电 工 电 子 技 术
制作人：孙琳
第一章 直流电路
1．1 电路模型
1．1．1 电路
电路是为了实现和完成某种需要而将电气器件按一定方式连接起来的总体，它提供了电流通过的闭合路径。从日常生活中使用的用电设备到工、农业生产中用到的各种生产机械的电器控制部分及计算机、各种测试仪表等，从广义说，都是电路。最简单的电路如图1-1所示。
图1-1 实际电路图1-2 图1-1的电路模型
（如灯泡等用电器）；中间环节用来连接电源和负载，为电流提供通路，把电路主要由三部分组成，电源是电路中能量的提供装置（如电池、发电机等）；
负载是取用电能的装置，它把电能转换为其它形式的能量电源的能量供给负载，并根据负载需要接通和断开电路（如各种铜、铝电缆线和开关等）。
电路的功能和作用有两类：第一类功能是进行能量的转换、传输和分配，典型的电路是电力系统，如图1-3所示；第二类功能是进行信号的传递与处理。例如，扩音机的输入是由声音转换而来的电信号，通过晶体管组成的放大电路，输出的便是放大了的电信号，从而实现了放大功能，如图1-4所示；电视机可将接收到的信号，经过处理转换成图像和声音等。
发电机
升压
变压器
降压
变压器
电灯
电动机
电炉
...
输电线
图1-3 电力系统
放
大
器
扬声器
话筒
图1-4 扩音机电路
1．1．2 电路模型
电路是由电特性相当复杂的元器件组成的，为了便于使用数学方法对电路进行分析，可将电路实体中的各种电器设备和元器件用一些能够表征它们主要电磁特性的理想元件（模型）来代替，而对它的实际上的结构、材料、形状等非电磁特性不予考虑。理想元件主要有电阻元件、电感元件、电容元件、电源元件等。表1-1给出了常用理想元件及符号。
由理想元件构成的电路叫做实际电路的电路模型，图1-2就是图1-1的电路模型。今后分析的都是电路模型，称电路。
表1-1常用理想元件及符号
1．2 电路的基本物理量
1．2．1 电流
电流是由电荷的定向运动形成的。在导体中，带负电的自由电子在电场力的作用下，逆着电场方向作定向移动形成电流。其大小和方向均不随时间变化的电流叫恒定电流，简称直流。
图1-5 电流的方向
(a)参考方向与实际方向一致 (b)参考方向与实际方向相反
1．2．2 电压
电场力把单位正电荷从电场中A点移到B点所做的功称为A、B间的电压.
图1-6 电压的方向
(a)参考方向与实际方向一致 (b)参考方向与实际方向相反
电流、电压的参考方向可以任意规定而不影响实际结果，当规定的参考方向相反时，计算出来的量值相差一个负号。参考方向一经规定，在整个电路的分析计算中就必须以此为准，不能变动。电压和电流的参考方向可以分别独立规定，但是，一般规定同一个元件的电压和电流的参考方向相同，即电流的参考方向为从电压的正 极性端流入该元件，而从它的负极性端流出。此时，该元件的电压、电流参考方向为关联参考方向；反之，则称为非关联方向。
1．2．3 电动势
为了维持电路中有持续不断的电流，必须有一种外力，把正电荷从低电位处（如负极）移到高电位处（如正极）。在电源内部就存在着这种外力。如图1-8所示，外力克服电场力把单位正电荷由低电位端移到高电位端，所做的功称为电动势，用E表示。电动势的单位也是V。如果外力把1C的电量从点移到点，所做的功是1J，则电动势就等于1V。
1．2．4 电功率
在直流电路中，根据电压的定义，电场力所做的功是W= QU。把单位时间内电场力所做的功称为电功率（简称功率）。功率的单位是W(瓦［特］)。对于大功率，采用kW（千瓦）或MW（兆瓦）作单位，对于小功率则用mW（毫瓦）或μW（微瓦）作单位。
一个电路最终的目的是电源将一定的电功率传送给负载，负载将电能转换成工作所需要的一定形式的能量，即电路中存在发出功率的器件（供能元件）和吸收功率的器件（耗能元件）。习惯上，通常把耗能元件吸收的功率写成正数，把供能元件发出的功率写成负数，而储能元件（如理想电容、电感元件）既不吸收功率也不发出功率，即其功率。通常所说的功率P又叫做有功功率或平均功率。
在分析计算时，无论用的是哪个公式，只要P＞0，则表明该元件吸收功率或消耗功率，为负载；P＜0，则表明该元件为发出功率或产生功率，为电源。
1．3 电阻元件
1．3．1 欧姆定律
电阻元件是一种反应实际电路中的耗能元件，如电炉、电灯等。欧姆定律指出：导体中的电流与加在导体两端的电压成正比，与导体的电阻成反比。
当电阻两端的电压与流过电阻的电流是关联方向（和图中所示方向相同），则欧姆定律可表示为：
当电阻两端的电压与流过电阻的电流是非关联方向，则欧姆定律表示为：
1．3．3 电阻元件的连接
1．串联电路
把电阻一个接一个地首尾依次连接起来，就组成串联电路，如图所示。串联电路的基本特点是：
设总电压为U、电流为I、总功率为P，则
（1）电流强度处处相等
（2）等效电阻
（3）总电压
（4）总功率
（5）分压关系
（6）功率分配
特例：两只电阻、串联时，等效电阻，则有分压公式：
2．并联电路
将几个电阻元件都接在两个共同端点之间的连接方式称为并联，如图所示。并联电路的基本特点是：
（1）总电流
（2）等效电导 即
（3）并联电阻承受同一电压
（4）总功率
（5）分流关系
（6）功率分配
1．4 基尔霍夫定律
支路：由一个或几个元件首尾相接的无分支电路。在同一支路内，流过所有元件的电流相等。如图所示电路中有三条支路，分别是BAF、BCD和BE。
节点：三条或三条以上连接有电器元件的导线的交点。图中共有两个节点，分别是节点B和节点E。
回路：电路中任一沿支路闭合路径。图1-18中共有三条回路，分别是ABEFA、BCDEB和ABCDEFA。
网孔：中间无分支穿过的回路。图中共有两个网孔，分别是ABEFA和BCDEB。
1．4．1 基尔霍夫电流定律（KCL)
基尔霍夫电流定律又称节点电流定律，它描述了连接在同一节点上，各支路电流之间的约束关系，反映了电流的连续性，可缩写为KCL。即在任一瞬间，流入某一节点的电流之和等于流出该节点的电流之和。
节点a：
节点b：
节点c：
上例三式相加，得
图1-19 KCL的推广应用
1．4．2 基尔霍夫电压定律（KVL)
基尔霍夫电压定律又称回路电压定律，它是用来确定一个回路内各部分电压之间关系的定律。可叙述为：在任一瞬时，沿任一闭合回路绕行一周，回路中各支路（或各元件）电压的代数和等于零。
在图1-18中，对于回路ABEFA，按顺时针循环一周，根据电压和电流的参考方向可列出：
图1-20 KVL定律的推广应用 图1-21 KVL定律的推广应用
1．4．3 基尔霍夫定律的应用——支路电流法
支路电流法是以支路电流为未知量，直接应用KCL和KVL，分别对节点和回路列出所需的方程式，然后联立求解出各未知电流。应用支路电流法解题的方法步骤（假定某电路有m条支路，n个节点）：
（1）首先标定各待求支路的电流参考方向及回路绕行方向；
（2）应用基尔霍夫电流定律列出（ ）个节点方程；
（3）应用基尔霍夫电压定律列出［ ］个独立的回路电压方程式；
（4）由联立方程组求解各支路电流。
1．5 节点电压法
有些电路看似复杂，但是它们都有一个特点，就是电路中只有两个节点，对于这样的电路，可用弥尔曼公式直接求出两节点间的电压。
图1-34 具有两个节点的复杂电路
如图1-34电路，设两节点间电压为U，则有：
求出U后，可用欧姆定律求各支路电流：
第二章 正弦交流电路
2．1 正弦量与正弦电路
2．1．1 正弦量的基本概念
直流电路中的电动势、电压和电流是不随时间改变的；正弦交流电的电动势、电压、电流是随时间按正弦规律变化的。
1．交流电的产生
获得交流电的方法有多种，但大多数交流电是由交流发电机产生的。
图2-1 交流发电机
(a)最简单的交流发电机 (b)感应强度分布图
2．正弦交流电的三要素
正弦量的瞬时值表达式一般为：
（1）幅值
瞬时值：用来描述交流电在变化过程中任一时刻的值。
幅值：瞬时值中的最大值。幅值规定用大写字母加脚标m表示，例如Im，Em，Um等。
有效值：交变电流的有效值是根据热效应确定的。即在相同的电阻R中，分别通入直流电和交流电，在经过一个交流周期的时间内，如果它们在电阻上产生的热量相等，则用此直流电的数值表示交流电的有效值。常用有效值来衡量交流电的大小。有效值规定用大写字母表示，如E、I、U。
（2）频率
角频率：单位时间内交流电变化的角度称为正弦量的角频率。
周期：正弦交流电变化一周所需的时间称为周期 。
频率：每秒钟内交流电变化的次数，称为交流电的频率。
中国和大多数国家都采用50HZ作为电力工业的标准频率，称为工频。
（3）初相位
相位：正弦交流电随时间变化，电角度 叫做正弦交流电的相位角，简称相位。
初相：ｔ＝０时的相位角叫做初相角或初相位，简称初相。
3．相位差
两个同频率的正弦交流电的相位之差叫相位差。相位差表示两正弦量到达最大值的先后差距。
例如：
已知，则u和 i的相位差为：
这表明两个同频率的正弦交流电的相位差等于初相之差。
2．1．2 正弦量的相量表示法
1．复数及其运算
（2）复数的四则运算
设两复数为：
1）加减运算：可利用代数式将复数的实部和虚部分别相加减。
2）乘除运算：利用极坐标式将模相乘、除，而幅角相加、减。
2．2 正弦交流电路的分析
2．2．1 单一参数的正弦交流电路
1．电阻元件的正弦交流电路
日常生活中的电烙铁、电炉、白炽灯等都可以认为是纯电阻性负载。
（1）电压与电流的关系
图2-7 电阻元件的波形图、相量图
(a)电阻元件 (b)波形图 (c)相量图
（2）电阻电路的功率
1）瞬时功率：任一瞬间，电阻上的电压和电流的瞬时值的乘积，称为瞬时功率
2）平均功率（有功功率）：由于瞬时功率是随时间变化的，为便于计算，常用平均功率来计算交流电路中的功率。
这表明，平均功率等于电压、电流有效值的乘积。
2．电感元件的正弦交流电路
一个线圈，当它的电阻小到可以忽略不计时，就可以看成是一个纯电感。纯电感电路如图所示，L为线圈的电感。
图2-8 电感元件的波形图、相量图
(a)电感元件相量模型 (b)波形图 (c)相量图
（1）电压与电流的关系
1）数值上，电压和电流的幅值关系为
2）相位上，电压、电流的相位间关系为
3）相量形式
（3）电感电路的功率
1）纯电感电路的瞬时功率
2）平均功率（有功功率）
瞬时功率表明，在电流的一个周期内，电感与电源进行两次能量交换，交换功率的平均值为零，即纯电感电路的平均功率为零。
P=
3）无功功率
纯电感线圈和电源之间进行能量交换的最大速率，称为纯电感电路的无功功率。用Q表示，无功功率的单位是乏耳(var)。
3．纯电容电路
由于电压的大小和方向随时间变化，使电容器极板上的电荷量也随之变化，电容器的充、放电过程也不断进行，形成了纯电容电路中的电流。
（1）电压与电流的关系
1）数值上，电压和电流的关系为
2）相位上，电压、电流的相位间关系为
（3）电感电路的功率
1）瞬时功率
2）平均功率
电容元件的平均功率为零，说明电容元件是储能元件，不消耗电能，仅与电源进行能量交换。
3）无功功率
电容元件瞬时功率的最大值称为无功功率，它表示电源能量与电场能量交换的最大速率，用Q表示。
2．2．2 正弦交流电路的分析与计算
1．R、L、C串联电路及复阻抗
（1）电压与电流的关系
图2-10 R、L、C 串联电路
(a)电路图 (b)相量图
（2）复阻抗
Z称为电路的复阻抗，其中 ，称为电路的电抗。
Z和分别是复阻抗的模和幅角。电路的 、R、X可以组成一个三角形，称为阻抗三角形。
当XL>XC时，>0，总电压超前于电流，电路呈感性；
当XL<XC时，<0，总电压滞后于电流，电路呈容性；
当XL=XC时，=0，总电压与电流同相，电路呈阻性，此时电路的状态称为串联谐振。
复阻抗的模是它的端电压与电流有效值之比，称为电路的阻抗。复阻抗的幅角是电压与电流的相位角，称为电路的阻抗角。
（3）RLC串联电路的功率
1）有功功率
2）无功功率
3）视在功率
变压器、电动机及一些电气设备的容量是由它们的额度电压和额度电流来决定的，因此，电路端电压的有效值与电流有效值的乘积称为电路的视在功率。
4）功率三角形
2．3 谐振
2．3．1串联谐振
RLC串联电路发生的谐振现象称为串联谐振。
1．串联谐振的条件和谐振频率
显然，欲使电路的端口电压与端口电流同相，即电路达到谐振时，必须满足
因此电路发生谐振时有
或
（1）当L、C固定时，可以改变电源频率达到谐振。
（2）当电源频率一定时，通过改变元件参数使电路谐振的过程称为调谐。由谐振条件可知，调节L和C使电路谐振时，电感与电容分别为
2．串联谐振的特征
（1）谐振时的复阻抗和电流
串联谐振时电路的电抗X=0，此时电路的复阻抗为
（2）特性阻抗和品质因数
电路谐振时的感抗和容抗在数值上相等，用表示则有
可见，只取决于电路的元件参数，称为特性阻抗，单位是Ω（欧姆）。在电子技术中，通常用谐振电路的特性阻抗与电路电阻的比值来表征谐振电路的性能，此值用字母Q表示，称为谐振电路的品质因数。
电感、电容元件上的电压有效值为电源电压有效值的Q倍。由于Q值一般在几十到几百之间，所以串联谐振时，电感和电容元件的端电压往往高出电源电压许多倍，因此，串联谐振又称为电压谐振，常用于接收机的输入电路中。但在电力系统中，应尽量避免谐振，因为当电压过高时，将有可能击穿线圈和电容，发生事故。
串联谐振在无线电工程中，通常用来选择频率。频率选择性的好坏用品质因数来衡量。当品质因数Q值越大时，频率选择性能越好。
2．4 三相正弦交流电路
目前，电能的产生、输送和分配，基本都采用三相交流电路。三相交流电路就是由三个频率相同，最大值相等，相位上互差120º的正弦电动势组成的电路。这样的三个电动势称为三相对称电动势。
2．4．1 三相电源及连接
1．三相电源的产生
当转子磁场在空间按正弦规律分布、逆时针方向匀速旋转时，三相绕组中将感应出三相正弦电动势eA、eB、eC，分别称作A相电动势、B相电动势和C相电动势。它们的频率相同，振幅相等，相位上互差120º。规定三相电动势的正方问是从绕组的末端指向首端。三相电动势的瞬时值解析式为：
图2-21 三相对称电动势的波形图、矢最图
2．三相电源的连接
三相发电机的三个绕组连接方式有两种，一种叫星形（Y）接法，另一种叫三角形（△）接法。
（1）星形（Y）接法
图2-23 三相电源星形接法的电压相量图
从图可以看出，三个相电压是对称的，三个线电压也是对称的。线电压在相位上超前对应的相电压30°，线电压的大小为相电压的 倍，即
星形连接的三相电源，有时只引出三根端线，不引出中线。这种供电方式称作三相三线制。它只提供线电压，主要在高压输电时采用。
2．三相电源的三角形连接
除了星形连接以外，电源的三个绕组还可以连接成三角形。即把三个绕组的首、末端依次连接，构成一个闭合的三角形，再从三个联接点处分别引出三根端线。
图2-24 三相电源的三角形连接
(a)三角形接法 (b)相量图
2．4．2 三相负载的连接
1．单相负载和三相负载
用电器按其对供电电源的要求，可分为单相负载和三相负载。工作时只需单相电源供电的用电器称为单相负载，例如照明灯、电视机、电冰箱等。
需要三相电源供电才能正常工作的电器称为三相负载，例如三相异步电动机等。
若每相负载的电阻相等，电抗相等而且性质相同的负载称为三相对称负载，即：
