
      稳压二极管的缺点是工作电流较小，稳定电压值不能连续调节。线性串联型稳压电源工作电流较大，输出电压一般可连续调节，稳压性能优越。目前这种稳压电源已经制成单片集成电路，广泛应用在各种电子仪器和电子电路之中。线性串联型稳压电源的缺点是损耗较大、效率低。
    1．串联型稳压电路的组成方框图
    串联型稳压电路的组成方框图如图6.4.2所示，稳压电路见图6.4.3。
图6.4.2 串联型稳压电路方框图

    它由：
图6.4.3 串联型稳压电路

    取样电路--R 1、R2、R3；基准电压--DZ、R；调整电路--三极管
    比较放大电路--集成运放（误差放大器）组成
    反馈电压VF取样于输出电压VO加到集成运放反相端，基准电压VZ加到集成运放同相端，电路接成电压串联负反馈。
  2．稳压原理
    设输入电压变化，负载电流保持不变的情况
    输入电压VI的增加，必然会使输出电压VO有所增加，输出电压经过取样电路取出一部分信号VF与基准源电压VREF比较，获得误差信号ΔV 。误差信号经放大后，用V O1去控制调整管的管压降V CE增加，从而抵消输入电压增加的影响。

    读者可以用同样的方法来讨论当负载电流变化而输入电压保持不变时的情况。
    3．输出电压调节范围的计算
    根据图6.4.2可知
                        V F≈VREF
             （6.4.2）
    调节R2显然可以改变输出电压。

动画6-03 串联反馈式稳压电路
仿真6-03 串联反馈式稳压电路


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6.4.3 三端集成稳压电路

    将线性串联稳压电源和各种保护电路集成在一起就得到了集成稳压器。早期的集成稳压器外引线较多，现在的集成稳压器只有三个外引线：输入端、输出端和公共端。它的电路符号如图6.4.4所示，外形如图6.4.5所示。 要特别注意，不同型号，不同封装的集成稳压器,它们三个电极的位置是不同的，要查手册确定。

图6.4.4 集成稳压器符号 | 图6.4.5 外形图

    三端固定输出集成稳压器的典型应用电路如图6.4.6所示, 三端可调输出集成稳压器的典型应用电路如图6.4.7所示。
可调输出三端集成稳压器的内部，在输出端和公共端之间是1.25V的参考源，因此输出电压可通过电位器调节。
                             （6.4.3）
`

图6.4.6 三端固定输出稳压器应用电路 | 图6.4.7 三端可调输出稳压器应用电路


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  • 理解晶闸管的概念；
  • 了解晶闸管的结构、工作原理和主要参数。
动画教学
名词解释
电路仿真


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7.1.1 晶闸管的结构

    晶闸管的种类很多，有普通型、双向型、可关断型和快速型等。这里主要介绍使用最为广泛的普通型晶闸管。它的外形多为螺栓式，如图7.1.l所示。晶闸管的图形符号如图7.1.2。

图7.1.1 晶闸管的外型 | 图7.1.2 晶闸管的图形符号

    晶闸管有三个电极：阳极A、阴极K和控制极（也称门极）G。螺栓式晶闸管有螺栓的一端是阳极，使用时用它固定在散热器上；另一端有两根引线，其中较粗的一根引线是阴极，较细的一根是控制极。

图7.1.3 晶闸管结构示意图

    晶闸管的内部结构示意图，如图7.1.3所示，管芯由P型和N型半导体组成四层PNPN结构，形成三个PN结：J1、J2和J3。由端面N层半导体引出阴极K，由中间P层引出控制极G，由端面P层引出阳极A。所以，晶闸管又称为四层三端半导体器件。


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7.1.2 晶闸管的工作原理

    为了便于理解，下面我们用实验来说明晶闸管的工作原理。
    1. 晶闸管的反向阻断
    如图7.1.4（a）所示，将晶闸管的阴极接电源的正端，阳极通过灯泡L接V AA负端（此回路称为主电路），然后将控制极通过开关S接电源VGG的正端，阴极通过保护电阻R接V GG的负端（此回路称为触发电路）。这时，不管开关S闭合与否，灯泡L始终不亮。这说明当晶闸管加反向电压时，不管控制极是否加上正向电压，它都不会导通而处于阻断状态。这种阻断状态称为反向阻断状态。
    晶闸管为什么能反向阻断呢？由图7.1.3可知，晶闸管加反向电压时，虽然中间的PN结J2处于正向偏置，但是J1、J3两个PN结都处于反向偏置，故晶闸管不能导通。
    2. 晶闸管的正向阻断
    如图7.1.4（b）所示，当晶闸管加上正向电压时，如果开关S不闭合，灯也不亮。这就说明晶闸管尽管加上正向电压，但控制极未加正向电压时，也不会导通而仍处于阻断状态。这种阻断状态称为晶闸管的正向阻断状态。

图7.1.4 晶闸管工作原理实验图

    为什么晶闸管能够正向阻断呢？由图7.1.3可知，当晶闸管加正向电压，而控制极没有加正向电压时，虽然J1、J3两个PN结都处于正向偏置，但中间的PN结J2却处于反向偏置，所以晶闸管不会导通。

[1] [2] [3]


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7.1.3 晶闸管的主要参数

    为了正确地选择和使用晶闸管，对其主要参数应有所了解。晶闸管的主要参数有：
    （1）正向阻断峰值电压V FRM
    在控制极开路和正向阻断的条件下，允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压，称为正向阻断峰值电压。
    （2）反向阻断峰值电压V RRM
    在控制极开路时，允许重复加在晶闸管上的反向峰值电压，称为反向阻断峰值电压。
    V FRM和V RRM在数值上一般相近，统称为晶闸管的阻断峰值电压。通常把其中较小的那个数值作为该型号器件上的额定电压值，用V N表示。
    由于瞬时过电压也会使晶闸管损坏，因此晶闸管的额定电压V N应选为正常工作峰值电压的1.5～2倍，以确保安全。例如，如果用市电 220 V向一个晶闸管供电，则应选用标称额定电压VN值为 468～625 V的晶闸管为宜。
    （3）额定正向平均电流I F
    在规定的标准散热条件和环境温度（40°C）下，晶闸管的阳极和阴极间允许连续通过的工频正弦半波电流的平均值，称为额定正向平均电流。
    由于晶闸管的过载能力小，选用晶闸管的额定正向平均电流时，至少应大于正常工作平均电流的1.5～2倍，以留有一定的余地。
    （4）维持电流I H
    在室温下，控制极开路时，维持晶闸管继续导通所必须的最小电流，称为维持电流。当正向电流小于IH值时，晶闸管就自行关断。I H值一般为几十至一百多毫安。
    （5）控制极触发电压V G、触发电流I G
    在室温下，阳极加正向电压为直流6V时，使晶闸管由阻断变为导通所需要的最小控制极电压和电流，称为控制极触发电压和触发电流。VG一般为3.5～5V，I G约为几十至几百毫安。实际应用时，加到控制极的触发电压和电流应比额定值稍微大点，以保证可靠触发。


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7.2.1 单相半波可控整流电路
    1．具有电阻性负载的单相半波可控整流电路
    若用晶闸管T替代单相半波整流电路中的二极管D，就可以得到单相半波可控整流电路的主电路，如图7.2.1所示。设图中变压器副边电压 [image] ，负载 R L为电阻性负载。现将这种可控整流电路的工作原理分析如下：
    （1）工作原理
图 7.2.1 带电阻负载的单向半波可控整流电路及工作波形
    若晶闸管的控制极上未加正向触发电压，那么根据晶闸管的导通条件，不论正弦交流电压v 2 是正半周还是负半周，晶闸管都不会导通。这时，负载端电压Vo=0、负载电流 io=0，因而电源的全部电压都由晶闸管承受，即V T=V 2。
    当v 2 由零进入正半周，设a点电位高于b点电位，晶闸管承受正向电压，如果在 [image] 时「见图7.2.1（b）」，在控制极加上适当的触发脉冲电压 ，晶闸管将立即导通。电路中电流流向为a→T→R L→b。晶闸管导通后，其管压降约1V左右，若忽略此管压降，则电源电压全部加在负载R L上，即 [image] ，这样负载电流 [image] 。此后，尽管触发电压随即消失，晶闸管仍然继续导通，直到电源电压v 2 从正半周转入负半周过零的时候，晶闸管才自行关断。
    当v 2 在负半周时，因为晶闸管承受的是反向电压，所以即使控制极上加触发电压，晶闸管也不会导通。这时，负载电压、电流都为零，晶闸管承受v 2 的全部电压。在以后各个周期，均重复上述过程。
    从整流电路的工作波形图看，v o 、i o 均是一个不完整的半波整流波形（阴影部分）。在晶闸管承受正向电压的半周内，加上触发脉冲电压，使晶闸管开始导通的相位角 [image] 称为控制角，而晶闸管从开始导通到关断所经历的电角度 [image] 称为导通角，故 [image] 。显然， [image] 的大小是由加上触发脉冲的时刻来控制的。改变 [image] 的大小称为移相。 的变化范围称为移相范围。因此，改变 [image] 就可以方便地获得可调节的整流电压和电流。比较图7.2.1（b）与（c）可见，控制角 [image] 越小，则输出电压、电流的平均值越大。
[1] [2] [3] [4]


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7.2.2 单相桥式可控整流电路
    单相桥式可控整流电路通常有图7.2.5所示的三种，其中图（a）为单相桥式全控整流电路；图（b）为单相桥式半控整流电路；图（c）为单相桥式单控整流电路。现仅分析电阻性负载的单相桥式半控整流电路。
    1． 工作原理

    如图7.2.5（b）所示，在交流电压v 2 的正半周中，晶闸管T2因承受反向电压而关断，T1承受正向电压，当 [image] 时，给其控制极加上触发脉冲，T1便导通，负载R L承受一个上正下负的电压，电流流通路径为a→T1→R L→D2→b。 　 　　　　　　　在v 2为负半周时，T1关断，而T2因承受正向电压和相等控制角α下因vG 触发导通。T2导通后，负载R L 也承受一个上正下负的电压，电流流通路径为b→T2→R L→D1→a。所以在 的整个周期内，负载两端电压的波形如图7.2.6中 所示。
图7.2.6 单相桥式半控整流电路电压波形

[1] [2]


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7.3.1 晶闸管的过电流保护

    造成晶闸管过电流的主要原因有：负载端过载或短路，某个晶闸管被击穿短路，触发电路工作不正常或受干扰使晶闸管误触发而引起过电流等等。晶闸管允许过电流的时间短，例如一个100A的晶闸管，过电流为400A时，仅允许持续0.02s时间，否则将因过热而烧毁。过电流保护的作用就在于一旦发生过电流时，能快速地在允许时间内将过电流切断，以防止器件损坏。
    安装快速熔断器是晶闸管过流保护的主要措施。快速熔断器采用银质熔丝，其熔断时间比普通熔丝短得多，在同样的过电流倍数下，它可以在晶闸管损坏之前先行熔断，起到保护作用。

                                    表 7-3-1 选择快速熔丝的参考数据　　　　 [image] 　　　　　　　　　　　　　　　　 　必须指出，快速熔断器的额定电流 [image] 是以有效值标称的，而晶闸管的额定电流是以平均值 [image] 标称的，因此采用快速熔断器时，一般可按 [image] ＝ [image] 来选择。表7-3-1列出了几种晶闸管的额定正向平均电流与快速熔断丝额定电流的对应关系。 快速熔断器在电路中接入的方式有三种。如图7.3.1所示。
图7.3.1 快速熔断器在可控整流电路中的位置

    （1）接在交流侧，如图7.3.1（a）所示。这种接法对输出端短路和元件短路起保护作用。但是熔断器熔断之后，不能立即判断出是何处故障。
    （2）接在直流侧，如图7.3.1（b）所示。这种接法只对输出端过载或短路起保护作用，对晶闸管本身短路不起保护作用。
    （3）与晶闸管串联，如图7.3.1（c）所示。当某一晶闸管短路时，与其串联的熔断器熔断，其他部分不受影响。


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7.3.2 晶闸管的过电压保护

    引起过电压的主要原因是电路中含有电感元件（如变压器、电抗器线圈等）。例如，当变压器原边电路的拉闸、整流装置直流侧的开关切断，快速熔断器熔丝的熔断、晶闸管由正向导通转变为反向阻断时出现的自感电动势以及雷电等都可能引起过电压。
    晶闸管承受过电压的能力极差，当电路中电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易反向击穿而损坏。如果正向电压超过其额定电压，还可能引起晶闸管误导通。这种误导通次数频繁时，如导通电流较大，也可能使器件特性变坏，甚至损坏。因此，除选用管子时，必须考虑一定的电压安全系数外，还必须采取措施消除晶闸管上可能出现的过电压。

    消除过电压现象通常可以采用阻容吸收电路。晶闸管过电压阻容保护电路是利用电容来吸收过电压，其实质是将引起过电压的磁场能量变成电场能量储存在电容器之中，然后电容器通过电阻放电，把能量逐渐消耗在电阻中，这就是过电压保护的基本方法。
    阻容吸收装置的接入方式有三种，阻容吸收电路可以并联在晶闸管电路的交流侧、直流侧或器件侧，如图7.3.2所示。

图7.3.2 阻容吸收电路在可控整流电路中的安装位置

    阻容吸收保护应用广泛，性能可靠，但是对于能量较大、持续时间较长的过电压则不能完全抑制。在这种情况下，可采用硒堆保护，或同时使用阻容元件与硒堆并联保护。


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7.4.1 单结晶体管
    1．结构 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　 单结晶体管也是一种半导体器件。它的外形和普通三极管相似，同样有三个电极，但在结构上却只有一个PN结，故称为单结晶体管。如图7.4.1所示，它是在一块低掺杂（高电阻率）的N型硅基片一侧的两端各引出一个电极，称为第一基极B 1和第二基极B2。而在硅片的另一侧较靠近B 2处利用半导体工艺掺入P型杂质，形成一个PN结，引出电极称为发射极E。单结晶体管的发射极与任一基极之间都存在着单向导电性。这样，我们可将单结晶体管看成是一个二极管D和两个电阻R B1、 R B2的等效电路。其中R B1和R B2分别为两个基极至PN结之间的电阻。两基极之间的电阻R BB= R B1＋R B2，一般约有 2～15 kΩ。
图7.4.1 单结晶体管
[1] [2]


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7.4.2 单结晶体管触发电路
    图7.4.3是一个具有触发电路的桥式半控整流电路，图的上半部分是单结晶体管触发电路。
图7.4.3 单结晶体管触发电路
    1．触发电路的工作原理

图7.4.4 波形图

    假设在接通电源之前，图7.4.3中电容C的端电压 [image] 初始值为零。接通电源后，稳压电源 [image] 通过电阻R 1和R 2将电压加至单结晶体管的两基极B1、B2之间。因两基极间电阻 [image] 很大，故电流 [image] 很小，又由于 [image] 取值较小，所以 [image] 在 [image] 上产生的压降可以忽略。同时，电源又通过 [image] 向电容C充电，电容的端电压 [image] 按时间常数为 [image] 的指数规律上升，波形如图7.4.4所示。单结晶体管的发射极电压等于电容两端电压 [image] 。当 [image] 小于峰点电压 [image] 时，单结晶体管处于截止状态，B1极输出 [image] 。当 [image] 上升到等于 [image] 时，单结晶体管由截止突变为导通，其电阻 [image] 急剧减小，于是电容C上的电荷经E→B1→R 1迅速放电， [image] 急剧下降。这时发射极电流 [image] 等于流经电位器 [image] 的电流与电容的放电电流之和。短时存在的脉冲电流在R 1上转变为尖脉冲电压 [image] 。当 [image] 下降到单结晶体管的谷点电压 [image] 以下时，单结晶体管截止。截止以后电源再次经 [image] 向电容C充电，重复上述过程。于是在电阻R 1上就得到一个又一个的脉冲电压 [image] ，用来触发主电路中的晶闸管。

[1] [2]


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  • 掌握与门、或门、非门、与非门、异或门的逻辑功能。了解TTL、CMOS门电路的特点，了解三态门和集电极开路门的概念。
  • 掌握逻辑代数的基本运算法则，能应用逻辑代数分析简单的组合逻辑电路。
  • 了解加法器、编码器、译码器、数据分配器和数据选择器的工作原理。

动画教学
名词解释
电路仿真


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8.1.1 数字信号
图8.1.1 模拟信号
    自然界中，诸如温度、压力、速度等信号，它们都有在数值上随时间连续变化的特点，这种连续变化的信号习惯上称之为模拟信号。例如图8.1.1所示的正弦波信号，它在某瞬间的值可以是一个数值区间内的任何值。
    接收、处理和传递模拟信号的电子电路便是模拟电路，如交直流放大器、滤波器、信号发生器等。在研究模拟电路时，我们注重电路输入、输出信号间的大小和相位关系。
    还有一种信号，它们的数值不随时间连续变化。例如，生产线中的产品，只能在一些离散的瞬间完成，而且产品的个数也只能逐个增减。这种数值不随时间连续变化的信号便是数字信号。接收、处理和传递数字信号的电子电路便是数字电路。由于代表两个数值的二值信息很容易通过电路的两个完全相反的状态来实现，例如前面
图8.1.2 矩型波图 | 8.1.3 实际的矩形波图
    已经学过的二极管的导通与截止，三极管的饱和与截止等，所以数 字电路所处理的信号一般为承载着二值数字信息的矩形脉冲或(称方波)，如图8.1.2所示。实际的矩形脉冲并不像图8.1.2所示的那么理想，而是如图8.1.3所示。
    图中表明的几个参数：
    （1）脉冲高度 A--脉冲变化的最大值
    （2）上升时间 tr--从脉冲幅度的10%上升到90%所需的时间
    （3）下降时间 tf--从脉冲幅度的90%下降到10%所需的时间
    （4）脉冲宽度 t p--从上升沿的脉冲幅度的50%到下降沿的脉冲幅度的50%所需的时间，这段时间也称脉冲持续时间
    （5）脉冲周期 T-- 周期性脉冲相邻两个上升沿（或下降沿）的脉冲幅度的10%两点之间的时间间隔
    （6）脉冲频率 f--单位时间的脉冲数， f = 1 / T
图8.1.4 使用矩形脉冲来表示数字信号
    例如，使用矩形脉冲来表示数字信号11011100如图8.1.4所示，可采用不归0型(电位型)和归0型两种脉冲实现。前者以高电平实现1、低电平实现0；后者有脉冲实现1，无脉冲实现0，由于在相邻的1间，信号先回到0再变为1，故称归0型脉冲。
    此外，脉冲还有正和负之分。如果脉冲跃变后的值比初始值高，则为正脉冲，如图8.1.5（a）所示；反之，则为负脉冲，如图8.1.5（b）所示。
图8.1.5 正脉冲与负脉冲图
    与模拟信号相比，数字信号在抗干扰能力上具有明显的优越性。对于数字电路而言，干扰往往只影响脉冲幅度，在一定范围内不会混淆1和0的数字信息。另外，数字电路设计方便、低功耗、模块化开放性结构、便于维护和更新。数字电路的这些优点使其广泛应用于电子计算机、自动控制、电子测量仪表、电视、雷达、通信、核物理、航空航天等各个领域。
    本课程所介绍的数字电路可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。研究数字电路时注重电路输出与输入间的逻辑关系，主要的数学工具是逻辑代数，电路的功能可用逻辑表达式、逻辑状态表（真值表）及波形图等来表示。


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8.1.2 数制

    1.十进制数
    在表示物理量的大小时，一般使用进位计数制。十进制（Decimal System）是最常用的进位数制，它采用了0、1、2、3、4、5、6、7、8、9十个计数符号，这些计数符号称作数码，数码的个数叫做基数。进位计数制是把数码按一定规律排列起来表示数的。具体地说，在计数过程中，当某一位累计到基数时，便向高位进一，而本位又从零开始计数。十进制的基数为10，所以十进制的计算规则是“逢十进一”。因此，在进位计数过程中，当数码处于不同位置时，所表示的数值大小是不同的。例如，十进制数165.8可以展开为

    一个十进制数 N可以表示成：
    式中，K i为基数“10”的第i 次幂的系数，
    2．二进制数
    若在数字电路中采用十进制，在电路实现上必须要有十个状态与十个数码相对应。在技术上有许多困难，而且很不经济。 二进制在电路上却很容易实现，所以就自然成为数字电路中最常用的进位计数制。
    二进制数采用0和1两个数码，其基数是2，计数时“逢二进一”。例如：

    一个二进制数 N可以表示成：
    式中，Ki为基数2的第i 次幂的系数，
可以看出，二进制数与十进制数的区别在于数码的个数和进位的规律不同。一个二进制数可以转换为与其等效的十进制数，转换时只要把每一位的等值十进制数相加就可以了。例如，将二进制数1011.01转换为十进制数：

    3．十六进制数
    为了克服二进制位数多、不便于书写和记忆的缺憾，在数字电路中还常采用 十六进制。十六进制采用0～9和A、B、C、D、E、F十六个数码，其中A～F分别对应于十进制数的10～15。十六进制的基数是16，计数时“逢十六进一”。例如：

    一个十六进制数N可表达如下：
式中K i为基数16的第i 次幂的系数，
    将十六进制数中每一位的等值十进制数相加，就可得到等效的十进制数。如：

    由于四位二进制数正好等于一位十六进制数，因此，二进制数与十六进制数可以很方便地相互转换。将二进制数转换成十六进制数时，以小数点为界，沿前后两个方向把四位二进制数划为一组，把每一组用等值十六进制数代替，便得到等值十六进制数。例如：

    反之，将十六进制数转换为二进制数时，只要将十六进制数逐位用相应的四位二进制数代替即可。例如：

    由此可见，同一个数，用十六进制记数要比用二进制记数方便得多，再加上二进制与十六进制之间的转换很容易，因此，在数字系统中也经常用十六进制记数。

[1] [2]


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8.1.3 BCD码
    数字电路所处理的全部信息必须用0和1来表示，所以，在数字电路中，0和1不仅可代表二进制数的两个数码，即它们按二进制计数规律排列起来表示数值的大小，而且还可按照其他规律排列起来表示特定的信息。在这种情况下，0和1不再带有数量的含义，而是不同事物的代号，称之为代码（Code）。在同一个系统中，代码与所表示的信息之间应该有一个对应的关系，建立这种关系的过程称为编码。二进制编码就是使用二进制代码来表示相应信息的过程。
    n 位二进制数总共可以组合成 [image] 个代码，如果所需要编码的信息有N 个，则需要的二进制数码位数n 应满足如下关系：
    如果把十进制数的十个数码0～9用二进制代码来表示，称之为二-十进制编码，即BCD（Binary Coded Decimal)编码。BCD码由四位二进制代码组成，由于四位二进制数总共可以组成24＝16个代码，而编码十进制数只需使用十个代码，因此，二-十进制编码的方案可以有很多种，例如常用的8421码、2421码、5421码、余3码等。前三种属于有权编码，后一种属于无权编码。
    在有权BCD码中，十进制数 (N)D与二进制编码 (K3K2K1K)B的关系可以表示为：
       ，　　W3～ W0为二进制各位的权重。
    8421码各位的权重是8、4、2、1，故称8421码，它由四位二进制数从小到大十六种组合中的前十种组合而成，也就是0000～1001，其余六种组合是无效的。这是一种最为常见的BCD编码方案。
    顾名思义，2421码各位的权重是2、4、2、1，5421码各位的权重是5、4、2、1。
余3码是由8421码加3（0011）得来的，不能用表(8.1.1)来表示其编码关系，因此它是一种无权码。
    下表列出二进制数与一些BCD编码之间的关系。
    应该指出的是，BCD码和二进制数在形式上有一定的相似之处，但它们是完全不同的两个概念。例如，十进制数135转换为等值的二进制数时，其结果为
但是用8421BCD码表示时，其结果为


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8.2 晶体管的开关作用

    晶体三极管除了可作为放大器件应用于各种模拟电路中外，还可以作为开关器件应用在数字电路中。
以双极型晶体三极管为例，由于静态工作点的位置不同，晶体管有三种工作状态。
    1．放大状态
    如图8.2.1所示，当晶体管静态工作点处于输出特性曲线的平坦部分即放大区时，晶体管工作在放大状态，此时的特征为：
    (1) 发射结处于正向偏置（V BE＞0），集电结处于反向偏置（VBC＜0），如图8.2.2(a)所示。
图8.2.1 双极型三极管的三种工作区

    (2) 集电极电流是基极电流的β倍，即I C＝βI B
    2．饱和状态
    如果调小基极偏置电阻RB，使基极电流IB增加，则工作点Q将向上移动。当工作点移到Q1位置时则已到达特性曲线的弯曲部分，如图8.2.1所示。如果再继续增加I B，则集电极电流I C已增加得很少，两者在大小关系上不再满足I C＝βI B，而是I C＜βI B，这时，晶体管就失去电流放大作用，进入饱和区。
    当晶体管工作在饱和状态时，其输出电压V CE已减到很小，对NPN型硅管而言，V CE＝V CE(sat)≈0.3V，比V BE(sat)(约为0.7V)还要小。即集电极电位比基极电位低，集电结已转为正向偏置，如图8.2.2(b)所示。所以发射结集电结均正偏是判断三极管饱和的重要特征。
饱和时的集电极电流I C(sat)可由下式估算：

图8.2.2 双极型晶体管的三种工作状态
(a)放大；(b)饱和；(c)截止

    综上所述，晶体管工作于饱和状态时：
     ，这是饱和的条件；发射结和集电结都处于正向偏置； [image] 、

[1] [2]


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8.3.1 门电路的概念
     门电路是数字电路最为基本的逻辑元件，应用十分广泛。所谓门电路实际上就是一种开关电路，当满足一定条件时它能允许数字信号通过，条件不满足时数字信号就不能通过。所以，门电路是一种逻辑电路。
    我们已经知道，在数字电路中信号表现为高低两种电平,称为逻辑电平，这和相互对立的逻辑状态相对应，至于高低电平的具体数值，则由数字电路的类型来决定。这样，就将高低电平问题转化为逻辑问题，故数字电路又有逻辑电路之称。通常用符号0（称作逻辑0）和1（称作逻辑1）来表示两种对立的逻辑状态，如下表所示。

    需要说明的是，究竟用逻辑符号0还是1来表示高电平可以人为决定，于是出现了两种逻辑体制即正逻辑（1表示高电平、0表示低电平）和负逻辑（1表示低电平、0表示高电平）。本课程未作特殊说明时均采用正逻辑。
    数字电路中，最基本逻辑关系有三种，即“与”逻辑、“或”逻辑和“非”逻辑。与此对应的基本门电路便是“与”门、“或”门和“非”门。由这三种基本逻辑门电路可以组合成其它复合逻辑门电路。
    门电路可以用分立元件组成。但由于分立元件电路的种种欠缺（诸如体积大、可靠性差、耗能大等等），如今广泛使用的是集成门电路。通过本节的学习，读者可从中掌握基本门电路的概念。
    下面以普通照明电路为例来说明三种基本逻辑的概念。我们约定开关的两个相反状态--接通和断开分别对应逻辑值1和0；灯泡的两个相反的状态--亮和灭分别对应逻辑值1和0。
    1．“与”逻辑
图8.3.1 由开关组成的逻辑关系

    在图8.3.1(a)的照明电路中，开关A 和B 相串联，只有当二者同时接通时(条件)，电灯才亮(结果)。换言之，A 和B 中只要有一个不接通或二者均不接通时，则灯泡不亮。这种逻辑关系称为“与”。
    若把开关的状态看成该逻辑问题的输入，用逻辑变量 A、B 分别表示；灯泡的亮或灭状态看成该逻辑问题的输出并用Y 表示，则Y 是变量A、B 的逻辑函数，可写成Y＝ A·B
    其中符号“·”表示“与”逻辑运算，也称逻辑乘运算。逻辑乘运算与数值乘法运算规则不同，定义如下：
      0·0＝0；　1·0＝0；　0·1＝0；　1·1＝1
    值得注意的是，无论是逻辑变量还是逻辑函数，它们的取值只有两个：0和1。

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8.3.2 二极管"与"门电路
    以上是使用有触点的开关来实现的门电路，现在来介绍使用晶体二极管所组成的门电路，显然，后者比前者更具体积小、寿命长等优点。
    图8.3.2(a)所示的是二极管“与”门电路，A，B，C 是它的三个输入端，Y 是输出端。图8.3.2(b)是它的图形符号。
图8.3.2 二极管与门电路及其图形符号

    当输入端A、B、C 全为1时，设三者电位均为3V。三管均承受正向电压而导通，因为二极管的正向压降较小(硅管约0.7V，锗管约0.3V，此处一般采用锗管)，输出端Y 的电位则被箝制在3V附近，比3V略高一点，属于高电平的范畴。输出端Y 的逻辑值为1。
    当输入端只要有一个为0，即电位在0V附近，例如A 为0，另外两个为1，则 D A先导通，输出端Y的电位被钳制在0V附近，属于低电平范畴。输出端Y 的逻辑值为0。二极管D B和D C因承受反向电压而截止。

    由此可见，只有当输入端A，B，C 全为1时，输出端Y 才为1，否则输出就是0，这符合“与”逻辑，所以它是一种“与”门。“与”逻辑关系为

                      Y＝A·B·C　　　　　　　　(8.3.1)
    图8.3.2有三个输入端，每个输入信号（逻辑变量）有1和0两种状态，共有八种组合。表8.3.1为三逻辑变量的与门逻辑状态表。


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8.3.3　二极管“或”门电路

    图8.3.3所示的是二极管“或”门电路及其逻辑符号。

图8.3.3 二极管或门电路及其图形符号

    “或”门的输入端中只要有一个为1，输出就为1。例如只有A 端为1(设其电位为3V)，则A 端的电位比B，C 高。D A优先导通，Y 端电位比A 端略低(D A正向压降约为0.3V)，仍属于3V附近这个高电平范畴，故输出端Y 的逻辑值为1。由于Y 端的电位比输入端B，C 高，D B和D C因承受反向电压而截止。
  只有当三个输入端全为0时，此时三管都导通，输出端Y 的电位在0V附近，属于低电平范畴，故输出端Y 的逻辑值为0。这符合“或”逻辑，所以它是一种“或”门。“或”逻辑关系可用下式表示：
                       (8.3.2)

                            表8.3.2“或”门逻辑状态表


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8.3.4 晶体管“非”门电路
    图8.3.4所示为晶体管“非”门电路及其逻辑符号。“非”门电路只有一个输入端A。当A为1(设其电位为3V)时，晶体管饱和，其集电极即输出端Y为0(其电位在零伏附近)；当A为0时，晶体管截止，输出端Y为1(其电位近似等于V CC)。所以"非"门电路也称为反相器。加负电源V BB是为了当A为0时使晶体管可靠截止。
    “非”逻辑关系可用下式表示： 　　　　　　　　　　 (8.3.3)
图 8.3.4 晶体管非门电路及其逻辑符号 | 图8.3.5 “与非”门电路及其图形符号

表8.3.3“非”门逻辑状态表

    如果把上述三种基本逻辑电路按需要组合起来，可构成新的逻辑功能，例如，二极管“与”门和晶体管“非”门组合起来构成的“与非”门就是一种常用的门电路，如图8.3.5所示。
    “与非”门的逻辑功能是：当输入端全为1时，输出为0；否则，输出为1。
    “与非”逻辑关系可用下式表示：　　 　　　　　　　　　　 (8.3.4)
表8.3.4 “与非”门逻辑状态表

 1．在逻辑代数问题中，基本的逻辑运算有哪些？它们是怎么定义的？
2．在数字电路和数字信号中，什么叫正逻辑与负逻辑？


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8.4.1 TTL“与非”门电路
    图8.4.1是最常用的TTL“与非”门电路及其逻辑符号，由输入级、中间级和输出级三个部分组成。其中，多发射极晶体管 T1、R 1组成了输入
图8.4.1 TTL“与非”门电路及其逻辑符号
级。T1的集电结可看成一个二极管，而它的发射结可看成与前者背靠背的三个二极管，如图8.4.2所示。这样，T1的作用就相当于二极管“与”门的作用，作为T3和T5输出级的驱动信号。T3、T4、T5、R 4和R 5组成了推拉式（亦称互补）输出级电路。其中，T3、T4构成复合管。采用这种输出级使门电路有较好的带负载能力，并可提高开关速度。
    1．工作原理
    （1）输入端不全为“1”的情况
    当输入端中有一个或几个为0（约为0.3V）时，则T 1的基极与逻辑值为0的发射极间处于正向偏置。这时电源通过R 1为T1提供基极电流。T 1的基极电位约为0.3＋0.7＝1V，这个1V的电压不具备打开由T1的集电结、T2和T5的发射结所组成的三个二极管的能力，所以T2、T5截止。由于T2截止，其集电极电位接近于V CC，T3和T4因此而导通，所以输出端Y的电位为　 [image] ，
图8.4.2 集成电路中的多发射极晶体管
I B3很小，可忽略不计，于是 [image] 即输出端Y 的逻辑值为1。
    由于T 5截止，当接入负载后，就有电流从V CC经R 4流向每个负载门，这种电流称为拉电流。
    (2) 输入端全为“1”的情况
    由于T1的右路导通需T1的基极电位为2.1V左右，所以当输入端全为1（约为3.6V）时，T1的三个发射结都处于反向偏置，电源通过R 1和T1的集电结能够向T2提供足够的基极电流，使T2饱和，T2的发射极电流在R 3上产生的压降又为T3提供足够的基极电流，使T5也饱和，所以输出端Y 的电位为　　 [image] ，即输出端Y 的逻辑值为0。
T2的集电极电位为
    这个1V的电压加到T3、T4的两个发射结和负载电阻上，不足以使T3、T4同时导通，因此T4截止。由于T4截止，当接负载后，T5的集电极电流全部由外接负载门灌入，这种电流称为灌电流。
动画8-02 TTL“与非”门电路工作原理
    图8.4.3是两种TTL“与非”门芯片的封装图。每个芯片内部的各个门互相独立，但电源线和地线可分别共用。
图8.4.3 TTL“与非”门外引线排列图
      （a）CT74LS20（4输入2门） 　　　　　　　　　　　　（b）CT74LS00（2输入4门）

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8.4.2 三态门
    三态“与非”门的输出除了具有与前述“与非”门相同的高低电平外，还具有高输出电阻的第三种状态，称为高阻状态。
    图8.4.6给出了TTL三态输出“与非”门电路及其逻辑符号。它与图8.4.1比较，只是多出了一个二极管D，其中A 和B 是输入端，E 是控制端或称使能端(通常接另一“与非”门的输出端)。
    1．工作原理
图8.4.6 TTL三态输出“与非”门电路及其逻辑符号

    当控制端E＝1时，控制端E放弃其控制权，三态门的输出状态则由输入端A，B 决定，电路处于“与非”逻辑工作状态，即输入全为1时输出为0，输入中有0则输出为1。
    当E＝0(约为0.3V)时，控制端E实施其控制权，这时，T1的基极电位约为1V，致使T2和T5截止。同时，二极管D 导通，将T2的集电极电位箝位在1V，从而使T4也截止。既然与输出端相连的两个晶体管T4和T5都截止，而不管输入端A，B 的状态如何，所以，输出端相当于开路而呈第三态--高阻状态。
    三态输出“与非”门的逻辑状态表见下表
                                                          (×表示任意态)
    请注意，以上电路是当控制端为低电平时出现高阻态，只要对电路稍加修改，就可实现高电平时电路处于高阻态。

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8.4.3 集电极开路门
    集电极开路门，又称OC门。图8.4.8为TTL OC“与非”门内部电路及其逻辑符号，它与图8.4.1相比，少了T3和T4两个晶体管，并将输出管T5的集电极开路。工作时，T5的集电极(即输出端)通过外接电源和电阻R L作为OC门的有源负载。
图8.4.8 TTL OC“与非”门电路及其逻图形符号 | 图8.4.9 OC门的输出端直接接继电器图
  （1）利用OC门可以直接驱动较大电流的负载
    OC门的输出端可以直接驱动较大电流的负载，如继电器、指示灯、发光二极管等，如图8.4.9所示(图中接有继电器线圈)。而普通TTL“与非”门不允许直接驱动电压高于5V的负载，否则“与非”门将被破坏。
（2）利用OC门可以实现“线与”结构
    将几个OC门的输出端相联，而后通过负载电阻R L接电源，如图8.4.10所示。当OC门的输出全为高电平时，Y＝1，这时每个门的输出管都截止；当只要有1个OC门输出为0时，Y＝0。这就实现了“线与”的功能，即将多个输出信号在输出端按“与”逻辑输出。不过，这时的负载电阻R L要选择适当。
    普通“与非”门的输出端不允许直接相联。否则，当一个门的T5管截止输出高电平，而另一个门的T5管导通输出低电平时，将有较大电流从截止门流到导通门(图8.4.11)，可能会将两个门损坏。
        图8.4.10 “线与”电路图图 　　　　　　　　图8.4.11 两个门的输出端直接相联
动画8-03 OC门的结构及应用
1．什么是TTL门电路的低电平噪声容限VNL和高电平噪声容限？
2．说明三态门和OC门的典型应用。


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8.5.1 NMOS门电路
     1. E/EMOS反相器
    （1）电路结构
    反相器又称“非”门电路，NMOS反相器如图8.5.1所示。图中T1为输入器件也称驱动管；T2的栅极与漏极相联，作为T1漏极的负载电阻，故称负载管。由于使用集成电路制造工艺来制作一个高阻值的电阻比制作一个MOS管难得多，所以负载电阻常用MOS管来代替。MOS管导通后的导通电阻（漏极与源极之间的电阻）与其跨导g m有关。跨导大的则其导通电阻小。驱动管T1的跨导较大，一般为100～200μA/V；而负载管T2的跨导较小，一般为5～10μA/V。因此，T2的导通电阻比T1要大许多。
图8.5.1 图8.5.2 NMOS“非”门电路

  （2）工作原理
    当输入端A为1时，T1的栅一源电压V GS大于它的开启电压，T1导通。由于T2的栅极与漏极相联并接到正电源V DD上，其栅源电压也一定大于开启电压，T2总是处于导通状态。又因为T1的导通电阻远比T2的小，其管压降很小，故输出端Y 为0。
当输入端A为0时，T1的栅一源电压低于它的开启电压，T1截止，而T2总是处于导通状态，故输出端Y 为1。
    2.NMOS“与非”门电路
    （1）电路结构
    NMOS“与非”门电路如图8.5.2所示，其中，T3为负载管，T1和T2相串联，为驱动管。

      图8.5.2 NMOS“与非”门电路　　　　图8.5.3 NMOS“或非”门电路

   （2）工作原理
    当A，B两个输入端全为1时，T1与T2两管导通，它们的导通电阻都比负载管的低得多，因此这两个驱动管的管压降都很小，输出端Y为0。
    当输入端有一个或全为0时，则串联的驱动管截止，输出端Y 为1，这时与高电平输入端相联的管子形成导电沟道。
    3.NMOS“或非”门电路
    图8.5.3 是NMOS“或非”门电路，T1和T2两个驱动管并联，然后再与负载管T3串联。
    当A，B两个输入端全为1或其中一个为1时，则相应的驱动管导通，输出端Y 为0。只有当输入端A，B全为0时，T1和T2都截止，输出端Y才为1。这种“或非”逻辑关系可用下式表示：


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8.5.2 CMOS门电路
    CMOS电路是在MOS电路的基础上发展起来的一种互补对称场效应管集成电路，由于功耗较低，目前用得最多。
    1. CMOS反相器
    （1） 电路结构
    CMOS反相器又称“非”门电路，如图8.5.4所示。图中，驱动管T1采用N沟道增强型（NMOS），负载管T2采用P沟道增强型（PMOS），它们同制作在一块硅片上。两管的栅极相联作为反相器的输入A，两管的漏极相连由此引出输出端Y。两者联成互补对称的结构，衬底都与各自的源极相联。
    （2）工作原理
图8.5.4 CMOS“非”门电路
    当输入端A为1（约为VDD）时，驱动管T1的栅一源电压大于开启电压，它处于导通状态；而负载管T2的栅一源电压小于开启电压的绝对值，它不能开启，故处于截止状态。这时，T2的电阻比T1高得多，电源电压主要降在T2上，故输出端Y为0（约为0伏）。

    当输入端A为0（约为零伏）时，T1截止而T2导通。这时，电源电压主要降在T1上，故输出端Y 为1（约为VDD）。
    与NMOS相比，CMOS“非”门电路有不少优点，例如：
    ① NMOS非门当T1导通时作为负载管的T2也导通，这样功耗较大。而CMOS两管不是同时导通，当T1导通时作为负载管的T2截止，电阻很高，流过电路的电流很小，仅为管子的漏电流（小于微安级），所以，这种联成互补对称的“非”门电路的功耗极小，每门静态功耗只有0.01mW，（TTL每门功耗约10mW）
    ② 由于输出低电平约为零伏，输出高电平约为VDD，因此，输出幅度加强了，由此可以取用较低的电源电压，便于和使用较低电源电压的TTL或其他电路联接。
    CMOS电路的上述优点使其在微型计算机、自动化仪器仪表等电子设备中得到广泛应用。其主要缺点是制造工艺较复杂和集成度较低。
[1] [2] [3] [4]


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8.6.1 逻辑代数运算法则

    逻辑代数又称布尔（Boolean）代数，是分析和设计逻辑电路的数学工具。尽管逻辑代数和普通代数一样也用字母表示变量，但变量的取值只能是逻辑1和逻辑0。这里，0和1不是数字符号，而是代表两种相反的逻辑状态。因此，逻辑代数所表示的是逻辑关系，而不是数量关系。另外，逻辑运算与算术运算也有很大的区别，例如，在数学运算中，1＋1＝２，而逻辑运算1＋1＝1。这些都是它与普通代数不同之处。
    在8.3节我们定义了逻辑乘(“与”运算)、逻辑加(“或”运算)和求反(“非”运算)三种基本运算。本节根据这三种基本运算来推导逻辑运算的一些法则。
    1．基本运算法则

        （１）

    2．交换律

     ；

    3．结合律 　　 [image] ； [image] 　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　 4．分配律
     ；

[1] [2]


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8.6.2 逻辑函数的表示方法

    逻辑函数常用如下四种方法表示，即逻辑状态表（也称真值表）、逻辑表达式、逻辑图和卡诺图。这四种表示法之间可以相互转换。下面举例说明逻辑函数这四种表示方法。

     例8.6.1 在三岔路口相会处有一盏照明灯，在路口的A，B，C三处各有一个控制开关，能独立地对照明灯进行控制。闭合任意一个开关，灯亮；闭合任意两个开关，灯灭；三个开关同时闭合灯亮。解法一,解法二,解法三


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8.6.3 逻辑函数的简化

    由逻辑状态表写出的逻辑式，以及由此而画出的逻辑图，往往比较复杂。如果经过化简，就可以少用元件，可靠性也因此而提高。
    1.应用逻辑代数运算法则化简
    (1)并项法
    应用 [image] ，将两项合并为一项，并可消去一个或两个变量。如：

    (2)配项法
    应用 [image] ,将 [image] 与某乘积项相乘，而后展开、合并化简。如：

[1] [2] [3] [4]


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8.7.1 组合逻辑电路的分析
    确定已知组合逻辑电路的逻辑功能，称之为组合逻辑电路的分析。其步骤：
    （1） 写出给定逻辑电路的逻辑函数表达式。一般方法是从输入到输出逐级写出逻辑函数表达式。
    （2） 对写出的逻辑函数表达式进行逻辑化简。
    （3） 根据化简后的逻辑函数表达式列出逻辑状态表（真值表）；
    （4） 根据逻辑状态表或逻辑函数表达式对逻辑电路进行分析，并确定其功能。
    即： 已知逻辑图→写逻辑式→运用逻辑代数化简→列逻辑状态表→分析逻辑功能
    我们举两个简单例子来具体看看组合逻辑电路的分析方法和步骤。对于复杂组合逻辑电路的分析，方法与之相同。

  ［例8.7.1］分析图8.7.1（a）的逻辑功能(答案)

图8.7.1　“异或”逻辑图

    ［例8.7.2］分析图8.7.2（a）的逻辑功能。(答案)

图8.7.2　“同或”关系的一种实现


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8.7.2 组合逻辑电路的设计
    组合逻辑电路的设计与分析过程相反，它是根据给定的实际逻辑问题，求出能够实现这一逻辑问题的逻辑图。其步骤大致如下：
    （1） 根据电路逻辑功能的要求，列出逻辑状态表；
    （2） 由逻辑状态表写出逻辑表达式；
    （3） 化简逻辑表达式；
    （4） 画出逻辑图。
    前面已经讲过，同一个逻辑关系可有多种实现方案。为了提高电路工作可靠性和经济性等，组合逻辑电路的设计通常以电路简单、所用器件最少为目标，但应避免所设计的组合逻辑电路发生竞争冒险，竞争冒险解释为：“因数字信号传递路经不同而使传输端在瞬间产生错误输出的现象”。
    我们举两个简单例子来具体看看组合逻辑电路设计的方法和步骤。

［例8.7.3］试设计一逻辑电路供三人(A，B，C)表决使用。每人有一电键，如果他赞成，就按电键，表示电键的逻辑值为1；如果不赞成，不按电键，表示0。表决结果用指示灯来指示，如果多数赞成，则指示灯亮，表示灯状态的逻辑值为Y＝1;反之则不亮，Y＝0。(答案)

［例8.7.4］在集成电路中，“与非”门是最为常见的逻辑门。求上例 “与非”实现的逻辑图。(答案)

［例8.7.5］ 试设计一个四信号排队逻辑电路，其逻辑要求是：当某个输入（A、B、C、D）单独为1时，与其对应的输出（F A、F B、F C、F D）也为1；若是有2个或2个以上输入为1时，则只能按A、B、C、D的次序排队，排在前面的输入信号，才能使其对应的输出为1，其余只能为0。(答案)

［例8.7.6］某中央空调制冷系统有二个冷却水塔：1#、2#， 1#冷却容量是2#的两倍。冷却水塔为三个用冷量相同的速冻生产线制冷设备服务。如果只有一条生产线工作，则只需2#运行即可满足要求；如果有两条生产线工作，则只需1#运行；如果三条生产线均工作，则1#和2#均需运行。试画出控制两台冷却水塔运行的"与非"实现逻辑图。(答案)

1．组合逻辑电路分析和设计的步骤是什么？
2．在设计组合逻辑电路时，逻辑图与实际电路图的区别与联系？
3．计算下列逻辑算式：1⊙0⊙0⊙1；1 [image] 0 [image] 0 [image] 1


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    8.8.1 半加器
       所谓“半加”，就是只求本位的和，暂不管低位送来的进位数。按照半加器的概念，得出其逻辑状态表，如表8.8.1所示。
                                  表8.8.1 半加器逻辑状态表

    其中，A和B是相加的两个数，S是半加和数，C是进位数。
    现在我们按上一节组合逻辑电路的设计方法来实现半加器。
    由逻辑状态表可写出逻辑式：　 ；
    由逻辑式画出逻辑图，如图8.8.1所示，（a）、（b）分别为半加器的两个实现方案。为了表示的方便，我们给出半加器逻辑符号如图　　　　　8.8.1(c)所示。
图8.8.1 半加器的实现及其逻辑符号

仿真8-06 半加器


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8.8.2 全加器
     当多位数相加时，半加器只可用于最低位求和。而从第二位开始，相加时不仅有两个待加数A i和B i，还有一个来自前面低位送来的进位数 [image] 。这三个数相加，才能得出本位和数S i和进位数C i。这便是全加运算。全加运算常常由逻辑门电路构成，称之为全加器。
    为了实现全加器，先列出全加器的逻辑状态表，如表8.8.2所示。我们可以利用组合逻辑电路设计的步骤得到全加器的实现。在这里，我们利用两个半加器和一个“或”门也可实现全加器，如图8.8.2(a)所示。A i和B i 在第一个半加器中相加，得出的结果再和 在第二个半加器中相加，即得出全加和S i。两个半加器的进位数通过“或”门输出作为本位的进位数C i。图8.8.2(b)为全加器逻辑符号。
                                表8.8.2 全加器逻辑状态表
8.8.2 全加器的实现及其逻辑符号

  仿真8-07 全加器

[1] [2]


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8.9.1 二进制编码器
    二进制编码器是将某种信号编成二进制代码的电路。
    例如，要把I 0，I 1，I 2，I 3，I 4，I 5，I 6，I 7八个输入信号编成对应的二进制代码而输出，其编码过程如下：
    （1）确定二进制代码的位数
    由公式 [image] 可知：当输入有八个信号（N = 8），则编码器输出的位数是三位(n ＝3)。这种编码器称为8/3线编码器。
    （2）列编码表
    将不同的二进制代码与八个不同的输入信号一一对应起来，即为编码方案。理论上编码方案是任意的，但为了工作的方便，实际上编码方案常常具有一定规律性，比如二进制数加1递增或递减的规律。表8.9.1所列的便是按二进制数加1递增规律的编码方案。
                                     表8.9.1　8/3线编码器的编码表

    （3）由编码表写出逻辑式
    按照组合逻辑电路的设计方法，找出各输出Y与各输入I 的逻辑式：

[1] [2]


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8.9.2 8421BCD编码器
    我们已经知道，在数字系统常用四位二进制代码来表示一位十进制数字0、1、2、﹒﹒﹒、9，称之为二－十进制代码，即BCD码。将十进制数编成BCD码的电路，称为二－十进制（BCD）编码器。二-十进制编码的方案很多，若BCD编码器采用8421编码方案，称为8421BCD编码器。
    设计8421BCD编码器的过程与二进制编码器大体相同。
    1.确定二进制代码的位数
    因为输入有十个数码（N =10），所以输出位数n =4( [image] ＞10)。这种编码器通常称为10/4线编码器。
    2.列编码表
    按照8421BCD编码规则，列出编码表如表8.9.2。
                                  表8.9.2 8421码编码表

[1] [2]


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8.9.3 优先编码器

    上述的两种编码器具有一个共同的缺点，即在某一时刻只允许有一个有效的输入信号，如果同时有两个或两个以上的输入信号要求编码，输出端一定会发生混乱，出现错误。为解决这一问题，人们设计了优先编码器。
    优先编码器的功能是允许同时在几个输入端有输入信号，编码器按输入信号预先排定的优先顺序，只对同时输入的几个信号中优先权最高的一个信号编码。信号的优先权级别的高低，是根据各信号的轻重缓急人为设定的。例如计算机有许多输入设备，可能多台设备同时向主机发出中断请求，希望输入数据。这就要求主机能自动识别这些请求信号的优先级别，按次序进行编码。这里就需要优先编码器。
    CT74LS147集成10/4线优先编码器是常用的优先编码器。表8.9.3是其编码表。由表可见，有九个输入变量 [image] ～ [image] ，四个输出变量 [image] ～ [image] ，它们都是反变量。表明它们均为低电平有效，即有信号时，输入为0。输出的反变量组成8421BCD的反码，对应于0～9十个十进制数码。输入信号的优先次序为 [image] ～ [image] 。例如，当 [image] ＝0时，无论其他输入端是0或1，输出端只对 [image] 编码，输出为0110（原码为1001）。
                              表8.9.3 CT74LS147优先编码器的编码表

1．和普通编码器相比，优先编码器的特点是什么？
2．如何理解编码器输出端的低电平有效和高电平有效的概念？


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8.10.1　二进制译码器
    将二进制代码的各种状态按照其原来的“含义”翻译过来，叫做二进制译码器。例如，要设计一个二进制译码器，要求其能将输入的一组三位二进制代码ABC译成对应的八个低电平有效的输出信号 [image] ～ [image] ，具体的译码功能如表8.10.1所示。
                                表8.10.1 三位二进制译码器的状态表

    现在我们按照组合逻辑电路的设计思路设计该译码器。
    1.由状态表写出逻辑式

[1] [2] [3] [4]


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8.10.2 BCD译码器

    将二-十进制代码译成十进制数的逻辑电路叫做二-十进制（BCD）译码器（如CT74LS42）。这种译码器的原理与3/8线译码器类同，只不过它有四个输入端，十个输出端，可输出十个独立的高、低电平信号。4位输入代码共有十六个组合状态，其中六个没有与其对应的输出端，这六个代码称为伪码。伪码输入时，十个输出端处于无效状态。若输出端是低电平有效，则此时输出均为高电平。


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8.10.3 BCD七段显示译码器
    在数字逻辑系统中，常常要把测量数据和运算结果用十进制数显示出来，这就要用显示译码器，将BCD代码译成能够用显示器件显示出的十进制数。
    显示译码器的译码方案有赖于显示器件的机理，即要求二者配套使用，比如输出低电平有效的七段显示译码器得与七段共阳极接法的数码管配套使用。常用的显示器件有半导体数码管、液晶数码管和荧光数码管等。
    1.半导体数码管
    半导体数码管（或称LED数码管）是常用的显示器件，其基本单元是发光PN结，目前较多采用磷砷化镓做成的PN结，封装成为发光二极管，如图8.10.6（a）所示。当外加正向电压时，就能发出清晰的光线。发光二极管的工作电压为1.5～3V，由于工作电流为几毫安到十几毫安比较小，故实际电路应串接适当的限流电阻。
图8.10.6发光二极管与半导体数码管字型结构
  多个PN结可以分段封装成半导体数码管，每段为一发光二极管，其字形结构如图8.10.6（b）所示。选择不同字段发光，可显示出不同的字形。例如，当a、b、c、d、e、f、g字段亮时，显示出8；a、f、g、c、d段亮时，显示出5．如图8.10.7所示，半导体数码管中七个发光二极管有共阴极和共阳极两种接法。前者，某一字段接高电平时发光；后者，接低电平时发光。
图8.10.7 半导体数码管两种接法
[1] [2]


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8.11.1　数据选择器
图8.11.2　CT74LS153双4选1数据选择器

    数据选择器，又称多路选择器，其功能是分时地从多个（路）输入数据中选择一个（路）作为输出。图8.11.2是CT74LS153集成双4选1数据选择器的一个逻辑图。图中，D 3～D 0是四个数据输入端；A 1和A 0是地址码选择端； [image] 是选通端或称使能端，低电平有效；Y 是输出端。由逻辑图可写出逻辑式
（21.11.1）
    由逻辑式列出选择器的功能表8.11.1。

表8.11.1 　CT74LS153型数据选择器的功能表
选择 |  | 选通 | 输出
A 1 | A 0 |  | Y
× | × | 1 | 0
0 | 0 | 0 | D 0
0 | 1 | 0 | D 1
1 | 0 | 0 | D 2
1 | 1 | 0 | D 3
    当 [image] ＝1时，Y ＝0，禁止选择； [image] ＝0时，正常工作。
仿真8-11 4选1数据选择器
动画8-09 数据选择器
[1] [2]


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8.11.2　数据分配器
    数据分配器，又称多路分配器，其功能是能将一路数据分时分送到多路输出。图8.11.5是一个4路输出数据分配器的逻辑图。图中，D是数据 输入端；A 1和A 0是控制端；Y 0～Y 3是四个输出端。

  由逻辑图可写出逻辑式：
    由逻辑式列出分配器的功能状态表8.11.3。A 1和A 0有四种组合，分别将数据D分配给四个输出端，构成2/4线分配器。若有三个控制端，则可控制8路输出，构成3/8线分配器。

                      表8.11.3 图8.11.5所示分配器的功能状态

图8.11.5 4路输出的分配器的逻辑图 | 图8.11.6 利用CT74LS138构成3/8线分配器

[1] [2]


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(每题5分)

(1)以下各电路中属于组合逻辑电路有编码器和：__________
解码器 译码器 寄存器 计数器

(2)TTL与非门中多余的输入端应接电平是：__________
低 地 高 悬空

(3) NMOS管的开启电压V GS(th)＝2V外加漏源电压VDD＝10V ，为使管子截止,则要求V GS(th)________
> 2V ＝2V < 2V

(4)半加器的逻辑关系是 ：__________
与非 或非 与或非 异或


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  • 掌握RS触发器、JK触发器、D触发器的逻辑功能；
  • 理解寄存器和计数器的工作原理；
  • 了解集成定时器的工作原理，了解用集成定时器组成的单稳态触发器和多谐振荡器的工作原理。
动画教学
名词解释
电路仿真


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9.1.1 RS触发器
    1．基本RS触发器
    一、基本结构
图9.1.1(a) 基本RS触发器逻辑图

    有两个与非门反馈交叉联接而成的基本RS触发器如图9.1.1(a)所示。基本RS触发器是各种双稳态触发器的共同部分。
      Q 和 [image] 是其输出端，两者的逻辑状态在正常情况下能保持相反。双稳态触发器具有两种稳定状态，即：一个状态是Q=1， [image] =0，称为置位态（1状态）；另一个状态是Q=0， [image] =1，称为复位态（0状态）。它具有两输入端： （直接置位端）， [image] （直接复位端）。触发器由1态变为0态，或由0态变为1态，称为触发器的翻转。
    二、功能分析
    下面分四种情况讨论其逻辑功能。
    （1） [image] =1， [image] =1
    假如触发器处于 0态，即Q=0， [image] =1，这时G2门的两个输入端均为0，其输出端 为1，将此1电平反馈到G1门的输入端，使它的两个输入端都为1，因而保证了G1门的输出端 Q为0。同理，若触发器处于1态，在这种输入前提下，也会继续保持1态。
    （2） [image] =1， [image] =0
     =1，表明 [image] 端保持高电平；而 [image] =0表明是在 [image] 端加低电平或负脉冲。不管Q 原来的状态是0还是1，根据与非门的逻辑规则 [image] 必定是1。反馈到G1门，使其输入全为1，则Q 必定为0。因而 [image] 称为直接复位端，即在 [image] 端出现负脉冲或加低电平，可使触发器复位成0态。
    （3） [image] =0， [image] =1
    当 [image] 端加低电平或负脉冲，不管Q 原来的状态是0还是1，根据与非门的逻辑规则Q 必定是1。反馈到G2门，使其输入全为1，则 [image] 必定为0。因而 [image] 称为直接置位端，即在 [image] 端出现负脉冲或加低电平，可使触发器置位成1态。
    （4） [image] =0， [image] =0
    这种情况相当于两输入端同时接低电平或出现负脉冲，在低电平期间，不管触发器原来状态如何，Q 和 [image] 必然均为1。但在负脉冲信息同时走了之后（恢复高电平），由于G1和G2两个与非门输入端均全为1，Q 和 [image] 都有可能出现0；由于两个与非门传输速度的差异和其他偶然因素，只要有一个出现为0，反馈到输入端，必使另一个输出为1。这种随机性，使Q 的状态不确定。在数字电路，这种情况应禁止出现。
    一个RS触发器会记忆一位的二进制的数；想改变其记忆的结果，可在相应端子加负脉冲信息。所以说基本RS触发器是低电平有效的器件。
    值得注意的是对于TTL与非门，管脚悬空相当于加高电平即逻辑1信号，但在实际逻辑电路中，为防止干扰可靠起见，逻辑1信号仍然是要靠加高电平获得。

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9.1.2 JK触发器
   1．基本结构
图9.1.5（a） 主从型JK触发器逻辑图

    JK 触发器的结构有多种，有主从型、边沿型等，这里介绍的是主从型JK 触发器。图9.1.5（a）所示的是主从型JK 触发器的逻辑图，它由两个“与非”门构成的可控RS 触发器组成，分别称为主触发器和从触发器。通过一“非”门将二个可控RS 触发器的时钟脉冲输入端相联结，时钟脉冲先使主触发器翻转，而后使从触发器翻转，这便是主从结构。
   2．功能分析
    时钟脉冲C由“0”上跳到“1”，称为其上升沿（或前沿）；反之，C由“1”下跳到“0”，称为其下降沿（或后沿）。我们在今后如不特殊说明，认为触发器翻转时间远小于时钟脉冲宽度。
    一、工作特点
    在时钟脉冲上升沿到来前（C=0），由于C 1=C，主触发器被封门而保持原有的记忆；但C 2= [image] =1，故从触发器敞门接受信息：若Q 1=0， [image] =1，则S 2=0，R 2=1，根据可控RS触发器状态表无论从触发器以前状态如何，一定有 Q =0， [image] =1；同样若Q 1=0， [image] =1，从触发器有Q=1， [image] =0。就是说，在时钟脉冲到来之前，主从触发器二者状态已顺成一致。当时钟脉冲上升沿来到（C=1），由于C 2= [image] =0，从触发器封门而保持原有的记忆；主触发器敞门接受信息，至于Q 1和 [image] 的状态如何改变则根据端子逻辑关系式

    及可控RS状态表可得出。当时钟脉冲下降沿来到（C=0），从触发器才敞门接受主触发器的新结果，使主从二者状态顺成一致，从触发器的输出即为JK触发器的输出。
    可见，主从型JK触发器具有主从两个节拍的触发工作特点。这种触发器不会形成空翻。因为时钟脉冲上升沿到来高电平期间，从触发器封门状态不变；当时钟脉冲下降沿到来低电平期间，主触发器被封定在某个状态，不再翻转，而从触发器敞门接受一个信息，最多翻转一次。

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9.1.3 D触发器
    1．基本结构

   D 触发器的结构有多种，这里介绍一种较为常见的维持阻塞型D 触发器，如图9.1.9（a）所示，维持阻塞型D 触发器由六个与非门组成，其中，如果去掉G3、G4的三条反馈线，G1～G4为一个可控RS 触发器。它的两个输入端分别为S 和R。G5、G6组成数据输入电路，与由G3～G4反馈回来的两条反馈线一起，构成维持阻塞环节。

            图9.1.9（a） 维持阻塞型D触发器逻辑图

   2．功能分析
    一、D =0
    时钟C ＝0时，G5的两个输入端均为1，所以S ＝0；而R 端为1，因此，当C ＝1时，可控触发器发生翻转，Q ＝0。
与此同时，G4＝0，通过置0维持线，封锁了门G6的输入，这时即使输入端D信号发生变化，也不会对触发器产生影响。
    二、D =1
    C ＝0时，G6的两个输入端均为1，所以R ＝0；而S 端为1，因此，当C ＝1时，可控触发器发生翻转，Q ＝1。
    与此同时，G3＝0，通过置1维持线，使S 端恒为1；又通过置0阻塞线，封锁G4门；这时即使输入端D信号发生变化，也不会对R、S 的状态产生影响，故D 触发器输出状态不变。
    可见，图示的维持阻塞型D 触发器仅在C 上升沿动作。但在C 为高电平期间、下降沿及低电平期间不动作。其逻辑功能为：输出端Q 的状态跟随输入端D的状态变化，但时间上要晚一步，即某个时钟脉冲来到之后的Q 的状态和该脉冲来到之前D 的状态一样，即可写成
                      Q n+1=Q n
    3．状态表
    维持阻塞型的D 触发器状态表如下表所示。

[1] [2]


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9.1.4 触发器逻辑功能转换

    将某种逻辑功能的触发器经过改接或附加一些门电路后，转换为另一种触发器。
    1．JK 触发器转换成D 触发器
    一、基本结构
图9.1.11 将JK 触发器转换成D触发器

    如图9.1.11所示，在主从型JK 触发器基础上，通过一“非”门使JK 两端输入端互为反量。
    二、功能分析
    当D=1，即J =1、K =0时，在C 的下降沿到来后触发器翻转或保持“1”态；当D =0，即J =0、K =1时，在C 的下降沿到来后触发器翻转或保持“0”态。
    三、状态表
    由主从型JK 触发器转换而成的D 触发器状态表如表9.1.5所示。
          表9.1.5 D 触发器逻辑状态表

[1] [2]


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9.1.5 触发器的触发方式
    触发方式是研究触发器翻转时刻与时钟脉冲间的关系，在各类触发器中，存在三种触发方式：电平触发方式、主从触发方式、边沿触发方式。
    1．电平触发方式
    电平触发方式分为二种：高电平触发方式（在时钟脉冲C =1期间翻转）；低电平触发方式（在时钟脉冲C =0期间翻转）。
    电平触发方式结构简单、触发速度快。在时钟信号有效电平期间（C =1或C =0），触发器总是处于可翻转状态，输入信号的变化都会引起触发器状态的变化。在时钟信号无效电平期间，触发器状态保持不变。因此，在时钟信号有效电平宽度较宽时，触发器会连续不停地翻转。如果要求每来一个C 脉冲触发器仅翻转一次的话，则对时钟脉冲的有效电平的宽度要求极为苛刻，所以实际中应用并不广泛。
    前面介绍的可控RS 触发器就属于高电平触发方式。
    2．主从触发方式
图9.1.14 主从型JK 触发器的误翻转产生

    主从型JK 触发器、由主从型JK 触发器转换的各种功能的触发器都属于这种触发方式。这种触发方式的工作特点是：克服了在C 有效电平期间多次翻转现象，具有一次翻转特性。就是说，在C 有效电平期间，主触发器接受了输入信号发生一次翻转后，主触发器状态就一直保持不变，也不再随输入信号J、K 的变化而变化。一次翻转特性有利有弊：利在于克服了空翻现象；弊是带来了抗干扰能力差的问题。
前面已经较为详细地介绍了主从型JK 触发器的原理。为说明其一次翻转特点，我们看这样的一个例子。
    图9.1.14是主从型JK 触发器可能的一种工作情况。

    图中J、K 在CP =1期间状态有变化（扰动），Q 1、Q 的波形分别是其主触发器、从触发器的输出端波形。从中可看出，在C 下跳时，从触发器的状态跟随此时刻主触发器的状态。如果在C =1期间，主触发器发生一次翻转后，输入端JK 又发生了变化，由于从触发器并未发生变化，故主触发器不会再发生变化，这就是一次翻转特性。因此，在时钟脉冲下降沿到达时，从触发器接受这一时刻主触发器的状态，若忽视了它主从触发方式，就有可能得出触发器状态翻转与其状态表不一致。为此，要求在C =1期间，输入信号JK 不发生变化，这使得主从型JK 触发器的使用受到限制。若将上述波形中J、K 波形在C =1期间的变化看成是干扰，则主从型JK 触发器不能抑制这一干扰，出现误翻转。

[1] [2]


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9.1.6 CMOS传输门构成的边沿触发器

    和TTL门电路一样，由CMOS传输门也可构成基本RS 触发器、JK 触发器、D 触发器等；但和TTL门电路不同的是，由CMOS传输门构成的各类触发器一般为边沿触发器。下面以CMOS D 触发器为例讨论。
图9.1.16 CMOS D触发器的逻辑图

    图9.1.16所示的是CMOS D 触发器的逻辑图。传输门TG1，TG2和“非”门G1，G2组成主触发器；TG3，TG4和G3，G4组成从触发器。TG1和TG3分别作为主触发器和从触发器的输入控制门。C 和 [image] 是互为反量的时钟脉冲，在它们作用下TG1，TG4和TG2，TG3不会同时开通和关断，以保证主触发器和从触发器一开一闭。
    值得注意的是，虽然本例CMOS D 触发器结构上是主从形式，但其触发方式却是边沿型，而非主从型。
    （1）当C =1时
    TG1开通而TG2关断，D 输入信号送入主触发器，使 [image] ，Q'=D 。同时，TG3关断而TG4开通，从触发器与主触发器之间的联系被TG3切断，从触发器保持原状态不变。
    （2）当C =0时
    TG1关断而TG2开通，主触发器切断了与D 端的联系，并保存了TG1关断前的状态。同时TG3开通而TG4关断，主触发器的状态送入从触发器，使输出端Q =D， [image] 。
    由上分析可见，图9.1.16的D 触发器是在脉冲C 的负边沿触发的。如将所有传输门上的互为反量的时钟C 和 [image] 对调，可改为正边沿触发方式。
     1．从逻辑功能上看，双稳态触发器的主要类型有哪些？
    2．如何理解JK 触发器工作时具有二拍的特点？如何理解它的
一次翻转特性？
    3．维持阻塞型D 触发器在高、低电平期间，若输入端出现干扰
电平，会不会影响其输出状态的翻转？若是主从型JK 触发器呢？
    4．触发器的触发方式有哪些？那种触发方式抗干扰能力最强？
将我们已经学过的各种触发器按触发方式归类。


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9.2.1 数码寄存器
    这种寄存器功能较为简单：寄存数码和清除原数码。图9.2.1是一种并行输入、并行输出四位数码寄存器。

                              图9.2.1 四位数码寄存器

    它的工作过程分为清零、寄存、取出三步。
    （1）清零
    寄存器需要清零时，在 [image] 端加一个清零指令（负脉冲），即可使F0～F3四个基本RS 触发器复位。在清零时寄存指令应处于无效的低电平。
    （2）寄存
    设输入的二进制数为1011。在寄存指令正脉冲到来之前（低电平），1～4四个“与非”门的输出全为1。由于经过清零，F0～F3触发器全处于0态。当寄存指令来到时（高电平），1、2、4号“与非”门输出为0，即输出置1负脉冲，使F0、F1、F3置1；3号“与非”门输出仍为1，这样F2的状态不变。这样，数码寄存完毕。
    （3）取出
    在取出指令到来之前（低电平），5～8号“与非”门输出为1，经“非”门反相后，输出端Q3Q 2Q1Q0=0000；若要取出时，当取出指令来到时（高电平），5、7、8号“与非”门输出为0，6号“与非”门输出仍为1，经“非”门反相后，输出端Q 3Q2Q1Q0=1011。取出数码可重复进行。
    图9.2.2是由D 触发器（前边沿触发）组成的四位数码寄存器，利用D 触发器的逻辑功能Q n+1=Q n实现寄存。与图9.2.1相比，没有取出指令来控制寄存器的输出。图9.2.2也是常用的集成寄存器芯片T451的主要结构。

图9.2.2 由D触发器组成的四位数码寄存器


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9.2.2 移位寄存器
    所谓移位，就是将寄存器所存各位数据，在每个移位脉冲（时钟脉冲在这里控制着移位的节拍，故也有此称）的作用下，向左或向右移动一位。根据移位方向，常把它分成左移寄存器、右移寄存器和双向移位寄存器三种。根据移位数据的输入－输出方式，又可将它分为串行输入－串行输出、串行输入－并行输出、并行输入－串行输出和并行输入－并行输出四种电路结构，移位寄存器在计算机中应用十分广泛。
    1．由主从型JK触发器组成的四位移位寄存器
    图9.2.3（a）是由主从型JK 触发器组成的四位移位寄存器。F0接成D 触发器，数码由D 端输入。此移位寄存器属于串行输入-串/并行输出左移寄存器。
图9.2.3（a）由主从型JK 触发器组成的四位移位寄存器逻辑图

    （1）工作过程
    在工作之初，通过 [image] 送进负脉冲使各触发器复位。设寄存的二进制数为1011，按移位脉冲的工作节拍从高位到低位依次串行送进D 端。首先，D =1，第一个移位脉冲的下降沿来到时使触发器F0翻转，Q 0翻转，Q 0=1，其他触发器保持0态。接着D =0，第二个移位脉冲的下降沿来到时使F0和F1同时翻转，F2和F3继续保持“0”态，即Q 3Q2Q1Q0=0010。以后的过程如状态表所示，移位一次，存入一个新数码，直到第四个脉冲的下降沿到来后，存数结束。这时，可以从四个触发器的Q 端并行输出数码。如果再经过四个移位脉冲，则所存的1011也可逐位从Q 3端由高位到低位串行输出。
    （2）状态表
    下表是其状态表，从中可看出移位脉冲的拍节控制作用。

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9.2.3 集成寄存器

集成寄存器的种类很多。在这里介绍一种具有多种功能的中规模集成电路74LS194。它是具有左移、右移、清零、数据并入、并出、串入、串出等多种功能双向移位寄存器。其逻辑功能状态表如表9.2.2，外引线排列如图9.2.5所示。 |
 | 图9.2.5
    表9.2.2 74LS194逻辑功能状态表

    Q A Q B Q C Q D：并出；ABCD：并出；R：右移串入； L：左移串入S 1 S 2：方式选择； [image] ：清零；CP：移位脉冲
    在计算机系统和数字控制系统中，有许多操作需要按次序分别顺序工作，这就需要用顺序脉冲发生器产生一系列节拍脉冲对各部分进行控制，以协调各种操作。例如，用74LS194可构成常用的两种四位脉冲分配器：环形计数器和扭环计数器。它们的管脚电路接法如图9.2.6所示。

图9.2.6
[1] [2]


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9.3.1 二进制计数器
    双稳态触发器有0和1两个状态，对应着二进制的0和1两个数码。所谓二进制加法，就是“逢二进一”。 由于一个触发器仅可以表示一位二进制数，如果要表示n 位二进制数，得用n 个触发器。
    1.异步二进制加法计数器
 | 表9.3.1 二进制加法计数器的状态表
考虑实现四位二进制加法计数器。我们先列写计数器状态表（表9.3.1），表中还给出了对应的十进制的数。从中可看出，每来一个脉冲， 最低位触发器就翻转一次；而其他位的触发器在邻近的低位触发器从1变为0进位时翻转。比如我们选四个主从型JK 触发器，每个触发器J、K 两脚均悬空，相当于1，具有计数功能。但只有最低位的C 端接被计数的脉冲输入，其他位的C 端依次接邻近低位来的Q 端作为脉冲输入，如图9.3.1所示。工作波形如图9.3.2。 |

图9.3.1 由主从JK触发器组成的四位同步二进制加法计数器
    象图9.3.1这样，计数脉冲不是同时加到各位触发器的C 端，只加到一个或其中部分触发器的C 端，其他的触发器则取逻辑电路中其他信号作为其脉冲输入，则它们的状态变换不是同时的，称之为异步方式。
图9.3.2 二进制加法计数器输出波形图
[1] [2]


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9.3.2 二-十进制计数器
表9.3.2 8421码十进制加法计数器的状态表

    通常人们习惯于十进制计数，即逢十进一，这种计数必须是十种状态表示0～9十个数。二-十进制计数器是在二进制基础上得出的，用四位二 进制数来表示十进制的每一位数（BCD码）。若采用8421编码方式，是取四位二进制数前面的“0000～1001”来表示十进制的;0～9十个数码，而去掉后面的“1010”～“1111”六个数码。也就是计数器计到第九个脉冲时再来一个脉冲，即由“1001”变为“0000”并向高位进位，用8421编码的4位二进制数表示一位十进制数，表9.3.2是8421码十进制加法计数器的状态表。
    考虑采用同步方式实现一位十进制加法计数器。比较表9.3.1和表9.3.2，发现十进制计数器在来第十个脉冲不是由“1001”变为“1010”，而是溢出成“0000”。若仍采用JK 主从型触发器，J、K 端子的逻辑关系表达式应作如下改动：
    （1）F0：每来一个计数脉冲就翻转，故仍然J 0=K 0=1
    （2）F1：在Q 0=1时再来一个脉冲翻转，而在Q 3=1时不得翻转，故J 1= [image] ，K 1=Q 0；
    （3）F2：在Q 1=Q 0=1时再来一个脉冲翻转，故仍然J 2=K 2=Q 1 Q 0；
    （4）F3：在Q 2=Q 1=Q 0=1时再来一个脉冲翻转并在来第十个脉冲时应由1变为0，故J3=Q 2 Q 1 Q 0，K3=Q 0；
    由上述逻辑关系式可实现同步十进制加法计数器。如图9.3.4所示是由主从型JK 触发器按8421编码方式实现一位的十进制同步加法计数器，工作波形如图9.3.5。
图9.3.4 由主从型JK触发器按8421编码方式
实现的一位十进制同步加法计数器
图9.3.5 十进制加法计数器的工作波形图


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9.3.3 任意进制计数器

    所谓任意进制的计数器就是指n 进制计数器，即来n 个计数脉冲，计数器状态重复一次。一般分析方法是：首先判断是同步方式还是异步方式；然后根据端子逻辑关系表达式填写状态表或画工作波形；最后根据几个脉冲循环断定是几进制。
    较常见的CT74LS290芯片就是二-五-十多选择进制计数器。
    其逻辑图、外引线排列图、功能表如图9.3.6（a）、（b）、（c）所示。
图9.3.6（a） CT74LS290 | 图9.3.6（b） CT74LS290外引线排列图

    R 0(1)和R 0(2)是清零输入端，由图9.3.6（c）的功能表可见，当二者均为“1”时，将四个触发器清零；相类似，S9(1)和S9(2)置9输入端。注意，清零时要求S9(1)和S9(2)中至少有一个为0；而置9时可任意。下面按二、五、十进制三种情况来分析。
    （1） 只输入计数脉冲C 0，由Q 0输出，F1～F3不用，为二进制计数器。
    （2） 只输入计数脉冲C 1，由Q 3，Q 2，Q 1端输出，为五进制计数器。
    （3） 将Q 0端与C 1端联接，输入计数脉冲C 0，由Q 3，Q 2，Q 1,Q 0端输出。为十进制计数器。
    值得一提的是，若将计数器适当改接，利用其清零端进行反馈强迫清零，可得出小于原进制的多种进制计数器：a、六进制计数器；b、九进制计数器。管脚接线如图9.3.7所示。
  图9.3.6（c） CT74LS290功能状态表
图9.3.7 （a）六进制计数器 　（b）九进制计数器


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9.4.1 CMOS积分型单稳态触发器

    如图9.4.1所示，为CMOS积分型单稳态触发器。其中R 和C 构成积分延时环节，G1门和G2门是CMOS“或非”门，故因此而得名。
图9.4.1 CMOS积分型单稳态触发器

    （1）稳定状态与暂稳状态
    当触发脉冲有效电平（低电平）到来前，v I约为VDD，其逻辑值为1；vO1约为0V，其逻辑值为0。由于G2门的两个输入端v I为1，而v A为0，故输出vO为0。只要触发器脉冲的有效电平未到，这个状态就不变，所以0态是稳定状态。
    当触发脉冲有效电平来临，v I为0，故vO1变为1。我们知道电容两端电压不能跃变，故v A仍暂时保持为0。这期间G2门的两个输入端全为0，故其输出vO变为1。这之后，电容C 要通过电阻R 和G1门放电，vA电位逐渐上升，当升至MOS管的开启电压VGS(th)时（输入的有效电平宽度应该大于暂态持续时间tp），vO又变为0，所以1态是暂稳状态，暂稳状态持续时间

图9.4.2 CMOS积分型单稳态触发器的波形图

     （2）RC 电路的恢复
    这以后，只要输入脉冲有效电平尚在，电容C 就继续放电。当有效电平消失时即v I由0变为1，vO1就由1变为0，这时电容C 通过R 和G1门又开始充电，当RC 电路充电完毕便完成恢复工作，为下一次的暂态翻转做好准备。
    图9.4.2为上述单稳态触发器的波形图。


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9.4.2 集成单稳态触发器
    集成单稳态触发器种类很多，如74LS123。该芯片内有两个独立的单稳态触发器，外引线排列和外接元件RT、CT的接线图9.4.3
图9.4.3 74LS123型单稳态触发器
    端子A、B 分别为负脉冲下降沿和正脉冲上升沿边沿触发端。Q 和 [image] 分别输出一定宽度tp的正脉冲和负脉冲， [image] 为清零端，也可作为触发端使用。功能表如表9.4.1。
                            表9.4.1 74LS123型单稳态触发器功能表

    74LS123输出脉冲的宽度有三种控制方法：
    a. 基本脉冲宽度由外接电阻RT、电容CT决定，当CT>1000pF时，脉宽tp应为： tp=0.45RTCT （其中：RT的单位为kΩ；CT的单位为pF；tp的单位为ns）
    b. 在 [image] 端加清零负脉冲，可提前终止输出脉冲，如图9.4.4。
图9.4.4 输出脉冲宽度的控制方法（b） | 图9.4.5 输出脉冲宽度的控制方法（c）
    c. 通过在A 端或B 端加再触发脉冲，可使输出脉冲的宽度加宽，如图9.4.5。
    由于这种单稳可以通过再加触发脉冲增大输出脉冲的宽度，所以，它被称为可再触发式单稳触发器。


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9.4.3 单稳态触发器应用举例
图9.4.6 单稳触发器在脉冲
整形中的应用
单稳态触发器的应用多种多样，如：整形、延时控制、定时顺序控制等。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　 　　　　　 1．脉冲整形 　在某些控制测量系统中，要用到光电转换电路。由于光照强弱等原因使得输出的电脉冲v R出现边沿不陡、幅度不等等现象。如图9.4.6，用　 它直接作为计数器的计数脉冲往往会造成漏计或误计。为此，用v R作为单稳触发器的触发信号，便可在单稳触发器的输出端得到相同数目规则脉　冲信号Vo。
    2.定时控制
    图9.4.7是利用二片74LS123（4个单稳态触发器）可以产生系列顺序脉冲从而实现四道工序的定时顺序控制及自动循环控制。

         图9.4.7 四道工序的定时顺序控制
    图中的4个单稳态触发器首尾依次串接，v1为启动信号，用前一个输出的下降沿触发后一个单稳态触发器，每个单稳态触发器输出脉冲的宽度分别由各自的R、C 决定。当开关S合在1端时，顺序脉冲Q1～Q4脉冲可实现四道工序的定时顺序控制；当开关S合在2端时，实现自动循环控制。图9.4.8为顺序脉冲波形图。
图9.4.8 顺序脉冲波形图
 1．是不是所有的单稳态触发器都是：1为暂态而0为稳态？
2．当把单稳态触发器用于定时控制时，如何调节定时的时间？


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9.5.1 RC环形振荡器
( a ) 逻辑电路图 ( b )输出波形图
图9.5.1 由三"非"门构成的基本环形振荡器

    利用逻辑门电路的传输延迟时间，将奇数个与非门首尾相接，就可以构成一个基本环形振荡器。以三个“非”门为例，如图9.5.1所示。设某一时刻电路的输出端v O3为1，经过1个传输延迟时间tpd后 v O1为0，经过2个传输延迟时间tpd后 v O2为1，经过3个传输延迟时间tpd后 v O3为0。如此自动反复，于是在输出端得到连续的方波，且周期为6tpd。这种电路简单，但由于门电路的传输延迟时间很短，因此这种振荡器的振荡频率极高且不可调，所以实际中用处不大。

        图9.5.2 RC 环形振荡器
    RC 环形多谐振荡器是在图9.5.1电路中加入RC 环路，如图9.5.2所示。它不但增大了环路延迟时间，降低了振荡频率，而且通过改变RC 的数值可以调节振荡频率。其中R S是限流电阻，阻值不大，约100Ω 。由于加入RC 环路电路的振荡周期大大增加，逻辑门电路的传输延迟时间同其相比可忽略，于是各点波形如图9.5.3。
图9.5.3 RC多谐环形振荡器
各点波形图
                                                                               （1）第一个暂稳状态（t 1～t 2）
     设在t 1时 v I1（ vO）由0上跳到1，则 vO1（v I2）由1下跳到0、 v O2由0上跳到1。根据电容C 的电压不能跃变的特点知必定引起一个RC电路的暂态过程。
    首先，v I3必定跟随v I2下跳。这个负跳变（因为R S很小之故，可近似认为就是G3门的输入电压）保持vO为1。
    其次，由于v O2为高电平、vO1为低电平，故有电流通过电阻R 对电容C 进行充电，并使v I3逐渐上升。在t 2时v I3上升到门电路的阈值电压V T，使vO（v I1）由1下跳到0，则vO1（v I2）由0上跳到1，v O2由1下跳到0。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （2）第二个暂稳状态（t 2～t 3）
    首先，和第一个暂稳状态相似，各门电路的状态发生上述翻转后，由于电容电压不能跃变之故，v I3必定跟随v I2上跳。这个正跳变保持vO为0。
    其次，由于v O2为低电平、vO1为高电平，电容C 经R 及G2门开始放电，并使v I3逐渐下降。在t 3时v I3下降到V T，使vO（v I1）又由0上跳到1，开始重复第一个暂稳状态。
    由于电容C 的充、放电在自动地进行，故在输出端vO得到连续的方波，其频率由电容的充放电的时间常数决定。由于电容充放电回路不完全相同，故充电时间常数与放电时间常数有所区别。如采用的是TTL门电路，经过估算，震荡周期约为


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9.5.2 RC耦合式振荡器
图9.5.4 RC耦合式振荡器
    图9.5.4是另一种使用较多的方波发生器电路，由两个“非”门组成，每一个“非”门输出端与输入端之间连有一个电阻R=R 1=R 2，电阻阻值恰好使“非”门内的晶体管工作在放大区，一般取800Ω～2kΩ。这样，两个“非”门通过电容C=C 1=C 2交叉耦合形成反馈环路，相当于两级放大器经RC耦合一样，形成正反馈回路并产生振荡，波形如图9.5.5所示。

图9.5.5 RC耦合式振荡器各点波形图
如果因电源电压波动或其他原因使vI1有微小的正跳变，则由于“非”门工作在放大区，且电路具有正反馈环，迅速使G1饱和导通，v O1输出低电平。因为电容C 1电压不能跃变使v I2下跳，这个负跳变使门G2截止、v O1输出高电平，电路进入第一个暂稳态：由于v O1为低电平、v O2为高电平，有电流经R 2对C 1充电，并使v I2电位随之上升，当上升到阈值电压V T时，门G2饱和导通，v O2输出低电平。同样地，电容C 2电压也不能跃变，使v I1出现下跳，这个负跳变使门G1截止、v O1输出高电平，电路进入第二个暂稳态：同样地由于v O1为高电平、v O2为低电平，有电流经R 1对C 2充电，同时C 1经R 2开始放电，随着充放电过程的进行，v I1电位随之上升，当上升到阈值电压V T时，门G1再次翻转，电路进入第一个暂态过程，如此反复。
    输出方波的周期由电容充、放电时间常数（R 1C1+R 2C2）决定。当R=R 1=R 2、C=C 1=C 2时，振荡周期可如下近似计算： ，
图9.5.6 石英晶体振荡器
前述的两种多谐振荡器有一个共同特点：在门电路阈值电压V T确定时，振荡周期由阻容元 件RC 充放电来决定。这表明振荡周期易受环境温度、元件性能、电源波动等因素的影响，从而使振荡频率的稳定性受到一定的限制。为此，常采用在多谐振荡器中串接石英晶体，组成如图9.5.6所示的石英晶体振荡器。石英晶体可以等效成一个RLC 串联谐振电路，其谐振频率便是极其稳定的晶体固有频率f 0。石英晶体对该频率的阻抗近似等于零，而良好的选频特性使得晶体对离开谐振频率f 0的其他频率具有较大的阻抗。如图9.5.6所示，将晶体与C 2串接，这样只有频率为f 0的信号满足正反馈条件，使之迅速起振。因此该电路的振荡频率由石英晶体本身的极稳定的固有频率f 0所决定，与其他元件的参数无关，使得输出方波的频率极稳定，在数字电路中得到广泛应用。
 1．基本环形振荡器中，“非”门的个数为偶数能否振荡？
2．如何确定RC 环形振荡器和石英晶体振荡器的振荡频率？


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9.6.1 555集成定时器原理
图9.6.1 5G555集成定时器
    常用的555定时器有TTL定时器5G555和CMOS定时器CC7555等，二者外引线编号和功能是一样的。图9.6.1示出555定时器的内部结构原理图和外引线排列图。
    555定时器含有两个电压比较器C 1和C 2、一个由“与非”门组成的基本RS 触发器、一个放电晶体管T以及由三个5kΩ的电阻组成的分压器。加在C 1同相输入端的参考电压为 [image] VCC，加在C 2反相输入端的参考电压为 [image] VCC。外引线端的功能如下：
    管脚1（GND）：接地参考端；管脚2（TL）：低电平触发端，由此输入外触发脉冲。当2端的输入电压高于 [image] VCC时，C 2的输出为1；当输入电压低于 [image] VCC时，C 2的输出为0，使基本RS 触发器置1。
    管脚3（OUT）：输出端，输出电流可达200mA，因此可直接驱动继电器、发光二极管、扬声器、指示灯等。输出高电压低于电源电压 VCC约1～3V。
    管脚4（ [image] ）：复位端，由此输入负脉冲，触发器直接复位成0。
    管脚5（CO）：电压控制端，在此端可外加一电压以改变比较器的参考电压。为防止干扰的引入，不用时应经电容（0.01uF）接地。
    管脚6（TH）：高电平触发端，由此输入外触发脉冲。当6端的输入电压低于 [image] VCC时，C1的输出为1；当输入电压高于 [image] VCC时，C 1的输出为0，使基本RS 触发器复位成0。
    管脚7（D）：放电端，受控于RS 触发器的 [image] 端，当 [image] =0时，T截止；当 [image] =1时，T导通，若7脚外接电容C，则该电容可通过三极管T放电。
    管脚8（VCC）：电源端，可在4.5～18V范围内使用。
    在外触发脉冲作用下的工作状态见表9.6.1。
                             表9.6.1 555集成定时器功能状态表


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9.6.2 由555定时器组成的单稳态触发器
    图9.6.2是由555定时器组成的单稳态触发器。R 和C 是外接元件，触发脉冲由2端输入。工作原理如下：
（a）电路图 （b）波形图
图9.6.2 由555定时器组成的单稳态触发器
    触发信号v I是一负脉冲。当触发脉冲尚未输入时，v I为高电平且v I> [image] VCC，比较器C2的输出为1。若 [image] ，则晶体管T饱和导通，电容C 通过T放电，直至当v C< [image] VCC时，比较器C 1输出为1，触发器状态不变；若 [image] ，则晶体管T截止，电容C 充电，当 [image] 时，C 1输出为0，使RS 触发器翻转成 [image] 。一旦RS 触发器翻转成0状态，若无外触发脉冲则状态一直保持。所以在触发负脉冲v I到来前，Q =0、输出v 0为零，是稳定状态。
    若在t 1时输入幅值低于 [image] VCC的触发负脉冲，则C 2的输出为0，将RS 触发器置1，v 0由0变为1，电路开始进入暂稳状态。此时晶体管T由于 [image] =0而截止，电源对电容C 充电。即使在t 2时刻触发负脉冲已消失，C 2的输出变为1= [image] ，但 [image] 为低电平有效，故电源对电容C 的充电继续进行。直到t 3时 [image] ，C 1的输出为0，才使触发器翻转到 [image] 稳定状态。此后电容C 迅速放电。可见，Q =1、输出v 0为高电平，是暂稳状态。
动画9-04 由555定时器组成的单稳态触发器
    输出的矩形脉冲，其宽度由暂稳状态持续时间决定 t P=RCln3=1.1RC，改变RC 的值，可改变脉冲宽度t P。


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9.6.3 由555定时器组成的多谐振荡器
图9.6.3 多谐振荡器
    图9.6.3是由555定时器组成的多谐振荡器。R 1、R 2、C 是外接元件。
    电源VCC经电阻R 1、R 2对电容C 进行充电，v C开始上升，直至 [image] VCC时，比较器C 1的输出为0，将触发器复位成0，即v O为0。由于这时晶体管T因 [image] =1而导通，故电容C 通过R 2和T放电，于是v C开始下降。直至到 [image] VCC时，比较器C 2的输出为0，将触发器置1，即v O由0再次上跳为1。晶体管T因 [image] =0而截止，此后VCC又经R 1和R 2对电容C 充电，重复上述过程。可见，无论输出端v O为1还是为0，都是暂稳状态，输出电压v O为连续的方波信号。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 电容C 从 [image] VCC充电到 [image] VCC过程中形成的暂稳态脉冲宽度t P1为
    t P1 [image] （R 1+R 2）C ln2 = 0.7（R 1+R 2）C
    电容C 从 [image] VCC放电到 [image] VCC过程中形成的暂稳态脉冲宽度t P2为：t P2 [image] R 2C ln2 = 0.7R 2C
    所以，振荡周期为：T=t P1+t P2 [image] 0.7（R 1+2R 2）C
    振荡频率为：　f=
    由555定时器组成的振荡器，最高工作频率可达300kHz。
图9.6.4 占空比可调的多谐振荡器
                                                  输出波形的占空比：
    图9.6.4 是占空比可调的多谐振荡器。图中电位器R P用于调节充放电时间常数，D 1和D 2两只二极管起到隔离电容C 的充电、放电电路的作用。充电回路（ VCC [image] [image] [image] D 1 [image] C [image] 地）的时间常数
    放电回路（C [image] D2 [image] [image] [image] 地）的时间常数
    方波的占空比
1． 为什么说555集成定时器是一种数字电路和模拟电路结合的中规模集成电路？
2．参考一些关于555芯片实际的应用电路图，分析其工作原理。
3．什么是矩形脉冲信号的占空比？


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9.6.4 由555定时器组成的双稳态触发器
9.6.5 由555构造的双稳态触发器

    用555也可以组成双稳态RS 触发器。如图9.6.5所示，6脚为R 端，高电平有效，2脚为 [image] 端，低电平有效。（这种方式不同于前面介绍的基本RS 触发器，应给予注意。）当R 端出现正脉冲（ [image] ）时，Q =0；而 [image] 端出现负脉冲（ [image] ）时，Q =1。


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9.7.1 触发器应用举例
    1．安全保护电路
图9.7.1 冲床保安电路
     在某些由电动机拖动的机械设备中，需要保证有关人员的操作安全。希望当操作人员身体不慎处于机械（如：刀具等）所及的范围时，安全保护电路可以使电机停转。图9.7.1就是这样一类的安全保护电路。图中的基本RS 触发器由“或非”门组成，输入端子R、S 是高电平有效，与前述的由“与非”门组成的基本RS 触发器不同，其状态表如下表所示。
    当操作人员的身体进入危险区时，会遮住光电二极管D 1的光线，迫使其电阻值升高。这样造成晶体管T1截止，则T1的集电极为高电位并将触发器置1，从而使晶体管T2导通，电流继电器KA线圈来电，其常开触点断开电动机的控制电路，电动机停转。若当身体撤出危险区时，则T1导通，其集电极电位即SD为0，但此时R D也为0，触发器状态没有改变。须手动操作R D端子处的复位开关使触发器复位，才能使T2截止，继电器的常闭触点恢复闭合。

