编辑推荐
本书为与湖南铁道职业技术学院战略合作教材,该校为全国示范性高职院校。该书在学校使用多年的校本教材的基础上编写而成,内容成熟,体例结构合理,有一定的创新性。
内容简介
本书是在湖南铁道职业技术学院《数字电子电路的分析与应用》课程多年改革与实施的基础上编写的。本书以理论知识、验证性实验、项目制作为主线,突出对学生数字电子电路分析与应用能力的培养,同时方便组织教学实施。主要内容有:逻辑代数基础、门电路及其应用、组合逻辑电路及其应用、触发器及其应用、集成555定时器及其应用、时序逻辑电路及其应用及模/数、数/模转换器及其应用。
作者简介
谢永超, 湖南铁道职业技术学院铁道供电与电气学院教研室副主任,主持数字电子电路课程建设,长期从事该课程的教学工作,有丰富的教学经验。
内页插图
目录
第一章 逻辑代数基础 7
1.1 数字电子电路的基本知识 7
1.1.1 数字信号和模拟信号 7
1.1.2 数字电路的基本概念 7
1.1.3 数制和码制 8
1.1.4 算术运算和逻辑运算 11
1.2 逻辑代数中的三种基本运算 11
1.3 逻辑代数法则 13
1.3.1 逻辑代数的基本规则和定律 13
1.3.2 逻辑代数的基本定理 15
1.4 逻辑函数及表示方法 16
1.4.1 逻辑函数的定义 16
1.4.2 逻辑函数的表示方法 17
1.4.3 逻辑函数表示方法之间的互换 18
1.5 逻辑函数的公式法化简 20
1.5.1 逻辑函数的最简表达式 21
1.5.2 常用的公式法化简举例 21
1.6 逻辑函数的卡诺图化简 22
1.6.1 逻辑函数的卡诺图表示法 22
1.6.2 用卡诺图化简逻辑函数 24
1.6.3 具有无关项的逻辑函数及其化简 26
本章小结 27
习题 28
第二章 门电路及其应用 30
2.1 逻辑门电路概述 30
2.2 半导体元器件的开关特性 31
2.2.1 二极管的开关特性 31
2.2.2 晶体管的开关特性 31
2.2.3 MOS管的开关特性 32
2.3 分立元件逻辑门电路 32
2.3.1 三种最简单的与、或、非门电路 32
2.3.2 五种常用的复合逻辑及其门电路 34
2.4集成逻辑门电路 37
2.4.1 常用的TTL与CMOS集成逻辑门电路芯片 37
2.4.2 TTL与CMOS集成逻辑门使用注意事项 42
2.4.3 不同类型门电路的接口问题 43
2.4.4 TTL与CMOS集成电路性能比较 44
2.4.5 门电路应用举例 44
2.5 实验一:集成门电路功能的测试与转换 46
2.5.1实验目的 46
2.5.2实验箱技术与知识 47
2.5.3实验仪器和芯片 48
2.5.4实验内容及步骤 48
2.5.5实验总结 50
2.6 项目一:声光控制开关电路的制作与调试 50
2.6.1 项目概述 50
2.6.2声光控制开关电路的工作原理 51
2.6.3声光控制开关电路的调试 52
本章小结 54
习题 55
第三章 组合逻辑电路及其应用 58
3.1 组合逻辑电路概述 58
3.1.1组合逻辑电路的特点 58
3.1.2 组合逻辑电路的功能描述 58
3.2 组合逻辑电路的分析 59
3.2.1 组合逻辑电路的分析方法 59
3.2.2组合逻辑电路的分析举例 59
3.3 组合逻辑电路的设计 61
3.3.1 组合逻辑电路的设计方法 61
3.3.1 组合逻辑电路的设计举例 61
3.4 常用的组合逻辑电路 63
3.4.1 编码器和译码器 63
3.4.2 半加器和全加器 70
3.4.3 数据分配器和数据选择器 72
3.5 实验二:组合逻辑电路的设计与测试 74
3.5.1 实验目的 74
3.5.2实验设备与器件 75
3.5.3 实验内容与步骤 75
3.6 实验三:集成编码器、译码器的逻辑功能测试及应用 80