ZA = ZB = ZC，RA = RB = RC，XA = XB = XC。否则称为三相不对称负载。
三相负载的连接方式也有两种，即星形连接和三角形连接。
2．三相负载的星形连接
三相负载做星形连接时，如果负载不对称，一定要接成三相四线制；如果负载对称，可接成三相三线制。
图2-25 三相四线制的星形连接电路
3.三相三线制连接
图2-26 三相三线制的星形连接电路
对称三相电路做星形连接时，三相电流的瞬时和为零，因此可采用三相三线制，不对称三相电路做星形连接时，必须采用三相四线制，即必须有中线。
中线有两个作用：第一是为不对称的三相电流提供一个通路，因此不对称的三相电流的瞬时和不为零；第二是保证各相负载电压恒定，使各负载能正常工作。
4．三相负载的三角形连接
图2-27 三相对称负载的三角形连接及相量图
5.对称三相电路分析
三相电路实际上是正弦交流电路的一种特殊类型，因此前面对在正弦交流电路的分析方法对三相电路完全适用。在三相电路中，三相电源一般都是对称的，若三相负载对称、三根输电线也对称（即三根输电线的复阻抗相等）就构成了三相对称电路。根据对称三相电路的一些特点，可以简化对称三相电路分析计算。
2）Y-△起动
这种方法只适用于正常运转时定子绕组作三角形连接的电动机。起动时，先将定子绕组改接成星形，使加在每相绕组上的电压降低到额定电压的1/3，从而降低了起动电流；待电动机转速升高后，再将绕组接成三角形，使其在额定电压下运行。
图4-22 Y-△起动线路图
3）自耦变压器起动
对容量较大或正常运行时星形连接的电动机，可应用自耦变压器降压起动。自耦变压器上备有抽头，以便根据所要求的起动转矩来选择不同的电压。如QJ3型的抽头比（U2/U1）为40%、60%、80%。同样可以证明，自耦变压器降压起动电流为直接起动电流的1/k2；其起动转矩也为后者的1/k2。这里，k为变压器的变压比（k=U1/U2）。
自耦变压器降压起动的优点是不受电动机绕组接线方法的限制，可按照允许的起动电流和所需的起动转矩选择不同的抽头，常用于起动容量较大的电动机。其缺点是设备费用高，不宜频繁起动。
2．绕线式电动机的起动
绕线式电动机是在转子电路中接入电阻来起动的，如图4-23所示。起动时，先将起动变阻器调到最大值，使转子电路电阻最大，从而降低起动电流和提高起动转矩。随着转子转速的升高，逐步减小变阻器电阻。起动完毕时，切除起动电阻。
绕线式电动机常用于要求起动转矩较大的生产机械上，如卷扬机、锻压机、起重机及转炉等。
绕线式电动机还有另一种起动方法，是在转子回路中串联一个频敏变阻器，具体电路原理可参阅有关资料。
图4-23 绕线式电动机的起动线路
4．4．2 三相异步电动机的调速
1．变频调速
近年来，交流变频调速在国内外发展非常迅速。由于晶闸管变流技术的日趋成熟和可靠，变频调速在生产实际中应用非常普遍，它打破了直流拖动在调速领域中的统治地位。 交流变频调速需要有一套专门的变频设备，所以价格较高。但由于其调速范围大，平滑性好，适应面广，能做到无级调速，因此它的应用将日益广泛。
2．变极调速
改变磁极对数，可有级地改变电动机的转速。增加磁极对数，可以降低电动机的转速，但磁极对数只能成整数倍地变化，因此，该调速方法无法做到平滑调速。
因为变极调速经济、简便，因而在金属切削机床中经常应用。
3．变转差率调速
在绕线式电动机的转子电路中，接入调速变阻器，改变转子回路电阻，即可实现调速。这种调速方法也能平滑地调节电动机的转速，但能耗较大，效率低，目前，主要应用在起重设备中。
4．4．3 三相异步电动机的制动
由于电动机转动部分有惯性，所以电动机脱离电源后，还会继续转动一段时间才能停止。为了提高生产率，保障安全，某些生产机械要求电动机能迅速停转，这就需要对电动机进行制动。制动的方法较多，如机械制动、电气制动等。以下仅对常见的电气制动作一简要的介绍。
1．能耗制动
这种制动方法是在电动机脱离三相电源的同时，将定子绕组接入直流电源，从而在电动机中产生一个不旋转的直流磁场。
图4-24 能耗制动
图4-25 反接制动
此时，由于惯性转子继续旋转，根据右手定则和左手定则不难确定，转子感应电流和直流磁场相互作用所产生的电磁转矩与转子转动方向相反，称为制动转矩，电动机在制动转矩的作用下就很快停止。由于该制动方法是把电动机的旋转动能转变为电能消耗在转子电阻上，故称能耗制动。能耗制动能量消耗小，制动平稳，无冲击，但需要直流电源，主要应用于要求平稳准确停车的场合。
2．反接制动
在电动机停车时，可将三相电源中的任意两相电源接线对调，此时旋转磁场便反向旋转，转子绕组中的感应电流及电磁转矩方向改变，与转子转动方向相反，因而成为制动转矩。在制动转矩的作用下，电动机的转速很快下降到零。应当注意，当电动机的转速接近于零时，应及时切断电源，以防电动机反转。
反接制动线路简单，制动力大，制动效果好，但由于制动过程中冲击大，制动电流大，不宜在频繁制动的场合下使用。
第三章变压器
3．1 变压器
变压器是一种常见的电气设备，具有变换电压、电流和阻抗的功能，它在电力系统和电子电路中得到广泛的应用。
3．1．1 单相变压器
1．变压器的基本结构
变压器由套在一个闭合铁心上的两个或多个线圈（绕组）构成，如图所示。铁心和线圈是变压器的基本组成部分。
铁心是变压器的主磁路，又作为线圈的支撑骨架。为了减少磁通变化时所引起的涡流损失，变压器的铁心要用厚度为~的硅钢片叠成，片间用绝缘漆隔开。
线圈是变压器的电路部分，一般用高强度漆包线（也可用铝结）绕制而成。变压器和电源相连的线圈称为原绕组（或原边，或初级绕组），和负载相连的线圈称为副绕组（或副边，或次级绕组）。绕组及绕组与铁心之间都是互相绝缘的。
变压器的工作原理图
2．变压器的使用
（1）变压器的额定值
额定值是指变压器制造厂家根据国家技术标准，对变压器正常可靠工作所作的使用规定，由于额定值标注在铭牌上，故又称铭牌值。
三相变压器
1．三相变压器的结构
图3-20 三相变压器
2.三相变压器的联结方式
根据电力网电压和变压器各个原绕组额定电压的大小，可把三个原绕组接成Y联结和△联结，又根据负载额定电压，来确定三个副绕组是接成Y联结和△联结。在电力系统中，常用的接线方式有两种方式：Y，yn和Y，d联结，逗号前表示高压线圈联结，逗号后表示低压线圈联结。
第四章异步电动机
4．1 三相异步电动机的使用
一般对异步电动机的工作特性有很多要求，如要求起动转矩足够大，起动电流不能太大，同时要有一定的调速范围等。
4．1．1 三相异步电动机的起动
1．鼠笼式电动机的起动
（1）直接起动
（2）降压起动
1）定子电路中串电抗器起动
图4-20直接起动线路 图4-21串电抗器起动
第五章 工业企业配电与安全用电
5．1 工业企业供配电系统概述
1．工业企业供配电的意义和要求
工业企业是电力用户，它接受从电力系统送来的电能。工业企业供配电就是指工业企业把接受的电能进行降压，然后再进行供应和分配。工业企业供电是企业内部的供电系统。
工业企业供电工作要很好地为工业企业生产服务，切实保证工业企业生产和生活用电的需要，并做好节能工作，这就需要有合理的工业企业供电系统。合理的供电系统需达到以下基本要求：
（1）安全：在电能的供应分配和使用中，不应发生人身和设备事故；
（2）可靠：应满足电能用户对供电的可靠性要求；
（3）优质：应满足电能用户对电压和频率的质量要求；
（4）经济：供电系统投资要少，运行费用要低，并尽可能地节约电能和材料。
此外，在供电工作中，应合理地处理局部和全部、当前和长远的关系，既要照顾局部和当前利益，又要顾全大局，以适应发展要求。
2．工业企业供电系统组成
工业企业供电系统由高压及低压两种配电线路、变电所（包括配电所）和用电设备组成。一般大、中型工业企业均设有总降压变电所，把35～110kV电压降为6～10kV电压，向车间变电所或高压电动机和其他高压用电设备供电，总降压变电所通常设有一两台降压变压器
5．2 安全用电技术
1．安全用电的意义
在使用电能的过程中，如果不注意用电安全，可能造成人身触电伤亡事故或电气设备的损坏，甚至影响到电力系统的安全运行，造成大面积的停电事故，使国家财产遭受损失，给生产和生活造成很大的影响。因此，我们在使用电能时，必须注意安全用电，以保证人身、设备、电力系统三方面的安全，防止发生事故。
2．安全用电措施
安全用电是指在保证人身及设备安全的条件下，应采取的科学措施和手段。通常从以下两方面着手。
（1）建立健全各种操作规程和安全管理制度
① 安全用电，节约用电，自觉遵守供电部门制定的有关安全用电规定，做到安全、经济、不出事故。
② 禁止私拉电网，禁用“一线一地”接照明灯。
③ 屋内配线，禁止使用裸导线或绝缘破损、老化的导线，对绝缘破损部分，要及时用绝缘胶皮缠好。发生电气故障和漏电起火事故时，要立即拉断电源开关。在未切断电源以前，不要用水或酸、碱泡沫灭火器灭火。
④ 电线断线落地时，不要靠近，对于6～10KV的高压线路，应离开落地点10m远。更不能用手去捡电线，应派人看守，并赶快找电工停电修理。
⑤ 电气设备的金属外壳要接地；在未判明电气设备是否有电之前，应视为有电；移动和抢修电气设备时，均应停电进行；灯头、插座或其他家用电器破损后，应及时找电工更换，不能“带病”运行。
⑥ 用电要申请，安装、修理找电工。停电要有可靠联系方法和警告标志。
（2）技术防护措施
为了防止人身触电事故，通常采用的技术防护措施有电气设备的接地和接零、安装低压触电保护器两种方式。
3．保护接地和保护接零
电气设备在使用中，若设备绝缘损坏或击穿而造成外壳带电，人体触及外壳时有触电的可能。为此，电气设备必须与大地进行可靠的电气连接，即接地保护，使人体免受触电的危害。
（1）保护接地的概念及原理
1）保护接地的概念
2）保护接地的原理
图5-3 保护接地原理图
(a)无接地 (b)有接地
（2）保护接零的概念及原理
1）保护接零的概念
保护接零是指在电源中性点接地的系统中，将设备需要接地的外露部分与电源中性线直接连接，相当于设备外露部分与大地进行了电气连接。
2）保护接零的工作原理
当设备正常工作时，外露部分不带电，人体触及外壳相当于触及零线，无危险，如图5-4所示。采用保护接零时，应注意不宜将保护接地和保护接零混用，而且中性点工作接地必须可靠。
图5-4 保护接零原理图
3）重复接地
在电源中性线做了工作接地的系统中，为确保保护接零的可靠，还需相隔一定距离将中性线或接地线重新接地，称为重复接地。从图5-5（a）可以看出，一旦中性线断线，设备外露部分带电，人体触及同样会有触电的可能。而在重复接地的系统中，如图5-5（b）所示，即使出现中性线断线，但外露部分因重复接地而使其对地电压大大下降，对人体的危害也大大下降。不过应尽量避免中性线或接地线出现断线的现象。
图5-5 重复接地作用
(a)无重复接地 (b)有重复接地
3．漏电保护
漏电保护为近年来推广采用的一种新的防止触电的保护装置。在电气设备中发生漏电或接地故障而人体尚末触及时，漏电保护装置已切断电源；或者在人体已触及带电体时，漏电保护器能在非常短的时间内切断电源，减轻对人体的危害漏电保护器的种类很多，这里介绍目前应用较多的晶体管放大式漏电保护器。
晶体管漏电保护器的组成及工作原理如图5-6所示，由零序电流互感器、输入电路、放大电路、执行电路、整流电源等构成。当人体触电或线路漏电时，零序电流互感器原边中有零序电流流过，在其副边产生感应电动势，加在输入电路上，放大管V1得到输入电压后，进入动态放大工作区，V1管的集电极电流在R6上产压降，使执行管V2的基极电流下降，V2管输入端正偏，V2管导通，继电器KA流过电流启动，其常闭触头断开，接触器KM线圈失电，切断电源。
图5-6晶体管放大式漏电保护器原理图
5．3 电气火灾
电气火灾和爆炸事故在火灾和爆炸事故中占有很大的比例。如电气火灾在火灾中占第二位，仅次于明火引起的火灾。
电气火灾和爆炸可能造成大规模、长时间的停电，给人民生命和国家财产造成重大损失。
研究造成电气火灾和爆炸事故的原因，制定防火防爆措施和灭火措施，首先了解燃烧及燃烧具备的三个条件是必不可少的。
凡具备放热和发光的化学反应，都叫做燃烧。燃烧应具备以下三个条件：
① 有固体、液体或气体可燃物存在。例如木材、汽油、氢气等。
② 有助燃物质存在。例如氧、氯酸钾等。
③ 有导致着火的火源存在。例如明火、电火花、高温物体等。
1．发生电气火灾和爆炸的原因
可燃物质几乎是无处不在，助燃物质更是弥漫在每一个角落，尤其是在一些易燃易爆的危险场所，引起电气火灾和爆炸的直接原因正是导致着火的火源。导致着火的火源主要有危险温度和电火花等。
（1）危险温度
电气设备不正常运行大致包括以下几种情况：
1）短路
2）过载
3）接触不良
4）铁心过热
5）散热不良
（2）电火花和电弧
电火花的温度很高，尤其是大量电火花汇集成的电弧，温度可高达6000℃。因此，电火花和电弧不仅能直接导致电气火灾和爆炸，还可能使金属熔化、飞溅,构成危险的火源。
电火花包括工作火花和事故火花。
1）工作火花
2）事故火花
2．防火防爆措施
为了防火防爆，必须采取严密的综合措施，主要包括组织措施和技术措施，技术措施的思路主要有三个方面：
1）尽量使场所的危险程度减小，如：减少或消除场所的易燃易爆等危险物品，降低爆炸性混合物的浓度等。
2）最大程度地减小或消除引起火灾的火源。
3）合理选择电力网和电气设备的安装位置，保持安装位置与易燃易爆等危险物品的安全间距。
具体措施如下述:
（1）采用耐火设施
1）室内变、配电室以及室外变、配电装置的临近建筑物，酸性蓄电池室以及电力电容器室均应采用耐火建筑。
2）穿人穿出建筑物的输油沟道和孔洞，室内外贮油量较大的变压器或其他电气设备，均应有用耐火材料建成的挡油设施和贮油设施，以防泄漏。
3）大容量的电热器具和木质开关箱等，都应有耐火和隔热的垫座等。
（2）通风
在易燃易爆危险场所，采用良好的通风装置，可降低爆炸混合物的浓度，也利于电气设备的散热，使场所的危险程度降低。
通风的进气不应含有爆炸性混合物，排出的废气也不应进人易燃易爆危险场所。
（3）正确选用电气设备
1）根据场所的特点，正确选用适当型式的电气设备至关重要。如防爆型、防潮型等。选用时应根据实际情况，综合考虑安全可靠和经济实用等因素。
2）选用包括电气线路的选用。在火灾或爆炸危险场所，所用绝缘导线或电缆的额定电压不得低于电网的额定电压，且不得低于500V。
（4）保障电气设备正常运行
正确地设计，严格地安装、调试是保障电气设备正常运行的先决条件。
1）保持温度不超过允许值。就是要保持电压、电流不超过额定值，应随时监视电源和负载的变化，防止超负荷长时间运行，例如，在粉尘和纤维爆炸性混合物场所，电气设备外壳的温度一般不应超过125℃。
2）保持电气设备绝缘良好。应经常对电气设备绝缘进行监测和检查。
3）保持各导电部分连接可靠、接触良好。
4）保持设备清洁，防止设备脏污或灰尘堆积而降低设备绝缘或引起火灾。
（5）合理应用保护装置和火灾自动报警系统
在不影响电气设备正常工作的前提下，短路、过载等过流保护装置的动作电流应尽量整定得小一些。可装设火灾报警系统，监测场所内爆炸性混合物浓度，以及火灾初期阶段产生的烟雾、温度和火花等现象，以便提前发出信号报警。
（6）接地
1）除生产上有特殊要求外,在一般场所可不接地（或可不接零）的部分仍应接地（或接零）。
