电 子

技 术

(本资料来自于互联网，最终解释权以及文献所有权归原作者所有，在此对作者表示感谢，有些数据有错误，欢迎大家指出)

绪 论

I. 电子技术发展史

电子技术的出现和应用，使人类进入了高新技术时代。电子技术诞生的历史虽短，但深入的领域却是最深最广，它不仅是现代化社会的重要标志，而且成为人类探索宇宙宏观世界和微观世界的物质技术基础。电子技术是在通信技术发展的基础上诞生的。随着新型电子材料的发现，电子器件发生了深刻变革。自1906年第一支电子器件发明以来，世界电子技术经历了电子管、晶体管和集成电路等重要发展阶段。

I. 电子技术发展史

电子技术的出现和应用，使人类进入了高新技术时代。电子技术诞生的历史虽短，但深入的领域却是最深最广，它不仅是现代化社会的重要标志，而且成为人类探索宇宙宏观世界和微观世界的物质技术基础。电子技术是在通信技术发展的基础上诞生的。随着新型电子材料的发现，电子器件发生了深刻变革。1906年第一支电子器件发明以来，世界电子技术经历了电子管、晶体管和集成电路等重要发展阶段。

1.原始通信方式——人力、烽火台等

2.横木通信机——1791年(法)C.Chappe

3.有线电报——1837年(美)S . B . Morse

4.有线电话——1875年(苏)A. G. Bell

5.无线电收发报机——1895年(意)G.Marconi

通信业务蓬勃发展——电子器件产生之后。

一. 通信技术的发展

电子器件是按照“电子管——晶体管——集成电路”的顺序，逐步发展起来的。

二. 电子器件的产生

1. 真空电子管的发明：

真空二极管——1904年(美)Fleming

真空三极管——1906年(美)Leede Forest

2.晶体管的产生

晶体管Transistor——1947(美)

Shockley、 Bardeen、Brattain

集成电路IC(integrate circuit)——1959 (美) Kilby、Noyis

二. 电子器件的产生

3.集成电路的出现

集成电路的出现，标志着人类进入了微电子时代。

自电子器件出现至今，电子技术已经应用到了社会的各个领域。

II .电子技术的应用

II .电子技术的应用

III. 课程安排

一. 内容划分

返 回

前 进

二. 时间安排

学习时间——1学年

上半年：模拟部分

下半年： 数字部分

三.学习注意事项

课程特点

电路图多、内容分散、误差较大

计算简单、实用性强

学习方法

掌握电路的构成原则、记住几个典型电路

及时总结及练习、掌握近似原则、与实验有机结合

第一编 模拟部分

第一章 半导体器件

半导体材料、由半导体构成的PN

结、二极管结构特性、三极管结构特性及

场效应管结构特性。

本章主要内容：

1 .1 半导体(Semiconductor)导电特性

根据导电性质把物质分为导体、绝

缘体、半导体三大类。

而半导体又分为本征半导体、杂质

(掺杂)半导体两种。

1 .1 .1 本征半导体

纯净的、不含杂质的半导体。常用的半导体材

料有两种：硅(Si)、锗(Ge)。

硅Si (锗Ge)的原子结构如下：

这种结构的原子利用共价键构成了本征半导体结构。

但在外界激励下，产生电子—空穴对(本征激发) ，呈现导体的性质。

这种稳定的结构使得本征半导体常温下不能导电，呈现绝缘体性质。

但在外界激励下，产生电子—空穴对(本征激发) ，呈现导体的性质。

这种稳定的结构使得本征半导体常温下不能导电，呈现绝缘体性质。

在外界激励下，产生电子—空穴对(本征激发)。

空穴也可移动(邻近电子的依次填充)。

在外界激励下，产生电子—空穴对(本征激发)。

空穴也可移动(邻近电子的依次填充)。

在外界激励下，产生电子—空穴对(本征激发)。

空穴也可移动(邻近电子的依次填充)。

半导体内部存在两种载流子(可导

电的自由电荷)：电子(负电荷)、空

穴(正电荷)。

在本征半导体中，本征激发产生了

电子—空穴对，同时存在电子—空穴对

的复合 。

电子浓度 =

空穴浓度 ni = pi

1 .1 .2 杂质半导体

在本征半导体中掺入少量的其他特定元素(称为杂质)而形成的半导体。

根据掺入杂质的不同，杂质半导体又分为N型半导体和P型半导体。

常用的杂质材料有5价元素磷P和3价元素硼B。

N型半导体内部存在大量的电子和少量的空穴，电子属于多数载流子(简称多子)，空穴属于少数载流子(简称少子)。 n ≥ p

N型半导体主要靠电子导电。

一 . N型半导体(电子型半导体)

P型半导体内部存在大量的空穴和少量的电子，空穴属于多数载流子(简称多子)，电子属于少数载流子(简称少子)。 p ≥ n

P型半导体主要靠空穴导电。

二 . P型半导体(空穴型半导体)

杂质半导体导电性能主要由多数载流子决定，总体是电中性的，通常只画出其中的杂质离子和等量的多数载流子。

杂质半导体的简化表示法

1 .2 半导体二极管(Diode)

二极管的主要结构是PN结。

1 .2 .1 PN结(

PN Junction )

一. PN结的形成

多子扩散(在PN结合部形成内电场EI)。

内电场阻碍多子扩散、利于少子漂移。

当扩散与漂移相对平衡，形成PN结。

PN结别名：耗尽层、势垒区、电位壁垒、阻挡层、内电场、空间电荷区等。

二. PN结性质——单向导电性

1. 正向导通

PN结外加正向电压(正向偏置)——P接 +、N接 - ，形成较大正向电流(正向电阻较小)。如3mA。

2 .反向截止

PN结外加反向电压(反向偏置)——P接 -、N接

+，形成较小反向电流(反向电阻较大)。如10μA。

二. PN结性质——单向导电性

当电压超过某个值(约零点几伏)，全部少子参与导电，形成“反向饱和电流IS”。

反偏电压最高可达几千伏。

1 .2 .2 二极管

用外壳将PN结封闭，引出2根极线，就构成了二极管 。

一．二极管伏安特性

正向电流较大(正向电阻较小)，反向电流较小(反向电阻较大)。

门限电压(死区电压)Vγ(Si管约为0.5V、Ge管约为0.1V)，反向击穿电压VBR(可高达几千伏)

二极管电压电流方程：

二．二极管主要参数

1. 最大整流电流IF

2. 最高反向工作电压UR

3. 反向电流IR

4. 最高工作频率fM

由三块半导体构成，分为NPN型和PNP型两种。三极管含有3极、2结、3区。其中发射区高掺杂，基区较薄且低掺杂，集电区一般掺杂。

1 .3 三极管(Transistor)

1 .3 .1 三极管结构及符号

1 .3 三极管(Transistor)

1 .3 .2 三极管的三种接法(三种组态)

三极管在放大电路中有三种接法：共发射极、共基极、共集电极。

1 .3 三极管(Transistor)

1 .3 .3 三极管内部载流子传输

下面以共发射极NPN管为例分析三极管内部载流子的运动规律，从而得到三极管的放大作用。

为保证三极管具有放大作用(直流能量转换为交流能量)，三极管电路中必须要有直流电源，并且直流电源的接法必须保证三极管的发射结正偏、集电结反偏

。

1 .3 .3 三极管内部载流子传输

一.发射区向基区

发射载流子(电子)

1 .3 .3 三极管内部载流子传输

一.发射区向基区

发射载流子(电子)

二.电子在基区的

疏运输运和复合

1 .3 .3 三极管内部载流子传输

一.发射区向基区

发射载流子(电子)

二.电子在基区的

疏运输运和复合

三.集电区收集电子

1 .3 .4 三极管各极电流关系

一. 各极电流关系

IE = IEN + IBN ≈ IEN

IB = IBN － ICBO

IC = ICN + ICBO

IE = IC + IB

二. 电流控制作用

β=ICN / IBN≈IC / IB

IC=βIB + (1+ β)ICBO =βIB + ICEO ≈β IC

α=ICN / IEN≈IC / IE

IC= αIE + ICBO ≈ α IE

1 .3 .5 共射NPN三极管伏安特性曲线

一. 输入特性曲线

IB = f ( UBE ，UCE )

实际测试时如下进行：

IB = f ( UBE )|UCE

UCE ＞5V的特性曲线基本重合为一条，手册可给出该条曲线。

1 .3 .5 共射NPN三极管伏安特性曲线

二. 输出特性曲线

IC = f ( IB ，UCE )

实际测试时如此进行：

IC = f ( UCE )|IB

1 .3 .5 共射NPN三极管伏安特性曲线

二. 输出特性曲线

IC = f ( IB ，UCE )

实际测试时如下进行：

IC = f ( UCE )|IB

发射结正偏、集电结反偏时，三极管工作在放大区(处于放大状态)，有放大作用：IC =βIB + ICEO

两结均反偏时，三极管工作在截至区(处于截止状态) ，无放大作用。IE=IC=ICEO≈0

发射结正偏、集电结正偏时，三极管工作在饱和区(处于饱和状态) ，无放大作用。IE=IC(较大)

1 .3 .6 三极管主要参数

一. 电流放大系数

1. 共发射极电流放大系数

直流β≈IC/IB 交流β≈ΔIC/ΔIB 均用β表示。

2. 共基极电流放大系数

直流α≈IC/IE 交流α≈ΔIC/ΔIE 均用α表示。

二. 反向饱和电流

1.集电极—基极间反向饱和电流ICBO

2.集电极—发射极间穿透电流ICEO

ICEO = (1+β) ICBO

β=α/(1－α) α=β/(1+β)

1 .3 .6 三极管主要参数

一. 电流放大系数

β≈IC/IB α≈IC/IE β=α/(1－α) α=β/(1+β)

二. 反向饱和电流

ICBO ICEO ICEO = (1+β) ICBO

三. 极限参数

1. 集电极最大允许电流ICM

2. 集电极最大允许功耗PCM

3. 反向击穿电压U(BR)CEO 、U(BR)CBO

三极管的安全工作区

1 .4 场效应管(Field Effect

Transistor )

场效应管是单极性管子，其输入PN结处于反偏或绝缘状态，具有很高的输入电阻(这一点与三极管相反)，同时，还具有噪声低、热稳定性好、抗辐射性强、便于集成等优点。

场效应管是电压控制器件，既利用栅源电压控制漏极电流(iD = gmuGS)——这一点与三级管(电流控制器件,

基极电流控制集电极电流,iC = βiB)不同，而栅极电流iD为0(因为输入电阻很大)。

场效应管分为两大类:结型场效应管(JFET——Junction Field Effect

Transistor)、绝缘栅型场效应管(IGFET——Insulated Gate Field Effect

Transistor)。

1 .4 .1 结型场效应管

一. 结构及符号

N沟道管靠(单一载流子)电子导电，P沟道管靠(单一载流子)空穴导电。场效应管的栅极G、源极S和漏极D与三级管的基极b、发射极e和集电极c相对应。

1 .4 .1 结型场效应管

二.工作原理(栅源电压UGS对漏极电流ID的控制作用)

以N沟道管为例。漏源之间的PN结必须反偏。

N沟道结型场效应管加上反偏的栅源电压UGS (UGS＜0)

，在漏源之间加上漏源电压UDS(UDS＞0)，便形成漏极电流ID。而且UGS可控制ID。

1 .4 .1 结型场效应管

二.工作原理(栅源电压UGS对漏极电流ID的控制作用)

1.当VGS=0时，沟道最宽，沟道电阻最小，加上VDS可形成最大的ID；

2.当VGS＜0时，沟道逐渐变窄，沟道电阻逐渐变大，ID逐渐减小；

3.当VGS=VP (夹断电压)时，沟道夹断，沟道电阻为无限大，ID=0。

所以，栅源电压VGS对漏极电流ID有控制作用。

1 .4 .1 结型场效应管

三. JFET特性曲线

VGS=0时,随着VDS的增大,沟道变化情况如下:

加上VGS，沟道会进一步变窄。

1 .4 .2  结型场效应管

三. JFET特性曲线

1.转移特性曲线

ID =f( UGS )|UDS

1 .4 .1 结型场效应管

三. JFET特性曲线

2.漏极特性曲线

变化VGS,得到一族特性曲线。分为可变电阻区、恒流区、击穿区三部分。

JFET管处于恒流状态时，有 ID=gmVGS

ID =f( UDS )|UGS

1 .4 .1 结型场效应管

四. JFET管工作过程小结

N沟道JFET

栅源电压VGS为负值，漏源电压VDS为正值(P沟道JFET与之相反)。在栅源电压VGS控制下，漏极电流ID随栅源电压而发生变化。并且，VGS=0时，ID最大；VGS=

