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目录1 绪论1.1 发展历史1.2 未来发展趋势1.3 电子设计自动化（EDA）1.4 分析方法2 二极管原理及其典型应用2.1 原理2.1.1 PN结的形成2.1.2 二极管的V-I特性2.2 模型2.2.1 整流电路2.2.2 稳压电路2.2.3 限幅电路2.3 应用3 三极管原理及其典型应用3.1 原理3.2 参数3.3 模型3.4 应用4 集成运算放大器4.1 原理4.2 参数说明 4.3 模型4.4 历史与现状 4.5 应用5 数字电路基础5.1 集成电路5.2 技术方法与技术水平5.3 数字电路应用实例16位流水彩灯5.3.1 电路功能与设计方案5.3.2 所用元件及器材5.3.3 电路仿真图与连接实物图5.3.4 故障与调试6 逻辑笔电路的实验验证6.1 电路功能6.2 电路原理及主要器件功能6.3 电路实物图（面包板）7 总结1 绪论1.1 发展历史 电子技术与我们的生活息息相关，随着网络与科技的快速发展，电子技术在不同的领域得到了非常广泛的应用，有力地推动着人类社会的快速发展，并为人类创造了巨大的经济财富，在提高生产效率、提高人民生活水平方面做出了巨大贡献。 从器件方面来说，发展至今，电子技术共经历了电子真空器件、半导体器件、集成电路、大规模集成电路四代。 1904年，英国电气工程师弗莱明（研制出一种能够充当交流电整流和无线电检波的特殊灯泡“热离子阀”，从而催生了世界上第一只电子管，也就是人们所说的“真空二极管”。 1906年，美国工程师德福雷斯特发明了能够起放大作用的真空三极管（电子管）。 自此，电子管真正成为实用的器件。到1960年前后，西方国家的无线电工业年产10亿只无线电电子管广泛应用于电话、通讯、家庭娱乐、教育等行业，也促进了飞机、雷达、火箭的发明和进一步发展。 1950年，人们制造出第一个PN结型晶体管同电子管相比，晶体管的寿命长100到1000倍，消耗电子仅为电子管的十分之一或几十分之一，工作性能好、可靠性高，耐冲击、耐振动，另外，晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一，放热很少，可用于设计小型、复杂、可靠的电路晶体管的制造工序简便，有利于提高元器件的安装密度晶体管诞生之后，被广泛地应用于工农业生产、国防建设以及人们日常生活中 1958年，美国科学家基尔比和诺伊斯同时发明了集成电路，开启了集成电路时代，并促进了后来的大规模集成电路技术的形成。1.2 未来发展趋势电子技术行业未来有三项发展趋势： 第一，特征尺寸继续等比例缩小。1965年，Gordon Moore提出了摩尔定律，预测半导体芯片上的晶体管数目将每两年翻两番。而后来的RobertDennard提出了芯片尺寸缩放定律,它的基本构思是：当尺寸缩放时,功率密度必须保持不变。亦即,将一百万个或更多的晶体管集成在一块芯片上时,芯片的功率密度要保持相同。否则,芯片将变得更热而不能使用，而新工艺和材料可使功率大幅降低,因此现在行业内正在呼唤新机会以降低功率。 第二，系统芯片(SOC)，从广义角度讲, SoC (System On Chip )是一个微小型系统, 将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器(或片外存储控制接口)集成在单一芯片上,它通常是客户定制的,或是面向特定用途的标准产品。SOC是一种整体的芯片设计方法的概念，它指的是集成了各种功能模块，每一种功能都是由硬件描述语言设计程序，然后在SOC内由电路实现的； 第三，MEMS系统的发展。MEMS系统，即微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。它是一个独立的智能系统，可大批量生产，其系统尺寸在几毫米乃至更小，内部结构一般在微米甚至纳米量级，侧重于超精密机械加工。常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等等以及它们的集成产品MEMS是一项革命性的新技术，广泛应用于高新技术产业，是一项关系到国家的科技发展、经济繁荣和国防安全的关键技术，将在未来有更广泛的应用。1.3 电子设计自动化（EDA）EDA技术是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。EDA工具软件可大致可分为芯片设计辅助软件、可编程芯片辅助设计软件、系统设计辅助软件等三类。目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件是系统设计软件辅助类和可编程芯片辅助设计软件：Protel、Altium Designer、PSPICE、multisim13(原EWB的最新版本)、OrCAD、PCAD、LSIIogic、MicroSim、ISE、modelsim、Matlab等等。