《電子電路分析與實(shí)踐》課件學(xué)習(xí)情境一

學(xué)習(xí)情境一電源電路的制作與測試任務(wù)一恒流充電器的制作與測試任務(wù)二脈沖式自動充電器的制作與測試任務(wù)三晶閘管控制充電器的仿真與測試項(xiàng)目實(shí)施穩(wěn)壓電源電路的制作與測試

任務(wù)一恒流充電器的制作與測試

技能訓(xùn)練1二極管的識別與檢測

一、實(shí)訓(xùn)目的

(1)熟悉常用二極管的外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

(2)掌握利用萬用表檢測二極管的方法。

二、實(shí)訓(xùn)儀器與材料

萬用表:DE960TR或DT9205A二極管:各種類型三、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與步驟

1.二極管的識別

(1)從給定的兩端元器件中挑選出二極管。

(2)能正確區(qū)分發(fā)光二極管、整流二極管和普通二極管。

2.二極管的檢測

(1)利用萬用表歐姆擋對給定的二極管進(jìn)行正、反向電阻測量，判斷出其正極、負(fù)極。

(2)記錄被檢測二極管的正向電阻與反向電阻值，并根據(jù)測試結(jié)果區(qū)分二極管的材料、類型及質(zhì)量好壞等。四、分析與思考

(1)使用萬用表測量二極管的正向電阻與電阻器的電阻時(shí)，其方法有什么不同？

(2)為什么二極管的正向電阻與反向電阻相差很大？

(3)用萬用表R×1k或R×100擋測量二極管的正向電阻時(shí)，指針讀數(shù)是否基本相同？

(4)如何利用萬用表區(qū)分檢波二極管、開關(guān)二極管與穩(wěn)壓二極管？知識鏈接Ⅰ二極管的特性與應(yīng)用

一、二極管的結(jié)構(gòu)與特性

1.二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電模型

二極管是在一個PN結(jié)的兩端各引出一根引線(管腳)，用外殼封裝起來構(gòu)成的，如圖1.1.1所示。圖1.1.1二極管的結(jié)構(gòu)與符號二極管內(nèi)部的PN結(jié)是采用特殊的制造工藝，在同一塊半導(dǎo)體基片的兩邊分別形成N型(通過摻雜使自由電子濃度大大增加)和P型(通過摻雜使空穴濃度大大增加)半導(dǎo)體時(shí)自動形成的。二極管的內(nèi)部有了PN結(jié)，其導(dǎo)電性能就像是一個單向水閥，只不過水閥中通過的是水流，二極管中通過的是電流。二極管的單向?qū)щ娦匀鐖D1.1.2所示。圖1.1.2二極管的單向?qū)щ娦?/p>

2.二極管的外形與分類

二極管有玻璃封裝、塑料封裝、金屬封裝等幾種形式。玻璃封裝的二極管一般為點(diǎn)接觸型，其工作電流小但

工作頻率高，常用于小信號檢波；塑料封裝和金屬封裝的二極管一般為面接觸型，其工作電流大、頻率低，常用于大功率整流等電路中。常用二極管的外形結(jié)構(gòu)如圖1.1.3所示。

二極管的種類很多，按制造材料可分為硅二極管和鍺二極管；按結(jié)構(gòu)、工藝可分為點(diǎn)接觸型二極管、面接觸型二極管等；按用途可分為整流二極管、穩(wěn)壓二極管、開關(guān)二極管、發(fā)光二極管、檢波二極管等。在實(shí)際應(yīng)用中，人們多按其用途進(jìn)行分類。圖1.1.3常用二極管的外形結(jié)構(gòu)

3.二極管的伏安特性

圖1.1.4是在同一坐標(biāo)系上畫出的硅二極管和鍺二極管的伏安特性曲線，其中實(shí)線為硅二極管特性，虛線為鍺二極管特性。圖1.1.4二極管的伏安特性曲線

1)正向特性

硅二極管特性曲線的①段為正向特性，是二極管正偏時(shí)兩端電壓uD與通過二極管的電流iD的關(guān)系曲線。根據(jù)理論分析，這時(shí)iD隨uD按指數(shù)規(guī)律變化。當(dāng)正向電壓很小時(shí)，正向電流幾乎為零，這個區(qū)域稱為“死區(qū)”；當(dāng)正向電壓超過某一數(shù)值(室溫下，硅管約為0.5V，鍺管約為0.1V)后，二極管導(dǎo)通，正向電流隨外加電壓增加而迅速增大，該電壓值稱為導(dǎo)通電壓。在正常使用的電流范圍內(nèi)，二極管的正向壓降(用UD表示)很小，而且?guī)缀蹙S持恒定，硅管約為0.6~0.8V(通常取0.7V)，鍺管約為0.1~0.3V(通常取0.2V)。

2)反向特性

伏安特性曲線的②段為反向特性，是二極管外加反向電壓時(shí)兩端電壓uD和通過二極管電流iD的關(guān)系曲線。在反向電壓小于反向擊穿電壓URM時(shí)，反向電流很小，而且與反向電壓的大小幾乎無關(guān)。

3)反向擊穿特性

伏安特性曲線的③段為反向擊穿特性，當(dāng)反向電壓增大到UBR時(shí)，反向電流急劇增大，稱為二極管的反向擊穿(電擊穿)，其中UBR稱為反向擊穿電壓。

二極管根據(jù)其特性在電子技術(shù)領(lǐng)域可以實(shí)現(xiàn)很多功能，得到廣泛的應(yīng)用。例如，利用二極管的單向?qū)щ娦钥蓪?shí)現(xiàn)整流、檢波；利用二極管的正向恒壓特性可實(shí)現(xiàn)限幅；利用二極管的反向特性可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓；利用二極管的溫度特性可實(shí)現(xiàn)電路的溫度補(bǔ)償、溫度探測等。

4.二極管的主要參數(shù)

(1)最大正向電流IFM:指二極管長時(shí)間工作時(shí)允許通過的最大正向平均電流。

(2)最高反向工作電壓URM:指允許加在二極管上的反向電壓的最大值(峰值)。通常取二極管反向擊穿電壓的一半。

(3)最高工作頻率fM:指保證二極管具有良好的單向?qū)щ娦阅艿淖罡吖ぷ黝l率。

(4)反向恢復(fù)時(shí)間trr:指二極管上所加電壓由正向突然變?yōu)榉聪驎r(shí)，電流由很大衰減到反向最小時(shí)所需的時(shí)間，一般為納秒(ns)級。大功率開關(guān)管工作在高頻時(shí)，此項(xiàng)指標(biāo)尤為重要。二、常見二極管應(yīng)用電路

1.二極管整流電路

在直流電源電路中，利用二極管可實(shí)現(xiàn)半波整流、全波整流，將變壓器輸出的交流電變換成脈動的直流電。圖1.1.5(a)是半波整流電路，u2為變壓器次級輸出的交流電壓，VD為半波整流二極管，uo為輸出電壓，RL為負(fù)載電阻。圖1.1.5(b)為輸入、輸出波形。當(dāng)u2為正半周時(shí)，VD正偏導(dǎo)通；當(dāng)u2為負(fù)半周時(shí)，VD反偏截止。在負(fù)載RL上得到的是一個單向半波脈動直流電壓。圖1.1.5半波整流電路及其整流波形為了把交流負(fù)半周也有效地利用起來，人們設(shè)計(jì)了圖1.1.6(a)所示的由4個二極管VD1~VD4組成的橋式全波整流電路。在實(shí)際應(yīng)用中，常常采用4個二極管封裝在一起的器件代替VD1~VD4，該器件稱為橋堆，其電路如圖1.1.6(b)所示。u2正半周時(shí)，VD1、VD3

正偏導(dǎo)通，VD2、VD4截止(電流如實(shí)線所示路徑形成)；u2負(fù)半周時(shí)，VD2、VD4導(dǎo)通，VD1、VD3反偏截止(電流如虛線所示路徑形成)。在負(fù)載RL上，正、負(fù)半周均有相同方向的電流通過，得到的單向全波脈動直流電壓波形如圖1.1.6(c)中的uo所示。圖1.1.6橋式整流電路及其整流波形

2.發(fā)光二極管指示電路

發(fā)光二極管又稱LED(LighEmittingDiode)。當(dāng)LED的PN結(jié)加上正向偏壓形成電流時(shí)，在PN結(jié)上是以發(fā)光的形式釋放出正、負(fù)載流子復(fù)合的能量。顯然，發(fā)光二極管應(yīng)工作在正偏狀態(tài)，而且要正向電流達(dá)到一定值時(shí)才能發(fā)光。發(fā)光二極管通常用作儀器、儀表面板的電源指示以及照明、裝飾等，在實(shí)際應(yīng)用中常用一個電阻與其串聯(lián)，以限制通過發(fā)光二極管中的電流，如圖1.1.7所示。圖1.1.7常見的發(fā)光二極管應(yīng)用電路

