編輯推薦
本書為與湖南鐵道職業技術學院戰略閤作教材,該校為全國示範性高職院校。該書在學校使用多年的校本教材的基礎上編寫而成,內容成熟,體例結構閤理,有一定的創新性。
內容簡介
本書是在湖南鐵道職業技術學院《數字電子電路的分析與應用》課程多年改革與實施的基礎上編寫的。本書以理論知識、驗證性實驗、項目製作為主綫,突齣對學生數字電子電路分析與應用能力的培養,同時方便組織教學實施。主要內容有:邏輯代數基礎、門電路及其應用、組閤邏輯電路及其應用、觸發器及其應用、集成555定時器及其應用、時序邏輯電路及其應用及模/數、數/模轉換器及其應用。
作者簡介
謝永超, 湖南鐵道職業技術學院鐵道供電與電氣學院教研室副主任,主持數字電子電路課程建設,長期從事該課程的教學工作,有豐富的教學經驗。
內頁插圖
目錄
第一章 邏輯代數基礎 7
1.1 數字電子電路的基本知識 7
1.1.1 數字信號和模擬信號 7
1.1.2 數字電路的基本概念 7
1.1.3 數製和碼製 8
1.1.4 算術運算和邏輯運算 11
1.2 邏輯代數中的三種基本運算 11
1.3 邏輯代數法則 13
1.3.1 邏輯代數的基本規則和定律 13
1.3.2 邏輯代數的基本定理 15
1.4 邏輯函數及錶示方法 16
1.4.1 邏輯函數的定義 16
1.4.2 邏輯函數的錶示方法 17
1.4.3 邏輯函數錶示方法之間的互換 18
1.5 邏輯函數的公式法化簡 20
1.5.1 邏輯函數的最簡錶達式 21
1.5.2 常用的公式法化簡舉例 21
1.6 邏輯函數的卡諾圖化簡 22
1.6.1 邏輯函數的卡諾圖錶示法 22
1.6.2 用卡諾圖化簡邏輯函數 24
1.6.3 具有無關項的邏輯函數及其化簡 26
本章小結 27
習題 28
第二章 門電路及其應用 30
2.1 邏輯門電路概述 30
2.2 半導體元器件的開關特性 31
2.2.1 二極管的開關特性 31
2.2.2 晶體管的開關特性 31
2.2.3 MOS管的開關特性 32
2.3 分立元件邏輯門電路 32
2.3.1 三種最簡單的與、或、非門電路 32
2.3.2 五種常用的復閤邏輯及其門電路 34
2.4集成邏輯門電路 37
2.4.1 常用的TTL與CMOS集成邏輯門電路芯片 37
2.4.2 TTL與CMOS集成邏輯門使用注意事項 42
2.4.3 不同類型門電路的接口問題 43
2.4.4 TTL與CMOS集成電路性能比較 44
2.4.5 門電路應用舉例 44
2.5 實驗一:集成門電路功能的測試與轉換 46
2.5.1實驗目的 46
2.5.2實驗箱技術與知識 47
2.5.3實驗儀器和芯片 48
2.5.4實驗內容及步驟 48
2.5.5實驗總結 50
2.6 項目一:聲光控製開關電路的製作與調試 50
2.6.1 項目概述 50
2.6.2聲光控製開關電路的工作原理 51
2.6.3聲光控製開關電路的調試 52
本章小結 54
習題 55
第三章 組閤邏輯電路及其應用 58
3.1 組閤邏輯電路概述 58
3.1.1組閤邏輯電路的特點 58
3.1.2 組閤邏輯電路的功能描述 58
3.2 組閤邏輯電路的分析 59
3.2.1 組閤邏輯電路的分析方法 59
3.2.2組閤邏輯電路的分析舉例 59
3.3 組閤邏輯電路的設計 61
3.3.1 組閤邏輯電路的設計方法 61
3.3.1 組閤邏輯電路的設計舉例 61
3.4 常用的組閤邏輯電路 63
3.4.1 編碼器和譯碼器 63
3.4.2 半加器和全加器 70
3.4.3 數據分配器和數據選擇器 72
3.5 實驗二:組閤邏輯電路的設計與測試 74
3.5.1 實驗目的 74
3.5.2實驗設備與器件 75
3.5.3 實驗內容與步驟 75
3.6 實驗三:集成編碼器、譯碼器的邏輯功能測試及應用 80
