1、P1U1 A 電路電路或電網絡由以某種方式連接的電阻器、電感器和電容器等元件組成。如果網絡不包含能源，如電池或發電機，那么就被稱作無源網絡。換句話說，如果存在一個或多個能源，那么組合的結果為有源網絡。在研究電網絡的特性時，我們感興趣的是確定電路中的電壓和電流。因為網絡由無源電路元件組成，所以必須首先定義這些元件的電特性.就電阻來說，電壓-電流的關系由歐姆定律給出，歐姆定律指出：電阻兩端的電壓等于電阻上流過的電流乘以電阻值。在數學上表達為: u=iR (1-1A-1)式中 u=電壓，伏特；i =電流，安培；R = 電阻，歐姆。純電感電壓由法拉第定律定義，法拉第定律指出：電感兩端的電壓正

2、比于流過電感的電流隨時間的變化率。因此可得到：U=Ldi/dt 式中 di/dt = 電流變化率， 安培/秒； L = 感應系數， 享利。 電容兩端建立的電壓正比于電容兩極板上積累的電荷q 。因為電荷的積累可表示為電荷增量dq的和或積分，因此得到的等式為 u= ， 式中電容量C是與電壓和電荷相關的比例常數。由定義可知，電流等于電荷隨時間的變化率，可表示為i = dq/dt。因此電荷增量dq 等于電流乘以相應的時間增量，或dq = i dt， 那么等式 (1-1A-3) 可寫為式中 C = 電容量，法拉。歸納式(1-1A-1)、(1-1A-2) 和 (1-1A-4)描述的三種無源電路元件如圖1-

3、1A-1所示。注意，圖中電流的參考方向為慣用的參考方向，因此流過每一個元件的電流與電壓降的方向一致。 有源電氣元件涉及將其它能量轉換為電能，例如，電池中的電能來自其儲存的化學能，發電機的電能是旋轉電樞機械能轉換的結果。有源電氣元件存在兩種基本形式：電壓源和電流源。其理想狀態為：電壓源兩端的電壓恒定，與從電壓源中流出的電流無關。因為負載變化時電壓基本恒定，所以上述電池和發電機被認為是電壓源。另一方面，電流源產生電流，電流的大小與電源連接的負載無關。雖然電流源在實際中不常見，但其概念的確在表示借助于等值電路的放大器件，比如晶體管中具有廣泛應用。電壓源和電流源的符號表示如圖1-1A-2所示。分析電網

4、絡的一般方法是網孔分析法或回路分析法。應用于此方法的基本定律是基爾霍夫第一定律，基爾霍夫第一定律指出：一個閉合回路中的電壓代數和為0，換句話說，任一閉合回路中的電壓升等于電壓降。網孔分析指的是：假設有一個電流即所謂的回路電流流過電路中的每一個回 路，求每一個回路電壓降的代數和，并令其為零。考慮圖1-1A-3a 所示的電路，其由串聯到電壓源上的電感和電阻組成，假設回路電流i ，那么回路總的電壓降為 因為在假定的電流方向上，輸入電壓代表電壓升的方向，所以輸電壓在（1-1A-5）式中為負。因為電流方向是電壓下降的方向，所以每一個無源元件的壓降為正。利用電阻和電感壓降公式，可得等式(1-1A-6)是電

5、路電流的微分方程式。或許在電路中，人們感興趣的變量是電感電壓而不是電感電流。正如圖1-1A-1指出的用積分代替式(1-1A-6)中的i，可得1-1A-7，在對時間微分后，式1-1A-7變為1-1A-8，上式是電感電壓的微分方程。圖1-1A-3b給出了一個由電阻、電感和電容組成的串聯電路，根據上述的網孔分析法，可得電路方程式為1-1A-9由本文可知電流i=dq/dt，用dq/dt代替i變量以消除式中積分，可得二次微分方程為： P1U1 B 三相電路三相電路不過是三個單相電路的組合。因為這個事實，所以平衡三相電路的電流、電壓和功率關系可通過在三相電路的組合元件中應用單相電路的規則來研究。

6、這樣看來，三相電路比單相電路的分析難不了多少。使用三相電路的原因在單相電路中，功率本身是脈動的。在功率因數為1時，單相電路的功率值每個周波有兩次為零。當功率因數小于1時，功率在每個周波的部分時間里為負。  雖然供給三相電路中每一相的功率是脈動的，但可證明供給平衡三相電路的總功率是恒定的。基于此，總的來說三相電氣設備的特性優于類似的單相電氣設備的特性。三相供電的機械和控制設備與相同額定容量的單相供電的設備相比： 體積小， 重量輕，效率高。除了三相系統提供的上述優點，三相電的傳輸需要的銅線僅僅是同樣功率大小單相電傳輸所需銅線的3/4。三相電壓的產生三相電路可由三個頻率相同在時間相位上相差

7、120°電角度的電動勢供電。這樣的三相正弦電動勢如圖 1-1B-1 所示。這些電動勢由交流發電機的三套獨立電樞線圈產生，這三套線圈安裝在發電機電樞上，互相之間相差120°電角度。線圈的頭尾可以從發電機中全部引出，組成三個獨立的單相電路。然而一般線圈無論在內部或在外部均會相互連接，形成三線或四線三相系統。連接三相發電機線圈有兩種方法，一般來說，把任何類型的裝置連接到三相電路也存在兩種方法。它們是星（Y）形聯接和角（D）形聯接。大多數發電機是星（Y）形聯接，但負載可以是星（Y）形聯接或角（D）形聯接。 星（Y）形聯接發電機的電壓關系  圖1-1B-2a 表示發電機的三