3.穩(wěn)壓二極管組成穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓二極管通常工作在反向擊穿區(qū)，其伏安特性曲線如圖1.1.8(a)所示。穩(wěn)壓管的正向特性曲線與普通硅二極管一樣，但是它的反向擊穿電壓比較低，允許通過的反向擊穿電流也比較大。當(dāng)反向擊穿電流在比較大范圍內(nèi)變化時(shí)，其兩端電壓變化很小，因而具有穩(wěn)定電壓的作用。只要反向電壓不超過允許范圍，穩(wěn)壓管就不會因熱擊穿而損壞。

穩(wěn)壓管組成的穩(wěn)壓電路如圖1.1.8(b)所示。其中Ui為輸入電壓，Uo為輸出電壓，VDZ為穩(wěn)壓管(工作于反向擊穿區(qū))，R為限流電阻(為穩(wěn)壓管提供合適的反向偏流)，RL為負(fù)載電阻。在電路正常工作的條件下，負(fù)載RL上的電壓Uo=UZ。由于穩(wěn)壓二極管在電路中與負(fù)載是并聯(lián)關(guān)系，因此，這種二極管穩(wěn)壓電路又稱并聯(lián)型穩(wěn)壓電路。圖1.1.8硅穩(wěn)壓二極管伏安特性及穩(wěn)壓電路知識鏈接Ⅱ二極管的檢測與代換

一、二極管的檢測與判斷

1.判斷二極管的極性

二極管正、負(fù)極的判別可采用直觀辨認(rèn)法。通常在二極管的封裝外殼上均印有型號和標(biāo)記，標(biāo)記有箭頭、色點(diǎn)、色環(huán)三種形式。箭頭所指方向或者靠近色環(huán)的一端為負(fù)極，有色點(diǎn)的一端為正極。如果標(biāo)記不清楚時(shí)，可用萬用表的歐姆擋進(jìn)行判斷。

用萬用表的歐姆擋測二極管的正負(fù)極性的方法是：將萬用表調(diào)到R×100或R×1k擋，兩表筆分別接被測二極管的兩個電極，如圖1.1.9所示。若測出的電阻值為幾百歐到幾千歐，說明是正向電阻，這時(shí)黑表筆接的是二極管的正極，另一端是二極管的負(fù)極；若測出的電阻值為幾十千歐到幾百千歐，說明是反向電阻，這時(shí)紅表筆接的是二極管的正極，另一端是二極管的負(fù)極。圖1.1.9二極管引腳的檢測

2.檢查二極管的質(zhì)量

一般二極管的反向電阻比正向電阻大幾百倍，可以通過測量其正、反向電阻來判斷二極管的好壞。若測得其正、反向電阻均很大(幾百千歐以上)，說明二極管內(nèi)部開路；若測得其正、反向電阻均很小(幾百歐姆以下)，說明二極管內(nèi)部被擊穿。

3.判別硅管和鍺管

通常，可以利用測量二極管正向電阻的方法對二極管的材料進(jìn)行判別。相對而言，鍺二極管的正向電阻較小，用萬用表R×1k擋測量時(shí)指針大約偏轉(zhuǎn)在數(shù)值1~2附近；而硅二極管的讀數(shù)在5~6附近；此外，也可以借助另一個萬用表直流2.5V擋測量其導(dǎo)通電壓來判斷二極管的材料。如圖1.1.10所示，若測得二極管正向壓降為0.6~0.7V，則被測的是硅管；若測得二極管正向壓降為0.1~0.3V，則被測的是鍺管。圖1.1.10判別硅二極管與鍺二極管的方法

4.判別開關(guān)管和穩(wěn)壓管

有些開關(guān)管(如1N4148)與穩(wěn)壓管的封裝形式及外形都很相似，難以辨認(rèn)。用萬用表判別穩(wěn)壓管的方法是:用R×1k擋先判斷正、負(fù)極，然后將萬用表置于R×10k擋，黑表筆接負(fù)極，紅表筆接正極，若此時(shí)的反向電阻變得較小(與R×1k擋測出的值比較)，則該管為穩(wěn)壓管。因?yàn)槿f用表的R×10k擋一般都用9V以上的電池，當(dāng)被測穩(wěn)壓管的擊穿電壓低于該值時(shí)可以被反向擊穿，使其電阻值大大減小。如果要進(jìn)一步確定穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值，可以通過圖1.1.11所示的電路測得。改變可調(diào)直流穩(wěn)壓電源輸出U，使之由零開始緩慢增加，同時(shí)用直流電壓表監(jiān)視穩(wěn)壓管兩端的電壓，當(dāng)U增加到一定值使穩(wěn)壓管反向擊穿時(shí)，再適當(dāng)增加U，電壓表指示的電壓值不再變化，這個電壓值就是穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值。圖1.1.11穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值測試二、二極管的選用與代換原則

1.二極管的選用

二極管在電子電路中應(yīng)用很廣泛，應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)電路需要，如最大電流、最高反向電壓、信號工作頻率、工作環(huán)境、溫度等，確保所選二極管在使用時(shí)不能超過它的極限參數(shù)，并留有一定的裕量。同時(shí)，還應(yīng)根據(jù)不同的技術(shù)要求并結(jié)合不同的材料所具有的特點(diǎn)對二極管做如下選擇:

(1)要求反向電壓高、反向電流小、工作溫度高于100℃時(shí)，應(yīng)選擇硅管；需要導(dǎo)通電流大時(shí)，選擇面接觸型硅管。

(2)要求導(dǎo)通電壓低時(shí)選擇鍺管；要求工作頻率高時(shí)選擇點(diǎn)接觸型二極管。

2.二極管的代換

在電子制作或維修實(shí)踐中，如果一時(shí)找不到選定的二極管型號時(shí)，可以適當(dāng)考慮用符合電路要求的二極管代換，代換的一般原則是:

(1)相同系列的二極管，耐壓(URM)級別高的可以代替耐壓級別低的。

(2)相同類型的二極管，最大整流電流(IF)大的可以代替最大整流電流小的。如1N5403可以代替1N4001。

(3)具有相同耐壓、相同最大整流電流的二極管，反向恢復(fù)時(shí)間短的可以代替反向恢復(fù)時(shí)間長的。如RG4A可以代替1N5403。

知識拓展特殊二極管的特性及應(yīng)用

1.光電二極管

光電二極管又稱光敏二極管，其結(jié)構(gòu)與普通二極管基本相同，只是它內(nèi)部的PN結(jié)處可以通過管殼上的一個玻璃窗口接收外部的光照。光電二極管在反向偏置狀態(tài)下工作，其反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。

圖1.1.12(a)為光電二極管的圖形符號，圖1.1.12(b)是它的特性曲線。光電二極管的主要特點(diǎn)是其反向電流與光照度成正比。圖1.1.12光電二極管的符號及其特性曲線圖1.1.13是光電二極管的典型應(yīng)用電路。在發(fā)射端，用0~5V的脈沖信號通過500Ω的電阻作用于發(fā)光二極管，使發(fā)光二極管產(chǎn)生數(shù)字脈沖光信號并通過光纜傳輸后被接收端的光電二極管接收，在接收電路中可以恢復(fù)成原有的0~5V的數(shù)字脈沖信號。圖1.1.13發(fā)光二極管發(fā)射、光纜傳輸、光電二極管接收電路

2.變?nèi)荻O管

變?nèi)荻O管與普通二極管不同的是，其結(jié)電容的大小隨反向偏壓的增加而減少得特別明顯。其圖形符號如圖1.1.14(a)所示，圖1.1.14(b)是某種變?nèi)荻O管的特性曲線。

變?nèi)荻O管主要應(yīng)用于高頻電路中的電子調(diào)諧、調(diào)頻、自動頻率控制等電路中。圖1.1.15是調(diào)頻電路中利用變?nèi)荻O管將調(diào)制信號電壓轉(zhuǎn)化成頻率的變化，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制的電路。在低頻調(diào)制信號νΩ的作用下，變?nèi)荻O管VDC的反偏電壓變化，導(dǎo)致結(jié)電容發(fā)生變化，LC振蕩回路的固有諧振頻率也隨之改變，把低頻νΩ的幅度變化調(diào)制成頻率變化的調(diào)頻信號。圖1.1.14變?nèi)荻O管的圖形符號及其特性曲線圖1.1.15變?nèi)荻O管調(diào)頻電路技能訓(xùn)練2三極管的識別與檢測