2）将场所内所有设备不带电的金属部分（包括建筑物的金属构件等）全部连接成整体予以接地（或接零）。
3）单相设备的工作零线应与保护零线分开，且在工作零线上装设短路保护装置。
（7）保持防火安全间距
1）开关、熔断器、电热器具、电焊设备、电动机等的安装位置，尽可能远离易燃易爆等危险物品。
2）变、配电所不宜设在火灾和爆炸危险场所的正上方或正下方。变、配电所的门窗向外开启，通向无火灾和元爆炸危险的场所。
3）室外变、配电所与易燃易爆危险场所的建筑物或贮油、贮气罐等之间应保持必要的防火间距。
除此之外，严格遵守各种安全操作规程，定期对电气设备进行防火防爆的检查和各种维修，也是必不可少的防火防爆措施。
第六章 常用半导体器件
6．1 二极管及其应用
6．1．1 半导体的基本知识
多数现代电子器件是由性能介于导体与绝缘体之间的半导体材料制成的。
1．半导体材料
自然界的物质按照导电能力的不同，分为导体、绝缘体、和半导体。顾名思义，半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。
2．本征半导体及本征激发
3．杂质半导体
掺入微量杂质元素的半导体称为杂质半导体。因掺入杂质不同，杂质半导体可分为P型半导体和N型半导体两大类。
（1）P型半导体
在本征半导体中掺入少量的三价元素（如硼）杂质就形成P型半导体。
（2）N型半导体
在本征半导体中掺入少量的五价元素（如磷）杂质就形成N型半导体。
4．PN结的形成与特性
（1）PN结的形成
采用掺入杂质的方法，使一块本征半导体的一侧成为P型半导体，另一侧成为N型半导体，在这两种杂质半导体的交界面处就形成了PN结。
（2）PN结的单向导电性
PN结在没有外加电场时，通过PN结的总电流为零，PN结处于一种稳定、平衡状态。当PN结在外加不同极性电压时，动态平衡将被打破，并显示出其单向导电的特性。
6．1．2 二极管的结构和类型
图6-4 二极管结构及符号
(a)结构 (b)符号
二极管有许多类型。按用途分，有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、光电二极管和开关二极管等；从所使用的材料分，主要有硅二极管和锗二极管；从工艺上分，有点接触型和面接触型，其结构如图6-5所示。点接触型二极管PN结面积小，因而结电容小，适用于高频（几百兆赫）电路，但它不能通过很大的电流，也不能承受高的反向电压，主要用于小电流整流和高频检波，也适用于开关电路。面接触型二极管PN结面积大，能通过较大的电流，结电容也大，适用于整流电路，但工作频率较低。
图6-5 二极管结构
(a)点接触型 (b)面接触型
在使用二极管时，必须注意外加电压的极性，不能接错。否则非但不能正常工作，还可能损坏二极管及其它电路元件。为此，一般在二极管的外壳上标有图形符号或色点、色带，以便于区分二极管的阳极和阴极。
根据我国的国家标准，二极管型号命名主要由4部分组成：
第一部分是阿拉伯数字2，表示二极管。
第二部分是用汉语拼音字母表示二极管的材料和极性：A—N型锗材料；B—P型锗材料；C—N型硅材料；D—P型硅材料。
第三部分是用汉语拼音字母表示二极管的类型。例如P表示普通管(小信号管)、Z是整流管、W是稳压管等。
第四部分是阿拉伯数字表示该二极管的序号。
6．1．3 二极管的特性及参数
1．二极管伏安特性
图6-6 硅二极管的伏安特性曲线
2．二极管的主要参数
二极管的参数是定量描述二极管性能的质量指标，只有正确理解这些参数的意义，才能合理、正确地使用二极管。
二极管的主要参数有四项。
（1）最大整流电流IF
（2）最高反向工作电压URM
（3）最大反向电流IRM
（4）最高工作频率fM
3．二极管的应用
由于二极管的伏安特性是非线性的，为了分析计算方便，在特定的条件下，我们可以将其线性化处理，视为理想元件。
二极管是电路中最常用的半导体器件。利用其单向导电性及导通时正向压降很小的特点，可以进行整流、检波、限幅、开关以及元件保护等各项工作。
（1）整流
整流就是将交流电变为单方向脉动的直流电。利用二极管的单向导电性可组成单相、三相等各种形式的整流电路，然后再经过滤波、稳压，便可获得平稳的直流电。这些内容将在第九章详细介绍。
（2）限幅
利用二极管正向导通后其两端电压很小且基本保持不变的特性，可以构成各种限幅电路，使输出电压的幅度限制在某一电压值以内。
6．1．4 特殊二极管
除了上述普通二极管外，还有一些特殊二极管，如稳压二极管、光电二极管、发光二极管等，分别介绍如下。
1．稳压二极管
图6-10 稳压电路、稳压管伏安特性及图形符号
(a)稳压电路 (b)伏安特性 (c)符号
2．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。
3.发光二极管
发光二极管是一种将电能直接转换成光能的半导体固体显示器件，简称LED（Light Emitting Diode）。和普通二极管相似，发光二极管也是由一个PN结构成。发光二极管的PN结封装在透明塑料壳内，外形有方形、矩形和圆形等。发光二极管的驱动电压低、工作电流小，具有体积小、可靠性高、耗电少、寿命长以及抗振动能力强等优点，广泛用于信号指示等电路中。在电子技术中常用的数码管，就是用发光二极管排列组成的。
6．2 三极管及其应用
半导体三极管由两个PN结、三个电极组成。这两个PN结靠得很近，工作相互联系、相互影响，表现出与两个单独的PN结完全不同的特性。与二极管相比，三极管的功能有质的飞跃，因此在电子线路中得到广泛的应用。
6．2．1 三极管的结构和类型
三极管是由两个PN结、三个杂质半导体区域组成，因杂质半导体有P、N两种类型，所以三极管的组成形式有NPN型和PNP型两种，其结构如图6-13所示。
图6-13 三极管结构及符号 图6-14 三极管的电路符号
(a)NPN型 (b)PNP型 (a)NPN型 (b)PNP型
6．2．2 三极管的放大特性
1．三极管的工作状态
为使三极管正常工作，必须给三极管的两个PN结加上合适的直流电压，或者说，两个PN结必须有合适的偏置。三极管两个PN结的偏置方式（正偏和反偏），决定了三极管的工作状态。当发射结正偏，集电结反偏时，三极管工作在放大状态；当发射结正偏，集电结也正偏时，三极管工作在饱和状态；当发射结反偏，集电结反偏时，三极管工作在截止状态。
2．三极管的三种组态
三极管是三端器件，有三个电极：发射极、基极和集电极，用作四端网络时，其中任何一个电极都可作为输入和输出端口的公共端，因此，三极管有三种连接方式，也称三种组态。以发射极作为信号输入和输出公共端的电路，称为共发射极电路；以基极作为信号输入和输出公共端的电路，称为共基极电路；以集电极作为信号输入和输出公共端的电路，称为共集电极电路。三种组态电路如图6-16所示。
图6-16 三极管的三种组态
(a)共发射极电路 (b)共基极电路 (c)共集电极电路
3．三极管的放大作用
图6-17 三极管具有放大作用的外部条件
(a)NPN管 (b)PNP管
4．三极管的电流分配关系
在放大电路中，三极管的三个极电流IE、IC、IB间满足关系：IE=IC+IB。三个电流之间的关系符合基尔霍夫电流定律。IB最小，IE、IC比IB大得多，所以IC≈IE。IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB的改变而改变。
三极管三个电极电流分配关系可用图6-18表示。
图6-18 三极管的电流分配关系
(a)NPN管 (b)PNP管
6．2．3 三极管的特性曲线
1．输入特性曲线
图6-19 NPN型三极管共发射极电路的输入特性曲线
2．输出特性曲线
图6-20 NPN型三极管共发射极电路的输出特性曲线
根据上述输出特性曲线的特点，将三极管的工作范围划分为截止区、放大区和饱和区三个区域。
（1）截止区
输出特性曲线族中，IB=0以下的区域称为截止区。三极管工作在截止区时，发射结和集电结均是反向偏置。IB =0时所对应的IC用ICEO表示，通常ICEO很小，IC=ICEO≈0。
由于三个电极的电流都是零，集电极和发射极之间处于断开状态，三极管如同一个断开的电子开关。
（2）放大区
在图6-20中虚线以右，各条输出特性曲线较平坦的部分，称为放大区。三极管工作在放大区时，发射结为正偏，集电结为反偏。在放大区，各条特性曲线几乎平行，且间距也几乎相等，这表明集电极电流iC受基极电流IB控制，而与uCE无关。所以在放大区，三极管可视为一个受基极电流IB控制的受控恒流源， 即IC/IB=ΔIC/ΔIB=β，β为一常数，定义为三极管的电流放大系数。
三极管在起电流放大作用时，应工作在该区。
（3）饱和区
在图6-20中虚线以左，uCE很小，输出特性曲线陡直上升，该区域称为饱和区。三极管工作在饱和区时，发射结和集电结均是正向偏置，集电结收集电子的能力较小，IB增大时，iC增加很少，甚至不增大。不同IB值的各条特性曲线几乎重叠在一起，IB对iC失去控制作用，因此三极管没有放大作用，不能用β来描述基极电流和集电极电流的关系。
工程上定义，uCE=uBE，即uCB=0时, 三极管处于临界饱和；uCE<uBE时，则称为饱和。三极管饱和时的管压降用UCES表示。通常，小功率硅管的饱和管压降UCES约为 V，小功率锗管的UCES约为 V，所以三极管饱和时，集电极和发射极之间近似短路，三极管如同一个闭合的电子开关。
综上所述，三极管工作在放大区，具有电流放大作用，常用来构成各种放大电路；三极管工作在截止区和饱和区，相当于电子开关的断开和闭合，常用于开关控制和数字电路中。
6．2．4 三极管的主要参数
三极管的参数用来表征三极管的各种性能和适用范围。由于制造工艺的关系，即使同一型号的管子，其参数的离散性也很大，晶体三极管手册上所给出的参数只是一般的典型值，了解这些参数的意义，对合理使用管子进行电路设计是十分必要的。
1．电流放大系数β
电流放大系数是表征三极管放大性能的参数。
动态（交流）电流放大系数β：当集电极电压UCE为定值时，集电极电流变化量△IC与基极电流变化量△IB之比，用β表示。即
2．极间反向电流
（1）集电极-基极反向饱和电流ICBO
ICBO是指发射极开路而集电结处于反向偏置时的集电极电流值。在一定的温度下，这个反向电流基本上是个常数，所以称为反向饱和电流。一个好的小功率锗三极管的ICBO约为几微安至几十微安，硅三极管的ICBO更小，有的可达到纳安数量级。
（2）集电极-发射极穿透电流ICEO
ICEO是指基极开路而集电结反偏、发射结正偏时的集电极电流值。
通常ICBO和ICEO越小，表明管子的质量越好。在实际工作中选用三极管时，不能只考虑β的大小，还要注意选用ICBO和ICEO较小的管子。
3．极限参数
极限参数是指三极管使用时不允许超过的工作界限，超过此界限，管子性能下降，甚至损坏。
（1）集电极最大允许电流ICM
（2）集电极最大允许功耗PCM
（3）集电极-发射极间反向击穿电压U（BR）CEO
第七章 基本放大电路
7．1 共射极单管放大电路
共射极放大电路是指组成放大电路的晶体管为共射极组态，即输入信号和输出信号都经过晶体管的发射极。共射极放大电路中只有一个晶体管的称为共射极单管放大电路。
7．1．1 共射极单管放大电路的组成和工作原理
7．1．2 直流通路和交流通路
放大电路工作，当无输入信号时，电路中只有直流电流；当有输入信号时，电路中既有直流电流又有交流电流。直流电流流过的路径称为放大电路的直流通路；交流电流流过的路径称为放大电路的交流通路。由于电路中存在着电抗元件，所以直流通路和交流通路不相同。在计算、分析具体的放大电路时，一定要分清交、直流通路。
1．直流通路
直流通路的简化方法是将电抗元件中的电容看作开路，电感看作短路，其他元件不变。
2．交流通路
交流通路的简化方法是将电抗元件中的电容看作短路，电感看作开路，其他元件不变。直流电源只能产生直流激励，在交流电路中不起作用，而其内阻很小忽略不计，作为短路处理。
图7-2 共射极单管放大电路的直流、交流通路
(a)直流通路 (b)交流通路
7．1．3 静态分析
放大电路的静态是指未加交流信号以前的起始状态。此时，晶体管各极直流电压和直流电流分别用UBEQ、UCEQ、IBQ和ICQ表示。由于这些数值代表着输入特性曲线和输出特性曲线上一个点的坐标，习惯上称该点为静态工作点或直流工作点，此时晶体管的各极电压和电流均在静态值的基础上变化。
2．静态工作点的确定方法
由放大电路的直流通路可确定静态工作点（IBQ、ICQ、UCEQ）。对静态工作点的求解，可用图解法和近似估算法。
（1）近似估算法
根据基尔霍夫电压定律列出图7-2（a）的回路方程：
7．1．4 动态分析
放大电路有交流信号输入时的工作状态称为动态。一个放大电路的性能如何？除了要看其静态工作点的位置以外，还要看动态性能指标。放大电路的主要性能指标包括增益、输入/输出电阻、频率特性、非线性失真等。本节中主要讲解增益、输入电阻、输出电阻的求解方法。
1．微变等效电路法
（1）输入电阻ri
（2）输出电阻ro
（3）晶体管动态输入电阻rbe
（4）电压增益Au
7．2 分压式偏置放大电路
7．2．1 分压式偏置放大电路的组成
分压式偏置放大电路如图7-7所示。V是放大管；RB1、RB2是偏置电阻，RB1、RB2组成分压式偏置电路，将电源电压UCC分压后加到晶体管的基极；RE是射极电阻，还是负反馈电阻；CE是旁路电容与晶体管的射极电阻RE并联，CE的容量较大，具有“隔直、导交”的作用，使此电路有直流负反馈而无交流负反馈，即保证了静态工作点的稳定性，同时又保证了交流信号的放大能力没有降低。
图7-7 分压式偏置放大电路 图7-8 分压式偏置放大电路的直流通路
7．2．2 稳定静态工作点的原理
分压式偏置放大电路的直流通路如图7-8所示。当温度升高，IC随着升高，IE也会升高，电流IE流经射极电阻RE产生的压降UE也升高。又因为UBE=UB-UE，如果基极电位UB是恒定的，且与温度无关，则UBE会随UE的升高而减小，IB也随之自动减小，结果使集电极电流IC减小，从而实现IC基本恒定的目的。如果用符号“ ”表示减小，用“ ”表示增大，则静态工作点稳定过程可表示为：
要实现上述稳定过程，首先必须保证基极电位UB恒定。由图7-7可见，合理选择元件，使流过偏置电阻RB1的电流I1比晶体管的基极电流IB大很多，则UCC被RB1、RB2分压得晶体管的基极电位UB：
分压式偏置放大电路中，采用了电流负反馈，反馈元件为RE。这种负反馈在直流条件下起稳定静态工作点的作用，但在交流条件下影响其动态参数，为此在该处并联一个较大容量的电容CE，使RE在交流通路中被短路，不起作用，从而免除了RE对动态参数的影响。
7．2．3 电路定量分析
1．静态分析
根据KVL定理可得输出回路方程
2．动态分析
由分压式偏置放大电路图7-7可得交流通路如图7-9所示及微变等效电路如图7-10所示。
图7-9 分压式偏置电路的交流通路 图7-10 分压式偏置电路的交流微变等效电路
（1）电压放大倍数Au
输入电压
输出电压
（2）输入电阻ri
（3）输出电阻ro
7．3 共集电极放大电路
