《电子技术基础》电子教案

主 编 范国伟

中等职业教育电类专业规划教材

电子技术基础

第一章 半导体二极管和三极管 第二章 基本放大电路 第三章 集成运算放大器 第四章 直流稳压电源 第五章 晶闸管电路 第六章 门电路及组合逻辑电路 第七章 触发器和时序逻辑电路 第八章 数字技术的常用电路

第 1 章 半导体二极管和三极管

1 ． 1 半导体的基本知识 在我们日常接触的物质中，一类是电阻率

很小，容易导电的金属，如金、银、铜、锡等，这类物质叫做导体；另一类是电阻率很大，几乎不能导电的物质，如橡胶、陶瓷、玻璃等，这类物质叫绝缘体。但是在自然界里面，还有一些物质，它们的导电本领即电阻率，处在导体和绝缘体之间，这种物质我们叫它为半导体。目前用来制造晶体管的材料主要有锗、硅等。

1 ． 1 ． 1 、 半导体的导电方式

半导体中载流子有两种：一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴，它们数目相等，但总数不多，远远低于金属导体中载流子的数量，所以半导体的导电性能比导体差而比绝缘体好。

在金属导体中导电的是自由电子，而在半导体中，电子和空穴是同时参与导电的，这是半导体导电的重要特征。

1 ． 1 ． 2 、 N 型半导体和 P 型半导体

1 、 N 型半导体 N 型半导体，又称为电子型半导体。是在纯净半导体

中掺入微量的五价元素（如磷元素）制成的，其中含有数量较多的带负电的自由电子，还有少量的带正电的粒子（称为空穴）。即在 N 型半导体中电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

2 、 P 型半导体 P 型半导体，又称为空穴型半导体。是在纯净半导体

中掺入微量的三价元素（如硼元素）制成的，其中含有数量较多的带正电的粒子（称为空穴），还有少量的带负电的自由电子。即在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。

1 ． 1 ． 3 、 P N 结及其单向导电性

PN 结的单向导电性 PN 结在未加外电压时，扩散运动与漂移运动处于动态平衡，通过 PN 结的电流为零。当电源正极接 P 区，负极接 N 区时，称为给 PN结加正向电压或正向偏置 ;   当电源正极接 N区、负极接 P 区时，称为给 PN 结加反向电压或反向偏置。

1 ． 2 半导体二极管 1 ． 2 ． 1 、二极管的结构、符号和类型 二极管是由一个 PN 结构成的半导体器件，即将一个 P

N 结加上两条电极引线做成管芯，并用管壳封装而成。P 型区的引出线称为正极或阳极， N 型区的引出线称为负极或阴极，它的文字符号为“ V” ，图形符号如图1—4 所示，图形中箭头表示 PN 结正向电流的方向。

二极管的符号和类型

二极管有许多类型，根据制作材料的不同，二极管可分为硅管和锗管；按工艺可分为点接触型和面接触型；按用途可分为整流二极管、检波二极管、光电二极管、开关二极管、激光二极管等。

1 ． 2 ． 2 、二极管的伏安特性曲线

1 、正向特性当正向电压升高到一定值 Uth 以后内电场被显著减弱，正向电流才有明显增加 ,Uth

被称为门限电压或阀电压。 Uth 视二极管材料和温度的不同而不同，常温下，硅管一般为 0.5V 左右，锗管为 0.2V 左右。 2 、反向特性当二极管两端外加反向电压时， PN 结内电场进一步增强，使扩散更难进行。这时只有少数载流子在反向电压作用下的漂移运动形成微弱的反向电流 IR 。反向电流很小，常温下，小功率硅管的反向电流在 nA 数量级，锗管的反向电流在 μA 数量级。

1 ． 3 稳压管

稳压二极管又叫稳压管， 它是用特殊工艺制造的面接触型硅半导体二极管，它既具有

普通二极管的单向导电特性，又可工作于反向击穿状态。在反向电压较低时，稳压二极管截止；当反向电压达到一定数值时，反向电流突然增大，稳压二极管进入击穿区，此时即使反向电流在很大范围内变化时，稳压二极管两端的反向电压也能保持基本不变，实现稳压。其被反向击穿后，当外加电压减小或消失时， PN 结能自动恢复而不至于损坏。但若反向电流增大到一定数值后，稳压二极管则会被彻底击穿而损坏。 稳压管主要用于电路的稳压环节和直流电源电路中，常用的有 2CW 型和 2DW 型。

1 ． 4 半导体三极管

1 ． 4 ． 1 、三极管的结构、符号和类型 半导体三极管也称为晶体管，它是电子线路中

的主要放大元件。 三极管好像是两个反向串联的 PN 结。但是如果把两个孤立的 PN 结，比如两个二极管反向串联起来，是不会有放大作用的。

1 ． 4 ． 2 、三极管的电流放大作用

1 、具有放大作用的条件 要使三极管具有电流放大作用，必须给三极管

加上合适的工作电压，即：使发射结正偏，集电结反偏。也就是说发射结的 P 区接电源负极，N 区接电源的正极。三极管放大电路不论采用哪种管型和哪种电路形式，都要满足这个基本条件。即对于 NPN 型三极管， c 、 b 、 e 三个电极的电位必须符合： UC ＞ UB ＞ UE ；对于 PNP 型三极管，电源的极性与 NPN 型相反，应符合 UC ＜ UB ＜ UE 。

2 、电流放大作用

β 就是三极管的共发射极电路的电流放大系数。在表 1—4 中，当 IB=0 时， IC 不等于零，这时的 IC 值叫做穿透电流，用 ICEO 表示。所谓穿透电流就是当基极开路，在发射极与集电极之间加一电压时流过集电极的电流。穿透电流对温度很敏感，当温度升高时，它就显著增加。选择三极管时，一般希望 ICEO小， β 选在 40~100 为宜。如有特殊需要可自行选择。

B

C

I

I

1 ． 4 ． 3 、三极管的伏安特性曲线

1 、输入特性曲线 输入特性曲线是指当三极管的集电

极和发射极之间的电压 UCE 保持一定时，加在基极和发射极之间的电压 UBE 和基极电流 IB 之间的关系曲线。

2 、输出特性曲线 三极管的输出特性曲线是指当基极

电流 IB 为常数时，三极管集电极电流与集电极和发射极之间的电压 UCE 之间的关系曲线。

1 ． 5 其他半导体器件 1 ． 5 ． 1 、场效应管 场效应管是一个电压控制器件，它是利用场效应原理工作

的晶体管，可分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管。 1 ． 5 ． 2 、发光二极管 发光二极管是一种将电能直接转换成光能的光发射器件，

简称 LED, 它是由镓、砷、磷等元素的化合物制成。这些材料构成的 PN 加上正向电压时，就会发出光来，光的颜色取决于制造所用的材料。

1 ． 5 ． 3 、光电二极管 光电二极管又称光敏二极管。它的管壳上备有一个玻璃窗

口，以便于接受光照。其特点是，当光线照射于它的 PN 结时，可以成对地产生自由电子和空穴，使半导体中少数载流子的浓度提高。

还有开关二极管 、变容二极管 、隧道二极管等。

第 2 章 基本放大电路

2 ． 1 基本放大电路的组成 在三极管放大电路中，因为它与外部电源、信

号源及元件的电路组合方式不同，所以它的工作特性也不同。按照输入电路与输出电路的交流信号公共端的不同，三极管放大电路可分为共发射极、共基极和共集电极三种基本放大电路。这种接法上的改变使放大电路的性能发生了变化，并各具特色。

2 ． 1 ． 1 、共发射极基本放大电路

三极管处于放大状态时必须满足发射结正向偏置、集电结反向偏置的外部条件，对三极管放大电路来说也是如此。

由三极管 V 组成的共发射极放大电路（又称固定偏置电路）。由下图可见电路中只有一个放大器件，且以三极管的发射极作为输入回路和输出回路的公共电极，故称为共发射极放大电路。

共发射极放大电路的特点是：

1 、具有较高的放大倍数；2 、输入和输出信号相位相反；3 、输入电阻不高；4 、输出电阻取决于 Rc 的数值。若要减小输出电阻，需要减小 Rc 的阻值，这将影响电路的放大倍数。