VP 时，ID=0。二者之间关系为：

ID=gmVGS (栅源间必须反偏)

1 .4 .2 结型场效应管

三. JFET特性曲线

3.转移—输出特性关系

由输出特性曲线可得到转移特性曲线

1 .4 .1 结型场效应管

四. JFET管工作过程小结

N沟道JFET

栅源电压VGS为负值，漏源电压VDS为正值(P沟道JFET与之相反)。在栅源电压VGS控制下，漏极电流ID随栅源电压而发生变化。并且，VGS=0时，ID最大；VGS=

VP 时，ID=0。二者之间关系为：

ID=gmVGS (栅源间必须反偏)

1 .4 .1 绝缘栅型场效应管

这种场效应管的栅极处于绝缘状态，输入电阻更高。广泛运用的是金属—氧化物—半导体场效应管MOSFET(Metal—Oxide—Semicondoctor

type Field Effect Transistor)，简计为MOS管。分为增强型MOS管和耗尽型MOS管两类

，每类又有N沟道和P沟道两种管子。

1 .4 .1 绝缘栅型场效应管

一. 结构及符号

二. 增强型N沟道MOS管工作过程

1. UGS=0，无导电 沟道，不能导电

2. UGS逐渐增大，形成耗尽层

3. UGS≥ UT ，形成反型层(N沟道)

4. 加上UDS，导电沟道不均匀

5. UGS - UDS = UT ，沟道预夹断

6. UDS继续增大,沟道夹断, 使ID基本不变

三.增强型N沟道MOS管特性曲线

转移特性近似表示为ID =IDO(UGS/UT – 1)2

(其中IDO 为UGS = 2UT 时的ID 值)

四. 耗尽型N沟道MOS管工作过程

不加栅源电压时，在MOS管体内已存在导电沟道。而所加栅源电压可以控制导电沟道的宽窄，从而控制漏极电流。且当UGS＞0时，导电沟道更宽，电流UD变大；UGS＝0时，导电沟道保持原有宽度，电流ID适中；当VGS＜0时，导电沟道变窄。电流ID变小。当UGS小到夹断电压UP

时，沟道全部夹断，使得ID=0。

四.耗尽型N沟道MOS管特性曲线

各类场效应管偏置电压极性

五.场效应管的主要参数

1.直流参数

(1)饱和漏极电流IDSS

(2)夹断电压UP

(3)开启电压UT

2.交流参数

(1)低频跨导gm 其中 gm=(△ID/ △ID )|UDS

(2)极间电容 CGS CGD CDS

3.极限参数

(1) 漏源击穿电压V(BR)DS

(2) 栅源击穿电压V(BR)GS

(3) 最大漏极电流IDM

(4) 最大漏极耗散功率PDM

第二章 基本放大电路

放大器构成及主要技术指标、放大器分析方法、三种组态放大器、场效应管放大器、多级放大器 。

本章主要内容：

前 进

返 回

2.1 放大的概念

1．信号：电流或电压。

信号放大时，放大的是信号的幅度，信号的频率不变。信号放大主要是利用三极管基极电流对集电极电流的控制作用(IC=βIb)或场效应管栅极电压对漏极电流的控制作用(Id=gmUgs)。

2．放大的概念

2 .2 .1 原理电路

主要元件——处于放大状态的三极管。

2.2 单管共发射极放大电路

为保证三极管的偏置，要加上直流电源。

为限流，应加上降压电阻。

为放大信号，加上信号源及输出端。

2 .2 .1 原理电路

主要元件——处于放大状态的三极管。

2.2 单管共发射极放大电路

为保证三极管的偏置，要加上直流电源。

为限流，应加上降压电阻。

为放大信号，加上信号源及输出端。

2 .2 .2 电路放大工作原理

2.2 单管共发射极放大电路

考虑到uCE = VCC - iCRC ，而VCC是固定不便的，则变化量ΔuCE = -ΔiCRC 。

ui

ΔuBE

ΔiB

uO

ΔiC =βΔiB

ΔuCE

2 .2 .3 实际放大器

2.2 单管共发射极放大电路

首先改成单电源供电，

再加上隔直电容，

共射放大器

习惯画成：

2 .2 .4 放大器构成原则

2.2 单管共发射极放大电路

1. 保证三极管发射结正偏、

集电结反偏(如右图所示)；

2. 欲放大信号能进入三极管中；

3. 所放大信号能传输到负载上。

电路举例

2.2 单管共发射极放大电路

×

×

×

×

×

×

对于放大器，除分析静态量(直流量)，还要分析如下动态量(交流量)：

2.3 放大电路主要技术指标

1.放大倍数(增益)Au、Ai

3.非线性失真系数D

2.最大输出信号幅度Uom、Iom

4.输入电阻Ri

5.输出电阻Ro

6.通频带BW

7.最大输出功率Pom及转换效率η

对于放大器，除分析静态量(直流量)，还要分析如下动态量(交流量)：

2.3 放大电路主要技术指标

1.放大倍数(增益)Au、Ai

Au=Uo / Ui

Ai=Io / Ii

Aus=Uo / Us

对于放大器，除分析静态量(直流量)，还要分析如下动态量(交流量)：

2.3 放大电路主要技术指标

最大不失真输

出信号幅值。

2.最大输出信号幅度Uom、Iom

对于放大器，除分析静态量(直流量)，还要分析如下动态量(交流量)：

2.3 放大电路主要技术指标

3.非线性失真系数D

输出信号 uo = u1 + u2 + u3 + …

其中， u1是基波， u2 、 u3 、…是谐波

对于放大器，除分析静态量(直流量)，还要分析如下动态量(交流量)：

2.3 放大电路主要技术指标

4.输入电阻Ri

Ri=Ui / Ii

对于放大器，除分析静态量(直流量)，还要分析如下动态量(交流量)：

2.3 放大电路主要技术指标

5.输入电阻Ro

实际测量时

Ro =(U′o/ Uo - 1)RL

对于放大器，除分析静态量(直流量)，还要分析如下动态量(交流量)：

2.3 放大电路主要技术指标

6.通频带BW

BW = fH - fL

对于放大器，除分析静态量(直流量)，还要分析如下动态量(交流量)：

2.3 放大电路主要技术指标

η= Pom/PV

7.最大输出功率Pom及转换效率η

附：电路中有关符号规定

直 流 量：

大写字母、大写脚码 如 IB、UCE

交流瞬时量：

小写字母、小写脚码 如 ib、uce

交流有效量：

大写字母、小写脚码 如 Ib、Ucce

交直流总量：

小写字母、大写脚码 如 iB、uCE

放大器分析有静态分析和动态分析。其中动态分析最常用的方法有图解法(大信号)和等效电路法(小信号)。

2.4 放大电路基本分析方法

一.直流等效电路(直流通路)

2.4.1 放大器直流通路与交流通路

直流信号所通过的线路，用于分析直流量。

直流通路作法：断开隔直电容。

一.直流等效电路(直流通路)

2.4.1 放大器直流通路与交流通路

交流信号所通过的线路，用于分析交流量。

交流通路作法：短路隔直电容和直流电源。

2.4 放大电路基本分析方法

二.交流等效电路(交流通路)

在放大电路或其直流通路中，计算IB，UBE，IC，UCE 。

其中， UBE =

0.7V(Si管)或0.2V(Ge管)——当作已知量。

2.4.2 静态工作点的估算

2.4 放大电路基本分析方法

IB =(Vcc - UBE )/ RB ≈ Vcc / RB

IC =βIB

UCE = Vcc -ICRC

2.4.3 图解法

2.4 放大电路基本分析方法

先利用估算法计算出IB，在输入特性曲线上作静态工作点Q，再在输出特性曲线上作出直流负载线uCE=VCC-iCRC，其与IB的交点及静态工作点Q，直流负载线的斜率为-1/RC

。

一．静态分析

2.4.3 图解法

2.4 放大电路基本分析方法

先利用估算法计算出IB，在输入特性曲线上作静态工作点Q，再在输出特性曲线上作出直流负载线uCE=VCC-iCRC，其与IB的交点及静态工作点Q，直流负载线的斜率为-1/RC

。

一．静态分析

作出交流负载线(斜率为交流负载-1/RL′、过静态工作点Q)，

2.4.3 图解法

2.4 放大电路基本分析方法

二．动态分析

作出交流负载线(斜率为交流负载-1/RL′、过静态工作点Q)，

2.4.3 图解法

2.4 放大电路基本分析方法

二．动态分析

然后根据已知的输入信号[如ui=0.05sinωt(V)]，分别在输入特性、输出特性上的静态工作点附近得出动态范围，

作出交流负载线(斜率为交流负载-1/RL′、过静态工作点Q)，然后根据已知的输入信号[如ui=0.05sinωt(V)]，分别在输入特性、输出特性上的静态工作点附近得出动态范围，

根据动态范围作出输入输出波形，求出Au、Ai。

2.4.3 图解法

2.4 放大电路基本分析方法

二．动态分析

进而

作出交流负载线(斜率为交流负载-1/RL′、过静态工作点Q)，然后根据已知的输入信号[如ui=0.05sinωt(V)]，分别在输入特性、输出特性上的静态工作点附近得出动态范围，进而根据动态范围作出输入输出波形，求出Au、Ai。

2.4.3 图解法

2.4 放大电路基本分析方法

二．动态分析

1.估算IB，并在输入特性曲线上标出Q点；

2.4.3 图解法

2.4 放大电路基本分析方法

图解法步骤小结：

2.在输出特性曲线上作直流负载线，并标出Q点；

3.在输出特性曲线上作交流负载线(斜率为-1/RL′,过Q点)；

4.根据已知条件在输入特性曲线上以静态工作点为中心确定输入电流动态范围(输入信号摆动范围)，作输入信号波形；根据输入电流摆动范围，找出交流负载线与输出特性曲线的两个交点，此为输出动态范围(输出信号摆动范围)，作输出信号波形。

5.计算Au、Ai。

2.4.3 图解法

2.4 放大电路基本分析方法

三．图解法应用

1.分析非线性失真

[设ii=20sinωt(uA) ]

(1)静态工作点过低，

出现截止失真。

解决办法：提高Q点，可减小RB。

2.4.3 图解法

2.4 放大电路基本分析方法

三．图解法应用

1.分析非线性失真

[设ii=20sinωt(uA) ]

(2)静态工作点过高，

出现饱和失真。

解决办法：降低Q点，可增大RB。

2.4.3 图解法

2.4 放大电路基本分析方法

三．图解法应用

1.分析非线性失真

[设ii=65sinωt(uA) ]

(3)输入信号过大，

出现饱和—截止失真。

解决办法：减小输入信号。

2.4.3 图解法

2.4 放大电路基本分析方法

三．图解法应用

2.分析放大

最大不失真

输出信号

(1)静态工

作点较高。

2.4.3 图解法

2.4 放大电路基本分析方法

三．图解法应用

2.分析放大

最大不失真

输出信号

(2)静态工

作点较低。

2.4.3 图解法

2.4 放大电路基本分析方法

三．图解法应用

2.分析放大器最大不失真输出信号

静态工作点在位于放大区中央最佳。

2.4.3 图解法

2.4 放大电路基本分析方法

三．图解法应用

3.分析电路参数对静态工作点的影响

(1)RB的影响

直流负载线不变。RB变大时IB减小，Q点下移，易出现截止失真；RB变小时IB减小，Q点上移，易出现饱和失真。

2.4.3 图解法

2.4 放大电路基本分析方法

三．图解法应用

3.分析电路参数对静态工作点的影响

(2)RC的影响

直流负载线与横轴交点不变，但与纵轴交点变化。RC变大交点下移，易出现饱和失真；RC变小时交点上移，易超出安全区。

2.4.3 图解法

2.4 放大电路基本分析方法

三．图解法应用

3.分析电路参数对静态工作点的影响

(3)VCC的影响

直流负载线平行移动。VCC变大时直流负载线右移，容易超出安全区；VCC变小时直流负载线左移，容易出现饱和失真。

2.4.3 图解法

2.4 放大电路基本分析方法

三．图解法应用

3.分析电路参数对静态工作点的影响

(4)β的影响

直流负载线不变，IB不变。但β变大时，Q点上移，易出现饱和失真；β变小时，Q点下移，易出现截止失真。

2.4.4 微变等效电路法

2.4 放大电路基本分析方法

一．共射三极管的等效电路

1.三极管的h参数表达式

υBE =f (iB，υCE)

iC = g(iB，υCE)