共集电极放大电路是一种应用非常广泛的单元电路之一。一般来说，它可用来作为多级放大器的输入级、输出级和中间级。共集电极放大电路还可用作缓冲级在电路中起阻抗匹配的作用。
7．3．1 电路组成及各元件的作用
图7-11（a）是共集电极放大电路的典型电路。V是放大管，RB是基极偏置电阻，RE是发射极电阻，C1、C2是耦合电容，RL是放大电路的负载，其中RE的存在起到了稳定静态工作点的作用。
图7-11（b）是其直流通路，图7-12（a）是其交流通路。从交流通路可看出输入信号ui加在基极与集电极之间，输出信号uo由发射极和集电极之间取出，集电极是输入回路与输出回路的公共端，故称为共集电极放大电路。又因为输出信号是从发射极与“地”之间取出，所以此电路又称为射极输出器。
图7-11 共集电极放大电路
(a)原理电路 (b)直流通路
7．3．2 电路分析
1．静态分析
根据KVL定理可列出图7-11（b）的输入回路方程
基极电流IBQ
集电极电流ICQ
则集—射极间电压UCEQ
2．动态分析
由图7-12（a）可得共集电极放大电路的微变等效电路如图7-12（b）所示。
图7-12 共集电极放大电路的交流电路
(a)交流通路 (b)微变等效电路
（1）电压放大倍数Au
输入电压
输出电压
通常条件下 ，所以Au近似等于1，且略小于1。Au是正值，表明输出电压与输入电压同相，也说明了射极跟随器的特性之一。
（2）输入电阻ri
由微变等效电路可得
（3）输出电阻ro
可见共集电极放大电路的输出电阻很小，一般为几欧到几十欧，表明其带动负载的能力很强。
从以上的分析中可知共集电极放大电路具有以下特点：
（1）电压放大倍数Au近似等于1，且略小于1，输出电压与输入电压同相。
（2）电流放大倍数Ai=1+β。
（3）输入电阻ri很高，信号源的利用率高。
（4）输出电阻ro很低，带动负载能力强。
还必须指出：共集电极放大电路的电压放大倍数虽然比共射极放大电路小得多，但是它是以降低电压放大倍数换来了其它性能的改善。如：提高输入电阻，减小输出电阻，静态工作点稳定等。
7．4 多级放大电路
在实际应用时，放大电路的输入信号很小，而负载却要求有较大的输入信号，这就要求放大电路必须有足够的放大能力。单管放大电路的放大倍数有限，一般只有几十倍不能满足要求，为了得到较高的放大倍数，一个放大电路往往由几级组成。
7．4．1 多级放大电路的组成
一个多级放大电路根据各级所处的位置和作用不同，大致可分为三部分：输入级、中间级和输出级，如图7-13所示。
图7-13 多级放大电路的组成框图
7．4．2 多级放大电路的性能分析
1．多级放大电路的静态工作点
多级放大电路中的各级放大电路的静态工作点之间是否相互影响与级间的连接方式有关。（下面讨论）
2．电压放大倍数
多级放大电路的总电压放大倍数Au等于各级放大电路电压放大倍数的乘积，即Au=Au1·Au2·Au3·…
在计算各级的Au1、Au2、Au3时要注意，各级放大电路的动态是互相有影响的。第一级的输出是第二级的输入，也就是说第二级的输入电阻是第一级的负载，同时第一级的输出电阻也是第二级输入电阻的一部分。所以，在计算时要考虑级与级之间的影响。
3．输入电阻、输出电阻
多级放大电路的输入电阻就是输入级的输入电阻，输出电阻就是输出级的输出电阻。在具体计算时，可用基本放大电路的公式计算。不过，有时它们还与中间级的参数有关。
7．4．3 多级放大电路的耦合方式
多级放大电路级与级之间的连接方式称为耦合方式，即指放大电路输入端与信号源之间，以及放大电路输出端与负载之间的连接方式。
多级放大电路的耦合方式主要有直接耦合方式、阻容耦合方式、变压器耦合方式。
1．直接耦合
图7-14 直接耦合多级放大电路
2．阻容耦合
图7-15 阻容耦合多级放大电路
3．变压器耦合
图7-16 变压器耦合多级放大电路
从以上的分析中，可以知道三种常见的耦合方式各有各的优点。直接耦合放大电路可放大交、直流信号，频率特性好，电路简单便于集成；阻容耦合放大电路只能放大交流信号，各级静态工作点相对独立便于设计调试和维修；变压器耦合放大电路能放大交流信号，并有阻抗匹配的作用，从而实现最大功率输出。三种耦合方式在要求不同的电路中，采用合适的级间耦合方式。
7．5 功率放大电路
在实践中，常常要求放大电路的末级能带一定的负载，如使扬声器的音圈振动发出声音、推动电动机旋转、让仪器仪表动作等，这些都需要放大电路能够输出足够的信号功率，这个末级电路称为功率放大电路，简称功放。前面所讲的放大电路均为小信号放大电路，其主要任务在于不失真地提高输入信号的电压或电流的幅度，以驱动后面的功率放大电路，而功率放大电路的任务则是在信号不失真或轻度失真的条件下提高输出功率，属于大信号放大电路。
放大电路的实质都是能量转换。从能量控制观点看，电压放大电路与功率放大电路没有本质的区别，但是功率放大电路与电压放大电路所承担的任务是不同的，要求也就不同，那么讨论的主要指标就不同。功率放大器按其工作的状态分类也有多种。
7．5．1 功率放大电路的特点与主要要求
1．输出功率足够大
2．效率高
3．非线性失真小
7．5．2 功率放大电路的分类
功率放大电路通常是根据功放管的静态工作点在负载线上位置的不同进行分类的。通常分为甲类、乙类、甲乙类，高频放大电路中还有丙类和丁类。
1．甲类
甲类功率放大电路的静态工作点在负载线的中点。甲类功率放大电路的功放管有较大的静态工作电流，无输入信号也有较大的管耗。有信号输入时，在整个周期内功放管都工作，若静态工作点取值恰当，则输出信号不失真。甲类功率放大电路的特点是失真小、管耗大、效率低，只适用于小信号放大，其波形如图7-17（a）所示。
2．乙类
乙类功率放大电路的静态工作点在负载线与截止区的交线上。乙类功率放大电路没有静态工作电流，无输入信号时功放管不工作，降低了管耗。有输入信号时，电路只对半个周期的信号放大输出，另半个周期功放管不工作没有信号输出，输出信号失真较为严重。若想得到完整的输出信号，则需要两个电路来实现。乙类功率放大电路的特点是失真大、管耗小、效率高、适用于大信号放大，其波形如图7-17（b）所示
3．甲乙类
甲乙类功率放大电路的静态工作点在负载线的中点与截止点之间，是介于甲类和乙类之间的功率放大电路。电路有很小的静态工作电流，无输入信号时有较小的管耗，低于甲类功率放大电路。有信号输入时，在输入信号整个周期内，甲乙类功率放大电路能对大部分输入信号进行放大，输出信号失真小于乙类功率放大电路。若想得到完整的输出信号，也需要两个电路来实现。甲乙类功率放大电路适用于大信号放大，其波形如图7-17（c）所示。
图7-17 功率放大电路的分类
(a)甲类 (b)乙类 (c)甲乙类
7．5．3 互补对称功率放大电路
在应用中，人们需要工作效率高、波形失真小的功放电路。从以上分析可知，甲类功率放大电路波形失真小，但效率低；乙类功率放大电路效率高，波形失真却很大；甲乙类功率放大电路效率虽然较高，波形失真也小，但还是无法满足实际的要求，因此出现了互补对称功率放大电路。
图7-18 互补对称功率放大电路
(a)电原理图 (b)波形图
前面已讲过晶体管导通需要一定的电压，即导通电压或死区电压。晶体管工作在乙类状态时，无输入信号时，电流为零；有输入信号时，只有当输入电压大于死区电压时，晶体管才导通。也就是说，当两个晶体管处于交替工作时，一只管子已经截止，而另一只管子还处于截止状态，只有当输入电压变化到大于其死区电压时管子才导通，这需要一定的时间，在这段时间内，输出电压将不跟随输入信号变化，输出信号的波形发生失真，这种失真就是交越失真。交越失真波形如图7-18（b）所示。
减小交越失真的办法就是使晶体管的静态电流不为零，即在晶体管的发射结加入一个略高于死区电压的静态偏压，使晶体管在静态时处于微导通状态，这样以来两个晶体管在交替工作时输出信号就比较平滑，从而减小了交越失真。
此时晶体管工作在甲乙类状态，这就是甲乙类互补对称功率放大电路。甲乙类互补对称功率放大电路能够很有效的消除交越失真，波形失真小，效率高，是应用最广的功率放大电路之一。电路如图7-19所示。
图7-19 甲乙类互补对称功率放大电路
以上介绍的功率放大电路均为分立元件的功率放大电路，随着数字电路的广泛应用以及电子设备的低功耗要求，小功率（10W以下）的功率放大电路被普遍使用，于是出现了集成功率放大电路。集成功率放大电路具有体积小，功耗低、温度稳定性好、电源利用率高、非线性失真小等优点。有的集成功率放大电路还将各种保护电路，如过流保护、过压保护、过热保护等电路集成在芯片中，提高电路的安全可靠性，使集成功率放大电路的应用越来越广泛。
第八章 集成运算放大器
8．1 集成运算放大器
集成运算放大器简称集成运放，是一种具有高放大倍数、高输入阻抗、低输出阻抗的多级直接耦合放大电路。它早期主要用作模拟计算机的各种数学运算，故称为运算放大器。随着电子技术的飞速发展，集成运放的各项性能不断提高，它的应用领域已大大超出了数学运算的范畴。使用集成运放，只要外加几个外部元件，就可以方便地实现很多电路功能，被广泛的应用在不同的领域中。
8．1．1 集成运算放大器的组成
集成运放型号繁多，性能各异，内部电路各不相同，但其内部电路的基本结构却大致相同。通常由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成，如图8-1所示。
图8-1 集成运算放大器的组成方框图
输入级：多级直接耦合放大电路的第一级，是提高整个电路质量标准的关键环节，应具有较高的输入电阻和良好的稳定性。直接耦合放大电路存在的零点漂移问题对整个电路的工作稳定性影响最大，所以要求输入级的零点漂移尽可能小。目前，多采用差动放大电路作为集成运算放大器的输入级，以解决零点漂移问题。
中间级：由若干级共射极放大电路组成，主要是为整个电路提供足够的增益。放大管多采用复合管，目的是提高输入阻抗，以减小对前级放大倍数的影响。
输出级：向负载提供足够大的功率，要求其输出电阻小，提高带动负载的能力。输出级常采用互补对称功率放大电路，减小交越失真，降低静态功耗，提高输出效率。
偏置电路：为各级电路提供静态偏置电流。为了使各晶体管的静态工作电流稳定，多采用恒流源电路。
8．1．2 差动放大电路的组成和抑制零点漂移的原理
因外界因素，如温度的变化、电压的波动、晶体管参数的变化等等，将引起放大电路的静态工作点发生变化。又由于是直接耦合，静态工作点微小的变化都将直接传送到下一级电路并被放大。特别是第一级的静态电位的变化，经逐步放大，到达输出级时将形成较大的零漂电压。当零漂严重时，将淹没有用信号，导致放大电路无法正常工作，差动放大电路能有效地抑制零点漂移。
1．基本差动放大电路的组成
图8-2 基本差动放大电路
2．共模信号与差模信号
差动放大电路的输入信号分为两种，即共模信号和差模信号。在放大电路的两输入端分别输入大小相等、极性相同的信号即uI1=uI2，则这两个输入信号称为共模信号，并记作uIC，下标C表示共模，即uIC=uI1=uI2。此输入方式称为共模输入。在共模输入时，输出电压与输入电压之比称为共模电压放大倍数，用AC表示。在放大电路的两输入端分别输入大小相等、极性相反的信号即uI1=-uI2，则这两个输入信号称为差模信号，并记作uId，下标d表示差模，即uI1=1/2uId，uI2=-1/2uId，此输入方式称为差模输入。在差模输入时，输出电压与输入电压之比称为差模电压放大倍数，用Ad表示。
3．抑制零点漂移
（1）电路结构的对称性
当外界因素变化时，两管的静态值同时发生漂移，例如温度升高时，表现为IC1、IC2同时增大，结果使UC1和UC2同时下降，即两管集电极电压变化量相等，即ΔUC1=ΔUC2所以ΔUO=ΔUC1-ΔUC2=0，这就表明零点漂移因两管对称而抵消了。
电路结构的对称性使晶体管在温度变化时产生的零漂电压总是方向相同，大小相等的，只要采用双端输出方式就可在输出端将其抵消。显然，电路的对称性将直接影响这种抵消结果。电路对称性越好，这种抵消效果就越好，对零漂的抑制能力也越强。但实际的电路不可能做到完全对称。为此，常在电路中接入电位器RP（阻值较小）。在电路静态工作条件下，先调整RP，使UC1=UC2，保证了电路的零输入零输出的要求。这就是差动放大电路的调零，RP为调零电位器，电路如图8-3所示。
图8-3 有调零电位器的差动放大电路
（2）引入负反馈
带发射极公共电阻RE的差动放大电路常叫长尾式差动放大器，如图8-3所示的电路。发射极电阻RE具有负反馈作用，能有效地减小电路的零点漂移。当温度升高，产生零点漂移主要表现为晶体管的集电极电流升高，由于电路的对称性，两管的电流增量相等，
发射极电流增量ΔIE1=ΔIE2，流过RE的电流增量ΔIRE=ΔIE1+ΔIE2=2ΔIE。在RE上产生的电压增量ΔURE=2ΔIERE，V1和V2公共发射极的电位提高相同值。两管的发射结电压UBE1=UBE2=UB-UE，而两管的基极电位UB不变，UE却升高，导致UBE1和UBE2下降，使晶体管的放大能力下降，基极电流IB1和IB2下降，集电极电流IC1和IC2相应下降，从而抵制了因温度升高引起的IC1、IC2的升高，使之保持恒定，静态工作点基本不变，达到了抑制零点漂移的目的。上述过程可表示为：
8．1．3 差动放大电路的输入、输出方式
1．双端输入、双端输出
2．双端输入、单端输出
3．单端输入、双端输出
4．单端输入、单端输出
8．1．4 差动放大电路的主要技术指标
1．差模电压放大倍数Aud
2．共模电压放大倍数Auc
3．共模抑制比KCMR
8．1．5 集成运放的性能指标
集成运放通常有多个引脚与外部电路相连接，它们分别接正、负直流电源、输入信号源、负载和调零电位器等。集成运放的图形符号如图8-4（a），符号中只给出了输入端和输出端，左侧引脚是信号输入端，右侧引脚是信号输出端。信号输入端中标注“u-”，表示信号从这一端输入，输出信号uO与输入信号u-相位相反，称为反相输入端；信号输入端中标注“u+”表示信号从这一端输入，输出信号uO与输入信号u+相位相同，称为同相输入端。输出电压uO与输入电压之差（u+-u-）成正比，即：
图8-4 集成运算放大器图形符号
(a)电路图形符号 (b)实际引脚图
式中u+、u-、uO均指相对于“地”间的电压。如图8-4（b）所示的是实际常用的集成运放的引脚图：2：反相输入端；3：同相输入端；4：电源电压负端；6：输出端；7：电源电压正端；1、5：调零端；8：空脚。
1．开环差模电压放大倍数Aod
开环差模电压放大倍数是指集成运放无外加反馈回路情况下，输出电压与差模输入电压之比。（开环是指不加反馈回路）它是决定运放运算精度的重要因素，常用分贝（dB）表示。
2．开环差模输入电阻rid
开环差模输入电阻是指集成运放两个输入端加差模信号时的等效电阻，反映了输入级从信号源取用电流的大小。rid越大，取用的电流越小，一般rid的单位为ΜΩ级。
3．开环输出电阻rod
开环输出电阻是指集成运放没有接反馈电路时输出端所呈现的电阻。rod越小，带动负载能力越强，一般为500Ω以下，性能较好的集成运放的rod值在100Ω以下。
4．共模抑制比KCMR
共模抑制比是差模电压放大倍数Aod与共模电压放大倍数Aoc之比的绝对值，通常用分贝表示
性能良好的集成运放的KCMR在100dB以上。
