作者：寇戈,蒋立平
出版社：电子工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
模拟电路与数字电路(第3版)试读：
第3版前言
本书为普通高等教育“十一五”国家级规划教材；2009年普通高等教育国家精品教材；2013年入选“十二五”江苏省高等学校重点教材（编号：2013—1—094）。
本书第1版于2004年出版；第2版于2008年出版。出版10年来，承蒙广大读者的支持与厚爱，本书先后被国内数十所不同层次的大学选做教材（2006年1月台湾地区也引进出版作为高校教材使用），对此，编者深感荣幸。基于课程的发展和教学要求，编者根据多年的教学实践积累和广大师生的反馈意见，希望通过第3版的出版使教材在先进性、教学适用性等方面更上一个台阶。
第3版仍定位于高等学校非电类各专业、计算机专业及其他相近专业的电子技术基础课程教材，力求叙述简明扼要，通俗易懂，注重基本概念、基本原理与基本计算的介绍，使学生既能全面了解电子电路的概貌，又能结合实际运用，重点学习一些电子技术的基础理论，为日后进一步学习、科研奠定基础。
本着“突出重点，锤炼精品，改革创新，特色鲜明”的“十二五”规划教材指导思想，第3版在教学大纲没有根本性改变的情况下，保持了第2版的特色和基本框架，除了订正第2版的印刷错误，各章增加了基于multisim的EDA仿真内容，主要在以下几个方面做了调整：
模拟电路部分：
● 增加放大电路部分例题，通过理论与实际的结合，使得学生更深刻地掌握模拟电路部分的基本内容；
● 充实完善相关基本概念，适当增加了一些前两版均未出现的基本概念（例如结型场效应管，三种组态的H参数物理意义，共栅组态和共漏组态FET放大电路等内容）。
● 增补最新电子技术进展，例如智能眼镜、无线充电器等。一方面激发学生的学习兴趣，使他们感到教材的与时俱进而非陈旧过时，了解到基础与前沿的关联。
● 附录中增加multisim仿真方法简介，半导体器件命名的国外标准及半导体器件说明书的实际样例。
数字电路部分：
● 增加了二进制数算术运算、美国信息交换标准代码，使得“数”和“码”的概念更加完整。为了便于教学，改写了“基本逻辑运算”内容。在逻辑函数化简部分，加入了奎恩—麦克拉斯基化简法，使读者能和计算机辅助化简相结合。
● 组合电路部分进行了必要精简，去除了部分中规模集成器件内部结构介绍，而更注重集成电路的应用。
● 触发器的内容改变比较多，主要是考虑到在原有的触发器内容体系中，某些主从结构的触发器其实也具有边沿型触发器的特征，故在抗干扰等问题上，容易使初学者造成混淆。修订后的内容由主从RS触发器入手，直接介绍边沿型触发器，可以使问题更为简单明了。
● 时序逻辑电路部分删除了部分非典型电路的分析，并在文字修饰和图形规范上做了进一步提炼。
第3版教材与第2版相比较，在内容上并没有大的变动，因此建议学时数为80～100（作者所在南京理工大学使用该教材的课程总学分为5学分，总学时80学时，模拟电路和数字电路各40学时，可供参考）。
模拟电路与数字电路两部分的修订分别由寇戈和蒋立平负责。在第3版出版过程中，编者得到了许多人的帮助，这里特别感谢南京理工大学王建新教授、教务处领导和老师的一贯支持，感谢电子工程与光电技术学院傅文红、黄琳、硕力更、花汉兵、姜萍、吴少琴、赵邦信、钱嵩松诸位老师的热心指导和帮助，感谢广西师范学院潘吟松老师，中国科学技术大学张俊霞老师，太原科技大学高文华老师和广东警官学院彭晗老师给予的宝贵意见。当然，感谢促成本书修订的编辑！而虽然未能具名，但通过书信、邮件和电话给出修订建议的老师与学生们，以其客观和才智，对编者帮助极大，是最应该特别感谢的人们！
本书编者深知，一本优秀教材的出现不是一蹴而就的，它凝聚着编者、编辑、出版社和读者的共同心血。希望通过我们的共同努力，为读者奉上经得起时间考验的好教材。
本书仍会存在这样或那样的错误和疏漏，欢迎您提出宝贵的建议和意见，联系邮箱：mdandsd＠2008.sina.com。
编者
于南京理工大学
第一部分
第1章 绪论
本章学习目标：
● 了解电子技术在科技领域所处地位及应用范围。
● 了解电子技术有关名词、术语、基本概念及电子技术发展历史，掌握电子系统的基本组成。
● 掌握电子电路的特点和分析方法，明确本课程的学习任务，为学好这门课程奠定基础。
电子技术已渗透到工业、农业、科技和国防等各个领域，宇宙航行、人造卫星、通信、广播电视、电子计算机、自动控制、电子医疗设备以及我们的日常生活都离不开电子技术。20世纪下半叶迅速发展起来的激光、光纤、光盘存储等技术及其与电子技术结合形成的光电子技术已经成为信息社会的重要技术基础。特别是世界进入信息时代的21世纪后，作为信息技术发展基础之一的电子技术必将随着微电子技术、光电子技术和其他高技术的进步而飞速发展，应用领域将更加广泛，给人类带来全新的工作方式和生活方式。
本章主要介绍电子技术的一些基本概念和电子系统的基本组成，简要介绍电子电路的特点和分析方法，为学好这门课程奠定基础。
1.1 电子技术相关基本概念
本节简要介绍电子技术的研究内容，以及模拟信号与数字信号，模拟电路与数字电路，分立元件电路与集成电路，A/D与D/A转换电路，电子系统，电子设备与电气设备，微电子技术与光电子技术等相关基本概念。
1.电子技术
电子技术是研究电子器件、电子电路及其应用的科学技术。
电子器件用来实现信号的产生、放大、调制及探测等功能，常见的电子器件有电子管、晶体管和集成电路等。
电子电路是组成电子设备的基本单元，由电阻、电容、电感等电子元件和电子器件构成，具有某种特定功能。
2.模拟信号与数字信号
