1、模电数电核心技术回顾,电子技术的基本任务可称之为“信号的产生、信号的传输、信号的处理”，任务的完成取决于对电子器件、电子电路、电子系统的性能的研究。按照功能和构成原理的不同，电子电路可分为模拟电路和数字电路两大类。本课程讲述模拟电路和数字电路的基本概念、基本原理、基本分析方法及基本应用，回顾重点知识。,教学目的：,本课程帮助学生回顾模拟及数字电路的工作原理，学会使用各种放大电路标准的集成电路和高密度可编程逻辑器件，掌握数字系统的基本设计方法，为进一步学习各种超大规模集成电路的系统设计打下良好基础。,数字信号和模拟信号,电子电路中的信号,模拟信号,数字信号,时间连续的信号,时间和幅度都是离散的,
2、例：正弦波信号、锯齿波信号等。,例：产品数量的统计、数字表盘的读数、数字电路信号等。,模拟信号,数字信号,模拟电路主要研究：输入、输出信号间的大小、相位、失真等方面的关系。主要采用电路分析方法，动态性能用微变等效电路分析。,在模拟电路中，晶体管一般工作在线性放大区；在数字电路中，三极管工作在开关状态，即工作在饱和区和截止区。,数字电路主要研究：电路输出、输入间的逻辑关系。主要的工具是逻辑代数，电路的功能用真值表、逻辑表达式及波形图表示。,模拟电路与数字电路比较,1.电路的特点,2.研究的内容,模拟电路研究的问题,基本电路元件:,基本模拟电路:,晶体三极管,场效应管,集成运算放大器,信号放大及运
3、算 (信号放大、功率放大） 信号处理（采样保持、电压比较、有源滤波） 信号发生（正弦波发生器、三角波发生器、）,数字电路研究的问题,基本电路元件,基本数字电路,逻辑门电路,触发器,组合逻辑电路 时序电路（寄存器、计数器、脉冲发生器、 脉冲整形电路） A/D转换器、D/A转换器,模拟部分：,第一章 半导体基础知识, 1.1 PN 结及半导体二极管 1.2 半导体三极管,1. 半导体基本知识,1.1.1 PN 结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。,1.1 PN结及半导体二极管,一、多子扩散,P型半导体,N型半导体,
4、扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,二、少子漂移,空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,1.1.2 PN结的单向导电性,PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区加正、N 区加负电压。,PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负、N 区加正电压。,一、PN 结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,二、PN 结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强，多子的扩散
5、受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,R,E,1.1.3 半导体二极管,一、基本结构,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型,面接触型,二、伏安特性,死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,三、主要参数,1. 最大整流电流 IOM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2. 反向击穿电压UBR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。,3. 反向电流 IR,指二
6、极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。,4. 微变电阻 rD,uD,rD 是二极管特性曲线上工作点Q 附近电压的变化与电流的变化之比：,显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。,5. 二极管的极间电容,二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。,势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电
