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1、注意，图中电流的参考方向为惯用的参考方向，因此流过每一个元件的电流与电压降的方向一致。 有源电气元件涉及将其它能量转换为电能，例如，电池中的电能来自其储存的化学能，发电机的电能是旋转电枢机械能转换的结果。有源电气元件存在两种基本形式：电压源和电流源。其理想状态为：电压源两端的电压恒定，与从电压源中流出的电流无关。因为负载变化时电压基本恒定，所以上述电池和发电机被认为是电压源。另一方面，电流源产生电流，电流的大小与电源连接的负载无关。虽然电流源在实际中不常见，但其概念的确在表示借助于等值电路的放大器件，比如晶体管中具有广泛应用。电压源和电流源的符号表示如图1-1A-2所示。分析电网络的一般方法是

2、网孔分析法或回路分析法。应用于此方法的基本定律是基尔霍夫第一定律，基尔霍夫第一定律指出：一个闭合回路中的电压代数和为0，换句话说，任一闭合回路中的电压升等于电压降。网孔分析指的是：假设有一个电流即所谓的回路电流流过电路中的每一个回 路，求每一个回路电压降的代数和，并令其为零。考虑图1-1A-3a 所示的电路，其由串联到电压源上的电感和电阻组成，假设回路电流i ，那么回路总的电压降为 因为在假定的电流方向上，输入电压代表电压升的方向，所以输电压在（1-1A-5）式中为负。因为电流方向是电压下降的方向，所以每一个无源元件的压降为正。利用电阻和电感压降公式，可得等式（1-1A-6）是电路电流的微分方

3、程式。或许在电路中，人们感兴趣的变量是电感电压而不是电感电流。正如图1-1A-1指出的用积分代替式（1-1A-6）中的i，可得1-1A-7P1U2 A运算放大器运算放大器像广义放大器这样的电子器件存在的一个问题就是它们的增益AU或AI取决于双端口系统（m、b、RI、Ro等）的内部特性。器件之间参数的分散性和温度漂移给设计工作增加了难度。设计运算放大器或Op-Amp的目的就是使它尽可能的减少对其内部参数的依赖性、最大程度地简化设计工作。运算放大器是一个集成电路，在它内部有许多电阻、晶体管等元件。就此而言，我们不再描述这些元件的内部工作原理。运算放大器的全面综合分析超越了某些教科书的范围。在这里我

4、们将详细研究一个例子，然后给出两个运算放大器定律并说明在许多实用电路中怎样使用这两个定律来进行分析。这两个定律可允许一个人在没有详细了解运算放大器物理特性的情况下设计各种电路。因此，运算放大器对于在不同技术领域中需要使用简单放大器而不是在晶体管级做设计的研究人员来说是非常有用的。在电路和电子学教科书中，也说明了如何用运算放大器建立简单的滤波电路。作为构建运算放大器集成电路的积木晶体管，将在下篇课文中进行讨论。理想运算放大器的符号如图1-2A-1所示。图中只给出三个管脚：正输入、负输入和输出。让运算放大器正常运行所必需的其它一些管脚，诸如电源管脚、接零管脚等并未画出。在实际电路中使用运算放大器时

5、，后者是必要的，但在本文中讨论理想的运算放大器的应用时则不必考虑后者。两个输入电压和输出电压用符号U +、U -和Uo 表示。每一个电压均指的是相对于接零管脚的电位。运算放大器是差分装置。差分的意思是：相对于接零管脚的输出电压可由下式表示 （1-2A-1）式中 A 是运算放大器的增益，U + 和 U - 是输入电压。换句话说，输出电压是A乘以两输入间的电位差。集成电路技术使得在非常小的一块半导体材料的复合 “芯片”上可以安装许多放大器电路。运算放大器成功的一个关键就是许多晶体管放大器“串联”以产生非常大的整体增益。也就是说，等式（1-2A-1）中的数A约为100,000或更多 （例如，五个晶体