3.6.1 實驗目的 80
3.6.2實驗設備與器件 80
3.6.3 實驗內容與步驟 80
3.7 項目二:邏輯筆的設計與製作調試 82
3.7.1項目描述 82
3.7.2項目電路原理分析與顯示部分設計 82
3.7.3項目電路測試 83
本章小結 84
習題三 84
第四章 觸發器及其應用 89
4.1 觸發器概述 89
4.2 觸發器的基本形式(電平觸發型的觸發器) 89
4.2.1 基本RS觸發器 89
4.2.2 同步RS觸發器 91
4.2.3 D觸發器 93
4.2.4 JK觸發器 95
4.2.5 T觸發器 97
4.2.6 Tˊ觸發器 97
4.2.7 基本觸發器的特點 98
4.3 邊沿觸發型的觸發器 98
4.3.1邊沿JK觸發器 98
4.3.2.常見的集成邊沿觸發器 99
4.4 主從觸發器 102
4.4.1 主從RS觸發器 102
4.4.2 主從JK觸發器 102
4.5 觸發器邏輯功能的轉換 104
4.6 實驗四:觸發器邏輯功能的測試與轉換 105
4.6.1 實驗目的 105
4.6.2實驗設備與器件 105
2.5.3實驗儀器和芯片 106
4.6.4實驗內容及步驟 106
4.7 觸發器的應用 109
4.8 項目三:四路搶答器的製作與調試 111
4.8.1 項目概述 111
4.8.2四路搶答器電路的工作原理 111
4.8.3 四路搶答器電路的調試 111
本章小結 112
習題 112
第五章 集成555定時器及其應用 114
5.1 集成555定時器概述 114
5.1.1 555定時器的電路結構和工作原理 114
5.1.2 555定時器的邏輯功能 116
5.2 施密特觸發器 116
5.2.1 施密特觸發器的電路結構 116
5.2.2 施密特觸發器的工作原理 116
5.2.3 施密特觸發器的應用 118
5.3 單穩態觸發器 119
5.2.1單穩態觸發器的電路結構 119
5.2.2單穩態觸發器的工作原理 119
5.2.3單穩態觸發器的應用 120
5.4 多諧振蕩器 121
5.2.1多諧振蕩器的電路結構 121
5.2.2多諧振蕩器的工作原理 122
5.2.3多諧振蕩器的應用 123
5.2.4石英晶體振蕩器�� 124
5.5 實驗五:555定時器應用電路的測試 124
5.5.1實驗目的 124
5.5.2實驗技術與知識 124
5.5.3實驗儀器與芯片 125
5.5.4實驗內容及步驟 125
5.5.4實驗總結 127
5.6 項目四:雙路報警器的製作與調試 128
5.6.1 項目概述 128
5.6.2雙路報警器電路的工作原理 129
5.6.3 雙路報警器電路的調試 129
本章小結 130
習題 131
第六章 時序邏輯電路及其應用 133
6.1 時序邏輯電路概述 133
6.2 時序邏輯電路的分析 134
6.2.1 時序邏輯電路的分析方法 134
6.2.2 時序邏輯電路分析舉例 135
6.3 時序邏輯電路的設計 138
6.2.1 時序邏輯電路的設計步驟 138
6.2.2 時序邏輯電路分析舉例 138
6.4 計數器 138
6.4.1 計數器的分類 138
6.4.2 二進製計數器 138
6.4.3 十進製計數器 140
6.5 集成計數器及其應用 142
6.5.1集成十進製同步雙計數器CD4518 142
6.5.2集成十進製異步計數器74LS90 143
6.5.3 4位二進製同步集成加法計數器74LS161/163 144
6.5.4 4位集成二進製同步可逆計數器 145
6.5.5集成十進製加減計數/譯碼/鎖存/驅動器CC40110 145
6.5.6 利用集成計數器構成N進製計數器 146
6.6 實驗六;計數器的測試與應用 147
6.6.1實驗目的 147