这些工具都有较强的功能，一般可用于几个方面，例如很多软件都可以进行电路设计与仿真，同时还可以进行PCB自动布局布线，可输出多种网表文件与第三方软件接口。1.4 分析方法了解电路图种类和掌握各种电路图的基本分析方法，是学习电子电路工作原理的第一步。电子电路图主要有下列种：方框图（包括整机电路方框图、系统方框图等）、单元电路图、等效电路图、集成电路应用电路图、整机电路图、印制电路板图。对于方框图，要分析信号传输过程、记忆电路组成、分析集成电路从集成电路的内电路方框图中可以了解到集成电路的组成、有关引脚作用等识图信息；对于单元电路图（为了分析某个单元电路工作原理的方便，而单独将这部分电路画出的电路图），要进行元器件作用分析和信号传输过程分析；对于等效电路图，分析电路时，用等效电路去直接代替原电路中的电路或元器件，用等效电路的特性去理解原电路工作原理；对于集成电路应用电路图，要掌握引脚外电路规律，分析信号放大、处理过程，了解集成电路的一些关键测试点、引脚直流电压规律；对于整机电路，要了解单元电路的类型，直流工作电压供给电路的识图是从右向左进行，对某一级放大电路的直流电路识图方向是从上向下，交流信号的传输是从整机电路图的左侧向右侧进行分析；对于印刷电路板图，可以根据一些元器件的外形特征找到它们，根据集成电路上的型号找到某个具体的集成电路，在印制电路板图和电路板上分别画一致的看图方向，检修时，主要是根据故障现象和所测得的数据决定分析哪部分电路，带着问题对局部电路的深入分析。2 二极管原理及其典型应用2.1 原理2.1.1 PN结的形成当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可挣脱原子核的束缚，参与导电，成为自由电子，这一现象称为本征激发，也称热激发。自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，呈现正电性的这个空位为空穴。因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。价电子获得能量后产生流动现象，在新位置产生空穴，形成电荷迁移。本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成 P型半导体，P型半导体中空穴是多数载流子；在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体，N型半导体中自由电子是多数载流子。 如图2-1所示，P区和N区存在浓度差，导致多子扩散运动，形成了空间电荷区（PN结），如图2-2所示。图2-1图2-2PN结外加直流电压V，P区接高电位（正电位），N区接低电位（负电位）时，内电场被削弱，多子的扩散加强，能够形成较大的扩散电流，即，形成正向电流，此时PN结呈现为一个小电阻。如图2-3所示。变薄+PN+_图2-3内电场外电场 而当PN结反偏时，即P区接低电位（负电位），N区接高电位（正电位）时，内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的电流,PN结呈现为一个大电阻。2.2.2 二极管的V-I特性二极管的V-I特性如图2-4所示VI导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V 死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V反向击穿电压UBR 图2-42.2 模型2.2.1 整流电路整流电路的电路图如图2-5所示。 分别如图2-6（1）和2-6（2）所示。 图2-5图2-6（1） 图2-6（2）图2-7仿真图象如图2-7所示，其中电容采用0.01F,红色线为1.2k电阻上的输出波形，蓝色线为输入波形。2.2.2 稳压二极管利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态，反向电压应大于稳压电压。如图2-8所示，反向击穿电压为稳压值。(b)2CW17 伏安特性 图2-82.2.3 限幅电路限幅电路常来选择预置电平范围内的信号。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。电路图如图2-9所示。串联下限幅电路 限幅特性 图2-9若二极管具有理想的开关特性，那么，当v低于E时，D截止，voE；当v高于E以后，D导通， vo v。仿真后输出端的波形如图2-10所示。图2-112.4 应用（1）发光二极管应用在电子通讯和家用电器的各种电子回路中,通常用于显示各种信息.