5．最大输出电压UOM
最大输出电压是指在额定电源电压下，集成运放所输出的最大不失真电压。一个集成运放在额定电源电压条件下工作，当输入信号超出给定的差模输入信号的峰—峰值后，输出电压将不随着输入信号的变化而变化，而是恒定在最大输出电压上，此时集成运放进入非线性工作状态。最大输出电压有正负两个值，即+UOM和-UOM。
8．1．6 理想运算放大器
集成运算放大器外加反馈电路，可实现多种功能。在分析由集成运放组成的各种电路时，为了简便，通常忽略一些问题，将其理想化。实际集成运放的各项性能指标没有达到理想化，如今，半导体制造工艺的迅猛发展，集成运放的性能指标已逐步接近理想化。因此在分析电路时，用理想运放代替实际运放所产生的误差很小，不影响计算结果，并且使分析、计算过程大大简化。
1．理想运放的主要性能指标
开环差模电压放大倍数Aod→∞
差模输入电阻rid→∞
输出电阻rod=0
共模抑制比KCMR→∞
图8-5 理想运算放大器图形符号
2．理想运放的工作特点
集成运放有两个工作区域：线性区和非线性区。
集成运放的输出电压uO与输入电压uI之间的关系称为电压传输特性，即
8．2 集成运算放大器的应用
信号的运算是集成运算放大器的一个重要而最基本的应用领域。在各种运算电路中，集成运放必须工作在线性区，这样电路的输出与输入信号之间才能实现一定的数学运算关系。集成运放要想工作在线性区，一定要加入负反馈网络。
下面将介绍几种常见的实用运放电路。
8．2．1 比例运算
将输入信号按一定比例放大的电路，称为比例运算电路。按信号的输入端不同，又分为反相比例运算电路和同相比例运算电路。
1．反相比例运算
电路如图8-7所示。输入信号uI通过输入电阻R1加到运放的反相端。同相端经平衡电阻R2接地，平衡电阻R2是用来保持运放电路静态平衡，即使差动输入级的两侧对称，从而有效的抑制零漂。RF是反馈电阻，将输出电压uO的一部分或全部反馈至反相输入端，形成深度电压并联负反馈。利用运放工作在线性区的两个特点（虚短和虚断）来分析电路。
图8-7 反相输入比例运算放大器
2．同相比例运算
电路如图8-8（a）所示。输入信号uI通过R2加到运放的同相端，反相端经R1接地，RF是反馈电阻，输出电压uO经R1和RF组成的分压电路，取R1上的分压作为反馈信号加到运放的反相输入端形成深度电压串联负反馈。R2是平衡电阻，作用同上一样。利用运放工作在线性区的两个特点（虚短和虚断）来分析电路。
图8-8同相比例运算放大器
(a)同相输入比例运算放大器 (b)电压跟随器
8．2．2 加法运算
加法运算是指电路的输出电压等于各输入电压的代数和。在反相比例运算电路的反相端再增加几个输入支路便可以组成反相加法运算电路，简称反相加法器。
图8-9 反相输入加法运算电路
8．2．3 减法运算
减法运算是指电路的输出电压与同相端输入电压和反相端输入电压之差成正比，减法运算又称为差动比例运算。在运放的同相端和反相端分别加入输入信号，反馈电阻RF从输出端接到反相输入端，引入电压负反馈，保证运放工作在线性区。图8-10是减法运算电路。
图8-10 减法运算电路
8．2．4 积分运算电路
积分运算电路是指电路的输出信号与输入信号之间存在积分关系，是一种应用极为广泛的运算电路。图8-12所示电路为积分运算电路。它是将反相比例运放电路中的反馈电阻RF换成电容CF作为反馈元件，利用电容两端的电压与流过的电流之间存在的积分关系的原理来实现积分运算的电路。
图8-12 反相输入积分运算电路
8．2．5 微分运算电路
微分运算电路是指电路的输出信号与输入信号之间存在微分关系，它也是一种应用极为广泛的运算电路。如图8-14所示电路为微分运算电路。它是将积分运算电路中的电阻R1和电容CF互换位置。反馈电阻RF引入深度负反馈，保证电路工作在线性区。
图8-14 微分运算电路
第九章 直流稳压电源
9．1 直流稳压电源的组成
电子设备一般都需要直流电源供电。这些直流电源除了少数利用干电池和直流发电机外，大多数是采用把交流电（市电）转变为直流电的直流稳压电源。直流稳压电源由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成，其组成方框图如图9-1所示。
图9-1 直流稳压电源组成方框图
1．电源变压器
一般情况下，负载所需要的直流电压UO的数值较低，这就需要通过变压器将电网提供的交流电（220V，50Hz）经电源变压器变换，之后得到符合电路需要的交流电压。
2．整流电路
利用二极管的单向导电性把交流电变换为极性固定的直流电，但是电压数值却在很大范围内变化，称其为单向脉动直流电压。
3．滤波电路
整流电路输出的单向脉动直流电压中，既包括直流分量，又包括较多的交流谐波成分。滤波电路的作用就是滤除其中的交流谐波，输出平滑的直流电压。
4．稳压电路
由于电网提供的交流电压（有效值）有时会产生波动。此外，负载也会发生变化（负载所取用的电流发生变化），这些都会引起输出的直流电压UO发生变化。稳压电路的作用就是在以上两种情况下，保持输出的直流电压UO稳定。同时，稳压电路也使输出的直流电压更加平滑。
9．2 整流电路
整流电路的任务是将交流电变换成单向脉动直流电。完成这一任务主要靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。常见的整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。单相桥式整流电路用得最为普遍。本节主要介绍单相桥式整流电路。
9．2．1 整流电路的性能指标
1．整流输出电压的平均值UO(AV)
2．纹波因数γ
3．整流二极管的平均电流IVD(AV)
4．整流二极管所承受的最大反向电压URM
9．2．2 单相半波整流电路
图9-2 单相半波整流电路
图9-3 单相半波整流电路波形
由图9-3可以看出单相半波整流电路输出为单向脉动直流电压，通常负载上的电压用一个周期的平均值来说明它的大小，单相半波整流输出平均电压为
平均电流为
9．2．3 单相桥式整流电路
图9-4 单相桥式整流电路
(a)单相桥式整流电路 (b)简化画法
图9-5 单相桥式整流电路波形
单相桥式整流电路输出平均电压为
平均电流为
桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到充分的利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整流电路中得到了广泛的应用。电路的缺点是二极管用的较多。但目前市场上已有整流桥堆出售，如型号为2W06（或KBP306），其内部接线和外部管脚引线如图9-6所示。它有四只管脚，标有“～”的二只管脚外接交流电源，标注“＋”和“－”的二只管脚分别是整流输出电压的正、负极性端。整流桥堆通常可以提供较大的整流电流。
图9-6 整流桥堆管脚图
(a)2W06外部管脚 (b)2W06内部结构 (c)KBP306外部管脚 (d)KBP306内部结构
9．3 滤波电路
为了减小整流后电压的脉动，常采用滤波电路把交流分量滤除，使负载两端得到脉动较小的直流电。
滤波电路一般由电容、电感、电阻等元件组成。滤波电路对直流和交流反映出不同的阻抗，电感L对直流阻抗为零（线圈电阻忽略不计），对于交流却呈现较大的阻抗（XL=ωL）。若把电感L与负载RL串联，则整流后的直流分量几乎无衰减地传到负载，交流分量却大部分降落在电感上，负载上的交流分量很小，因此负载上的电压接近于直流。电容器C对直流相当于开路，对于交流却呈现较小的阻抗（XC=1/ωC）。若将电容C与负载电阻并联，则整流后的直流分量全部流过负载，而交流分量则被电容器旁路，因此在负载上只有直流电压，其波形平滑。
常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波、复式滤波等。
9．3．1 电容滤波电路
电容滤波电路是最简单的滤波器，它是在整流电路的输出端与负载并联一个电容C而组成。如图9-7（a）所示为单相桥式整流、电容滤波电路。
图9-7 电容滤波电路及波形
(a)电路 (b)波形
在分析电容滤波电路时，要特别注意电容器两端电压UC对整流元件的影响，整流元件只有受正向电压作用时才导通，否则便截止。
（1）负载RL未接入时的情况：设电容器两端初始电压为零，接入交流电源后，当u2为正半周时，u2通过VD1、VD3向电容器C充电；u2为负半周时，经VD2、VD4向电容器C充电，充电时间常数为
其中，Rn包括变压器副绕组的电阻和二极管VD的正向电阻。由于Rn一般很小，电容器很快就充电到交流电压u2的最大值 U2。由于电容器无放电回路，故输出电压（即电容器C两端的电压UC）保持在 U2，输出为一个恒定的直流。
（2）接入负载RL的情况：设变压器副边电压u2从0开始上升（即正半周开始）时接入负载RL，由于电容器中负载未接入前充了电，故刚接入负载时u2＜uC ，二极管受反向电压作用而截止，电容器C经RL放电。电容器放电过程的快慢，取决于RL与C的乘积，即放电时间常数τ。τ越大，放电过程越慢，输出电压越平稳。一般地
（T为交流电的周期）
此后，电源电压u2的数值又升高，当u2＞uC时，二极管又开始导通，电容重新充电。以下电容依次重复上述充、放电过程，输出电压uO=uC的波形如图图9-7（ｂ）所示。
单相桥式整流电路加入电容滤波器后，输出电压的平均值UO(AV)一般为
9．3．2 电感滤波电路
利用电感的电抗性，同样可以达到滤波的目的。在桥式整流电路和负载电阻RL间串入一个电感器L就构成了一个简单的电感滤波电路，如图9-8所示。
图9-8 桥式整流电感滤波电路
根据电感的特点，在整流后电压的变化引起负载的电流改变时，电感L上将感应出一个与整流输出电压变化相反的反电动势，两者的叠加使得负载上的电压比较平缓，输出电流基本保持不变。
电感滤波电路中，RL愈小，则负载电流愈大，电感滤波效果越好。在电感滤波电路中，一般
二极管承受的反向电压仍为
电感滤波的特点是，整流管的导电角较大（电感L的反电势使整流管导电角增大），峰值电流很小，输出特性比较平坦。其缺点是由于铁芯的存在，笨重、体积大，易引起电磁干扰，一般只适用于大电流的场合。
9．3．3 复式滤波电路
采用单一的电容滤波或电感滤波时，电路虽然简单，但滤波效果欠佳，大多数场合要求滤波效果更好，则把前两种滤波形式结合起来，即在滤波电容C之前加一个电感L构成LC滤波电路。如图9-9（a）所示。这样可使输出至负载RL上的电压的交流成分进一步降低。该电路适用于高频或负载电流较大并要求脉动很小的电子设备中。
LC滤波电路的直流输出电压和电感滤波电路一样
了进一步减小输出电压的脉动成分，可以在LC滤波电路之前再并联一个滤波电容C1，如图9-9（b）所示。这就构成了LC-π型滤波器。这种π型滤波器的输出电流波形更加平滑，适当选择电路参数，直流输出电压可以达到
图9-9 复式滤波电路
(a)LC型滤波器 (b)LC-π滤波器 (c)RC-π型滤波器
由于带有铁芯的电感线圈体积大，价格也高，因此常用电阻R来代替电感L构成RC-π型滤波器，如图9-9（c）所示。只要适当选择R和C2参数，在负载两端可以获得脉动极小的直流电压。这种滤波电路体积小，重量轻，在小功率电子设备中被广泛采用。
9．4 稳压电路
经过整流和滤波后的电压往往会随交流电源的波动和负载的变化而变化。电压的不稳定有时会产生测量和计算的误差，引起控制装置的工作不稳定，甚至根本无法正常工作。特别是精密电子测量仪器、自动控制、计算装置及晶闸管的触发电路等都要求有很稳定的直流电源供电。因此在整流滤波电路后面再加一级稳压电路，以获得稳定的直流输出电压。
9．4．1 硅稳压管稳压电路
图9-10是一种硅稳压管稳压电路，经过桥式整流电路和电容滤波器滤波得到直流电压Ui，再经过限流电阻R和稳压管VDZ组成的稳压电路接到负载电阻RL上。这样，负载上得到的就是一个比较稳定的电压。
图9-10 硅稳压管稳压电路
引起电压不稳定的原因主要是交流电源电压的波动和负载电流的变化。下面分析在这两种情况下稳压电路的作用。
当交流电源电压增加而使整流输出电压Ui随着增加时，负载电压UO也要增加。UO即为稳压管两端的反向电压。当负载电压UO稍有增加时，稳压管的电流IZ就显著增加，因此电阻R上的压降增加，以抵偿Ui的增加，从而使负载电压UO保持近似不变。相反，如果交流电源电压减低而使Ui减低时，负载电压UO也要减低，因而稳压管的电流IZ就显著减小，电阻R上的压降也减小，仍然可以使负载电压UO保持近似不变。
当电源电压保持不变而是负载电流变化引起负载电压UO改变时，上述稳压电路仍能起到稳压的作用。当负载电流IL增大时，电阻R上的压降也增大，负载电压UO因而下降。只要UO下降一点，稳压管电流IZ就显著减小，通过电阻R的电流和电阻上的压降保持近似不变，因此负载电压UO也就近似稳定不变。当负载电流减小时，稳压过程相反。
选择稳压管时，一般取：
9．4．2 串联型三极管稳压电路
图9-11是由分立元件组成的串联型稳压电源的电路图。其整流滤波部分为单相桥式整流、电容滤波电路。稳压部分为串联型三极管稳压电路，它由调整元件（三极管V1）；比较放大器V2、R7；取样电路R1、R2、RP，基准电压VDZ、R3和过流保护电路V3管及电阻R4、R5、R6等组成。整个稳压电路是一个具有电压串联负反馈的闭环系统，其稳压过程为：当电网电压波动或负载变动引起输出直流电压发生变化时，取样电路取出输出电压的一部分送入比较放大器，并与基准电压进行比较，产生的误差信号经V2放大后送至调整管V1的基极，使调整管改变其管压降，以补偿输出电压的变化，从而达到稳定输出电压的目的。
图9-11 串联型稳压电源电路
9．4．3 集成稳压器
随着半导体工艺的发展，稳压电路也制成了集成器件。由于集成稳压器具有体积小，外接线路简单、使用方便、工作可靠和通用性强等优点，因此在各种电子设备中应用十分普遍，基本上取代了由分立元件构成的稳压电路。集成稳压器的种类很多，应根据设备对直流电源的要求来进行选择。对于大多数电子仪器、设备和电子电路来说，通常是选用串联线性集成稳压器。而在这种类型的器件中，又以三端式集成稳压器应用最为广泛。
W78××、W79××系列三端式集成稳压器的输出电压是固定的，在使用中不能进行调整。W78××系列三端式集成稳压器输出正极性电压，一般有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V七个档次，输出电流最大可达（加散热片）。 同类型78M系列稳压器的输出电流为，78L系列稳压器的输出电流为。若要求负极性输出电压，则可选用W79××系列稳压器。
图9-12为W78××、W79××系列的外形和接线图。
图9-12 W78××、W79××系列外形及接线图
(a)外形 (b)W78××接线图 (c)W79××接线图
它们都有三个引出端：输入端（不稳定电压输入端）、输出端（稳定电压输出端）、公共端。使用时应注意：W78××和W79××系列产品三个引出端的功能不相同，不可接错。
除固定输出三端稳压器外，还有可调式三端稳压器，后者可通过外接元件对输出电压进行调整，以适应不同的需要。