一、實(shí)訓(xùn)目的

(1)熟悉常用三極管的外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

(2)掌握利用萬用表檢測三極管的方法。

二、實(shí)訓(xùn)儀器與材料

萬用表:DE960TR三極管:各種類型

三、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與步驟

1.三極管的識別

(1)從給定的三端元器件中挑選出三極管。

(2)正確挑選小功率三極管、中功率三極管、大功率三極管；正確識別常用三極管的封裝形式。

2.三極管的檢測

(1)利用萬用表歐姆擋對給定的三極管進(jìn)行檢測，并判別所給三極管的材料、管型和引腳。

(2)記錄被檢測三極管的b、e腳和b、c腳間的正向電阻與反向電阻值，并根據(jù)測試結(jié)果區(qū)分三極管的材料、類型、引腳等。

四、分析與思考

(1)能否利用兩只二極管構(gòu)成一只三極管？

(2)如何區(qū)分NPN型三極管與PNP型三極管？

(3)如何正確判別出給定三極管的b、c、e極？知識鏈接Ⅰ三極管的特性及其應(yīng)用

一、三極管的導(dǎo)電特性

1.三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電模型

三極管又稱BJT(BipolarJunctionTransistor)。三極管內(nèi)部有兩個背靠背的PN結(jié)，P區(qū)靠背時(shí)構(gòu)成NPN型，N區(qū)靠背時(shí)構(gòu)成PNP型，如圖1.1.16所示。

NPN型和PNP型三極管具有幾乎相同的特性，只不過在電路中各電極的電壓極性和電流流向不同，下面以NPN型三極管為例說明其開關(guān)作用和電流放大作用。圖1.1.16三極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及符號三極管用作信號放大時(shí)，通常在三極管集電結(jié)加上反向偏壓，發(fā)射結(jié)加上正向偏壓，如圖1.1.17(a)所示。由于制造時(shí)中間的基區(qū)做得很薄，使發(fā)射結(jié)與集電結(jié)之間形成了類似像圖1.1.17(b)的“水流控制器”中虛線所示的杠桿，各極的電流關(guān)系也與此十分相似。通過對三極管進(jìn)行測試可以發(fā)現(xiàn)，IC>>IB，由基爾霍夫節(jié)點(diǎn)定律可得IE=IC+IB。

三極管發(fā)射結(jié)所加的正向偏置電壓略大于發(fā)射結(jié)的正向?qū)妷?，形成基極電流的同時(shí)也形成更大的集電極電流。這時(shí)，如果發(fā)射結(jié)正向電壓稍微有所改變，則基極電流也改變，從而使集電極電流IC產(chǎn)生更大的變化(因?yàn)镮C>>IB)。因此，IB很小的變化就能引起IC較大的變化，這就是三極管的電流放大作用。可見，三極管是用小電流控制大電流的器件。圖1.1.17三極管的電流控制原理

2.三極管的特性曲線

三極管各極間電壓與各極電流的關(guān)系可用伏安坐標(biāo)圖來表示，稱為特性曲線。特性曲線可用晶體管特性測試儀測得。通過在特性曲線上對三極管的工作狀況、放大性能進(jìn)行分析，可以指導(dǎo)我們科學(xué)、合理地用好三極管。

1)輸入特性曲線

輸入特性曲線是指當(dāng)集電極與發(fā)射極之間的電壓UCE為一常數(shù)時(shí)，加在三極管基極與發(fā)射極之間的電壓uBE與基極電流iB之間的關(guān)系。實(shí)際測得某NPN型硅三極管的輸入特性曲線如圖1.1.18(a)所示。圖1.1.18晶體三極管的輸入、輸出特性曲線

2)輸出特性曲線

輸出特性曲線是在基極電流IB一定的情況下，三極管的集電極電流iC與集射之間的電壓uCE之間的關(guān)系曲線族。如圖1.1.18(b)所示。

3.三極管的開關(guān)特性

三極管只工作在飽和導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)時(shí)可以作為開關(guān)來使用。這時(shí)不允許工作在放大狀態(tài)。下面參照圖1.1.19所示的三極管共發(fā)射極開關(guān)電路和輸出特性曲線來討論三極管的靜態(tài)開關(guān)特性。圖1.1.19三極管的靜態(tài)開關(guān)特性

1)截止條件

當(dāng)輸入U(xiǎn)i為低電平(0.3V)時(shí)，基射間的電壓小于其導(dǎo)通門限電壓(0.5V)，基極電流IB≈0，三極管截止，集電極電流IC≈0，輸出Uo=UCE≈UCC，這時(shí)三極管工作在圖1.1.19(b)中的A點(diǎn)。為了使三極管能可靠截止，常使發(fā)射結(jié)處以反偏，即UBE≤0V。三極管截止時(shí)b、c、e三個電極互為開路，如圖1.1.20(a)所示。

2)飽和狀態(tài)

當(dāng)輸入U(xiǎn)i為高電平(UIH)，而且使三極管工作在臨界飽和導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，三極管工作在圖1.1.19(b)中的S點(diǎn)，這時(shí)三極管的IB稱為臨界飽和基極電流IB(sat)，對應(yīng)的IC稱為臨界飽和集電極電流IC(sat),基極和發(fā)射極間的電壓稱為臨界飽和基極電壓UBE(sat)，對于硅管,UBE(sat)的值為0.7V；集電極和發(fā)射極間的電壓稱為臨界飽和集電極電壓UCE(sat)，其值約為0.1～0.3V。三極管工作在S點(diǎn)時(shí)，放大特性在該點(diǎn)仍然適用，那么IB(sat)≈UCC/(βRc),因此，三極管的飽和條件為IB≥IB(sat)≈UCC/(βRc)。三極管工作在飽和狀態(tài)時(shí)，

IC=IC(sat)為最大,這時(shí)，IB再增大，IC基本不變，IB比IB(sat)大得越多，飽和越深。三極管飽和時(shí)的等效電路如圖1.1.20(b)所示。當(dāng)UBE(sat)和UCE(sat)很小而且可以忽略時(shí)，三極管的b、c、e三個極可以視為連通。圖1.1.20三極管開關(guān)等效電路二、三極管的主要參數(shù)

1.電流放大系數(shù)

直流電流放大系數(shù)

定義為三極管的集電極電流IC與基極電流IB之比，即=IC/IB。有時(shí)用hFE表示。

交流電流放大系數(shù)β定義為三極管的集電極電流ΔIC與基極電流ΔIB之比，即β=ΔIC/ΔIB,β有時(shí)用hfe表示。

在實(shí)際應(yīng)用中，在工作電流不十分大的情況下，可認(rèn)為=β，且為常數(shù)，故可混用而不加區(qū)分。

2.極間反向電流

(1)集電極—基極間的反向電流ICBO:指發(fā)射極開路時(shí)，集電極—基極間的反向電流，也稱集電結(jié)反向飽和電流。溫度升高時(shí)，ICBO急劇增大，溫度每升高10℃，ICBO增大一倍。選管時(shí)應(yīng)選ICBO小且受溫度影響小的三極管。

(2)集電極—發(fā)射極間的反向電流ICEO:指基極開路時(shí)，集電極—發(fā)射極間的反向電流，也稱集電結(jié)穿透電流。它反映了三極管的穩(wěn)定性。其值越小，受溫度影響也越小，三極管的工作就越穩(wěn)定。

3.極限參數(shù)

三極管的極限參數(shù)是指在使用時(shí)不得超過的極限值，以此保證三極管安全工作。

(1)集電極最大允許電流ICM。集電極電流IC過大時(shí)，β將明顯下降，ICM為β下降到規(guī)定允許值(一般為額定值的1/2～2/3)時(shí)的集電極電流。使用中若IC>ICM，三極管不一定會損壞，但β明顯下降。

(2)集電極最大允許功率損耗PCM。管子工作時(shí)，UCE的大部分降在集電結(jié)上，因此集電極功率損耗PC=UCEIC，近似為集電結(jié)功耗，它將使集電結(jié)溫度升高而使三極管發(fā)熱致使管子損壞。工作時(shí)的PC必須小于PCM。

(3)反向擊穿電壓U(BR)CEO、U(BR)CBO、U(BR)EBO。U(BR)CEO指基極開路時(shí)集電結(jié)不致被擊穿，施加在集電極—發(fā)射極之間允許的最高反向電壓；U(BR)CBO指發(fā)射極開路時(shí)集電結(jié)不致被擊穿，施加在集電極—基極之間允許的最高反向電壓；U(BR)EBO指集電極開路時(shí)發(fā)射結(jié)不致被擊穿，施加在發(fā)射極—基極之間允許的最高反向電壓。通常U(BR)CEO為幾十伏，U(BR)EBO為數(shù)伏到幾十伏。

根據(jù)三個極限參數(shù)ICM、PCM、U(BR)CEO可以確定三極管的安全工作區(qū)，如圖1.1.21所示。三極管用作信號放大時(shí)，必須保證工作在安全區(qū)內(nèi)，并留有一定的裕量。圖1.1.21三極管的安全工作區(qū)三、三極管的分類與用途

三極管的種類很多，按其內(nèi)部PN結(jié)的組合形式分，有PNP型和NPN型管；按制造材料分，有硅管和鍺管；按功率大小分，有大、中、小功率管；按工作頻率分，有高頻管和低頻管等。依據(jù)三極管對電流的控制特性，電子技術(shù)中應(yīng)用三極管實(shí)現(xiàn)了信號放大、信號處理、信號產(chǎn)生、信號轉(zhuǎn)換、恒流、恒壓以及信號控制、信號發(fā)射和接收等許多功能。圖1.1.22為常用三極管的外形結(jié)構(gòu)圖。圖1.1.22三極管外形結(jié)構(gòu)圖四、常用三極管應(yīng)用電路分析