8、個線圈或相繞組。這些繞組在電樞表面上是按它們產生的電動勢在時間相位上相差120°分布的。每一個線圈的兩端均標有字母S和F (起始和終結)。圖1-1B-2a中，所有標有S的線圈端連接到一個公共點N，三個標有F的線圈端被引出到接線端A、B和C ，形成三相三線電源。這種聯接形式被稱為Y形聯接。中性聯接經常被引出接到接線板上，如圖1-1B-2a 的虛線所示，形成三相四線系統。交流發電機每相產生的電壓被稱為相電壓（符號為Ep）。如果中性聯接從發電機中引出，那么從任一個接線端A、 B或 C到中性聯接N間的電壓為相電壓。三個接線端A、 B或 C 中任意兩個間的電壓被稱為線到線的電壓，或簡稱線電壓（

9、符號為EL）。三相系統的三相電壓依次出現的順序被稱為相序或電壓的相位旋轉。這由發電機的旋轉方向決定，但可以通過交換發電機外的三條線路導線中的任意兩條(不是一條線路導線和中性線)來改變相序。將三相繞組排列成如圖1-1B-2b 所示的Y形有助于Y形聯接電路圖的繪制。注意，圖1-1B-2b所示的電路與圖1-1B-2a所示的電路完全一樣，在每一種情況下，連接到中性點的每一個線圈的S端和F端都被引出到接線板。在畫出所有的接線點都標注了字母的電路圖后，繪制的相量圖如圖1-1B-2c所示。相量圖可顯示相隔120° 的三相電壓EAN EBN ECN請注意在圖1-1B-2中每一個相量用帶有兩個下標的字

10、母表示。這兩個下標字母表示電壓的兩個端點，字母順序表示在正半周時電壓的相對極性。例如，符號   EAN 表示點A和N間的電壓，在其正半周，A點相對于N點為正。在所示的相量圖中，已假定在正半周時發電機接線端相對于中性線為正。因為電壓每半周反一次相，所以我們也可規定在電壓的正半周A點相對于N點為負，但對每一相的規定要一樣。要注意到，如果是在電壓的正半周定義A點相對于N的極性(EAN) ，那么ENA在用于同一相量圖中時就應該畫得同EAN相反，即相位差為180°Y形聯接發電機的任意兩個接線端間的電壓等于這兩個接線端相對于中性線間的電位差。例如，線電壓EAB等于A

11、接線端相對于中性線間的電壓(EAN)減去B接線端相對于中性線間的電壓(EBN)。為了從EAN中減去EBN，必需將EBN反相，并把此相量加到EAN上。相量EAN和ENB幅值相等，相位相差60°，如圖1-1B-2c所示。由圖形可以看出通過幾何學可以證明EAB等于1.73乘以EAN或ENB。圖形結構如相量圖所示。因此，在對稱Y形聯接中,EL=1.73EP星（Y）形聯接發電機的電流關系 從發電機接線端A、 B和C (圖 1-1B-2)流到線路導線的電流必定從中性點N中流出，并流過發電機線圈。因此流過每一條線路導線的電流(IL)必定等于與其相連接的相電流(Ip)。在Y形聯接中IL=IPP1U2

12、 A 運算放大器像廣義放大器這樣的電子器件存在的一個問題就是它們的增益AU或AI取決于雙端口系統(m、b、RI、Ro等)的內部特性。器件之間參數的分散性和溫度漂移給設計工作增加了難度。設計運算放大器或Op-Amp的目的就是使它盡可能的減少對其內部參數的依賴性、最大程度地簡化設計工作。運算放大器是一個集成電路，在它內部有許多電阻、晶體管等元件。就此而言，我們不再描述這些元件的內部工作原理。運算放大器的全面綜合分析超越了某些教科書的范圍。在這里我們將詳細研究一個例子，然后給出兩個運算放大器定律并說明在許多實用電路中怎樣使用這兩個定律來進行分析。這兩個定律可允許一個人在沒有詳細了解運算放大

13、器物理特性的情況下設計各種電路。因此，運算放大器對于在不同技術領域中需要使用簡單放大器而不是在晶體管級做設計的研究人員來說是非常有用的。在電路和電子學教科書中，也說明了如何用運算放大器建立簡單的濾波電路。作為構建運算放大器集成電路的積木晶體管，將在下篇課文中進行討論。理想運算放大器的符號如圖1-2A-1所示。圖中只給出三個管腳：正輸入、負輸入和輸出。讓運算放大器正常運行所必需的其它一些管腳，諸如電源管腳、接零管腳等并未畫出。在實際電路中使用運算放大器時，后者是必要的，但在本文中討論理想的運算放大器的應用時則不必考慮后者。兩個輸入電壓和輸出電壓用符號U +、U -和Uo 表示。每一個電壓均指的是

14、相對于接零管腳的電位。運算放大器是差分裝置。差分的意思是：相對于接零管腳的輸出電壓可由下式表示(1-2A-1)式中 A 是運算放大器的增益，U + 和 U - 是輸入電壓。換句話說，輸出電壓是A乘以兩輸入間的電位差。 集成電路技術使得在非常小的一塊半導體材料的復合 “芯片”上可以安裝許多放大器電路。運算放大器成功的一個關鍵就是許多晶體管放大器“串聯”以產生非常大的整體增益。也就是說，等式(1-2A-1)中的數A約為100,000或更多 (例如，五個晶體管放大器串聯，每一個的增益為10，那么將會得到此數值的A )。 第二個重要因素是這些電路是按照流入每一個輸入的電流都很小這樣的原則來設計制作的。

15、第三個重要的設計特點就是運算放大器的輸出阻抗(Ro )非常小。也就是說運算放大器的輸出是一個理想的電壓源。我們現在利用這些特性就可以分析圖1-2A-2所示的特殊放大器電路了。首先，注意到在正極輸入的電壓U +等于電源電壓，即U + =Us。各個電流定義如圖1-2A-2中的b圖所示。對圖1-2A-2b的外回路應用基爾霍夫定律，注意輸出電壓Uo 指的是它與接零管腳之間的電位，我們就可得到（1-2A-2），因為運算放大器是按照沒有電流流入正輸入端和負輸入端的原則制作的，即I - =0。那么對負輸入端利用基爾霍夫定律可得 I1 = I2，利用等式(1-2A-2) ，并設 I1 =I2 =I ，