图9-13为三端固定输出集成稳压器的基本应用电路。图中输入端电容Ci用以抵消输入端较长接线的电感效应，以防止产生自激振荡，一般取值为μF。输出端CO用以改善负载的瞬态响应，减少高频噪声，其典型值为1μF。为了使稳压器正常工作，其输入电压Ui数值至少应比输出电压UO高出2～3V。
图9-13 三端固定输出集成稳压器的基本应用电路
(a)W78××基本应用电路 (b)W79××基本应用电路
图9-14为同时输出正、负双电压的稳压电路，由于采用了两片稳压数值相等、极性相反的三端集成稳压器W7815和W7915，在输出端同时获得了对称的稳定输出电压。这种对称直流电源在很多电子电路中得到应用。
图9-14 输出正、负双电压的稳压电路
9．4．4 稳压电源的主要技术指标
1．稳压系数
2．输出电阻
3．温度系数
4．动态电阻
5．电源效率 %
第十章 数字电路概述
1、数字信号与模似信号
模拟信号 — 幅度随时间连续变化。
数字信号 — 断续变化（离散变化），时间上和幅值上均离散化，多采用0、1二种数值组成。
2、模拟电路与数字电路
模拟电路 — 传输或处理模拟信号的电路，如：电压、功率放大等；
数字电路 — 处理、传输、存储、控制、加工、算运算、逻辑运算、数字信号的电路。
如测电机转速：电机-光电转换-整形-门控-计数器-译码器-显示时基电路。
数制与码制
一、数制
数制是用以表示数值大小的方法。人们是按照进位的方式来计数的,称为进位制,简称进制。根据需要可以有多种不同的进制。在讲述数制之前,必须先说明几个概念。
·基数— 在某种数制中,允许使用的数字符号的个数,称为这种数制的基数。
·系数— 任一种N进制中,第i位的数字符号Ki,称为第i位的系数。
·权 — 任一种N进制中,Ni 称为第i位的权
（一）几种常用数制
1、十进制
基数为10，数码为：0～9；
运算规律：逢十进一，即9＋1＝10。
2、二进制
基数为2，数码为：0、1；
运算规律：逢二进一，即：1＋1＝10。
3、八进制
基数为8，数码为：0～7；
运算规律：逢八进一。
4、十六进制
基数为十六，数码为：0～9、A～F；
运算规律：逢十六进一。
（二）几种进制间的对应关系：
三）不同数制间的相互转换
1、二进制、八进制、十六进制转换为十进制
方法：二进制、八进制、十六进数按权展开,求各位数值之和即可得到相应的十进制数。
2、十进制转换为二进制、八进制、十六进制
方法：整数部分转换采用除基取余法。
小数部分转换采用乘基取整法
3、二进制与八进制之间的转换
(1) 二进制转换八进制
方法:以小数点为界,将二进制数的整数部分从低位开始,小数部分从高位开始,每三位一组,首尾不足三位的补零,然后每组三位二进制数用一位八进制数表示。
(2) 将八进制数转换为二进制数
方法：将一位八进制数用三位二进制数表示即可。
4、二进制与十六进制间的转换。
(1) 二进制转换为十六进。
方法：以小数点为界,将二进制数整数部分从低位开始,小数部分从高位开始,每四位一组,首尾不足四位的补零,然后将每组四位二进制数用一位十六进制数表示。
(2) 十六进制转换为二进制数
方法：将一位十六进制数用四位二进制数表示即可。
二、码制
编码—在数字系统中,将各种数据、信息、文档、符号等,转换成二进制字符号来表示的过程。
这些特定的二进制数字符号称为二进制代码。
1、BCD码
用四位二进制代码表示一位十进制数的编码方法,称为二－十进制代码,或称BCD码。
BCD码有多种形式,常用的有8421码、2421码、5421码、余3码。如下表。
10．2 基本逻辑关系与逻辑门电路
逻辑数学是用数学语言来描述逻辑思维的一门科学，是分析和设计数字逻辑电路的数学工具。逻辑数学和普通数学在书写形式上虽然基本一致，但其含义却截然不同。在逻辑数学中“量”和“值”均无大小的含义。
10．2．1 基本逻辑关系
逻辑运算是逻辑思维和逻辑推理的数学描述。普通数学中，变量取值可在-∞～+∞范围内。而在逻辑数学中，逻辑变量只具有二值性，即只有两种可能的取值，“真”（true）和“假”（false）。通常把“真”记作“1”，“假”记作“0”。虽然“1”和“0”叫逻辑值或逻辑常量，但是它们没有“大小”的含义，也无数量的概念，它们只是代表逻辑“真”、“假”的两个形式符号。因此，事物的发生与否，只有完全对立的两种可能，这样的事物才能定义为逻辑变量。逻辑变量一般用英文大写字母A、B、C、······表示，例如开关A的“通”和“断”、电灯B的“亮”和“灭”等等。而“开关F不太灵活”、“电灯L价格很贵”等均不是逻辑变量。
一个结论成立与否，取决于与其相关的前提条件是否成立。结论与前提条件之间的因果关系叫逻辑函数，通常记作F=f（A，B，C，······）。
逻辑函数F也是一个逻辑变量，叫做因变量或输出变量，因此它也只有“1”和“0”两种取值。相对地把A、B、C、······等叫做自变量或输入变量。
1．与逻辑（与运算、逻辑乘）
只有决定事物结果的全部条件同时具备时，结果才发生，这种因果关系叫做逻辑与，也叫与运算或逻辑乘。
例如，图10-1所示的与逻辑电路，功能描述如下：“只有在开关A和B都闭合的条件下，电灯L才亮”，如果设开关A、B闭合代表逻辑“真”，用“1”表示，断开代表逻辑“假”，用“0”表示，灯L亮代表逻辑“真”，用“1”表示，灭代表逻辑“假”，用“0”表示，
则L与A、B的与逻辑关系可以用表1-2所示的真值表来描述。所谓真值表，就是将输入变量所有可能的取值组合对应的输出变量的值一一列出来的一种表格，它是描述逻辑功能的一种重要形式。
图10-1 与逻辑电路实例图 表10-2 与逻辑的真值表
1
1 1
真
真 真
0
1 0
假
真 假
0
0 1
假
假 真
0
0 0
假
假 假
L
A B
L
A B
(b)
(a)
与逻辑表达式（也叫逻辑函数式）为：
L=A·B
在不致于引起混淆的情况下，可以把符号“·”省略。
图10-2为与逻辑的波形图。
图10-2 与逻辑波形图
2．或逻辑（或运算、逻辑加）
在决定事物结果的诸条件中只要任何一个满足，结果就会发生，这种因果关系叫做逻辑或，也叫或运算或逻辑加。
例如，图10-3所示或逻辑电路，功能描述如下：“电灯L亮的条件是：开关A、B同时合上，或者A合上B不合上，或者B合上A不合上。只有A、B都不合上，电灯L才不亮”。其真值表如表10-3所示。
图10-3 或逻辑电路实例图 表10-3 或逻辑的真值表
1
1 1
真
真 真
1
1 0
真
真 假
1
0 1
真
假 真
0
0 0
假
假 假
L
A B
L
A B
(b)
(a)
或逻辑表达式为：
L=A+B
图10-4为或逻辑的波形图。
图10-4 或逻辑波形图
3．非逻辑（非运算、逻辑反）
若条件具备时，结果不会发生，而条件不具备时，结果一定会发生，即前提条件为“真”，则结论为“假”，而前提条件为“假”，则结论为“真”，结论是对前提条件的否定，这种因果关系叫非逻辑。
例如，图10-5所示非逻辑电路，功能描述如下“开关A闭合，电灯L就灭，开关A断开，电灯L就亮”。其真值表如表1-4所示。
图10-5 非逻辑电路实例图 表1-4 非逻辑的真值表
1
0
0
1
真
假
假
真
L
A
L
A
（b）
（a）
非逻辑表达式为：L= 读作“L等于A非”。通常称A为原变量，为反变量，二者共同称为互补变量。
同时，把实现与逻辑运算的单元电路叫做与门，把实现或逻辑运算的单元电路叫做或门，把实现非逻辑运算的单元电路叫做非门（也叫做反相器）。
图10-6为非逻辑的波形图。
图10-6 非逻辑波形图
与、或、非逻辑运算还可以用图10-7所示的图形符号表示。这些图形符号也用于表示相应的门电路。图中上边一行是目前国家标准局规定的符号，下边一行是国外通用符号。
图10-7 与、或、非的图形符号
10．2．2 常用复合逻辑
实际的逻辑问题往往比与、或、非复杂得多，不过它们都可以用与、或、非的组合来实现。最常见的复合逻辑运算有与非、或非、与或非、异或、同或等。图11-8给出了这些复合逻辑运算的图形符号，表10-5为与非逻辑的真值表，表10-6为或非逻辑的真值表，表10-7为与或非逻辑的真值表，表10-8为异或逻辑的真值表，表10-9为同或逻辑的真值表。
图10-8 复合逻辑的图形符号和运算符号
表10-5 与非逻辑的真值表 表10-6 或非逻辑的真值表
表10-7 与或非逻辑的真值表
1
0
0
0
0 0
0 1
1 0
1 1
1
1
1
0
0 0
0 1
1 0
1 1
Y
A B
Y
A B
1
1
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
0
0
0
0
0 0
0 1
1 0
1 1
0 0
0 1
1 0
1 1
0 0
0 1
1 0
1 1
0 0
0 1
1 0
1 1
0 0
0 0
0 0
0 0
0 1
0 1
0 1
0 1
1 0
1 0
1 0
1 0
1 1
1 1
1 1
1 1
Y
C D
A B
表10-8 异或逻辑的真值表
表10-9 同或逻辑的真值表
0
1
1
0
0 0
0 1
1 0
1 1
Y
A B
1
0
0
1
0 0
0 1
1 0
1 1
Y
A B
（1）“与非”逻辑是“与”逻辑和“非”逻辑的组合。先“与”再“非”。其表达式为：Y=
（2）“或非”逻辑是“或”逻辑和“非”逻辑的组合。先“或”再“非”。其表达式为：Y=
（3）“与或非”逻辑是“与”、“或”、“非”三种逻辑的组合。先“与”再“或”最后“非”。其表达式为：Y=
（4）“异或”逻辑的含义是：当两个输入变量相异时，输出为1；相同时输出为0。是异或运算的符号。其表达式为：
Y=A B=A + B
（5）“同或”逻辑与“异或”逻辑相反，它表示当两个输入变量相同时输出为1；相异时输出为0。⊙是同或运算的符号。
Y=A⊙B= +AB
异或和同或在实际应用中使用较广，表10-10给出了异或和同或的常用运算公式
表10-10异或和同或常用运算公式
10．3 逻辑集成门电路
把若干个有源器件和无源器件及其连线，按照一定功能要求，制作在同一块半导体基片上，这样的产品叫集成电路。若用它实现基本逻辑运算功能和复合逻辑运算功能，则称为逻辑集成门电路。常用的门电路在逻辑功能上有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等几种。
集成逻辑门电路，按照其组成的有源器件的不同可分为两大类：一类是双极性晶体管逻辑门电路，另一类是单极性绝缘栅场效应管逻辑门电路。
双极性晶体管逻辑门主要有晶体管—晶体管逻辑（TTL-Transistor Transistor Logic）、射极耦合逻辑（ECL-Emitter Coupled Logic）和集成注入逻辑（I2L-Integrated Injection Logic）等几种类型。
单极性MOS门（Metal Oxide Semiconductor）集成电路，其有源器件采用金属—氧化物—半导体场效应管，它又可分为PMOS门（P沟道增强型MOS管构成的逻辑门）、NMOS门（N沟道增强型MOS管构成的逻辑门）和CMOS门（利用PMOS管和NMOS管构成的互补电路构成的门电路，故又叫做互补MOS门）。
目前数字系统中普遍使用TTL和CMOS集成电路。TTL集成电路工作速度高、驱动能力强，但功耗大、集成度低；MOS集成电路集成度高、功耗低。超大规模集成电路基本上都是MOS集成电路，其缺点是工作速度略低。目前已生产了BiCMOS器件，它由双极型晶体管电路和MOS型集成电路构成，能够充分发挥两种电路的优势，缺点是制造工艺复杂。
小规模集成电路（SSI-Small Scale Integration），每片组件内包含10~100个元件（或10~20个等效门）。
中规模集成电路（MSI-Medium Scale Integration），每片组件内含100~1000个元件（或20~100个等效门）。
大规模集成电路（LSI-Large Scale Integration），每片组件内含1000~100000个元件（或100~1000个等效门）。
超大规模集成电路（VLSI-Very Large Scale Integration），每片组件内含100000个以上元件（或1000个以上等效门）。
10．3．1 常用TTL集成门电路
由于TTL集成电路生产工艺成熟、产品参数稳定、工作可靠、开关速度高，因此获得了广泛应用。它主要包括标准型（N-TTL）、高速型（H-TTL）、低功耗型（L-TTL）、肖特基型（S-TTL）、低功耗肖特基型（LS-TTL）等。我国TTL系列产品型号较多，有T4000、T3000、T2000等。国外主要有美国德克萨斯公司SN74/54系列、美国摩托罗拉公司MC74/54系列、日本日立公司HD74系列产品等。
TTL电路只要型号一致，其功能、性能、管脚排列和封装形式就一致。
我们以双列直插式封装的TTL电路芯片为例，其管脚的识别方法为：将集成块的正面（印有集成电路型号标记面）对着使用者，集成电路上的标识字朝上（或表面的半圆形凹口朝上）。左上脚为1脚，按逆时针方向顺序排布其管脚。
其电源电压为+5V±10%。
四2输入与门可直接互换的型号有SN7408、SN5408、MC7408、MC5408、HD7408、T1008、CT7408、CT5408等，逻辑表达式为 。
四2输入或门可直接互换的型号有SN7432、SN5432、MC7432、MC5432、HD7432、T1032、CT7432、CT5432等，逻辑表达式为 。
六反相器（非门）可直接互换的型号有SN7404、SN5404、MC7404、MC5404、HD7404、T1004、CT7404、CT5404等，逻辑表达式为 。
四2输入与非门可直接互换的型号有SN7400、SN5400、MC7400、MC5400、HD7400、T1000、T065、CT7400、CT5400等，逻辑表达式为 。
双4输入与非门可直接互换的型号有SN7420、SN5420、MC7420、MC5420、HD7420、T1020、CT7420、CT5420、T063等，逻辑表达式为 。
四2输入或非门可直接互换的型号有SN7402、SN5402、MC7402、MC5402、HD7402、T1002、CT7402、CT5402等，逻辑表达式为 。
四2输入异或门可直接互换的型号有SN7486、SN5486、MC7486、MC5486、HD7486、T1086、T690、CT7486、CT5486等，逻辑表达式为 。
图10-16是四2输入与门、或门、与非门、异或门的芯片引脚图，图10-17是双4输入与非门的芯片引脚图，图10-18是六反相器（非门）的芯片引脚图，图10-19是四2输入或非门的芯片引脚图。
图10-16 四2输入与门、或门、 图10-17双4输入与非门芯片引脚图
与非门、异或门芯片引脚图
图10-18 六反相器（非门）芯片引脚图 图10-19 四2输入或非门芯片引脚图
10．3．2 TTL集成门电路主要参数
（1）输出高电平UOH和输出低电平UOL
与非门至少一个输入端接低电平时的输出电压叫输出高电平，记作UOH。UOH的值在~之间即认为合格，标准值是3V。与非门的所有输入端都接高电平时的输出电压叫输出低电平，记作UOL。UOL的值在0~之间即认为合格，标准值是。
