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核电子技术原理 课后习题参考答案 兰州大学 核科学与技术学院 2015 年 3 月 目录 第 1 章 核电子学系统中的信号与噪声 1 第 2 章 前置放大器 9 第 3 章 放大器 12 第 4 章 脉冲幅度分析 18 第 5 章 时间分析 22 第 6 章 数据获取与处理 24 电子线路知识要点归纳 27 常用 Laplace 变换表 37 电路定理 38 测试题 41 1 第 1 章 核电子学系统中的信号与噪声 1 1 核电子学与一般电子学的不同在哪里 以核探测器输出信号的特点来说明 答 答 在 核 辐 射 测 量 中 最 基 本 的 特 点 是 它 的 统 计 特 性 非 周 期 性 非 等 值 性 核 电 子 学 分 析 这 种 信 号 经 处 理 得 到 有 用 的 信 息 1 4 当探测器输出等效电流源 0 t o i tI e 时 求此电流脉冲在探测器输出回 路上的输出波形并讨论 R0C0 的情况 解 方法一 解 方法一 V0 s I0 s R0 1 sc I0 1 s 1 R0 1 sc0 R0 1 sc0 I0 c0 1 s 1 s 1 R0c0 则有 00 00 0 00 1 t t R C I R V tee R C 00 00 00 t t R C I R ee R C 当 R0c0 时 R0c0 00 000 t t R C V tI Ree 方法二 微分方程方法 方法二 微分方程方法 ti R tV dt tdV C o o oo o ti R tV dt tdV o o oo 2 结合初始条件 00 o V tt 方程的解 0000 00 00 00 00 00 00 00 Px dxPx dx tt R CR C 0 0 tt t R C R C 0 0 t 11 t t R C R C 0 0 00 0 11 t t R C R C 0 0 00 t t R C 0 0 00 yQ x edxC e it edte C I e dte C Ie e 11 C R C Ie1 e 11 C R C Iee 11 C R C 00 t t R C 000 000 IR C ee CR C 方法三 拉普拉斯变换方法 方法三 拉普拉斯变换方法 0 00 0 0 000 11 11 aa R sCC V sIsIs Rs sCR C 3 000 t IsL i tL I e 查表得到 00 1 1 IsI s 0 00 0 0 000 0 0 00 11 1 111 11 11 aa R sCC V sIsI Rss sCR C I C ss R C 当 00 R C 时 查表得到 0000 0000 0 0 0000 00 1 11 tt tt R CR C IIR C V teeee CCR C R C 另外一种求逆变换方法 数学基础要求较高 另外一种求逆变换方法 数学基础要求较高 0 00 0 0 000 11 11 aa R sCC V sIsIs Rs sCR C 求解Vo t t i I tI e 0 t R C h tet C 00 0 1 1 4 t R C ai t t R C t t R C t t R C R Ct t R CR C t R C R C t R C R C VtIth tIeetd C I eed C I ed C I ed C I eed C e I e C 00 00 00 00 00 0000 00 00 00 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 1 1 R C R Ctt R CR C t t R C IR C ee CR C IR C ee CR C 00 00 0000 00 000 000 000 000 1 2 当 00 R C 时 00 R C 00 000 t t R C V tI Ree 1 5 如图 设 0 T i t 0tT tT 求输出电压 V t 5 解 解 111 Ts Ts QQe I se TssTs 11 1 H s c s 111 11 Ts Ts QeQQ V se cTscTcT ss t T t QQQ V ts ts tees t cTcTcT 1 6 表示系统的噪声性能有哪几种方法 各有什么意义 输入端的噪声电压是 否就是等效噪声电压 为什么 答 答 ENV ENC ENN ENE 信噪比 NE FWHM 不是 1 7 设探测器反向漏电流 ID 10 8A 后级电路频宽为 1MHz 计算散粒噪声相应的 方根值和相对于 ID的比值 解 解 211 25 66 10AD D diIe df 2 3 5 66 10 D D di I 1 8 试计算常温下 设 T 300K 5M 电阻上相应的均方根噪声电压值 同样设 频宽为 1MHz 并与 1MHz 能量在 20pF 电容上的输出幅值作比较 22 225 4 2 88 10 V kT dvdiRdf R R 6 2 1 2 ECV 2 0 126VVE C 1 9 求单个矩形脉冲 f t 通过低通滤波器 RC T RC 5T 及 RC T 5 时的 波形及频谱 解 解 2 0 2 0 1 1 t TRC