16、0;U0 = (R1 +R2 ) I (1-2A-3),根據電流參考方向和接零管腳電位為零伏特的事實，利用歐姆定律，可得負極輸入電壓U - ：(U-O)/R1=I,因此  U - =IR1 ，并由式 (1-2A-3)可得：U-=(R1/R1+R2)U0,因為現在已有了U+ 和U-的表達式，所以式(1-2A-1)可用于計算輸出電壓UO=，綜合上述等式，可得：(1-2A-4),最后可得：(1-2A-5a).這是電路的增益系數。如果A 是一個非常大的數，大到足夠使AR1 >> (R1 +R2)，那么分式的分母主要由AR1 項決定，存在于分子和分母的系數A 就可對消，增益可用下式

17、表示(1-2A-5b)，這表明，如果A 非常大，那么電路的增益與A 的精確值無關并能夠通過R1和R2的選擇來控制。這是運算放大器設計的重要特征之一 在信號作用下，電路的動作僅取決于能夠容易被設計者改變的外部元件，而不取決于運算放大器本身的細節特性。注意，如果A=100,000， 而(R1 +R2) /R1=10，那么為此優點而付出的代價是用一個具有100,000倍電壓增益的器件產生一個具有10倍增益的放大器。從某種意義上說，使用運算放大器是以 “能量”為代價來換取“控制” 。對各種運算放大器電路都可作類似的數學分析，但是這比較麻煩，并且存在一些非常有用的捷徑，其涉及目前我們提出的運算放大器兩個

18、定律應用。1) 第一個定律指出：在一般運算放大器電路中，可以假設輸入 端間的電壓為零，也就是說，U+=U-2) 第二個定律指出：在一般運算放大器電路中，兩個輸入電流可被假定為零：I+=I-=0 第一個定律是因為內在增益A的值很大。例，如果運算放大器的輸出是1V ，并且A=100,000, 那么(U+-U-)=10-5V 這是一個非常小、可以忽略的數，因此可設U+=U-。第二個定律來自于運算放大器的內部電路結構，此結構使得基本上沒有電流流入任何一個輸入端。P1U2 B    晶體管 簡單地說，半導體是這樣一種物質，它能夠通過“摻雜”來產生多余的電子，又稱自

19、由電子（N型）；或者產生“空穴”，又稱正電荷（P型）。由N型摻雜和P型摻雜處理的鍺或硅的單晶體可形成半導體二極管，它具有我們描述過的工作特性。晶體管以類似的方式形成，就象帶有公共中間層、背靠背的兩個二極管，公共中間層是以對等的方式向兩個邊緣層滲入而得，因此中間層比兩個邊緣層或邊緣區要薄的多。PNP 或 NPN (圖 1-2B-1)這兩種結構顯然是可行的。PNP或NPN被用于描述晶體管的兩個基本類型。因為晶體管包含兩個不同極性的區域（例如“P”區和“N”區），所以晶體管被叫作雙向器件，或雙向晶體管因此晶體管有三個區域，并從這三個區域引出三個管腳。要使工作電路運行，晶體管需與兩個外部電壓或極性連接

20、。其中一個外部電壓工作方式類似于二極管。事實上，保留這個外部電壓并去掉上半部分，晶體管將會象二極管一樣工作。例如在簡易收音機中用晶體管代替二極管作為檢波器。在這種情況下，其所起的作用和二極管所起的作用一模一樣。可以給二極管電路加正向偏置電壓或反向偏置電壓。在加正向偏置電壓的情況下，如圖1-2B-2所示的PNP 晶體管，電流從底部的P極流到中間的N極。如果第二個電壓被加到晶體管的頂部和底部兩個極之間，并且底部電壓極性相同，那么，流過中間層N區的電子將激發出從晶體管底部到頂部流過的電流。在生產晶體管的過程中，通過控制不同層的摻雜度，經過負載電阻流過第二個電路電流的導電能力非常顯著。實際上，當晶體管

21、下半部為正向偏置時，底部的P區就像一個取之不竭的自由電子源（因為底部的P區發射電子，所以它被稱為發射極）。這些電子被頂部P區接收，因此它被稱為集電極，但是流過這個特定電路實際電流的大小由加到中間層的偏置電壓控制，所以中間層被稱為基極。因此，當晶體管外加電壓接連正確（圖1-2B-3）后工作時，實際上存在兩個獨立的“工作”電路。一個是由偏置電壓源、發射極和基極形成的回路，它被稱為基極電路或輸入電路；第二個是由集電極電壓源和晶體管的三個區共同形成的電路，它被稱為集電極電路或輸出電路。（注意：本定義僅適用于發射極是兩個電路的公共端時被稱為共發射極連接。）這是晶體管最常見的連接方式，但是，當然也存在其它

22、兩種連接方法 共基極連接和共集電極連接。但是在每一種情況下晶體管的工作原理是相同的。本電路的特色是相對小的基極電流能控制和激發出一個比它大得多的集電極電流(或更恰當地說，一個小的輸入功率能夠產生一個比它大得多的輸出功率)。換句話說，晶體管的作用相當于一個放大器。在這種工作方式中，基極-發射極電路是輸入側；通過基極的發射極和集電極電路是輸出側。雖然基極和發射極是公共路徑，但這兩個電路實際上是獨立的，就基極電路的極性而言，基極和晶體管的集電極之間相當于一個反向偏置二極管，因此沒有電流從基極電路流到集電極電路。要讓電路正常工作，當然，加在基極電路和集電極電路的電壓極性必須正確（基極電路加正向偏置電壓

23、，集電極電源的連接要保證公共端（發射極）的極性與兩個電壓源的極性相同）。這也就是說電壓極性必須和晶體管的類型相匹配。在上述的PNP型晶體管中，發射極電壓必須為正。 因此，基極和集電極相對于發射極的極性為負。PNP 型晶體管的符號在發射極上有一個指示電流方向的箭頭，總是指向基極。（在PNP型晶體管中，“P”代表正） 。在NPN型晶體管中，工作原理完全相同，但是兩個電源的極性正好相反（圖1-2B-4）。也就是說，發射極相對于基極和集電極來說極性總是負的（在NPN型晶體管中，“N”代表負）。這一點也可以從NPN型晶體管符號中發射極上相反方向的箭頭看出來，即，電流從基極流出。 雖然現在生產的晶體管有上