3.6.1 实验目的 80
3.6.2实验设备与器件 80
3.6.3 实验内容与步骤 80
3.7 项目二:逻辑笔的设计与制作调试 82
3.7.1项目描述 82
3.7.2项目电路原理分析与显示部分设计 82
3.7.3项目电路测试 83
本章小结 84
习题三 84
第四章 触发器及其应用 89
4.1 触发器概述 89
4.2 触发器的基本形式(电平触发型的触发器) 89
4.2.1 基本RS触发器 89
4.2.2 同步RS触发器 91
4.2.3 D触发器 93
4.2.4 JK触发器 95
4.2.5 T触发器 97
4.2.6 Tˊ触发器 97
4.2.7 基本触发器的特点 98
4.3 边沿触发型的触发器 98
4.3.1边沿JK触发器 98
4.3.2.常见的集成边沿触发器 99
4.4 主从触发器 102
4.4.1 主从RS触发器 102
4.4.2 主从JK触发器 102
4.5 触发器逻辑功能的转换 104
4.6 实验四:触发器逻辑功能的测试与转换 105
4.6.1 实验目的 105
4.6.2实验设备与器件 105
2.5.3实验仪器和芯片 106
4.6.4实验内容及步骤 106
4.7 触发器的应用 109
4.8 项目三:四路抢答器的制作与调试 111
4.8.1 项目概述 111
4.8.2四路抢答器电路的工作原理 111
4.8.3 四路抢答器电路的调试 111
本章小结 112
习题 112
第五章 集成555定时器及其应用 114
5.1 集成555定时器概述 114
5.1.1 555定时器的电路结构和工作原理 114
5.1.2 555定时器的逻辑功能 116
5.2 施密特触发器 116
5.2.1 施密特触发器的电路结构 116
5.2.2 施密特触发器的工作原理 116
5.2.3 施密特触发器的应用 118
5.3 单稳态触发器 119
5.2.1单稳态触发器的电路结构 119
5.2.2单稳态触发器的工作原理 119
5.2.3单稳态触发器的应用 120
5.4 多谐振荡器 121
5.2.1多谐振荡器的电路结构 121
5.2.2多谐振荡器的工作原理 122
5.2.3多谐振荡器的应用 123
5.2.4石英晶体振荡器�� 124
5.5 实验五:555定时器应用电路的测试 124
5.5.1实验目的 124
5.5.2实验技术与知识 124
5.5.3实验仪器与芯片 125
5.5.4实验内容及步骤 125
5.5.4实验总结 127
5.6 项目四:双路报警器的制作与调试 128
5.6.1 项目概述 128
5.6.2双路报警器电路的工作原理 129
5.6.3 双路报警器电路的调试 129
本章小结 130
习题 131
第六章 时序逻辑电路及其应用 133
6.1 时序逻辑电路概述 133
6.2 时序逻辑电路的分析 134
6.2.1 时序逻辑电路的分析方法 134
6.2.2 时序逻辑电路分析举例 135
6.3 时序逻辑电路的设计 138
6.2.1 时序逻辑电路的设计步骤 138
6.2.2 时序逻辑电路分析举例 138
6.4 计数器 138
6.4.1 计数器的分类 138
6.4.2 二进制计数器 138
6.4.3 十进制计数器 140
6.5 集成计数器及其应用 142
6.5.1集成十进制同步双计数器CD4518 142
6.5.2集成十进制异步计数器74LS90 143
6.5.3 4位二进制同步集成加法计数器74LS161/163 144
6.5.4 4位集成二进制同步可逆计数器 145
6.5.5集成十进制加减计数/译码/锁存/驱动器CC40110 145
6.5.6 利用集成计数器构成N进制计数器 146
6.6 实验六;计数器的测试与应用 147
6.6.1实验目的 147