T RCt TRC V te ee 2 2 2 2 t T Tt T t T 1 10 电路中 若输入电压信号 Vi t t 求输出电压信号 V0 t 并画出 波形图 其中 A 1 为隔离用 解 解 2 1 1 11 1 o Rs sc V s RC RR s scsc sc U t 7 且 2 1 t s t e s 故0 1 1 t RC t V te RCRC 1 12 设一系统的噪声功率谱密度为 2222 i Sabc 当此噪声通 过下图电路后 求 A 点与 B 点的噪声功率谱密度与噪声均方值 解 解 对 A 点 1 1 j RC h j RC 1 2 1 RC h RC 2222222 2 1 22 1 Ai abc SSh 噪声均方值 2 2 11 1 2 i VohSd 2222222 22 1 21 abc d 对 B 点 2222222 22 1 i abc S 2 2 1 1 h RC 8 2222222 2 2 22 2 1 1 1 Bi abc SSh 2222222 2 22 1 abc 噪声均方值 2 2 22 1 2 i VohSd 2222222 2 22 1 2 1 abc d 9 第 2 章 前置放大器 2 1 电荷灵敏前置放大器比电压灵敏前置放大器有什么优点 为什么把反馈电 容称为积分电容 作用是什么 答 答 优点 VOM稳定性高 能用高能量分辨能谱系统 Cf起积分作用 当 A 很大时 1 i fifi CCA CC 2 2 试对下图典型的电荷灵敏前置放大器电路在输入冲击电流 I t Q t 时 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date 12 Jun 2002Sheet of File C My Documents 核 电 子 学 试 卷 ddbDrawn By Rf Cf A1 V o t V o t i t 1 求 Vo t 的一般表达式 2 当 Cf 1pF Rf 109 时 画出大致波形并与 Rf 时作比较 解 解 1 依题意 11 1 Of ff ff Q VsQ R sCC s R C ff t R C O f Q Vte C 2 由题意可知 RfCf 109 10 12 10 3 S 如右图所示 V t Q Cf t 10 3 10 2 4 一个低噪声场效应管放大器 输入等效电容 Ci 10pF 输入电阻 Ri 1M 栅极电流 IG 0 1 A 跨导 gm 1mA V Cgs Cc 放大器频带 f 10MHz T 290K 1 f 噪声可忽略 求输入端等效噪声 解 解 输入电阻热噪声 2 4 Ri kT didf Ri Ig 噪声 2 2 g Ig dieI df 沟道热噪声 2 8 3 T m kT dVdf g 2 2222 ig nRiIiT dididiCdV 248 2 3 gi m kTkT dfeI dfCdf Rig 2 6 分析快电荷灵敏前置放大器 1 画出简化框图 2 分别计算电荷和能量变换增益 3 6ev 电子空穴对 e 1 6 10 19库仑 3 估算电路的开环增益 gm 5mA V A3 0 98 4 估算该前放的上升时间 Ca 5pF Ci 5pF 解 解 1 2 ACQ 1 Cf 1 1012V C ACE e Cf 44 4 mv Mev 3 A0 gmR6 1 A3 750 4 tr0 2 2RaCa 1 A0F0 2 2Ca Ci Cf gmCf 13 2 ns 11 2 7 讨论电荷灵敏 电压灵敏 电流灵敏三种前置放大器的特性 各适于哪方面 的应用 为什么 答 答 电流灵敏前放输出快 对输出电流信号直接放大 常用作快放大器 但相对 噪声较大 主要适用于时间测量系统 电荷灵敏前放和电压灵敏前放用于能谱测 量系统 电荷灵敏前放比电压灵敏前放输出电压稳定性高 可用在能量分辨率较 高的系统 12 第 3 章 放大器 3 13 1 试论述放大器在核物理实验中的作用 对各个性能指标应如何协调考虑 答 答 放大器在核物理实验中主要有放大和成形作用 且必须保持探测器输出的 有用信息 对各个性能指标应从能量测量和时间测量分别考虑 3 23 2 谱仪放大器的幅度过载特性含义是什么 计数率过载含义是什么 二者引 起的后果有何区别 答 答 幅度过载 信号超出线性范围很大时 放大器一段时间不能正常工作 后果 不能工作的死时间存在 计数率 放大器中由于计数率过高引起脉冲幅度分布畸变 后果 峰偏移和展宽 3 33 3 试说明能否通过反馈来减少干扰和噪声对放大器的影响 用什么方法可以 减少干扰和噪声对放大器的影响 答 答 不能 用同向接法 用双芯同轴电缆把信号送到差分放大器 3 63 6 有源积分滤波器与无源积分滤波器相比有什么优点 门控积分滤波器有什 么特点 答 答 优点 有源滤波器更接近于理想的微分和积分特性 把放大和滤波成形连在 一起 既节省元件 又比无源滤波器级数少 效果好 3 73 7 试说明核信号通过图示的滤波成型电路后得到什么 失去什么 画出图形 答 得到能量信息 失去了时间信息 极零相消 两次无源积分 加两次有源积分 门控有源积分器输出平顶波波形 对减少弹道亏损很有利 信噪比相对较好 13 3 43 4 试分析和讨论下面两个谱仪放大节电路 指出在电路中采取了什么措施 目 的是什么 