24、千種不同的型號，但晶體管各種外殼形狀的數量相對有限，并盡量用一種簡單碼TO（晶體管外形）后跟一個數字為統一標準。TO1是一種最早的晶體管外殼即一個在底部帶有三個引腳的圓柱體“外罩”，這三個引腳在底部形成三角狀。觀看底部時，“三角形”上面的管腳是基極，其右面的管腳（由一個彩色點標出）為集電極，其左面的管腳為發射極。集電極引腳到基集引腳的間距也許比發射極到基集引腳的間距要大 。在其它TO外殼中，三個引腳可能有類似的三角形形狀（但是基極、集電極和發射極的位置不一定相同），或三個引腳排成一條直線。使人容易搞亂的問題是同一TO號碼的子系列產品其管腳位置是不一樣的 。例如，TO92 的三個管腳排成一條直線

25、，這條直線與半圓型“外罩”的切面平行，觀看TO92的底部時，將切面沖右，從上往下讀，管腳的排序為1，2，3。（注 otherwise circular“can”中的otherwise譯為不同的，特殊的。在這里“特殊的圓形外罩”指的應該是普通的圓柱體“外罩”在圓平面上畫一條小于等于直徑的弦，沿軸線方向切入后形成的半或大半圓柱體，切入后形成的剖面就是文中說的a flat side ，這也是現在很常見的一種晶體管外殼。）  對TO92子系列 a (TO92a):  1=發射極2=集電極 3=基極對TO92子系列 b (TO92b): 1=發射極2=基極 3=集電極 更容

26、易使人搞亂的是一些晶體管只有兩個管腳（第三個管腳已在里邊和外殼連接）；一些和晶體管的外形很像的外殼底部有三個以上的管腳。實際上，這些都是集成電路(ICs)，用和晶體管相同的外殼包裝的，只是看起來像晶體管。更復雜的集成電路（ICs） 用不同形狀的外殼包裝，例如平面包裝。根據外殼形狀非常容易識別功率晶體管。它們是金屬外殼，帶有延長的底部平面，底部平面上還有兩個安裝孔。功率晶體管只有兩個管腳（發射極和基極），通常會標明。集電極在內部被連接到外殼上，因此，與集電極的連接要通過一個裝配螺栓或外殼底面。P1U3  A 邏輯變量與觸發器 邏輯變量我們討論的雙值變量通常叫做邏輯變

27、量，而象或和與這樣的操作被稱為邏輯操作。現在我們將簡要地討論一下這些術語之間的關聯，并在此過程中，闡明用標示“真”和“假”來識別一個變量的可能值的特殊用途。舉例說明， 假設你和兩個飛行員在一架空中航行的飛機中，你在客艙中，而飛行員A和 B在駕駛員座艙中。在某一時刻，A來到了你所在的客艙中，你并不擔心這種變化。然而，假設當你和A 在客艙時，你抬頭發現B 也已經來到了你所在的客艙中。基于你的邏輯推理能力，你將會推斷飛機無人駕駛；并且，大概你已聽到了警報，以致使駕駛員之一將迅速對此緊急情況作出響應。換句話說，假設每一位飛行員座位下面有一個電子裝置，當座位上有人時，其輸出電壓為V1，當座位上無人時，其

28、輸出電壓為V2。現在我們用“真”來代表電壓V2，從而使電壓V1表示“假”。讓我們進一步制作一個帶有兩個輸入端和一個輸出端的電路，此電路的特性是：只要兩個輸入，即一個輸入同時和另一個輸入相與，結果為V2時，輸出電壓才是V2。否則，輸出是V1。最后，讓我們把輸入和飛行員A 和B 座位下的裝置聯結起來，并安裝一個與輸出Z相連的警鈴，當輸出是V2 (“真”)時響應，否則不響應。這樣，我們已創建了一個執行與操作的電路，這個電路能完成當兩個駕駛員確實都離開駕駛艙時飛機是無人駕駛的邏輯推斷。概括一下，情形如下：符號A、B和Z 代表命題A =飛行員A已離開座位為真（T）B = 飛行員B已離開座位為真（T）Z

29、= 飛機無人駕駛，處于危險狀況時為真（T）當然，  、  和    分別代表相反的命題。例如，  代表的命題是當飛行員離開駕駛艙等時為假（F），以此類推。命題間的關系可寫為 Z=AB        (1-3A-1)我們已經選擇用電壓來表示邏輯變量A、 B和Z 。但是必須注意，實際上式 (1-3A-1) 是命題間的關系，與我們選擇的表示命題的確切方式無關，甚至可以說與我們具有的任何物理表示形式無關。式(1-3A-1) 指出，如果命題A 和B都為真，那么命題Z就為真，否

30、則命題Z為假。式(1-3A-1)是一個例子，這種命題代數被稱為布爾代數。和其它處理有數字意義的變量一樣，布爾代數處理的是命題，而且布爾代數對于分析僅有兩個互反變量的命題之間的關系是一種有效的工具。SR 觸發器圖1-3A-1給出的一對交叉連接的或非門電路被稱為觸發器。其有一對輸入端S 和R ，分別代表“置位”和“復位”。我們不僅用符號S 和R 標明端點，而且指定端點的邏輯電平。因此，通常S=1指的是對應于邏輯電平為1的電壓出現在S 端。相似的，輸出端和相應的輸出邏輯電平為Q和    。使用這樣的符號時，我們已經明確了一個事實，即在我們下面將看到的符號操作中，輸出的邏