6.6.2实验技术与设备 147
6.2.3实验仪器与芯片 150
6.2.4实验内容和步骤 150
6.6.5实验总结 155
6.7 寄存器与存储器 155
6.7.1寄存器 155
6.7.2存储器 159
6.8 项目五:测频仪的制作与调试 166
6.8.1 项目概述 166
6.8.2测频仪电路的工作原理 167
6.8.3 测频仪电路的调试 168
本章小结 171
习题 171
第七章 模/数、数/模转换器及其应用 175
7.1模/数、数/模转换器的概述 175
7.2 A/D转换基本原理 175
7.3 A/D转换器的原理与主要性能指标 178
7.3 .1 A/D转换器的原理 179
7.3 .2 A/D转换器的主要性能指标 182
7.4 D/A转换器原理和主要性能指标 184
7.4 .1 D/ A转换器的原理 184
7.4.2 D/A转换器的主要性能指标 189
7.5集成A/D、D/A转换器芯片介绍及其应用 191
7.5.1集成A/D转换器芯片介绍及其应用 191
7.5.2集成D/A转换器芯片介绍及其应用 194
7.6 实验七、ADC0804CN芯片的应用实验 197
7.6.1 实验目的 197
7.6.2实验设备与器件 197
7.6.3 实验内容与步骤 197
7.6.4 试验总结 198
7.7项目六:数显温度测试仪电路的制作与调试 199
7.7.1 项目描述 199
7.7.2 项目电路及原理分析 199
7.7.3 项目制作与调试 200
7.7.4 项目总结 200
本章小结 201
习题 201
附 录 Multisim软件介绍及应用实例 202
8.1 仿真的意义 202
8. 2 Multisim仿真软件介绍 202
8.3 Multisim的基本界面 203
8.3.1 Multisim的主窗口 203
8.3.2 Multisim的菜单软件 203
8.4 门电路仿真实例 206
8.4.1 74LS00D集成逻辑门传输特性仿真测试 206
8.4.2与非门74LS00N的逻辑功能测试仿真 207
8.4.3仿
前言/序言
《晶体管电子学基础与实践》 一、 内容概要 《晶体管电子学基础与实践》是一本面向电子工程、通信工程、自动化等相关专业本科生以及电子爱好者编写的教材。本书旨在系统地讲解晶体管的基本工作原理、特性参数、等效电路模型,并深入探讨各种晶体管(如双极结型晶体管BJT、结型场效应晶体管JFET、绝缘栅型场效应晶体管MOSFET)在不同工作状态下的放大、开关等基本应用。本书强调理论与实践相结合,在讲解核心概念的同时,穿插了大量的电路分析示例和实际应用案例,帮助读者理解晶体管在现代电子系统中的关键作用。 二、 核心章节内容详解 第一章 晶体管概述与基本概念 本章将为读者搭建起理解晶体管世界的基石。首先,我们会回顾半导体材料的基本性质,简要介绍P型和N型半导体的形成及其载流子特性。接着,引入PN结的概念,阐述其单向导电性以及在正向偏置和反向偏置下的行为,为理解晶体管的工作原理奠定基础。 随后,我们将正式介绍晶体管这一核心电子元器件。晶体管的出现是电子技术史上的一次飞跃,它实现了信号的放大和开关控制,为电子集成电路的发展提供了可能。我们将从晶体管的物理结构出发,介绍其内部构成,包括发射区、基区、集电区(对于BJT)或源区、栅区、漏区(对于FET)。 本章还将定义和解释晶体管的几个关键参数,例如: BJT类: 击穿电压、最大允许功耗、直流电流增益(β)、跨导(gm)、输入电阻、输出电阻等。 FET类: 阈值电压(Vt)、漏极电流(Id)、跨导(gm)、栅漏电容、输入电阻等。 这些参数是分析和设计晶体管电路的基础。理解这些参数的物理意义和它们如何影响晶体管的性能至关重要。 