（2）开门电平UON和关门电平UOFF
开门电平UON是保证与非门输出标准低电平时，允许输入的高电平的最小值。UON是为使与非门进入开门状态所需要输入的最低电平，一般产品规定UON在~之间。关门电平UOFF是保证与非门输出标准高电平的90%（）时，允许输入的低电平的最大值。UOFF是为使与非门进入关门状态所需要输入的最高电平，一般产品规定UOFF在~1V之间。
（3）噪声容限UNH和UNL
在保证与非门输出低电平的前提条件下，允许叠加在输入高电平上的最大负向干扰电压叫高电平噪声容限（或叫高电平干扰容限），记作UNH，其值一般为：
UNH=UIH-UON==
式中，UIH=3V是输入高电平的标准值。
在保证与非门输出高电平的前提下，允许叠加在输入低电平上的最大正向干扰电压叫低电平噪声容限（或叫低电平干扰容限），记作UNL。其值一般为：
UNL=UOFF-UIL==
式中，UIL=是输入低电平的标准值。
（4）输入短路电流IIS和输入漏电流IIH
输入短路电流IIS是把与非门的一个输入端直接接地（其它输入端悬空）时，由该输入端流向参考地的电流，也叫低电平输入电流。IIS的典型值约为。输入漏电流IIH是把与非门的一个输入端接高电平（其它输入端悬空）时，流入该输入端的电流，也叫高电平输入电流。IIH数值很小，一般为几十微安。
（5）空载功耗
输入端不接负载时，门电路消耗的功率叫空载功耗。
动态功耗是门电路的输出状态由UOH变为UOL（或相反）时，门电路消耗的功率。静态功耗是门电路的输出状态不变时，门电路消耗的功率。静态功耗又分为截止功耗和导通功耗。
截止功耗POFF是门电路输出高电平时消耗的功率；导通功耗PON是门电路输出低电平时消耗的功率。导通功耗大于截止功耗。作为门电路的功耗指标通常是指空载导通功耗。TTL门的功耗范围为1~22 mW。
（6）最大灌电流IOLmax和最大拉电流IOHmax
最大灌电流IOLmax是在保证与非门输出标准低电平的前提下，允许流进输出端的最大电流，一般为十几毫安。最大拉电流IOHmax是保证与非门输出标准高电平并且不出现过功耗的前提下，允许流出输出端的最大电流，一般为几毫安。
实际应用中，若输出电流超出IOLmax或IOHmax，则与非门就可能输出不正确的逻辑电平。
（7）平均传输延迟时间tpd
平均传输延迟时间是衡量门电路运算速度的重要指标。当输入端接入输入信号后，需要经过一定的时间td，才能在输出端产生对应的输出信号。td就叫传输延迟时间。
从输入端接入高电平开始，到输出端输出低电平时止，所经历的时间叫导通延迟时间，记作tpHL。测试时，把输入波形的上升边沿的中点，到对应输出波形下降边沿的中点之间的时间间隔作为tpHL的值。从输入端接入低电平开始，到输出端输出高电平为止，所经历的时间叫截止延迟时间，记作tpLH。测试时，把输入波形的下降边沿的中点到对应输出波形的上升边沿的中点之间的时间间隔作为tpLH的值。
（8）扇入系数NI
扇入系数是门电路的输入端数。一般NI≤5，最多不超过8。当需要的输入端数超过NI时，可以用与扩展器来实现。
（9）扇出系数NO
扇出系数NO是在保证门电路输出正确的逻辑电平和不出现过功耗的前提下，其输出端允许连接的同类门的输入端数。
NO由IOLmax/IIS和IOHmax/IIH中的较小者决定。一般NO≥8，NO越大，表明门的负载能力越强。
（10）最小负载电阻RLmin
RLmin是为保证门电路输出正确的逻辑电平，在其输出端允许接入的最小电阻（或最小等效电阻）。在门的输出端接上负载电阻RL后，只要RL的阻值不趋近于零，对于输出低电平几乎无影响。但RL阻值太小，会使门电路无法输出正确的高电平。
10．3．3 OC门和三态门
一般的TTL门电路，不论输出高电平，还是输出低电平，其输出电阻都很低，只有几欧姆至几十欧姆，因此不能把两个或两个以上的TTL门电路的输出端直接并接在一起。否则，当其中一个输出高电平，另一个输出低电平时，产生的大电流会导致门电路因功耗过大而损坏。即使门电路不被损坏，也不能输出正确的逻辑电平，从而造成逻辑混乱。
OC门和三态门是允许输出端直接并接在一起的两种TTL门。
1．OC门（集电极开路门）
OC门的典型电路及逻辑符号如图10-21所示。
图10–21 OC门电路
(a)电路 (b)常用符号 (c)国标符号
（1）电路结构及功能分析
OC门的电路特点是其输出管的集电极开路。使用时，必须外接“上拉电阻RC”和+UCC相连。多个OC门输出端相连时，可以共用一个上拉电阻RC，如图10-22所示。
图10–22 多个OC门并联
(a)线与逻辑电路 (b)等效逻辑图
OC门的输出端并联后，只要有一个门的输出为低电平，则F输出为低，只有所有门的输出为高电平，F输出才为高，因此相当于在输出端实现了“线与”的逻辑功能：F=F1·F2= ·
（2）OC门的应用
① 实现多路信号在总线（母线）上的分时传输，如图10-23所示。
图10-23 OC门实现总线传输
图中D1，D2，···，Dn是需要传送的数，E1，E2，···，En是各个OC门的选通信号。无论在任何时刻，只允许一个OC门选通，以便保证在任何时刻，只有一路数被传送到总线上。否则，会使多路数据以“线与”后的结果传送到总线上（有时需要这样）。若E1=1，E2=E3=···=En=0时，F1= ，F2=F3=···=Fn=1，则传送到总线上的数据F为：
F=F1•F2•F3•…•Fn= •1•1•···•1= 即第一路数据D1被传送到数据总线上。总线上的数据可以同时被所有的负载门接收，也可在选通信号控制下，让指定的负载门接收。
=
②实现电平转换——抬高输出高电平。由OC门的电路分析可知，OC门输出的低电平UOL=UCES5≈，高电平UOH=UCC-ICEO5RC≈UCC。所以，改变电源电压可以方便地改变其输出高电平，即可把输出高电平抬高到UCC的值。OC门的这一特性，被广泛应用于数字系统的接口电路，实现前级和后级的电平匹配。2．三态门
三态门的输出除了有高电平和低电平（即逻辑1和逻辑0）两种逻辑状态外，还有第三种状态：高阻状态（禁止状态）。在第三种状态下，三态门的输出端相当于悬空，与负载之间无信号联系，对负载不产生任何逻辑功能。三态门是数字系统在采用总线结构时对接口电路提出的要求。
三态与非门的电路及逻辑符号如图10-24所示。
图10–24 三态TTL与非门电路及符号
(a)电路 (b)逻辑符号
1）电路结构及功能分析
在图10-24中，G端为控制端，也叫选通端或使能端，低电平有效。A端与B端为信号输入端，Y端为输出端。当G=0（即输入低电平）时，三态门和普通与非门一样，完成“与非”功能，即 。这是三态门的工作状态，也叫选通状态。
当G=1（即输入高电平）时，输出端相当于悬空或开路。这时三态门相对负载而言呈现高阻抗，故称这种状态为高阻态或悬浮状态，也叫禁止状态。在禁止状态下，三态门与负载之间无信号联系，对负载不产生任何逻辑功能，所以禁止状态不是逻辑状态，三态门也不是三值逻辑门，叫它“三态门”只是为区别于其它门的一种“方便称呼”。
（2）分类
三态门可以按如下的方式分类。
① 按逻辑功能分为四类：三态与非门、三态缓冲门、三态非门（三态倒相门）、三态与门。其逻辑符号如图10-25所示。
② 按控制模式分为两类：低电平有效的三态门和高电平有效的三态门。低电平有效的三态门是指当G=0时，三态门工作；当G=1时，三态门禁止。其逻辑符号如图10-25（a）所示，这类三态门也叫做低电平选通的三态门。高电平有效的三态门是指当G=1时，三态门工作；当G=0时，三态门禁止。其逻辑符号如图10-25（b）所示。这类三态门也叫做高电平选通的三态门。
图10-25 三态门的逻辑符号
(a)低电平有效的三态门 (b)高电平有效的三态门
（3）三态门的应用
① 三态门主要用来实现多路数据在总线上的分时传送，如图10-26（a）所示。为实现这一功能，必须保证在任何时刻只有一个三态门被选通，即只有一个门向总线传送数据，否则，会造成总线上的数据混乱，并且损坏导通状态的输出管。传送到总线上的数据可以同时被多个负载门接收，也可在控制信号作用下，让指定的负载门接收。
② 利用三态门可以实现信号的可控双向传送，如图10-26（b）所示。当G=0时，门1选通，门2禁止，信号由A传到B；当G=1时，门1禁止，门2选通，信号由B传送到A。
图10-26 三态门的应用
(a)三态门用于总线传输 （b）三态门实现双向传送
10．3．4 集成逻辑门使用中的实际问题
1．TTL电路与CMOS电路的区别
CMOS门各项指标的定义和TTL门的相同，只是数值有所差异。表10-13给出了TTL和CMOS门电路的常用参数。
表10-13 各种系列门电路的性能比较
1×10-3
5×10-3
1
20
2
10
P(功能/门)/mW
10
45
4
10
10
tpd/ns
4
8
20
8
16
IOHmax/mA
-4
-2
IOHmax/mA
×10-3
×10-3
IILmax/mA
20
200
20
40
IIHmax/μA
VOLmax/A
VOHmin/V
VILmax/V
VIHmin/V
5
5
5
5
5
5
VCC/V
74HC
4000
74ALS
74AS
74LS
74
CMOS
TTL
系列
参数
2．多余输入端的处理
（1）TTL门
TTL门的输入端悬空，相当于输入高电平。实际电路中，悬空易引入干扰，故对不用的输入端一般不悬空，应做相应处理。
对于与门和与非门的多余输入端，可以使其输入高电平。具体措施是将其通过电阻R（约几千欧）+Ucc，或者通过大于2KΩ的电阻接地。在前级门的扇出系数有富余的情况下，也可以和有用输入端并联连接。
对于或门和或非门的多余输入端，可以使其输入低电平。具体措施是通过小于500Ω的电阻接地或直接接地。在前级门的扇出系数有富余时，也可以和有用输入端并联连接。
对于与或非门，若某个与门多余，则其输入端应全部输入低电平（接地或通过小于500Ω的电阻接地），或者与另外同一个门的有用端并联连接（但不可超出前级门的扇出能力）。若与门的部分输入端多余，处理方法和单个与门方法一样。
（2）MOS门
MOS门的输入端是MOS管的绝缘栅极，它与其它电极间的绝缘层很容易被击穿，虽然内部设置有保护电路，但它只能防止稳态过压，对瞬变过压保护效果差，因此MOS门的多余端不允许悬空。
由于MOS门的输入端是绝缘栅极，所以通过一个电阻R将其接地时，不论R多大，该端都相当于输入低电平。除此以外，MOS门的多余输入端处理方法与TTL门相同。
3．驱动负载的能力
一般来说，TTL电路比CMOS电路有较大的驱动负载能力，TTL门可直接驱动发光二极管LED或5V低电流继电器等。
10．4．1基本公式和基本定理
1．逻辑代数的基本公式和定律
（1）与运算
A·1=A A·0=0 A·A=A A·=0
（2）或运算
A+0=A A+1=1 A+A=A A+=1
（3）交换律
A+B=B+A A·B=B·A
（4）结合律
（A+B）+C=A+（B+C） （A·B）·C=A·（B·C）
（5）分配律
A（B+C）=A·B+A·C A+（BC）=（A+B）（A+C）
（6）还原律
=A
（7）反演律（德·摩根定律）
= + + +···
= · · ···
（8）吸收律
① A+AB=A
证明：A+AB=A（1+B）=A·1=A
② A（A+B）=A
证明：A（A+B）=AA+AB=A+AB=A
③ （A+B)（A+C）=A+BC
证明：（A+B）（A+C）=（A+B）A+（A+B）C=AA+AB+AC+BC=A+AB+AC+BC
=A+AC+BC=A+BC
（9）消去律
A+ B=A+B
证明：A+ B=（A+AB）+ B=A+（AB+ B）=A+B
（10）其它常用公式
AB+ C+BC=AB+ C
AB+ C+BCD=AB+ C
2．逻辑代数的基本定理
在实际应用时，根据下面的三个定理，将基本公式和定律进行扩展，可以得到更多的公式。
（1）代入定理
（2）反演定理
（3）对偶定理
10．4．2 逻辑函数及其化简
1．逻辑函数的代数化简法
（1）并项法
（2）吸收法
（3）消去法
（4）配项法
2．最小项和最小项表达式
（1）最小项
（2）最小项表达式——标准与或式
3．逻辑函数的卡诺图化简法
（1）卡诺图
卡诺图法是化简逻辑函数的另一种有效方法。卡诺图就是将逻辑函数的最小项按一定规则排列而构成的矩形方格图。图中分成若干个小方格，每个小方格填入一个最小项，而且在几何位置上，上下或左右相邻的小方格具有逻辑相邻性，即两相邻小方格所代表的最小项只有一个变量的取值不同。因此对于有n个变量的逻辑函数，因其最小项有2n个，所以该逻辑函数的卡诺图由2n个小方格构成。图10-9、图10-10、图10-11分别是二变量、三变量、四变量的卡诺图
图10-9 二变量卡诺图图 10-10 三变量卡诺图
图10-11四变量卡诺图
卡诺图的主要缺点是随着变量数目的增多，图形迅速复杂化，因此逻辑变量在五个以上时，很少使用卡诺图。
（2）逻辑函数的卡诺图
任何一个逻辑函数都能表示为若干个最小项之和的形式，而每一个最小项在卡诺图中都有相应的位置，那么自然可以用卡诺图来表示逻辑函数。具体做法是：先把逻辑函数化成最小项表达式，然后在卡诺图上把式中各最小项所对应的方格内填入1，其余方格内填入0（也可不填），就得到了该逻辑函数的卡诺图。也就是说，任何一个逻辑函数都等于其卡诺图上填1的那些最小项之和。
（3）利用卡诺图化简逻辑函数
用卡诺图化简逻辑函数，其原理就是利用卡诺图中的相邻性，对相邻最小项进行合并。卡诺图的逻辑相邻性保证了在卡诺图中相邻两方格所代表的最小项只有一个变量不同，利用公式，若相邻的两方格都为1（简称1格）时，则对应的最小项就可以进行合并。合并的结果是消去这个不同的变量，保留相同的变量。这是卡诺图化简法的依据。
用卡诺图法化简逻辑函数，化简步骤如下：
① 列出逻辑函数的最小项表达式，由最小项表达式确定变量的个数，画出逻辑函数的卡诺图。
② 按合并最小项的规律合并最小项，将可以合并的最小项分别用包围圈（复合圈）圈出来。
③ 将每个包围圈所得的乘积项相加,就可得到逻辑函数最简“与或”表达式。
在用卡诺图化简时，最关键的是画圈这一步。化简时应注意以下几个问题：
① 将卡诺图中的1格画圈，一个也不能漏圈，否则最后得到的表达式就会与所给函数不等，1格允许被一个以上的圈所包围。
② 圈的个数应尽可能地少，即在保证1格一个也不漏圈的前提下，圈的个数越少越好。因为一个圈和一个与项相对应，圈数越少，与或表达式的与项就越少。③ 按照2k个方格来组合（即圈内的1格数必须为1、2、4、8等），圈的面积越大越好。当2（21）个相邻小方格的最小项合并时，消去1个互反变量；当4（22）个相邻小方格的最小项合并时，消去2个互反变量；当8（23）个相邻小方格的最小项合并时，消去3个互反变量；当2n个相邻小方格的最小项合并时，消去n个互反变量，n为正整数。即圈越大，可消去的变量就越多，与项中的变量就越少。
④ 最小项可以被重复使用，但每一个包围圈至少要有一个新的最小项（尚未被圈过）。图10-14给出了一些画圈的例子，供读者参考。