2 ． 2 共发射极放大电路的分析

为了进一步理解放大电路性能，需要对放大电路进行必要的定量分析。分析方法较多，这里只介绍近似估算法和图解分析法两种。在放大电路中，直流量和交流量共存。由于电容、电感等电抗元件的存在，直流量所流经的通路与交流信号所流经的通路是不完全相同的。为了研究问题方便起见，常把放大电路分成直流通路和交流通路分开来研究。

2 ． 3静态工作点的设置和稳定

信号在放大过程中，总是希望信号的幅值得到增大而信号的波形不变。假如信号经过放大器后，输出信号的波形与输入信号相差很远，放大就显得没有意义了。输出波形与输入波形不完全一致称为波形失真。由于特性曲线非线性引起的波形失真称为非线性失真。产生非线性失真的原因与静态工作点选择得是否合适 。

2 ． 4 阻容耦合多级放大电路

由于单级放大电路的放大倍数有限，不能满足实际的需要，因此实用的放大电路都是由多级组成的。

多级放大器通常可分为两大部分，即电压放大 ( 小信号放大 ) 和功率放大 ( 大信号放大 ) 。

2 ． 5放大电路中的负反馈 负反馈在电子线路中的应用十分广泛，几乎所

有的实用放大器，都引入负反馈。因此了解负反馈对放大电路的影响，是十分必要的。

反馈：可描述为将放大电路的输出量（电压或电流）的一部分或全部，通过一定的方式送回放大电路的输入端。我们有时把引入反馈的放大电路称为闭环放大器，没有引入反馈的称为开环放大器。

反馈的极性与类型的判断

判别反馈极性通常采用电压瞬时极性法。简单地说就是先将反馈网络与放大电路的输入段断开，然后设定输入信号有一个正极性的变化，再看反馈回来的量是正极性的还是负极性的，若是负极性，则表示反馈量是削弱输入信号，因此是负反馈。反之则为正反馈。

负反馈的四种基本形式 1 、电压串联负反馈 2 、电流串联负反馈 3 、电压并联负反馈 4 、电流并联负反馈

2 ． 6 功率放大器

前面已经介绍了一些基本放大电路，经过这些放大电路处理后的信号，往往要送到负载，去驱动一定的装置。例如，收音机中扬声器的音圈、电动机控制绕组、计算机监视器或电视机的扫描偏转线圈等。这时我们要考虑的不仅仅是输出的电压或电流的大小，而是要有一定的功率输出，才能使这些负载正常工作。这类主要用于向负载提供功率的放大电路常称为功率放大电路。

2 ． 6 ． 1 、对功率放大器的要求

1 、输出功率大：功率放大电路的任务是向负载提供足够大的功率 。

2 、效率高：功率放大器的效率是输出功率与直流电源提供的直流功率之比。

3 、非线性失真小：为使输出功率大，功率放大器采用的三极管均应工作在大信号状态下。

2 ． 6 ． 2 、功率放大器的分类

1 、按放大电路的频率可分为：低频功率放大电路和高频功率放大电路。

2 、按功率放大电路中三极管导通时间的不同可分为：甲类功率放大电路、乙类功率放大电路和甲乙类功率放大电路。

3 、按功率放大电路输出端的特点可分为：有输出变压器功率放大电路、无输出变压器功率放大电路（又称 OTL功率放大电路）、无输出电容器功率放大电路（又称 OCL功率放大电路）和桥接无输出变压器功率放大电路（又称 BTL功率放大电路）。

2 ． 7 正弦波振荡电路

许多技术领域中都要用到不同大小、不同频率的正弦信号。例如：在无线电通信、广播和电视中需要用正弦信号来作为载波，以便把语言、音乐和图象信号调制到载波上，然后转换为电磁波发射出去；又例如：在电子测量中也经常需要用到各种频段的正弦信号发生器。因此，就需要有一种便于产生各种不同大小的正弦信号的电路，这种电路就是我们在这一节要讨论的正弦波振荡电路。

2 ． 7 ． 1 ．振荡的基本概念

振荡电路的基本组成 （ 1）放大电路 没有放大就不可能产生正弦波振荡，

它是满足幅值平衡条件必不可少的电路。放大电路必须结构合理，静态工作点选择适当，以保证放大电路具有放大作用。

（ 2）正反馈电路 其作用主要用来满足自激振荡的相位条件。

（ 3）选频电路 起振时，电路中激起的电压和电流的变化往往是非正弦的，含有各种频率的谐波分量，因此输出的信号也将是含有不同谐波成分的非正弦波。

（ 4）稳幅电路 其作用是使振荡幅值稳定，改善波形。

振荡电路的种类

LC 正弦波振荡电路LC 正弦波振荡电路的构成与 RC 正弦波振荡电路相同，包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。这里的选频网络是由 LC 并联谐振电路构成。 RC 正弦波振荡电路当 LC振荡器用于低频振荡时，所需 L 和 C 的数值均应加大，这种损耗小的大电感和大容量电容制作困难。而使用 RC振荡器却显得方便而经济。 石英晶体正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路具有非常稳定的固有频率。 对于振荡频率的稳定性要求高的电路 , 应选用石英晶体作选频网络。

第 3 章 集成运算放大器

应用半导体制造工艺把晶体管、电阻、电容以及电路的连线都做在同一块硅片上，然后封装在一个管壳内，这样制成的电子电路称为集成电路。它的优点是体积小，重量轻，性能好，功耗低，而且元件之间引线短，焊点少，因而提高了工作的可靠性和灵活性，实现了元件、电路和系统的三结合，为电子技术的应用开辟了一个新时代。

3 ． 1 集成运算放大器的简单介绍

集成运算放大器（ Operational Amplifier）简称集成运放，是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。它的增益高（可达 60~180dB），输入电阻大（几十千欧至百万兆欧），输出电阻低（几十欧），共模抑制比高（ 60~170dB），失调与飘移小，而且还具有输入电压为零时输出电压亦为零的特点，适用于正，负两种极性信号的输入和输出。

3.1.1 、集成运算放大器的组成与分类

1 、集成运算放大器的组成 集成运算放大器的种类很多，电路也各不相同，但基本结

构一般都由输入级、中间级、输出级和偏置电路四个部分组成

2 、集成运算放大器的分类按照集成运算放大器的参数来分，集成运算放大器可分为如下

几类 : （ 1 ）通用型运算放大器 （ 2 ）高阻型运算放大器 （ 3 ）低温漂型运算放大器 （ 4 ）高速型运算放大器 （ 5 ）低功耗型运算放大器 （ 6 ）高压大功率型运算放大

器

3.1.2 、集成运算放大器的主要参数

1 、输入失调电压 Uio 2 、输入失调电流 Iio

3 、最大差模输入电压 Uidm 4 、最大共模输入电压 Uicm 5 、转换速率 Sr 6 、开环差模电压放大倍数 Auo

7 、最大输出电压 UOPP 8 、差模输入电阻 γid

9 、输出电阻 γO 10 、共模抑制比 KCMR

3.1.3 、集成运算放大器的传输特性

集成运放的传输特性就是集成运放的输出与输入的关系特性。它可以分为两个区域：线性区和非线性区，如下图所示。

1 、线性区 在线性区，构成集成运放的放大管工作在放大区，集成运放传输特性呈放大关

系，可以用公式来表示 Uo = A uo（ U +—U） U +—— 同相输入端的电压 U—— 反相输入端的电压 A uo—— 开环差模电压放大倍数 U o—— 运算放大器的输出电压 由于集成运放的开环差模电压放 大倍数都非常大，而输出又为有限值， 所以集成运放的线性区比较窄。 图 3—3 集成运放的传输特性 2 、非线性区 当集成运放的输入信号较大时，构成集成运放的放大管则工作在饱和区，所以集

成运放的输出达到了正负最大值。这个区域称为非线性区。此时， 当 U i ＞ 0 ，即 U + ＞ U 时， Uo = +UoM ，即正饱和。 当 U i ＜ 0 ，即 U + ＜ U 时， Uo = —UoM ，即负饱和。