6、管放大器串联，每一个的增益为10，那么将会得到此数值的A ）。 第二个重要因素是这些电路是按照流入每一个输入的电流都很小这样的原则来设计制作的。第三个重要的设计特点就是运算放大器的输出阻抗（Ro ）非常小。也就是说运算放大器的输出是一个理想的电压源。我们现在利用这些特性就可以分析图1-2A-2所示的特殊放大器电路了。首先，注意到在正极输入的电压U +等于电源电压，即U + =Us。各个电流定义如图1-2A-2中的b图所示。对图 1-2A-2b的外回路应用基尔霍夫定律，注意输出电压Uo 指的是它与接零管脚之间的电位，我们就可得到因为运算放大器是按照没有电流流入正输入端和负输入端的原则制作的，即I

7、 - =0。那么对负输入端利用基尔霍夫定律可得 I1 = I2，利用等式（1-2A-2） ，并设 I1 =I2 =I ，U0 = （R1 +R2 ） I （1-2A-3）根据电流参考方向和接零管脚电位为零伏特的事实，利用欧姆定律，可得负极输入电压U - ：因此 U - =IR1 ，并由式 （1-2A-3）可得： 因为现在已有了U+ 和U-的表达式，所以式（1-2A-1）可用于计算输出电压 ，综合上述等式 ，可得： 最后可得： 这是电路的增益系数。如果A 是一个非常大的数，大到足够使AR1 （R1 +R2），那么分式的分母主要由AR1 项决定，存在于分子和分母的系数A 就可对消，增益可用下式表示

8、这表明 （1-2A-5b），如果A 非常大，那么电路的增益与A 的精确值无关并能够通过R1和R2的选择来控制。这是运算放大器设计的重要特征之一 在信号作用下，电路的动作仅取决于能够容易被设计者改变的外部元件，而不取决于运算放大器本身的细节特性。注意，如果A=100,000， 而（R1 +R2） /R1=10，那么为此优点而付出的代价是用一个具有100,000倍电压增益的器件产生一个具有10倍增益的放大器。从某种意义上说，使用运算放大器是以 “能量”为代价来换取“控制” 。对各种运算放大器电路都可作类似的数学分析，但是这比较麻烦，并且存在一些非常有用的捷径，其涉及目前我们提出的运算放大器两个定律

9、应用。1） 第一个定律指出：在一般运算放大器电路中，可以假设输入 端间的电压为零，也就是说，2） 第二个定律指出：在一般运算放大器电路中，两个输入电流可被假定为零：I+=I-=0 第一个定律是因为内在增益A的值很大。例，如果运算放大器的输出是1V ，并且A=100,000, 那么 这是一个非常小、可以忽略的数，因此可设U+=U-。第二个定律来自于运算放大器的内部电路结构，此结构使得基本上没有电流流入任何一个输入端。B 晶体管简单地说，半导体是这样一种物质，它能够通过“掺杂”来产生多余的电子，又称自由电子（N型）；或者产生“空穴”，又称正电荷（P型）。由N型掺杂和P型掺杂处理的锗或硅的单晶体可形

10、成半导体二极管，它具有我们描述过的工作特性。晶体管以类似的方式形成，就象带有公共中间层、背靠背的两个二极管，公共中间层是以对等的方式向两个边缘层渗入而得，因此中间层比两个边缘层或边缘区要薄的多。PNP 或 NPN （图 1-2B-1）这两种结构显然是可行的。PNP或NPN被用于描述晶体管的两个基本类型。因为晶体管包含两个不同极性的区域（例如“P”区和“N”区），所以晶体管被叫作双向器件，或双向晶体管因此晶体管有三个区域，并从这三个区域引出三个管脚。要使工作电路运行，晶体管需与两个外部电压或极性连接。其中一个外部电压工作方式类似于二极管。事实上，保留这个外部电压并去掉上半部分，晶体管将会象二极管