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date 11 Jun 2002Sheet of File C My Documents 核 电 子 学 试 卷 ddbDrawn By Q1 Q2 Q3 Q4 2K 51030u 20K 0 01u 5 1K1 5K 24 18V Vi t 24 6 2k 3 6k 24 50 9 1k 30u0 01u 10u Vo t 18V 0 01u30u 解 解 a T1 共射极放大 T3 T4 两级共集电极放大 恒流源作负载 10 自举电容 电压并联负反馈 14 b b T1 共基 T2 共射 T3 共集 T4 T5 互补复合跟随器 1 自举电容 电压并联负反馈 3 53 5 极零相消电路和微分电路有什么区别 如何协调图示的参数 使它能达到极 零相消的目的 解 解 不同之处 极零相消使时间常数变小 指数衰减信号通过微分电路产生下冲 1 1 i V s s 2 2 12 12 1 1 1 1 R s sc H s ss RR sc 15 故 22 12 12 22 1 111 111 1 O s s Vs ss sss 极 零 相消 即 1 s 与 2 1 s 相消 所以当 2时满足 即 R2C 3 83 8 说明弹道亏损的原因 答 答 输入电流的脉冲宽度有限时 在信号的宽度内 电容 C 被充电 且通过 R 放电 故产生弹道亏损 3 93 9 什么是信号的峰堆积和尾堆积 对输出信号的幅度产生什么影响 引起什 么样的谱形畸变 答 答 其它信号尾部或峰部影响信号峰值 影响 增加幅度 引起峰值右移 出现 假峰 3 103 10 说明基线起伏的原因 并分析 CCD 基线恢复器的工作原理 输入图示波形 画出输出波形 16 解 解 脉冲通过 CR 网络时 由于电容器上的电荷在放电时间内 未能把充电的电 荷放光 下一个脉冲到达时 电容器上的剩余电荷将引起这个新出现的脉冲的基 线偏移 输出波形趋势线 3 113 11 门控基线恢复器有什么特点 并联型的和串联型的有什么区别 答 答 门控基线恢复器消除了单极性脉冲信号产生的下击信号 改善了恢复器对小 间隔信号的非线性 因此有很高的计数率特性 不同 记忆电容 C 串联或并联于信号通道之中 3 123 12 高能量分辨率和高计数率谱仪放大器是如何来消除峰堆积现象的 加入堆 积拒绝电路是否可以使谱仪放大器的计数率提高很多 为什么 答 答 加入堆积拒绝电路来消除 不能使计数率提高很多 但能保证谱型更加明显 是以牺牲计数率为代价的 3 133 13 快电压放大器和快电流放大器各有什么特点 他们和谱仪放大器相比有什 么不同 答 答 快电压放大器放大速度比快电流放大器要慢一些 但从稳定性来讲要好一些 信号匹配方式为并联 快电流放大器的分布电容的影响较小 放大速度可以很快 信号匹配为串联 快放大器与谱仪放大器并无原则差别 只是在指标上有所不同 3 143 14 试分析图示的快放大节电路特点 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date 12 Jun 2002Sheet of File C My Documents 核电子学试卷 ddbDrawn By T1 T2 T3 50 1K 47 C2 0 8 8 Vi 500 Ec C 510 C10 8 8 Ec Vo 17 解 解 T1 为共射极放大 有射极电阻 T2 T3 为共集电极射极跟随器 C 为自举电容 C1 相位补偿 3 153 15 使用电阻式弱电流放大器要注意些什么问题 答 答 缩短测量时间可以减小零点偏移引起的误差 但是测量时间的减小和灵敏度 的提高互相制约 当放大器与信号源用屏蔽电缆连接时 由于电缆电容较大 测 量时间就会变得很长 18 第 4 章 脉冲幅度分析 4 14 1 在图 4 1 3 的集成电路脉冲幅度甄别器中 若 VH 0V VL 2 6V R2 510 R3 5 1 R4 100 求滞后电压 解 解 42 342 42 HYHL RR VVVmV RRR 4 24 2 在图 4 2 8 参考电压运算器中 若 VT 5 00V VW 0 50V 求非对称和对称时 的上阈电平 下阈电平 道宽及道中心 解 解 1 非对称 1 2 75V 2 UTW VVV 1 2 5V 2 LT VV 道宽 1 0 25V 2 ULW VVV 道中心 1 2 625V 2 UL VV 2 对称 1 2 75V 2 UTW VVV 1 2 25V 2 LTW VVV 道宽0 5V ULW VVV 道中心 1 2 5V 2 UL VV 4 34 3 在一个线性放电型模数变换器中 若保持电容 CH 1500pF 恒定电流 I 100 A 时钟频率 2MHz 若输入信号幅度为 5 00V 1 求出该模数变换器的道数 m 道宽和变换系数 2 若时钟频率为 100MHz 其它参量不变 求道数 道宽和变换系数及输出 m 解 解 由题意 T0 1 F 1 00 150 H C Vt m TIT 0 33 3mV H IT H C 道 19 0 30V H C P IT 道 2 同理 代入 F 100mHZ 可得 m 7500 H 0 667mV 道 P 1500 道 V 4 74 7 下图是一个实际的模拟展宽器的原理电路图 