3.1.4 、理想集成运算放大器的特点

1 、集成运算放大电路的理想模型 在分析运算放大器时为了便于分析和计算，一

般可将它视为一个理想运算放大器。理想运算放大器的主要条件为：

开环差模电压放大倍数： Auo→∞ 差模输入电阻： γid→∞ 输出电阻： γO→0 共模抑制比： KCMR→∞ 输入偏置电流 IB1=IB2=0

2 、理想集成运算放大器线性区的特点

（ 1 ）因为理想运算放大电路的输入偏置电流为零和输入电阻为无穷大，则该电路不会向外部电路索取任何电流，所以流入放大器反相输入端和同相输入端的电流为零。也就是说集成运算放大电路是与电路相连接的，但输入电流又近似为零，相当于断开一样，故通常称为“虚断”。

（ 2 ）因为开环差模电压放大倍数为无穷大，所以当输出电压为有限值时，差模输入电压 =0 ，即。也就是说集成运算放大电路两个输入端对地的电压总是相等的。二者不接地，但电位又总相等，相当于短路，通常称为“虚短”。如果同相输入端接地（或通过电阻接地），即，则反相输入端电位也为零，但又不接地，则称为“虚地”。

3 ． 2 基本集成运算放大电路

集成运算放大器因信号输入的方式不同而分为反相输入和同相输入两种基本电路。本节讨论这两种基本电路的特性，并通过对它们的讨论说明集成运算放大器的特点和分析方法。

3.2.1 、反相输入比例集成运算放大器

反相输入比例运算放大电路的特点： （ 1 ）反相端为虚地，所以共模输入可视为 0 ，对运放共模抑制比要求低；

（ 2 ）输出电阻小，带负载能力强； （ 3 ）要求放大倍数较大时，反馈电阻阻值高，

稳定性差； （ 4 ）如果要求放大倍数 100 ，则 R1=100 kΩ ，

Rf =10MΩ 。

3.2.2 、同相输入比例集成运算放大器

同相比例运算放大电路的特点： (1)输入电阻高； (2) 由于 UP = Ui = UN ( 电路的共模输入信号

高 ) ，因此集成运放的共模抑制比要求高。

3 ． 3 集成运算放大器的应用

集成运算放大器最早用于模拟电子计算机中，完成对信号的加减、乘除、微分、积分等运算。近代集成运算放大器的发展，使得运算放大器的应用远远超出运算范畴，而在各种模拟信号和脉冲信号的测量、处理、产生、变换等方面都获得广泛的应用。本节主要介绍运算放大器在信号运算、处理、产生等方面的应用电路。

3.3.1 、集成运算放大器在信号运算 方面的应用

1 、加法运算电路 加法运算又叫求和运算，在反相比例运算放

大器的基础上增加几个输入支路便组成了反相加法运算电路，也称反相加法器 。

2 、减法运算电路减法运算电路是实现若干个输入信号相减功能

的电路，常用差动输入方式来实现，

3.3.2 、集成运算放大器在信号处理 方面的应用

运算放大器除了能对输入信号进行运算外，还能对输入信号进行处理。信号处理电路的种类很多，这里只介绍电压比较器。

电压比较器是将输入端的模拟信号 ui和一个参考电压 UR进行幅度比较，输出高低电平（压）的电路，

3.3.3 、集成运算放大器在波形产生 方面的应用

集成运算放大器与一些外接元件组合，可以灵活地产生各种不同波形、不同频率的周期振荡信号。这里只介绍集成运放正弦波振荡器。

用集成运算放大器来代替其中的两级放大器同样可组成正弦波振荡电路，如图 3—12 所示。图中左边的电路构成 RC串并联选频网络，右边则为集成运算放大电路。集成运算放大电路和电阻 R1 与 R2 组成了电压串联负反馈放大电路， 其电压放大倍数 。 RC串并联网络引入正反馈到同相输入端，这一部分既是选频电路，又是正反馈网络。当选频电路元件参数满足 R1= R2= R 时，由第二章的知识可知，该电路谐振频率为 ，改变 R或 C 的数值，就可改变振荡电路的频率。

2

1

1R

AR

1

2

R

R

1

2

R

R

0

1

2f

RC

3 ． 4 使用运算放大器的注意问题

1 、辩认管脚，以便正确连线。 2 、用万用表的电阻挡（“ ×100Ω”或“ ×1kΩ”挡），

对照管脚测试有无短路和断路现象。 3 、对于内部无自动稳零措施的运放需外加调零电路，

使之在输入信号为零时输出电压也为零。 4 、对于单电源供电的运放，有时还需在输入端加直流

偏置电压，设置合适的静态输出电压，以便能放大正、负两个方向的变化信号。

5 、为防止电路产生自激振荡，应在集成运放的电源端加上去耦电容。有的集成运放还需外接补偿电容 C 。

第 4 章 直流稳压电源

将交流电变换为直流电的过程叫做整流，进行整流的设备叫做整流器，如下图。整流器一般由四部分组成：

1 、整流变压器 把输入的交流电压变为整流电路所要求的电压值。

2 、整流电路 由整流器件组成 ，它把交流电变成方向不变，但大小随时间变化的脉动直流电。

3 、滤波电路 把脉动的直流电变为平滑的直流电。4 、稳压电路 保持稳定的直流电压供给负载。

4 ． 1 单相整流电路

在单相整流电路中，常用的整流形式有半波，全波，桥式与倍压等几种，这些整流电路是利用二极管的单向导电性来将交流电变换为直流电，因此二极管是构成整流电路的关键器件。这种用作整流的二极管称为整流二极管，简称整流管。

4.1.1 、单相半波整流电路1 、工作原理：在交流电一个周期内 , 二极管半个周期导通半个周期截止 , 以后周期重复上述过程负载 RL 上电流和电压波形如图 4-3 所示。由于该电路输出的脉动直流电的波形是输入的交流电波形的一半，故称为半波整流电路。2 、负载 RL 上的直流电压和电源的计算依据数学推导或实验都可以证明 , 单相半波整流电路中 ,输出到负载 RL 上的半波脉动直流电压平均值 UL＝ 0.45U2

3 、整流二极管上的电流和最大反向电压由于二极管在 u2 负半周时截止 ,承受全部 u2 反向电压 , 所以二极

管所承受的最大反向电压 URM 就是 u2 的峰值，即 URM ≈1.414U2

4.1.2 、单相全波整流电路单相全波整流电路实际上是由两个单相半波电路组成 , 电路如右图所示 : 在整流变压器次级引出两个电压 u2a 和 u2b, 以 0点为参考点，两电压大小相等，相位相反。1 、工作原理由此可见 : 在交流电一个周期内 , 二极管 V1 和 V2交替导通 , 负载

电流 IL=IL1＋ IL2 。因此，负载 RL 上得到全波脉动直流电压和电流2 、负载 RL 上的直流电压和电流的计算 UL＝ 0.9U2

3 、整流二极管上的电流和最大反向电压 URM ≈2.82U2

4.1.3 、单相桥式整流电路单相桥式整流电路如右图所示 : 电路中四只二极管接成电桥形式，所以被称为桥式整流电路 1 、工作原理由此可见 : 在交流输入电压的正负半周，都有同一方向的电流流过 RL 。四个二极管中，两个两个轮流导通， IL=IL1＋ IL2 ，在负载上得到全波脉动的直流电压和电流。 2 、负载 RL 上直流电压和电流计算 UL＝ 0.9U2

3 、整流二极管上的电流和最大反向电压 URM ≈1.57U2

4 ． 2 三相整流电路前面我们讨论的都是单相整流电路，它们的输

出功率一般不超过几千瓦，如果负载功率太大，将会影响电网三相负荷不平衡。目前工矿企业中使用的大功率直流电源，大多数是从三相整流电路得来的。三相整流电路具有输出电压脉动小，输出功率大，变压器利用率高并能使相电网的负荷平衡等优点，在电气设备中被广泛应用。

