上篇 模拟部分
第1章 半导体器件 1
1.1 半导体基础知识 1
半导体器件（semiconductor device）通常，这些半导体材料是硅、锗或砷化镓，可用作整流器、振荡器、发光器、放大器、测光器等器材。为了与集成电路相区别，有时也称为分立器件。
绝大部分二端器件（即晶体二极管）的基本结构是一个PN结。利用不同的半导体材料、采用不同的工艺和几何结构，已研制出种类繁多、功能用途各异的多种晶体二极，可用来产生、控制、接收、变换、放大信 号和进行能量转换。晶体二极管的频率覆盖范围可从低频、高频、微波、毫米波、红外直至光波。三端器件一 般是有源器件，典型代表是各种晶体管（又称晶体三极管）。晶体管又可以分为双极型晶体管和场效应晶体管两 类。根据用途的不同，晶体管可分为功率晶体管微波晶体管和低噪声晶体管。除了作为放大、振荡、开关用的 一般晶体管外，还有一些特殊用途的晶体管，如光晶体管、磁敏晶体管，场效应传感器等。这些器件既能把一些 环境因素的信息转换为电信号，又有一般晶体管的放大作用得到较大的输出信号。此外，还有一些特殊器件，如单结晶体管可用于产生锯齿波，可控硅可用于各种大电流的控制电路，电荷耦合器件可用作摄橡器件或信息存 储器件等。在通信和雷达等军事装备中，主要靠高灵敏度、低噪声的半导体接收器件接收微弱信号。随着微波 通信技术的迅速发展，微波半导件低噪声器件发展很快，工作频率不断提高，而噪声系数不断下降。微波半导体 器件由于性能优异、体积小、重量轻和功耗低等特性，在防空反导、电子战、C（U3）I等系统中已得到广泛的应用 。
1.1.1 本征半导体 1
本征半导体（intrinsic semiconductor)
完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。实际半导体不能绝对地纯净，本征半导体一般是指导电主要由材料的本征激发决定的纯净半导体。更通俗地讲，完全纯净的半导体称为本征半导体或I型半导体。硅和锗都是四价元素，其原子核最外层有四个价电子。它们都是由同一种原子构成的“单晶体”，属于本征半导体。
在绝对零度温度下，半导体的价带（valence band）是满带（见能带理论），受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带（forbidden band/band gap）进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带（conduction band），价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴（hole），导带中的电子和价带中的空穴合称为电子－空穴对。上述产生的电子和空穴均能自由移动，成为自由载流子（free carrier），它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子－空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，使电子－空穴对消失，称为复合（recombination）。复合时产生的能量以电磁辐射（发射光子photon）或晶格热振动（发射声子phonon）的形式释放。在一定温度下，电子－空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时本征半导体具有一定的载流子浓度，从而具有一定的电导率。加热或光照会使半导体发生热激发或光激发，从而产生更多的电子－空穴对，这时载流子浓度增加，电导率增加。半导体热敏电阻和光敏电阻等半导体器件就是根据此原理制成的。常温下本征半导体的电导率较小，载流子浓度对温度变化敏感，所以很难对半导体特性进行控制，因此实际应用不多。
本征半导体特点：电子浓度=空穴浓度
缺点：载流子少，导电性差，温度稳定性差！
1.1.2 本征激发和两种载流子 2
1.1.3 杂质半导体 2
定义
在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。制备杂质半导体时一般按百万分之一数量级的比例在本征半导体中掺杂。
基本原理
半导体中的杂质对电导率的影响非常大，本征半导体经过掺杂就形成杂质半导体，一般可分为N型半导体和P型半导体。
半导体中掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产生附加的杂质能级。能提供电子载流子的杂质称为施主(Donor)杂质，相应能级称为施主能级，位于禁带上方靠近导带底附近。例如四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时，杂质原子作为晶格的一分子，其五个价电子中有四个与周围的锗（或硅）原子形成共价键，多余的一个电子被束缚于杂质原子附近，产生类氢浅能级—施主能级。施主能级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带激发到导带所需能量小得多，很易激发到导带成为电子载流子，因此对于掺入施主杂质的半导体，导电载流子主要是被激发到导带中的电子，属电子导电型，称为N型半导体。由于半导体中总是存在本征激发的电子空穴对，所以在n型半导体中电子是多数载流子，空穴是少数载流子。