11、一样工作。例如在简易收音机中用晶体管代替二极管作为检波器。在这种情况下，其所起的作用和二极管所起的作用一模一样。可以给二极管电路加正向偏置电压或反向偏置电压。在加正向偏置电压的情况下，如图1-2B-2所示的PNP 晶体管，电流从底部的P极流到中间的N极。如果第二个电压被加到晶体管的顶部和底部两个极之间，并且底部电压极性相同，那么，流过中间层N区的电子将激发出从晶体管底部到顶部流过的电流。在生产晶体管的过程中，通过控制不同层的掺杂度，经过负载电阻流过第二个电路电流的导电能力非常显著。实际上，当晶体管下半部为正向偏置时，底部的P区就像一个取之不竭的自由电子源（因为底部的P区发射电子，所以它被称为发

12、射极）。这些电子被顶部P区接收，因此它被称为集电极，但是流过这个特定电路实际电流的大小由加到中间层的偏置电压控制，所以中间层被称为基极。因此，当晶体管外加电压接连正确（图1-2B-3）后工作时，实际上存在两个独立的“工作”电路。一个是由偏置电压源、发射极和基极形成的回路，它被称为基极电路或输入电路；第二个是由集电极电压源和晶体管的三个区共同形成的电路，它被称为集电极电路或输出电路。（注意：本定义仅适用于发射极是两个电路的公共端时被称为共发射极连接。）这是晶体管最常见的连接方式，但是，当然也存在其它两种连接方法 共基极连接和共集电极连接。但是在每一种情况下晶体管的工作原理是相同的。本电路的特色是

13、相对小的基极电流能控制和激发出一个比它大得多的集电极电流（或更恰当地说，一个小的输入功率能够产生一个比它大得多的输出功率）。换句话说，晶体管的作用相当于一个放大器。在这种工作方式中，基极-发射极电路是输入侧；通过基极的发射极和集电极电路是输出侧。虽然基极和发射极是公共路径，但这两个电路实际上是独立的，就基极电路的极性而言，基极和晶体管的集电极之间相当于一个反向偏置二极管，因此没有电流从基极电路流到集电极电路。要让电路正常工作，当然，加在基极电路和集电极电路的电压极性必须正确（基极电路加正向偏置电压，集电极电源的连接要保证公共端（发射极）的极性与两个电压源的极性相同）。这也就是说电压极性必须和晶

14、体管的类型相匹配。在上述的PNP型晶体管中，发射极电压必须为正。 因此，基极和集电极相对于发射极的极性为负。PNP 型晶体管的符号在发射极上有一个指示电流方向的箭头，总是指向基极。（在PNP型晶体管中，“P”代表正） 。在NPN型晶体管中，工作原理完全相同，但是两个电源的极性正好相反（图1-2B-4）。也就是说，发射极相对于基极和集电极来说极性总是负的（在NPN型晶体管中，“N”代表负）。这一点也可以从NPN型晶体管符号中发射极上相反方向的箭头看出来，即，电流从基极流出。 虽然现在生产的晶体管有上千种不同的型号，但晶体管各种外壳形状的数量相对有限，并尽量用一种简单码TO（晶体管外形）后跟一个数

15、字为统一标准。TO1是一种最早的晶体管外壳即一个在底部带有三个引脚的圆柱体“外罩”，这三个引脚在底部形成三角状。观看底部时，“三角形”上面的管脚是基极，其右面的管脚（由一个彩色点标出）为集电极，其左面的管脚为发射极。集电极引脚到基集引脚的间距也许比发射极到基集引脚的间距要大 。在其它TO外壳中，三个引脚可能有类似的三角形形状（但是基极、集电极和发射极的位置不一定相同），或三个引脚排成一条直线。使人容易搞乱的问题是同一TO号码的子系列产品其管脚位置是不一样的 。例如，TO92 的三个管脚排成一条直线，这条直线与半圆型“外罩”的切面平行，观看TO92的底部时，将切面冲右，从上往下读，管脚的排序为1