三相整流电路有多种类型，而三相半波整流电路是最基本的，其他类型都是由三相半波整流电路以不同方式组合成的。

4 ． 2 ． 1 、三相半波整流电路

右图是一个三相半波整流电路。通常变压器的初级绕组接成三角形，次级绕组接成星形。次级绕组的相电压是三相对称电压并按正弦规律变化，彼此相位差为 120°, 电压波形如图 4-14a 所示 : 有时也可直接由三相四线制的交流电网供电。三只整流二极管V1,V3 和 V5 的负极接在一起。通常称作共阴极接法。负载电阻 RL 一端接 K 点 , 另一端接中性点 N 而构成回路。

4 ． 2 ． 2 、三相桥式整流电路

右图是应用最多的三相桥式整流电路，它是两个三相半波整流电路串联组合成的。二极管 V1,V3,V5

组成共阴极联接的三相半波整流电路，二极管 V2 ， V4 ， V6 组成共阳极联

接的三相半波整流电路。负载 RL 接在 E ， F 点。

4.2.3 、带平衡电抗器的双反星形 整流电路

右图是带平衡电抗器的双反星形整流电路。变压器次级有A,B 两组绕组 ,A 组的 U,V,W 和B 组的 U,′V′,W′ 的相电压大小相等。相位相反（同名端相反），电压波形如图 4-20a 所示，由于两组绕组都接成星形故称“双反星形”。这了解决两组电流平衡问题，使两组三相半波

整流电路并联工作，特设置了平衡电抗器 LP,LP 的两端绕组的中性点 N 和 N′ ，其中点 O 作为一个输出端接负载 RL,6 个二极管作共阴极连接并接到 RL 另一端。

4 ． 3 滤波电路 前面我们讨论的几种整流电路，虽然它们都可以把交

流电转换为直流电，但是所输出的都是脉动直流电压，其中含有较大的交流万分，因此这种不平滑的直流电仅能在电镀、电焊、蓄电池充电等要求不高的设备中使用，而对于有些仪器仪表及电气设备等，往往要求直流电压和电流比较平滑，因此必须把脉动的直流电变为平滑的直流电。保留脉动电压的直流成分，尽可能滤除它的交流成分，这就是滤波。这样的电路叫做滤波电路（也叫滤波器）。滤波电路直接在整流电路后面，它通常由电容器，电感器和电阻器按照一定的方式组合而成。常用的滤波电路结构如图 4-22 所示。

4 ． 3 ． 1 、电容滤波电路

右图是单相桥式整流电容滤波电路 , 电容器 C并联在负载两端。根据电路知识我们知道 : 电容器在电路中有储存和释放能量作用 ,

电流供给的电压升高时 , 它把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，就把能量释

放出来，从而减少脉动成分，使负载电压比较平滑，即电容器具有滤波的作用。

4 ． 3 ． 2 、电感滤波电路 电容滤波在大电流工作时滤波效果较好 , 当一些电气设备需要脉动小 , 输出电流大的直流电时 ,往往采用电感滤波电路 , 即在整流输出电路中串联带铁芯的大电感线圈。称为阻流圈 , 如右图 a 。 我们知道 : 电感线圈的直流电阻很小 ,所以脉动电压中直流分量很容易通过电感线圈 ,几乎全部加到负载上 , 而电感线圈对交流的阻抗很大 ,因此脉动电压中交流分量很难通过电感线圈 , 大部分降落在铁芯线圈上。根据电磁感应原理 , 线圈上通过变化的电流时 ,它的两端产生自感电动势来阻碍电流变化 , 当整流输出电流由小增大时 , 它的抑制作用使电流只能缓慢上升；而整流输出电流减小时 , 它又使电流只能缓慢下降 , 这样就使得整流输出电流变化平缓 , 其输出电压平滑性比电容滤波好，

4 ． 3 ． 3 、复式滤波电路 复式滤波电路是用电容器和电感器、电阻器组

成的滤波器、通常有 LC 型、 LCπ 型、 RCπ 型几种。它的滤波效果比单一使用电容或电感滤波要好得多，其应用较为广泛。

下图是 LC 型滤波电路，它由电感滤波和电容滤波组成，脉动电压经过双重滤波作用，使交流分量大部分被电感器阻止，即使有小部分通过电感器，再经过电容滤波，这样负载上交流分时很小，达到滤除交流成分目的。

第 5 章 晶闸管电路 硅晶体闸流管简称晶闸管，俗称可控硅。它是一种大功率的变流新器件，主要用于大功率的交流电能与直流电能的相互转换——将交流电转换成直流电，其输出的直流电压具有可控性；将直流电转换为交流电，称为逆变。晶闸管广泛用在交流调压、无触点交直流开关等方面。 20世纪 60年代以来，晶闸管研制和应用发展很快，特变是近年来在电力牵引、交流传动与控制技术中，晶闸管器件都起着十分关键的作用，晶闸管变流技术正向着集成化、模块化方向发展。

本章重点介绍晶闸管的基本结构、工作原理、特性曲线、主要参数、单相和三相可控整流、晶闸管的触发电路及一些特殊晶闸管的应用。

5 ． 1 晶 闸 管

5 ． 1 ． 1 、晶闸管的结构、符号 晶闸管的种类较多，有普通型、双向型、可

关断型等。在晶闸管整流技术中使用的主要是普通型，而且普通型晶闸管的结构和工作原理也是分析其他晶闸管的基础。下面首先介绍普通型晶闸管。

普通型晶闸管的结构及符号如图 5-1 所示。晶闸管有三个电极：阳极 A 、阴极 K 、门极 G 。

5 ． 1 ． 2 、晶闸管的工作原理

不论哪种结构形式的晶闸管 ,管芯都是由四层 (PNPN) 半导体和三端 (A 、 G 、 K)引线构成。因此它有三个 PN 结 , 由最外层的P层和 N层分别引出阳极和阴极 ,中间的 P层引出门极 , 如上图 a 所示。如果将三个 PN 结和四层半导体看成是由 PNP 和 NPN 型两个三极管连接而成 , 如上图 b 所示 ,则每个三极管的基极和另一个三极管的集电极相连 ,阳极 A 相当于 V1 管的发射极 ,阴极 K 相当于 V2 管的发射极 , 门极相当于 V2 管的基极 ,那么普通晶闸管不仅具有硅整流二极管正向导通、反向截止相似的特性，更重要的是它的正向导通是可以控制的，起这种控制作用的就是门极。

5 ． 2 晶闸管单相可控整流电路

如果用全部或部分晶闸管取代第四章讨论过的各类整流电路中的整流二极管，就能够组成输出电压连续可调的各类可控整流设备。一般容量在 4kW 以下的可控整流装置多采用单相可控整流，对大功率的负载多采用三项可控整流。下面先介绍最简单、最基本的单相半波可控整流电路。

5 ． 2 ． 1 、单相半波可控整流电路

将单相半波整流电路中的整流二极管换成晶闸管即成单相半波可控整流电路，如右图所示： RL 为负载电阻 ,u1 和 u2 为电源变压器的一次和二次正弦交流电压。 由右图电路可见，若门极不加触发电压，无论在 u

2 的正半周还是负半周，晶闸管 V均不会导通。若在 t1 时刻 (ωt1=a) 将触发脉冲 uG 加到 V 的门极，晶闸管被触发导通，如果忽略管压降，则负载上得到的电压等于 u2 。

5 ． 2 ． 2 、单相半控桥式整流电路

将单相桥式整流电路中两只整流二极管换成两只晶闸管便组成了单相半控桥式整流电路，如右图所示。 晶闸管 V1 和 V2 的阴极接在一起，触发脉冲同时送给两管的门极，但能被触发导通的只能是阳极承受正向电压的那只晶闸管。

5 ． 3 晶闸管三相可控整流电路

对大功率的负载，如果用单相可控整流电路，将造成供电线路三相负荷的不平衡，影响电网供电质量。所以中型以上的整流装置都采用三相可控整流。

5 ． 3 ． 1 、三相半波可控整流电路

三相半波可控整流电路如下图所示，其中晶闸管 V1 、 V2 和 V3 的阴极连在一起，称为共阴极接法。这样连接的 V1 、 V2 和 V3 只有当阳极电位最高且门极加触发脉冲时才导通。