信号是信息的载体。在人们周围的环境中，存在着电、声、光、磁、力等各种形式的信号。电子技术所处理的对象是载有信息的电信号。目前对于电信号的处理技术已经比较成熟。但是，在通信、测量、自动控制以及日常生活等各个领域也会遇到非电信号的处理问题，在实际中经常需要把待处理的非电信号先变成电信号，经过处理后再还原成非电信号。
在电子技术中遇到的电信号按其不同特点可分为两大类，即模拟信号和数字信号。
在时间上和幅值上均是连续的信号叫做模拟信号。此类信号的特点是，在一定动态范围内幅值可取任意值。许多物理量，例如声音、压力、温度等均可通过相应的传感器转换为时间连续、数值连续的电压或电流。图1.1所示为一随时间变化的模拟电压信号波形。
与模拟信号相对应，时间和幅值均离散（不连续）的信号叫做数字信号。数字信号的特点是幅值只可以取有限个值。图1.2所示为一常见的、应用最广的二进制数字信号波形。图1.1 模拟电压信号波形图1.2 二进制数字信号波形
同一个物理量，既可以采用模拟信号进行表征，也可以采用数字信号进行表征。例如，传统的录音磁带是以模拟形式记录声音信息的，而CD光盘（compact laser disk）则是以数字形式记录声音信息的。
3.模拟电路与数字电路
模拟信号和数字信号的特点不同，处理这两种信号的方法和电路也不同。一般地，电子电路可分为模拟电路和数字电路两大类。
处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。模拟电路研究的重点是信号在处理过程中的波形变化以及器件和电路对信号波形的影响，主要采用电路分析的方法。
处理数字信号的电子电路称为数字电路。数字电路着重研究各种电路的输入和输出之间的逻辑关系，分析时常利用逻辑代数、真值表、卡诺图和状态转换图等方法。
模拟电路和数字电路的分析方法有很大的差别，这是由模拟信号和数字信号的不同特点决定的。由于电子电路分为模拟电路和数字电路两部分，通常电子技术也被人们分为模拟电子技术和数字电子技术。但是这两种技术并不是孤立的，在许多情况下往往是模拟和数字两种技术并用的。
但是，随着电子技术的不断发展，数字电路的应用愈来愈广泛，在很多领域取代了模拟电路。其主要原因是：①数字电路更易采用各种算法进行编程，使其应用更加灵活；②数字电路可以提供更高的工作速度；③采用数字电路，数字信息的范围可以更宽，表示精度可以更高；④数字电路可以采用嵌入式纠错系统；⑤数字电路比模拟电路更易做到微型化，等等。
图1.3所示为模拟电路和数字电路在一定噪声干扰下的输出信号。图1.3（a）中的模拟信号由于其所有幅值均为有效值，难以对原始信号进行精确还原，受到噪声干扰的信号如图1.3（b）所示；而图1.3（c）中的数字信号由于其特定的幅值，其噪声可以完全去除，如图1.3（d）所示。由此可以很直观地看出数字电路的抗干扰能力优于模拟电路。图1.3 模拟电路和数字电路在一定噪声干扰下的输出信号
尽管人类已经进入数字时代，但是认为模拟技术已经停滞与过时的想法似乎有些片面。一方面，随着数字技术的进步，对高精度、高速度、高频率、低功耗模拟产品的需求越来越大，模拟产品正沿着继续提高性能的方向前进；另一方面，与数字技术结合的混合信号器件则将是模拟产品的另一个主要发展方向。很多的现代电子系统都包含模拟电路与数字电路两种电路，其性能较之单纯由模拟电路或数字电路构成的系统，更为优越。因此，数字化浪潮也给模拟技术带来了更为广泛的发展空间，可以预计未来的电路系统将是模拟电路与数字电路共存的。
在电路的研究过程中，也经常会碰到线性电路和非线性电路两个术语。由电源和线性元件组合而成的电路，属于线性电路。线性元件是指元件的参数与电压、电流等电量无关，线性电路能用线性方程来描述其特性。不能用线性方程来描述其特性的电路称为非线性电路，大部分含电子器件的电路均属于非线性电路。
4.分立元件电路与集成电路
分立元件电路是将单个的电子元器件连接起来组成的电路。如果用分立元件实现功能复杂的电路或系统，势必造成元器件数目众多，体积、重量和功耗都将增大，而且可靠性也较差。
集成电路是采用一定的制造工艺将所有元器件都制作在一小块硅片上形成的电路。其优点是成本低、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高，且便于维修。集成电路的应用范围很广，发展非常迅速。
在模拟电路和数字电路中，虽然都在大量使用集成电路器件，很多场合分立元件电路已经被集成电路所取代，但在这两种不同的电路中，集成电路器件的使用呈现不同的特点。在数字电路中，分立元件电路几乎被淘汰；而在模拟电路中，由于信号形状的多样性，功率要求的多样性，以及集成电路制造技术等原因，无法在集成电路内部实现大阻值电阻、大容量的电容器和电感、变压器等元件，因此在模拟电路的大功率、超高频等领域中，分立元件电路仍有一席之地。
常见的模拟集成电路有集成运算放大器、集成功率放大器、模拟乘法器、锁相环、混频器和检波电路等；常见的数字集成电路有门电路、触发器、编码器、译码器、计数器、运算电路、数据选择器、寄存器和存储器等。
本课程通过介绍分立元件电路，使读者掌握电路的一些基本概念和基本原理，以便进一步学习和研究集成电路。
5.A/D和D/A转换电路
随着数字技术，特别是信息技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字技术。由于人类生活在一个连续变化的模拟世界里，系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，各种模拟信号必须通过模数转换电路转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应的模拟信号，并经过适当的调整与放大之后，才能成为人类能够感知的声音与图像等信息。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路——模数转换电路和数模转换电路。