6.6.2實驗技術與設備 147
6.2.3實驗儀器與芯片 150
6.2.4實驗內容和步驟 150
6.6.5實驗總結 155
6.7 寄存器與存儲器 155
6.7.1寄存器 155
6.7.2存儲器 159
6.8 項目五:測頻儀的製作與調試 166
6.8.1 項目概述 166
6.8.2測頻儀電路的工作原理 167
6.8.3 測頻儀電路的調試 168
本章小結 171
習題 171
第七章 模/數、數/模轉換器及其應用 175
7.1模/數、數/模轉換器的概述 175
7.2 A/D轉換基本原理 175
7.3 A/D轉換器的原理與主要性能指標 178
7.3 .1 A/D轉換器的原理 179
7.3 .2 A/D轉換器的主要性能指標 182
7.4 D/A轉換器原理和主要性能指標 184
7.4 .1 D/ A轉換器的原理 184
7.4.2 D/A轉換器的主要性能指標 189
7.5集成A/D、D/A轉換器芯片介紹及其應用 191
7.5.1集成A/D轉換器芯片介紹及其應用 191
7.5.2集成D/A轉換器芯片介紹及其應用 194
7.6 實驗七、ADC0804CN芯片的應用實驗 197
7.6.1 實驗目的 197
7.6.2實驗設備與器件 197
7.6.3 實驗內容與步驟 197
7.6.4 試驗總結 198
7.7項目六:數顯溫度測試儀電路的製作與調試 199
7.7.1 項目描述 199
7.7.2 項目電路及原理分析 199
7.7.3 項目製作與調試 200
7.7.4 項目總結 200
本章小結 201
習題 201
附 錄 Multisim軟件介紹及應用實例 202
8.1 仿真的意義 202
8. 2 Multisim仿真軟件介紹 202
8.3 Multisim的基本界麵 203
8.3.1 Multisim的主窗口 203
8.3.2 Multisim的菜單軟件 203
8.4 門電路仿真實例 206
8.4.1 74LS00D集成邏輯門傳輸特性仿真測試 206
8.4.2與非門74LS00N的邏輯功能測試仿真 207
8.4.3仿
前言/序言
《晶體管電子學基礎與實踐》 一、 內容概要 《晶體管電子學基礎與實踐》是一本麵嚮電子工程、通信工程、自動化等相關專業本科生以及電子愛好者編寫的教材。本書旨在係統地講解晶體管的基本工作原理、特性參數、等效電路模型,並深入探討各種晶體管(如雙極結型晶體管BJT、結型場效應晶體管JFET、絕緣柵型場效應晶體管MOSFET)在不同工作狀態下的放大、開關等基本應用。本書強調理論與實踐相結閤,在講解核心概念的同時,穿插瞭大量的電路分析示例和實際應用案例,幫助讀者理解晶體管在現代電子係統中的關鍵作用。 二、 核心章節內容詳解 第一章 晶體管概述與基本概念 本章將為讀者搭建起理解晶體管世界的基石。首先,我們會迴顧半導體材料的基本性質,簡要介紹P型和N型半導體的形成及其載流子特性。接著,引入PN結的概念,闡述其單嚮導電性以及在正嚮偏置和反嚮偏置下的行為,為理解晶體管的工作原理奠定基礎。 隨後,我們將正式介紹晶體管這一核心電子元器件。晶體管的齣現是電子技術史上的一次飛躍,它實現瞭信號的放大和開關控製,為電子集成電路的發展提供瞭可能。我們將從晶體管的物理結構齣發,介紹其內部構成,包括發射區、基區、集電區(對於BJT)或源區、柵區、漏區(對於FET)。 本章還將定義和解釋晶體管的幾個關鍵參數,例如: BJT類: 擊穿電壓、最大允許功耗、直流電流增益(β)、跨導(gm)、輸入電阻、輸齣電阻等。 FET類: 閾值電壓(Vt)、漏極電流(Id)、跨導(gm)、柵漏電容、輸入電阻等。 這些參數是分析和設計晶體管電路的基礎。理解這些參數的物理意義和它們如何影響晶體管的性能至關重要。 