相应地，能提供空穴载流子的杂质称为受主(Acceptor)杂质，相应能级称为受主能级，位于禁带下方靠近价带顶附近。例如在锗或硅晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时，杂质原子与周围四个锗（或硅）原子形成共价结合时尚缺少一个电子，因而存在一个空位，与此空位相应的能量状态就是受主能级。由于受主能级靠近价带顶，价带中的电子很容易激发到受主能级上填补这个空位，使受主杂质原子成为负电中心。同时价带中由于电离出一个电子而留下一个空位，形成自由的空穴载流子，这一过程所需电离能比本征半导体情形下产生电子空穴对要小得多。因此这时空穴是多数载流子，杂质半导体主要靠空穴导电，即空穴导电型，称为p型半导体。在P型半导体中空穴是多数载流子，电子是少数载流子。在半导体器件的各种效应中，少数载流子常扮演重要角色。
1.1.4 PN结 4
PN结（PN junction）。采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。PN结具有单向导电性。P是positive的缩写，N是negative的缩写，表明正荷子与负荷子起作用的特点。一块单晶半导体中 ，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时 ，P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。PN结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料制成的 PN 结叫同质结 ，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。
1.2 二极管 7
二极管又称晶体二极管,简称二极管(diode)，另外，还有早期的真空电子二极管；它是一种具有单向传导电流的电子器件。在半导体二极管内部有一个PN结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向电流的转导性。一般来讲，晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体烧结形成的p-n结界面。在其界面的两侧形成空间电荷层，构成自建电场。当外加电压等于零时，由于p-n 结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，这也是常态下的二极管特性。
1.2.1 二极管的几种常见结构 7
1.2.2 二极管的伏-安特性 7
1.2.3 二极管的主要参数 8
1.2.4 二极管极性的简易判别法 8
1.2.5 二极管的等效电路 9
*1.3 二极管的基本应用电路 9
1.3.1 二极管整流电路 9
1.3.2 桥式整流电路 10
1.3.3 倍压整流电路 11
1.3.4 限幅电路 12
1.3.5 与门电路 12
*1.4 稳压管 13
稳压二极管（又叫齐纳二极管）,此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。
1.4.1 稳压管的结构和特性曲线 13
1.4.2 稳压管的主要参数 14
1.5 其他类型的二极管 15
1.5.1 发光二极管 15
1.5.2 光电二极管 16
1.6 三极管 16
半导体三极管又称“晶体三极管”或“晶体管”。在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结，组成一个PNP（或NPN）结构。中间的N区（或P区）叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极B、发射极E和集电极C，是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。
1.6.1 三极管的结构及类型 16
1.6.2 三极管的电流放大作用 17
1.6.3 三极管的共射特性曲线 19
1.6.4 三极管的主要参数 21
1.7 场效应管 23
场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高（10^8～10^9Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。