31、輯電平是互補的。觸發器基本的、最重要的特性是其具有“記憶”功能。也就是說，設置S 和R目前的邏輯電平為0和0，根據輸出的狀態，即可確定S 和R在其獲得當前電平之前的邏輯電平。術語為方便銜接下面的討論內容，介紹一些常見的術語，這有助于了解邏輯系統設計師中慣用的觀點。在與非和或非門（以及與和或門）中，當用其來達到我們的設計意圖時，我們能夠任意選擇一個輸入端，并把其看成是使能-失效輸入，因此可考慮或非或或門。如果被選的一個輸入為邏輯1，那么門電路的輸出與所有的其它輸入無關。這個被選的輸入可控制門電路，其它所有輸入相對于這個門電路是失效的 (術語“抑制” 的同義詞為“失效”)。相反，如果被選輸入為邏輯

32、0，那么它不能控制門電路，門電路能夠響應其它輸入。在與非或與門中，當被選輸入為邏輯0時，此輸入控制并截止門電路，因為一個輸入為邏輯0，那么門電路的輸出不能響應其它輸入。 注意一方面是或非門和或門間的區別，另一方面是與非門和與門間的區別。在第一種情況下，當控制輸入轉為邏輯1時，其可獲得門電路的控制；在第二種情況下，當控制輸入轉為邏輯0時，其可獲得門電路的控制。在數字系統中，普遍的觀點是把邏輯0看成一個基本的、無干擾的、穩定的、靜止的狀態，把邏輯1看成激勵的、活躍的、有效的狀態，就是說，這種狀態是發生在某種操作動作之后。因此，當作用已產生時，其傾向將是定義最后的狀態作為對某邏輯變量已轉為1的響應。

33、當“無操作發生” 時，邏輯變量為邏輯0。類似地，如果作用將通過邏輯變量的變化產生，那么最好是以這樣的方式定義有關的邏輯變量，即當邏輯變量轉為邏輯1時達到此效果。在我們對觸發器的討論中，將看到持有此種觀點的例子 P1U3 B   二進制數字系統概述大約在1850年由喬治·布爾提出的代數學中，變量僅允許具有兩個值，真或假，通常被寫為1和0，對這些變量的代數運算是與、或和非。在1938年，香農認識到了此代數形式和電氣開關系統功能間的相似之處，在這種開關中存在有通-斷兩種狀態的器件。布爾代數的推理過程由充當邏輯電路的開關完成。已有大量集成電路可完成脈沖信號的邏輯

34、操作，這些脈沖信號采用二進制數字系統，并利用電子器件的關斷和導通作為二進制系統的兩種狀態。二進制數字系統和其它代碼為了用晶體管直接計算十進制數，要求晶體管認識這10個狀態 0、1、9，此操作要求的精度是電子器件并不具備的。將導通和關斷作為工作狀態，這樣的裝置可以在兩態即二進制系統中運行，因此數字計算機中的內部操作一般采用二進制系統。在十進制系統中，基數或底數為10，小數點左邊或右邊的每一個位都表示其權重增加或減少10的一次冪。在二進制系統中，底數為2，二進制小數點左邊或右邊的位具有的權重以2的冪次增加或減少。數字可被編碼為兩個電平的脈沖串，通常標為1或0，如圖1-3B-1所示。1-3B-1b

35、中的脈沖序列能夠譯為：二進制：1´25 + 0´24 + 1´23 + 0´22 + 1´2 1 + 1´20 = 101011十進制： 32  +  0  +  8  +  0   +   2  +  1 =  43 相反，在把十進制數43轉換為二進制形式的過程中，可使其連續被2除。每一次除后所得余數0或1即是二進制數的位數。十進制數43的轉化過程：等價于十進制數43的二進制數為101011。雖然二進制數

36、僅需兩個信號電平，這種簡化的獲得是以附加的位數為代價的。在以r 為底數的數制中表示n 位十進制數，需要m 位。其中m=n/lgr等式右邊是一個整數，或選擇下一個較大的整數。對于一個10位的十進制數，可得m=33.2 ，因此必須使用34位二進制數。二進制位叫作比特。寫為0.1101的二進制小數意味著0.1101 = 1´2 -1 + 1´2 -2 + 0´2 -3 + 1´2 -4= 1/2  + 1/4  + 0  + 1/16二進制數0.1101表示為十進制數  = 0.500 + 0.250 + 0.062 =

37、 0.812小于1的十進制數的轉換可通過連續乘2獲得。對于結果在小數點左邊為1的每一步，記錄二進制數1，然后繼續計算所得十進制數的小數部分。對于結果在小數點左邊為0的每一步，記錄二進制位0，然后繼續計算。把十進制數0.9375轉化為二進制數，運算如下：等價于十進制數0.9375的二進制數可寫為0.11110。最高位是第一個獲得的二進制位，放置在二進制小數點的右邊。十進制數0到15的二進制等值表為: 給出一串正脈沖和負脈沖，或正脈沖和零，或者零和負脈沖來表示二進制的1和0時，就會有許多這些脈沖可以傳遞的碼。計算機輸入最常見的碼就是BCD碼，每一個十進制數需要四個脈沖或二進制數。用此種代碼，每一個

38、十進制位轉化為其二進制等值數如上表所示，也就是說，十進制數827用BCD碼表示為  1000     0010     0111計算機通過算術運算，能夠容易地把此類輸入轉化為純二進制形式。解碼器也能夠把BCD碼轉化為十進制形式。BCD碼在傳輸中不需附加位的情況下，能夠擴大到十進制數15， 成為十六進制碼，通常使用字母a、 b、 .、f 來表示10到15。 在某些計算機操作中應用的另一種碼是八進制或8為底數的數制。采用的符號為0、1、2L、7，十進制數24可被寫為八進制數30(3´81 +0