υbe = hre•ib + hre•υce

ic = hfe•ib + hoe•υce

求全微分并变换:

简化形式(有效值形式):

Ube =

hreIb Ic = hfe Ib

又表示为:

Ic =

βIb Ube= rbeIb

2.4.4 微变等效电路法

2.4 放大电路基本分析方法

一．共射三极管的等效电路

2.三极管h参数等效电路

由Ube=βIb 、Ic=rbeIb 得简化h参数等效电路：

其中，rbe = rbb′+(1 +β)26 / IE(mA)

而rbb′一般取300Ω，或由题意给出。

2.4.4 微变等效电路法

2.4 放大电路基本分析方法

二．放大器微变等效电路

在放大器交流通路中，将三极管用简化h参数等效电路替代：

2.4.4 微变等效电路法

2.4 放大电路基本分析方法

三．利用等效电路法分析放大器

先得出放大器的微变等效电路

计算电压放大倍数Au

Ui = Ib

rbe Uo = -βIb RL′

Au = Uo / Ui = -βRL′/ rbe

计算电流放大倍数Ai

Ii ≈ Ib Io

=βIb

Ai = Io / Ii =β

计算输入电阻Ri

Ri = rbe∥RB ≈ rbe

计算输出电阻Ro

Ro = RC

1.估算静态工作点；

微变等效电路法步骤小结：

2.估算rbe；

3.作放大器的交流通路；

4.用h参数等效电路替代三极管，得到放大器微变

等效电路；

5.解有关动态量。

2.4.4 微变等效电路法

2.4 放大电路基本分析方法

2.4.4 微变等效电路法

2.4 放大电路基本分析方法

四．射极偏置放大器计算

先得出放大器的微变等效电路

计算电压放大倍数Au

Ui = Ib rbe

+(1+β)IbRE Uo

= -βIb RL′

Au = Uo / Ui = -βRL′/[ rbe +(1+β)RE]

计算电流放大倍数Ai

Ii ≈ Ib Io

=βIb

Ai = Io / Ii =β

计算输入电阻Ri

Ri = Ui / Ii = [ rbe +(1+β)RE]∥RB

计算输出电阻Ro

Ro = RC

2.4.4 微变等效电路法

2.4 放大电路基本分析方法

四．射极偏置放大器计算

在该电路中，若发射极

接有隔直电容Ce，则分析结

果与无RE放大器结果相同：

Au = -βRL′/ rbe

Ai =β

Ri ≈ rbe

Ro = RC

2.4.4 微变等效电路法

2 .4 放大电路基本分析方法

射极偏置放大器有无射极旁路电容性能比较

Au = -βRL′/ rbe

Ai =β

Ri ≈ rbe

Ro = RC

Au = -βRL′/[ rbe +(1+β)RE] (变小)

Ai

=β (不变)

Ri = [ rbe

+(1+β)RE]∥RB (变大)

Ro =

RC (不变)

2.5.1 温度对放大器性能的影响

2.5 工作点稳定问题

温度变化时，放大器静态工作点不稳定，影响放大器的性能，严重时出现失真。

构成电路时必须做到：IR＞＞IB

一般，IR =(5--10)IB

2.5.2 工作点稳定电路

一．电路构成

二．静态工作点的稳定

T↑→IC↑→IE↑→UE↑→UBE↓→IB↓→IC↓

2.5 工作点稳定问题

UB = RB1VCC/(RB1+RB2)

UE = UB - UBE

2.5.2 工作点稳定电路

三．静态分析

IC ≈ IE = UE/RE

IB =IC/β

UCE = VCC - IC(RC + RE)

2.5 工作点稳定问题

2.5.2 工作点稳定电路

四．动态分析

Au = -βRL′/ rbe

Ai =β

Ri =

rbe∥RB≈rbe (RB = RB1∥RB2)

Ro = RC

若不带旁路电容CE

Au = -βRL′/[ rbe +(1+β)RE]

Ai =β

Ri = [ rbe +(1+β)RE]∥RB

Ro = RC

2.6 放大器三种基本组态

放大器有共发射极、共基极、共集电极三种基本组态，三种组态三极管h参数等效电路如下：

2.6 放大器三种基本组态

2.6.1 共集电极放大电路

一．静态分析(静态工作点)

由 IBRB + VBE +(1 + β )IB RE = VCC

得IB=(VCC-VBE)/[RB+(1+β)RE]

IC = βIB

UCE = VCC -(1 + β )IB RE

(射极输出器)

2.6 放大器三种基本组态

2.6.1共集电极放大电路

二．动态分析

2.6 放大器三种基本组态

2.6.1共集电极放大电路

二．动态分析

RB 较大，可忽略。

1. 电流放大倍数Ai

Ii ≈

Ib IO = -(1 + β)Ib

Ai = IO/Ii = -(1 + β)

2. 电压放大倍数Au

Ui = Ibrbe + (1 + β)IbRL′

UO =(1 + β)IbRL′

Au=UO/Ui=[rbe+(1+β)RL′ ]/(1+β)RL′≈1 ( 但A V＜1

)

2.6 放大器三种基本组态

2.6.1共集电极放大电路

二．动态分析

3. 输入电阻Ri

Ii≈Ib Ui=Ibrbe +(1+β)IbRL′

Ri=Vi/Ii=rbe+(1+β)RL′——较大

4. 输出电阻Ro

去掉RL、短路Us、暂不考虑RE

UO=(rbe+Rs´)Ib IO=(1+β)Ib

Ro=VO/Io=(rbe+Rs´)/(1+β)——较小

考虑到Ro与RE要并联,输出电阻更小。

2.6 放大器三种基本组态

2.6.1共集电极放大电路(射极输出器)

三．射极输出器特点

1. 电压放大倍数约等于1(＜1)

2. 输入电阻较大

3. 输出电阻较小

射极输出器多用于放大器前后级之间的阻抗变换，在多级放大器中，常将其用于输入级和输出级。

2.6 放大器三种基本组态

2.6.2 共基极放大电路

一．静态分析(静态工作点)

UB = RB1VCC/(RB1+RB2)

UE = UB - UBE

IC ≈ IE = UE/RE

IB =IC/β

UCE = VCC - IC(RC + RE)

2.6 放大器三种基本组态

2.6.2 共基极放大电路

二．动态分析

2.6 放大器三种基本组态

2.6.2 共基极放大电路

二．动态分析

1. 电流放大倍数Ai

Ii≈-Ie =

-(1+β)Ib IO= Ic = βIb

Ai= IO / Ii = -β /(1+β)= - α

2. 电压放大倍数Au

Ui = - Ibrbe

UO = - βIbRL′

Au = UO / Ui = βRL′/ rbe

2.6 放大器三种基本组态

2.6.2 共基极放大电路

二．动态分析

3. 输入电阻Ri

Ii= - (1+β)Ib

Ui = - Ibrbe

Ri= Ui/Ii = rbe/(1+β)——较小

4. 输出电阻Ro

Ro = Rc

2.6.3 三种组态放大器性能比较

Ai

Au

Ri

Ro

频率响应

β 大

-(1+β) 大

- α 小

- βRL′/ rbe 大

≈1 小

βRL′/ rbe 大

rbe 中

rbe+(1+β)RL′ 大

rbe/(1+β) 小

Rc 中

(rbe+Rs´)/(1+β)小

Rc 中

较 差

较 好

好

i

场效应管具有输入电阻高的特点，是电压控制器件，即用栅源电压uGS控制漏极电流iD。

2.7 场效应管放大电路

一.静态分析(Ui=0)

2.7.1 共源放大电路

G极绝缘 IG=0

1.估算法

UGS = VGG

ID = IDO(UGS / UT – 1)2

UDS = VDD - ID RD

一.静态分析(Ui=0)

直流负载线：

2.图解法

UDS = VDD – ID RD

直流负载线和UGS负载线的交点即为Q点。

2.7.1 共源放大电路

二.动态分析(等效电路法)

1.共源场效应管微变等效电路

利用全微分求得Ig、Id ：

2.7.1 共源放大电路

Ig =

0 Id = gm•Ugs + Uds/rDS

其中，

二.动态分析(等效电路法)

1.共源场效应管微变等效电路

2.7.1 共源放大电路

IG =

0 ID = gm•Ugs + Uds/rDS

rDS较大(几百kΩ 以上) ，可忽略

二.动态分析(等效电路法)

2. 微变等效电路分析场效应管放大器

2.7.1 共源放大电路

首先得出交流通路(直流电源短路)

二.动态分析(等效电路法)

2. 微变等效电路分析场效应管放大器

2.7.1 共源放大电路

首先得出交流通路(直流电源短路)

再得出放大器微变等效电路

二.动态分析(等效电路法)

2. 微变等效电路分析场效应管放大器

2.7.1 共源放大电路

首先得出交流通路(直流电源短路)

再得出放大器微变等效电路

求解动态量

Ui=Ugs

UO= - Id RD= - gmUgs RD

Au= UO / Ui RD= - gmRD

Ro = RD

一.静态分析

2.7.2 自偏压放大电路

1.估算法

UGS = R1 VDD/(R1 + R2) -ID RS

再有

ID = IDO(UGS / UT – 1)2

RG上电流为零

联立便得到ID 和 UGS

而 UDS = VDD - ID (RD + RS)

UGS

UDS

一.静态分析

先由 uGS = R1 VDD/(R1 + R2) -iD RS在转移特性上

作直流负载线，得到Q点，从而得出ID 、UGS

2.图解法

再由 uDS = VDD - iD (RD + RS)在输出特性上

作直流负载线，得到Q点，从而得出ID 、UDS

ID

UGS

ID

UDS

二.动态分析(等效电路法)

2.7.2 自偏压放大电路

首先得出交流通路(直流电源短路)

二.动态分析(等效电路法)

2.7.2 自偏压放大电路

首先得出交流通路(直流电源短路)

再得出放大器微变等效电路

二.动态分析(等效电路法)

2.7.2 自偏压放大电路

首先得出交流通路(直流电源短路)

再得出放大器微变等效电路

求解动态量

Ui=Ugs

UO= - Id RL′ = - gmUgs RL′

Au= UO / Ui RD= - gm RL′

Ri = RG + R1∥R2

Ro = RD

2.8 多级放大电路

一.阻容耦合

2.8.1 多级间耦合方式

2.8 多级放大电路

二.变压器耦合

2.8.1 多级间耦合方式

2.8 多级放大电路

三.直接耦合

2.8.1 多级间耦合方式

四. 直接耦合放大器中的两个问题

2.8.1 多级间耦合方式

1. 级间电平配置问题

采用如下几种方式来改进电路

前后级直接连接，静态工作点互相影响，如第二级的UBE=0.7V,则第一级的UCE=0.7V,致使第一级三极管饱和，整个电路不能正常放大。

四. 直接耦合放大器中的两个问题

2.8.1 多级间耦合方式

解决级间电平配置问题的方法

(1)后级射极偏置

提高UBE2(UCE1)

(2)采用PNP—NPN

管匹配使用

(3)前后级间接入稳

压管,提高前级UCE

四. 直接耦合放大器中的两个问题

2.8.1 多级间耦合方式

2. 零点漂移问题

三极管受温度、光照等因素影响，静态工作点发生变化，使得输入为零时，仍有缓慢变化(接近直流)输出信号存在，称为零点漂移现象。

零漂信号较小且频率较低，故对单级放大器、多级阻容耦合放大器和变压器耦合放大器的影响很小，不必考虑。但在多级直接耦合放大器中，该零漂信号会诸级传输并放大，最终有较大零漂信号输出，干扰了有效信号，必须加以抑制。

四. 直接耦合放大器中的两个问题

2.8.1 多级间耦合方式

抑制零点漂移的方法：

1.引入直流负反馈稳定静态工作点，减小零点漂移。

2.采用温控元件进行温度补偿，抑制零点漂移。

3.采用差动放大器，抵消零点漂移信号。

一. 多级电压放大倍数

2.8.2 多级放大器动态量求解

多级放大器前级的输出即是后一级的输入 Au = Au1 · Au2 · … ·

Aun

二. 多级输入电阻

多级放大器的输入电阻即是第一级的输入电阻 Ri=

Ri1

三. 多级输出电阻

多级放大器的输出电阻即是最后一级的输出电阻 RO=

R0n

四. 多级通频带

多级通频带比任一单级通频带都窄 BW ＜ BWi

多级放大器前后级关系

后级相当于前级的负载(后级的输入电阻Ri+1是前级的负载RLi)；

前级相当于后级的信号源(前级的输出电压UOi是后级的信号源电压USi+1，前级的输出电阻ROi是后级的信号源电阻RSi+1)。

多级放大器计算举例

如图所示两级放大器，三极管的β1、rbe1、 β2、rbe2均已知。

(1)估算两管的静态工作点；

(2)计算多级电压放大倍数、 输入电阻、输出电阻。

解：

(1)静态工作点计算(两管分别计算)