7、压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。,扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P 区的少子（电子）在P 区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P 区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。,CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。,PN结高频小信号时的等效电路：,势垒电容和扩散电容的综合效应,1.1.4 稳压二极管,U,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,-,UZ,一、结构二、特性,（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin
8、。,（5）最大允许功耗,三、稳压二极管的参数,（1）稳定电压 UZ,（3）动态电阻,1.1.5 特殊二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,一、光电二极管,二、 发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,1.2.1 基本结构和类型,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,1.2 半导体三极管,一、结构,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺杂浓度较高,发射结,集电结,二、类型,有PNP型和NPN型；硅管和锗管；大功率管和小功率管；高频管和低频管。,1.2.2 三极管的连接方式,EB,RB,EC,
9、进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,一、共发射极接法二、共集电极接法三、共基极接法,1.2.3 电流放大原理,EB,RB,EC,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。,一、载流子传输过程 发射、复合、收集,IB=IBE-ICBOIBE,二、各极电流关系,ICE与IBE之比称为电流放大倍数,要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。,三、电流放大系数,NPN型三极管,PNP型三极管,1.2.4 特性曲线,IC,
10、V,UCE,UBE,RB,IB,EC,EB,实验线路,一、输入特性,工作压降： 硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,二、输出特性,IC(mA ),此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。,当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。,此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBEIC，UCE0.3V,(3) 截止区： UBE1M, 有的可达100M以上。,四、输出电阻ro,ro =几-几十。,五、最大共模输入电压UIcmax,六、最大差模输入电压UId
11、max,七、-3dB带宽fH,运放是直流放大器， 也可放大低频信号，不适用于高频信号。,还有其他一些反映运放对成性、零漂等的参数。不再一一介绍。,关于集成运放的应用下面分三个章节介绍。其中运放都是作为理想运放来处理。,第五章 功率放大器,5.1 概述5.2 互补对称功率放大电路5.3 集成功率放大器,例1： 扩音系统,功率放大器的作用： 用作放大电路的输出级，以驱动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、 仪表指针偏转等。,5.1 概述,例2：温度控制,R1-R3:标准电阻,Ua : 基准电压,Rt :热敏电阻,A：电压放大器,Rt,T,UO,T,Ub,UO1,功率放大电路与电压放大电路的区别,
