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第2章 电子电路基础



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,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。
R2 R1 ui

D2

D1 uo

? ?

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。
+5V +5V

SE303

PH302

150Ω 1kΩ 1kΩ

? 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。
R

ui

D

uo

? ? ? ? ? ?

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20~120 之间,典型值为60。 ? 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。 ? 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。
差动输入级 中间放大级 输出级

偏置电路

? 2.3.2 运算放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100~140dB 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100~140dB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率。其单位为V/μs。

? 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: ? ⑴ 输入失调电压为零。 ? ⑵ 输入失调电流为零。 ? ⑶ 差模开环电压增益趋近∝。 ? ⑷ 共模抑制比趋近∝。 ? ⑸ 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: u R
o

ui

?1?

2

R1

? 选择不同的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。
i2 R2 i1 ui uo R1

R3

? ? 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:
uo R2 ?? ui R1

? 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:
u1 u2 u3 uo ? ? Rf ( ? ? ) R1 R2 R3

? 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:
R2 R1 u1 u2 uo R3 R4

R R R4 u o ? ? 2 u1 ? (1 ? 2 )( )u 2 R1 R1 R3 ? R4 时, ? 当R1=R3,R2=R4

? 放大器输入输出电压 uo R2 ? ? 之间的关系为: u 2 ? u1 R1 ? 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, R1 输入输出电压之 C 间的关系为:
R ui uo

? 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。

1 uo ? ? u i dt ? RC 0

t

? ? ? ? ?

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, R 其输入输出电压 R1 之间的关系为:
ui C uo

? 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。

dui u o ? ? RC dt

? 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”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 写成下面的表达式:F=A· B· C ? 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。
R

G1

C

G2

G3

uo

? 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。 ? 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: SD ? RD ? 1 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: S D ? RD ? 1



Qn?1 ? J n Qn ? KnQn

? 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。

? 2.74LS192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, Programmable ROM)、可擦除 可编程ROM(EPROM, Erasible Programmble ROM) 和可电擦除可编程ROM(EEPROM)等。

? 1.ROM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: ? ① 读出方式。在读出方式时,可将EPROM中 的数据读出到输出端O0~O7。 ? ② 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。 ? ③ 编程方式。编程就是向新购的或者擦除后的 EPROM芯片写入数据。 ? ④ 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。 ? ⑤ 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) ? 1.RAM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。



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