1、第2章 电子电路基础,2.1 二极管基本应用电路 2.1.1 二极管整流电路 半导体二极管具有单向导电性。常用在整流、钳位、隔离、保护及开关等电路中。下面介绍二极管整流电路。 二极管整流主要分为半波整流和全波整流。 1半波整流电路 图2.1是一个单相半波整流电路，它由变压器、二极管VD及负载电阻RL组成。半波整流电路的输入、输出，波形如图2.2所示。图2.1 单相半波整流电路图 图2.2 单相半波整流电路的波形图 由图2.2可以看出，利用二极管的单向导电性可将极性变化的交流电变为单向脉动的直流电。在这里，二极管VD起整流作用。,2桥式全波整流电路 半波整流电路只有半个周期的正弦电压输出到负载，
2、因此电路效率较低。为了提高整流电路的效率，可将另一半周期的电压也引到负载上，即正负半周都有电流按同一个方向流过负载，这种方式称为全波整流。图2.3（a）为一桥式全波整流电路。,2.1.2 电容滤波电路 经过整流后的输出电压波形含有很大的脉动分量。因此还要加入滤波电路。电容滤波电路是利用电容器两端的电压不能突变的特点，将电容器和负载电阻并联，以达到使输出电压波形基本平滑的目的。 图2.5（a）是最简单的电容滤波电路。,2.1.3 二极管限幅电路 在电子电路中，为了防止一些干扰或冲击信号对电子元器件造成损坏，往往会在电路中加入一些保护电路。 图2.6 就是利用两个反向并联的二极管的限幅保护电路。,
3、2.1.3发光二极管的应用 发光二极管在正向导通时，可以发出不同颜色的可见光或者红外光。利用二极管的这种特性，可构成各种不同的指示器、矩阵显示器以及红外发射/接收器等电路。如图2.7所示。,2.1.5 稳压二极管稳压电路 当稳压二极管工作在反向击穿区时，流过稳压二极管的电流可以有较大变化，而二极管两端的电压基本上保持不变，利用稳压二极管的这种稳压特性可以构成稳压电路。一个简单的稳压二极管稳压电路如图2.8所示。,2.2 三极管及其放大电路 2.2.1 三极管各管脚的电流关系 三极管各管脚的电流关系为： ie=（1+）ib ic = ib 称为共射极电流放大倍数，通常在20120之间，典型值为6
4、0。 利用晶体三极管可构成三种形式的基本放大电路:共发射极放大电路，共基极放大电路和共集电极放大电路。,2.2.2 共射极放大电路 利用晶体三极管可构成三种形式的基本放大电路，图2.10为共射极放大电路，在此电路中Ec, Rb, Rc为晶体三极管提供合适的静态工作点，使其工作在放大状态，C1, C2为隔直电容，它隔离直流并耦合交流信号，经放大的交流信号在RL上输出。,2.2.3 共集电极放大电路（射极跟随器） 图2.11为共集电极放大电路，因为信号从发射极输出，输出电压近似等于输入电压，又称为射极输出器。 Rb, Re与三极管构成放大电路，C1与C2为隔直流电容，交流放大信号uo从RL输出。
5、共集电极放大电路一 般用于电路的前置放 大和末级放大，可驱 动较大的负载。,2.2.4 互补推挽功率放大电路 图2.12所示为乙类互补推挽功率放大电路，一般用于功率输出级，直接驱动大功率设备，该电路是由互补对称的PNP与NPN共集电极放大电路组成的。在输入信号ui的正半周期，NPN管VT1导通，PNP管VT2截止，信号ui经VT1流向负载RL；在输入信号ui的负半周期，NPN管VT1截止，PNP管 VT2导通，信号ui经VT2 流向负载RL。,2.3 运算放大器及其应用 2.3.1 运算放大器的内部结构 运算放大器是一个多级、高增益放大电路。其内部结构框图如图2.13所示。,2.3.2 运算放
6、大器的主要性能参数 运算放大器的主要参数如下： 输入失调电压：定义为使运算放大器输出直流电压为零时，在运算放大器两输入端间所加的补偿电压。 输入失调电流：输入失调电流定义为运算放大器两输入端偏置电流之差。 差模开环电压增益：定义为运算放大器工作在线性放大状态时，其输出电压与运算放大器两输入端之间的电压差之比。运算放大器的开环电压增益通常用dB（分贝）来表示。其开环电压增益通常在100140dB数量级。 共模抑制比：定义为运算放大器差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比。共模抑制比通常也用dB来表示。一般在100140dB数量级。 转换速率：定义为运算放大器在阶跃信号作用下，其输出电压的最大变化