[1] [2] [3]


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9.7.2 寄存器应用举例
    在9.2.3寄存器的应用一节中，曾介绍利用寄存器集成芯片74LS194构造的两种脉冲分配器：环形计数器和扭环形计数器。若需要更多路的顺序节拍脉冲，可以考虑在上述两种脉冲分配器上加以译码电路，组成顺序脉冲发生器。
图9.7.4 顺序脉冲发生器
    如图9.7.4所示，是由自起动脉冲发生器和译码电路组成的移位寄存器型的顺序脉冲发生器，表9.7.2是该电路的状态表，节拍脉冲输出Z 0～Z 7的工作波形见图9.7.5。 　　 　　　　　　　　 　　　　　　　　　　 表9.7.2 顺序脉冲发生器状态表
图9.7.5 顺序脉冲发生器工作波形图


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9.7.3 计数器应用举例
图9.7.6 数字电子钟的原理

    图9.7.6是数字电子钟的原理电路。
    石英晶体振荡器和六级十分频器组成标准秒发生电路。其中“非”门用作整形以进一步改善输出波形。利用二-十计数器的第四级触发器Q 3端输出脉冲频率是计数脉冲的1/10，构造一级十分频器。如果石英晶体振荡器的震荡频率为1MHz，则经六级十分频后，输出脉冲的频率为1Hz，即周期为1s，即标准秒脉冲。
    标准秒脉冲进入秒六十进制计数器进行计数后，得出分脉冲；分脉冲进入分六十进制计数器计数后得出时脉冲；时脉冲进入时计数器。时、分、秒各计数器经译码显示出来。最大显示值为23小时59分59秒，再输入一个脉冲后，显示复位成零。比如，计数器可选74LS161芯片、译码器可选74LS248、显示器可选LC5011-11。
    校“时”和校“分”的校准电路是相同的，今以校“分”为例。“与非”门G1、G2、G3构成一个二选一电路。正常计时时，通过基本RS 触发器打开“与非”门G1而封闭G2门，这样秒计数器输出的脉冲可经G1、G3进入分计数器，而此时G2由于一个输入端为0，校准用的秒脉冲进不去。在校准“分”时，按下开关S1，情况正好相反：G1被封门而G2打开，标准秒脉冲直接进入分计数器进行快速校“分”。


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9.7.4 555集成定时器应用举例
    1．脉宽调制器
    利用555芯片组成的脉宽调制器如图9.7.7(a)所示，555按单稳态方式工作，在电压控制端5外加电压v R如图9.7.7(b)所示，使555内部的比较器C 1基准电压不是恒定的 [image] V CC，而是一个三角波。在连续负脉冲v I触发下，随着v R的增大，电容CT充电时间增加，输出电压v O的脉冲加宽。同样，当v R越过最大值，随之减小，电容CT充电时间减小，输出电压v O的脉冲变窄。
    2．模拟声响发生器
    由555定时器组成的多谐振荡器在电子门铃、电子琴等声响装置中应用十分广泛。例如，图9.7.8是由两个多谐振荡器构成的模拟声响发生器。左侧振荡器的振荡频率较低（整定元件为R 11、R 12、C 1）比如2Hz；右侧的振荡器的振荡频率较高（整定元件为R 21、R 22、C 2）比如为1kHz。由于低频振荡器的输出端3接到高频振荡器的复位端4，故当振荡器1的输出电压v O1为高电平时，振荡器2就振荡；当v O1为低电平时，振荡器2停止振荡，从而使扬声器便发出间歇声响。二个振荡器输出电压波形亦示意于图9.7.8。
（a）电路原理图 （b）工作波形图
图9.7.7 利用555芯片组成脉宽调制器
图9.7.8 模拟声响发生器
 1．时序逻辑电路与组合逻辑电路的区别？
2．参考有关材料，利用555芯片设计一个电子门铃，并调试。


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(每题5分)

(1)下列触发器中只有计数功能的是：__________
RS触发器 JK触发器 D触发器 T触发器

(2)在555定时器组成的三种电路中，能自动产生周期为T＝0.69(R1+2R2)C的脉冲信号的电路是：______
施密特触发器 单稳态触发器 多谐振荡器

(3) 指出下列各种类型的触发器中能组成移位寄存器的应该是主从结构触发器和：__________
基本 RS触发器 同步 RS触发器 结构触发器 维持阻塞触发器

(4)不能用来描述组合逻辑电路的是：__________
真值表 卡诺图 逻辑图 驱动方程

(5)电路如图所示，这是由定时器构成的：__________
多谐振荡器 单稳态触发器 施密特触发器 双稳态触发器


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  • 了解存储器的种类；
  • 了解ROM和RAM的构成和工作原理；
  • 了解可编程逻辑器件PLD种类和基本工作原理。
动画教学
名词解释
电路仿真


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10.1.1　只读存储器ROM
    1．ROM的结构框图
图10.1.1 ROM的结构框图

    只读存储器(ROM-Read Only Memory)是存储器中结构较简单的一种，它存储的信息是固定不变的。工作时,只能读出信息，不能随时写入信息，故有此名。
    图10.1.1是ROM的结构框图。它是由存储矩阵列、地址译码器、读出电路（输出缓冲器）三个部分组成的。读出电路作用在于为了增加ROM的带载能力。
    存储阵列是存储器的主体，含有大量基本存储单元。通常数据和指令是用一定位数的二进制数来表示的，这个二进制数称为字，字的位数称为字长。存储器中以字为单位进行存储，即用一组基本存储单元存储一个字。在存储器中，为了存入和取出的方便，必须给每组基本存储单元（字单元）以确定的标号，这个标号称为地址，不同的字单元具有不同的地址。在图10.1.1中，W 0～W N-1 称为字线；而D 0～D M-1是输出的数据线，简称位线。若存储阵列有N 条字线和M 条位线，则N×M 为其存储容量。
    A n-1…A 1A0是输入的地址代码，经地址译码器的译码使其输出的W 0～W N-1中仅有一条字线为有效电平。于是被选中的那条字线所对应的一组基本存储单元中的各位数码便经位线D 0～D M-1输出。

    2．ROM的工作原理
    为简单起见，以图10.1.2所示的二极管存储器为例来说明ROM的工作原理。

图10.1.2 二极管ROM电路

  （1）存储阵列
    存储阵列有四条字线和四条位线，形成16个交叉点。通过在交叉点处接或没有接二极管，就可以在该点存1或存0，所以每点都是一个基本存储单元。例如，字线W 0在两处与位线接有二极管。当W 0被译码器选中为高电平（其余字线未选中均为低电平）时，两个二极管导通，使位线D 2和D 0为1，这相当于接有二极管的交叉点存1；而没有接二极管的另外两个交叉点，位线D 3和D 1为0，相当于未接二极管的交叉点存0。由于各基本存储单元的内容由有二极管的分布决定，设计和制造时已完全确定不能改变，而且所存的信息不会因断电而消失。故ROM也称固定存储器。
    （2）地址译码器
    图示的是一个二极管译码器，我们知道，两位地址代码A1A0能确定四个不同的地址。根据译码电路的逻辑关系，地址译码器输出的四个地址分别是：

    即当A1A0分别为00，01，10，11四种组合时，字线W 0，W 1，W 2，W 3分别为1而被选中。例如，当地址代码A1A0=00时，地址译码器中只有与字线W 0相连的两个二极管的阴极同时为1，二极管“与”门输出W 0=1（其余字线W 1，W 2，W 3均为0）。于是，存储阵列输出的数据为D 3 D 2 D 1 D 0=0101。
[1] [2] [3]


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10.1.2 随机存取存储器RAM
    固定ROM只能读不能写，而随机存取存储器（RAM）也称为随机读/写存储器，它既可随时从任何一个指定地址的基本存储单元（或字单元）中读出数据，也可随时将数据写入任何一个指定地址的基本存储单元（或字单元）中。RAM的最大优点是读/写方便，但是所存储的内容的保存，要依赖于外界电源。一旦失电，所保存的内容也随之消失。
    1．RAM的结构和工作原理
    RAM的结构框图如图10.1.8所示，与ROM相似，主要由存储阵列、地址译码器和读/写控制电路（I/O电路）三部分组成。下面分三个方面简
图10.1.8 RAM的结构框图
单介绍RAM的工作原理
    一、存储阵列
    RAM的存储阵列由许多基本存储单元构成，每个基本存储单元存放一位二进制数码（1或0）。基本存储单元若采用双稳态触发器结构，则形成静态RAM（SRAM）；若采用动态的MOS基本存储单元或电容充放电原理构造基本存储单元，则形成动态RAM（DRAM）。RAM存储的数据不是象ROM那样预先固定的，而是取决于外部输入情况。
    二、地址译码器
采用最小项译码器（N 取1译码器），对于任一种地址代码A n-1…A 1 A 0组合情况均对应着一条字线（字长可另行定义）。当某条字线被选中时，通过读/写控制电路可对相应的字单元实现读/写操作。
    三、读/写控制电路
    单片RAM芯片存储容量总归有限，在数字系统中的RAM往往由多片组成，而系统每次访问存储器时，只能选中其中的一片（或几片）。为此在每片RAM上均设有片选端 [image] 。当 [image] =0时则本片选中，而当 [image] =1时本片的I/O端呈高阻态不工作，故未选中。
    在本片选中前提下，当读/写控制端 [image] =1时，可执行“读”操作，RAM将存储阵列中的被选中的字单元内容送到I/O端上；当读/写控制端 [image] =0时，执行“写”操作，RAM将I/O端上输入数据送到存储阵列中的被选中的字单元存起来。由于同一时间不能对RAM芯片又读又写操作，故输入线和输出线可合用一条双向数据线（I/O）。

动画10-02 RAM的工作原理

[1] [2]


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10.2.1　磁盘存储器
    磁盘存储器具有容量较大、成本低廉、信息在断电后仍可保存等优点。根据结构不同分为硬磁盘存储器和软磁盘存储器。通常作为计算机的外部存储器使用。
    1.磁记录原理
    磁盘存储器是将磁性材料沉积在基片上形成磁记录介质，通过磁头和记录介质的相对运动完成写入/读出信息的。为了使用的方便，一般磁盘存储器做成涂有薄层硬磁性材料的圆盘。磁头由带有气隙的导磁体和读/写励磁线圈组成，如图10.2.1（a）所示。写入时，反映着数字信息的电流i W通过写线圈（2-3），在导磁体的气隙处由其漏磁通在磁介质表面的一个微小区域磁化成一个具有一定方向和强度的磁化单元，即使电流i W消失，该磁化单元的具有一定大小的剩磁，仍保存着二进制的数字信息。当随着磁头和磁介质的相对运动，含有数字信息的电流i W在磁介质表面上形成与信息对应的磁化单元序列，即将数字信息写入了磁盘。读出过程与写入过程相反，如图10.2.1（b）所示，在机械带动下，磁头与磁介质之间有相对运动，磁头不断地切割介质上含有数字信息的磁化单元的剩磁通，于是在读线圈（1-3）中产生了含有数字信息的感应电动势e，它与磁化单元序列一一对应，这样数字信息由读线圈读出。 　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 2.硬磁盘存储器与软磁盘存储器
图10.2.1 磁记录原理
                                                                            磁盘存储器简称硬盘，其表面是用圆形硬质合金材料作为基片而得名。硬盘的种类繁多，性能差别也很大。温盘（温彻斯特硬盘）在结构上是一种最为常见硬盘，它由一片或多片盘面组成，全部装在驱动主轴上，在每张盘面上都有一个浮动磁头（与盘面不接触），存、取数据时，磁盘随驱动主轴高速转动，而磁头在盘面上做径向直线移动。为了能做到防尘性能好、可靠性高、环境适应性强，硬盘制造厂商将磁头、盘片、电机等驱动部件以及相关电路制成一个不可拆卸的整体，并密封起来。所以，温盘的盘片不可更换。
    软磁盘存储器简称软盘，这是由于其基片是用聚脂塑料薄膜制成而得名。在结构上与硬盘差别很大：硬盘的盘片是固定的，用户不可更换而软盘可以；硬盘的读/写磁头与盘片间呈浮动状态而软盘的读/写磁头与盘片直接接触；硬盘转速高、存取速度快而软盘转速低、存取速度慢。按盘片的尺寸大小，软盘可分为5.25英寸和3.5英寸两种；按磁记录介质面和磁化单元密度不同，分为单面密度、单面双密和双面双密等。现在常见的软盘是双面双密的5.25英寸(1.2MByte)及3.5英寸(1.44MByte)软盘。
图10.2.2 软盘的封装与结构
                                            软盘盘基的两面均涂有磁薄层，并封装于塑料护套内，套内有一衬层，起到防尘、保护盘面及消除静电的作用，如图10.2.2所示。
    初次使用软盘时须格式化（FORMAT）（一般在软盘出厂时已经格式化完毕），这是因为软盘必须按规定的格式记录数据，国际标准化组织ISO已确定将IBM格式做为国际标准，即规定每个盘面分若干个圆形磁道、每个磁道又分为若干扇区，并按格式记录数据。如IBM5.25英寸高密软盘有2个盘面，每面80个磁道，每个磁道15个扇区，每个扇区可记录512个字节信息。在磁道首尾和每一个扇区之间均有一定字节的间隙，用于补偿盘片的转速误差，以保证软盘可以在不同计算机正确地存取数据。
    磁盘片上的索引孔表示一个磁道的开始,磁道和扇区中含有地址及其它控制信息，它们在FORMAT时写入，用于管理磁盘文件。


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10.2.2　光盘存储器

    光盘存储器简称光盘，是通过激光信号读/写信息，具有存储容量大，存取速度快，性能价格比高等突出优点，现在得以广泛应用。按性能不同可分为三种类型：只读型光盘（CD-ROM）、一次性写入型光盘（WORM）和可擦写型光盘。按照存储信息格式可分为：普通数据光盘、CD(Compact Disk)、VCD(Video Compact Disk)、SVCD(Super Video Compact Disk)、DVD(Digit Video Disk)等。
    只读型光盘（CD-ROM）在出厂时已将有关数字信息写入并永久保存在光盘上，用户只能读不能写。光盘采用丙烯树脂做基片，并涂敷碲合金薄
图10.2.3 只读型光盘的写与读过程
膜或其他介质。其工作原理如图10.2.3所示，厂家写入数据时，采用大功率激光器，输入数据控制光调制器产生含有数字信息的写激光，其直径小于1μm，照射并灼烧盘面介质层形成微小的凹坑，形成数字信息1，否则为0。光盘在控制器作用下旋转，于是便可在直径30cm的光盘上连续存储 [image] ～ [image] Byte的数字信息。读信息时，用激光器产生读激光，根据光盘的有无凹坑形成强弱不同的反射光，于是该激光中含有了数字信息。再经过光解调器，便输出对应的数字信息。
    一次性写入型光盘（WORM）用户可以将自己的数据按一定格式一次性地写入，信息一旦写入，便只能读而不能再写。这种光盘在制造时，介质层没有与数字信息对应的凹坑排列，但要做出深度为激光波长1/8的导向槽和表明地址的深度为1/4波长的凹坑，以便实现控制定位、写/读信息。
可擦写型(Erasable)光盘特点是用户可多次擦写，其读/写原理依赖于使用的介质而定，典型的是光磁型光盘（MO）。
1．从结构、性能上比较硬磁盘和软磁盘，各自有何特点？
2．试说明光盘存储器的特点、分类。


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10.3.1　PLD简介
     我们知道，按集成度可将数字集成电路分为小规模、中规模、大规模及超大规模器件。若从逻辑功能的特点上也可将其分为通用型和专用型两大类。前几章介绍的中、小规模数字集成电路都属于通用型，这些器件具有很强的通用性，由于它们逻辑功能比较简单，而且固定不变,理论上可以用这些通用型中、小规模集成电路组成任意复杂的数字系统，但是需要大量的芯片及芯片连接线；且功耗大、体积大、可靠性差。于是专用集成电路ASIC（Application Specific Integrated Circuit）应运而生，它是为某种专门用途而设计的集成电路。然而ASIC一般用量较少，这使得设计和制造成本很高、设计和制造周期较长。
    可编程逻辑器件PLD（Programmable Logic Device）是指用户自行定义功能（编程）的一类通用型逻辑器件的总称。它可以把一个数字系统集成到一片PLD上，而不必由芯片制造商去设计和制作专用集成芯片。PLD兼顾了通用型器件批量大、成本低和专用型器件构成系统体积小、可靠性高的特点，在科技开发中得到广泛的应用。
    自20世纪80年代以来，PLD发展非常迅速，先后出现了PROM、EPROM、EEPROM、PLA、PAL、CPLD(Complicated Programmable Logic Device)和FPGA（Field Programmable Gate Array）等等，种类繁多。由于生产工艺的发展，可编程逻辑集成电路的线宽已经为0.35mm，甚至达到亚微米级，在一块芯片上可以集成20万个以上逻辑门。与此同时，器件的速度也在飞速提高，FPLA的门传输延时时间已小于3ns，CPLD器件的系统工作速度可达180MHz以上。CMOS工艺在速度上超过双极型工艺，成为可编程逻辑集成电路的主要工艺手段。
    PLD的出现，改变了传统的数字系统设计方法。传统的数字系统设计，依赖于现有的通用型器件，根据实际问题通过设计电路实现系统功能。采用PLD后，通过定义器件内部的逻辑和输入、输出引出端，将原来由电路板设计完成的大部分工作放在芯片设计中进行。这样不仅可通过芯片设计实现各种数字逻辑电路功能，而且由于引出端定义的灵活，大大减轻了电路图设计和电路板设计的工作量和难度，从而有效地增强了设计的灵活性，提高了工作效率。PLD是实现数字系统的理想器件。
    在采用PLD器件设计逻辑电路时，设计者需要利用PLD器件开发软、硬件平台。PLD器件开发软件是根据设计要求，可自动进行逻辑电路设计输入、编译、逻辑划分、优化和模拟，得到一个满足设计要求的PLD编程数据。所设计的PLD器件逻辑功能可以进行模拟运行，确定无误后一般要将PLD编程数据下载到编程器，由编程器可将该编程数据写入PLD中。由于PLD在制造工艺上的发展，出现了快闪存储器FLASH，这使得PLD的编程更为便利。
    可编程逻辑器件（PLD）这类器件的核心部分都是由两个逻辑门阵列（"与"阵列及"或"阵列）组成的，如图10.3.1所示。用户可根据实际应用需要，按某种规定方式改变PLD出厂时的标准"与"及"或"阵列结构，从而获得所需的逻辑功能。
图10.3.1 PLD的结构框图
[1] [2]


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10.3.2　可编程只读存储器
    1.一次编程型只读存储器（PROM) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 在10.1节中，我们已经知道ROM是一个“与”、“或”、逻辑阵列结构，当ROM制造完毕，用户不能改变其已经存储的内容。而PROM则不同，制造这种器件时，使存储阵列（“或”阵列）的所有存储单元的内容全为1（或0），用户根据自己的需要可以对所有的存储单元进行一次性改写。
    图10.3.3是熔断丝结构的PROM基本存储单元示意图。出厂时所有的基本存储单元为1，即存储阵列中的熔丝都是通的。若用户通过大电流将其熔丝烧断，则该基本存储单元改写成为0。PROM的熔丝烧断不能再接上，因而只能编程一次，故称为一次编程型只读存储器。

图10.3.3 熔断丝构成的 PROM基本存储单元 | 图10.3.4 PROM的阵列图
    为了表明PLD存储内容情况，常常用阵列图表示。图10.3.4所示的是PROM阵列图。它由一个固定的“与”阵列（地址译码器）和一个可编程的“或”阵列（存储阵列）构成。同ROM相比，二者差别在于“或”阵列是否能用户编程。图中黑点表示固定连接，叉点表示编程点。为了表示的方便，常常把PROM不可编程的“与”阵列（地址译码器）表示成象ROM那样，用一方框示出。
[1] [2] [3]


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10.3.3　可编程逻辑阵列PLA
图10.3.10 PLA阵列图
    如图10.3.10所示，为PLA基本结构，是由可编程“与”阵列和可编程“或”阵列组成。PLA与PROM不同的是，译码器（“与”阵列）不是固定的，也可由用户编程。和ROM、PROM一样，PLA可以方便地构成任何组合逻辑电路，如果在“或”阵列输出端外接触发器还可以构成时序逻辑电路。在完成相同逻辑功能的前提下，PLA在阵列结构上比ROM、PROM简单的多，这是因为其“与”、“或”二个阵列均可编程不必找最小项的原因。
    例如，用PLA产生一组逻辑函数：

    由于PLA的“与”阵列和“或”阵列均可编程。因此，应首先对Y 0～Y 2的“与或”逻辑函数表达式化简，然后分别对其“与”阵列和“或”阵列进行编程，而不必象EPROM那样找到最小项。

    编程结果如图10.3.11所示，可看出PAL阵列结构十分简单。

图10.3.11 用PLA产生
一组逻辑函数


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10.3.4　可编程阵列逻辑PAL

图10.3.12 PAL器件的基本结构
可编程阵列逻辑PAL的基本结构是由可编程的“与”阵列和固定的“或”阵列及输出反馈单元构成的。图10.3.12所示是一个3输入、3输出的 PAL器件基本结构。输出包含的乘积项数由固定连接的“或”阵列提供（本图各输出所包含的乘积项数为2），一般说来，在PAL产品中，一个输出的最多乘积项数可达8个，而可编程的"与"阵列决定每一个乘积项的内容。
    根据不同的输出及反馈电路，PAL可分为基本“与-或”阵列型、可编程输入/输出型、带反馈的寄存器型、带“异或”的寄存器型、可编程寄存器输出型、乘积项公用输出型和宏单元输出型等。在这里，我们只介绍两种。
图10.3.13 基本与-或阵列型结构
    1．基本“与-或”阵列型
     如图10.3.13所示，只有一个可编程的“与”阵列和一个固定的“或”阵列，无输出反馈信号 。图10.3.13中，只画出了一个输入端和一个 输出端。实际PAL器件中，有多个这样的输入端和输出端。若“或”阵列是由“或非”门组成，则输出为低电平有效。基本“与-或”阵列型PAL器件外输入和外输出引出端是固定的（不能由设计者自行定义），又无反馈单元，在使用中缺乏灵活性，故这类器件只适用于简单的组合逻辑电路设计。

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10.3.5　通用阵列逻辑GAL
图10.3.18 GAL16V8引脚排列图

    通用阵列逻辑（GAL）是80年代发展起来的一种新一代可编程器件。GAL的结构与PAL基本一样，只是在每个输出端增加了一个可编程的输出逻辑宏单元，其输出状态可以由用户定义。在工艺上采用了EMOS制造工艺，能够电擦写，因而可重复编程。GAL由于速度快、功耗低、集成度高、可多次编程和电擦除，使用灵活方便，故成为各类PLD器件中最为流行的一种。由于其输出状态可编程，这使得其可灵活地改变工作模式。GAL既可用作组合逻辑器件，又可用作时序逻辑器件；其输出引脚既能用作输出端，也能配置成输入端。此外，GAL还可以设置加密位，以防止他人对阵列组态模式和存储信息的非法复制。图10.3.18是GAL16V8的引脚排列图，其中除了有8个脚（I 1～I 8）固定用于输入外，还可以有其他8个脚设置为输入模式，最多可达16个输入端。输出端最多为8个，此时输入只有10个可用来编程。
     PLD的编程是在相应的开发软件和硬件下完成的，目前较为流行的是CUPL和ABEL两种编译型程序，属通用型开发软件，能支持所有的PLD。编程时将PLD插入编程器的插座上，编程器与PC机I/O 相连，在开发软件的控制下，编程器产生一系列规定的脉冲作用在PLD芯片上，便可实现指定的编程。目前国内普遍采用“FAST MAP”GAL作为编译程序，在GAL编程源文件编写过程中要遵照其书写语法和格式。
 1．试说明常见的PLD器件种类。
2．试比较ROM、PROM、EPROM在结构上和功能上有什么区别和联系？
3．试比较PLA和PAL在结构和功能的区别和联系？


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  • 了解数-模、模-数转换的意义；
  • 了解R-2R型数-模转换器（DAC）和逐次逼近型模-数转换器（ADC）的工作原理；
  • 了解集成DAC、ADC芯片的使用。
动画教学
名词解释
电路仿真


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11.1.1 T型电阻网络数—模转换器
图11.1.1 T形电阻网络数－模转换器
    DAC主要由数码寄存器、模拟电子开关、位权网络、求和运算放大器和基准电压源（或恒流源）组成，位权网络目前用得较多的是T形电阻网络，如图11.1.1所示。图中 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1．由R 和2R 两种阻值的电阻组成T形电阻网络；其输出接到运放的反相输入端；
    2．V R是称基准电压、V o是运放输出的模拟电压；
    3．S 3、S 2、S 1、S 0是各位的模拟电子开关；
    4．d 3d2d1d0是输入待转换的数字量，即数码寄存器存放的四位二进制数，各位的数码分别控制相应位的模拟开关：当数码为1时，开关接到V R电源上，为0时接“地”。
    根据戴维宁定理，对于运放反相输入端以外的有源线性二段网络可等效成电压源。计算时可按照叠加原理分别计算当d 0=1，d 1=1，d 2=1，d 3=1（其余为0）时的电压分量而后叠加而得V A。
    当d 3 d 2 d 1 d 0=0001，其电路如图11.1.2（a）所示。应用戴维宁定理可将00'左边部分等效为电压为 [image] 的电源与电阻R 串联的电路。再分别在11'、22'、33'处计算它们左边部分的等效电路，结果等效电源的电压分别为 [image] 、 [image] 、 [image] 、等效电源的内阻均为2R∥2R=R。由此，可得出33'左边部分，即最后的等效电路，如图11.1.2（b）所示。等效电源电压 [image] 。同理，若分别对d 1=1，d 2=1，d 3=1(其余为0)时，得出的网络开路电压分别为

图11.1.2 计算T形电阻网络的输出电压(d3d2d1d0=0001)

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11.1.2 数-模转换器的主要技术指标
    1．分辨率
    DAC分辨率是指最小输出电压与最大输出电压之比。分辨率与DAC的位数有关，位数越高，分辨率值越小，分辨能力越高。例如十二位数--模转换器的分辨率为

    2．转换误差
DAC转换误差是指实际输出模拟电压值与理想值的最大偏差。这误差是由三部分构成：
    （1）非线性误差：一般是由于模拟电子开关的导通电阻和导通压降及R、2R 电阻值的偏差引起。
    （2）漂移误差：一般是由于运算放大器的零点漂移引起。
    （3）增益误差：一般是由于参考电压偏离标准值、运放增益不稳定引起。
    3．转换时间
    转换速度一般由建立时间决定．从输入由全0突变全1起，到输出电压稳定（最大输出电压 [image] [image] 最小输出电压）止，称为DAC转换时间。它是DAC最大响应时间。例如，DAC 5G7520响应时间不大于500ns。
    此外，尚有电源抑制比、功率消耗、温度系数以及输入高、低逻辑电平的数值等技术指标。
1．DAC输入数字量每变化1，输出变化是多少？与DAC的位数有何关系？与基准电压有没有关系？
2．DAC的分辨率是如何定义的？与DAC的位数有没有关系？与基准电压有没有关系？


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11.2.1 逐次逼近型模-数转换器
    ADC也有很多种，从电路结构看可分为逐次逼近型、并联比较型、双积分型等。并联比较型具有转换速度高的优点，但随着位数的增加，所使用的元件数量以几何级数上升，使得造价巨增，故应用并不广泛；双积分型具有精度高的优点，但转换速度太低，一般应用于非实时控制的高精度数字仪器仪表中；逐次比较型转换速度虽然不及并联比较型，属于中速ADC，但具有结构简单的价格优势，在精度上可以达到一般工业控制要求，故目前应用比较广泛。
    本节着重介绍目前用得较多的逐次逼近型ADC。逐次逼近的过程好比用四个分别重8g，4g，2g，1g的砝码去秤重13g的物体，秤量顺序如表11.2.1所列：　　　表11.2.1 逐次逼近秤物一例
图11.2.1 逐次逼近型模--数转换器的原理框架图
   ADC在结构上由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、DAC和电压比较器等几部分组成，图11.2.1为其原理框图。转换开始时，顺序脉冲发生器输出的顺序脉冲首先将寄存器的最高位置1，经DAC转换为相应的模拟电压V A送人比较器与待转换的模拟电压V I进行比较。若V A＞V I，说明数字量过大，除去最高位的1，而将次高位置1，再一次比较。若V A＜V I，说明数字量还不够大，保留该位的1，且还须将下一位置1。这样逐次比较下去，一直到最低位为止。逐次逼近寄存器的逻辑状态就是待转换的模拟输入电压VI的数字量，经读出电路输出。

图11.2.2 四位逐次逼近型模--数转换器的原理电路图
值得注意的是，模拟电压在时间上是连续变化量，所以在进行转换时必须首先在一系列选定的时间上对模拟电压进行采样保持后，才能送入上述的ADC。下面以四位逐次逼近型ADC为例来了解逐次逼近的过程，如图11.2.2所示。四个可控RS 触发器F3，F2，F1，F0组成逐次逼近寄存器，输出四位二进制数d 3d2d1d0。五位顺序脉冲发生器，即环形计数器的输出端Q 4、Q 3、Q 2、Q 1、Q 0送出有一定先后顺序的环形顺序脉冲，即在时钟脉冲C 作用下，每次右移一位（环形计数器的原理和波形在第9章已经讨论过）作为逐次比较的节拍控制信号。四位DAC的输入来自逐次逼近寄存器，由T形电阻网络A点输出（参考§11.1.1)，电压V A为正值，送到由运放构成的电压比较器的同相输入端，同输入电压V I（加在反相输入端）相比较：若V I＜V A，则比较器输出为1，打开与之相连的四个控制“与”门，从而复位逐次逼近寄存器；若V I [image] V A，则输出为0，封锁四个控制“与”门。图中还设有四个读出“与”门，当读出控制端E =0时，四个“与”门封闭；当E =1时，把它们打开，转换后的二进制数据d 3d2d1d0便输出。集成芯片中常采用数据寄存器来缓冲转换结果。设DAC转换器的参考电压V R=+8V，输入模拟电压V I=5.52V，具体分析电路的转换过程。

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11.2.2 模-数转换器的主要技术指标

    1．分辨率
    以输出二进制数的位数表示ADC分辨率，位数越多，误差越小，转换精度越高。
    2．转换误差
    在零点和满度都校准后，在整个转换范围内，分别测量各个数字量所对应的模拟输入电压实测范围与理论范围之间的偏差，取其中的最大偏差作为ADC转换误差的指标。
    3．转换速度
    它是指完成一次转换所需的时间。ADC转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。采用不同的转换电路，其转换速度是不同的。并行型比逐次逼近型要快得多。低速的ADC为1～30ms，中速为50ms左右，高速约为50ns。ADC0809为100ms，TDC1007J为30Ms。
    此外尚有电源抑制、功率消耗、温度系数、输入模拟电压范围以及输出数字信号的逻辑电平等技术指标。
1．试说明在逐次逼近型ADC中的DAC环节的作用。
2．逐次逼近型四位ADC和八位ADC各输入多少电压，才能使数字量变化1？


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第一部分：电 子 技 术 基 础 实 验 的 基 本 知 识

1．1 电子电路测量技术的基本知识

一、要点提示
1、电子技术基础实验的目的和意义
2、电子技术基础实验的一般要求
3、误差分析与测量结果的处理
4、测量仪器的阻抗对测量的影响
5、接地、电源接地

二、内容简介
1.1.1 电子技术基础实验的目的和意义
实验是将事物置于控制的或特定的条件下加以观测。是对事物发展规律进行科学认识的必要环节，是科学理论的源泉，自然科学的根本，工程技术的基础。任何科学技术的发展都离不开实验。电子技术是一门实践性很强的学科，它的任务是使学生获得电子技术方面的基础理论、基础知识和基本技能。加强实验训练特别是技能的训练，对提高学生分析问题和解决问题的能力，特别是毕业后的实际工作能力，具有十分重要的意义。
电子技术是一门飞速发展的学科，市场经济需要的是具有一定实际工作能力的复合型人才，而实验教学在培养学生诸能力方面有一定的优势。在实验过程中，通过分析、验证器件和电路的工作原理及功能；对电路进行分析、调试、故障排除和性能指标的测量；自行设计、制作各种功能的实际电路等多方面的系统训练，可以使学生的各种实验技能得以提高，实际工作能力也得到了锻炼。同时，学生的创造性思维能力、观测能力、表达能力、动手能力、查阅文献资料的能力等综合素质也得到了提高。此外，通过实验还可以培养学生勤奋进取、严肃认真、理论联系实际的务实作风和为科学事业奋斗的精神。
电子技术实验，按性质可分为验证性实验、训练性实验、综合性实验和设计性实验四大类。
验证性实验和训练性实验是针对于电子技术基础理论而设置的，通过实验获得感性认识。验证和巩固重要的基础理论，同时使学生掌握测量仪器的工作原理和规范使用，熟悉常用元器件的原理和性能，掌握其参数的测量方法和元器件的使用方法，掌握基本实验知识、基本实验方法和基本实验技能。同时，培养学生一定的安装、调试、分析、寻找故障等技能。
综合性实验侧重于对一些理论知识的综合应用和实验的综合分析，其目的是培养学生综合应用理论知识能力和解决较复杂的实际问题的能力，包括实验理论的系统性、实验方案的完整性、可行性、元器件及测量仪器的综合应用等。
设计性实验对学生来说，既有综合性又有探索性。它主要侧重于某些理论知识的灵活应用。要求学生在教师的指导下独立查阅资料、设计方案与组合实验等工作，并写出试验报告。借助于计算机仿真实验，可以使实验方案更加完善、合理。这类实验对提高学生的科学实验能力等方面非常有益。

1.1.2 电子技术基础实验的一般要求
尽管每个电子技术实验的目的和内容不同，但为了培养良好的学风，充分发挥学生的主动精神，促使其独立思考、独立完成实验并有所创新。我们对电子技术实验的准备阶段、进行阶段、完成阶段和实验报告分别提出下列基本要求。
一、 实验前准备
为了避免盲目性，参加实验者应对实验内容进行预习。通过预习，明确实验目的和要求，掌握实验的基本原理，看懂实验电路图，查阅有关资料，拟出实验方法和步骤，设计实验表格，对思考题作出解答，初步估算（或分析）实验结果，最后做出预习报告。
二、 实验进行
①参加实验者要自觉遵守实验室规则。
②根据实验内容合理布置实验现场。仪器设备和实验装置安放要适当。检查所用器件和仪器是否完好，然后按实验方案搭接实验电路和测试电路。并认真检查，确保无误后方可通电测试。
③认真记录实验条件和所得资料、波形（并进行分析判断所得资料、波形是否正确）。发生故障应独立思考，耐心寻找故障原因并排除，记录排除故障的过程和方法。
④仔细申阅实验内容及要求，确保实验内容完整，测量结果准确无误，现象合理。
⑤实验中若发生异常现象，应立即切断电源，并报请指导教师和实验室有关人员，等候处理。
三、实验完成
必须实验报告是对实验工作的全面总结。学生做完实验后用简明的形式将实验结果和实验情况完整地和真实地表达出来。
1.　验报告的内容
实验报告应包括以下几个部分：
①实验的目的和要求。
②实验电路、测试电路和实验的工作原理。
③实验用的仪器、主要工具。
④实验的具体步骤、实验原始数据及实验过程的详细情况记录。
⑤实验结果和分析。必要时，应对实验结果进行误差分析。
⑥实验小结。实验小结即总结实验完成情况，对实验方案和实验结果进行讨论，对实验中遇到的问题进行分析，简单叙述实验的收获和体会。
⑦参考资料。记录实验前、后阅读的有关资料。应记录资料的名称、作者和简单内容。为今后查阅提供方便。
２． 实验报告的基本要求
实验报告的基本要求是：结论正确、分析合理、讨论深入、文理通顺、简明扼要、符号标准、字迹端正、图表清晰。在实验报告上还应注明：课题、实验者、实验日期、使用仪器编号等内容。

1.1.3 误差分析与测量结果的处理
在科学实验与生产实践的过程中，为了获取表征被研究对象的特征的定量信息，必须准确地进行测量。在测量过程中，由于各种原因，测量结果和待测量的客观真值之间总存在一定差别，即测量误差。因此，分析误差产生的原因，如何采取措施减少误差，使测量结果更加准确，对实验人员及科技工作者来说是必须了解和掌握的。
一、 差的来源与分类
1．测量误差的来源
测量误差的来源主要有以下几个方面：
（1） 仪器误差
仪器误差是指测量仪器本身的电气或机械等性能不完善所造成的误差。显然，消除仪器误差的方法是配备性能优良的仪器并定时对测量仪器进行校准。
（2） 使用误差也称操作误差
指测量过程中因操作不当而引起的误差。减小使用误差的办法是测量前详细阅读仪器的使用说明书，严格遵守操作规程，提高实验技巧和对各种仪器和操作能力。
例如：万用表表盘上的符号：⊥；∏；∠60o分别表示万用表垂直位置使用；水平位置使用；与水平面倾斜成60o使用。使用时应按规定放置万用表，否则会带来误差，至于用欧姆档测电阻前不调零所带来的误差，更是显而易见的。
（3） 方法误差又称理论误差
它是指由于使用的测量方法不完善、理论依据不严密、对某些经典测量方法作了不适当的修改简化所产生的，即凡是在测量结果的表达式中没有得到反映的因素，而实际上这些因素在测量过程中又起到一定的作用所引起的误差。例如，用伏安法测电阻时，若直接以电压表示值与电流表示值之比作测量结果，而不计电表本身内阻的影响，就会引起误差。
２．测量误差的分类
测量误差按性质和特点可分为系统误差、随机误差和疏失误差三大类。
（1） 系统误差
是指在相同条件下重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或按照一定的规律变化的误差。系统误差一般可通过实验或分析方法，查明其变化规律及产生原因后，可以减少或消除。电子技术实验中系统误差常来源于测量仪器的调整不当和使用方法不当所致。
(2)随机误差（偶然误差）
在相同条件下多次重复测量同一量时，误差大小和符号无规律的变化的误差称为随机误差。随机误差不能用实验方法消除。但从随机误差的统计规律中可了解它的分布特性，并能对其大小及测量结果的可靠性作出估计，或通过多次重复测量，然后取其中算术平均值来达到目的。
(3)粗差
这是一种过失误差。这种误差是由于测量者对仪器不了解、粗心，导致读数不正确而引起的，测量条件的突然变化也会引起粗差。含有粗差的测量值称为坏值或异常值。必须根据统计检验方法的某些准则去判断哪个测量值是坏值，然后去除。

二 、 误差的表示方法
误差可以用绝对误差和相对误差来表示。

1．绝对误差
设被测量量的真值为Ａo，测量仪器的示值为X，则绝对值为
△X＝X－Ａo
在某一时间及空间条件下，被测量量的真值虽然是客观存在的，但一般无法测得，只能尽量逼近它。故常用高一级标准测量仪器的测量值Ａ代替真值Ａo，则
△X＝X－Ａ
在测量前，测量仪器应由高一级标准仪器进行校正，校正量常用修正值C表示。对于被测量量，高一级标准仪器的示值减去测量仪器的示值所得的差值，就是修正值。实际上，修正值就是绝对误差，只是符号相反
C＝－△X＝Ａ－X
利用修正值便可得该仪器所测量的实际值
A＝X＋C
例如，用电压表测量电压时，电压表的示值为1.1V，通过鉴定得出其修正值为－0.01V。则被测电压的真值为
A＝1.1＋（－0.01）＝1.09V
修正值给出的方式可以是曲线、公式或数表。对于自动测验仪器，修正值则预先编制成有关程序，存于仪器中，测量时对误差进行自动修正，所得结果便是实际值。

２．相对误差
绝对误差值的大小往往不能确切地反映出被测量量的准确程度。例如，测100V电压时，△X1＝＋2V，在测10V电压时，△X2＝＝０.5Ｖ，虽然△X1＞△X2，可实际△X1只占被测量量的２％，而△X2却占被测量的5％。显然，后者的误差对测量结果的影响相对较大。因此，工程上常采用相对误差来比较测量结果的准确程度。
相对误差又分为实际相对误差、示值相对误差和引用（或满度）相对误差。
（1）实际相对误差；是用绝对误差△X与被测量的实际值A的比值的百分数来表示的相对误差，记为

（2）示值相对误差；是用绝对误差△X与仪器给出值X的百分数来表示的相对误差，即

（3）引用（或满度）相对误差；是用绝对误差△X与仪器的满刻度值Xm之比的百分数来表示的相对误差，即

电工仪表的准确度等级就是由 [image] 决定的，如1.5级的电表，表明 [image] ≤±1.5％。我国电工仪表按 值共分七级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。若某仪表的等级是S级，它的满刻度值为Xm，则测量的绝对误差为
△X≤Xm×S％
其示值相对误差为

在上式中，总是满足X≤Xm的，可见当仪表等级S选定后，X愈接近Xm时， 的上限值愈小，测量愈准确。因此，当我们使用这类仪表进行测量时，一般应使被测量的值尽可能在仪表满刻度值的二分之一以上。
二、 测量结果的处理
测量结果通常用数字或图形表示。下面分别进行讨论。

1.测量结果的数据处理
（1）有效数字
由于存在误差，所以测量资料总是近似值，它通常由可靠数字和欠准数字两部分组成。例如，由电流表测得电流为12.6mA，这是个近似数，12是可靠数字，而末位6为欠准数字，即12.6为三位有效数字。有效数字对测量结果的科学表述极为重要。
对有效数字的正确表示，应注意以下几点：
①与计量单位有关的"0"不是有效数字，例如，0.054A与54mA这两种写法均为两位有效数字。
②小数点后面的"0"不能随意省略，例如，18mA与18.00mA是有区别的，前者为两位有效数字，后者则是四位有效数字。
③对后面带"0"的大数目数字，不同写法其有效数字位数是不同的，例如，3000如写成30×10 2，则成为两位有效数字；若写成3×103，则成为一位有效数字；如写成3000±1，就是四位有效数字。
④如已知误差，则有效数字的位数应与误差所在位相一致，即：有效数字的最后一位数应与误差所在位对齐。如；仪表误差为±0.02V，测得数为3.2832V，其结果应写作3.28V。因为小数点后面第二位"8"所在位已经产生了误差，所以从小数点后面第三位开始后面的"32"已经没有意义了，写结果时应舍去。
⑤当给出的误差有单位时，则测量资料的写法应与其一致。如：频率计的测量误差为±数kHz，其测得某信号的的频率为7100kHz，可写成7.100MHz和7100×103Hz，若写成7100000或7.1MHz是不行的。因为后者的有效数字与仪器的测量误差不一致。]
（2）数据舍入规则
为了使正、负舍入误差出现的机会大致相等，现已广泛采用"小于5舍，大于5入，等于5时取偶数"的舍入规则。即
①若保留n位有效数字，当后面的数值小于第n位的0.5单位就舍去；
②若保留n位有效数字，当后面的数值大于第n位的0.5单位就在第n位数字上加1；
③若保留n位有效数字，当后面的数值恰为第n位的0.5单位，则当第n位数字为偶数（0，2，4，6，8）时应舍去后面的数字（即末位不变），当第n位数字为奇数（1，3，5，7，9）时，第n位数字应加1（即将末位凑成为偶数）。这样，由于舍入概率相同，当舍入次数足够多时，舍入的误差就会抵消。同时，这种舍入规则，使有效数字的尾数为偶数的机会增多，能被除尽的机会比奇数多，有利于准确计算。
（3）有效数字的运算规则
当测量结果需要进行中间运算时，有效数字的取舍，原则上取决于参与运算的各数中精度最差的那一项。一般应遵循以下规则：
①当几个近似值进行加、减运算时，在各数中（采用同一计量单位），以小数点后位数最少的那一个数（如无小数点，则为有效位数最少者）为准，其余各数均舍入至比该数多一位后再进行加减运算，结果所保留的小数点后的位数，应与各数中小数点后位数最少者的位数相同。
②进行乘除运算时，在各数中，以有效数字位数最少的那一个数为准，其余各数及积（或商）均舍入至比该因子多一位后进行运算，而与小数点位置无关。运算结果的有效数字的位数应取舍成与运算前有效数字位数最少的因子相同。
③将数平方或开方后，结果可比原数多保留一位。
④用对数进行运算时，n位有效数字的数应该用n位对数表
⑤若计算式中出现如e、π、 等常数时，可根据具体情况来决定它们应取的位数。

2．测量结果的曲线处理
在分析两个（或多个）物理量之间的关系时，用曲线比用数字、公式表示常常更形象和直观。因此，测量结果常要用曲线来表示。在实际测量过程中，由于各种误差的影响，测量数据将出现离散现象，如将测量点直接连接起来，将不是一条光滑的曲线，而是呈折线状。如图1.1.1所示，但我们应用有关误差理论，可以把各种随机因素引起的曲线波动抹平，使其成为一条光滑均匀的曲线，这个过程称为曲线的修匀。

图1.1.1 直线连接测量点时曲线的波动情况 图1.1.2 分组平均法修均曲线

在要求不太高的测量中，常采用一种简便、可行的工程方法--分组平均法来修匀曲线。这种方法是将各测量点分成若干组，每组含2－4个数据点，然后分别估取各组的几何重心，再将这些重心连接起来。图1.1.2就是每组取2－4个数据点进行平均后的修匀曲线。这条曲线，由于进行了测量点的平均，在一定程度上减少了偶然误差的影响，使之较为符合实际情况。

1.1.4 测量仪器的阻抗对测量的影响
被测电路的输入或输出阻抗与测量仪器的输入或输出阻抗间的关系，如果没有合理的匹配将造成测量误差，下面作简单叙述。
一、测量仪器和被测电路并联
以用示波器或数字电压表测量电路的内部电压为例，在图1.1.3中，被测电路的输出阻抗为ZS，内部电压为U 。用输入阻抗为Zm的示波器，或者数字电压表测量时，测量点A、B间的电压U′为
当Zm>>Zs时，V′≈V，此时误差非常小。如果Zm＝Zs，V′＝V／2，指示值为实际电压的1／2。因此，在这种情况下，必须使测量仪器的输入阻抗比被测电路的输出阻抗大很多。

图1.1.3 用高输入阻抗一起测量电压 | 图1.1.4用低输入阻抗一起测量电流

另外，一般Zm和Zs是频率的函数（通常多是频率越高，阻抗越低），尤其在高频测量时必须注意这一点。测量仪器和被测电路串联
测量电流时，如图1.1.4，若未接Zm前的真值电流为I，串接Zm后电流为I ′，则

若Zm>> Zs，则I ′≈I ，测量值近于真值。如果Zm＝Zs，则I ′＝I ／2，测量指示值为真值的1／2倍。因此，在这种情况下，测量仪器的输入阻抗应远小于被测电路的输出阻抗。由此也可见，如果忽略了测量仪器的阻抗，会对结果产生较大影响，实验中应给予足够的重视。

二、阻抗匹配
用信号发生器进行测量时，如图1.1.5，当被测电路输入阻抗Zm和信号发生器的输出阻抗Zs相等时，称为阻抗匹配，匹配的目的在于使负载Zm上得到最大功率，特别在高频电路中，此种匹配还为了在负载端不产生反射。
在高频、脉冲传输系统中，传输线多数采用50Ω，它比用600Ω系统时，电抗成分影响小，因此，前沿陡的脉冲及高频的测量比较正确。

图1.1.5 阻抗匹配

1.1.5 接地、电源接地
一、接地的含义
一般电子技术中的接地有两种含义。第一种含义是指接真正的大地即与地球保持等电位，而且常常局限于所在实验室附近的大地。对于交流供电电网的地线，通常是指三相电力变压器的中线(又称零线)，它是在发电厂接大地。第二种含义是指接电子测量仪器、设备、被测电路等的公共联接点。这个公共联接点通常与机壳直接联接在一起，或通过一个大电容(有时还并联一个大电阻--有形或无形的)与机壳相联(这在交流意义上也相当于短路)。因此，至少在交流意义上，可以把一个测量系统中的公共联接点，即电路的地线与仪器或设备的机壳看作同义语。
研究接地问题应包括两方面的内容：保证实验者人身安全的安全接地和保证正常实验、抑制噪声的技术接地。
二、安全接地
绝大多数实验室所用的测量仪器和设备都由50Hz，220V的交流电网供电，供电线路的中线(零线)已经在发电厂用良导体接大地，另一根为相线(又称为火线)。如果仪器或设备长期处于湿度较高的环境或长期受潮未烘烤、变压器质量低劣等，变压器的绝缘电阻就会明显下降。通电后，如人体接触机壳就有可能触电。为了防止因漏电使仪器外壳电位升高，造成人身事故，应将仪器外壳接大地。
为了避免触电事故的发生，可在通电后用试电笔检查机壳是否明显带电。一般情况下，电源变压器初级线圈两端的漏电阻是不相同的，因此，往往把单相电源插头换个方向插入电源插座中部可削弱甚至消除漏电现象。

图1.1.6 利用三孔插座进行安全接地

比较安全的办法是采用三孔插头座，如图1.1.6中，三孔插座中间较粗的插孔与本实验室的地线(实验室的大地)相接，另外两个较细的插孔，一个接220V相线(火线)，另一个接电网零线（中线），由于实验室的地线与电网中线的实际节点不同，二者之间存在一定的大地电阻Ｒd(这个电阻还随地区、距离、季节等变化，一般是不稳定的)，如图1.1.7所示。
电网零线与实验室大地之间由于存在沿线分布的大地电阻，因此不允许把电网中线与实验室地线相联。否则，零线电流会在大地电阻Ｒd上形成一个电位差。同样道理，也不能用电网零线代替实验室地线。实验室地线是将大的金属板或金属棒深埋在实验室附近的地下(并用撒食盐等办法来减小接地电阻)，然后用粗导线与之焊牢再引入实验室，分别接入各电源插座的相应位置。

图1.1.7 实验室的地线与电网电线间的电阻

三孔插头中较粗的一根插头应与仪器或设备的机壳相联，另外两根较细的插头分别与仪器或设备的电源变压器的初级线圈的两端相联。利用如图1.1.6所示的电源插接方式，就可以保证仪器或设备的机壳始终与实验室大地处于同电位，从而避免了触电事故。如果电子仪器或设备没有三孔插头，也可以用导线将仪器或设备的机壳与实验室大地相联。

三、技术接地
1．接地不良引入干扰
在电子电路实验中，由信号源、被测电路和测试仪器所构成的测试系统必须具有公共的零电位线(即接地的第二种含义)，被测电路、测量仪器的接地除了保证人身安全外，还可防止干扰或感应电压窜入测量系统或测量仪器形成相互间的干扰，以及消除人体操作的影响。接地是使测量稳定所必需的,抑制外界的干扰，保证电子测量仪器和设备能正常工作。如果接地不当，可能会产生实验者所不希望的结果。下面举几个常见的例子来说明。
如图1.1.8所示为用晶体管毫伏表测量信号发生器输出电压，因未接地或接地不良引入干扰的示意图。

图1.1.8接地不良引入干扰

在图1.1.8中，Ｃ1、Ｃ2分别为信号发生器和晶体管毫伏表的电源变压器初级线圈对各自机壳(地线)的分布电容，Ｃ3、Ｃ4分别为信号发生器和晶体管毫伏表的机壳对大地的分布电容。由于图中晶体管毫伏表和信号发生器的地线没有相连，因此实际到达晶体管毫伏表输入端的电压为被测电压Ｕx与分布电容Ｃ3、Ｃ4所引入的50Hz干扰电压ｅC3、ｅC4之和(如图1.1.8(b)所示)，由于晶体管毫伏表的输入阻抗很高(兆欧级)，故加到它上面的总电压可能很大而使毫伏表过负荷，表现为在小量程档表头指针超量程而打表。
如果将图1.1.8中的晶体管毫伏表改为示波器，则会在示波器的荧光屏上看到如图1.1.9(a)所示的干扰电压波形，将示波器的灵敏度降低可观察到如图1.1.9(b)所示的一个低频信号叠加一个高频信号的信号波形，并可测出低频信号的频率为50Hz。

（a） （b）
图1.1.9示波器观测50Hz干扰信号波形

如果将图1.1.8中信号发生器和晶体管毫伏表的地线相联(机壳)或两地线(机壳)分别
接大地，干扰就可消除。因此，对高灵敏度、高输入阻抗的电子测量仪器应养成先接好地线再进行测量的习惯。
在实验过程中，如果测量方法正确、被测电路和测量仪器的工作状态也正常，而得到的仪器读数却比预计值大得多或在示波器上看到如图1.1.9所示的信号波形，那么，这种现象很可能就是地线接触不良造成的。

2．仪器信号线与地线接反引入干扰
  有的实验者认为，信号发生器输出的是交流信号，而交流信号可以不分正负，所以信号线与地线可以互换使用，其实不然。
如图1.1.10(a)所示，用示波器观测信号发生器的输出信号，将两个仪器的信号线分别与对方的地线(机壳)相联，即两仪器不共地。Ｃ1、Ｃ2分别为两仪器的电源变压器的初级线圈对各自机壳的分布电容，Ｃ3、Ｃ4分别为两仪器的机壳对大地的分布电容，那么图1.1.10(a)可以用图1.1.10(b)来表示，图中ｅC3、ｅC4为分布电容Ｃ3、Ｃ4所引入的50Hz　干扰，在示波器荧光屏上所看到的信号波形叠加有50Hz干扰信号，因而包络不再是平直的而是呈近似的正弦变化。

图1.1.10 信号线与地线接反引入干扰

如果将信号发生器和示波器的地线(机壳)相连或两地线(机壳)分别与实验室的大地相接，那么，在示波器的荧光屏上就观测不到任何信号波形，信号发生器的输出端被短路。
3．高输入阻抗仪表输入端开路引入干扰
以示波器为例来说明这个问题。如图1.1.11(a)所示，Ｃ1、Ｃ2分别为示波器输入端对电源变压器初级线圈和大地的分布电容，Ｃ3、Ｃ4分别为机壳对电源变压器初级线圈和大地的分布电容。此电路可等效为如图1.1.11(b)所示电路，可见，这些分布参数构成一个桥路，当Ｃ1Ｃ4＝Ｃ2Ｃ3时，示波器的输入端无电流流过。但是，对于分布参数来说，一般不可能满足Ｃ1Ｃ4＝Ｃ2Ｃ3，因此示波器的输入端就有50Hz的市电电流流过，荧光屏上就有50Hz交流电压信号显示。如果将示波器换成晶体管毫伏表，毫伏表的指针就会指示出干扰电压的大小。正是由于这个原因，毫伏表在使用完毕后，必须将其量程旋钮置3V以上档位，并使输入端短路，否则，一开机，毫伏表的指针会出现打表现象。

图1.1.11示波器输入端开路引入干扰

4．接地不当将被测电路短路
这个问题在使用双踪示波器时尤其应注意。如图1.1.12所示，由于双踪示波器两路输入端的地线都是与机壳相联的，因此，在图1.1.12(a)中，示波器的第一路(CHl)观测被测电路的输入信号，连接方式是正确的，而示波器的第二路(CH2)观测被测电路的输出信号，连接方式是错误的，导致了被测电路的输出端被短路。在图1.1.12(b)中，示波器的第二路(CH2)观测被测电路的输出信号，连接方式是正确的，而示波器的第一路(CHl)，观测被测电路的输入信号，连接方式是错误的，导致了被测电路的输入端被短路。

图1.1.12 接地不当将被测电路短路

此外，接地时应避免多点接地，而采取一点接地方法，以排除对测量结果的干扰而产生测量误差。尤其多个测量电仪器间有二点以上接地时更需注意。如果实验室电源有地线，此项干扰可以排除，否则，由于两处接地，工作电流在各接地点间产生电压降或在接地点间产生电磁感应电压，这些原因也会造成测量上的误差。为此，必须采取一点接地措施。
在测量放大嚣的放大倍数或观察其输入、输出波形关系时，也要强调放大器、信号发生器、晶体管毫伏表以及示波器实行共地测量，以此来减小测量误差与干扰。

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第一部分：电 子 技 术 基 础 实 验 的 基 本 知 识

1．2 电子技术实验中基本电量的测量

一、要点提示
1.2.1 电阻的测量
1.2.2 电容的测量
1.2.3 电感的测量
1.2.4 电压的测量
1.2.5 电流的测量

二、内容简介
电子技术实验离不开对某些电量的测量，测量是为了确定被测量对象的量值而进行的实验过程。在这个过程中，人们借助于专门的设备，把被测量对象直接或间接地与同类已知单位进行比较，取得用数值和单位共同表示的测量值。它所涉及的内容包含以下几个方面：电能量的测量（如电压、电流、功率）；元件和电路参数的测量（如电阻、电容、电感、晶体管参数）；电信号特性参数的测量（如频率、相位）；电路性能指标的测量（如放大倍数、噪声指数）；特性曲线的测量（如晶体管特性曲线、电路的幅频曲线），上述各参数中，电压、电流、电阻等是基本参量，由于受篇幅所限，本节仅介绍几个基本电量的测量，其它有关电参量的测量，请参阅有关章节。
1.2.1 电阻的测量
电阻由于其结构上的特点，存在引线电感和分布电容，当工作于低频时电阻分量起主要作用，电抗分量可以忽略不计。但当工作频率升高时电抗分量就不能忽略不计了。此时，工作于交流电路的电阻的阻值，由于集肤效应、涡流损耗等原因，其等效电阻随频率的不同而不同。实验证明，当频率在1kHz以下时，电阻的交流阻值和直流阻值相差不过1×10-4 ，随着频率的升高，其间的差值随之增大。

一、固定电阻的测量
１．万用表测量电阻
用万用表的电阻档测量电阻时，先根据被测电阻的大小，选择好万用表电阻档的倍率或量程范围，再将两个输入端(称表笔)短路调零，最后将万用表并接在被测电阻的两端，读出电阻值即可。
在用万用表测量电阻时应注意以下几个问题：
①要防止用双手把电阻的两个端子和万用表的两个表笔并联捏在一起，因为这样测得的阻值是人体电阻与待测电阻并联后的等效电阻的阻值，而不是待测电阻的阻值。
②当电阻连接在电路中时，首先应将电路的电源断开，决不允许带电测量。
③用万用表测量电阻时应注意被测电阻所能承受的电压和电流值，以免损坏被测电阻。例如，不能用万用表直接测量微安表的表头内阻，因为这样做可能使流过表头的电流超过其承受能力(微安级)而烧坏表头。
④万用表测量电阻时不同倍率档的零点不同，每换一档都应重新进行一次调零，当某一档调节调零电位器不能使指针回到0欧姆处时，表明表内电池电压不足了，需要更换新电池。
⑤由于模拟式万用表电阻档表盘刻度的非线性，测量误差也较大，因而一般作粗略测量。数字式万用表测量电阻的误差比模拟万用表的误差小，但当它用以测量阻值较小的电阻时，相对误差仍然是比较大的。

2．电桥法测量电阻
当对电阻值的测量精度要求很高时，可用电桥法进行测量。如图1.2.1所示R１,R２是固定电阻，称为比率臂，比例系数K=R１／R２可通过量程开关进调节，Rn为标准电阻称为标准臂，Rx为被测电阻，G为检流计。测量时接上被测电阻，接通电源，通过调节K和Rn，使电桥平衡即检流计指示为零，读出K和Rn的值，即可求得Rx的值。

图1.2.1电桥法测量电阻

3．伏安法测量电阻
伏安法是一种间接测量法，理论依据是欧姆定律R＝U／I，给被测电阻施加一定的电压，所加电压应不超出被测电阻的承受能力，然后用电压表和电流表分别测出被测电阻两端的电压和流过它的电流，即可算出被测电阻的阻值。
伏安法有如图1.2.1（a）、（b）所示的两种测量电路。
如图1.2.2（a）所示电路称为电压表前接法。由图可见，电压表测得的电压为被测电阻Rx两端的电压与电流表内阻RＡ压降之和。因此，根据欧姆定律求得的测量值为R测＝U／Ix＝（Ux＋UＡ）／Ix＝Rx+RＡ＞Rx

图1.2.2 伏安法测量电阻

如图1.2.2（b）所示电路称为电压表后接法。由图可见，电流表测得的电流为流过被测电阻Rx的电流与流过电压表内阻Rv的电流之和，因此，根据欧姆定律求得的测量值为
R测＝U／Ix＝Ux／(Iv＋Ix)＝Rx∥Rv＜Rx
使用伏安法时，应根据被测电阻的大小，选择合适的测量电路；如果预先无法估计被测电阻的大小，可以两个电路都试一下，看两种电路电压表和电流表的读数的差别情况，若两种电路电压表的读数差别比电流表的读数差别小，则可选择电压表前接法，即如图1.2.2(a)所示电路。反之，则可选择电压表后接法即如图1.2.2(b)所示电路。

二、电位器的测量
１．用万用表测量电位器
用万用表测量电位器的方法与测量固定电阻的方法相同，先测量电位器两固定端之间的总体固定电阻，然后测量滑动端对任意一端之间的电阻值，并不断改变滑动端的位置，观察电阻值的变化情况，直到滑动端调到另一端为止。在缓慢调节滑动端时，应滑动灵活，松紧适度，听不到咝咝的噪声，阻值指示平稳变化，没有跳变现象，否则说明滑动端接触不良，或滑动端的引出机构内部存在故障。
2，用示波器测量电位器的噪声
如图1.2.3所示，给电位器两端加一适当的直流电源Ｅ，Ｅ的大小应不造成电位器超功耗，最好用电池。让一定电流流过电位位器，缓慢调节电位器的滑动端，在示波器的荧光屏上显示出一条光滑的水平亮线，随着电位器滑动端的调节，水平亮线在垂直方向移动，若水平亮线上有不规则的毛刺出现，则表示有滑动噪声或静态噪声存在。

图1.2.3　用示波器测电位器的噪声

三、非线性电阻的测量
非线性电阻如热敏电阻、二极管的内阻等，它们的阻值与工作环境以及外加电压和电流的大小有关，一般采用专用设备测量其特性。当无专用设备时，可采用前面介绍的伏安法，测量一定直流电压下的直流电流值，然后改变电压的大小，逐点测量相应的电流，最后作出伏安特性曲线，所得电阻值只表示一定电压或电流下的直流电阻值。如果电阻值与环境温度有关时还应制造一定的外界环境。

1.2.2　电容的测量
电容的主要作用是贮存电能。它由两片金属中间夹绝缘介质构成。由于存在绝缘电阻(绝缘介质的损耗)和引线电感。而引线电感在工作频率较低时，可以忽略其影响。因此，电容的测量主要包括电容量值与电容器损耗(通常用损耗因数D表示)两部分内容，有时需要测量电容器的分布电感。
一、谐振法测量电容量
将交流信号源、交流电压表、标准电感Ｌ和被测电容Cx连成如图1.2.4所示的并联电路，其中C０为标准电感的分布电容。
测量时，调节信号源的频率，使并联电路谐振，即交流电压表读数达到最大值，反复调节几次，确定电压表读数最大时所对应的信号源的频率?，则被测电容值Cx为

图1.2.4 并联谐振法测量电容量

二、交流电桥法测量电容量和损耗因数
交流电桥有如图1.2.5(a)和(b)所示的串联和并联两种电桥。 对于如图1.2.5(a)所示的串联电桥，Cx为被测电容，Rx为其等效串联损耗电阻，由电桥的平衡条件可得

图1.2.5　　测量电容的交流电桥

测量时，先根据被测电容的范围，通过改变R3来选取一定的量程，然后反复调节R4和Rn使电桥平衡，即检流计读数最小，从R4，Rn刻度读Cx和Dx的值。这种电桥适用于测量损耗小的电容器。
对于如图1.2.5(b)所示的并联电桥，Cx为被测电容，Rx为其等效并联损耗电阻，测量时，调节Rn和Cn使电桥平衡，此时

这种电桥适于测量损耗较大的电容器。

三、用万用表估测电容
用模拟式万用表的电阻档测量电容器，不能测出其容量和漏电阻的确切数值，更不能知道电容器所能承受的耐压，但对电容器的好坏程度能粗略判别，在实际工作中经常使用。
1.估测电容量
将万用表设置在电阻档，表笔并接在被测电容的两端，在器件与表笔相接的瞬间，表针摆动幅度越大，表示电容量越大，这种方法一般用来估测0.01μF以上的电容器。
2.电容器漏电阻的估测
除铝电解电容外，普通电容的绝缘电阻应大于10MΩ，用万用表测量电容器漏电阻时，万用表置x1k或x10k倍率档，当表笔与被测电容并接的瞬间，表针会偏转很大的角度，然后逐渐回转，经过一定时间，表针退回到∞Ω处，说明被测电容的漏电阻极大，若表针回不到∞Ω处，则示值即为被测电容的漏电阻值。铝电解电容的漏电阻应超过200k?才能使用。若表针偏转一定角度后，无逐渐回转现象，说明被测电容已被击穿，不能使用了。

1.2.3 电感的测量
电感的主要特性是贮存磁场能。但由于它一般是用金属导线绕制而成的，所以有绕线电阻(对于磁芯电感还应包括磁性材料插入的损耗电阻)和线圈匝与匝之间的分布电容。采用一些特殊的制作工艺，可减小分布电容，工作频率也较低时，分布电容可忽略不计。因此，电感的测量主要包括电感量和损耗(通常用品质因数Q表示)两部分内容。
一、谐振法测量电感
如图1.2.6所示为并联谐振法测电感的电路，其中C为标准电感，L为被测电感，Co为被测电感的分布电容。测量时，调节信号源频率，使电路谐振，即电压表指示最大，记下此时的信号源频率f，则

图1.2.6 谐振法测量电感

由此可见，还需要测出分布容Co，测量电路如图1.2.6所示，只是不接标准容。调信号源频率，使电路自然谐振。设此频率为f1，则

由上两式可得

将Co代入Ｌ的表达式，即可得到被测电感的感量。

二、 交流电桥法测量电感
测量电感的交流电桥如图1.2.7(a)和(b)所示的马氏电桥和海氏电桥两种电桥，分别适用于测量品质因数不同的电感。

图1.2.7　交流电桥法测量电感

如图1.2.7(a)所示的马氏电桥适用于测量Ｑ＜10的电感，图中Ｌx为被测电感，Rx为被测电感损耗电阻，马氏电桥由电桥平衡条可得

一般在马氏电桥中，R3用开关换接作为量程选择，R2和Rn为可调元件，由R2的刻度可直读Lx，由Rn的刻度可直读Q值。图1.2.7(b)所示的海氏电桥适用于测量Ｑ＞10的电感，测量方法和结论与马氏电桥相同。

1.2.4 电压的测量
在电子测量领域中，电压是基本参数之一。许多电参数，如增益、频率特性、电流、功率调幅度等都可视为电压的派生量。各种电路工作状态，如饱和、截止等，通常都以电压的形式反映出来。不少测量仪器也都用电压来表示。因此，电压的测量是许多电参数测量的基础。电压的测量对调试电子电路可以说是必不可少的。
电子电路中电压测量的特点是：
(1) 频率范围宽；电子电路中电压的频率可以从直流到数百兆赫范围内变化。
(2) 电压范围广；电子电路中，电压范围由微伏级到千伏以上高压，对于不同的电压档级必须采用不同的电压表进行测量。
(3) 存在非正弦量电压；被测信号除了正弦电压外，还有大量的非正弦电压。
(4) 交、直流电压并存；被测的电压中常常是交流与直流并存，甚至还夹杂有噪声干扰等成分。
(5) 要求测量仪器有高输入阻抗；由于电子电路一般是高阻抗电路，为了使仪器对被测电路的影响减至足够小，要求测量仪器有更高的输入电阻。
所以，在电子电路中，应根据被测电压的波形、频率、幅度、等效内阻，针对不同的测量对象采用不同的测量方法。如：测量精度要求不高，可用示波器或普通万用表；如果希望测量精度较高，根据现有条件，选择合适的测量仪器。
一、直流电压的测量
电子电路中的直流电压一般分为两大类，一类为直流电源电压，它具有一定的直流电动势Ｅ和等效内阻R0，如图1.2.8（a）所示。另一类是直流电路中某元器件两端之间的电压差或各点对地的电位，如图1.2.8（b）所示，图中R1，R2，R3，R4可以是任意元器件的直流等效电阻，UR1、UR3为元器件两端电压，Ul、U2既是对地电位又是元器件两端电压。

图1.2.8　　两种直流电压

直流电压的测量方法大体上有直接测量法和间接测量法两种。
（1）直接测量法
将电压表直接并联在被测支路的两端，如图1.2.8所示，如果电压表的内阻为无限大，则电压表的示数即是被测两点间的电压值。实际电压表的的内阻不可能为无穷大，因此直接测量法必定会影响被测电路，造成测量误差。测量时还应注意电压表的极性。它影响到测量值与参考极性之的关系，也影响模拟式电压表指针的偏转方向。
（2）间接测量法
如图1.2.8（b）所示，若要测量R3两端的电压，可以分别测出R3对地的电位U1和U2，然后利用公式UR3＝U1－U2求出要测量的电压值。
下面介绍实际使用的测方法。
1、 数字万用表测量直流电压
数字万用表的基本构成部件是数字直流电压表，因此，数字万用表均有直流电压档。用它测量直流电压可直接显示被测直流电压的数值和极性，有效数值位数较多，精确度高。一般数字万用表直流电压档的输入电阻较高，可达10MΩ以上，如DT890型数字万用表的直流电压档的输入电阻为10MΩ，将它并接在被测支路两端对被测电路的影响较小。
用数字万用表测量直流电压时，要选择合适的量程，当超出量程时会有溢出显示，如DT-990C型数字万用表，当测量值超出量程时会显示"OL"，并在显示屏左侧显示"OVER"表示溢出。
数字万用表的直流电压档有一定的分辨力，即它所能显示的被测电压的最小变化值，实际上不同量程档的分辨力不同，一般以最小量程档的分辨力为数字电压表的分辨力，如DT890型数字万用表的直流电压分辨力为100μV，即这个万用表不能显示出比100μV更小的电压变化。
2、 模拟式万用表测量直流电压
模拟式万用表的直流电压档由表头串联分压电阻和并联电阻组成，因而其输入电阻一般不太大，而且各量程档的内阻不同，各量程档内阻Rv＝量程×直流电压灵敏度Sv-，因此同一块表，量程越大内阻越大。在用模拟式万用表测量直流电压时，一定要注意表的内阻对被测电路的影响，否则将可能产生较大的测量误差。例如用MF500-B型万用表测量如图1.2.9所示电路的等效电动势Ｅ，万用表的直流电压灵敏度Sv＝20k?／V，选用10V量程档，测量值为7.2V，理论值为9V，相对误差为20％，这就是由所用万用表直流电压档的内阻Rv与被测电路等效内阻相比不够大所引起的，是测量方法不当引起的误差。再比如, 用灵敏度为10KΩ／V的万用表的2.5V直流电压档，去测量图1.2.10所示放大器中晶体管的发射结电压Ube。如果不直接测量UBE，而是分别测得UB＝﹣0.88V，UE＝﹣0.92V，计算得UBE＝UB－UE＝0.04V。根据这个测量结果，放大器必然处于截止状态，而实际上放大器却工作在放大状态，且UBE=﹣0.32V。

图1.2.9 测量支流电压

  造成这个错误结论的原因是万用表2.5V 档的内阻为25kΩ,这个电阻并联在基极与地之间，减小了下偏置电阻，因而测出的UB值比实际值小得多，而测得的UE值由于发射极输出阻抗低，仪器内阻的影响小而接近其实际值。可见，上述误差是由于测试方法不当引起的，应直接测量基极与发射极之间的电压UBE。因此模拟式万用表的直流电压档测量电压只适用于被测电路等效内阻很小或信号源内阻很小的情况。

图1.2.10 单管放大电路 | 图1.2.11 零示法测量直流电压

３、零示法测量直流电压
为了减小由于模拟式电压表内阻不够大而引起的测量误差，可用如图1.2.11所示的零示法。图中Es为大小可调的标准直流电源，测量时，先将标准电源Es置最小，电压表置较大量程档，按如图1.2.11所示的极性接人电路，然后缓慢调节标准电源Es的大小，并逐步减小电压表的量程档，直到电压表在最小量程档指示为零，此时E＝Es，电压表中没有电流流过，电压表的内阻对被测电路无影响。然后断开电路，用电压表测量标准电源Es的大小即为被测E的大小。在此由于标准直流电源的内阻很小，一般均小于l?，而电压表的内阻一般在K?级以上，所以用电压表直接测量标准电源的输出电压，电压表内阻引起的误差完全可以忽略不计。
4、用电子电压表测量直流电压
为了提高电压表的内阻，可以将磁电式表头加装输入阻抗高、并且具有一定放大量的电子线路构成电子电压表，一般采用跟随器和放大器等电路提高电压表的输入阻抗和测量灵敏度，这种电子电压表可在电子电路中测量高电阻电路的电压值。?
5、示波器测量直流电压
用示波器测量电压时，首先应将示波器的垂直偏转灵敏度微调旋钮置校准档，否则电压读数不准确。
具体测量步骤如下：
(1)将待测信号送至示波器的垂直输入端。
(2)确定直流电压的极性。将示波器的输入耦合开关置于"GND''档，调节垂直位移旋钮，将荧光屏上的水平亮线(时基线)移至荧光屏的中央位置，即水平坐标轴上。调整垂直灵敏度开关于适当档位，将示波器的输入耦合开关置于"DC"档，观察水平亮线的偏转方向（灵敏度不合适时，亮线可能消失，此时需要调整灵敏度）。若向上偏转，则被测直流电压为正极性，若向下偏转，则被测直流电压为负极性。
(3)定零电压线。将示波器的输入耦合开关置于"GND'：档，调节垂直位移旋钮，将荧光屏上的水平亮线(时基线)向与其极性相反的方向移动，置于荧光屏的最顶端或最底端的坐标线上，即被测电压为正极性，就将时基线移至最底端的坐标线上，反之则将时基线移至最顶端的坐标线上，此时基线所在位置即为零电压所在位置，在此后的测量中不能再移动零电压线。即不能再调节垂直位移旋钮。

图1.2.12 示波器测量直流电压 | 图1.2.13 微差法测量直流电压

(4)将示波器的输入耦合开关置于"DC"档，调整垂直灵敏度开关于适当档位，读出此时荧光屏上水平亮线与零电压线之间的垂直距离Y(如图1.2.12所示)，将Ｙ乘以示波器的垂直灵敏度即可得到被测电压Ｕx的大小，即Ｕx＝SY×Ｙ。

6、微差法测量直流电压
在上面介绍的直流电压测量中都存在一个分辨力问题，数字电压表的分辨力是末位数字代表的电压值，模拟电压表的分辨力为最小刻度间隔所代表的电压值的一半，量程越大分辨力越低，如MF500-B型万用表在2.5V量程档，分辨力为0.025V，10V档的分辨力为0.1V，电压表不可能正确测量出比分辨力小的电压的微小变化量。
为了准确地测量大电压中的微小变化量，可以用如图1.2.13所示的微差法来测量。图中Ｅs为大小可调的标准电源。测量时，调节Ｅs的大小，使电压表在小量程档(分辨力最高)上有一个微小的读数ΔＵ，则Ｕo＝Es＋ΔＵo。
当ΔＵ＜Ｕo时，电压表的测量误差对Ｕo的影响极小，且电压表中流过的电流很小，对被测电压Ｕo不会产生大的影响。

7、含有交流成分的直流电压的测量
由于磁电式电表的表头偏转系统对电流有平均作用，不能反映纯交流量，所以，含有交流成分的直流电压的测量,一种常用的方法就是用模拟式电压表直流档直接测量。
如果叠加在直流电压上的交流成分具有周期性和幅度对称性，可直接用模拟式电压表测量其直流电压的大小。
由交流信号转换而得到的直流，如整流滤波后得到的直流平均值，以及非简谐波的平均直流分量都可用模拟式电压表测量。
一般不能用数字式万用表测量含有交流成分的直流电压，因为数字式直流电压表要求被测直流电压稳定,才能显示数字，否则数字将跳变不停。

二、 交流电压的测量
电子技术实验中，交流电压大致可分为正弦和非正弦交流电压两类，测量方法一般可分为两种，一种是具有一定内阻的交流信号源的测量，如图1.2.14(a)所示。另一种是电路中任意一点对地的交流电压的测量，如图1.2.14(b)所示电路中的Ｕ1、Ｕ2，也包括电路中任意两点间的交流电压，如ＵRl，ＵR3。在此注意，用间接测量法求ＵR＝Ｕ1－Ｕ2电压时，其值由矢量差求出，只有当Ｕ1和Ｕ2同相位时，才能用代数差表示。在时间域中，交流电压的变化规律是各种各样的，有按正弦规律变化的正弦波、线性变化的三角波、跳跃变化的方波、随机变化的噪声波等。但无论变化规律多么不同，一个交流电压的大小均可用峰值(或峰峰值)、平均值、有效值、波形因数、波峰因数来表征。

               图1.2.14 测量两种交流电压方法

① 峰值ＵP
峰值是交变电压在所观察的时间或一个周期内所达到的最大值，记为ＵP如图1.2.15所示，峰值是从参考零电平开始计算的，有正峰值ＵP+和负峰值ＵP-之分。正峰值与负峰值一起包括时称为峰峰值ＵPP。常用的还有振幅Ｕm,它是直流电压为参电平计算的。因此，当电压中包直流成分时，ＵP与Ｕm是不相的，只有纯交流电压时ＵP＝Ｕm。

图1.2.15 交流电压的峰值与幅度

② 平均值
平均值 在数学上定义为

原则上，求平均值的时间为任意时间，对周期信号而言，Ｔ为信号周期。
根据以上的定义，若包含直流成分Ｕ-，则 ＝Ｕ-，若仅含有交流成分， ＝０。这样对纯粹的交流电压采说，由于 ＝０，将无法用平均值 来表征它的大小。由于在实际测量中，总是将交流电压通过检波器变换成直流电压后再进行测量的，因此平均值通常是指检波后的平均值。根据检波器的不同又可分为全波平均值和半波平均值，一般不加特别说明时，平均值都是指全波平均值，即

③ 有效值Ｕ
一个交流电压和一个直流电压分别加在同一电阻上，若它们产生的热量相等，则交流电压的有效值Ｕ等于该直流电压值，即

作为交流电压的一个参数，有效值比峰值、平均值用得更为普遍，当不特别指明时，交流电压的量值均指有效值，各类交流电压表的示值，除特殊情况外，都是按正弦波的有效值来刻度的。
④ 波形因数ＫF
电压的有效值与平均值之比称为波形因数ＫF ，即

⑤ 波峰因数ＫP
交流电压的峰值与有效值之比称为波峰因数ＫP，即

几种典型交流电压波形的参数见表1.2.1

表1.2.1 几种典型交流电压的波形参数

1．正弦交流电压的测量
实验中对正弦交流电压的测量，一般测量其有效值，特殊情况下才测量峰值。由于万用表结构上的特点，虽然也能测量交流电压，但对频率有一定的限制。因此，测量前应根据待测量的频率范围，选择合适的测量仪器和方法。
⑴ 模拟式万用表测量交流
用万用表的交流电压档测量电压时，交流电压是通过检波器转换成直流后直接推动磁电式微安表头，由表头指针指示出被测交流电压的大小。因此这种表的内阻较低，且各量程的内阻不同，各档的内阻Rv=量程×交流电压灵敏度SV-，测量时应注意其内阻对被测电路的影响。此外，模拟式万用表测量交流电压的频率范围较小，一般只能测量频率在1kHz
以下的交流电压。它的优点是：由于模拟式万用表的公共端与外壳绝缘胶木无关，与被测电路无共同机壳接地(即接 "地")问题，因此，可以用它直接测量两点之间的交流电压。这是它的一大优点。
(2) 数字式万用表测量交流电压
数字式万用表的交流电压档，是将交流电压检波后得到的直流电压，通过A／D变换器变换成数字量，然后用计数器计数，以十进制显示被测电压值。与模拟式万用表交流电压档相比，数字式万用表的交流电压档输入阻抗高，如DT890型数字万用表的交流电压档的输入阻抗为10MΩ(在40～400Hz的测量频率范围内)，对被测电路的影响小，但它同样存在测量频率范围小的缺点。如DT890型数字万用表测量交流电压的频率范围为40～400Hz。
(3) 模拟式电子电压表测量交流电压
模拟式电子电压表是一种常用的电子测量仪器，实验室中常用的晶体管毫伏表就是模拟式电子电压表的一种，它将被测信号经过放大后再检波(或先将被测信号检波后再放大)变换成直流电压，推动微安表头，由表头指针指示出被测电压的大小，因此，这类电压表的输入阻抗高，量程范围广，使用频率范围宽。 一般模拟式电子电压表的金属机壳为接地端，另一端为被测信号输入端。因此，这种表一般只能测量电路中各点对地的交流电压，不能直接测量任意两点间的电压，实验中应特别注意。
通常，模拟式电子电压表的表盘刻度都是按正弦波的有效值刻度的，所以，用它来测量正波形的电压时，可以由表盘直接读取电压有效值。但若用它测量非正弦电压，不能直接读数，需根据表内检波器的检波方式和被测波形的性质将读数乘上一个换算系数，才能得到被测非正弦波的电压有效值。
⑷ 示波器测量交流电压
用示波器法测量交流电压与电压表法相比具有如下优点：
①速度快；被测电压的波形可以立即显示在屏幕上。
②能测量各种波形的电压；电压表一般只能测量失真很小的正弦电压，而示波器不但能量失真很大的正弦电压，还能测量脉冲电压，已调幅电压等。
③能测量瞬时电压；示波器具有很小的惰性，因此它不但能测量周期信号峰值压，还能观测信号幅度的变化情况，它甚至能够测量单次出现的信号电压。此外，它还能测量测信号的瞬时电压和波形上任意两点间的电压差。
④能同时测量直流电压和交流电压；在一次测量过程中，电压表一般不能同时测量出被电压的直流分量和交流分量。示波器能方便地实现这一点。
用示波器测量电压主要缺点是误差较大，一般达5％～10％，现代数字直读式示波器，由于采用了先进的数字技术，误差可减小到1％以下。
示波器测量交流电压的主要测量步骤如下：
①将待测信号送至示波器垂直输入端。
②输入耦合开关置于"AC''位置。
③调整垂直灵敏度开关于适当位置，微调旋钮顺时针旋到头(校正位置)。注意：屏幕上所显示的波形不要超出垂直有效范围。
④分别调整水平扫描速度开关和触发同步系统的有关开关，使屏幕上能稳定显示一至二个周期的波形。
⑤被测信号电压的峰值为波形在垂直方向上所偏移距离的1/2乘以垂直灵敏度指数Sy。要知道有效值还需进行换算。

(a) (b)
图1.2.16示波器测量交流电压

例如：图1.2.16(a)中，示波器的灵敏度开关置于2V／cm，则此正弦波A的峰值ＵP为
ＵP＝2×2＝4V
则有效值为

２. 非正弦交流电压的测量
电子技术实验中，非正弦交流量一般用的最多的是：三角波、矩齿波、脉冲和方波等。根据这几种波形的特点，直接测量其有效值有难度。一般先测出示值后再进行换算。
⑴ 用电压表测量
先用电压表测出其波形的示值Ｕa（由于电压表的示值都是按正弦波的有效值刻度的，所以此时的示值并不是待测量波的有效值），再根据示值Ｕa与平均值 、有效值Ｕ之间的转换关系，换算出该波形的有效值Ｕ。
例如：某三角波的测量示值Ｕa＝８Ｖ，换算方法为先换算成正弦波的平均值 [image] ；
             ＝Ｕa/KF＝ 8/1.11＝7.2　　　 （正弦波KＦ＝1.11）
此值即为待测波的电压平均值,然后用该波的波形系数KＦ 换算成有效值。
      Ｕ＝ [image] ×KＦ＝7.2×1.15＝8.28 (三角波KＦ＝1.15)
所以，该三角波的有效值为：8.28
⑵ 用示波器测量
用示波器可以方便地测出振荡电路、信号发生器或其他电子设备输出的非交流电压的峰值。然后，换算出该波形的有效值Ｕ即可。
例如：图1.2.16(b)中, 示波器的灵敏度开关置于5V／cm，则此三角波B的峰值ＵP为
ＵP＝3×5＝6V
根据有效值与峰值的关系
则有效值为
                     Ｕ＝6/1.73 ＝3.475V ( 三角波的波峰因数KP=1.73)

三、 噪声电压的测量
在电子测量中，习惯上把信号电压以外的电压统称为噪声。从这个意义上说，噪声应包括外界干扰和内部噪声两大部分。由于外界干扰在技术上是可以消除的，所以最终关心的噪声电压的测量主要是对电路内部产生的噪声电压的测量。
１．用交流电压表测量噪声电压
   噪声电压一般指有效值(均方值)，因此用有效值电压表测量噪声电压有效值是很方便的，但是这种电压表较少且多数有效值电压表的频带较窄，所以一般都用平均值电压表进行噪声电压的测量。
平均值电压表的指针偏转角与被测电压的平均值成正比，但表盘刻度按正弦波电压有效值刻度。因此，用它测量非正弦的噪声电压时，其表针示数没有直接意义，必须经过换算，才能得到被测噪声电压的有效值。换算的原则是：无论被测电压是何种波形，只要表盘指针示数相等，平均值就相等。
设被测电压是噪声电压。表针示数为Ｕα，先将Ｕα换算成噪声的平均值 ，根据平均值相等示数相等的原则， 应等于用此平均值电压表测量正弦波电压示数为Ｕα时正弦波的平均值，即

式中ＫF～为正弦波的波形因数

则噪声电压的有效值Ｕ为

式中ＫF为噪声电压的波形因数，则

上式表示，用平均值电压表测量噪声电压时，表针示数乘以1.13就是噪声电压的有效值。

２、用示波器测量噪声电压
示波器的频带宽度很宽时，可以用来测量噪声电压，使用极其方便，尤其适合于测量噪声压的峰峰值。测量时，将被测噪声信号通过AC耦合方式送入示波器的垂直通道，将示波器的垂直灵敏度置于合适档位，将扫描速度置较低档，在荧光屏上即可看到一条水平移动的垂直亮线，这条亮线垂直方向的长度乘以示波器的垂直电压灵敏度就是被测噪声电压的峰峰值ＵPP，则噪声电压的有效值为Ｕ=(1／6)ＵPP。

1.2.5 电流的测量
在电子测量领域中，电流也是基本参数之一。如静态工作点、电流增益、功率等的测量，许多实验的调试、电路参数的测量，也都离不开对电流的测量。因此，电流的测量也是电参数测量的基础。实验中电流可分为两类；直流电流和交流电流。测量方法有两种；直接测量和间接测量。直接测量法是将电流表串联在被测支路中进行测量，电流表的示数即为测量结果。间接测量法利用欧姆定律，通过测量电阻两端的电压来换算出被测电流值。与电压的测量相类似，由于测量仪器的接入，会对测量结果带来一定的影响，也可能影响到电路的工作状态，实验中应特别注意，不同类型电流表的原理和结构不同，影响的程度也不尽相同。一般电流表的内阻越小，对测量结果影响就越小，反之越大。因此，实验过程中应根据具体情况，选择合理的测量方法和合适的测量仪器。以确保实验的顺利进行。
一、 直流电流的测量
1. 用模拟式万用表测量直流电流
模拟式万用表的直流电流档，一般由磁电式微安表头并联分流电阻而构成，量程的扩大通过并联不同的分流电阻实现，这种电流表的内阻随量程的大小而不同，量程大，内阻越小。用模拟式万用表测量直流电流时是将万用表串联在被测电路中的，因此表的内阻可能影响电路的工作状态，使测量结果出错，也可能由于量程不当而烧坏万用表，所以，使用时一定要注意。
2. 用数字式万用表测量直流电流
数字式万用表直流电流档的基础是数字式电压表，它通过电流一一电压转换电路，使被测电流流过标准电阻，将电流转换成电压来进行测量。如图1.2.17所示，由于运算放大的输入阻抗很高，可以认为被测电流Ｉx全部流经标准采样电阻ＲN，这样ＲN上的电压与被测电流Ｉx成正比，经放大器放大后输出电压Ｕo（Ｕo＝(１+Ｒ３／Ｒ2)ＲNＩx），就可以作为数字式电压表的输入电压来进行测量。
数字式万用表的直流电流档的量程切换通过切换不同的取样电阻ＲN及来实现。量程越小，取样电阻越大，当数字式万用表串联在被测电路中时，取样电阻的阻值会对被测电路的工作状态产生一定的影响，在使用时应注意。

图1.2.17 电流―电压转换电路 | 图1.2.18 并联法测量电流

3、用并联法测量直流电流
将电流表串联在被测电路中测量电流是电流表的使用常识，但是作为一个特例，当被测电流是一个恒流源而电流表的内阻又远小于被测电路中某一串联电阻时，电流表可以并接在这个阻上测量电流，此时电路中的电流绝大部分流过电阻小的电流表，而恒流源的电流是不会因外电阻的减小而改变的。如图1.2.18所示电路，要测量晶体管三极管的集电极电流，若Ｒc的值比电流表内阻大得很多，且集电极电流表的接人对集电极电流的影响很小，则电流表的测量值几乎为集电极电流。在做这种不规范的测量时，一定要概念极其明确，分析要正确，思想要集中，否则会造成电路或电流表的损坏。
4、用间接测量法测量直流电流
电流的直接测量法要求断开回路后再将电流表串联接入，往往比较麻烦，容易疏忽而
造成测量仪表的损坏。当被测支路内有一个定值电阻Ｒ可以利用时，可以测量该电阻两端的直流电压Ｕ，然后根据欧姆定律算出被测电流：Ｉ＝Ｕ／Ｒ。这个电阻Ｒ一般称为电流取样电阻。
当然，当被测支路无现成的电阻可利用时，也可以人为地串入一个取样电阻来进行间接测量，取样电阻的取值原则是对被测电路的影响越小越好，一般在1-10Ω之间，很少超过100Ω

二、交流电流的测量
  按电路工作频率，交流电流可分为低频、高频和超高频电流。在超高频段，电路或元件受分布参数的影响，电流分布是不均匀的，因此，无法用电流表来直接测量各处的电流值。只有在低频(45～500Hz)电流的测量中，可以用交流电流表或具有交流电流测量档的普通万用表或数字万用表，串联在被测电路中进行交流电流的直接测量。而一般交流电流的测量都采用间接测量法，即先用交流电压表测出电压后，用欧姆定律换算成电流。
用间接法测量交流电流的方法与间接法测量直流电流的方法相同，只是对取样电阻有一定的要求。
(1)当电路工作频率在20kHz以上时，就不能选用普通线绕电阻作为取样电阻。高频时应用薄膜电阻o
(2)由于一般电子仪器都有一个公共地，在测量中必须将所有的地连在一起，即必须共地，因此取样电阻要安排连接在接地端，在LC振荡电路中，要安排在低阻抗端。
这种利用取样电阻的间接测量法，不仅将交流电流的测量转换成交流电压的测量，使得可以利用一切测量交流电压的方法来完成交流电流的测量，而且还可以利用示波器观察电路中电压和电流的相位关系。

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第二部分 模 拟 电 路 实 验

实验2.1 示波器的使用

[要点提示]
一、实验目的
二、实验预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、练习内容及方法
六、实验报告
七、思考题

[内容简介]
一、 实验目的
学习示波器的使用方法。

二、实验预习要求
1.熟悉有关示波器原理和波的合成原理。
2.阅读6、4有关示波器的使用说明。
3.写出实验预习报告。

三、实验原理
示波器是一种用途很广的电子测量仪器。利用它可以测出电信号的一系列参数，如信号电压（或电流）的幅度、周期（或频率）、相位等。
通用示波器的结构包括垂直放大、水平放大、扫描、触发、示波管及电源等六个部分，方框图如图2.1.1所示。

图2.1.1示波器结构方框图

现将各部分的主要作用简述如下:
1. 电子示波管
如图2.1.2所示,它主要由电子枪、偏转系统、荧光屏三部分组成。电子枪包括灯丝、阴极、栅极和阳极。偏转系统包括Y轴偏转板和X轴偏转板两部分，它们能将电子枪发射出来的电子束，按照加于偏转板上的电压信号作出相应的偏移。荧光屏是位于示波管顶端涂有荧光物质的透明玻璃屏，当电子枪发射出来的电子束轰击到屏时，荧光屏被击中的点上会发光。
2. 水平(X)、垂直（Y）放大器
电子示波管的灵敏度比较低，假如偏转板上没有足够的控制电压，就不能明显地观察到光点的移位。为了保证有足够的偏转电压，必须设置放大器将被观察的电信号加以放大。
3. 扫描发生器
它的作用是形成一线性电压模拟时间轴,以展示被观察的电信号随时间而变化的情况。

图2.1.2电子示波管结构图

4. 波形的形成
在正常情况下, 荧光屏光点的相对移位是和输入到示波器X轴或Y轴上的电压成正比的。例如,一正弦信号电压Uy = sinωt,如图2.1.3(a) 所示。图中Y轴表示电压的大小，X轴表示时间，现把Uy 送至示波器的Y轴偏转板上，荧光屏上看到的是一根竖着的直线。这可以从图2.1.3中来理解：当to时，Y轴偏转板上的电压Uy 为零，光点无偏移地停在荧光屏O点处。当t1时，Uy 正向增大， 光点偏移至A点。t2时，Uy 达到正向最大值，光点偏移至B点。t3时,Uy 下降，但仍然是正电压，光点回到A点。t4时，电压为零，光点回到原点。可见，光点移动距离与所加电压成正比，故可用来测量电压幅值。