1.7.1 结型场效应管的类型和构造 23
1.7.2 绝缘栅型场效应管的类型和构造 26
1.7.3 场效应管的主要参数 30
本章小结 31
习题 31
第2章 基本放大电路 34
2.1 共发射极放大电路 34
2.1.1 电路的组成 34
2.1.2 放大电路的直流通路和交流通路 35
2.1.3 共发射极电路图解分析法 35
2.1.4 微变等效电路分析法 39
2.2 放大电路的分析 44
2.2.1 稳定工作点的必要性 44
2.2.2 工作点稳定的典型电路 44
2.2.3 复合管放大电路 47
2.3 共集电极电压放大器 48
2.4 共基极电压放大器 50
2.5 多级放大器 51
2.5.1 阻容耦合电压放大器 52
*2.5.2 共射-共基放大器 53
2.5.3 直接耦合电压放大器 55
2.6 差动放大器 57
2.6.1 电路组成 57
2.6.2 静态分析 59
2.6.3 动态分析 59
2.6.4 差动放大器输入、输出的4种组态 61
2.7 放大器的频响特性 64
2.7.1 三极管高频等效模型 64
2.7.2 三极管电流放大倍数的频率响应 66
2.7.3 单管共射放大电路的频响特性 68
2.8 场效应管基本放大电路 74
2.8.1 电路的组成 74
2.8.2 场效应管与三极管的比较 77
2.9 功率放大电路 77
2.9.1 概述 77
2.9.2 甲类功率放大电路 78
2.9.3 乙类推挽功率放大电路 79
本章小结 81
习题 82
第3章 集成运算放大器 89
3.1 概述 89
集成运算放大器（Integrated Operational Amplifier）简称集成运放，是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。它的增益高（可达60~180dB），输入电阻大（几十千欧至百万兆欧），输出电阻低（几十欧），共模抑制比高（60~170dB），失调与飘移小，而且还具有输入电压为零时输出电压亦为零的特点，适用于正，负两种极性信号的输入和输出。
模拟集成电路一般是由一块厚约0.2~0.25mm的P型硅片制成，这种硅片是集成电路的基片。基片上可以做出包含有数十个或更多的BJT或FET、电阻和连接导线的电路。
运算放大器除具有+、-输入端和输出端外，还有+、-电源供电端、外接补偿电路端、调零端、相位补偿端、公共接地端及其他附加端等。它的闭环放大倍数取决于外接反馈电阻，这给使用带来很大方便。
3.1.1 集成运放电路的特点 89
3.1.2 集成运放电路的组成框图 89
3.2 电流源电路 90
3.2.1 基本电流源电路 91
*3.2.2 以电流源为有源负载的放大器 92
3.3 集成运放原理电路和理想运放的参数 92
3.3.1 集成运放原理电路分析 92
3.3.2 集成运放的主要参数 93
3.4 理想集成运放的参数和工作区 94
3.4.1 理想运放的性能指标 95
3.4.2 理想运放在不同工作区的特征 95
3.5 基本运算电路 96
3.5.1 比例运算电路 97
3.5.2 加减运算电路 100
3.5.3 积分和微分运算电路 103
3.5.4 对数和指数(反对数)运算电路 104
本章小结 105
习题 106
第4章 正弦波振荡电路 111
4.1 概述 111
4.2 正弦波振荡电路的基本原理 111
4.2.1 正弦波振荡电路的振荡条件 111
4.2.2 振荡电路的基本组成、分类及分析方法 113
4.3 LC振荡电路 113
4.3.1 互感耦合振荡电路 114
4.3.2 三点式振荡电路 114
4.4 RC振荡电路 116
4.4.1 RC相移振荡电路 116
4.4.2 文氏桥振荡电路 117
4.5 石英晶体振荡电路 118
本章小结 120
习题 121
下篇 数字部分
第5章 数字逻辑基础 122
用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路，或数字系统。由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。现代的数字电路由半导体工艺制成的若干数字集成器件构造而成。逻辑门是数字逻辑电路的基本单元。存储器是用来存储二值数据的数字电路。从整体上看，数字电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。
5.1 数制与BCD码 122
5.1.1 数制 122
5.1.2 几种简单的编码 125
5.2 逻辑代数基础 126