1.低頻信號產(chǎn)生電路

圖1.1.23(a)為低頻信號產(chǎn)生電路，也是一個簡易聲光歐姆表電路，用來檢測線路的通與斷。測試棒A、B分別接被測電路中的兩點(diǎn)，如果這兩點(diǎn)之間接通，則通過電阻R使三極管V1、V2獲得偏置電壓而導(dǎo)通，發(fā)光二極管VD亮，電容C與三極管構(gòu)成的電路產(chǎn)生電流振蕩，揚(yáng)聲器發(fā)聲；如果這兩點(diǎn)不通，則晶體管V1、V2不工作，發(fā)光二極管不亮，揚(yáng)聲器無聲。圖1.1.23晶體三極管應(yīng)用電路

2.晶體管開關(guān)電路

如圖1.1.23(b)為三極管組成的開關(guān)控制電路，V在電路中起開關(guān)作用。當(dāng)輸入ui為高電平時(shí)，二極管VD2截止，相當(dāng)于開路，三極管V飽和導(dǎo)通，繼電器K吸合，電鈴?fù)姲l(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)信號燈亮；當(dāng)輸入ui為低電平(或負(fù)脈沖)時(shí)，二極管VD2導(dǎo)通，使三極管發(fā)射結(jié)反向偏置，V截止，繼電器釋放，電鈴斷電，信號燈不亮。二極管VD1為繼電器線圈提供能量釋放電路，防止三極管V由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止時(shí)繼電器線圈產(chǎn)生過電壓。知識鏈接Ⅱ三極管的檢測與代換

一、三極管的檢測與判斷方法

1.管型和基極的判別

對于三極管，在不知道其類型和基極的情況下，可以假定它是NPN管，將萬用表撥到R×1k擋，用黑表筆接住其中的一個引腳不放，紅表筆先后搭接另外兩個管腳，若出現(xiàn)先后兩次搭接阻值都較小(幾百歐到幾千歐)時(shí)，則這個三極管就是事先假定的NPN型管，且黑表筆所接的引腳為基極。再用紅表筆接住基極，黑表筆再搭接另外兩個引腳，所測的應(yīng)是PN結(jié)的反向電阻近乎無窮大，如若有一個不是近乎無窮大，說明該管有一個PN結(jié)被擊穿損壞，如圖1.1.24(a)所示。圖1.1.24三極管的管腳判別

2.集電極和發(fā)射極的判別

管型和基極確定后，剩下的兩個引腳其中一個是發(fā)射極，另一個是集電極。雖然在同一三極管中，發(fā)射區(qū)和集電區(qū)同是N型或同是P型半導(dǎo)體，但發(fā)射區(qū)比集電區(qū)的摻雜濃度大，使用時(shí)不能接反。如果是NPN型管，將萬用表調(diào)至R×1k擋，黑表筆與紅表筆分別連接除基極以外的兩個引腳，用濕手指(或舌頭)接觸基極和黑表筆連接的引腳，看萬用表指針擺動的情況。然后兩支表筆對調(diào)，重復(fù)用濕手指接觸基極與黑表筆連接的引腳，再看萬用表指針的擺動情況。比較兩次測量，萬用表指針偏轉(zhuǎn)角較大的那次測量與黑表筆相連的引腳就是集電極，如圖1.1.24(b)所示。

3.在路檢測

(1)連接在電路中的三極管，如果萬用表測得其集電極與發(fā)射極之間的電阻為零，則可以判斷這個三極管已損壞。

(2)如果從電路圖中或者三極管的標(biāo)記型號中知道它是NPN型或者PNP型，若測得其集電結(jié)和發(fā)射結(jié)的正向電阻為無窮大，也可以斷定這個三極管已損壞。

(3)在三極管放大電路中，如果前后級采用阻容耦合的話，可以在通電的情況下一邊用萬用表監(jiān)測集電極與發(fā)射極之間的電壓，一邊用鑷子將基極對發(fā)射極短路，看集電極與發(fā)射極之間的電壓是否有變化，如果集電極與發(fā)射極之間的電壓變大，則該三極管及該級放大電路基本正常；如果沒有變化，則說明該三極管失去放大作用，需要斷開電源做進(jìn)一步檢查。二、三極管的選用及其代換原則

1.三極管的選用

選用三極管一要滿足設(shè)備及電路的要求，二要符合節(jié)約的原則。根據(jù)用途的不同，一般應(yīng)綜合考慮三極管的頻率、集電極電流、耗散功率、反向擊穿電壓、電流放大系數(shù)、穩(wěn)定性及飽和壓降等。這些因素具有相互制約的關(guān)系，在選管時(shí)應(yīng)抓住主要矛盾，兼顧次要因素。

(1)根據(jù)電路工作頻率確定選用低頻管或高頻管。低頻管的特征頻率fT一般在2.5MHz以下，而高頻管的fT達(dá)幾十、幾百兆赫甚至更高。選管時(shí)應(yīng)使fT為工作頻率的3～10倍。

(2)根據(jù)電路實(shí)際工作情況(最大集電極電流、管耗以及電源電壓)選擇三極管的極限參數(shù)ICM、PCM、U(BR)CEO。選取各值時(shí)應(yīng)留有余地，功耗較大時(shí)，還應(yīng)考慮加裝散熱器。

(3)三極管的β值的選擇。一般三極管的β多選40～100之間，對整個電路來說應(yīng)從各級的配合來選擇β。例如，前級用高β的三極管，后級就可以用低β的三極管；反之，前級用低β的三極管，后級就可以用高β的三極管。

(4)盡量選用低噪聲的硅管。硅管的ICBO趨于0，熱穩(wěn)定性好，可以工作在150℃。

2.三極管的代換原則

(1)原則上，高頻管可以代替低頻管，但高頻管的功率一般都比較小，動態(tài)范圍窄，代用時(shí)應(yīng)注意功率條件。

(2)大功率管可以代替小功率管，但必須注意頻率要求。

(3)高β管可以代替低β管，但必須注意穩(wěn)定性要求。知識拓展特殊結(jié)構(gòu)的三極管

一、光電三極管

光電三極管又稱為光敏三極管，它與光電二極管一樣是將入射光能轉(zhuǎn)變成電信號的半導(dǎo)體器件。常見光電三極管的外形、結(jié)構(gòu)及符號如圖1.1.25所示。圖1.1.25光電三極管的外形及符號如圖1.1.26是光電三極管構(gòu)成的直流光電開關(guān)應(yīng)用電路。圖1.1.26(a)電路中，當(dāng)光電三極管BPX25沒有光線照射時(shí)截止，從而使三極管SC1815沒有基極電流也處于截止?fàn)顟B(tài)；反之，則三極管導(dǎo)通進(jìn)而使晶閘管BTY91觸發(fā)導(dǎo)通，負(fù)載上獲得電壓。圖1.1.26(b)電路則相反，當(dāng)光電三極管BPX25有光線照射時(shí)導(dǎo)通，使三極管SC1815也導(dǎo)通，進(jìn)而使晶閘管BTY91截止，負(fù)載斷電；而當(dāng)光電三極管BPX25沒有光線照射時(shí)，晶閘管BTY91觸發(fā)導(dǎo)通，接通負(fù)載。圖1.1.26光電三極管開關(guān)應(yīng)用電路二、帶二極管的大功率三極管

帶二極管的大功率三極管是將一個二極管和一個電阻封裝在一個三極管內(nèi)部，如圖1.1.27(a)所示。這種管子常常用在大功率開關(guān)工作狀態(tài)，而且是電感與電容的組合負(fù)載的場合。例如電腦的彩色顯示器和彩色電視機(jī)的行掃描輸出級電路中一般都采用這種結(jié)構(gòu)的三極管，如圖1.1.27(b)所示。封裝在三極管中的二極管又稱為電阻尼二極管，對LC振蕩回路產(chǎn)生的振蕩起阻尼作用。將電阻尼二極管封裝在三極管內(nèi)部可以減小引線電阻，有利于減小行頻干擾。封裝在三極管中的電阻接在基極和發(fā)射極之間，可以有效防止開關(guān)的瞬間擊穿發(fā)射結(jié)，提高這種管子的可靠性。圖1.1.27帶二極管的大功率三極管的結(jié)構(gòu)符號及其應(yīng)用電路任務(wù)實(shí)施恒流充電器的制作與測試

一、實(shí)訓(xùn)目的

(1)熟悉常用元器件的焊接方法。

(2)掌握簡單電路的測試方法。二、實(shí)訓(xùn)儀器與材料

萬用表:DE960TR電流表:M322505

蓄電池:6V電阻:10kΩ、100Ω

整流二極管:1N4007電容器:470μF

三極管:SC2073發(fā)光二極管:常規(guī)