5 ． 3 ． 2 、三相半控桥式整流电路

右图是最常用的三相半控桥式整流电路图。图中 6 个整流元件分为两组：一组是晶闸管 V1 、 V2 、 V3 接成共阴极组 , 三个晶闸管的阳极分别接在三相电源上 ,因此任何时刻总是一个晶闸管的阳极电位最高 ,若在其门极加触发脉冲 , 它就会触发导通；另一组是整流二极管 V4 、 V5 、 V6 接成共阳极组 , 三

个二极管的阴极分别接在三相电源上 ,因此任何时刻总又一个二极管的阴极电位最低而处于导通状态。两组元件中只有一组为晶闸管，故称为半控整流电路。

补充： 负载类型对晶闸管整流的影响

在前面分析的各种晶闸管可控整流电路中，均假设负载是电阻性的。但在实际中，经常遇到的负载是电感性的，例如各种电动机的励磁绕组，各种电感线圈等。有时负载是蓄电池（充电）或直流电动机的电枢等。这时电路的工作情况和电阻性负载又很大的不同。

（ 1 ）电感性负载的影响

在电感线圈中当电流发生变化时会产生自感电动势，而且自感电动势总是阻碍电流变化的。电流增大时，自感电动势阻碍它增大；电流减小时，自感电动势又阻碍它减小。也就是说，电感线圈中的电流不能突然增大，也不能突然减小。

在晶闸管可控整流电路中，当晶闸管（导通）阳极上的交流电压减小过零时，晶闸管本应关断，但由于负载中自感电动势的作用，电流并没有同时为零，而且又可能仍大于晶闸管的维持电流 ，因而晶闸管不能及时关断。

（ 2 ）反电动势负载的影响下图 a 所示时反电动势负载对晶闸管整流影响

的电路图。整流输出电压 大于反电动势时才有电流输出，其他时间负载电流为零，其波形如下图 b 所示。通过此图进一步说明给负载串联滤波电抗器，同时并上续流二极管的必要性。

5 ． 4 晶闸管的触发电路

由前面讨论知道，要使用晶闸管导通除在它的阳极和阴极间加上正向电压外，还必须在它的门极加上适当的触发信号（电压、电流）。这种对晶闸管提供触发信号的电路称为触发电路。

触发电流的种类很多，有分立元件组成的，也有集成电路组成的。对触发信号的要求是：上升沿陡，有足够的功率和一定的宽度、幅度，必须和晶闸管阳极电源电压同步，以及又一定的移相范围。

5 ． 4 ． 1 、单结晶体管触发电路单结晶体管又称为双基极二极管 , 它有一个发射极和两

个基极 , 在一块高阻率的 N 型硅基片上用镀金陶瓷片制作成两个接触电阻很小的极，称为第一基极（ B1）和第二基极（ B2）。而在硅基片的另一侧靠近 B2 处掺入 P 型杂质 ,并引出一个铝质电极 , 称为发射极（ E）。发射极 E 对基极 B1 、 B2 就是一个 PN 结，故称为单结晶体管，如下图 a 所示，其符号见下图 b 。

5 ． 4 ． 2 、晶闸管触发电路

右图 a 所示是常见的同步电压为锯齿波的晶体管触发电路。在同步电源电压 u2 的正半周是(a 点为正 ), 二极管 V1 导通 , 电容器 C1充电 , 由于二极管正向电阻很小，所以充电很快，当 u2 达到峰值时， C1 上的电压也相应充到 u2 的峰值。 u2达到最大值以后，二极管 V1 便截止，这时电容器 C1

通过 R 、 L串联回路放电。因为电感 L较大，放电较慢， L 的作用使放电曲线接近直线，一个周期结束时C1 放电结束，如此在电容 C1 两端便获得近似的锯齿波形电压 uC1 。

5 ． 5 晶闸管的选用和保护

晶闸管的热容量很小，即它导通时电流产生的热效应会使它的温度很快上升。前面介绍晶闸管的主要参数时都是在规定的散热条件、额定的结温下的值。晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，很短时间的过电压或过电流有可能使晶闸管损坏。为了保证晶闸管长时间安全可靠地工作，除了合理选择有关参数外，还必须采取适当的过电流、过电压保护措施。

5 ． 5 ． 1 、过电流保护

当流过晶闸管的电流有效值超过它的额定通态平均电流的有效值时，称为过电流。产生过电流的原因主要是负载过大，输出回路发生短路等。过电流保护的意义是当发生过电流时，能迅速将过电流切断，以防晶闸管损坏。过电流保护措施主要有灵敏过电流续电器保护、快速熔断器保护等，其中采用快速熔断器较为普遍。

5 ． 5 ． 2 、过电压保护

当加在晶闸管上的电压超过其额定电压时称为过电压。产生过电压的因素很多，例如电源变压器的一次侧断开‘接通，直流侧感性负载的切断，快速熔断器的熔断，突然跳闸等，有时雷电从电网侵入也可能引起过电压。如过电压超过晶闸管的正向或反向转折电压时，就会使它误导通（硬开通）或反向击穿（损坏）。过电压保护措施主要有阻容保护和非线性电阻保护。

5 ． 6 逆变和交流调压

二极管整流、晶闸管可控整流都是将交流电变换为直流电，反之，如果将直流电变换为交流电，即整流的逆过程称为逆变。

利用晶闸管等开关元件组成的逆变电路分为两类：一类是有源逆变，它是通过直流电→逆变器→交流电→交流电网，将直流电逆变成和电网同频率的交流电并反送到交流电网去；另一类是无源逆变，它是通过直流电→逆变器→交流电→用电器，将直流电逆变为某一频率（或频率可调）的交流电并直接供给用电器。无源逆变器简称逆变器，其实逆变器就是变频器的一种，下面讨论这种逆变器。

5 ． 6 ． 1 、逆变的基本工作原理逆变器的工作原理如下图所示：当晶闸管 V1 和 V4

被触发导通时，负载上得到左正右负的电压 UL ，如下图 a 所示。当 V2 管和 V3 管触发导通时（同时设法使 V1 和 V4 管承受反向电压而截止），负载上电压极性就改变，如下图 b 所示。若能控制两组晶闸管的轮流导通，就可将直流电逆变成交流电，只要能控制晶闸管切换的频率就可实现变频。

1. 单相电压型逆变器单相电压型逆变器电路如下图所示。 V1 和 V2 两个

晶闸管作为可控开关元件 , 它们轮流导通时 , 在负载上就可得到波形为矩形的交流电压，流过负载的电流要根据负载性质而定，在电感性负载时，电流的波形近似正弦波。

图中： L1=L2 为同一桥臂上紧耦合的两个电感线圈 ,C1=C2

为换流电容 ,VD1 和 VD2 为续流用二极管 ,R 为环流衰减电阻。

2. 单相电流型逆变器 单相电流型逆变器的基本电路如右图所示。直流电源上串联的大电感使输入电流 Id 的波形平直 ,脉动很小，具有电流源的特性。 这种逆变器输出的交流电流为矩形，交流电压的波形与负载性质有关，当负载为

电感性时，其波形接近正弦波。图中， C1＝ C2＝ C 为换流电容， VD5～ VD8

为隔离二极管，它使电容的放电回路与负载隔离。

5 ． 7 ． 2 、单相交流调压右图 a 是用两只普通晶闸管V1 和 V2 反向并联而组成的交流调压电路。 当电源电压 u 处在正半周时 , 在 t1 时刻（ ωt1=a）将触发脉冲加到 V2 管的门极 ,V2 管被触发导通 ,此时 V1 管阳极承受反向电压而关断。当电源电压 u 过零时 ,V2 管自然关断。在 t2 时刻 (ωt2=+a)将触发脉冲加到 V1 管的门极 ,V1 管被触发导通 ,此时 V2 管承受反向电压而关断。当电源电压 u 过零时 V1 管便自然关断 ,此负载上得到的电压波形如上图 b 所示。调节控制角 a 便可实现交流调压。

第 6 章 门电路及组合逻辑电路

在数字电路中，门电路是最基本的逻辑单元。逻辑门是能实现一定逻辑关系的单元电路。在数字电路中，存在三种最基本的逻辑关系：与逻辑、或逻辑和非逻辑，这三种逻辑关系所对应的单元电路为：与门、或门和非门，由这三种逻辑门组合可以构成各种复杂的逻辑电路。