7、率。其单位为V/s。,2.3.3 运算放大器的应用 运算放大器是一个多级、高增益放大电路。在多数应用电路中，可以把运算放大器作为理想放大器来应用。理想运算放大器具有如下一些特点： 输入失调电压为零。 输入失调电流为零。 差模开环电压增益趋近。 共模抑制比趋近。 转换速率趋近。 在此情况下，若电路工作在线性放大状态，运算放大器的两输入端之间具有如下一些特点： （1）反相端和同相端之间的输入电流为零，称之为“虚断（路）”； （2）反相输入端的电压与同相输入端的电压相等，称之为“虚短（路）”。,1. 同相比例放大器 图2.14所示电路称为同相比例放大器。其输出电压uo与输入电压ui之间的关系为：选择
8、不同的R1和R2，可以获得不同的值，而比值一定大于1，同时输入与输出之间的相位是同相的。 同相比例放大器具有 输入阻抗高，输出阻 抗低的特点，该电路 广泛应用于前置放大级,2. 反向比例放大器 反向比例放大器电路如图2.15 所示。反向放大器的输入电压与输出电压之间相位相反。其关系表达式为：,3. 反相加法器 用运算放大器构成的反相加法器如图2.16所示。 其输入输出关系为：若令R1=R 2=R3=Rf， 则uo= -（u 1+u 2+u 3），实现了反相相加的功能。,4. 差动放大器 由运算放大器构成的差动放大器如图2.17所示。 在此电路中，输入 输出之间的关系为：当R1=R3,R2=R4
9、时， 放大器输入输出电压 之间的关系为： 差动放大器可将双端输入的差分信号转换为单端信号，通常用于测量仪器的输入端。,5. 反向积分器 由运算放大器构成的反向积分器如图2.18 所示。 在此积分电路中， 输入输出电压之 间的关系为：式中，RC是电路的积分时间常数。图中电阻R1的作用是为了限制积分电路的低频电压增益。,6. 反向微分器 由运算放大器构成的反向微分器如图2.19所示。 在此微分电路中， 其输入输出电压 之间的关系为：式中，RC是微分器的微分时间常数。 图中输入回路中接入一个小电阻R1的作用是为了限制微分电路的高频电压增益。,2.4 二进制数表示方法 我们日常生活中接触最多的是十进制
10、数，先分析一下十进制数的特点。 （1）十进制数是由0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9十个数字符号和小数点组成的。 （2）当我们要表示一个大于9的数时，采用几个数字复合的方式，在这个过程中我们遵循逢十进一的原则。十是这种计数制的进位基数。 同理可知，二进制数由0, 1两个数字符号组成，二进制数遵循逢二进一的原则。二为基数。任意一个十进制数值都可以用相应的二进制数来表示，反之亦然。,2.5 基本逻辑门电路 在数字电路中，门电路是基本的逻辑元件，它的应用极为广泛。由于半导体集成技术的发展，目前数字电路中所使用的各种门电路，几乎全部采用集成元件。 2.5.1 基本概念 所谓“门”
11、就是一种开关，在一定的条件下它能允许信号通过，条件不满足，信号就不能通过。因此门电路的输入信号与输出信号之间存在一定的逻辑关系，所以门电路又称逻辑门电路。 门电路输入和输出信号都是用电位（或叫电平）的高低来表示的。若规定高电位为“1”，低电位为“0”，称为正逻辑。若规定低电位为“1”，高电位为“0”，称为负逻辑。分析一个逻辑电路时，首先要弄清是正逻辑还是负逻辑。本书中，均采用正逻辑。,2.5.2 基本门电路 最基本的逻辑门电路有三种，它们是“与”逻辑门、“或”逻辑门和“非”逻辑门。下面分别介绍。 1“与”门电路 所谓“与”逻辑即当某一事件发生的条件全部满足后，此事件才发生。“与”逻辑的关系可写
12、成下面的表达式：F=ABC 与门电路的电路图和逻辑符号如图2.20。,2“或”门电路 所谓“或”逻辑是指只要满足所有条件之中的一个条件，事件就能发生的逻辑关系，称为“或”逻辑。具有这种功能的电路称为“或”门电路。 由分析可知， “或”门电路输入端只要有一个高电平，其输出就为高电平；当输入端全为低电平时，输出才是低电平。因此或门的逻辑关系为 F=A+B+C,3非门电路 所谓“非”逻辑即相反的意思。如图2.23（a）所示电路，当开关A闭合时，灯不亮；当开关断开时，灯亮。因此开关A和电灯F之间的逻辑关系相反。图2.23（b）所示电路是由晶体管构成的非门电路。在逻辑电路中均用图2.23所示的逻辑符号表