将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（Analog to Digital Converter，简称A/D转换器或ADC）；将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器（Digital to Analog Converter，简称D/A转换器或DAC）。A/D和D/A转换电路已成为信息系统中不可缺少的接口电路。图1.4所示为模拟信号与数字信号转换的示意图。图1.4（a）所示为模拟信号转换为数字信号，首先模拟信号被周期性地采样，然后对每个采样点进行编码（通常采用二进制编码），这样就可以采用数字形式表示一个量；图1.4（b）所示为数字信号转换为模拟信号，精确地恢复模拟量数值几乎是不可能的，因为某一个范围内的数值均会采用相同的编码。因此，D/A转换器只能得到与原来模拟信号近似的还原信号，二者之间一定会存在量化误差，该误差可以通过提高DAC的位数（二进制数码的位数），即增多电压等级的方法降低（每个电压等级对应的电压数值越小，理论上可以体现出精度越高）。图1.4 模拟信号与数字信号转换的示意图
6.电子系统
电子系统是指由相互作用的基本电路和器件构成的能够完成某种特定功能的电路整体。图1.5所示为常见的扩音系统，是一个典型的模拟信号处理系统。先用传声器（话筒）将声波的机械振动转化为电信号，经声频放大器对电信号进行放大，再由扬声器（喇叭）将电信号还原成声音，这样就可以获得提高的音量。图1.5 扩音系统
图1.6所示为一个用于流动细胞分析的激光血球计数系统，是一个较为简单的数字处理系统的例子。通过一定的方法，可以使血球排列成单行进入计数通道，当激光光束通过血球时，其散射光照射到硅光电池上，由光的强弱变化产生电脉冲信号，然后由数字信号处理电路进行计数，再通过数字显示器显示出来，同时由记录设备记录数据。电源的作用是为信号处理、显示、记录电路提供电能，使其正常工作。
广播通信系统主要由如图1.7所示的两大模块构成：（1）信号的发射。首先用话筒把声音信号转换成音频电信号，通过调制器把音频电信号加载到高频电磁波上（通常调制级也兼有放大作用），最后通过天线把载有音频电信号的电磁波发射出去。图1.6 激光血球计数系统方框图图1.7 广播通信系统方框图（2）信号的接收。先利用处在电磁波传播范围里的天线接收电磁波，再利用收音机调谐器选出所需某一频率的电磁波。但是把调谐器选出来的频率很高的电信号直接送到耳机，不能使耳机发出声音，因此还需要从高频电信号中取出音频信号，解调放大后，送到扬声器里，把音频电信号转换成声音，这样就能听到收音机里的节目了。注意系统的各电路部分均需要整流滤波得到的直流能量P。dc
图1.5和图1.6是电子技术中处理信号的两种常见模式：一种是纯模拟方式；一种是纯数字方式。对于比较复杂的系统（如图1.7所示）一般需采用模拟—数字混合方式。不论采用哪种方式，其电子系统大致可由四个部分组成，即传感器、信号处理电路、再生器和电源，如图1.8所示。图1.8 电子系统的基本组成方框图
如果需要处理的信号为电信号，则可以省去传感器。若在输出端不需要还原成非电信号，则可省去再生器。
有的电子系统是非常复杂的，包含许多不同的功能电路。特别是集成电路飞速发展的今天，集成度越来越高，功能越来越多，在单个芯片上可能集成多种不同类型的电路，从而自成一个系统，外围电路却越来越简单。因此对于有些电路的内部结构及工作原理，没有必要搞得非常清楚，应用中关注的是系统的整个信号处理过程及外部特性，这一点对于正确使用电子系统是非常重要的。
许多实际的电子系统不是孤立地存在的，必须与其他的系统（例如机械系统、光学系统、图像处理系统、自动控制系统等）相互配合，才能构成完整的实用设备或仪器。因此在设计电子系统时，就要考虑到各系统的协调关系，采用合理的接口，保证被连接的两部分电路之间信号的通畅和各自处于正常工作状态。
7.电子设备与电气设备“电子”和“电气”两个概念经常出现在一起，如何进行区分呢?实际上，二者在概念上没有非常严格的定义来进行划分。有时人们以“弱电”和“强电”来进行区分（弱电一般是用来进行信号处理的，电压和电流都很小；而强电则是用来驱动大功率的电力设备的），有时会以是否包含有源器件进行界定。这里我们举一个常见的墙壁开关的例子进行两个概念的理解。普通的墙壁开关属于电气设备，通过开关的闭合和断开来控制灯的亮和灭。有时候，我们需要调光开关满足人们在不同情况下对灯光亮度的不同需求，调光开关可以直接代替墙壁开关来进行灯光亮度的控制，只不过在灯的亮灭两种状态之间有很大的亮度改变范围以输出不同强度的光，这里调光开关是一个简单的电子设备，它是通过有源器件来控制电流的。
8.微电子技术和光电子技术
有的时候，除了电子技术，我们也经常会遇到“微电子技术”和“光电子技术”等概念，同样“硅谷”（代表微电子信息产业）和“光谷”（代表光电子信息产业）这样的字眼也不断见诸报端，此处简单解释说明一下。（1）微电子技术（Microelectronics）
微电子技术是电子技术中发展极为迅速的一个前沿分支学科，主要研究在半导体上制作微型电路及系统，其核心是集成电路技术。当前，人类赖以生存与发展的信息技术的重要基础就是微电子技术。