12、前面各章所讨论的放大电路主要用于增强电压幅度或电流幅度，因而相应地称为电压放大电路或电流放大电路。但无论哪种放大电路，在负载上都同时存在输出电压、电流和功率，从能量控制的观点来看，放大电路实质上都是能量转换电路，功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别。上述称呼上的区别只不过是强调的输出量不同而已。,但是，功率放大电路和电压放大电路所要完成的任务是不同的。对电压放大电路的主要要求是使负载得到不失真的电压信号，讨论的主要指标是电压增益、输入和输出阻抗等，输出的功率并不一定大。而功率放大电路则不同，它主要要求获得一定的不失真（或失真较小）的输出功率，通常是在大信号状态下工作，因此，功率放大电路包含
13、着一系列在电压放大电路中没有出现过的特殊问题。,分析功放电路应注意的问题,(1) 功放电路中电流、电压要求都比较大，必须注意电路参数不能超过晶体管的极限值: ICM 、UCEM 、 PCM 。,(2) 电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。,(3) 电源提供的能量尽可能转换给负载，减少 晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的效率（）。,Pomax : 负载上得到的交流信号功率。PE ： 电源提供的直流功率。,5.2 互补对称功率放大电路,OTL: Output TransformerLess,OCL: Output CapacitorLess,互补对称：电路中采用两支晶体管，NPN、 P
14、NP各一支；两管特性一致。,类型：,5.2.1 无输出电容的互补对称功放电路,一、工作原理（设ui为正弦波）,电路的结构特点：,1. 由NPN型、PNP型三极管构成两个对称的射极输出器对接而成。,2. 双电源供电。,3. 输入输出端不加隔直电容。,动态分析：,ui 0V,T1截止，T2导通,ui 0V,T1导通，T2截止,iL= ic1 ;,iL=ic2,T1、T2两个晶体管都只在半个周期内工作的方式，称为乙类放大。,因此，不需要隔直电容。,静态分析：,ui = 0V T1、T2均不工作 uo = 0V,乙类放大的输入输出波形关系:,死区电压,交越失真：输入信号 ui在过零前后，输出信号出现的
15、失真便为交越失真。,(1) 静态电流 ICQ、IBQ等于零；(2) 每管导通时间等于半个周期 ； (3) 存在交越失真。,乙类放大的特点：,5.2.2 无输出变压器的互补对称功放电路,一、特点,1. 单电源供电；,2. 输出加有大电容。,二、静态分析,则 T1、T2 特性对称，,令：,三、动态分析,设输入端在 0.5USC 直流电平基础上加入正弦信号。,若输出电容足够大， UC基本保持在0.5USC ，负载上得到的交流信号正负半周对称，但存在交越失真。,时，T1导通、T2截止；,四、输出功率及效率,若忽略交越失真的影响，且 ui 幅度足够大。则：,实用OTL互补输出功放电路,调节R,使静态UA
16、Q=0.5USC,D1 、 D2使b1和b2之间的电位差等于2个二极管正向压降，克服交越失真。,Re1 、 Re2：电阻值12，射极负反馈电阻，也起限流保护作用。,5.3 集成功率放大器,特点：工作可靠、使用方便。只需在器件外部适当连线，即可向负载提供一定的功率。,集成功放LM384：,生产厂家：美国半导体器件公司,电路形式：OTL,输出功率：8负载上可得到5W功率,电源电压：最大为28V,集成功放 LM384管脚说明:,14 - 电源端（ Vcc）,3、4、5、7 - 接地端（ GND）10、11、12 - 接地端（GND）,2、6 - 输入端 （一般2脚接地）,8 - 输出端 （经500
17、电容接负载）,1 - 接旁路电容（5 ）,9、13 - 空脚（NC）,集成功放 LM384 外部电路典型接法：,调节音量,电源滤波电容,外接旁路电容,低通滤波,去除高频噪声,输入信号,输出耦合大电容,数字部分：,第一章 数字逻辑基础,1.1 数字电路的基础知识1.2 基本逻辑关系1.3 逻辑代数及运算规则 1.4 逻辑函数的表示法1.5 逻辑函数的化简,1.1.1 数制,1.1.2 二进制码,数字系统的信息,数值,文字符号,二进制代码,编码,1.1 数字电路的基础知识,二进制数,自然码,8421码,2421码,5421码,余三码,基本逻辑关系：与 ( and )、或 (or ) 非 ( not
18、 )。,1.2 基本逻辑关系,一、“与”逻辑,与逻辑：决定事件发生的各条件中，所有条件都具备，事件才会发生（成立）。,规定: 开关合为逻辑“1” 开关断为逻辑“0” 灯亮为逻辑“1” 灯灭为逻辑“0”,逻辑符号：,逻辑式：F=ABC,逻辑乘法逻辑与,真值表,真值表特点: 任0 则0, 全1则1,与逻辑运算规则：,0 0=0 0 1=01 0=0 1 1=1,二、 “或”逻辑,或逻辑：决定事件发生的各条件中，有一个或一个以上的条件具备，事件就会发生（成立）。,规定: 开关合为逻辑“1” 开关断为逻辑“0” 灯亮为逻辑“1” 灯灭为逻辑“0”,真值表,逻辑符号：,逻辑式：F=A+B+C,逻辑加法逻