试画出各点波形 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date 12 Jun 2002Sheet of File C My Documents 核电子学试卷 ddbDrawn By A1 A2 D CH T Vo t Vi t VF V1 t Vc t V1 t Vc t 解 解 20 4 104 10 脉冲幅度甄别器的功能是什么 答 答 脉冲幅度甄别器是将输入模拟脉冲转换成数字逻辑脉冲输出的一种装置 理想的脉冲幅度甄别器具有以下功能 当一个输入脉冲的幅度超过一定的阈电平时 则输出一个数字脉冲 而与输入脉 冲的幅度 上升时间 宽度等参数无关 若输入脉冲的幅度低于给定的阈电平则 无输入脉冲 4 114 11 简述用集成电路比较器构成的脉冲幅度甄别器的工作原理 答 答 集成电路脉冲幅度甄别器由电压比较器接成交流耦合施密特电路而构成 脉 冲信号接到电压比较器的反向输入端 而同向端加上阈电平 VT 比较器的输出 信号经过电容反馈到同相端 为正反馈连接方式 平时 甄别器输出处于高电平 当输入信号的幅度超过与阈电平时 甄别器 触发 输出电压跳变 从高电平到低电平 幅度为两者之差 4 124 12 脉冲幅度甄别器的主要指标是什么 答 答 主要指标 输入灵敏度 稳定性 涨落或阈模糊区 输出脉冲的幅度 宽度 甄别阈范围 速度 响应和恢复的快慢 4 134 13 通常如何解决单道分析器中的定时误差问题 答 答 最直接的办法是 延迟下甄别器的输出脉冲 再拉宽上甄别器的输出脉冲 从而使得作为反符合信号的 Vu 可完全禁止下甄别器的 Vl 输出 4 144 14 试画出单道脉冲幅度分析器的一种结构方框图 说明原理 4 15 单道分析器的主要指标是什么 答 答 单道主要指标 动态范围 线性 21 八小时稳定性 温度系数 双脉冲分辨时间 最高计数率 输入脉冲要求 输出脉冲为正极性 4 164 16 单道分析器的主要用途有哪些 答 答 单道脉冲幅度分析器每测一个能谱需逐点改变阈值 费时费力 误差大 但 结构简单 价格便宜 可以选择感兴趣的幅度范围或选一定的能量范围信号作为校正信号 仍有广泛的 应用 4 184 18 什么是 ADC 的道宽 什么是 ADC 的变换系数 它们之间有什么关系 答 答 道宽 单位道数之间的电压幅度 变换系数 单位幅度可变换成的道数 二者成倒数关系 4 264 26 线性放电型 ADC 和逐次比较型 ADC 各有什么优缺点 答 答 线性放电型 电路简单 道宽一致性好 便于生产 但变换时间较大 而且 随着道数的增多 变换时间也会增加 逐次比较型 变换速度快 易于生产 功耗低 价格低 但道宽一致性较差 4 284 28 什么是 ADC 的零道阈或偏置 有何实际意义 答 答 偏置或零道阈是指模数变换器的零道所对应的输入信号幅度 引入偏置一方 面可以节省存储区 另一方面可以把感兴趣的幅度谱扩大到最大道数范围进行测 量 从而提高分辨率 4 294 29 ADC 的积分非线性和微分非线性是如何定义的 答 答 积分非线性 max max 100 pi A INL A 微分非线性 max 100 i hH DNL H 22 第 5 章 时间分析 5 15 1 前沿定时中 若输入信号前沿为线性变化 达峰时间 tM 2 0ns 最大幅度 VM 10V 阈值 VT 0 1V 求输入信号幅度从 0 1V 变到 10V 时的定时误差 解 解 1 1 2 T LM M V ttns V 2 2 0 02 T LM M V ttns V 1212LL ttt 21 12 12 1 98 MM T M MM VV tV tns V V 5 35 3 前沿定时中 设输入信号前沿线性增长 上升时间 1 0ns 阈值约 0 1V 输 入信号上升时间变化为 0 2ns 幅度从 0 1V 变到 10V 求前沿定时误差 解 解 maxmin minmax 1 20 8 0 11 192 0 110 MM T ii tt tVns VV 5 45 4 前沿定时中 设输入信号为 11 1 t v tVe 阈值为 VT 1 如果输入信号幅度从 V1min变到 V1max 而时间常数 不变 求前沿定时的定 时误差 2 如果输入信号幅度 V1不变 而时间常数从 min变到 max 求前沿定时的定 时误差 3 如果输入信号的幅度和时间常数同时如 1 2 中的变化 求前沿定 时的定时误差 解 解 1 1max1min 1 1max1min VV tV VV 2 maxmin 1 T V t V 3 maxmin 1min1max T tV VV 5 75 7 设起停型时幅变换器的充电电容 C 为 200pF 充电电流 I 10mA 求起始信号 和停止信号之间的时间间隔为 50ns 时 时幅变换器的输出幅度为多少伏 23 解 解 t 50ns Vo t I C t 5 V 5 95 9 一个起停型时幅变换器 恒定电流的最大值为 8mA 最小充电电容为 100pF 最小输出幅度为 0 1V 求这个时幅变换器能测量的最小时间间隔为多少 解 解 Vo t I C t min 1 25 C Vt tns I 5 115 11 由起停型时幅变换器和多道脉冲幅度分析器组成一个时间多道分析器 时 幅变换器中恒定电流 I 为 1mA 变换电容 