1.1、分立元件

分立元件是與集成電路（俗話說“芯片”）相對而言的，就是指普通的電阻、電容、晶體管等電子元件，統(tǒng)稱分立元件。如老式的彩電電源電路部分大部分仍采用的分立元件組成的電路，用的集成電路很少。因為集成電路是采用一定的制造工藝將所有元器件都制作在一小塊硅片上形成的電路。其優(yōu)點是成本低、體積小、重量輕、功耗低、可靠性高,且便于維修。

1.1.1、電阻器

電阻器在日常生活中一般直接稱為電阻。是一個限流元件，阻值不能改變的稱為固定電阻器；阻值可變的稱為電位器或可變電阻器。電阻的主要物理特征是變電能為熱能，電阻在電路中通常起限流、分壓的作用。對信號來說，交流與直流信號都可以通過電阻。電阻在電路中通常起分壓、分流的作用。對信號來說，交流與直流信號都可以通過電阻。

電阻器的種類很多大致可分為：固定電阻、可變電阻、敏感電阻等。

1）固定電阻

常見的固定電阻有：碳膜電阻器（RT）、金屬電阻器（RJ）、繞線電阻器（RX）、片狀電阻

碳膜電阻器（RT）：這種電阻器的電阻體是在高溫下將碳?xì)浠衔餆岱纸猱a(chǎn)生的碳沉積在瓷棒或瓷管表面而制成的。（優(yōu)點：成本低；缺點：穩(wěn)定性低，誤差大；）碳膜電阻器目前在我國生產(chǎn)量最大、應(yīng)用范圍也最廣，如在收音機、錄放機、電視機及其他一些電子設(shè)備和儀器中都廣泛應(yīng)用到碳膜電阻器。

金屬電阻器（RJ）：是用陰極濺射或真空蒸發(fā)等工藝，讓合金粉沉積在陶瓷基體的表面上，并讓其形成一層薄薄的金屬膜或合金膜。通過改變金屬膜厚度或刻槽可以精確地控制其電阻值。（優(yōu)點：穩(wěn)定性好，精密；缺點：成本高；）金屬膜電阻器在要求較高的通信機、雷達機、醫(yī)療和電子儀器中得到廣泛應(yīng)用，在收音機、錄音機、電視機等民用電子產(chǎn)品中也得到較多的使用。

繞線電阻器（RX）：用高電阻率的鎳鉻合金或錳銅等合金金屬線在絕緣骨架上繞制而成的。（優(yōu)點：精度高、耐高溫[300℃]，缺點：不宜用于高頻電路）

片狀電阻：主要用于SMT技術(shù)中，它的優(yōu)點是體積小節(jié)約空間，常用于手機、MP3等電子產(chǎn)品中。

除了上述的幾種，還有合成膜電阻器(RH型)、有機實芯電阻器(Rs型)、無機實芯電阻器(RN型)、金屬氧化膜電阻器(RY型)、化學(xué)沉積膜電阻器(RG型)、玻璃釉膜電阻器(RI型)等。

2）可變電阻、敏感電阻

常見的可變電阻器是滑線式電阻器，多為線繞電阻，我們初中接觸電路是常常用的滑動變阻器就是這種；

敏感電阻：電阻值隨所處環(huán)境的某種物理量(如溫度、濕度、光強、電壓、氣體濃度等)的變化而變化，也稱電阻型敏感元件。這類電阻器在自動檢測和控制電路中應(yīng)用廣泛。

1.1.2、電容器

電容是指容納電荷的能力。兩個相互靠近的導(dǎo)體，中間夾一層不導(dǎo)電的絕緣介質(zhì)，這就構(gòu)成了電容器。當(dāng)電容器的兩個極板之間加上電壓時，電容器就會儲存電荷，形成電壓（電勢差），但是由于中間的絕緣物質(zhì)，所以整個電容器是不導(dǎo)電的。我們知道，任何物質(zhì)都是相對絕緣的，當(dāng)物質(zhì)兩端的電壓加大到一定程度后，物質(zhì)都是可以導(dǎo)電的，我們稱這個電壓為擊穿電壓。電容也不例外，電容被擊穿后，就不是絕緣體了。但是，在交流電路中，因為電流的方向是隨時間成一定的函數(shù)關(guān)系變化的。而電容器充放電的過程是有時間的，這個時候，在極板間形成變化的電場，而這個電場也是隨時間變化的函數(shù)。因此，電容器在調(diào)諧、旁路、耦合、濾波等電路中起著重要的作用。