19、辑或,真值表特点： 任1 则1, 全0则0。,或逻辑运算规则:,0+0=0 0+1=11+0=1 1+1=1,三、 “非”逻辑,“非”逻辑：决定事件发生的条件只有一个，条件不具备时事件发生（成立），条件具备时事件不发生。,规定: 开关合为逻辑“1” 开关断为逻辑“0” 灯亮为逻辑“1” 灯灭为逻辑“0”,逻辑符号：,逻辑非逻辑反,真值表特点: 1则0, 0则1。,逻辑式：,运算规则：,四、几种常用的逻辑关系逻辑,“与”、“或”、“非”是三种基本的逻辑关系，任何其它的逻辑关系都可以以它们为基础表示。,与非：条件A、B、C都具备，则F 不发生。,其他几种常用的逻辑关系如下表：,或非：条件A、B、C
20、任一具备，则F 不发生。,异或：条件A、B有一个具备，另一个不具备则F 发生。,同或：条件A、B相同，则F 发生。,基本逻辑关系小结,1.3 逻辑代数及运算规则,数字电路要研究的是电路的输入输出之间的逻辑关系，所以数字电路又称逻辑电路，相应的研究工具是逻辑代数（布尔代数）。,在逻辑代数中，逻辑函数的变量只能取两个值（二值变量），即0和1，中间值没有意义。,0和1表示两个对立的逻辑状态。,例如：电位的低高（0表示低电位，1表示高电位）、开关的开合等。,1.3.1 逻辑代数的基本运算规则,加运算规则:,0+0=0 ，0+1=1 ，1+0=1，1+1=1,乘运算规则:,00=0 01=0 10=0
21、11=1,非运算规则:,1.3.2 逻辑代数的运算规律,一、交换律,二、结合律,三、分配律,A+B=B+A,A B=B A,A+(B+C)=(A+B)+C=(A+C)+B,A (B C)=(A B) C,A(B+C)=A B+A C,A+B C=(A+B)(A+C),四、吸收规则,1.原变量的吸收：,A+AB=A,证明：,A+AB=A(1+B)=A1=A,利用运算规则可以对逻辑式进行化简。,吸收是指吸收多余（冗余）项，多余（冗余）因子被取消、去掉 被消化了。,长中含短，留下短。,2.反变量的吸收：,证明：,长中含反，去掉反。,3.混合变量的吸收：,正负相对，余全完。,五、反演定理,德 摩根 (
22、De Morgan)定理：,1.4 逻辑函数的表示法,四种表示方法,逻辑代数式 (逻辑表示式, 逻辑函数式),逻辑电路图:,卡诺图,真值表：将逻辑函数输入变量取值的不同组合与所对应的输出变量值用列表的方式一一对应列出的表格。,1.4.1 逻辑函数四种表示方式的相互转换,一、逻辑电路图逻辑代数式,AB,二、真值表卡诺图,二变量卡诺图,真值表,三、真值表、卡诺图逻辑代数式,方法：将真值表或卡诺图中为1的项相加，写成 “与或式”。,1.5 逻辑函数的化简,1.5.1 利用逻辑代数的基本公式,例1：,最简与或式,乘积项的项数最少。,每个乘积项中变量个数最少。,1.5.2 利用卡诺图化简,F=AB+BC
23、,化简过程：,卡诺图适用于输入变量为3、4个的逻辑代数式的化简；化简过程比公式法简单直观。,利用卡诺图化简的规则,1. 相邻单元的个数是2n个，并组成矩形时，可以合并。,4. 每一个组合中的公因子构成一个“与”项，然后将所有“与”项相加，得最简“与或”表示式。,2. 先找面积尽量大的组合进行化简，利用吸收规则， 2n个相邻单元合并，可吸收掉n个变量。,3. 各最小项可以重复使用。但每一次新的组合，至少包含一个未使用过的项，直到所有为1的项都被使用后化简工作方算完成。,5. 注意利用无所谓状态，可以使结果大大简化。,第二章 门电路,2.1 概述2.2 分离元件门电路2.3 TTL与非门2.4 其
24、它类型的TTL门电路2.5 MOS门电路,2.1 概述,门电路的作用：是用以实现逻辑关系的电子电路，与基本逻辑关系相对应。,门电路的主要类型：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。,门电路的输出状态与赋值对应关系：,正逻辑：高电位对应“1”；低电位对应“0”。,混合逻辑：输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输入用负逻辑、输出用正逻辑。,一般采用正逻辑,负逻辑：高电位对应“0”；低电位对应“1”。,在数字电路中，对电压值为多少并不重要，只要能判断高低电平即可。,K开-VO输出高电平，对应“1” 。K合-VO输出低电平，对应“0” 。,开关作用,二极管,反向截止：,开关接通,开关断开,三极管（C,E)