T1：

IB1 = VCC/ RB1

IC1=β1IB1

UCE1 = VCC - IC1 RC1

T2：

IB2 = VCC/ RB2

IC2=β2IB2

UCE2 = VCC – IC2 RC2

多级放大器计算举例

(2)动态量计算

第一级：

Au1 = －β1RL1′/ rbe1

其中，RL1′=RC1∥Ri2 =RC1∥rbe2

Ri1 =

rbe1 Ro1 = RC1

第二级：

Au2 = Asu2 = －β2RL2′ Ri2/ (Ri2 + Rs2)rbe2

其中，Rs2′ = RO1 =

RC1 RL2′ = RC2∥RL

Ri2 =

rbe2 Ro2 = RC2

两级之间：

Au = Au1 Au1 =β1β2RL1′ RL2′ / [ rbe1(rbe2 + RC1)]

Ri = Ri1 =

rbe1 Ro = Ro2 = RC2

第三章 放大电路的频率特性

频率响应的一般概念，三极管混合Π

参数等效电路，放大器的频率特性分析。

本章主要内容：

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3.1 频率特性概念

1．放大器频率特性曲线

放大器的放大倍数与所放大信号的频率有关：频率较小、较大时，放大倍数均变小、且相位随之变化，只有当频率适中(中频)时放大倍数为一常量。如下式所示。

频率特性曲线如下所示。

下限频率fL 上限频率fH 通频带BW = fH -

fL≈fH

2．放大器频率失真

当输入信号含有多个频率，不同频率信号放大倍数不同，可导致输出波形产生频率失真。

2．波特(Bode)图

波特图即对数频率特性图——可以在较小的视野内反映较大的频率变化情况。

放大器的幅频特性曲线采用波特图：横坐标是频率的对数lgf、纵坐标是电压放大倍数对数的20倍20lgAu——单位为分贝dB，而相频特性曲线纵坐标不采用对数。

(1)波特图

2．波特(Bode)图

Au增大10倍，相应的20lgAu增加20dB；

Au增大1倍，相应的20lgAu约增加6dB；

Au＞1，相应的20lgAu＞0；

Au＜1，相应的20lgAu＜0。

(2)Au与20lgAu的关系

3．R C高通电路

R C高通电路波特图

(1)f＞＞fL时，

20lgAu≈0dB；

(2)f＜＜fL时，

20lgAu≈20lg(f/fL)；

(3)f=fL时，

20lgAu=－3dB。

4．R C低通电路

R C低通电路波特图

(1)f＜＜fH时

20lgAu≈0dB；

(2)f＞＞fH时

20lgAu≈－20lg(f/fH)；

(3)f=fH时

20lgAu=－3dB。

波特图规律小结

(1)幅频特性规律

由两条直线构成：平行于横轴的直线及一条斜线，具体为：

1/(1-jf/fL)的波特图为两条直线——斜率为20dB/十倍频直线、平行水平轴的直线；1/(1+jfH/f)的波特图为两条直线——平行水平轴的直线、斜率为－20dB/十倍频直线。

上述二直线构成的波特图与实际幅频特性相比，最大误差为3dB，发生在fL或fH处。

波特图规律小结

(2)相频特性规律

由三条直线构成：平行于横轴的两条直线及一条斜线，具体为：

1/(1-jf/fL)的波特图为0°、90°两条平行水平轴的直线及斜率为－45°/十倍频的直线；1/(1+jfH/f)的波特图为0°、－90°两条平行水平轴的直线及斜率为45°/十倍频的直线。

上述三直线构成的波特图与实际相频特性相比，最大误差为5.71°，发生在fL或fH处。

3.2 三极管频率参数

1．β的波特图

三极管的β与频率有关，具体为β=β0/(1+jf/fβ)，fβ为三极管β下降至0.707β0时的频率。

2．几个频率参量

(1)共射截止频率fβ

β下降至0.707β0时的f值。

(2)特征频率fT

β下降至1时的f值。

(3)共基截止频率fα

α下降至0.707α0时的f值。

(4)关系

fT =β0 fβ

fα=(1+β0) fβ

fβ＜fT＜fα

3.3 单级放大器频率特性

1．三级管混合π参数等效电路

三极管内部的实际体现。

(1)混合π参数等效电路

(2)简化混合π参数等效电路

r′b c 、rce较大，可略去。再用密勒定理变换，得到下图所示的简化混合π参数等效电路：

Cb’e≈gm/(2πfT) K=-gmRC

(3)π参数等效电路与h参数等效电路的对比

中低频时，电容影响忽略，简化混合π参数等效电路即化为简化h参数等效电路：

rb’e=(1+β)26/IE gm=β/rb’e≈IE/26

2．几个频率参量

(1)共射截止频率fβ

β下降至0.707β0时的f值。

(2)特征频率fT

β下降至1时的f值。

(3)共基截止频率fα

α下降至0.707α0时的f值。

(4)关系

fT =β0 fβ

fα=(1+β0) fβ

fβ＜fT＜fα

2．阻容耦合单管放大器频率特性

放大电路如右图所示，其混合π参数等效电路如下图所示：

(1)中频特性

C1容抗较小看作短路；极间电容容抗较大看作开路：

(2)低频特性

略去C′和

(K-1)Cb’e/K

(3)高频特性

电容C1可略去，并用戴维南定理将电路等效为：

(4)频率特性波特图

全部频段的放大倍数课近似表示为：

波特图如右所示：

3.3 多级放大器频率特性

多级放大倍数与各单级放大倍数关系为：

这种关系决定了多级放大器通频带比每一级的通频带都窄。

两级放大倍数与单级放大倍数波特图对比

第四章 集成运算放大器

集成电路、差动放大器、集成运算放大器。

本章主要内容：

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4.1 集成电路概念

1．集成电路分类

(1)按元器件集成度分为：

小规模集成电路(100个元件以内)SSI

中规模集成电路(100----1000个元件)MSI

大规模集成电路(1000---100000个元件)LSI

超大规模集成电路(100000个以上元件)VLSI。

现在集成度已达到数千亿。

在一小块硅片上做出许多个元件并将其联结成电路。

1．集成电路分类

(2)按制造工艺分为：

膜集成电路、半导体集成电路和混合集成电路三种。

(3)按有源器件类型分为：

双极性集成电路、单极性集成电路和混合型集成电路三种。

(4)按电路功能分为：

模拟集成电路、数字集成电路、接口集成电路和特殊集成电路四种。

2．常见芯片封装形式

3．集成电路特点

(1)集成电路为多级直接耦合放大器

(2)由于体积所限，只能集成电阻、晶体管等器件，不能集成电容、电感等较大体积器件

(3)元器件参数对称稳定

(4)所制阻值不能太大(几十千欧以内)

(5)往往用三极管或场效应管代替大电阻

集成运算放大器是常用的模拟集成电路。

4.2 集成运放基本组成部分

电路由输入级、中间级、输出级构成。

输入级采用差动放大器，中间级由一般放大器构成，输出级多为功率输出器，偏置电路则由电流源组成。

1．偏置电路

(1)镜像电流源

IR=(VCC－UBE1)/R

IB1=IB2=IB

则IC2=IC1=IR－2IB=IR－2IC/β

IC2=IR/(1+2/β)≈IR=(VCC－UBE1)/R

IC2、IR之间的关系如同镜像一样。

1．偏置电路

(2)比例电流源

IE1R1=IE2R2

IC1R1≈IC2R2

IC2=IC1R1/R2≈1R R1/R2

IC2、IR之间有比例关系。

1．偏置电路

(3)微电流源

UBE1－UBE2=IE2RE≈IC2RE

由二极管方程IE≈IC=IS(e在RE不大的情况下，得到很小的电流IC2

UBE1－UBE2=IE2RE≈IC2RE

IE≈IC=IS(eUBE /UT－1)≈ISeUBE /UT

IS1=IS2 则UTlgIC1/IC2≈IC2RE

当IC1和RE已知时，可求出IC2——IC2可以很小。

2．差分输入级

(1)基本差动放大器

由双管构成最简单差分放大器

当双端输出信号时，零点漂移为零。

RB较大，常忽略。

(2)两种输入信号

差摸信号Ud：一对大小相等、极性相反的信号。

共摸信号UC :一对大小相等、极性相同的信号。

(3)电压放大倍数

差模放大倍数

UO1=Au1Uid1=

Au1Ui/2 UO2=Au2Ui2=Au1Uid2= -Au1Ui/2

Ad=( UO1- UO2)/( Uid1- Uid2) = UO/Ui= Au1

共模放大倍数

AC=( UO1- UO2)/UiC

共模抑制比

KCMR= Ad / AC

(4)长尾式差动放大电路

静态分析：

短路交流，可得到

IBRS+UBE+(1+β)IB(2RE+RW/2=VEE)

可计算出IB 而IC= βIB

则UC=VCC-ICRC

差模动态分析：

将双管拆分为单管问题。

Uo1 = -βRL’Uid/[RS+rie+(1+β)RW /2] = -Uo2

Aud=-βRL’/[RS+rie+(1+β)RW/2]

Aud1= Aud/2

Rid=

RS+rie+(1+β)RW/2 RO = 2RC RO1

= RC

共模动态分析：

将双管拆分为单管问题。

Uo1=Uo2=-βRL’Uic/[RS+rie+(1+β)(RW /2+2RE)]

Auc=(Uo1– Uo2)/Uic=0

Auc1=Uo1–/Uic≈- RC / 2RE

共模抑制比

CMRR = Ad/Ac

双端输出CMRR = Ad/Ac = Ad/0 = ∞

单端输出CMRR1 = Ad1/Ac1 ≈ βRE

/(RS+rie)

(5)带恒流源差动放大电路

静态分析：

UB≈﹣R1VCC/(R1 + R2)

则 UE3=UB–UBE3≈UB

IC3≈IE3=VE3/R3 IC1≈IC2≈IC3/2

IB1=IB2IC1/β UC1=UC2=VCC–IC1RC

差模动态分析：

恒流源不起作用，可认为不存在(短路)，分析结果同常尾差放。

(6)单端输入方式

等效为双端差摸输入工作方式。其结果与差模双端输入结果相同。

(7)四种输入-输出方式

双端输入—双端输出

双端输入—单端输出

单端输入—双端输出

单端输入—单端输出

3．功率输出级

(1)功率放大器

ui正半周T1导通、T2截止，

ui负半周T1截止、T2导通。

为互补对称电路。详见第九章。

(2)复合三极管

为提高三极管的放大倍数，将两只三极管连结起来，组成复合三极管。

三极管复合的原则是各极电流方向一致。

有四种复合方式

(2)复合三极管

复合三极管类型同第一只管子。

同类型复合：β≈β1β2 、 r be ≈ r be1+ (1+β1)rbe2

异类型复合：β≈β1β2 、 r be ≈ rbe1

(3)过载保护电路

当负载电流过大时，流经三极管的电流也增大，会烧坏管子。为此，增加过载保护电路——将增大的电流分流，以保护管子。

常用的电路有二极管保护和三极管保护两种电路。

1 .理想运放特性

(1)开环电压放大倍数Auo＝∞

(2)差摸输入电阻Rid＝∞

(3)输出电阻Ro＝0

(4)共摸抑制比CMRR＝∞

(5)工作性能稳定

4.2 集成运放基本组成部分

2 .两条重要推论

(1) 运放的反相端和同相端电位相同

V+ = V-

4.2 集成运放基本组成部分

(2)运放两输入端的输入电流均为0

I+ = I- = 0

第五章 反馈放大器

反馈概念、反馈作用、反馈放大器分析计算

本章主要内容：

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5.1 反馈概念

1．反馈概念

将放大器的输出信号(电压或电流)通过一定方式回送到输入回路的过程叫反馈。

原输入信号 Xi

反馈信号 Xf

输入端信号：

输出信号 Xo

输出端信号：

反馈系数

F=Xf/Xo 反映了反馈的强弱

开环放大倍数 A=Xo/Xi′ 基本放大器放大倍数

闭环放大倍数 Af=Xo/Xi 反馈放大器放大倍数

2．反馈放大器有关参量

有以下几种分类方式：

(1)从Xi′和Xi大小来分：正反馈、负反馈

3．反馈类型

(2)反馈信号类型来分：交流反馈和直流反馈

(3)从输出端反馈取样来分：电压反馈和电流反馈

(4)从Xi′和Xi连接来分：串联反馈和并联反馈

16种反馈类型

本章主要学习四种类型的交流负反馈放大器:

电压串联负反馈放大器

电压并联负反馈放大器

电流串联负反馈放大器

电流并联负反馈放大器

反馈类型举例

交流 电压 并联 正 反馈

(1)交流电压并联正反馈放大器

直流 电流 串联 负 反馈

(2)直流电流串联负反馈放大器

反馈放大器

反馈放大器

交流

电压

并联

正

反馈

反馈放大器

反馈放大器

反馈放大器

反馈放大器

反馈放大器

反馈放大器

(1)输入端信号规定

3．负反馈放大器信号单位量纲(规定)

串联反馈：采用电压(Ui 、Uf 、Ui′)

并联反馈：采用电流(Ii、 If 、Ii′)

(2)输出端信号规定

电压反馈：采用电压(Uo)

电流反馈：采用电流(Io)

(1)电压串联负反馈

4．负反馈放大器四种组态

Uf = R1Uo / (R1+RF ) Fu = Uf

/ Uo = R1/ (R1+RF )

某因素→Uo↑→Uf↑→Ui’↓→Uo↓ 由此，输出电压稳定——电压负反馈稳定输出电压。

(2)电压并联负反馈

4．负反馈放大器四种组态

If =－Uo/RF Fg = If / Uo =

－1/RF

某因素→Uo↑→If↑→Ii’↓→Uo↓ 由此，输出电压稳定——电压负反馈稳定输出电压。

(3)电流串联负反馈

4．负反馈放大器四种组态

Uf =IoRF Fr = Uf / Io = RF

某因素→Io↑→Uf↑→Ui’↓→Io↓ 由此，输出电流稳定——电流负反馈稳定输出电流。

(1)电流并联负反馈

4．负反馈放大器四种组态

UR3=Io(R3∥RF) If= (0－Uo) /RF=－R3Io/ (R3+RF )

Fi = If / Io =－R1/ (R1+RF )

某因素→Io↑→If↑→Ii’↓→Io↓ 由此，输出电流稳定——电流负反馈稳定输出电流。

5．反馈一般表达式

Af = A /(1+FA)

(1)∣1+FA∣＞1 , 则Af＜A , 为负反馈,

(2)∣1+FA∣＜1 , 则Af＞A , 为正反馈,

(3)∣1+FA∣＝0 , 则Af＝∞,那么Ui = 0 时,仍有

输出Uo存在——自激振荡器。

(1)反馈一般表达式

(2)说明

6．深度负反馈

D＝∣1+FA∣＞＞1，称为深度负反馈。

此时，Af≈1/F

7．反馈类型的判断方法

(1)有无反馈的判断

直接观察法：若输入回路和输出回路间有联接元件,则有反馈,否则无反馈。

(2)交流直流反馈的判断

直接观察法:观察反馈信号是交流还是直流。

(3)电压电流反馈的判断

短路输出端法：短路输出端，若反馈消失，则原反馈为电压反馈；否则，则原反馈为电流反馈。

7．反馈类型的判断方法

(4)串联并联反馈的判断

短路输入端法：短路输入端，若反馈消失，则原反馈为并联反馈；否则，则原反馈为串联反馈。

一般情况下，直接反馈到放大器输出端的为并联反馈；否则为串联反馈。

(5)正负反馈的判断

瞬时极性法：从前至后依次标出诸三极管各极极性，再比较原输入信号和净输入信号的大小。若净输入信号小为负反馈，否则为正反馈。

反馈类型的判断举例

直流电流并联负反馈

交流电压串联负反馈

5.2 负反馈对放大器性能的影响

1．提高放大倍数的稳定性

负反馈放大器是以降低放大倍数为代价换取对其性能改善的。

对Af = A /(1 + FA)两边求导：

dAf/dA =(1+FA – FA)/(1+FA)2 = 1/(1+FA)2

则dAf = dA /(1+FA)2 ,两边同除于式Af = A /(1 + FA)

得到：dAf /Af = 1/(1 + FA)dA/A

引进负反馈后，放大倍数的稳定性提高了1 + FA倍

2．减小非线性失真

引进负反馈后，非线性失真减小了1 + FA1 + FA倍

定性分析：

3．展宽通频带

通频带展宽1 +FA倍。

4．改变输入输出电阻

仅与反馈在输入端的联接形式有关。

(1)对输入电阻的改变

串联负反馈增大输入电阻 Rif =(1+FA)Ri

并联负反馈降低输入电阻 Rif = Ri/(1+FA)

仅与反馈在输出端的联接形式有关。

(2)对输出电阻的改变

电压负反馈降低输出电阻 降低1+FA倍

电流负反馈增大输出电阻 增加1+FA倍

5.3 负反馈放大器的分析

1．利用Af≈1/ F估算

仅介绍深度负反馈放大器的估算法。

此方法多用于电压串联负反馈放大器电压放大倍

数的估算。

首先在电路中求反馈系数求F，再利用Af ≈ 1/F

求放大倍数Af。

2．利用Xf≈ Xi

多用于除电压串联负反馈以外的负反馈放大器

电压放大倍数的估算。

第六章 模拟信号运算电路

三种基本输入方式、各种运算关系电路。

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6.1 运放三种基本输入方式

1．反相输入方式

由于I+=0、U-=U+=0，

则I1= If = Ui /R1

Uo=－IfRf = －(Rf /R1)Ui

Au = UO / Ui =－Rf /R1

理想运算放大器有三种基本连接方式。利用这三种基本工作方式，可进行模拟信号之间的运算。

2．同相输入方式

U+ = U- = Ui

而U- = R1 UO /(R1 + R2)，

则UO = (1 + Rf

/R1)Ui

Au = UO / Ui = 1 + Rf /R1

3．差分输入方式

U+ = U- = Ui2 Rf /(R1 +

Rf)

而(Ui1－U-)/R1 =

(U-－UO)/Rf

故UO =－(Ui1-

Ui2)Rf/R1

Au = UO /(Ui1 - Ui2)=－Rf /R1

4．其他电路计算

U- = U+ = 0，则I1= I2 = Ui / R1

UP = U- - I2 R2 = -

I2R2

I4 = UP /

R4 I3 = I2 +

I4

UO = UP – I3 R3 = －(R2R3 +

R3R4 + R2R4)Ui/ R1R4

Au =－(R2R3 + R3R4 + R2R4)/

R1R4

6.2 求和运算

1．反相器

Uo =－(R/R)Ui =－Ui

2．比例器

Uo=－(Rf / R1)Ui

6.2 求和运算

3．反相输入加法器

U- = 0 ，I1 = Ui1 / R1

I2 = Ui2 / R2 ， I3 = Ui3 /

R3

If = I1 + I2 + I3

Uo = - If Rf =－(Ui1 Rf / R1 + Ui2 Rf / R2 + Ui3 Rf / R3)

当R1 = R2 =

R3 Uo =－ Rf / R1(Ui1 + Ui2 + Ui3 )

当R1 = R2 = R3 = Rf Uo =－(Ui1

+ Ui2 + Ui3 )

在加法器后接一反相器，可使UO = Ui1 + Ui2 + Ui3

6.2 求和运算

4．同相输入加法器

(Ui1－U+)/R’1+(Ui2－U+)/R’2+(Ui3－U+)/R’3=U+/Rp

解得： U+=Ui1R/ R’1+ Ui2R/ R’2+ Ui3R/ R’3

其中，R=R’1∥R’2∥R’3∥Rp

那么，由U+/R1=(Uo－U+)/Rf得：

Uo=(1+Rf/R1)(Ui1R/R’1+ Ui2R/R’2+

Ui3R/R’3)

6.2 求和运算

5．减法器

UO = (Ui2 – Ui1)Rf / R1

当Rf = R1时，UO = Ui2 – Ui1

UO=(1+Rf2/R2)Vi2- (1+Rf1/R1)Vi1

当Rf2 / R2 = Rf2 / R2 = Rf / R1时 ，

UO = (Ui2 – Ui1)Rf / R1

当Rf = R1时，UO = Ui2 – Ui1

6.2 求和运算

6．积分和微分运算

i1 = iC =υi /

R

υO =－(1/C)∫iCdt

=－(1/RC)∫υi dt

iC = if = Cdυi/dt

υO =－ifRf =－RfCdυi/dt

6.2 求和运算

7．指数和对数运算

iC≈iE≈IR(eυBE/UT-1)

≈IR

eυBE/VT (设υBE ＞＞ VT)

υBE = UT ln(iC/IR)

iC = υi / R1

υO = -υBE = - UT ln(υi /IRR1)

υi = UT ln(iC/IR)

则iC = IRln-1(υi/UT)

υO=-iCRf=-IRRfln-1(υi/VT)

8．综合运算电路

利用对数、反对数电路，还可实现指数运算。与加法电路结合，可实现乘除运算。

第七章 波形发生电路

正弦波发生器(正弦振荡器)、

非正弦波发生器。

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7.1 正弦振荡器概述

1．振荡器方框图

振荡器就是无需输入信号，自发产生一定大小、一定频率交流信号的电路。

2．自激(平衡)条件

3．起振条件

为保证振荡越来越强，必须有Uf＞Ui

即

FA＞1 φA+

φF=2nπ (n=1、2、3、…)

4．正弦振荡器的构成及分类

由放大器、正反馈网络、选频网络、稳幅措施等四部分构成。

根据选频网络的构成，正弦振荡器分为RC振荡器和LC振荡器两大类。

5．能否振荡的判断

(1)首先分析是否具备正弦振荡的四个组成部分(选频网络和正反馈网络常由同一部分构成)；

(2)分析放大器能够正常放大工作(一般检查静态工作点)；

(3)分析电路是否满足自激振荡条件(振幅条件容易满足，一般判断相位条件，即是否正反馈)。

7.2 RC正弦振荡器

1．RC选频网络

在RC串并联网络中，当ω=ω0 =1/RC时， Fmax=1/3 且φF=0 ，

其他频率信号的F显著变小。且φF≠0

由此，RC串并联网络只允许频率为1/RC(或f0=1/2πRC)的信号相位不变地通过(从而实现正反馈)且传输系数最大(1/3)，其他频率信号通过很小且相位发生变化(不能实现正反馈)——近似认为在诸多频率信号中，只允许(选择)ω0信号通过。

2．RC桥式(文氏电桥)振荡器

电路由放大器(同相输入运放构成的负反馈放大器或两级负反馈放大器)、正反馈网络(RC串并联网络)、选频网络(RC串并联网络)、稳幅措施(热敏电阻Rt)四部分构成。

(1)电路构成

f0=1/2πRC

(2)振荡频率

调节双联电阻或双联电容即可调节振荡频率。

放大器的 Au = 1+Rt/R1

(3)振荡条件

正反馈系数F = 1/3

只要选取Rt＞2R1 ， 就有Au＞3 ，从而满足起振条件FA＞1。

随着振荡的加强，电流变大，Rt阻值变小，使得FA = 1 ，满足平衡条件，则振荡一直稳定进行下去。

3．RC移相式振荡器

(1)RC移相网络

一级相移网络使信号相位变化0°～90°，三级RC相移网络使信号相位变化(移动)180°(用于实现正反馈)。

(2)RC移相式振荡器

7.3 LC正弦振荡器

1．LC并联选频网络

选频特性：

当ω=ωo ， Zmax=Zo=L/RC

，且φF=0，其他频率信号的Z显著变小，且φF≠0。故认为LC网络具有选频性——仅选择ωo频率信号。

2．变压器反馈式LC振荡器

由放大器、选频网络(LC网络)、正反馈网络(带有同名端的变压器)和稳幅措施(放大器)构成。

(1)电路构成

(2)振荡频率

3．三点式LC振荡器

必须有X1、X2性质相同，且

与X3相反。此乃构成三端式LC

振荡器的原则。

简记为：射同基(集)反。

(1)构成三点式LC振荡器的原则

振荡频率为：

(2)电感三端式LC振荡器

其中，L=L1+L2+2M

振荡频率为：

(3)电容三端式LC振荡器

其中，C为C1、C2的串联

7.4 非正弦波发生器

1．矩形波发生器

(1)矩形波发生器

矩形波周期T=2RCln(1+2R1/R2) 占空比D=1/2

(2)宽度可调矩形波发生器

矩形波周期T=T1+T2

T1=(R+Rw’)Cln(1+2R1/R2)

T2=(R+Rw’’)Cln(1+2R1/R2)

则T=T1+T2=(2R+Rw)Cln(1+2R1/R2)