電位器:1kΩ萬能板:5cm×5cm

變壓器:9V/10W

三、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與步驟

(1)元器件識別與檢測:用萬用表對所給的元器件進(jìn)行分選和檢測。

(2)按圖1.1.28焊接好電路，并檢查連線有無錯誤，焊接是否良好。圖1.1.28蓄電池恒流充電器電路

(3)接上電源，用萬用表監(jiān)測空載輸出電壓。調(diào)節(jié)RP，使空載輸出電壓為6V。

(4)接上一個電池作為充電負(fù)載，用電流表測充電電流為________，同時(shí)用萬用表測輸出電壓為________。

(5)加接一個電池(并聯(lián))作為充電負(fù)載，用毫安表測充電電流為______，同時(shí)用萬用表測輸出電壓為________。

(6)比較(4)、(5)兩步所得數(shù)據(jù)，分析其中的原因。

(7)撰寫實(shí)訓(xùn)報(bào)告。四、分析與思考

(1)實(shí)訓(xùn)電路中，為什么RP的觸點(diǎn)越往上調(diào)，輸出電壓就會越高？

(2)為什么電池快要充滿時(shí)，LED就不亮了？

五、實(shí)訓(xùn)評價(jià)

按附錄一中的“電路制作實(shí)訓(xùn)評分表”操作執(zhí)行。知識鏈接手工焊接技術(shù)

1.烙鐵頭的掛錫

初次使用電烙鐵時(shí)，應(yīng)先用細(xì)銼或細(xì)砂紙去掉烙鐵頭的氧化層，然后對烙鐵頭進(jìn)行掛錫。掛錫的方法是:通電2~3min，待烙鐵頭發(fā)熱后，擠入松香塊中；待松香冒出細(xì)細(xì)的白煙時(shí)，將烙鐵頭擠在焊錫上反復(fù)摩擦，使烙鐵頭的前端(約0.5cm)掛滿焊錫。

在使用過程中，應(yīng)視烙鐵頭的情況經(jīng)常對烙鐵頭進(jìn)行掛錫；否則，在長時(shí)間通電加熱的情況下，烙鐵頭上的焊錫容易被氧化“燒死”，導(dǎo)致不能再焊接。對已被“燒死”的烙鐵頭，必須重新進(jìn)行掛錫。為了保護(hù)烙鐵頭不被“燒死”，長時(shí)間不用電烙鐵時(shí)應(yīng)將其電源關(guān)閉。

2.使用電烙鐵的焊接技術(shù)

1)元件引腳的掛錫

為了保證焊接質(zhì)量，電子元器件在焊接前必須將引腳過長的部分剪掉，并對需要焊接的部分進(jìn)行掛錫。

元器件引腳掛錫的方法是:

(1)用小刀或鑷子清潔電子元器件引腳上的氧化物及油污。

(2)將元器件的引腳沾上酒精或松香(助焊劑)。

(3)用掛有焊錫的電烙鐵接觸元器件引腳的待焊接部分，再將錫絲擠在待焊接部位鍍上一層焊錫。

2)焊盤的掛錫

對于新的印制電路板來說，其焊盤一般都已經(jīng)進(jìn)行了掛錫及助焊處理，無須再進(jìn)行本項(xiàng)工作。但對于舊的印制電路板及拆焊過的焊盤來說，仍需重新掛錫。

焊盤掛錫的方法是:

(1)用小刀清除焊盤上的氧化物。

(2)把掛有焊錫的電烙鐵頭點(diǎn)在焊盤上，再將帶有松香的錫絲擠在烙鐵頭與焊盤的接點(diǎn)上，使焊盤涂上一薄層焊錫。

3)焊接過程

(1)將電子元器件引腳從印制電路板的元件面插入相應(yīng)的焊盤孔中，并使引腳的露出部分高于焊點(diǎn)，用鑷子或尖嘴鉗將電子元器件的引腳固定住。

(2)用沾有適量焊錫的烙鐵頭接觸電子元器件引腳與焊盤的結(jié)合部，將焊錫絲擠入烙鐵頭的尖端，使其受熱熔化而流下來包圍住元器件的引腳并充滿焊盤。焊接的時(shí)間不宜太長，一般以1～2s為宜。

(3)從焊點(diǎn)上撤離烙鐵頭，此時(shí)切忌搖動電子元器件引腳，要等待焊點(diǎn)上的焊錫自動凝固。

(4)用斜口鉗剪去高出焊點(diǎn)的元器件引腳。

4)焊點(diǎn)的檢查

合格的焊點(diǎn)應(yīng)該是:焊錫量適中，焊點(diǎn)包圍住電子元器件的引腳，整個焊點(diǎn)呈略下凹的圓錐形，焊錫充滿焊盤但不凸出焊盤，焊點(diǎn)表面光滑。如圖1.1.29(b)所示。圖1.1.29焊接點(diǎn)示意圖

小結(jié)

二極管的基本結(jié)構(gòu)就是PN結(jié)，由摻雜的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體有機(jī)結(jié)合而形成。二極管具有正向?qū)ǚ聪蚪刂沟膯蜗驅(qū)щ娦?，二極管的特性曲線就是單向?qū)щ娞匦缘姆从?。二極管加較大的反向電壓時(shí)將會被擊穿。電擊穿時(shí)，二極管仍然可以恢復(fù)原來的單向?qū)щ娦?，利用這一點(diǎn)可制成穩(wěn)壓管；熱反向擊穿時(shí)，二極管將失去單向?qū)щ姷奶匦?，即燒壞。二極管的光電效應(yīng)有兩個方面:一是PN結(jié)受光照激發(fā)時(shí)，其導(dǎo)電能力特別是反向?qū)щ娔芰l(fā)生明顯變化，稱為光敏特性，光電二極管就是利用這一性質(zhì)制造的；二是當(dāng)PN結(jié)導(dǎo)通后能將電能轉(zhuǎn)換為光能，稱為發(fā)光特性，發(fā)光二極管就是利用這一特性制造的。二極管的應(yīng)用電路主要有:由普通二極管構(gòu)成正偏導(dǎo)通、反偏截止的開關(guān)電路；由光電二極管和發(fā)光二極管構(gòu)成的光/電轉(zhuǎn)換電路；由穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的穩(wěn)壓電路。三極管是由兩個PN結(jié)有機(jī)組成的，有PNP、NPN兩種類型，它的三個引腳分別稱為發(fā)射極e、基極b和集電極c。由于硅管的熱穩(wěn)定性好，所以硅三極管得到了更廣泛的應(yīng)用。三極管的伏安特性曲線為輸入特性曲線和輸出特性曲線，它有放大、飽和、截止三種工作狀態(tài)。當(dāng)發(fā)射結(jié)加上正偏電壓，集電結(jié)加上反偏電壓時(shí)，三極管具有電流放大作用，放大狀態(tài)下三個電極之間的電流關(guān)系為IE=IB+IC。只要控制基極電流，就能控制其他兩個電極的電流，因此三極管也稱為電流控制器件。當(dāng)集電結(jié)和發(fā)射結(jié)均反偏時(shí)，三極管截止；當(dāng)集電結(jié)和發(fā)射結(jié)均正偏時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通。三極管工作于放大區(qū)可作為放大器件使用，工作于截止區(qū)和飽和區(qū)時(shí)可作為開關(guān)使用，因此它在電子電路中被廣泛采用。任務(wù)二脈沖式自動充電器的制作與測試

技能訓(xùn)練脈沖產(chǎn)生與控制電路的制作與測試

一、實(shí)訓(xùn)目的

(1)熟悉集成邏輯門電路的外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

(2)初步了解邏輯門電路的工作方式。

(3)掌握邏輯門電路的測試方法。二、實(shí)訓(xùn)儀器與材料

萬用表:DT9205A焊接工具:常規(guī)

示波器:UR2102CE正負(fù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源:HG63303

與非門:74LS00電阻:1kΩ

電容:0.01μF二極管:1N4001

撥動開關(guān):常規(guī)萬能板:5cm×5cm

三、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與步驟

(1)觀察、辨認(rèn)集成門電路74LS00(四-2輸入與非門)的外形、引腳。

(2)測試TTL與非門的邏輯功能。

(3)按圖1.2.1所示電路布局、安裝、焊接電路。圖1.2.1脈沖產(chǎn)生與控制電路

(4)用萬用表檢測電路，如無誤，接上電源；用示波器觀察A點(diǎn)的波形，并做記錄。

(5)將開關(guān)S接正電源，觀察LED是否發(fā)亮。LED發(fā)亮?xí)r用示波器觀察L端的輸出波形。

(6)將開關(guān)S接地，再觀察L端的波形。四、分析與思考

如果開關(guān)S接正電源時(shí)，LED亮并有波形輸出，接地時(shí)，LED不亮且沒有波形輸出，是不是因?yàn)镚3的電源由開關(guān)控制？知識鏈接Ⅰ脈沖信號