图2.1.3 正弦波

同理，在负半周，t5、t6、t7、t8各时刻光点相继经过C、D、C、O各点。
上述正弦波电压持续加在垂直偏转板上，光点不断地上下来回移动，只要移动速度足够快，利用视觉暂留效应，在荧光屏上看到的将是一根竖着的直线，如图2.1.3(b) 所示。
为了显示正弦波形，在示波器的水平偏转板上需要加线性变化的锯齿波信号电压。如果Y轴偏转板上无信号，单独在X轴偏转板上加锯齿波电压，则荧光屏上也观测到一条直线，只是成水平直线，其形成过程如下：
在 时， 是负电压，光点在荧光屏上的A点，此后，电压直线上升。当 时，光点移到 B点。 时，电压上升到零值，光点在中心C点处。当 时，光点移到 D点。 时，电压上升到最大值，光点达到E点。然后电压迅速退回到负值，光点也就由E点迅速回到A点，如此不断反复，荧光屏上可以观察到一条水平直线，如图2.1.4 所示。

图2.1.4 锯齿电压波

如果将被观察的正弦波电压Uy 加在Y轴偏转板上,同时又将扫描电压Ux加在X轴偏转板上,使正弦波的频率与扫描电压波的重复频率相等,那么在荧光屏上就能观察到一个完整的正弦波, 如图2.1.5 所示。其合成过程如下:
在t0时，Uy ＝0，Y轴方向无偏移，而Ux为负值，光点沿X轴向右偏移，位于荧光屏上的A点。在t1时，Uy上升，光点向上移，同时Ux也上升，光点又要向右移，合成结果使光点移至荧光屏上的B点。以后，在t2 、t3 、t4 各时刻，光点相继沿C、D、E各点移动。t4 以后，由于 迅速返回至原始状态，光点将从E点迅速返回A点。接着正弦波重新开始第二个周期，扫描电压开始第二次扫描，荧光屏上呈现与第一次相重叠的正弦波形。如此不断重复，荧光屏上可观察到一个稳定的正弦波。
上述两者是在频率相同情况下，荧光屏显示出一个周期的正弦波。如果正弦波频率 是扫描波重复频率 的二倍时，即 fy=2fx ，则在荧光屏上看到的将是2个周期的正弦波，从而可知，当 = n 时，在荧光屏上将呈现出n个周期的正弦波。
可以设想，如果fy 与fx 不是成整数倍的关系（n不是整教），波形就不能完全重叠。为了解决这个问题, 通常是把输入Y轴的信号电压作用在扫描发生器上，使扫描频率fy 跟随信号频率fx 作些微小改变，以保持fy与fx成整数倍关系，这个作用称之为"同步"。现代示波器中经常采用的是"触发同步"，所"触发同步"，是当输入Y轴的信号电压瞬时值达到一定幅值时，触动扫描发生器，产生一个锯齿波电压。这个锯齿波扫描结束后，扫描发生器将处于等待下次触发信号的状态。可见，扫描电压的起始点与输人信号电压的某一瞬时保持同步，保证了波形的稳定。

图2.1.5 单周波的合成过程

四、实验仪器设备

名 称 | 参考型号 | 数量 | 用 途
示波器 | COS5020B | 1 | 观察信号波形
低频信号发生器 | XD2 | 1 | 信号源
晶体管毫伏表 | DA16B | 1 | 测电压（有效值）

五、练习内容及方法
1.按示波器说明书要求（参阅 6.4有关示波器的使用说明）认清示波器各控制旋钮的位置和作用。开启电源，调节辉度、聚焦、水平和垂直移位，将同步极性开关、扫描（电压）t／cm和电平、稳定度等旋钮置于适当位置，使荧光屏上呈现一条清晰的水平线。反复练习上述操作，以求熟练。
2.电压测量
（1）测量前校准。校准要求和方法因使用不同的示波器而各不相同，具体步骤请参阅6.4中的有关说明。
（2）交流电压Vp－p测量
①将示波器的耦合选择开关置"AC"。低频信号发生器输出电压为0.2V（有效值）,频率为f=1kHz的音频信号，送入Y轴。
②根据被测信号的幅度和频率，合理选择Y轴衰减和X轴时基档级开关，并调节电平旋钮，使波形稳定如图2.1.6所示。

图2.1.6 Y轴灵敏度X轴时基校准

③读出被测信号Vp-p
例：如果荧光屏上波形的峰-峰值为Ddiv(设D=3), Y轴灵敏度为0.02V/div,则测得
Vp-p = 0.02V/div×Ddiv = 0.02D(V)
= 0.2×3(V) = 0.6(V)
式中0.02V/div是示波器无衰减的灵敏度,即每格代表20mv;D为被测量信号在Y轴方向峰-峰之间距离，单位为格（即div）。

④令低频信号发生器输出电压分别为1 v ,2 v ,3 v ,4 v ,5 v , f = 1KHZ ,测量其相应的电压峰-峰值Vp-p 。并填入表2.1.1

表2.1.1

输出电压（v） | 1 | 2 | 3 | 4 | 5
D (div) |  |  |  |  |
A（ v/div） |  |  |  |  |
Vp-p |  |  |  |  |

⑤用示波器测量低频信号发生器的幅频特性曲线
测量时，先将低频信号发生器输出衰减置于0dB档，在输出信号频率为1kHZ的情况下，调节输出微调电位器，使低频信号发生器的指示电压表的指针指在中间，然后保持输出微调电位器不变。改变低频信号发生器的输出频率，使其分别为20HZ，50HZ，100HZ，200Hz，1kHz,1.5kHz,2.5kHz,5kHz,10kHz，……，用示波器测出相应的电压Vp-p，同时记下相应的低频信号发生器电表指示值Ve（有效值）, 填入表2.1.2中，从而绘出幅频特性曲线：Vp-p～㏒f 及Ve～㏒f

表2.1.2

低频信号发生器f信( Hz ) | 20 | 50 | 100 | 200 | 1k | 1.5k | 2.5k | 5k | 10k | ...
Vp-p （V） |  |  |  |  |  |  |  |  |  |
Ve （V） |  |  |  |  |  |  |  |  |  |

3. 时间测量
时间测量是指X轴读数,量程由X轴的时基扫描速度开关"t/div"决定。
（1）测量前校准
方法与步骤请参阅6.4示波器的使用说明。

图2.1.7交流幅度测量 | 图2.1.8 时间测量

（2）测量信号波形任意两点间的时间间隔t。
将被测信号送入Y轴，调节有关旋钮，使其在荧光屏上呈现稳定波形，如图2.1.8所示，然后 测量P、Q两点的时间间隔t。
①．测出P、Q间在屏幕X轴上的距离B(div)。
②．记录"t／div"扫描档级指示值，如为"A（ms/div）"。
用公式t ＝ A（ms/div）× B（div）= A× B（ms），计算时间间隔。
例如：若测得B = 5div，而"t／div"指在0.1（ms／div）时，则
t = 0.1（ms／div）× 5（div）= 0.5（ms）
表明图2.1.8中P、Q两点间的时间间隔是0.5毫秒
4. 频率测量
（1）用X轴时基（t／div）测量
利用f=1/T 关系，先按时间测量方法，测出周期T,即可求出频率。
根据表2.1.3所给数据，改变低频信号发生器的输出频率分别为50、100、200、……、分别测量波形中相邻峰-峰（或谷一谷）之间在屏幕上的距离 B（div），并将B和A(t/div)值填人表表
2.1.3中，计算出相应的T和f校。
（2）用李沙育法测量
若有二个不同频率的信号，分别同时加入示波器X轴和Y轴输入端，如图2.1.9所示。在屏幕上显示的图形将取决于不同频率比及初相如图2.1.10和图2.1.11所示。

表2.1.3

低频信号发生器 ( Hz ) | 50 | 100 | 200 | 300 | 500 | 1K | 5K | 10K | 15K | 20K
一周的间距B(div) |  |  |  |  |  |  |  |  |  |
A(t/div) |  |  |  |  |  |  |  |  |  |
T = A(t/div) B(div) |  |  |  |  |  |  |  |  |  |
f校=( Hz ) |  |  |  |  |  |  |  |  |  |

图2.1.9 李沙育法图形法测试仪器连接

图2.1.10 频率比为1不同相位差的李沙育法图形

在李沙育法图中确定频率比值的方法，是在图形中的水平与垂直方向上作两条互相垂直的直线，这两条直线都不通过李沙育法图形中的任何一个交点，设水平线与李沙育法图形的交点数为 ，垂直线与李沙育法图形的交点数为 ，则两个交点数之比与频率比有如下关系

假设 是已知的频率，由上式可以确定被测的频率：
。

图2.1.11 不同频率比的李沙育法图形

以电源频率为标准从X轴输入，将被测频率的信号输入Y轴，校测低频信号发生器的低段频率刻度：
表2.1.4

低频信号发生器 ( Hz ) | 25( Hz ) | 50( Hz ) | 100( Hz ) | 150( Hz ) | 200( Hz ) | 250( Hz ) | 300( Hz )
f校=1/T ( Hz ) |  |  |  |  |  |  |

5.相位测量
在许多场合下，可利用示波器测量某一电路的相移。例如一正弦波电流通过一个RC电路，测量它的电压与电流之间相位关系。假设交流电压和电流分别为

则相移

（1） 直接比较法
按图2.1.12连接电路。同时将A端、B端电压分别送入双踪示波器之X轴和Y轴,若A信号电压在屏幕上显示的周期宽度在X轴上刻度为X div值。读测A信号电压与B信号电压两个相应特定点P、P′的间距D div，则两信号电压之间的相移为θ=(D/X)* 360°

图2.1.12 测相位连接电路 | 图2.1.13测量相位差

如图2.1.13所示。

（2） 李沙育图形法
将A信号送入X轴，B信号送入Y轴，将时基扫描速度开关"t/div"置于"X-Y"档，如图2.1.13所示。分别控制输入信号幅度及示波器的V/div档级，使图形约占示波器屏幕有效面积的1/3。若李沙育图形在X轴上的截距为b，在X轴上的最大偏移为a。则两信号电压之间的相移为
θ= arcsin(b/a)
为了减少测量误差，可按图2.1.14所示用2a、2b值计算

图2.1.14李沙育法图形

六、实验报告
1.总结如何正确使用示波器。
2.作出低频信号发生器的幅频特性Vp-p～㏒ (或 Ve～㏒ )和频率校正曲线 f信～f校。
3.测出 F= 1KHz下的R(10KΩ)、C(0.01μF)电路的相移，并与计算值比较。

七、思考题
1.欲测量信号波形上任意两点间的电压应如何测量？
2.若被测信号频率远大于示波器锯齿波扫描频率，则示波管屏幕上将呈何波形？反之又如何？

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第二部分 模 拟 电 路 实 验

实验2.2 晶体管特性鉴别和测试

[要点提示]
一、实验目的
二、实验预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、练习内容及方法
六、实验报告

[内容简介]

一、 实验目的
1.掌握用万用表粗略鉴别晶体管性能的方法。
2.进一步熟悉晶体管参数和特性曲线的物理意义。

二、实验预习要求
1.复习晶体管的基本特性。
2.根据晶体管特性拟出测试电路和方案。

三、实验原理
晶体管性能的优劣，可以从它的特性曲线或一些参数上加以判别。本次实验主要介绍采用简易的仪器设备鉴别晶体管性能的方法，即用万用表粗测晶体管的性能和用逐点法测绘管子的特性曲线。
1.利用万用表测试晶体二极管
（1）鉴别正、负极性
万用表欧姆档的内部电路可以用图2.2.1（b）所示电路等效,由图可见，黑棒为正极性，红棒为负极性。将万用表选在R×100档，两棒接到二极管两端如图2.2.1（a），若表针指在几KΩ以下的阻值，则接黑棒一端为二极管的正极，二极管正向导通;反之，如果表针指很大（几百千欧）的阻值，则接红棒的那一端为正极。
（2）鉴别性能
将万用表的黑棒接二极管正极，红棒接二极管负极，测得二极管的正向电阻。一般在几KΩ下为好，要求正向电阻愈小愈好。将红棒接二极管的正极，黑棒接二极管负极，可测出反向电阻。一般应大200KΩ以上。

(a) (b)
图2.2.1 用万用表测试晶体二极管

若反向电阻太小，二极管失去单向导电作用。如果正、反向电阻都为无穷大，表明管子已断路；反之，二者都为零表明管子短路。
2.利用万用表测试小功率晶体三极管
晶体三极管的结构犹如"背靠背"的两个二极管，如图 2.2.2所示。测试时用 R×100或R×1k档。
（1）判断基极b和管子的类型
用万用表的红棒接晶体管的某一极，黑棒依次接其它两个极，若两次测得电阻都很小（在几KΩ以下），则红棒接的为 PNP型管子的基极 b；若量得电阻都很大（在几百KΩ以上），则红棒所接的是NPN型管子的基极b。若两次量得的阻值为一大一小，应换一个极再试量。

图2.2.2 晶体三极管的两个PN结构示意图 | 图 2.2.3 c极和e极的判断

（2）确定发射极e和集电极c
以PNP型管为例，基极确定以后，用万用表两根棒分别接另两个未知电极，假设红棒所接电极为 c，黑棒所接电极为e，用一个100KΩ的电阻一端接b。一端接红棒（相当于注入一个Ib），观察接上电阻时表针摆动的幅度大小。再把两棒对调，重测一次。根据晶体管放大原理可知，表针摆动大的一次，红棒所接的为管子的集电极c，另一个极为发射极e。也可用手捏住基极b与红棒（不要使 b极与棒相碰），以人体电阻代替100KΩ电阻，同样可以判别管子的电极。

图 2.2.4输入特性 | 图 2.2.5输出特性

对于NPN型管，判别的方法相类似。
测试过程中。若发现晶体管任何两极之间的正、反电阻都很小（接近于零），或是都很大（表针不动），这表明管子已击穿或烧坏。
3.用逐点法测晶体管的输入和输出特性曲线
图2.2.4、图2.2.5、图2.2.6分别是共射电路的输入、输出特性曲线和测试电路。

图 2.2.6 逐点法测绘特性曲线的测量电路

（1）输入特性曲线测量
维持VCE为某一定值，逐点改变VBE（图2.2.6中调节RP2）,测出若干VBE和IB，根据测量数据描绘一条输人特性曲线。依次取不同的VCE值，可获得一组输入特性曲线。实际上，当VCE ≥1V后，特性曲线几乎都重叠在一起，因此，晶体管手册中仅给出对应VCE = 0和VCE＞1V的两条输人特性曲线，如图2.2.4所示。
（2）输出特性曲线测量
维持IB为某一定值后，逐点改变VCE ,测出若干对应的IC，根据测量数据描绘一条输出特性曲线。依此类推，取不同IB值，如IB = 0μA、10μA、20μA、40μA、……，即可获得图2.2.5所示输出特性曲线族。
（3）电流放大系数（或称电流放大倍数）的测量 共射直流电流放大倍数为

共射交流电流放大倍数为

维持 [image] 为某一固定值（ [image] ）情况下，调节 ，测出某个IB 值和相应的Ic 值，即可求得该工作点上的 值；仍维持 [image] 不变，调节R p2 ，使基极电流从IB1 变化到IB2 ，同时测出对应的Ic1 和Ic2 ,于是该工作点附近的交流电流放大数为

四、实验仪器设备

名 称 | 参考型号 | 数 量 | 用 途
万用表 | MF50型或DT890B型数字万用表 | 1 | 测VBE、VCE、IB、IC和管子极性好坏
双路稳压电源 | HH1713型 | 1 | 直流电源

五、实验内容及方法
1.用万用表判别 2AP6、2CP21管子的极性和性能优劣。
2.用万用表判别若干晶体三极管的管脚、类型及性能优劣。
（1），判别晶体管的类型和基极。
（2）判别晶体管的集电极。
（3）估测晶体管的性能优劣。
注意：
（1）测量时万用表应置于R×100或R×1KΩ档，切勿放置低欧或高欧档，以防晶体管损坏。
（2）万用表的黑棒为正极性，红棒为负极性，切勿与万用表表面上所标的极性符号相混淆。

3．测量3DG6B的输入特性曲线按图2.2.6连接测试电路。
（1）调节RP1，使VCE ＝ 0V调节RP2，分别使IB = 0μA、5μA、 10μA、 20μA、 30μA……?测量对应的VBE值，填人表2.2.1。
（2）调节RP1，使VCE＝5V。重复上述步骤。
表2.2.1

条 件 | IB（V） | 0 | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80
VCE ＝0V | VBE（V） |  |  |  |  |  |  |  |  |  |
VCE ＝5V | VBE（V） |  |  |  |  |  |  |  |  |  |

4.测量3DG6B的输出特性曲线
(1) 调节RP2, 使IB = 0μA。调节RP1，分别使VCE ＝ 0V、0.3V、0.5V、1V、5V、10V、……?测量对应的IC数值, 填人表2.2.2。
(2) 调节RP2, 使IB = 20μA、 40μA、 60μA、……重复上述步骤。
表2.2.2

条 件 | VCE(V) | 0 | 0.3 | 0.5 | 1 | 2 | 3 | 5 | 10
IB =0μA | IC（mA） |  |  |  |  |  |  |  |
IB =20μA | IC（mA） |  |  |  |  |  |  |  |
IB =40μA | IC（mA） |  |  |  |  |  |  |  |
IB =60μA | IC（mA） |  |  |  |  |  |  |  |

5.测量并求出3DG6B在 VCE = 6V时的 [image] 、 [image] 值，填人表2.2.3。
表2.2.3

IC （mA） | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7
IB（μA） |  |  |  |  |  |
IC （mA） |  |  |  |  |
IB（μA） |  |  |  |  |

六、实验报告
1.整理实验数据，绘出晶体管的特性曲线。
2.从输出特性曲线上求取3DG6B管的VCE = 6V时，IC = 3 mA、 5 mA 、6 mA、情况下管子的 值，并与直测法所得结果相比较。

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第二部分 模 拟 电 路 实 验

实验2.3 放大器静态工作点和放大倍数的测量

[要点提示]
一、实验目的
二、实验预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、练习内容及方法
六、实验报告
七、思考题

[内容简介]
一、实验目的
1.了解晶体管放大器静态工作点变动对其性能的影响。
2.掌握放大器电压放大倍数AV的测量方法。
3.了解RC、 [image] 、IC、RL、变化对AV的影响。
4.实践简单电路的安装。
5.进一步熟悉示波器、低频信号发生器（或函数发生器）的使用方法。

二、实验预习要求
1.复习《电子技术基础》相关内容。
2.复习示波器、低频信号发生器使用说明。
3.按图2.3.1所给数值估算其静态工作点（预习时测量所用晶体管的 ）。

三、实验原理
设计放大器欲达到预期的指标，往往要经过计算、测量、调试等多次反复才能完成。因此，掌握放大器的测量技术是很重要的。
放大器的一个基本任务是将输入信号进行不失真的放大。这就要求晶体管放大器必须设置合适的静态工作点（否则就要出现截止失真或饱和失真）。
常用的偏置电路有分压式偏置和定基流偏置，如图2.3.1和图2.3.2所示。

图2.3.1分压式稳定偏置放大器 | 图2.3.2定基流偏置放大器

图中若忽略偏置电阻的分流影响，二者的源电压放大倍数是：

( 2.3.1 )

如果不考虑电源内阻的影响，则放大倍数是：

( 2.3.2 )

式中
由上分析可知，RL、RC、IC、变化时，AV、AVS也随之变化。

四、实验仪器设备

名 称 | 参考型号 | 数量 | 用 途
示波器 | COS5020B | 1 | 观察输出波形
低频信号发生器 | XD2 | 1 | 作信号源
万用表 | MF50型或DT890B型数字表 | 1 | 测量放大器静态值
晶体管毫伏表 | DA16B | 1 | 测Vi和Vo
稳压电源 | HH1713 | 1 | 直流电源

五、实验内容及方法
1.测量静态工作点
按图2.3.1所给元件数值连接好电路，用万用表电阻挡来测量电路电源的进线端，看是否短路。若有短路现象或电阻太小，则应查出故障，待排出故障后才能接通电源。
令RC = 3KΩ，在无输入信号的情况下，调节上偏置可变电阻RP，使ICQ ≈ 1mA然后用万用表分别测量VCEQ、VCQ、VBQ、EC和VEQ值。记下RB2、RB1、Re阻值，并测出此时RP的阻值, 记录在表2.3.1中。
表2.3.1

测量参数 | EC(V) | ICQ(V) | VCEQ(V) | VCQ(V) | VBQ(V) | VEQ(V) | Rb1 (Ω) | Rb2 (Ω) | Rp (Ω) | (Rp+Rb1) (Ω) | Re (Ω)
测量仪表 万用表 |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |

2.观察静态工作点变动对放大器输出波形的影响
(1) 按图2.3.3电路连好测量仪器。保持ICQ ≈ 1mA、RC = 3KΩ、RL=1.5 KΩ，在放大器的输入端加入一个频率为lkHZ的信号电压，同时用示波器观察放大器输出波形。逐步增大输入信号幅度直到输出波形出现失真为止。若出现上下波形失真、不对称，可调节RP使输出波形不失真。继续加大输入信号幅度，直到再次出现不对称、失真为止。于是再次调节RP，使失真消除，如此反复，达到最大不失真输出。此时静态工作点已选择在动态特性曲线的中心点。用毫伏表测量Vo，再用万用表测ICQ、VCEQ ,从而用图解法在输出特性曲线上求出最大不失真输出的电压范围，与测量值比较。

图2.3.3 观察波形和测量放大倍数的连接电路图

（2）调节RP，使ICQ ≈ 2mA或IC ≈ 0mA。改变输入信号幅度，用示波器观测并绘下放大器输出波形的变化，分析失真的原因。
3.放大倍数的测量
（1）测量仪器与电路的连接仍如图2.3.3所示。
令图2.3.1电路中的RC = 3kΩ、RL = 1.5 kΩ，调节RP，使IC＝ lmA，输入信号频率为 ＝ 1kHz、有效值为Vi ＝（ 10～20）mV。在输出波形基本不失真情况下（以示波器监视），用毫伏表或示波器分别测出放大器输入电压Vi和输出电压Vo，求出AV 。

表2.3.2

序号 | 测 量 条 件 |  |  |  |  | 实 验 值 |  |  | 计 算 值 |  |  | 误差
 | 输入信号频率(Hz) | RC (Ω) | RL (Ω) | ICQ (Ω) |  | Vi(V) | Vo(V) | AV=Vo/Vi | AV= - [image] R'L /rbe | RL | Rbe
1 | 1k | 3 k | 1.5 k | 1 | <70 |  |  |  |  |  |  |
2 | 1000k | 3 k | 1.5 k | 1 | <70 |  |  |  |  |  |  |
3 | 100k | 3 k | .5 k | 1 | <70 |  |  |  |  |  |  |
4 | 1 k | .5 k | 1.5 k | 1 | <70 |  |  |  |  |  |  |
5 | 1 k | 3 k | 6.2 k | 1 | <70 |  |  |  |  |  |  |
6 | 1 k | 3 k | 1.5 k | 2 | <70 |  |  |  |  |  |  |

（2）保持输入信号幅度不变，分别改变输入信号频率和电路参数，测量不同情况下的放大倍数。具体参数变化量按表2.3.2要求进行。
（3）测量信号源内阻RS对放大倍数的影响。

图2.3.4 测量AVS连接电路

令图2.3.1中RC = 3kΩ、RL = 1.5 kΩ、IC＝lmA，保持原输入信号幅度，在低频信号发生器与放大器输入端A之间串联一个电阻RS（600Ω），测出此时的Vo，求AVS。，将AVS与表2.3.2中1的测量结果AV比较测量电路连接如图2.3.4所示。

六、实验报告
1.记录测量和观察结果。
2.测量在IC = 1mA、RC = 3kΩ情况下的静态工作点，并将测量值与计算值相比较。
3.分析表2.3.2中，各放大倍数在不同情况下变化的原因。

七、思考题
1.如果在图2.3.1电路中，测得VCE < 0.5或VCE = EC，说明晶体管处于怎样的工作状态？应如何调整？
2.为什么在同一条件下，由于输入信号频率不同( =1kHZ和1000kHZ)，放大器的放大倍数也不同呢

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第二部分 模 拟 电 路 实 验

实验2.4 结型场效应管共源放大电路

[要点提示]
一、 实验目的
二、实验预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、练习内容及方法
六、实验报告

[内容简介]
一、实验目的
1.了解结型场效应管的可变电阻特性。
2.掌握共源放大电路的特点。

二、实验预习要求
1.设场效应管的IDSS=5mA、gm = 2mS和Vp = -5V，试计算图2.4.3中的VDS、ID、 GS 和Av、Ro值。
2.N沟道结型场效应管 GS为正值会产生什么情况？
3.在图2.4.3中，Cb1为什么可以选用0.01μF，而双极型三极管低频放大电路中的Cb1为什么不能选用如此小的电容？

三、实验原理

图2.4.1结型场效应管的输出特性 | 图2.4.2测量rds的实验参考电路

1.结型场效应管用作可变电阻
N沟道结型场效应管的输出特性如图2.4.1所示。由图可见，在预夹断前，若UGS不变，曲线的上升部分基本上为过原点的一条直线，故可以将场效应管d、S之间看为一电阻

(2.4.1)

显然，改变 GS值，可以得到不同的rds值。预夹断后曲线近于水平，这就是饱和区。场效应管作放大器用时通常就工作在这个区域。测量rds的实验参考电路如图2.4.2所示。图中 为1kHZ的交流电压，VGG为直流电源。 考虑到d、S间的回路电流

(2.4.2)

2.分压式自偏压共源放大电路
分压式自偏压共源放大电路如图2.4.3所示。静态时

(2.4.3)

考虑到图2.4.4所示的转移特性,可用下式表示

(2.4.4)

和

(2.4.5)

将式(2.4.3)和(2.4.4)联立求解,即可求出静态工作点。
图2.4.3所示共源放大电路的电压放大倍数为

(2.4.6)

输入电阻

(2.4.7)

输出电阻

（2.4.8）
图2.4.3 分压式自偏压共源放大电路 | 图2.4.4 场效应管转移特性

四、实验仪器设备

名 称 | 参考型号 | 数量 | 用 途
低频信号发生器 | XD2 | 1 | 作信号源
万用表 | MF50型或DT890B型数字万用表 | 1 | 测量放大器静态值等
晶体管毫伏表 | DA16B | 1 | 测Vi和Vo
稳压电源 | HH1713型 | 1 | 直流电源

五、实验内容及方法
1.测量场效应管的可变电阻
(1) 按图2.4.2接线,Rd用100 kΩ电位器或电阻箱。
(2) 令VGS = 0，调节Vi在0～100mV范围内变化，读出V2和V1值，按式（2.4.2）算出rds之值，并将数据填入表2.4.1中。
(3) 令VGS=Vp/4、Vp/2和3Vp/4，重复实验步骤(2)
2.共源放大电路
（1）按图2.4.3接线。
（2）测量静态工作点。
接通电源VDD，使Vi = 0（输入端接地），测量VG、VS、VD，算出VDS和ID[=VS/(RS1+RS2)]，填入表2.4.2中。

表2.4.1

Vi(mV) |  | 10 | 20 | 40 | 60 | 80 | 100
VGS=0 | V2 |  |  |  |  |  |
 | V1 |  |  |  |  |  |
 | rds |  |  |  |  |  |
VGS= Vp/4 | V2 |  |  |  |  |  |
 | V1 |  |  |  |  |  |
 | rds |  |  |  |  |  |
VGS= Vp/2 | V2 |  |  |  |  |  |
 | V1 |  |  |  |  |  |
 | rds |  |  |  |  |  |
VGS=3Vp/4 | V2 |  |  |  |  |  |
 | V1 |  |  |  |  |  |
 | rds |  |  |  |  |  |

（3）测量电压放大倍数
输入 1KHZ，有效值为0.2V的正弦电压，测出输出电压Vo，并计算出A ，填入表2.4.3中。
（4）测量输出电阻Ro
将RL开路，测量对应的输出电压， ,填入表2.4.3中，并根据实验步骤（3）和（4）的结果及

(2.4.9)

计算出Ro，填入表2.4.3中。

表2.4.2

VG(V) | VS(V) | VD(V) | VDS(V) | ID(mA)

表2.4.3

Vi(V) | Uo(V)(RL=10kΩ) | Uo'(V)(RL=∞) | Ro(kΩ) | Au( RL=10kΩ)

六、实验报告
1.根据实验内容1中Vi=40mV测得的数据，以rds为纵坐标，以 为横坐标，做出rds＝f （uGS ）关系曲线。
2.计算出 由0变化到3Vp/4时，rds如何变化？
3.比较实测静态工作点与根据实际的结型场效应管参数,用式(2.4.3)和(2.4.4)联立求解所得值之间的误差，分析产生误差原因。
4.将Au 、Ro的实验值与根据实际的结型场效应管参数和图2.4.3所示电路计算的理论值进行比较。

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第二部分 模 拟 电 路 实 验

实验2.5 射极跟随器性能测试

[要点提示]
一、实验目的
二、实验预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、练习内容及方法
六、实验报告
七、思考题

[内容简介]

一、实验目的

掌握射极跟随器性能及其测量技术

二、实验预习要求

1.复习射极跟随器的工作原理。
2.测量IC = 0.8mA，VCE = 5V时，晶体管的 和描下Re = 5.1kΩ（功耗电阻）时晶体管的输出特性曲线。
3.根据图2.5.1电路元件参数值计算静态工作点。并在测得的晶体管输出特性曲线上按表2.5.1给的参数值，用作图法画出交、直流负载线，从而求输出电压的跟随范围。

三、实验原理

图2.5.1射极跟随器实验参考电路 | 图2.5.2具有"自举"功能的射极跟随器

图2.5.1为射极跟随器实验参考电路。它具有输入电阻高、输出电阻低、电压放大倍数接近于1和输出电压与输入电同相的特点。输出电压能够在较大的范围内跟随输入电压作线形变化，故又称跟随器。
1.输入电阻
设图2.5.1电路的负载为RL，则输入电阻为

式中
由上式可知：①为了增加跟随器输入电阻，应选用大的 ，大的rbe和大的 。利用"复合"管可获得较大的等效 。当RL固定时，增大Re可提高 值，但如果RL很小，增大Re其意义也不大。②由于Rb 与〔rbe+(1+ ) 〕并联，如果Rb太小，跟随器的输入电阻就难以提高。通常采用如图2.5.2所示的"自举"电路，以提高偏置电路的等效输入电阻，等效输入电阻为

式中AV≈1， 很大．因此．输入电阻

故在这种电路中，基极分压电阻Rb1、Rb2不用取得很大。
2.输出电阻Ro
由图2.5.1可求得输出电阻为

式中

Rs为低频信号发生器的输出电阻。
从上式可知：射极跟随器具有很低的输出电阻，因此输出电压受负载电阻变化影响很小。为了得到尽可能低的Ro，从而发挥射极跟随器的特点，应选用大 值的管子和大的工作电流IE.

图2.5.3 跟随特性 | 图2.5.4 从交流负载线求跟随电压范围

3.电压放大倍数
射极跟随器的电压放大倍数AV≈1,即Vo≈Vi这说明输出电压等于输入电压，且同相。这种电路常用来作阻抗变换，即把高阻抗输入转换成低阻抗输出。
4.电压跟随范围
电压跟随范围，是指跟随器输出电压随输入电压作线性变化的区域。但在输入电压超过一定范围时，输出电压便不能跟随输入电压作线性变化，失真急剧增加，如图2.5.3所示。
在管子、电路参数、使用条件（例如EC、负载、环境温度等）确定以后，此电路的跟随范围也就确定了。用作图法，可以求出图2.5.1电路的跟随范围，如图2.5.4所示。从图中的交流负载线可以找出不产生饱和失真和截止失真的区域。最大正向动态跟随范围为︱VCEQ-VCE1︱，最大负向动态跟随范围为︱VCEQ-VCE2︱，当工作点取在交流负载线中心点，最大输出电压峰峰值：
Vop-p=2Vom=VCE2-VCE1
所以最大输出电压峰值

(2.5.3)

最大输出电压有效值

(2.5.4)

5.非线性失真系数
按定义 D=Vd/V1
式中，Vd -- 信号内包含的谐波成分总和( [image] 分别为二次，三次……谐波成分有效值)；
V1 -- 基波成分有效值。
从图2.5.4交流负载线可见： 的变化输出电压Vo有一定影响。

四、实验仪器设备

名 称 | 参考型号 | 数量 | 用 途
稳压电源 | HH1713 | 1 | 直流电源
示波器 | COS5020B型 | 1 | 观察波形
低频信号发生器 | XD2 |  | 信号源
万用表 | MF50型或DT890B型数字表 | 1 | 测量IE
失真度计 | BS1型 | 1 | 测D
晶体管毫伏表 | DA16B | 1 | 测量Vi、Vo

五、实验内容及方法
1.调整静态工作点
①按图2.5.1接好电路，检查无误接通+9V直流电源。
②令Re=5.1ΚΩ，RL=9.1ΚΩ，调节Rb使IE=(0.8～1.2)mA。测量各静态工作电压

图2.5.4 输入电阻测量

2.测量Ri、Ro、AV
① 输入电阻测量（半电压法）
所谓放大器的输入电阻，是指从放大器输入端1、1′向右看进去的等效电阻 。测量时也可在信号源与放大器之间串入一个可变电阻(RP)如图2.5.4所示，当RP为零时，测出输出电压Vo，然后增大RP，使Vo′为 ，则RP = Ri。
② 输出电阻的测量和实验2.4之"（4）测量输出电阻Ro"类同。
③ 测量非线失真系数D
电路连接如图2.5.5所示。
a. 将失真度计的选择开关S拨到"校正"位置，仪器中的毫伏表量程放在100％档。
b.调节"校正控制"旋钮，使电表指在100％，即满表度（1V）。
c. 将S拨到"失真度"位置，调抑制基波滤波器的频率盘至被测频率上，使电表指示最小，如果D很小，可改变毫伏表量程，再次调节调谐和相位二旋钮，务使电表指示达到最小，最后从表上直接读得D值。
d. 测量时，放大器的输出信号V。保持不变。

图2.5.5 测失真度的电路连接
图2.5.6是测试电路总的安排
图2.5.6 测试仪器的安排

保持输入信号 1kHz、Vi = (0.1～0.5 )V，在不同的Re、RL、 值条件下测量跟随器的Ri、Ro、 、D数据，填入表2.5.1。

表2.5.1

测 量 条 件 |  |  |  | 测 量 值 |  |  |  | 计 算 值
Re(Ω) | RL(Ω) |  | IE(mA) | Ri(Ω) | Ro(Ω) | AV | D | Ri(Ω) | Ro(Ω) | AV | 误差
5.1k | 9.1k | ＜70 | 0.8～1.2 |  |  |  |  |  |  |  |
5.1k | 9.1k | ＞100 | 0.8～1.2 |  |  |  |  |  |  |  |
5.1k | 1k | ＞100 | 0.8～1.2 |  |  |  |  |  |  |  |
1.5k | 1k | ＞100 | 4.0 |  |  |  |  |  |  |  |

3.测量跟随范围
测量当 Re = 5.1kΩ、RL = 9.1kΩ、CL = 0.01μF、IE = (0.8～1.2)mA时，Vo = 曲线。测量时保持输入信号 [image] 频率 为1kHz，逐渐增加输入电压Vi,用示波器观察输出电压波形，并记录相应输出电压Vo和失真系数D，把所测得数据填入表2.5.2中。
4.验证"自举"电路提高跟随器输入电阻的作用
实验电路如图2.5.2所示，用半电压法测量未接入C3时的Ri；用同样方法测量接入C3后的Ri；比较二次测量结果。
表2.5.2

RL=9.1kΩ
CL=0.01μF
fi=1kHz 		Vi(V)
Vo(V)
D
波形情况

六、实验报告
1.整理实验数据，比较并分析取不同元件参数和工作条件时，对Ri、Ro、AV和D的影响。
2.绘出取不同RL时的uo=f(ui) 和D = ɡ(Vi)曲线，求出输出电压跟随范围，并与用作图法求得的跟随范围相比较。

七、思考题
1. 测量 曲线时，用一只毫伏表先后测量Vi和Vo好，还是用二只毫伏表分别测量Vi和Vo好，为什么？
2. Rb电阻的选择对提高放大器输入电阻有何影响？

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第二部分 模 拟 电 路 实 验

实验2.6 负反馈放大器

[要点提示]
一、实验目的
二、实验预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、练习内容及方法
六、实验报告
七、思考题

[内容简介]
一、实验目的

1.进一步了解负反馈对放大器性能的影响。
2.进一步掌握放大器的放大倍数、输入、输出电阻和频响的测量方法。

二、实验预习要求

1.复习负反馈放大器的工作原理。
2.了解不同反馈方式对放大器放大倍数、频响特性、输入输出电阻的影响。

三、实验原理
放大器中采用负反馈，在降低放大倍数的同时，可使放大器的某些性能大大改善。负反馈的类型很多，本实验以一个两级电压串联负反馈放大电路为例，来实践负反馈放大器性能的测量和调整，如图2.6.1所示。图中电阻 从第二级T2集电极接到第一级 T1的发射极构成负反馈。CL是等效负载电容，Rφ、Cφ是防止低频自激的电源退耦网络。以下列出负反馈放大器的有关公式，供验证分析时作参考。
1.放大倍数和放大倍数稳定度

图2.6.1 负反馈放大器 | 图2.6.2反馈放大器的方框图

图2.6.1负反馈放大器可以用图2.6.2方框图来表示。

方框图放大器的放大倍数为

(2.6.1)

式中， 称为开环放大倍数。反馈系数为

(2.6.2)

反馈放大器放大倍数稳定度与无反馈放大器放大倍数稳定度有如下关系

(2.6.3)

可见，负反馈放大器比无反馈放大器的稳定性提高了 [image] 倍。

2.频响特性
引人负反馈后，放大器频响曲线的上限频率为

(2.6.4)

而下限频率为

(2.6.5)

可见负反馈放大器的频带加宽。

3.输入和输出电阻
图2.6.1所示电压串联负反馈放大器的输入电阻为

(2.6.6)

式中
实际的串联负反馈放大器的输入电阻：

(2.6.7)

电压负反馈放大器的输出电阻有如下关系：

(2.6.8)

式中

四、实验仪器设备

名 称 | 参考型号 | 数量 | 用 途
示波器 | COS5020B型 | 1 | 观察波形
低频信号发生器 | XD2 | 1 | 信号源
万用表 | MF50型或DT890B型数字表 | 1 | 测IC1、IC2
晶体管毫伏表 | DA16B | 1-2 | 测量Vi、Vo

五、实验内容及方法
1.调整静态工作点
①按图2.6.1实验电路连接，检查无误，接通+12V直流电源。
②在无输人信号的情况下，调节Rp1，使IC1≈0.5mA。调节Rp2,使IC2≈lmA，并测出各点的直流电压。
2.开环测试
将图2.6.1的S拨向1，使 一端接地，作放大器的负载电阻。
（l）测量开环放大倍数AV
按图2.6.3将测量仪器与被测放大器连接。调节低频信号发生器给放大器提供一输入信号i(2.5kHZ),使放大器达到最大不失真输出。用毫伏表分别测量放大器的输入电压Vi和输出电压V0，计算Av。

图2.6.3 测试仪器连接图

(2) 测量放大倍数的稳定度
保持上述实验中的输入信号电压和频率不变，将电源电压升高到14V和降低到10V，分别用毫伏表测量放大器输出电压，并将结果填入表2.6.1中。
表2.6.1

测试条件 |  | 开 环 |  |  |  | 闭 环
待测参数 |  | Vo(V) | AV = | S = | 输出波形 | Vo(V) | = | S = | 输出波形
EC更动参数 | 12V |  |  |  |  |  |  |  |
 | 14V |  |  |  |  |  |  |  |
 | 10V |  |  |  |  |  |  |  |

（3）幅频特性测量
① 按图2.6.4将测量仪器与被测放大器连接。由低频信号发生器输出一个电压幅度适当的中频信号（ =1kHz）作为放大器的输入信号Vi，使放大器输出电压(Vo)不失真（用示波器观察），记下Vi值。

图2.6.4 幅频特性测量

② 测量时，保持输入电压Vi不变，改变信号源频率f，在开环和闭环两种情况下，测出对应的输出电压Vo值，填入表2.6.2中。由于要求幅频曲线的纵坐标用放大倍数A(ω)/AV相对变化量来标度，横坐标用频率的对数值（㏒f ）来标度，因此，在选择频率时，可按对数规律来选取（维持输出波形不失真）。
表2.6.2

测量条件 | f（Hz）
开环 | Vo(V)
 | A(ω)/AV
闭环 | Uof(V)
 | Af(ω)/Auf

（4）测量输入电阻
和实验五中的方法类同。
（5）测量输出电阻（半电压法）

图2.6.5 输出电阻测量

测量输出电阻既可采用实验2.4的方法也可采用半电压测量法。如图2.6.5所示，所谓放大器的输出电阻，是指从放大器输出端2、2′向左看进去的等效电阻，测量时，可以把放大器输出端等效成一个理想电压源与输出电阻Ro相串联。
① 使负载开路，即拆去图2.6.1中的CL和 ,由低频信号发生器输出一个适当电压的中频信号作为放大器的输入信号,用毫伏表测量这时放大器的输出电压Vo(开路电压)。
② 在2、2′之间并上一只可变电阻器（Rp）作为负载RL，调节Rp使放大器的输出电压下降为Vo/2，即VL= Vo/2。根据全电路欧姆定律可知，此时的可变电阻阻值就是放大器的输出电阻Ro。
3.闭环测试
将图2.6.1电路中的S拨到2，测量负反馈时的放大倍数、放大倍数稳定度、幅频特性曲线、输入、输出电阻等，其测量方法和开环放大器类同。

六、实验报告
1.整理实验数据，分别求取开环和闭环时放大倍数、放大倍数稳定度、输入、输出电阻。
2.用半对数计算纸绘制频响曲线( [image] ～㏒f )，并在图中标出fH 、fHf 、fL 和fLf 值。
3.用闭环放大器的有关公式计算其放大倍数、放大倍数稳定度、上限频率 、下限频率 、输入电阻 和输出电阻 理论值，并与实验值比较，估计相对误差，分析引起误差的原因。

七、思考题
1.用示波器测量有何优缺点？
2.为提高测量放大器放大倍数的准确度，对毫伏表或示波器的输入阻抗有什么要求？

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第二部分 模 拟 电 路 实 验

实验2.7 差动放大器

[要点提示]
一、实验目的
二、实验预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、练习内容及方法
六、实验报告
七、思考题

[内容简介]

一、实验目的

1.掌握差动放大器的调试方法。
2.掌握差动放大器电压放大倍数和共模抑制比的测量方法。

二、实验预习要求

1.了解差动放大器的工作原理和调试步骤。
2.根据电路参数计算静态工作点。
3.了解差动放大器共模抑制比的测量方法。

三、实验原理

差动放大电路如图2.7.1所示。由图可知，由于电路对称，静态时两管的集电极电流相等，管压降相等，输出电压ΔVo = 0。这种电路，对于零点漂移具有很强的抑制作用。
电路元件的参数完全对称这在实际上是不可能的，为此，常采用如图2.7.2所示典型的差动放大电路。图中电位器Rp用来调节静态输出电压为零（ΔVo=0）。Re对共模信号起负反馈作用，以增强零点漂移的抑制能力，而对差模信号无影响。负电源-EE的作用是：为了增强抑制零点漂移的能力，Re应取足够大的数值，这样若EC仍取原来值，工作点将下移，放大器增益会下降。为了即使Re足够大，也能保证合适的工作点，引入负电源-EE来补偿Re上的电压降。

图2.7.1 差动式放大器 | 图2.7.2 典型的差动式放大器

对图2.7.2电路，差模电压放大倍数为

(2.7.1)

式中

(2.7.2)

共模电压放大倍数为

(2.7.3)
(2.7.4)

共模抑制比
如果电路完全对称，对于双端输出差动放大器，则 [image] ，Ac（双端）=0，CMRR（双端）= Ad/ Ac=∞。就是说，完全对称的双端输出差动放大器将全部抑制掉共模电压。对于单端输出差动放大器

(2.7.5)
图2.7.3 差动放大器实验电路

可见，即便是单端输出，只要Re很大，对共模信号的抑制也很强。实用中，多采用晶体管恒流源来代替Re如图2.7.3所示。

四、实验仪器设备
仪 器 名 称 参 考 型 号 数 量 用 途
万用表 MF50型或DT890B型数字表 1
稳压电源 HH1713 1
晶体管毫伏表 DA16B 1 测
低频信号发生器 XD2 1 信号源

名 称 | 参考型号 | 数量 | 用 途
稳压电源 | HH1713 | 1 | 供EC ,-VEE
低频信号发生器 | XD2 | 1 | 信号源
万用表 | MF50型或DT890B型数字表 | 1 | 测静态工作点
晶体管毫伏表 | DA16B | 1 | 测量ΔVi、ΔVo1、ΔVo2

五、实验内容及方法
1.在实验电路图2.7.3中,T1、T2采用S3DG6B双三极管以保证两管尽量对称。改变开关S1的位置，可以使发射极接Re或接恒流源以比较这二种电路的优缺点。
2.发射极电阻用Re时，测出电路对称平衡条件下的Ad和Ac，计算CMRR值。
表2.7.1

测量参数 | IC1(mA) | IC2(mA) | VO1(V) | VO2(V) | VB1(V) | VB2(V) | VE(V)
实测值 |  |  |  |  |  |  |
估算值 |  |  |  |  |  |  |
相对误差 |  |  |  |  |  |  |

表2.7.2

测量条件 | 测 量 值 |  |  |  | 计 算 值
ΔVi(V) | ΔVo1(V) | ΔVo2(V) | ΔVo=[ΔVo1-ΔVo2] (V) | ΔVE(V) | Ad1=ΔVo1/ΔVi1 | Ad2=ΔVo2/ΔVi2 | Ad=ΔVo/ΔVi
0 |  |  |  |  |  |  |
+0.10 |  |  |  |  |  |  |
-0.10 |  |  |  |  |  |  |
+0.20 |  |  |  |  |  |  |
-0.20 |  |  |  |  |  |  |
+0.25 |  |  |  |  |  |  |
-0.25 |  |  |  |  |  |  |

(1) 调零(ΔVo=0)，并测量静态工作点
将开关S1拨至"2"，接通EC和-EE，将A、B、地三端短接，把万用表接入两管集电极a、b之间，调节Rp1使ΔVo=0。测量IC1、IC2以及电路各点的静态电压，填入表2.7.1并与计算值相比较。
（2）测量差模电压放大倍数Ad
拆去短路连接线，然后在A、B间加入差模信号ΔVi，按表2.7.2测量不同ΔVi时的输出电压ΔVo，并观察VE有无变化，测量时应防止两管饱和或截止。
（3）测量共模电压放大倍数Ac
将A、B两端短接，在A与地之间加入共模信号，如图2.7.4所示。并按表2.7.3要求测出各点电压。

图2.7.4 共模信号输入电路
表2.7.3
测量条件 | 测 量 值 |  |  |  | 计 算 值
ΔVi(V) | ΔVo1(V) | ΔVo2(V) | ΔVo=[ΔVo1-ΔVo2] (V) | ΔVE(V) | Ad1=ΔVo1/ΔVi1 | Ad2=ΔVo2/ΔVi2 | Ad=ΔVo/ΔVi | CMRR
0 |  |  |  |  |  |  |  |
±0.2 |  |  |  |  |  |  |  |
±0.35 |  |  |  |  |  |  |  |
±0.5 |  |  |  |  |  |  |  |

(4) 观察抑制零点漂移的能力
在输入信号电压为零伏时，改变EC为(EC±EC10%)测量ΔVO、ΔVO1、ΔVO2 。
3.带有恒流源时，测出电路对称平衡条件下的Ad、Ac和静态工作点，并计算CMRR值。
将2.7.3中的开关S1拨至"1"，先调节Rp2使Ic3等于电路接到Re=12kΩ时的(Ic1+Ic2)，然后调节Rp1使ΔVo=0。重复前述实验。

六、实验报告
1.将实验数据列成表格，并求出测量值与计算值的误差。
2.根据实验中观察到的现象，分析差动放大器对零点漂移的抑制能力。
3.比较不同电路的测量结果。

七、思考题
1.差动放大器中Re和恒流源起什么作用？提高Re受到什么限制？
2.可用什么方法来提高差动放大器的共模输入电阻，举例说明。

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第二部分 模 拟 电 路 实 验

实验2.8 互补对称功率放大器

[要点提示]
一、实验目的
二、实验预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、练习内容及方法
六、实验报告
七、思考题

[内容简介]

一、实验目的

1.了解互补对称功率放大器的调试方法。
2.测量互补对称功率放大器的最大输出功率、效率。
3.了解自举电路对改善互补功率放大器的性能所起的作用。

二、实验预习要求

复习鬲淑芳主编、黄庆元主审之《模拟电子技术基础》的相关内容。

三、实验原理

图2.8.1为互补对称功率放大器的原理电路图。当输入电压vi为正半周时，经T1管反相,使T2管截止，T3管导通，从而在负载电阻RL上形成输出电压vo的负半周波形；当输入电压vi 为负半周时，T2管导通，T3管截止，从而在负载电阻上形成输出电压vo 的正半周波形。

图2.8.1互补对称功率放大器的原理电路图 | 图2.8.2互补对称功率放大器实验电路

当输入电压周而复始地变化时，输出功放管T2 与T3交替工作，使负载电阻RL上得到完整的正弦波。
应该指出。在上面的分析中，尽管T2 、T3管工作在甲乙类，但为了分析方便，我们仍认为两管在静态时基本处于截止状态。
上述功放电路在理想情况下，输出电压峰值是Vomax = VCC/2,即为uB 的最大变化量（ [image] ）。实际上达不到这个数值，这是因为，当vi为负半周时，T2管导通，它输出到负载的电流增加，因而T2管基极电流也增加，由于Rc上压降和vBE2 的存在，当B点电位向VCC接近时，T2管的基极电流不能增加很多，因此就限制了T2管输向负载的电流，无法使负载两端得到VCC/2的电压幅度，而只能达到 [image] ，因此，实际的互补对称功率放大器在电路上要作改进。
图2.8.2为实验电路，其中加有自举电路C4和R4。在静态情况下，vi =0时， [image], vD= VCC-iR·R4= VCC-vR4 ,电容C4两端电压充到vB ≈VCC/2,且时间常数R4C4足够大，则 可以认为不随输入信号的变化而变化。这样一来，当输入信号为负半周时，T2管导通， 由VCC／2向正的方向变化时,D点电位 便随之增加，从而能给T2管子提供足够的基极电流，使功放的输出电压幅度增加。不仅如此，由于电路中T1管的直流偏压不是直接引自电源Vcc，而是与B点相连，这样便可利用负反馈使放大管T1的工作趋于稳定。

四、实验仪器设备

名 称 | 参考型号 | 数量 | 用 途
稳压电源 | HH1713 | 1 | 直流电源
低频信号发生器 | XD2 | 1 | 信号源
万用表 | MF50型或DT890B型数字表 | 1 | 测直流值
晶体管毫伏表 | DA16B |  | 测交流值
失真度测试仪 | BS1 | 1 | 测D

五、实验内容及方法

1.直流工作点的调整
调节RW，使VB=VCC/2。
2.测量最大输出功率与效率
（1）最大输出功率Pom
给放大器送入1000Hz正弦电压信号，逐渐加大输入电压幅值，并使失真度仪的读数小于或等于10%，读出此时毫伏表的读数Vo。最大输出功率为
Pom = Vo2/RL （2.8.1）
如果没有失真度仪，则用示波器观察到输出波形为临界削波时，读出毫伏表的读数Vo。
（2）电源供给的功率PE
给放大器送入1000Hz正弦电压信号，逐渐加大输入信号电压幅值，使示波器显示临界削波的波形，这时毫伏表的读数就是最大不失真的输出电压值，而直流毫安表的读数I就是电源输出的平均电流（忽略了其他支路的电流），根据下式可算出电源供给的功率为
PE = VCC·I （2.8.2）
当然，也可以读出放大器输出波形失真度为10%时毫安表的读数I，从而算出电源供给的直流功率
（3）最大效率ηm
ηm = Pom/PE （2.8.3）
(4) 最大输出功率时晶体管的管耗PT
PT = PE- Pom （2.8.3）
将上述实验数据填入表2.8.1中。

表2.8.1

测量参数 | 计 算 值 |  | 测 量 值
 | 理 想 | 非 理 想 | S1 断 | S1 通
Pom |  |  |  |
PT |  |  |  |
PE |  |  |  |
ηm |  |  |  |

3.用示波器观察T2、T3管有无正向偏压对交越失真的影响，记录不加自举与加自举两种情况下的输出波形。

六、实验报告
1.比较Pom、 PT、 PE、ηm的计算值和实测值。
2.画出实验内容所要求的各点波形。

七、思考题
1.在理想情况下，乙类推挽电路的效率可达78.5%，但实际测得的结果与此差距较大，其主要原因是什么？
2.在实验中，负载RL最好使用电阻箱或电位器，为什么？

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第二部分 模 拟 电 路 实 验

实验2.9 集成运算放大器的测试

[要点提示]
一、实验目的
二、实验预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、练习内容及方法
六、实验报告

[内容简介]

一、实验目的
掌握集成运算放大器主要参数的测试方法。

二、实验预习要求
1.复习运算放大器的工作原理和主要参数的物理意义。
2.了解待测运算放大器的技术性能，分清各个管脚的作用。
3.弄清各测试电路的工作原理。

三、实验原理

1.输入失调电压Vos
实际的线性集成电路的参数难于做到完全对称，输入电压为零时的输出电压不等于零。通常把室温（25℃）及标准电源电压下的输出电压折算到输入端的等效输入电压称之为输入失调电压，常以Vos表示。
测试电路图2.9.1中R值应尽可能小，如取几十至几百欧姆。RF为几千欧。测量时，先将图2.9.10中的调零电位器Rp2短路，接通电源，用毫伏表或万用表测量输出电压Vo,按下式求输入端的失调电压。

(2.9.1)

如取R = 51Ω,RF = 5.1kΩ,则 [image] 。
2.输入失调电流Ios
输入失调电流是指输入信号为零时的两输入端的基极电流之差，即Ios=Ib1-Ib2。显然，由于存在Ios，将使输出端电平偏离零点。按测试电路图2.9.2的测量步骤如下：
（1）闭合开关S,在低输入电阻下，测出输出电压Vo1。如前所述，这是由输入失调电压Vos引起的输出电压。

图2.9.1 测量Vos的电路 | 图2.9.2测量Ios和Vos的电路

（2）断开S, 在高输入电阻下，测出输出电压Vo2。则由Ios引起的附加的输出电压Vo2- Vo1乘以分压比R/(R+RF),即R(Vo2- Vo1)/(R+RF)可近似地认为是由Ios在R1上产生的，因此

(2.9.2)

测量电路中R1值取大一些，以使(Vo2- Vo1)大些，便于测量。但R1过大则漂移大，输出不稳定，R1一般取10kΩ左右。
3.输入偏置电流IB
输入偏置电流IB是指输入信号为零时，两输入端基极电流的平均值（ [image] ）。测试电路如图2.9.3所示。当IB＜1μA时，应采用高灵敏度电流计。

图2.9.3 测量IB电路 | 图2.9.4交流开环、直流闭环的测量电路

4.开环电压增益Ao
开环电压增益是指负载开路，并加上低频（一般约200Hz）信号电压条件下测出的电压增益。
这里介绍两种测试方法：
（1）交流开环、直流闭环的测量法
其电路如图2.9.4所示。电容CF对直流或缓慢的温漂来说，等效开路，而对交流信号相当于短路，因此对交流几乎无反馈，如同开环状态。RF为直流负反馈电阻，C为隔直流电容。一般Vi很小，不易测量，故加入分压器（R1、R2），这样可得大的Vi，便于测量。测出Vo和Vi′后，可按下式计算

(2.9.3)

对于Ao＞105以上高增益集成运算放大器，频带较窄，测试信号频率很低，则要求CF很大，故这种测量法不太适用于高增益运算放大器。

图2.9.5交流反馈测量电路

(2) 交流反馈测量法

图2.9.5交流反馈测量电路

电路如图2.9.5所示。通过RF、R2、R3的直流反馈，使输出漂移小。通过RF、R1的交流反馈，使放大倍数比较稳定。引入分压器 R2、R3 以提高输入电压测量准确度。测出 Vo和Vi′，则开环放大倍数为

(2.9.4)

测量时，一般高增益放大器频带都很窄，测试频率必须选在开环频率特性的第一个转折点以下。

5.输出电压最大动态范围
运算放大器输出电压的最大动态范围是指无失真条件下。所能达到的最大输出幅度。测量电路如图2.9.5所示。接入一定负载后，逐步加大输人信号的幅度直到输出波形开始产生顶部和底部削波失真时的输出电压峰峰值Vop-p，该值即是运放的最大动态范围。动态范围与外接负载大小有关，如图2.9.6所示。动态范围还与电源电压和频率有关。

图2.9.6 不同负载的输出动态特性

6.频率特性
测量开环频率特性的电路见图2.9.5。为了减小负反馈，从而使校正补偿电容值减小，R1可以省略。开环频率特性与校正电容大小关系很大，如图2.9.7所示，校正电容越大，频带就越窄。

图2.9.7不同校正电容的频率特性

7.输入电阻Ri
输入电阻是指开环状态下，运放中两个差动输入端之间的等效电阻。测量电路如图2.9.8所示。测量时，先将图中Rp调到零（短路），加入输入信号（200Hz），测出Vi1。然后调节Rp使毫伏表指示下降到原来读数的一半，则此时Rp的电阻值就是输入电阻Ri与R1的并联值。R1为已知，则

(2.9.5)

为了保证测量精确度，R1、R2至少要与Ri同一数量级。

图2.9.8测量输入电阻的电路

8.输出电阻Ro
输出电阻的测量电路如图2.9.4所示。先将S打开，负载开路，输入端加低频信号电压（200Hz左右），获得一定的输出电压Vo1（以不失真为限）。然后合上S，测出带负载时的输出电压Vo2，则

(2.9.6)

另一种方法是合上S后，调节负载RL，使输出电压下降到原来值的一半，此时RL=Ro。

图2.9.9测量CMRR电路

9.共模抑制比CMRR

测量电路如图2.9.9所示。D1、D2为箝位二极管。放大器接成闭环，对于差模信号Ad=RF/R1，对于共模信号Ac=Vo/Vi，所以

(2.9.7)

测量电路中R1与R2、RF与RF′要求严格对称相等，否则测量误差大。

四、实验仪器设备

名 称 | 参考型号 | 数量 | 用 途
稳压电源 | HH1713 | 1 | 供Vcc和-VEE
低频信号发生器 | XD2 | 1 | 信号源
示 波 器 | COS5020B | 1 | 观察输出波形
晶体管毫伏表 | DA16B | 1 | 测Vi、Vo等
直流微安表 | 0～10μA | 1 | 测IB等

五、实验内容及方法

图2.9.10 被测运算放大器

被测试运放采用8FC2或FOO3,如图2.9.10所示。接入输入信号，并在反相端1同相端2以及输出端5之间接入所需的元器件，则可实现前述的诸放大电路。运算放大器脚11和8,10和9之间，接入RC网络，作为消除寄生振荡的补偿电路，其元件取值应可适当调整。5脚为输出端。运放要求输入电压为零时输出电压也为零，可通过调零电位器来实现。为防止干扰信号进人放大器造成测量误差，要求输入端有屏蔽装置。为了减少电阻元件引起测量误差应选用精密金属电阻或测量膜电阻。
1.输人失调电压Vos的测量
（1）在电路图2.9.10中构成如图2.9.1所示的测量电路。
（2）接通电源，用示波器观察是否有寄生振荡输出。如果有可调节Rp1消除之，若仍不能消除，应适当更换电容，直到完全消振为止。
（3）用直流毫伏表测量输出端电压Vo1，由式(2.9.1)求Vos。
2.输入失调电流Ios的测量
连接成如图2.9.2所示的测试电路，用电表测出输出端电压Vo2，由式(2.9.2)求Ios。
3.输入偏置电流IB的测量
连接成如图2.9.3所示的测试电路，用微安表测出IB。
4.输出电阻的测量
连接成如图2.9.4所示的测试电路，用半电压法测量输出电阻Ro。
5.开环电压增益Ao的测量
（1）交流开环、直流闭环测量法：其测量电路与测量输出电阻电路同。用毫伏表测量其不失真的输入电压和输出电压代入式(2.9.3)求Ao。
（2）交流反馈测量法：连接成如图2.9.5所示的测试电路，测出输入电压Vi′和输出电压Vo，代入式(2.9.4) 求出Ao。
6.输出电压最大动态范围和频率特性测量
（1）测试电路如图2.9.5。在RL≈∞、RL = 5.1kΩ和RL = 3kΩ时，保持输入信号频率为200Hz，改变输入电压Vi，测出输出端电压Vo直至输出波形失真为止，并将测量的Vi和Vo填入表2.9.1中。

表2.9.1

输入电压Vi(mV)
RL≈∞Ω | Vo(V)
RL = 5.1kΩ | Vo(V)
RL = 3kΩ | Vo(V)

（2）令RL≈∞，保持输入信号电压Vi不变，改变信号频率?s，测出对应输出电压Vo，画出A～?曲线，找出上限频率?H，即第一个转折点频率。
（3）若将输入信号Vi送入示波器的X轴，输出信号Vo送入Y轴，则在示波器屏幕上可观察到输入电压与输出电压关系曲线，即运放传输特性曲线如图2.9.6所示。从图中可求出最大输出电压的动态范围。
7.输入电阻Ri的测量
连接成如图2.9.8所示的测试电路，测出Ri。
8.构成如图2.9.8所示的测试电路，测出输入和输出电压，代入式(2.9.7)求得CMRR。

六、实验报告
1.画出A～?和Vi～Vo曲线，并求出上限截止频率和最大输出电压的动态范围。
2.写出实验心得。
附：8FC2管脚位置及含义

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第二部分 模 拟 电 路 实 验

实验2.10集成运算放大器的基本应用

[要点提示]
一、实验目的
二、实验预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、练习内容及方法
六、实验报告
七、思考题

[内容简介]

一、实验目的
了解集成运算放大器的基本运算关系和应用。

二、实验预习要求

了解运算放大器的基本运算关系，并熟悉比例器、加法器、积分器和微分器电路的特点。

三、实验原理

运算放大器的输入连接方式有反相输入和同相输入两种。反相输入方式用得较多，故这里介绍反相输入时的一些基本运算关系。
1.运算放大器的基本原理
图2.10.1 是运算放大器的简化电路。由于反相输入运算放大器具有"虚地"现象，于是
即有

或

（2.10.1）

从上式可以看出：

图2.10.1 反相输入运算放大器的简化电路

（1）输出电压与输人电压反相；
（2）在Ao很大和深度负反馈情况下，放大器的输出电压与输入电压之间关系，可以简单地由反馈电阻R2与输入端外接电阻R1之比值来确定,而与放大器本身的参数没有多大关系。
（3）为了保证运算精度，要求输入电阻和反馈电阻相对误差小，性能稳定。改变R1和R2的形式，放大器便能对输入电压 进行各种数学运算。

图2.10.2比例器 | 图2.10.3加法器

2.运算放大器的简单应用
（1）比例器和倒相器
电路的连接如图2.10.2所示。由式（2.10.1）知，该电路执行的是比例运算。若R1=R2,则 [image] ，运算构成为倒相器。图中 R3=R1∥R2 。
(2)加法器
电路的连接如图2.10.3所示。其输出电压 和输入电压 [image] 之间有下述关系

（2.10.2）

可见， 是 [image] 按比例相加的结果，实现了加法运算，故称之为"加法器"。图中 R5≈R1∥R2∥R3∥R4 ,D1、D2用来防止输入电压过大而将运放输入级击穿。
(3)积分器
若在反馈回路接一个电容，输入端接电阻，如图2.10.4（a）所示，则组成一个积分器。

(a) 积分器 | (b) 输入、输出波形
图2.10.4 积分器和输入、输出波形

当Ao很大时，A点为"虚地"，忽略流入放大器的电流，则 ，有

即输出电压与输入电压成积分关系。
当 [image] 为固定值时
（2.10.3）

上式表明 按一定比例随时间作直线上升或下降。
不难推论，当 为矩形波时， 便成为三角波。如图2.10.4（b）所示。为保证两个输入端的直流电阻平衡，要求R = R1。

图2.10.5 积分求和电路

一个加法器加一个积分器便组成积分求和器。电路结构如图2.10.5所示。图中R3≈R1∥R2。

(4)微分器

图2.10.6 微分器和输入、输出波形

微分器构成电路如图2.10.6（a）所示。其输出 输入 之间具有如下微分关系：

（2.10.4）

不难推论，当 为矩形波时， 便为两个正、负相间的窄脉冲波。如图2.10.6（b）所示,图中要求R1=R。

四、实验仪器设备

名 称 | 参考型号 | 数量 | 用 途
示 波 器 | YB4320G | 1 | 观察输入、输出波形
万用表 | MF50型或DT890B型数字表 | 1 | 测量静态及输入、输出电压
稳 压 电 源 | HH1713 | 1 | 供EC、-EE

五、实验内容及方法

图2.10.7 实验电路

1.实验电路如图2.10.7所示。
2.反号、比例和加法运算
（1）按图2.10.7接好测量电路。
（2）反号运算
① 将S1置3c端；S2置4b端；S3置3d端，接成反相器。
② 将输入端4a与公共地端短接，先调Rp1消除寄生振荡（用示波器监示），然后调Rp2，使 （用数字万用表作指示）。
③ 拆去输入短路线，在输入端（4a）与公共地端加入Vi=0.5V直流电压，用数字万用表测出相应的输出电压Vo，验证是否符合 Vo=-Vi 关系。
（3）比例运算
① 将S2置3b；S3置1d，接成比例器。重新消振和调零。
② 在输入端(3a)与公共地端加入直流电压Vi = +0.5V，测出Vo,验证是否符合Vo = -5Vi的关系。
③ 更换R2的阻值和精度重复上述测量，体验Vo = -5Vi的关系受阻值精度的影响。
（4）加法运算
① 将S2置4b或3b或1b；S3置2d，接成加法器。重新消振和调零。
② 在三个输入端4a、3a、1a加入直流电压Vi1 = Vi2 = Vi3 = +0.5V，测出Vo，验证是否符合Vo = -(Vi1+5Vi2+5Vi3)的关系。
3.积分和微分运算
（1）积分运算
① 将S1置1c；S2置1b；S3置1d，组成积分器。
② 当输入电压Vi(t) = Vim为固定值时，则

（2.10.5）

式中Vim为输入信号峰值。t为输入信号的持续时间。
③ 在输入端(1a)与地之间加入矩形信号电压（正、负峰值限制在小于0.5Vp-p之内），然后在输出端和输入端用双踪示波器DC档观察积分情况，并绘下输入、输出波形和测定波形的幅度，以便验证（2.10.5）式。
(2) 积分求和运算
① 将S1置1c；S2置1b；S3置2d，组成积分求和器。
② 在输入端(1a)、(4a)加入矩形信号电压，用双踪示波器观测输出波形。

(3) 微分运算
① 将S1置2c；S2置2b；S3置1d，组成微分器。
②在输入端(2a)与地之间加入矩形信号电压（正、负峰值限制在±0.5Vp-p之内），然后用双踪示波器DC档观测其输入、输出波形。
③ 在相同矩形信号电压和频率条件下，更换电容C1的容量，观测其输出波形，并分析变化的原因。

六、实验报告
1．列出反号、比例和加法运算的实验结果，并与计算值比较。
2．画出积分和微分运算时的输入、输出信号电压波形，测出电压峰值并与计算值比较。

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第二部分 模 拟 电 路 实 验

实验2.11 RC桥式振荡器

[要点提示]
一、实验目的
二、实验预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、练习内容及方法
六、实验报告
七、思考题

[内容简介]

一、实验目的
1．掌握RC桥式振荡器的调整和测试方法。
2．进一步掌握测量信号频率（或周期）的方法。

二、实验预习要求

1．复习RC桥式振荡器工作原理和调整方法。
2．复习失真度仪测量方法和预习频率计的使用方法。

三、实验原理

图2.11.1 RC桥式振荡器电路原理

RC桥式振荡器电路包含放大器和正、负反馈支路组成的RC电桥两个部分，如图2.11.1所示。
分析表明，电路的正反馈系数为

(2.11.1)

式中 ωo = 2πfo = 1/RC,ω=2πf;

负反馈系数为

(2.11.2)

要使电桥平衡，电路必须满足下列两个条件：
（1）振幅平衡条件： ；即 (2.11.3)
（2）相位平衡条件： ，
即 fo=1/2πRC (2.11.4)
将基本放大器（ ）和负反馈支路（R1和R2）看作一个负反馈放大器，在上述平衡条件下它的电压放大倍数为

(2.11.5)

而反馈支路要求

(2.11.6)

在实际电路中，要求R1/R2略大于2，这样使电路既能稳定振荡，又能较好的输出波形（非线性失真小于1%）。调节RC数值可以改变振荡频率。

四、实验仪器设备

名 称 | 参考型号 | 数量 | 用 途
稳压电源 | HH1713 | 1 | 直流电源+12V
低频信号发生器 | XD2 | 1 | 输入信号源
万用表 | MF50型或DT890B型数字表 | 1 | 测试用
频率计 | HC-F1000L | 1 | 测频率
示波器 | COS5020B型 | 1 | 测波形和频率
万能电桥 | QS18A | 1 | 测电容和电阻
晶体管毫伏表 | DA16B | 1 | 测电压
失真度测试仪 | BS1 | 1 | 测失真度

五、实验内容及方法
实验电路如图2.11.2所示。图中后加一级射极跟随器用来隔离测量仪器对振荡器的影响。

图2.11.2 RC桥式振荡实验电路

1.测量放大器的放大倍数和正、负反馈网络的反馈系数
（1）按图2.11.2连接电路。
（2）调节R1使电路刚能产生振荡，示波器上观察到不失真的正弦波形，用毫伏表（或示波器）测出输出电压Vo。
（3）用李沙育法测出振荡器的振荡频率?x, 如图2.11.3所示。

图2.11.3 频率测量

（4）使低频信号发生器维持在频率?x的输出信号，断开图2.11.2电路中正反馈网络中连接点b、b′，将低频信号?x从b点输入，调节输入信号幅度，使放大器输出电压与前面测出的输出电压Vo相等。测出此时的Vi(=Vbe)、Vb、Ve、Vb′、Vo和R1值，将计算所得 、 、 和 填入表2.11.1中。

表2.11.1
测量数据 测量条件 | Vbe(mV) | Vo(mV) | Vb′(mV) | Vb(mV) | Ve(mV) | = | = | = | = | 波形
正弦波 |  |  |  |  |  |  |  |  |  |
失真的正弦波 |  |  |  |  |  |  |  |  |  |
停振 |  |  |  |  |  |  |  |  |  |

(5)断开b点输入信号，将b、b′重新连接。调节可变电阻R1，使振荡器输出波形出现明显的失真，重复步骤（4）的测量和计算并填入表2.11.1中。
（6）调节R1使电路停振，重复步骤（4）的测量并填入表2.11.1中。
2.测量振荡频率和失真度
表2.11.2

R(Ω) | C(μF) |  | f(Hz)（计算值） | fo1(Hz)（数字频率计测出） | fo2(Hz)（示波器测出） | 相对误差α
16k±I | 精密金属膜电容器 | 0.01±I |  |  |  |
16k±I |  | 0.47±I |  |  |  |
1.6k±I |  | 0.01±I |  |  |  |
16k±II | 小型瓷介电容 | 0.01±II |  |  |  |

按表2.11.2所给数值,相继改变RC值,每次调节R1使输出波形失真最小情况下进行以下测量。
(1)用数字频率计和示波器分别测量振荡频率，计算相对误差α。
（2）用失真度仪测量失真度。
（3）用电桥测出电阻R和电容C的数值。

六、实验报告
1.分析负反馈（调节R1）引起输出波形变化的原因。
2.按元件标称值计算RC桥式振荡器的振荡频率，并与实验值比较。分析误差的原因（从用电桥测量的元件数据与元件标称值的差值来考虑）。

七、思考题
1.对于图2.11.2所示的振荡器，用万用表测量正常振荡下各点的工作电压与静态时测得的电压是否相同？为什么？
2.欲提高RC桥式振荡器的幅度和振荡频率的稳定度，可采取哪些措施？

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第二部分 模 拟 电 路 实 验

实验2.12 晶体管直流稳压电源

[要点提示]
一、实验目的
二、实验预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、练习内容及方法
六、实验报告
七、思考题

[内容简介]

一、实验目的
1.掌握晶体管直流稳压电源的调试方法。
2.掌握稳定度、内阻和纹波电压的测量方法。

二、实验预习要求

1.了解稳压电源的工作原理及其指标的物理意义。
2.了解稳压电源的调整步骤和稳定度、动态内阻的测量方法。

三、实验原理

图2.12.1 串联型稳压电源

1.串联型直流稳压电源工作原理
图2.12.1为串联型直流稳压电源。它除了变压、整流、滤波外，稳压器部分一般有四个环节：调整环节、基准电压、比较放大器和取样电路。
当电网电压或负载变动引起输出电压Vo变化时，取样电路将输出电压Vo的一部分馈送回比较放大器与基准电压进行比较，产生的误差电压经放大后去控制调整管的基极电流，自动地改变调整管的集一射极间电压，补偿Vo的变化，从而维持输出电压基本不变。
2.稳压电源的主要指标
（1）特性指标
① 输出电流IL（即额定负载电流）。它的最大值决定于调整管最大允许功耗PCM和最大允许电流ICM。要求：IL(Vimax-Vomin)≤PCM, IL≤ICM,式中Vimax是输入电压最大可能值，Vomin是输出电压最小可能值。

图2.12.2取样电路

② 输出电压和输出电压调节范围。
在固定的基准电压条件下，改变取样电压比
就可以调节输出电压，如图2.12.2所示。由图可知

（2）质量指标
① 稳压系数s

(2.12.1)

通常稳压电源的s约为10-4～10-2。
② 动态内阻ro

(2.12.2)

从上式可知，ro越小，则负载变化对输出直流电压的影响越小，一般稳压电路的ro约为（10-2～10）欧姆。
③ 输出纹波电压是指输入电压频率为50Hz和100Hz时的输出交流分量，通常用有效值或峰峰值来表示，即当输入电压为220V时，在额定输出直流电压、直流电流的情况下测出的交流分量。

四、实验仪器设备

名 称 | 参考型号 | 数量 | 用 途
稳压电源 | HH1713 | 1 | 作输入电压Vi和标准电源电压Vo′
万用表 | MF50型或DT890B型数字表 | 1 | 测Vo和ΔVo
晶体管毫伏表 | DA16B | 1 | 测纹波电压

五、实验内容及方法

1.特性指标测量
(1) 检查无误，接通电源，在空载时调节图2.12.1电路中的电位器Rp1，记录输出电压变化范围。
(2) 再调节电位器Rp1。使输出电压为6V。
(3) 接上负载（用图2.12.3虚线框内所示电路作为负载RL）,改变RL,记录Vo～IL关系值。
2.质量指标测量
测量仪器连接如图2.12.4所示。
（1）稳定度s 图2.12.3负载电路
① 使Vi=10V。
② 调节"被测稳压器"的电位器Rp1使输出电压Vo=6V。

图2.12.4 测量s和ro电路

③ 然后改变负载RL（调节图2.12.3中的Rp），使负载电流固定在某一定值（如IL=80mA）。
④ 调整标准直流稳压器输出，使测量电压差ΔVo=Vo-Vo′（见图2.12.4）等于零。
⑤ 改变输入电压Vi±10%，测量输出电压差ΔVo，填入表2.12.1中,求s。
表2.12.1

输入电压Vi(V) | 9 | 9.5 | 10 | 10.5 | 11
输出电压差ΔVo(V) |  |  |  |  |
稳定度s |  |  |  |  |

（2）动态内阻ro
测量电路同上。
保持图2.12.4中输入电压Vi为10V,改变负载电流IL,测量输出电压差ΔVo,填入表2.12.2中,求出ro。
表2.12.2

负载电流IL (mA) | 10 | 20 | 40 | 60 | 80 | 100
输出电压Vo(V) | 6 | 6-ΔV | 6-ΔV | 6-ΔV | 6-ΔV | 6-ΔV

(4)纹波电压的测量
拆去图2.12.4中标准直流稳压器，接入220V、50Hz交流电压，如图2.12.5所示。
① 把输出电压Vo调到6 V，负载电流调为50mA，用晶体管毫伏表测量纹波电压。

图2.12.5 纹波电压的测量

② 保持输入电压Vi为10V，改变负载IL，观察IL变化对纹波电压的影响。

六、实验报告
1．绘出实验电路图。
2．计算出s和ro。

七、思考题
如何在稳压电源中增添限流或短路保护电路？

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第二部分 模 拟 电 路 实 验

实验2.13 超外差式晶体管收音机的组装与统调

[要点提示]
一、实验目的
二、实验预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、练习内容及方法
六、实验报告

[内容简介]

一、实验目的
1．熟悉超外差式晶体管收音机各组成部分和电路元件的作用原理。
2．初步掌握超外差式晶体管收音机的统调方法。

二、实验预习要求

1．了解超外差式晶体管收音机工作原理和电路元件的主要作用。
2．熟悉实验线路板上偏置电阻、中周和微调电容的位置。

三、实验原理

1．收音机的任务是接收广播电台发射的无线电波，从中取出音频信号加以放大，然后通过扬声器还原为声音。
图2.13.1是超外差式晶体管收音机方框图和各级信号输出波形示意图。

图2.13.1 超外差式晶体管收音机电路的方框图和各级信号波形示意图

一架刚安装好的收音机，即使元件完好，接线无差错。还不一定能正常工作，通常应进
行工作点调整、中频调整以及频率跟踪调整等步骤。

图2.13.2变频原理示意图

2．变频级的频率跟踪
变频级包含有输入谐振回路和本机振荡回路。输入谐振回路调谐于被接收信号的载频?c上，本机振荡回路应调谐在比?c高出465kHZ的频率?L上，保证变频后输出为中频（465kHZ）信号,如图2.13.2所示。但是，这两个谐振回路的波段覆盖系数k不相等，例如在（535～1605）kHZ中波段，它们分别为

为了使双连电容器在0～180°的转动角范围内，同时满足两个回路的波段覆盖，通常采用三点统调方法。在本振回路中串联一个固定电容C4(常取300pF)，俗称垫整电容；又并联一个可变电容C2(常取5～30pF的微调电容)，俗称补偿电容，如图2.13.4(c)所示。因为在未接入C4和C2时，在双连电容器转角180°范围内只有一点满足?L=?c+465kHz。

(a) (b)
图2.13.3 频率与双连旋转关系曲线

如图2.13.3(a)所示,在低频端本机振荡回路的振荡频率和输入谐振回路的谐振频率相差465 kHz,则双连从0o旋到180o过程中,其余各点都不满足?L=?c+465kHz,也就是说只有低频端一点跟踪。图2.13.3(b)所示情况只有在中间一点(双连旋在90o角左右) 跟踪。

图2.13.4 串、并联电容后的跟踪曲线

如果本机振荡回路中并联一个电容C2，如图2.13.4（a），当双连全部旋进，C1b电容量最大,而电容器C2容量较小，因此对谐振回路影响不大；当双连全部旋出（即C1b容量最小仅10pF左右）时，并联电容C2对谐振回路的作用很大，它使谐振回路的高端谐振频率明显降低，于是如图2.13.4（a）所示可以实现a、b两个统调点。
在本机振荡回路中串联一个大电容器C4，如图2.13.4（b）所示。当双连全部旋出（C1b容量最小），串联电容C4（＞＞C1b）对回路的影响不大；当双连全部旋进（C1b容量最大），C4 将使回路的低端谐振频率明显升高，如图2.13.4（b）中a点，这里也有两个统调点。
如果回路原先在中心频率（指双连旋转90o角点上）满足统调，再串联上垫整电容C4和并联上补偿电容C2，就可能如图（c）所示，使调谐曲线的高频端和低频端都满足统调。 这就实现了三点统调。曲线表明，三点统调的跟踪曲线呈s形，它与输入调谐回路谐振曲线之间并不处处相差465 kHz，但由于选台时起主要作用的是本振回路，当它正确调谐在?L（?c＋465kHz）时，即使输入回路稍有失谐，由于通频带较宽，高频?c信号仍能通过，只要?L和?c的差频维持为 465 kHZ，整机的灵敏度和选择性所受影响就不大。在中波波段上，三个跟踪点定为600kHz、1000 kHz和1500kHz。

四、实验仪器设备

名 称 | 参考型号 | 数量 | 用 途
示 波 器 | COS5020B | 1 | 观察波形
高频信号发生器 | XFG-7 | 1 | 调幅信号源
万 用 表 | MF50或DT890B | 1 | 测量晶体管工作点
实验电路底板 |  | 1 | 测试用

五、实验内容及方法

实验电路如图2.13.5所示，由T1担任变频管，T2、T3组成二级单调谐中放级，T4、T5、T6组成低放和功放级。为便于测试，实验板上装有测量孔，例如分别将开关S1～S6打开，可直接用万用表测量集电极电流。
1．认真查对收音机实验电路板上各元件，熟悉各测试点的位置。
2．调整静态工作点
先将本振回路短路（S1接通）。在无信号情况下，按表2.13.1要求调整各级集电极电流。
表2.13.1

晶体管 | T1 | T2 | T3 | T4 | T5、 T6
集电极电流（mA） | 0.3～0.6 | 0.4～0.6 | 0.8～1.2 | 2.0 | 4.5

变频级包括本机振荡和混频两方面的作用，混频要求管子工作在输入特性非线性区域，工作电流宜小，而振荡则要求工作电流大些，为了兼顾二者，一般取IC1在（0.3～0.6）mA范围内。中放有两级，前级加有自动增益控制，要求晶体管工作在增益变化剧烈的非线性区域，IC2一般取（0.4～0.6）mA范围，后级以提高功率增益为主，IC3取（0.8～1.2）mA范围。
3．调整中放（俗称调中周）
调整的目的是将Tr1、Tr2、Tr3谐振回路都准确地调谐在规定的中频465kHz上，尽可能提高中放增益。调试方法如下：
先将双连动片全部旋入，并将本振回路中电感线圈L4初级短接（即S1接通），使它停振。再将音量控制电位器W旋在最大位置。然后调节高频信号发生器，输出一个?o=465kHz标准的中频调幅波信号（调制频率为400Hz，调制度为30%）。仪器连接如图2.13.6所示。

图2.13.6 调中周电路

(1)将高频信号发生器输出接至C点，调节载波旋钮使输出电压为2mV，调节Tr3中周磁芯使收音机输出最大；然后，调节高频信号发生器输出电压为200μV，并将它从B点输入，调节中周Tr2的磁芯直至收音机输出最大；最后，调节高频信号发生器输出电压为30μV，并换至A点输入，调节中周Tr1的磁芯直至收音机输出最大为止。
（2）记录上述三步相应的输出幅度和输出波形。
（3）用示波器观察并绘下图2.13.1所指A、B、C、D、E各点的波形。
4．调整频率覆盖（即校对刻度）
仪器连接如图2.13.7所示,调节过程中,扬声器用负载RL代替,输出电压用示波器作指示。

图2.13.7 统调仪器连接电路

（1）调低端
断开图2.13.5上的S1，将双连电容器全部旋进，音量电位器W仍保持最大。调节高频信号发生器使输出频率为525kHz(调制频率为400Hz，调制度为30％)幅度为0.2V的调幅波信号。调节振荡线圈磁芯使收音机输出最大。若收音机低端低于525 kHz，振荡线圈磁芯向外旋（减少电感量）；若低端高于525kHz，磁芯位置向里旋（增加电感量）。
(2)调高端
将高频信号发生器调到1610kHz，幅度和调制度同上。把双连电容器全部旋出，调节振荡回路补偿电容C2，使收音机输出最大。若收音机高端频率高于1610kHz，应增大C2容量；反之，则应减小C2容量。实际上，高端与低端的调整过程中互有牵连，因此必须由低端到高端反复调整几次，才能调整好频率覆盖。
5．调整输入回路--补偿
（l）调低端
仪器接线不变，调节信号发生器，使输出信号频率在600kHz附近，调制度为30%，把双连电容器旋至低频端，直至收音机清楚地收听到 400Hz调制信号，接着移动磁棒上天线线圈的位置，使收音机输出最大，至此低端算是初步调好。
（2）调高端
调节高频信号发生器输出载频为1500 kHz附近的信号，把双连电容旋至高频端，使收音机清楚地收听到400Hz调制信号,然后,调节输入回路微调电容Co使收音机输出最大。
与调整频率覆盖一样，调节高端与低端的补偿会互相牵连，必须由低端到高端反复调几次。
以上调整时，高频信号发生器输出的信号幅度要适当（不能太强），以利于调节过程中便于判别收音机输出音量的峰点为准。

六、实验报告
（1）将测得数据列成表格，分析实验结果。
（2）写出实验心得。

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第三部分 数字电路实验

实验3.1 TTL与非门参数测试及使用

[要点提示]
一、实验目的
二、实验预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、练习内容及方法
六、实验报告
七、思考题

[内容简介]

一、 实验目的
1．掌握TTL集成与非门的逻辑功能和主要参数的测试方法。
2．掌握TTL器件的使用规则。
3.熟悉数字电路实验箱的结构、基本功能和使用方法。

二、实验预习要求
1.了解数字实验箱的基本结构及使用方法。
2．了解TTL与非门主要参数的定义和意义。
3．熟悉各测试电路，了解测试原理及测试方法。
4．熟悉TTL与非门74LS00的外引线排列。
5．自拟实验步骤和数据表格。

三、实验原理
1．TTL与非门的主要参数
TTL与非门具有较高的工作速度、较强的抗干扰能力、较大的输出幅度和负载能力等优点,因而得到了广泛的应用。
（1）输出高电平VoH：输出高电平是指与非门有一个以上输入端接地或接低电平时的输出电平值。空载时， VOH必须大于标准高电平（VSH=2.4 V），接有拉电流负载时，VOH将下降。测试VOH的电路如图1、1所示。

图1、1 VOh 的测试电路 | 图1、2 VOL的测试电路

（2）输出低电平VOL：输出低电平是指与非门的所有输入端都接高电平时的输出电平值。空载时，VOL必须低于标准低电平（VsL=O.4 V），接有灌电流负载时，VOL将上升。测试 VoL电路如图1、2所示。
（3）输入短路电流IIS：输入短路电流IIS是指被测输入端接地，其余输入端悬空时，由被测输入端流出的电流。前级输出低电平时，后级门的IIS就是前级的灌电流负载。一般IIS＜1.6mA。测试IIS的电路见图1、3所示。
（4）扇出系数N：扇出系数N是指能驱动同类门电路的数目，用以衡量带负载的能力。图1、4所示电路能测试输出为低电平时，最大允许负载电流IOL，然后求得N＝IOL／IIS。一般 N＞8的与非门才被认为是合格的。

图1、3 IIS的测试电路 | 图1、4 扇出系数N的测试电路

2．TTL与非门的电压传输特性
利用电压传输特性不仅能检查和判断TTL与非门的好坏，还可以从传输特性上直接读出其主要静态参数，如 VOH、 VOL、 VON、 Voff、 VNH和 VNL，如图1-5所示。传输特性的测试电路如图1、6所示。

图1、5 TTL与非门的电压传输特性 | 图1、6 TTL与非门的电压传输特性测试电路

从图1、5中可知：
开门电平VON：是保证输出为标准低电平VSL时，允许的最小输入高电平值。一般VON＜1．8V。
关门电平VOFF：是保证输出为标准高电平VSH时，允许的最大输入低电平值。
高电平噪声容限VNH：VNH=VSH-VON=2.4V-VON
低电平噪声容限VNL：VNL = VOFF-VSL＝VOFF-0.4V
3．与非门的逻辑功能
与非门的逻辑功能如表1、1所示，只需按真值表逐项验证即可。 本实验选用的TTL与非门为74LS00，它的外引线排列如图1、7所示。

表1、1 TTL与非门功能表

A | B | L
0 | 0 | 1
0 | 1 | 1
1 | 0 | 1
1 | 1 | 0

图1、7 74LS00外引线排列图

四、实验仪器设备

 1.数字实验箱（+5V电源，单脉冲源，连续脉冲源，逻辑电平开关，LED显示，面包板数码管等）1台 。
2.数字万用表 1块 集成与非门 74LS 00 1片。
3.电阻5.1kΩ、1kΩ、5O0Ω、100Ω各1只。
4.电位器1kΩ 、 电容 0.1uF各1只。

五、练习内容及方法

1．用数字万用表分别测量TTL与非门74LS00在带负载和开路两种情况下的输出高电平VOH和输出低电平VOL。测试电路如图1、1及图1、2所示。
2．测试TTL与非门的输入短路电流IIS，测试电路如图1、3所示。
3．测试与非门输出为低电平时，允许灌入的最大负载电流IOL，然后利用公式N＝IOL／IIS求出该与非门的扇出系数N。测试电路见图1、4。具体测试方法有二:①输入端全部悬空，逐渐减小电阻 RP，读出仍能保持 Vo＝0．4V的最大负载电流，即 IOL。②输入端全部悬空，输出端用500 Ω电阻代替（10OΩ＋ RP）。用万用表直流电压档测量VO，若VO＜0.4V，则产品合格。然后再用万用表电流档测出IOL，通过公式计算出扇出系数。
4．测量TTL与非门的电压传输特性曲线。测量电路如图1、5所示。在示波器上用X－Y显示方式观察曲线，并用坐标纸描绘出特性曲线，在曲线上标出VOH、VOL、VON。VOFF，计算 VNH和 VNL。
5．按TTL与非门的真值表逐项验证其逻辑功能。
6. TTL集成电路使用规则
（1）接插集成块时,要认清定位标记,不得插反。
（2）TTL与非门对电源电压的稳定性要求较严，只允许在+5V上有上下10%的波动。电源电压超过+5.5V，易使器件损坏；低于4.5V又易导致器件的逻辑功能不正常。电源极性绝对不允许接错。
（3）TTL与非门不用的输入端允许悬空（但最好接高电平），不能接低电平。
（4）TTL与非门的输出端不允许直接接电源电压或地，也不能并联使用。
（5）输入端通过电阻接地，电阻值的大小将直接影响电路所处的状态。当R≤ 680Ω时，输入端相当于逻辑"0"；当R≥4.7KΩ时,输入端相当于逻辑"1"。对于不同系列的器件要求的阻值不同。

六、实验报告
1．分别列表记录所测得的TTL与非门的主要参数。
2．分别描绘所观察到的TTL与非门的电压传输特性曲线，在曲线上标出有关参数，算出VNH和VNL。

七、思考题
1．与非门不用的输入端应如何处理？为什么？
2．图1、7所示电路为测试TTL与非门逻辑功能的电路。试对应画出：
（1） SW1接1KHz正方波， SW2接+5V电压时的输出电压波形。
（2） SW1接1KHz正方波， SW2接地时的输出电压波形。
（3） SW1接1KHz负方波， SW2接+5V电压时的输出电压波形。

图1、8 TTL与非门逻辑功能测试电路

3．请查阅有关资料对TTL器件和CMOS器件的性能作一比较。

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第三部分 数字电路实验

实验3.2 组合逻辑电路分析与设计

[要点提示]
一、实验目的
二、实验预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、练习内容及方法
六、实验报告
七、思考题

[内容简介]

一、 实验目的
1.掌握组合逻辑电路的分析方法与测试方法。
2.掌握组合逻辑电路的设计方法。

二、实验预习要求
1.熟悉门电路工作原理及相应的逻辑表达式。
2.熟悉数字集成块的引线位置及引线用途。
3.预习组合逻辑电路的分析与设计步骤。

三、实验原理
通常逻辑电路可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。电路在任何时刻，输出状态只决定于同一时刻各输入状态的组合，而与先前的状态无关的逻辑电路称为组合逻辑电路。
1．组合逻辑电路的分析过程，一般分为如下三步进行：
（1）由逻辑图写出输出端的逻辑表达式；
（2）出真值表；
（3）根据对真值表进行分析，确定电路功能。
2．组合逻辑电路一般设计的过程为图2、1所示。

图2、1 组合逻辑电路设计方框图

设计过程中，"最简"是指电路所用器件最少，器件的种类最少，而且器件之间的连线也最少。

四、实验仪器设备
1． 数字实验箱（+5V电源，单脉冲源，连续脉冲源，逻辑电平开关，LED显示，面包板数码管等）；
2． 74LS00（或CC4011）； 74LS 86（CC4030）； 74LS20（CC4012）。

五、练习内容及方法

1．分析、测试74LS00（CC4011）组成的半加器的逻辑功能。
（1）用74LS00组成半加器，如图2、2所示电路，写出逻辑表达式，并验证逻辑关系。
（2）列出真值表，并化简。
（3）分析、测试用异或门74LS86（CC4030）与74LS00（CC4011）组成的半加器的逻辑功能，自己画出电路，将测试结果填入自拟表格中，并验证逻辑关系。

图2、2 由与非门组成的半加器电路

2．分析、测试全加器电路，用74LS86组成全加器电路如图2、3所示，将测试结果填于真值表内，验证其逻辑关系。
全加和: Si=（Ai Bi） Ci－1
进 位: Ci=（Ai Bi）Ci-1＋AiBi