第二章 雙極結型晶體管(BJT)的工作原理與特性 本章將聚焦於最早也是最廣泛應用的晶體管類型——雙極結型晶體管(BJT)。我們將深入剖析BJT的內部結構,區分NPN型和PNP型晶體管,並詳細講解其工作原理。 BJT的三個工作區域: 截止區: 在此區域,晶體管相當於一個開路,幾乎沒有電流流過,適用於開關應用。我們將解釋其截止條件,通常是基極電流遠小於某個閾值。 放大區: 這是BJT的主要工作區域,基極電流的微小變化能夠引起集電極電流的顯著變化,從而實現信號放大。我們將講解其輸齣特性麯綫,重點分析集電極電流(Ic)與基極電流(Ib)之間的綫性關係(Ic = βIb),以及集電極電壓(Vc)對Ic的影響(早期型號中存在,現代型號中影響較小)。 飽和區: 在此區域,晶體管相當於一個閉閤的開關,集電極電流達到最大值,不再隨基極電流的增加而增加。我們將分析飽和條件,這對於設計開關電路至關重要。 BJT的輸入、輸齣及轉移特性麯綫: 我們將繪製並分析BJT的輸入特性麯綫(Ib-Vbe)、輸齣特性麯綫(Ic-Vce)和轉移特性麯綫(Ic-Ib)。這些麯綫直觀地展現瞭BJT的電學行為,是進行電路分析和設計的重要依據。 BJT的等效電路模型: 為瞭簡化電路分析,我們需要引入晶體管的等效電路模型。本章將介紹兩種主要的等效電路模型: 小信號低頻等效電路: 以gm和rπ(輸入電阻)為核心,用於分析放大電路中的信號放大性能。 混閤-π模型: 考慮瞭少數載流子復閤和電容效應,是更精確的低頻模型。 第三章 BJT放大電路分析與設計 掌握瞭BJT的基本原理,本章將重點探討如何利用BJT構建各種放大電路,實現對微弱信號的放大。 基本放大電路類型: 共發射極放大電路: 這是最基本、放大能力最強的放大電路。我們將詳細分析其靜態工作點(Q點)的設定,包括偏置電路的設計,以保證晶體管工作在放大區。接著,我們將推導其電壓增益、輸入阻抗和輸齣阻抗。 共集電極(射極輸齣)放大電路: 這種電路具有較高的輸入阻抗和較低的輸齣阻抗,常用於阻抗匹配。我們將分析其電壓增益接近於1的特點,並講解其在緩衝器中的應用。 共基極放大電路: 這種電路具有較低的輸入阻抗和較高的輸齣阻抗,適用於高頻場閤。我們將分析其電壓增益,並講解其特點。 多級放大電路: 簡單放大電路的增益和性能可能不足以滿足實際需求,因此需要將多個放大級聯起來。本章將介紹多級放大電路的串聯方式,以及級聯後總增益、輸入阻抗和輸齣阻抗的變化。 反饋在放大電路中的應用: 反饋技術能夠顯著改善放大電路的性能,如提高穩定性、展寬頻率響應、降低失真等。本章將介紹負反饋的幾種基本組態(電壓串聯、電流串聯、電壓並聯、電流並聯),並分析它們對放大電路性能的影響。 第四章 場效應晶體管(FET)工作原理與特性 與BJT不同,場效應晶體管(FET)利用電場效應來控製溝道中的載流子導電。本章將介紹兩種主要的FET類型:結型場效應晶體管(JFET)和絕緣柵型場效應晶體管(MOSFET)。 結型場效應晶體管(JFET): 結構與類型: JFET根據溝道類型可分為N溝道和P溝道,根據摻雜方式可分為耗盡型和增強型(雖然實際較少)。我們將講解其柵區、溝道、源極和漏極的結構。 工作原理: 重點講解通過改變柵源電壓(Vgs)來控製漏極與源極之間的溝道寬度,從而控製漏極電流(Id)。我們將分析其三種工作狀態:截止區、夾斷區和綫性區(歐姆區)。 特性麯綫: 繪製並分析JFET的輸入特性(Id-Vgs)和輸齣特性(Id-Vds)麯綫,並解釋夾斷電壓(Vp)和飽和漏極電流(Idss)等關鍵參數。 JFET等效電路模型: 介紹JFET的小信號等效電路,包含跨導(gm)和輸齣電阻(ro)。 絕緣柵型場效應晶體管(MOSFET): 結構與類型: MOSFET是最常用的一種FET,由於其柵極與溝道之間有絕緣層(通常是二氧化矽),因此具有極高的輸入阻抗。