C 为 100pF 多道脉冲幅度分析器道数 为 1000 道 最大分析范围为 10V 求这个时间多道分析器能测量的最小时间间 隔是多少 解 解 Vmin t 1000 10 0 1 V min 1 C Vt tns I 24 第 6 章 数据获取与处理 6 16 1 设有六级十进制计数单元构成定标器的计数电路 当输入信号计数率 n 10 5 s 时 第一级十进制单元的计数率损失 1 1 求 1 输入计数率 n 10 6 s 时的 1值 2 若第六级十进制计数单元最高计数率 f6max 10 5Hz 该机计数损失 6 为多少 解 解 1 1 h n 75 1 1010 1 maxmax 10 1 nf 6 0 1 6 26 2 线性率表如下图所示 在计数率 n 10 5 s 时 输出电压相对统计偏差 v Vo 为 10 C1 200pF R 50k C 0 02 F 若 n 减小为 10 2 s 要求保持输出电压值 和相对统计偏差不变 R 值也不变 求出 C1和 C 的数值 25 解 解 2 o v V RCn 1oi VnRCV 由于 v Vo保持不变 n 从 10 5 s 减小为 102 s C 0 02 F 100 20 F C1 0 2 F 6 36 3 试说明多道分析器三种基本数据获取方式的特点 画出 PHA MCS 方式简单的 工作流程图 答 答 1 PHA图 6 2 6 指定道址内容加 1 2 MCS图 6 2 13 按时间顺序测量各段时间间隔内的计数 依次把测量结果存入各个道的存储 单元内 如同多个定标器在各段时间内进行计数测量 3 LIST幅度 时间 波形记录 6 56 5 一个 8192 道分析器 每道最大计数容量为 10 6 用每片存储容量 4k 8 位存 储器芯片构成多道分析器的数据存储器 问至少需要多少片 它需要多少根地址 线 解 解 6 8192 10 250000 4 1024 8 片 6 28192 10 x 33 x 根 6 106 10 多参数谱数据获取方式与单参数谱数据获取方式上有何区别 如何实现多 参数谱数据获取 答 答 多参数谱获取方式需同时测量多个相关联事件中的多个参量的概率分布 获取方式主要有三种 事件记录方式 数字窗方式 联合存贮方式 6 116 11 分布式处理系统有何特点 答 答 分布式处理系统的主要特点是子系统中的处理机分担了主计算机所必须进行 的实时处理任务 这就使系统具有更高的工作效率 6 126 12 CAMAC 系统由哪些基本特征 它给出了哪些方面的标准规定 答 答 特征 1 它是用于实现信息与数字之间的相互转换 而不是用于进行脉冲信号的 放大 成形等信号处理 2 它具有简单的指令系统 26 3 它具有 双面向特征 的接口作用 4 它带有一个具有广泛功能的数据传输通道 机箱总线 标准规定 规定了插件之间以及插件和计算机之间的信息传送方式 包括对机箱总线 机箱控制器 机箱总线对功能插件的要求都有详尽的规范 6 136 13 什么是 NIM 数字数据总线标准 NIM GPIB 插件有什么特点 答 答 1964 年美国 NIM 委员会首次公布了 NIM 插件的技术规范 这是一个相当成 功的仪器模块化标准 它的最初目的是使功能插件阵列组装成核仪器系统的过程 变得容易一些 在 NIM 标准中 只规定了机械特征 电源电压 信号标准和一个 42 芯的后面板联接器 NIM GPIB 功能插件中原有 NIM 插件的功能依然保留 NIM GPIB 功能插件的 机械尺寸 电源 信号标准和 42 芯联接器都符合 NIM 标准 只有与现在技术规 范无抵触的一些特征才可以增加 6 146 14 在 GPIB 总线上信息交换采用 三线握手 技术 它有什么特点 答 答 它保证了讲者设备只有在全部听者设备已准备好接收数据时 才会向数据总 线发送有效数据 而且一直保留这组数据到所有听者设备全部收到数据时才予以 撤销 而听者方面 不论他们的速度相互有否差异 都将在全体准备完毕 并收 到 数据有效 信号后 才从数据总线上接收一组已经稳定的有效数据 这个通 讯过程是严格可靠和准确无误的 它允许在 GPIB 总线上 快 和 慢 设备能 够同步地操作 27 第 1 章 半导体器件的特性 1 杂质半导体与 PN 结 在本征半导体中掺入不同杂质就形成 N 型和 P 型半导体 半导体中有两种 载流子 自由电子和空穴 载流子因浓度而产生的运动成为扩散运动 因电位差 而产生的运动成为漂移运动 在同一种本征半导体基片上制作两种杂质半导体 在它们的交界面上 上述两种运动达到动态平衡 就形成了 PN 结 其基本特性 是单向导电性 2 半导体二极管 一个 PN 结引出电极后就构成了二极管 加上正向偏压时形成扩散电流 电 流与电压呈指数关系 加反向电压时 产生漂移电流 其数值很小 体现出单向 导电性 3 晶体管 晶体管具有电流放大作用 对发射极正向偏置集电极反向偏置时 从射区流 到基区的非平衡少子中仅有很少部分与基区的多子复合 形成基极电流 B I 而 大部分在集电结外电场作用下形成漂移电流 C I 体现出 B I对 C I 的控制 可将 C I 视为 B I控制的电流源 晶体管有放大 饱和 截止三个工作区域 4 场效应管 场效应管是电压控制器件 它通过栅 源电压的电场效应去控制漏极电流 因输入回路的PN结处于反向偏置或输入端处于绝缘状态因此输入电阻远大于晶 