图2、3 全加器电路图

3．设计：用"与非门"设计一个表决电路。当四个输入端中有3个或4个"1"时输出为"1"
步骤： （1） 写出真值表。
表2、1 真值表

（2） 用卡诺图化简。

（3） 写出逻辑表达式。Z=ABC+BCD+ACD+ABD
（4） 用"与非门"构成的逻辑电路图。
4．学生自行设计：设计一个对两个两位无符号二进制数进行比较的电路，根据第一个数是否大于、等于、小于第二个数，使相应的三个输出端中的一个输出为"1"。

图2、4 表决电路逻辑图

六、实验报告
1.整理实验数据并填表，对实验结果进行分析。
2.总结组合逻辑电路的分析与设计方法。

七、思考题
设计一个四人无弃权表达电路（多权赞成则提案通过）本设计要求采用四2输入与非门实现。

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第三部分 数字电路实验

实验3.3 基本RS触发器和D触发器

[要点提示]
一、实验目的
二、实验预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、练习内容及方法
六、实验报告
七、思考题

[内容简介]

一、 实验目的
1.熟悉并验证触发器的逻辑功能。
2.掌握RS和D触发器的使用方法和逻辑功能的测试方法。

二、实验预习要求
1．预习触发器的相关内容。
2．熟悉触发器功能测试表格。

三、实验原理
触发器是一个具有记忆功能的二进制信息存储器件，是构成多种时序电路的最基本逻辑单元。触发器具有两个稳定状态，即"0"和"1"，在一定的外界信号作用下，可以从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态。
1．基本RS触发器
图3、1为由二个与非门交叉藕合构成的基本RS触发器。基本RS触发器具有置"0"、置"1"和"保持"三种功能。通常称 为置"1"端，因为 =0时触发器被置"1"； 为置"0"端，因为 =0时触发器被置"0"，当 = =1时状态保持。基本RS触发器也可以用二个"或非门"组成，此时为高电平触发器。

图3、1基本RS触发器

2、 D触发器
D触发器的状态方程为：Qn+1=D。其状态的更新发生在CP脉冲的边沿，74LS74（CC4013），74LS175（CC4042）等均为上升沿触发，故又称之为上升沿触发器的边沿触发器，触发器的状态只取决于时针到来前D端的状态。D触发器应用很广，可用做数字信号的寄存，移位寄存，分频和波形发生器等，其逻辑符号如下：

图3、2 双D触发器 | 图3、3 D触发器逻辑符号

四、实验仪器设备

1、数字电路实验箱。
2、74LS74（CC4013），74LS00（CC4011）。

五、练习内容及方法

1．测试基本RS触发器的逻辑功能
按图3、1连接电路，用两个与非门组成基本RS触发器，输入端 、 接逻辑开关的输出插口，输出端 、 接逻辑电平显示输入接口，按表3、1的要求测试，并记录；

表3、1 RS触发器的逻辑功能

2．测试D触发器的逻辑功能。
（1）测试 [image] ， [image] 的复位、置位功能。
在 [image] =0， [image] =1作用期间，改变D与CP的状态，观察 Q、Q 状态。
在 [image] =1， [image] =0作用期间，改变D与CP的状态，观察Q 、Q 状态。
自拟表格记录。
（2）测试D触发器的逻辑功能

表3、2 D触发器的逻辑功能

按表3、2进行测试，并观察触发器状态更新是否发生在CP脉冲的上升沿（即0 1），记录在表格中。
(3) 用D 触发器构成分频器。
按图3、4连接电路,构成2分频和4分频器。

图3、4 用74LS74双D 触发器构成分频器

在CP1端加入1KHz的连续方波，并用示波器观察CP，Q1，Q2各端的波形。再取一只74LS74组件，仿图3、4电路连成8分频和16分频器

六、实验报告
1．整理实验所测结果，总结RS触发器和D触发器的特点。
2．画出分频器实验测得的波形图。

七、思考题
在R-S触发器中，对触发器脉冲的宽度有何要求？

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第三部分 数字电路实验

实验3.4 J-K触发器

[要点提示]
一、实验目的
二、实验预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、练习内容及方法
六、实验报告
七、思考题

[内容简介]

一、 实验目的
1.掌握J-K触发器的逻辑功能。
2.掌握集成J-K触发器逻辑功能的测试方法。
3.掌握触发器之间的相互转换方法。

二、实验预习要求
1.复习J-K触发器的逻辑功能。
2.掌握D触发器和J-K触发器的真值表及其转换的基本方法。

三、实验原理
1．J-K触发器
74LS112双J-K触发器的逻辑符号和J-K触发器引脚功能分别如图3、1,图3、2所示。

图3、1为J-K触发器的逻辑符号 | 图3、2为74LS112双J-K触发器引脚功能。

本实验中采用的74LS112为下降沿触发的边沿触发器。其状态方程为：

其中J和K 为数据输入端，是触发器状态更新的依据，若J、K有两个或两个以上输入端时，组成"与"的关系。触发器的功能表如表4、1所示：

表4、1触发器的功能表

2．触发器的相互转换
在集成触发器的产品中，每一种触发器都有自己固定的逻辑功能。但可以利用转换的方法获得具有其他功能的触发器。例如将J-K触发器转换成D触发器、T触发器、Tˊ触发器。其转换电路如图4、3所示。

(a) J-K转换成D
(b) J-K转换成T
(c) J-K转换成Tˊ
图4、3 J-K触发器转换成D、T、Tˊ触发器

四、实验仪器设备

1. 数字电路实验箱；
2. 74LS112（或CC4027）， 74LS00（或CC4011），74LS74（或CC4013）。

五、练习内容及方法

测试JK触发器74LS112逻辑功能。
1. 测试 [image] 的复位、置位功能。
将J，K端接逻辑开关输出插口，CP端接单脉冲，Q 、Q 端接至逻辑电平显示插口。在 [image] =0， [image] =1或 [image] =0， [image] =1作用期间记录J、K及CP的状态，观察Q 、Q 状态并记录。
2. 测试J-K触发器的逻辑功能；
按表4、1的要求改变JK、CP的状态，观察Q、Q状态变化，观察Q端的状态更新是否发生在CP脉冲的下降沿（即CP由1 0），并记录之。
3. 将JK触发器转换成D触发器。
按图4-3的（a）图连接电路，CP接单脉冲源，Q端接逻辑电平显示插口，验证逻辑功能，并自拟表格记录。
4. 将J和K端相连，构成T触发器。
在CP端输入1Hz的连续脉冲，用实验箱逻辑电平显示Q端的变化。
在CP端输入1KHz的连续脉冲，用示波器观察CP、Q、 端波形，注意相位与时间的关系。

六、实验报告
1．整理实验数据，并填表。
2．列出触发器相互转换的表达式及实验步骤。
3．总结J-K触发器的特点。

七、思考题
用J-K触发器组成单脉冲发生器。
参考图如图所示。

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第三部分 数字电路实验

实验3.5 计数器及其应用

[要点提示]
一、实验目的
二、实验预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、练习内容及方法
六、实验报告
七、思考题

[内容简介]

一、 实验目的
1． 学习集成触发器构成计数器的方法。
2． 掌握中规模集成计数器的使用方法及功能测试方法。
3． 用集成电路计数器构成1／N分频器。

二、实验预习要求
1． 复习计数器电路工作原理。
2． 预习中规模集成电路计数器74LS192的逻辑功能及使用方法。
3． 复习实现任意进制计数的方法。

三、实验原理
计数器是典型的时序逻辑电路，它用来累计和记忆输入脉冲的个数。计数是数字系统中很重要的基本操作，集成计数器是最广泛应用的逻辑部件之一。
计数器种类较多，按构成计数器中的多触发器是否使用一个时钟脉冲源来分，有同步计数器和异步计数器；根据计数制的不同，分为二进制计数器、十进制计数器和任意进制计数器；根据计数的增减趋势，又分为加法、减法和可逆计数器。还有可预置数和可编程序功能计数器等。
1. 用D触发器构成异步二进制加/减计数器。
如图5、1所示，是用四只D触发器构成三位二进制异步加法计数器，其连接特点是将D触发器接成T?触发器，再由低位触发器的 端和高一位的CP端相连。

图5、１　　　四位二进制异步加法计数器

如果将上图中的 端与高一位的ＣＰ端相连，即可构成减法计数器。

图5、２ 74LS192逻辑符号及引脚排列

2. 中规模＋进制计数器
（1）74LS192是同步十进制可逆计数器，如图5、2所示。
CPu-加计数端 CPD-减计数端 -置数端 -非同步进位输出端 -非同步借位输出端 D0、D1、D2、D3-计数器输入端 CR-清零端Q0、Q1、Q2、Q3-数据输出端

表5、1 74LS192逻辑功能表

（2）4位二进制同步计数器

表5、2 CC40161功能表

CP-计数脉冲 D0~ D3-数据输入端 -清除端 Q0 ~ Q3-输出端
-预置端 CTP、CTT- 使能端

图5、3 CC40161引线排列图

3. 计数器级联使用及任意进制的实现
（1）任意进制的实现
图5、4所示采用复位法构成五进制计数器。
图5、5所示，采用置位法构成十进制计数器

图5、4 用复位法构成五进制计数器 | 图5、5 利用置位法构成十进制计数器

（2） 一个十进制计数器只能表示0 ~ 9，要扩大计数范围，常常用多个十进制计数器级联使用。74LS192设有进位（或借位）输出端，因此可用其进位（或借位）输出信号驱动下一级计数器。如图5、3所示。

图5、6 计数器扩展

四、实验仪器设备

1. 数字电路实验箱。
2. 74LS192（CC40192） CC40161 74LS74（CC4013） 74LS00（CC4011）。

五、练习内容及方法

1. 用74LS74（CC4013）D触发器构成三位二进制异步加法计数器。
（1）按图5、1连接， 接至逻辑开关输出插孔，将CPO端接单次脉冲源，输出端Q3、Q2、Q1、Q0接逻辑电平显示插孔， 接高电平+5V。
（2）清零后，逐个送入单次脉冲，观察并记录Q3、Q2、Q1、Q0状态。
（3）将单次脉冲改为1Hz的连续脉冲，观Q3、Q2、Q1、Q0的状态。
（4）将CPO改为1KHz，用示波器观察CP、Q3、Q2、Q1、Q0端波形。
（5）将图5、1改成减法计数器，重复上述步骤，并列表记录输出状态。
2. 74LS192（或CC40192）逻辑功能测试
将74LS192的CP接单脉冲源，清零端（ [image] ）、置数端（ [image] ）、数据输入端（D3 ~ D0）分别接逻辑开关，输出端（Q3~Q0）接逻辑电平显示插孔； [image] 和 [image] 接逻辑电平显示插孔或译码显示输入的相应插孔。按表5、1逐项测试，检查是否相符。
（1）清零（CR）
当CR=1，其它输入端状态为任意态，此时Q3Q2Q1Q0=0000。之后，置CR=0，清零结束。
（2）置数
当CR=0，CPu、CPD任意，D3D2D1D0任给一组数据， =0时，输出Q3Q2Q1Q0与D3D2D1D0数据相同，此时74LS192处于置数状态。
（3）加法计数
CR=0， [image] =1=CPD，CPu接单次脉冲源。在清零后送入10个单次脉冲，观察输出状态变化是否发生在CPu的上升沿。
（4）减计数
CR=0， [image] =CPu=1，CPD接单次脉冲源。参照（3）进行实验。
3．任意进制的实现
分别按图5、4连接电路，构成5进制计数器。
按图5、5连接电路，构成十进制计数器。
按图５、６连接电路，实现00～99加法计数，输入1Hz连续计数脉冲。并记录之。

六、实验报告
1. 画出实验线路图，记录整理实验现象及实验所得的有关波形，对实验结果进行分析。
2. 总结使用集成计数器的体会。

七、思考题
1. 将两位十进制加法计数器改为两位十进制减法计数器，实现由99~00递减计数。
2. 设计一个六十进制计数器。

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第三部分 数字电路实验

实验3.6脉冲分配器及其应用

[要点提示]
一、实验目的
二、实验预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、练习内容及方法
六、实验报告
七、思考题

[内容简介]

一、 实验目的
1. 掌握时序脉冲分配器的使用方法及其应用；
2. 学习步进电机的环形脉冲分配器的组成方法。

二、实验预习要求
1. 预习脉冲发生器和分配器等电路的原理；
2. 预习CC4017、CC4022等器件的逻辑功能及其使用方法。

三、实验原理
1.脉冲分配器可以由计数器和译码器组成。他的作用是产生多路顺序脉冲信号。输入系列脉冲，经二进制计数器和译码器之后，输出2n路顺序脉冲输出。如图6、1所示。

图6、1 脉冲分配器框图

2. CC4017和CC4022分配器
CC4017和CC4022的逻辑符号如图6、2所示；CC4017是BCD计数/分配器；CC4022是八进制计数/分配器。

图6、2 CC4017和CC4022的逻辑符号

表6、1 CC4017与 CC4022真值表

图6、3 CC4017波形图

CC4017应用非常广泛，可用于十进制计数、分频以及实现1/N计数（如果N=2 ~ 10只需一块芯片，N＞10可用多块芯片级连）。图（6、4）为60分频电路。电路连接方式为：芯片（1）的CP脉冲作为输入端， 接芯片（2）的CP端，从芯片（1）的（11）脚和芯片（2）的 第1脚（即9和5）输出到与非门，输出端同时接芯片的15脚（即R端）

图6、4 60分频电路

3. 脉冲分配电路的设计
用A、B、C分别代表步进电机的三相绕组，步进电机的正、反转可用控制端X来控制，X=1表示正转，X=0表示反转，正、反转时其脉冲分配电路状态转换如图6、5所示。

(a) 正转
(b) 反转
图6、5 正、反转时脉冲分配电路状态转换

上述状态转换为六拍通电方式的脉冲环形分配器。图6、6为实现正转的脉冲环行分配器逻辑图。

图6、6 六拍通电方式的脉冲环行分配器

置位、复位端加"0"之后，则，A=1，B=0，C=0，输入一个CP脉冲，则A=1，B=1，C=0，再输入CP脉冲则 A=0，B=1，C=0，依此下去即实现了步进电机的正转状态转换关系。

四、实验仪器设备
1． 数字逻辑实验箱 。
2． .双踪示波器。
3． CC4017 CC4013 CC4027 CC4011 74LS04 等。

五、练习内容及方法

1． CC4017逻辑功能的测试。
（1）如图6、2所示，将EN，R接逻辑电平开关输出插孔。CP可用单次脉冲源，0 ~ 9十个输出端接LED显示，按真值表要求设置逻辑开关，清零后，连续输入10个脉冲信号，，观察10个发生二极管的显示状态，并记录。
（2）CP改为1Hz左右的连续脉冲，观察，并记录结果。
2． 按图6、4连接电路，验证60分频电路的正确性
3． 按图6、6连接电路，验证脉冲环形分配器正确性。

六、实验报告
1． 画出完整的实验线路
2． 根据观察情况，分析实验结果

七、思考题
1. 参照图6、6电路，设计一个可逆运行的三相六拍环形分配器线路。
2. 用CC40161构成60分频器，参考图如下：

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第三部分 数字电路实验

实验3.7 四位双向移位寄存器

[要点提示]
一、实验目的
二、实验预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、练习内容及方法
六、实验报告
七、思考题

[内容简介]

一、 实验目的
1.移位寄存器74LS194的逻辑功能及使用方法。
2.熟悉4位移位寄存器的应用。
二、实验预习要求
1.了解74LS194的逻辑功能。
2.用4位移位寄存器构成8位移位寄存器。
3.了解移位寄存器构成环形计数器的方法。

三、实验原理
1. 移位寄存器是指寄存器中所存的代码能够在移位脉冲的作用下依次左移或右移。74 LS194是一个4位双向移位寄存器，最高时钟脉冲为36MHZ，其逻辑符号及引脚排列如图7、1所示：

图7、1 74 LS194逻辑符号及引脚排列

其中：D0～D1为并行输入端；Q0～Q3为并行输出端；SR--右移串引输入端；SL--左移串引输入端；S1、S0-操作模式控制端； -为直接无条件清零端；CP-为时钟脉冲输入端。74LS194模式控制及状态输出如表7、1所示。

表7、1

2. 用74 LS194构成8位移位寄存器
电路如图7、2所示，将芯片（1）的Q3）接至芯片（2）的SR，将芯片（2）的Q4接至芯片（1）的SL，即可构成8位的移位寄存器。

图7、2为8位的移位寄存器

3. 74 LS194构成环形计数器
把移位寄存器的输出反馈到它的串行输入端，就可以进行循环移位，如图7、3所示。设初态为Q3Q2Q1Q0=1000，则在CP作用下，模式设为右移，输出状态依次为：

图7、3环形计数器

图7、3电路是一个有四个有效状态的计数器，这种类型计数器通常称为环形计数器。同时输出端输出脉冲在时间上有先后顺序，因此也可以作为顺序脉冲发生器。

四、实验仪器设备

1、数字实验箱
2、74 LS194、74LS00

五、练习内容及方法

1. 测试74LS194（或CC40194）的逻辑功能
参图7、1接线， 、S1、S0、SL、SR、D3、D2、D1、D0分别接逻辑电平开关输入插孔；Q3Q2Q1Q0用LED电平显示，CP接单脉冲源输出插孔。按表7、1进行逐项对比测试。
（1）清零：令 [image] =0，此时Q3Q2Q1Q0=0000。之后置 =1
（2）送数：令 [image] =S1=S0=1，D3D2D1D0=0101，加CP脉冲，观察CP=0、CP由 0→1、CP由1→0，三种情况下寄存器输出状态的变化。结果应该是输出状态的变化应发生在CP的上升沿。
（3）右移：令 [image] =1，S1=0，S0=1，由右移输入端SR送入二进制码0100，由CP端加入4个脉冲，观察输出情况。
（4）左移：先清零或预置，再令 =1，S1=0，S0=0，从SL送入1010；连续输入4个CP脉冲，观察输出情况。
（5）保持：令 [image] =1，S1=S0=0，加CP脉冲，观察寄存器的输出状态是否变化。
2．8位的移位寄存器
（1） 参照图7、2连接电路， Q0 ~ Q 7用LED显示；
（2） 用并行送数法预置寄存器为某一个二进制数码（如： = S1=S0=1，送1101）；
（3） 设定S1S0移位模式（S1S0=01右移），用单脉冲源依次输入CP脉冲，观察Q0 ~ Q 7的变化情况。
3．环行计数器
（1） 参照图7-3连接电路， Q0 ~ Q 3用LED显示
（2） 参照实验内容2进行，观察输出状态的否变化情况。

六、实验报告
1.总结74LS194的逻辑功能
2.画出相应的电路图，画出环行计数器的输出波形图

七、思考题
自行设计一个模8的环行计数器。

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第三部分 数字电路实验

实验3．8 传输门的使用实验

[要点提示]
一、实验目的
二、实验预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、练习内容及方法
六、实验报告
七、思考题

[内容简介]

一、 实验目的
1． 掌握CMOS传输门（CC4016）的功能及应用。
2． 用传输门构成程控脉冲振荡电路和可编程运算放大器。

二、实验预习要求
3． 复习传输门的工作原理，熟悉（CC4016）的引线排列。
4． 复习用传输门和或非门构成多谐振荡器的工作原理。

三、实验原理
1．传输门基本原理
所谓传输门（TG）就是一种传输模拟信号的模拟开关。CMOS传输门由一个P沟道和一个N沟道增强型MOS管并联而成，如图8、1是它的代表符号。TP和TN是结构对称的器件，它们漏极和源极是可互换的。设输入模拟信号的变化范围为 -5V到+5V。为使衬底与漏源极之间的PN结任何时刻都不致正偏，故TP的衬底接+5V电压，而TN的衬底接－5V电压。两管的栅极由互补的信号电压（+5V和－５Ｖ）来控制，分别用 表示。

（а）电路
（ь）代表符号
图8、1 CMOS传输门

传输门的工作情况如下：当c端接低电平（－５Ｖ）时，ＴＮ的栅压为－５Ｖ，uI在－５Ｖ到＋５Ｖ范围内的任意值，ＴＮ均不导通。同时，ＴＰ的栅压为＋５Ｖ，uI在－５Ｖ到＋５Ｖ范围内的任意值，ＴＰ亦均不导通。可见，当c端接低平时，开关是断开的。
为使开关接通，可将c端接高电平（＋５Ｖ）。此时ＴＮ的栅压为＋５Ｖ，uI在－５Ｖ到＋３Ｖ的范围内，ＴＮ导通。同时，ＴＰ的栅压为－５Ｖ，uI在－３Ｖ到＋５Ｖ的范围内ＴＰ将导通。
由上分析可知，当uI＜－３Ｖ时，仅有ＴＮ导通，而当uI＞＋３Ｖ时，仅有ＴＰ导通。当uI在－３Ｖ到＋３Ｖ的范围内，ＴＮ和ＴＰ两管均导通。进一步分析还可看到，一管导通的程度愈深，另一管的导通程度则相应地减小。换句话说，当一管导通电阻减少，则另一管的导通电阻就增加。由于两管系并联运行，可近似认为开关的导能电阻近似为一常数。这是ＣＭＯＳ传输门的优点。图8、2为CC4016的逻辑图和外引线排列图。

（a） 逻辑图 | (b) 外引线排列图
图8、2四联双向开关CC4016

２．传输门的应用
（１）门控振荡器
  如图８、3所示，当c为"１"时，ＴＧ导通电路振荡，ＶＯ输出矩形波；当c为"Ｏ"时，ＴＧ截止，电路停止振荡。
（２）程控脉冲振荡器
如果要获得不同频率矩形波可采用如图８、4所示的电路，只要对Ａ、Ｂ、Ｃ加入不同的电平控制，即可获得不同频率的矩形波。

图８、3 门控振荡器 | 图８、4程控脉冲振荡器

（３）程控运算放大器
传输门可以传输数字信号，也可以传输模拟信号，在运算放大器的反馈部分采用程控方式，可以改变放大器的电压放大倍数。如图８、5程控放大器

图８、5程控放大器

四、实验仪器设备
1. 数字电路实验箱
2. CC4016，CC4001，uA741，电阻、电容。
3. 双踪示波器
4. 直流电源

五、练习内容及方法

1．CC4016功能测试
CC4016为四联反向开关，分两种情况测试：
ＶDD=+5V， ＶSS=－5V ， 输入ＶＩ＝４Ｖ f＝１KHz;
ＶDD＝＋５Ｖ，ＶSS＝0Ｖ，输入ＶＩ＝４Ｖ，f＝１KHz 。
分别观察CC4016的双向开关功能；并绘出波形图。
2．程控振荡器
参照图8、4连接电路，改变A、B、C的电平，用示波器观察Ｖ0的输出波形并列表记录。
３．程控放大器，参照图8、5连接电路，ＶDD＝＋５Ｖ，ＶSS＝－５Ｖ，输入ＶI＝１Ｖ，f＝１KH正弦波，改变Ｄ1 、Ｄ２、Ｄ３ 用示波器观察，并列表记录。

六、实验报告
１． 根据上述这三个实验内容列写实验步骤。
２． 自拟表格记录数据，并分析得出结果。

七、思考题
１． 阐述传输门有哪些优点。
２． ＣＭＯＳ芯片的输入端是否可以悬空，为什么？

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第三部分 数字电路实验

实验3.9 555集成定时器及其应用

[要点提示]
一、实验目的
二、实验预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、练习内容及方法
六、实验报告
七、思考题

[内容简介]

一、 实验目的
１． 熟悉555型集成定时器的组成及工作原理。
２． 掌握555定时器电路的基本应用。

二、实验预习要求
1．复习555集成定时器的工作原理
2．复习单稳触发器，多谐振荡器和施密特触发器的工作原理。

三、实验原理
1．555定时器的工作原理。
555定时器是一种数字与模拟混合型的中规模集成电路，应用广泛。外加电阻、电容等元件可以构成多谐振荡器，单稳电路，施密特触发器等。
555定时器原理图及引线排列如图9、1所示。其功能见表9、1。定时器内部由比较器、分压电路、RS触发器及放电三极管等组成。分压电路由三个5K的电阻构成，分别给A1和A2提供参考电平2/3VCC和1/3VCC。A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自6脚输入大于2/3VCC时，触发器复位，3脚输出为低电平，放电管T导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3VCC时，触发器置位，3脚输出高电平，放电管截止。
4脚是复位端，当4脚接入低电平时，则V0=0；正常工作时4接为高电平。
5脚为控制端，平时输入2/3Vcc作为比较器的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制。如果不在5脚外加电压通常接0.01μF电容到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，确保参考电平的稳定。

图9、1 555定时器内部框图 | 图9、2 555定时器引脚排列

表9、1 555定时器的功能表

2．典型应用
（1）构成单稳态触发器
电路如图9、2所示，接通电源→电容C充电（至2/3Vcc）→RS触发器置0→V0=0，T导通，C放电，此时电路处于稳定状态。当2加入VI<1/3Vcc时，RS触发器置1，输出V0=1，使T 截止。电容C开始充电，按指数规律上升，当电容C充电到2/3Vcc时，A1翻转，使输出V0=0。此时T又重新导通，C很快放电，暂稳态结束，恢复稳态，为下一个触发脉冲的到来作好准备。其中输出V0脉冲的持续时间tw=1.1RC,一般取R=1kΩ--10MΩ，C>1000PF,只要满足VI的重复周期大于tp0 ,电路即可工作，实现较精确的定时。

图9、3 单稳态触发器 | 图9、4 多谐振荡器

(2) 多谐振荡器
电路如图9、4所示，电路无稳态，仅存在两个暂稳态，亦不需外加触发信号，即可产生振荡（振荡过程自行分析）。电容 C在1/3Vcc--2/3Vcc之间充电和放电，输出信号的振荡参数为：
周期 T=0.7 C(R1+2R2)
频率 f=1/T=1.44/(R1+2R2)C,
占空比 D=( R1+R2 )/( R1+2R2)。
555电路要求R1与R2 均应大于或等于1kΩ ，使R1+R2 应小于或等于3.3MΩ。
(3)密特触发器
电路如图9、4所示。Vs为正弦波，经D半波整流到555定时器的2脚和6脚，当Vi上升到2/3Vcc时，V0从1→0;Vi下降到1/3Vcc时，V0又从0→1 。电路的电压传输特性如图9、5所示。
回差电压：ΔV=1/3Vcc.

图9、5 施密特触发器 | 图9、6 电压传输特性

四、实验仪器设备

１． 数字电路实验箱。
２． 555定时器，电阻，电容，二极管。
３． 信号发生器。
４． 双踪示波器。

五、练习内容及方法

１． 单稳态触发器
（1）按图9、3连接电路，取R=100k,C=470μF,输出接LED指示器，Vi用数字实验箱上的单次脉冲源，用示波器观察Vi,Vc,V0波形。并测定幅度与暂稳时间（可用手表计时）。
（2）取R=1K, C=0.1uF，输入f=1KHz连续脉冲，用示波器观察Vi,Vc,Vo，测定幅度及延时时间。
2．多谐振荡器
按图9、4连接电路，用双踪示波器观察VC和VO波形，测定频率。
3．施密特触发器
按图9、5接线，VS输入正弦波1KHZ，逐渐加大VS的幅度，观测输出波形，测绘电压传输特性，并算出回差电压△V。

六、实验报告
1．根据实验内容，记录数据，画出波形。
2．分析、总结实验结果。

七、思考题
1．用两片555定时器构成变音信号发生器。
2．根据图9、4电路，作适当变动之后成为一个占空比可调的多谐振荡器。
3．利用555定时器组成的施密特触发器实现三角波变成方波。

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第三部分 数字电路实验

实验3.10 D/A、A/D转换器

[要点提示]
一、实验目的
二、实验预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、实验内容及方法
六、实验报告
七、思考题

[内容简介]

一、 实验目的
1．了解A/D和D/A转换器的基本工作原理和基本结构。
2．掌握DAC0832和ADC0809的功能及基典型应用。

二、实验预习要求
1．了解DAC0832、ADC0809的功能及引脚排列。
2．复习A/D和D/A转换的原理。

三、实验原理
数一模转换器（D/A转换器，简称DAC）是用来将数字量转换成模拟量；模数转换器（A/D转换器、简称ＡDC）是将模拟量转换成数字量。目前A/D、D/A转换器较多，本实验选用大规律集成电路，DAC0832和ADC0809来分别实现D/A转换和A/D转换。
1．DAC0832简介
DAC0832是一个8位的D/A转换器，共内部框图如图10、1所示，由8位输入寄存器，8位DAC寄存器，8位D/A转换器及逻辑控制单元等功能电路构成。

图10、1 DAC0832内部电路图及引脚排列

DO~D7：数字信号输入端
ILE：输入寄存器允许，高电平有效
CS：片选信号，低电平有效
WR1：写信号1，低电平有效
：传送控制信号，低电平有效
WR"：写信号2，低电平有效
ＩOUT1，ＩOUT2：DAC电流输出端
RFB：反馈电阻，是集成在片内的外接运放的反馈电阻
VREF基准电压（－10~+10）V
Vcc：电源电压（+5~+15）V
AGND是模拟地，DGND是数字地，两者可接在一起使用；
DAC0832输出 的是电流，要转换成电压，还必须外接运算放大器。D/A转换实验电路如图10、2所示。

图10、2 DAC0832实验电路

2．ADC0809
ADC0809是采用CMOS工艺制成的8位8通道逐次渐近型A/D转换器。其引脚排列如图10、3所示。

图10、3 ADC0809引脚排列

INO~IN7：8路模拟信号输入端
A2、A1、A0：地址输入端
ALE：地址锁存允许输入信号。
START：启动信号输入端
EOC：转换结束标志，高电平有效
OE：输入允许信号，高电平有效
Clock(cp)：时钟，外接时钟频率一般为640KHz
VCC：+5V单电源供电
VREF（+）、VREF （－）：基准电压，通常ＶREF（+）接15V、VREF（－）接0V。
D0~D7：数字信号输出端
地址线AO、A1、A2，分别对应２3条输入线即对应IN0~IN7

四、实验仪器设备

1． 数字电路实验箱
2 ． 双踪示波器、数字电压表
3． DAC0832、ADC0809、uA741 电阻、电容、电位器等。

五、实验内容及方法

1．按图10、2连接电路；D0 ~ D7接数字实验箱上的电平开关的输出端。输出端V0接数字电压表。
（1）合D0 ~ D7均为零。对uA 741调零，调节调零电位器，使V0=0V0
（2）在D0 ~ D7输入端依次输入数字信号，用数字电压表测量输出电压V0，并列表记录。
2．按图10、3连接电路D7 ~ D0接LED，CP由信号源提供1KHz的脉冲信号。A0、A1、A2接逻辑开关。
（1）取R=1KΩ用数字万用表测IN0 ~ IN7端的电压值，是否为（4.5V、4V…1V）。
（2）依次设定A2、A1、A0，记录D1 ~ D7，并填于表10、1中

图10、3 ADC0809实验图

表10、1

模拟通道 | 输入模拟量 | 地址 | 输出数字量
IN | Ui(V) | A2A1A0 | D7 | D6 | D5 | D4 | D3 | D2 | D1 | D0
IN0 | 4.5 | 000 |  |  |  |  |  |  |  |
IN1 | 4.0 | 001 |  |  |  |  |  |  |  |
IN2 | 3.5 | 010 |  |  |  |  |  |  |  |
IN3 | 3.0 | 011 |  |  |  |  |  |  |  |
IN4 | 2.5 | 100 |  |  |  |  |  |  |  |
IN5 | 2.0 | 101 |  |  |  |  |  |  |  |
IN6 | 1.5 | 110 |  |  |  |  |  |  |  |
IN7 | 1.0 | 111 |  |  |  |  |  |  |  |

六、实验报告
记录D/A转换器和A/D转换器实验中测试的数据，并与理论值比较，分析实验结果。

七、思考题
1.用CC40161和DAC0832构成阶梯波发生器，
2.DAC的分辨率与哪些参数有关？
3.为什么D/A转换器的输出端都要接运算放大器？

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第三部分 数字电路实验

实验3、11.数字抢答器设计

[要点提示]
一、设计任务与要求
二、预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、实验内容及方法
六、实验报告
七、思考题

[内容简介]

一、 设计任务与要求
1. 抢答器同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0 ~ S7表示。
2. 设置一个系统清除和抢答控制开关S，该开关由主持人控制。
3. 抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮，锁存相应的编号，并在LED数码管上显示，同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。
4. 抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。当主持人启动"开始"键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间0.5秒左右。
5. 参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。
6. 如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。

二、预习要求
1．复习编码器、十进制加/减计数器的工作原理。
2．设计可预置时间的定时电路。
3．分析与设计时序控制电路。
4. 画出定时抢答器的整机逻辑电路图

三、设计原理与参考电路
1．数字抢答器总体方框图
如图11、1所示为总体方框图。其工作原理为：接通电源后，主持人将开关拨到"清除"状态，抢答器处于禁止状态，编号显示器灭灯，定时器显示设定时间；主持人将开关置?quot;开始"状态，宣布"开始"抢答器工作。定时器倒计时，扬声器给出声响提示。选手在定时时间内抢答时，抢答器完成：优先判断、编号锁存、编号显示、扬声器提示。当一轮抢答之后，定时器停止、禁止二次抢答、定时器显示剩余时间。如果再次抢答必须由主持人再次操作"清除"和"开始"状态开关。

图11、1数字抢答器框图

2．单元电路设计
(1) 抢答器电路
参考电路如图11、２所示。该电路完成两个功能：一是分辨出选手按键的先后，并锁存优先抢答者的编号，同时译码显示电路显示编号；二是禁止其他选手按键操作无效。工作过程：开关S置于"清除"端时，RS触发器的 端均为０，４个触发器输出置０，使74LS148的 ＝０，使之处于工作状态。当开关S置于"开始"时，抢答器处于等待工作状态，当有选手将键按下时（如按下S5），74LS148的输出 经RS锁存后，1Q=1, =1,74LS48处于工作状态，４Q３Q２Q=101,经译码显示为"５"。此外，1Ｑ＝１，使74LS148 ＝１，处于禁止状态，封锁其他按键的输入。当按键松开即按下时，74LS148的 此时由于仍为１Ｑ＝１，使 ＝１，所以74LS148仍处于禁止状态，确保不会出二次按键时输入信号，保证了抢答者的优先性。如有再次抢答需由主持人将Ｓ开关重新置?quot;清除"然后再进行下一轮抢答。74LS148为８线－３线优先编码器，表11、1为其功能表。

图11、２ 数字抢答器电路

表１０、１　74LS148的功能真值表

(2)定时电路

图11、3 可预置时间的定时电路

  由节目主持人根据抢答题的难易程度，设定一次抢答的时间，通过预置时间电路对计数器进行预置，计数器的时钟脉冲由秒脉冲电路提供。可预置时间的电路选用十进制同步加减计数器74LS192进行设计，具体电路如图11、3所示。
（3）报警电路
由555定时器和三极管构成的报警电路如图11、4所示。其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo＝1．43／［（RI＋2R2）C］，其输出信号经三极管推动扬声器。PR为控制信号，当PR为高电平时，多谐振荡器工作，反之，电路停振。

图11、4 报警电路

（4）时序控制电路
时序控制电路是抢答器设计的关键，它要完成以下三项功能：
①主持人将控制开关拨到"开始"位置时，扬声器发声，抢答电路和定时电路进人正常抢答工作状态。
②当参赛选手按动抢答键时，扬声器发声，抢答电路和定时电路停止工作。
③当设定的抢答时间到，无人抢答时，扬声器发声，同时抢答电路和定时电路停止工作。

图 11、5 时序控制电路

根据上面的功能要求以及图 11、2，设计的时序控制电路如图 11、5所示。图中，门G1 的作用是控制时钟信号CP的放行与禁止，门G2的作用是控制74LS148的输人使能端 。图11、4的工作原理是：主持人控制开关从"清除"位置拨到"开始"位置时，来自于图11、2中的74LS279的输出 1Q=0，经G3反相， A＝1，则时钟信号CP能够加到74LS192的CPD时钟输入端，定时电路进行递减计时。同时，在定时时间未到时，则"定时到信号"为 1，门G2的输出 =0，使 74LS148处于正常工作状态，从而实现功能①的要求。当选手在定时时间内按动抢答键时，1Q＝1，经 G3反相， A＝0，封锁 CP信号，定时器处于保持工作状态；同时，门G2的输出 =1，74LS148处于禁止工作状态，从而实现功能②的要求。当定时时间到时，则"定时到信号"为0， =1，74LS148处于禁止工作状态，禁止选手进行抢答。同时， 门G1处于关门状态，封锁 CP信号，使定时电路保持00状态不变，从而实现功能③的要求。集成单稳触发器74LS121用于控制报警电路及发声的时间，其工作原理请读者自行分析。

四、实验仪器设备

1. 数字实验箱。
2. 集成电路74LS148 1片，74LS279 1片，74LS48 3片，74LS192 2片，NE555 2片，74LS00 1片，74LS121 1片。
3. 电阻 510Ω 2只，1KΩ 9只，4.7kΩ l只，5.1kΩ l只，100kΩ l只，10kΩ 1只， 15kΩ 1只， 68kΩ l只。
4. 电容 0.1uF 1只，10uf 2只，100uf 1只。
5. 三极管 3DG12 1只。
6. 其它：发光二极管2只，共阴极显示器3只。

五、实验内容及方法

1．组装调试抢答器电路。
2．设计可预置时间的定时电路，并进行组装和调试。当输人1Hz的时钟脉冲信号时，要求电路能进行减计时，当减计时到零时，能输出低电平有效的定时时间到信号。
3．组装调试报警电路。
4．完成定时抢答器的联调，注意各部分电路之间的时序配合关系。然后检查电路各部分的功能，使其满足设计要求。

六、实验报告
1．画出定时抢答器的整机逻辑电路图，并说明其工作原理和工作过程。 2．说明实验中产生的故障现象及其解决办法。
3．回答思考题。
4.心得体会与建议。

七、思考题
1．在数字抢答器中，如何将序号为0的组号，在七段显示器上改为显示8？
2．在图 11、2中，74LS148的输人使能信号 为何要用1Q进行控制？如果改为主持人控制开关信号S和 相与去控制 ，会出现什么问题？
3．定时抢答器的扩展功能还有哪些？举例说明，并设计电路。

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第三部分 数字电路实验

实验3、12 交通灯控制电路

[要点提示]
一、实验目的
二、实验预习要求
三、实验原理
四、实验仪器设备
五、练习内容及方法
六、实验报告
七、思考题

[内容简介]

一、设计任务与要求

1．设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为25秒；
2．要求黄灯先亮5秒，才能变换运行车道；
3．黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次 。

二、实验预习要求
1．复习数字系统设计基础。
2．复习多路数据选择器、二进制同步计数器的工作原理。
3．根据交通灯控制系统框图，画出完整的电路图。

三、设计原理与参考电路

1．分析系统的逻辑功能，画出其框图
交通灯控制系统的原理框图如图12、1所示。它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。图中：
TL: 表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，TL=1，否则，TL=0。
TY：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，TY=1，否则，TY=0。
ST：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。由它控制定时器开始下个工作状态的定时。

图12、1 交通灯控制系统的原理框图 | 2．画出交通灯控制器的ASM（Algorithmic State Machine，算法状态机）

（1）图甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔TL时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。
（2）甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，乙车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。
（3）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。
（4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上位过县停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第（1）种工作状态。
交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如表12、1所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：
表12、1 控制器工作状态及功能
控制状态 信号灯状态 车道运行状态
S0（00） 甲绿，乙红 甲车道通行，乙车道禁止通行
S1（01） 甲黄，乙红 甲车道缓行，乙车道禁止通行
S3（11） 甲红，乙绿 甲车道禁止通行，甲车道通行
S2（10） 甲红，乙黄 甲车道禁止通行，甲车道缓行
AG=1：甲车道绿灯亮；
BG=1：乙车道绿灯亮；
AY=1：甲车道黄灯亮；
BY=1：乙车道黄灯亮；
AR=1：甲车道红灯亮；
BY=1：乙车道红灯亮；
由此得到交通灯的ASM图，如 图12、2所示。设控制器的初始状态为S0（用状态框表示S0），当S0的持续时间小于25秒时，TL=0（用判断框表示TL），控制器保持S0不变。只有当S0的持续时间等于25秒时，TL=1，控制器发出状态转换信号ST（用条件输出框表示ST），并转换到下一个工作状态。依此类推可以弄懂ASM图所表达的含义。
3．单元电路的设计
（1）定时器
定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态信号ST作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。
计数器选用集成电路74LS163进行设计较简便。74LS163是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。74LS163的外引线排列图和时序波形图如图12、3所示，其功能表如表12、2所示。图中， 是低电平有效的同步清零输入端， 是低电平有效才同步并行置数控制端，CTp、CTT是计 图12、2 交通灯的ASM图数控制端，CO是进位输出端，D0～D3是并行数据输入端，Q0～Q 3是数据输出端。由两片74LS163级联组成的定时器电路如图12、4所示。电路的工作原理请自行分析。

（a）
图12、3 74LS163的外引线排列图和时序波形图

（2）控制器
控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。从ASM图可以列出控制器的状态转换表，如表12、3所示。选用两个D触发器FF1、FFO做为时序寄存器产生 4种状态，控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器处于Q1n+1Q0n+1＝ 00状态时，如果TL＝ 0，则控制器保持在00状态；如果，则控制器转换到Q1n+1Q0n+1＝ 01状态。这两种情况与条件TY无关，所以用无关项"X"表示。其余情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信号ST。

图12、4 定时器电路图

表12、2 74LS163功能表
|

表12、3 控制器状态转换表

根据表12、3、可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将Q1n+1、Q0n+1和 ST为1的项所对应的输人或状态转换条件变量相与，其中"1"用原变量表示，"0"用反变量表示，然后将各与项相或，即可得到下面的方程：

根据以上方程，选用数据选择器 74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值（ ）加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号．即可实现控制器的功能。控制器的逻辑图如图12、5所示。图中R、C构成上电复位电路 。

图 12、5控制器逻辑图

（3）译码器
译码器的主要任务是将控制器的输出 Q1、 Q0的4种工作状态，翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表 12、4所示。实现上述关系的译码电路请读者自行设计。

四、实验仪器设备
1． 数字电路实验箱
2． 集成电路74LS74 1片，74LS10 1片，74LS00 2片，74LS153 2片，74LS163 2片，NE555 1片
3． 电阻 51KΩ 1只，200Ω 6只
4． 电容 10Uf 1只
5． 其它 发光二极管 6只

五、实验内容及方法

表12、4控制器状态编码与信号灯关系表

状态 | AG AY AR | BG BY BR
00 | 1 0 0 | 0 0 1
01 | 0 1 0 | 0 0 1
10 | 0 0 1 | 1 0 0
11 | 0 0 1 | 0 1 0

1．设计、组装译码器电路，其输出接甲、乙车道上的6只信号灯（实验时用发光二极管代替），验证电路的逻辑功能。
2．设计、组装秒脉冲产生电路。
3．组装、调试定时电路。当 CP信号为 1Hz正方波时，画出CP、 Q0、 Q1、 Q2、Q3、Q4、TL．、TY的波形，并注意它们之间一的时序关系。
4．组装、调试控制器电路。
5．完成交通灯控制电路的联调，并测试其功能。

六、实验报告
1．画出实验电路原理图，并标明各元件的参数值。
2．绘出实验中的时序波形，整理实验数据，并加以说明。
3．写出实验过程中出现的故障现象及其解决办法。
4．回答思考题。
5．心得体会与建议。

七、思考题
能否用具有异步清零功能的计数器74LS161来代替图12、4所示电路中的74LS163？说明理由。

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第四部分 电 子 电 路 仿 真 实 验

4.1 Electronics Workbench简介

电子设计自动化（Electronic Design Automation，简称EDA）技术是近代电子信息领域发展起来的杰出成果。EDA包括电子工程设计的全过程，如系统结构模拟、电路特性分析、绘制电路图和制作PCB（印刷电路板），其中结构模拟、电路特性分析称之为EDA仿真。目前著名的仿真软件SPICE（Simulation Program With Integrated Circuit Emphasis）是由美国加州大学伯克利分校于1972年首先推出的，经过多年的完善，已发展成为国际公认的最成熟的电路仿真软件，当今流行的各种EDA软件，如PSPICE、or/CAD、Electronics Workbench等都是基于SPICE开发的。

Electronics Workbench(简称EWB)是加拿大Interactive Image Technologies Led公司于1988年推出的，它以SPICE3F5为模拟软件的核心，并增强了数字及混合信号模拟方面的功能，是一个用于电子电路仿真的“虚拟电子工作台”，是目前高校在电子技术教学中应用最广泛的一种电路仿真软件。
EWB软件界面形象直观，操作方便，采用图形方式创建电路和提供交互式仿真过程。创建电路需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕中选取，且元器件和仪器的图形与实物外型非常相似，因此极易学习和操作。

EWB软件提供电路设计和性能仿真所需的数千种元器件和各种元器件的理想参数，同时用户还可以根据需要新建或扩充元器件库。它提供直流、交流、暂态的13种分析功能。另外，它可以对被仿真电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电，以观察不同故障情况下电路的状态。EWB软件输出方式灵活，在仿真的同时它可以储存测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，显示波形和具体数据等。由于它所具有的这些特点，非常适合做电子技术的仿真实验。

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第四部分 电 子 电 路 仿 真 实 验

4.2 EWB的基本界面

[要点提示]

1、EWB的主窗口
2、菜单栏
3、工具栏

[内容简介]

4.2.1 EWB的主窗口
启动EWB5.0可以看到如图4.2.1所示的主窗口，它由菜单栏、工具栏、元器件库区、电路设计区、电路描述窗口、状态栏和暂停按钮、启动/停止开关组成。从图中可以看到，EWB模仿了一个实际的电子工作台，其中最大的区域是电路设计区，在这里可进行电路的创建、测试和分析。在电路描述窗口中，可键入文本以描述电路。“O/I”和“Pause”用于控制电路仿真与否。状态栏显示鼠标所指处元件或仪表的名称，在仿真时，显示仿真中的现状以及分析所需的时间，此时间不是实际的CPU运行时间。

图4.2.1 Electronics Workbench主窗口

4.2.2菜单栏
一、File菜单
文件菜单如图4.2.2,它主要用于管理Workbench所创建的电路和文件。
New 刷新工作区，准备创建新电路文件。
Open… 打开已有的电路文件。
Save 以现有的文件名保存电路文件 。
Save As… 换名保存电路文件。
Revert to Saved… 恢复电路为最后一次保存时的状态。
Import… 输入其它软件形成的Spice网表文件（文件扩展名为.NET或.CIR）并生成原理图。
Export… 将当前电路文件以Spice网表文件（扩展名.NET、.SCR、.BMP、.CIR、.PIC）输出，供其它软件调用。
Print… 打印原理图，元器件列表，仪器测试结果等。
Print Setup… 打印机设置。
Program Options… Workbench选项设置。
Exit 退出 Workbench。
Install… 安装Workbench的附加组件。

图4.2.2 文件菜单

二、Edit菜单
编辑菜单如图4.2.3，它主要用于电路绘制过程中，对电路元件的各种处理，其中Cut、Copy、Paste、Delete、 Select All功能与Windows的基本功能相同，不再详述。
Copy as Bitmap 将选中的内容以位图形式复制到剪贴板。
Show Clipboard 显示剪贴板的内容 。

图4.2.3 编辑菜单 图4.2.4 电路菜单

三、Circuit菜单
电路菜单如图4.2.4，它主要用于电路图的创建和仿真。
Rotate 将选定的元器件顺时针旋转90度。
Flip Horizontal 将选定的元器件水平翻转。
Flip Vertical 将选定的元器件垂直翻转。
Component Properties… 显示选定元件的属性窗口，以便于修改元件参数。
Create Subcircuit… 创建子电路。
Zoom In 将工作区内的电路放大显示。
Zoom Out 将工作区内的电路缩小显示。
Schematic Options 设置电路图选项。在选择设置对话框中，选择栅格、标号等是否显示。
Restrictions… 有关电路和分析的一些限制。

四、Analysis菜单
分析菜单如图4.2.5，它主要用于对电路的分析方式和过程进行控制。
Activate 激活，开始仿真。
Pause 暂停仿真。
Stop 停止仿真。
Analysis Options… 有关电路分析的选项，一般选用默认值。
DC Operating Point 直流工作点。分析显示直流工作点结果。
AC Frequency 交流频率分析。分析电路的频率特性。
Transient 瞬态分析，即时域分析。
Fourier 傅立叶分析。分析时域信号的直流、基波、谐波分量。
Noise 噪声分析。分析电阻或晶体管的噪声对电路的影响。
Distortion 失真分析。分析电子电路中的谐波失真和内部调制失真。
Parameter Sweep 参数扫描分析。分析某元件的参数变化对电路的影响。
Temperature Sweep 温度扫描分析。分析不同温度条件下的电路特性。
Pole-Zero 极零点分析。分析电路中的极点、零点数目及数值。
Transfer Function 传递函数。分析源和输出变量之间的直流小信号传递函数。
Sensitivity 灵敏度分析。分析节点电压和支路电流对电路元件参数的灵敏度。
Worst Case 最坏情况分析。分析电路特性变坏的最坏可能性。
Monte Carlo 蒙特卡罗分析。分析电路中元件参数在误差范围变化时对电路特性的影响。
Display Graphs 显示各种分析结果。

图4.2.5 分析菜单

五、Window菜单窗口
菜单如图4.2.6，它主要用于屏幕上显示窗口的安排。
Arrange 重排窗口内容。
Circuit 显示电路窗口内容。
Description 显示描述窗口内容。

图4.2.6 窗口菜单 图4.2.7 帮助菜单

六、Help菜单
帮助菜单如图4.2.7。
Help 在线帮助。
Help Index 帮助目录。
Release Notes 注解目录。
About Electronics Workbench 版本说明。

4.2.3工具栏
为方便使用，EWB将一些常用的命令以图标按钮的形式组成常用工具栏，使用者直接单击按钮就可以实现相应的操作。EWB的工具栏各按钮的名称和功能如图4.2.8。

图4.2.8 工具栏常用按钮

4.2.4元器件库
EWB的元器件库提供了非常丰富的元器件和各种常用测试仪器，设计电路时，只要单击所需元器件库的图标即可打开该库。元器件库如图4.2.9，各库的子库如图4.2.10至图4.2.22。

图4.2.9 元器件库

图4.2.10 信号源子库

图4.2.11 基本器件子库

图4.2.12 二级管子库 图4.2.13 三级管子库

图4.2.14 模拟集成电路子库 图4.2.15 混合集成电路子库 图4.2.16 数字集成电路子库

图4.2.17 逻辑门电路子库 图6.2.18 数字器件子库

图4.2.19 指示器件子库

图4.2.20 控制器件子库

图4.2.21 其它器件子库 图4.2.22 仪器子库

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第四部分 电 子 电 路 仿 真 实 验

4.3 EWB的基本操作

[要点提示]

1、电路的创建
2、虚拟仪器的使用

[内容简介]

4.3.1电路的创建
一、元器件的操作
调用：单击元器件所在的库图标，打开该元器件库，从下拉的子库中选中所需元器件拖拽到电路设计区的合适位置。在数字集成电路库、逻辑门电路库和数字功能电路库中，有些集成电路和器件它们的图形被拖拽到电路设计区后将出现一对话框，需进行模型选择。当单击接受按钮后，该模型出现在设计区内。
选中：单击某元器件，即可选中该器件。按住“Ctrl”键反复单击要选中的元器件，可选中一组元器件。在设计区的某位置拖拽出一矩形框，可选中矩形区域里的所有元器件。选中的元器件变为红色以示区别。
移动：拖拽元器件可移动该元器件。选中一组元器件，拖拽其中任意一个元器件，可移动一组元器件，元器件移动后连线会自动排列。
旋转、翻转、复制和删除：选中元器件，单击工具栏的相应按钮或选择相应的菜单命令，实现元器件的旋转 、翻转、复制和删除。此外，直接将元器件拖拽到元器件库也可实现删除操作。

二、元器件参数设置
选中元器件后，单击工具栏的元器件属性按钮或选择菜单Circuit/Component Properties命令，或双击该元器件会弹出属性设置对话框，在此对话框中有多项设置，包括Label（标识）、 Models（模型）、 Value（数值）、 Fault（故障设置）、 Display （显示）、Analysis Setup （分析设置）等内容。这些选项的含义和设置方法如下：
Label 选项用于设置元器件的Label（标识）和Reference ID（编号），编号通常由系统自动分配，用户也可以修改，但必须保证其唯一性。
Value选项用于简单元器件的参数设置，Label 和Value设置对话框如图4.3.1。

图4.3.1 Label 和Value设置对话框

Models选项用于较复杂元器件的模型选择，对话框如图4.3.2。模型的Default (缺省设置)通常为Ideal（理想），这有利于加快分析速度，多数情况下能满足分析要求。如对分析精度有特殊要求，可以选择具有具体型号的器件模型。
Fault选项可供人为设置元器件的隐含故障。它提供了Open（开路），即在选定元器件的两个端子之间接上一个大阻值电阻使其开路。 Short（短路），即在选定元器件的两个端子之间接上一个小阻值电阻使其短路。Leakage（泄漏），即在选定元器件的两个端子之间接上一个电阻使电流被旁路。通过故障的设置，为电路的故障分析提供了方便。

图4.3.2 Models设置对话框

图4.3..3 Fault和Display 设置对话框

Display 选项用于设置Label Values (Models) Reference ID 的显示方法。 Fault和Display 设置对话框如图4.3.3。
Analysis Setup用于设置电路的工作温度等有关参数。

三、可控元器件参数设置
1．数值可调元件设置
属于这部分的元件有电位器、可变电容、可调电感。以电位器为例说明。
选中并双击电位器元件，打开参数设置对话框，如图4.3.4。Value 项里有四个选项： Resistance 选项设定电阻值；Setting 选项设定起始电阻值，其物理意义是电位器接入电路后由阻值的Setting 选项设定值开始变化；Increment 选项设定阻值变化一次的幅度；Key选项设定控制键的符号键。如某电位器如图4.3.4设置，当电路进行仿真时，电位器由阻值的50%开始变化，实验者每按动一次键盘上的“R”键，阻值减少5%，同时按“Shift+R”键，阻值增加5%。对话框中的默认值均可改变。

图4.3.4 电位器参数设置对话框

2.可控元件的设置
属于这部分的元件有继电器、开关、延时开关、电压控制开关、电流控制开关、压控模拟开关。现以开关为例说明。选中并双击开关元件，打开参数设置对话框如图4.3.5，在Value 项里键入控制健的符号键。如某开关如图4.3.5设置，在电路仿真时，当我们按动一次“W”键，开关中的刀就动作一次，从而完成电路的切换。

图4.3.5 开关参数设置对话框

四、电路图选项的设置
选择Circuit/Schematic Options菜单命令可弹出如图4.3.6的电路图选项设置对话框。Grid（栅格）选项可设置栅格的使用与否，如选中使用，则电路图中的元
器件与导线均落在栅格线上，可保持电路图横平坚直，美观整齐。Show/Hide（显示/隐藏）选项可设置标号、数值、元器件库的显示方式。该设置对整个电路图的显示方式有效。Fonts选项可设置 Label 、Value 和Models的字体和字号。

图4.3.6 电路图选项设置对话框

五、导线的操作
导线的连接：将鼠标指向元器件 的端点使其变成一个小圆点，然后拖 拽出一根导线至另一元器件或连接点的端点，出现另一个圆点后释放鼠标左键，完成导线的连接。
连线的删除和改动：将连线的一端拖离元器件的端点即可删除连线。如将其拖拽至另一个连接点，即可完成连线的改动。
连线的移动：将光标贴近该导线，按下鼠标左键，这时光标变为一双箭头，拖拽即可移动该导线。
导线颜色设置：双击导线弹出Wire Properties 对话框，选择Schematic Options 选项，单击“Set Wire Color”按钮，即可选择合适的颜色。
在连线中插入元器件：直接将元器件拖拽至导线上，该元器件即可插入电路。
连接点的使用： 一个连接点最多可以连接来自4个方向的导线，可以直接将连接点插入连线中，还可以给连接点赋予标识。

4.3.2虚拟仪器的使用
EWB5.0仪器库为使用者提供了数字万用表、函数信号发生器、示波器、波特图仪4种模拟仪器和字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪3种数字仪器。它们均只有一台。使用时，单击仪器库图标，拖拽所需仪器图标至电路设计区，按要求接至电路测试点，然后双击该仪器图标就可打开仪器的面板，进行设置和测试。模拟仪器（除波特图仪）在接入电路并仿真开始之后，若改变电路的测试点，则显示的数据和波形也会相应变化，而不用重新启动电路。而波特图仪和数字仪器则应重新启动电路。
下面分别介绍每种仪器的使用。

一、数字万用表
这是一种能自动调整量程的数字万用表，图标和面板如图4.3.7。在面板中根据测试要求，可设置为直流电压、电流档，交流电压、电流档，电阻档和分贝档。单击Settings（参数设置）可设置电流档内阻、电压档内阻、电阻档的电流值和分贝档的标准电压等内部参数。使用时要注意在测电阻时，必须使电子工作台“O/I”开关处于“启动”状态。在测量交流电压和电流时面板显示的值为有效值。

图4.3.7 数字万用表图标和面板

二、函数信号发生器
函数信号发生器是用来产生正弦波、方波、三角波信号的仪器，其图标和面板如图4.3.8。它能够产生0.1Hz—999MHz的3种信号。信号幅度（信号峰值）可以在mV级到999kV之间设置。占空比只用于三角波和方波，设定范围为（0.1—99）%。偏置电压设置是指把三种波形叠加在设置的偏置电压上输出。

图4.3.8 函数信号发生器图标和面板

在仿真过程中要改变输出波形的类型、大小、占空比或偏置电压时，必须暂时关闭“O/I”开关，对上述内容改变后，重新启动，函数信号发生器才能按新设置的数据输出信号波形。

三、示波器
EWB中的虚拟示波器外观及操作与实际的双综单扫描示波器非常相似。其图标和面板如图4.3.9。当单击面板中Expand（扩展）按钮时，可以将面板进一步展开，如图4.3.10这样能够更细致地观察波形。用鼠标拖拽读数指针可进行精确测量。

图4.3.9 示波器图标和面板

在扩展的面板中，单击“Reduce”按钮，可恢复面板原来大小；单击“Reverse”按钮，可改变屏幕背景颜色；单击“Save”按钮，可以以ASCLL码格式存储波形读数。示波器显示波形的颜色可以通过设置连接示波器的导线颜色确定。

图4.3.10 扩展的示波器面板

四、波特图仪
波特图仪类似于扫频仪，可以测量和显示被测电路的幅频特性和相频特性,其图标和面板如图4.3.11。

图4.3.11 波特图仪图标和面板

波特图仪有IN和OUT两对端口，IN输入端口接被测电路的输入端，OUT输出端口接被测电路输出端。在使用波特图仪时，必须在电路的输入端接入AC（交流）信号，对频率没有特殊要求。频率测量的范围由波特图仪参数设置确定。

五、 字信号发生器
字信号发生器是一个能够产生16位同步逻辑信号的仪器，用于对数字逻辑电路进行测试时的测试信号或输入信号。其图标和面板如图4.3.12。
字信号发生器图标下沿有16个输出端口。输出电压范围是低电平OV，高电平为4—5V。输出端口与被测电路的输入端相连。
1.字信号编辑区
编辑和存放以4位16进制数表示的16位字信号，可以存放1024条字信号，地址范围为0—3FF（十六进制数），其显示内容可以通过滚动条上下移动。用鼠标单击某一条字信号即可实现对其的编辑。正在编辑或输出的某条字信号，它被实时的以二进制数显示在“Binary”框里和十六位输出显示板上。对某条字信号的编辑也可在“Binary”框里输入二进制数来实现，系统会自动地将二进制数转换为十六进制数显示在字信号编辑区。

图4.3.12 字信号发生器图标和面板

2.字信号地址编辑区
编辑或显示与字信号地址有关的信息。
Edit 显示当前正在编辑的字信号地址。
Current 显示当前正在输出的字信号地址。
Initial 编辑和显示输出字信号的首地址。
Final 编辑和显示输出字信号的末地址。
3.输出方式选择
Cycle 字信号在设置的首地址和末地址之间周而复始地输出。
Burst 字信号从设置的首地址逐条输出，输出到末地址自动停止。
Step 字信号以单步的方式输出。即鼠标点击一次，输出一条字信号。
Break Point 用于设置断点。在Cycle和Burst方式中，要想使字信号输出到某条地址后自动停止，只需预先点击该字信号，再单击“Break Point”按扭。断点可设置多个。当字信号输出到断点地址而暂停输出时，可单击Workbench主窗口上的“Pause”按钮或按“F9”键来恢复输出。清除设置的断点地址时，打开Pattern对话框，单击“Clear Buffer”按钮即可。
4.触发方式选择
Internal 内触发方式。字信号的输出直接受输出方式Step、Burst和 Cycle的控制。
External 外触发方式。当选择外触发方式时，需外触发脉冲信号，且需设置“上升沿触发”或“下降沿触发”，然后选择输出方式，当外触发脉冲信号到来时，才能使字信号输出。
输出频率设置 控制Cycle和 Burst输出方式下字信号输出的快慢。
数据准备好输出端 输出与字信号同步的时钟脉冲。

六、 逻辑分析仪
逻辑分析仪可以同步纪录和显示16路逻辑信号，可用于对数字逻辑信号的高速采集和时序分析，其图标和面板如图4.3.13。

图4.3.13 逻辑分析仪图标和面板

面板左边的16个小圆圈对应16个输入端，小圆圈内实时显示各路输入逻辑信号的当前值，从上到下依次为最低位至最高位。通过修改连接导线颜色来区分显示的不同波形，波形显示的时间轴可通过Clocks per division予以设置。拖拽读数指针可读取波形的数据。
1. 触发方式设置
单击触发方式设置按钮，弹出触发方式设置对话框，如图4.3.14。在对话框中可以输入A、B、C三个触发字，三个触发字的识别方式由Trigger combinations(触发组合)选择，
如图4.3.15。触发字的某一位设置为X时，则该位为0或1都可以，三个触发字的默认设置均为××××××××××××××××，表示只要第一个输入逻辑信号到达，不论逻辑值为0或1，逻辑分析仪均被触发开始波形采集，否则必须满足触发字的组合条件才能触发。

图4.3.14 触发方式设置对话框 图4.3.15 触发组合选择

Trigger qualifier (触发限定字) 对触发起控制作用。若该位为X，触发控制不起作用，触发由触发字决定；若该位设置为1 （或0），只有图标上连接的触发控制输入信号为1（或0）时，触发字才起作用；否则，即使A、B、C三个触发字的组合条件被满足也不能引起触发。
2. 取样时钟设置
单击取样时钟设置按钮，弹出时钟设置选择对话框，如图4.3.16。时钟可以选择内时钟或外时钟，上升沿或下降沿有效。如选择内时钟可以设置频率。另外对Clock qualifier（时钟限定）进行设置可以决定输入时钟的控制方式，若使用默认方式X，表示时钟总是开放，不受时钟控制信号的限制。若设置为1或0，表示时钟控制为1或0时开放时钟，逻辑分析仪可以进行取样。

图4.3.16 取样时钟设置对话框

七、 逻辑转换仪
逻辑转换仪能够完成真值表、逻辑表达式和逻辑电路之间的相互转换，这一功能给数字逻辑电路的设计与仿真带来很大方便，它是EWB特有的仪器，实际工作中不存在类似的仪器。图标和面板如图4.3.17，使用方法如下：

图4.3.17 逻辑转换仪图标和面板

1. 由真值表得出表达式和逻辑电路
首先根据输入信号的个数，单击面板上面输入小圆圈（A～H）选定输入信号，此时真值表框会自动出现输入信号的所有组合，而输出全部为０，根据所需的逻辑关系修改真值表。然后单击“真值表→逻辑表达式”按钮，在逻辑表达式框内出现相应的逻辑表达式。再单击“真值表→简化逻辑表达式”按钮，得到简化逻辑表达式。最后单击“表达式→电路转换”铵钮，在EWB的电路设计区创建相应的逻辑电路。如单击“表达式→与非电路转换”铵钮，则在电路设计区创建相应的与非逻辑电路。
2. 由逻辑电路得出表达式和真值表
首先在电路设计区创建逻辑电路，电路的输入、输出端分别连接至逻辑转换仪的输入、输出端，双击图标打开面板，单击相应的转换按钮即得到表达式或真值表。
3. 由逻辑表达式得出真值表和逻辑电路
在逻辑表达式框内输入逻辑表达式，单击相应的转换按钮得到真值表和逻辑电路。

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第四部分 电 子 电 路 仿 真 实 验

4.4 EWB的分析功能介绍

[要点提示]

1、直流工作点分析
2、交流频率分析
3、瞬态分析
4、参数扫描分析
5、温度扫描分析
6、分析结果的保存与调出

[内容简介]

EWB提供了13种分析功能，使用者可根据仿真电路、仿真目的和要求选择。下面对在电子技术基础仿真实验中，经常使用的分析功能作一介绍，其它的分析功能可参考有关资料。

4.4.1 直流工作点分析（DC Operating Point）

所谓直流工作点分析就是求解电路仅受电路中直流电压源或电流源作用时，每个节点上的电压及流过电源的电流，直流工作点分析是其它性能分析的基础。进行直流工作点分析时，电路中的交流电源置零，电容开路，电感短路，数字器件视为高阻接地。直流工作点分析方法步骤如下：

1. 在电路设计区创建电路，选择Circuit/Schematic Options，选定 Show nodes（显示节点），为电路标上节点号。

2. 选择Analysis/ DC Operating Point, EWB自动把电路中所有节点的电压值及流过电源支路的电流值，显示在分析结果图中。

4.4.2交流频率分析（AC Frequency）

交流频率分析即频率特性分析。进行交流频率分析时直流电源自动置零，输入信号被自动设定为正弦波形式。对某节点的分析, EWB自动产生该节点电压为频率函数的曲线（幅频特性曲线）和相位为频率函数的曲线（相频特性曲线），结果与波特图仪仿真相同。交流频率分析的方法与步骤如下：

1. 创建待分析电路并设定输入信号的幅值和相位，然后进行直流工作点分析。
2. 选择Analysis/AC Frequency，打开对话框，进行参数设置。交流频率分析对话框如图4.4.1。对话框中各参数含义如下：
Start frequency 扫描起始频率。
End frequency 扫描终止频率。
Sweep type 扫描类型，显示曲线X轴刻度形式，有Decade（十倍频），Linear（线性），Octave（二倍频程）。
Number of points 显示点数。
Vertical scale 纵轴刻度，有Log（对数)Linear（线性）Decibel（分贝）。
Nodes for analysis 待分析节点，EWB可同时分析电路中多个节点的频率特性。在“Nodes in circuit”框中选择待分析节点，单击“Add”按钮，待分析节点写入“Nodes for analysis”框中。若从“Nodes for analysis”框中移出分析节点，先在该栏中选中待移节点，然后点击“Remove”按钮。以上各框中的默认值根据分析要求都可以改变。
3. 单击“Simulate”按钮，显示已选节点的频率特性。
4. 按“Esc”键，停止分析。

图4.4.1 交流频率分析对话框

4.4.3 瞬态分析（Transient Analysis）

瞬态分析是对选定节点的时域分析，即观察该节点在整个显示周期中每一时刻的电压波形，分析结果与示波器仿真相同。在瞬态分析时，直流电源保持常数，交流信号源幅值随时间而变，电路中的电容、电感都以储能模式出现。瞬态分析的方法步骤如下：

1．创建电路并显示节点。
2．选择Analysis/Transient，打开对话框，设置参数，选择待分析节点。瞬态分析对话框如图4.4.2。对话框中各参数含义如下：
Set to zero 初始条件为零开始分析。
User-defined 由用户定义的初始条件进行分析。
Calculate DC operating point 将直流工作点分析结果作为初始条件进行分析。此项一般选用缺省设置：选用。
Start time 瞬态分析的起始时间。要求大于等于零，小于终点时间。
End time 瞬态分析的终点时间。要求必
须大于等于零。
Generate time steps automatically 自动选择一个较为合理的或最大的时间步长。该参数有两项设置“Minimum number of time points”仿真输出图上，从起始时间到终点时间的点数。“Maximum time step ” 最大时间步长。这两项的设置值是关联的，只要设置其中一个，另一个自动变化。
Set plotting increment/plotting increment 设置绘图线增量。它既跟随“Minimum number of time points”设置值自动变化，也可单独设置。
Nodes for analysis 待分析节点。
3. 单击“Simulate”按钮，显示待分析节点的瞬态响应波形，按“Esc”键停止分析。

图4.4.2 瞬态分析对话框

4.4.4 参数扫描分析(Parameter Sweep)

参数扫描分析是检测电路中某个元件的参数，在一定取值范围内变化时对电路直流工作点、瞬态特性、交流频率特性的影响。在实际电路设计中，通过参数扫描分析，可以针对电路某一技术指标，对电路的某些参数、性能指标进行优选。
分析步骤：
1. 创建电路，确定元件及其参数、分析节点。
2. 选择Analysis/Parameter Sweep，打开对话框，设置参数。参数扫描对话框如图4.4.3。对话框各参数含义如下：
Component 选择待扫描分析的元件 (在“Component”键入待分析元件编号)。
Parameter 选择扫描分析元件的参数。电容器参数为电容，电阻器参数为电阻，电感线圈参数为电感，交流信号源参数为幅度、频率、相位，直流电压源参数为电压大小。
Start value 待扫描元件的起始值。
其值可以大于或小于电路中所标注的参数值。
End value 待扫描元件的终值。
Sweep type 扫描类型，有Decade（十倍频），Linear（线性），Octave（二倍频）。
Increment step size 扫描步长，仅在“线性”扫描形式时允许设置。
Output node 待分析节点，每次扫描分析仅允许选取一个节点。
Sweep for 扫描类型选择。根据要求可选择直流工作点分析、交流频率分析和瞬态分析。当选择瞬态分析或交流频率分析时，可分别单击“Set transient options”或“Set AC options”按钮，以设置这些分析的参数。
3. 单击“Simulate”按钮，开始扫描分析，按“Esc”键停止分析。扫描分析结果以曲线形式显示，曲线数目与“扫描类型选择”设置有关。

图4.4.3 参数扫描对话框

4.4.5 温度扫描分析(Temperature Sweep)

温度扫描分析主要用于研究不同温度条件下的电路特性。
分析步骤：
1. 创建电路，确定待分析的元件和节点。
2. 选择Analysis/Temperature Sweep打开对话框，设置参数。温度扫描对话框如图4.4.4。
对话框中各参数含义如下：
Start temperature 起始分析温度。
End temperature 终止分析温度。
其它参数含义和参数扫描分析相同
3. 单击“Simulate”按钮，开始扫描分析，按“ Esc”键停止分析。

图4.4.4 温度扫描对话框

4.4.6 分析结果的保存与调出

完成分析后，单击“Analysis Graphs”窗口工具栏的“保存”按钮，选定保存路径和文件名后，予以确定即可。保存分析结果的文件名是以.GRA 格式存放的。欲调出该文件，可单击EWB工具栏的“显示分析结果图”按钮，打开“Analysis Graphs”窗口，单击此窗口工具栏的“打开”按钮，根据路径和文件名将其打开。

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第四部分 电 子 电 路 仿 真 实 验

4.5 仿真实验举例

[要点提示]

1、晶体三极管放大电路特性研究
2、四位数码寄存器

[内容简介]

4.5.1晶体三极管放大电路特性研究
一、实验内容
1. 创建如图4.5.1所示的实验电路，并为元器件标识，参数设置。
2. 测量静态工作点Ib、Ic、Vce ，用示波器测量电压放大倍数AV ，用波特图仪测量频率特性，测量通频带BW。
3. 调节Rp1、Rp2 ，用示波器观察因工作点的改变而引起的输出波形失真。重新调节Rp1、Rp2恢复原值，使波形失真消除。
4．利用参数扫描功能，分析Co从0.1μF到100μF变化时对f1 的影响。

二、 仿真实验
1. 创建电路，给电路中的全部元器件按图4.5.1要求标识，参数设置，然后单击
Circuit/Schematic Options出现对话框，在“Display”选项框内，勾选 “Show Notes”，这时 EWB 自动给各节点编号，并显示在电路图上。

图4.5.1 晶体三极管放大电路特性研究实验电路

2. 给虚拟仪器设置参数
电压表
Mode：DC
Resistance：100MΩ（考虑三级管输入电阻较高，为减小误差取高内阻）
电流表
Mode：DC Resistance：取默认值1nΩ
函数发生器
波形： 正弦波
Frequency：1KHz Duty cycle：50%
Amplitude：50mV Offset：0
示波器
Time base：0.50ms/div “X/T”显示方式
Channel A：50mV/div y position：0.00 “AC”工作方式
Channel B：500mV/div y position：0.00 “AC”工作方式
Trigger：“Auto”方式
Channel A 输入线设为黑色，Channel B输入线设为红色，则输入信号波形为黑色，输出信号波形为红色。
波特图仪
幅频特性 Vertical： log F：60dB I：0dB
Horizontal： log F：1GHz I：1Hz
相频特性 Vertical： log F：360度 I: -360度
Horizontal: log F: 1GHz I: 1Hz
3. 单击“O/I”开关，运行电路，再单击“Parse”按钮，暂停运行。
⑴. 从电压表、电流表读出静态工作点的值为：
IB＝19.76μA IC＝2.064mA
VCE＝VC－VE＝9.940V－1.102V＝8.838V
⑵. 双击示波器图标，打开示波器面板，单击“Expand“扩展面板，观察到波形如图4.5.2，拖拽读数指针，测得：
Av＝VOP—P / VIP—P
＝—1.3674V / 98.196mV＝—13.9

图4.5.2 输入 输出电压波形

⑶. 双击波特图仪图标，打开波特图仪面板，单击“Magnitude”，测得幅频特性如图4.5.3。
拖拽读数指针，测得：
BW＝13.45MHZ—26.65HZ≈13.45MHZ
单击“phase”，测得相频特性如图4.5.4。

图4.5.3 幅频特性 图4.5.4 相频特性

⑷. 调节RP1 ＝200KΩ/100%、 RP2＝100Ω/0%，打开示波器面板 运行电路、暂停运行，观察到输出波形如图4.5.5，波形产生截止失真。
调节RP1＝200 KΩ/5%、RP2＝100Ω/0%，运行电路，暂停运行，观察到输出波形如图4.5.6，波形产生饱和失真。
调节RP1、RP2恢复原值，观察波形无明显失真。

图4.5.5 输出电压波形(截止失真) 图4.5.6 输出电压波形 (饱和失真)

4. 选择Analysis/Parameter Sweep 选项，打开参数扫描设置对话框，设置如下：
Component：C3 (系统编号,电路图中的标识是“Co”)
Start Value：0.1μF
End Value：100μF
Sweep type：Decade
Output node：7
Sweep for：AC Frequency Analysis
单击“Set AC options”按钮，设置分析参数：
Start frequency：1HZ
End frequency：10GHZ
Sweep type：Decade
Number of points：100
Vertical scale：log
单击“Simulate”，开始分析，分析结果如图4.5.7。从幅频特性曲线看出，随Co电容的增大，f l 减小。整个放大器的通频带展宽。

图4.5.7 幅频特性的参数(C3)扫描结果

4.5.2四位数码寄存器

一、 实验内容
创建如图4.5.8所示四位数码寄存器，输入数码为0000～1111 的16个四位二进制码，将其依次以单步或循环方式输入寄存器，观察逻辑分析仪上输入与输出的逻辑波形。

图4.5.8 四位数码寄存器实验电路

二、 仿真实验

1. 打开字信号发生器，进行字信号编辑和仪器设置。因本实验要求输入数码为0000～1111 16个四位二进制码，则字信号编辑应为4位16进制数0000～000F。字信号发生器其它设置为：
Initial：0000 Final：000F
Trigger：Internal（内触发方式）上升沿
Frequency：1KHZ
输出方式：Cycle或Step
2. 打开逻辑分析仪面板，单击Clock “set”按钮，打开时钟设置对话框，Internal clock rate设为１KHZ。其余选用默认值。触发方式选用默认
值。
3．单击“O/I”开关，运行电路，暂停运行。从逻辑分析仪上观察到如图4.5.9的输入、输出逻辑信号波形，四位数码寄存器在存数指令的作用下，将输入数码寄存在D触发器中。

图4.5.9 四位数码寄存器输入、输出逻辑波形

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第四部分 电 子 电 路 仿 真 实 验

4.6 实 验

[要点提示]
1、实验4.6.1 放大器静态工作点对动态范围的影响
2、实验4.6.2晶体管放大电路通频带扩展
3、实验4.6.3 电压比较器特性研究
4、实验4.6.4 LC振荡器
5、实验4.6.5 编码器及其应用
6、实验4.6.6 同步二进制加法计数器的设计与调试
7、实验4.6.7 数字钟的设计与调试
8、实验4.6.8 不同数列数字显示电路的设计与调试
9、实验4.6.9 阶梯波发生器的设计与调试

[内容简介]

实验4.6.1 放大器静态工作点对动态范围的影响

一、实验目的
1．学习创建、编辑EWB电路的方法。
2．练习虚拟模拟仪器的使用。
3．通过观察和测试不同静态工作点下动态范围的不同，了解静态工作点的设置对晶体管放大电路动态范围的影响。

二、实验内容
1． 创建如图4.6.1所示的仿真实验电路。实验电路中晶体管的参数选用默认值，电位器阻值变化一次的幅度设置为5﹪。
2．调节Rp 使它等于3KΩ，运行电路，测出Ic，用示波器观察输出电压波形，并测量输出电压动态范围。
3. 调节Rp 使它分别等于1.5KΩ、15KΩ、30KΩ，测出相应的Ic值和输出电压动态范围。

图4.6.1 放大器静态工作点对动态范围的影响实验电路

三、实验报告
1．自拟表格，整理实验数据。
2．分析总结放大器静态工作点对动态范围的影响。
3．回答思考题。

四、思考题：
1．输出波形失真的原因有哪些？怎样克服？
2．如果Rb2短路，放大器会出现什么故障？

实验4.6.2晶体管放大电路通频带扩展

一、实验目的
1．通过观察和测量电压串联负反馈放大电路的频率特性，了解负反馈电路能够扩展通频带的特性。
2．练习EWB的交流分析和参数扫描分析功能。
二、实验内容
1．创建如图4.6.2所示的仿真实验电路。实验电路中的晶体管参数选用默认值。
2. 开关打向“2”断开反馈支路，选择分析菜单中的AC frequency项对实验电路进行交流分析，从幅频特性上测出通频带BW。
3. 开关打向“1”，接通反馈支路，重复2的测量。
4. 选择分析菜单的Parameter Sweep项，对实验电路进行参数扫描分析，选择待扫描分析的元件为Rf2。参数的起始值为1 KΩ，终值为50 KΩ。扫描类型为线型，扫描步长为10 KΩ。待分析节点为输出节点，扫描类型选为交流分析。观察Rf2不同时的幅频特性，并作记录。

图4.6.2 晶体管放大电路通频带扩展实验电路

三、 实验报告
1. 整理实验数据，分析反馈支路开路和接通时，BW不同的原因。
2. 对参数扫描分析的结果进行总结。
3. 回答思考题。

四、思考题
1. 负反馈放大电路频带的展宽是以牺性放大器的什么为代价的，它能无限展宽频带吗？
2. 改变信号源幅度的大小，影响放大电路的幅频特性吗？为什么？

实验4.6.3 电压比较器特性研究

一、 实验目的
1. 通过实验进一步了解电压比较器的工作原理。
2. 学习电压比较器传输特性的测量方法。
3. 研究参考电压和反馈系数对传输特性的影响。
4. 进一步练习EWB实验电路的创建和分析功能。

二、实验内容

图4.6.3 单限电压比较器实验电路 图4.6.4 迟滞电压比较器实验电路

1．单限比较器
⑴ 用集成运算放大器μA741构成一单限电压比较器，电路如图4.6.3。
⑵ 设基准电压Vr=2V，从 Ui端输入一高电平3V，低电平0V，周期为100μS的方波，用示波器观察输入、输出波形。
⑶ 输入电压Ui为 ﹣5V～+5V的直流扫描电压，利用直流扫描分析功能，测量传输特性。
⑷ 设基准电压Vr=0V，输入电压为峰值2V，频率1KHZ的正弦波，观测输入、输出电压波形，并说明电路功能。
2. 迟滞电压比较器
⑴ 用专用集成比较器LM311构成迟滞电压比较器，电路如图4.6.4。
⑵ 设R1=R2=10 KΩ，输入电压Ui是峰值为5V，周期20μS的三角波，观测当VR分别为2V、﹣2V时的输入、输出电压波形，从波形上确定上、下触发电平VⅠ、VⅡ，画出电路的传输特性，讨论VR对传输特性的影响。
⑶ 设VR=0V R1=10 KΩ，输入电压波形同（2），观测R2分别为10 KΩ、5 KΩ时的输入、输出电压波形，确定其上下触发电平VⅠ、VⅡ，讨论反馈系数FV＝R1/（R1+R2）对传输特性的影响。
三、实验报告
1．整理实验数据，在坐标纸上画出观测到的波形，根据实验内容的要求，进行分析讨论。
2．回答思考题。

四、思考题
1．在单限电压比较器的实验内容（4）中VR＝0V，若输入信号的峰峰值为1V，含2V直流成分，比较器的输出信号是怎样的？
2. 参阅窗口比较器的资料，设计一比较电路来调选晶体管，要求把β值在90～110之间的晶体管挑选出来并用发光二极管作为指示。请画出电路图，选定元件参数，使之满足上述要求。

实验4.6.4 LC振荡器

一、实验目的
1. 进一步了解LC振荡器的工作原理。
2. 研究反馈系数对起振点的影响。
3. 研究静态工作电流对振荡频率f O和振荡幅度的影响。

图4.6.5 LC振荡器实验电路

二、 实验内容
1. 创建电容三点式LC振荡器，电路如图4.6.5。连接测试仪器。
2. 调节Rb1，使Ic≈1mA
3. 调节C3 分别等于20pF、160pF，用示波器观测输出波形，并测量振荡频率的变化范围f omin～f omax，确定f O＝6.5MHz时C3的取值。
4. C1 C2取如下不同值（反馈系数F不同），用瞬态分析功能测量起振点，填表4.6.1。

表4.6.1

C1 (pF) | 100 | 110 | 120 | 680 | 680 | 680
C2 (pF) | 1500 | 1000 | 680 | 120 | 50 | 20
F |  |  |  |  |  |
起振点(μS) |  |  |  |  |  |

5. 调节Rb2 改变电路静态工作电流，Ic取如下不同值，用示波器测量，振荡频率f O和幅值VP﹣P,填表4.6.2。

表4.6.2

Ic (mA) | 0.5 | 1.0 | 1.5 | 2.0
Vp﹣p (V) |  |  |  |
f o (MHz) |  |  |  |

三、 实验报告
1. 整理实验数据，计算f o＝6.5MHz时C3的值，并与实验中确定的值比较。
2. 分析总结反馈系数对起振点的影响。
3. 分析总结静态工作电流对振荡频率和幅度的影响。
4. 回答思考题。

四、 思考题
1. 反馈系数过大或过小对LC振荡器的起振有益吗？为什么？
2. 为什么随工作电流的增加，振荡器的频率会升高？
3. Ic太大或太小会使振荡幅度增加还是下降？为什么？

实验4.6.5 编码器及其应用

一、 实验目的
1. 加深理解编码器的逻辑功能。
2. 掌握WEB中的数字集成电路的使用方法。
3. 练习虚拟数字仪器的使用。
4. 练习WEB中的指示元件的使用。

二、 实验内容
1. 8线—3线二进制编码器功能测试
(1) 表４.6.3是８线—３线二进制编码器的真值表，根据此真值表写出各输出逻辑函数的表达式，在EWB的电路设计区创建用“或门”实现的逻辑图。

表4.6.3 ８线—３线二进制编码器真值表

输 入 | 输 出
A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 | Y2 Y1 Y0
0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 | 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1

(2) 从仪器库中选择字信号发生器，将图标下沿的输出端口连接到电路的输入端，打开面板，按照真值表中输入的要求，编辑字信号并进行其它参数的设置。
（3）从仪器库中选择逻辑分析仪，将图标左边的输入端口连接到电路的输出端，打开面板，进行必要合理的设置。
（4）从指示元件库中选择彩色指示灯，接至电路输出端。
（5）单击字信号发生器“Step”（单步）输出方式，记录彩色指示灯的状态（亮代表“1”，暗代表“0”）。记录逻辑分析仪所示波形与真值表比较。
2. 编码器的应用
（1）从数字集成电路库中选择74LS148优先编码器，按“F1”键了解该集成电路的功能。（74LS148在EWB中的型号是74148）。
(2) 用74LS148和门电路，设计一个呼叫系统，要求有1—5号五个呼叫信号，分别用五个开关输出信号，1号优先级最高，5号最低。用指示器件库中的译码数码管显示呼叫信号的号码，没有呼叫信号时显示“0”，有一个呼叫信号时，显示该呼叫信号的号码，有多个呼叫信号时显示优先级最高的号码。

三、 实验报告
1. 整理8线—3线二进制编码器的测试结果，说明电路的功能。
2. 画出用74LS148构成的呼叫系统的电路图，说明设计原理。
3. 回答思考题。

四、 思考题
1. 74LS148优先编码器的优先权是如何设置的，结合真值表分析其逻辑关系。
2. 译码数码管的管脚有四个，74SL148的输出代码仅有三位，多余的管脚应如何处理？为什么？

实验4.6.6 同步二进制加法计数器的设计与调试

一、 实验目的
1. 了解同步时序逻辑电路的分析方法和设计。
2. 熟悉同步二进制加法计数器的逻辑功能。

二、 实验内容
1. 用D触发器设计一个同步三位二进制加法计数器，要求具有置零功能。
2. 在EWB的电路设计区创建设计好的实验电路，三位输出端接彩色指示灯和逻辑分析仪，CP脉冲的频率设为1Hz。
3. 调试：
(1) 打开逻辑分析面板进行参数设置。
(2) 计数器置零。
(3) 单击“O/I”开关，计数器计数，记录彩色指示灯的状态和逻辑分析仪显示的计数器各输出端波形。

三、 实验报告
1. 画出完整的同步三位二进制加法计数器的逻辑电路图，说明设计原理。
2. 整理记录的数据，给出该计数器的状态和时序图。
3. 简述调试过程。

实验4.6.7 数字钟的设计与调试

一、 实验目的
1. 了解同步十进制集成计数器74160的功能。
2. 掌握利用同步十进制集成计数器构成任意进制计数器的设计方法。

二、 实验内容
1. 以EWB数字集成电路库中的74160为主要器件，设计一个数字显示电子钟,要求如下：
(1) 具有时、分、秒计数显示功能，以24小时循环。
(2) 用六只译码显示管分别显示时、分、秒的个位和十位。
(3) 具有清零功能。
(4) 用信号源库中的时钟脉冲源做计数秒信号。
2. 根据设计结果创建实验电路。
3. 仿真，调试。

三、 实验报告
1. 简述总体方案，画出框图。
2. 时、分、秒单元电路的设计。
3. 画出总体逻辑电路图。
4. 简述调试中遇到过哪些问题，是如何解决的。
5. 整理测试数据,依据仿真结果，分析是否满足设计要求。

实验4.6.8 不同数列数字显示电路的设计与调试

一、 实验目的
1. 掌握组合逻辑电路、时序逻辑电路的设计方法。
2. 通过数字小系统的设计，提高综合运用所学知识的能力。

二、 实验内容
1. 以EWB数字集成电路库中的7490为主要器件，设计一个不同数列数字显示电路，要求如下：
（1） 以译码数码管为显示元件，它能自动地依次显示出数字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然数列），1、3、5、7、9（奇数列），0、2、4、6、8（偶数列）和0、1、2、3、4、5、6、7、0、1（音乐符号数列），然后又依次显示出自然数列、奇数列、偶数列、音乐符号数列，如此周而复始，不断循环。
（2）接通电源手动清零，然后按上述规律显示。
（3）用时钟脉冲源作计数信号，每个数字的显示时间相等，显示时间为1秒左右。
2. 依据设计结果创建实验电路。
3. 仿真、调试。

三、 实验报告
1. 简述设计思想、总体方案，画出框图。
2. 单元电路设计。
3. 画出总体电路图。
4. 简述调试步骤，调试中遇到的问题，解决办法。
5. 整理测试数据,依据仿真结果，分析是否满足设计要求。
6. 总结实验体会。

实验4.6.9 阶梯波发生器的设计与调试

一、 实验目的
1. 了解D/A转换电路的工作原理。
2. 掌握用集成运算放大器设计D/A转换电路。

二、 实验内容
1. 以集成运算放大器和集成计数器为主要器件，设计一个阶梯波发生器，要求输出如图4.6.6所示波形。周期为2ms。用时钟脉冲源作计数器的计数脉冲。
2. 依据设计结果，创建实验电路。
3. 仿真、调试。

三、 实验报告
1. 简述设计思想、总体方案，画出框图。
2. 单元电路设计。
3. 画出总体电路图。
4. 简述调试步骤，调试中遇到的问题，解决办法。
5. 整理测试数据,依据仿真结果，分析是否满足设计要求。

图4.6.6 阶梯波发生器输出波形

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第五部分 电子电路调试与故障检测技术

5.1调试技术

[要点提示]
1、调试前的直观检查
2、调试方法
3、调试中注意事项

[内容简介]

实践表明，一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装，往往也难于达到预期的效果。这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑各种复杂的客观因素（如元件值的误差，器件参数的分散性,分布参数的影响等），必须通过安装后的测试和调整，来发现和纠正设计方案的不足，然后采取措施加以改进，使装置达到预定的技术指标。因此，调试电子电路的技能对从事电子技术及其有关领域工作的人员来说，是不应缺少的。调试的常用仪器有；万用表、示波器和信号发生器。下面介绍一般的调试方法和注意事项。

5．1．1调试前的直观检查

电路安装完毕，通常不宜急于通电，先要认真检查一下。检查内容包括：
一、连线是否正确
检查电路连线是否正确，包括错线（连线一端正确，另一端错误）、少线（安装时完全漏掉的线）和多线（连线的两端在电路图上都是不存在的）。查线的方法通常有两种：
1.按照电路图检查安装的线路
这种方法的特点是，根据电路图连线，按一定顺序逐一检查安装好的线路，由此，可比较容易查出错线和少线。
2.按照实际线路来对照原理电路进行查线
这是一种以元件为中心进行查线的方法。把每个元件（包括器件）引脚的连线一次查清，检查每个去处在电路图上是否存在，这种方法不但可以查出错线和少线，还容易查出多线。
为了防止出错，对于已查过的线通常应在电路图上做出标记，最好用指针式万用表“Ω×1”挡，或数字式万用表“Ω挡”的蜂鸣器来测量，而且直接测量元、器件引脚，这样可以同时发现接触不良的地方。
二、元、器件安装情况
检查元、器件引脚之间有无短路；连接处有无接触不良；二极管、三极管、集成器件和电解电容极性等是否连接有误。
三、电源供电与信号源连线
检查电源供电（包括极性）、信号源连线是否正确。
四、电源端对地（┸）是否存在短路
在通电前，断开一根电源线，用万用表检查电源端对地（┸）是否存在短路。
若电路经过上述检查，并确认无误后，就可转入调试。

5．1．2调试方法

调试包括测试和调整两个方面。所谓电子电路的调试，是以达到电路设计指标为目的而进行的一系列的测量一判断一调整一再测量的反复进行过程。
为了使调试顺利进行，设计的电路图上应当标明各点的电位值，相应的波形图以及其它主要数据。
调试方法通常采用先分调后联调（总调）。
我们知道，任何复杂电路都是由一些基本单元电路组成的，因此，调试时可以循着信号的流程，逐级调整各单元电路，使其参数基本符合设计指标。这种调试方法的核心是，把组成电路的各功能块（或基本单元电路）先调试好，并在此基础上逐步扩大调试范围，最后完成整机调试。采用先分调后联调的优点是，能及时发现问题和解决问题。新设计的电路一般采用此方法。对于包括模拟电路、数字电路和微机系统的电子装置更应采用这种方法进行调试。因为只有把三部分分开调试后，分别达到设计指标，并经过信号及电平转换电路后才能实现整机联调。否则，由于各电路要求的输入、输出电压和波形不匹配，盲目进行联调，就可能造成大量的器件损坏。
除了上述方法外，对于已定型的产品和需要相互配合才能运行的产品也可采用一次性调试。
按照上述调试电路原则，具体调试步骤如下：
一、通电观察
把经过准确测量的电源接入电路。观察有无异常现象，包括有无冒烟，是否有异常气味，手摸元器件是否发烫，电源是否有短路现象等。如果出现异常，应立即切断电源，待排除故障后才能再通电。然后测量各路总电源电压和各器件的引脚的电源电压，以保证元器件正常工作。
通过通电观察，认为电路初步工作正常，就可转入正常调试。
二、静态调试
交流、直流并存是电子电路工作的一个重要特点。一般情况下，直流为交流服务，直流是电路工作的基础。因此，电子电路的调试有静态调试和动态调试之分。静态调试一般是指在没有外加信号的条件下所进行的直流测试和调整过程。例如，通过静态测试模拟电路的静态的工作点，数字电路的各输入端和输出端的高、低电平值及逻辑关系等，可以及时发现已经损坏的元器件，判断电路工作情况，并及时调整电路参数，使电路工作状态符合设计要求。
三、动态调试
动态调试是在静态调试的基础上进行的。调试的方法是在电路的输入端接入适当频率和幅值的信号，并循着信号的流向逐级检测各有关点的波形、参数和性能指标。发现故障现象，应采取不同的方法缩小故障范围，最后设法排除故障。
测试过程中不能凭感觉和印象，要始终借助仪器观察。使用示波器时，最好把示波器的信号输入方式置于“DC”挡，通过直流耦合方式，可同时观察被测信号的交、直流成分。
通过调试，最后检查功能块和整机的各种指标（如信号的幅值、波形形状、相位关系、增益、输入阻抗和输出阻抗等）是否满足设计要求，如必要，再进一步对电路参数提出合理的修正。