逻辑运算又称布尔运算布尔用数学方法研究逻辑问题，成功地建立了逻辑演算。他用等式表示判断，把推理看作等式的变换。这种变换的有效性不依赖人们对符号的解释，只依赖于符号的组合规律 。这一逻辑理论人们常称它为布尔代数。20世纪30年代，逻辑代数在电路系统上获得应用，随后，由于电子技术与计算机的发展，出现各种复杂的大系统，它们的变换规律也遵守布尔所揭示的规律。逻辑运算 (logical operators) 通常用来测试真假值。最常见到的逻辑运算就是循环的处理，用来判断是否该离开循环或继续执行循环内的指令。
5.2.1 与运算 126
5.2.2 或运算 127
5.2.3 非运算 128
5.2.4 复合运算 129
5.2.5 正逻辑和负逻辑 130
5.3 逻辑代数的基本关系式和常用公式 131
5.3.1 逻辑代数的基本关系式 131
5.3.2 基本定律 132
5.3.3 常用的公式 133
5.3.4 基本定理 134
5.4 逻辑函数的表示方法 135
5.4.1 逻辑函数的表示方法 135
5.4.2 逻辑函数的真值表表示法 135
5.4.3 逻辑函数式 136
5.4.4 逻辑图 138
5.4.5 工作波形图 138
5.5 逻辑函数式的化简 139
5.5.1 公式化简法 139
5.5.2 逻辑函数的卡诺图化简法 140
5.5.3 具有无关项的逻辑函数的化简 145
5.6 研究逻辑函数的两类问题 146
5.6.1 给定电路分析功能 146
5.6.2 给定逻辑问题设计电路 148
本章小结 150
习题 151
第6章 门电路 154
6.1 概述 154
逻辑门（Logic Gates)是在集成电路(Integrated Circuit)上的基本组件。简单的逻辑门可由晶体管组成。这些晶体管的组合可以使代表两种信号的高低电平在通过它们之后产生高电平或者低电平的信号。高、低电平可以分别代表逻辑上的“真”与“假”或二进制当中的1和0，从而实现逻辑运算。常见的逻辑门包括“与”门，“或”门，“非”门，“异或”门(Exclusive OR gate)（也称：互斥或）等等。逻辑门可以组合使用实现更为复杂的逻辑运算。
6.2 分立元件门电路 155
6.2.1 二极管与门电路 155
6.2.2 二极管或门电路 156
6.2.3 三极管非门电路 156
6.3 TTL集成门电路 158
6.3.1 TTL非门电路 158
6.3.2 TTL与非门及或非门电路 161
6.3.3 集电极开路的门电路 163
6.3.4 三态门电路 165
6.4 CMOS门电路 168
6.4.1 CMOS反相器电路的组成和工作原理 168
6.4.2 CMOS与非门电路的组成和工作原理 169
6.4.3 CMOS或非门电路的组成和工作原理 169
6.4.4 CMOS传输门电路的组成和工作原理 171
6.5 集成电路使用知识简介 172
6.5.1 国产集成电路型号的命名法 172
6.5.2 集成门电路的主要技术指标 172
6.5.3 多余输入脚的处理 173
6.5.4 TTL与CMOS的接口电路 173
本章小结 175
习题 175
第7章 组合逻辑电路 178
7.1 概述 178
组合逻辑电路是指在任何时刻，输出状态只决定于同一时刻各输入状态的组合，而与电路以前状态无关，而与其他时间的状态无关。其逻辑函数如下：
Li=f（A1，A2，A3……An） (i=1，2，3…m)
其中，A1~An为输入变量，Li为输出变量。
组合逻辑电路的特点归纳如下：
① 输入、输出之间没有返馈延迟通道；
② 电路中无记忆单元。
对于第一个逻辑表达公式或逻辑电路，其真值表可以是惟一的，但其对应的逻辑电路或逻辑表达式可能有多种实现形式，所以，一个特定的逻辑问题，其对应的真值表是惟一的，但实现它的逻辑电路是多种多样的。在实际设计工作中，如果由于某些原因无法获得某些门电路，可以通过变换逻辑表达式变电路，从而能使用其他器件来代替该器件。同时，为了使逻辑电路的设计更简洁，通过各方法对逻辑表达式进行化简是必要的。组合电路可用一组逻辑表达式来描述。设计组合电路直就是实现逻辑表达式。要求在满足逻辑功能和技术要求基础上，力求使电路简单、经济、可靠、实现组合逻辑函数的途径是多种多样的，可采用基本门电路，也可采用中、大规模集成电路。其一般设计步骤为：
① 分析设计要求，列真值表；
② 进行逻辑和必要变换。得出所需要的最简逻辑表达式；
③ 画逻辑图。
7.1.1 组合逻辑电路的特点 178
7.1.2 组合逻辑电路的分析和设计方法 178
7.2 常用组合逻辑电路 179
7.2.1 编码器 179
编码器（encoder）是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种；按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。
编码器可按以下方式来分类。
1、按码盘的刻孔方式不同分类
（1）增量型：就是每转过单位的角度就发出一个脉冲信号(也有发正余弦信号，