39、80;80)。八進制數字的二進制譯碼僅需要BCD表中三個最小的有效位，八進制數30的二進制譯碼為011 000。因為十進制數24用純二進制形式可寫為11000 ，用八進制譯碼形式可寫為011 000，所以需要指出二進制數字轉換為八進制數字的簡易方法。以三個位為一組劃分二進制數，每一組顯示為一個等值的八進制譯碼數，例如，十進制數1206以二進制表示為10010110110，以三個位為一組，可得：二進制：  010  010  110  110八進制：2  2  6 6八進制數是2266。通過使用導電塊上的電刷，光學讀卡機或碼盤，經常用格

40、雷碼將角位移或直線位移轉換為二進制數。由于組合誤差，不能同時變化兩個數位以免產生不確定性。設計的格雷碼就是為了解決此問題，其在二進制數的每一步變換中，僅需變化一個位。此碼的一種形式是其它一些碼被設計來降低傳輸誤差，在這些碼中將1變為0或將0變為1。通常，檢測單一誤差的代碼可通過把檢驗位與原始碼相加獲得。合成碼將有偶數個或奇數個1，這些碼被稱為偶數奇偶校驗碼或奇數奇偶校驗碼，例如0000 的奇數奇偶校驗碼將是10000；在任何位的誤差將使結果具有偶數個1，接收裝置將會進行校正。多重誤差可通過更為復雜的代碼形式探測P1U4 A   功率半導體器件功率半導體器件構成了現代電力電子

41、設備的核心。它們以通-斷開關矩陣的方式被用于電力電子轉換器中。開關式功率變換的效率更高。現今的功率半導體器件幾乎都是用硅材料制造，可分類如下：二極管晶閘管或可控硅雙向可控硅門極可關斷晶閘管雙極結型晶體管電力金屬氧化物半導體場效應晶體管靜電感應晶體管絕緣柵雙極型晶體管金屬氧化物半導體控制的晶閘管集成門極換向晶閘管二極管電力二極管提供不可控的整流電源，這些電源有很廣的應用，如：電鍍、電極氧化、電池充電、焊接、交直流電源變頻驅動。它們也被用于變換器和緩沖器的回饋和慣性滑行功能。典型的功率二極管具有P-I-N結構，即它幾乎是純半導體層（本征層），位于P-N結的中部以阻斷反向電壓。圖1-4A-1給出了二

42、極管符號和它的伏安特性曲線。在正向偏置條件下，二極管可用一個結偏置壓降和連續變化的電阻來表示，這樣可畫出一條斜率為正的伏安特性曲線。典型的正向導通壓降為1.0伏。導通壓降會引起導通損耗，必須用合適的吸熱設備對二極管進行冷卻來限制結溫上升。在反向偏置條件下，由于少數載流子的存在，有很小的泄漏電流流過，泄漏電流隨電壓逐漸增加。如果反向電壓超過了臨界值，叫做擊穿電壓，二極管雪崩擊穿，雪崩擊穿指的是當反向電流變大時由于結功率損耗過大造成的熱擊穿。電力二極管分類如下:標準或慢速恢復二極管快速恢復二極管肖特基二極管 晶閘管閘流管或可控硅一直是工業上用于大功率變換和控制的傳統設備。50年代后期，這種裝置的投

43、入使用開辟了現代固態電力電子技術。術語“晶閘管”來自與其相應的充氣管等效裝置，閘流管。通常，晶閘管是個系列產品的總稱，包括可控硅、雙向可控硅、門極可關斷晶閘管、金屬氧化物半導體控制的晶閘管、集成門極換向晶閘管。晶閘管可分成標準或慢速相控型，快速開關型，電壓回饋逆變器型。逆變器型現已淘汰。圖1-4A-2給出了晶閘管符號和它的伏安特性曲線。基本上，晶閘管是一個三結P-N-P-N 器件，器件內P-N-P 和N-P-N 兩個三極管按正反饋方式連接。晶閘管可阻斷正向和反向電壓（對稱阻斷）。當陽極為正時，晶閘管可由一個短暫的正門極電流脈沖觸發導通；但晶閘管一旦導通，門極即失去控制晶閘管關斷的能力。晶閘管也

44、可由陽極過電壓、陽極電壓的上升率（dv/dt）、結溫的上升、PN結上的光照等產生誤導通。在門電流IG = 0時，如果將正向電壓施加到晶閘管上，由于中間結的阻斷會產生漏電流；如果電壓超過臨界極限（轉折電壓），晶閘管進入導通狀態。隨著門極控制電流IG 的增加，正向轉折電壓隨之減少，最后，當門極控制電流IG= IG3時，整個正向阻斷區消失，晶閘管的工作狀態就和二極管一樣了。在晶閘管的門極出現一個最小電流，即阻塞電流，晶閘管將成功導通。 在導通期間，如果門極電流是零并且陽極電流降到臨界極限值以下，稱作維持電流，晶閘管轉換到正向阻斷狀態。相對反向電壓而言，晶閘管末端的P-N 結處于反向偏置狀態。現在的晶

45、閘管具有大電壓（數千伏）、大電流（數千安）額定值。雙向可控硅雙向可控硅有復雜的復結結構，但從功能上講，它是在同一芯片上一對反并聯的相控晶閘管。圖1-4A-3給出了雙向可控硅的符號。在電源的正半周和負半周雙向可控硅通過施加門極觸發脈沖觸發導通。在+工作方式，T2端為正，雙向可控硅由正門極電流脈沖觸發導通。在-工作方式，T1端為正，雙向可控硅由負門極電流脈沖觸發導通。雙向可控硅比一對反并聯的晶閘管便宜和易于控制，但它的集成結構有一些缺點。由于少數載流子效應，雙向可控硅的門極電流敏感性較差，關斷時間較長。由于同樣的原因，重復施加的dv/dt 額定值較低，因此用于感性負載比較困難。雙向可控硅電路必須有