5．1.3调试中注意事项

调试结果是否正确，很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。为了保证调试的效果，必须减小测量误差，提高测量精度。为此，需注意以下几点：
一、正确使用测量仪器的接地端。 凡是使用地端接机壳的电子仪器进行测量，仪器的接地端应和放大器的接地端连接在一起，否则仪器机壳引入的干扰不仅会使放大器的工作状态发生变化，而且将使测量结果出现误差。根据这一原则，调试发射极偏置电路时，若需测量VCE。不应把仪器的两端直接接在集电极和发射极上，而应分别对地测出VC、VE，然后将二者相减得VCE。若使用干电池供电的万用表进行测量，由于电表的两个输入端是浮动的，所以允许直接跨接到测量点之间。
二、测量电压所用仪器的输入阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。因为，若测量仪器输入阻抗小，则在测量时会引起分流，给测量结果带来很大误差。
三、测量仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。例如，MF－20型万用表的工作频率为20～20000 HZ。如果放大器的fH =100 kHZ，我们就不能用 MF－20来测试放大器的幅频特性，否则，测试结果就不能反映放大器的真实情况。
四、要正确选择测量点。用同一台测量仪器进行测量时，测量点不同，仪器内阻引进的误差大小将不同。例如，对于图5．1．1所示电路，测C1点电压VCl时，若选择e2为测量点，测得VE2，根据VCl＝VE2＋VBE2求得的结果，可能比直接测Cl点得到的VCl的误差要小得多。所以出现这种情况，是因为Re2较小，仪器内阻引进的测量误差小。

图5·l·1被测电路

五、测量方法要方便可行。 需要测量某电路的电流时，一般尽可能测电压而不测电流,因为测电压不必改动被测电路，测量方便。若需知道某一支路的电流值，可以通过测取该支路上电阻两端的电压，经过换算而得到。
六、调试过程中，不但要认真观察和测量，还要善于记录。记录的内容包括实验条件，观察的现象，测量的数据、波形和相位关系等。只有有了大量的可靠的实验 记录并与理论结果加以比较，才能发现电路设计上的问题，完善设计方案。
七、调试时出现故障，要认真查找故障原因，切不可一遇故障解决不了就拆掉线路重新安装。因为重新安装的线路仍可能存在各种问题，如果是原理上的问题，即使重新安装也解决不了问题。我们应当把查找故障，分析故障原因，看成一次好的学习机会，通过它来不断提高自已分析问题和解决问题的能力。

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第五部分 电子电路调试与故障检测技术

5．2检查故障的一般方法

[要点提示]
1、故障现象和产生故障的原因
2、检查故障的一般方法

[内容简介]

故障是不期望但又是不可避免的电路异常工作状况。分析、寻找和排除故障是电气工程人员必备的实际技能。
对于一个复杂的系统来说，要在大量的元器件和线路中迅速、准确地找出故障是不容易的。一般故障诊断过程，就是从故障现象出发，通过反复测试，作出分析判断，逐步找出故障的过程。

5．2．1 故障现象和产生故障的原因

一、常见的故障现象
放大电路没有输入信号，而有输出波形。
放大电路有输入信号，但没有输出波形，或者波形异常。
串联稳压电源无电压输出，或输出电压过高且不能调整，或输出稳压性能变坏、输出电压不稳定等。
振荡电路不产生振荡。
计数器输出波形不稳，或不能正确计数。
收音机中出现“嗡嗡”交流声和“啪啪”的汽船声等。
以上是最常见的一些故障现象，还有很多奇怪的现象，在这里就不一一列举了。
二、产生故障的原因
故障产生的原因很多，情况也很复杂，有的是一种原因引起的简单故障，有的是多种原因相互作用引起的复杂故障。因此，引起故障的原因很难简单分类。这里只能进行一些粗略的分析。
1.对于定型产品使用一段时间后出现故障，故障原因可能是元器件损坏，连线发生短路或断路（如焊点虚焊，接插件接触不良，可变电阻器、电位器、半可变电阻等接触不良，接触面表面镀层氧化等），或使用条件发生变化（如电网电压波动，过冷或过热的工作环境等）影响电子设备的正常运行。
2.对于新设计安装的电路来说，故障原因可能是：实际电路与设计的原理图不符；元器件使用不当成损坏；设计的电路本身就存在某些严重缺点，不满足技术要求；连线发生短路或断路等。
3.仪器使用不正确引起的故障，如示波器使用不正确而造成的波形异常或无波形，接地问题处理不当而引入干扰等。
4.各种干扰引起的故障（有关噪声、干扰问题将在5.3讨论）。

5.2.2检查故障的一般方法

查找故障的顺序可以从输入到输出，也可以从输出到输入。查找故障的一般方法有：
一、直接观察法
直接观察法是指不用任何仪器，利用人的视、听、嗅、触等作为手段来发现问题，寻找和分析故障。
直接观察包括不通电检查和通电观察。
检查仪器的选用和使用是否正确；电源电压的等级和极性是否符合要求；电解电容的极性、二极管和三极管的管脚、集成电路的引脚有无错接、漏接、互碰等情况；布线是否合理；印刷板有无断线；电阻电容有无烧焦和炸裂等。
通电观察元器件有无发烫、冒烟，变压器有无焦味，电子管、示波管灯丝是否亮，有无高压打火等。
此法简单，也很有效，可作初步检查时用，但对比较隐蔽的故障无能为力。
二、用万用表检查静态工作点
电子电路的供电系统，半导体三极管、集成块的直流工作状态（包括元、器件引脚、电源电压）、线路中的电阻值等都可用万用表测定。当测得值与正常值相差较大时，经过分析可找到故障。现以图5．2．1两级放大器为例，正常工作时如图所示。静态时
（υI＝0），Vb1＝1．3V，Ic1＝ lmA，Vb1＝ 6.9V， Ic2＝ 1.6mA，Ve2 =5.3V。但实测结果Vb1=0.01V，Vc1≈Vce1≈Vcc＝12V。考虑到正常放大工作时，硅管的V BE约为0．6～0．8V，现在T1显然处于截止状态。实测的Vc1≈Vcc也证明T1是截止（或损坏）。T1为什么截止呢？这要从影响VBl的Bb11和Rb12中去寻找。进一步检查发现，Rb12本应为11kΩ，但安装时却用的是1.1kΩ的电阻，将Rb12换上正确阻值的电阻，故障即消失。
顺便指出，静态工作点也可以用示波器“DC”输入方式测定。用示波器的优点是，内阻高，能同时看到直流工作状态和被测点上的信号波形以及可能存在的干扰信号及噪声电压等，更有利于分析故障。

图5．2．1用万用表检查两级放大器故障的参考电路

三、信号寻迹法
对于各种较复杂的电路，可在输入端接入一个一定幅值、适当频率的信号（例如，对于多级放大器，可在其输入端接入 f＝1000 HZ的正弦信号），用示波器由前级到后级（或者相反），逐级观察波形及幅值的变化情况，如哪一级异常，则故障就在该级。这是深入检查电路的方法。
四、对比法
怀疑某一电路存在问题时，可将此电路的参数与工作状态和相同的正常电路的参数（或理论分析的电流、电压、波形等）进行一一对比，从中找出电路中的不正常情况，进而分析故障原因，判断故障点。
五、部件替换法
有时故障比较隐蔽，不能一眼看出，如这时你手头有与故障仪器同型号的仪器时，可以将仪器中的部件、元器件、插件板等替换有故障仪器中的相应部件，以便于缩小故障范围，进一步 查找故障。
六、旁路法
当有寄生振荡现象，可以利用适当客量的电容器，选择适当的检查点，将电容临时跨接在检查点与参考接地点之间，如果振荡消失，就表明振荡是产生在此附近或前级电路中。否则就在后面，再移动检查点寻找之。
应该指出的是，旁路电容要适当，不宜过大，只要能较好地消除有害信号即可。
七、短路法
就是采取临时性短接一部分电路来寻找故障的方法。例如图5．2．2所示放大电路，用万用表测量T2的集电极对地无电压。我们怀疑L1断路，则可以将L1两端短路，如果此时有正常的VC2值，则说明故障发生在L1上。
短路法对检查断路性故障最有效。但要注意对电源（电路）是不能采用短路法的。

5.2.2用于分析短路法的放大电路

八、断路法
断路法用于检查短路故障最有效。断路法也是一种使故障怀疑点逐步缩小范围的方法。例如，某稳压电源因接入一带有故障的电路，使输出电流过大，我们采取依次断开电路的某一支路的办法来检查故障。如果断开该支路后，电流恢复正常，则故障就发生在此支路。
实际调试时，寻找故障原因的方法多种多样，以上仅列举了几种常用的方法。这些方法的使用可根据设备条件，故障情况灵活掌握，对于简单的故障用一种方法即可查找出故障点，但对于较复杂的故障则需采取多种方法互相补充、互相配合，才能找出故障点。在一般情况下，寻找故障的常规做法是：
1.先用直接观察法，排除明显的故障。
2.再用万用表（或示波器）检查静态工作点。
3.信号寻迹法是对各种电路普遍适用而且简单直观的方法，在动态调试中广为应用。
应当指出，对于反馈环内的故障诊断是比较困难的，在这个闭环回路中，只要有一个元器件（或功能块）出故障，则往往整个回路中处处都存在故障现象。寻找故障的方法是

图5．2．3方波和锯齿波电压产生器电路

先把反馈回路断开，使系统成为一个开环系统，然后再接入一适当的输入信号，利用信号寻迹法逐一寻找发生故障的元、器件（或功能块）。例如，图5．2．3是一个带有反馈的方波和锯齿波电压产生器电路，A1的输出信号υO1作为A2的输入信号，A2的输出信号υO2作为A1的输入信号，也就是说，不论A1组成的过零比较器或A2组成的积分器发生故障，都将导致υO1、υO2无输出波形。寻找故障的方法是，断开反馈回路中的一点（例如B1点或B2点），假设断开B2点，并从B2与R7连线端输入一适当幅值的锯齿波，用示波器观测υO1输出波形应为方波，υO2输出波形应为锯齿波，如果υO1（或υO2）没有波形或波形出现异常，则故障就发生在 A1组成的过零比较器（或A2组成的积分器）电路上。

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第六部分 常 用 元 器 件 及 测 量 仪 器 介 绍

6.1常用元、器件简介

[要点提示]

1、电阻器和电位器
2、电容器
3、 电感器

[内容简介]

任何电子电路都是由元器件组成的。而常用的主要是电阻器、电容器、电感器和各种半导体（如二极管、三极管、场效应管、集成电路等）为了正确地选择和使用这些元、器件，就必须对它们的各种性能、结构与规格有一个完整的了解。
6.1.1电阻器和电位器
一、电阻器R
在电子设备中，电阻器是应用最广泛的一种元件。其主要用途是稳定和调节电路中电流和电压。其次还可作为分流器、分压器和消耗能量的负载等。常用电阻器有实心碳质电阻、薄膜电阻器、线绕电阻器和热敏电阻器等，其中又有固定电阻器和可变电阻器之分。
常用电阻器的外形和符号如图6.1.1所示。

图6.1.1电阻器的外形和符号

二、电位器W
电位器是一种具有三个接头的可变电阻器。其阻值可在一定范围内连续可调。
电位器的种类有以下几种：
按电阻体的材料可分为碳质、薄膜和线绕三种。它们的性能和特点与同材料的固定电阻器相似，所不同的只是电位器有可动的触点。因而使用电位器时需要考虑它的阻值变化特性、接触的可靠性、材料的耐磨性等等。一般，线绕电位器的误差小于±10%，非线性电位器的误差小于±20% 。其阻值、误差和型号均标在电位器上。
按调节机构的运动方式可分为；旋转式、直滑式。
按机构可分为单联、双联、带开关、不带开关等；开关式又有旋转式、推拉式、按键等。
按用途可分为普通电位器、精密电位器、功率电位器、微调电位器和专业电位器等。
按输出特性和函数关系可分为线性和非线性电位器，如图6.1.2所示。
线绕电位器的阻值变化特性一般都是直线式的。非线性电位器的阻值变化特性分为直线式（X型）、对数式（D型）、指数式（Z型）三种。所有X、D、Z字母符号一般印在电位器上，使用时应主意。 常用电位器的外形和符号如图6.1.3所示。

图6.1.2输出特性和函数关系 图6.1.3电位器的外形和符号

三、电阻器和电位器的命名法
电阻器和电位器的命名法如表6.1.1所示

表6.1.1

第一部分 |  | 第二部分 |  | 第三部分 |  | 第四部分
用字母表示主称 |  | 用字母表示材料 |  | 用数字或字母表示特征 |  | 用数字表示序号
符 号 | 意 义 | 符 号 | 意 义 | 符 号 | 意 义 |
R W | 电阻器 电位器 | T P U C H I J Y S N X R G M | 碳膜 硼碳膜 硅碳膜 沉积膜 合成膜 玻璃釉膜 金属膜（箔） 氧化膜 有机实芯 无机实芯 线绕 热敏 光敏 压敏 | 1， 2 3 4 5 7 8 9 G T X L W D | 普通 超高频 高阻 高温 精密 电阻器—高压 电位器—特殊 函数 特殊 高功率 可调 小型 测量用 微调 多圈 | 包括：额定功率 阻值 允许误差 精度 等级

示例：RJ71-0.125-5.1KI型电阻器

由此可见，这是精密金属膜电阻器，其额定功率为1/8W，标称电组值为5.1KΩ，允许误差为±0.5%
四、电阻器和电位器的主要性能指标
⒈ 额定功率：电阻器在规定的气压、温度等条件下长期工作时允许消耗的最大功率叫做额定功率。当超过额定功率时，电阻器的阻值将发生变化，甚至发热烧毁，为使电阻器能经久耐用，应采用比实际消耗功率大1～2倍的电阻器。
⒉ 标称阻值：是指产品标志的“名义”阻值，其单位为欧姆（Ω）、千欧(KΩ)、
兆欧（MΩ），其中1KΩ=103Ω，1MΩ=106Ω。标称阻值系列如表6.1.2所示

表6.1.2

允许误差 | 系列代号 | 标称阻值系列
±5% | E24 | 1.0 1.1 1.2 1.3 1.5 1.6 1.8 2.0 2.2 2.7 3.0 3.3 3.6 3.9 4.3 4.7 5.1 5.6 6.2 6.8 7.5 8.2 9.1
±10% | E12 | 1.0 0.2 1.5 1.8 2.2 2.7 3.3 3.9 4.7 5.6 6.8 8.2
±20% | E6 | 1.0 1.5 2.2 3.3 4.7 6.8

实际电阻器的阻值是表中数据乘10 n Ω，其中n为1，2……。
表中标准值的特点是：对两个相邻的标称值，如果较小一个是正向误差，较大的一个负向误差，则二者就十分接近。因此，在各级电阻器中用表中所列的标称值系列即可包括全部使用的阻值。
⒊允许误差：是指电阻器和电位器阻值对标称阻值的最大允许偏差范围。它是产品的精度。允许误差的等级一般分为六级，见表6.1.3

表6.1.3

级 别 | 005 | 01 | 02 | Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ
允许误差 | ±0.5% | ±1% | ±2% | ±5% | ±10% | ±20%

电阻器的阻值和误差，一般常用数字标印在电阻上，但对于小型电阻值常用四道色环来表示。
四道色环的意义分别是：第一、第二色环表示阻值的有效数字，第三色环表示乘倍数（零的个数），第四色环为电阻的误差等级。各种色环的意义见表6.1.4。

五、电路中电阻器数值的标注规则
为了简便，电路图中的电阻阻值常按以下规则来标注：
一欧以下的电阻在注明阻值后，应写上“Ω”的字母；一欧到一千欧的电阻，有时只写出阻值，不注单位。例如20、200，分别表示20Ω、200Ω；一千欧到十千欧的电阻，以千欧为单位，符号是“K”。例如5.1K、51K等；百万欧以上的以兆欧为单位，符号是“M”。例如1M、3M等；在一百千欧到一个兆欧之间的电阻值，可用千欧为单位，也可用兆欧为单位。例如0.47M和470K都表示四十七万欧姆。

六、电阻器和电位器的简单测试方法
当测量精度要求不高时，可用万用表的欧姆档直接测量电组值。测试的方法：首先将万用表的功能选择档拨至“Ω”档，量程置合适档。将两根测试笔短路，表头指针应在Ω刻度线零点，若不在零点，则要调节“Ω”旋钮（零欧姆调整电位器）。调零后即可把被测电阻串接于两根测试笔之间，此时指针偏转（使指针尽量处于电阻标尺的1/2～2/3的位置，故误差最小），待稳定后可从Ω刻度线上直接读出所示的数值，并乘上该档的倍率。当另换量程时，必须再次短接两根测试笔重新调零。
电位器有三个线端子，在电路中可通过旋转轴能使电阻值在最大与最小之间变化。与电阻的测量方法相同，其阻值应与标称值相同。若用万用表的“Ω”档测量时，指针不动，说明已断路。

6.1.2电容器

一、电容器的种类
电容器是一种储能元件。在电路中用于调谐、滤波、耦合、旁路和能量转换等。电容器的种类如下。
⒈ 按其结构，可分为以下三种：
⑴ 固定电容器：其电容量是固定不可调的，称之为固定电容器。图6.1.4所示为几种固定电容器的外形和符号。

（a）固定电容器 (b)电解电容器

图6.1.4固定电容器的外形和符号

⑵ 半可调电容器（微调电容器）：电容量可在小范围内变化，其可变容量为十几～几十皮法，最高达一百皮法（以陶瓷为介质时）。图6.1.5所示为两种半可变电容器的外形和符号。
⑶ 可变电容器：其电容量可在一定范围内连续变化。常有“单联”、“双联”之分，可变电容器容量的改变是用改变极片间相对位置的方法来实现的。固定不动的一组极片称为定片，可动的一组极片称为动片。一般以空气作介质，也有用有机薄膜作介质的。其外形和符号如图6.1.6所示。
⒉ 按电容器的介质材料可分为以下几种：
⑴ 电解电容器（CD）：它是以电解液作介质的电容器，容量较大，耐压高（体积大），一般在500V以下。常用于交流旁路和滤波。缺点是容量的误差大，且随频率而变动，绝缘电阻低。电解电容器有正、负极之分，一般外壳为负端，另一接头为正端，安装时不能接错。

图6.1.5微调电容器外形和符号 图6.1.6可变电容器外形和符号

若接错，电解作用会反向进行，氧化膜很快变薄，漏电流急剧增加，如果所加的直流电压过大，则电容器很快发热，甚至会引起爆炸。
⑵ 云母电容器（CY）：是以云母作介质的电容器。它具有很高的绝缘性能，即使在高频时使用亦只有很小的介质损耗。因此，它的工作频率高，稳定性良好，耐压高（几百伏～几千伏），但容量小（几十皮法～几万皮法）。
⑶ 瓷片电容器（CCX）：其特点是体积小、损耗小、温度系数小，但耐压较低（一般为60～70V），容量较小（一般为1pF～1000pF）。
⑷ 巨型混合介质电容器（CH）：此电容器耐压很高（可高于2KV），体积较小，容量也比较大。还有CT—3的玻璃釉电容器，CZJX金属膜纸介电容器等。
⒌ 几种微调电容器（CM、CCWX）：
空气微调—以空气为介质，性能好，温度系数小，但体积大，容量不大。
瓷微调—可调范围不大，损耗大、易碎、体积小。
二、电容器的型号命名法
电容器的命名法见表6.1.5

表6.1.5

第一部分 | 第二部分 |  | 第三部分 |  | 第四部分
名 称 | 材 料 |  | 特 征 |  | 序 号
电 容 器 | 符 号 | 意 义 | 符 号 | 意 义 | 符 号
符 号 C | C T I Y Z J L D A | 高频瓷 低频瓷 玻璃 釉云母 纸介 金属化纸 涤纶 铝电解 钽电解 | T W J X D M Y C S | 铁电 微调 金属化 小型 电压 密封 高压 穿心式 独石 | 用字母或数字

示例：CJX—250—0.33—±10%电容器

三、电容器的主要性能指标
⒈ 电容器：是指电容器加上电压后，储存电荷的能力。其单位有法拉（F）、微法（ μF）和皮法（p F ）。皮法也称为微微法（μμF）。三者的关系为：

⒉ 标称电容量：标称电容量是标志在电容器上的“名义”电容量。我国固定电容器标称电容量系列为E24、E12、E6。
⒊ 允许误差：允许误差是实际电容器对于标称电容量的最大允许偏差范围。固定电容器的允许误差范围分为：±1%、±2%、±5%、±10%、±20%、＋20%～－30%、＋50%～－20%、＋100%～－10%八级。
常用固定电容器标称容量系列见表6.1.6。

表6.1.6

电容类别 | 允许误差 | 容量范围 | 标称容量系列
纸介电容、金属化纸介电容、纸膜复合介质电容、低频（有极性）有机薄膜介质电容 | ±5% ±10% ±20% | 100pF～1Μf | 1.0；1.5；2.2；3.3；4.7；6.8
 |  | 1Μf～100μF | 1；2；4；6；8；10；15；20；30；50；60；80；100
高频（无极性）有机薄膜介质电容、瓷介电容、玻璃釉电容、云母电容 | ±5% |  | 1.0；1.1；1.2；1.3；1.5；1.6；1.8；2.0；2.2；2.4；2.7；3.0；3.3；3.6；3.9；4.3；4.7；5.1；5.6；6.2；6.8；7.5；8.2；9.1
 | ±10% |  | 1.0；1.2；1.5；1.8；2.2；2.7；3.3；3.9；4.7；5.6；6.8；8.2；
 | ±20% |  | 1.0；1.5；2.2；3.3；4.7；6.8
铝、钽、铌、钛电解电容 | ±10% ±20% ＋50% －20% ＋100% －20% |  | 1.0；1.5；2.2；3.3；4.7；6.8（容量单位μF）

⒋ 额定工作电压：是指电容器在规定的工作温度范围内，长期、可靠地工作所能承受的最高电压。
⒌ 绝缘电阻：是指电容器两端所加入直流电压与漏电流之比，它决定于所用介质的质量和几何尺寸。绝缘电阻越大越好。一般应在5000MΩ以上，优质电容器可达到TΩ（1012 Ω，称为太欧）级。
⒍ 损耗：是指电容器在电场的作用下，总有一部分电能转换为热能，所损耗的能量称为电容器的损耗。电容器能量损耗是指加在交流电压时电容器所损耗的功率，它包括金属极板的损耗和介质损耗两部分，小功率电容器主要介质损耗。由于介质损耗，电容器会消耗一定功率，这种损耗通常用损耗功率和电容器无功功率之比，即损耗角的正切值表示：
tgδ=损耗功率 / 无功功率
在同容量、同工作条件下，损耗角越大，电容器损耗也越大。损耗角大的电容不适于高频工作。

四、电路图中电容器参数的标注规则
容量自1微微法～1千微微法的电容一般以微微法为单位，符号用μμF或p F。容量大于100p F时，一般可省去p F符号，例如250即表示250p F。容量在10, 000 p F以上的往往以“μF”为单位。当容量小于1μF时，可省去μF符号，例如0.05即表示0.05μF。电解电容器一般都以微法为单位。

五、电容器质量优劣的简单测试
一般可用万用表的欧姆档就可简单地测量出电容器的优劣情况，粗略的辨别其漏电、容量衰减或失效的情况。具体方法是：
⒈ 选档：选择“R×1K”或“R×100”档（应先调零）。
⒉ 接法：一般电容器，万用表的测试笔可任意接电容的两根引线 。电解电容器，万用表黑笔接正极，红笔接负极（电解电容器测试前应先将正、负极短路放电）。
测试时的现象和结论见表6.1.7

表6.1.7

分 类 | 现 象 | 结 论
一般电容 电解电容 | 表针基本不动（在∞附近） 表针先较大幅度右摆，然后慢慢向左退回“∞” | 好电容
一般电容 电解电容 | 表针不动（停在∞上） | 坏电容（内部断路）
一般电容 电解电容 | 表针指示阻值很小 | 坏电容（内部短路）
一般电容 电解电容 | 表针指示较大（几百MΩ＜阻值＜∞） 表针先大幅度右摆，然后慢慢向左退，但退不回∞处（几百MΩ＜阻值） | 漏电（表针指示称为漏电阻）

6.1.3电感器

一、电感器的分类
电感器是根据电磁感应原理制成的器件。在电子设备中电感器分为两大类：一类是应用自感作用的电感线圈，另一类是应用互感作用的变压器或互感器。根据电感器的结构和用途，一般可分类如下：
⒈ 电感线圈可分为：单层线圈、多层线圈、蜂房式线圈、带磁芯线圈和磁芯有间隙的电感器等。根据电感器的电感量是否可调，分为固定、可变和微调电感器。
⒉ 变压器可分为：电源变压器、低频输入变压器、低频输出变压器、中频变压器和宽频带变压器等。
电感器在电路中的符号一般有表6.1.8中的几种形式。

表6.1.8

符号 |  |  |  |
名称 | 空心线圈 | 带抽头的电感线圈 | 铁心电感 | 铁氧体电感
符号 |  |  |  |
名称 | 可变电感线圈 | 有滑动接点的电感线圈 | 带磁芯的可调电感线圈 | 带非磁性金属芯子的电感线圈

二、电感器型号命名法

⒈ 电感线圈的型号 ⒉ 变压器型号

三、电感器的主要性能指标
⒈ 电感量L：是指电感器通过变化电流时产生感应电动势的能力。其大小由电感线圈的匝数N、直径D、长度L，磁介质的磁导率μ来决定。当线圈的长度L远大于直径D时，或者线圈是环状时，电感量为：
式中n 为线圈单位长度内的匝数，V为体积，L的单位为亨利。
电感器常用单位为亨利（H）、毫亨（m H）、微亨（μH）它们之间的关系为：

⒉ 品质因数Q：品质因数是反映电感器传输能量的本领。Q值越大，传输能量的本领越大，即损耗越小。用公式表示为：

式中 ω—工作频率（ω= 2πf ），L—线圈的电感 ，R—线圈的总损耗电阻。
线圈的品质因数Q ，根据使用的要求而确定。一般要求Q=50—300。
⒊ 额定电流：主要是对高频电感器和大功率谐振线圈而言的，当电感器超过额定电流值时，电感器将发热，严重时会烧坏。

四、电感器的简单测试
利用万用表的欧姆档可简单地测量出电感器的优劣情况。具体方法是：
⒈ 选档：选择万用表的R×1档（先调零）
⒉ 接法：用万用表的测试笔任意接电感器的两角。测试时的现象和结论如表6.1.9所示。

表6.1.9

现 象 | 可 能 原 因 | 结 论
表针指示电阻很大 | 电感线圈多股线中有几股断线 | 坏电感
表针不动（停在∞上） | 电感线圈开路 | 坏电感
表针指示电组值为零 | 电感线圈严重短路 | 坏电感
表针指示电组值为零点几欧～几欧 |  | 好电感

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第六部分 常用元器件及测量仪器介绍

6.2万用表

[要点提示]
1、 MF50型万用表
2、DT890型数字式万用表

[内容简介]

6.2.1 MF50型万用表
一、概述
MF50型万用表为磁电式整流系仪表，通过转换开关可用来测量交直流电压，交直流电流，电阻及音频电平，晶体管静态直流放大倍数HFE、ICEO、、LI、、LV ，电容，电感等。图6.2.1为整机方框图。

图6.2.1 MF50型万用表面板图

二、主要技术性能
⒈ 测量范围及精度等级：
直流电流：0-100μA-2.5mA-25 mA-250 mA-2.5A 精度：±2.5%
直流电压：0-2.5V-10V-50V-250V-1000V 精度：±2.5%
交流电压：0-10V-50V-250V-1000V 精度：±4%
电 阻：0-2KΩ-20 KΩ-200 KΩ-2000 KΩ-20000 KΩ 精度：±2.5%弧长
晶体管共发射极静态电流放大倍数HFE：0-200
晶体管穿透电流ICEO：同LI、
负载电流LI：0-145μA-1.45 mA-14.5 mA-145 mA
负载电压LV：0-1.5V
电 容C：0-0.03-0.1-0.5μF
电 感L：2-200-2000H
音频电平：－10db～＋22db～＋36 db～＋50 db～＋62 db
⒉ 灵敏度：
直流电压：0-250V 10000Ω/V
1000V 4000Ω/V
交流电压：0-1000V 4000Ω/V
⒊ 环境温度：0-400C
⒋ 频率范围：45-1000HZ

三、使用方法
⒈ 测量前的准备：
使用之先，应注意指针是否指在零位，如不指零位，可调整机械调零的螺丝，使指针指在零位。
⒉ 直流电流测量：
根据所测电流的大小，把开关转到相应的电流档上，测量时把万用表串接在被测电路中，红表笔接触在电路的正端，黑表笔接触在电路负端。
当使用100μA档或是2.5A档时，开关应转到250mA位置上，但红表笔的短杆在使用100μA档时应插在＋100μA的插座内，在使用2.5A档时应插在＋2.5A插座内。电流测量的刻度看第二条刻度线。
⒊ 直流电压测量：
把开关转到被测电压相应的直流电压档上，红表笔接触电路的正端，黑表笔接触电路的负端。测出的电压在第二刻度线上读出。
⒋ 交流电压测量：
与直流电压测量相似，只需把开关转到交流电压范围内。交流10 刻度看第三条刻度线，其它各档看第二条刻度线。
⒌ 直流电阻测量：
先将开关转到电阻档范围内，把红、黑表笔短路，调整“Ω”调整器，使指针指在0Ω位置上（即满刻度位置），再把红、黑表笔开去测被测电阻的两端，即可测出被测电阻的阻值。电阻的读数在第一条刻度线上读出，并须乘上 该档的倍率。
⒍ 负载电流LI和负载电压LV的测量：
在测量元件的电阻时，在该被测元件中流过的电流和它两端存在的端电压简称为负载电流LI，负载电压LV。LI，LV的刻度实际上是电阻档辅助刻度。LI，LV和R之间的关系为LI=LV /R。
LI看第六条刻度线，LV看第七条刻度线。其读数与欧姆档各档的关系如表6.1.1。

表6.1.1

电 阻 档 | R×1 | R×10 | R×100 | R×1K | R×10K
负载电流Li | 0-145mA | 0-14.5mA | 0-1.45mA | 0-145μA | 0-14.5μA
负载电压Lv | 0-1.5V | 0-1.5V | 0-1.5V | 0-1.5V | 0-15V

例如R×100电阻档来测定某元件电阻时，如果测出的阻值为1000Ω，同时在LI，LV刻度上读出LI为0.75mA，LV为0.75V。即表示该元件在两端电压为0.75V时其内部流过的电流为0.75 mA。

⒎ 晶体管HFE，ICEO及极性测定：
把万用表开关转到R×1K处，调好欧姆零位，把晶体管c , e二极插入万用表的晶体管插座c , e二孔内（PNP管插在PNP插座内，NPN管插在NPN管插座内），这时测出的LI即为ICEO。如果指针走出LI的刻度线，可把开关转到Ω×100处再测，但测前仍须从新调好欧姆零位，这时LI的满度值为1.45mA。
测量HFE时，应把开关转到 R×1K，调好欧姆零位，再把开关转到HFE处，把晶体管c , b , e三极插入万用表上的c , b , e插座内，这时在HFE刻度上即可读出HFE的大小。但应注意PNP管看第四条刻度线，NPN管看第五条刻度线（HFE及ICEO为参考值，HFE仅供小功率管测定）。

⒏ 电感电容的测量：
把万用表与一交流电源串联后，红、黑表笔二端即可测量电感或电容。万用表开关的位置及所串联的电源电压可从表6.2.2中查得。

表6.2.2

开关位置 | 串联电源 | 测量范围 | 读 数
10 | 10 | 0～0.5μF | 第三条刻度线
50 | 50 | 0～0.1μF | 第二条刻度线
250 | 250 | 0～0.03μF
10 | 10 | 20～2000H | 第三条刻度线
10 | 10 | 2～200H

⒐ 音频电平（db值）测量：
在一定的负荷阻抗上，测量出音频电压称为“电平”，用于测量放大级的增益和线路输送的损耗，测量单位用“db”来表示。“db”对电压与功率的关系是：

刻度的db数值以10V为标准（－10～＋22 db），读数大于22 db时可换用50-1000V档，并加上表6.2.3中所列的校正值。

表6.2.3

量 限 | 读 数 校 正 值 | 测 量 的 范 围 | 读 数
50 | ＋14 db | ＋4～＋36 db | 第八条刻度线
250 | ＋28 db | ＋18～＋50db
1000 | ＋40 db | ＋30～＋62db

测量时将开关旋转至交流电压档即可测量，电路上如有直流电压时需串一只大于0.1μF的隔直电容器。
四、注意事项
⑴ 在测试时，不应任意旋转开关旋钮。若不知被测量的大小范围，则应先放在最大量程档，然后减小量程到合适为止。
⑵ 测量直流电压、电流时，应注意极性，否则反接后，表针反走易损坏。如果不知极性，宜放在大量程档极。
⑶ 万用表不宜测量较高频率的信号。
⑷ 测量完毕后，应将开关放至交流档位置，使测试笔与内部电表和电路脱离，以防止误置测量档而损坏电表。

6.2.2 DT890型数字式万用表
一、概述
DT890是一种三位半数字万用表。可用来测量直流和交流电压、电流、电阻和二级管、电容、晶体管的HFE参数及电路通断检查。图6.2.2为整机方框图。

图6.2.2 DT890型数字式万用表面板图

二、主要技术指标
⒈ 直流电压量程：200mV ；2V；20V；200V；1000V 精度：±0.5%读数 ＋1字
⒉ 交流电压量程：200mV 精度：±1.2%读数 ＋3字
2V；20V；200V 精度：±0.8%读数 ＋3字
700V 精度：±0.5%读数 ＋1字
⒊ 直流电流量程：2mA；20 mA 精度：±0.5%读数 ＋1字
200 mA 精度：±1.2%读数 ＋1字
10A 精度：±2.0%读数 ＋5字
⒋ 交流电流量程：2 mA；20 mA 精度：±1.0%读数 ＋3字
200 mA 精度：±1.8%读数 ＋3字
10A 精度：±3.0%读数 ＋7字
⒌ 电阻量程： 200Ω 精度：±0.5%读数 ＋3字
2KΩ；20KΩ；200KΩ；2MΩ； 精度：±0.5%读数 ＋1字
20MΩ；200MΩ 精度：±1.0%读数 ＋2字
⒍ 电容量程：2000pF；20nF；200nF；2μF；20μF 精度：±2.0%读数 ＋2字

三、使用方法
⒈ 将黑表笔插入COM插孔，红表笔插入V/Ω插孔（红表笔为“＋”极）。再将量程放至在测量的档极上，按下ON—OFF电键，即可测量。
⒉ 直流电压测量：将开关至于DCV量程范围，并将表笔跨接在被测负载或信号源上。在显示电压读数时同时会指出红表笔的极性来。
⒊ 交流电压测量：将开关至于ACV量程范围并将表笔跨接在被测负载或信号源上。此时，显示器显示出被测电压读数。
⒋ 直流电流测量：
⑴ 当最高测量电流为200 mA时，将黑表笔插入COM插孔内，将红表笔插入A插孔。如测10A档则将红表笔移至10A的插孔。
⑵ 将开关至于DCA量程范围，将试电笔串入被测电路中，红表笔的极性将与数字显示的同时指示出来。
⒌ 交流电流测量：
⑴ 将黑表笔插入COM插孔内，对200 mA红表笔插入A插孔，对10A量程红表笔移至10A插孔。
⑵ 将开关至于ACA量程内并将表笔串入被测电路。此时，显示器显示出被测交流电流读数。
⒍ 电阻测量：将开关至于所需之Ω量程上，并将测试笔跨接在被测电阻两端。如果被测电阻超过所用量程，则会指示出超量程（“1”），需换用高档量程，当被测电阻阻值在1MΩ以上时，此表需数秒方能达稳定之读数。
⒎ 电容测量：
⑴ 在接入被测电容之前，注意显示值须为000，每改变一次量程须重调零（ZERO ADJ）。
⑵ 将欲测电容插入电容插座，有需要时注意连接极性。如当测量有极性电容时注意其极性分别将它插入“＋”（CX符号）插座和“－”（CX下面），否则会使电容损坏（测量前被测电容应先放电）。当测试大电容时，需要长时间方可得到最后稳定读数。
⒏ 声音通断检查
将开关置于“ [image] ”量程并将表笔跨接在欲检查之电路两端，若被检查两点之间电阻值小于30Ω蜂鸣器发出声音，表示电路导通。
⒐ 二极管测量：
将开关置于“ [image] ”档并将试电笔接到二极管两端。电流正向导通，将显示此二极管的正向压降（500mV～800mV），若被测二极管是坏的，将显示“000”（短路），或“1”（不导电）。二极管的反向检查，如果被测二极管是好的，将显示“1”。损坏，就显示“000”或其它值。
⒑ 晶体管 [image] 测量：
将开关置于 [image] 档上，先决定晶体管是NPN还是PNP型的，再将E，B，C三脚分别插入面板上方晶体管插座正确的插孔内，此时显示器将显示出 [image] 之近似值。

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第六部分 常用元器件及测量仪器介绍

6.3 DA16B型毫伏表

[要点提示]
一、概述
二、主要技术指标
三、使用及注意事项

[内容简介]

一、概述：
DA16B型毫伏表采用放大—检波形式，它具有较高的灵敏度和温度稳定性。可用于测量正弦波电压的有效值。本仪器还具有分贝标尺，可用来作电平指示。

二、主要技术指标
⒈ 测量交流电压范围：100μV—300V 共分1，3，10，30，100，300mV，1，3，10，30，300V十一档级。
⒉ 测量电平范围：－72db—＋32db
⒊ 频率范围：20HZ—1MHZ
⒋ 频率响应：20HZ～100K HZ
误差≤±3%；
100K HZ～1MHZ
误差≤±5%
⒌ 交流精度：±3%
⒍ 输入阻抗：1KHZ时输入电阻约为1.5MHZ；在1 mV～0.3V时，输入电容约70pF；
在1V～300V时，输入电容约50 pF

三、使用及注意事项
⒈ 整机方框图如图6.3.1所示。

图6.3.1 DA16B型毫伏表面板图

⒉ 调整机械调零：未接通电源前应先检查电表指针是否指零位置，若有偏差可调整机械调零的螺丝，使指针指在零位。
⒊ 电调零： 接通电源将“输入线”与“接地线”短路，待2～3分钟后，若指针不指零，应调节“电调零”电位器，使指针指零。小于1V的各档，每次换档时，都重校准一次电调零。然后断开输入短路线，即可进行测量。
⒋ 测量电压
⑴ 将“量程范围”开关拨至所需测量范围；
⑵ 在低量程档（如1 mV～1V），测量时应先接地线，然后再接输入线“测量完毕，则以相反顺序取下，以免因人体感应电位，使电表指针急速打向满刻度而损坏表针。
⒌ 注意被测电压中的直流分量不得大于300V。
⒍ 要求接地良好，即接地端与被测电路板的机壳连接良好，以免50HZ干扰，影响测量误差。
⒎ 测量完毕，应将“测量范围”开关放到最大量程（300V），然后关闭电源。

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第六部分 常用元器件及测量仪器介绍

6.4 COS5020B型示波器

[要点提示]
一、概述
二、主要性能指标
三、面板控制键的作用
四、使用方法

[内容简介]

一、概述
COS5020B型示波器是一种双通道示波器，其频带宽度为20 MHZ。它能观察和测定两种不同电信号的瞬变过程，便于两种不同电信号的对比、分析和研究。此外还可以任意选择某通道独立工作，作为单踪示波器使用。

二、主要技术指标
⒈ Y轴系统：
⑴ 频带宽度： AC（交流）：10 HZ～20MHZ －3db
DC（直流）：DC～20 MHZ －3db
扩展×5 ： AC（交流）：10 HZ～15MHZ －3db
DC（直流）：DC～15 MHZ －3db
⑵ 输入灵敏度： 5mV/div～5V/div，按1、2、5顺序进位，分10个档级。 误差：＜3%
扩展×5 ： 1 mV/div～5V/div 误差：＜±5%
微调的增益变化范围：≥2.5倍（连续可调）。
⑶ 输入阻抗：1MΩ//25pF； 经10:1探头为10 MΩ//25pF。
⑷ 最大输入电压：DC：400V（DC+AC [image] ）（AC低于1KHZ）
⒉ X轴系统
⑴频带宽度：DC—1MHZ －3db
⑵ 输入阻抗：约1MΩ//25pF
⑶ 最大输入电压：DC：100V（DC+AC [image] ）（AC低于1KHZ）
⑷ 扫速范围： 0.2μS/div～0.5S/div,按1、2、5顺序分20个档级。误差≤±3%
扩展×10： 0.5μS/div～1S/div, 误差≤±5%
微调的扫速变化范围：≥2.5倍（连续可调）。
⒊ 其它
⑴ 示波管：15SJ118Y41型内刻度，有效工作面8cm×10cm。
⑵ 较准信号（方波）：频率：1 KHZ ±2%
幅度：500mV ±2%
⑶ 环境温度：0～＋400C，可连续使用8小时。

三、控制键的作用
仪器面板各控制键位置如图6.4.1所示

⒈ 显示部分
电 源(POWER):当此开关按下时，指示灯亮，电源接通。
辉 度(iNTEN):控制光点和扫线的亮度。
聚 焦(FOCUS):将扫线聚成最清晰．
标尺亮度(1LLUM):调节刻度照明的亮度。
光迹旋转(TRACEROTATION):用来调整水平扫线，使之平行于刻度线。
⒉ Y轴部分
  AC一 [image] 一DC:输入信号与垂直放大器连接方式的选择开关。
AC:交流耦合.(对于输入信号中含有的直流成分予以切断)
：输入信号与放大器断开同时放大器输入端接地。
DC：直流耦合.(能观察含有直流成分的输入信号)
V/div旋钮和微调(VARIABLE):灰色旋钮是Y轴灵敏度的粗调装置。黄色旋钮是微调，可以连续调节输入信号增益，当此旋钮以反时针转到满度时，其变化范围大于2.5倍，当顺时针旋钮满度转到的"校准"位置上 。按灰色旋钮所指的标称读取被测信号的幅度值。当该旋钮被拉出(X5)扩展状态时，是面板指示值的1／5．
“位移”(POSITION):调节扫线或光点的垂直位置。
“Y”方式(VERTMODE):选择垂直系统的工作方式。
“Y1” “Y2”:单独工作(可作单踪示波器)。
“交替”:Yl和Y2：交替工作，适用于较高扫速。
“断续”：以频率为250kHZ的速率轮流显示Y1，和Y2，适用低扫速。
“相加”:用来测量代数和(Y1+Y2)．若Y2旋钮拉出，则测量两通道之差。
“内触发”(1NTTRIG):选择内部的触发信号源。当触发源开关设置在“内”时，由此开关选择馈送到A触发电路的信号。
Y1(X--Y):Yl输入信号作触发源信号，在X--Y工作时，该信号连接到x轴上。
Y2:Y2输入信号作为触发信号。
Y方式；把显示在荧光屏上的输入信号作为触发信号。当“Y方式”开关置交替时，触发也处在交替方式中，Y1和Y2的信号交替地作为触发信号。
⒊ X轴部分
“t／div”和微调（VARIABLE）：“t／div”旋钮为粗调开关，“（VARIABLE）”旋钮为细调。当此旋钮以反时针转到满度时，其变化范围大于2.5倍，因此，可连续改变扫描速度。顺时针转到满度的“校准”位置上，按“t／div”旋钮所指的标称读取被测信号的扫描速度值。
“位移”(POSITION):可凋节扫线光点的水平位置。扫描波形被扩展部分。
“扫描方式(SWEEP MODE)”: 可选择需要的扫描方式。
“自动”(AUTO): 当无触发信号加入，或触发信号频率低于50Hz时，扫描为自激方式。
常态(NORM)当无触发信号加入时，扫描处于准备状态，没有扫描线。主要用于观察低于50Hz的信号。
“单次”(SINGLE)：用于单次扫描启动、类似复位开关。当扫描方式的三个键均未按下时，电路即处于单次扫描工作方式。当此按钮按下时，扫描电路复位。此时准备灯亮、单次扫描结束后灯熄灭。
“校准信号”（CAL（V [image] ））该输出端提供频率1KHZ，校准电压0.5 V [image] 的方波。
⒋触发部分
外触发(EXTTRIO)(EXT HOR):输入端作为外触发信号和外水平信号的公用输入端。用此输入端时，“触发源开关"应置“外”位置.
“触发源”(SOURCE):选择触发信号。
“内”：内触发开关选择的内部信号作为触发信号.当置“X-Y”(X-Y)工作方式时,起连通信号的作用。
“电源”：交流电源信号作为触发信号。
“外”:外触发输入端的输入信号作为触发信号。
“耦合”(COUPLING):选择触发信号和触发电路之间耦合方式，也选择TV同步触发电路的连接方式。
“AC”:通过交流耦合施加触发信号。
“HFR”：AC耦合，可抑制高于50kHz的信号。
“TV”：触发信号通过电视同步分离电路连接到触发电路，由“t／div”开关选择TV.H或TV.V同步。
TV．H：50μs~O．2μs／ t／div
TV．V：O．5s—O．1ms／div
“DC”:通过直流耦合施加触发信号。
“极性”(SLOPE):选择触发极性。“+”在信号正斜率上触发
“-”在信号负斜率上触发

四、使用方法
⒈ 开机前仪器面板各个控制件位置如表6.4.1所示AC。

表6.4.1

项 目 | 位 置 设 置
辉 度 | 居 中
聚 焦 | 居 中
位 移 | 中间位置，推进去
V/div | 10mV/div
微 调 | 校准（顺时针旋到底）推进去
AC— [image] —DC |
内 触 发 | Y1
触 发 源 | 内
耦 合 | AC
极 性 | ＋
电 平 | 锁 定（逆时针旋到底）
释 抑 | 常 态（逆时针旋到底）
扫描方式 | 自 动
t／div | 0.5ms/div
微 调 | 校准（顺时针旋到底）推进去
位移 | 中间位置

⒉ 使用前的校准
⑴ 接同电源，指示灯亮，预热15分钟。
⑵ 调节辉度、聚焦、辅助聚焦旋钮，亮度适中，时光迹清晰。
⑶ 将触发电平反时针方向转动，使标准信号与通道相连，直至方波波形得到同步，然后用Y移位、X移位将波形移至屏幕中间。
⑷ 如果屏幕显示方波的其垂直幅度不是恰好为5格，必须调整垂直系统的“增益校准”，使其幅度恰为5格。当水平时基轴上的宽度不是恰好为10格时，必须调整水平系统的“扫描校准”，使其周期的宽度恰为10格，如图6.4.2所示。

图6.4.2校准示波器Y轴（v/cm）和X轴（t/cm） 图6.4.3测量脉动电压

⒊ 直流电压测量
被测信号中,如含有直流电平，且此直流电平亦需进行测量时，首先应确定一个相对的参考基准电压，一般情况下的基准电压直接采用仪器的低电位，其测量步骤如下：
⑴ 将Y输入耦合选择开关置于“ [image] ”，触发方式置于“自动”的自激工作状态，使屏幕上出现一条扫描基线，调“ [image] ”移位电位使光迹向下移在某一特定基准位置,定为0V，如图6.4.3所示。并按被测信号的幅度和频率将V/div档级开关和t/div扫速开关置于适当位置。
⑵ 将输入耦合选择开关改置于“DC”位置，并将信号直接接入仪器的Y轴输入插座，然后调节触发“电平”使信号波形稳定。
⑶ 信号波形各分量如图6.4.3所示，被测信号的各电压值计算如下：
① 若仪器V/div档级的标称值为0.2 V/div。则：
被测信号交流分量： U [image] =0.2V/div×A格=0.2A（V）
被测信号直流分量： U=0.2 V/div×B格=0.2B（V）
被测信号R的瞬时值： Ur=0.2 V/div×C格=0.2C（V）
② 如果Y轴给X端使用10 : 1衰减探极。则：
被测信号交流分量： U [image] = U [image] =0.2V/div×A格×10=2A（V）
被测信号直流分量： U=0.2 V/div×B格×10=2B（V）
被测信号R的瞬时值：Ur=0.2 V/div×C格×10=2C（V）
⒋ 交流电压测量：
⑴ Y输入耦合选择开关置于“AC”，V/div档级开关和t/div扫速开关根据被测信号选择适当的档级，并将被测信号直接输入仪器的Y轴输入端，调节触发“电平”，使波形稳定如6.4.4所示。

图6.4.4测量峰—峰值电压 图6.4.5测量时间

⑵ 如灵敏度V/div档级标称值为0.1V/div，Y输入使用直接输入方式，则被测信号的峰—峰值电压应为：U [image] =0.1V/div×D格=0.1D（V）
⒌ 时间测量：
⑴ 对时基扫速t/div进行校准，即可对被测信号波形上任意两点的时间间隔参数进行定量的测量。
⑵ 适当调节t/div扫速档级，使被测信号波形两点P与Q的距离，在屏幕的有效工作面积内达到最大限度，以提高测量精度。如图6.4.5所示。
⑶ 若在X轴线上P与Q间的距离为D格，并假定t/div扫描开关档级的标称值为2ms/div，则：t=2ms/div×D格=2D（ms）
⒍ 频率测量：
⑴ 对于重复信号频率的测量，可按上述公式先测出信号的周期，然后用频率与周期关系，计算出频率值。
f(HZ)=1/T（S）
⑵ 借助已知频率的信号发生器，用李沙育图形方法也可以测出信号源的频率值。
① 将被测信号fy输入Y1输入插座，而将已知频率信号fx输入于Y2输入插座
② 据屏幕上显示李沙育图形的比值已知频率信号fx，计算被测信号的频率值fy（见模拟电路实验一）。
⒎ 脉冲上升时间的测量
将仪器的时基扫速t/div先校准，然后可对脉冲的前沿上升时进行测定。
⑴ 按照被测信号的幅度选择V/div档级，并调节灵敏度“微调”电位器，务使屏幕上所显示的波形垂直幅度恰为5div。
⑵ 调节触发“电平”及水平移位电位器，并按照脉冲前沿上升时间宽度，选择适当的t/div扫速档级，使屏幕上显示信号波形如图6.4.6所示。
⑶ 根据屏幕上坐标刻度上显示的波形位置，读测信号波形的前沿在垂直幅度的10%与90%两位置的时间间隔距离为Ddiv，若t/div扫速档级的标称值为0.1μs/div，D=1.6格，则前沿上升时间

其中：t1为垂直幅度10%与90%的时间间隔。
t2为仪器固有上升时间，约有70ns。

⒏ 脉冲宽度测量：
首先是屏幕中心显示出Y轴幅度为2～4div的脉冲波形，再调节t/div开关使它 在屏幕显示X周方向占4～6div的幅度，如图6.4.7所示。此时，脉冲前沿及后沿的中心点距离D为脉冲宽度时间T，其计算公式与前述相同。
即：T=t/div×D（div）

图6-4-6 测量脉冲波的前沿 图6-4-7脉冲宽度时间的测量

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第六部分 常用元器件及测量仪器介绍

6.5信号发生器

[要点提示]

1、XD2型信号发生器
2、YB1639函数信号发生器

[内容简介]

6.5.1 XD2型信号发生器
一、概述
XD2型信号发生器是一种多用途的RC信号发生器，它能产生1HZ～1M HZ的正弦波震荡信号，最大输出电压为5V，最大衰减量为90db。可作为相应频段的信号源使用。

二、技术指标
⒈ 频率范围及误差
① 1 HZ～10 HZ
② 10 HZ～100 HZ
③ 100 HZ～1K HZ 误差：±1%＋0.3 HZ
④ 1K HZ～10K HZ
⑤ 10K HZ～100K HZ
⑥ 100K HZ～1M HZ 误差：±1.5%＋0.3 HZ
⒉ 频率特性和非线性失真
①频率特性：＜±1 db
②20 HZ～20K HZ 范围的非线性失真＜±0.1 db
⒊ 输出电压＞5V（连续可调）
⒋ 输出衰减：在80 db内，误差 ＜±1.5 db
在90db时，误差 ＜±5 db
三 、使用方法
⒈ 仪器面板旋钮布置如图6.5.1所示。

图6.5.1XD2信号发生器平面图

⒉ 准备工作：将“输出细调”旋钮反方针方向旋到底，接通电源，指示灯亮。预热15分钟
⒊ 频率选择：将“频率范围”开关拨至所需频段，然后再拨“频率调节”三个旋钮（
×1、×0.1、×0.01），按照十进制原则细调到所需的频率。
例如：“频率范围”指10K HZ～100K HZ档，“频率调节×1”指5，“频率调节×0.1”指6，“频率调节×0.01”指2，这是震荡器输出信号频率是56.2 K HZ。
电压输出：由“输出”接线柱上输出，输出电压在1V—5V范围内，“输出衰减”旋钮拨至0db，输出电压大小由本机电压表直接读出。
如需要电压小于1V以下信号时，可再用粗衰减器进行适当的衰减，这时实际输出电压为电压表指示值乘以“输出衰减”所对应的分贝数所缩小的倍数。

注：分贝（db）的定义为

其中U1为进行比较的基准电压，即电表的指示数，U2为被比较的电压即输出电压。对图6.5.2衰减器而 言，分贝数是负的。0-90 db的衰减量与电压比之间的关系见表6.5.1

图6.5.2衰减分压器

表6.5.1

衰减db数 | 电压衰减倍数 | 电压满偏时，实际输出电压（Ｖ） | 输出阻抗的近似值
0 | 0 | 5 | 5KΩ
10 | 3.16 | 1.58 | 1.5KΩ
20 | 10 | 0.50 | 500Ω
30 | 31.6 | 0.16 | 150Ω
40 | 100 | 0.05 | 50Ω
50 | 316 | 0.016 | 15Ω
60 | 1000 | 0.005 | 5Ω
70 | 3160 | 1.58mV | 1.5Ω
80 | 10000 | 0.50mV | 4Ω
90 | 31600 | 0.16mV | 1.5Ω

由表可见当输出衰减置于－40 db档时，可获得0～50mV的输出信号；置于－80档时，可获得0～0.5mV的输出信号。

四、注意事项
⒈ 外加负载要与所选输出衰减档的总阻值相匹配，否则将引起波形失真和电表读数误差；
⒉ 将被测电路介入仪器输出端时，地端一定要和被测电路的机壳相接，以免感应50HZ的干扰信号。

6.5.2 YB1639函数信号发生器
一、概述
本仪器是由晶体管构成的小型函数信号发生器。能产生0.2 HZ－2M HZ的正弦波，方波，三角等信号。
二、主要技术性能
⒈ 电压输出：
⑴ 频率范围：0.2 HZ－2M HZ
⑵ 输出阻抗：50Ω
⑶ 调频电压范围：0～10V
⑷ 调频频率：0.2 HZ－100 HZ
⑸ 频率响应：0.2 HZ－200 KHZ ±0.4db
200KHZ－2MHZ ±1.5db
⑹ 输出电压幅度：≥20V [image] （ 负载开路） ≥10V [image] （50Ω负载）
⑺ 衰减精度：≤±3%
⑻ 直流偏置：10V～－10V（负载开路） 5V～－5V（50Ω负载）
⒉ TTL输出：
⑴ 输出幅度≥＋3V
⑵ 输出阻抗：600Ω
⒊ 功率输出：
⑴ 频率范围：0.3 HZ－30KHZ （正弦波，三角波可达300 KHZ）
⑵ 输出电流：1A
⑶ 输出电压：50 V
⑷ 输出特征：纯电阻性
⒋ 频率计数：
⑴ 时基频率：102MHZ
⑵ 测量范围：0.12HZ ～10 MHZ
⑶ 测量精度：±1%（±1个字）
三、面板控制键作用
面板结构如图6.5.3所示

图6.5.3 YB1639函数信号发生器平面图

⒈ 电源开关：按键弹出即为“关”位置，按下接通电源。
⒉ 显示窗口（LED）：指示输出信号频率。“外侧”开关按下，显示外侧信号的频率。
⒊ 频率调节旋钮（FREQVENCY）：可改变输出信号频率，顺时针旋转，频率增大，反之，减小。
⒋ 对称性（SYMMETRY）：按下“对称性开关”指使灯亮，调节“对称性旋钮”可改变波形的对称性。
⒌ 波形选择开关（WAVEFORM）：按下对应波形的某一键，可选择所需波形。三只键都未按下，无信号输出，此时为直流电平。
⒍ 衰减开关：电压输出衰减开关由2档组合为20db、40db、60db三种形式。
⒎ 频率范围选择（兼频率计数）开关：根据所需可按下其中一键。
⒏ 功率输出开关（POWEROUT）：按下此键，功率指示灯变绿色，如果该指示灯由绿色变为红色，则输出短路或过载。
⒐ 功率输出端：为电路负载提供功率输出，负载因为纯电阻。如负载是容性或感性
应串入10W/50Ω左右电阻（最大幅度输出时）。
⒑ 直流偏置（OFFSET）：按入“直流偏置开关”指示灯亮，此时调节“直流偏置旋钮”，可改变直流电平
⒒ 幅度调节旋钮（AMPLITUDE）：顺时针旋转，增大“电压输出”、“功率输出”的输出幅度。逆时针旋转减小“电压输出”、“功率输出”的输出幅度。
⒓ 外侧开关（COVNTER）：按入此键，显示外侧信号频率。外侧信号由输入插座输入。
⒔ 单次开关（SANGLE）：当“SGL”开关按入，单次指示灯亮，仪器处于单次状态，每按一次“TRIG”键，电压输出端口输出一个单次波形。

四、使用方法
⒈ 按下电源开关，接通电源，指示灯亮。
⒉ 按“波形选择”键，选择所需波形。
⒊ 按“频率范围”键，选择输出频率量程。
⒋ 信号输出幅度可通过“衰减”按键，选择适当的衰减量，再通过“输出幅度”旋钮，可对输出幅度进行连续可调。
⒌ 衰减按键的作用见表6.5.2

表6.5.2

20db | 40db | 衰 减 结 果 | 电压衰减倍数
0 | 0 | 0 db | 0
1 | 0 | 20 db | 10
0 | 1 | 40 db | 100
1 | 1 | 60 db | 1000

表中“0”表示按键弹出，“1”表示按键按下。

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第六部分 常用元器件及测量仪器介绍

6.6 XFG—7高频信号发生器

[要点提示]
一、概述
二、主要性能指标
三、使用方法
四、注意事项

[内容简介]

一、概述：
XFG—7高频信号发生器是一种载波频率范、调制度范围为（0—100%）连续可调的标准高频信号源。可用于调整，修理各种接受机，此外，还可用于测试器、调制器，滤波器和高频放大器等。

二、主要技术性能
⒈ 频率范围：100HZ— 30MHZ 共分八个频段
⒉ 频率刻度误差：±1%
⒊ 输出阻抗与输出电压：
⑴ 在“0—0.1V”插件中，接有分压电阻的电缆终端输出为
接点“1”，输出电阻为“40Ω”，输出电压1μV～100000μV连续可调。
接点“0.1”输出电阻为“8Ω”，输出电压“0.1 μV～10000μV连续可调。
⑵ 在“0～1V“插件中，开路输出电压为0～1V连续可调，输出电阻为400Ω。
⑴ 内部调制频率有400HZ—和1000HZ两档，均为±5%
⑵ 外部调制信号可用XD2低频信号发生器供给。

三、使用方法
⒈ 仪器面板各旋钮布置如图6.6.1所示.

图6.6.1 XFG—7高频信号发生器面板图

⒉ 接通电源前，应检查两个表头”V”和”M%”的指针是否指零点，可调”机械调零”电位器。
⒊ 将各旋钮置起始位置，即将“载波调节”、载波输出“微调”、“倍乘”、“调幅调节”各旋钮都反时针旋到底。
⒋ 高频等幅输出
⑴ “调幅选择”开关置于“等幅”。
⑵ 接通电源，预热30分钟。
⑶ 电零校正：将“波段”置于任意二档之间（空档），使震荡器不工作，这时，如果表头“V”有指示，说明零点没有调好，应调节“V”零点电位器，使指针指零。调好零点后，将“波段”开关拨到所需波段。
⑷ 频率选择：用“调谐”旋钮调节至需要的频率。
⑸ 输出电压选择：调节“载波调节”旋钮，使伏特指针指“1”（红线处）。
① 若要求输出大于0.1V应选“0—1V”插孔。
② 若要求输出在0.1V以下应选“0—0.1V”插孔。
在根据所需输出电压选择输出插孔时，应调节“输出——倍乘”及“输出——微调”旋钮，必须使电压表“V”指针指在“1”上。
例如：如输出“0～0.1V”插孔，“输出——倍乘”指10，“输出——微调”指2，则在电缆终端0.1处的输出电压是10×2×0.1=2μV；在电缆终端1处的输出电压是10×2×1=20μV；
⒌ 调幅波输出：
⑴ 内调节：“调幅选择”放在“400 HZ”或“1000HZ”处。调节“调幅度调节”由M%表直接按指示调幅度。一般在30%调幅度的调幅波用得较多。
⑵ 外调制：“调幅选择”置于“等幅”位置。由外“外调幅输入”按入外部音频（低频）信号源。信号源必须在20KΩ负载上能有100伏电压输出，才能在（50 HZ—8KHZ）范围内达到100%的调幅。这时，“调幅选择”置于“等幅“位置上。

四、注意事项
⒈ 在调制（外或内调制）工作时，因M%指针指示的调幅度，仅在伏特计指在“1”时是正确的。因此，必须随时调节“载波调节”。使伏特计指针始终保持在“1”处。
⒉ 在应用“0—1V”插孔时，须用插孔盖将“0—1V”插孔盖等。

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第六部分 常用元器件及测量仪器介绍

6.7 BT—3C型频率特性测试仪

[要点提示]
一、概述
二、主要性能指标
三、面板控制键的作用
四、使用方法
五、注意事项

[内容简介]

一、概述
7BT—3C型频率特性测试仪又称扫描仪，它是一种能够直接在示波管的荧屏上显示被测电路频率特性曲线的电子仪器。本仪器还具有三项辅助功能：
⒈ 可输出＋12V（0.5）直流电压，供测试过程中使用。
⒉ 可输出0—＋6V可调的AGC电压，供电视高频调谐器测试使用。
⒊ 仪器可以输出稳幅的单频信号，亦可作为一般信号发生器使用。

二、主要性能指标
⒈ 扫频中心频率：1—300/450MHZ
⒉ 扫频宽度：最大扫频宽度≥30 MHZ
最小扫频宽度≤1 MHZ
⒊ 扫频线性误差：≤10%
⒋ 寄生调幅系数：≤8%
⒌ 频率标志：1 MHZ、10 MHZ、50 MHZ及外接四种
⒍ 输出衰减：细衰减1db×９，1db步进　　　误差：≤±０.５db
          粗衰减10db×７，１０db步进　误差：≤±（０.2＋０.03Ａ）db
Ａ为标称衰减值
⒎ 输出电压：≥０.5Ｖrms（有效值）
⒏ 输出阻抗：75Ω
⒐ 检波探头：输出电容≤５pF，直流耐压≤300Ｖ
⒑ 75Ω检波器：频率范围：1～500MHZ，灵敏度：≥10mV/50 mV射频信号

三、面板控制键的作用
面板控制键的布置如图6.7.1所示
⒈ 电源的辉度—电源开、关辉度调节。顺时针旋转时，亮度增强，反之减弱。
⒉ 聚焦—调节聚焦，可使扫描线清晰。
⒊ Y移位—调节外移位可使扫描线上、下移动。
⒋ Y增益—可调节外输入信号的大小，拉出为直流输入，按入为交流输入。
⒌ 衰减—可使外输入信号按1、10、100倍衰减。
⒍ 影象开关—可使显示的图形上、下倒向。
⒎ 工作方式开关—可使信号源输出为扫频信号或连续点频信号。
⒏ 扫频宽度—可调节扫频信号的频偏大小。
⒐ 粗（细）衰减—可调节输出信号的大小。
⒑ 中心频率—使中心频率（1～300/450 MHZ）连续可调。
⒒ 频标的幅度—可调节频标信号的小。
⒓外频标入—可检查外部信号的频率，或本机输出信号的频率。
⒔频标选择开关—可使频标显示分别在外频标，1 MHZ和10 MHZ，50 MHZ频标。

图6.7.1 BT—3C型频率特性测试仪面板图

四、使用方法
⒈ 接通电源前，把各控制键的作用置于表6.7.1中。

表6.7.1

控 制 键 | 作 用 位 置
电源开关 | 右旋到底
Y增益旋钮 | DC
衰减 | 1
影象开关 | ＋
工作方式开关 | 扫频
扫频宽度 | 右旋到底
衰减器 | 0db
频标幅度 | 右旋到底
频标选择开关 | 1、10或50

⒉ 接通电源，坐标灯亮。
⒊ 调节Y移位和Y增益，使扫频和基线出现在屏幕的有效面积之内，调节聚焦，使扫描线和频标均清楚，然后即可进行本机主要技术指标的检测和被测放大设备的频率特性曲线的调试。
如：⑴ 本机扫频中心频率的检查
把“频标选择开关”置50，把“中心频率旋钮”从左至右缓慢旋转，通过屏幕中心的50MHZ大频标应有六/九个。
⑵ 本机频率宽度检查
把“频标选择开关”置1、10，“扫频宽度旋钮”右旋到底，再将“中心频率旋钮”从左至右缓慢旋转，检查最大扫频宽度不小于30MHZ，然后再把“扫频宽度旋钮”左旋到底，最小扫频宽度不大于1MHZ。

五、注意事项
⒈ 被测设备的输入端不允许有直流电位。否则，会导致仪器不能正常工作，严重者会损坏仪器。
⒉ 仪器的输出阻抗与被测件的输入阻抗必须匹配。否则，会造成反射，使测量不准确。
⒊ 仪器输出信号不宜过大，会使有源器件饱和，测出的则是失真图形曲线。

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第六部分 常用元器件及测量仪器介绍

6.8 BS1型失真度测试仪

[要点提示]
一、概述
二、主要技术性能
三、使用方法

[内容简介]

一、概述
BS1型失真度测试仪采用全晶体化电路。其主要用途为测量音频信号的谐波失真程度，最小失真度可测到0.03%。此外，还可单独作为平衡或不平衡晶体管电压表，测试交流电压和噪声。

二、主要技术性能
⒈ 失真度测量
⑴ 频率范围（基波）：不平衡：2HZ—200KHZ共分五档。
平 衡：20HZ—40KHZ共分三档。
⑵ 失真度范围：0.1%—100%（满刻度）共分七档。
⑶ 输入信号范围：不平衡：300mV—300V
                  平 衡：300mV—１0V
⑷ 频率刻度准确度：优于±５％。
⑸ 失真度准确度：±100%（满刻度）±0.01%（20Hz—200KHz）。
⒉ 电压测量：
⑴ 电压范围：不平衡：1 mV—300V（满刻度）共分十二档。
平 衡：1 mV—10V（满刻度）共分九档。
⑵ 频率范围：不平衡：4HZ—1MHZ±1db。
2HZ—4HZ±1.5db。
平 衡：20HZ—40KHZ±1db。
⑶ 输入阻抗：不平衡：1MΩ±5%。
平 衡：600Ω±3%；10KΩ±10%。
⑷ 电压表准确度：±3%（满刻度）以1KHZ为基准。

三、使用方法
⒈ 面板各控制旋钮布置如图6.8.1所示。
⒉ 接通电源前，应将“分压开关”置于“1V”位置，工作开关置于“电压位置，衰减器开关置于”50db“位置。然后接通电源，指示灯亮，预热15分钟后即可测试。
⒊ 电压测量（不平衡输入）
⑴ 将“分压开关”至于“1V”，工作开关至于电压位置。
⑵ 将被测电压从不平衡输入送入，电压表即有指示。
⑶ 控制“衰减开关”及改变“分压开关”位置即量程，可以从电压表上直接读出被测信号电压有效值。
⑷ 测量完毕，将各开关恢复到“2”位置。
⑸ 电压和电平测量（平衡输入）
测量方法同上。只需将被测电压从电缆平衡输入送入，若取分贝读数在平衡输入端要并接600Ω电阻。
⒋ 失真度测量（不平衡输入）
⑴ 将工作开关置于“电压”位置，分压器开关置于“1V”位置。
⑵ 将被测电压从输入电缆送入，测出被测电压值。

图6.8.1 BS1型失真度测试仪面板图

⑶ 将频率开关置于相应被测信号频率的波段，调节“调谐”旋钮，使频率刻度盘上指示出被测信号的频率。
⑷ 将工作开关置于“校准”位置，使电压表指示“1V”，然后将工作开关置于“失真度”位置。
⑸ 反复调节“调谐”及“校准”和“微调”旋钮，使电压表指示至最小为止，相应地改变“分压开关”位置，即可从电压表上直接读出失真度的百分数。
⑹ 测量完毕将分压器开关恢复到“1V”位置，工作开关放于“校准”位置。电表指示满度（1V），若指示改变，则应重新按3、4项方法测试。
⑺ 平衡信号失真测量
测量方法同上，只需将输入信号由电缆按入平衡输入端，控制变阻开关（600Ω—10KΩ）和衰减器开关，使此时电压表指为300mV—1V，然后按上述方法进行测量即可。
⒌ 无论电压测量或失真度测量，应将本仪器与被测仪器及其它仪器的地线接在一起。

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第六部分 常用元器件及测量仪器介绍

6.9 HC—F1000型多功能频率计

[要点提示]
一、概述
二、主要技术指标
三、使用方法

[内容简介]

一、概述
本仪器是一个10HZ— 1000MHZ多功能计数器。它具有8位亮度等级LED显示，4功能作业，并具备高稳定性的晶体振荡器保证测量精度和全输入信号检查。可用来测量频率、时间、周期、计数。

二、主要技术指标
⒈ 频率测量：（A通道）量程：10HZ— 10MHZ 直接计数
10MHZ— 100MHZ 按1:10计数
分辨率：直接计数：1 HZ、10 HZ、100 HZ任选
按 比 例：10 HZ、100 HZ、1000 HZ任选
闸门时间：0.01s、0.1s、1s任选
精 度：±1计数值±基准时间误差×频率
（B通道）量 程：100MHZ— 1GHZ
分 辨 率：100 HZ、10KHZ、10KHZ
闸门时间：2.7s、0.27s、0.027s
精 度：±1计数值±基准时间误差×频率
⒉ 周期测量（A通道）量 程：大于10HZ即可或 15HZ—4MHZ
分辨率：10－7s、10－8s、10－9s任选
精 度：±1计数值±基准时间误差×周期
⒊ 累计测量（A通道输入）：量 程： 10HZ—10MHZ
分辨率：±1输入计数值
⒋ 输入特性（A通道）输入灵敏度：
10MHZ量程：10HZ—8MHZ 25mVrms（有效值）
8MHZ—10MHZ 50mVrms（有效值）
100 MHZ量程：10MHZ—80MHZ 25mVrms（有效值）
80MHZ—100MHZ 50mVrms（有效值）
衰 减：×1、×20固定
滤 波：低通～100KHZ，－3db
150KHZ，－3 db（20 db ATT）
输入阻抗：约1MΩ//35pF
（B通道）输入灵敏度：25mVrms
输入阻抗：约50Ω
一、面板控制件的作用
面板控制件布置如图6.9.1所示。

图6.9.1 HC—F1000型多功能频率计面板图

⒈ 电源开关：按下按钮则打开，再按一下则关闭。
⒉ 暂停：暂停开关按下，中止测量，并保持中止前数据。
⒊ 复位：被按下时，立即复位计数器，可开始新一轮的测试。
⒋ 闸门周期：用于频率、周期测量时，选择不同的分辨率及计数器计数的周期。
⒌ 自校：主要检查整个计数器是否正常和基准时间的精度。按下此键选择闸门周期显示的数据如表6.9.1所示。

表6.9.1

闸门时间 | 0.01s | 0.1s | 1s
显示器读数 | 10000.0 | 10000.00 | 10000.000

⒍ A.TOT：累计测量
⒎ A.PERI：周期测量
⒏ A.FREQ. 10MHZ：10HZ—10MHZ 量程。
⒐ A.TREQ. 100MHZ：10HZ—100MHZ 量程。
⒑ B.FREQ：按下该按钮，频率范围。 100MHz—1000MHz
⒒ ATT：输入信号衰减开关。当按下时，输入灵敏度被降低20倍。（注：当A通道输入信号幅度大于50V时必须按下此开关。）
⒓ A.INPUT：A通道输入端。当输入信号幅度大于300mV时，应按下衰减开关ATT降低输入信号，能提高测量值的精确度。
⒔ B.INPUT：B通道输入端。
⒕ 闸门指示：指示闸门的开关状态，门开时显示亮点。
⒖ 益出指示器：显示超出8位时灯亮。
⒗ K HZ 信号器：显示器所显的频率单位。
⒘ MHZ 显示器所显示的频率单位。
⒙ μs信号器：显示器所显示的周期单位。

三、使用方法
⒈ 接通电源，数字管亮。预热15分钟。
⒉ 按下“复位开关”使计数复位(0), 即可进行测试。
⒊ 若重新计数时，必须再次复位置0，方可进行新一轮测试。

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第六部分 常用元器件及测量仪器介绍

6.10 HH1713型双路直流稳压电源

[要点提示]
一、概述
二、主要技术性能
三、面板控制件作用
四、使用方法及注意事项

[内容简介]

一、概述
HH1713型双路直流稳压电源具有步进换档、电压连续可调的功能。并采用了高质量的磁电式表头指示输出，因此指示精度较高，电子测量中为被测电子电路提供能量的一种电子设备。

二、主要技术性能
⒈ 输出电压：0—30V连续可调，（3V步进，共10档）
⒉ 输出电流：0—2A（双路）
⒊ 电压误差：≤3%（满量程）
⒋ 源效应：≤1×10-4＋2 mV
⒌ 负载效应：≤2×10-4＋2 mV
⒍ 输入电压：220V±10% 50HZ±5%

三、面板控制件作用
⒈ 面板控制件布置如图6.10.1所示

图6.10.1 HH1713型双路直流稳压电源面板图

⒉ 面板排列
⑴ “表头”—将“电压表/电流表开关”，弹出或按入可指示各路输出电压值或输出电流值。
⑵ 电压选择—分左、右两档，顺时针方向调节输出电压增大（粗调范围，3V步进）
⑶ 电压微调—各档微调在±3V。
⑷ 电压输出接线柱—接线柱上方标有＋、 －字样，“＋”（红色）是电源的正端，“－”（黑色）是电源的负端。

四、使用方法及注意事项
⒈ 接通电源前，检查电源输入、输出端有无短路现象。
⒉ 将面板各旋钮、步进选择开关调到最小值。
⒊ 开启电源开关，即有电压输出可调使用。如果开启电压后，表头无指示，用万用表检测是否有输出，如各档均无输出，应停机检查。在使用过程中，出现无输出时，应先检查外电路是否过载（或短路）。排除故障，若仍无输出，应停机检查。

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实验教学 -- 实验一 常用实验仪器的使用

实验一 常用实验仪器的使用

    一、实验目的
    1． 认识本实验室的仪器，了解其功能、面板标识、换挡开关与显示。
    2． 作简单的测量练习，了解仪器的操作要领与注意事项。
    二、预习要求
    学生课前预习本实验的问题，初步认识本实验室基本仪器的功能、接线方法、换挡开关的操作，如有条件最好能阅读仪器的说明书。准备画仪器面板图的纸笔，以备上课用。每组准备一台小收音机，供测量波形用。
    三、实验内容
    教师介绍本实验室各种仪器（外观、型号、功能、面板、标识、参数、特性、仪器的接线和测量方法、使用注意事项等）；学生分组，每组一套仪器，按照实验习题和教师的要求，边操作边记录。本课程的常用仪器除万用表外，应包括可调直流稳压电源、低频信号源、毫伏表和示波器。
    按教师要求完成实验报告。
    四、实验步骤建议
    1． 用万用表测量直流稳压电源的输出电压，记录其可调范围。
    2． 用示波器测量低频号源的信号波形，初步掌握示波器的使用方法，调出3～5个完整周期、幅度适中的稳定波形，估测信号的频率和幅度。详细记录操作过程和出现的问题。
    3．用示波器测量正弦波信号，记录其波形、频率、幅度。再用毫伏表测量同一个波形，对其幅度的结果进行核对（注意：毫伏表的读数是有效值）。
    4．用示波器测量小收音机的音频输出（从扬声器的音圈接点上引出信号），观察屏幕上的波形与扬声器中声音的音量、音质的对应关系，并作记录。
    5．每人画一套仪器面板图，详细标注所有的文字符号，在实验报告中对所有的英文进行翻译。
    6．在实验报告中对每种仪器的"使用步骤"和"注意事项"作简明扼要的描述（最好用图、表）。
    五、实验习题（仅就本实验室中现有仪器回答下列问题）
    1.2.1 稳压源的输出是否可调？如果不可调怎么办？
    1.2.2 稳压源的输出有几组？如果只有一组输出，现在需要两组对称输出的电源（例如OCL功率放大器、运算放大器等的供电电源）怎么办？
    1.2.3 怎样测稳压电源的输出电流？直接用万用表的电流挡测量稳压电源的输出端可以吗？为什么？
    1.2.4 用毫伏表测量交、直流混合波形的信号，读数代表什么含义？
    1.2.5 用毫伏表测量非正弦波形的信号，读数代表什么含义？
    1.2.6 用示波器测量直流信号时应注意什么问题？
    1.2.7 用示波器测量交、直流混合波形的信号，从不同的输入端（AC端或DC端）输入信号，屏幕波形各代表什么含义？
    1.2.8 人的语言信号波形与唱歌信号的波形有什么明显的区别？如果想要观察你自己的语音信号波形，应当怎么办？
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实验教学 -- 实验二 基本放大电路

实验二 基本放大电路

    一、实验目的
    1. 熟悉放大器的工作过程。
    2. 掌握放大器工作点的调整与测量方法。
    3. 熟悉示波器测试交流信号波形的方法及交流毫伏表的使用方法。
    4. 观察和研究静态工作点对放大电路工作的影响。
    二、预习要求
    1． 课前复习教材中基本共发射极放大电路和基本共集电极放大电路的有关内容，预习本实验习题，并进一步熟悉示波器的正确使用方法。
    2． 根据实验电路图和实际元器件参数，估算出电路的静态工作点。
    3． 根据实验习题设计实验数据表格，供实验测试时记录数据用。
    三、实验电路及测量原理
    实验测试电路如图所示。

(a) |  | (b)
 | 图2.1 基本放大电路 |

    1．电路参数变化对静态工作点的影响
    放大器的基本任务是不失真地放大信号，实现输入变化量对输出变化量的控制作用。要使放大器正常工作，除有保证放大器正常工作的电压外，还要有合适的静态工作点。
    放大器的静态工作点是指放大器输入端短路时，流过三极管的直流电流I BQ、I CQ及管子C、E极之间的直流电压V CEQ和B、E极之间的直流电压V BEQ。
    由图2.1(a)可知 [image] 　（2-1）；　由图2.1(b)可知　 [image] 　（2-2）
    对于硅管V BEQ＝0.6～0.8V，对于锗管V BEQ＝0.1～0.3V。
    由以上两式可知，当管子确定以后，改变V CC、R B、R C（或R E）中任一参数值，都会导致静态工作点的变化。当电路参数确定以后，静态工作点主要通过R P调整。工作点偏高，输出波形易产生饱和失真；工作点偏低，输出波形易产生截止失真。但当输入信号过大时，管子将工作在非线性区，输出波形会产生双向失真。
    2．静态工作点的测量与调整
    静态工作点的测量，就是测量三极管各电极对地的直流电压V B、V C和V E，通过计算得到静态工作点值。
    静态工作点的调整，就是当测量得到的静态工作点不合适，或通过示波器测得的输出波形出现饱和或截止失真时，调整基极偏置电阻的大小，使静态工作点处于合适的位置。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　>>１ ２

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实验教学 -- 实验二 基本放大电路

实验二 基本放大电路

    四、实验内容
    1．按实验电路图2.1(a)接线，用收音机作信号源，扬声器作负载，使用示波器测量扬声器音圈接点上的输出信号，并观察输出波形与扬声器音量之间的关系。
    2．用音频信号源在电路和输入端加入频率为1kHz的正弦信号，示波器接在电路输出端，调整输入信号幅度，使输出端得到的波形最大而不失真。在增大v i过程中，若输出波形出现饱和或截止失真，则要调整基极偏置电阻R P，直到v i略有增加，输出波形同时出现饱和和截止失真，再略减小输入信号幅度，便完成静态工作点的调整。
    3．保持静态工作点不变，撤去信号源，用万用表（直流挡）测量V B、V C、V E值的大小，将数据填入表2-1中，并与实验习题中计算好的结果相比较。
                                                          表2-1

V B(V) | V C(V) | V E(V) | V BE(V) | V CE(V) | I CQ(mA)

    4．调节R P，使R B=R B1+R Pmax=R Bmax，重复实验内容1、2、3。
    5．调节R P，使R B=R B1+R Pmin=R Bmin，重复实验内容1、2、3。
    6．改变电源电压分别为3V、6V、9V，重复上述实验内容1、2、3。
    7．用电烙铁烘烤管子，使管子温度升高。观察I CQ、V CEQ的变化。
    8．电路结构与元器件数值不变，更换另一只 值有差异的管子，观察I CQ、V CEQ的变化。
    9．用8～100 电阻作负载，音频信号源作输入信号，观测v o随负载电阻阻值的变化情况。
    10．实验电路改为图2.1(b)所示共集电极形式，重复上述实验内容1～8。
    五、实验报告要求
    1．整理实验数据，计算出静态工作点，填入自拟的数据表格中，并与实验习题中计算的静态工作点的理论值相比较。
    2．通过实验，总结改变电路参数R B、V CC、R C（或R E）对工作点及输出波形的影响。
    3．根据实验中出现的现象或问题，写出分析报告。
    六、实验习题
    2.1 什么是最佳工作点？如何用实测方法确定放大器的最佳工作点？写出详细步骤。
    2.2 什么是放大器的不失真动态范围？怎样测量放大器的不失真动态范围？
    2.3 比较图2.1(a)与图2.1(b)，说明电路结构上的异同点。
    2.4 按实验电路图示参数，计算出各自的静态工作点，与实验结果比较。
    2.5 电路中R B的作用是什么？当R p变化时，三极管的工作点将会如何变化？相应的输出波形又作怎样的变化？与输入信号相比，产生了怎样的失真？如何消除？R B开路对电路输出波形有何影响？
    2.6 能否用万用表的交流电压挡，测量电路的输出电压v o，为什么？对音频信号源，使用毫伏表测量输入与输出电压时读数的含义是什么？
    2.7 调整R B时，为什么要在电位器上串联一个固定电阻？如果没有这个电阻可能产生什么问题？试用简单的计算加以说明。
    2.8 实验中如果出现：电源电压V CC=12V，调整R p时V CE保持12V不变,或调整R p时V CE=0、V RC＝12V维持不变，试分别说明原因。
    2.9 实验中如出现下面情况：电路中各极间电位V BE=0.67V，V CE=5V，V CC=12V，v i=5mV，交流输出为零，试列举产生上述情况的可能原因，再进一步探讨如何找出真正的原因及解决办法。
    2.10 它条件不变，改变电源电压（3V、6V、9V、12V）时工作点和输出波形将会有怎样的变化？
    2.11 电源电压变化（变大或变小）时，为保持工作点仍处于最佳位置，电路对应的元器件参数应如何改变？
    2.12 温度变化或更换 值不同的管子对电路的静态工作点有何影响？给放大器的工作带来什么后果？
    2.13 电压V CEQ能否用万用表的电压挡直接测量？用式V CEQ = V CC -V RC来换算电压V CEQ有何好处？
                                                                                >>１２

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实验教学 -- 实验三 分压偏置共发射极放大器试

实验三 分压偏置共发射极放大器
    一、 实验目的
    1． 了解工作点漂移的原因及稳定措施。
    2． 熟练掌握静态工作点的测量与调整方法。
    3． 了解小信号放大器的放大倍数、动态范围与静态工作点的关系。
    二、预习要求
    1． 参考教材中有关稳定放大器工作点的内容，完成本实验习题。
    2． 按实验电路图3.1中实际元件参数值，计算电路的静态工作点值。
    3． 据实验要求，设计数据表格，供实验测试时记录数据用。
    三、实验电路及测量原理
图3.1

    实验测试电路如图3.1所示：
    1．稳定静态工作点的原理
    温度的变化会导致三极管的性能发生变化，致使放大器的工作点发生变化，影响放大器的正常工作。实验图3.1 所示电路中是通过增加下偏置电阻和射极电阻来改善直流工作点的稳定性的，其工作原理如下：
    （1） 利用R b和R b2的分压作用固定基极电压V B。
    由实验图3.1可知，当R B、R B2选择适当，满足I 2、远大于I B、时，则有
                         （3-1）
式中R B、R B2和VCC都是固定的，不随温度变化，所以基极电位基本上为一定值。
    （2）通过I E的负反馈作用，限制I C的改变，使工作点保持稳定。
    具体稳定过程如下：

    2．静态工作点的计算与测量
    图3.1所示电路的静态工作点可由以下几个关系式确定：
                                   （3-2）
    对静态工作点的测量，在电路中只要分别测出三极管的三个电极对地的电压值，便可求得静态工作点I CQ、VCEQ、VBEQ的大小。
                                                                                >>１ ２

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实验教学 -- 实验三 分压偏置共发射极放大器试

实验三 分压偏置共发射极放大器

    四、实验内容
    1．按实验电路图3.1接线，收音机作信号源，扬声器作负载，用示波器观察输入和输出信号的波形，RL=5.1kΩ电阻作负载，观察输入和输出信号的波形。
    2．用音频信号发生器作信号源，在电路的输入端加入频率为1kHz的正弦信号，在增大输入信号vi的同时，调整静态工作点，使用示波器观测到的输出波形最大而不失真。
    3．保持静态工作点不变，撤去信号源，用万用表（直流挡）测量VB、VＣ、VＥ，并与实验习题中计算的结果进行比较。
    3． 改变RP值的大小，重复上述实验内容3。
    4． 改变电源电压值（3V、6V、9V、12V）的大小，重复实验内容2和3。
    5． 改变R Ｃ值的大小，重复上述实验内容2和3。
    6． 改变R Ｅ值的大小，重复上述实验内容2和3。
    7． 把发射极旁路电容CE开路或减小为4.7μF，重复上述实验内容2和3。
    8． 用电烙铁烘烤管子，使管子温度升高，观察I CQ、VCEQ的变化。
    10．实验电路中把NPN型管换成PNP型管，调整供电电源性，极性重复实验内容2～6。
    五、实验报告要求
    1．整理实验数据，填入自拟表格中，计算出静态工作点值，并与对应的理论值相比较，分析产生误差的原因。
    2．通过实验结论，总结改变电路RP、RＥ、RＣ、VCC对工作点及输出波形的影响，分析波形变化的原因。
    六、实验习题
    3.1 按实验电路图3.1 所示参数，计算出静态工作点。
    3.2 影响工作点稳定的因素有哪些？采用何种方式能稳定静态工作点？
    3.3 本实验电路图3.1与实验3.1 (a)的电路有何异同？
    3.4 若把实验电路图3.1中的NPN管改为PNP管,电路中的参数应作哪些调整才能正常工作?VBEQ和VCEQ是正值还是负值？为什么？
    3.5 测量静态工作点时，用万用表分别测量晶体管的各极对地电压，而不是直接测量电压VCE、VBE和电流ICQ，为什么？
    3.6 用示波器观察实验电路和的输入、输出信号波形，可有什么结论？
    3.7 实验电路中，电容C E的作用是什么？取值有无要求？
    3.8 调整RP的大小，输出波形将会发生怎样的变化？
    3.9 自己设计实验步骤，观察RB2变化对工作点稳定性的影响。
    3.10 三极管由NPN管改为PNP管，其输出电压的饱和失真和截止失真波形是否相同？
    3.11 静态工作点设置偏高（或偏低）时是否一定出现饱和（或截止）失真？为什么？若出现失真，应如何调节予以消除
    3.12 RＥ、RＣ或电源电压分别发生变化时，对应的静态工作点和输出波形会如何变化？
                                                                                >>１ ２

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实验教学 -- 实验四 放大器动态特性的测试存器

实验四 放大器动态特性的测试
    一、实验目的
    1． 了解小信号放大器的放大倍数、动态范围与静态工作点的关系。
    2． 掌握共射放大器和共集放大器电压放大倍数Av、输入电阻ri、输出电阻ro和频率特性的测量原理和方法。
    3． 验证射极跟随器的性能。
    二、预习要求
    1． 课前预习本实验习题，熟悉实验内容，掌握Av、ri、ro和频率特性的测量原理和测量方法。
    2． 按实验电路图4.1和4.2中给定元器件参数，估算出静态工作点、电压放大倍数、输入电阻和输出电阻值的大小。
    3． 在万能板上按电路图4.1和图4.2 焊接好电路，注意元器件布局，为用仪器仪表测试留出足够的空间，教师可给出焊接样板。
    4． 根据实验习题和实验要求来设计实验数据表格，供实验时记录数据用。
    5． 课下试作有关实验，修改实验数据表格，带问题来上课，边做边讨论。
    三、实验电路与测量原理
    实验测试电路如图4.1和4.2所示。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 １.电压放大倍数的测量
图4.1 | 图4.2
    低频电路的电压放大倍数Av是指输出端的交流电压与输入端的交流电压之比，即 [image] 　　　　　　(4-1)
    在测量电压放大倍数时，需用示波器观察放大电路的输出波形，在输出波形不失真的条件下，用毫伏表或示波器分别测量放大电路的输入、输出电压，按上式计算电压放大倍数。
    对实验电路图4.1，其电压放大倍数与电路参数的关系为 [image] 　（4-2）
    其中 [image] 。对低频小功率管，rbe可用如下关系式表示 [image] 　（4-3）
    对实验电路图４.2，其电压放大倍数与电路参数的关系为 [image] 　 　　（4-4）
    其中 [image] 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　>>１ ２ 3
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实验教学 -- 实验四 放大器动态特性的测试存器

实验四 放大器动态特性的测试
    三、实验电路与测量原理
    ２． 输入电阻r i测量
    输入电阻是从放大器输入端看进去的等效电阻，它表明放大电路对信号源影响的程度。对实验电路图4.1，其输入电阻与电路参数的关系为 [image] 　　　　　　 　　　　　　　　　（4-5）
    对实验电路图4.2，其输入电阻与电路参数的关系为 [image] 　　　　　　（4-6）
    从实验测量的角度看，输入电阻定义为放大器输入端的交流信号电压与交流信号电流之比。本实验中，采用"串联电阻法"来测量输入电阻，测试原理如图4.3所示：
    在信号源与被测电路输入端之间串联一个已知阻值的电阻RS，RS两端的电压降为v s-vi，则 　　　　　　　　　　　　　　　 [image] 　　　　（4-7）
    测量过程中应注意：v s不能取值过大，否则晶体管工作在非线性区，使测量误差增大。通常用示波器观察输出波形，在不失真的情况下，用示波器测出v s和vi值的大小，然后计算出输入电阻ri。
    3．输出电阻ro测量
图4.3

    输出电阻是从放大器输出端看进去信号源的等效电阻，放大器的输出端可以等效为一个理想的电压源vo和输出电阻ro相串联。输出电阻可以描述放大器信号输出的方式和带负载的能力。
    对实验电路图4.1，其输出电阻与电路参数的关系为r o＝RC 　（4-8）
    对实验电路图4.2，其输出电阻与电路参数的关系为
                           （4-9）
    本实验中对输出电阻的测量采用单负载电阻和双负载电阻两种测量方案。测量原理如图4.4所示。在图4.4中，若采用单负载测量方案，从输出端分别测出vo（不接负载，开关K接位置“1”）和voL（开关k接位置“2”，接入负载R L1）的值，则有
图4.4

                                         （4-10）
    由此可得输出电阻ro为
                                         （4-11）
    对图4.4，若采用双负载测量方案，接负载R L1时得到输出电压vo1，接负载R L２时，得到输出电压vo２,其中

图4.5

                         （4-12）
                                 （4-13）
    在放大倍数不变，输入信号相同情况下，输出电阻为
                                           （4-14）
    测量时应当注意：使用示波器观测输出电压波形时，在不失真的情况下，分别测量vo、vo1和vo２的大小，按上面公式计算出输出电阻ro。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　对阻容耦合放大器，由于耦合电容及射极电容的存在，使Av随信号频率的降低而降低；又因分布电容的存在及受晶体管截止频率的限制，使Av随信号频率的升高而降低。仅在中频段，这些电容的影响才可忽略。描述Av与f 关系的曲线称为RC耦合放大器的幅频特性曲线，如图4.5所示：
    图中，Av=0.707 Avm时所对应的fh和f1分别称为上限频率和下限频率，BW 称为放大器的通频带，其值为
                        BW ＝fh－f1　　　　　　　　　　　（4-15） 　　　　　　　　　　　　　　>>１ ２ 3