13、示。,2.6 常用组合逻辑器件及其应用 2.6.1 基本概念 根据集成度的大小，集成电路分成SSI、MSI、LSI和VLSI四种，目前在数字系统中广泛采用LSI及MSI，辅以一些SSI。 目前LSI及MSI产品主要有两大系列：TTL逻辑系列及MOS逻辑系列（ECL系列仅在少数超高速电路中应用）。通常，TTL系列用得较广泛，目前随着MOS工艺的发展，其器件速度也已逐步赶上TTL系列，但由于它功耗低、价格低，目前也应用得很广泛。从逻辑设计的设计方法上，应用哪一系列并无大的差别。,2.6.2 门电路构成的时钟发生器 时钟信号在数字电路中得到了广泛的应用。利用反相器或者与非门可以比较方便地构成各种不同
14、频率的时钟信号发生器。由反向器构成的时钟发生器如图2.27所示。,2.6.3 译码器（Decoder） 译码器是计算机及其他数字系统中使用最广泛的一种多输入、多输出的逻辑器件，它把输入代码转换成不同的输出代码。输入代码的位数少于输出代码，并且输入代码字与输出代码字是一对一的映射，即不同的输入编码字产生不同的输出编码字。译码器的一般结构如图2.29所示，图中使能端（或称允许）的作用是：当且仅当使能输入全部有效时，译码器才能正确地执行映射；否则译码器输出为无效。译码器的种类很多，最常见的译码器有二进制译码器和显示译码器两种。,2.6.4 多路选择器 数字系统中往往有许多路信号，要求选择其中某一路信
15、号送到输出通道中去。例如图2.34是利用一个多路选择开关把A, B, C, D四条信号线中任意一条，按需要和输出通道F接通。 如果用组合逻辑电路来完成这一工作，则可采用多路选择器（multiplexer，简称MUX）。一个四选一多路选择器方框图如图2.35所示。,2.7 集成触发器 2.7.1 基本概念 。触发器是数字电路的基本单元电路，它具有两个稳定状态，分别为0态和l态。在输入不变的情况下，它可以长期保持原来的状态。在适当输入信号作用下，触发器可以从一种状态翻转到另一种状态，在输入信号消失后，能把新输入的状态保存下来。因此，用一个触发器可以寄存1位二进制数。 数字电路分两大类：组合逻辑电路
16、和时序逻辑电路。 组合电路的输出仅由其当时的输入信号的组合状态决定，而与电路原来的状态无关。因此它不具有记忆的功能，时序电路是由组合电路和具有记忆功能的存储器组成的，因此时序电路的输出不仅取决于电路当时的输入状态，还与电路的历史状态有关。,描述触发器逻辑性能的方法大致有四种，状态转换表、特性方程、状态转换图和激励表。它们都表示触发器的次态与它的输入以及现态之间的逻辑关系。触发器的现态和次态通常以CP脉冲的跳变沿为分界点。CP的跳变方式有两种，一种为正跳变用表示，一种为负跳变用表示。对于正跳沿触发的触发器，将CP脉冲正跳沿之前触发器的状态定义为现态，而CP脉冲正跳沿之后触发器的状态定义为次态。
17、触发器的特性方程是用逻辑函数表达式的形式来描述触发器次态与输入信号及现态之间的逻辑关系。有些触发器的特性方程引入了约束条件，这些约束条件是为了避免触发器出现不定状态，对输入信号提出的要求。状态转换表是采用真值表的方法来描述触发器次态与输入信号及现态之间的逻辑关系。此外还有状态转换图和激励表描述法，这些方法都描述了触发器的固有特征，所以它们之间是可以相互转换的。例如已知状态转换表，就可推导出其特性方程。,2.7.2 D触发器 D触发器符号如图2.36所示。D触发器的特性方程为： 时 Qn+1=Dn 上式说明：当CP发生正跳变后，D触发器的次态Qn+1等于CP发生正跳变前D的值。这种触发器在数字系
18、统中常用做数据存储。,2.7.3 JK触发器 JK触发器的符号如图2.37所示。JK触发器特性方程为： 时,2.8 计数器（CTR）时序逻辑电路 1概述 计数器是典型的时序逻辑电路。它可用来累加、记录脉冲输入的个数。计数是数字系统中非常重要的基本操作，所以计数器是应用最广泛的逻辑部件之一。计数器可分为同步计数器和异步计数器两大类。在同步计数器电路中，所有触发器的CP端都与同一个时钟相连接，所有触发器在同一个时钟作用下同步工作。在异步计数器电路中，所有触发器并不在同一个时钟作用下同步工作，因此它门的状态更新可能有先有后，不是同步的。 此外，计数器还可分为加法计数器和减法计数器。其计数随计数脉冲的