46、精心設計的RC 沖器。雙向可控硅用于電燈的亮度調節、加熱控制、聯合型電機驅動、50/60赫茲電源頻率的固態繼電器。門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管，顧名思義，是一種晶閘管類型的器件。同其他晶閘管一樣，它可以由一個小的正門極電流脈沖觸發，但除此之外，它還能被負門極電流脈沖關斷。GTO 的關斷能力來自由門極轉移P-N-P 集電極的電流，因此消除P-N-PN-P-N 的正反饋效應。GTO 有非對稱和對稱電壓阻斷兩種類型，分別用于電壓回饋和電流回饋變換器。 GTO 的阻斷電流增益定義為陽極電流與阻斷所需的負門極電流之比，典型值為4或5，非常低。這意味著6000安培的GTO 需要1,500安培的門極電流

47、脈沖。但是，脈沖化的門極電流和與其相關的能量非常小，用低壓電力MOS場效應晶體管提供非常容易。GTO被用于電機驅動、靜態無功補償器和大容量AC/DC 電源。大容量GTO的出現取代了強迫換流、電壓回饋的可控硅換流器。圖1-4A-4給出了GTO的符號。電力MOS場效應晶體管與以前討論的器件不同，電力MOS場效應晶體管是一種單極、多數載流子、“零結”、電壓控制器件。圖1-4A-5給出了N型MOS場效應晶體管的符號。如果柵極電壓為正并且超過它的門限值，N 型溝道將被感應，允許在漏極和源極之間流過由多數載流子（電子）組成的電流。雖然柵極阻抗在穩態非常高，有效的柵源極電容在導通和關斷時會產生一個脈沖電流。

48、MOS場效應晶體管有不對稱電壓阻斷能力，如圖所示內部集成一個通過所有的反向電流的二極管。二極管具有慢速恢復特性，在高頻應用場合下通常被一個外部連接的快速恢復二極管旁路。  雖然對較高的電壓器件來說，MOS場效應晶體管處于導通時損耗較大，但它的導通和關斷時間非常小，因而開關損耗小。它確實沒有與雙極性器件相關的少數載流子存儲延遲問題。雖然在靜態MOS場效應晶體管可由電壓源來控制，通常的做法是在動態由電流源驅動而后跟隨一個電壓源來減少開關延遲。 MOS場效應晶體管在低壓、小功率和高頻（數十萬赫茲）開關應用等領域得到極其廣泛的應用。譬如開關式電源、無刷直流電機、步進電機驅動和固態直流繼電器。

49、絕緣柵雙極型晶體管在20世紀80年代中期出現的絕緣柵雙極型晶體管是功率半導體器件發展歷史上的一個重要里程碑。它們在中等功率（數千瓦到數兆瓦）的電力電子設備上處處可見，被廣泛用于直流/交流傳動和電源系統。它們在數兆瓦功率級取代了雙極結型晶體管，在數千瓦功率級正在取代門極可關斷晶閘管。IGBT 基本上是混合的MOS 門控通斷雙極性晶體管，它綜合了MOSFET 和BJT 的優點。它的結構基本上與MOSFET 的結構相似，只是在MOSFET 的N+漏極層上的集電極加了一個額外的P+層。 IGBT有MOSFET 的高輸入阻抗和像BJT 的導通特性。如果門極電壓相對于發射極為正，P 區的N 型溝道受到感應

50、。這個P-N-P 晶體管正向偏置的基極發射極結使IGBT導通并引起 N區傳導性調制，這使得導通壓降大大低于MOSFET 的導通壓降。在導通條件下，在IGBT 的等效電路中，驅動器MOSFET 運送大部分的端子電流。由寄生N-P-N 晶體管引起的與晶閘管相似的阻塞作用通過有效地減少P+層電阻系數和通過MOSFET 將大部分電流轉移而得到預防。IGBT通過減小門極電壓到零或負電壓來關斷，這樣就切斷了P 區的導通通道。IGBT比BJT 或MOSFET 有更高的電流密度。IGBT 的輸入電容(Ciss)比MOSFET 的要小得多。還有，IGBT的門極集電極電容與門極發射極電容之比更低，給出了改善的密勒

51、反饋效應。金屬氧化物半導體控制的晶閘管金屬氧化物半導體控制的晶閘管(MCT)，正像名字所說的那樣，是一種類似于晶閘管，通過觸發進入導通的混合器件，它可以通過在MOS 門施加一個短暫的電壓脈沖來控制通斷。MCT 具有微單元結構，在那里同一個芯片上數千個微器件并聯連接。單元結構有點復雜。 圖1-4A-7 給出了MCT 的符號。它由一個相對于陽極的負電壓脈沖觸發導通，由一個相對于陽極的正電壓脈沖控制關斷。MCT 具有類似晶閘管的P-N-P-N 結構，在那里P-N-P 和N-P-N 兩個晶體管部件連接成正反饋方式。但與晶閘管不同的是MCT只有單極（或不對稱）電壓阻斷能力。如果MCT 的門極電壓相對于陽

52、極為負，在P 型場效應晶體管中的P 溝道受到感應，使N-P-N 晶體管正向偏置。這也使 P-N-P 晶體正向偏置，由正反饋效應MCT進入飽和狀態。在導通情況下，壓降為1伏左右（類似于晶閘管）如果MCT 的門極電壓相對于陽極為正，N 型場效應晶體管飽和并將P-N-P 晶體管的發射極-基極短路。這將打破晶閘管工作的正反饋環，MCT關斷。關斷完全是由于再結合效應因而MCT 的關斷時間有點長。MCT 有限定的上升速率，因此在MCT 變換器中必須加緩沖器電路。最近，MCT 已用于“軟開關”變換器中，在那不用限定上升速率。盡管電路結構復雜，MCT的電流卻比電力 MOSFET、BJT和IGBT的大，因此它需

53、要有一個較小的死區。1992年在市場上可見到MCT，現在可買到中等功率的MCT。MCT的發展前景尚未可知。集成門極換向晶閘管集成門極換向晶閘管是當前電力半導體家族的最新成員，由ABB 在1997年推出。圖1-4A-8給出了IGCT 的符號。基本上，IGCT是一個具有單位關斷電流增益的高壓、大功率、硬驅動不對稱阻塞的GTO。這表示具有可控3,000安培陽極電流的4,500 V IGCT需要3,000安培負的門極關斷電流。這樣一個持續時間非常短、di/dt非常大、能量又較小的門極電流脈沖可以由多個并聯的MOSFET來提供，并且驅動電路中的漏感要特別低。 門驅動電路內置在IGCT模塊內。IGCT內有