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实验教学 -- 实验四 放大器动态特性的测试存器

实验四 放大器动态特性的测试

    四、实验内容
    1．按实验电路图4.1连接好电路,调整好静态工作点。
    2．测试电压放大倍数Av和输出电阻ro。
    开关K1接至“1”端，用低频信号发生器在输入端加和vi=10mV、f =1kHz的正弦信
号。在输出端开路时，用示波器观察输出电压波形，在不失真状态下测出输出电压vo；在输出端接入负载RL1时，测量出输出电压voL。根据测量数据，计算出电压放大倍数Av和输出电阻ro。
    保持静态工作点不变，输入电压不变，在负载电阻分别为5.1kΩ 和510kΩ 时，测量出相应的输出电压vo1和vo2（同时用示波器观察输出波形不失真），计算出输出电阻ro值，并与上述单负载测量方案中的测量结果相比较。
    ３． 测量输入电阻ri（采用“串联电阻法”）。
    在静态工作点不变的情况下，将K1接至“2”端，把输出端开路，调节信号源电压v s，使vi =10mV、f =1kHz不变，测量出此时的v s、vi值。按“串联电阻法”测量原理，计算出输入电阻的大小。
    改变静态工作点值，重复实验内容3，观察输入电阻的变化情况。
    ４． 测量放大器的幅频特性。
    保持输入信号幅值不变，在输出信号不失真的前提下改变输入信号的频率，测出输出电压的大小，找出f1、fh，计算出BW值。
    ５． 改变C E值的大小，由100μF换成4.7μF，重复上述实验内容2。
    ６． 实验电路改换为实验图4.2所示电路，重复上述实验内容2～4。
    五、实验报告要求
    1． 整理实验数据，计算出实验电路的Av、ri、ro，并与对应的理论计算值比较。
    2． 总结测量电压放大倍数、输入电阻、输出电阻和频率特性的方法。
    3． 画出实验电路所对应的频率特性曲线图。
    4． 根据测量结果说明，理论的Av值是什么频率下的放大倍数？
    六、实验习题
    4.1 按实验电路图4.1和图4.2所示元器件参数，分别计算出静态工作点及对应的电压放大倍数Av、输入电阻ri、输出电阻ro。
    4.2 测试电压放大倍数Av需要什么仪器？自拟测试步骤与数据记录表格。
    4.3 测试放大器输入电阻和输出电阻时各采用什么方法？使用何种仪器？自拟测试步骤与实验数据表格。并参考消息同测量方法所得的结果进行分析。
    4.4 将放大倍数的估算值与实测值进行比较，若有误差，分析其原因。
    4.5 用万用表和毫伏表分别测试输入、输出信号时得到的结果是否相同？
    4.6 用示波器和毫伏表测试输入、输出信号时读数是否相同，为什么？
    4.7 静态工作点变化是否影响放大器的增益？为什么？
    4.8 放大器负载电阻变化时是否会影响放大器的增益？说明理由。
    4.9 对放大器输入信号的测量为什么要在音频信号源与放大器电路输入端连接后进行?是否可以测信号源的空载值作为输入信号?
    4.10 放大器幅频特性的测试方法有哪些？各自的测量原理是什么?
    4.11 下限频率f1、上限频率fh，分别由放大器的哪些因素决定的？
    4.12 放大器的幅频特性不好，使信号产生的失真是属于何种失真？它与非线性失真比较，有何根本性的区别？
    4.13 绘制放大器的幅频特性曲线时，用对数坐标有何优点？
    4.14 共射极放大器中，C E取值过小时会对什么指标有影响？
    4.15 改变输入耦合电容C1值大小，对放大器频率响应曲线有什么影响？
    4.16 集电极放大器的频率响应特性曲线与基本共射极放大器的频率响应特性曲线有什么不同？通过实验验证你的结论。
    4.17 输出耦合电容C2值大小变化时，对放大器频率响应曲线有何影响？
    4.18 放大器电源电压VCC变化时，对放大器频率响应曲线是否会产生影响？为什么？　　　　　　　　　>>１ ２ 3

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实验教学 -- 实验五 负反馈放大电路

实验五 负反馈放大电路
    一、实验目的
    1． 学习多级放大器的测试方法。
    2． 了解电压串联负反馈对放大器性能的影响。
    二、实验电路
图 5.1

    三、预习要求
    1． 复习反馈放大器工作原理及反馈对放大器性能的影响。μ F kΩ
    2． 熟悉本实验电路各元件的作用及实验内容和步骤。
    3． 写出预习报告，并在预习报告上画好测试表格。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　>>１ ２
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实验教学 -- 实验五 负反馈放大电路

实验五 负反馈放大电路
    四、实验内容及步骤
    1． 测静态工作点：
    将开关K1合上，用电压表校准12V直流电源，并接到电源插座上，然后测各级静态工作点，即测管子各极电位。
    2． 测定两极放大电路的性能：
    将K2断开（切断极间负反馈），K1合上，放大器带有2kΩ负载。
    （1） 测放大器电压放大倍数Av：
    输入端接1kHz、10mV正弦波信号（先用交流毫伏表校准，然后接入放大器），并用示波器观察输出波形。然后用毫伏表测输出电压V o并计算放大倍数A v。
    （2） 测放大器的输出电阻r o：
    将输出端并接一个2kΩ（如图中虚线所示）。这时负载电阻R'L＝2kΩ//2kΩ＝1kΩ,并用毫伏表测输出电压V'o，并计算出相应的放大倍数，然后按下式计算放大器的输出电阻r o：
    （3） 计算放大器的放大倍数的相对变化量(A v －A v')/A v
    （4） 测放大器的输入电阻r i：
    将开关K1，接入电阻R，用毫伏表校准输入信号10mV，然后再用毫伏表测T1管基极电压V b1，再按下式计算输入电阻r i：

    （5）测放大器下限频率f L和上限频率 f H：
    首先介绍测下限频率f L的方法：将开关K1合上，短路R，输入10mV信号并保持不变。然后用毫伏表测1kHz时输出电压V o。在保证输入信号幅度不变的条件下，降低信号频率，直到毫伏表上电压读数下降到原来输出V o的70.7%，此时输入信号的频率即为f L。若所使用的不是低频信号发生器，则上限频率f H亦可用类似的方法测得。
    3、测定负反馈对放大器性能的影响：
    （1）测负反馈对反馈放大器电压放大倍数Avf的影响：
    将K2合上，形成一个两级电压串联负反馈放大器。然后令V i=10mV，f=1kHz，测量带负载RL=2kΩ时的输出电压V of并计算出电压放大倍和比较有级间电压串联负反馈和无级间电压串联负反馈时，在同样的负载和输入信号的条件下。看其电压放大倍数有何变化。
    （2）测负反馈对放大器输出电阻的影响:
    将输出端并联一个2kΩ电阻。用毫伏表测负载电阻R ＇L＝1kΩ时的输出电压V ＇of 。并计算出电压放大倍数 A ＇v f 。然后按下式计算输出电阻R ＇Of。：
    并把通过计算或估算的无级间电压串联负反馈时的输出电阻值与有级间电压串联负反馈的输出电阻值加以比较。
    （3）计算负反馈放大器电压放大倍数的相对变化量 [image] 。
    （4）测负反馈对放大器输入电阻的影响。
    将开头K1打开。接入电阻R，用毫伏表校准输入信号10mV，再测T1管基极电压V b1，按下式计算输入电阻R 'if ：

    并将此r fi值与计算和测定的无级间电压串联负反馈的输入电阻值加以比较。
    （5）测定负反馈对放大器频带宽度的影响。
    首先测定有级间电压串联负反馈时的下限频率f Lf：将K1合上，短路R，保持输入10mV信号不变，用毫伏表测f=1ｋHz时输出电压V of，然后调低信号频率，直至毫伏表读数下降至原来输出电压V of的70.7%时，此时输入信号频率即为下限频率f Lf，记下此值，并将此值与前面测得的f L加以比较。
    五、对实验报告的要求
    1． 整理实验数据并根据所测的数据进行必要的计算。
    2． 总结负反馈对放大器性能方面有哪些改善。
    3． 在测静态工作点时，发现用万用表直接测V be和用万用表分别测V b、V e，然后计算。V be=V b-V e，两者相差不少,分析其原因。另外，用万用表不同量程的直流电压挡测出的V be值相差也很大，小量程测的值小，大量程测的值大，试分析其原因。小量程测的准确些还是大量程测的准确些？　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　>>１ ２
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实验教学 -- 实验六 差分放大电路

实验六 差分放大电路

    一、实验目的
    通过实验进一步了解差动放大器的工作原理、性能及工作特点。
    二、预习要求
    1． 复习差动放大器的工作原理及放大倍数、共模抑制比的概念及计算方法；
    2． 熟悉本实验的内容仔细领会测试步骤并设计完整的测试方法；
    3． 写出预习报告。
    三、实验仪器
    1． 示波器；　　2． 实验仪；　　3． 稳压电源；
    4． 音频信号发生器；　　5． 毫伏表；　　6. 万用表。
    四、实验原理和测试方法
    恒流原差动放大器，是直接耦合电路中最典型的一种电路，它不仅可以通过双端输出，对负载两端同向的漂移电压相互抵消，同时对单端输出的零漂也有极强的抑制能力。这种电路的共模抑制比在几十到几百分贝。共模抑制比的测试可分为两步。
    第一步 测差模电压放大倍数
    由于测量仪器仪表的限制，在实验时通常以低频正弦信号作为差动输入V id。本实验
采用10mV 1ｋHz的正弦信号。一般的测量仪器是不能浮地测量的，所以可用毫伏表分别测出两输出端的电压V 01、V 02，然后用V od= V 01-V 02的关系求出V od。由于差模输入时V 01与V 02反相位。所以V od是V 01与V 02实测值的和，故差模放大倍数为

    第二步 测共模电压放大倍数
    由于恒流源对共模信号有极强的抑制作用，放大倍数很小。所以输出端的信号极小。测量很困难。故要增大输入信号来获得可测到的输出。本实验可加0.1V的有效值正弦电压作为共模输入V ic。然后测出输出电压V oc则共模电压放大倍数为
                 ；这样由式 [image] 可求得共模抑制比。
    五、实验内容和步骤
    1． 按图6.1电路要求接线，检查确认无误后接入电源；
    2． 测静态工作点；用万用表检查V c1与V c2是否相等，如不相等，应调节R W，使之相等，然后测各三极管的静态工作点。
    3． 测差模电压放大倍数；
    4． 测共模电压放大倍数；
    5． 计算单端输出和双端输出的共模抑制比；
    6． 由实测数据计算下表各种情况的电压放大倍数；
    7． 观察放大器的温度漂移；
    用万用表的直流电压档（小量程）或电压表的两表笔接放大器的两输出端。用两只手分别捏住两个晶体管的管壳。观察表针偏移的情况；停一会，再用一只手捏住其中一只管的管壳，观察表针偏移的情况。比较这两种情况，并说明原因。
    六、实验报告要求
    1． 整理数据，分析误差产生原因。
    2． 总结差动放大电路的特点。
    3． 记叙一下实验中的测量手段，说明为什么。
    4． 用示波器观察共模输出时，V 01与V 0２反相位是什么原因？如果把恒流源改用R e时输出相位应如何？

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实验教学 -- 实验七 集成运算放大电路

实验七　 集成运算放大电路
    一、实验目的
    1． 进一步理解运算放大器的基本原理，熟悉运算放大器平衡的调整方法。
    2． 掌握由运算放大器组成的比例、加法运算等电路和的调试方法。
    二、预习内容
    1． 课前预习本实验习题，查找集成运算放大器LM741的有关资料，熟悉其内部电路组成和外围电路的接法。
    2． 复习教材中有关运算放大器比例、加法器等电路的基本理论，掌握几种基本运算的调试方法。
    3． 根据实验习题和实验电路图中给定参数，估算反相比例放大器、同相比例放大器的放大倍数和反相比例加法器、减法器的输出电压值。
    4． 课下在万能板上按实验电路图焊好电路，注意，为变换测试电路应留出足够的空间。
    5． 根据实验内容，自己设计实验数据表格，供测试时使用。
    6． 课下试做有关实验，修改实验数据表格，带问题来上课，边做边讨论。
    三、实验电路及测量原理
    图7.1是LM741集成运放的外引线图，各引脚功能如下：
图7.1

    2--反相输入端
    3--同相输入端
    7--电源电压正端
    4--电源电压负端
    6--输出端
    1、5--调零端
    集成运算放大器是一种高放大倍数、高输入阻抗、低输出阻抗的直接耦合多级放大电路，具有两个输入端和一个输出端，可对直流信号和交流信号进行放大。外接负反馈电路后，输出电压V o与输入电压V i的运算关系仅取决于外接反馈网络与输入的外接阻抗，而与运算放大器本身无关。
    1． 反相比例运算及倒相器
    实验图7.2为反相比例运算电路。LM741按理想运放处理，其运算关系为
图7.2

                         （7-1）
    若R F=R 1则为倒相器，即
                               （7-2）
    2．反相加法运算电路
    实验图7.3为反相法器电路，其运算关系为
               （7-3）

图7.4 | 图7.5

    3．同相比例运算及跟随器
    实验图7.4为同相比例运算电路。其运算关系为 [image] 　　　　（7-4）
    若不接R 1，或将R F短路，可实现同相跟随功能，即 [image] 　（7-5）
    减法运算电路实验图7.5为减法运算电路，其运算关系为 [image] 　　　（7-6）　　　 >> １ ２ 3
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实验教学 -- 实验七 集成运算放大电路

实验七　 集成运算放大电路

四、实验内容
    用万用表调整直流稳压电源，使输出为±15V ，接入实验电路7.2中。
    1．集成运算放大器的调零：接入调零电位器，当输入信号Vi=0时，调整RP，使输出电压Vo=0。
    2．反相输入放大电路测试
    （1） 在反相输入端（图7.2所示电路）加入直流信号Vi，测量表7-1中所指定的电压值，并计算出电压放大倍数。
    （2） 反相输入端加入频率为1kHz、幅值为200mV的正弦交流信号,用示波器观察输入、输出信号的波形，并测出Vi、Vo的大小。
    （3） 输入电阻换成51kΩ ，其余条件不变，重复上述实验内容中的（1）、（2）步。
    （4） 把R F、R1、R2、R3均接成100kΩ ，其余条件不变，重复上述实验内容中的（1）、（2）、步。
                                                        表7-1

    3．反相加法运算电路测试
    （1）按实验电路图7.3连接电路，接上电源，调零过程同上。

    （2）调节R P1、RP2，使V A、VB为表7-2中数值，测出相应的V o值。
                                                        表7-2

    4．同相输入放大电路的测试
    按实验电路图7.4所示接线。
    （1） 输入端分别加入50mV、100mV、300mV、500mV的直流信号，测量出相应的电压值，算出放大倍数Av的大小。
    （2） R1从电路中断开，重复（1）的测量内容。
    5．减法运算电路的测试
    实验电路如图 7.5所示接线。
    调节R P1、RP2，使V A、VB分别为表7-3中数值，测出指定的电压值，计算出电压放大倍数Av。
                                                        表7-3

                                                                                >> １ ２ ３

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实验教学 -- 实验七 集成运算放大电路

实验七　 集成运算放大电路
    五、实验报告要求
    1． 整理实验数据，填入对应的数据表格中。
    2． 将实测数值与理论计算值相比较，分析产生误差的原因。
    3． 画出输入、输出对应的波形，并标明幅值和频率。
    4． 记录实验中出现的不正常现象，说明解决的过程。
    六、实验习题
    7.1 集成运算放大器在使用过程中应注意的主要问题是什么？
    7.2 对双电源供电的集成运算放大器能否用单电源供电？若不能，说明原因，若能，则说明实施办法。
    7.3 若要增大集成运放的闭环放大倍数，应如何调整电路中的元件？
    7.4 运算放大器调零时应注意什么问题？可否将R F断开进行调零？自己设计调零步骤。
    7.5 在调零过程中，如果输出电压V O≠0 ，则说明电路中存在什么问题？如何解决？
    7.6 在反相放大电路中，放大倍数与R １、R F的关系是怎样的？如何使反相比例放大器变为倒相器？
    7.7 在实验电路图7.2.中，如果R １//R ２≠R 1//R F，会有什么问题出现？若R ２＝R ３＝0，是否可以？
    7.8 在输入信号分别为直流、交流信号时，若使用单一正电源供电，实验结果会出现什么现象？
    7.9 在同相比例运算电路中，若R １不接，或R F短路，测试结果会有什么不同？从电路的工作原理进行分析。
    7.10 如何把同相输入放大电路变为同相跟随器？变换后的电路具有有什么特点？
    7.11 想一想，如何对运算放大器增加电源极性保护电路和输出端短路保护电路？ 　　　　　　　　　　>> １ ２ ３
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实验教学 -- 实验八 正弦波振荡电路

实验八　正弦波振荡电路

    一、实验目的
    1． 进一步掌握文氏桥振荡电路工作原理和电路结构。
    2． 学习振荡电路调整及测量方法。
    二、实验仪器及设备
    1． 双踪示波器 　　2． GB-9电子管毫伏表　　3． XFD-6低频信号发生器
    4． 晶体管直流稳压电源　　5． 万用表　　6． 实验仪
    三、 实验原理及实验电路

图8.1

    振荡器是不需外加信号就能产生正弦波信号的一种装置。图8.1这个桥式振荡电路由两部分组成。左边R1C1和R2C2组成选频网络，右边就是一个两级电压串联负反馈放大器。当满足相位平衡及幅度平衡条件时振荡器就可以自激振荡。
    一般对于R C 串并联选频网络选取参数R 1＝R 2＝R，C 1＝C 2＝C，当 [image] 或 [image] 时，选频网络的输出最大，其大小为输入信号的 [image] ，且输出与输入同相位。这就要求放大倍数为3，且输入与输出同相位。
    四、预习要求
    1． 复习振荡器工作原理，分析电路中各元件的作用
    2． 熟悉本实验内容及步骤
    3． 熟悉振荡频率的测试方法
    五、实验内容及步骤
    1． 按电路图中的元件参数连接电路，检查无误后接入22V电源
    2． 打开K，测放大器静态工作点
    3． 测选频网络的频率特性
    测试方法：在A点加上100Hz的正弦信号1V，用双踪示波器同时观察A和B点的波形，并且在B点接入毫伏表。逐渐增大频率，观察A、B两点波形相位变化情况和B点信号幅度变化的情况。当A、B两波形同相时，记下信号频率和A、B两点信号的数值。
    4． 调节放大器的放大倍数
    深度负反馈的放大倍数Avf=1/F，所以调节F，便可改变Avf。
    方法：A点的信号保持不变，用毫伏表测放大器输出电压，调节RW使V 0=3VB。此时即Af=3。
    5．测振荡频率
    方法：除去A点的信号，把K合上，调节RW，使输出的波形不失真，然后用李沙育图形测出振荡频率。
    6．用毫伏表测出V A、VB、V0三点的电压波形，并算出选频网络的系数和放大器的放大倍数。 　　　　　　>> １ ２

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实验教学 -- 实验八 正弦波振荡电路

实验八　正弦波振荡电路
    六、实验报告　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　 　1． 整理实验数据
    2． 分析误差
    七、实验习题
图8.2

    1． 步骤5合上K后，输出是什么情形？若不是正弦波，为什么？
    2． 计算与实测的选频网络的频率是否相同？你认为是什么原因，你打算用什么方法来证实你的分析？
    附录 李沙育图形测频率原理，我们以同频率为例来说明，如图8.2画出x轴、y轴的输入信号波形，设相位差90°。
    在每轴输入的一个周波分别把时间轴分成相同的等份，并标上符号如0、1、2、3、4，……。本例分为8个等份，再把每个数字对应的幅度分别向荧光屏的x轴或y轴画平行线。这样，两个输入信号标有相同数字的直线在荧光屏上的交点，即为李沙育图形的点，把这些点圆滑地按顺序联起来，在荧光屏上就形成为一个完整的图形。
    两个同频同幅信号，如果相位不同，在荧光屏上看到的图形也不同，相位差90°是个圆形，如图8.2所示。同相或反相是倾斜45°或135°的直线，其它相位差图形是椭圆。两个信号频率比不同，图形也不同。由图形可以确定频率比。其方法如下：
    当两个信号输入后，荧光屏上出现李沙育图形，这时在荧光屏面的水平方向和垂直方向分别做一条通过李沙育图形的直线（它必须是不通过图形的任何交点的任意直线），然后数出水平线与李沙育图的交点数Nx和

图8.3
垂直线与李沙育图的交点Ny，则两交点数之比等于两信号频率的反比。即　　 　　　　　　　　　 [image] ，

              其示意图如图8.3

                                              >> １ ２

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实验教学 -- 实验九 集成功率放大电路

实验九　集成功率放大电路
    一、实验目的
    1． 进一步熟悉集成功率放大器的特点。
    2． 掌握集成功率放大器主要技术指标的测试方法。
    二、预习要求
    1． 复习教材中有关集成功率放大器的内容，完成本实验的习题。
    2． 课下查阅有关资料，熟悉集成功放LM386的内部线路、工作原理和外围主要元器件的作用。
    3． 总结集成功率放大器主要指标的测试原理，自拟出各技术指标的测试方法和测试步骤。
    4． 按实验电路图9.1，在课下用万能板焊接好电路，教师可给出焊接样板。
    5． 自拟实验数据表格，供实验测试时使用。
    三、实验电路及测量原理
    实验测试电路如图9.1所示。
图9.1

    LM386是8脚器件，其中1、8脚为增益设定端，电路增益可通过改变1、8间元件参数实现。当1、8脚断开时Av=20；接入10μF电容时Av=200；若接入R 1=1.2kΩ、C 1＝10μF的串联电路，则Av=50。C 2为防自激电容，C 4为电源退耦电容。R 2、C 3组成容性负载，抵消扬声器部分的感性负载，防止在信号突变时扬声器上呈现较高的瞬时高压而遭到损坏。
    实际测量时，可通过测出最大不失真削波的输出电压v o和电源供给电流I co，即可求出最大不削波失真时的输出功率P o、直流电源供给的功率PE和效率 。即
                                                             （9-1）
                                                         （9-2）
                                                      （9-3） 　　　　　　　>> １ ２
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实验教学 -- 实验九 集成功率放大电路

实验九　集成功率放大电路
    四、实验内容
    调整电源电压V CC＝+9V，接入实验电路图9.1中。
    1． 测试静态工作电压
    用万用表（直流电压挡）测试集成功率放大器LM386各管脚对地的静态直流电压值和电源供电电流值。数据记录于自拟的实验测试表格中。
    将电位器RP调到输入端短路位置，把示波器接在输出端，观察输出端有无自激现象。若有，则可改变C 3或R 2的数值以消除自激。
    2．测量输出功率和效率
    测试仪器仪表的连接方法如实验图9.2所示。
图9.2

    （1） 断开1、8脚连接元件，把电流表串入供电电路中，在输入端加入电压v i、频率为1kHz的正弦信号，输出端接上毫伏表和示波器，调节v i幅度大小，使用示波器观察到的输出波形最大而不失真为止，测量出此时的输入信号电压v i、输出电压v o和电源供给的电流I Co，测量结果填入表9-1。

                          表9-1

    （2）1、8脚间接入C 1＝10μF电容，重复（1）的测试内容。
    （3）1、8脚间接入R1=1.2kΩ、C 1＝10μF电容，重复（1）的测试内容。
    （4）若把电源电压改变为+6V，重复上述测试内容。
    3．频率特性的测量
    （1）按图9.1所示电路，调节信号频率f=1kHz，适当调整输入信号电压v i，使输出
    信号电压v o波形最大而不失真，测出此时的v o值，并算出此时的电压放大倍数Av。保持v i不变，改变信号源频率，测量出0.707 Av时对应的上限频率f h和下限f L。数据记录于自拟的实验数据表格中。
    （2）改变输出耦合电容100μF，其余条件同上，测试结果填入上述实验数据表格中，并与上述（1）中测试结果进行比较。
    五、实验报告要求
    1． 整理实验数据，计算出输出功率P o、直流输出功率P E和效率 ，分析实验结果，说明理论值与实测值产生误差的原因。
    2． 对实验过程 测出的波形，出现的问题进行分析。
    3． 按教师要求完成实验报告。
    六、实验习题
    9.1 LM386集成功率放大器外围元器件有哪些？其作用是什么？
    9.2 如何测量集成功率放大器的输出功率和效率？
    9.3 电源电压的变化（增加或降低）对输出功率和效率有何影响？
    9.4 实验电路中，改变1、8脚元件数值的大小，对电压放大倍数有什么影响？
    9.5 输出耦合电容的容量增大或减小对频率特性有什么影响？
    9.6 集成功率放大器的电压增增与哪些因素有关系？如果集成功放工作时出现自激现象，找出可能的原因及解决办法。
    9.7 想一想，如何测量集成功率放大器的失真度？　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　>> １ ２

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实验教学 -- 实验十 集成稳压电源

实验十　集成稳压电源

    一、实验目的
    1． 了解三端集成稳压器的工作原理。
    2． 熟悉常用三端集成稳压器件，掌握其典型的应用方法。
    3． 掌握三端集成稳压电源特性的测试方法。
    二、预习要求
    1． 复习教材中有关集成稳压电源的基本内容，了解三端集成稳压器CW7805、CW317等的技术参数和使用方法。
    2． 阅读本实验全部内容，完成本实验习题。
    3． 按给定实验电路图和实际元件参数，估算稳压电路输出电压的可调范围。
    4． 根据实验内容和要求，设计实验数据记录表格，供实验测试时使用。
    三、实验电路及测量原理

图10.2
图10.1

  采用集成工艺，将调整管、基准电压、取样电路、误差放大和保护电路等集成在一块芯片上，就构成了集成化稳压电源。集成稳压器按工作方式可分为并联型、串联型和开关型；按输出电压可分为固定式和可调式两种。
    图10.1为常用三端集成稳压器的外型图，其它形式的稳压器可参考有关资料。
    １.三端固定输出集成稳压器
    此类稳压器有三个引出端：输入端、输出端和公共端。根据其输出电压极性可分为固定正输出集成稳压器（CW78系列）和固定负输出集成稳压器（CW79系列）。根据输出电流的大小又可分为CW78XX型（表示输出电流为1.5A）、CW78MXX型（表示输出电流为0.5 A）和CW78LXX型（表示输出电流为0.1A）。后面两位数字XX表示输出电压的数值，一般有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V，固定负输出集成稳压器相应也有CW79XX、CW79MXX和CW79LXX型。利用固定输出集成稳压器可组成各种应用电路，CW78XX型集成稳压器的基本应用电路如图10.2所示。
对三端固定输出集成稳压器，其输入电压的选取原则：　 　　　（10-1）

    式中，VO--集成稳压器的固定输出电压值；　　V Imax--集成稳压器规定的最大允许输入电压值；（V1-VO）min--集成稳压器规定允许的最小输入输出电压差，一般为2V。
(a) 固定输出式 | (b) 可调输出式
图 10.3

    如果只有固定输出集成稳压器，又希望输出电压扩大或可调，可采用图10.3和图10.4所示电路来完成。
    式中，V O'--集成稳压器的固定输出电压，V O =5V；VZ--稳压二极管的稳压值。
    在图10.3(b)中，　　　 [image] 　　　　　　　　（10-2）
    式中，I d--集成稳压器的静态电流值，一般为5～10mA。电路中的C 1、Co为频率补偿电容，防止自激振荡。
图 10.4

２.三端可调输出集成稳压器　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　三端可调输出集成稳压器分为正可调输出集成稳压器（如CW117/CW217/CW317）与负可调输出集成稳压器（如CW137/CW237/CW337），正输出可调集成稳压器的输出电压范围为1.2～37V，输出电流可调范围为0.1～1.5A。它同样有三个端子，即输入端、输出端和调整端，在输出与调整端之间为V REF=1.25V的基准电压，从调整端流出的电流。常用基本稳压电路如图 10.4所示.
    为保证稳压器空载时也能正常工作，要求流过R 1的电流不能太小，一般可取I R1=5～10mA，故 [image] ，输出电压的表达式为

调节R2，可改变输出电压的大小。
                                                                 >> １ ２ ３

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实验教学 -- 实验十 集成稳压电源

实验十　集成稳压电源

    四、实验内容
    (一)三端固定输出集成稳压器
    1．基本应用电路的测试:按实验电路图10.2接线，经检查无误后接通工作电源。
    （1）调整实验图中10.2的输入信号源，使V1=12V，用万用表测量输出电压Vo的大小。
    （2）测量电压稳定系数S r。用差值测量法测试电路的电压稳定系数，测试数据填入表10-1中。

                                          表10-1 测试条件R L=470Ω

    （3）测量输出电阻ro
    保持输入电压VI=12V，改变负载电阻R L大小，按表10-2中内容测量，记录数据，计算出输出电阻ro值的大小。

                                              表10-2 测试条件V1=12V

    (4) 测量纹波电压。
    用示波器测量VO=5V，I O=50mA时纹波电压的大小和波形，记录数据。
    2．扩大输出电压三端集成稳压器的测试
    按实验电路图10.3(a)接线，给检查无误后接通工作电源。
    (1) 保持负载电阻R L=470Ω不变，改变输入电压VI值，测试表10-3中内容，根
    据测试结果验证公式　VO=VO'+V Z；式中VO'--所使用三端稳压器的标准输出电压，这里5V。　V Z--稳压二极管的稳压值。
                                                  表10-3 测试条件

    （2）保持输入电压V1不变,改变负电阻RL,测试表10-4中实验内容。根据实验测试数据,观察负载电阻变化时各参数的变化情况。
                                              表10-4 测试条件V1=15V

    （3）把实验电路图改为实验图10.3(b)所示接线方式，观测三端固定输出集成稳压器又一种扩大输出电压的电路的工作原理。
    ① 保持输出负载电阻R L=470Ω不变，当R ２=１.5KΩ 时，改变输入电压V 1值的大小，测试表10-5中实验内容。并把实验测试数据与用公式（10-2）计算出的结果相比较。

                                                      表10-5 测试条件

    ② 保持输入电压VI=20V不变，测试当R L改变时，表10-6中的实验内容。
    ③ 改变R 2值大小，重复（1）、（2）步骤内容。
                                                表10-6 测试条件VI=20V
                               >> １ ２ ３

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实验教学 -- 实验十 集成稳压电源

实验十　集成稳压电源

    四、实验内容　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（二）三端可调输出集成稳压器
    按实验电路图10.4接线，经检查无误后接通工作电源。
    1． 在实验电路图10.4中，加入V１=20V的直流电压信号，分别测A点（稳压电路输入）和B点（稳压电路输出）的直流电压值，调节R 2，观察输出电压VO的变化情况。若有变化说明电路工作正常。
    2． 测量输出电压范围。
    通过调节R 2，分别测量稳压电路的最大、最小输出电压值及与之对应的输入电压值，验证公式VO＝1.25(1+R 2/R 1)
    3．测量电压调整率。
    调整R 2大小，使输出电压为12V，改变输入电压VI值，使其在±10%的范围内变化，测出相应的VI、VO及ΔVI、ΔVI值的大小，数据记录于自拟的实验数据表格中，并计算出电压调整率。
    4．测量输出电阻ro:改变负载电阻R L（改变I O），测出对应的ΔVO大小，计算出ro值。
    5．测量VI、VO的纹波电压。
    用示波器分别测量VI、VO纹波电压的大小和波形，记录结果。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 五、实验报告要求
    1． 整理实验数据，根据实验结果验证相对应的公式。
    2． 列表比较实验内容中几种稳压电路的特点及主要性能指标。
    3． 总结实验过程中出现的问题及解决办法。
    六、实验习题
    10.1 集成稳压器输入、输出端接电容Ci、CO的作用是什么？对它们的取值有何要求？通过实验验证你的结论。
    10.2 对三端集成稳压器，一般要求输入、输出间的电压差至少为多少才能正常工作？通过实验验证你的结论。
    10.3 在实验图10.1所示电路，如何扩大其输出电流？画出原理图，并简述其工作原理。
    10.4 在实验图10.2中，对负载电阻R L的选择有无特殊要求？为什么？
    10.5 比较三端固定输出集成稳压器扩大输出电压的两种方案有什么异同？通过实验验证之。
    10.6 比较实验图10.3与实验图10.4电路结构和输出电压的表达式有什么不同？
    10.7 对三端集成稳压器，在使用过程中应注意什么问题？如果输入、输出端反接，将会出现什么问题？在电路中如何增加输入短路保护电路？说明工作原理。
    10.8 在实验电路图 10.3中，可否靠增大R 2值而不断提高电路的输出电压值？
    10.9 画出用CW78XX和CW79XX组成的具有正负对称输出电压的电路图。
    10.11 如何用CW317和CW337组成具有正负对称输出且电压可调的稳压电源电路？
    10.12 能否用集成稳压器构成恒流源电路？若能，说明实现过程；若不能，则说明理由。　　　　　　 　>> １ ２ 3

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实验教学 -- 实验十一 TTL与非门逻辑功能测试

实验十一 TTL与非门逻辑功能测试
    一、 实验目的
    1.熟悉集成门电路的外观和引线排列
    2.掌握TTL与非门逻辑功能
    二、 实验设备
    5VDC电源、面包板、数字万用表、导线若干、逻辑电平指示器一组、逻辑开关一组、4输入端双与非门（74LS20）、双输入端四与非门（74LS00）
    三、 实验内容及要求
    1.测试74LS20与非门的逻辑功能
      （1）画出实验电路图，设计实验表格（包括输入端的各种逻辑状态、输出端的逻辑状态及电平）。
      （2）搭试电路验证，用万用表测量输出电压。
    2.用74LS00芯片组成与、或、或非门电路（均为2输入端）
      （1）写出逻辑表达式，画出实验电路图，标明各管脚；（2）搭试电路进行验证；（3）列状态表验证结果。
    3.用74LS00芯片组成异或门电路
      （1）写出逻辑表达式，画出实验电路图；（2）搭试电路进行验证；（3）列状态表验证结果。
    四、思考题
    1.逻辑值“1”是否是指电平为1V？
    2.在逻辑开关电路原理图中，没有1KΩ限流电阻行不行？为什么？
    3.在逻辑电平指示器电路原理图中，没有300Ω限流电阻行不行？为什么？ 　　　　　　　　 　>>１ ２
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实验教学 -- 实验十一 TTL与非门逻辑功能测试

实验十一 TTL与非门逻辑功能测试
    五、 附录
    1.逻辑开关及作用
    如图１1.1所示，利用1kΩ电阻作为限流电阻，电键作为逻辑值输入（当电键按下，相对应的端子输出逻辑值“0”；当未按下电键，输出逻辑值为“1”）。
图11.1 逻辑开关电路原理图 | 图11.2 逻辑电平指示器

    2.逻辑电平指示器及作用
    为了便于检验逻辑电路的输出逻辑值，我们采用发光二极管电路来检验逻辑电平的高低。如图１1.2所示，当某输入端为低电平时，对应的发光二极管不亮；当某输入端为高电平时，对应的发光二极管亮。

    3.有关芯片外引线排列图
    如图１1.3所示，分别为74LS20及74LS00芯片外引线排列图。

图11.3 芯片外引线排列图
                                                                                >>１ ２
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实验教学 -- 实验十二 组合逻辑电路的设计

实验十二 组合逻辑电路的设计
    一、实验目的
    掌握组合逻辑电路的设计方法
    二、实验设备
    5VDC电源、12VDC电源、面包板、导线若干、蜂鸣器电路一个、逻辑开关一组、逻辑电平指示器一组、集成与非门（74LS20、74LS00）、数据缓冲器（74LS125）
    三、实验内容及要求
图12.1 密码锁示意图

    设计一个电子锁，如图12.1所示，其中A、B、C、D是四个二进制代码输入端， E 为密码输入确认端（当 E =0时，表示确认）。每把锁有四位密码（设该锁的密码为1011），若输入代码符合该锁密码，并E =0确认时，送出一个开锁信号（F1=1），用于开锁指示的发光二极管亮；若输入代码不符合该锁密码，并E =0确认时，送出报警信号（F2=1），用于报警指示的发光二极管亮，并驱动报警电路；若 E =1时，不送出任何信号。
    （1）写出设计过程。
    （2）要求用最少的与非门实现。
    （3）画出实验电路图。
    （4）搭试电路进行验证，并记录实验结果。
    四、思考题
    1.组合逻辑电路的一般设计步骤是什么？　2.三态门中高阻态在本设计中作用？
    五、附录
    1.参阅实验十一附录　　2.蜂鸣器电路原理图
    如图12.2，为蜂鸣器电路原理图，当输入端为高电平，即逻辑值“1”时，蜂鸣器发出声响，当按下消声键K 后，停止声响；若输入端为逻辑“0”时，蜂鸣器不发出声响。
    3.有关芯片外引线排列图
    如图12.3所示，为数据缓冲器74LS125外引线排列图。
图 12.2 蜂鸣器电路原理图
图12.3 数据缓冲器74LS125
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实验教学 -- 实验十三 触发器功能测试

实验十三 触发器功能测试

    一、实验目的
    1.掌握基本RS触发器、JK触发器、D触发器和T触发器的逻辑功能及其测试方法
    2.熟悉触发器逻辑功能的相互转换
    3.理解触发器触发类型
    二、实验设备
    5VDC电源、面包板、导线若干、示波器、逻辑开关一组、数字万用表、逻辑电平指示器一组、方波信号发生器、双输入端四与非门（74LS00）、双下降沿JK触发器（74LS112）、双上升沿D触发器（74LS74）
图13.1 74LS112外引线排列图

    三、实验内容
    1.测试基本RS触发器的逻辑功能
    （1）画出由门电路组成的基本RS触发器电路。
    （2）设计实验步骤，验证基本RS触发器状态表。
    （3）搭试电路，将测试结果记录表中。
    2.测试下降沿JK触发器的逻辑功能。
    （1）设计实验步骤，验证JK触发器的状态表、下降沿触发含义。
    （2）搭试电路，将测试结果记录表中。
    3.测试上升沿D触发器的逻辑功能。
    （1）设计实验步骤，验证D触发器的状态表、上升沿触发含义。
    （2）搭试电路，将测试结果记录表中。
    4.测试T 触发器逻辑功能
    （1）画出将JK触发器转换成T触发器的逻辑图。
    （2）在C 端加入1KHz，VPP值适当的连续脉冲信号，用示波器观察C、Q 的波形，并总结T触发器的逻辑功能。
    四、思考题
    1.你所构建的基本RS触发器是什么触发方式？
    2.T触发器能不能用作2分频器？
    3.怎样利用D触发器构成2分频器？
    五、附录
    1.参阅实验十一
    2.有关芯片外引线排列图
    如图实验13.1，（a）为74LS112外引线排列图，（b）为74LS74外引线排列图。
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实验教学 -- 实验十四 移位寄存器

实验十四 移位寄存器

    一、实验目的
    学习使用双稳态触发器组成数码寄存器、移位寄存器
    二、实验设备
    5VDC电源、面包板、导线若干、逻辑开关一组、逻辑电平指示器一组、示波器、方波信号发生器、四数据缓冲器（74LS125）、双上升沿D触发器（74LS74）二片
    三、实验内容及要求
    1.设计一个由D触发器组成的四位数并入/并出数码寄存器。
    （1）要求利用数据缓冲器，当给出寄存指令时，以并入方式进入触发器，并设有清零端。
    （2）画出所设计的数码寄存器逻辑电路图。
    （3）自拟实验步骤，搭试电路，并记录实际情况。
    2.设计一个用D触发器组成的四位左循环移位寄存器。
    （1）设计一个逻辑电路，用以实现下表所示的功能。
    （2）搭试电路，并记录实际情况。

CP | Q 3 | Q 2 | Q 1 | Q 0
0 | 1 | 0 | 1 | 0
1 | 0 | 1 | 0 | 1
2 | 1 | 0 | 1 | 0
3 | 0 | 1 | 0 | 1
4 | … | … | … | …
… | … | … | … | …

    四、思考题
    1.移位寄存器有那几种类型？
    2.在数字系统中，举例说明移位寄存器的主要作用。
    五、附录
    参阅前述实验有关电路原理、芯片外引线排列图。

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实验教学 -- 实验十五 计数器

实验十五 计数器

    一、实验目的
    掌握组成各种进制计数器的方法。
    二、实验设备
    5VDC电源、面包板、导线若干、逻辑开关一组、逻辑电平指示器一组、示波器、方波信号发生器、集成与非门芯片（74LS00及74LS20）、集成D触发器（74LS74）、集成计数器（CT4518）。
    三、实验内容
    1.利用D触发器和与非门构建一个十进制加法计数器
    （1）画出所设计的计数器逻辑电路图，并指明所设计的计数器是异步方式还是同步方式。
    （2）设计一个实验步骤，搭试所设计的计数器，并记录结果。
    2.利用CT4518构造多进制计数器
    （1）参阅附录，测试4518的逻辑功能，理解CLK、EN和 [image] 端的作用
    （2）设计以下计数器。
      a、利用CT4518，设计一个五进制加法计数器，画出有关逻辑电路图
      b、利用CT4518，设计一个六十进制加法计数器，画出有关逻辑电路图
      c、利用CT4518，设计一个二十四进制加法计数器，画出有关逻辑电路图
      d、利用CT4518，设计一个一百分频器，画出有关逻辑电路图
    3.任选择一个（a、b、c、d），搭试电路，并记录结果
    四、思考题
    1.CT4518可构造多少种进制计数器？　　2.异步计数与同步计数有何不同？
    五、附录
    1.参阅前述实验有关电路、芯片外引线排列图。
    2. 如图15.1为CT4518外引线排列图。它是一个内有两个独立的同步二-十进制加法计数器的芯片。表１5.1是它的功能表
图 15.1 CT4518外引线排列图
CLK | EN | RST | 功能
↑ | 1 | 0 | 加法计数
0 | ↓ | 1 | 加法计数
× | × | 1 | 清零
表１5.1
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实验教学 -- 实验十六 计数、译码和显示

实验十六 计数、译码和显示

    一、实验目的
    1.了解集成计数器、译码器和数码显示器的使用
    2.培养综合运用几种部件组成一个系统的能力
    二、实验设备
    5VDC电源、万用表、面包板、导线若干、逻辑开关一组、方波信号发生器、逻辑电平指示器一组、电阻510Ω×7、同步十进制可逆计数器（T217）、七段显示译码器（CT74LS247）、共阳极数码管（BS204）、集成与非门（74LS00、74LS20）。
    三、实验内容及要求
    1.设计一个具有计数、译码和显示十进制数的电路。
    具有能进行加法计数和减法计数，受控于二个使能端E1及E2。
    当E1 E2=00时，计数器复位；当E1 E2=01时，计数器加法计数；
    当E 1 E 2=10时，计数器减法计数；当E1 E2=11时，计数器保持。
    2.画出完整的实验电路图，搭试电路，并记录结果。
    四、思考题
    1.共阳极数码管与共阴极数码管区别？
    2.为什么译码器与显示数码管之间要求510Ω电阻？没有行不行？
    五、附录
    1.参阅前述实验中有关电路原理及芯片外引线排列图。
    2.参阅教材中CT74LS247外引线排列图及功能表及BS204电路原理图。
    3.T217集成计数器介绍
    T217型集成计数器是一种带预置数码的同步十进制可逆计数器。该计数器既可作加法计数，又可作减法计数，输出状态采用8421码，它的管脚功能如图16.1所示。
图16.1 T217的管脚图

    其主要功能端含义如下：
    A、B、C、D：四个输入端；QA、QB、QC、QD ：四个输出端；Cr：复位端，Cr为“1”时计数器置“0”；
    L D：预置控制端，当 为“0”数脉冲输入端；QCC：进位信号输出端；QCB：借位信号输出端。
    表16.1是T217集成计数器的功能表。
输 入 |  |  |  |  |  |  |  | 输 出
CP U | CP D | Cr | L D | A | B | C | D | Q A | Q B | Q C | Q D
× | × | 1 | × | × | × | × | × | 0 | 0 | 0 | 0
× | × | 0 | 0 | d 1 | d 2 | d 3 | d 4 | d 1 | d 2 | d 3 | d 4
↑ | 1 | 0 | 1 | × | × | × | × | 加法计数
1 | ↑ | 0 | 1 | × | × | × | × | 减法计数
1 | 1 | 0 | 1 | × | × | × | × | 保持
表16.1
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电阻系列

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电容器

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电感器系列

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二极管

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三极管

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集成电路

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晶体振荡器

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能量变换系列

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可控硅

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可控硅

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变压器

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微电机-2

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继电器

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继电器

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继电器

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名词解释-A

A
A-类（甲）级：晶体管放大级。它对一定量的大信号也可无切割失真地工作。
AB-（甲乙）类放大：晶体管放大级。它对一定量的大信号有切割失真。
埃　：长度单位，埃等于 [image] m。用于量度原子的大小和电磁波波长。
安培（A）：电流强度的国际制单位。
暗电流：无入射辐射存在时，光敏半导体器件输出电路中的电流。
暗电阻：无入射辐射存在时无源半导体光敏元件的电阻。


名词解释-B

B

B-（乙）类放大：晶体管放大级。它在正常信号下，各个器件约在半个信号周期内处于放大区。
BCD编码：是英文Binary Coded Decimal的缩写。又称二一十进制编码，是将十进制数的十个数码0～9用二进制代码来表示的编配方案。用此方案编写出来的代码即为ＢＣＤ（代）码
半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间的一种材料，如硅、锗等。
半加器：能对二位信息相加的电子电路。一般为集成电路。两个输入端引入两个加数，二个输出端分别引出“和”位和“进位”位。缩写：HA。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　半波整流：只能对正弦交流电的半波进行整流，叫做半波整流。
饱和：晶体管的一种工作状态。在此状态下增加晶体管的基极电流不能进一步减少其集电极-发射极电压。
饱和电流：晶体管在饱和状态下的集电极电流。
饱和基极电流：双极型晶体管总基极电流的一部分，即在稳态条件下超过使晶体管刚好达到饱和所需的基极电流的部分。
饱和区：双极型晶体管的一个工作区。当正向基极电流足够大时，由于外电路对集电极电流的限制，使集电极-发射极电压实际上不再随基极电流的增加而减少。当集电结由反向偏置变成正向偏置时，晶体管从有放大进入饱和区。
保护涂层：在已装配了元件后的印刷电路板上涂敷的硅表面涂层。能抗潮湿和化学浸蚀，并能减少装备中半导体器件的电性能失效和机械失效。
本征半导体：只靠本征导电机理导电的半导体材料，是一种化学成分纯净的半导体。　　　　　　　　　　　　　　　　　　饱和失真: 放大器件工作在特性曲线的饱和区时所引起的失真。
本征激发：当本征半导体共价键中的价电子从外界获得一定的能量时，挣脱了共价键及原子核的束缚而成为自由电子，称这种物理现象为本征激发。
比较器： 由半导体逻辑单元组成的一种组合逻辑电路。可用来检测二进制字码间的大小。
比特（bit）：二进制数字的位。
闭环电压增益：运算放大器的参数。指外加反馈网络时输出电压的变化与加在输入电阻上输入电压的变化之比值。
闭环增益：一个放大器组的输入-输出的增益。尤指一个集成电路放大器和一个外反馈网络输入-输出的增益。
并联反馈: 反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的同一个电极上。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　玻耳兹曼常数：在玻耳兹曼因子的指数中的常数k。k＝ [image] 焦耳/度。
补偿二极管：在电路中起补偿作用的半导体二极管。它的正向压降用来平衡电路中的另一个类似的电压降（例如双极型晶体管的发射极-基极压降）。在逻辑电路中广泛采用。
补偿运算放大器：频率补偿元件一起做在半导体芯片上的半导体集成运算放大器。不需要使用外部元件就能达到补偿的目的。
布尔代数：处理同“与”、“或”、“非”等有关算符的非数值元素（分类，命题等）的代数。特别使用于逻辑电路的设计。
不归0型脉冲：又称电位型脉冲，以电位的高低来实现二值数字信息的脉冲。


名词解释-C

C
C-（丙）类放大：带有谐振负载的晶体管放大级。它在正常信号下，每个器件只在小于半个信号周期内保持在放大区。
C-V特性：半导体器件（特别是包括一个P-N结或MOS结构的器件）的电容随外加电压的变化关系。
掺杂：把掺杂剂引入到半导体晶体中去。
差分放大器：由两个输入端组成的，在一定条件下其输出信号正比于两个输入信号之差的放大器。
差模输入：加在差分放大器两个输入端的幅度相同而相位相反的信号。
场效应：电场对半导体材料的影响。它改变了自由电子和空穴的平衡。
场效应晶体管：输出电流的大小受输入电压的电场效应控制的一种晶体管。
场效应晶体管沟道：连接场效应晶体管的源区和漏区的沟道。
场致发光：电流通过粉末半导体材料而产生光。少数载流子被注入到粉末晶粒中引起复合，以光子形式放出一部分能量。
场致发光器件：由电子过程引起发光的半导体器件，例如发光二极管。
衬底：产生电功能的薄层材料的机械支持物。可以是和薄层相同的材料（如外延生长工艺中），也可以是一种绝缘材料，如陶瓷（在厚膜集成电路工艺中）。
传输延迟时间：加到门输入端的输入电压脉冲前沿的特定位置至门输出端产生的输出电压脉冲前沿（是否反相取决于门电路）相应位置的时间延迟。
串行加法器：由全加器构成的一种电子电路（一般为集成电路组合）。在这种电路中，加法是按照时序一位接着一位同步进行的，每次相加都包括了较小位数的相加进位，可直接得到和数。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　串联反馈： 反馈信号与输入信号分别加在放大电路输入回路的两个电极上，称为串联反馈。
存储器：能以可记录的形式将电子数据储藏起来的器件或设备。
触发器翻转：在输入时钟脉冲的作用下使触发器改变状态，称触发器翻转。


名词解释-D

D
D触发器：在第n+1个时钟脉冲时的输出与第n个时钟脉冲时的输入相同的触发器。
导通电压：当正向电流流动时，在半导体管两端测得的电压。
导纳：电子电路中，能使电流在电势差的作用下流动的一种性质。是阻抗的倒数。
倒相电路：当输入端呈现“0”逻辑时，在二进制输出端给出"1"逻辑，而输入端呈现“1”逻辑时，输出端为“0”逻辑的逻辑功能的电路。
达林顿电路：为给出非常接近于1的等效共基极电流增益。两晶体管连接时基极1接发射极2，集电极1与集电极2相接。
大规模集成电路：用大规模集成技术制造的集成电路。通常包含多层绝缘和多层金属化。
单晶：所有的原子都排列成单一有序列的晶体。
单晶硅：所有的硅原子都排列成单一有序阵列的晶体。
单稳触发器：一种半导体集成电路触发器。当输入电压达到一特定值时在输出端产生一定幅度和一定宽度的单一脉冲，此时为暂稳过程，经过一段时间后，输出返回原先的稳定状态。
等效电路：半导体器件交流特性的网络表示，通常用小信号线性网络表示。给定器件的特性可有几种不同的表示方法。
等效电容：由在特定条件下，在指定的电路接点或器件端点处测得的电容。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　等效阻抗：在特定条件下，在指定的电路接点或器件端点测得的阻抗的倒数。
电磁波：以光速行进的、作周期性变化的电场和磁场的波。
电磁辐射：能量以电磁波的形式通过空间或介质进行发射和传播。
电导：在电位差作用下，有电流流过的材料的性质。是电阻的倒数。
电导率：在给定温度下，材料的单位体积的电导。是电阻率的倒数。
电荷：一个原子、分子或其它物体在其获得或推出电子时所具有的特性（前者称带负电荷，后者称带正电荷）。此特性使它与其它带电物体同性相斥，异性相吸，并且使它在电场中能受到力的作用。
电子-空穴对：在半导体晶体中，在同一时刻同一地方由于本征激发而产生的自由电子和空穴。除特殊情况外，它们不能持久地在一起。
电极：半导体器件的接触区。在器件工作时，它起搭桥作用。
电介质：电流不能通过它来传导或者只能有微不足道的传导的物质。并且在其中能以最小的能量损失来维持一个电场。
电量：一个物质所带电荷大小的定量量度。
电流：由于载流子在物体内移动而使电荷通过该物体的运动。
电流放大：使半导体器件输出电流和输入电流（无论是直流电还是交流电）有差别的机理。此机理的作用表示为电流放大系数。
电流放大系数：通过半导体器件的电流数值增加的因子。对共基极连接的双极型晶体管，一般稍小于1。对共发射极连接的双极型晶体管，在很大的范围内变化，典型值为100。
电流密度：在单位时间内，通过给定平面的单位面积的电荷。
电流增益：输出电流与输入电流之比的模量。
电平移动：在两个半导体逻辑系统之间，特别是在双极性晶体管和MOS场效应晶体管逻辑系统之间的交接处，改变逻辑电平。
电压增益：通过一特定负载的输出电压Vo与器件的输入电压V i之比。一般以分贝（dB）表示，分贝值等于 [image] 。
电子：静止质量为 [image] 千克、负电荷为 [image] 库的基本粒子。它可以单独存在（如自由电子），也可以围绕原子核的轨道上作为原子的一部分。
电子伏特：单个电子存在的负的静电荷。它等于 [image] 库仑。
电子学：研究电子器件、电子电路及其作用的科学技术。
电阻：物质限制流过自身电流量的属性（不计电抗效应）。是加于电气元件两端的电压降与流过这两端的电流之比值。
电阻率：材料单位截面积单位长度之电阻。
电阻器：具有一定电阻值而电抗可以忽略的无源电路和元件。有分立和集成化两种形式。
单相整流：完成单相交流电的整流，叫做单相整流。
电压反馈:反馈信号的大小与输出电压成比例的反馈称为电压反馈。
电流反馈: 反馈信号的大小与输出电流成比例的反馈称为电流反馈。
动态阻抗：在器件工作特性曲线上每单位电流变化引起的对应的电压变化（包括相位）。
动态平衡：在一定温度条件下，产生的“电子-空穴对”和复合的“电子-空穴对”数量相等时，形成相对平衡，称此为动态平衡。
多数载流子：非本征半导体中在热动力平衡条件下居多数的一种载流子，即N型半导体中的自由电子，P型半导体中的空穴。
多发射极晶体管：一种具有多个发射极（多个发射结）的双极型晶体管，广泛用于ＴＴＬ门电路的输入级。


名词解释-E

E

额定值：由器件生产厂给出的半导体器件使用的极限条件。超过这个极限工作，器件可能失效。
二极管：主要由一个P-N结构成的二端器件。
二极管“或非门”：当逻辑“1”存在于一个或几个输入端时，输出为逻辑“0”的二极管门。
二极管“或门”：当逻辑“1”存在于一个或几个输入端时，输出为逻辑“1”的二极管门。
二极管“与门”：只有当所有输入端均为逻辑-1输出才为逻辑-1的二极管门。
二极管“与非门”：只有当所有输入端均为逻辑“1”时输出才为逻辑“0”的二极管门。
二极管补偿：一种偏置补偿技术。这种方法是通过使跨接于正向偏置二极管的电压降与晶体管的VBE相匹配，或者二极管的反向饱和电流以与晶体管的漏电流相匹配。从而减小热变化的影响。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　二极管等效电路： 产生P-N结二极管等效性能的理想化电路元件的连接。对正向偏置和反向偏置情况，存在两种不同的形式。
二极管电流：对一特定外加电压，通过半导体二极管的电流，其数值由二极管方程给出。
二极管电阻：二极管等效电路中的理想化元件。用来表示正向偏P-N结所给出电阻。它是二极管增量电导的倒数。
二极管方程：P-N结二极管中电压与电流之间的关系：

式中I和V分别是在二极管端的电流和电压，Is为饱和电流，q为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。
二极管检波器：用于从高频载波恢复调幅波形的半导体二极管。
二极管-晶体管逻辑门：二极管-晶体管逻辑系列的基本门电路，对正逻辑完成“与非”功能。它用几个二极管作为“与”，用一个双极型晶体管作为倒相器连接而成。
二极管漏电流：由于载流子从作为少数载流子的区域通过作为多数载流子的区域而渡过反向偏置二极管的电流。
二极管特性：有关二极管电性能的某些方面的情况或二极管的电流与电压的静态曲线。
二极管与门： 只有当所有输入端均为逻辑1输出才为逻辑1的二极管门。
二极管闸流管： 一种两端形式的半导体可控整流器。它可由电压触发而进入"导通状态。
二极管正向阻抗： 在正向偏置条件下工作的半导体二极管的阻抗。
二进制编码：用两个编码元素（例如分立信号状态号）来表示信息的编码方式。
二进制计数器：每两个输入脉冲产生一个输出脉冲的电路。
二进制数字变量：只可能取两个分立值的量。两个分立值一般是由二进制数字系统的两个状态来表示的。
二进制数字系统：信息处理系统，特别指数字集成电路实现的系统。其中，只可以识别两个信号状态。
二-十进制编码： 用两个编码元素（例如分立信号状态号）来表示十进制信息的编码方式。　　　　　　　　　　　　　　　　二-五进制编码：用两个编码元素（例如分立信号状态号）来表示五进制信息的编码方式。
热击穿：由于热效应而引起的器件物理性能的破坏。
热激发：固体中由于晶格热振动而把束缚态的电子激发成自由电子的过程。
热敏电阻：阻值随温度显著改变，但在任何给定的（内部）温度下都基本上呈现欧姆性质的电阻。电阻变化通常是非线性的，有时十分明显并且可以改变符号。在某些应用中，是利用热敏电阻本身的功率耗散来改变温度，有些热敏电阻装有一个单独的加热器。


名词解释-F

F

阀电压：在P-N结两端的某个正向电压值。当低于这个电压值时，在所考虑的电路或器件中，通过P-N结的电流可被忽略。
阈值电压：数字电路规定的高低态之间的转折电压。用于延迟时间或噪声容限的计算。
阈值：一个特定的信号或一组分立数字信号的电平。处于该电平时，给定的电路或系统将产生显著的响应。
发光二极管：一种半导体两端器件。当以规定的电压加到它上面时，在适当半导体材料中电子带电跃迁的结果就导致复合辐射，它就发光。
发射结：在双极型晶极管中，将发射区与基区分开的P-N结。
发射极：双极型晶体管的一个区域。该区域将电荷载流子注入基区以便以后收集，这就产生了晶体管的作用。
发射极-基极电容：双极型晶体管发射极与基极两端之间的总电容，即内部的发射结电容与外部电容之和。
发射极-基极反向电流：当集电结和发射结均明显地反偏时，流过双极型晶体管的发射极电流。
发射结击穿电压：双极型晶体管的发射结所承担的反向击穿电压。它限制了输入电压的大小，对平面晶体管来说，一般为5V。
射极输出器: 放大电路的负载接在三极管的发射极上，由发射极输出放大电路信号，称为射极输出器，又称射极跟随器。
法拉（F）：电容的国际制单位。即一库仑电荷使电容器两极板间的电势升高一伏的电容。
反向电流：流进或通过反向连接的半导体器件的电流。
反向饱和电流：在常温下，半导体内产生的少数载流子数目基本不变，且很少。当给PN结加反向电压时，这些少子几乎全部参与漂移，而形成反向电流，此刻既便增加反向电压，反向电流也不会随之增加，即达到饱和，这就是反向饱和电流。应当指出，当反向电压给的足够大时PN结将发生反向击穿，反向电流会很大。
反向电压：使P-N结反偏所加的电压。
反向工作：晶体管发射极和集电极（或源和漏）对换使用的工作方式。
反向击穿：当反向偏置电压增大到某一值时，P-N结就失去阻挡作用，反向电流讯速地增加。这是由于雪崩或齐纳机理，或两者共同作用引起的。
反向连接：使器件反向工作所使用的接法。
反向偏置：在P-N结上加以直流电压使其置于阻挡方向，即在N区加正电压，在P区则加负电压。
反型层：导电类型由于污染或外加电场的影响而改变的半导体片子的表面层。
方波发生器：交叉耦合的半导体单元。例如两个输入端"或非"门组成的具有相等占/空比的多谐振荡器。
反馈深度: 表达式l＋FA称为反馈深度，用D表示，即D = l＋FA 。负反馈对放大电路性能改善程度均与D有关。 　　放大器：使输出信号（电流、电压或功率）比输入信号增大，而且输出信号增大所消耗的能量是取自功率源而不是取自输入信号的电子电路或电子器件。
非线性：与线性关系的偏离现象，或是在输入信号与输出信号振幅之间偏离线性关系的程度。
非线性失真: 当放大器件工作在特性曲线的非线性区时所引起的失真。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　分贝（dB）：表示两个信号或声电平之差值大小的单位。为两者功率比，常用对数的十倍，即10log10 P 1/P 2；或两者电压或电流比常用对数的二十倍，即20log10 V 1/V 2或20log10i 1/i 2。
分布电容：两个不是被集中在一个位置，而是沿着发生相互作用的界面分布的元件或区域之间的电容。例如由与反向偏置的P-N结形成的桶状电阻联系着的集成电阻器与衬底之间的电容。
分立电路：由分立元件组成的电子电路。
分立元件：简单的电子学零件。它不同于这些零件的集成或其它方法的集合体。
峰值功率：在一个周期内所用的或可提供的最大瞬时功率。
负反馈: 凡引人反馈后，反馈到放大电路输入回路的信号与外加激励信号比较的结果，使得放大电路的净输入信号削弱，使放大倍数降低，这种反馈称为负反馈。
负逻辑：二进制数字信号较负状态相应于逻辑变量“1”，较正状态相应于“0”的逻辑变量的定则。
负载线：在有源器件的输出电流/电压图上工作点的轨迹。由外电路控制。
负脉冲： 跃变后的值比初始值低的脉冲。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　负温度系数：当环境温度上升时元器件的有关电参数（例如稳压管的反向击穿电压）下降，称温度系数为正温度系数，反之为负温度系数。
复合：一个空穴和一个电子相互湮灭的过程。这个过程中释放的能量等于原先使这个电子从束缚状态变为自由状态所需的能量。复合过程中一个电子从导带回到价带，因此价带中的一个空穴也随之消失。
复合晶体管：作高增益对的内部耦合的N-P-N和P-N-P晶体管。在N-P-N的基极点的输入产生一个集电极电流以驱动P-N-P的基极。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　复式滤波：滤波电路中含有电感元件和电容元件的滤波器，叫做复式滤波。
伏安特性：有关二极管电性能的某些方面的电流与电压的静态曲线。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　幅频特性: 放大电路的电压放大倍数与频率的关系称为幅频特性。


名词解释-G

G

各向异性电导率：在晶体中与电流流动方向有关的电导率。
隔离：避免单片集成电路中的元件互相作用的电隔离，例如双极型晶体管用P-N结的隔离。
工作点：器件或系统的电压-电流座标的瞬时位置，通常是由静态特性曲线上的一个点来表示。
共发射极截止频率：共发射极电路电流增益的模数下降到低频值的 [image] 时的频率。
共发射极输出特性：共发射极连接的双极型晶体管的输出情况的数据。或者当基极电流保持恒定时，集电极-发射极电压对集电极电流的静态曲线。
共发射极输出阻抗：当基极电流保持恒定时，双极型晶体管每单位集电极电流变化时所引起的集电极-发射极电压变化增量。
共发射极输入特性：发射极连接的双极型晶体管的输入情况的数据。或者当集电极-发射极电压保持恒定时，发射极-基极电压对基极电流的静态曲线。
共价键：以原子间电子的相互作用而使原子结合起来的化学键。
共模：差分放大器的两个输入端输入同一信号。
共模输入：对差分放大器的二个输入端施加两相等且同相的信号。在集成电路差分放大器中尤其重要。
共模抑制：差分电路对差模信号间小差异有响应而对共同大信号没有响应的能力。一般由集成差分放大器制造厂给出这个指标。
共模增益：不希望有的输出变化与引起这变化的共模输入变化之比。
共源组态: 在场效应管放大电路里，输入和输出电路的公共端是源极，则称这种连接方式是共源组态。
共栅组态: 在场效应管放大电路里，输入和输出电路的公共端是栅极，则称这种连接方式是共栅组态。
共漏组态: 在场效应管放大电路里，输入和输出电路的公共端是漏极，则称这种连接方式是共漏组态。
沟道：半导体中由于外部影响而形成的，沿其长度方向能起导电作用的区域。
沟道击穿：场效应晶体管沟道的雪崩击穿。由从源到漏极的沟道中的漂移电场所引起的，是一种引起饱和漏电阻减小的软击穿。
沟道宽度：场效应晶体管中的沟道宽度。其大小各处不同。朝漏极方向变窄，而在夹断区中实际上为零。
固定偏置电路：双极型晶体管偏置电路。其直流基极电流由连接于集电极-基极间的偏置电阻阻值和集电极电源电压大小来决定。
管壳：封装的外面部分。通常用来将其固定于散热板上，起电连接的作用。
管壳温度：一个半导体器件管壳上某指定参考点的温度通常定在管壳安装面上。
光电流：半导体薄片或器件内流动的总电流中，由给定条件下辐射源的照射引起的那部分电流。
光电二极管：由光照射P-N结使之导电的适合反向使用的半导体结型二极管。
光电效应：可见光、红外线或紫外线在其上照射而引起的电子发射。体内吸收一个光子，便发射一个电子。
硅：非金属半导体元素。几乎所有的平面器件和单片集成电路都是用它的单晶制造。
过流保护：防止过高电流的保护。主要用于电源和输出级，在半导体器件电路中尤为重要。
过压保护：防止电源电压波动至高的临界值，而对仪器进行的保护。方法是在仪器中预先设置一个闸流管，在选定的电源值下点火，从而把电压箝位到规定的零点，而动作缓慢的机械保护系统便进入工作。
归0型脉冲：以脉冲的有无来实现二值数字的脉冲。
灌电流：当门电路输出端Ｙ为低电平时，接入负载门后，有电流自负载向Ｙ端灌入。这种流向的电流称“灌电流”。


名词解释-H

H

h参数：由下列方程定义的小信号交流参数

    式中h 11,h 12 ,h 21,h 2２, 称作h参数。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　耗尽：半导体中载流子密度减少到从掺杂水平和温度考虑所预期的值以下的机构。
耗尽型MOS场效应晶体管：一种金属-氧化物-半导体场效应晶体管。其沟道由通过绝缘氧化物的扩散而产生。它的工作原理是靠结的场效应和表面电容 器的共同作用。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　耗尽型绝缘栅场效应晶体管： 在栅极端没有外加电压时就存在沟道的绝缘栅场效应晶体管。
赫兹（Hz）：频率的国际制单位。周期时间为1秒的一个周期性现象的次数。
享利（H）：电感的国际制单位。在以每秒1安培速率变化的电流作用下电路中产生1伏电动势时的电感量。
恒流条件：当发生器阻抗降到一半时，半导体器件参数不发生明显改变的条件。
横向晶体管：半导体片表面上邻近但不相连的相同导电类型的区域形成的晶体管。
互补晶体管电路：同时采用N-P-N和P-N-P双极型晶体管，或P-沟道和N-沟道场效应晶体管的电路。
互补晶体管对：极性相反的能共同工作的晶体管对。
环境温度：邻近周围环境的有效平均温度，尤指散热设备或装置下在天然对流空气的温度。
环形计数器：由首尾相接的双稳态级环状连接构成的计数器。它只有一级输出为“1”，其余都为“0”。在对时钟脉冲计数时，此“1”状态依次往后推移。
霍尔效应：在与电流方向成直角的磁场B的作用下，在一个杂质半导体（或导体）中流过的电流密度J产生一个电场Eo其大小与J和B成比例，其方向与J和B互成直角，这种现象叫霍尔效应。


名词解释-J

J

击穿：电学元件或元件的一部分从高动态阻抗状态过渡到低动态阻抗状态的情况。在这一过渡中，可能要引起破坏，但在一定时间间隔后会得到恢复，或者几乎立即就得到恢复。
击穿电压：在给定的电流下，使反向偏置P-N结不再呈现高阻抗的电位。
击穿区：半导体材料中产生击穿的区域。通常指反向偏置结的部分或全部。
击穿阈值：使流过反向偏置P-N结的电流因击穿而开始显著上升的电压值。
基本门电路：一种简单的门电路。经过适当组合，可以构成许多种数字集成电路系列。
基极-发射极饱和电压：双极型晶体管工作于饱和区时，基极与发射极间的电压。
基极-发射极温度系数：在发射极电流恒定的条件下，基极-发射极电压随温度的变化率。对硅晶体管，温度每增加摄氏一度，电压下降约二毫伏。
基极电压：基极端电压的绝对值。有时也指基极-发射极电压。
基极电源：向双极型晶体管的基极提供的通常作为偏置的电流或电压。
基极-发射极电压降：半导体电路中的一个很重要的电压量。因为电路中各点的电平通常都需仔细调整好，共发射极连接的晶体管引起基极-发射极电压降，硅器件中其值取0.7０V左右。
基极输入电流： 输入到共发射极接法的双极型晶体管基级的电流。它对基区电荷提供多数载流子。如果晶体管工作于放大有源区，则在同样的集电极电流下，基极输入电流较发射极电流小1-2个数量级。
基极引线电感：由封装零件决定的非本征晶体管元件，等价于基极引出线（包括封装内的互连细线）的电感。采用扁带状引线或同轴装置可以使之减小。
基区：双极型晶体管中把发射区和集电区隔开的部分。
基区层：本质上是由面积较大的薄层构成的基区。它介于P-N结与金属接触之间，或介于发射区与集电区之间。
基区存储电容：二极管或双极型晶体管的基区扩散电容。
基区电极：半导体材料表面上与双极型晶体管基区形成非整流接触的导电区域，例如平面晶体管的基极条。
基区电阻：基极引线端与有源基区间的欧姆电阻。
基区渡越时间：过剩少数载流子越过有源基区所需时间。
基区分布：双极型晶体管基区中少数载流子密度与位置的关系。
基区光生电流：光作用在基区上产生的电流。
基本逻辑：即“与”逻辑、“或”逻辑和“非”逻辑。
激发：束缚电子能量的增加，能使它从受原子的束缚状态变成脱离原子的自由电子。
激活能：在本征半导体中产生自由电子-空穴对所需要的能量。
集成电路：集成于一小尺寸封装内的电子电路。有源元件用半导体材料制造，无源元件用各种可行的技术制造。
集成电路块：由任何一种工艺所制成的能完成某种特定功能的集成电路。
集电结：双极型晶体管中集电区和基区间的P-N结。
集电极：在双极型晶体管中，从发射区发射出的载流子经基区流入的区域。
集电极-发射极饱和电压：在双极型晶体管饱和工作区的集电极-发射极之间的电压降。
集电极-发射极电容：双极型晶体管的集电极与发射极端之间的总电容。
集电极-发射极击穿电压：双极型晶体管的集电极和发射极之间预期的击穿电压值。
集电极反向电流：双极型晶体管反向连接时从集电区流入基区的电流。
集电极-基极电容：双极型晶体管的集电极和基极端之间的总电容。
集电极-基极击穿电压：双极型晶体管的集电极和基极之间的击穿电压值。
集电结：双极型晶体管中集电区和基区间的P-N结。
集电极-基极截止电流：发射极电流为零时，集电极-基极的漏电流。
集电极-基极漏电流：集电极-基极P-N结在反向偏置条件下，如在放大或截止工作区下流过的漏电流。
集电极-基极偏置电路：双极型晶体管的一种偏置电路。其中加到基极端的偏置电阻是连到集电极端，而不象在固定偏置电路中那样连到集电极电源端。
集电区：以集电结与晶体管部分隔开的双极型晶体管。
集成门电路：实现门电路功能的集成电路，参见集成电路。
计数输入：半导体逻辑计数单元的电压指标。表示加于计数输入管脚的、肯定将产生计数作用的最小电压值，在最低推荐工作温度下取得的指标。
计算机辅助设计：借助于计算机设计电子电路和扩散掩模布局的一种集成电路设计方法。即应用标准程序来得到最佳的设计。
寄存器：由逻辑存储单元（通常为集成电路触发器）构成的系列。其存储的位数代表着一个特定的数字，从而系列的状态就寄存了那个数字。
寄生振荡：由寄生电路元件引起的振荡。
加速电容：与双极型晶体管基极回路内电阻并联的电容。用来提高对高速上升的输入脉冲的开关速度。电容对脉冲信号的前沿提供一个交流通路，然后在基极电流恒定后，通过电阻放电。
金属-氧化物-半导体场-效应晶体管：以金属-氧化物-半导体方法制造的绝缘栅场效应晶体管。
夹断：用沟道两端间施加的电压所控制的内部效应来修正场效应器件的沟道电导，使沟道电流基本上与此电压无关。
夹断点：场效应器件沟道两端之间的电压恰好足以形成夹断时的状态。
夹断电流：场效应器件工作在夹断区（饱和区）时的沟道电流值。
价电子：具有价带能量的电子。
交流负载：在交流情况下，有源器件在输出电路中功率的耗损。
交流反馈: 反馈仅仅是交流信号的反馈称为交流反馈。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　交流负载线：双极或场效应晶体管的交流负载线。它是在晶体管特性曲线上画出的一根直线，其斜率代表交流负载，而与直流负载线和特性曲线的共交点代表静态工作点。
焦耳（J）：功的国际制单位。即1牛顿的力当其作用点沿力的方向移动一米距离所做的功。1焦耳等于 [image] 尔格。
交越失真: 在乙类功放电路里,功放管交换工作时静态工作电流接近零,功放管进入了截止区，由此产生的失真称为交越失真。
接通电压：刚好足以引起有显著电流通过某一二极管或P-N结的正向电压。
结：不同材料之间或同一材料具有不同电学性质的部分之间的过渡区域。
截止：不管所加电压如何，器件的输出电路都无明显的导通状态。
截止电压：使器件截止所需的电压，或在截止条件下存在于器件内或器件两端的电压。
截止频率：由于频率变化，某一对频率灵敏的参数或关系，从某一参考状态变到某规定数值时的特定频率。
截止区：集电极-发射极（或漏-源）电压正常，而发射极-基极电压或源-栅电压为反向时的晶体管工作区。
截止失真: 放大器件工作在特性曲线的截止区时所引起的失真。
进位输出端：一个半加器或全加器的输出端。
进位输入端：一个半加器或全加器的输入端。
进位位：从一个电路传到另一个电路的单个数字信息。
晶格：点的三维有规则排列。每个点代表晶体中的一个原子位置，每个点与其它任何类似的点周围情况相同。
晶体：原子、分子或离子的三维有序阵列。
晶体管截止电压：加在双极型晶体管发射结上的临界截止正向偏置电压。当正向偏置电压低于此值时，晶体管就从放大区变到截止区。
晶体管截止频率：使晶体管某特定参数的数值比低频值降低3分贝时的频率。
晶体管截止区：晶体管特性曲线中各端电流非常小的那部分区域。
晶体管开启电压：加在双极晶体管发射结上的临界工作正向偏置电压。当正向偏置电压高于此值时，晶体管就从截止区进入到放大区。
晶体管老化：晶体管特性随时间推移而发生的衰变。
晶体管频率响应： 双极型晶体管电流增益随工作频率不同而发生的变化。在低频范围内，电流增益基本上不随频率变化。超出这个范围，增益将随频率升高而显著下降，到达截止频率后，晶体管失去正常放大能力，进入截止区。
晶体管输出特性曲线：双极型晶体管集电极回路中的电流随电压变化的曲线。此电压可以是集电极-发射极电压，也可以是集电极-基极电压，根据晶体管的连接方式而定。一般都是以输入电流为参变量的一族曲线。
晶体管输入特性曲线：双极型晶体管发射极-基极回路中的电流随电压变化的曲线。根据线路的接法不同，此电流可以是发射极电流，也可以是基极电流。输入特性随集电极电压不同而变化。
静态电流：无信号时的电流。
静态工作点：器件或系统静态伏安特性曲线上的一点。在不存在干扰或输入信号时，器件或系统的状态与该点相对应。
绝对零度：理论上可能达到的最低温度即摄氏零下 273.16度。在这一温度下，所有粒子运动（所有能量）将停止。
绝缘体：在两个能带之间有很大的禁带宽度的材料，在绝对零度时，在禁带之下的能带被电子完全填充，在禁带之上的能带完全没有电子。
绝缘栅场效应晶体管：栅极与半导体材料绝缘的一种场效应晶体管。栅极对半导体的影响是通过表面电容的作用来实现的。


名词解释-K

K
卡诺图：由真值表导出的所需输出状态的二维图示。
开环增益：外部反馈网络断开时放大器（尤指集成电路运算放器）的增益。
可靠性：半导体器件保持其品质的能力。器件在特定的时间和条件下，在电路中能满意地完成所需功能的概率。
空间电荷区：由载流子的积累或耗尽，或两者兼有而产生的静电电荷层。它产生于半导体内特定的导电类型的区域的边界处或产生于渡越区。
空穴：在半导体理论中为简化价带电导的分析而引入的一种假想的带正电荷的粒子。
空穴运动：在共价键结构的半导体内，空穴的移动称为空穴运动。
库仑：电荷（电量）的国际制单位。等于流过导体电流为1安培时，1秒钟内流过导体截面的电量。
跨导：小信号输出电流与输入电压之比的实数部分。
扩散运动：粒子从高浓度区向低浓度区的移动。两邻近区域间的净流量正比于该二区域间的粒子密度梯度。
扩散电流：载流子扩散而产生的电流。
扩散电容：由于载流子扩散而产生的有效电容。它通常跨接在有非平衡载流子注入的区域。在稳定分布建立之前，这些区域需要有电荷。


名词解释-L

L

拉电流：当TTL门电路输出端为高电平时，接入负载门后，有电流从输出端流向负载，这种流向的电流称为“拉电流”。
老化：在器件（尤其是集成电路）制造的最后阶段，将它放在极端工作条件下应用数十小时，以减小早期失效的危险。
离子：因失去电子或得到电子而带电的原子或分子。它在物质中的迁徙影响电荷输运的荷电粒子。
理想二极管：正偏压降很小或为零，而在反偏时，漏电流很小或为零的二极管。实际上，一般是很难实现的。
理想化三极管：用理想的三极管特性来近似表示实际三极管特性的概念。
临界参数：半导体器件在测试中特别重要的参数，例如重要的机械缺陷，开路和短路等。
磷：固态非金属元素。有毒，易燃，并有三种同素异形结构。常用作硅中的施主杂质，而在锗中不常采用。
零点漂移：在恒定的或零输入信号下的输出漂移。规定把输出恢复到原来电平所需要的输入信号值。
漏极电流：从源流入经过沟道到场效应晶体管漏端流出的电流。
漏偏压：存在于场效应晶体管漏极上的静态电压。通常是相对于源电位来测量的。
逻辑“0”状态：开关电路相应于逻辑电平为“0”。
逻辑“1”状态：开关电路相应于逻辑电平为“1”。
逻辑变量：表示叙述或命题是真是假的二进制数字变量。通常分别用1和0表示。
逻辑电路：二进制的数字集成电路或分立元件电路。
逻辑电平：其大小代表二进制数字1或0的电压。
逻辑规定：或正或负的逻辑假设。
逻辑函数：借以从已知逻辑变数值推导新逻辑变数值的准则。
逻辑接口：将信号从输入转换器或信号发生器送入逻辑运算系统时，或将信号送入外围设备时，信号形式的改变。
逻辑运算：逻辑函数的应用。
逻辑表达式：利用布尔代数的规则。书写出来其逻辑问题的数学表达式。
逻辑状态表：又称真值表。是将某逻辑表达式中穷尽输入、输出状态的对照一览表。它是逻辑函数的列表表示。逻辑变量的所有的取值组合而列的逻辑变量与逻辑函数。
逻辑转换：信号从一个逻辑系列通过到另一个逻辑系列所需的逻辑电平的变化。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　滤波：将输入的脉动电流（或电压）中的交流成分滤掉，只剩直流电流（或电压）的过程叫滤波。
滤波器：能够滤除交流成分的电子装置。


名词解释-M

M

MOS晶体管：通常理解为用MOS工艺制造的场效应晶体管。缩写：MOST，即金属氧化物半导体管。
MOS“或非”门：MOS增强型场效应晶体管为获得“或非”功能的连接。
MOS“与非”门：MOS增强型场效应晶体管为获得“与非”功能的连接。
MOS集成电路：金属氧化物半导体集成电路，一般指单块形成的开关电路。
脉冲：短时间内流动的能量或流动能量的变化。通常具有明确限定的前沿和后沿。
脉冲电路：处理断续流动能量的电路。
脉冲放大器：放大脉冲信号的电路。
脉冲宽度：在脉冲前沿最大幅度50%的一点至脉冲后沿最大幅度的50%的一点之间的时间间隔。
脉冲高度：脉冲变化的最大值。
脉冲平均时间：电脉冲宽度的量度。即从前沿最大幅度一半处到后沿同样一点的时间间隔。
脉冲周期：周期性脉冲相邻两个上升沿（或下降沿）的脉冲幅度的10%两点之的时间间隔。
脉冲频率：单位时间的脉冲个数。
脉冲延迟时间：从接收输入脉冲至给出输出脉冲之间的一段时间。从输入脉冲前沿在幅度最大值的10%处至输出脉冲同一点之间的时间间隔。
脉动系数：脉动系数定义为二次谐波的幅值与平均值的比值，用符号S表示。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　门：具有多个输入端，输出取决于这些输入端逻辑信号组合的逻辑电路。
门电路：是指一种开关电路也是一种逻辑电路，当满足一定条件时数字信号才能通过。条件不满足数字信号就不能通过。
门限电压：加于P-N结两端的某个正向电压值。当低于这个电压值时，在所考虑的电路或器件中，通过P-N结的电流可被忽略。
模拟比较器：具有二进制数字输出的电路。其输出能指示两个模拟（电压）输入中哪一个电压更高，它通常都是集成电路。
模拟电路：由分立半导体器件和其它器件电路的功能是处理模拟信号。组成的电子线路。
模拟函数：模拟输出信号与模拟输入信号依赖关系的数字或图解表示。在模拟集成电路中尤其有用。
模拟开关：用来开关模拟信号的半导体器件。
模拟信号：用特定的连续性（往往是非线性的）定律来表示其它一些物理量的电学量（电压，电流，频率，相位，脉冲宽度等）。


名词解释-N

N
N型半导体：多数载流子是自由电子的半导体材料。
N-P-N双极型晶体管对：基本特性相同的一对双极型晶体管，封在一个管壳里，可能有几根公共引出线。用于差分电路。
内建电场：半导体空间电荷区中由于二种极性相反的空间电荷层的靠近而引起的电场。
逆变器：用从直流输入能量而产生方波输出的方法。把直流能转换成交流能的晶体管和闸流晶体管电路。


名词解释-O

O
欧姆（Ω）：电阻的实用单位。当导体通过1安培的电流，在两端产生1伏电位差，则其电阻值便为1欧姆。


名词解释-P

P

P-N结：一种半导体单晶结。其中P型区和N型区被一个薄的过渡区分开。通过过渡区，使一种导电类型过渡到另一种导电类型。
P型半导体：多数载流子是空穴的半导体材料。

偏置：在输入端向器件提供的固定的或缓慢变化的电压或电流。它给出器件未施加信号时的工作点。
偏置曲线：画出的双极型晶体管输出特性曲线由偏压-电流关系下的电压和电流对应点的轨迹。负载线和偏置曲线的交点表示静态工作。
漂移：在电场或磁场作用下带电粒子运动的现象。
漂移运动：在电场或磁场作用下带电粒子的运动。
漂移电流：载流子作漂移运动时形成的电流。
频率补偿：用网络方法来改变集成电路放大器的开环相位频率响应，而使所需的反馈网络连接时不产生不稳定性。
频率特性: 放大电路的幅频特性与相频特性两者统称为频率特性。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　平均电阻率：半导体片自表面到P-N结为止的扩散层的有效电阻率的量度。在宽度范围的表面上测出薄层电阻后，如果认为层的截面分布是均匀的，则已知结深，就可算出产生这个薄层电阻所需的电阻率的理想值。
平面二极管：用平面工艺P-N结二极管。特别是用硅材料制做的二极管。


名词解释-Q

Q

齐纳击穿： 由于存在每厘米 [image] 伏数量级的强电场所引起的价键直接击穿。其结果使本来阻挡电流的结构很容易通过电流。
钳位二极管：用二极管正向导通来使电路的一部份固定在一个限定的电压上。
桥式整流：整流电路中的四只整流器件，接成桥式形式，将这种整流装置叫做桥式整流。　　　　　　　　　　　　　　　　　桥式整流器：一般由四个二极管组成的电路装置。在其输入端馈接单相交流信号时能够输出全波整流电压。
全加器： 它是一种电子器件。通常做成集成电路。能完成几个二进制一位数的加法。三个输入端引入要相加的数，其中一个为该级来自低位的进位输入。二个输出端产生一个和的数和一个进位输出的数。


名词解释-R

R
热击穿：由于热效应而引起的器件物理性能的破坏。
热激发：固体中由于晶格热振动而把束缚的电子激发成自由电子的过程。
热敏电阻：阻值随温度显著改变，但在任何给定的（内部）温度下都基本上呈现欧姆性质的电阻。电阻变化通常是非线性的，有时十分明显并且可以改变符号。在某些应用中，是利用热敏电阻本身的功率耗散来改变温度，有些热敏电阻装有一个单独的加热器。


名词解释-S

S

死区：当加在二极管上的正向电压小于开启电压而使二极管处于截止状态时，对应的伏安特性曲线的部分形成的称作死区。
少数载流子：非本征半导体在热动平衡条件下处于少数的一种载流子。例如N型半导体中的空穴或P型半导体中的自由电子。
三相整流：完成三相交流电的整流，叫做三相整流。
三稳态逻辑门：可能有三种稳定状态的一种半导体电路，特别是双极性半导体电路。真值表中的状态规定是正输出电压（例如+2V）为逻辑“0”，零输出电压为逻辑“1”，负输出电压（例如-2V）为逻辑“2”，也有用与此相反极性的。
三态门：输出具有高电平，低电平及高阻三种状态的门电路。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　三极管的输入电阻: 即r be，低频小功率三极管的输入电阻常用下式进行估算： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　三极管的输出电阻: 三极管的输出电阻用r ce表示，其定义式为 [image] 。
上升时间：脉冲前沿从最大幅度的10%处上升到90%处的时间间隔。
上升延迟：脉冲前沿的传播延迟。
上升延迟时间：由脉冲的上升时间引起的延迟。
上限频率: 在高频段，放大电路的电压放大倍数降到中频段电压放大倍数的0.707倍（－3dB）时的频率值叫做上限频率，用符号f H表示。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　砷：在锗和硅中用作施主杂质的一种金属元素。
砷化镓：类金刚石晶体结构的二元化合物半导体。是暗蓝色的晶体。能用与硅和锗相似的方法去腐蚀。
施主原子： 替位式进入半导体晶体结构的杂质原子。当能量有少许增加时，电子就从这种原子激发到导带的能级中去。
施主杂质：替位式进入半导体晶体结构的杂质原子。当能量有少许增加时，电子就从这种原子激发到导带的能级中去。
时序电路：为主电路工作提供特定时间常数的一种辅助电路。通常是由电容或RC组合构成，连接到集成电路的适当管脚上。
时序逻辑电路：数字逻辑电路中一类。该电路任何时刻的输出不仅取决当前时刻的输入信号，而且与这一时刻前电路原来的状态有关。
时钟发生器：发生时钟脉冲的电路。
时钟脉冲：一个数字信息处理系统的基本定时脉冲。
时钟输入：控制逻辑电路时序的脉冲波波序列。
使能门：一种半导体逻辑门。它能接受时钟脉冲到一个数字单元，还包括一个分开的控制输入端作为输入的禁止/使能控制。
使能端：又称控制端，是数字电路中常见的输入端子。在该端子上加有不同的逻辑值电平，可使数字电路工作在不同的状态或具有不同的功能。
势垒：两种材料或同一种材料的两个不同区域之间的接触电势差。
势垒层：起势垒作用的空间电荷层。
势垒电容：由于势垒内的空间电荷层中电荷的分离而引起的与电压有关的电容。
室温：工作室内的正常温度具体数值并未作精确的规定，通常取为27℃。因为这是一个典型的数值，可以换算成300°K，以便于计算。
烧毁：由于过热引起的突然失效，特别是例如在雷达等设备中因为射频高能脉冲引起的微波二极管的失效。
受主离子：带正电荷的受主杂质原子。
受主杂质：有意或无意引入半导体中能起受主原子作用的杂质原子。
受主原子：以替位方式引入半导体晶体结构中的杂质原子。用增加微小的能量就可以使载流子由价带激发出来。
输出低电平：半导体逻辑门的电压规范。当电路接额定负载，并处于导通饱和状态时的输出电平不应超过此值。
输出高电平：半导体逻辑门的电平规范。电路处于截止状态时的输出电平不应低于此值。
射极跟随器：给出电压较射（源）极小于1而电流增益相当大的共集电极电路。
输出特性：与半导体器件输出端的状态有关的数据，或者是输出电压与输出电流的关系曲线。
输入低电平：半导体逻辑门的一个电压输入法指标。也就是使输出端不转入低电平状态下输入端所许可升到的最高电压值。
输入电阻（场效应晶体管）：其值为单位栅电流增量引起的栅-源电压微小增量的实数部分。一般是在给定的直流漏电流和直流-源电压下计算的。
输入电阻（混合型）：是晶体管的一个参数。对双极型晶体管是输入电路中把发射极与附加基区电阻连接起来的电阻，是混合π型等效电路的参量。它使所流过基极-发射极的电流等效于补充基区中的复合损耗。对单极型晶体管其值为单位栅电流增量引起的栅-源电压微少增量的实数部分。
输入端：将信号引入电路的通道。
输入高电平：半导体逻辑门的一项电压指标。它表示输入端的最高阈值电压，即输出端不转入高电平状态下输入端所许可降到的最低电压值。
输入失调电流：在输出信号为基准电平（通常为零）时，集成电路差分放大器两个输入端电流之间的差值。
输入失调电压：在输出信号为基准电平（通常为零）时，集成电路差分放大器两个输入端电压之间的差值。
输入特性：驱动一个半导体器件时输入信号必须遵循的电流-电压特性。
输入特性曲线：驱动一个半导体器件时输入信号必须遵循的电流-电压特性。对于双极型晶体管共发射极连接来说，相当于具有直流偏置的二极管特性曲线。
数据接口：为使信息适合向数字计算机输入而对信息进行处理的设备。
数据选择器：用适当的信号加以控制，从二个或多个数据流当中选择一个的集成电路装置。
数字变量：具有特定值或特定状态的变量。通常是二进制数字变量。
数字信号：数值不随时间连续变化而发生在一系列离散的瞬间，变化的幅度总为某最小单位的整数倍的信号。
数字电路：实现数字系统的电路，特别是数字集成电路。
双稳态：具有二个稳定状态的器件或微型组件。外加适当输入信号时，二个稳定态间可转换。
双向二极管：内部连接的P-N结二极管系统。在每个方向上都出现大体上类似的特性，特别是正向特性。
双向晶体管：正接或反接都能工作的晶体管。
双端输入: 若信号同时加到同相输入端和反相输入端，称为双端输入.
双端输出与单端输出: 差分放大电路可以有两个输出端，一个是集电极C1，另一个是集电极C2。从C1和C2输出称为双端输出，仅从集电极C1或C2对地输出称为单端输出。
算术运算：保存在两个或两个以上寄存器中的两个或两个以上字的组合，以得到他们所代表的数字算术和数。
栅极：场效应晶体管中与沟道区邻接的那一部分。用于对沟道施加电场效应。
栅偏压：场效应晶体管栅极上的静态电压。通常以源电压为基准进行测量。
十进制：日常生活中的进位数制，采用十个计数符号按值由小到大排列为０、１、３、４、５、６、７、８、９，计算规则是“逢十进一”
十六进制：广泛应用于数字系统中的一种进位数列。采用了十六个计数符号。按值的大小排列为０、１、２、３、４、５、６、７、８、９、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ。计算规则是“逢十六进一”。
十进制计数器：只有当输入端接收到十个输入信号或脉冲以后，才给出一个输出信号或脉冲的一种系统或若干有关的系统。
扇出系数：又称扇出端数，一个门电路所能驱动的同类门或逻辑负载的最大数目。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　瞬时极性法: 在放大电路的输入端，假设一个输入信号的电压极性，可用“+”、“－”表示。按信号传输方向依次判断相关点的瞬时极性，直至判断出反馈信号的瞬时电压极性。如果反馈信号的瞬时极性使净输入减小，则为负反馈；反之为正反馈。将这种判断正、负反馈的方法叫做瞬时极性法。


名词解释-T

T

T型触发器：D型触发器的变型。将D输出Ｑ非反馈到D输入，触发器仅随时钟脉冲翻转。
TTL：为英语Transistor-Transistor Logic缩写。采用一个多发射级晶体管作为逻辑输入，中间级为晶体管倒相，输出级为晶体管推拉式结构的门电路。
特性：用两个变量间的非线性关系来表示的半导体器件的性能。特别是指这种性能的图形表示。　　　　　　　　　　　　　　图解法: 在晶体管输入、输出特性曲线上通过图解的方法分析放大电路。
通频带: 频率带宽f H －f L叫做称通频带，用B表示。B的定义式是B ＝f H －f L。
同相输入端: 根据规定的正方向，在一个输入端加上一定极性的信号，如果所得到的输出信号极性与其相同，则该输入端称为同相输入端。