第二章 双极结型晶体管(BJT)的工作原理与特性 本章将聚焦于最早也是最广泛应用的晶体管类型——双极结型晶体管(BJT)。我们将深入剖析BJT的内部结构,区分NPN型和PNP型晶体管,并详细讲解其工作原理。 BJT的三个工作区域: 截止区: 在此区域,晶体管相当于一个开路,几乎没有电流流过,适用于开关应用。我们将解释其截止条件,通常是基极电流远小于某个阈值。 放大区: 这是BJT的主要工作区域,基极电流的微小变化能够引起集电极电流的显著变化,从而实现信号放大。我们将讲解其输出特性曲线,重点分析集电极电流(Ic)与基极电流(Ib)之间的线性关系(Ic = βIb),以及集电极电压(Vc)对Ic的影响(早期型号中存在,现代型号中影响较小)。 饱和区: 在此区域,晶体管相当于一个闭合的开关,集电极电流达到最大值,不再随基极电流的增加而增加。我们将分析饱和条件,这对于设计开关电路至关重要。 BJT的输入、输出及转移特性曲线: 我们将绘制并分析BJT的输入特性曲线(Ib-Vbe)、输出特性曲线(Ic-Vce)和转移特性曲线(Ic-Ib)。这些曲线直观地展现了BJT的电学行为,是进行电路分析和设计的重要依据。 BJT的等效电路模型: 为了简化电路分析,我们需要引入晶体管的等效电路模型。本章将介绍两种主要的等效电路模型: 小信号低频等效电路: 以gm和rπ(输入电阻)为核心,用于分析放大电路中的信号放大性能。 混合-π模型: 考虑了少数载流子复合和电容效应,是更精确的低频模型。 第三章 BJT放大电路分析与设计 掌握了BJT的基本原理,本章将重点探讨如何利用BJT构建各种放大电路,实现对微弱信号的放大。 基本放大电路类型: 共发射极放大电路: 这是最基本、放大能力最强的放大电路。我们将详细分析其静态工作点(Q点)的设定,包括偏置电路的设计,以保证晶体管工作在放大区。接着,我们将推导其电压增益、输入阻抗和输出阻抗。 共集电极(射极输出)放大电路: 这种电路具有较高的输入阻抗和较低的输出阻抗,常用于阻抗匹配。我们将分析其电压增益接近于1的特点,并讲解其在缓冲器中的应用。 共基极放大电路: 这种电路具有较低的输入阻抗和较高的输出阻抗,适用于高频场合。我们将分析其电压增益,并讲解其特点。 多级放大电路: 简单放大电路的增益和性能可能不足以满足实际需求,因此需要将多个放大级联起来。本章将介绍多级放大电路的串联方式,以及级联后总增益、输入阻抗和输出阻抗的变化。 反馈在放大电路中的应用: 反馈技术能够显著改善放大电路的性能,如提高稳定性、展宽频率响应、降低失真等。本章将介绍负反馈的几种基本组态(电压串联、电流串联、电压并联、电流并联),并分析它们对放大电路性能的影响。 第四章 场效应晶体管(FET)工作原理与特性 与BJT不同,场效应晶体管(FET)利用电场效应来控制沟道中的载流子导电。本章将介绍两种主要的FET类型:结型场效应晶体管(JFET)和绝缘栅型场效应晶体管(MOSFET)。 结型场效应晶体管(JFET): 结构与类型: JFET根据沟道类型可分为N沟道和P沟道,根据掺杂方式可分为耗尽型和增强型(虽然实际较少)。我们将讲解其栅区、沟道、源极和漏极的结构。 工作原理: 重点讲解通过改变栅源电压(Vgs)来控制漏极与源极之间的沟道宽度,从而控制漏极电流(Id)。我们将分析其三种工作状态:截止区、夹断区和线性区(欧姆区)。 特性曲线: 绘制并分析JFET的输入特性(Id-Vgs)和输出特性(Id-Vds)曲线,并解释夹断电压(Vp)和饱和漏极电流(Idss)等关键参数。 JFET等效电路模型: 介绍JFET的小信号等效电路,包含跨导(gm)和输出电阻(ro)。 绝缘栅型场效应晶体管(MOSFET): 结构与类型: MOSFET是最常用的一种FET,由于其栅极与沟道之间有绝缘层(通常是二氧化硅),因此具有极高的输入阻抗。