需要指出的是：用卡诺图化简逻辑函数时，由于对最小项画包围圈的方式不同，得到的最简与或式也往往不同。
卡诺图法化简逻辑函数的优点是简单、直观，容易掌握，但不适用于五变量以上逻辑函数的化简。
图10-14 最小项合并规律
(a)两个最小项合并 (b)四个最小项合并 (c)四个最小项合并 (d)八个最小项合并
10．5组合逻辑电路的分析与设计
在数字系统中就逻辑电路结构和功能的不同可以分为两大类，一类叫组合逻辑电路（简称组合电路），另一类叫时序逻辑电路（简称时序电路）。
组合逻辑电路是指在任一时刻，该电路的输出信号只决定于该时刻各输入信号的组合而与该时刻前的电路输入无关。组合逻辑电路可以有一个或多个输入端，也可以有一个或多个输出端。
10．5．1 组合逻辑电路的分析
所谓逻辑电路的分析，就是找出给定逻辑电路输出和输入之间的逻辑关系，并指出电路的逻辑功能。分析过程一般按下列步骤进行：
（1）根据给定的逻辑电路，从输入端开始，逐级推导出输出端的逻辑函数表达式。
（2）利用公式法或卡诺图法化简逻辑函数表达式。
（3）根据输出函数表达式列出真值表。
（4）用文字概括出电路的逻辑功能。
10．5．2 组合逻辑电路的设计
组合逻辑电路的设计，一般分下述几个步骤：
（1）根据给定的设计要求，分析确定哪些是输入变量，哪些是输出变量，分析它们之间的逻辑关系，并确定输入变量的不同状态以及输出变量的不同状态，哪个该用1表示，哪个该用0表示。
（2）列真值表。根据输入输出的逻辑关系列真值表。
（3）写出逻辑表达式并化简。根据真值表写出逻辑表达式，用公式法或卡诺图法化简。
（4）根据简化后的逻辑表达式画出逻辑电路图。
10．6 译码器
译码器的逻辑功能是将每个二进制代码译成对应的输出高、低电平信号。因此，译码是编码的反操作。若译码器输入的是n位二进制代码，则其输出端子数m≤2n，m=2n称为完全译码，m<2n称为部分译码。常用的译码器电路有二进制译码器。二—十进制译码器和显示译码器三类。
10．6．1 二进制译码器
二进制译码器是把二进制代码的所有组合状态都翻译出来的电路。如果输入信号有n位二进制代码，输出信号为m个，则m=2n 。下面以常用的TTL电路译码器74LS138为例讨论二进制译码器。
图10-34是译码器74LS138的逻辑符号图和芯片引脚图。
图10-34 74LS138二进制译码器
(a)逻辑符号图 (b)芯片引脚图
10．6．2 二-十进制译码器
二-十进制译码器的逻辑功能是将输入BCD码的10个代码译成10个高低电平输出信号。常用的二--十进制译码器为74LS42，其逻辑符号及芯片引脚图见图10-37。
图10-37 二-十进制译码器74LS42
(a)逻辑符号图 (b)芯片引脚图
10．6．3 数字显示译码器
在实际应用中，经常需要将数字或运算结果显示出来，以便人们观测、查看，因此，需要由显示电路来完成。显示电路一般由显示译码器和数码管显示器两部分组成。
1．七段数码管
为了能以十进制数码直观地显示数据，目前广泛使用了七段数码管。这种数码管由七段可发光的线段拼合而成，见图10-38所示。常见的七段数码管有发光二极管（LED）数码管和液晶显示（LCD）数码管两种。
LED数码管每一段为一发光二极管，只要加上适当的正向电压（其正向工作电压一般为~3V），该段即可发光。LED内部接法有两种：共阴极接法和共阳极接法。要使其对应段发光，前种接法应使相应极为高电平，后种接法应使相应极为低电平，见图10-39。
图10-39 LED的两种接法
(a)共阴极接法 (b)共阳极接法
2．显示译码器
74LS48是控制七段共阴极显示器显示的集成译码电路之一，其逻辑符号及芯片外部引脚排列见图10-40。
图10-40 74LS48显示译码器
第十一章 时序逻辑电路
11．1触发器
时序逻辑电路和前一章讨论的组合逻辑电路不同，组合逻辑电路是指在任一时刻，该电路的输出信号只决定于该时刻各输入信号的组合而与该时刻前的电路输入无关。而时序逻辑电路在任一时刻的输出信号不仅和该时刻的各输入信号有关，还和该时刻前电路原来的状态有关，即时序逻辑电路一定具有“记忆”功能的元件。触发器是组成时序逻辑电路最基本的存储单元，它的特点是具有记忆功能，一个触发器可以记忆一位二进制数据，n个触发器就可以记忆n位二进制数据。
触发器是具有记忆功能的基本逻辑单元，它有两个稳定状态，分别称为“1”态和“0”态。在输入信号的作用下，触发器的两个稳定状态可以相互转换，输入信号消失后，已转换的稳定状态可以长期保存下来，即触发器能够记忆这种状态。
触发器有一个或多个输入端，有两个输出端，分别用Q和 表示，Q和 两输出端为互补（相反量）稳定状态。触发器为“1”状态或“0”状态均指Q端的状态。
触发器输入端输入的信号称为触发信号，触发器在接收触发信号之前的状态称为触发器的现态，用Qn表示；触发器接收触发信号之后的状态称为触发器的次态，用Qn+1表示，即现态和次态是触发器同一个输出端两个相邻离散时间里的先后两种状态。描述触发器的逻辑功能就是找出触发器的次态与现态和触发信号之间的关系。
11．1．1基本RS触发器
1．电路结构和功能分析
图11-1为由与非门构成的基本RS触发器的逻辑符号及逻辑电路图
图11-1 由与非门构成的基本RS触发器
(a) 逻辑电路 (b) 逻辑符号
2．功能描述
触发器的逻辑功能通常用状态真值表、特征方程（次态方程）、状态转换图和波形图来描述。
（1）状态真值表。表11-1为基本RS触发器的真值表。
表11-1基本RS触发器的真值表
状态不定
不允许
1(×)
1(×)
0
1
0 0
0 0
保持
0
1
0
1
1 1
1 1
清0
0
0
0
1
1 0
1 0
置1
1
1
0
1
0 1
0 1
说明
Qn+1
Qn
（2）特征方程。又常常称为状态方程或次态方程。
（3）状态转移图。状态转移图形象地描述了基本RS触发器的操作情况。基本RS触发器的状态转移图见图11-2 。
图 11-2 基本RS触发器状态转移图
（4）波形图。图11-3为基本RS触发器波形图。
图11-3 基本RS触发器波形图
由以上分析可见，该触发器的有效触发电平均为低电平。基本RS触发器亦可由两个或非门电路构成，其有效触发电平为高电平。
11．1．2同步（钟控）RS触发器
上述基本RS触发器具有直接清0、置1的功能，当 和 的输入信号发生变化时,触发器的状态就立即改变。在实际使用中，为协调各部分的动作，通常要求触发器按一定的时间节拍动作，这就引入了时钟脉冲CP做为同步信号，触发器的翻转时刻受时钟脉冲的控制，而翻转到何种状态由输入信号决定，从而出现了各种时钟控制的触发器（简称钟控触发器）。
1．电路结构和功能分析
图11-4为同步RS触发器的逻辑符号及逻辑电路图
图11-4 同步RS触发器
(a) 逻辑电路 (b) 逻辑符号
2．功能描述
（1）状态真值表。表11-2为同步RS触发器的真值表。从表可见，在CP=1的全部时间里S和R信号的变化都将引起触发器输出状态的变化。可以想象到，如果CP=1期间内输入信号多次发生变化，则触发器的状态也会发生多次翻转，这就降低了电路的抗干扰能力。
表11-2同步RS触发器的真值表
（2）特征方程。
状态不定
不允许
×
×
0
1
1 1
1 1
1
1
1 1
1 1
置1
1
1
0
1
1 0
1 0
1
1
1 1
1 1
清0
0
0
0
1
0 1
0 1
1
1
1 1
1 1
保持
0
1
0
1
0 0
0 0
1
1
1 1
1 1
保持
0
1
0
1
× ×
× ×
0
0
1 1
1 1
直接置位
直接清0
1
0
×
×
× ×
× ×
×
×
0 1
1 0
说 明
Q n +1
Q n
S R
CP
（3）状态转移图。图11-5为同步RS触发器的状态转移图。
图11-5 同步RS触发器状态转移图
（4）波形图。图11-6为同步RS触发器的波形图。
图11-6 同步RS触发器波形图
11．1．3边沿JK触发器
为了提高触发器的可靠性，增强抗干扰能力，希望触发器的状态仅仅取决于CP信号上升沿（或下降沿）到达时刻输入信号的状态，而在此之前和之后输入信号的变化对触发器的状态没有影响。为此，引入了边沿触发器。
在同步RS触发器中，当S=R=1时，触发器状态不定。为了使用方便，希望即使出现了S=R=1的情况，触发器的状态也是确定的。将触发器的电路结构稍做修改，引入了JK触发器。
图11-7 边沿JK触发器
(a)逻辑符号 (b)74LS112引脚排列图
在触发器逻辑符号中，CP输入端不加“o”，也不加“>”表示高电平触发。CP输入端加了“>”表示边沿触发。加“o”表示下降沿触发，不加“o”表示上升沿触发。一般边沿触发器多采用下降沿触发方式。
图11-8为JK触发器工作波形图。由图可见，在没有 和
信号时，JK触发器的输出端Q只在时钟信号CP的下降沿随输入信号JK而变化，其它时间保持不变。表11-3列出了JK触发器的真值表。
图11-8 JK触发器工作波形图
表11-3边沿JK触发器的真值表
翻转
1
0
0
1
1 1
1 1
↓
↓
置1
1
1
0
1
1 0
1 0
↓
↓
清0
0
0
0
1
0 1
0 1
↓
↓
保持
0
1
0
1
0 0
0 0
↓
↓
保持
Qn
×
× ×
×
说明
Qn +1
Qn
J K
CP
JK触发器的特征方程为：
11．1．4 D触发器
图11-9 D触发器逻辑符号 图11-10 74LS74管脚排列图
图11-11 D触发器工作波形图
表11-4 D触发器真值表
0
0
1
1
0 0
0 1
0 0
1 1
Q n +1
D Q n
D触发器的特征方程为：
11．3计数器
在数字系统中使用得最多的时序电路要算是计数器了。计数器不仅能用于对时钟脉冲计数，还可以用于分频，定时，产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等。
如果按计数器中的触发器是否同时翻转分类，可将计数器分为同步计数器和异步计数器。同步计数器是指计数器中各触发器采用同一个时钟脉冲信号，即各触发器的翻转是同时进行的。而异步计数器中各触发器并不共用时钟脉冲信号，即各触发器的翻转有先有后，不是同时发生的。
按计数增减趋势分类，可将计数器分为加法计数器、减法计数器、可逆计数器。随着计数脉冲的不断输入而作递增计数的叫加法计数器，作递减计数的叫减法计数器，可增可减的叫可逆计数器。
按计数器的进位制不同分类，可将计数器分为二进制计数器和非二进制计数器。二进制计数器是指进位模数为2n的计数器，非二进制计数器是指进位模数为非2n的计数器，用的较多的如十进制计数器。
计数器累计输入计数脉冲的最大数目称为计数器的“模”，用M表示。计数器的模实际上是计数器电路的有效状态数。
11．3．1异步二进制计数器
在上一节触发器的学习中已知，T′触发器是翻转型触发器，也就是说，输入一个CP脉冲触发器的状态就翻转一次。如果T′触发器初始状态为0，在逐个输入CP脉冲时，其输出状态就会由0→1→0→1不断变化。这样一个触发器能表示一位二进制数的两种状态，两个触发器能表示两位二进制数的4种状态，n个触发器能表示n位二进制数的2n种状态，即能计2n个数。此时称触发器工作在计数状态，即由触发器输出状态的变化，可以确定CP脉冲的个数。
图11-15是由3个JK触发器构成的3位二进制计数器。其中T2为最高位，T0为最低位，计数输出用Q2Q1Q0表示。3个触发器的数据输入端恒为“1”，因此均工作在计数状态。而CP0=CP（外加计数脉冲），CP1=Q0，CP2=Q1。
图11-15 异步三位二进制计数器
T0
T2
T1
设计数器初始状态为Q2Q1Q0=000，第1个CP作用后，T0翻转，Q0由“0”→“1”，计数状态Q2Q1Q0由000→001。第2个CP脉冲作用后，T0翻转，Q0由“1”→“0”，由于Q1由“0”→“1”，计数状态Q2Q1Q0由001→010。依此类推，逐个输入CP脉冲时，计数器的状态按Q2Q1Q0=000→001→010→011→100→101→110→111的规律变化。 当输入第8个CP脉冲时，Q0由“1”→“0”，其下降沿使Q1由“0”→“1”，Q1的下降沿使Q2由“0”→“1”，计数状态由111→000，完成一个计数周期。计数器的状态图和时序图如图11-16。
图11-16 计数器状态图和时序图
(a) 计数器状态图 (b) 计数器时序图
11．3．2异步十进制计数器74LS90
74LS90是异步式二-五-十进制计数器，它由两个独立的计数器组成。触发器A构成模2计数器，对CP1计数，触发器B、C、D组成模5计数器，对CP2计数。若将QA的输出接至CP2端，计数脉冲由CP1输入，则构成2╳5的十进制计数器。图11-17为74LS90计数器的逻辑电路图，图11-18为74LS90的芯片引脚图。
图11-17 计数器74LS90逻辑电路图
图11-18 计数器74LS90芯片引脚图
74LS90的功能表见表11-6，它具有如下功能：
直接置9（输出为1001）：当R0(1)和R0(2)不全为1，并且S9(1)=S9(2)=1时，不论其他输入端状态如何，计数器输出QDQCQBQA=1001，故又称异步置数功能。
直接复零（输出为0000）：当S9(1)和S9(2)不全为1，并且R0(1)=R0(2)=1时，不论其他输入端状态如何，计数器输出QDQCQBQA=0000，故又称异步清零功能或复位功能。
计数：当R0(1)和R0(2)不全为1及当S9(1)和S9(2)不全为1时，输入计数脉冲CP时，实现计数功能。
功能扩展：用少量逻辑门，通过对74LS90外部不同方式的连接，可以组成任意进制计数器。
表11-6 计数器74LS90功能表
二进制记数
五进制记数
8421码十进制记数
5421码十进制记数
0
CP
QA
CP
CP
0
CP
QD
0 0 0 0
0 0 0 0
1 0 0 1
1 0 0 1
×
×
×
×
×
×
×
×
×
0
1
1
0
×
1
1
1
1
×
0
1
1
0
×
QD QC QB QA
CP2
CP1
S9(2)
S9(1)
R0(2)
R0(1)
输 出
输 入
11．2．3同步二进制计数器74LS161
74LS161是4位二进制同步计数器，其逻辑电路图如图11-22所示，芯片引脚图如图11-23所示。
图11-22 74LS161计数器逻辑电路图
图11-23 74LS161芯片外部引脚图
D0~D3：并行数据输入端。
Q0~Q3：数据输出端。
CTT、CTP：为计数控制端。
CP：时钟输入端，上升沿有效。
：异步清除输入端，低电平有效。
：同步并行置数控制端，低电平有效。
CO：进位输出端，高电平有效。
表11-7 74LS161功能表
集成同步计数器74LS161可采用不同方法构成任意N进制计数器。
（1）直接清零法（反馈清零法）
（2）预置数法
（3）进位输出置最小数法
0 0 0 0
D0 D1 D2 D3
计 数
保 持
保 持
×
D3
×
×
×
×
D2
×
×
×
×
D1
×
×
×
×
D0
×
×
×
×
↑
↑
×
×
×
×
1
×
0
×
×
1
0
×
×
0
1
1
1
0
1
1
1
1
Q0 Q1 Q2 Q3
D3
D2
D1
D0
CP
CTP
CTT
输 出
输 入