我們將區分增強型MOSFET(NMOS和PMOS)和耗盡型MOSFET。 工作原理: 重點講解通過柵極電壓(Vgs)在絕緣層下方感應齣或耗盡載流子,形成或改變導電溝道。對於增強型MOSFET,Vgs必須達到閾值電壓(Vt)以上纔能導通。 特性麯綫: 分析MOSFET的輸齣特性麯綫,區分其截止區、綫性區(歐姆區)和飽和區。 MOSFET等效電路模型: 介紹MOSFET的小信號等效電路,包含跨導(gm)和輸齣電阻(ro)。 第五章 FET放大電路分析與設計 本章將探討如何利用FET構建各種放大電路,與BJT放大電路的設計思路有相似之處,但也有其獨特性。 基本放大電路類型: 共源極放大電路: 類似於BJT的共發射極放大電路,這是FET最常用的放大電路。我們將分析其靜態工作點設定、電壓增益、輸入阻抗和輸齣阻抗。由於FET極高的輸入阻抗,其輸入阻抗通常遠高於BJT電路。 共漏極(源極輸齣)放大電路: 類似於BJT的共集電極放大電路,具有高輸入阻抗和低輸齣阻抗,常用於緩衝器。 共柵極放大電路: 類似於BJT的共基極放大電路,具有較低的輸入阻抗和較高的輸齣阻抗,適用於高頻應用。 自偏置電路與分壓偏置電路: 介紹兩種常用的FET偏置電路,並分析它們的優缺點。 MOSFET開關電路: MOSFET因其優異的開關特性,在數字電路和電源管理領域得到廣泛應用。本章將講解MOSFET作為開關的工作原理,以及驅動電路的設計。 第六章 晶體管在實際應用中的初步探索 在掌握瞭晶體管的基本工作原理和放大電路設計後,本章將引導讀者將其應用於一些經典的實際電子電路中。 穩壓電路: 介紹如何利用穩壓管和晶體管構建簡單的綫性穩壓器,以提供穩定的直流電壓。 振蕩電路: 簡要介紹RC振蕩電路和LC振蕩電路的基本原理,以及晶體管在其中如何起到放大和反饋作用。 濾波器電路: 介紹RC濾波器和RL濾波器,以及晶體管作為有源元件如何增強濾波器的性能。 數字邏輯門電路(初步): 簡要介紹利用晶體管(尤其是MOSFET)構建基本的邏輯門(如NOT門、NAND門、NOR門)的原理,為後續學習數字電子電路打下基礎。 第七章 晶體管的高頻特性與應用簡介 隨著電子設備嚮高速化發展,晶體管的高頻性能變得尤為重要。本章將對晶體管的高頻特性進行初步探討。 高頻寄生參數: 介紹晶體管內部存在的寄生電容(如Cbe, Cbc, Cgs, Cgd)和寄生電感,以及它們對高頻信號傳輸的影響。 頻率響應: 分析晶體管放大電路的頻率響應麯綫,解釋高頻下增益下降的原因,以及引入結電容時的影響。 fT和fmax: 定義並解釋特徵頻率fT(單位增益頻率)和最大振蕩頻率fmax,這些是衡量晶體管高頻性能的重要指標。 高頻放大器設計簡介: 簡要介紹為剋服高頻效應而需要考慮的設計因素,例如阻抗匹配和寄生參數的補償。 八、 實踐環節與附錄 本書的每一章節都配有大量的例題解析,覆蓋瞭從基本概念到電路設計的各個方麵。同時,書的最後還包含一些推薦的實驗項目,鼓勵讀者動手實踐,例如: 搭建簡單的BJT共發射極放大電路,測量其電壓增益。 使用萬用錶測量BJT和MOSFET的靜態參數。 搭建JFET作為開關的簡單電路。 利用Protel/Altium Designer或LTspice等EDA工具進行電路仿真,驗證理論計算結果。 附錄部分將提供常用的晶體管型號參數錶,以及一些重要的物理常數和單位換算,方便讀者查閱。 九、 學習建議 本書的學習需要循序漸進。建議讀者在閱讀過程中,務必理解每個章節的核心概念,並嘗試獨立完成書中的例題。動手實踐是掌握晶體管知識的最佳途徑,鼓勵讀者積極進行實驗和仿真。對於有一定基礎的讀者,可以結閤實際的電子産品拆解,觀察晶體管的應用,加深理解。 《晶體管電子學基礎與實踐》 旨在為讀者構建紮實的晶體管理論基礎,並引導其將理論知識轉化為實際的電路設計能力,從而更好地理解和應用各種電子設備。