根据国家统计局统计，2013年中国集成电路产量867.1亿块，同比增长10.4%，该年度中国集成电路产业销售额2508.51亿元，同比增长16.2%。微电子技术的飞速发展极大地影响了社会的方方面面，可以说，微电子技术是当今信息社会和时代的核心竞争力，该技术产业的发展规模和水平已成为衡量一个国家综合实力的重要标志。特别地，微电子技术在军事领域中有重要的应用，它的出现改变了传统战争的模式，而且导致了新式武器以及新兵种的出现。
现阶段微电子技术主要有三个发展方向：第一，增大晶圆尺寸，减小特征尺寸，从而在芯片上集成更多数目的晶体管，提高芯片的集912成度。第二，从目前的3G（10）逐步发展到3T（10），即存储容量由G位发展到T位、集成电路器件的速度由GHz发展到THz、数据传输速率由Gbps（bits per second，每秒位）发展到Tbps。集成电路将发展成为片上系统，系统的速度和可靠性可以大大提高，价格也会大幅度下降，这将成为微电子领域的一场革命。第三，可编程器件取代专用集成电路（ASIC，Application Specific Integrated Circuit），并且微电子技术与其他领域相结合将产生新产业和新学科。（2）光电子技术（Optoelectronics）
光电子技术是电子技术同光学相结合的产物，包括激光技术、光纤通信技术、远程传感技术、医学诊断技术和光学信息技术等，可以认为是“利用光技术的电子技术”，它可以实现电子技术无法实现的一些功能。具体地，光电子技术以光的电子学效应基本理论和应用原理为研究对象，通过研究红外光、可见光、紫外光、X射线直至γ射线波段范围内光与物质的相互作用，实现光信号与电信号或二者能量的相互转换，是电子技术在光频波段的延续与发展。
虽然微电子技术迅猛发展，但是在实现超高速、超大容量、超低功耗等方面遭遇了发展瓶颈。作为信息和能量载体的光电子，在光显示和光存储等方面，对经济建设、国家安全及整个社会发展起着至关重要的作用。这里列举几个简单的数据：光纤通信目前只是利用了从1.2μm到1.7μm的波段范围，而仅仅这部分能够传输的信息量就可达5到75Tbps；光波频率比微波频率大约高10倍，它的带宽与通信容量5大致也可提高10倍。通常一个微波通道上可以通上千路电话或者传输一个彩色电视节目，而在一个光波频段上可以通上亿路电话或者 10万个电视节目，也就是说，理论上在一个光波通道上，可供一亿人同时打电话。并且光子间互不干涉，可以并行处理信息，能极大地提高信息的处理速度及光存储的记录密度。
可以预见，随着光子技术与电子技术的进一步深度结合，光电子技术必将使信息社会进入全新的发展阶段。
1.2 与人们生活相关的电子技术及产品
电子技术已经渗透到人们生活的方方面面，给人们带来舒适、便捷、安全的生活体验。一个现代人，离了电子技术有时候甚至可以说是寸步难行的。设想一下：假如没有计算机、移动电话、调频收音机，假如没有GPS、数码相机、MP3播放器，假如没有……我们的生活会是什么样子?
下面例举的一些与人们生活相关的电子技术及电子产品，虽然只是极少一部分，并且有的产品还正在逐步完善中，但是由此可以启发读者思考电子技术当前在我们生活中的角色以及未来在我们生活中的位置。（1）MP3播放器
实现数字解码播放的系统称为MP3播放器。MP3播放器是每一个喜欢听音乐的人都非常熟悉的便携式高科技电子产品。自1998年推出了世界上第一台MP3播放器起，至今已过去了十几年。人们发现除了播放动听的音乐，MP3的功能越来越多、越来越强大，简直就是一台微型电脑。它可以实现播放、录音、复读、文件夹浏览、文字阅读、图片浏览，还可以作为可移动硬盘，甚至作为数码相机使用！MP3已成为随身听市场的主流产品，并且是最为广泛使用的便携式个人电子产品之一。
实际上，MP3是采用MPEG Audio Layer 3（MPEG，Moving Picture Experts Group，活动图像专家组，此处指活动影音压缩标准）技术、以数字方式储存的一种音乐格式。播放这种格式的音乐，需要通过专门的软件进行MP3数字音乐的解码，再还原成声音信号进行播放输出。MP3格式采样率为44.1kHz，压缩率是 1∶10 甚至 1∶12，也即一分钟未经压缩需要10MB存储空间的CD音质的音乐经过MP3压缩编码后只有1MB左右，并且压缩后的文件在回放时能够达到比较接近原音源的声音效果。（2）智能眼镜
智能眼镜属于适合人类穿戴的电子设备（Body—adapted Wearable Electronics）范畴，按照人体工学进行设计，体积小重量轻，形状上尽可能易于大众接受。智能眼镜具有和智能手机一样的功能，由传感器和反馈系统构成，包含摄像头、电脑处理器、头戴式微型显示屏以及适应不同脸型的鼻托，还有两块目镜分别显示地图和导航信息。
具有非常强大功能的“眼镜”其重量一般仅有几十克，并且还包含音响系统、网络连接，支持蓝牙和WiFi，可以实现GPS 和短信发送等应用。通过智能眼镜可以拍照、视频通话和方向定位，以及进行上网冲浪、处理文字信息和收发电子邮件等活动。（3）无线充电器
由于电子技术的迅猛发展，人们的生活已经和各种各样的电子产品密不可分。电子产品在带来各种便利的同时也给人们带来了一些烦恼。比如说，出门旅行必须携带充电器，否则有些电子产品只能成为摆设。可是，需要充电的便携式电子产品由于厂家、产品的不同而需要使用不同的充电器。除去电线缠绕等不便外，目前使用较为普遍的数据线插接式充电器的插口也大多“各自为政”，令使用者感到苦不堪言。即便插口相同，多次插拔也常会产生接触不良的现象。在这种情况下，能够对多台不同电子产品同时进行充电的无线充电器有着巨大的应用需求和良好的市场前景。