16、，2，3。（注 otherwise circular“can”中的otherwise译为不同的，特殊的。在这里“特殊的圆形外罩”指的应该是普通的圆柱体“外罩”在圆平面上画一条小于等于直径的弦，沿轴线方向切入后形成的半或大半圆柱体，切入后形成的剖面就是文中说的a flat side ，这也是现在很常见的一种晶体管外壳。） 对TO92子系列 a （TO92a）: 1=发射极2=集电极 3=基极对TO92子系列 b （TO92b）: 1=发射极2=基3=集电极更容易使人搞乱的是一些晶体管只有两个管脚（第三个管脚已在里边和外壳连接）；一些和晶体管的外形很像的外壳底部有三个以上的管脚。实际上，这些都是集

17、成电路（ICs），用和晶体管相同的外壳包装的，只是看起来像晶体管。更复杂的集成电路（ICs） 用不同形状的外壳包装，例如平面包装。根据外壳形状非常容易识别功率晶体管。它们是金属外壳，带有延长的底部平面，底部平面上还有两个安装孔。功率晶体管只有两个管脚（发射极和基极），通常会标明。集电极在内部被连接到外壳上，因此，与集电极的连接要通过一个装配螺栓或外壳底面。P1U3逻辑变量与触发器逻辑变量我们讨论的双值变量通常叫做逻辑变量，而象或和与这样的操作被称为逻辑操作。现在我们将简要地讨论一下这些术语之间的关联，并在此过程中，阐明用标示“真”和“假”来识别一个变量的可能值的特殊用途。举例说明， 假设你和两

18、个飞行员在一架空中航行的飞机中，你在客舱中，而飞行员A和 B在驾驶员座舱中。在某一时刻，A来到了你所在的客舱中，你并不担心这种变化。然而，假设当你和A 在客舱时，你抬头发现B 也已经来到了你所在的客舱中。基于你的逻辑推理能力，你将会推断飞机无人驾驶；并且，大概你已听到了警报，以致使驾驶员之一将迅速对此紧急情况作出响应。换句话说，假设每一位飞行员座位下面有一个电子装置，当座位上有人时，其输出电压为V1，当座位上无人时，其输出电压为V2。现在我们用“真”来代表电压V2，从而使电压V1表示“假”。让我们进一步制作一个带有两个输入端和一个输出端的电路，此电路的特性是：只要两个输入，即一个输入同时和另一

19、个输入相与，结果为V2时，输出电压才是V2。否则，输出是V1。最后，让我们把输入和飞行员A 和B 座位下的装置联结起来，并安装一个与输出Z相连的警铃，当输出是V2 （“真”）时响应，否则不响应。这样，我们已创建了一个执行与操作的电路，这个电路能完成当两个驾驶员确实都离开驾驶舱时飞机是无人驾驶的逻辑推断。概括一下，情形如下：符号A、B和Z 代表命题A =飞行员A已离开座位为真（T）B = 飞行员B已离开座位为真（T）Z = 飞机无人驾驶，处于危险状况时为真（T）当然， 、 和 分别代表相反的命题。例如， 代表的命题是当飞行员离开驾驶舱等时为假（F），以此类推。命题间的关系可写为 Z=AB （1-

20、3A-1）我们已经选择用电压来表示逻辑变量A、 B和Z 。但是必须注意，实际上式 （1-3A-1） 是命题间的关系，与我们选择的表示命题的确切方式无关，甚至可以说与我们具有的任何物理表示形式无关。式（1-3A-1） 指出，如果命题A 和B都为真，那么命题Z就为真，否则命题Z为假。式（1-3A-1）是一个例子，这种命题代数被称为布尔代数。和其它处理有数字意义的变量一样，布尔代数处理的是命题，而且布尔代数对于分析仅有两个互反变量的命题之间的关系是一种有效的工具。SR 触发器图1-3A-1给出的一对交叉连接的或非门电路被称为触发器。其有一对输入端S 和R ，分别代表“置位”和“复位”。我们不仅用符号