体管 场效应管局又夹断区 即截止区 横流区 即线性区 和可比阿安电阻 区三个工作区域 学完本章后应掌握 1 熟悉下列定义 概念和原理 自由电子与空穴 扩散与漂移 复合 空间 电荷区 PN 结 耗尽层 导电沟道 二极管单向导电性 晶体管和场效应管的 放大作用及三个工作区域 2 掌握二极管 稳压管 晶体管 场效应管的外特性 主要参数的物理意义 第 2 章 放大器基础 一 放大的概念 放大实质上是将微弱的信号通过有源器件 晶体管或场效应管 对能量进行 控制的过程 是将直流电源提供的能量转化为负载所获得的虽信号变化的能量 放大的前提是信号不失真 28 二 放大电路的组成原则 1 放大电路的核心元件是有源器件 即晶体管或场效应管 2 正确的直流电源电压数值 极性与其它电路参数应保证晶体管工作在放大 区 场效应管工作在恒流区 即建立起合适的静态工作点 保证电路中的信号不 失真 三 放大器的主要性能指标 1 放大倍数 A 2 输入电阻 i R 3 输出电阻 0 R 4 最大不失真输出电压 OM U 5 下限截止频率 L f 上限截止频率 H f及同频带 W B 6 最大输出功率 m P0和效率 四 放大电路的分析方法 分析放大电路的方法有两种 即图解法和微变等效电路法 图解法用于确定 静态工作点和分析打信号工作的动态情况 微变等效电路法只适用于分析 计算 低频小信号工作时电路的动态指标 分析电路应遵循 先静态 后动态 的原则 只有静态工作点合适 分析动 态才有意义 五 晶体管和场效应管基本放大电路 1 晶体管基本放大电路有共射 共集 共基三种组态 共射放大电路即有电流放大作用 又有电压放大作用 输入电阻居三种电路 之中 输出电阻较大 适应于一般放大 共集放大电路之放大电流不放大电压 因输入电阻高而行作为多级放大器的 输入端因疏忽电阻低而常作为多级放大器的输出级 又因电压放大倍数约等于 1 而用作信号的跟随 共基电路之放大电压而不放大电流输入电阻小 高频特性好适应于宽频带放 大电路 2 场效应管放大电路的共源接法 共漏接法与晶体管放大电路的共射 共集 接法相对应 但比晶体管电路输入阻抗高 噪声系数低 典雅放大倍数小适应于 低电压放大电路的输入级 六 阻容耦合放大电路在中频段的放大倍数最大且为定值 当信号频率太高 或太低时 放大倍数都要降低 七 多级放大器的耦合方式有直接耦合 阻容耦合和变压器耦合 直接耦合 29 便于集成 既可放大交流又可放大直流信号 但必须解决好零点漂移问题 阻容 耦合能克服零点漂移的问题 但低频响应差 不便于集成 变压器耦合有阻抗变 换作用 但低频响应差 且体大笨重 只用于特殊场合 八 多级放大器的放大倍数为各级放大器放大倍数的乘积 通频带窄于单级 放大器 级数越多 频带越窄 学完本章应达到下列要求 1 掌握以下基本概念和定义 放大 静态工作点 非线性失真 直流通路和 交流通路 交 直流负载线 放大倍数 输出动态范围等 2 掌握各种形式的基本放大电路的工作原理及特点 能根据要求选择电路的 类型 3 掌握放大电路的分析方法 能计算静态和动态的各种 第 3 章 集成运算放大电路 本章讲述了集成运放的结构特点 电路组成 主要性能参数 种类及使用方 法 1 集成运放实际上是一种好性能的直接耦合放大电路 通常由输入级 中间 级 输出级和偏置电路等四部分组成 双极型管组成的集成运放 输入级多用差 分放大电路 中间级为共射电路 输出级多用互补输出级 偏置电路是多路电流 源电路 2 电流源电路不仅可为各级放大电路提供合适的静态电流 又可作为有源负 载 从而大大提高了运放的增益 3 使用集成运放应注意调零 频率补偿及必要的电路保护 学完本章应达能到下列要求 1 熟悉集成运放的组成及性能 正确理解主要指标参数的物理意义及其使用 注意事项 2 了解电流源电路的工作原理 3 能读懂集成运放 5G23 5G24 的工作原理 第 4 章 反馈放大电路 本章主要研究了反馈的基本概念 负反馈放大器的一般表达式 负反馈对 放大器性能的影响和放大器电路稳定性等问题 阐明了反馈的判断方法 深度负 30 反馈条件下放大倍数的估算方法 根据需要正确引入负反馈的方法 1 在电路中 将输出量的一部分或全部通过一定的电路形式作用于输入回 路 去影响输入量的措施称为反馈 如使净输入量减少则为负反馈 若使净输入 量增加则为正反馈 若反馈存在于直流通路中则为直流反馈 若反馈存在于交流 通路中则为交流反馈 反馈量取自于输出电压则为电压反馈 若反馈量取自于输 出电流则为电流反馈 交流负反馈有四种形式 电压串联负反馈 电压并联负反 馈 电流串联负反馈 电流并联负反馈 2 电路中 有无反馈 取决于输出回路和输入回路是否存在反馈通路 直 流反馈和交流反馈 决定与反馈通路存在于直流通路还是交流通路 正 负反 馈 的判定采用瞬时极性法 反馈结果使净输入量增加则为正反馈 减小则为负 反馈 判断 电压反馈和电流反馈 可令输出电压等于零 若反馈量随之为零 则为电压反馈 若反馈量依然存在 则为电流反馈 串联和并联 判定是 反 馈网络与基本放大器是并联连接的则为并联反馈 若是串联连接的则为串联反 馈 3 反馈的作用效果与信号源内阻 RS有关 对于并联负反馈 RS大时 反馈 效果明显 RS 0 时 无反馈作用 对于串联负反馈 RS越小 反馈效果越显著 反之 RS 时 串联反馈无效果 