无线充电系统主要采用电磁感应原理，通过线圈进行能量耦合实现能量的传递，使用的充电座和终端分别内置了线圈，使二者靠近便开始从充电座向终端供电。这些无线充电器免去了接线的烦恼，便于用户在外出时使用，使人们的生活更加方便。
电子技术无处不在，生活中处处有电子技术发展的痕迹。迅猛发展的电子技术让生活充满神奇，也改变着人们的生活方式和生活习惯。
1.3 电子技术的发展历史及其研究热点
1.3.1 电子技术的发展历史电子技术，特别是微电子技术是20世纪发展最为迅速、影响最为广泛的技术成就。电子技术的核心是电子器件，电子器件的进步和换代，引起了电子电路极大的变化，出现了很多新的电路和应用。因此，电子技术的发展历史也可以说是电子器件不断更新换代的历史。
1869年Hittorf和Crookes发明阴极射线管应是电子技术发展历史的起点。1904年11月英国伦敦大学的John Fleming发明了真空电子二极管，这是一种在真空条件下利用电子在电场中的运动规律实现单向导电的器件。电子管的诞生，是人类电子文明的起点。当时意大利的Marconi已经发明了无线电（1901年），于是二极管立即被应用于无线电检波和整流。
1906年美国的Lee De Forest发明了对电子信号具有放大作用的真空电子三极管（简称电子管），该发明是电子技术史上的一个里程碑，他本人因发明三极管而被称为“无线电之父”。人们从此找到了放大电信号的方法，使远程无线电通信成为可能。随着无线电技术的迅速发展，电子工业开始形成。
1926—1936年间随着量子力学的创立和量子场论的发展，不仅使人们对半导体的认识程度逐渐深入，也为微电子与光电子技术以及信息技术的发展奠定了科学基础。1930年Electronics杂志出版，从此出现了一个新的名词和新的产业。电子学是电路和系统中运用电子器件的工程领域及产业，20世纪前半叶电子学中真空管起主导作用。20世纪30年代末期，实验室中已经制作出早期的半导体器件。
在晶体管发明以前的近半个世纪里，电子管几乎是各种电子设备中唯一可用的电子器件。电子技术随后取得的许多成就，如电视、雷达、计算机的发明，都是和电子管分不开的。但是，电子管在体积、重量、功耗、寿命等方面存在局限性，远不能满足军事上轻便、高效的要求。美国贝尔实验室的研究人员John Bardeen，William Shockley和Walter Brattain合作研究晶体管的理论和制作。1947年底，他们用锗半导体晶体制成了具有电流、电压放大功能的第一只点接触型晶体三极管。这是电子科学技术发展史上又一个划时代的重大发明，从此拉开了电子技术革命的帷幕，为电子电路集成化和数字化提供了重要的物理基础。
初期的晶体管是点接触型的，制造比较困难，稳定性较差。1957年，贝尔实验室的研究人员发明了面接触型晶体管，将电子技术推向了一个新的阶段。此后取得的电子技术方面的许多成就，如集成电路、微处理器和微型计算机等，都是从晶体管发展而来的。晶体管出现后在众多技术领域中很快取代了电子管，目前仅在显示器件（例如电视机和计算机的显示器中的显像管、一些电子仪器中的示波管，等等）等不多的场合还在用电真空器件。
1958年，美国得克萨斯仪器公司（Texas Instruments）宣布一种集成振荡器问世，首次把晶体管和电阻、电容等集成在一块硅片上，构成了一个基本完整的单片式功能电路。1961年，美国仙童公司（Fairchild Semiconductor Inc.）宣布制成一种集成触发器。从此，集成电路获得了飞速的发展。所谓集成电路，就是把半导体管和电阻、电容等做在同一块硅片上，封装为一个具有多个引出端子的器件，它能够独立地或者与少数其他元件配合起来共同完成某种或某些功能，实现了材料、元件和电路的三合一，与传统的分立元件电路在设计方法、结构形式和生产方式上有着相当大的区别。集成电路的发明开创了集电子器件与某些电子元件于一体的新局面，使传统的电子器件概念发生了变化。这种新型的、封装好的器件体积和功耗都很小，具有独立的电路功能，甚至具有系统的功能。集成电路的发明使电子技术进入了微电子技术时期，是电子技术发展的一次重大飞跃。几十年来，集成电路经历了从小规模（SSI）、中规模（MSI）、大规模（LSI）到超大规模（VLSI）集成阶段的发展。1993年随着集成了1000万个晶体管的16M FLASH和256M DRAM的研制成功，而进入了极大规模集成电路（USI）时代。而在21世纪初采用0.12μs微细加工技术，1GB（千兆字节）SRAM（静态随机存取存储器）的问世，标志着集成电路已进入巨大规模集成（GSI）这一重要发展阶段。描述集成电路发展速度的摩尔定律认为：集成度每18个月增长一倍，价格则下降为原来的一半。
21世纪人类已进入了网络时代，超高速计算机、移动通信和数字化视听产品将彻底改变电子元器件的结构、特征尺寸和性能。传统意义上的分立元器件将被超微化、片式化、模块化、数字化、多功能化、智能化、绿色化、高频、高速、高可靠性和低功耗的复合器件所取代，这样就要求核心器件——芯片必须具有强大的数据存储和处理能力，现代“蓝牙（Bluetooth）芯片”技术利用在一个芯片上集成这种系统功能，将芯片数量从5个降到1个，集信号处理器、微处理器、电话听筒模拟/数字转换器、扬声器、解码器于一身，完成了由IC（Integrated Circuits）到IS（Information System）的转变。可以说，现代电子技术的核心已经不再是简单的电路集成，而是片上系统（SoC，System on Chip），也即把整个系统制作在一个集成电路芯片上，完整的系统功能可以集成在一起满足系统功能和技术指标的要求。因此，现代电子技术的发展趋势是硬件系统集成技术和系统设计软件技术。