6 ． 1 ． 1 、与逻辑及与门如下图 (a) 所示 , 由两个二极管组成的与门电路。 A 、 B 为两个输入端， Y 为输出端。设 UCC 为 9V ， A 、 B输入高低电平，分别为 UH=3V ， UL=0V ，二极管VD1 和 VD2 为理想二极管。由图可知， A 、 B 中只要有一个是低电平 0V ，则必有一个二极管是导通的，使 Y 为 0V 。 A 、 B 同时为低电平 0V ，输出 Y 为 0V 。

只有当 A 、 B 同时为高电平 3V 时， Y 为高电平 3V 。与门逻辑符号如 (b) 图所示。图中 A 、 B 表示输入逻辑变量， Y 表示输出逻辑变量。与逻辑表达式为 Y=A·B 。与门的逻辑关系，还可以用真值表来表示。如下图表 6-1 是与门的真值表。

6 ． 1 ． 2 、或逻辑及或门 能实现或逻辑关系的电路称为或门电路。如下图所示 ,

由二极管和电阻组成的或门电路。图中 A 、 B 是两个输入变量， Y 是输出变量。

由图可知，假设二极管 VD1 和 VD2 为理想二极管，只要 A 、 B 当中有一个是高电平，输出 Y 就是高电平。只有当 A 、 B 同时为低电平时，输出才是低电平。

或逻辑的函数表达式为： Y=A+B 或逻辑符号和或逻辑的真值表如下：

6 ． 1 ． 3 、非逻辑及非门

实现非逻辑功能的电路叫非门，非门的逻辑符号如右图所示。

非门的逻辑表达式为： Y = A

式中 Y 为逻辑函数， A 为输入逻辑变量。上式读作 Y 等于 A非或 A

反。非门逻辑符号和非门的真值表如

右所示。

6 ． 1 ． 4 、组合逻辑门 日常实用中，把与门、或门和非门组合来使用，称为组

合逻辑门电路。1 、与非门 在与门后面接一个非门就构成与非门，如下图所示。 与非门的输入与输出的逻辑关系见表 6 -4 所示的真值表。 从真值表中，不难看出，与非门的逻辑功能是：有 0 出

1 ，全 1 出 0 。 逻辑表达式为： Y ＝ A·B

2 、或非门 在或门的后面接一个非门，就构成或非门，如下图所示。

或非门的输入与输出的逻辑关系见表 6-5 所示的真值表。

由或非门真值表可以看出，或非门的逻辑功能是：有 1 出 0 ，全 0 出 1 。

或非门的逻辑表达式为： Y ＝ A + B

3 、与或非门 将两个（或两个以上）与门的输出端接到一个或门的输入端 ,

就构成一个与或门 , 在其后再接一个非门 , 就组成了一个与或非门，如下图所示。逻辑符号和与或非门的真值表见所示。

由逻辑符号可以看出，与或非门的逻辑关系是：输入端分组先于，然后各组再或，最后再非。

从真值表中可以看出 , 与或非门的逻辑功能为：当输入端中任何一组全为 1 时，输出即为 0 ，只有各组输入都至少有一个为 0 时，输出才能为 1 。 与或非门的逻辑表达式为： Y=AB+CD

4 、异或门异或门是判断两个输入信号是否相同的门电路，是一

种经常用到的门电路。下图为异或门的逻辑图和逻辑符号。

从异或门的真值表中可以看出，异或门的逻辑关系是：当两个输入端的状态相同时输出为 0 ，当两个输入端状态不同（一个为 1 ，一个为 0）时，输出为 1 。

异或门的逻辑表达式为 Y=A B⊕

6 ． 2 数制转换

6 ． 2 ． 1 、数制数制，就是数的进位制。按照不同的进

位方法就有不同的计数体制。例如，有“逢二进一”的二进制计数，有“逢八进一”的八进制计数，有“逢十进一”的十进制计数等。本节重点介绍二进制计数的运算和表示方法及二进制数与十进制数的相互转换。

1 、十进制数

①基本数码： 0 、 1 、 2 、 3 、 4 、 5 、 6 、7 、 8 、 9 。

②进位原则：逢十进一，即 9+1=10 。 对于十进制的任一正整数 A ，可以写成以 10

为底的幂次方求和的展开形式，即 A=bn-110n-1+bn-210n-2+…+b1101+b0100 式中， n 是十进制数的位数（ n=1 ， 2 ， 3 ，…）， 10n-1 、 10n-2…101 、 100 是各位数的“权”。

由上可知，十进制数是由数码的值和位权来表示的。

2 、二进制数

①基本数码： 0 、 1 。②进位原则：逢二进一，即（ 1+1)2=（ 10)2 。

任何一个二进制数 P ，可以写成（ P） 2=bn-12n-1+bn-22n-2+…+b121+b020 式中， n 是二进制数的位数， bn-1 、 bn-2 、… b1 、 b0 ，2n-1 、 2n-2 、… 21 、 20 是各位的位权。

例如，（ 1011） 2=123+022+121+120

二进制的加减法③二进制的加法运算

运算法则：“逢二进一”。 例 1 、求（ 10100） 2+（ 1110） 2=？ 解：

④二进制的减法运算 运算法则：“借一作二”。 例 2 、 求（ 11010） 2—（ 1100） 2=？ 解：

二进制数乘除法运算⑤二进制数乘法运算

运算法则：各数相乘再作加法运算 例 3 、求（ 1101） 2（ 110） 2=？ 解：

⑥二进制数除法运算 运算法则：各数相除后，再作减法运算。 例 4 、求（ 10100） 2÷（ 100） 2=？ 解：

6 ． 2 ． 2 、二进制数和十进制数 的相互转换

1 、二进制数化为十进制数 原则：二进制数的每位数码乘以它所在数位的“权”，再相加起来，即可得到等值的十进制数。这种方法被称为“乘权相加法”。

例 5 、将二进制数（ 1011） 2 化为十进制数。解 （ 1011） 2=（ 123+022+121+120） 10 =（ 23+0+21+1） 10=（ 11） 10

2 、十进制数化为二进制数 原则：把十进制数不断地用 2除，并依次记下余数，一直除到商为零。然后把全部的余数，按相反的次序排列起来，就是等值的二进制数。

这种方法被称为“除 2 取余倒记法”。例 6 、把十进制数（ 37） 10 化为二进制数。解：

所以（ 37） 10=（ 100101） 2

6 ． 3 逻辑代数及逻辑函数的化简

6 ． 3 ． 1 、逻辑代数 逻辑代数的基本公式①常量和变量的逻辑加 ： A + 0 = A A + 1 = 1

②常量和变量的逻辑乘： A•0 = 0 A •1 = A

③变量和反变量的逻辑加和逻辑乘 A + A ＝ 1 A · A ＝ 1

逻辑代数的基本定律①交换律： A+B=B+A A•B=B•A②结合律： A+（ B+C） =（ A+B） +C

A•（ B•C） =（ A•B）• C③分配律： A+B•C=（ A+B）•（ A+C） A•（ B+C） =A•B+A•C④吸收律： A+A•B=A A+B=A+B A•（ A+B） =A AB+C+BC=AB+C⑤重叠律： A+A=A A•A=A⑥非非律： A = A⑦反演律 ( 又称摩根定律 ) ： A+B ＝ A • B A•B ＝ A + B

6 ． 3 ． 2 、逻辑函数化简 化简的方法① 并项法： 利用 A+A=1 的关系，将两项合并成一项，并消去一个变

量。 如： ABC+ABC=AB（ C+C） =AB② 吸收法：利用公式 A+AB=A 吸收多余项。 如： AB+ABC（ D+E） = AB A+ABC＝ A③ 消去法：利用 A+AB=A+B 的关系，消去多余的因子。 如： AB+AC+BC=AB+C（ A+B） =AB+ABC=AB+C④ 配项法 利用 A+A=1 的关系式进行配项。 如 : AB+AC+BC=AB+AC+（ A+A） BC= AB+AC+A BC+ABC =（ AB+ABC） +（ AC+ACB） =AB+AC例题 ： 化简 AD+AD+AB+AC+AC+EF 解 AD+AD+AB+AC+EF=（ AD+AD） +AB+AC+EF =（ A+AB） +AC+EF =（ A+AC） +EF =A+C+EF