我们将区分增强型MOSFET(NMOS和PMOS)和耗尽型MOSFET。 工作原理: 重点讲解通过栅极电压(Vgs)在绝缘层下方感应出或耗尽载流子,形成或改变导电沟道。对于增强型MOSFET,Vgs必须达到阈值电压(Vt)以上才能导通。 特性曲线: 分析MOSFET的输出特性曲线,区分其截止区、线性区(欧姆区)和饱和区。 MOSFET等效电路模型: 介绍MOSFET的小信号等效电路,包含跨导(gm)和输出电阻(ro)。 第五章 FET放大电路分析与设计 本章将探讨如何利用FET构建各种放大电路,与BJT放大电路的设计思路有相似之处,但也有其独特性。 基本放大电路类型: 共源极放大电路: 类似于BJT的共发射极放大电路,这是FET最常用的放大电路。我们将分析其静态工作点设定、电压增益、输入阻抗和输出阻抗。由于FET极高的输入阻抗,其输入阻抗通常远高于BJT电路。 共漏极(源极输出)放大电路: 类似于BJT的共集电极放大电路,具有高输入阻抗和低输出阻抗,常用于缓冲器。 共栅极放大电路: 类似于BJT的共基极放大电路,具有较低的输入阻抗和较高的输出阻抗,适用于高频应用。 自偏置电路与分压偏置电路: 介绍两种常用的FET偏置电路,并分析它们的优缺点。 MOSFET开关电路: MOSFET因其优异的开关特性,在数字电路和电源管理领域得到广泛应用。本章将讲解MOSFET作为开关的工作原理,以及驱动电路的设计。 第六章 晶体管在实际应用中的初步探索 在掌握了晶体管的基本工作原理和放大电路设计后,本章将引导读者将其应用于一些经典的实际电子电路中。 稳压电路: 介绍如何利用稳压管和晶体管构建简单的线性稳压器,以提供稳定的直流电压。 振荡电路: 简要介绍RC振荡电路和LC振荡电路的基本原理,以及晶体管在其中如何起到放大和反馈作用。 滤波器电路: 介绍RC滤波器和RL滤波器,以及晶体管作为有源元件如何增强滤波器的性能。 数字逻辑门电路(初步): 简要介绍利用晶体管(尤其是MOSFET)构建基本的逻辑门(如NOT门、NAND门、NOR门)的原理,为后续学习数字电子电路打下基础。 第七章 晶体管的高频特性与应用简介 随着电子设备向高速化发展,晶体管的高频性能变得尤为重要。本章将对晶体管的高频特性进行初步探讨。 高频寄生参数: 介绍晶体管内部存在的寄生电容(如Cbe, Cbc, Cgs, Cgd)和寄生电感,以及它们对高频信号传输的影响。 频率响应: 分析晶体管放大电路的频率响应曲线,解释高频下增益下降的原因,以及引入结电容时的影响。 fT和fmax: 定义并解释特征频率fT(单位增益频率)和最大振荡频率fmax,这些是衡量晶体管高频性能的重要指标。 高频放大器设计简介: 简要介绍为克服高频效应而需要考虑的设计因素,例如阻抗匹配和寄生参数的补偿。 八、 实践环节与附录 本书的每一章节都配有大量的例题解析,覆盖了从基本概念到电路设计的各个方面。同时,书的最后还包含一些推荐的实验项目,鼓励读者动手实践,例如: 搭建简单的BJT共发射极放大电路,测量其电压增益。 使用万用表测量BJT和MOSFET的静态参数。 搭建JFET作为开关的简单电路。 利用Protel/Altium Designer或LTspice等EDA工具进行电路仿真,验证理论计算结果。 附录部分将提供常用的晶体管型号参数表,以及一些重要的物理常数和单位换算,方便读者查阅。 九、 学习建议 本书的学习需要循序渐进。建议读者在阅读过程中,务必理解每个章节的核心概念,并尝试独立完成书中的例题。动手实践是掌握晶体管知识的最佳途径,鼓励读者积极进行实验和仿真。对于有一定基础的读者,可以结合实际的电子产品拆解,观察晶体管的应用,加深理解。 《晶体管电子学基础与实践》 旨在为读者构建扎实的晶体管理论基础,并引导其将理论知识转化为实际的电路设计能力,从而更好地理解和应用各种电子设备。