4 对于满足11 FA 利用 foF XXFA 1 的关系和 fi XX 的 特点 求深度负反馈放大器增益 欲求电压增益 除电压串联负反馈外 其它各 类型的负反馈还需进行转换 5 引入交流负反馈后 可以改善当打电路多方面的性能 可以提高放大倍数 的稳定性 改变输入电阻和输出电阻 展宽频带 减小非线性失真等 学完本章后应达到下列要求 1 能够正确判断电路中是否引入了反馈以及反馈的性质 2 正确理解负反馈放大电路放大倍数在不同反馈组台下的物理意义 并能够 估算深度负反馈条件下的放大倍数 3 掌握负反馈四种组态对放大电路性能的影响 并能根据需要在放大电路中 正确的引入交流负反馈 第 5 章 波形发生电路 本章主要介绍了正弦波发生器 电压比较器和非正弦波发生器电路 1 正弦波发生器 1 正弦波发生器的组成一般应由放大器 正反馈网络 选频网络和稳幅 31 缓解 4 个部分组成 2 振荡的自激条件为1 FA 又可分为振幅平衡条件1 FA 和相位平衡 条件 n BA 2 起振的幅值条件是1 FA 3 振荡频率是由相位平衡条件决定的 RC 串并联式镇弦波振荡器中 振 荡频率是 RC f 2 1 0 LC 正弦波振荡器有变压器反馈式 电杆三端式和电容三端式 等几种 它们的振荡频率由谐振回路决定 即 LC f 2 1 0 4 判断正弦波振荡器能否振荡的一般方法和步骤是 观察电路是否具有放大 反馈 选频 稳幅四个基本环节 检查放大电路是否满足放大条件 运放的输入端是否有直流通路 有无放 大作用 分析是否满足相位平衡条件 方法是断开回路 引进 输入 分析反馈 信号是否同相 即 在检查是否满足幅值平衡条件 2 电压比较器 1 比较器是用来比较输入信号电压大小的电路 它的输入电压是模拟量 输出电压通常只有高电平和低电平两个稳定状态 2 通常用电压传输特性来描述电压比较器输出电压与输入电压之间的函 数关系 电压阐述特性具有三个要素 一是输出高低电平 它决定于集成运放输 出电压的最大幅度或输出端的限幅电路 二是阈值电压 它是使集成运放同相输 入端和反相输入端电位相等的输入电压 三是输入电压过阈值电压时输出电压的 跃变方向 它决定于输入电压是作用于即晨昏运放的反向输入端 还是同相输入 端 3 单限比较器只有一个门限电压 双限比较器和滞回比较器各有两个门 限电压值 3 非正弦波发生器 1 矩形波发生器由具有卡关特性的器件 带有正反馈的滞回比较器 反 馈网络 能把输出信号恰当的具有开关特性的器件 使其输出改变状态 延时 环节 为实现时间的延时和所需要的振荡频率 常用有源和无源 RC 电路实现 3 个部分组成 在三角波和锯齿波发生器中除了上述部分还应加积分环节 2 判断非正弦波发生器起振的条件是 接通电源 开关器件的输出电压 应迅速为高电平或低电平 在经过一定的延迟时间后 又能使比较器改变输出状 32 态 3 分析电路时要注意比较器输出电压跳变的临界条件和 RC 电路的瞬态 过程 由此来确定肺正弦波的振荡周期 学完本章应达到如下要求 1 熟悉掌握电路产生正弦波振荡的幅值平衡条件和相位平衡条件 以及 RC 正弦波振荡电路的组成 起振条件和振荡频率 了解 LC 正弦波振荡器的工作原 理 理解其振荡频率与电路参数的关系 能根据相位平衡条件判断电路是否可产 生正弦波振荡 2 正确理解有集成运放构成的矩形波 三角波和锯齿波发生电路的工作原 理 波形分析和有关参数 第 7 章 数字电路基础 本章学习了数制和码制 逻辑函数及表示方法和化简方法 逻辑门电路 1 数制 二进制 八进制 十进制 十六进制的标识及它们之间的相互转换 8421BCD 码对十进制数的编码 2 逻辑函数有 4 种表示方法 即真值表 逻辑函数表达式 卡诺图和逻辑图 真值表是逻辑函数的表格表示法 全面 直观反映了变量及函数的全部可能 取值 具有唯一性 逻辑函数表达式是逻辑函数的数学表示法 用与 或 非等逻辑运算 简洁 方便的表示出各种逻辑关系 应用逻辑代数进行运算和化简 逻辑函数表达式不 是唯一的 卡诺图是逻辑函数的图形表示法 它利用几何位置的相邻性形象的表示了组 成逻辑函数各最小项之间在逻辑上的相邻性 常用于逻辑函数的化简 逻辑图是逻辑函数的一种逻辑符号表示法或称逻辑电路表示法 它能层次分 明的表示复杂的实际电路的逻辑功能 常用于实际逻辑电路的设计 逻辑函数的这 4 种方法是相通的 它们之间可以相互转换 采用哪种表示 方法 视具体情况而定 3 逻辑函数化简通常有两种方法 逻辑代数化简法和卡诺图化简法 逻辑代数化简法 公式法 不受任何条件的限制 没有固定的步骤可循 化 简不仅熟练的运用各种公式和定理 还需要一定的运算技巧和经验 卡诺图化简法简单 直观 而且有一定的化简步骤可循 当逻辑变量超过 5 个时 将失去简单 直观的优点 将失去实用的实际意义 4 基本逻辑门电路有与门 或门 非门以及由它们组成的与非门 或非门 33 与或非门 异或门等 既有分立元件构成的 也有集成电路构成的 5 在介绍晶体三极管的开关特性及基本逻辑门电路的基础上 讨论了 TTL 和 CMOS 门电路的逻辑功能和电气特性 特别是它的外特性 描述门电路性能的 参数 对于所有的数字器件有普遍的意义 学完本章后一般应达到下列要求 1 掌握进制和码制构成原理 能进行进制的转换和编码 2 掌握逻辑函数的 4 种表示方法及其它们之间的转换 3 