占空比D=T1/T=(R+Rw’’)/(2R+Rw)

2．三角波发生器

Uom=R1Uz/R2 T= 4R1R4C/R2

3．锯齿波发生器

Uom=R1Uz/R2

T1=

2R1Rw’C/R2 T2= 2R1Rw’’C/R2

T=T1+T2= 2R1RwC/R2

第八章 功率放大器

功放特点、功放电路、集成功放。

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8.1 功率放大器特点

1．对功放的要求(功放的特点)

功率(能量)并不能放大，功率放大器的工作过程，实质上是直流功率(能量)转换为交流功率的过程。

(1)电路输出功率尽可能大；

(2)放大器处于大信号工作状态 ；

(3)三极管要尽限使用 ；

(4)转换效率高 ；

(5)非线性失真要小 ；

(6)用图解法分析 ；

(7)要解决散热问题 。

2．三极管几种工作状态

(1) 甲类工作状态

静态工作点位于放大区中央。

(2) 乙类工作状态

静态工作点位于截至区边缘。

(3) 甲乙类工作状态

静态工作点位于放大区下端(靠近截至区)。

(4) 丙类工作状态

静态工作点位于截至区内 。

三极管的不同工作状态，决定了不同类型的功放。

3．甲类功率放大器

三极管工作在甲类状态，但受输出限制，功率较小。

4．乙类推挽功率放大器

两只三极管交替工作，输出功率较大。但变压器体积较大，不太实用。

8.2 互补对称功率放大器

1．OTL互补对称功率放大器

(1)乙类对称功放原理电路

(2)图解分析

T1放大正半周信号如左图所示(T2放大负半周信号与此类似)。

(3)参量计算

最大不失真交流功率Pom

Uom = VCC/2 - UCES ≈ VCC / 2

Iom ≈Uom / R L

Pom = Uom Iom /2 =(VCC/2 - UCES)2 /2 R L

忽略UCES ，则有Pom≈VCC2 /8R L

直流电源所提供功率PV

则 PV=VCC/2• IC1=VCC2/2πRL = 4 Pom /π

最大转换效率ηm

ηm = Pom / PV = 4 /π≈78.5 %

最大管耗PTm

PTm1 = PTm2=≈0.2Pom

(4)交越失真

由于工作电太低，输出信号的交界处呈现交越失真，这是乙类功放所必然产生的。

解决办法：适当提高工作点，将电路变成甲乙类功放。

(5)甲乙类OTL功放

与乙类对称功放分析类似，将乙类功放所有公式中的VCC替换成VCC /2即可。

单电源电路。

与乙类对称功放分析类似，结果完全相同。

2．OCL互补对称功率放大器

双电源电路。

8.3 集成功率放大器

芯片如图所示。按管脚分布联接使用即可。

第九章 直流电源

整流、滤波、稳压。

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9.1 直流稳压电源构成

交流转变位直流，要经过整流、滤波、稳压三个过程。一个完整的直流稳压电源应包括变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分。

9.2 整 流

将两个方向变化的交流信号变成一个方向上变化的脉动直流信号。利用二极管的单向导电性来实现。

1．半波整流

(1)电路

(2)工作情况

在输入信号U2正半周，D正偏导通，Uo=Ui ，在U2负半周，D反偏截止，Uo=0 。

2．桥式全波整流

(1)电路

(2)工作情况

在U2正半周，D1、D3正偏导通，D2、D4反偏截至，Uo=U2

；在U2负半周，D1、D3反偏截至，D2、D4正偏导通，Uo=-U2 。

(3)输出信号

(4)脉动系数

Uo=0.9U2

I o = Uo /RL

S=Uo1m/Uo=0.67

(5)整流管的选择

URM≥

1.414U2 IFM ≥Io /2

9.3 滤 波

将脉动直流信号变为较为平滑的纹波直流信号，利用电容器的充放电性质来实现。

1．几种滤波电路

2．电容滤波

(1)电路

(2)工作情况

电容C的充放电过程 。

如右图所示 。

(3)输出信号

(4)滤波电容的选取

Uo

=1.0U2 (半波整流滤波)

Uo

=1.2U2 (全波整流滤波)

C≥(3—5)T/RL (半波整流滤波)

C≥(3—5)T/2RL (全波整流滤波)

9.4 倍 压 整 流

倍压整流整流电路不仅可以整流，而且可以得到高出变压器次级电压若干倍的电压。这要靠整流管的单向导电性及点容器得充放电特性来达到。

1．二倍压整流

在U2正半周，D1正偏导通，将电容C1充电至≥1.414

U2；在V2负半周，D2正偏导通，将电容C2充电至≥1.414U2。在整个过程中，电容放电很慢，使得输出电压Vo=2×1.414U2

.

2．多倍压整流

可得到不同倍数的输出电压。

9.5 稳 压

利用稳压电路，将纹波信号变成稳定的直流信号。

1．并联型硅稳压管稳压电路

(1)电路

(2)工作情况

Ui↑→Uz(或其他原因)→Uo↑(↓)→Uz↑(↓)→Iz↑↑(↓↓)→I(=Iz+Io)↑(↓)→IR↑(↓)→Uo(=Vi-IR)↓(↑) 从而Vo稳定 。

(3)输出电压

(4)限流电阻的选取

R ≥ (Uimax-Uz)/(Izmax+Iomin)

R ≤ (Uimin-Uz)/(Izmin+Iomax)

Vo=Vz

2．串联型晶体管稳压电路

(1)电路及工作原理

由取样电路、基准电压、比较放大器、调整管四部分构成。

Uo↑(↓)→UF↑(↓)→Uid↓(↑)→UBE↓(↑)→IB↓(↑)→IC↓(↑)→UCE↑(↓)→UC↑(↓)→Uo(=U1-UCE)↓(↑)→Uo稳定

稳压原理 ：

(3)输出电压调节范围

3．集成稳压电路

将调整管、比较放大器、基准电源和取样电路集中做在一小块硅片上形成的电路。如CW7800。

Uomax =(R1+R2+R3)Uz/ R3

Uomin =(R1+R2+R3)Uz/(R2+R3)

集成稳压器也要配合整流、滤波使用。

第二编 数字部分

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第十章 数字电路基础

数字信号、计数制、逻辑关系、基本数字电路——逻辑门电路

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10.1 数字电路概述

1．模拟信号与数字信号

模拟信号是指模拟自然现象(如温度、光照等)而得出的电流或电压，一般是连续、平滑变化的信号，也可能断续变化，但任一时刻都有各种可能的取值。

在时间上和取值上都是断续的，只有2个取值：高电平、低电平，分别用数字1、0表示。

2．数字电路

处理数字信号的电路叫数字电路，又叫逻辑电路。

数字电路分为：(逻辑)门电路(数字电路基本单元)、组合(逻辑)电路、时序(逻辑)电路等。

3．数字电路特点

抗干扰性强、性能稳定、速度快、精度高、易于集成、成本低等。

10.2 数制与码制

1．十进制(decimal system)

由十个基本数码0、1、2、3、4、5、6、7、8、9，任意数字均由这十个基本数码构成。

2．二进制(binary system)

由两个基本数码0、1 ，任意数字均由这两个基本数码构成。

逢十进一、借一当十。

逢二进一、借一当二。

4．十进制与二进制的互换

(1)二进制转换为十进制(数码乘权相加 )

整数转换：

小数转换：

((0.0101)2＝0×2-1=1×2-2+0×2-3+1×2-4＝(0.3125)10

混合转换(整数部分和小数部分分别转换 )

(1011)2＝1×20+0×21+1×22+1×23＝(11)10

(1011.0101)2＝(11.3125)10

(2)十进制转换为二进制

①十进制整数转为二进制整数

(11)10 ＝ (1011)2

②十进制小数转为二进制小数

乘2取整、积为0止、高位排列

除2取余、商为0止、低位排列

(0.11)10 ＝ (0.75)2

注意，有乘不尽的情况。如(0.3)10≈(0.010011…)2

③混合转换：整数部分和小数部分分别转换。

5．其他进制数

(1)八进制(octal)

八个基本数码：0、1…7， 逢八进一、借一当八。

(1365)8＝(757)10 (1688)10＝(3230)8

(2)十六进制(hexadecimal)

十六个基本数码：0、1 …

9、A、B、C、D、E、F， 逢十六进一、借一当十六。

八进制数与十进制数之间的转换类似于二进制。

十六进制数与十进制数之间的转换类似于二进制。

(1369ADF)16＝(20355807)10 (966922)10＝(BC10A)16

十六进制数与二进制之间转换方法 ：

十六进制转为二进制——将每位十六进制数均写成4为二进制数(不足4位则在前面补0)。

二进制转为十六进制——从低位开始，每4位二进制数变成1位十六进制数(高位不足4位则按实际大小转换)。

(101000110001010)2＝(518A)16

(A3B90)16＝(10100011101110010000)2

6．码制

(1)二进制代码(binary code)

将某种符号(数字、字母、数学符号等)用一串按一定规律排列的二进制数码表示，这些二进制数码称为二进制代码。

(2)几种BCD码——二进制代码的十进制数码

用4位二进制码表示十个十进制数码。

(3)ASCII代码(ASC——American Standard Code for Information

Interchange 美国标准信息交换码)

用8位二进制数来表示256个计算机常用符号的代码。

▲——00011110 ●——00000010 ◆——00011101

＠——01000000 ＆——00100110 $——00100100

∶——00111010 ］——011011101 ？——00111111

≥——11110010 ±——11110001 ÷——11110110

α——11100000 β——11100001 δ——11101011

0——00110000 1——00110001 2——00110010

A——01000001 B——01000010 C——01000011

a——01100001 b——01100010 c——01100011

↑——00011000 §——00010101 ╠——11001100

(4)补码

补码的位数(二进制数码个数)由具体系统来规定。

下面以C语言规定为例说明。

整数(int 数——integer)用16位二进制补码表示。其最高位是符号位——整数为0、负数为1。

正数的补码——二进制形式的原码(十进制数化为二进制数)。如29127： 0111000111000111

负数的补码——绝对值的二进制形式，按位取反加1。如-29127： 绝对值形式0111000111000111，按位取反:

1000111000111000， 再加1: 1000111000111001

10.3 逻辑关系及逻辑门

1．基本逻辑关系

只有三种基本逻辑关系。

(1)与逻辑和与门

只有决定事件的全部条件都具备(成立)时，事件才会发生，否则时间就不会发生。

即条件全为1时，事件为1，否则(只要有一个或一个以上条件为0)，事件为0。

①与逻辑关系

将条件看作输入信号，事件结果看作输出信号，则与逻辑关系用如下电路——与门电路来实现。

②与逻辑电路(与门)及与逻辑符号

输入输出之间全部的对

应取值。

全1为1，否则为0:

③与逻辑真值表

Y = A·B·C = ABC

④与逻辑表达式

(2)或逻辑和或门

决定事件的全部条件中只要有一个或一个以上条件具备(成立)时，事件就会发生，否则(条件全部不具备)事件就不会发生。

即只要有一个或一个以上条件为1时，事件为1，否则(条件为全0)，事件为0。

①与逻辑关系

②或逻辑电路(或门)及或逻辑符号

全0为0，否则为1。

③或逻辑真值表

Y = A+B+C

④或逻辑表达式

(3)非逻辑和非门

否定逻辑，条件满足时间不发生，条件不满足事件成立。

2．复合逻辑关系

利用三种基本逻辑，可以组合成多种其他逻辑——称为复合逻辑。

(1)与非逻辑

几个变量先进行与运算，再进行非运算。

全1为0，否则为1:

(2)或非逻辑

几个变量先进行或运算，再进行非运算。

全1为0，否则为1:

(3)异或逻辑

两个变量进行如图所示运算：

2输入、1输出电路。

输入相同，输出为0，

输入相反，输出为1

(4)与或非逻辑

两组(或多组)输入变量先分别相与，与的结果再相或，最后再非。

(5)不同逻辑符号对比

第十一章 逻辑代数

逻辑代数基本定律、逻辑函数化简

本章主要内容：

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11.1 逻辑函数

1．逻辑变量

取值只能是1或0的(两值)变量叫逻辑变量。分为输入变量(表示逻辑条件的量)和输出变量(表示逻辑结果的量)。逻辑变量一般用大写字目表示，输入变量常用A、B、C、D、E等表示，输出变量常用Y、L、Z表示。

2．逻辑函数

逻辑函数即输入变量和输出变量之间的逻辑关系.