然后对其进行细分，斩波出频率更高的脉冲)，通常为A相、B相、Z相输出，A相、B相为相互延迟1/4周期的脉冲输出，根据延迟关系可以区别正反转，而且通过取A相、B相的上升和下降沿可以进行2或4倍频；Z相为单圈脉冲，即每圈发出一个脉冲。
（2）绝对值型：就是对应一圈，每个基准的角度发出一个唯一与该角度对应二进制的数值，通过外部记圈器件可以进行多个位置的记录和测量。
2、按信号的输出类型分为：电压输出、集电极开路输出、推拉互补输出和长线驱动输出。
3、以编码器机械安装形式分类
（1）有轴型：有轴型又可分为夹紧法兰型、同步法兰型和伺服安装型等。
（2）轴套型：轴套型又可分为半空型、全空型和大口径型等。
4、以编码器工作原理可分为：光电式、磁电式和触点电刷式
7.2.2 优先编码器 181
7.2.3 译码器 185
译码器是组合逻辑电路的一个重要的器件，其可以分为：变量译码和显示译码两类。 变量译码一般是一种较少输入变为较多输出的器件，一般分为2n译码和8421BCD码译码两类。 显示译码主要解决二进制数显示成对应的十、或十六进制数的转换功能，一般其可分为驱动LED和驱动LCD两类。
译码是编码的逆过程，在编码时，每一种二进制代码，都赋予了特定的含义，即都表示了一个确定的信号或者对象。把代码状态的特定含义“翻译”出来的过程叫做译码，实现译码操作的电路称为译码器。或者说，译码器是可以将输入二进制代码的状态翻译成输出信号，以表示其原来含义的电路。
根据需要，输出信号可以是脉冲，也可以是高电平或者低电平。
7.2.4 显示译码器 189
7.2.5 数据选择器 191
7.2.6 加法器 195
7.2.7 数值比较器 198
7.3 组合逻辑电路中的竞争-冒险现象 199
7.3.1 竞争-冒险现象 199
7.3.2 竞争-冒险现象的判断方法 200
本章小结 201
习题 202
第8章 触发器和时序逻辑电路 205
8.1 概述 205
8.2 触发器的电路结构与工作原理 205
8.2.1 基本RS触发器 205
8.2.2 同步RS触发器的电路结构与工作原理 208
8.2.3 主从RS触发器的电路结构与工作原理 209
8.2.4 由CMOS传输门组成的边沿触发器 213
8.3 触发器逻辑功能的描述方法 214
8.3.1 RS触发器 214
8.3.2 JK触发器 215
8.3.3 D触发器 216
8.3.4 T触发器 216
8.3.5 触发器逻辑功能的转换 217
8.4 时序逻辑电路的分析方法和设计方法 219
8.4.1 同步时序电路的分析方法 219
8.4.2 异步时序逻辑电路的分析方法及举例 223
8.4.3 同步时序电路的设计方法 224
8.5 常用的时序逻辑电路 228
8.5.1 寄存器和移位寄存器 228
8.5.2 同步计数器 231
8.5.3 移位寄存器型计数器 244
8.6 时序逻辑电路分析设计综合例题 246
本章小结 248
习题 249
第9章 脉冲产生和整形电路 253
9.1 概述 253
9.2 555定时器的应用 253
9.2.1 555定时器的电路结构 253
9.2.2 用555定时器组成施密特触发器 255
9.2.3 用555定时器组成单稳态电路 256
9.2.4 用555定时器组成多谐振荡器 258
9.2.5 555定时器的应用电路 260
9.3 石英晶体多谐振荡器 262
9.4 压控振荡器 263
本章小结 264
习题 264
第10章 数/模和模/数转换器 266
10.1 概述 266
10.2 数/模转换器 266
10.2.1 权电阻网络D/A转换器 266
10.2.2 倒T形电阻网络D/A转换器 268
10.3 模/数转换器 269
10.3.1 A/D转换器的基本组成 269
10.3.2 直接A/D转换器 271
10.3.3 间接A/D转换器 275
10.4 A/D和D/A的使用参数 276
10.4.1 A/D和D/A的转换精度 276
10.4.2 A/D和D/A的转换速度 277
本章小结 277
习题 277
第11章 半导体存储器和可编程逻辑器件 279
11.1 半导体存储器 279
11.1.1 只读存储器 279
11.1.2 ROM的扩展及应用 281
11.1.3 几种常用的ROM 283
11.2 可编程逻辑器件 284
11.2.1 PLD的连接方式及基本门电路的PLD表示法 285
11.2.2 可编程阵列逻辑 286
11.2.3 可编程通用阵列逻辑器件的基本结构 288
11.2.4 在系统可编程逻辑器件 290
11.3 可编程逻辑器件的编程 296
11.3.1 PLD的开发系统 296
11.3.2 PLD编程的一般步骤 297
11.4 CPLD及FPGA简介 297
11.4.1 CPLD及FPGA基本结构 297
11.4.2 FPGA/CPLD设计流程 300
本章小结 302
习题 302
附录A 常用数字集成电路型号及引脚 306