如家用音响、电视机、手机及商场和售票处的显示看板等。（2）整流二极管利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。（3）作为开关元件，二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。利用二极管的开关特性，可以组成各种逻辑电路。（4）作为限幅元件二极管正向导通后，它的正向压降基本保持不变（硅管为0.7V，锗管为0.3V）。利用这一特性，在电路中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。 （5）继流二极管在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起继流作用。 （6）检波二极管在收音机中起检波作用。（7）变容二极管使用于电视机的高频头中。（8）稳压管的应用:可作为限制或保护之元件来使用，或用于电视机里的过压保护电路、串联型稳压电路电弧抑制电路（如一些较大功率的电磁吸控制电路）。3 三极管原理及其典型应用3.1 原理beTcNPN NPN型三极管的结构如图3-1所示，其中，c为集电极，b为基极，e为发射极。发射区掺杂浓度很高，且发射结的面积较小，便于发射载流子。集电结的面积大于发射结的面积，便于收集电子。 基区非常薄，掺杂溶度也很低，作用是减小复合。 正偏正偏反偏反偏饱和区反向工作区截止区正向工作区 图3-1图3-2所显示的是三极管的工作状态，特别指出，若要使三极管进行放大工作，需要满足发射结正偏，集电结反偏。 图 3-2 图3-3+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE 图3-3为共发射极放大电路。 共发射极直流电流放大系数 = （ ICICEO)/IBIC / IB。 共发射极放大电路的输出特性曲线如图3-4所示。图3-43.2 参数（1）直流参数： 直流电流放大系数 、 极间反向电流ICBO 、 ICEO（2）交流参数： 流电流放大系数、b 特征频率fT 结电容 Cbc 、 Cbe （3）极限参数： 集电极最大允许电流ICM 集电极最大允许功率损耗PCM 反向击穿电压3.3 模型 图3-5本电路中，R1选用30k，R2 20k，R3 20K，R4 2k，C1C2C3均为10F，从示波器上的波形可以观察到，输出端电压v0是输入端电压vi的几十倍。3.4 应用（1） 三极管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。三极管有一个重要参数就是电流放大系数。当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流倍的电流，即集电极电流。集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。（2） 用于电容容量扩大电路。利用三极管的电流放大作用，将电容容量扩大若干倍，这种等效电容和一般电容器一样，可浮置工作，适用于在长延时电路中作定时电容。（3） 模拟其它元器件，例如价格昂贵的大功率可变电阻等。（4） 半导体三极管可做电子开关，配合其他元件还可以构成振荡器。4 集成运算放大电路4.1 原理运放其结构如图4-1所示，共有四部分组成：差动输入级：使运放具有尽可能高的输入电阻及共模抑制比；中间放大级：由多级直接耦合放大器组成以获得足够高的电压增益；输出级：可使运放具有一定幅度的输出电压、输出电流和尽可能小的输出电阻。在输出过载时有自动保护作用以免损坏集成块。输出级一般为互补对称推挽电路。偏置电路：为各级电路提供合适的静态工作点，为使工作稳定一般采用恒流源偏置电路。 图4-1图4-2显示了运算放大电路的功能，从图中可以看出：输出电压的饱和电压等于运放的电源电压；运放的开环增益很高(104105)；由于开环增益非常大以至于（Vp-Vn）在很小的范围内就会使运放处于饱和状态。运放开环线性区很陡；输入电阻很大，输入电流Ii0。输出电阻很小，Ro0。 图4-24.2 参数说明集成运放的参数：直流参数：输入失调电压，输入失调电流，差模开环直流电压增益、共模抑制比；交流参数：转换速率，增益带宽积等；图4-3中显示了A741的性能参数。图4-34.3 模型 （1）反向放大电路电路图如图4-4所示，仿真波形如图4-5所示，其中，蓝色线为输入波形，红色线为输出波形。实际操作中，示波器的波形如图4-6所示，与仿真后的波形相同。 图4-4图4-5图4-6 （2）微分电路 电路图如图4-7所示。 图4-7 示波器上波形如图4-8所示图4-8从图中可见，输入和输出的正弦波相位相差为2/，与理想情况相符。图4-9是输入三角波时的微分电路输入与输出波形的对比。