不同的逻辑关系叫做不同的逻辑函数。

3．逻辑函数的表示方法

(1)逻辑式

(2)真值表

(3)逻辑图：用各种逻辑符号联接而成的电路图。

(4)卡诺图：卡诺(美)所发明的方格图。

4．函数各种表示方法之间的转换

(1)表达式 → 真值表

方法——将输入全部取值代入表达式，求出输出，填入表格。

(2)真值表 → 表达式

方法——输出为1的全部输入量的组合与项相或。

输入组合与项写法——输入为1，写成原变量形式；输入为0，写成反(非)变量形式。然后将这些单变量相与。

(3)逻辑图 → 表达式

方法——自输入端开始，依次写出每个门的输出。

(4)表达式 → 逻辑图

方法——根据表达式的逻辑关系，选择相应的门，再将他们联接成电路。

11.2 逻辑代数

1．基本规律

(1)0—1律

A•0=0 A+1=1 A+0=A A•1=A

(2)重叠律

A•A=A A+A=A

(5)交换律

AB=BA A+B=B+A

(6)结合律

A(BC)=(AB)C A+(B+C)=(A+B)+C

(7)分配律

A(B+C)=A B+A

C (A+B)(A+C)=A+BC

(8)吸收律

A + A B =

A A (A + B )= A

2．常用公式

3．基本规则

(1)代入规则：将逻辑等式中某一变量用任意函

数式替代，等式仍成立。

(2)反演规则：对于任一函数式Y，将其中的与号

换成或号、或号换成与号，原变量换成非变

量、非变量换成原变量，1换成0、0换成1。由

此得到的是原函数的反函数(非函数)

(3)对耦规则：将函数Y中的与号换成或号、或号

换成与号，1换成0、0换成1。由此得到的是

原函数式的对耦式(对耦函数)

1．逻辑式的代数法化简

2．逻辑函数的卡诺图化简法

将逻辑式转变为卡诺图，然后进行化简，最后再转变成简单的逻辑式。

11.3 逻辑函数化简

(1)逻辑函数的最小项

在多变量函数的某项中，所有变量以原变量或非变量的形式出现，且仅出现一次，则该项称为逻辑函数的最小项。

n变量函数有2n个最小项。

最小项四种表示方式(以三变量函数最小项为例)：

任意两个最小项之积等于0。全部最小项之和等于1。

任意函数均可写成最小项之和的形式。

(2)卡诺图

卡诺图是一种填有函数最小项的方格图，n变量卡诺图具有2n个填有函数最小项的方格，方格中的最小项必须满足相邻原则：相邻方格中的最小项，只有一个变量互为反变量。

规定同一行或同一列两端方格是相邻项。

几种卡诺图 ：

三变量卡诺图

四变量卡诺图

(3)逻辑函数卡诺图

首先将逻辑式写成最小项形式，然后在卡诺图中和这些最小项对应方格中填1，其余方格中填0或空方格不填。由此得到逻辑函数的卡诺图表示形式。

(4)逻辑函数的卡诺图化简

① 将逻辑式化成最小项形式；

② 化出其卡诺图；

③ 画圈圈2n个相邻1方格；

④所有1方格必须分别用不同的圈圈住，包括单个独立的1方格。；

⑤ 每个圈尽可能大，圈中可包括已用过的1方格，但至少要有1个新的1方格；

⑥

每个圈代表化简后的1项，其中要消去该圈中数值发生变化的变量(2n个相邻1方格圈要消去n个变量)，剩余变量相乘即为该化简项；

⑦诸化简项相加既是化简后的表达式。

卡诺图化简举例

卡诺图如右，化简结果为：

Y = AB + BC + AC

例2 Y(A,B,C,D)=

Σ(0,1,2,3,5,7,8,9,10,11,13,15)

卡诺图如右，化简结果为：

(5)具有无关项函数的化简

在函数中，有些项可有可无，并不影响函数值，称他们为无关项。

在卡诺图中，用符号×表示无关项。化简时，将它们当作1方格对待，可使结果更为简单。

例2 Y(A,B,C,D)=Σ(3，5，7),无关项Σd(10,11,12,13,14,15)

利用无关项 Y = B D + C D

第十二章 组合逻辑电路

组合逻辑电路的分析、设计

本章主要内容：

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12.1 组合逻辑电路的设计

1．设计步骤

(1)根据逻辑要求列出真值表；

(2)由真值表写出表达式；

(3)化简表达式(一般用卡诺图法化简)；

(4)得到逻辑图。

2．设计举例

某产品有A、B、C、D四种指标，其中A为主指标。当包含A在内的三项指标合格时，产品属正品，否则为废品。设计产品质量检验器(用与非门实现).

用Y表示产品。A、B、C、D为1时表示合格，为0表示不合格。

真值表如右：

用卡诺图化简

Y = ABD + ACD + ABC

化成与非形式：

作逻辑电路图：

12.2 编码器和译码器

1．编码器(Coder)

将数字、字母、符号等转换为二进制代码的电路。本节以十进制数码8421编码器为例。

电路构成设想：电路由十个输入端(分别代表十个十进制数码)、四个输出端(分别到表四位8421码)构成。正常工作时，只能有一个输入端输入信号(低电平)，其余输入端均无信号(均为高电平)，每次输入都对应一组输出代码。

设输入端为S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8,S9

,输出端为D,C,B,A，控制标志端S(S=1编码、S=0不编码)，则真值表如下：

求出表达式后，得到如下电路：

集成编码器(以74147为例 )

1、2、3、4、11、12、13为数码输入端(低电平有效)，6、7、9脚为编码输出端。5、14、15为控制端。

2．译码器(Encoder)

将编码变成原始符号并显示出来的电路。

(1)显示系统：真空数码管、荧光数码管、七段数码管、点阵显示等。

(2)七段数码管

由7个发光二极管构成，靠控制各段发光来显示数码。

7个发光二极管有共阴、共阳两种解法。

(3)8421BCD码七段数码显示译码器真值表

(4)8421BCD码七段数码显示译码器表达式

(5)8421BCD码七段数码显示译码器电路图

集成译码器(以74138为例 )

C、B、A为编码输入端，0、1、2、3、4、5、6、7为译码输出端(根据CBA的不同，某一输出端为低电平)，GA、GB、G1为控制端。

12.3 加法器

1．半加器

只考虑加数，不考虑来自低位进位的一位二进制数加法电路。

(1)真值表

(2)表达式

(3)逻辑图

Fi = Ai⊕Bi

COi = Ai Bi

2．全加器

不仅考虑加数，还考虑了来自低位的进位。

(1)真值表

(2)表达式

(3)逻辑图

Fi= Ai⊕Bi⊕Ci

COi = Ai Bi

3．多位加法器

由多个全加器连接而成。

下图为4位加法器

4．4位集成加发器

利用4位加法器实现8421码和余3码的互相转换

余3码比8421码多3，只要在8421码上加上0011即是余3码。而余3码减去3既是8421码。实际是加上-3，即加上-3的补码1101。

12.4 数据选择器(MUX)

数据选择器是多输入、单输出电路，即同时有多个数据输入，而电路只选择其中一个数据输出。其中，有2n个数据输入，选择控制端应有n个(n位)。数据输出只能有一个。以8选1

MUX为例。

1．集成 8选1 MUX

其中，E=0工作、E=1不工作；D0——D7为数据输入端、CBA为选择控制端。

或 Y=m0D0+ m1D1+ m2D2+ m3D3+ m4D4+ m5D5+ m6D6

2．8选1MUX逻辑图

3．用MUX构成逻辑函数

由Y = ∑(miDi)看出，适当控制Di=1或0，可得到由若干最小项组成的逻辑函数。

12.5 数值比较器

1．一位数值比较器

(1)真值表

(2)表达式

(3)逻辑电路

2．集成数值比较器

其中，A3A2A1A0、 B3B2B1B0分别为四位二进制数。

利用2个4位比较器可构成1个8位比较器。

3．比较器的扩展

其中， A7A6A5A4A3A2A1A0、 B7B6B5B4B3B2B1B0分别为八位二进制数。

第十三章 触发器

各种触发器电路、符号及逻辑关系

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13.1 基本RS触发器

1．电路

由两只与非门构成。电路及逻辑符号如图

这种电路任一时刻的输出仅与当时的输入有关。

2．逻辑功能(工作情况)

由表达式及电路均可看出，无论触发器原来处于什么状态，现在立即有:

保持原状态不变。

禁止输入！逻辑混乱。

3．工作状态表及简单工作表

4．工作波形举例

5．电路特点

电路简单，但状态不易控制，变化无规律，还存在状态不定情况。

13.1 基本RS触发器

1．电路

由两只与非门构成。电路及逻辑符号如图

2．逻辑功能(工作情况)

由表达式及电路均可看出，无论触发器原来处于什么状态，现在立即有:

保持原状态不变。

禁止输入！逻辑混乱。

3．工作状态表及简单工作表

4．工作波形举例

5．电路特点

电路简单，但状态不易控制，变化无规律，还存在状态不定情况。

13.2 同步RS触发器

1．电路

由两只与非门构成。电路及逻辑符号如图

触发器状态受时钟脉冲信号CP控制，变化有规律。

2．逻辑功能(工作情况)

(2)CP=1，状态可能变化。是否变化由R、S决定。

3．特征方程

特征方程：Qn+1 = Sn + RnQn

约束条件：SnRn = 0

4．工作波形举例

5．状态空翻

空翻现象应避免。

6．电路特点

电路较简单，状态易控制，变化有规律，但存在空翻现象及状态不定情况。

13.3 主从RS触发器

1．电路

利用两个同步RS触发器，一个作为主触发器，另一个作为从触发器。

CP=1期间，主触发器可以触发翻转，有确定的状态。从触发器保持状态不变。从而触发器状态不变。不存在空翻问题。

2．逻辑功能(工作情况)

(1)在CP由0到1时刻(CP后沿)，从触发器可以触发翻转，状态由此时主触发器状态(即此时的R、S)决定,逻辑状态与同步RS触发器相同。

(2)CP=0期间，主触发器保持状态不变，从而触发器也保持状态不变。也不存在空翻问题。

3．带预置端主从RS触发器

3．带预置端主从RS触发器

初始态置好后，预置端均应保持高电平，否则触发器一直处于预置的1态或0态而不能触发工作。

但仍存在状态不定的问题。

13.4 主从JK触发器

2．逻辑功能(工作情况)

CP=0状态不变，CP=1状态翻转(由此时J、K决定)。电路属后沿触发。

解决了状态不定现象。

也有前沿翻转的JK触发器。

3．工作波形举例

也有前沿翻转的JK触发器。

13.5 主从D触发器

属前沿触发工作方式。

13.6 T触发器

有前沿、后沿两种触发工作方式。

13.7 几种触发器的转换

1. JK触发器转成D触发器

1. JK触发器转成T触发器

第十四章 时序逻辑电路

寄存器、计数器等

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14.1 寄存器(Register)

用来存放数据。是计算机和其他数字系统中用来存放代码或数据的部件。

这种电路任一时刻的输出不仅与当时的输入有关，还与电路的初始状态有关。

触发器可存放1位二进制数，寄存器则是将多个触发器联接起来，以存放多位二进制数据。因为计算机等存储器内部存储的都是一系列二进制数——实为各种符号(如字母、数字、汉字等)的代码。

1．寄存器的分类

根据工作情况，分为数码寄存器和移位寄存器两大类。前者写入数据时多位数据同时存入寄存器，而后者则可以一位一位存入，且数据可以左右移动。

寄存器工作时，数据可以串行写入(输入)/并行写入，串行读出(输出)/并行读出。因此，寄存器有并行输入—并行输出、并行输入—串行输出、串行输入—并行输出、串行输入—串行输出四种等工作方式。

2．数码寄存器

四位数码寄存器由四个D触发器构成(也可由其他触发器构成)。

待存数据自A3 A2 A1 A0 端写入，寄存控制端的高脉冲控制寄存器完成寄存工作——单拍寄存。

新数据寄存时。无论原寄存器中是否存有数据，新数据均将其冲走。A3 A2 A1

A0撤去后，数据仍存储在寄存器中，可由Q3Q2Q1Q0端读出所存储的数据。

这种工作方式属于并行输入—并行输出方式。

4位集成寄存器

74LS175如图所示：

3．移位寄存器

数据采用串行输入，用4拍来寄存。

(1)左移寄存器

首先清零。

4位待存数据由“串行输入”端分别做4次单数据输入，每次输入进行一次寄存(共来4个高脉冲)，则该数据向左移动。共进行4次移位寄存(数据向左移动4次)，完成4位数据的寄存。