在信息时代，产品以其信息含量的多少和处理信息能力的强弱，决定着其附加值的高低，从而决定它在国际市场分工中的地位。即使是家电的更新换代也都是基于微电子技术的进步。电子装备，包括机械装置，其灵巧程度直接关系到它的高附加值和市场竞争力，这些方面都依赖于集成电路芯片的“智慧”程度和使用程度。计算机的发展可以充分说明电子技术的发展与信息产业的关系。计算机从最初的机械手摇式，进而随电子器件的发展经历了电子管、晶体管、集成电路和大规模及超大规模集成电路4个时代，电子计算机日新月异的发展充分代表了电子技术的水平，没有大规模及超大规模集成电路，计算机不可能迅速普及。同时计算机的发展也大大促进了电子技术的发展。
综上所述，电子技术的发展是以信息业市场（例如电信、广播、电视、计算机）的需求为动力的，而电子技术的发展，信息业设备和技术水平的提高，又反过来促进了信息业市场的扩大，形成良性循环。21世纪是信息时代，信息技术将在信息资源、信息处理和信息传递等方面实现微电子与光电子结合。智能计算与认知、脑科学结合将造就未来新一代电子元器件。作为电子信息产业发展基础的电子元器件产业将面临一场世纪性的变革，依靠技术创新，紧扣时代高科技的脉搏，加快电子元器件行业自身改造和完善，适应并推动我国信息产业的发展，支撑国民经济信息化，是我国电子元器件产业神圣的历史使命，也是在世界电子元器件产业中准确定位，在经济全球化中占有一席之地的唯一途径。1.3.2 与电子技术相关的研究热点
电子技术本身发展很快，由于它的广泛应用和深刻影响，促进了许多学科的发展，同时也滋生出一些新的交叉研究领域。目前，片上系统、微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）、真空微电子技术、神经网络芯片和生物芯片，以及基于量子效应的电子器件及量子集成电路等，正在成为人们研究的热点和新的技术发展领域。这里仅就纳米电子技术（Nanoelectronics）、微机电技术和生物芯片技术做一简单介绍。
1.纳米电子技术
纳米电子学诞生于20世纪80年代末期，属于当前国际上的科技前沿之一，是纳米技术与信息技术的结合点。纳米技术的研究对象是1～100nm之间的物质构成。这个极其微小的空间，是原子和分子的尺寸范围，也是它们相互作用的空间，物质的很多性能将发生质变。如今，纳米电子技术几乎渗透进了所有的工业部门，该产业创造的价值占据全球的1%，将在国防、通信、安全、信息存储、自动控制、生物医学、航空航天、先进制造等方面起到重要作用。
纳米电子学的研究内容包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。纳米电子技术与微电子技术的主要区别是：纳米技术通过控制单个原子、分子来实现设备特定的功能，是利用电子的波动性来工作的；而微电子技术则通过控制电子群体来实现其功能，是利用电子的粒子性来工作的。人们研究和开发纳米技术的目的，就是要实现对整个微观世界的有效控制。
2.微机电技术
21世纪的前沿技术——微机电系统是指运用微制造技术在一块普通的硅片基体上制造出集机械零件、传感器执行元件及电子元件于一体的系统，属于典型的多学科交叉的前沿性研究领域，几乎涉及自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学及能源科学等。
可以说，MEMS是集微型传感器、微型执行器，以及信号处理和控制电路、接口电路、通信电路和电源于一体的完整微型机电系统。MEMS技术采用微电子技术和微加工技术相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。
MEMS几乎给所有产品带来一场革命，它也使得 SoC变得现实可行。通过把微电子元件的计算能力和微传感器的感觉能力及微执行元件的控制能力集于一体，微机电系统具备了真正的发展细小产品的能力。MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件等MEMS产品在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事，以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。
MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，如同近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新的影响。
3.生物芯片技术
微电子学和生物学结合的生物芯片（biochip）技术是近年来在生命科学领域中迅速发展起来的一种高新生物检测技术。它融微电子学、生物学、化学、物理学、计算机科学为一体，通过在固体基片表面构建微型生物化学分析系统，能对生物成分或生物分子进行快速处理和分析，以实现对细胞、蛋白质、核酸以及其他生物组分的准确、快速及大信息量的检测。
生物芯片的概念源于计算机芯片，因为生物芯片的制备工艺与计算机芯片的制备有一定的相似性，其主要特点是高通量、微型化、自动化和网络化，并且还具有无污染、分析速度快、所需样品和试剂少等优点。生物芯片通过光刻或者生物分子自组装技术，在平板载体内部或者表面制作出可以完成一定生物反应功能的微装置。由于采用微电子加工技术，可以在与人手指甲大小一样的硅片上制作含有多达10～20万种DNA基因片段的芯片。通过这些芯片可在极短的时间内检测或发现遗传基因的变化，对遗传学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有极其重要的作用。