21、S 和R 标明端点，而且指定端点的逻辑电平。因此，通常S=1指的是对应于逻辑电平为1的电压出现在S 端。相似的，输出端和相应的输出逻辑电平为Q和 。使用这样的符号时，我们已经明确了一个事实，即在我们下面将看到的符号操作中，输出的逻辑电平是互补的。触发器基本的、最重要的特性是其具有“记忆”功能。也就是说，设置S 和R目前的逻辑电平为0和0，根据输出的状态，即可确定S 和R在其获得当前电平之前的逻辑电平。术语为方便衔接下面的讨论内容，介绍一些常见的术语，这有助于了解逻辑系统设计师中惯用的观点。 在与非和或非门（以及与和或门）中，当用其来达到我们的设计意图时，我们能够任意选择一个输入端，并把其看成是

22、使能-失效输入，因此可考虑或非或或门。如果被选的一个输入为逻辑1，那么门电路的输出与所有的其它输入无关。这个被选的输入可控制门电路，其它所有输入相对于这个门电路是失效的 （术语“抑制” 的同义词为“失效”）。相反，如果被选输入为逻辑0，那么它不能控制门电路，门电路能够响应其它输入。在与非或与门中，当被选输入为逻辑0时，此输入控制并截止门电路，因为一个输入为逻辑0，那么门电路的输出不能响应其它输入。 注意一方面是或非门和或门间的区别，另一方面是与非门和与门间的区别。在第一种情况下，当控制输入转为逻辑1时，其可获得门电路的控制；在第二种情况下，当控制输入转为逻辑0时，其可获得门电路的控制。在数字系

23、统中，普遍的观点是把逻辑0看成一个基本的、无干扰的、稳定的、静止的状态，把逻辑1看成激励的、活跃的、有效的状态，就是说，这种状态是发生在某种操作动作之后。因此，当作用已产生时，其倾向将是定义最后的状态作为对某逻辑变量已转为1的响应。当“无操作发生” 时，逻辑变量为逻辑0。类似地，如果作用将通过逻辑变量的变化产生，那么最好是以这样的方式定义有关的逻辑变量，即当逻辑变量转为逻辑1时达到此效果。在我们对触发器的讨论中，将看到持有此种观点的例子 二进制数字系统概述大约在1850年由乔治布尔提出的代数学中，变量仅允许具有两个值，真或假，通常被写为1和0，对这些变量的代数运算是与、或和非。在1938年，香

24、农认识到了此代数形式和电气开关系统功能间的相似之处，在这种开关中存在有通-断两种状态的器件。布尔代数的推理过程由充当逻辑电路的开关完成。已有大量集成电路可完成脉冲信号的逻辑操作，这些脉冲信号采用二进制数字系统，并利用电子器件的关断和导通作为二进制系统的两种状态。二进制数字系统和其它代码为了用晶体管直接计算十进制数，要求晶体管认识这10个状态 0、1、9，此操作要求的精度是电子器件并不具备的。将导通和关断作为工作状态，这样的装置可以在两态即二进制系统中运行，因此数字计算机中的内部操作一般采用二进制系统。在十进制系统中，基数或底数为10，小数点左边或右边的每一个位都表示其权重增加或减少10的一次幂

25、。在二进制系统中，底数为2，二进制小数点左边或右边的位具有的权重以2的幂次增加或减少。数字可被编码为两个电平的脉冲串，通常标为1或0，如图1-3B-1所示。1-3B-1b 中的脉冲序列能够译为：二进制：125 + 024 + 123 + 022 + 12 1 + 120 = 101011十进制： 32 + 0 8 2 1 = 43 相反，在把十进制数43转换为二进制形式的过程中，可使其连续被2除。每一次除后所得余数0或1即是二进制数的位数。十进制数43的转化过程：等价于十进制数43的二进制数为101011。虽然二进制数仅需两个信号电平，这种简化的获得是以附加的位数为代价的。在以r 为底数的数制