電容器的種類也很多，制造材料的不同大致可分為：電解電容、瓷介電容、滌綸電容、鉭電容、聚丙烯電容等。

1）電解電容

如鋁電解電容，是一種有極性的電容，需要分正負(fù)極，一般用于直流或低頻電路（而無極性電容，一般用于交流電路），一般黑色和綠色的鋁電解電容也是我們最常用的電容，用于整流后的濾波，而藍色、金色和橙色用于精密電路，比如音頻信號的耦合等。

而鉭電解電容，體積小穩(wěn)定性高，一般用于要求較高的電路定時、延時。

2）瓷介電容器

容量比較小，適用于超高頻信號的旁路、耦合、濾波等。

3）滌綸電容

用于中低頻電路，如信號耦合、旁路、隔直等，不宜在高頻電路中使用。

1.1.3、電感器

電感器(Inductor)是能夠把電能轉(zhuǎn)化為磁能而存儲起來的元件。電感器具有一定的電感，它只阻礙電流的變化。如果電感器在有電流通過的狀態(tài)下，電路斷開時它將試圖維持電流不變。

自1831年英國法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的鐵芯線圈。19世紀(jì)中期，電感器在電報、電話等裝置中得到實際應(yīng)用。

電感器的特性與電容器的特性正好相反，它具有阻止交流電通過而讓直流電順利通過的特性。直流信號通過線圈時的電阻就是導(dǎo)線本身的電阻壓降很??；當(dāng)交流信號通過線圈時，線圈兩端將會產(chǎn)生自感電動勢，自感電動勢的方向與外加電壓的方向相反，阻礙交流的通過，所以電感器的特性是通直流、阻交流，頻率越高，線圈阻抗越大。

電感器的電感大小與線圈的結(jié)構(gòu)有關(guān)，線圈繞的匝數(shù)越多，電感越大；在同樣的匝數(shù)情況下，線圈增加了磁芯后，電感量增加。

電感器的特性：通低頻信號，阻高頻信號；通直流信號，阻交流信號。

1.1.4、二極管

半導(dǎo)體，指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料。是一種導(dǎo)電性可受控制，范圍可以從絕緣體至導(dǎo)體之間的材料。常見的半導(dǎo)體材料：硅、鍺、砷化鎵。應(yīng)用最廣泛的還是硅。

二極管就是用半導(dǎo)體材料(硅、硒、鍺等)制成的一種電子器件。它具有單向?qū)щ娦阅埽?即給二極管陽極加上正向電壓時，二極管導(dǎo)通。當(dāng)給陽極和陰極加上反向電壓時，二極管截止。

二極管是最早誕生的半導(dǎo)體器件之一，其應(yīng)用非常廣泛。二極管是最早誕生的半導(dǎo)體器件之一，其應(yīng)用非常廣泛。無論是在常見的收音機電路還是在其他的家用電器產(chǎn)品或工業(yè)控制電路中，都可以找到二極管的蹤跡。

二極管就是由一個PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線及管殼封裝而成的。

常見的二極管有兩種材料的：硅二極管（0.6~0.7V）、鍺二極管（0.2~0.3V）。

按用途可以分為：整流二極管、檢波二極管、發(fā)光二極管、穩(wěn)壓二極管、光電二極管、開關(guān)二極管和快恢復(fù)二極管。

1）二極管的靜態(tài)特性

正向?qū)?/p>

反向截止

注：正向?qū)赡芤螂娏鬟^大而導(dǎo)致二極管燒壞，反向截止當(dāng)達到擊穿電壓后反向擊穿。

例如：單向?qū)щ娦裕梢宰鏖_關(guān)）

2）二極管的動態(tài)特性

當(dāng)二極管加正向電壓V_F時，正向?qū)ㄓ须娏鱅_F;當(dāng)加反向電壓-V_R時,反向電流并不是一下就消失，而是有一小段時間(t_s)有個反向電流I_R，之后電流逐漸下降接近0。