名词解释-W

W

瓦特：功率的国际制单位。1秒钟内消耗1焦耳能量的功率。
外层电子：根据玻尔原子模型位于外壳层的电子。只有这些电子能参与价键和固体中的导电。
外加电压：加到器件某一端的相对于在某个参考点的电压值。
外壳：用来保护半导体器件管芯，使它免受将会影响其电学性能的机械损伤或化学变化的金属外壳。
微变等效电路分析法: 是一种线性化的分析方法，输入信号为小信号时（一般要求v b即v i≤10mV）把晶体管用等效的线性电路来代替，从而把非线性电路转化为线性电路，再利用线性电路的分析方法进行分析。所谓“微变”，即变化范围很小，特性曲线在Q点附近可以用直线代替。而“等效”是指对晶体管的外电路而言，即伏安关系不变。这种分析方法，只适用于小信号电路的分析，且只能分析放大电路的动态。
微变等效电路: 用微变等效电路分析法作出放大电路的等效电路叫做微变等效电路。
微分电容：半导体二极管两端所提供的电荷增量与外加电压增量之比。它是在给定偏置电压的小信号条件下测量的。
纹波电压：整流后电流中的交流电压称为纹波电压。
稳定电压：其大小在很大程度上不因电源或负载条件变化而受影响的电压。通常指直流电压。
无权编码：代码的各位没有确定权重编码方案，称为无权编码。例如余3BCD（代）码。用此方案编写出来的代码即为无权（代）码。
温漂: 因晶体管参数随温度的变化而导致放大电路静态工作点发生漂移，这种漂移称为温漂。
稳幅电路：能使放大器的输出幅度稳定在一定数值上的电路，叫做稳幅电路。


名词解释-X

Ｘ

西门子：国际单位制中的电导单位。
硒：一种非金属元素。它的电阻随照射光强的增加而减少，常以多晶形式制作各种器件，例如整流器和光敏元件。
线“或”连接：两个门的连接方法。通过连接门输出间的外接线，使其无论是两个门还是一个门的输入在“1”逻辑时，输出都为“1”逻辑。
线“与”连接：两个逻辑门的连接方法。通过连接门输出间的外接线，使所有输入态都是“1”逻辑时，输出是“1”逻辑，否则为“0”逻辑。
相移：输出和输入信号因晶体管的作用而引入的相移。双极型晶体管产生的相移与载流子渡越基区所需的时间有关，而场效应晶体管则与载流子沿沟道运动所需的时间有关。由于结电容和外部电容对电压峰值的延迟，产生了进一步的相移。
相频特性: 输出信号与输入信号的相位差与频率之间的关系称为相频特性。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　削波二极管：双向击穿二极管。它对任一极性的信号电压峰值进行削波。
雪崩击穿：通过P-N结的载流子碰撞电离产生出来的载流子又去发生碰撞电离。由于这种重复碰撞电离的结果，致使流过P-N结的电流急剧增加，其特性曲线出现比齐纳击穿更尖锐的弯曲。
雪崩击穿电压：加于半导体器件端点上的引起雪崩击穿的电压。可看成是特性曲线中出现尖锐弯曲时的电压，或定为电流上升到某指定值时的电压。
雪崩激发：导致雪崩形成的条件。例如增高加在P-N结上的电压或增大流过P-N结的电流。
下降时间：脉冲后沿从最大幅度的90％下降10％处的时间间隔。
下限频率: 在低频段，放大电路的电压放大倍数降到中频段电压放大倍数A vo的0.707A vo（－3dB）时的频率值叫做下限频率，用符号f L表示。
虚短：在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。注意，并不是将两输入端真正短路。
虚断：分析运放处于线性状态时，由于两个输入端的输入电流近似为零，故可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断开。
选频网络：利用网络的谐振特性，将信号中与网络谐振频率相等的成分输出给负载，称该网络为选频网络。


名词解释-Y

Y

延迟时间：从脉冲输入到晶体管的工作状态开始变化（从截止变到饱和，或者相反）之间的时间间隔。
阳极（电化学）：电池的正端或正极（与阴极极性相反）。或者电子管中带正电荷的电极板。
氧化铝：铝的氧化物。制备成陶瓷形。由于它的电导率很低而热导率很高，故用作混合集成电路和功率晶体管的衬底。
译码驱动器：为了把高输出阻抗的输入信号转换到低输出阻抗的输入信号，在译码器前集中若干缓冲级。
阴极：电子器件中的一个电极。它接负端以利于电流流通。此电极作为空穴的收集极。
有权编码：代码的各位均有确定的权值的编码方案，称为有权编码。例如8421BCD编码。用此方案编写出来的代码即为有权代码。
有源元件：电路中不是消极地耗散能量而能完成电路放大或其它功能的元件。
余三编码：一种特殊的二进制编码。它先不管最初的3个二进制数字，而用其后的10个数字来表示头10个十进制数字。这是逻辑电路中的一种简化算术。
元件：器件中除外支架和封装外的有源部分，或器件的有源部分的一个在概念上不能再细分的小部分。
原子：具有某元素一切特性的最小粒子。它由一带正电荷的原子核和核外带有等量负电荷的电子所组成。
原子结构：原子的所有组成部分按某个原子模型的排列。每一行星状电子都带有一负电荷，其质量为氢原子总质量的1/1840。而原子核带正电荷并具有原子的大部分质量，它由核子按复杂形式排列而成。
原子模型：用来说明原子某些特性而建立的原子结构模型。例如一原子有一个原子核，电子象行星一样围绕核的周围在闭合的轨道上旋转。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　源电压放大倍数: 在计算电压放大倍数时，如果从信号源电压V S算起的电压增益称为源电压放大倍数A vs，源电压放大倍数的计算公式为
式中R S为信号源电阻，R i为放大器输入电阻。
运算放大器： 完成数字运算的高增益直流放大器。它通过外部无源网络形成深度负反馈，从而提供了精确的增益特性。一般都做成集成电路形式。
乙类互补功率放大电路: 在乙类功放电路里，功放管采用互补管即由一对NPN、PNP特性相同的互补三极管组成。这种电路就叫做乙类互补功率放大电路。


名词解释-Z

Z

杂质半导体：含有杂质原子的半导体材料。在大多数情况下，掺入的杂质原子取代晶格中原有原子的位置，起施主或受主的作用。
杂质原子：与组成纯净物体不同的元素原子。例如象硅元素半导体中所混入的其它任何外来原子或者象化合物半导体砷化镓中所混入的非砷非镓的任何原子。
载波：在一个无线电发射机中产生的高频电流或电压。它的振幅或频率随传输号不同而变化。以语音传输为例，载波电话传输器的术语。就是把语音频率调制到另一个频段上，再与其它频段一起传输出去，收话时再解调，得到语音频率。
载波：在一个无线电发信机中产生的高频电流或电压。它的振幅或频率随传输信号不同而变化。
载流子：质量很小的带有电荷的可动粒子。是形成电流的基本单元。
载流子扩散：由扩散机理形成的载流子的迁移。
载流子密度：导体或半导体中单位体积中的载流子数。
增强型MOS场效应管：衬底在表面的掺杂程度由通过氧化物绝缘层的固态扩散而增强的一种MOS场效应器件。这种管子完全由表面电容作用来进行工作。
增强型绝缘栅场效应管：一种绝缘栅场效应晶体管，在栅极不加电压时不存在沟道。
闸流晶体管：又称晶闸管一种半导体器件。它具有两种稳定的工作模式：（1）阻断态或关态；（2）导通态或开态。
锗：通常用于制造合金结晶体管的单晶形式的半导体元素。
真值表：表明在给定的瞬间逻辑电路所有可能的输入和输出状态的表。
直接耦合: 多级放大电路中各级之间直接（或通过电阻）连接的方式，称为直接耦合。
直流反馈: 反馈仅仅是直流电量的反馈，称为直流反馈。
整流堆：通常指用来把交流电变成直流电的二极管。
正逻辑：二进制数字信号的一种规定。其中正的电平对应逻辑变量的“1”状态，而较负的电平对应于“0”状态。
正脉冲：跃变后的值比初始值高的脉冲。
正温度系数：当环境温度上升时元器件的有关参数（例如稳压管的反向击穿电压）也上升，称温度系数为正温度系数，反之为负温度系数。
正温度系数热敏电阻：半导体陶瓷电阻器。其中，压电效应与半导体机构的共同作用使这种电阻器的温度系数在高于居里温度的一定范围内转变为正值。
正向偏置：P-N结或三极管的一种工作状态。在这一工作状态下，当外加电压改变时，流过的电流有很大改变。
正向压降：当正向电流流动时，在半导体管两端测得的电压。
正向电流：在半导体二极管或P-N结处于正向偏置时流过的电流。
正向电阻：正向偏置时，P-N结或二极管性能被线性地表示为一个有效电阻的值。
直流负载线: 由直流通路列出的直流负载方程：V CE＝V CC－Ｉ C Ｒ C，作出的直线叫做直流负载线。　　　　　　　　　　　　直流触发：触发闸流器件的状态变换。通常由关态到开态。是把直流电压电平加到栅极端引起的。包含周期很长的脉冲（即许多周期）。当闸流管具有一个在长时间才能建立门闩电压的负载时，需要进行直流触发。
直流放大器：采用晶体管的一种放大器这种晶体管专门和来放大直流或缓慢变化的输入信号能。
直流负载：直流条件下有源器件的输出电路中的功率消耗。
直流负载线：由直流条件或甚低频交流条件的变化而产生的负载线。
直流扇出：脉冲输出期间,不考虑寄生功率损耗,特别是通过电容的高频损耗时在功率基础上计算得到的半导体逻辑门的扇出。 整流：将输入的交流电流（或电压）转变为直流电流（或电压）的过程叫整流。
只读存储器：仅把记忆在存储器中的信号放大读出的集成电路。
中功率晶体管：典型输出电流通常为10至100毫安，有时扩大到包括1安的晶体管。
中规模集成电路：一种单片集成电路。其集成度处于小规模和大规模电路之间，含有10-100个门的双极型电路或含有100-1000个元件的MOS电路，但随着技术发展这样划分也是相对的。
转接电压：为使硅可控整流器能从正向截止态转接到正向通导态，在一定控制栅条件下必须加到其阳极上的电压（相对于阴极电位）。
转折点：分段线性近似中各线段的接点，指实际特性曲线上相应的点。此术语主要在集成电路宽带放大器的开环频率响应中使用。
自举电路：具有从发射极（源极）到输入偏置电阻的反馈以增加输入阻抗的共集或共漏极电路，或指集成电路放大器中具有类似安排的多级放大器。
自由电子：固体中自由移动和维持导电的电子。从字面上来讲，它应该指不受任何外界影响的真空中的电子。
组态：某种半导体器件所用的特殊系统的连接方式。
组合逻辑电路：数字逻辑电路中的一类，该电路任何时刻的输出仅仅取决于该时刻的输入信号，而与该时刻电路原来的状态无关。
阻容耦合: 通过电容和电阻将信号由一级传输到另一级的方式称为阻容耦合。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　最大反向电压：晶体管电压额定值。可以加到晶体管上的最大直流以反向电压。
最大反向峰值电压：晶体管电压额定值。在一个给定频率下加到晶体管上的交流信号的反向峰值。
最大峰值电压：整流器的电压额定值。可以加到一个半导体整流二极（通常是硅整流二极管）上的最大非重复峰值反向电压。
最大整流电流：二极管连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。
最大反向工作电压： 二极管电压额定值。可以加到半导体管上的最大直流反向电压。二极管电压额定值。
最大正向峰值电流：二极管电流额定值。在一个给定频率下允许通过半导体二极管的最大瞬时电流。
最大耗散功率：这是指晶体管功率损耗的最大值。P ZM与PN结的面积和散热条件有关。
最大稳定工作电流I Zmax：在确定的稳定电压下，最大耗散功率P ZM所对应的工作电流。
左右移位寄存器：输入连接到前级输出的一组双稳态存储单元。时钟脉冲相继地加到每一级，使存于寄存器中的一个信息移位到下一级。


答疑集锦

第一章 半导体器件

    问题一、为什么说在空间电荷区内几乎没有载流子？

    问题二、二极管短路，是否应该有电流流通？把一个有玻璃壳的二极管刮去外面的黑漆，两端接一微安表，不接任何电源在光照之下电表是否有指示？把它加温到50°Ｃ，过一段时间后，电表是否有指示？

    问题三、实验测出的二极管外特性与二极管方程式所表示的规律有何不同？

    问题四、在用万用表测二极管的正向电阻值时,用Ω×１档测出的电阻值小,而用Ω×100挡测出的电阻值大,为什么？

    问题五、在稳压管的击空机理中,为什么V Z<4V是齐纳击穿而V Z>7V是雪崩击空？三极管的发射结，发射区掺杂度高基区掺杂浓度低，如果击穿，又属于什么机理？

    问题六、如何用较简单的办法测试稳压管的极性和好坏？如何区分整流用的二极管和稳压管？

    问题七、两个硅稳压管，V Z1=6V，V Z2=9V。把两者串联时可得到几种稳压值？把两者并联时又如何？

    问题八、双极型三极管有两个ＰＮ结。如果仿照这种结构，用两个二极管反向串联，并提供必要的外部偏置条件，能获得与三极管相似的电流控制和放大作用吗？为什么？

    问题九、对晶体三极管,I C>>I B,是否在这个意义上说它有电流放大作用？反之，I C< I E，是否就没有放大作用？
    问题十、怎样利用万用表判断出双极型三极管的三个极和类型（NPN或PNP型）？
    问题十一、什么是二极管和晶体管的击穿？为什么晶体管I C>I CM时，只是β下降，管子不一定损坏？
    问题十二、三极管的反向击穿电压为什么?有V(BR)CBO≈V(BR)CES>V(BR)CER>V(BR)CEO的关系？
    问题十 三 、什么是场效应管的沟道、沟道电阻？为什么场效应管是多子导电？
    问题十 四 、场效应翻案在漏端预夹断后，为什么还有漏电？
    问题十 五 、为什么结型场效应管没有增强型的工作方式？
答案如下：
一、为什么说在空间电荷区内几乎没有载流子？

    答：ＰＮ结各区所带的电荷，应由该处杂质离子与载流子电荷的总和来决定。由空间电荷的总和来决定。在空间电荷区以外的Ｐ区或Ｎ区中，杂质离子的电荷被载流子电荷所补偿，总电荷等于零，所以是电中性的。在进入空间电荷区后，多数载流子（对Ｐ区是空穴，对Ｎ区是自由电子）的浓度将迅速地降低到对方区域少数载流子的浓度,就不足以完全补偿杂质离子的电荷了。必须注意到除边界以外,在大部分空间电荷区中,多数载流子的浓度很快减小以至耗尽。所以,如果忽略空间电荷区中载流子的电荷,就可以认为,空间电荷区中的总电荷密度主要由杂质离子决定。一般认为空间电荷区的电荷密度等于杂质离子的电荷密度，而载流子浓度近似为零。这种近似模型叫做耗尽层近似。空间电荷区也叫耗尽层。

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二、二极管短路，是否应该有电流流通？把一个有玻璃壳的二极管刮去外面的黑漆，两端接一微安表，不接任何电源，在光照 之下电表是否有指示？把它加温到50°Ｃ，过一段时间后，电表是否有指示？

    答：二极管短路时没有电流。原因是ＰＮ结两端虽有电位差，但是在半导体和金属电极接触处，也有"接触电位差"，后者抵消了ＰＮ结两端的电位差。金属--半导体结和ＰＮ结不同：（１）没有单向导电性，（２）接触电位差和外加电压的极性及幅值无关。这种接触叫做"欧姆接触"。从另一种角度分析，如果有电流，金属导线就会发热，二极管就要冷却。作为一个热平衡的整体，要产生这种现象是不可能的。所以，二极管短路时Ｉ＝０。
二极管受光照后，光能激发半导体内的载流子，产生电子-空穴对。对Ｐ区和Ｎ区的多子来说，原来浓度很大，受光激发后浓度变化不大。但是对少子来说，原来浓度很小，受光激发后浓度可能增大很多倍。因此，光照对多子的扩散运动影响不大，但却大大加强了少子的漂移运动。在ＰＮ结电位差的作用下，这些增加的少子漂移过ＰＮ结，形成反向电流。光照愈强，反向饱和电流愈大。
如果把二极管加热后，使之稳定在50°而不再加热，则在新的热平衡下，电表指示又将为零。
总之，二极管要有电流，除了必须有ＰＮ结这一内因之外，还必须有外因，即必须外加能量。一般用电能，也可以用光能、热能、辐射能等。

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三、实验测出的二极管外特性与二极管方程式所表示的规律有何不同？

    答：二极管伏安特性的实验值与理论计算值有不同之处。对正向特性：由于引线电阻和Ｐ区、Ｎ区体电阻的存在，实际作用在ＰＮ结上的电压比外加电压要小，所以正向电流的实际值要比理论计算值小。对反向特性：由于二极管表面漏电阻的存在，反向电流的实验值要比理论计算值大。

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四、在用万用表测二极管的正向电阻值时，用Ω×１档测出的电阻值小，而用Ω×100挡测出的电阻值大，为什么？

    答：用万用表测出的二极管电阻值是它的直流电阻。由于二极管是非线性元件，它的电压和电流不成正比，所以通过管子的电流也不同，测出的直流电阻也不同。当用Ω×１档测量时，由于万用表的内阻小，通过二极管的电流大，管子工作在Q1点处,所以直流电阻 (VD1/ID1) 小。当用Ω×100档测量时,万用表内阻大,通过二极管的电流小,管子工作在点Q 2 处,所以直流电阻(VD2/ID2)大。

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五、在稳压管的击空机理中，为什么 V Z<4V是齐纳击穿，V Z>7V是雪崩击空？三极管的发射结，发射区掺杂浓度高，基区掺杂浓度低，如果击穿，又属于什么机理？

    答：齐纳击穿是由于空间电荷区内的强电场把半导体原子共价键内的束缚电子强行拉出，新的电子-空穴对大量涌现而发生的。掺杂浓度高的二极管，结区很窄，不太高的反向电压就能引起齐纳击穿。所以，稳定电压低 （VZ<4V）时是齐纳击穿。雪崩击穿则是由于参与漂移的少子进入空间电荷区后，在电场作用下，运动速度增大，得到足够的动能，在撞击其他离子时，大量产生新的电子-空穴对。这一现象中有连锁反应，最后导致击穿。掺杂浓度低的二极管，结区较宽，少子在运动时，能获得较大的动能，导致雪崩击穿。但由于结区较宽，要产生一定的电场强度，所需反向电压也较高。所以，稳定电压VZ>7V的属于雪崩击穿。
三极管中的发射结是P+N 或 PN+ 结。这种ＰＮ结的击穿电压由掺杂浓度低的基区的掺杂情况决定，属于雪崩击穿。掺杂浓度愈低，击穿电压愈高。

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六、如何用较简单的办法测试稳压管的极性和好坏？如何区分整流用的二极管和稳压管？

    答：在一定范围内，稳压管和二极管都有单向导电性，所以可用测二极管极性和好坏的办法来测试稳压管的极性和好坏。两者不同之处是：稳压管的反向击穿电压比较低（几伏到十几伏），而二极管的反向击穿电压都在50V以上。所以，如果万用表的欧姆档内接有15V或22.5V的电池，用高阻档（此时所接电池为15V或22.5Ｖ）测一个管子的反向电阻时电阻很小，而改用低阻档（此时欧姆档所接电池只有1.5V或3Ｖ）时，反向电阻很大，这个管子可能就是稳压管。

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七、两个硅稳压管，V Z1=6V，V Z2=9V。把两者串联时可得到几种稳压值？把两者并联时又如何？

    答：稳压管实际上只是特殊制造的二极管。工作在反向击穿时，它两端的反向电压就是稳定电压。在正向电压下工作时，它两端的正向电压仍为0.7V（指硅管）。所以，如果把两个稳压管串联，由于有四种接法（每个管子可以正接或反接），可得四种稳压值，它们是15V，６.7V（一管正接），9.7V（一管正接），1.4V（两管正接）。如果把两个稳压管并联，则只要有一管正接，稳压值就是0.7Ｖ。而当两管都反接时，稳压值只能是较小的数值，即6V。

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八、双极型三极管有两个ＰＮ结。如果仿照这种结构，用两个二极管反向串联，并提供必要的外部偏置条件，能获得与三极管相似的电流控制和放大作用吗？为什么？

    答：没有电流控制和放大作用。因为在三极管中两个ＰＮ结通过基区互有联系，是靠载流子在基区中的传输和复合实现电流的控制和放大的。但是，在两个二极管反向连接时，不存在联系两个ＰＮ结的基区及其作用。所以，在介绍双极型三极管的结构时，强调的是在同一块半导体材料上，用集成工艺制作出三个掺杂类型和浓度不同的区，形成两个在载流子运动方面互有联系的ＰＮ结，而且基区最薄，掺杂浓度最低。总之，要实现电流的控制和放大作用，不仅要有正确偏置这一外部条件，而且必须有涉及管子结构的内部条件。

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九、对晶体三极管,I C>>I B,是否在这个意义上说它有电流放大作用？反之，I C< I E，是否就没有放大作用？

    答：前面说过，晶体管的电流放大作用是指电流之间的控制作用，电流放大系数是针对电流的变化量而不是绝对量来说的。例如， [image] = [image] 只是两个电流之比而 [image] = [image] 　才是集-基电流之间的放大系数。在共射放大电路中，正是利用控制 [image] 的办法，使 [image] = [image] [image] >> [image] ，从而获得电流放大和电压放大作用的。 = [image] 是集-射电流之间的放大系数。因为IC<IE, [image] = [image] <1，而 [image] = [image] ≈ [image] <1,所以共基放大电路没有电流放大作用。但电流之间仍有控制作用，现通过电阻RC的转换作用，共基电路仍可有电压放大。

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十、怎样利用万用表判断出双极型三极管的三个极和类型（NPN或PNP型）？

    答：（１） 首先判定基极和管型：由于双极型三极管的b极到c极和b极到e极的分别是两个ＰＮ结，根据ＰＮ结正向电阻小、反向电阻大的特点，用万用表的Ω×100档将黑表笔（万用表内电池的正极）接在任一管脚上，用红表笔（万用表的电池的负极）分别搭接另外两个管脚。当出现两次电阻都很大（或都很小）时，则黑表笔所接电极就是基极。如果红表笔分别接另外两个管脚时电阻都很大，即为ＰＮＰ型管；电阻都很小时，即为ＮＰＮ型管。

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十一、什么是二极管和晶体管的击穿？为什么晶体管工作在I C>ICMs时，只是β下降，管子不一定损坏？

    答：以ＰＮ结为例加以说明。如果增大加在PN结两端的反向电压，当电压到达一定数值时，反向电流突然迅速增大，这个现象叫ＰＮ结的击穿，是"电击穿"。发生击穿时的反向电压叫击穿电压。ＰＮ结击穿后，如果电流被控制在较小的值，则击穿一般可以复原。这时只要把反向电压降低到击穿电压以下，ＰＮ结将恢复反向高阻状态。击穿的危险在于：如果击穿后的电流很大，电压会很高，因而消耗在ＰＮ结上的功率很大，就会使ＰＮ结发热而过渡到"热击穿"。此后，ＰＮ结的电流和温度之间出现恶性循环：大电流使结温升高，而温度升高又使ＰＮ结的反向电流变得更大。这样循环下去，很快就会把ＰＮ结烧毁（断开或短路）。在晶体管中，流过集电极的电流大，电压(V CE)也高，所以集电结的击穿和烧毁最值得注意。最大工作电流I CM是晶体管的β减小到最大值的一半左右时的集电极电流。如果I C>ICM，只要V CE不太大，消耗在集电结上的功率P C不超过允许的最大集电结耗散功率P CM，则集电结就不会发生热击穿，管子也不会损坏。

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十二、三极管反向击穿电压为什么有V(BR)CBO≈V(BR)CES>V(BR)CER>V(BR)CEO的关系？

    答：（１）V(BR)CBO────e极开路，c-b结的反向击穿电压。此时流经c-b极的是I CBO。当反向电压VCB增至一定数值时，ICBO急剧增大，最后导致击穿。
        （２）V(BR)CEO--b极开路，c-e极之间的反向击穿电压。此时流经c-e极的是I CEO。当反向电压VCE增加到I CEO开始上升时的VCE就是V(BR)CEO。应该注意，在此情况下，当集电结开始击穿时，I C增大，同时发射结分到的正向电压增大，使e区注入b区的电子增多，I E增大。I E的增大又将使I C进一步增大。所以，这里有一个培增效应，而最后使c-e极之间击穿电压V(BR)CEO要比V(BR)CBO小即V(BR)CEO>V(BR)CBO。
        （３）V(BR)CER和V(BR)CES--b-e极之间接电阻（Ｒ）和短路（Ｓ）时的V(BR)CE。在b-e极之间接电阻R后，发射结被分流。当集电结反向电流I CBO流过b极时，由于分流而使流过发射结的电流减少。所以，在上面（２）中所说的倍增效应减小，为了进入击穿状态，必须加大VCE。也就是说，V(BR)CER>V(BR)CEO。电阻Ｒ愈小，它对发射结的分流作用愈大，所以进入击穿状态时，所需的V CE愈大。当R＝0并略去基区的体电阻r bb`，则发射结相当于短路。此时V(BR)CBO≈V(BR)CES。

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十三、什么是场效应管的沟道、沟道电阻？为什么场效应管是多子导电？

    答：场效应管的电流控制机理与双极型晶体管不同，它是由电场来控制载流子导电通道的大小来控制电流大小的。对结型场效应管，这个电场是反向ＰＮ结的内电场；对ＭＯＳ管，则是由外加栅压和衬底之间形成表面电场。以Ｎ沟道结型场效应管为例。在 [image] 时，只要加上正的漏-源电压VDS，Ｎ型半导体中的多数载流子--自电子就由源极通过Ｎ型半导体向漏极漂移，或者说有漏极电流I D从漏极流向源极。这个Ｎ型半导体形成了自由电子或电流的通道，叫做"沟道"。沟道的厚薄，或者说沟道的电阻受Ｐ型栅极和Ｎ型沟道间反向ＰＮ结的内电场，也就是栅源电压V GS大小的控制。因为电流I D是由Ｎ型半导体中多数载流子的漂移形成，所以场效应管是多子导电（即使在ＭＯＳ管中也是这样）。

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十四、场效应管在漏端预夹断后，为什么还有漏电？
    答：以Ｎ沟道增强型ＭＯＳ管为例来说明。当漏源之间接上+V DS时，从源-沟道-漏组成的Ｎ型半导体区域内产生了一个横向的电位梯度：源区为零电位，漏区为+V DS，而沟道的电位则从源端向漏端逐渐升高。在沟道的不同位置上，沟道厚度不同，源端最厚，漏端最薄，逐渐升高。在沟道在不同位置上，沟道厚度不同，源端最厚，漏端最薄，当VDS增大到栅-漏电位差V GS＝VDS＝VGS(th)时，漏端预夹断。这个夹断区成了漏源间电流通路上电阻最大的区。V DS的任何进一步增加就必然会集中降在这里，使预夹断区具有很强的电场。由于现在被夹的只是漏端的一个小区域，在预夹断区左边还有Ｎ沟道，这些自由电子仍可在沟道中漂移，在到达预夹断区时，就受夹断区强电场的吸引，滑入漏区。所以，在漏端预夹断后，漏源之间仍有漏极电流ID。
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十五、为什么结型场效应管没有增强型的工作方式？

    答：所谓增强型，就是指Ｎ（或Ｐ）沟道的管子必须在V GS>0(VGS<0)的情况下才有导电沟道。在结型场效应管的结构中，导电沟道在V GS=0时就必然存在。而且对Ｎ沟道的管子如果使V GS>0，或者是对Ｐ沟道的管子使V GS<0，在这两种情况下结型场效应管中都将出现栅极电流。这不仅使管子失去了输入电阻高的优点，甚至会造成损坏。所以，对结型场效应管来说，对Ｎ沟道的管子不允许V GS>0，而对Ｐ沟道的管子不允许V GS<0。

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基本放大电路

第二章 基本放大电路
    问题一、在电子线路的分析计算中，哪些因素可以忽略，哪些因素不能忽略？
    问题二、在放大电路中，交流信号源为什么要标出正、负（+、-）？
    问题三、在下图的共射电路中，Cb1和Cb2的作用是什么？ 它们两端电压的极性和大小如何确定？ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　 共射电路

    问题四、如果用PNP型三极管组成的共射电路，直流电源和耦合电容的极性应当如何考虑？直流负载线的方程式有何变化？
    问题五、工作点是一个什么概念? 除了直流静态工作点之外，有没有交流动态工作点？
    问题六、什么是管子的静态功耗？如果交流输入信号幅值较大，如何减小这一功耗？
    问题七、放大电路负载最大的情况究竟是R o→∞还是R L=0？为什么经常说R L愈小，电路负载愈大？
    问题八、交流电阻和直流电阻区别何在？线性电阻元件有没有这两种电阻？为什么r be不能用于静态计算？

    问题九、在的放大电路中，如果RL→∞(空载)，调节 使电路在一定的时产生最大不失真输出电压，问应为多大？怎样才能调到最佳位置？

    问题十、在采用ＮＰＮ型管组成放大电路时，如何判断输出波形的失真是由于饱和还是截止？如果彩ＰＮＰ型管，判断的结果又如何？

    问题十一、对于图 (a)的放大电路如果要用图解法求最大不失真输出电压幅值，应该怎样进行？
    问题十二、一般认为放大电路的输入电阻R i愈大愈好，但在某些情况下则要求Ri小些。这些是什么情况？
    问题十三、“共射放大电路的交流输入量和输出量反相”，这种说法确切吗？
    问题十四、在用微变等效电路求放大电路的输出电阻时，对受控电流源应该如何处理？
    问题十五、共射放大电路的电压增益 [image] 。选择电流放大系数β大的管子是否可以提高放大电路的电压增益？
    问题十六、增强型的MOSFET是否可以采用自给偏压的方式建立静态工作点？
答案如下：
一、在电子线路的分析计算中，哪些因素可以忽略，哪些因素不能忽略？

    答：在电子线路的分析计算中，经常根据工程观点，采用近似的计算方法。这是为了简化复杂的实际问题，突出主要矛盾，使分析计算得以比较顺利地进行。在这里，过分追求严密，既无必要，也不可能。但是，近似计算又必须是合理的，必须满足工程上对计算精度的要求。例如，在固定偏置的放大电路中，偏置电流 [image] 中如Vcc=12V,VBEQ=0.7V,则相对于Vcc，在计算时完全可以略去VBEQ，而认为 [image] 这样做，计算误差小于10%，满足工程要求。但是，如果 是两个数值较大而又比较接近的电流之差： 此时第一个除式中的VBEQ就不能忽略，而且两个除式的计算都要比较精确，要有较多的有效数字位数，否则会得出不合理的结果。又如，在求两个电阻并联后的总电阻时，如果一个电阻比另一个大10倍以上，则可认为总电阻近似等于较小的电阻，这样的近似计算误差也不大于10%。再如，在求放大电路的输出电阻时，管子的rec往往是和一个比它小得多的电阻（例如R C）并联。这时，因为r ce>>R c，在并联时rce就可略去 ，而认为输出电阻RO≈R c。但是，在晶体管恒流源中，如果略去管子的r ce，则恒流源的输出电阻Ro→∞。在这里，r ce是和一个无限大的电阻并联，当然就不能略去。一个电阻是否可忽略，要看他和其他电阻相比所起作用的大小。

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二、在放大电路中，交流信号源为什么要标出正、负（+、-）？

    答：前面说过，放大电路的特点之一是交、直流共存。直流电压和电流的方向（极性）是固定的，而交流电压和电流的方向（极性）是随时间变化的。为了分析的方便，对交流电压和电流要标出假定的正方向，即参考方向。对交流电压，参考方向是以放大电路的输入和输出回路的共同端（⊥）作为负（－）端，其它各点为正（+）端。对交流电流，参考方向则是ic、ib以流入电极为正，ie以流出电极为正。对于微变等效电路中的受控源，受控量的参考方向取决于控制量的参考方向。例如，对双极型三极管，当ib的参考方向为从b极到e极时，ic的参考方向必为从c极到e极。对场效应管，当id的参考方向为 Ｇ（＋）Ｓ（－）时， 的参考方向为流入Ｄ极。参考方向是电路分析的重要工具，必须正确理解和掌握。

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三、Cb1和Cb2的作用是什么？它们两端电压的极性和大小如何确定？

    答：弄清这个问题有助于真正理解放大电路的工作原理和交、直流共存的特点，也是初学者容易产生疑问的地方。放大电路在静态(νi=0)和动态(νi≠0)时，各处的电压如上图所示。对Cb1：在静态时，+Vcc通过Rb对它充电，稳态时，它两端的电压必然等于VBEQ，而通过它的直流电流为零。电压极性是右正左负。所以，它的作用之一是"隔断直流"，不使它影响信号源。在动态时，如果电容量很大，而vi幅值很小，Cb1两端的电压将保持不变。这样，Cb1两端的交流电压将为零，而全部Vi都加在管子的b-e结上，使VCE=V CBQ+vi所以，Cb1的另一个作用是"传送交流"，使交流信号顺利通过。
    对Cb2情况相似。在静态时，V cc通过Rc对它充电。稳态时，它两端的电压必然等VBEQ，极性是左正右负，而通过它的直流电流为零，所以RL上的电压vo=0。这是C b2的隔直作用。在动态时，如果电容量很大，C b2两端的电压将保持不变，仍为V BEQ。这样，C b2两端的交流电压将为零，而V CE=V CBQ+vce中的交流分量全部出现在RL上，即vo=vce。这是C b2的传送交流作用。

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四、如果用ＰＮＰ型三极管组成的共射电路，直流电源和耦合电容的极性应当如何考虑？直流负载线的方程式有何变化？

    答：这里也有初学者容易产生混淆的问题。
在采用ＰＮＰ型管时，首先电源的极性要反接，耦合电容（一般用电解电容器）的极性也要反接。电路中I B、Ic和VCE的方向也要和ＮＰＮ型管的相反。这样，直流负载线的的方程式应为 -V CE=V CC-I C RC。它的形式与采用ＮＰＮ管时略有不同。所以，建议放大电路中直流电压和电流的极性和方向以ＮＰＮ管为准，对ＰＮＰ管则全部反号。这时，直流负载线的方程式仍为 V CE=V CC-I C R C，式中V CE、V CC、I C都为负值。

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五、工作点是一个什么概念? 除了直流静态工作点之外，有没有交流动态工作点？

    答：工作点是放大电路分析中一个十分重要的概念，它指的是电路中二极管或晶体管的工作状态，经常用它们极间的电压和流入电极的电流的大小来表示。例如，二极管的V D、I D，三极管的V BE,i b,V CE,i c。管子的工作状态和工作点分两类。一类是不加交流输入信号，电路中只有直流量的工作状态和工作点，叫"静态"和"静态工作点"。另一类是加了交流输入信号后，电路中直流和交流量共存的工作状态和工作点。此时，电路和管子中的电压和电流都随时间变动，所以叫"动态"和"动态工作点"。前面说过，在直流电源、元件参数和管子特性（有时还包括负载电阻）确定之后，直流静态工作点只有一个。而在交流动态时，工作点随交流输入信号在时间上不断变化，它的变化轨迹就是交流负载线。在某一交流输入信号下，管子的交流动态工作点在交流负载线上的变化范围就是动态范围?/p>

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六、什么是管子的静态功耗？如果交流输入信号幅值较大，如何减小这一功耗？

    答：管子的静态功耗P VQ就是在静态时管子集电极上消耗的功率：P VQ=V CEQ I CQ。为了减少这一功耗，就要尽量降低管子的静态工作点Q。但是，在交流输入信号幅度较大时，降低Q点会使放大电路输出信号失真。此时，可以采用新的电路组成方案来解决，如乙类推挽或互补对称电路（见第4部分"功率放大器"）。

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七、放大电路负载最大的情况究竟是R o→∞还是R L=0？为什么经常说R L愈小，电路负载愈大？

    答：电路负载的大小是指负载上输出功率的大小。在中频时，放大电路可以等效画成交流空载输出电压与输出电阻的串联，如图所示， 输出功率最大电路 其中V∞是电路的空载输出电压，R O是内阻，R L是负载电阻。不难求出，负载上的输出功率为 [image] 利用上式可求出Po为最大值P omax时，负载电阻R Lo=Ro，而 [image] 这就是说，从RL=0到RL=PLO，电路的输出功率P0随RL的增大而增大：从R L=P LO到RL→∞，P 0则随R L的增大而减小，如图（b）所示。放大电路一般工作在R L>R LO=RO的情况，所以说负载电阻RL愈小，P o也就是电路负载愈大。如果R L→∞（空载）或R L=0（短路），则均有Po=0，是负载最小的情况。

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八、交流电阻和直流电阻区别何在？线性电阻元件有没有这两种电阻？为什么r be不能用于静态计算？

    答：对线性电阻元件，只要工作频率不太高，它的电阻是个常数。也就是说，它在直流工作和交流工作时电阻相同，没有直流（静态）电阻与交流（动态）电阻之分。非线性电阻元件则不然。它的伏安特性I=f(V )不是直线，是曲线。即使是在直流工作时，只要电压和电流不同，或者说静态工作点不同，它的直流（静态）电阻R= [image] 也不同(见图)。如果直流信号上还叠加着交流小信号，则非线性电阻元件对交流小信号的交流（动态）电阻就是伏安特性在静态工作点处切线斜率的倒数，即 [image] 。所以，非线性电阻元件的交流（动态）电阻随工作点的不同而不同。从几何上说，非线性电阻元件的直流电阻由伏安特性在静态工作点处的割线斜率决定，而交流电阻则由伏安特性在静态工作点处的切线斜率决定。晶体管的发射结是ＰＮ结，它的伏安特性是非线性的。 ，其中第二部分就是ＰＮ结的伏安特性在静态工作点处切线斜率的倒数折合到基极回路后的值，是发射结的交流（动态）电阻，当然不能用来求静态电流 [image] ，也不能由静态的V BEQ和I BQ来求 [image] 。否则，就是混淆了放大电路中直流量和交流量的区别，混淆了非线性元件直流（静态）电阻和交流（动态）电阻的区别。

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九、在的放大电路中，如果RL→∞(空载)，调节R b使电路在一定的vi时产生最大不失真输出电压，问Rb应为多大？怎样才能调到最佳位置？

    答：在RL→∞时，放大电路的直流负载线与交流负载线重合。为了产生最大不失真输出电压，Ｑ点应选在负载线中央。此时必有 直流负载线
即 [image] 所以 [image] 。在实际工作中，通过调节Rb来调整Ｑ点是比较简单可行因而也是经常使用的方法。在调节时，应使输出电压既无饱和失真（对ＮＰＮ型管是波形底部削平），又无载止失真（对ＮＰＮ型管是波形顶部削平）。同时，在充分加大Vi时,输出波形又同时在预部和底部出现失真。

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十、在采用ＮＰＮ型管组成放大电路时，如何判断输出波形的失真是由于饱和还是截止？如果是ＰＮＰ型管，判断的结果又如何？

    答：这也是初学时容易混淆而又不易记住的问题。实际上，由于采用ＮＰＮ管和ＰＮＰ管时，电压的极性相反，所以判断的方法也将相反。 截至失真
在左图，画出了两种管子工作在截止失真的情况。对于NPN 管，因为电压极性为正，截止失真发生的输出波形正半周的顶部。对于ＰＮＰ管，因为电压极性为负，截止失真发生在输出波形负半周的底部。如果是饱和失真，则判断结果与上述相反。

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十一、对于图 (a)的放大电路如果要用图解法求最大不失真输出电压幅值，应该怎样进行？

    答：这里的主要问题在射极上有电阻Re和R｀e。在动态时，R｀e被短路，但Re还在。画交流负载线时应该考虑它，而且用交流负载线上的动态范围决定出来的最大不失真电压幅值不是(V cm)M，而是(Vcem)M，两者还相差Re上的电压。
    １．作直流负载线 [image] ，如图（b）上的虚线。用分析射极偏置电路的方法求出I CQ=2.71mA，用它和直流负载线的交点定出Ｑ点。
    ２．作交流负载线
     过Ｑ点作斜率为 [image] 的直线（如图 (b)上的交流负载线。注意：对应于这条线，横坐标表示的将是vo而不是vCE）。由此定出(V om)M=12.3-6.9=5.4V。

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十二、一般认为放大电路的输入电阻Ri愈大愈好，但在某些情况下则要求Ri小些。这些是什么情况？

    答：一般情况下，放大电路的信号源是一个电压源，它的内阻r o很小。为了使放大电路的输入电压Vi尽可能不失真地复现信号源电压V s，希望放大电路的输入电阻Ri尽可能大，使 [image] 。在把放大电路用在测量电压的仪器内时，这一点尤为重要。 放大电路输入电阻原理测量 在阴极射线示波器内用放大电路驱动磁偏转线圈时，也是这样。但是，当信号源是一个内阻Ro很大的电流源时，就要求放大电路的输入电阻Ri比信号源内阻Ro小得多，使流入放大电路输入端的电流Ii尽可能接近信号源电流 [image] 。
例如，光电管和硅光电池都以高内阻提供电流。为了把电流变换为低内阻电压源，就使用输入电阻小的放大电路。另外，为了减小外界干扰对放大电路的影响时，也希望放大电路的输入电阻小。必须指出：输入电阻的要领是对静态工作点附近的变化信号来说的，属于交流动态电阻，不能用来计算放大电路的静态工作点。

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十三、“共射放大电路的交流输入量和输出量反相”，这种说法确切吗？

    答：这种说法不确切，因为它没有指明输入量和输出量是什么。在放大电路的分析中，经常是讲电压增益。这时，输出量和输入量都是电压。在这种情况下，共射放大电路从集电极输出的交流电压是和从基极输入的交流电压反相的。如果讲的是基极输入电压和射极输出电流（约等于集电极输出电流）的相位关系，则在共射放大电路中两者是同相的。

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十四、在用微变等效电路求放大电路的输出电阻时，对受控电流源应该如何处理？
    答：对不同接法组态的放大电路，决定输出电阻的微变等效电路不同，对受控电流源的处理也不同。例如，对共射电路决定输出电阻的等效电路如图，图中的R s是信号源内阻，rce是三极管的输出电阻．在这个电路中，由于流过rbe的 [image] ，受控源β [image] 也是零。所以，输出电阻 [image] 又如，对上图的共基电路，决定输出电阻的等效电路如下图（a）．如果不考虑rbe，则因 [image] ，而R o=R c。如果考虑r be，则可将有内阻r be的受控电流源变换 [image] 为有内阻rbe的受控电压源，其方向为左正右负（图 (b)）．令R=R s//R e//r be，则得 [image],所以 [image] 或 [image] 从而求得 [image] 可见Ro很大，是(1+β)rce量级，而
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十五、共射放大电路的电压增益 [image] 。选择电流放大系数β大的管子是否可以提高放大电路的电压增益？

    答：从 [image] 的表达式看，似乎加大β就可以提高 [image] 。实际上还应考虑到管子的参数rbe和β有关，即 [image] 。如果不考虑r bb’，并认为1+β≈β，则 [image].由此可见，加大β并不能有效地提高 [image] 。提高 [image] 的有效途径是调整放大电路的静态工作点以增大IEQ，这是在实践中经常采用的方法。

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十六、增强型的MOSFET是否可以采用自给偏压的方式建立静态工作点？

    答：所谓增强型的MOSFET是指在V GS=0时I D=0 ，必须|V GS|>0在以后才有一定的I D。在源极加一个电阻R s，利用它两端的压降作为偏置电压V GS的方法不适用于增强型MOSFET。因为接通电源后，I D=0,V GS=I D R s ，这样反过来又保证了I D=0，不可能建立合适的静态工作点。

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答疑集锦

第三章 多级放大电路和集成电路运算放大器

    问题一、为什么在直接耦合多级放大电路中提出严重的零点漂移问题？交流放大电路是否也有零点漂移现象？

    问题二、在分析温漂时,经常认为温度T上升导致Ic增大。但漫度上升又引起V BE下降,IB和Ic小,这显然是矛盾的。如何解释？

    问题三、差动放大电路只有在双端输出时，才能利用电路结构的对称性来抑制温度漂移。但是在实际应用中经常是差动放大电路后接共射放大电路，是不对称的单端输出。这样，采用差动放大电路还有什么好处？

    问题四、在差动放大电路的分析计算中，为什么经常考虑信号源内阻Rs？

    问题五、为什么的差动放大电路的射极电阻Re上不加旁路电容Ce？

    问题六、在差动放大电路中，为什么当信号从电路左半管子V 1的基极b1输入，到从右半管子V 2的集电极c2输出，电压不反相？

    问题七、如何求差动放大电路在单端输入时的输入电阻Ri？

    问题八、如何计算电流源的等效动态电阻即输出电阻？

    问题九、如何分析常用的集成运放F007的偏置电路和性能参数？

答案如下：
一、为什么在直接耦合多级放大电路中提出严重的零点漂移问题？交流放大电路是否也有零点漂移现象？

    答：严格说来，阻容耦合的多级交流放大电路的每一级也都有零点漂移现象，即在输入端短路时，输出端的电位也会上下波动。但是，温度的变化和零点的漂移都是随时间缓慢进行的。如果多级放大电路各级之间采用阻容耦合或变压器耦合，这种缓慢变化的信号不会逐级传递和放大，问题不会很严重。但是，对直接耦合多级放大电路来说，输入级的零点漂移会逐级传递和放大，在输出端造成严重的影响。特别是当温度变化较大放大电路级数较多时，造成的影响尤为严重。从这个观点看，交流放大电路的低频特性不好，这本来是一个缺点。但正是由于有这个缺点，才能抑制变化缓慢的零点漂移。

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二、在分析温漂时，经常认为温度T上升导致Ic增大。但漫度上升又引起VBE下降，IB和Ic小，这显然是矛盾的。如何解释？

    答：并不矛盾。因为温度升高虽使VBE减小，但同时温度升高又使晶体管的输入特性左移IB=f (U BE)左移（图3-01），基极回路负载线与新的输入特性的交点上移，最后温度升高后的IB还是增大了(图上IB 2>IB1)，从而导致Ic的增大。
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三、差动放大电路只有在双端输出时，才能利用电路结构的对称性来抑制温度漂移。但是在实际应用中经常是差动放大电路后接共射放大电路，是不对称的单端输出。这样，采用差动放大电路还有什么好处？

    答：差动放大电路抑制温漂主要依靠两点：（1）电路结构的对称性，（2）两半电路共用的射级电阻Re（或恒流源）所引入的共模负反馈。在单端输出时，利用Re抑制温漂的效果虽不如双端输出，但由于Re上流过两管的射极电流，又由于采用了负电源-VEE ，Re可以取得更大，所以即使是单端输出，差动放大电路抑制温漂的能力仍比单管放大电路采用Re时高一两个数量级。同时，差动放大电路又可以有双端或单端输入，所以经常采用。

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四、在差动放大电路的分析计算中，为什么经常考虑信号源内阻 R s？

    答：差动放大电路是直接耦合电路，输入端没有耦合电容。如果输入回路中不设较大的电阻，则在静态时，vi=0，将有直流直接从直流电源流过信号源。这在有些情况下是不允许的，而且会影响管子的静态工作点，信号源内阻不同则影响也不同。为了减小这一现象，在差动放大电路中，经常在信号源和输入管的基极之间接较大的电阻R s。适当选择偏流电阻Rb和电阻R s，还可使流过R s和信号源的直流电流为零，从而使输入管基极的直流电位为零，这有助于减小外界干扰和噪声的影响。

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五、为什么的差动放大电路的射极电阻Re上不加旁路电容Ce？

    答：不必加，也不应该加。（1）对输入信号的差模分量，流过射极电阻Re的总电流是常数，Re上的电压降是常数，不必加旁路电容Ce。（2）对输入信号的共模分量，正是利用Re所形成的共模负反馈来抑制温漂，所以也不应该加。这和共射放大电路中的情况不同。在那里，要用较大的R s来稳定静态工作点，但又不要使Re太多地降低电路的电压增益。所以，往往把Re分成两部分，较大的部分加旁路电容Ce，较小的部分不加（起电流负反馈作用）。

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六、在差动放大电路中，为什么当信号从电路左半管子V 1的基极b1输入，到从右半管子V 2的集电极c2输出，电压不反相？

    答：这里说的是单端输入的情况，这时差动放大电路两个管子的组态值得注意，并已在3.2.2节学习方法指导的二、中分析过。假定信号从左半管子的V 1的基极b1输入。如果输出信号取自左半管子V 1的集电极c1，则V 1是共射接法（信号从b1输入，从c1输出），所以此时输出电压与输入电压相位相反。如果输出信号取自右半管子V 2的集电极c2，则输入信号是从V 1的b 1通过两半共有的射级e传送给右半管子V 2的。此时，V 1的信号由b1输入，由e输出，是共集接法，所以从e输出的信号电压与从b1输入的信号电压同相。同时，管子V 2处于典型的共基接法，信号从e输入，从集电极c2输出，基极b2接地。所以从c2输出的电压与从e输入的电压也相同的。这样，在单端输入时，从差动放大电路左半管V1的b 1输入信号，到从右半管子V 1的b1输出信号，电压不反相。
所以，在本书第2部分基本放大电路的2.1.2指出：要判断一个基本放大电路的组态，不能只看电路有Rc 还是Re,关键要看信号从哪一个极输入，从哪一个极输出。如果输入和输出位置改变，同一个基本放大电路也可能处于不同的组态。

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七、如何求差动放大电路在单端输入时的输入电阻Ri？

    答：在本部分的3.2.2和3.2.1节中已经指出，在单端输入时，差动放大电路的输入回路如图3-02所示，而且射极电阻Re可以认为是开路。所以，很明显，单端输入电压Ui等加在输入回路两个串联的电阻上，每个电阻是 [image] ，而差动放大电路在单端输入时的输入电阻 [image] 。
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八、如何计算电流源的等效动态电阻即输出电阻？

    答：（1）晶体管组成的普通恒流源电路如图3-03(a)所示。考虑管子本身的输出电阻r ce时，恒流源的微变等效电路如图3-03(b)。在输出端加交流电压V o并求出I o后，就可以求出恒流源的输出电阻R o。
由图3-03(b)可写出 [image] 　(3-7)
                       (3-8)

由式(3-8)可得 [image] 　　 　　　 　　(3-9)

由式(3-8)可得 [image] 　　　　　　　　(3-10)

把式(3-9)代入式(3-7)，得

≈ [image] 　　　　（3-10）

设β=80， [image] ， [image], [image] ，则 [image] 。可见 [image],即恒流源的输出电阻很大（理想值→∞）。Re愈大，恒流源的输出电阻Ro愈大，愈接近于恒流。
（2）微电流源的输出电阻
图3-04所示微电流源的微变等交往电路与图3-03(b)相似，只是 [image] 由于 [image] ，可以认为是短路，所以微电流源的输出电阻 [image] 　　　　　　　　　（3-11）

例如，当 [image] 时，

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九、如何分析常用的集成运放F007的偏置电路和性能参数？

    答：（1）F007（图3-05）的偏置电路由电阻R 5和晶体管V 9～V 12。流过R 5的电流IR是参考电流
V 11和V 10组成微电流源，由式（3-6） [image] 　　　　　（3-12）
                    （3-13）
                    （3-14）

V 8和V 9，V 12和V 13分别成为另外两个电流源，所以有

而输入级的静态工作电流 [image] 　　　　　　　　　　(3-15)

由式(3-13)-(3-15)，可以画出表示Ic10、Ic9、2Ic1这些电流之间关系的方框图如图3-06。这说明F007的偏置电路中具有负反馈，能自动稳定偏置电流。例如，当环境温度或其他因素变化引起输入级的静态电流I c10,则2I B3减小，从而2I c1稳定。 中间级的静态工作电流 从而 稳定。
中间级的静态工作电流 [image] 　　　　　　　　　　　(3-16)

    (2)静态电流的计算:
已求得 [image] 。利用式(3-12)，在 [image] 。利用式(3-2)，在 [image] [image] 时，查 [image] 与 [image] 的关系曲线，可得 [image] 。
所以

利用图3-06求得 [image] 的关系。
设横向ＰＮＰ管V3和V9的
可见输入级的静态工作电流是很小的。
其他各管的静态工作电流为
,

中间级的静态工作电流为 [image],

    （3）性能参数的估算
设横向PNP管的βP=2,UAP=50V;纵向NPN管的βP＝150，UAN＝100V；略去rbb'
输入级的跨导

近似认为输入级的 [image] 全部流入中间级V16的基极，则
V 17的集电极等效负载电阻包括三部分： 以及RL折合到V 17集电极的阻值R L。折合到V 17集电极的等效往负载电阻为

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第四章 功率放大电路

    问题一、在图４－01的电路中，在没有输入信号时，扬声器不发声。这时管子的损耗是否最小？

    问题二、如果在图4-01的电路中，把一个型号相同的管子与原来的管子并联，输出功率能否加大一倍？

    问题三、在一般的放大电路中，T r2总是小于电源电压V cc。而从图4-03看出，在甲类变压器耦合功放电路中，uCE却可以大于V cc，为什么？

    问题四、在图４－04的电路中，为什么射极电阻两端不并联旁路电容Ce？

    问题五、对本部分的教学基本要求中，要求正确理解非线性失真。它在功放电路中窨有哪些表现和影响？

    问题六、对图4-０５的OCL功放电路如何估算(U om)M？

答案如下：
一、在图4-01的电路中，在没有输入信号时，扬声器不发声。这时管子的损耗是否最小？

    答：图4-０１是甲类功率放大电路不管有无输入信号，集电极电流的平均值基本相同，即由电源给出的功率基本相同。在没有输入信号时，电源给出的功率全部消耗在管子的集电结（当然，还有偏置电路消耗的功率）。当有输入信号时，管子把它消耗的功率的一部分转化为负载功率，所以这时管耗反而比没有输入信号时小。
    通过这个问题可以巩固功率放大电路中能量转换的概念。
    乙类互补对称功率放大电路与此不同。因为管子的静态工作电流为零，所以在没有输入信号时，电源给出的功率PE和管耗PV均为零。随着输入信号的增大，与之成比例地增大。PV则是先随输入信号的增大而增大，而当输入信号达到一定值以后，PV反而随输入信号的增大而减小。

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二、如果在图4-01的电路中，把一个型号相同的管子与原来的管子并联，输出功率能否加大一倍？

    答：设原来的管子工作状态如图4-02(a)。两个特性相同的管子并联，可以看成另一个管子，如图4-02(b)，它的输出特性和原来的相同(即 [image])，而允许的管耗则为原管的两倍。如果基极偏置电流不变，Q 2的位置和Q 1相同。交流负载线的斜率也相同。如果输入信号也不变，输出功率基本上和原来的相同，得不到采用两个管子的效果。从图4-02(b)看出，如果使静态工作点Q 2变化到Q 2'，使交流负载线的等狭义赠载电阻减小一半，信号幅度也加大一倍，则输出功率也将大一倍。
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三、在一般的放大电路中，T r2总是小于电源电压V cc。而从图4-03看出，在甲类变压器耦合功放电路中，u cE却可以大于Vcc，为什么？

    答：这是由于电路中有了变压器。T r2的原边接在集电极回路中，它的感应电势也是交变的。当原边绕组中的电流减小时，感应电势的极性与电源电压极性一致从而使管子的u cE比电源电压高。这个特点有助于加大ucE的变化范围，增大输出功率，同时要求管子耐压较高。

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四、在图４－04的电路中，为什么射极电阻两端不并联旁路电容C e？

    答：在一般的工作点稳定电路中，射极电阻两端都并联旁路电容。但是，在乙类推拘功放电路中，减小功耗以增大输出功率往往是主要问题所以Re取值很小（在小型半导体收音机中约为5-10Ω而在输出功率为几十瓦的扩音机中，Re常小于１Ω）。如果要在如此小的电阻两端并联电容起旁路作用，而工作频率又不高，则电容器的C往要几百甚至几千微法，既不经济，又占地方。另外，加了C e，Re改善交流输出波形的作用又将消失。所以，在这里射极电阻两端不并联旁路电容。

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五、对本部分的教学基本要求中，要求正确理解非线性失真。它在功放电路中有哪些表现和影响？

    答：非线性失真是指由于晶体管的非线性，而引起放大电路输出波形相对于正弦波的失真。管子的非线性无非是：（１）单向导电性，（２）正向输入特性的起始部分的死区和非线性，（３）输出特性上的截止区和饱和区。在功率放大电路中，为了提高效率，措施之一是把静态工作电流设置为零。这时，由于管子的出现严重的非线性失真（正弦波削去一半）。利用互补对称的要领构成的乙类功放电路虽然消除了由于管子单向导电性而出现的非线性失真，却还存在由于管子正向输入特性的死区和起始段比较严重的非线性而引起的交越失真。为两管设置不大的静态电流使管子工作在甲乙类的状态。这时，虽然每管的i B和i c在零值附近仍有非线性失真，但由于 [image] ，两管电流在零值附近的失真互相抵消，使负载上电流和电压成为完整的正弦波。当输入信号过大时，由于管子的工作点进入截止区和饱和区，输出波形在正、负半周都将出现非线性失真。

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六、对图4-05的OCL功放电路如何估算(U om)M？

    答：对图4-05的电路，估算(Uom)M的工作要复杂一些。先估算正向的(Uom)M，这可以通过如下的途径进行：（1） [image] （2）如果不考虑自举电容C5 [image] 。

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第五章 放大电路的频率响应

    问题一、什么叫频率响应？如果放大电路的幅频特性是一条水平线，好不好？

    问题二、在工作频率f低 时，晶体管的 [image] 。在f高时，β又为什么下降？

    问题三、在画出放大电路的截止频率和高频微变等效电路后，采用时间常数法决定电路的下限和上限截目频率，其根据是什么？要注意些什么？

    问题四、如何用混合参数II型等效电路说明共基和共集放大电路的高频响应比共射电路好？

    问题五、当放大电路中的管子和信号源选定之后，电路的增益一带宽积GBP也就大体上因定了。对共集电路， [image] ，所以fH高，但在共基电路中A u在数值上和共射电路相近，也比较大，为什么还用于高频和宽带放大？

    问题六、在用混合参数II型等效电路分析放大电路的频率响应时，如果在同一频段内有两价目以上的τ起作用　，而且两者相差4-5倍以上时，就取最小的（对低频段）或最大的（对高频段）作为决定截止频率的τ，这是为什么？

答案如下：
一、什么叫频率响应？如果放大电路的幅频特性是一条水平线，好不好？

    答：频率响应（或频率特性）是一个电路或系统的输出量与输入量（一般都是电压）之比（传输系数或增益）和输入信号的频率之间的关系。因为这个比值一般是复量，所以频率响应又可分为幅频特性和相频特性。频率响应的画法有多种。一种是以频率为参量，把电路或系统的传输系数或增益在不同频率下的幅值和对应的相位画在极坐标平面上。这就是幅相特性，在自动控制理论中经常用到。另一种就是在本课程中使用的对数幅频特性和相频特性。只要电路或系统中有电抗元件，因为它们的电抗随频率变化，电路或系统的传输系数或增益就将随频率的变化而变化。在放大电路中，影响频率响应的是耦合电容、旁路电容（低频段）、管子结电容和电路中的寄生电容（高频段）。如果放大电路的幅频特性是一条水平线，也就是说放大电路对不同频率的输入信号有相同的放大，看起来很理想，实际上是不行的。因为对放大电路有影响的外界干扰的噪声往往是高频的，如果幅频特性是水平线，干扰对电路的影响将很大，这样的放大电路是不能正常工作的。理想的频率特性应该是：下限截止频率f L低于输入信号中的最低频率，而上限截止频率f H高于输入信号中的最高频率。

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二、在工作频率f低时，晶体管的 [image] 。在f高时，β又为什么下降？
    答：在晶体管手册中查出的管子的电流放大系数，一般是在信号频率较低（例如1KHz）时测定的。对于共射接法，通常用 [image] 表示。如果不断提高测试频率，则β先是保持低频值不变，而当频率进一步提高后，它就开始下降（图5-01）。这是因为晶体管的电流是由发射结出发，经基区输送，集电结收集，再经集电区体电阻送到外电路的。（１）就发射结而言，它可以等效为电阻r e和电容C Te的并联。通过结电容的电流对基区不起注入作用。当信号频率升高时，通过C Te的电流变大，发射结的发射效率就下降。另外，对C Te的充放电需要一定时间，这就使注入基区的

电流的增大比发射区的电流的上升要慢。总之，由结电容的存在，不仅使发射效率下降，而且使注入电流的变化相对于发射结电流有时间延迟。（２）从发射区注入基区的电子从发射结边缘移动到集电结边缘，要有一个基区渡越时间τ b，而且不同的电子τ b也不同，有分散性，当频率提高时，τ b的分散性就不能忽略。这样，集电结收集到的信号波形会展宽，幅度也会变小。（３）当信号频率较高时，基区电子穿过集电结时，也有一定的分散，所以穿过结到达集电区的电子电流减小了，这也使电流放大系数下降。（４）最后，电子在进入集电区后，流过集电区的体电阻，造成电压降，引起集电结电压变化。这样，又要对集电结势垒电容充放电，再次引起信号延迟和幅度减小。上述四个因素都使晶体管的β随信号频率的升高而下降。

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三、在画出放大电路的截止频率和高频微变等效电路后，采用时间常数法决定电路的下限和上限截止频率，其根据是什么？要注意些什么？
    答：以图5-02(a)的电路为例，它的低频和高频微变等效电路如图5-03和5-04。

要决定电路的截止频率，应该从等效电路写出相应的传递函数，画出频率特性，然后根据截止频率的定义来求。但是，这样做比较繁琐。实际上，在放大电路中，从输入U S到输出U o有一系列的信号传递过程，每一个过程都要涉及某些ＲＣ电路这些ＲＣ电路的时间常数就决定着电路的截止频率。
    以低频段为例。从U S到U o有两个信号传递过程：一是从U S到Ib，一是从βIb到U o前一过程涉及两个电容C 1和C e。先单独考虑C 1，同时认为C e短路。此时， [image] 高通电路的频率特性，它在 [image] 处有一个向下的转折，斜率为+20dB/dec，这个转折决定了放大电路的下限截止频率。在时间常数法中，求对应于C 1的下限截止频率时，先求 [image] ，现时求 fL1=1/2πτ1，和上面通过写频率特性的求法是完全一致的。
    再看高频段的情况。从U S到U o有两个过程：一个是从U S到U be'，它涉及电容C π'另一个过程由g mUbe' 到 ，它不涉及电容。对前一过程，

这是一个低通电路的频率特性，它在 [image] 处有一个向下斜率为-20dB/dec的转折，
这个转折决定了放大电路的上限截止频率。在时间常数法中，先求对应于C'π的时间常数
再求 [image] ，两者是完全一样的。
    在应用时间常数法求上下限截止频率时，要注意信号的传递过程，所涉及的ＲＣ电路，并正确地求出其时间常数。例如，在低频段，当考虑电容C e的作用时，信号传递的第一个过程是从U S到Ib，涉及的电容是C e，此时C 1被认为是短路。把图5-04上点b以左的电路化为U'S与R'S的串联电路其中 [image] ，并令 [image] ，则经过推导可得出

这一过程涉及两个时间常数 [image] 。通常 [image] ，所以影响低频特性的主要是τ 2，

而 [image] 。在时间常数法中，对应于C e的 [image] ，

和前面算出的主要的τ 2完全相同。

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四、如何用混合参数II型等效电路说明共基和共集放大电路的高频响　应比共射电路好？
    答：共基放大电路的交流通路和高频微变等效电路如图5-05。r bb' 和Cμ数值不大，可以忽略，从图5-05(b)看出，由于输入和输出之间没有反馈电容，因而不存在因密勒效应而必须将Cμ折算到输入回路的问题。这样，输入端的电容只有C π，它比共射电路中的C'π要小得多。这样， 所在C π回路的时间常数τ要比共射电路小得多，相应的上限截止频率 [image] 也要大得多。所以共基放大电路的高频响应比共射放大电路好，共基电路常用于高频和宽频带低输入阻抗的场合。
    共集放大电路的简化交流通路如图5-06。由图可见，因为它的集电极交流接地，所以管子b-c极之间的结电容C π对输入电流的分流作用减小了。这时从基极向管内看进去C π的等效电容就是C π，而不是共射放大电路中的 [image] 。另一方面，由于射极接有R'e，使b-e极之间的极间电容C π对输入电流的分流作用也减小了。因此，共集放大电路的高频特性也比一般的共射放大电路好得多。
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五、当放大电路中的管子和信号源选定之后，电路的增益-带宽积GBP也就大体上因定了。对共集电路， [image] ，所以f H高，但在共基电路中A u在数值上和共射电路相近，也比较大，为什么还用于高频和宽带放大？

    答：应该指出，放大电路的增益－带宽积还与电路的组态有关。在上题中已经分析过，共基电路的上限截止频率f H要比共射电路大得多。因此，虽然共基电路的电压增益A u在数值上和共射电路相近，但它的ＧＢＰ要比共射电路大得多。另外，和共集电路相比，虽然高频特性都比共射电路好得多，但共基电路的电压增益又要大得多。所以，共基电路广泛用于高频和宽频带放大。

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六、在用混合参数II型等效电路分析放大电路的频率响应时，如果在同一频段内有两个以上的τ起作用　，而且两者相差4-5倍以上时，就取最小的（对低频段）或最大的（对高频段）作为决定截止频率的τ，这是为什么？

    答：对低频段，如果有两个以上的τ起作用，它们对应着 [image] ， [image] ，则根据估算多级放大电路下限截止频率，电路的 [image] 。如果 [image] ，即 [image] 则只取f L1作为下限截止频率，与按上式的估算结果只差（2-3）％。这样，完全有理由取最小的τ来估算放大电路的下限截止频率。对高频段，情况与比相似。

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第六章 放大电路中的反馈

    问题一、反馈放大电路的反馈极性（是负还是正反馈）是否在线路接成后就固定了？

    问题二、包含集成运放的反馈放大电路，在判断反馈极性时能否只看反馈量接到运放的哪一个输入端？（即接到反相端的是负反馈，否则是正反馈）？

    问题三、对图6-01中的电路，能否判断其中的反馈是电压反馈还是电流反馈？

    问题四、“有反馈网络就一定有反馈”，这种说法对吗？

    问题五、从图6-03看，要在放大电路中引人负反馈，必须使AF>0，然后在输入端把X f与X i相减。具体是怎样的？

    问题六、图6-03中，输出量 [image] 的画法是不是代表信号的分流，即实际的输出 [image] 小于放大电路的输出？

    问题七、在式（6-1）中，如果 [image] ，则 [image] ，输出比无反馈时移相 [image] 。这可能吗？

    问题八、“负反馈能稳定闭环增益”这种说法确切吗？

    问题九、为什么开环和闭环幅频特性在低频和高频段逐渐互相重合（图6-04）？

    问题十、在研究负反馈对放大电路输出电阻的影响时，为什么出现了增益 [image] 它们和 [image] 有何不同？

    问题十一、为了防止自激，校正后的 [image] 与f轴相交(f=fo)时斜率为-20dB/十倍频，为什么？

    问题十二、为什么在研究自激时， [image] 的低频和中频段都是水平线？有没有可能因特性低频段的开头而产生低频自激？

答案如下：
一、反馈放大电路的反馈极性（是负还是正反馈）是否在线路接成后就固定了？

    答：反馈放大电路的接线是在假定信号处于中频段时进行的。此时接成的负反馈并非固定不变的。在信号处于低频段或高频段时，各放大级输出量和输入量之间将因各种电容的存在而出现附加相移。如果级数较多，附加相移可能达至是2π或更大，原来接成的负反馈就会转化成正反馈，如果幅值条件也满足，电路就会自激。

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二、包含集成运放的反馈放大电路，在判断反馈极性时能否只看反馈量接到运放的哪一个输入端？（即接到反相端的是负反馈，否则是正反馈）？

    答：不能。理由是：在这个集成运放的后面可能还有其它的放大级或集成运放，它们可能使前面的集成运放的输出量改变极性。所以，要判断反馈极性，说到底还是应该看反馈量与输入量的瞬时极性关系以及它们在输入端的接法。

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三、对图6-01中的电路，能否判断其中的反馈是电压反馈还是电流反馈？

    答：在图中如果不说明电阻R 3和R 4的作用，就无法判断是电压反馈还是电流反馈。如果R 4是负载电阻RL而R3是集成运放输出端的限流电阻，则 [image] 是 [image] 的一部分，引入集成运放的是电压反馈。反之，如果R3是负载电阻而R4是电流取样电阻，则U R4与流过R 4的电流 [image] 成正比，因而引入的是电流反馈。

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四、"有反馈网络就一定有反馈"，这种说法对吗？

    答：不对，因为：（１）如果反馈网络中有电容，则反馈可能只在直流或只在交流工作时起作用　即不是在任何工作状态下都有反馈。（２）反馈要起作用，还与一定的条件有关。例如，在图6-02的电路中，电阻R f 把uo引回输入端的基极，这似乎是一个交、直流电压并联反馈。实际上，对交流ui是一个恒压源，所以这个并联反馈并不起作用。
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五、从图6-03看，要在放大电路中引人负反馈，必须使AF>0，然后在输入端Xf与Xi相减。具体是怎样的？

    答：图6-03只是一种示意图，表明为了形成负反馈最终必须使 [image] 。至于具体如何实现要看具体情况。以集成运放为例。如果是同相输入，Uo与Ui同相，即A>0；又Uf=FU，F一般也为正所以af>-。为了接成负反馈，必须使Uf与Ui串联相减，即Uf与Ui的地端连在一起，非地端则是Ui接同相端，Uf接反相端。如果是反相输入，Uo与Ui反相A<0此时，Uo如果与Ui串联，则因接地端必须连在一起，Uo与Ui必然是串联想加，结果形成了正反馈。用图6-8来说，此时AF<0，在输入端就是 [image] 。在这种情况下，为了接成电压负把馈，Uo只能通过电阻与Ui并联。Ui在输入端产生 Ii，通过集成运放产生Uo，而 [image] 。在输入端产生 [image] ，即 [image] 。结果仍有 [image] 而在输入端 [image] ，是负反馈。在自激时，AF 产生 [image] 附加相移，而且AF=-1。在输入端 [image] ，所以即使 [image] ，幅值为 [image] 的自激振荡仍能持续产生。应该指出，在自激时 [image] ，经过输入端的反号，才有 [image] 。

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六、图6-03中，输出量 [image] 的画法是不是代表信号的分流，即实际的输出 [image] 小于放大电路的输出？

    答：在图6-03中，信号都用单线表示。输出端表示信号的一个分去点，分去点前后信号并无变化具体说，如果 [image] 是电压，则分支点前后表示同一个并联地加到负载和反馈网络上。所以，分支点前后表示同一个U o并联地加到负载和反馈网络上。所以，分支点前并无变化。如果是电流，则分支点表示同一个电流串联地流过负载和反馈网络，分支点前后 [image] 也没有变化。如果认为分支点是信号的分流，分支点前后信号不相同，这种理解就是错误的。

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七、在反馈增益一般表达式中，如果 [image] ，则 [image] ，输出比无反馈时移相 。这种情况可能吗？

    答：这种情况是不可能的。因为在一个负反馈放大电路中，只要 [image] ，必然产生自激，其振荡幅度由放大电路输出量的饱和值决定，而不会是 [image] 。所以发生这一问题，是因为对反馈增益一般表达式理解不正确。在导出该式时，以放大是电路的线性工作为前提的。在自激时，电路已进入非线性工作状态，该式不再成立。

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八、"负反馈能稳定闭环增益"这种说法确切吗？

    答：不确切。因为反馈有四种类型，增益有不同的含义和量纲。所以，负反馈能稳定的闭环增益也有不同的含义和量纲。负反馈能稳定的闭环增益也有不同的含义。在深度负反馈条件下， [image] ，这里的 [image] 也有不同的含义和量纲。

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九、为什么开环和闭环幅频特性在低频和高频段逐渐互相重合（图6-04）？

    答：因为在频率很低和很高时，开环增益已降到很小，负反馈作用随之削弱。此时开环和闭环电路已接近相同，所以开环和闭环幅频特性在低频和高频段逐渐互相重合。以低频段为例，加以具体说明。设电路在低频段只有一个时间常数，则开环增益为 [image] 闭环增益为 [image] 其中 [image] 当f 很低时， [image] ，即开环与闭环的幅频特性互相重合。

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十、在研究负反馈对放大电路输出电阻的影响时，为什么出现了增益？ 它们和 [image] 有何不同？

    答：这是因为在分析输出电阻的变化时，必须断开电路的负载电阻R L。显然，这时电路的增益和带负载时是不同的。例如，对电压并联组态，带负载时的 [image] ，见图6-05（a）；而在不带负载时的 [image] ，见图6-05（b）即 [image] 。又如电流串联组态，在带负载时， [image] 见图6-05（c）；在负载短路时， [image] ，见图6-05（d）。所以， [image] 其它两个量 [image] 和 [image] 可以类似的加以理解。

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十一、为了防止自激，希望校正后的 [image] 与f 轴相交(f =fo)时斜率为-20dB/十倍频，为什么？

    答：这是为了使校正后的反馈放大电路不仅稳定，并有 [image] ，以满足工程上的需要。为了更好地理解这一点，应掌握如何根据 [image] 的开头估算任一f时的 [image] 。先看图6-06（a）的情况。在波特图上每一个转折点f K相当于在 [image] 表达式的分母上有因子 [image] 。所以，对这一情况，在f=fo处， [image] 如果fo/f1、fo/f2>1，

则 [image] ，或 [image] ，这样的闭环电路是不稳定的。注意：此时 [image] 与f 轴相交时斜率为-60dB/十倍频。再看图6-06（b），此时 [image] 与f 轴相交时斜率为-40dB/十倍频。相似可以求出 [image] 。这样的电路Φm比较小，容易自激。最后，看图6-06(c)。此时 [image] 与f 轴相交时斜率为-40dB/十倍频。 。这样的电路 [image] ，满足工程上的要求。
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十二、为什么在研究自激时， [image] 的低频和中频段都是水平线？有没有可能因特性低频段的开头而产生低频自激？

    答：这是因为目前广泛采用集成运放，各放大级之间都是直接耦合的，因而在低频时Ａ是常数。对这种直接耦合放大电路，引入负反馈后只可能产生高频自激而不可能有低频自激。如果多级放大电路各级之间采用阻容耦合，则 [image] 的低频段也将出现多个转折频率而不是一条水平线。在这种情况下，反馈放大电路在一定的条件下也可能出现低频自激。

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第七章 集成运放的线性应用

    问题一、“虚地”是地吗？如何用图7-1的电路加以说明？

    问题二、如何说明积分电路带深度负反馈？

    问题三、如果在积分电路输入端有方波，问方波时间起点的变化对积分电路输出的三角波有何影响？在方波和三角波发生电路中，有类似的问题吗？

    问题四、图7-06是一种改进型积分电路，它的积分时间常数可在大范围内变化。导出Uo与Ui的运算关系，说明推导的根据？

    问题五、与简单的微分电路（图7-09(a))相比,图7-09(b)的电路有何特点？说明其功能,导出输出与输入的运算关系？

    问题六、如何分析运算电路中因集成运放非理想而引起的误差如何分析运算电路中因集成运放非理想而引起的误差？

    问题七、在压控电压源型滤波电路中，如何引入正反馈以改善滤绝对值之和？

    问题八、为什么用低通和高通滤波电路组成带通和带阻电路时，前者必须用串联而后者必须用并联？

    问题九、说明如图7-12(a)的电路的功能，求出传递函数和主要参数？

答案如下：
一、"虚地"是地吗？如何用图7-1的电路加以说明？

    答：：虚地非地。在反相输入的运算电路中，虽然在满足深度负反馈时有 [image] ，但 [image] 毕竟不是零，否则运放也就是不工作了。为正确理解虚地这一重要要概念，把例7.1图7-01(a)中电阻R3的接地点改接虚地点，如图7-02所示。此时反馈回路中只有一个电阻 [image] 。因此，电路的运算关系就不难求得为

这一结果显然与前面的不同，而且是错误的。在本例中求运算关系的第二种方法里，虽然也在求 [image] 时，把R2//R3和R4看成是uo的分压电阻，但是由于 [image] 所以对求 [image] 的影响很小。而在求运算关系时，仍然是把虚地点和地区别对等待。

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二、如何说明积分电路带深度负反馈？

    答：１．积分电路和比例电路的区别在于反馈回路中有了电容元件，因而 [image] 不是标量而是向量。如图7-０３的电路中，运放带电压并联负反馈。此时 [image] ，而 [image] 所以环路增益 [image] 。只要 [image] 就满足了深度负反馈的条件。对集成运放来说，增益很大，上述要求不难满足。
２．应用密勒定理，可以把Ｃ等效为反相端对地和输出端对地的两个电容。前一电容为 [image] 其中Ａ是运放开环增益，而后一电容以 [image] 这样，积分电路可以等效画成图7-０４，而 [image] 。由于运放输入端ＲＣ低通电路的时间常数 [image] 很大，u_是uI 对时间的积分。在uo达到饱和值之前u_很小,仍为虚地,是uI 对时间的积分。

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三、如果在积分电路输入端有方波，问方波时间起点的变化对积分电路输出的三角波有何影响？在方波和三角波发生电路中，有类似的问题吗？

    答：因为方波的周期、幅值和积分电路的参数不变，所以在相同的时间间隔内，积分电路输出的变化量相同，而方向则视方波的极性而定。在图7-０５中，在方波的下一个负半周内，积分电路的输出又从-A上升到０，如图上曲线１。如果方波时间起点为t=0，则在方波的正１／４周期内，积分电路输出从0下降为-A／２。在方波的下一个负半周内，积分电路输出从-A/2上升到+A/2，变化量仍为Ａ，输出波形如图上曲线2。如果方波的起点在 [image] ，则积分电路输出波形为曲线３。
结论：方波时间起点的变化不影响积分电路输出三角波的幅值和沿Ｘ轴的位置，但却影响三角波沿Ｙ轴的位置。
      在方波和三角波发生电路中没有方波时间起点变化的问题。因为在电路中总是要到积分电路输出的三角波达到正或负的幅值时，方波才从一个极性跳变到另一个极性。换言之，辩证波和三角波的相对位置是固定的。

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四、图7-０６是一种改进型积分电路，它的积分时间常数可在大范围内变化。导出 uo 与 uI 的运算关系，说明推导的根据？

  答：无论是同相输入和差动输入的积分电路，时间常数ＲＣ的取值范围均有限。ＲＣ太小，由运放漂移所产生的积分误差相对地太大；而在ＲＣ太大时，元件漏电和支路失调电流的影响太大。
    看图7-06中电路的级成。A1是差动输入比例电路，反相端输入是uI ，同相端输入是uo。两输入端外接电阻对称。A 2是一个输入端串接ＲＣ电路的电压跟随器。对 [image] 。对A2,应用拉氏变换得 [image] ，所以 [image] 或
在时间域内 [image] ，这一结果表明图7-06的电路是一个反相积分电路，积分时间常数是 [image] 。它可以通过改变 [image] 大范围内变化，而不受ＲＣ取值限制。
    在上面求uo1时，根据是A1满足输入端有虚短和虚断的特点，即A1应带有深度负反馈。为了说明这一根据的正确性，再看一下电路各部分的运算关系。A1的输出 [image] 而 [image] 所以整个电路可画成图7-07，而该图又可化简为图7-08。整个电路可等效为一个反相比例电路和一个积分电路，所以电路带有深度负反馈。

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五、与简单的微分电路（图7-09(a))相比，图7-09(b)的电路有何特点？说明其功能，导出输出与输入的运算关系？

    答：１．电路的特点与功能大问题是对输入量的变化敏感，极易受外部高频干扰的影响，使输出端信噪比大大下降。另外，uo通过Ｒ和Ｃ的反馈，使反馈信号的相位滞后。这一滞后和运放本身的附加相移联合，容易引起运放自激。当输入信号变化速度很高时，会造成反相端信号过大，引起输入级管子饱和，反相端信号直接进入第二级，使负反馈变成正反馈，结果使运放堵塞。此时即使去掉输入信号，电路也不能立即恢复工作。为解决这些问题，在图7-09（b）的电路中：（1）在输入回路中串联R1，限制外来高频干扰和输入突变电压；（2）在反馈回路中用C1与R并联，目的是进行相位补偿，使反相端的反馈电压与u o之间不再有相位滞后。为此，应使 [image] 。运放同相端的阻抗也相应变为R'和C'。图7-09（b）是一个实用的微分电路。
    2.运算关系的求取
因为有深度负反馈，所以有 [image] 。又因 [image] （虚断），所以 [image] （虚地）。应用拉氏变换求 [image] ，得 [image] ，从而得 [image] 在 [image] 很小时 [image], 在时间域内就是 [image] 。
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六、如何分析运算电路中因集成运放非理想而引起的误差？

    答：实际运放与理想运放的参数不同，因而在实际应用中必然会带来一定的运算误差。例如，由于A od不是无限大，使运放的 [image] ，因此虚短的假定就会引起误差。要全面研究集成运放参数与误差的关系是比较复杂的，先从单个或几个参数的影响入手进行分析。
例如，对反相比例电路，如果只考虑A od和r id为有限值的影响，则结论是：(1)A od、r id和F愈大，比例电路的误差愈小；（2）如其它因素可以忽略，则输出电压绝对值的实际值一定小于理相值。如果只考虑 [image] 有限引起的误差，则结论是就采用 [image] 大的运放。如果只考虑I B、U IO、I IO的影响，则可以看出，只要取 [image] （其中R1和R'是反相端和同相端的电阻，而Rf是反馈电阻），IB的影响就可忽略。如果温度和电源电压等条件不变，U IO和I IO引起的误差可通过调零消除。但是，由于温度和电源电等条件不变和引起的误差可通过调零消除。但是，由于温度变化所引起的失调飘移 [image] 和 [image] 的影响则不然。通过分析可知，输入信号幅值愈大，失调飘移所引起的比例电路相对误差的绝对值愈小。为了提高比例电路的精度和稳定度，应选择失调温飘小的集成运放，电阻R 1、Rf 和R' 阻值应适当小，电源的稳定度应提高，温度的变化量应减小。如果只考虑运放带宽有限的影响，则通过分析可知，比例电路闭环电压增益的相对误差与 [image] 成正比。即信号频率f 与运放上限截止频率fH之比愈大，误差愈大。综合误差在最不利的情况下，是各项相对误差的绝对值之和。

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七、在压控电压源型滤波电路中，如何引入正反馈以改善滤绝对值之和？

    答：以二阶低通电路（图7-10）为例。原来在简单的二阶低通电路中，输入端的两个Ｃ一端都接地。现在把左连的Ｃ的接地点改接运放输出，这样又多了一个反馈。它极性如何判断呢？从运放的uo连的Ｃ到Ｍ点有一次分压，其电路如图7-11(a)。显然这次分压在Ｍ点形成的C位超前于uo从IIO到u+又一次分压，其电路如图7-11(b)，这次分压形成的u+在相位上落后于uM。这样看来，只要参数合适，uo经Ｃ引入的反馈在fo附近可以是正反馈。但是，只要参数的选择使自激的幅值条件不满足，自激就不会产生。另一方面，由在fo附近有正反馈，输出幅度加大，电路的滤波特性也更接近于理想的矩形。

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八、为什么用低通和高通滤波电路组成带通和带阻电路时，前者必须用串联而后者必须用并联？

    答：这个问题必须从对各种滤波电路特性的要求出发来考虑。以组成带通电路为例。此时要求在低频和高频段为阻带，而从fRL到fPH为通带。，如所已知，低通在低频段为通带，而在fPH以上为阻带。高通电路则与此相反，在fRL以前为阻带，fRL以后为通带。因此，在f PH>fPL的条件下，如果把这两种电路串接，则在fRL以下，因高通为阻带，整个电路也为阻带；在fPH以上，因低通为阻带，整个电路也为阻带。只有在fPL～f PH之间，因两种电路都处于通带，所以串联后整个电路也处于通带。这样，串联后的电路就是一个带通电路。把低通和高通电路并联组成带阻电路的情况也与此相似。

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九、说明如图7-12(a)的电路的功能，求出传递函数和主要参数？

    答：（1）首先分析电路组成。集成运放接成同相比例电路，是压控电压源， [image] 。运放同相端外接一个双T带阻滤波电路，它是由无源低通电路（两个R和2C）和高通电路（两个C和R/2）并联组成。所以，从组成上看，是一个二阶压控电压源型有源带阻滤波电路。其次，定性分析电路的工作情况。当ω很小时，2C接近于开路，u 1直接通过两个R加入运放，此时电压增益 [image] 最大。当ω很大时，两个C接近于短路，u 1也能直接加入运放，此时 [image] 也最大。只有在信号频率f 或ω等于双T电路的特征频率fo或 [image] 时，双T电路的阻抗变得很大，才使 [image] 变得很小。所以，是一个带阻电路。
    （２）双Ｔ电路的分析。电路如图7-12（B）所示。为简单起见，设信号源内阻为零，双Ｔ网络负载电阻无限大（后面有带深度电压串联负反馈的运放）。双Ｔ电路实际上是两个星形接法阻抗电路的并联。为了便于分析，把它变换成三角形接法的电路，如图7-12（Ｃ）。其中 [image] ， [image] 。双Ｔ电路的传递函数

把上式与式A(s)=(a0+a1s+a2s2)/(b0+b1s+b2s2)对照，分子上的 [image] ，所以双Ｔ电路是带阻滤波电路。
令 [image] ，可得双Ｔ电路的频率特性

当 [image], [image] 。所以，ωo就是电路的中心频率。根据 [image] 可写出双Ｔ网络的幅频和相频特性表达。图7-36(d)是双Ｔ电路的幅频特性。
    （３）图7-12（a）的电路的分析
利用节点导纳方程不难导出电路的传递函数为

叫频率特性为

式中 [image] 。可以看出，当 [image] 时， [image] ； [image] 增，Ｑ也增大；当 [image] 时， [image] 。所以， [image] 愈接近２， [image] 愈大，带阻滤波电路的选频特性愈好，阻带愈窄。

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第八章 波形发生电路和集成运放的非线形应用

    问题一、有了正反馈，是否一定能产生自激振荡？

    问题二、产生自激振荡是否一定要有反馈网络？

    问题三、在波形发生电路中,是否一定只有一个频率满足相位条件？如否，电路的振荡频率f o如何确定？

    问题四、有人在分析图8-04的电路时发生困惑，他认为变夺器画边的b点是不是同名端（画不画●）不好肯定。你能为他解决困惑吗？

    问题五、在图8-05（a）和(b)中的两种改进型电容三点式ＬＣ振荡电路只作了不大的修改，却获得了振荡频率稳定性的提高和调节的方便，其实质究竟是什么？

    问题六、在简单的电压比较器中，当 [image] 时，u o是否应为０？在滞回型比较器中，当u I=0时，为什么 [image] 或 [image] ？

    问题七、"在比较电路中，集成运放必须处于非线性工作状态"，这种说法对吗？

    问题八、在图8-０６中电路（a）和（b）以及电路(c)和(d)是一样的吗？

    问题九、在图8-０8(a)的方波－三角波发生电路中，振荡频率、方波和三角波的幅值各与哪些因素有关？如何从正确理解电路工作原理和输出波形的角度掌握这些关系？

答案如下：
一、有了正反馈，是否一定能产生自激振荡？

    答：不一定。要牢记产生自激振荡需要满足两个条件--相位条件和幅值条件。不满足相位条件一定不能产生自激振荡，但满足了相位条件不满足振幅条件，仍不能产生自激振荡。例如，在图8-０１中，从输出端u o引回到前面的有两个反馈，其中通过RC串并联电路加到V1的b1极的是正反馈，而通过 [image] 加到V 1的e1极的负反馈，现在如果把反馈的采样点从V 2的c2改到V1的c1，则原来加到V1的e1极的负反馈变为正反馈，而原来由RC串并联电路引入的正反馈反而变成负反馈，那么是否能利用前面的正反馈和RC串并联电路的选频作用，使电路产生正弦波呢？答案是否定的。因为RC串并联电路在谐振频率时反馈系数F最大，在上前的方案下将使负反馈最强，使放大电路的A uf最小。这样，电路一般就不能满足自激的幅值条件，因而不能产生正弦波。

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二、产生自激振荡是否一定要有反馈网络？

    答：就一般情况而言是这样的。但是，确实也有电路没有反馈网络却能满足自激条件。例如，在图８－02（a）中，已知L=10mH,C=μF,LC回路的损耗电阻R=9kΩ。这个电路是否能振荡呢？乍看之下，电路中有反馈网络，因为从集成运放输出端到两个输入端都有反馈。实际上，从a、b两点往右看，整个带反馈的运放只相当于一个阻抗。为了求这一阻抗并进一步看出电路的特点，可把a、b两点右方的电路重画成图8-02(b)。在运放有深度负反馈的条件下，利用"虚短－虚断分析法"可求出 [image] 。可见Z ab是一个"负阻"， [image] 。它用来抵消代表LC回路损耗的电阻Ro=9kΩ和RW1=0.5kΩ，结果使ＬＣ回路转化成无损耗的，从而使持续振荡得以产生。把图8-02(b)。画成（c），从c、d两点看 [image] ，即 [image] ，实现了振荡， [image] 。这是一个"负阻振荡电路"。

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三、在波形发生电路中，是否一定只有一个频率满足相位条件？如否，电路的振荡频率f 0如何确定？

    答：在有选频网络的电路中，情况一般是这样。但是，在某些不选频网络的振荡电路中，情况则不然。例如，在图8-2的电路中可以求出 [image] 。 表达式没有虚部，这表明电路在任何频率下都能满足振荡的相位平衡条件。但是，由于稳压管的稳幅作用，在振荡稳定时 [image] ，还是只有一个频率能满足幅值平衡条件，仍能产生 [image] 的正弦/余弦波。这和通常只有一个频率满足相位条件的情况不同。

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四、有人在分析图8-04的电路时发生困惑，他认为变压器负边的b点是不是同名端（画不画 [image] ）不好肯定。你能为他解决困惑吗？

    答：这里的关键是要正确理解电位的高低和变压器绕组的同名端都是相对的要领。在图中，已经标明原副边有 [image] 号的端点为（－）。所以副边的点a（不带 [image] 号为（＋），点c（带 [image] 号）为（－）。至于副边的点b，它相对于点a为（－），而相对于点c为（＋）。所以，就同名端而言，点b对绕组L 3应不画 [image] 号，而对绕组L 2应画 [image] 号。

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五、在图８－05（a）和(b)中的两种改进型电容三点式ＬＣ振荡电路只作了不大的修改，却获得了振荡频率稳定性的提高和调节的方便，其实质究竟是什么？

    答：在普通的电容三点式电路中，ＬＣ谐振回路中的C 1、C 2，一般和管子结电容以及线路分布电容并联，这些因素不仅影响谐振频率f o的稳定性，也限制了C 1、C 2的减小和f o的提高。在图(b)的Clapp电路中，只是在LC回路中加了串联的小电容C 3，就使电路的性能得到改善。这里主要利用了电容串联的特点：等效电容取决于最小的电容，使 [image] ，而 [image] 。因为C 3不和结电容、分布电容并联，所以上述的一些因素的影响就减少了，而且调节一个C 3就可以方便地调节f o。图(C)的Seiler电路又对Clapp电路作了进一步的修改，把和L 1串联的C 3改为与L、C 6并联，同时增加一个固定的C 5。一般 [image] ，所以等效的 [image] 而 [image] 。它不仅有Clapp电路的优点，而且更便于调节f o。电路设计中的这些技巧在学习中值得注意并加以总结。

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六、在简单的电压比较器中，当 [image] 时，u o是否应为０？在滞回型比较器中，当u I=0时，为什么 [image] ？

    答：在简单的电压比较器中，在 [image] 的很小范围内，理应有一个线性放大区，而 [image] 时u o应为０。超过这一区域，u o才到达 [image] 。但因为集成运放处于开环，电压增益高，线性放大区极窄。所以在 [image] 时，u o表现为从 [image] 的跃变。在滞回型比较器中，集成运放带有正反馈， [image] 。当 [image] 时，u o究竟处在 [image] ，要看u I的变化情况。如果u I 按正向过０， [image] ；如果u I按负方向过０则 [image] 。

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七、"在比较电路中，集成运放必须处于非线性工作状态"，这种说法对吗？

    答：这种说法不确切。在比较电路中，如果集成运放开环或带正反馈。则一般说来它必然处于非线性工作状态，它的输出不是处于饱和值，就是处于负饱和值，输入和输出不是线性关系。即使是这样，当输入量经过阈值时，集成运放也会在输入量很小的一个变化范围内进入线性工作区。另外，当集成运放的反馈回路里接有稳压管时，只要运放输出电压达到稳压管的稳压值，必有一个稳压管反向击空，另一个正向导通，从而为运放引入了深度负反馈，运放的输入端又出现虚短路和虚断路，对电路又可采用运放线性应用电路中的分析方法。

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八、在图8-06中电路（a）和（b）以及电路(c)和(d)是一样的吗？

    答：在学习中，对这些形似而实非的电路要用科学态度进行认真分析和比较鉴别，切忌粗枝大叶，匆匆一看就下结论。
    图（a）中，运放带正反馈，因而是滞回比较电路u'o。又因输出端的电阻2kΩ和稳压管组成了限幅电路，因此 [image] 。输入电压的阈值由下式求出： ，即 [image] 。电路的传输特性如图8-07(a)。

图(b)与图（a）的区别在于正反馈引自运放的输出电压u'o而不是电路的输出电压u o在运放带正反馈而电源电压为 [image] 时， [image] 。因此，u I的阈值为 [image] ，而电路的最大输出电压u om仍为 [image] 。舆特性如图8-07(b)。
图（c），运放带负反馈，因而是线性放大电路。负反馈从电路输出u o引出。根据反相比例电路的运算关系，在 [image] 以前， [image] 。 当 [image] 时， [image] 。传输特性如图8-07(c)。
图（d）与图(c)的区别在于负反馈从运放输出u'o引出。但是这一区别在这里并不影响传输特性，因为在稳压管没有工作前， [image] ；而在稳压管工作后 [image] 。这一点和图(b)不同。在图(b)中，稳压管始终是工作的，所以 [image] ，正反馈从引出和从u'o引出是不同的。
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九、在图8-08(a)的方波－三角波发生电路中，振荡频率、方波和三角波的幅值各与哪些因素有关？如何从正确理解电路工作原理和输出波形的角度掌握这些关系？