在技能訓(xùn)練中所測圖1.2.1中A點(diǎn)的波形是一種脈沖信號，在數(shù)字電路中，信號(電壓和電流)多為脈沖型。脈沖

是一種躍變信號，并且持續(xù)時(shí)間短暫，可短至幾個微秒(μs)甚至幾個納秒(ns)。圖1.2.2是脈沖信號中最常見的矩形波和尖頂波。但實(shí)際波形并不像圖1.2.2那樣理想，矩形波的實(shí)際波形如圖1.2.3所示。圖1.2.2矩形波和尖頂波圖1.2.3實(shí)際矩形波脈沖還有正和負(fù)之分。如果脈沖躍變后的值比初始值高，則為正脈沖，如圖1.2.4(a)所示；反之則為負(fù)脈沖，如圖1.2.4(b)所示。圖1.2.4正脈沖和負(fù)脈沖知識鏈接Ⅱ邏輯事件與邏輯函數(shù)

一、基本概念

現(xiàn)實(shí)中存在著許多僅有兩個相互對立的狀態(tài)，而且必定出現(xiàn)在其中的一個狀態(tài)的事件。如發(fā)光二極管的“亮”與“滅”，產(chǎn)品的“合格”與“不合格”，競選的“成功”與“失敗”等，具有這種特征的事件稱為邏輯事件。

邏輯事件中兩個相互對立的狀態(tài)常用“0”和“1”兩個數(shù)字來表示。一個邏輯事件的結(jié)果取向往往與另一些邏輯事件狀態(tài)相互依賴或者互為因果。反映這種依賴關(guān)系的表達(dá)式就稱為邏輯函數(shù)，寫作:

Y=F(A，B，C，…)

其中:A，B，C，…是僅有0或1兩個取值的變量，稱為邏輯變量；Y就是邏輯變量A，B，C，…的取值確定后，被唯一確定下來的邏輯函數(shù)值(當(dāng)然也是0或者1)。二、基本邏輯

1.非邏輯

圖1.2.5(a)是一個簡單的直流電路，其中開關(guān)A對應(yīng)的斷開和閉合兩種狀態(tài)是一個邏輯事件，燈泡Y對應(yīng)于亮和滅兩種可能又是一個邏輯事件。該電路中，只有開關(guān)A斷開的時(shí)候，燈泡Y才亮。它們之間的邏輯關(guān)系可以用圖1.2.5(b)所示的狀態(tài)圖來表示。圖1.2.5非邏輯

A和Y的邏輯狀態(tài)都可以用“0”和“1”來表示(“0”和“1”并不代表數(shù)量的大小，只是表示兩種對立的狀態(tài))。如果開關(guān)斷開和燈泡不亮用“0”表示，開關(guān)閉合和燈泡亮用“1”表示，則可以得到圖1.2.5(c)，該圖稱為真值表。從該真值表可以看出，兩個邏輯事件之間的關(guān)系為:當(dāng)條件不具備時(shí)，事件才發(fā)生。這樣的關(guān)系稱為非邏輯關(guān)系，即對邏輯變量A進(jìn)行邏輯非運(yùn)算，得到的就是邏輯結(jié)果。

非邏輯關(guān)系用圖1.2.5(d)所示的符號表示，右邊的小圓圈表示將左邊的輸入量取反。

2.與邏輯

只有當(dāng)決定一個事件的所有條件全部具備時(shí)，這個事件才會發(fā)生。這樣的關(guān)系稱為邏輯與，也稱邏輯乘。

如圖1.2.6(a)所示電路中，用0表示開關(guān)斷開和燈泡滅，用1表示開關(guān)閉合和燈泡亮?xí)r，兩個開關(guān)A、B和燈泡Y之間就是邏輯與的關(guān)系，圖1.2.6(b)、(c)分別是邏輯與的真值表和邏輯符號。圖1.2.6與邏輯

3.或邏輯

在決定一事件的各條件中，只要有一個或一個以上的條件具備時(shí)，這個事件就發(fā)生。這種邏輯關(guān)系稱為邏輯或，也叫邏輯加。

如圖1.2.7(a)所示電路，用兩個開關(guān)并聯(lián)起來控制一盞燈時(shí)，A、B中只要有一個為1，則Y=1；只有A、B全為0時(shí)，Y才為0，這就是或的邏輯關(guān)系。

或邏輯真值表、邏輯符號分別如圖1.2.7(b)、(c)所示?；蜻壿嫼瘮?shù)Y與邏輯變量A、B的邏輯運(yùn)算表達(dá)式為

Y=A+B

式中，“+”為邏輯或運(yùn)算符。圖1.2.7或邏輯三、常用的復(fù)合邏輯

1.與非邏輯

表達(dá)式Y(jié)=表示變量A、B先進(jìn)行與邏輯運(yùn)算，再對其結(jié)果進(jìn)行非運(yùn)算，稱為A、B的與非。與非邏輯真值表和邏輯符號如圖1.2.8所示。圖1.2.8與非邏輯

2.或非邏輯

表達(dá)式是先或后非的運(yùn)算，稱做邏輯變量A、B的或非?；蚍沁壿嬚嬷当砗瓦壿嫹柸鐖D1.2.9所示。圖1.2.9或非邏輯

3.異或和同或邏輯

在圖1.2.10(a)所示的真值表中，當(dāng)輸入變量相同時(shí)，輸出為0；當(dāng)輸入變量不同時(shí)，輸出為1。這種邏輯關(guān)系稱為異或，其邏輯符號如圖1.2.10(b)所示。異或邏輯表達(dá)式為Y=，表示A和B的異或運(yùn)算，又可表示為Y=A

B，符號“”讀做異或。

當(dāng)輸入變量相同時(shí)，輸出為1；當(dāng)輸入變量不同時(shí)，輸出為0。這種邏輯關(guān)系稱為同或，其真值表和邏輯符號如圖1.2.11所示。同或邏輯表達(dá)式為Y=

+AB，表示A和B的同或運(yùn)算，又可表示為Y=A⊙B，符號“⊙”讀作同或。圖1.2.10異或邏輯圖1.2.11同或邏輯

知識鏈接Ⅲ邏輯門電路

一、邏輯門電路及其應(yīng)用電路

1.非門電路

在圖1.2.12(a)所示的電路中，三極管工作在開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)在A端輸入高電平(+5V)時(shí)，三極管V導(dǎo)通，L端輸出0.2～0.3V的低電平；當(dāng)A端輸入電平小于0.6V時(shí)，三極管截止，輸出端L的電壓近似等于電源電壓(+5V)。如果把這個電路中輸入、輸出的高電平(+5V)當(dāng)做邏輯函數(shù)中的“1”,而把輸入、輸出的低電平當(dāng)做邏輯函數(shù)中的“0”,則該電路輸入與輸出信號狀態(tài)滿足“非”邏輯關(guān)系。

在電子電路中，把能夠?qū)崿F(xiàn)“非”邏輯關(guān)系L=的電路稱為非門，也稱為反相器。非門電路通常直接用其邏輯符號表示，如圖1.2.5(d)所示。圖1.2.12非門電路及其工作波形

1)集成非門電路——六反相器

由于非門電路應(yīng)用非常廣泛，電子器件生產(chǎn)廠家把六個具有非邏輯功能的反相器集成在一塊芯片上就構(gòu)成六反相器。目前市面上常見的有TTL(TransistorTransistorLogic)雙極型集成六反相器74LS04，COMS場效應(yīng)管(參考學(xué)習(xí)情境二)集成六反相器CD4069，二者的外形及引腳功能如圖1.2.13所示。74LS04和CD4069的引腳位置排列、邏輯功能完全一致，只是對電源電壓的要求、功率消耗等性能有所不同(參考TTL與COMS場效應(yīng)集成電路的區(qū)別)。圖1.2.13集成六反相器引腳功能

2)六反相器的應(yīng)用電路分析

數(shù)字電路中的信號源可由振蕩電路產(chǎn)生具有一定頻率(周期)的脈沖信號。如圖1.2.14(a)為非門電路構(gòu)成的時(shí)鐘源，中間的三極管可以使輸出級與前級隔離，電位器RP變化幾千歐姆也不會影響電路的輸出幅度?？勺冾l率振蕩電路具有輸出頻率范圍寬、輸出波形好、帶負(fù)載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。該電路的輸出頻率可由下式計(jì)算:式中，R0為門電路內(nèi)部等效電阻，一般為幾百歐。輸出頻率可從幾赫至幾兆赫變化，改變電容C可實(shí)現(xiàn)頻率粗調(diào)，調(diào)節(jié)RP可實(shí)現(xiàn)頻率細(xì)調(diào)?？勺冾l率振蕩電路的輸出波形如圖1.2.14(b)所示。圖1.2.14可變頻率振蕩器圖1.2.15固定頻率TTL振蕩電路