19、输入而递增的称为加计数器；递减的称为减计数器。既可递增，又可递减的称为可逆计数器。计数器常从零开始计数，所以应具有“置零（清零）”的功能。通常计数器还有“预置数”的功能，通过预置数据于计数器中，可以使计数从任意数值开始。计数器按计数长度（循环长度、模）可分为二进制、十进制和N进制（任意进制）计数器，即二分频、十分频和N分频计数器。,274LS192同步十进制可逆计数器（双时钟、可预置） 74LS192的逻辑符号、外引线排列图如图2.38所示。 逻辑符号的意义如下。逻辑符号中的CTR表示是计数器，而DIV10表示是十分频，则CTR DIV10即十进制计数器。逻辑符号上半部分是公共控制框，下半部分
20、四个单元框表示四个触发器，分别构成二-十进制的1位二进制数。1、2、4、8依次是它们的权。清除端CR为高时，内容CT=0，即Q0、Q l、Q 2、Q 3全为0。这叫做计数器直接清零，或称为异步清零。执行其他功能时，CR必须为低。置入控制端LD为低时，数据直接从数据输入端D0、Dl、D2、D3输入，置数也是异步的。计数时，LD必须为高。进行加法计数时，时钟信号由加计数时钟输入端CPU输入，脉冲的上升沿有效，同时减法计数时钟输入端CPD必须接高电平。同理，当进行减法计数时，加计数时钟输入端CPU应为高电平，时钟脉冲由CPD送入，上升沿有效。这种加计数输入端CPU，与减计数输入端CPD分开的计数器称
21、为双时钟型可逆计数器。,2.9 半导体存储器 随着电子技术和计算机技术的飞速发展，半导体存储器得到了广泛的应用。半导体存储器总的可分为两大类：只读存储器（ROM, Read Only Memory）和随机存取存储器（RAM, Random Access Memory）。 2.9.1 只读存储器（ROM） ROM的特点是在信息存入以后，不能随时更改，在使用时，只能读出所存的信息。切断电源后，ROM中所存的信息不会消失。因此，在数字系统和计算机中常用它来存放一些固定不变的信息，如数表和固定程序等。 ROM的种类很多，按存入信息的方式可分为固定ROM、可编程ROM（PROM, Programmabl
22、e ROM）、可擦除可编程ROM（EPROM, Erasible Programmble ROM）和可电擦除可编程ROM（EEPROM）等。,1ROM的工作原理及构成 下面结合EPROM只读存储器2764芯片来说明它的应用。只读存储器2764采用28脚双列直插式封装，芯片上方中央开有一个透明的石英玻璃窗口，以便于紫外线擦除不需要的信息，经擦除后的芯片又可重新写入。,2764主要工作方式如下： 读出方式。在读出方式时，可将EPROM中的数据读出到输出端O0O7。 待机方式。实际使用中，为了降低电路静态功耗，在两次读出之间的等待时间里，可以使器件工作于待机（低功耗）方式。 编程方式。编程就是向新购
23、的或者擦除后的EPROM芯片写入数据。 禁止编程。用禁止编程方式可以方便地为多片并行的2764编入不同的数据。 编程检验。为了确定编程过程是否正确，应该对已编程的位进行检验。,2.9.2 随机存取存储器（RAM） 1RAM存储器的结构 RAM存储器一般由存储矩阵、地址译码器和读/写控制器组成。图2.41是RAM的结构图。,2.10 单片微型计算机 单片微型计算机简称单片机。它把组成微型计算机的各功能部件：CPU、存储器（只读存储和随机存储器）、I/O接口电路等制作在一块集成芯片中，构成了一个完整的微型计算机。 单片机在家用产品、工业控制等领域获得了广泛应用。其中MCS-51系列产品由于其优良的性能价格比，在我国国内单片机产品中有着非常重要的地位。单片机的应用领域主要有： （1）控制系统。用单片机可以构成各种工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等。 （2）智能仪表。与传统的仪表相比较，含有单片机的智能仪表具有数字化、智能化、多功能、综合化等优点。这种仪表正在取代传统仪表。 （3）机电一体化产品。单片机与传统产品结合，将会使传统机械产品的结构大大简化，从而使这些产品在提高功能和可靠性的同时，大大降低生产成本。,