当频率较小时，输出的波形近似方波，但不是标准的方波，推测原因可能是：电路中电容或电阻的大小选得不适合。输入的频率加大后，输出波形逐渐接近方波。但图4-8的两幅图相位差都与理想状况（180）差距很大，且频率越大，相位差越大，推测若继续增大频率，输出波形将为方波且输入与输出的相位差达到180，与理想情况相符。图4-9（1）图4-9（2）4.4 历史与现状第一代运放产品：uA702、uA709；在1963年，26岁的工程师RobertWidlar在飞兆半导体公司设计出了首款单片电路的运算放大器ICA702。第二代运放产品： Fairchild公司的uA741 ，以内补偿为特征。第三代运放产品：LF155系列，National Semiconductor公司1975生产的一种Bi-JFET器件。集成运算放大器使用灵活、实现方便的有点使其在模拟集成电路中占有很大的比重。4.5 应用（1）运算电路包括比例电路，和差电路，积分微分电路等。在工业程序上，对于缓慢的变化给予快速的控制或者温和的平衡，都难免要用到微分或积分电路。甚至于要想把一个数字数据变成模拟指示，或者把连续性的变量转换成易见的数据时，都会使用到运算放大器，可以说运算放大器的应用很广泛。（2）运算放大器构成模拟电子计算机的基本组成部件。（3）构成直流放大电路。直流放大电路在工业技术领域中，特别是在一些测量仪器和自动化控制系统中应用非常广泛。如在一些自动控制系统中，首先要把被控制的非电量（如温度、转速、压力、流量、照度等）用传感器转换为电信号，再与给定量比较，得到一个微弱的偏差信号。因为这个微弱的偏差信号的幅度和功率均不足以推动显示或者执行机构，所以需要把这个偏差信号放大到需要的程度，再去推动执行机构或送到仪表中去显示，从而达到自动控制和测量的目的。因为被放大的信号多数变化比较缓慢的直流信号，分析交流信号放大的放大器由于存在电容器这样的元件，不能有效地耦合这样的信号，所以也就不能实现对这样信号的放大。能够有效地放大缓慢变化的直流信号的最常用的器件是运算放大器。 5 数字电路基础5.1 集成电路数字集成电路是基于数字逻辑（布尔代数）设计和运行的，用于处理数字信号的集成电路。根据集成电路的定义，也可以将数字集成电路定义为：将元器件和连线集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统。根据数字集成电路中包含的门电路或元、器件数量，可将数字集成电路分为小规模集成（SSI）电路、中规模集成MSI电路、大规模集成（LSI）电路、超大规模集成VLSI电路和特大规模集成（ULSI）电路。可将数字逻辑电路分成组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。在组合逻辑电路中，任意时刻的输出仅取决于当时的输入，而与电路以前的工作状态无关。最常用的组合逻辑电路有编码器、译码器、数据选择器、多路分配器、数值比较器、全加器、奇偶校验器等。在时序逻辑电路中，任意时刻的输出不仅取决于该时刻的输入，还与电路原来的状态有关。因此，时序逻辑电路必须有记忆功能，必含有存储单元电路。最常用的时序逻辑电路有寄存器、移位寄存器、计数器等。数字电路的组成：组合逻辑+寄存器（触发器）。组合逻辑就是由基本门组成的函数，其输出只会跟当前的输入有关，在上面的例子中，第一个图就是组合逻辑，只完成逻辑运算；而时序电路除了包含基本门之外，还包含存储元件用例保存过去的信息，时序电路的稳态输出不仅取决于当前的输入，还与过去的输入所形成状态有关。第二个图就是时序电路，在完成逻辑运算的同时，还可以把处理结果暂存起来，用以下一次的运算。5.2 技术方法与技术水平5.3 数字电路应用实例16位流水彩灯5.3.1 电路功能与设计方案设计一种利用发光二极管作为彩灯指示,实现发光二极管依次点亮形成移动的光点,并不断循环的彩灯循环控制电路。实际上是主要使用一个74LS191，两个74LS138，和一个 555定时器这四个芯片对16个LED进行控制，产生循环控制的效果。 用附加电容、电阻把555定时器接成一多谐震荡器，产生脉冲信号。两个74LS138扩展成4-16线译码器，与LED向接。74LS191作为计数器。 电路原理图如图5-1所示：图5-15.3.2 所用元件及器材芯片：NE555,一块;74LS138,两块;74LS191一块LED灯：17个电阻：100，16个；330k，1个；100k，1个；10k，1个电容：0.1F，1个；0.01F，1个其他：导线若干；面包板EIC-106；直流电源；示波器图5-2为74LS138功能表图5-2实验要求需要16个LED灯，因此选用两个74LS138连接，连接方式如图5-3所示：图5-3 由两个74LS138构成的4-16线译码器不同计数器的功能如图5-4所示，其中74LS191为同步二进制可逆计数器，它的功能如