25、,饱和区：,截止区：,开关接通,开关断开,正向导通：,三极管的开关特性：,2.2 分离元件门电路,一、二极管与门,逻辑变量,( uD=0.3V ),逻辑式：F=A B,逻辑符号：,二、二极管或门,逻辑式：F=A+B,逻辑符号：,三、三极管非门,嵌位二极管,逻辑式：,逻辑符号：,四、与非门,逻辑式：,逻辑符号：,1. 体积大、工作不可靠。,2. 需要不同电源。,3. 各种门的输入、输出电平不匹配。,分立元件门电路的缺点：,采用类似的方法还可以构成或非门、异或门等。,2.3 TTL与非门,数字集成电路：在一块半导体基片上制作出一个完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线。使用时接：电源、输入和输出。数
26、字集成电路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价格便宜的特点。,TTL型电路：输入和输出端结构都采用了半导体晶体管，称之为: Transistor Transistor Logic。,100个以下：小规模集成电路 ( Small Scale Integration :SSI ),几百个：中规模集成电路 （Medium Scale Integration :MSI ),几千个：大规模集成电路 （ Large Scale Integration :LSI ),一万个以上：超大规模集成电路 （ Very Large Scale Integration :VLSI ),名称,2.3.1 TTL与非门的基
27、本原理,有关TTL与非门原理、特性和技术参数课上不详述。请看附件,转换方法：采用反演定理。,例：与非门可以转换成其他各种逻辑门。,把与非门的输入端连接在一起，就转换成非门。,显然，与非门、或非门等也很容易得到。,2.3.2 各种逻辑门的相互转换, 2.4 其它类型的TTL门电路,2.4.1 集电极开路的与非门（OC门）,2.4.2 三态门,2.5 MOS门电路,MOS电路的特点：,2. 是电压控制元件，静态功耗小。,3. 允许电源电压范围宽（318V）。,4. 扇出系数大，抗噪声容限大。,优点,1. 工艺简单，集成度高。,缺点：工作速度比TTL低 。,2.5.1 MOS反相器,ui=“1”,u
28、i=“0”,T2（负载管）,T1 (驱动管）,UGS= UDS UT导通,有源负载,(非线性电阻),2.5.2 CMOS反相器,CMOS电路,工作原理：,ui=0时： ugs2=UCC ， T2导通、T1截止，uo=“”；ui=1时： T1导通、T2截止，uo=“0”。,Complementary -Symmetry MOS互补对称式MOS,T1 : ONT2: OFF,OFFON,2.5.3 CMOS与非门,工作原理:,0 0 1,0 1 1,1 0 1,1 1 0,工作原理:,0 0 1,0 1 0,1 0 0,1 1 0,2.5.4 CMOS或非门,附: 门电路的常见逻辑符号,第三章 组
29、合逻辑电路,3.1 概述3.2 组合逻辑电路分析基础3.3 组合逻辑电路设计基础3.4 几种常用的组合逻辑组件3.5 利用中规模组件设计组合 电路,3.1 概述,逻辑电路,组合逻辑电路,时序逻辑电路,功能：输出只取决于 当前的输入。,组成：门电路，不存在记忆元件。,功能：输出取决于当前的输入和原来的状态。,组成：组合电路、记忆元件。,组合电路的研究内容：,分析：,设计：,给定 逻辑图,得到逻辑功能,分析,给定逻辑功能,画出 逻辑图,设计,3.2 组合逻辑电路分析基础,1. 由给定的逻辑图逐级写出逻辑关系表达式。,分析步骤：,2. 用逻辑代数或卡诺图对逻辑代数进行化简。,3. 列出输入输出状态表
30、并得出结论。,电路 结构,输入输出之间的逻辑关系,例1：分析下图的逻辑功能。,真值表,特点：输入相同为“1”； 输入不同为“0”。,同或门,3.3 组合逻辑电路设计基础,任务要求,最简单的逻辑电路,1. 指定实际问题的逻辑含义，列出真值表。,分析步骤：,2. 用逻辑代数或卡诺图对逻辑代数进行化简。,3. 列出输入输出状态表并得出结论。,3.4 几种常用的组合逻辑组件,3.4.1 编码器,所谓编码就是赋予选定的一系列二进制代码以固定的含义。,n个二进制代码（n位二进制数）有2n种不同的组合，可以表示2n个信号。,一、二进制编码器,二进制编码器的作用：将一系列信号状态编制成二进制代码。,二、二-十进制编码器,