26、中表示n 位十进制数，需要m 位。其中等式右边是一个整数，或选择下一个较大的整数。对于一个10位的十进制数，可得m=33.2 ，因此必须使用34位二进制数。二进制位叫作比特。写为0.1101的二进制小数意味着0.1101 = 12 -1 + 12 -2 + 02 -3 + 12 -4= 1/2 + 1/4 + 0 + 1/16二进制数0.1101表示为十进制数 = 0.500 + 0.250 + 0.062 = 0.812小于1的十进制数的转换可通过连续乘2获得。对于结果在小数点左边为1的每一步，记录二进制数1，然后继续计算所得十进制数的小数部分。对于结果在小数点左边为0的每一步，记录二进制位

27、0，然后继续计算。把十进制数0.9375转化为二进制数，运算如下：等价于十进制数0.9375的二进制数可写为0.11110。最高位是第一个获得的二进制位，放置在二进制小数点的右边。十进制数0到15的二进制等值表为: 给出一串正脉冲和负脉冲，或正脉冲和零，或者零和负脉冲来表示二进制的1和0时，就会有许多这些脉冲可以传递的码。计算机输入最常见的码就是BCD码，每一个十进制数需要四个脉冲或二进制数。用此种代码，每一个十进制位转化为其二进制等值数如上表所示，也就是说，十进制数827用BCD码表示为 1000 0010 0111计算机通过算术运算，能够容易地把此类输入转化为纯二进制形式。解码器也能够把B

28、CD码转化为十进制形式。BCD码在传输中不需附加位的情况下，能够扩大到十进制数15， 成为十六进制码，通常使用字母a、 b、 L、f 来表示10到15。 在某些计算机操作中应用的另一种码是八进制或8为底数的数制。采用的符号为0、1、2L、7，十进制数24可被写为八进制数30（381 +080）。八进制数字的二进制译码仅需要BCD表中三个最小的有效位，八进制数30的二进制译码为011 000。因为十进制数24用纯二进制形式可写为11000 ，用八进制译码形式可写为011 000，所以需要指出二进制数字转换为八进制数字的简易方法。以三个位为一组划分二进制数，每一组显示为一个等值的八进制译码数，例如

29、，十进制数1206以二进制表示为10010110110，以三个位为一组，可得： 010 110 110八进制：2 6 6八进制数是2266。通过使用导电块上的电刷，光学读卡机或码盘，经常用格雷码将角位移或直线位移转换为二进制数。由于组合误差，不能同时变化两个数位以免产生不确定性。设计的格雷码就是为了解决此问题，其在二进制数的每一步变换中，仅需变化一个位。此码的一种形式是其它一些码被设计来降低传输误差，在这些码中将1变为0或将0变为1。通常，检测单一误差的代码可通过把检验位与原始码相加获得。合成码将有偶数个或奇数个1，这些码被称为偶数奇偶校验码或奇数奇偶校验码，例如0000 的奇数奇偶校验码将是

30、10000；在任何位的误差将使结果具有偶数个1，接收装置将会进行校正。多重误差可通过更为复杂的代码形式探测P1U4 功率半导体器件功率半导体器件构成了现代电力电子设备的核心。它们以通-断开关矩阵的方式被用于电力电子转换器中。开关式功率变换的效率更高。现今的功率半导体器件几乎都是用硅材料制造，可分类如下：二极管晶闸管或可控硅双向可控硅门极可关断晶闸管双极结型晶体管电力金属氧化物半导体场效应晶体管静电感应晶体管绝缘栅双极型晶体管金属氧化物半导体控制的晶闸管集成门极换向晶闸管二极管电力二极管提供不可控的整流电源，这些电源有很广的应用，如：电镀、电极氧化、电池充电、焊接、交直流电源变频驱动。它们也被用于变换器和缓冲器的回馈和惯性滑行功能。典型的功率二极管具有P-I-N结构，即它几乎是纯半导体层（本