    答：根据工作原理和输出波形，图8-08(a)中A 1的输出是方波，其幅值是 [image] 。积分电路A 2的输出是三角波，它的幅值可以这样考虑：当三角波达到幅值时，一定是A 1的输出u 01发生跳变。此时A 1的 [image] ，而 [image] 至于振荡频率f 的表达式可以这样理解：积分电路A 2的输入为 [image] 时，u 0在 [image] 之内从０上升为 [image] ，即 [image] ，由此求得 [image] 或 [image] 。掌握了这些关系，就很容易实现例８.15中要求的各种调节。

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第九章 直流电源

    问题一、在电容滤波的整流电路中，二极管的导电角为什么总小于π？怎样理解图9-01的波形图？

     问题二、定性说明整流滤波电路中，滤波电容Ｃ、负载电阻R L和电路内阻对U o(AV)和纹波大小的影响。说明图9-02中对应于点Ａ、Ｂ、Ｃ的整流滤波电路的工作情况？

    问题三、单相全波整流电容滤波电路如图9-03。
１.如果二极管 虚焊， 是正常情况的一半吗？如果变压器中心抽头虚焊，有输出电压吗？
２.如果 极性接反，会出现什么问题？
３.如果 因为过载损坏造成短路，还会出现什么问题？
４.如果输出端短路，什么出现什么问题？
５.如何同时得到一个对地为正和一个对地为负的电源，其电路如图9-04。

    问题四、在稳压管稳压电路中，如果Ｒ＝０能够稳压吗？Ｒ在电路中起什么作用？

    问题五、单管串联式稳压电路如图9-0５。它可以看成一个射极输出器。能否分析它的稳定度和输出电阻？

    问题六、图9-0６和9-0７中，为什么C 1和C 2可以减小输出的纹波电压？

    问题七、分析图9-０8中电阻Ｒ的作用？

    问题八、图9-09中，Ｖ２的Ｒｃ＝Ｒ５为什么要接到辅助电源Ｕ而不能接到输出电压Ｕ上？

    问题九、图９－１０的电路有无稳压作用？它和线性串联式稳压电路比较，各有什么优缺点？

答案如下：
一、在电容滤波的整流电路中，二极管的导电角为什么总小于π？怎样理解图9-０１的波形图？

    答：仔细观察图9-01（b），可以更好地理解电容滤波电路的工作原理。这种电路的特点是输出电压的统计表波小，而通过整流二极管的电流是脉动的，瞬间电流可能很大。对于图9-01（a）的电路，由于二极管的单向导电性和电容的充放电，只有当电源电压高于电容上的电压uc时，二极管才因正偏而导通。所以，虽然正弦波有半个周期 [image] 电压为正，但因电容上有电压没有放掉,只有在 [image] 的时间间隔 [image] 内二极管才导通,所以导电角小于π。

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二、定性说明整流滤波电路中，滤波电容C、负载电阻R L和电路内阻对U o(AV)和纹波大小的影响。说明图9-０2中对应于点Ａ、Ｂ、Ｃ的整流滤波电路的工作情况？

    答：当C大或R L大时，在二极管不导通的情况下，放电时间常数 [image] ，电容放电慢。所以，U o大而纹波减小。但R L C大到一定程度以后，U o增不多。U o最大为 [image] 。当电路内阻R n大时，U o减小，但纹波也减小。这是由于R n大，电压在R n上的损失多，而充电时间常 [image] 也大。图9-02中，点Ａ对应于 [image] 即空载时的情况。由于电容上电压不会放掉，所以 [image] ，同时没有纹波，Ｓ＝０，对应于图9-01（b）上的2。点Ｂ对应于电路的一般情况，即有R L有C。电路工作时有电容的充、放电， [image] ，有纹波，Ｓ>0对应于图9-01（b）的波形3和4。点C是I o很大，也就是R L很小的情况。这时C的充、放电很快，因此输出电压接近于没有Ｃ的情况。此时， [image] 对应于图9-01（b）中的波形1。

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三、单相全波整流电容滤波电路如图9-０3。
    １.如果二极管 虚焊， 是正常情况的一半吗？如果变压器中心抽头虚焊，有输出电压吗？
    ２.如果 极性接反，会出现什么问题？
    ３.如果 因为过载损坏造成短路，还会出现什么问题？
    ４.如果输出端短路，什么出现什么问题？
    ５.如何同时得到一个对地为正｀一个对地为负的电源？（其电路如图9-04）

    答：１.VD 2虚焊，电路变成半波整流电容滤波电路。虽然只有半个副边在工作，但因Ｃ很大U 0不是正常情况的一半，而是 [image] ，稍小一点,而流过VD 1的电流比正常值约大一倍。
如果变压器中心抽头虚焊，因为没有通路， [image] 。
    ２.如果把VD 2接反，二极管VD 1、VD 2在半周内把变压器副边短路，电流很大，可能烧坏二极管变压器或保险丝。如果二极管损坏后开路，则不会烧坏变压器。
    ３.如果VD 2因为过载击穿损坏造成短路，则和2的情况接近，可能把VD 1也损坏。如果VD 1损坏后也是短路，可能进一步烧坏变压器。
    ４.如果输出短路，也和2、3的情况接近。
    ５.利用副边有中心抽头的变压器同时得到一个对地为正和一个对地为负的电源，其电路如图9-04。

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四、在稳压管稳压电路中，如果Ｒ＝０能够稳压吗？Ｒ在电路中起什么作用？

    答：为此要分析Ｒ的作用。稳压管稳压电路中必须有Ｒ。如果Ｒ＝０，不仅很容易烧坏稳压管，而且稳压效果极差。这是因为这种电路所以能稳压，就是依靠 [image] 来实现的。由式Sr=(ΔUO/ΔUI)(UI/UO)≈(rZ/(R +rZ))(Ui/UO)≈(rZ/R )(UI/UO)， [image],当Ｒ大，r z小时， [image] 才小。Ｒ在电路中的主要作用就是在电网电压波动和负载电阻变化时，使稳压管始终工作　在稳压区内。

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五、单管串联式稳压电路如图9-05。它可以看成一个射极输出器。能否分析它的稳定度和输出电阻？

    答： 所以 [image],电源的输出电阻为 [image] 。

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六、图9-06和9-07中，为什么C1和C2可以减小输出的纹波电压？

    答：为了回答这一问题，应该复习关于滤波和反馈的作用。图9-06用C 1减小输出端纹波，是依靠滤波原理。它用R'e和C 1组成的阻容滤波把U I 进一步滤波，使V 3的集电极接到纹波更小的电源上。缺点是：为了保证 [image] ，必然要求U I 更高，使调整管的管压降增大，管耗也增大。图9-07用C 2减小输出纹波是靠C 2引入负反馈来抑制出端的纹波电压。设图中U I 通过R c引到V 3集电极的脉动电压为 [image],V 3的电压增益为A u3，则由于C 2的作用将使 [image] 。

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七、分析图9-08中电阻Ｒ的作用？

    答：Ｒ的作用是把U I 的变化直接引到比较放大管V2的基极，经过反相放大，加强了对U0中受U I 影响的部分的抑制作用，从而减小输出纹波，提高U0的稳定性。Ｒ对负载变化引起的U0的变化无稳定作用，只适用于抑制u I 的脉动。

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八、图9-09中，V 2的R c=R 5为什么要接到辅助电源Ｕ而不能接到输出电压U上？

    答：由于V 2的集电极接到调整管V 3的基极，即 [image] ，如果R 5接到V 0上，为了保证V 2处于放大状态，必须使 [image] 。但此时V 3的b-e之间将为反偏，V 3将截止。如果使 [image] ， 能正常工作，但V 2的I C2将反向，也不可能。所以必须将R 5接到辅助电源Ｕ，才能保证V 2和V 3都能正常工作。此时， [image] 。

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九、图９－10的电路有无稳压作用？它和线性串联式稳压电路比较，各有什么优缺点？

    答：利用图9-10可以扩大关于稳压电路的知识，图中Ｖ和负载并联，是一种线性并联式稳压电路。它的工作原理和稳压管稳压电路基本相似，即当I o增大后，UR2增大，其极性是使Ｖ少取电流，这样就能把这部分少取的电流送给负载，而U o只稍下降，从而达到稳压目的。
它与线性串联式稳压电路的比较如下：
    优点：（1）输出短路时调整管Ｖ不会损坏，所以有过载自保护能力。（2）在负载变化小时，稳压性能还可以比较好。（３）对瞬时变化的适应性较好。
    缺点：（１）效率不高，尤其是轻载时，能量几乎全消耗在R 2和调整管Ｖ上。（２）不适用于输出电压大范围调节的情况。（３）稳定度不易很高。

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BCD码 （二 ─ 十进制码）

在一些数字系统中，如电子计算机和数字式仪器中，往往采用二进制码表示十进制数。通常，把用一组四位二进制码来表示一位十进制数的编码方法称作二─十进制码，亦称BCD码（Binary Code Decimal）。
4位二进制码共有16种组合，可从中任取10种组合来表示0～9这10个数。根据不同的选取方法，可以编制出很多种BCD码，如8421码，5421码，2421码，5211码和余3码。表Z1101列出了这几种BCD码，其中的8421 BCD码最为常用。
由于每一组4位二进制码只代表一位十进制数，因而ｎ位十进制数就得用n组4位二进制码表示。
例1110 把十进制数369.74编成8421 BCD码。
解：

                                            表Z1101 常用BCD编码表
 | 8421码 | 5421码 | 2421码 | 5211码 | 余3码
0 | 0000 | 0000 | 0000 | 0000 | 0000
1 | 0001 | 0001 | 0001 | 0001 | 0100
2 | 0010 | 0010 | 0010 | 0100 | 0101
3 | 0011 | 0011 | 0011 | 0101 | 0110
4 | 0100 | 0100 | 0100 | 0111 | 0111
5 | 0101 | 1000 | 0101 | 1000 | 1000
6 | 0110 | 1001 | 0110 | 1001 | 1001
7 | 0111 | 1010 | 0111 | 1100 | 1010
8 | 1000 | 1011 | 1110 | 1101 | 1011
9 | 1001 | 1100 | 1111 | 1111 | 1100
权 | 8421 | 5421 | 2421 | 5211 |


OC门和三态门
一、OC门
实际使用中,有时需要两个或两个以上与非门的输出端连接在同一条导线上， [image] 将这些与非门上的数据（状态）用同一条导线输送出去。因此，需要一种新的与非门电路来实现线与逻辑，这种门电路就是集电极开路与非门电路，简称OC门（open collector）。
OC门电路及逻辑符号见图Z1119，该电路的特点是输出管T5的集电极悬空，使用时需外接一个负载电阻RP和电源Ec。
OC门的主要用途有以下3个方面：
（1）实现与或非逻辑
用ｎ个OC门实现与或非逻辑的电路如图Z1120所示.因为任何一个门输入全为1时,其输出为零，而n个门的输出端又并接在一起（线与），故输出Y=0，
即Y=A1B1+A2B2+……+AnBn，是与或非的逻辑功能。
（2）用做电平转换
在数字系统的接口部分常需要进行所示电平转换,这可用OC门来实现.如图Z1121所示电路是用OC门把输出高电平变换为10V的电路。
（3）用做驱动器
可以用OC门驱动指示灯,继电器等,其驱动指示灯的电路如图Z1122所示。
二、三态输出门
1. 三态门的特点
三态输出门又称三态电路。它与一般门电路不同，它的输出端除了出现高电平、低电平外，还可以出现第三个状态，即高阻态，亦称禁止态，但并不是3个逻辑值电路。
2. 三态逻辑与非门
三态逻辑与非门如图Z1123所示。这个电路实际上是由两个与非门加上一个二极管D2组成。虚线右半部分是一个带有源泄放电路的与非门，称为数据传输部分，T5管的u I1、u I2称为数据输入端。而虚线左半部分是状态控制部分，它是个非门，它的输入端C称为控制端，或称许可输入端、使能端。
当C端接低电平时，T4输出一个高电平给T5 ，使虚线右半部分处于工作状态，这样，电路将按与非关系把u I1， u I2接受到的信号传送到输出端， 使u o或为高电平，或为低电平。
当C端接高电平时，T4输出低电平给T5，使 T6、T7、T10 截止。另一方面，通过D2把T8的基极电位钳在1v左右，使T9截止。由于T9、T10均截止，从输出端u 0看进去，电路处于高阻状态。
三态逻辑与非门的逻辑符号如图Z1124所示。其中（a）图表示C端为高电平时为工作状态，称为高有效三态与非门。（b）图表示C端为低电平时的工作状态，称为低有效三态与非门。在使用时应注意区分。
三态与非门的最重要的用途就是可向一条导线上轮流传送几组不同的数据和控制信号，如图Z1125所示，这种方式在计算机中被广泛采用。但需要指出，为了保证接在同一条总线上的许多三态门能正常工作，一个必要条件是，任何时间里最多只有一个门处于工作状态，否则就有可能发生几个门同时处于工作状态，而使输出状态不正常的现象。


RC积分电路

R C积分电路如图Z1605（a）所示，它也是脉冲技术中的常用电路之一。该电路的时间常数τ较大，一般取τ≧10tk。
当输入信号u ｉ如图Z1605（b）所示，在t 1时刻u o（ [image] ）=0，此后，ui向C充电，u o按指数规律上升；在t ２～t ３期间，u ｉ=0，电容C处于放电状态，u o下降；在t３～t４期间，u o又按指数规律上升，如此周而复始，就得到了近似锯齿波形的输出电压，如图Z1605（c）中u o波形。
矩形脉冲的占空比不同，输出电压的幅度也不同。显然，占空比越大，输出电压的幅度也就越接近于输入信号的幅度E。


T触发器及不同类型触发器的相互转换

一、T型触发器及其逻辑功能
T型触发器的逻辑符号如图Z1410所示。其中T为信号输入端， CP为时钟脉冲输入端，Q、 [image] 为输出端。
逻辑功能是：当T＝1时， CP脉冲下降沿到达后触发器发生翻转；当T＝0时，在CP脉冲作用后，触发器仍保持原状态不变。
根据上述逻辑关系，可列出T触发器特性表，如表Z1403所示,由特性表可以写出其特性方程为：
                                                表Z1403 T触发器特性表
Tn | Qn | Qn+1 | 说 明
0 0 | 0 1 | 0 1 | 保持功能
1 1 | 0 1 | 1 0 | 翻转功能

如果T＝1，则Ｔ触发器就处于计数状态，每来一个 CP脉冲，触发器状态就翻转一次，这种T触发器称为计数触发器，亦称触发器，其特性方程为：

二、不同类型触发器之间的转换
触发器的市售产品主要是JK触发器和D触发器。但是在实际应用中，经常需用具有各种逻辑功能的触发器，这就需要进行不同类型触发器之间的相互转换。转换方法有公式法和图形法。这里仅举几个例子就公式法作简单介绍。
1. D触发器转换成JK触发器
由D触发器特性方程 [image] 和JK触发器特性方程 [image] 可得：
Dn＝ [image] = [image] GS1410
根据式GS1410可得出D→JK的电路，如图Z1411所示。
2. D触发器转换成T和T'触发器
由D触发器的特性方程 [image] 和T触发器的特性方程 [image] ，可得
Dn＝ [image] ＝ [image] GS1411
当Tn＝1时， [image] GS1412
根据式GS1411可画出由D→T的电路，如图Z1412（a）所示。由式GS1412可画出由D→T'的电路，如图Z1412（b）所示。
3. JK触发器转换成D触发器
由JK触发器的特性方程

和D触发器的特性方程
，可得
＝Dn
于是有：Ｊn＝Dn， [image] ＝Dn。 GS1413
由式GS1413可画出JK→D的电路，如图Z1413所示。
4. JK触发器转换成RS触发器
由RS触发器特性方程：

可变换为
上式和JK触发器特性方程相比较可得：
Jn＝Sn
Kn＝Rn GS1414
由式GS1414可画出JK→RS的电路，如图Z1414所示。


半加器

数字系统中，二进制运算可转换为加法运算，所以加法器是一种重要的逻辑部件。
半加器
二进制数码相加，如果只考虑本位的两个数相加和向高位的进位而不计及低进位时，这种运算称为半加运算，完成此功能的部件称为半加器。
设ai、bi分别是欲相加的两个二进制数中第i位数码，si是相加后第i位得到的结果，ci是向高位的进位，根据二进制加法法则，可得半加器真值表如表Z1303所示。
                              表Z1303 半加器真值表
a i | b i | s i | c i
0 | 0 | 0 | 0
0 | 1 | 1 | 0
1 | 0 | 1 | 0
1 | 1 | 0 | 1
由真值表很容易得si与ci的逻辑表达式为
si＝ [image] =ai⊕bi ci=aibi
用异或门和与门构成的半加器电路以及半加器的逻辑符号，分别如图Z1305(a)、(b)所示。


编码器

编码是指按一定的规律，把输入信号转换为二进制代码，每一组二进制代码被赋予固定的含意。用来完成编码的数字电路称编码器。
8421BCD编码器是常用的一种编码器。它要求将与十进制数0、1、2……9对应的十个状态，转换成8421BCD码输出。其框图如图Z1301所示，十个输入端，分别表示被编码的数，四个输出端D、C、B、A，表示8421BCD码，DCBA的权分别为8、4、2、1。表Z1301是其编码真值表。
                                                    表 Z1301 8421BCD编码表
十进制数 | D C B A
0 | 0 0 0 0
1 | 0 0 0 1
2 | 0 0 1 0
3 | 0 0 1 1
4 | 0 1 0 0
5 | 0 1 0 1
6 | 0 1 1 0
7 | 0 1 1 1
8 | 1 0 0 0
9 | 1 0 0 1
由编码表可见，当输入为"8"或"9"时，输出D为"1"，即D＝8＋9。同理可以写出C、B、A端的逻辑表达式。若要求用与非门来实现编码，则输出端的逻辑表达式为：
D＝8＋9＝
C＝4＋5＋6＋7＝
B＝2＋3＋6＋7＝
A＝1＋3＋5＋7＋9＝
由以上表达式可得8421BCD编码器如图Z1302所示。开关K置于某输入端，某输入端如（2端）为低电平"0"其他输入端通过电阻R接正电源,故为高电平"1"，输出端对应的便为某数的8421BCD代码。由逻辑表达式可知，用或门也能完成编码功能。此时开关K接通某输入端，则该端为高电平"1"。其它各端经电阻R接地，均处于低电平"0"。


变形间歇振荡器工作原理
变形间歇振荡器，是一般间歇振荡电路的改进电路。其特点在于用一个自耦变压器代替一般的传输变压器产生正反馈而形成振荡。电路原理图如图Z1632所示，其振荡过程如下：
1．前沿阶段
当接通电源后，发射结正偏产生i b和i e。i e流经L １，在L １两端产生上正下负的感应电势e1，同时在L 2两端也产生上正下负的感应电势e ２。由于C １两端电压不能突变，因而，e２ 负端直接加在T管基极，使i ｂ 增大，i e 进一步增大，从而再次增大了L 2 两端感应电势e２，形成强烈的正反馈，使T管迅速饱和，集电极电流i c，流经R Ｃ,形成脉冲的前沿。
2．平顶阶段
T管饱和后，L 2两端电势ｅ２就分别对C １、C 2充电，一路是通过Re对C 2充电，一路是通过R e和T管发射结电阻r be对C １充电。在充电过程中，C １两端电压逐渐增大，充电电流减少。当 [image] 时，T管退出饱和区，进入放大区，平顶阶段结束。平顶阶段的持续时间决定于C １的容量和对C １充电的速度。
3．后沿阶段
当T管退出饱和区进入放大区后i ｂ 进一步减小，因而在L 2两端的感应电压极性为上负下正，从而使i ｂ进一步减小。这种强烈地正反馈过程使T管迅速截止，R c两端输出电压为零，这就形成了输出电压的下降沿（后沿）。
4．问歇阶段
T管截止后，电源EC通过L 1、L ２、Rｂ 对电容C 1 反向充电，使基极电位降低。另一方面，L ２两端电压（上负下正）对C 2反向充电，L ２、C 2组成振荡回路，C 2两端电压按正弦规律变化。当T管基极电压达到起始导通电压时，T管导通，间歇阶段结束。此后又重复上述各过程，产生间歇振荡。
这种电路结构简单，振荡频率稳定，广泛运用于电视机的行振荡电路中。


触发器

触发器—基本RS触发器
触发器是时序逻辑电路的基本单元。它有两个稳定状态，分别称为"0"态和"1"态。根据输入的不同，可以置于"0"态，也可以置于"1"态。所置状态，在输入信号消失后，保持不变，即它具有存贮信号的功能。
触发器种类很多，按电路的结构分，有基本RS触发器、同步RS触发器、主从触发器及维持阻塞触发器等；按逻辑功能的差异分，有RS、D、T、 和JK等触发器。
一、电路组成及符号
基本RS触发器的逻辑图和符号如图Z1401所示。它由两个与非门交叉耦合组成。 、 [image] 为两个输入端,Q、 [image] 为两个输出端。符号中输入端小圆圈表示该触发器用负脉冲（0电平）触发。
二、工作原理
根据与非门的逻辑关系，触发器输出逻辑表达式为：

现在分几种情况分析触发器输出与输入的逻辑关系：
1.
设触发器的初始状态为0态(即Q=0， [image] =1),当 端保持高电平（1状态）。而 [image] 端加上负脉冲(低电平)时,则Q由0变1,Q又反馈到G 2门的输入端使得 [image] 为0,故触发器的状态由0变为1。此后,即使 [image] 端的负脉冲消失，触发器仍然保持在1状态。这是因为与非门只要有一个输入端为0，与非门就被封锁，输出就为1。而这时，G 1门的一个输入恰好为0。通常把这种在 [image] 端加入负脉冲后，使触发器由0态变为1态的过程称为触发器置1， 端称为置1端。图Z1402（a）表示了置1时的工作波形图。
2.
当 [image] 端保持高电平，而 [image] 端加一负脉冲(低电平)时,其工作过程与前述触发器置1过程相反，触发器为0状态，工作波形如图Z1402（b）所示。通常把在 [image] 端加入负脉冲使触发器状态由1态变为0态的过程称为使触发器置0， [image] 端称为置0端。显然，只有当触发器原状态为1态时，在 [image] 端加负脉冲，触发器状态才发生翻转，使其由1态变为0态，若原状态已为0时，在 [image] 端加入负脉冲，触发器仍保持0状态，即不发生状态翻转。
3、
当 [image] 和 [image] 均为1时，不难分析出触发器仍保持原来的状态不变。
4、
当 [image] 和 [image] 全为0时，与非门被封锁，迫使Q＝ [image] ＝1，破坏了触发器的逻辑关系，应避免这种情况出现。因为一旦输入端的负脉冲同时撤除以后，触发器的状态是不确定的。所以基本RS触发器输入 [image] 、 [image] 之间的约束条件为：
+ [image] =1 　　GS1402
上述四种逻辑关系可用表Z1401来表示。
基本RS触发器也可由两个或非门组成，其逻辑图和逻辑符号分别如图Z1401（a）、（b）所示。与与非门组成的基本RS触发器的区别在于：这里采用正脉冲置1，所以在图Z1401（b）的符号中置0和置1的输入端引线靠方框处无小圆圈，R、S也不加非号。


二进制数
一、二进制数的表示法
二进制是计算技术中广泛采用的一种数制。二进制数是用0和1两个数码来表示的数。它的基数为2，进位规则是"逢二进一"，借位规则是"借一当二"。二进制数也是采用位置计数法，其位权是以2为底的幂。例如二进制数110.11，其权的大小顺序为22、21、20、2-1、2-2。对于有n位整数，m位小数的二进制数用加权系数展开式表示，可写为：

式中aj表示第j位的系数，它为0和1中的某一个数。
二进制数一般可写为：（an-1an-2…a1a0.a-1a-2…a-m）2。
例1102 将二进制数111.01写成加权系数的形式。
解：
二、二进制数的加法和乘法运算
二进制数的算术运算的基本规律和十进制数的运算十分相似。最常用的是加法运算和乘法运算。
1. 二进制加法
有四种情况： 0＋0＝0
0＋1＝1
1＋0＝1
1＋1＝０ 进位为1
例1103 求 (1101)2＋(1011)2 的和
解：

2. 二进制乘法
有四种情况： 0×0＝0
0×1＝0
1×0＝0
1×1＝1
例1104 求 (1110)2 乘(101)2 之积
解：


八进制数与十六进制数
二进制数位数太多，书写不便，因此，引入八进制数作为二进制数与十进制数的中间过渡。
八进制数的数码是0、1、2、3、4、5、6、7，权位为8n（n为整数）。
八进制数一般可记为（an-1an-2…a2a1a0...a-m）8。
任意给定一个八进制数，按权展开并计算其值，就可将八进制数转换为十进制数。
例1111 （625.1）8=（ ）10
解：

类似于十进制数转换为二进制数的方法，对于十进制的整数部分和小数部分分别采用"除8取余，逆序排列"和"乘8取整，顺序排列"的方法，即可将十进制数转换为八进制数。
下面讨论二进制数与八进制数的相互转换。
3位二进制数共有8个，它们对应的十进制数如表Z1102所示：
                                  表Z1102
二进制数 | 000 | 001 | 010 | 011 | 100 | 101 | 110 | 111
十进制数 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7
以上八个十进制数恰好是八进制中的八个数码。因而上表也表示了二进制数与八进制数的对应关系。根据这个关系，就可把八进制数的每一位转换成对应的3位二进制数，并保持原来的顺序，这就实现了八进制数到二进制数的转换。
例1112 将（625.1）8转换为二进制数。
解：

在将二进制数转换为八进制数时，首先从二进制数的小数点开始，分别向左、向右依次把3个相邻的二进制数合成一组，若首、末两组不足3位，则分别在前、后添0补足。 然后把每组二进制数按对应关系换写成八进制数，从而实现二进制数到八进制数的转换。
例1113 将（10110110011.0110011）2转换为八进制数。
解：依上述步骤，并在该数首位之前补一个0，末尾之后补两个0，得到下列对应关系：

十六进制数码是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F，权位为16n。
十六进制数一般可记为（an-1an-2…a2a1a0...a-m）16。
十六进制数转换成其它进制数的方法与八进制数的转换十分相似，在此不再赘述。
为了便于对照， 将十进制数、 二进制数、 八进制数和十六进制数的表示方法列于表Z1103中。
十进制数 | 二进制数 | 八进制数 | 十六进制数
0 | 0 | 0 | 0
1 | 1 | 1 | 1
2 | 10 | 2 | 2
3 | 11 | 3 | 3
4 | 100 | 4 | 4
5 | 101 | 5 | 5
6 | 110 | 6 | 6
7 | 111 | 7 | 7
8 | 1000 | 10 | 8
9 | 1001 | 11 | 9
10 | 1010 | 12 | A
11 | 1011 | 13 | B
12 | 1100 | 14 | C
13 | 1101 | 15 | D
14 | 1110 | 16 | E
15 | 1111 | 17 | F
16 | 10000 | 20 | 10
17 | 10001 | 21 | 11
18 | 10010 | 22 | 12
19 | 10011 | 23 | 13
20 | 10100 | 24 | 14
32 | 100000 | 40 | 20
50 | 110010 | 62 | 32
100 | 1100100 | 144 | 64
1000 | 1111101000 | 1750 | 3E8
基本逻辑关系和常用逻辑门
通常，把反映"条件"和"结果"之间的关系称为逻辑关系。如果以电路的输入信号反映"条件"，以输出信号反映"结果"，此时电路输入、输出之间也就存在确定的逻辑关系。数字电路就是实现特定逻辑关系的电路，因此，又称为逻辑电路。逻辑电路的基本单元是逻辑门，它们反映了基本的逻辑关系。


复合逻辑门

由与门、或门和非门可以组合成其他逻辑门。把与门、或门、非门组成的逻辑门叫复合门。常用的复合门有与非门、或非门、异或门、与或非门等。
一、与非门
将一个与门和一个非门按图T1110连接，就构成了一个与非门。与非门有多个输入端，一个输出端。三端输入与非门的逻辑符号如图Z1111所示，它的逻辑表达式为：

真值表和波形图分别如表Z1107和图Z1112所示。
                      表 Z1107
A B C | Y
0 0 0 | 1
0 0 1 | 1
0 1 0 | 1
0 1 1 | 1
1 0 0 | 1
1 0 1 | 1
1 1 0 | 1
1 1 1 | 0

由此可知，与非门的逻辑功能为：当输入全为高电平时，输出为低电平；当输入有低电平时，输出为高电平。
二、或非门
把一个或门和一个非门连接起来就可以构成一个或非门， [image] 如图Z1113所示。或非门也可有多个输入端和一个输出端。三端输入或非门的逻辑符号如图Z1114所示，它的逻辑表达式为：
Y= [image] GS1107
真值表和波形图分别如表Z1108和图Z1115所示。
由此可知，或非门的逻辑功能为：当输入全为低电平时，输出为高电平；当输入有高电平时，输出为低电平。
表 Z1108
A B C | Y
0 0 0 | 0
0 0 1 | 0
0 1 0 | 0
0 1 1 | 0
1 0 0 | 0
1 0 1 | 0
1 1 0 | 0
1 1 1 | 1

三、异或门
当两个输入变量的取值相同时，输出变量取值为0；当两个输入变量的取值相异时，输出变量取值为1。这种逻辑关系称为异或逻辑。能够实现异或逻辑关系的逻辑门叫异或门。异或门只有两个输入端和一个输出端，其逻辑符号如图T1116（a）所示。
异或门的逻辑表达式为：
Y＝A· [image] + [image] ·B＝A⊕B GS1108
式中，符号⊕表示异或逻辑。
异或门真值表如表Z1109所示。波形图如图Z1116（b）所示。
异或门的逻辑功能可简述为：输入相异，输出为高电平。输入相同，输出为低电平。
              表Z1109 异或门真值表
A B | Y
0 0 | 0
0 1 | 1
1 0 | 1
1 1 | 0
四、与或非门
把两个与门、一个或门和一个非门联结起来，就构成了与或非门。它有多个输入端、一个输出端，逻辑符号如图Z1117所示。其逻辑表达式为：
Y＝ [image] GS1109
真值表如表Z1110所示，波形图见图Z1118。
与或非门的逻辑功能是：当任一组与门输入端全为高电平或所有输入端全为高电平时，输出为低电平；当任一组与门输入端有低平或所有输入端全为低电平时，输出为高电平。
                        表Z1110 与或非门真值表
输 入 | 输 出
A B C D | Y
0 0 0 0 | 1
0 0 0 1 | 1
0 0 1 0 | 1
0 0 1 1 | 0
0 1 0 0 | 1
0 1 0 1 | 1
0 1 1 0 | 1
0 1 1 1 | 0
1 0 0 0 | 1
1 0 0 1 | 1
1 0 1 0 | 1
1 0 1 1 | 0
1 1 0 0 | 0
1 1 0 1 | 0
1 1 1 0 | 0
1 1 1 1 | 0


基本逻辑关系和逻辑门
逻辑电路用到的基本逻辑关系有与逻辑、或逻辑和非逻辑，相应的逻辑门为与门、或门及非门。
一、与逻辑及与门
与逻辑指的是：只有当决定某一事件的全部条件都具备之后， [image] 该事件才发生，否则就不发生的一种因果关系。
如图Z1101所示电路，只有当开关A与B全部闭合时，灯泡Y才亮；若开关A或B其中有一个不闭合，灯泡Ｙ就不亮。这种因果关系就是与逻辑关系，可表示为Y＝A B，读作"A与B"。在逻辑运算中，与逻辑称为逻辑乘。
与门是指能够实现与逻辑关系的门电路。与门具有两个或多个输入端，一个输出端。其逻辑符号如图Z1102所示，为简便计，输入端只用A和B两个变量来表示。
与门的输出和输入之间的逻辑关系用逻辑表达式表示为：
                Y＝A·B＝AB
两输入端与门的真值表如表Z1104所示。波形图如图Z1103所示。由此可见，与门的逻辑功能是，输入全部为高电平时，输出才是高电平，否则为低电平。
A B | Y
0 0 | 0
0 1 | 0
1 0 | 0
1 1 | 1

二、或逻辑及或门
或逻辑指的是：在决定某事件的诸条件中， [image] 只要有一个或一个以上的条件具备，该事件就会发生；当所有条件都不具备时，该事件才不发生的一种因果关系。
如图Z1104所示电路，只要开关A或B其中任一个闭合，灯泡Y就亮；A、B都不闭合，灯泡Y才不亮。这种因果关系就是或逻辑关系。可表示为：Y＝A＋B，读作"A或B"。在逻辑运算中或逻辑称为逻辑加。
或门是指能够实现或逻辑关系的门电路。或门具有两个或多个输入端，一个输出端。其逻辑符号如图Z1105所示。
或门的输出与输入之间的逻辑关系用逻辑表达式表示为：
Y＝A＋B GS1104
两输入端或门电路的真值表和波形图分别如表Z1105和图Z1106所示。
                                  表 Z1105
A B | Y
0 0 | 0
0 1 | 1
1 0 | 1
1 1 | 1
由此可见，或门的逻辑功能是，输入有一个或一个以上为高电平时，输出就是高电平；输入全为低电平时，输出才是低电平。
三、非逻辑及非门
非逻辑是指：决定某事件的唯一条件不满足时， [image] 该事件就发生；而条件满足时，该事件反而不发生的一种因果关系。
如图Z1107所示电路，当开关A闭合时，灯泡Y不亮；当开关A断开时，灯泡Y才亮。这种因果关系就是非逻辑关系。可表示为Y＝ [image] ，读作"A非"或"非A"。在逻辑代数中，非逻辑称为"求反"。
非门是指能够实现非逻辑关系的门电路。它有一个输入端，一个输出端。其逻辑符号如图Z1108所示。
非门的输出与输入之间的逻辑关系用逻辑表达式表示为
Y＝ [image] GS1105
其真值表和波形图分别如表Z1106和图Z1109所示。
由此可见，非门的逻辑功能为，输出状态与输入状态相反，通常又称作反相器。（表Z1106）
A | Y
0 | 1
1 | 0


集-基耦合单稳态电路

图Z1627为分立元件的集-基耦合单稳态电路，它由两个反相器组成，其中， [image] 第一个反相器到第二个反相器采用直接耦合，第二个反相器到第一个反相器则是阻容耦合。
电路结构保证了在无触发脉冲时，触发器T１处于饱和导通，T2截止的稳定状态。触发脉冲来到后，其下降沿经微分电路形成的负尖脉冲通过通过二极管D加到T１基极上，使u b1下降，引起下列正反馈循环：
u b１↓→i b1↓→i c1↓→u Rc1↓→u c1↑→u b2↑→i b2↑→i c2↑→ ┓
↑ u c2↓←u Rc2↑←┛
致使T１迅速截止，T２迅速导通，触发器进入暂稳态。以后，电容C通过T2、EＣ、R ｂ１放电，V b1随之上升。当V b1高于晶体三极管门限电压后，又发生下列正反馈循环：
u b１↑→i b1↑→i c1↑→u Rc1↑→u c1↓→u b2↓→i b2↓→i c2↓→ ┓
↑ u c2↓←u Rc2↓←┛
T１很快导通，T2截止。并且电源EＣ通过R Ｃ２、T１向C充电,这个过程结束后，触发器完全恢复到原来的稳定状态，下一个触发脉冲来到后，再重复上述过程。


集成电路多谐振荡器
多谐振荡器
多谐振荡器无需外加触发信号，就能周期性地自动翻转，产生幅值和宽度一定的矩形脉冲，因而又 [image] 称之为无稳态电路。它可由分立元件、集成运放以及门电路组成。
用奇数个与非门首尾相接，便组成基本环形多谐振荡器。图Z1618即为3个与非门组成的基本环形振荡器。
设uO为高电平，它反馈到G1门的输入端，经G1延迟tpd（tpd为门电路的平均传输时间）后产生一个负跳变u O1；再经G2延迟后产生一个正跳变u O2；最后,经G3延迟tpd使u O为负电平。这个负电平反馈到G1门的输入端，延迟后3tpd又使u O为正。如此往复，形成振荡。电路各点波形见图Z1619。该振荡器的振荡周期
T＝2×3tpd＝6tpd。
上述电路的振荡频率难予调整，使用中，更多采用图Z1620所示的RC环形多谐振荡器。为了便于叙述，假定u O为高电平,于是u O1为低电平,u O2为高电平。由于C上电压不能突变，所以，此时M点电位uＭ 同u O1，G3输入端为低电平，u O仍维持高电平不变,此时u O2高于u O1，C开始充电，电压极性上正下负，uＭ逐渐升高。当uＭ达到门电 [image] 路的开门电平后，G3门转为开通，u O变为低电平，u O1变为高电平，u O2变为低电平。uＭ不能突变，仍能维持G3门开通。此后，因u O2低于u O1，电容C开始放电，uM下降，当它一旦低于门电路的关门电平后，G1门关闭，uO成为高电平。这样重复下去，就形成振荡。电路中R、C的数值决定了振荡频率， 是为避免充、放电时流入G1电流过大而加的限流电阻。电路输出波形见图Z1621。


集基耦合多谐振荡器

集基耦合多谐振荡器如图Z1622所示，它是一种典型的分立元件脉冲产生电路。通常，电路两边是对称的。接通电源后，两管均应导通。为便于分析，假定因某种因素影响，iC1有上升趋势，那么就会发生如下的正反馈循环过程：
iC1↑→u RC1↑→uA1↓→ub2↓→ib2↓→iC2↓→u RC2↓→uA2↑┐
↑---------------------------------------------------------ib1↑←ub1↑←┘
致使T1迅速饱和， uA1为低电平；T2迅速截止，uA2为高电平。此后，一方面C2将通过RC2、T1的be结构成的回路充电（电压极性左负右正）；另一方面，C 1将通过T1、R 1构成的回路，将本身贮存的电荷（左正右负）逐渐释放。这样ub2逐渐上升，当u b2高于晶体三极管导通电压后，将发生如下的正反馈循环：
ub2↑→ib2↑→iC2↑→u RC2↑→uA2↓→ub1↓→ib1↓→ic1↓┐
↑------------------------------------------------- uA1↑← u RC1↓←┘
致使T2迅速导通u A2为低电平；T2迅速截止，uA1为高电平。此后，一方面C 1将通过RC1、T2的 [image] be结构成的回路充电（电压极性左正右负），另一方面，C2将通过T2、R 2构成的回路放电，ub1相应提高。当ub1高于三极管导通电压后，又发生使T1导通，T2截止的正反馈过程，于是形成振荡。从T1、T2集电极输出的输出电压是矩形脉冲。可以证明，集基耦合多谐振荡电路的振荡周期T＝0.7R1 C 1＋0.7R2 C2＝1.4RC，输出幅度接近电源电压。


时序逻辑电路
任意时刻的稳定输出，不仅与该时刻的输入有关，而且还和电路原来的状态有关的数字电路，称作时序逻辑电路，简称时序电路。
时序电路一般由触发器构成的存贮电路和组合电路组成。若电路中所有的触发器都由同一时钟脉冲控制，则称这种时序电路为同步时序电路，否则称为异步时s序电路。常用的时序电路部件有寄存器、计数器等。
寄 存 器
在数字系统和电子计算机中，常需要把一些数码和运算结果存贮起来，这种存贮数码的逻辑部件称为寄存器。
寄存器按功能可分为数码寄存器和移位寄存器。 前者只能存贮数码， 以便在需要时取出；后者不但能够存贮数码，而且能把数码按顺序依次左移、右移、或双向移动。
依数据的存贮方式，寄存器又有并行输入和串行输入之分。前者是指多位数据在写入命令的作用下同时存入寄存器，后者是指多位数据在时钟脉冲的作用下依次移位，逐个存入寄存器。与此类似，寄存器的输出方式也有并行输出和串行输出两种，前者是指寄存器内的数据同时向外输出，后者是指寄存器内的数据依次逐个输出。也有采用串并行输入和串并行输出的寄存器。不过一般数码寄存器采用的是并行输入、并行输出的方式，而移位寄存器采用的是既可串行输入，并行（或串并行）输出方式，也可串并行输入、串并行输出的方式。


间歇振荡器的工作原理
间歇振荡器
间歇振荡器是利用脉冲变压器和单级放大器组成强正反馈的振荡器。其特点是， [image] 输出矩形脉冲宽度窄，占空比大，效率高。间歇振荡器可分为它激式和自激式两种。通常用作脉冲的产生和整形，本节只讨论自激式间歇振荡器。
共射极自激间歇振荡电路如图Z1630所示。Tγ为脉冲变压器，用于传输脉冲信号，其工艺结构比普通变压器要求高。R b、C为定时元件，决定振荡频率，D为阻尼二极管。输出脉冲的形成可以分为以下四个阶段。
1．前沿阶段
当接通电源后，T管导通,产生i b、ic电流。ic流经L1时，产生上端为正的感应电压，同时，经变压器耦合，在L 2产生基极端为正的感应电压，使基极电位生高，i b进一步增大且经T管放大，从而使i c进一步增大，形成强烈正反馈,结果使T管迅速饱和,输出电压U o＝U CES，接近为零,形成输出脉冲的前沿。
2．平顶阶段
T管饱和后，正反馈过程结束，流经L1中的电流近似线性增大，与此同时，L 2中的感应电压极性、大小不变，并经发射结给电容C充电，充电常数为 [image] （因为Rb"rｂｅ），随着充电的进行，电容两端电压增大，基极电位逐渐降低，i b减小，从而使i c减小，直到 [image] 时，T管脱离饱和区,进入放大区,平顶阶段结束。显然,输出脉冲宽度tk由充电时间常数rbe C决定。
3．后沿阶段
T管进入放大区后，i b继续减小，ic亦相应减小，从而在L１感应出上端为负的感应电压，经变压器耦合，在L 2上感应出基极端为负的电压，使基极电位进一步降低，i b进一步减小，促使I ｃ更小，形成强烈正反馈，其结果使T管迅速截止，形成脉冲的后沿。由于T管由导通到截止的时间极短，因而电流i c的变化率 [image] 极大，故在L 1上感应出很高的反冲电压，使T管集电极电位大大升高。同时，在基极上产生很高的负压。图中二极管D用来抑制反冲电压以防止晶体管击穿。
4．间歇阶段
T管截止后，电容C两端充电电压为上负下正,使基极反偏,维持T管截止。同时，电容C通过R b、Ec放电，由于放电时间常数R bc很大，故放电电流变化缓慢，L２上感应电压极小，可忽略不计。因此，基极电位由负按指数规律上升并趋向+Ec,当基极上升到起始导通电压时，三极管再次导通。此后周而复始，从而产生自激振荡。显然，间歇时间与放电时间常数R bc有关。计算间歇时间t b的近似公式为 [image] 。式中ｎ为变压器的变比。因为t b 》t k，间歇振荡器周期为: 。
上式表明，调节R b和C值，可改变振荡周期T。输出电压、电流波形如图T1631所示。这种电路结构简单，调节方便。它主要应用在电视机的场振荡电路中。


RC微分电路

图Z1604所示的RC微分电路是脉冲技术中常用电路之一。它与RC耦合电路（如图Z1603所示）的区别就在于前者的时间常数τ（=RC）很小。假定该电路的输入信号是图Z1604（a）所示的矩形波，那么，在t１时刻电容C因电压不能突变而使uＣ（ [image] ）=0，所以，此时刻R上的输出电压u o等于E （见图Z1604（c））。此后u Ｃ按指数规律上升到E ，相应地，u o由 E 下降至零。在t ２时刻，外加信号为零u Ｃ 仍为E，致使输出电压跳变到- E，随着电容放电，u Ｃ逐渐上升到零。待下一个矩形脉冲来到后，再重复以上过程。u Ｃ、u Ｏ的波形分别如图Z1604（b）（c）所示。 由此可知，微分电路的特点是能突出反映输入信号的跳变部分。根据这个特点，可把信号中跳变部分转变为尖脉冲而加以利用。
当τ（=RC）＜（ [image] ～ [image] ）t k时，就可把该电路视为微分电路。


可逆计数器
由前面的叙述可知，CP的连接位置不同，计数器的功能也就不同。因此，适当地设计电路结构，可使计数器兼有加法、减法计数功能。图Z1508为三位异步可逆计数器的逻辑图，图中，X＝1时，计数器执行加法计数，X＝0时，执行减法计数。为简便起见，图中未标明J＝K＝１的连线，也未绘出复位线 [image] 。


逻辑代数的基本定律
逻辑代数不但有与普通代数相似的交换律、结合律和分配律，其本身还有一些特殊定律。常用的定律如下：
（1）交换律 A·B＝B·A A＋B＝B＋A
（2）结合律（A·B）·C＝A·（B·C）
（A＋B）＋C ＝A＋（B＋C）
（3）分配律 A·（B＋C）＝Ａ·B＋Ａ·C
A十BC＝（A+B）（A+C）
（4）重迭律 A·A＝A A＋Ａ＝A
（5）0-1律 0·Ａ＝0 0＋Ａ＝Ａ
1·Ａ＝Ａ 　　1＋Ａ＝1
（6）互补律　 A· [image] ＝0 A＋ [image] ＝1
（7）摩根定律 [image] ＝ [image] ＋ [image] ＝ [image] ·
（8）吸收律 A·（A＋B）＝A A＋AB＝Ａ


逻辑电路中的几个概念和规定

1．逻辑状态表示方法
按双值逻辑规定，"条件"和"结果"只有两种对立状态，如电位的高、低，灯泡的亮、灭等。若一种状态用"1"表示，与之对应的状态就用"0"表示。这里的"1"和"0"并不表示数量大小，为了与数制中的"1"和"0"相区别，一般称它们为逻辑"1"和逻辑"0"。
2．正逻辑和负逻辑
根据"1"、"0"代表逻辑状态的含义不同，有正、负逻辑之分。比如，认定"1"表示事件发生，"0"表示事件不发生，则形成正逻辑系统；反之则形成负逻辑系统。
同一逻辑电路，既可用正逻辑表示，也可用负逻辑表示。在本书中，只要未做特别声明，均采用正逻辑。
3．逻辑函数表示法
若输入逻辑变量A、B、C…取值确定后，输出逻辑变量Y的值也随之确定，则称y是A、B、C…的逻辑函数，记作：
Y＝F（A、B、C、···）
逻辑函数有多种表示形式，常见的有：逻辑表达式、真值表、逻辑图和时序图。
（1）逻辑关系式
把输出逻辑变量表示成输入逻辑变量运算组合的函数式，称为逻辑函数表达式，简称逻辑表达式。
（2）真值表
把输入逻辑变量的各种取值和相应函数值列在一起而组成的表格称为真值表。
（3）逻辑图
在逻辑电路中，并不要求画出具体电路，而是采用一个特定的符号表示基本单元电路，这种用来表示基本单元电路的符号称为逻辑符号。用逻辑符号表示的逻辑电路的电原理图，称为逻辑图。
（4）时序图
把一个逻辑电路的输入变量的波形和输出变量的波形，依时间顺序画出来的图称为时序图，又称波形图。


逻辑函数的化简方法之一：公式化简法

公式化简法就是运用逻辑函数的基本运算法则和基本定理对逻辑函数进行化简。例如， [image] 可运用A＋ [image] ＝1，将两项并为一项；运用A＋AB=A， A＋ [image] B＝A＋B，消去多余因子；运用A＋ [image] ＝1进行拆项或补项等方法，使表达式得以简化。
例1128 化简下式，并用与非门实现其逻辑功能
Y＝ [image] BC+A [image] C+AB [image] +ABC
解 ：

据此，所得的逻辑图如图Z1131所示。
公式化简法技巧性强，不宜掌握，特别是难于判断运算结果是否已简化成项数最少、每项变量数目也最少的最简式。因而，在变量数目不多于5时，常用卡诺图化简法。


逻辑函数的化简方法之二

逻辑函数的化简方法之二：卡诺图化简法

1. 逻辑函数的最小项
逻辑函数的最小项，是一个以逻辑变量的原变量或反变量形式组成的乘积项，这个乘积项的因子数等于全部逻辑变量的个数，且每个变量都是它的因子。例如，A、B、C三个变量逻辑函数的最小项共有8个，即 [image] 、 [image] 、 [image] B [image] 、 [image] BC、A [image] [image] 、A [image] C、AB [image] 、ABC，它们均有上述特点。根据逻辑代数的基本定律，可以把任意逻辑函数变成一组最小项之和，这就是最小项表达式。例如，将Y(A、B、C)＝AB＋AC变换为最小项表达式。运用A+ =1，可得：

这里，ｍ是最小项的符号，十进制的下标恰对应最小项的二进制码所表示的十进制的数值，称为最小项序号。最后的一个求和表达式，则是以最小项序号代表相应最小项的一种简写方法。
当变量数为ｎ时，最小项数为2ｎ个。

2. 卡诺图及其构成方法
将变量各种状态的组合列于表格的最上方和最左端，并划成2ｎ(ｎ为变量数)个方格就构成了卡诺图。
在填写变量状态时,仅允许相邻两项只有一个变量的状态不同。这里所指的相邻项，包括把首项和尾项看成相邻两项。据此，得到二变量、三变量的卡诺图分别如图T1132（a）、（b）所示。可见，卡诺图中每一小格都对应着一个最小项。而卡诺图中的相邻项是指，一个方格与其上、下、左、右的方格，同一行最左与最右的方格、同一列最上与最下的方格均为相邻项。
有时为了简便直接用0、1表示变量状态，用最小项符号mi代表最小项.例如四变量卡诺图可如图T1133所示。图T1134是五变量卡诺图。
3.卡诺图化简法
步骤：
（1）将逻辑函数用最小项形式表示，然后画出该函数的卡诺图。若某格对应的最小项存在，则在这格内填"1"否则填"0"（也可空着不填）。
（2）在卡诺图上将相邻最小项合并。
合并原则是:将相邻两个方格合并,即把它们圈在一起时可以消去一个出现了"0"、"1"状态的变量，将相邻四个方格合并，可消除二个出现了"0"，"1"状态的变量，相邻八个方格合并，可消除三个出现了"0"、"1"状态的变量…。在合并时，必须注意以下几点：
A 合并的小方格数必须是2K个（K＝1，2，3…）；
B 处于卡诺图同一行（列）首尾部位的小方格是相邻的；
C 画包围圈时使它包含的方格数最多；
D 任一包围圈必须含有不同于其它包围圈的小方格；
E 一个小方格可以被包围多次。
（3）将各包围圈合并的结果相加，得到逻辑函数的最简表达式。
例1129 用卡诺图化简逻辑表达式：
Y＝（A＋B＋C）（A＋ [image] ＋C）（ [image] ＋ [image] ＋ [image] ）
解：Y＝ [image] BC＋A [image] C＋AB [image] O＋ABC,共有三个变量，绘得相应的卡诺图如图T1128所示。按上述步骤（2）化简，得Y＝AB＋BC＋AC。
例1130 运用卡诺图化简下式：
Y(A、B、C、D)＝ [image] CD＋B [image] ＋ [image] [image] ＋A [image] C＋A [image] [image] D
解：将上式写成最小项之和，即

画得相应的卡诺图如图Z1136所示，化简的最后结果为：
Y＝
例1131 用卡诺图化简Y（A、B、C、D）＝
解：画得相应的卡诺图如图Z1137所示。图中，四个角是相邻项，可以合并，序号为5的项无相邻项，单独写出，于是
Y＝


逻辑函数和逻辑图的转换
1. 由逻辑图求得逻辑函数
通常有两种方法由逻辑图求得逻辑函数。 一是根据逻辑图列出对应的真值表，再由真值表写出逻辑函数；二是由逻辑图逐级写出输出端的逻辑表达式。
例1123 试求出图Z1126的逻辑表达式。
解法1：根据变量各种可能的取值，分别求出输出量Y1、Y2的值，列出对应的真值表如表Z1115所示，进而可写出下列逻辑表达式：
Y1=A [image] + [image] B Y2＝AB
解法2：根据逻辑图，由输入到输出逐级写出输出端的逻辑表达式：
G1＝ [image] G2＝ [image] G3＝
Y1＝ [image] ＝ [image] ＝A [image] ＋ [image] B
                            表 Z1115
A B | Y1 | Y2
0 0 | 0 | 0
0 1 | 1 | 0
1 0 | 1 | 0
1 1 | 0 | 1
通过上例可知，列真值表求逻辑表达式的方法较为直观，但变量过多时就十分烦琐，后一种方法较为简便。
例1124 试写出图Z1127的逻辑函数表达式。
解：G1＝AB G2＝ [image] C　　 G3＝BC
Y＝ [image] ＝
2.根据逻辑函数画出逻辑图
与、或、非的运算组合可实现逻辑函数表达式，相应地，通过基本门电路的组合就能得到与给定逻辑表达式相对应的逻辑图。
例1125 绘出Y＝ABC＋ [image] BC＋A [image] Ｃ的逻辑图
解：式右项是与运算，可用与门实现；式中的 和 可用非门实现；Y是三项之和，可用或门实现。于是，所得到的逻辑图见图Z1128。
例1126 试用与非门实现上例的逻辑关系。
解：Y＝ABC＋ [image] BC＋A [image] C＝
＝
所得到的逻辑图见图Z1129，图中，采用反变量直接输入。

例1127 已知Y＝（A＋B＋C）（A＋ [image] ＋C）（ [image] ＋ [image] ＋ [image] ），试用与非门实现这个逻辑关系。
解:

所得到的逻辑图如图Z1130所示。
· 逻辑函数的化简方法
用门电路等器件实现给定逻辑功能时，对给定的逻辑函数进行化简是十分必要的。
做法的目的在于简化实际电路，减少其元器件和接线。


脉冲电路的基本知识

脉冲电路-脉冲电路的基本知识

在数字电路中分别以高电平和低电平表示1状态和0状态, [image] 此时电信号的波形是非正弦波。通常，就把一切既非直流又非正弦交流的电压或电流统称为脉冲。
图Z1601表示出几种常见的脉冲波形，它们既可有规律地重复出现，也可以偶尔出现一次。
脉冲波形多种多样，表征它们特性的参数也不尽相同，这里，仅以图Z1602所示的矩形脉冲为例，介绍脉冲波形的主要参数。
（1）脉冲幅度Vm--脉冲电压或电流的最大值。脉冲电压幅度的单位为V、mV，脉冲电流幅度的单位为A、mA。
（2）脉冲前沿上升时间tr--脉冲前沿从0.1V m上升到0．9V m所需要的时间。单位为ｍs、μs、ns。
（3）脉冲后沿下降时间tｆ--脉冲后沿从0.9V m下降到0.1V m所需要的时间。单位为：ｍs、μs、ns。
（4）脉冲宽度tk--从脉冲前沿上升到0.5Vm处开始，到脉冲下降到0.5Vm处为止的一段时间。单位为：s、ｍs、μs或ns。
（5）脉冲周期Ｔ--周期性重复的脉冲序列中，两相邻脉冲重复出现的间隔时间。单位为：s、ｍs、μs。
（6）脉冲重复频率--脉冲周期的倒数，即f =1／T，表示单位时间内脉冲重复出现的次数，单位为Hz、kHz、MHz。
（7）占空比tk／T--脉冲宽度与脉冲周期的比值，亦称占空系数。


门电路

门电路-OC门和三态门

一、OC门
实际使用中,有时需要两个或两个以上与非门的输出端连接在同一条导线上，将这些与非门上的数据（状态）用同一条导线输送出去。因此，需要一种新的与非门电路来实现线与逻辑，这种门电路就是集电极开路与非门电路，简称OC门（open collector）。
OC门电路及逻辑符号见图Z1201，该电路的特点是输出管T5的集电极悬空，使用时需外接一个负载电阻R Ｐ和电源E c。
OC门的主要用途有以下3个方面：
（1）实现与或非逻辑
用ｎ个OC门实现与或非逻辑的电路如图Z1202所示.因为任何一个门输入全为1时,其输出为零，而n个门的输出端又并接在一起（线与），故输出Y=0，
即Y=A1B1+A2B2+……+AnBn，是与或非的逻辑功能。
（2）用做电平转换
在数字系统的接口部分常需要进行所示电平转换,这可用OC门来实现.如图Z1203所示电路是用OC门把输出高电平变换为10V的电路。
（3）用做驱动器
可以用OC门驱动指示灯,继电器等,其驱动指示灯的电路如图Z1204所示。
二、三态输出门
1. 三态门的特点
三态输出门又称三态电路。它与一般门电路不同，它的输出端除了出现高电平、低电平外，还可以出现第三个状态，即高阻态，亦称禁止态，但并不是3个逻辑值电路。
2. 三态逻辑与非门
三态逻辑与非门如图Z1205所示。这个电路实际上是由两个与非门加上一个二极管D2组成。虚线右半部分是一个带有源泄放电路的与非门，称为数据传输部分，T5管的u I1、u I2称为数据输入端。而虚线左半部分是状态控制部分，它是个非门，它的输入端C称为控制端，或称许可输入端、使能端。
当C端接低电平时，T4输出一个高电平给T5 ，使虚线右半部分处于工作状态，这样，电路将按与非关系把u I1， u I2接受到的信号传送到输出端， 使u 0或为高电平，或为低电平。

当C端接高电平时， [image] T4输出低电平给 T5，使 T6、T7、T10 截止。另一方面，通过D2把T8的基极电位钳在1v左右，使T9截止。由于T9、T10均截止，从输出端u 0看进去，电路处于高阻状态。
三态逻辑与非门的逻辑符号如图Z1206所示。其中（a）图表示C端为高电平时为工作状态，称为高有效三态与非门。（b）图表示C端为低电平时的工作状态，称为低有效三态与非门。在使用时应注意区分。
三态与非门的最重要的用途就是可向一条导线上轮流传送几组不同的数据和控制信号，如图Z1207所示，这种方式在计算机中被广泛采用。但需要指出，为了保证接在同一条总线上的许多三态门能正常工作，一个必要条件是，任何时间里最多只有一个门处于工作状态，否则就有可能发生几个门同时处于工作状态，而使输出状态不正常的现象。


门电路单稳态触发器
单稳态触发器
单稳态触发器的工作特点是：只有一个稳定状态，即无信号触发时，电路处于稳定状态；在外来触发脉冲作用下，可从稳定状态翻转到暂稳态，经过一段时间后又自行回到稳定状态。
图Z1623表示与非门组成的微分型单稳态触发电路。Rd、R的取值足以保证触发器处于G 1导通、G 2截止的稳定状态，此时，电容C两端没有电压。当负极性触发脉冲ui加至由C d、R d构成的微分电路后，就产生出负的尖脉冲，致使G 1门截止，u o1为高电平，因C上电压不能突变，所以此时uR也为高电平，G 2门饱和，触发器转入到暂稳状态。即使触发脉冲过去，电路也还保持这一状态暂时不变。此后，V o1通过C、R回路对C充电，u R的电平随之降低。一旦uR低于门电路的关门电平，G 2门截止，u o2为高电平，于是，G 1导通，u o1为低电平。暂稳状态结束，电容C开始放电，经短暂时间，放电完毕，电路完全恢复到原来的稳定状态。待下一个触发脉冲来到，再次重复以上过程。该电路各点电压波形，如图Z1624 所示。可见，微分电路 R、C决定暂稳态的持续时间，这也就是图Z1623电路名称的由来。
图Z1625是以RC积分电路为定时电路的积分型单稳态电路。
当输入信号ui为低电平时，G 1门、G 2门均截止，u o1、u o2为高电平，若电容C充电完毕，其极性上正下负，电路处于稳定状态。
当触发信号u i发生正跳变后，G 1门、G 2门同时导通，u o1、u o2变为低电平，触发器转入暂稳状态。此后电容C放电，V 2电平逐渐降低，若在t2时刻，u 2低于门电路的关门电平，G 2门截止，u o2变为高电平；若t3时刻外加触发脉冲由正 [image] 变负，G 1门截止，u o1为高电平。由u o1经Ｒ向C充电的过程结束后，触发器恢复到原来的稳定状态，其各点电压波形如图Z1626所示。
积分型单稳电路的用途之一，是在输出端上能得到占空比可调的矩形脉冲。


钳位电路

钳位电路的作用是将周期性变化的波形的顶部或底部保持在某一确定的直流电平上。图Z1615为常见的二极管 [image] 钳位电路。设输入信号如图Z1616（a）所示,在零时刻，u O(0+)＝+E，u O产生一个幅值为E的正跳变。此后在0～t１间，二极管D导通，电容C充电电流很大，uＣ很快等于E，致使u O＝0。在t１时刻，ui（t１）＝0，uO又发生幅值为－E的跳变,在t１～t2期间，D截止，充电电容C只能通过R放电，通常，R取值很大，所以u Ｃ下降很慢，u O变化也很小。在t１时刻uＩ（t2）＝E，u O又发生一个幅值为E的跳度，在t2～t3期间，D导通，电容C又重新充电。与0～t１期间内不同，此时电容上贮有大量电荷，因而充电持续 [image] 时间更短，u O更迅速地降低为零。以后重复上述过程，u O和u Ｃ的波形如图Z1616（b）、（c）。可见，u O的顶部基本上被限定在零电平上，于是，就称该电路为零电平正峰（或顶部）钳位电路。
将图Z1615中的二极管反接，便可把输入矩形波的底部钳位在零电平上，形成零电平负峰（或底部）钳位电路。
图Z1617为三极管钳位电路，如将其be结也看成是一个二极管，那么,就钳位原理而言，与图Z1615所示电路完全一样，只不过该电路还具有放大作用而已。


全加器
不但完成本位二进制码ai和bi相加，而且还考虑到低一位进位ci-1的逻辑部件称为全加器。它的输入为ai、bi、ci-1，输出为si、ci。由二进制加法法则得全加器的真值表如表Z1304所示。
表Z1304 全加器真值表
ai bi ci-1 | si | ci
0 0 0 | 0 | 0
0 0 1 | 1 | 0
0 1 0 | 1 | 0
0 1 1 | 0 | 1
1 0 0 | 0 | 0
1 0 1 | 0 | 1
1 1 0 | 0 | 1
1 1 1 | 1 | 1

由真值表得si、ci的逻辑表达式分别为：

据此，得到全加器的逻辑图如图Z1306（a）所示。图（b）为全加器的逻辑符号。
如把多个全加器组合起来，即可完成多位二进制加法。图Z1307表示两个4位二进制数相加的逻辑电路图。


三种基本的逻辑运算

三种基本的逻辑运算（逻辑代数的基本定理与规则）
逻辑代数基础
逻辑代数是讨论逻辑关系的一门学科，它是分析和设计逻辑电路的数学基础。逻辑代数是由英国科学家乔治·布尔（George·Boole）创立的，故又称布尔代数。
逻辑代数也是用字母表示变量，但是逻辑代数和普通代数有着根本的区别。逻辑代数中的逻辑变量只有两种可能取值-- 0和1，而且这里的0和1不同于普通代数中的0和1。它只表示两种对立的逻辑状态，并不表示数量的大小。
在逻辑运算中，基本的逻辑关系有与、或、非三种。在逻辑代数中，相应地也有三种基本运算，即与运算、或运算和非（求反）运算。
1. 与运算（逻辑乘）
图T1101所示与门电路的逻辑关系为Y＝AB，由此可得与运算的规则为：
0·0＝0 0·1＝0 1·0＝0 1·1＝1
A·0＝0 A·1＝A A·A＝Ａ
2. 或运算（逻辑和）
图T1104所示或门电路的逻辑关系为Y＝A＋B，由此可得或运算的规则为：
0+0＝0 0+1＝1 1+0＝1 1+1＝1
A+0＝A A+1＝1 A+A＝A
3. 非运算（求反运算）
图T1107所示非门电路的逻辑关系为Y＝ [image] ，由此可得非运算的规则为：
＝1 [image] ＝0
A+ [image] ＝1 A· [image] ＝０ [image] ＝A


三个重要的等式规则
在逻辑代数中，利用代入规则、对偶规则、反演规则可由基本定律推导出更多的公式。
1. 代入规则
在任何一个逻辑等式中，如将等式两边所有出现某一变量的地方都用同一函数式替代，则等式仍然成立。这个规则就是代入规则。
代入规则扩大了逻辑等式的应用范围。
例如　已知 [image] ＝ [image] ＋ [image] ，如用B·C来代替等式中的Ｂ，则等式仍成立，故有

2. 对偶规则
将某一逻辑表达式中的"·"换成"+"、"+"换成"·" ；"0"换成"1"，"1"换成"0"，就得到一个新的表达式。这个新的表达式就是原表达式的对偶式。如果两个逻辑式相等，则它们的对偶式也相等。这就是对偶规则。
例1114 已知A＋ [image] B＝A＋B，求其对偶式。
解：利用对偶规则，可得到A·（ [image] ＋B）＝AB。
3. 反演规则
如将某一逻辑式中的"·"换成"+"、"+"换成"·" ；"0"换成"1"，"1"换成"0" ；原变量换成反变量，反变量换成原变量，则所得到的逻辑表达式称为原式的反演式。这种变换方法称为反演规则。利用反演规则可以比较容易地求出一个函数的反函数。
例1115 求函数ｙ= [image] ·B＋C· [image] ＋0的反函数。
解：利用反演规则可得： ＝（Ａ＋ [image] ）·（ [image] ＋Ｄ）·１
例1116 证明加法对乘法的分配律：A＋BC＝（A+B）（A+C）
证： （A+B）（A＋C）＝AA＋AC+AB+BC
＝A＋AB＋AC＋BC （重迭律）
＝A（1+B+C）+BC
     ＝A＋BC （0 -１律） （证毕）
例1117 求证A＋ [image] B＝A＋Ｂ
证：A＋ [image] B ＝（A＋ [image] ）（Ａ＋B）　　（加法对乘法的分配律）
＝1·（A＋Ｂ） （互补律）
＝A＋B （0-１律） （证毕）
例1118 己知Y＝ [image] （B＋C [image] ）＋ [image] C，求
解：
＝（A＋ [image] ）（Ｂ＋ [image] ）＝(A＋ [image] )（B+ [image] ）
＝［A＋ [image] ( [image] ＋D)］（B＋ [image] ）
若运用反演规则，可直接求出： ＝［A＋ [image] ( [image] ＋D)］（B＋ [image] ）
S如前所述，逻辑函数有多种表示法，它们之间可以相互转换。


十进制数
计数制
计数制是人们用以表示数的进位方式和计数的制度。数字系统中常采用的计数制有十进制、二进制、八进制和十六进制。
十进制是人们最习惯采用的一种数制。十进制数是用0、1、2、3、4、5、6、7、8、9十个符号（称为数码）按一定规律排列起来表示的数。10是这个数制的基数。向高位数进位的规则是"逢十进一"给低位借位的规则是"借一当十"数码处于不同位置（或称数位），它所代表的数量的含义是不同的。例如572.34，数码5处于百位，它所代表的数为五百；7处于10位，它代表的数为70；2处于个位，它所代表的数为2；3处于10分位，它所代表的数为3／10，4处于百分位，它所代表的数为 4％。不同位置的数码代表不同数值的数的表示方法称为位置计数法。把表示某一数位上单位有效数字所代表的实际数值称为"位权"，简称"权"。十进制数的权是以10为底的幂。位置计数法的权，以小数点为参考点，整数部分的权离小数点越近，权越小；小数部分的权离小数点越近，权越大。10进制数572.34的权的大小顺序为 [image] 。称数位上的数码为系数。权乘以系数称为加权系数。
任意一个十进制数都可以用加权系数展开式来表示：，对于有n位整数和m位小数的十进制数用加权系数展开式表示，可写为

式中，N的下标10表示N为十进制数，ai为第i位的系数,它为0、1、……9中的某一个数。
十进制数一般可写成：
例1101 把十进制数5634.28表示成加权系数展开式
解：


十进制数与二进制数的转换
一、二进制数转换成十进制数
由二进制数转换成十进制数的基本做法是，把二进制数首先写成加权系数展开式，然后按十进制加法规则求和。这种做法称为"按权相加"法。
例1105 把二进制数110.11转换成十进制数。

二、十进制数转换为二进制数
十进制数转换为二进制数时，由于整数和小数的转换方法不同，所以先将十进制数的整数部分和小数部分分别转换后，再加以合并。
1. 十进制整数转换为二进制整数
十进制整数转换为二进制整数采用"除2取余，逆序排列"法。具体做法是：用2去除十进制整数，可以得到一个商和余数；再用2去除商，又会得到一个商和余数，如此进行，直到商为零时为止，然后把先得到的余数作为二进制数的低位有效位，后得到的余数作为二进制数的高位有效位，依次排列起来。
例1107 把 (173)10 转换为二进制数。
解：

2．十进制小数转换为二进制小数
十进制小数转换成二进制小数采用"乘2取整，顺序排列"法。具体做法是：用2乘十进制小数，可以得到积，将积的整数部分取出，再用2乘余下的小数部分，又得到一个积，再将积的整数部分取出，如此进行，直到积中的小数部分为零，或者达到所要求的精度为止。
然后把取出的整数部分按顺序排列起来，先取的整数作为二进制小数的高位有效位，后取的整数作为低位有效位。

【例1108】把（0.8125）转换为二进制小数。
解：

例1109 （173.8125）10＝（ ）2
解： 由［例1107］得（173）10＝（10101101）2
由［例1108］得（0.8125）10＝（0.1101）2
把整数部分和小数部分合并得： （173.8125）10＝（10101101.1101）2


十进制计数器
同二进制计数器相比，十进制计数器较为复杂。分析步骤一般是：
（1）从逻辑图上得出每个触发器的输入信号表达式；
（2）将上述表达式代入各触发器的状态方程，得到表示该计数器工作状态的状态方程：
（3）由状态方程得到计数器的状态转换表；
（4）判断计数器功能。
例如，在图Z1510所示的同步十进制加法计数器中：

将这些关系代入各JK触发器的特性方程，则得计数器的状态方程为：

设计数器初始状态为0000，第1个计数脉冲来到后，

即计数器的状态为0001。可以算得，第2个计数脉冲来到后，其状态为0010。以下类推，可以得到如表Z1503所示的状态表。但需注意,在第9个脉冲来到后，亦即计数器处于1001态时， [image] 的低电平封住了F 2的置1端，Ｑ 1的高电平又使K 4＝1，故第十个计数脉冲来到后，F 2、F 3状态不变，F 1、F 4同时置0，计数器跳过多余的6个状态，完成一次十进制计数循环。结合计数脉冲的触发方式，可以断定该计数器是同步十进制加法计数器。
                                    表Z1503 同步十进制加法计数器状态表

N | Ｑ 4Ｑ 3 Ｑ 2 Ｑ 1 | 十进制数
0 | 0 0 0 0 | 0
1 | 0 0 0 1 | 1
2 | 0 0 1 0 | 2
3 | 0 0 1 1 | 3
4 | 0 1 0 0 | 4
5 | 0 1 0 1 | 5
6 | 0 1 1 0 | 6
7 | 0 1 1 1 | 7
8 | 1 0 0 0 | 8
9 | 1 0 0 1 | 9
10 | 1 0 1 0 | ×
11 | 1 0 1 1 | ×
12 | 1 1 0 0 | ×
13 | 1 1 0 1 | ×
14 | 1 1 1 0 | ×
15 | 1 1 1 1 | ×


数码寄存器

数码寄存器可由RS、D和JK触发器组成。图Z1501是一个由D触发器组成的四位数码寄存器的逻辑图。
若数码A 4、A 3、A 2、A 1已被送到相应触发器的D端，当寄存指令（正脉冲）来到后，数码送入触发器。四个触发器输出端Ｑ 4、Ｑ 3、Ｑ 2、Ｑ 1的电平分别等于输入端Ｄ 4、Ｄ 3、Ｄ 2、Ｄ 1的电平，这时数码A 4A 3 A 2 A 1就被寄存起来。只要没有新的寄存指令，触发器的状态就不会改变，换言之，数码A 4A 3 A 2 A 1在寄存器中一直保持到下一个寄存指令到达时为止。
显然，图Z1501所示的寄存器采用了并行输入--并行输出的方式。


双稳态触发器

图Z1628为分立元件构成的集--基耦合双稳态电路。它由两个倒相放大器首尾相接而成。

为了分析简便，假定电路原来处于T１饱和，T2截止的状态，当在u i1端加一负触发脉冲后，u b１下降，并引起下列正反馈循环过程：
u b１↓→i b1↓→i c1↓→u c1↑→u b2↑→i b2↑→i c2↑→u c2↓→┐
↑----------------------┘
使T１迅速截止，T２迅速饱和，触发器进入新的稳定状态。如不加触发信号，它将保持这个状态不变。此时，若在u i2端加有负脉冲触发信号,那么，就会引起u b2下降，发生同于上述的正反馈过程，使得T１饱和，T2截止，触发器还原到初始的稳定状态。轮流改变u i1、u i2端的触发脉冲，触发器的工作状态也就交替变化。它的输出电压u c1，和u c2与触发脉冲间的关系如图Z1629所示。
双稳态触发电路实际上也是RS触发器，其u i1端相当于R端，u i2端相当于S端。因此，用门电路组成的双稳触发电路就不再详细叙述了。


同步RS触发器
一、电路组成和符号
基本RS触发器的特点是输出状态直接受控制端信号的控制。只要控制端加有置0或置1信号，输出状态就随之变化。而实际中住往要求触发器的状态不仅仅受 [image] 、 [image] 端信号的控制，还要求按一定的时间节拍把 [image] 、 [image] 端的状态反映到输出端。这就要再增加一个输入控制端，只有这个控制端有控制信号时，触发器才能动作。至于触发器转换到什么状态，仍由输入端R和S的信号决定。采用这种触发方式的触发器称为同步RS触发器，如图Z1403所示。图中与非门G 1、G 2组成基本RS触发器，与非门G 3、G 4构成控制电路。作用在控制端的信号CP是一个标准脉冲信号，称为时钟脉冲，所谓同步触发器就是触发器状态的改变与时钟脉冲同步。
二、工作原理
当CP＝0，无论R和S是什么信号，G 3和G 4门的输出均为1，处于被封锁状态，由G 1、G 2门构成的基本RS触发器因输入信号全为1而保持原状态不变。
当CP＝１时，G 3、G 4门被打开，输入信号反映到G 3、G 4门的输出端并去触发基本RS触发器，使其状态作相应的变化。由于 [image] ， [image] ，如果R＝0、S＝1，则Q 3＝0；Q 4＝1,将使触发器置于1状态；反之，若R＝1，S＝0，则Q 3＝1，Q 4＝0将使触发器置于0状态；如果R＝S＝0,触发器保持原来的状态不变；如果R＝S＝1，则Q 3＝0,Q 4=0，触发器的Q与 [image] 端同为1状态，是不允许使用的不定状态。上述情况如表Z1402所示。其中Qn表示触发器在时钟脉冲作用前的状态，称原态或现态， [image] 表示触发器在同步脉冲作用后的状态，称次态或新态。
                                表 Z1402 同步RS触发器特性表

Sn | Rn |  |  | 说 明
0 0 | 0 0 | 0 1 | 0 1 | 不 变
0 0 | 1 1 | 0 1 | 0 0 | 输出与S 状态相同
1 1 | 0 0 | 0 1 | 1 1 | 输出与S 状态相同
1 1 | 1 1 | 0 1 | × × | 不 定
根据表Z1402可画出卡诺图如图Z1405所示， [image] 由图可得出同步RS触发器的特性方程
＝Sn+
SnRn＝0（约束条件） GS1403
由表Z1402亦可画出Q 3、Q 4、Q和 [image] 波形如图Z1404所示。最后尚须指出，同步RS触发器除了存在状态不确定的缺点外，还存在空翻现象的缺点。所谓空翻就是指在较宽的时钟脉冲作用时，由于R、S的状态再次发生变化而引起触发器状态重新翻转的现象。显然，空翻现象会造成逻辑上的混乱，使电路无法正常工作。


同步计数器

实用中，常对异步计数器进行改进，使所有触发器的时钟脉冲都是输入计数脉冲从而构成同步计数器， [image] 借以提高运算速度。如仍采用由JK触发器改换成的T触发器，根据表Z1501，对于每一个CP，F1都要翻转，因而J1＝K1＝１，而F2是在Q1＝１后，再来一个计数脉冲才发生翻转，所以J2＝K2＝Q1，F3是在Q1、Q2均为1以后再来一个计数脉冲后才发生翻转的，所以J 3＝K3＝Q1Q2。这样就得到图Z1509所示的三位同步二进制加法计数器。
依照上述思路，也可组成同步二进制减法计数器和可逆计数器。


维持阴塞Ｄ触发器

一、电路组成和符号
维持阻塞D触发器的基本电路和逻辑符号如图Z1408所示，它由六个与非门组成，其中A、B门组成基本RS触发器，C、D、E、F门构成导引电路，D为信号输入端， CP为时钟脉冲控制端。（设C、D、E、F门的输出分别为Z 1、Z 2、Z 3、Z 4。）
二、工作原理
1．当 CP＝0时,C、D门被封锁，其输出Z 1＝Z 2＝1，与D端的输入信号无关，因此由A、B门所组成的基本RS触发器保持原状态。
2．当 CP＝1，即上升沿到来时，若D＝1，则D门封锁，C门打开。这是因为
Z4＝ [image] ＝ [image] ＝0
Z2＝ [image] ＝ [image] ＝1
Z3＝ [image] ＝0·0＝１
Z1＝ [image] F＝1·1＝0
这时Z1＝0有三路去向：一是送到A门使触发器置1；二是送到D门将D门封锁，阻止Z2变成低电平，即阻塞产生置0信号。三是送到E门，以保证E门的输出Z3＝1，从而在 CP＝1其间维持Z1＝0，即维持置1信号。因此，将C门输出端至E门输入端连线称为维持置1线，至D门的连线称为阻塞置0线。显然Z1＝0送至D门、E门的输入端，产生维持阻塞作用之后，D信号无论怎样变化，对触发器的1状态不会有影响。
若D＝0，则C门封锁，D门打开， CP只能进入D门，故有
Z2＝ [image] CP＝ [image] ＝0
这时Z2＝0有两路去向：一是送到B门使触发器置0,二是送到F门的输入端去封锁F门，保证Z4＝１,从而维持及Z2＝0，即维持置0信号,且Z 4=1又会使Z3继续为低电平。阻止Z1＝0, 即阻塞产生置1信号。可见D门的输出端至F门输入端的连线既起维持置0线的作用，又起阻塞置1线的作用。显然，一旦Z2＝0的信号送至F门，D信号就被拒之门外， [image] 无论D端信号如何改变都不会影响触发器的状态。
由上述讨论可知，在 CP上升沿到来时，如果D=1，则触发器置1；反之，如果D=0，则触发器就置0，故D触发器的特征方程为：
＝Dn（CP上升沿到来后有效） GS1407
由于触发器只接受 CP上升沿到来时D端的信号，而且一经翻转后，在内部形成的维持阻塞作用下，不再受D 端输入信号的影响。因此维持阻塞结构的触发器，也和主从结构的触发器一样，不存在空翻现象。D触发器的波形图如图Z1409所示。
三、异步输入端 [image] 、 [image] 的作用
为了进一步扩展D触发器的逻辑功能，通常除具有控制端D外，还具有异步置1端 [image] 和异步置0端 ，如图Z1408所示。其用途、使用方法和符号均与JK触发器的 [image] ， [image] 相同。


限幅电路

限幅电路的作用是把输出信号幅度限定在一定的范围内，亦即当输入电压超过或低于某一参考值后，输出电压将被限制在某一电平（称作限幅电平），且再不随输入电压变化。
1．二极管限幅器
图Z1606所示的限幅电路中，因二极管是串在输入、输出之间，故称它为串联限幅电路。图中，若二极管具有理想的开关特性，那么，当u ｉ低于E时，D不导通，u O＝E；当u ｉ高于E以后，D导通，u O＝u ｉ。该限幅器的限幅特性如图Z1607所示，当输入振幅大于E的正弦波时，输出电压波形见图Z1608。可见，该电路将输出信号的下限电平限定在某一固定值E上，所以称这种限幅器为下限幅器。如将图中二极管极性对调，则得到将输出信号上限电平限定在某一数值上的上限幅器。

如将二极管和负载并联，则组成并联限幅器，见图Z1609。 图中，当u ｉ高于E时，D导通，u Os＝E；当u ｉ低于E时，D截止，u O＝u ｉ。它的限幅特性如图Z1610所示。显然，这是一个上限幅器。

将上、下限幅器组合在一起，就组成了如图Z1611所示的双向限幅电路，它的限幅特性如图Z1612所示。当输入一个振幅较大的正弦信号时，输出波形见图Z1613。

2．三极管限幅器
利用三极管的截止和饱和特性也可构成限幅电路（如图Z1614所示），这类电路还兼有放大作用。为了满足一些较高的技术要求，还可以用集成运放构成限幅电路。


移位寄存器

移位寄存器可由RS、D和JK触发器组成（必须是无空翻的时钟触发器）。图Z1502就是由四个D触发器构成的既可串行输入也可并行输入，既可串行输出也可并行输出的四位左移寄存器。图中D触发器的R ｄ端作为清零端，S ｄ端作为并行输入端，D 4端作为串行输入端，Ｑ 4、Ｑ 3、Ｑ 2、Ｑ 1为存入的数据，Ｑ 4又作串行输出端。
1．输入方式
（1）并行输入
并行输入前，首先由清零脉冲作用在R ｄ上，使各触发器清零即：Ｑ 4Ｑ 3 Ｑ 2 Ｑ 1＝0000。设并行输入信号X 4 X 3 X 2 X 1＝1011，在并行输入命令（写命令）的作用下，图下方的四个与门X 4～X 1被打开，数据被送到S ｄ端，使Ｑ 4Ｑ 3 Ｑ 2 Ｑ 1＝1011，完成数据的并行输入。
（2）串行输入
串行输入一般无需清零，为叙述方便，令开始时Ｑ 4Ｑ 3 Ｑ 2 Ｑ 1＝0000。仍设输入信号为1011，其波形如图Z1503所示，高位在前，低位在后。
第一个CP上升沿到来后，数据的高位"1"被送到Ｑ 1；第二个CP上升沿到来后，Ｑ 1的"1"被送入Ｑ 2，同时次高位"0"送到Q1。每来一个CP，数据依次向寄存器存入一位，同时，寄存器内的数据也左移一位。4个CP之后，数据输送完毕，Ｑ 4Ｑ 3 Ｑ 2 Ｑ 1＝1011，完成数据的串行输入。
2. 移位方向
图Z1502所示的寄存器可以使数据单向左移。由图可知，每当一个CP到来后，Ｑ 3、Ｑ 2、Ｑ 1的数码分别送至Ｑ 4、Ｑ 3、Ｑ 2，亦即低位数码依次向高位移动一位，实现左移功能。
3. 输出方式
（1）并行输出
数据存入寄存器后，在读命令的作用下，图中上方的4个门电路Y 4～Y 1被打开，此时，Y 4 Y 3 Y 2 Y 1=Ｑ 4Ｑ 3 Ｑ 2 Ｑ 1。寄存器内数据被同时读出。
（2）串行输出
Ｑ 4为串行输出端，数据存入寄存器后，Ｑ 4是最高位数码。第一个CP来到后，整个数据左移一位,次高位数码送至Ｑ 4,最高位数码被取出。依此类推，整个数据依次逐个在Ｑ 4串行输出。上述移位寄存器仅具有左移功能，此外还有右移寄存器和既能左移又能右移的双向寄存器。


译码器

将代码表示的原意"翻译"出来的过程叫译码，实现译码功能的电路称为 [image] 译码器。
二──十进制译码器用途较广，其作用是把二进制代码译成十进制数字。实用中，常需直接显示出十进制数字。为此：可采用发光二极管（LED）、液晶（LCD）显示器以及荧光数码管等器件。由LED构成的数码管示意图如图Z1303(a)。可见，这种数码管共有七段笔划，每一段为一发光二极管，分别用a～g的7个字母表示。七段LED显示的0～9这十个数字的字型，如图 [image] Z1303(b)所示。七段LED又有共阴连接和共阳连接二种方式，如图Z1303(c)所示，图中的a～g为段信号输入端，以保证能按要求使相应的LED发光。图中的D为位信号输入端， 借以确定该位的数码管是否能发光。例如，在共阴接法中，当D接高电位时，数码管不会发光；在D接低电位时，数码管才可能发光。BCD─七段LED(共阴)译码器的真值表如表Z1302所示，这里，某段输入信号为"1"时，该段LED发光，且伪输入当任意项处理。
由上表并经化简，可得a～g段的最简式为：

根据以上逻辑表达式，可画出BCD─七段LED（共阴）译码驱动电路如图Z1304所示。图中，与发光二极管串联的电阻是限流电阻，改变该电阻可改变LED的发光强度。


异步二进制减法计数器
当把图Z1504中的CP端改接到 端，就构成了如图Z1506所示的3位异步二进制减法计数器。
令计数器初始状态为000。第一个计数脉冲来到后，F 1处于1状态，同时， 输出一个负跳变信号，使得F 2也由0态变为1态，同理，F 3也处于1态。第二个脉冲来到后，F 1由1态变为0态， 由0态变为1，但由于是下降沿触发，所以F 2仍为"1"态。当然F 3的状态也不会变。第三个脉冲来到后，F 1由0变为1， [image] 由1态变为0，致使F 2由1变为0，显然，F 3的状态不变。与图Z1504的工作原理类似，低位触发器状态变化两次，高位触发器状态变化一次。这种触发器的时序图和状态表，分别如图Z1507和表Z1502所示。

    Z1502 三位异步二进制减法计数器状态表
N | Ｑ 3 Ｑ 2 Ｑ 1 | 十进制数
0 | 0 0 0 | 0
1 | 1 1 1 | 7
2 | 1 1 0 | 6
3 | 1 0 1 | 5
4 | 1 0 0 | 4
5 | 0 1 1 | 3
6 | 0 1 0 | 2
7 | 0 0 1 | 1
8 | 0 0 0 | 0


异步二进制加法计数器

计 数 器
计数器是一种常用的数字部件，是触发器的重要应用之一。顾名思义，计数器就是能够累计输入脉冲数目的数字电路。它是一种记忆系统，除用作计数外，还可用作分频、定时等。计数器按脉冲的作用方式可分为异步计数器和同步计数器； [image] 按计数过程中数字的增减可分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器；按计数体制的不同，又可分为二进制计数器，十进制计数器和其他进制计数器。图Z1504为三位异步二进制计数器的逻辑电路。它由三个接成 触发器的JK触发器组成，因此，每当有一个CP信号，触发器的状态就要翻转一次，而且，状态的翻转是发生在触发脉冲的下降沿。计数前， 上加一置0的负脉冲，使得Ｑ 3 Ｑ 2 Ｑ 1＝000。第一个计数脉冲来到后，F 1由0态变为１态，F 2和F 3的状态不变；第二个计数脉冲来到后，F 1由１态变为0态，在它的Ｑ端上产生一个负跳变的脉冲，致使F 2由0态变为１态。可见，F 1翻转两次，F 2才翻转一次。同理，F 2翻转二次，F 3翻转一次。当第7个脉冲来到后，Ｑ 3 Ｑ 2 Ｑ 1＝111；第8个脉冲来到后，Ｑ 3 Ｑ 2 Ｑ 1＝000，且Ｑ 3向更高位输出一个负跳变的进位脉冲，此后，计数又进入新的计数周期。这种计数器的时序图和状态转换，分别如图Z1505和表Z1501所示。　　　　　　　表Z1501
N | Ｑ 1 Ｑ 2Ｑ 3 | 十进制数
0 | 0 0 0 | 0
1 | 0 0 1 | 1
2 | 0 1 0 | 2
3 | 0 1 1 | 3
4 | 1 0 0 | 4
5 | 1 0 1 | 5
6 | 1 1 0 | 6
7 | 1 1 1 | 7


由逻辑表达式求真值表
按照逻辑表达式，对变量各种可能取值进行运算，求出对应的函数值，再把变量和函数值一一对应列成表格，即得到真值表。
例1119 已知Y＝AB＋ [image] [image] ，列出其真值表函数有两个变量A、B，取值有2*2＝4个组合，即：
A＝0，B＝0；A＝0，B＝1；A＝1，B＝0； A=1，B=1。
按逻辑表达式运算，分别得Y＝1；Y＝0；Y＝0；Y＝1。把它们对应排列起来，即得到如表Z1111所示的真值表。
表 Z1111
A B | Y
0 0 | 1
0 1 | 0
1 0 | 0
1 1 | 1

表 Z1112
A B | Y
0 0 | 0
0 1 | 1
1 0 | 1
1 1 | 0

表 Z1113
A B | Y1 | Y2
0 0 | 1 | 1
0 1 | 1 | 1
1 0 | 1 | 1
1 1 | 0 | 0

表 Z1114
A B | Y1 | Y2
0 0 | 0 | 0
0 1 | 0 | 0
1 0 | 1 | 1
1 1 | 1 | 1


由真值表写逻辑表达式

将真值表中函数值等于1的变量组合选出来；对于每一个组合，凡取值为1的变量写成原变量，取值为0的变量写成反变量，各变量相乘后得到一个乘积项；最后，把各个组合对应的乘积项相加，就得到了相应的逻辑表达式。
例1120 试根据表Z1112，写出相应的逻辑表达式。
从表中看到，当A＝0、B＝1时，Y＝1；当A＝1、B＝0时Y＝1。因此可写出相应的逻辑表达式为：
Y＝ [image] B＋A
真值表还可用来证明一些定理。
例1121 试用真值表证明摩根定理 [image] = [image] +
证：设上式左边 ＝Y1，右边＝Y2，分别列出相应的真值表如表Z1113所示：
比较Y１和Y２，证得 [image] = [image] + [image] 。
例1122 试用真值表证明A＋AB=A。
证：令A＋AB＝Y1，A=Y2，列出真值表如Z1114所示。
比较Y1和Y2，证得A＋AB=A。


主从触发器

一、主从RS触发器
1．电路组成和符号
主从RS触发器电路和逻辑符号如图Z1406所示。其中A、B、C、D门组成的同步RS触发器，称为从触发器；E、F、G、H门组成另一个同步RS触发器，称为主触发器。时钟脉冲CP直接控制主触发器，并通过I门倒相，以 控制从触发器。
2．工作原理
（1）当CP＝１即时钟脉冲到来时，G、H门打开，接收R、S端的信号，使主触发器发生动作，由于 [image] ＝0，C、D门被封锁，使从触发器亦即整个触发器保持原状态不变。
（2）当CP＝0即时钟脉冲回到低电平时，G、H门被封锁，主触发器不动作，其状态保持不变；由于 [image] ＝1，C、D门打开，接收主触发器原状态信号，使从触发器发生动作，从而导致整个触发器处于某一确定状态。
显然，由与非门构成的主从RS触发器的特性方程和由与非门构成的同步RS触发器相同，
即：

由此可见，主从RS触发器状态的翻转发生在CP脉冲的下降沿，即CP由１跳变到0的时刻。在CP＝１期间触发器的状态保持不变。因此，来一个时钟脉冲，触发器状态至多改变一次，从而解决了同步RS触发器的空翻问题。
二、主从JK触发器
1．电路组成和符号
基本RS触发器，同步RS触发器及主从RS触发器都有约束条件RS＝0的限制，即不允许R＝S＝１出现，否则触发器的状态不确定。图Z1407所示的主从JK触发器却不需要约束条件。图中J、K为信号输入端，CP为时钟脉冲。在符号图中CP一端标有小圆圈，表示脉冲下降沿有效。它与主从RS触发器不同之处在于：把S改为J，R改为K；同时又把Q引回到H门的输入端，把Q引回到G门的输入端。这样就可以避免在输入端出现全是1的不确定情况，从而解决了约束的问题。
2．工作原理
工作原理和主从RS触发器基本相似。由图可见。G、H门的输入信号，除CP之外还有J和K控制信号以及反馈回来的输出信号，即G门的输入为J、 [image] 、CP，H门的输入为K [image] 、CP。与主从RS触发器电路比较可得：

若将式（9.5. 5）代入式（9．5. 4）便可得出主从JK触发器的特性方程：

显然，当J＝K＝１时， [image] ，可见JK触发器的Ｊ、Ｋ之间不会有约束。
3．异步输入端正 [image] 、 [image] 的作用
为了进一步扩展JK触发器的逻辑功能，JK触发器除具有控制输入端J和K外，还具有异步置１端和 [image] 异步置0端 [image] ，如图Z1407（a）中虚线所示。不难分析，当 [image] 端加上负脉冲并保持 [image] 端为高电平时,则触发器直接置0；同理当 [image] ＝0, [image] ＝１时,则触发器直接置1。异步输入端常被用来使触发器预置所需要的状态。在预置完成之后, [image], [image] 应同时保持高电平，以便触发器按JK方式工作。在图Z1407（ｂ）中， [image], [image] 端标有小圆圈。表示低电平有效。


组合逻辑电路

任意时刻的输出信号仅决定于该时刻的输入信号,而与电路原始状态无关的数字电路称为组合逻辑电路，简称组合电路。
组合电路的分析方法一般是，根据给定的逻辑电路，逐级写出信号的逻辑表达式或真值表，进而分析电路的逻辑功能。
组合电路的设计，一般可依下列步骤进行：
1. 根据命题要求列出真值表；
2. 根据真值表列出逻辑表达式，
3. 化简逻辑表达式：
4. 根据化简的逻辑表达式，画出逻辑电路图。
常用的组合逻辑电路有编码器、译码器、加法器（包括半加器和全加器）以及多路选择器和分配器等。


三极管

[1] [2] [3] [下一节]


三极管

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接口部件

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