微电子技术与生物技术紧密结合的生物芯片将是21世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长点。
以上仅列举了几个当今的研究热点。电子技术目前已成为各种工程技术的核心，在现代工程技术中，只要通过传感器将其他形式的信号转变为电信号，就可以采用电子技术来进行处理。因此，电子技术被广泛应用于各个领域，推动着社会的发展和进步。
1.4 电路模型
在对实际电路的分析过程中，经常采用电路模型来表示器件或整个系统。因此，如何用相对简单的模型来表征复杂的物理器件是在电子技术中要研究的问题。采用模型的主要优点是易于采用数学方法和熟知的电路定律来处理问题。本书中半导体器件和放大电路均是采用电路模型来研究的。
下面以电压放大电路为例，简单介绍电路模型在电路分析中的应用，以使读者对于电路模型的运用有初步概念。
放大是最基本的模拟信号处理功能，是通过放大电路实现的。大多数电子系统都应用了不同类型的放大电路。放大电路也是构成其他模拟电路，如滤波、振荡、稳压等功能电路的基本单元电路。放大电路可用如图1.9所示电路表示。图中为信号源电压，R为信号s源内阻，和分别为输入电压和输入电流，R为负载L电阻，分别为输出电压和输出电流。
放大电路在图中以方框表示，这一部分可能由较复杂的电路组成，但在实际应用中，一般采用双口网络作为其模型，用一些基本的元件来构成电路模型（元件参数值可以通过对电路和元器件在工作状态下的分析来确定，也可以通过对实际电路的测量而得到），用来等效实际放大电路的输入特性和输出特性，对于实际放大电路的内部结构则忽略不计。
图1.10虚线框内的电路是一般的电压放大电路模型，它由输入电阻R、输出电阻R和受控电压源三个基本元件构成。其io中为输入电压，为输出开路（R=∞）时的电压增益。L受控电压源是一种非独立的电压信号源，其输出受信号的控制。图中放大电路模型由电压信号源供能，可在负载R两端得L到所需的输出信号。图1.9 放大电路表示方法图1.10 电压放大电路模型
注意到电路模型图中的输入回路和输出回路之间有一根连线，作为电路输入与输出信号的共同端点或参考电位点，标以“⊥”符号，该参考点有利于电子电路的分析。
那么，什么样的电路适宜采用电压放大电路模型呢?以下从输出负载与输入内阻两方面加以考虑。
由于R与 R的分压作用，使 R上的电压信号小于受控oLL电压源的信号幅值，即
电压增益为
R的变化会影响增益的数值，R的减小使下LL降。因此，为了避免信号衰减，要求R＜＜R。理想电压放大电路oL的输出电阻R=0。o
对于输入电路，由于信号源内阻R和放大电路输入电阻R的分压si作用，使放大电路输入端的实际电压为
若要使R对信号的衰减作用减小，应设法提高电压放大电路的s输入电阻R，使R>>R成立。理想电压放大电路的输入电阻R=∞，此iisi时。
由以上分析可知，电压放大电路适用于信号源内阻R较小且负s载电阻R较大的场合。L
根据实际的输入信号和所需的输出信号的不同，放大电路可分为4种类型，即电压放大、电流放大、互阻放大和互导放大。原则上，一个实际的放大电路可以取4种电路模型中任意一种作为它的电路模型。但是根据信号源的性质和负载要求，一般只有其中一种模型在电路设计或分析中概念最明确，运用最方便，需要设计者分析使用条件，从而正确运用。
1.5 电子电路的特点及研究方法
电子技术的发展经历了电子管、晶体管、集成电路、大规模和超大规模集成电路4个阶段，新的电子器件出现使电子电路发生了很大的变化，但就电路理论来说，发展却相对较慢，基本的电路理论和分析方法已经比较成熟。因此，在学习时要注重掌握基本理论，这对于设计、分析新的电路是非常有益的。
电子技术中所涉及的电路虽然很多，但将其按功能分类，一般可以分为信号产生电路、信号放大电路、信号变换电路、信号存储电路、信号运算与处理电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路和电源电路等，在学习的时候要注意从不同功能的角度去学习、掌握，并且搞清楚整个电子系统各个功能电路之间的连接和互相影响，这样有助于电路的学习。
还有一个问题需要引起注意。随着电子技术的发展，器件和电路的性能会越来越好，同样的电路或系统，可以采用不同的器件和功能电路实现，这样就要求设计者进行综合考虑，从而提高性能，降低成本。
电子技术中常用的电子器件大都是非线性的，电路结构有时非常复杂，难以进行精确的分析计算，因此在工程计算的过程中，在一定的前提条件下，常常采用一些工程近似以简化问题。初学者需要特别注意工程近似的前提条件，以便正确解决问题，并使产生的误差在允许的范围内。
1.6 学习本课程的目的及方法
本课程是实践性很强的技术基础课，其目的是通过相关内容的学习，获得电子技术的基本理论、基本知识和基本技能，为学习后续课程及从事工程技术和科学研究奠定基础。
由于电子技术是一门以实验为基础的学科，实践性很强，因此在学习过程中，要注意理论联系实际。要熟悉有关测试仪器、设备的性能和正确的使用方法，通过实验培养分析问题和解决问题的能力。在日常生活中要注意身边与电子技术有关的设备和家用电器，有条件时多动手，以不断增强观察能力、思维能力和动手能力。
本章小结
● 介绍了电子技术学科的研究对象、研究意义和电子技术的发展历史，引入了相关的基本概念。
● 通过具体实例给出了电子系统的概念，讨论了本课程所涉及的各种信号的特点。模拟电路处理的是模拟信号，数字电路中运行的是数字信号。