6 ． 4 逻辑电路图、真值表与 逻辑函数间的关系

对于一个逻辑电路，其输入与输出状态的逻辑关系，可以用逻辑函数式表示，相反，任何一个逻辑函数式总可以有相应的逻辑电路与之对应；逻辑函数表示逻辑电路的构成，其功能可用真值表表示，相反，由真值表可以写出相对应的逻辑函数式。所以，逻辑电路、逻辑函数与真值表之间有着密切的联系，并且可以互换。

6.4.1 、逻辑电路图与逻辑函数式 的互换

例 4-1右图中的逻辑电路的输出 Y

和输入 A 、 B 的逻辑关系写成逻辑函数式。解：电路中的各个逻辑门的输出 Y1 、 Y2 和 Y 为 Y1=AB ； Y2=A+B ； Y＝ Y1 ＋ Y2

将 Y1 和 Y2代入 Y 式中可得：

Y ＝ AB（ A+B）

例 4-2 画出逻辑函数 Y=B+A 逻辑电路

解： A 、 B 之间都是与运算，可以用与门实现，其中反变量、可通过非门求反后取得。 B 、 A 之间是或运算，可以用或门实现，所以，可画出如下图所示的逻辑图。

6.4.1 、逻辑函数与真值表的互换

1 、由逻辑函数列真值表①若输入变量数为 n ，则输入变量不同状态的组

合数目为 2n 。②列表时，输入状态按 n列、 2n 行画好表格，然后将变量 0 和 1填入表格中。

例 4-3 列出逻辑函数 Y＝ ABC+ABC+ABC 的真值表

解：从逻辑函数式中可看出，输入变量有三个，所以输入状态共有 23=8 种。按上述方法，列出真值表的输入部分，再将每一种状态代入

Y=ABC+ABC+ABC 式，求出函数值。例如，当 A=1 ， B=0 ， C=0 时， Y=1+00+100=1 ，其余都按照此方法算出，列出真值表 6-7 。

2 、由真值表列出逻辑函数式①从真值表中找出输出为 1 的各行，把每行的输入变量写成乘积的形式。

②把各乘积项相加。 例 4-4试将真值表 6-8写出相应的逻辑函数式。解：由上述方法 , 将第一 , 七行写出二个逻辑乘积项： ABC 、 ABC 。再将各乘积项相加，得逻辑函数式 Y=ABC+ ABC

6.4.3 、逻辑代数在逻辑电路中的应用 根据逻辑功能设计电路时 ,得到的并非是唯一的电路 ,

可运用逻辑代数的基本公式进行化简 ,得到简单合理的电路。例 4-5 根据 Y=(A+B)(A+C) 逻辑函数设计逻辑电路。解：由题意可画出相应的逻辑电路，如下图 (a) 所示。

如果将函数式 Y=(A+B)(A+C)经化简后得 Y=A+BC则可得到更简单的逻辑电路，如下图 (b) 所示。

例 4-6变换函数式 Y=AB+AC+AD 为与非－与非表达式，并画出相对应的逻辑电路图。

解： Y＝ AB+AC+AD＝ A(B+C+D)＝ ABCD＝ AB

CD 根据变换的与非－与非表达式，对应的逻辑电路

如下图所示。

6 ． 5组合逻辑电路及逻辑部件

组合逻辑电路的特点 在组合逻辑电路中，任何时刻的输出状态取

决于该时刻的输入状态，与电路原来状态无关。组合逻辑电路都不具有记忆单元，没有记忆功能。

组合逻辑电路的分析①根据逻辑电路写出逻辑代数表达式，由输入到输出逐级推出输出逻辑表达式。

②对逻辑表达式进行化简。③列出真值表进行逻辑功能分析。

第 7 章 触发器和时序逻辑电路

数字逻辑电路可分为两大类：一类是第六章介绍的组合逻辑电路，它的基本单元是门电路，其特点是某一时刻的输出仅取决于当时的输入信号并且无法保存输出信号；另一类是本章将讨论的时序逻辑电路，它的基本单元电路是一种具有记忆、存贮功能的双稳态触发器。时序逻辑电路的特点是，某一时刻输出不仅取决于当时的输入信号，而且还与电路原来的状态有关。

本章将主要介绍几种常用的触发器，并讨论由触发器组成的几种常用时序逻辑电路，如寄存器、计数器等。

7 ． 1 双稳态触发器

双稳态触发器按逻辑功能可分为 RS 触发器、 JK 触发器、 D 触发器和 T 触发器等；按电路结构可分为同步型逻辑触发器、主从型触发器、维持组塞型触发器和边沿触发器等；按触发方式可分为电平触发型、主从触发型和边沿触发型。

7 ． 1 ． 1 、 RS 触发器 基本 RS 触发器可由两个“与非”门交叉联接而成，如下图所

示(a) 为逻辑电路图 ,(b) 为逻辑符号。它有两个输入端 SD 和 RD ，两个互补的输出 Q 和 Q ，两个输出端的状态在正常情况下总是相反的，通常把 Q端的态作为触发器的工作状态。 触发器在正常情况下具有两个稳定状态，一个是 Q=1 ， Q=0状态，称为“ 1”态或“置位”状态；另一个是 Q=0 ， Q=1状态，称为“ 0”态或“复位”状态。

称 SD 为直接置位端或直接置“ 1”端，RD 称为直接复位端或直接置“ 0”端。由于该触发器具有两种稳定状态，故称为双稳态触发器。

7 ． 1 ． 2 、主从型 JK 触发器

下图为主从型 JK 触发器的逻辑电路和逻辑符号。从 (a) 的逻辑电路可知，它是由两个同步 RS 触发器相连而成，触发器 FF1 称为主触发器、触发器 FF2 称为从触发器，主触发器的输出为从触发器的输入，从触发器的输出 Q 和 Q交叉反馈至主触发器的输入，主触发器增加了两个信号输入端 J和 K ，电路中的非门为隔离引导门，它使主触发器和从触发器分别得到相位相反的时钟脉冲信号，这样可将接收输入信号和改变输出状态人时间上

分开。 SD 和 RD 为设置初始状态用的直接触发端，触发器工作时应将其保持在高电平上。

7 ． 2 　寄存器

在计算机和数字系统中，常需要将一些数码暂时放起来，能暂时存放数码的逻辑部件称为寄存器。

寄存器通常由具有记忆功能的触发器和某些起控制作用的门电路组成。一个触发器可以寄存一位 2进制数，因此能存储 n 位 2进制数的寄存器需要 n 个触发器。

寄存器接收数码的方式有双拍接收方式和单拍接收方式两种，前者是第 1拍清零，第 2拍存数；后者则是 1拍就完成存数。

寄存器按功能可分为多种，但运用的较多的是数码寄存器和移位寄存器这两种，特别是不仅能寄存数码，而且能使数码移位的移位寄存器使用广泛，是数字系数中进行算术运算的必需部件。

7 ． 2 ． 1 、数码寄存器 图所示逻辑电路是一个由 D 触发器组

成的 4 位数码寄存器。它由 4 个 D 触发器组成，时钟脉冲端 CP 在这里作为存数指令端， D0 ～ D4 为 4 位数码输入端， Q0 ~ Q3 为 4 位数码的原码输出端， Q0 ~ Q3 为 4 位数码的反码输出端， SD 为清零指令端。

数码寄存器有专门的集成器件， TTL中规模集成数码寄存器有 4 位的 74175,74LS175 等，另外还有 6 位， 8 位等集成器件。

7 ． 2 ． 2 、移位寄存器

移位寄存器是在移位脉冲作用下，将寄存器中的数码依次向左移或向右移。按移动方式可分为单向（左移或右移）移位寄存器和双向移位寄存器，按数码输入输出方式可分为串行输入，并行输入　，串行输出，并行输出等。

7 ． 3 计数器

计数器是一种能累计输入脉冲数目的时序逻辑电路。除了计数，计数器还可用来定时、分频和进行数字运算等，几乎所有的数字系统中都有计数器。因此，计数器是数字系统中非常重要和基本的时序逻辑部件。