学会逻辑代数化简法和卡诺图化简法化简逻辑函数 4 掌握各种基本逻辑门的逻辑功能及逻辑符号 5 熟悉 TTL 与非门电路 COMS 与非门电路的电路结构和工作原理 掌握其 逻辑功能 了解其电气性能 7 学会正确使用各种逻辑门电路和选择门电路 第 8 章 组合逻辑电路 本章介绍了组合逻辑电路 讨论了组合逻辑电路的特点 分析方法和设计方 法 并对常用的组合逻辑部件作了必要的介绍 1 组合逻辑功能功的特点有两个方面 其一 逻辑功能上的特点 电路任 意时刻的输出取决于该时刻的输入 而与食入信号作用前电路的历史状态无关 其二 在电路结构上的特点 由门电路组成 不含记忆功能 2 组合逻辑电路种类繁多 功能各异 但分析方法和设计方法是相同的 组合电路的一般分析步骤 1 由给定逻辑图写出输出逻辑函数表达式 2 化简或变换各逻辑函数表达式 3 列出真值表 4 由真值表分析确定电路的逻辑功能 组合逻辑电路的一般设计步骤 1 分析实际问题 进行逻辑抽象 列出真值表 2 由真值表写出输出逻辑函数表达式 3 化简或变换输出函数逻辑表达式 4 由化简或变换后的输出逻辑函数表达式画出逻辑图 3 数字电路中 比较常用的组合逻辑电路有 编码器 译码器 数据分配器 数据选择器 加法器 数值比较器等 4 可编程逻辑器件是一种新型的 发展迅速的半导体数集成电路 谈永不只 34 应用在组合逻辑电路中 其主要特点是可以通过编程方法设置其逻辑功能 各种 PLD 编程工作都需要在开发系统的支持下进行 在选择 PLD 的具体型号时必须同 时考虑到实用的开发系统是否能支持这种型号的 PLD 编程工作 学完本章后 应达到下列要求 1 掌握组合逻辑电路在逻辑功能和电路结构上的特点 2 掌握组合逻辑电路的分析方法和设计方法 能对实际的组合电路进行正确 的分析和设计 3 熟悉常用的组合逻辑部件 如编码器 译码器 数据分配器 数据选择器 加法器 数值比较器等 4 了解可编程逻辑器件的结构和使用设计方法 第 9 章 触发器和时序逻辑电路 本章主要介绍了时序逻辑电路的特点 逻辑功能的分析方法及常用的时序逻 辑部件如寄存器 计数器等 1 时序逻辑电路在逻辑功能上的特点是 带内陆在任意时刻的输出状态逼近 取决于该时刻的输入状态 而且与输入信号作用前电路的历史状态有关 在电路 结构上的特点是 必包含具有记忆功能的存储电路 而且存储电路的输出与输入 信号一起决定时序电路的输出状态 通常 是虚电路由存储电路和许和电路两部 分组成 存储电路一般由触发器承担 组合电路为门电路 2 是虚电路的逻辑功能分析主要步骤有 1 根据给定的时序电路 写出逻辑方程组 在写逻辑方程时 先写出存 储电路 触发器 的驱动方程 再代入触发器的特性方程写出电路的状态 最后 写出电路的输出方程 2 列出状态转换表 确定电路的初始状态 依次代入状态方程中求出各 次态 据此可列出状态转换表 3 根据状态方程或状态转换表可画出状态转换图或时序图 注意时钟条 件 3 时序逻辑部件常用的主要有寄存器和计数器 寄存器用来存放数据或指令的时序电路 有数码寄存器和移位寄存器两类 数码寄存器具有存储数据和清除原有数据的功能 又有双拍或单拍之分 即存储 数据前 先清除原有数据即为双拍工作方式 无须清除原有数据而直接存储的为 单拍工作方式 移位寄存器除存放数据外 还具有多所存储的数据在寄存器中实 现左移或右移的功能 35 4 计数器不仅具有对时钟脉冲的计数功能 而且具有分频 定时 节拍脉冲 产生和数字运算等多种功能 计数器按触发器的翻转次序可分为同步计数器和异 步计数器两类 按计数容量不同又可分为二进制 市进制和任意进制计数器 又 可分为加法计数 减法计数和可逆 加 减 计数的三种形式 学完本章后 以达到下列要求 1 熟悉时序逻辑电路在逻辑功能和电路结构的特点 2 掌握时序电路逻辑功能的分析方法 3 了解时序电路的一般设计方法 4 掌握寄存器和计数器的电路特点和逻辑功能分析 5 学会用集成计数器产品构成任意进制的计数器 第10章 脉冲电路和模数转换 本章主要介绍了脉冲波形的产生 变换和整形电路 555定时器 D A和A D 转换电路 1 多谐振荡器是一种自激式脉冲振荡器 它没有稳态 只有两个暂稳态 不 需外加触发信号 只要接通电源 振荡就会自行建立 输出的矩形波宽度由电路 本身的参数决定 多谐振荡器在结构上有门电路组成的多谐振荡器 施密特触发 器组成的多谐振荡器 555定时器组成的多谐振荡器 其中门电路组成的多谐振 荡器有TTL型的 也有CMOS型门电路的 他们的电路形式有用一对反相器交叉耦 合成正反馈的 有用奇个与非门或反相器首尾相接构成环形振荡器的 也有在多 谐振荡器中接入石英晶体以提高频率稳定性的石英晶体多谐振荡器的 在这些电 路中 除环形振荡器是利用闭合回路延迟负反馈作用产生振荡外 其余几种电路 都是利用闭合回路的正反馈作用产生振荡的 2 单稳态触发器只有一个稳态 在外加触发脉冲作用下 触发翻转为暂稳态 经过一定时间电路有自动返回原来的稳态 单稳态触发器输出的脉冲的宽度由电 路本身的参数决定而与外加触发脉冲无关 3 施密特触发器有两个稳态 可将边沿变化缓慢的输入信号整形为矩形波 4 555定时器是一个应用广泛的集成单片定时器 多用于脉冲产生及定时 5 A D D A转换器是现今控制 检测 运算等数字系统必不可少的接口电路 分析了其电路组成和工作原理 狮子系统的转换速度和转换