● 信号放大电路是最基本的模拟信号处理电路。根据实际应用所要求的输入信号和输出信号之间的关系，放大电路可分为四种类型：电压放大、电流放大、互阻放大和互导放大。用输入电阻、输出电阻和受控电压源或受控电流源等基本元件，可建立起四种放大电路的简化模型，用于对放大电路基本特性的分析。根据电路分析的要求，这四种放大电路模型之间可实现相互转换。
第二部分 模拟电路
第2章 半导体器件基础
本章学习目标：
● 了解半导体的基础知识，掌握半导体器件的核心环节——PN结。
● 掌握半导体二极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数，二极管基本电路及其分析方法与应用，了解特殊二极管用途。
● 掌握半导体三极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数。
● 掌握场效应管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数。
半导体器件是构成各种模拟电路和数字电路的基础。本章首先简要介绍半导体的基础知识，接着讨论半导体器件的核心内容PN结的特性，并重点讨论半导体二极管、双极型三极管及场效应三极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数。
2.1 半导体的基本知识
导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，称之为半导体。在电子器件中，常用的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge）。
半导体有如下特点：
① 导电能力介于导体与绝缘体之间；
② 受到外界光和热的刺激时，其导电能力将会有显著变化；
③ 在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电能力会急剧增强。2.1.1 本征半导体
纯净的半导体称为本征半导体。由于其原子结构是晶体结构，故半导体管也称为晶体管。
半导体硅和锗的原子外层轨道上都有4个电子（通常称为价电子），两个相邻的原子共用1对价电子，形成共价键，如图2.1所示。在热力学温度零度时，共价键结构使价电子受原子核束缚较紧，无法挣脱其束缚，因此晶体中没有自由电子，半导体不能导电。
共价键上的某些电子受外界能量激发（如受热或光照）后会挣脱共价键束缚，成为带负电荷的自由电子。在电场力作用下，自由电子逆着电场方向做定向运动，形成电子电流。这时半导体具有一定的导电能力。常温下一般自由电子数量较少，所以半导体的导电能力很弱。
共价键上的电子挣脱共价键束缚成为自由电子的同时，在原来的位置留下一个空位，称为空穴。空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。
空穴出现后，对邻近原子共价键上的电子有吸引作用。如果邻近共价键的电子进来填补，则其共价键又会产生新的空穴，再吸引其他的电子来填补。从效果上看，相当于空穴沿着电子填补运动的反方向移动。为了与自由电子移动相区别，把这种电子的填补运动叫做空穴运动，形成的电流叫空穴电流。这种情况好比剧场中前座的观众走了出现了一个空位，后座的观众依次向前递补空位，如果以人为参照物，就好像空位在向后移动一样。图2.1 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图
所以，半导体中存在两种载流子：电子和空穴。电子带负电荷，空穴带正电荷。自由电子和空穴是两种电量相等、性质相反的载流子。所谓载流子，就是可以移动的电荷。
在本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现的，称为电子—空穴对。因此自由电子和空穴两种载流子的浓度是相等的。由于物质运动，半导体中的电子—空穴对不断产生，同时也不断会有电子填补空穴，使电子—空穴对消失，达到动态平衡时会有确定的电子—空穴对浓度。常温下，载流子很少，导电能力很弱。当温度升高或光照增强时，激发出的电子—空穴对数目增加，半导体的导电性能将增强。利用本征半导体的这种特性，可以制成热敏器件和光敏器件，例如热敏电阻和光敏电阻等，其阻值可以随温度的高低和光照射的强弱而变化。
本征半导体常温下很弱的导电能力，以及对热和光的敏感，决定了不能直接使用这种材料制造半导体器件。实际的器件材料是采用在本征半导体中掺入微量杂质形成的杂质半导体。2.1.2 杂质半导体
在本征半导体中掺入微量杂质形成杂质半导体后，其导电性能将发生显著变化。按掺入杂质的不同，杂质半导体可分为N型半导体和P型半导体。
1.N型半导体
如果在本征半导体硅（或锗）中掺入微量5价杂质元素，如磷、锑、砷等，由于杂质原子的最外层有5个价电子，当其中的4个与硅原子形成共价键时，就会有多余的1个价电子。这个电子只受自身原子核的吸引，不受共价键的束缚，室温下就能变成自由电子，如图2.2（a）所示。磷（或锑、砷）原子失去一个电子后，成为不能移动的正离子。掺入的杂质元素越多，自由电子的浓度就越高，数量就越多。并且在这种杂质半导体中，电子浓度远远大于空穴浓度。因此，电子称为多数载流子（简称多子），空穴称为少数载流子（简称少子）。在外电场的作用下，这种杂质半导体的电流主要是电子电流。由于电子带负电荷，因此这种以电子导电为主的半导体称为N型半导体（Negative的词头）。
2.P型半导体
如果在本征半导体硅（或锗）中掺入微量3价元素，如硼、镓、铟等，由于杂质原子的最外层有3个价电子，当它和周围的硅原子形成共价键时，将缺少1个价电子而出现1个空位（严格来说，此空位
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]