7 ． 3 ． 1 、二进制计数器

１．二进制加法计数器对于 2进制的加法，其规则是“逢 2进

1” ，即 0＋ 1＝ 1 ， 1＋ 1＝ 10 。当本位是 1 ，再加 1 时，本位便为 0 ，高位加 1 ，也就是说，每当本位从 1变为 0时，便向相邻高位进位，使高位加 1 。 1位 2进制数需一个触发器表示， n 位 2进制数则需用 n 个触发器构成。

2． 2进制减法计数器

2进制减法计数器的功能是计数器的计数值随计数脉冲的增加而递减，若仍以 4 位2进制数为例，则 2进制减法计数器的状态表如表 7-8 所示。 2进制的减法运算与加法运算不同之处是当 0减 1 时，须向相邻高位借 1 。对于计数器则是本位触发器由“ 0”态翻成“ 1”态时，将向相邻高位触发器发出借位脉冲，并使其翻转。

7 ． 3 ． 2 、 N 进制计数器

在数字系统中，除了 2进制和 10进制计数器外，还有其它任意进制（如 3 ， 5 ， 6 ， 7 ，……）的计数器，通称为 N进制计数器。

对于 N进制计数器的设计，在上节中介绍过根据状态表写出激励方程的观察法（如同步 10进制加法计数器分析）和异步复位法（如异步 10进制加法计数器分析）。事实上，中规模集成 2进制和 10进制计数器已被普遍使用，这些器件芯片设置了某些附加输入端，它的一个重要目的就是用来非常方便地构成任意进制计数器。

第 8 章 数字技术中常用的应用电路

本章将主要介绍一些在数字系统中常用的应用电路。它们大多数是采用前面所介绍的基本单元而构成的的各种应用电路，以便于大家进行实验和组建各种实用电路。

首先介绍脉冲信号的产生和波形的变换、整形电路；然后，讨论在数字系统中起着门户作用的接口电路—模数转换器和数模转换器；最后，举一些数字系统的电路实例。

8 ． 1脉冲信号的产生与整形电路

在数字系统中，经常要用到各种不同的脉冲信号，它们在数字电路中起着控制、启动、定时等重要作用。下面，对脉冲信号的产波形的变换和整形分别作一些介绍。

8.1.1 单稳态触发

在第七章时序逻辑电路中介绍的双稳态触发器有两个稳定状态，在外加信号触发下，可以从一个稳定状态转变为另一个稳定状态。单稳态触发器只有一个稳定状态，在适当的外加信号触发下，可以从稳定状态转变到另一个暂稳状态，经过一定的时间延迟后，又自动地翻转回原先的稳定状态，且暂稳态的持续时间与触发信号无关，仅取决于电路本身的参数。

由于具备以上特点，单稳态触发器被广泛用于电路中的定时、延时和整形。

1．微分型单稳态触发器

下图所示为 TTL 与非门构成的单稳态触发器。G1 门和 G2 门之间由定时元件 R 与 C耦合并构成微分电路； G2 门到 G1 门之间采用正反馈连接； R1 和 C1 构成输入微分电路。其作用是将外加触发信号 u1变换为窄脉冲加到 G1 门上进行触发，另外起隔直作用。正常情况下 ,R的取值要小于 TTL 与非门的关门电阻 ROFF ，即 R ＜ 0.7kΩ ， R1 的取值大于 TTL 与非门的开门电阻 RON 即 R1 ＞ 2kΩ 。

2．集成单稳态触发器

由于单稳态触发器在数字系统中应用广泛。因而已将它作为一个标准器件制成规模集成电路。这些器件在使用时只需外接少量的定时元件 R和 C 即可，电路设置了下降沿触发输入端和上升沿触发输入端供不同情况下选用，并有互补的输出 Q 和 Q ，并设置了清零端。

常用的集成单稳态触发器属 TTL 型的有： 74121 ， 74122 和 74123 等，属于 CMOS 型的有：CC4098 。 CC4528 等。

8.1.2 多谐振荡器—无稳态触发器

单稳态触发器的两种状态一个是稳态，另一个为暂稳态，多谐振荡器的两种状态都是暂稳态，而且不需要外加触发信号，它会自动地从一个暂稳态转入另一个暂稳态，输出高、低电平交替的周期性矩形脉冲，由于矩形包含有众多的谐波信号，故将为种矩形波发生器称为多谐振荡器，也称为无稳态触发器。

多谐振荡器主要用来产生各种矩形波，是数字系统中必不可少的时钟脉冲信号源。

1 、电容正反馈多谐振荡器

图 8-8 是由两个 CMOS非门和 R ， C 元件构成的多谐振荡器。该多谐振荡器的工作振荡频率为：

RCTf

4.1

11

RCTf

4.1

11

2 、石英晶体多谐和振荡器

上面介绍的通过 RC 定时的多谐振荡器，由于其振荡周期取决于 R 和 C 的数值，而 R 和 C的数值容易受温度、时间等因素的影响而变化，稳定性较差，故不能输出高稳定度的脉冲。

数字系统中，很多电路对时钟脉冲频率稳定度有很高的要求。而石英晶体多谐振荡器可以很好地满足大多数数字电路的要求。因为石英晶体的频率稳定度可达到期 10 － 10～ 10 － 11 。

8 ． 1 ． 3 施密特触发器

施密特触发器（ Schmitt Trigger）也称为电位触发器。它也有两个稳定的输入状态，但与第七章讨论的双稳态触发器不同的是，它不具有记忆保持功能。当外加触发信号 u1 上升到某个幅度值 UT+ 时，它从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态；只有当 u1下降到某个幅度值 UT-时，它才又翻转回原来的稳定状态，而且 UT+

＞ UT- 即两次翻转的触发电平不相同，通常将UT+ 称为上限触发电平， UT- 称为下限触发电平。两个触发电平之差称为回差电压 ΔUT ， 且 ΔUT＝ UT+－ UT- 。

8 ． 1 ． 4 集成 555 定时器及其应用

集成 555 定时器是一种将模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路和。它的性能灵活、适用范围广，外部加接少量的阻容元件便可方便地构成多谐振荡器或单稳态触发器，而其本身就可以作为施密特触发器因此，集成 555 定时器广泛应用在脉冲波形的产生与变换，测量与控制等方面。

1．集成 555 定时器

集成 555 定时器分双极型和 CMOS 型两大类，尽管内部电路不同，但所有 555定时器的逻辑功能和外部线排列是完全相同的，而且所有双极型产品型号的最后 3 个数码都是（单定时器）或 556（双定时器），所有 CMOS 型产品型号的最后 4 个数码都是 7555或 7556 。

8.2 模数和数模转换器

当计算机用于生产过程自动控制时，所需要测量和控制的物理大多是连续变化的模拟量，如电压、温度、压力、位移等。对其中的非电的模拟量首先要通过传感器变换为电信号的模拟量，然后再将这些模拟信号转换为数字信号，送入计算机进行处理，处理后的数字信号再转换为模拟信号，关入控制执行电路。从模拟量到数字量的转换称为模数转换或 A/D 转换，反之，称为数模转换或 D/A 转换。模数转换器和数模转换器就是完成上述两种转换的电路。它们是非常重要的数字系统的接口电路。

8． 2． 1 数模转换器（ DAC）

数模转换器（ Digital Analong Converter）是将数字信号转换成模拟信号的电路。

D/A 转换器实际上就是“译码”装置，它将输入数字的每一位代码按权的大小转换为相应的模拟量，再将所有位的模拟量相加而得到总的模拟量，实现数模转换。

D/A 转换器通常由 4 个部分组成，即译码电路、模拟开关、加法电路、基准电压源等。不同的译码电路可构成不同的 D/A 转换器。下面，以使用得最多的梯形网络 D/A 转换器为例介绍 D/A 转换过程。

8． 2． 2 模数转换器（ ADC）

模数转换器 (Analog-Digital Converter) 是将模拟信号转换成数字信号的电路。

D/A 转换器类似一个“译码”装置，而A/D 转换器则类似“编码”装置。它对输入的模拟信号进行编码，输出与模拟量大小成比例关系的数字量。 A/D 转换的过程可归纳为采样 ~ 保持和量化 ~ 编码这两大过程。