54、一對單片集成的反并聯二極管。導通壓降、導通時電流上升率di/dt 、門驅動器損耗、少數載流子存儲時間、關斷時電壓上升率dv/dt 均優于GTO 。IGCT更快速的通斷時間使它不用加緩沖器并具有比GTO 更高的開關頻率。多個IGCT可以串聯或并聯用于更大的功率場合。IGCT已用于電力系統連鎖電力網安裝（100兆伏安）和中等功率（最大5兆瓦）工業驅動。  P1U4 B   電力電子變換器電力電子變換器能將電力從交流轉換為直流（整流器），直流轉換為直流（斬波器），直流轉換為交流（逆變器），同頻率交流轉換為交流（交流控制器），變頻率交流轉換為交流（周波變換器）。

55、它們是四種類型的電力電子變換器。變換器被廣泛用于加熱和燈光控制，交流和直流電源，電化學過程，直流和交流電極驅動，靜態無功補償，有源諧波濾波等等。整流器 整流器可將交流轉換成直流。整流器可由二極管、可控硅、GTO、 IGBT、IGCT等組成。二極管和相控整流器是電力電子設備中份額最大的部分，它們的主要任務是與電力系統連接。由于器件開通時損耗低，且其開關損耗幾乎可忽略不計，故該類整流器的效率很高，典型值約為98。但是，它們的缺點是在電力系統中產生諧波，對其他用戶產生供電質量問題。此外，晶閘管變換器給電力系統提供了一個滯后的低功率因數負載。二極管整流器是最簡單、可能也是最重要的電力電子電路。因為功率

56、只能從交流側流向直流側，所以它們是整流器。最重要的電路配置包括單相二極管橋和三相二極管橋。常用的負載包括電阻性負載、電阻-電感性負載、電容-電阻性負載。圖1-4B-1給出了帶RC負載的三相二極管橋式整流器。逆變器逆變器是從一側接受直流電壓，在另一側將其轉換成交流電壓的裝置。根據應用情況，交流電壓和頻率可以是可變的或常數。逆變器可分成電壓源型和電流源型兩種。電壓源型逆變器在輸入側應有一個剛性的電壓源，即，電源的戴維南電路等效阻抗應該為零。如果電源不是剛性的，再輸入側可接一個大電容。直流電壓可以是固定的或可變的，可從電網或交流發電機通過一個整流器和濾波器得到。電流注入或電流源型逆變器，像名字所表示

57、的那樣，在輸入側有一個剛性的直流電流源，與電壓源型逆變器需要一個剛性的電壓源相對應。通過串聯大電感，可變電壓源可以在電流反饋控制回路的控制下轉換為可變電流源。這兩種逆變器都有著廣泛的應用。它們使用的半導體器件可以是IGBT、電力MOSFET和IGCT等等。圖1-4B-2給出了一種三相橋式電壓源型逆變器的常見電路。 斬波器斬波器將直流電源轉換成另一個具有不同終端參數的直流電源。它們被廣泛用于開關式電源和直流電機啟動。其中一些斬波器，尤其是電源中的斬波器，有一個隔離變壓器。斬波器經常在不同電壓的直流系統中用作連接器。降壓和升壓斬波器是兩種基本的斬波器結構。分別稱作Buck 斬波器和Boost 斬波

58、器。但是，要清楚降壓斬波器也是升流斬波器，反之亦然，因為輸入功率一定等于輸出功率。降-升壓斬波器既可降壓也可升壓。所有這些斬波器在電路結構上可有一、二、四象限的變化。 圖1-4B-3給出了降壓斬波器的電路結構，它是一種電壓降、電流升斬波器。雙位開關由電路開關S和二極管組成。開關S以1/Ts 的頻率通斷，導通時間為。電壓波形如圖1-4B-4所示。 因此平均輸出電壓為平均電流為 D為占空比，變化范圍是01。Is為直流電源輸出的平均電流。周波變換器周波變換器是一種變頻器，它將頻率固定的交流電轉換成不同頻率的交流電，具有一步變換過程。相控晶閘管變換器很容易被擴展為周波變換器。自控式交流開關，通常由IG

59、BT 組成，很容易被用作高頻鏈接周波變換器。晶閘管相控周波變換器被廣泛用于大功率工業應用。圖1-4B-5給出了周波變換器的框圖。對驅動交流電機的工業用周波變換器而言，輸入的50/60赫茲交流電在輸出側被轉換成可變頻、變壓的交流電來驅動電機。輸出頻率可從零（整流器工作）到一個上限值之間變化，上限值總是低于輸入頻率（降頻周波變換器），功率流可以是可逆的用于四象限電機速度控制。在變速恒頻系統中，輸入功率由與可調速渦輪機連接的同步發電機提供。如果同步發電機勵磁可調，則同步發電機電壓可調，但輸出頻率總是正比于渦輪機速度。周波變換器的作用是調解輸出頻率恒定（通常60或400赫茲）。圖1-4B-5給出了變頻轉換框圖。圖1-4B-5a 一般用于先將輸入交流整流，然后通過逆變器轉換成可變頻交流。圖1-4B-5b，輸入交流先通過升頻周波變換器轉換成高頻交流，再由降頻周波變換器轉換成可變頻交流。P2U1 A  控制的世界簡介 控制一詞的含義一般是調節、指導或者命令。控制系統大量存在于我們周圍。在最抽象的意義上說，每個物理對象都是一個控制系統。控制系統被人們用來擴展自己的能力，補償生理上的限制，或把自己從常規、單調的工作中解脫出來，或者用來節省開支。例如在現代航空器中，功率助推裝置可以把飛行員的力量放大，從而克服巨大的空氣阻力推動飛行控制翼面。飛行員的反應速度太