2.與門、與非門電路

任何能夠?qū)崿F(xiàn)“與”邏輯運(yùn)算關(guān)系(L=A·B)的電路均稱為與門。圖1.2.16(a)所示為雙輸入與門電路，當(dāng)輸入端A與B同時(shí)為高電平“1”(+5V)時(shí)，二極管VD1、VD2均截止，R中沒有電流，兩端的壓降為0V，輸出端L為高電平“1”(+5V);當(dāng)A、B中的任何一端為低電平“0”(0V)或A、B端同時(shí)為低電平“0”時(shí)，任何一個二極管的導(dǎo)通都使輸出端L為低電平“0”(0.7V)。與門的輸入與輸出信號的狀態(tài)滿足“與”邏輯運(yùn)算關(guān)系。與門電路的邏輯符號如圖1.2.6(c)所示。圖1.2.16(b)為描述雙輸入與門輸入與輸出信號之間邏輯關(guān)系的波形圖。圖1.2.16雙輸入端與門電路及其波形圖把與門電路的輸出接非門電路的輸入，便可以得到一個與非門電路。圖1.2.8(b)為雙輸入單輸出與非門電路的邏輯符號，其輸入、輸出波形如圖1.2.17所示。圖1.2.17雙輸入端與非門電路的波形圖

1)集成與門、與非門電路

為了方便使用，電子器件生產(chǎn)廠家把與門、與非門都做成集成電路。常見型號74LS08為四-2輸入與門，74LS00、CD4011為四-2輸入與非門，74LS10為三-3輸入與非門，74LS20為二-4輸入與非門。常用集成與門、與非門的引腳功能如圖1.2.18所示(其中74LS20的ST是輸出控制引腳)。圖1.2.18常用集成與門、與非門的引腳功能

2)集成與門、與非門的應(yīng)用電路

·與門電路構(gòu)成控制門

圖1.2.19為由與門構(gòu)成的開關(guān)控制電路，可作為信號傳送過程中的開關(guān)控制。A為信號輸入端，K為控制端，L為信號輸出端。

在圖1.2.19中，K為低電平時(shí)，無論A端怎樣變化，與門輸出端L始終為低電平；K為高電平時(shí)，A端的輸入信號可以通過與門由L端輸出。圖1.2.19與門構(gòu)成的數(shù)字信號輸出開關(guān)控制電路

·與非門組成脈沖產(chǎn)生電路

在技能訓(xùn)練1的圖1.2.1所示電路中，G1、G2、C1、C2及R1、R2組成的電路即為與非門組成的脈沖產(chǎn)生電路。G1、G2組成非門，此電路若取C1=C2=C，R1=R2=R，則電路完全對稱，電容充、放電時(shí)間相等，其振蕩周期近似為T=1.4RC。一般R1、R2的取值不超過1kΩ，若取R1=R2=500Ω，C1=

C2=100pF～100μF，則其振蕩頻率的范圍為幾十赫到幾十兆赫。

3.或門、或非門電路

1)或門、或非門

任何能夠?qū)崿F(xiàn)“或”邏輯運(yùn)算關(guān)系的電路均稱為或門。圖1.2.20(a)所示為雙輸入端或門電路。只要輸入端中的任意一端為高電平，輸出端就一定為高電平；只有當(dāng)輸入端均為低電平時(shí)，輸出端才為低電平?；蜷T的輸入與輸出信號狀態(tài)滿足“或”邏輯運(yùn)算關(guān)系，其邏輯符號如圖1.2.7(c)所示。

圖1.2.20(b)為雙輸入端或門的輸入與輸出信號之間邏輯關(guān)系波形圖。圖1.2.20雙輸入端或門電路及其波形圖能夠?qū)崿F(xiàn)“或非”邏輯運(yùn)算關(guān)系(L=A+B)的電路稱為或非門。在一個或門的輸出端連接一個非門就構(gòu)成了或非門，如圖1.2.21(a)所示，其邏輯符號如圖1.2.9(b)所示。

圖1.2.21(b)是描述或非門輸入與輸出信號之間邏輯關(guān)系的波形圖。圖1.2.21或非門電路及其波形

2)集成或門、或非門電路

或門、或非門集成電路的常見型號有74LS02、CC4001(四-2輸入或非門)和74LS25(二-4輸入或非門)，其引腳功能如圖1.2.22所示。圖1.2.22常用集成或門、或非門的引腳功能

3)或門、或非門的應(yīng)用電路

·或門電路構(gòu)成控制門

圖1.2.23是或門構(gòu)成的開關(guān)控制電路，可作為信號傳送過程中的開關(guān)控制。A為信號輸入端，K為控制端，L為信號輸出端。圖1.2.23或門構(gòu)成的數(shù)字信號輸出控制電路在圖1.2.23中，K為高電平時(shí)L始終為高電平，無信號輸出；K為低電平時(shí)，A端信號通過或門。

·或非門構(gòu)成短路、斷路防盜報(bào)警器

圖1.2.24是短路、斷路防盜報(bào)警器電路。R1作為傳感器可以密封在被監(jiān)視的物品上。正常情況下，HF1的輸入端電平約為3UDD/5，大于UDD/2，輸出低電平；HF2輸入電平為2UDD/5，小于UDD/2，輸出高電平；HF3輸出低電平；HF4的兩個輸入端均為低電平，輸出為高電平。此時(shí)三極管V1截止，語音電路不工作。圖1.2.24短路、斷路防盜報(bào)警電路

4.異或和同或邏輯門電路

1)異或門

任何能夠?qū)崿F(xiàn)

“異或”邏輯運(yùn)算關(guān)系的電路均稱為異或門。異或門可由非門、與門和或門組合而成，如圖1.2.25(a)所示。

異或門的特點(diǎn)是:當(dāng)輸入端A、B的電平狀態(tài)互為相反時(shí)，輸出端L一定為高電平；當(dāng)輸入端A、B的電平狀態(tài)相同時(shí)，輸出端L一定為低電平。異或門邏輯符號如圖1.2.10(b)所示,圖1.2.25(b)為描述異或門輸入與輸出信號邏輯關(guān)系的波形圖。圖1.2.25異或門邏輯及波形圖

2)同或門

任何能夠?qū)崿F(xiàn)⊙“同或”邏輯運(yùn)算關(guān)系的電路均稱為同或門。同樣可以由非門、與門和或門組合而成，其邏輯符號如圖1.2.11(b)所示。

同或門的特點(diǎn)是:當(dāng)輸入端A、B的電平狀態(tài)互為相反時(shí)，輸出端L一定為低電平；而當(dāng)輸入端A、B的電平狀態(tài)相同時(shí)，輸出端L一定為高電平。

圖1.2.26為描述同或門輸入與輸出信號之間邏輯關(guān)系的波形圖。圖1.2.26二輸入端同或門波形圖

3)集成異或門、同或門

常用集成異或門、同或門的型號有74LS386和CD4070兩者都為四-2輸入異或門，圖1.2.27是其引腳圖。圖1.2.27四-2輸入異或門、同或門引腳功能二、集成門電路的主要參數(shù)

(1)電源電壓:TTL類型集成門電路的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓都是+5V；MOS類型集成門電路有較寬的允許范圍；4000系列集成門電路可以工作在3～18V。

(2)單門靜態(tài)功耗:指直流靜態(tài)功耗，它是衡量電路質(zhì)量優(yōu)劣的重要參數(shù)。

(3)直流噪聲容限:指邏輯電路輸入與輸出各自界定1電平和0電平的實(shí)際電壓差值大小，反映邏輯電路

的抗干擾能力。

(4)扇出系數(shù):表示輸出可以驅(qū)動同類型器件的數(shù)目。三、門電路的分類與使用注意事項(xiàng)

實(shí)際應(yīng)用中人們喜歡選用數(shù)字集成電路來完成各種邏輯控制和運(yùn)算。它可以使電路的設(shè)計(jì)過程更加簡單，結(jié)構(gòu)更加合理，電路的故障率減少，可靠性提高，抗干擾性增強(qiáng)。數(shù)字集成電路種類繁多，有多種多樣的分類方法。但人們習(xí)慣上用得最多的是按構(gòu)成器件不同把最常用的TTL和MOS分成兩個大類，每一類再按性能等級分為幾個系列，每個系列再按邏輯功能分成各種型號，如表1.2.1所示。

1.TTL器件

TTL器件的主要特點(diǎn)是速度快、負(fù)載能力強(qiáng)，但功耗較大、集成度較低。它們的電源電壓都是5V，邏輯“0”輸出電壓為小于等于0.2V，邏輯“1”輸出電壓為大于等于3.0V，噪聲容限為0.8V。由于TTL邏輯門電路的性價(jià)比較佳，故應(yīng)用范圍比較廣泛。

2.MOS器件

MOS器件的主要特點(diǎn)是功耗低，輸入阻抗高，工作電壓范圍寬(4000系列的電源電壓為3～15V)，邏輯擺幅大，體積小，集成度高。但由于場效應(yīng)管的電容作用，其開關(guān)時(shí)間較長，致使電路的工作速度較慢。四、數(shù)字集成門電路的測試方法

在安裝電路之前，對所選的數(shù)字集成電路器件應(yīng)進(jìn)行邏輯功能檢測，以避免因器件功能不正常而增加調(diào)試的困難。檢測器件功能的方法是多種多樣的，常用的有如下幾種方法。