工作波形图：

读数时可采取并行输出及串行输出两种方式。

(2)右移寄存器

将左移寄存器反过来联接即可。

读数时同样可采取并行输出及串行输出两种方式。

(3)双向移位寄存器(可逆移位寄存器 )

可方便地进行左移、右移及数码寄存(不移)工作。

S=0，为左移寄存方式，S=1，为右移寄存方式 。

(4)循环寄存器

有时要求在移位过程中数据不要丢失，仍然保持在寄存器中，这只需将移位寄存器最高位的输出与最低位的输入连起来即可，由此构成循环寄存器。

利用4位寄存器构成8位、16为、32位寄存器。

(4)寄存器有关问题

利用移位寄存器还可实现二进制数的乘除法运算：左移一次就对所存储数进行了一次乘2运算；右移一次就对所存储数进行了一次除2运算；

计算机存储单元

英文字母等256个常用字符，每个字符占用1B

(1个存储单元——8位寄存器)，1个汉字占用2B。

8位寄存器是各种计算机存储单元的一个基本单

位——字节byte，也叫1个基本存储单元。还有较

大存储单

1byte=8bit 1K(Kilo)=1024byte

1M(Million)=1024K 1G(Giga)=1024M

注： 1024=210

计算机内部运算

计算机中的加、减、乘、除等运算都是利用寄存器、加法器等进行的。如示意图。其中，减法实际上是补码相加，而乘法则是多次相加，除法则是多次相减。

14.2 计数器

计数器是可以记录输入时钟脉冲的个数的电路。

计数器不仅可以计数，还可以计时、分频等。几乎在所有数字电路中都要用到。

计数器由若干个触发器(多为JK触发器)构成。

1．计数器分类

(1)按工作方式来分

同步计数器：所有触发器在时钟脉冲作用下同时

(同步)工作。

异步计数器：所有触发器在时钟脉冲作用下不同

时(异步)工作。

(2)按计数增减来分

加(法)计数器：计数逐渐递增。

减(法)计数器：计数逐渐递减。

(3)按计数进制来分

二进制计数器、十进制计数器、其他进制计数器。

2．异步二进制计数器(模2 n )

(1)异步二进制加法计数器

工作情况：

J0=K0=1、CP0=N，J1=K1=1、CP1=Q0，J2=K2=1、CP2=Q1

工作时首先必须清零。

由于Ji=Ki=1，FFi的状态在CPi的每一个后沿均翻转。首先FF0工作，之后FF0引起FF1工作，再之后FF1引起FF2工作，最后FF2引起FF3工作。属异步工作方式。

工作波形图及工作状态表

0 0 0 0

1 0 0 1

2 0 1 0

3 0 1 1

4 1 0 0

5 1 0 1

6 1 1 0

7 1 1 1

8 0 0 0

9 0 0 1

该计数器只能计8

(2 3)个数(0——7)，

且计数按加法进行。

属模2n计数器(模8)。

(2)异步二进制减法计数器

工作情况(工作时首先必须清零)

工作波形图及工作状态表

0 0 0 0

1 1 1 1

2 1 1 0

3 1 0 1

4 1 0 0

5 0 1 1

6 0 1 0

7 0 0 1

8 0 0 0

9 1 1 1

该计数器只能计8

个数(模2n )，且计数

按减法进行。

(3)异步加减可逆计数器

控制端X=0为减法计数、X=1为加法计数。

3．同步模2 n计数器

(1)同步模8加法计数器

J0=K0=1，CP0=N，J1=K1=Q0 ，CP1=N ，J2=K2=Q0Q1，CP2=N，

由于CP0=CP1=CP2

=CP3=N，则在计数脉冲N后沿，所有触发器状态均可能翻转，但FF0每次都要翻转，FF1、FF2翻转的条件是其所有低位触发器的状态均位1态(Q=1)，使得J

i =K i =1。

(1)同步模8加法计数器

工作波形图及计数状态表

0 0 0 0

1 0 0 1

2 0 1 0

3 0 1 1

4 1 0 0

5 1 0 1

6 1 1 0

7 1 1 1

8 0 0 0

9 0 0 1

(3)同步加减可逆计数器

0 0 0 0

1 1 1 1

2 1 1 0

3 1 0 1

4 1 0 0

5 0 1 1

6 0 1 0

7 0 0 1

8 0 0 0

9 1 1 1

(2)同步模8减法计数器

X=1，为加法计数器，X=0，为减法计数器。

4．模非2 n计数器

该计数器为同步模非2n (模5)加法计数器。

0 0 0 0

1 0 0 1

2 0 1 0

3 0 1 1

4 1 0 0

5 0 0 0

5．十进制计数器

也属于模非2n 计数器,不过所计数是10个8421BCD码——故称为十进制计数器。

(1)同步十进制加计数器

工作波形图及计数状态表

0 0 0 0 0

1 0 0 0 1

2 0 0 1 0

3 0 0 1 1

4 0 1 0 0

5 0 1 0 1

6 0 1 1 0

7 0 1 1 1

8 1 0 0 0

9 1 0 0 1

10 0 0 0 0

11 0 0 0 1

FF0在N后沿每次都翻转，FF1在Q0的后沿Q3=0时翻转、Q3=1时状态为0，FF2在Q1的后沿每次都翻转，FF3在Q0的后沿Q1Q2=1时翻转、Q1Q2=0时状态为0。工作波形图及计数状态表与同步计数器相同。

(2)异步十进制加计数器

6．集成计数器

如图所示T4290芯片，使用时将CP0作为时钟端、CP1必须接Q0。最多可计10个数，并且，适当控制置9端S91、S92和置0端R01、R02(这4个端口不受时钟的影响)，可构成模M≤10的计数器，而且，多个芯片相联可构成任意进制计数器。

(1)集成计数器T4290

(2)用T4290构成8进制计数器

(3)用T4290构成60进制计数器

采用2片T4290相联。个位联成十进制计数器，十位联成六进制计数器。

第十五章 脉冲电路

脉冲概念、脉冲的变换、脉冲的产生

本章主要内容：

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16.1 脉冲概念

脉冲信号是指既非直流又非正弦的信号。如矩形波、三角波、锯齿波等。

1. 脉冲分类

根据波形的不同，分为如下几类：

1.脉冲概念

关于脉冲的几个参数：

脉冲幅度Um：电压最大值

上升时间(前沿时间)t r ：由0.1Vm上升到0.9Vm所

需的时间

下降时间(后沿时间)t f：由0.9Vm下降到0.1Vm所

需的时间

脉冲宽度tw ：前后沿0.5Vm之间的时间

脉冲周期T： 两相邻脉冲对应点之间的时间

占空比D： D = tw / T

16.2 脉冲变换

利用矩形波变换得到尖波、三角波、锯齿波等。

1. RC微分电路

构成电路的条件是τ=RC很小，一般τ＜(1/5——1/10)tμ即可。

利用电容的充放电过程，可将矩形脉冲变换为尖脉冲。

电路中，UO=Ui-UC，工作过程如图所示。

2. RC积分电路

条件是τ=RC很大，

一般τ＞10tμ即可。

可将矩形脉冲变换为锯齿脉冲。

电路中，Vo = VC ，

工作过程如图所示。

3. 限幅(削波)电路

利用(理想)二极管的单向导电性，将波形的任意部分削去，使波形限制在一定的范围内(保留需要的部分波形)。

(1)单向限幅 ——上限幅

(1)单向限幅 ——下限幅

(2)双向限幅

4. 嵌位电路

利用电容的充放电原理，将周期性变化波形的顶部或底部保持在某一确定的直流电平上。

(1)顶部嵌位在0电平

(2)顶部嵌位在E0电平

(3)顶部嵌位在－E0电平

16.3 脉冲的产生

1.多谐振荡器

无需外加触发信号，能周期性自动翻转、产生一定幅值、一定周期的矩形脉冲。可由门电路或晶体管构成。该电路没有稳态，只有两个暂稳态(1态和0态)，始终在两个暂稳态之间翻转，从而输出矩形波。

门电路构成的多谐振荡器

波形参数：

Um=UOH －UOL

T1=RC ln(VDD /(VDD－Vth))

T2=RC ln(VDD / Vth)

若Vth=VDD / 2， 则 T ≈ RC ln4 ≈

1.4RC

1.单稳态触发器

单稳态触发器只有一个稳态(多为0态)，在没有外界触发信号的作用时，触发器就一直保持该稳态不变，在外接触发信号触发下，触发器状态翻转为新态(暂稳态)，但经过一段时间(该时间由触发器及外界电路控制)，又自动稳态。

如图所示集成单稳态触发器T1121，

Q为输出端口，Rext/Cext、Cext、Rint为外接电路端口，A1、A2、B为触发信号输入端口

芯片Rext/Cext、Cext端口必须接电阻及电容。电阻可采用外接电阻，也可采用内接电阻，电容只能采用外接。

所接电阻及电容调节暂稳态时间(脉冲宽度)。如典型值tw=110ns，则采用内接电阻(Rint=2kΩ)时C=80pF，采用外接电祖(此时管脚Rint悬空)时，R=10

kΩ，C=100pF。

单稳态触发器应用举例

可用预定时、延时、消除噪声等。消除噪声(干扰、毛刺等)电路及工作波形图如图所示。

电路中，单稳态触发器的脉宽应大于噪声宽度而小于有效信号宽度。

16.4 555定时器

1. 555集成定时器

Q为输出端，Q’为放电端，res为复位端，V1为控制电压端，V2为阈值输入端，V3为触发输入端。

利用555定时器，接上少数元件，可方便地构成各种定时、振荡电路。

2. 555定时器的应用

(1)构成单稳态触发器

脉冲宽度tw=RCln3≈1.1RC

(2)构成多谐振荡器

脉冲周期T≈0.7 ( R1+2R2 ) C

占空比D= (R1+R2 ) / (R1+2R2 )

当R2＞＞R1 ，D=1/2——方波。

第十六章 数模与模数转换

数模转换、模数转换

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15.1 D / A 转换

υO = K· Dn 其中，Dn为n位二进制数的十进制大小，K为转换系数。

只需将二进制数(或代码)转换成十进制数即可。这样，按一定频率(波特率 Baud

rate)出现的数字信号就转变成了一定形状的的模拟信号。

有如下几种转换电路：

1. 权电阻D / A转换器

IΣ=I0+I1+I2+I3 =d0VREF/23R+

d1VREF/22R +

d2VREF/21R+d3VREF/20R

=VREF(23d3+22d2+21d1+20d0)/23R=VREF D4/ 24-1R

D4为4位二进制数的十进制数值。

对于n位权电阻转换器 υo= - VREFRfDn/2n-1R

当Rf = R/2时，υo= - VREFDn/2n

2. 倒T型电阻D / A转换器

IΣ=d3I/2+d2I/4+d1I/8 + d0I/16= D4I/24 =D4VREF/24R

υo= - VREF D4Rf/24R

对于n位数字量输入： υo = - VREF DnRf/2nR

当Rf = R/2时，υo= - VREFDn/2n

当然，要真正得到模拟信号，还需要对具有周期性保持形状的的信号进行滤波，已得到平滑的模拟信号。常用的滤波电路如图所示。

15.2 A / D 转换

将模拟信号转换为数字信号要经过采样、保持、量化、编码四个步骤。

1. A / D转换步骤

采样：在控制信号作用下，将模拟量每隔一定的时间抽取一次样值，使连续变化的模拟量变成断续变化的模拟量。

保持：保持每次采样的量值不变，直到下次采样。

量化：将采样-保持后的电压化为某个规定单位的整数倍。

编码：将量化值用二进制代码表示。

2. 采样和保持

在TW一个周期Ts中，τ为采样时间，Ts

–τ为保持时间。在采样过程中，电容C迅速充满电，在保持过程中，A2的高输入电阻使得C电压不变，一直到下次采样。采样-保持后的波形呈阶梯状。

3.量化和编码

(1)量化

将采样-保持后的电压化为某个规定单位S的整数倍，称之为量化。

量化后的值必须是整数K，但采样所得的各电压值不一定都能被S整除，从而出现量化误差(不可避免)。量化过程中必须将出现的小数化为整数。

舍尾取整法：Vi/S，舍去小数部分，只保留整数部分K，K就是量化值。

四舍五入法：Vi/S，小数部分四舍五入得到整数K，K就是量化值。

3.量化和编码

(2)编码

将改整数倍数值化为二进制代码的形式，称之为编码。

将K用二进制代码表示，就得到了编码结果——数字信号。

由此，连续变化的模拟信号变成了断续变化的数字信号(每隔Ts时间出现一个数字信号值)。

4. A / D转化电路 (以并行比较型A / D转换器为例 )

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