1.儀器檢測法

儀器檢測法是用一些簡單而實(shí)用的數(shù)字集成電路測試儀進(jìn)行檢測。此方法簡單、快捷，但往往受到測試儀器條件的限制。

2.代替法

代替法是用被測器件代替正常工作的數(shù)字電路中的相同器件，此方法也很管用，但需要先制作一個帶集成電路插座且能正常工作的電路。

3.功能實(shí)驗(yàn)檢測法

功能實(shí)驗(yàn)檢測法是用實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行邏輯功能測試。其檢測方法是:靜態(tài)時(shí)，在各輸入端分別接入不同的電平值，即邏輯“1”接高電平(輸入端通過1kΩ電阻接電源正極)，邏輯“0”接低電平(輸入端接地)。用數(shù)字萬用表測量各輸出端的邏輯電平，并分析各邏輯電平值是否符合電路的邏輯關(guān)系。圖1.2.28所示為門電路邏輯功能測試電路。圖1.2.28門電路邏輯功能測試電路知識鏈接Ⅳ數(shù)制與邏輯函數(shù)的化簡

一、數(shù)制與轉(zhuǎn)換

1.數(shù)制的概念

數(shù)制有三個要素:基、權(quán)、進(jìn)制。

基:數(shù)碼的個數(shù)。例如，十進(jìn)制數(shù)的基是10，二進(jìn)制數(shù)的基是2。

權(quán):數(shù)碼所在位置表示數(shù)值的大小。例如，十進(jìn)制數(shù)在第n位的權(quán)值為該數(shù)碼乘以10n－1。

進(jìn)制:逢基進(jìn)一。十進(jìn)制數(shù)是逢十進(jìn)一，二進(jìn)制數(shù)是逢二進(jìn)一。常用的數(shù)制還有八進(jìn)制、十六進(jìn)制、六十進(jìn)制等，其相應(yīng)的計(jì)數(shù)進(jìn)位關(guān)系是“逢八進(jìn)一”、“逢十六進(jìn)一”、“逢六十進(jìn)一”。

2.二進(jìn)制數(shù)

在數(shù)字控制電路中，應(yīng)用最廣泛的是二進(jìn)制數(shù)。二進(jìn)制數(shù)的每一位僅有0或1兩個數(shù)碼，計(jì)數(shù)時(shí)低位和相鄰高位之間的進(jìn)位關(guān)系是“逢二進(jìn)一”，借位關(guān)系是“借一當(dāng)二”?；鶠?，其位權(quán)是由2n－1決定的。二進(jìn)制數(shù)通常用(N)B表示，任意一個二進(jìn)制數(shù)(N)B都可以寫成按權(quán)展開的表達(dá)式。例如,6位二進(jìn)制數(shù)101101按權(quán)展開為

(101101)B=1×26－1+0×26－2+1×26－3+1×26－4+0×26－5

+1×26－6

二進(jìn)制數(shù)只有0和1兩個數(shù)碼，運(yùn)算比較簡單，但用二進(jìn)制數(shù)表示一個位數(shù)較多的數(shù)時(shí)，則讀寫不方便，且難以記憶。

3.十六進(jìn)制數(shù)

十六進(jìn)制數(shù)是以16為基數(shù)的計(jì)數(shù)體制，它的數(shù)碼有16個，為0，1，2，…，9，A，B，C，D，E，F(xiàn)，具有“逢十六進(jìn)一”的計(jì)數(shù)規(guī)律，其位權(quán)由16n－1決定。十六進(jìn)制數(shù)用(N)H表示，任意一個十六進(jìn)制數(shù)(N)H可以寫成按權(quán)的展開式。例如，4位十六進(jìn)制數(shù)4A8C按權(quán)展開為

(4A8C)H=4×164－1+10×164－2+8×164－3+12×164－4

=4×163+10×162+8×161+12×160

4.八進(jìn)制數(shù)

八進(jìn)制數(shù)是以8為基數(shù)的計(jì)數(shù)體制，它的數(shù)碼有8個，為0，1，2，…，7，具有“逢八進(jìn)一”的計(jì)數(shù)規(guī)律，其位權(quán)由

8n－1決定。八進(jìn)制數(shù)用(N)O表示，任意一個八進(jìn)制數(shù)(N)O可以寫成按權(quán)的展開式。例如，3位八進(jìn)制數(shù)625按權(quán)展開為

(625)O=6×83－1+2×83－2+5×83－3

=6×82+2×81+5×80

表1.2.2為幾種常用數(shù)制數(shù)值之間的對應(yīng)關(guān)系。

5.常用數(shù)制間的轉(zhuǎn)換

1)二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換

·二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)

將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)時(shí)，只要把二進(jìn)制數(shù)按位的權(quán)值展開相加即可。例如，將(10101101)B轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)：

(10101101)B=1×27+0×26+1×25+0×24

+1×23+1×22+0×21+1×20=173

·十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)

將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)時(shí)，常用的方法是“除2取余”法，就是用2連續(xù)去除所要轉(zhuǎn)換的十進(jìn)制數(shù)，直到商為0為止，然后把各次所得的余數(shù)按最后得到的為最高位、最先得到的為最低位依次排列起來，所得到的數(shù)便是所要求的二進(jìn)制數(shù)。

【例1.2.1】

把十進(jìn)制數(shù)232轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。

解把232連續(xù)除以2，直到商小于2的豎式為把所得的余數(shù)按箭頭方向從高位到低位排列起來便可得到:(232)D=(11101000)B

2)十六進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)間的轉(zhuǎn)換

·十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)

該轉(zhuǎn)換方法與二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)相同，即十六進(jìn)制數(shù)各位的權(quán)值相加就可得到所求的十進(jìn)制數(shù)。

例如，將(5D4)H轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù):

(5D4)H=5×162+13×161+4×160=1492

·十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)

十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)的方法和前面介紹的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)的方法基本相同，即“除16取余”法。

【例1.2.2】

將十進(jìn)制數(shù)254轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)。

解

得254=(FE)H

3)二進(jìn)制數(shù)與十六進(jìn)制數(shù)間的轉(zhuǎn)換

·二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)

由于十六進(jìn)制數(shù)的基數(shù)16=24，每位十六進(jìn)制數(shù)由4位二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成。因此，二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)的方法是:從低位開始，每4位二進(jìn)制數(shù)為一組，最后不足4位的，則在高位加0補(bǔ)足4位，每4位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為1位十六進(jìn)制數(shù)，并按順序?qū)懗鰧?yīng)的十六進(jìn)制數(shù)。

【例1.2.3】

將二進(jìn)制數(shù)(10011111011)B轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)。

解

010011111011

↓↓↓

4FB

得

(10011111011)B=(4FB)H

·十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)

該方法是每位十六進(jìn)制數(shù)用4位二進(jìn)制數(shù)來代替，再按原來的順序排列起來便得到了相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)。

【例1.2.4】

將十六進(jìn)制數(shù)(3B5E4D)H轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)。

解

3

B

5

E

4

D

↓↓↓↓↓↓

001110110101111001001101

得

(3B5E4D)H=(1110110101111001001101)B二、邏輯函數(shù)的運(yùn)算

1.邏輯代數(shù)的基本運(yùn)算

為了研究處理一些較為復(fù)雜的邏輯問題，常常將實(shí)際的邏輯問題轉(zhuǎn)化成邏輯函數(shù)后，再對邏輯函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算分析。但由于邏輯函數(shù)運(yùn)算的數(shù)學(xué)方法是邏輯代數(shù)，因此必須了解邏輯代數(shù)的基本規(guī)則和方法。

1)基本公式

根據(jù)與、或、非三種基本運(yùn)算的特點(diǎn)，可以推導(dǎo)出如表1.2.3所示的邏輯代數(shù)的基本公式。這些公式中，有一些是與普通代數(shù)不同的，在運(yùn)用中要特別注意。將結(jié)果填入真值表(表1.2.4)中。從表中可以看出，對輸入變量的所有取值組合，等式兩邊的函數(shù)值都對應(yīng)相等，等式成立。在邏輯函數(shù)的化簡變換中經(jīng)常用到反演律。反演律又稱為摩根定理。

2)常用公式

利用基本公式，可以得到以下常用公式，這些公式對于邏輯函數(shù)的化簡有重要的作用。

公式1:

兩個乘積項(xiàng)中分別含有B和，而其他因子相同時(shí)，則可消去變量B，合并成一項(xiàng)。

證明：AB+A

=A(B+

)=A

公式2:A+AB=A

兩個乘積項(xiàng)中，如果一個乘積項(xiàng)(A)是另一個乘積項(xiàng)(AB)的因子，則另一個乘積項(xiàng)是多余的。

證明:

A+AB=A(1+B)=A

公式3:

A+

B=A+B

兩個乘積項(xiàng)中，如果一個乘積項(xiàng)(A)的反函數(shù)(

)是另一個乘積項(xiàng)的因子，則這個因子是多余的。

證明:

A+

B=(A+AB)+

B=A+(AB+

B)=A+B

公式4:

AB+

C+BC=AB+

C

證明:

AB+

C+BC=AB+

C+BC(A+

)

=AB+

C+ABC+

BC

=(AB+ABC)+(

C+

BC)