反向恢復(fù)時間：t_{re}=t_s+t_t

產(chǎn)生反向恢復(fù)時間的原因，是P區(qū)N區(qū)電子的運動趨于穩(wěn)定的過程。

開通時間：截止轉(zhuǎn)為正向?qū)ㄋ璧臅r間，主要由外部參數(shù)決定，開通時間與反向恢復(fù)時間相比很小，可以忽略不計。

3）半波整流

1.1.5、三極管

半導(dǎo)體三極管又稱為“晶體三極管”或“晶體管”。在半導(dǎo)體硅或鍺的單晶上制備兩個相互影響的PN結(jié)，組成一個PNP（或NPN）結(jié)構(gòu)。

在高中我們學(xué)習(xí)過核外電子的排布，每一層最多排2n^2個電子，且最外層不能超過8個電子。比如我們的硅，原子序數(shù)14，在元素周期表中它位于金屬和非金屬的過渡位置，它的核外電子分布[2,8,4]，最外層4個電子，要趨于8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，它即不容易得到電子也不容易失去電子。

其次，我們再來復(fù)習(xí)一下化學(xué)鍵相關(guān)的概念。

離子鍵：使帶相反電荷的陰陽離子結(jié)合的相互作用。

離子化合物：陰陽離子通過靜電作用形成的化合物。一定含離子鍵，也可能含共價鍵。一般來說金屬容易失去電子，所以一般含金屬元素和氨根NH_4^+（除了AlCl_3、BeCl_2）形成的化合物就是離子化合物。離子化合物在熔融或溶于水的情況下導(dǎo)電。

共價鍵：原子間通過共用電子對所形成的強烈的相互作用。

共價化合物：分子中直接相鄰的原子均以共價鍵相結(jié)合形成的化合物。只含共價鍵的原子或分子（一定含極性鍵）。大多數(shù)不導(dǎo)電，只有少部分溶于水可導(dǎo)電。

界定離子化合物和共價化合物的可以在熔融狀態(tài)下是否導(dǎo)電來區(qū)分，熔融狀態(tài)下能導(dǎo)電的一定是離子化合物。

純凈的硅原子與硅原子之間形成共價鍵就不容易失去電子。但是在一定的外力（賦予能量，加熱）電子也會掙脫束縛。（熱能轉(zhuǎn)換為電能）電子的定向運動形成電流。但是為了加強硅的導(dǎo)電性，往往會摻一些雜志增強其導(dǎo)電性。

接下來再來看看一個PN結(jié)的工作原理：

P型半導(dǎo)體：摻雜了三價元素（如硼元素）的半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體，元素最外層只有三個電子，與硅形成共價鍵（4+3），還少一個組成8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，少的這個電子叫空穴，P型半導(dǎo)體中空穴多，自由移動的電子少（吸引力強了導(dǎo)電性也強了）。

N型半導(dǎo)體：摻雜了五價元素（如磷元素）的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體，元素最外層5個電子，多出來的一個電子很容易脫離原子核的束縛，變成自由移動的載流子（自由移動的電子多了，導(dǎo)電性也強了）。

擴散運動：N極的電子流向P極和空穴結(jié)合的運動。

漂移運動：P極的少量電子移動到N極的運動。

PN結(jié)：相鄰區(qū)域，N極和P極經(jīng)過一段時間的擴散后就會形成一個穩(wěn)定的電場（P極多了電子顯負(fù)，N極少了電子顯正），硅的自建電場0.6左右。

如果在PN結(jié)加正向電壓（P極接上正極，N極接上負(fù)極，稱之為正偏，正極發(fā)射正電荷（等效空穴），負(fù)極發(fā)射負(fù)電荷（等效與電子，當(dāng)完全中和掉了PN結(jié)中的電子），當(dāng)擴散運動完全占據(jù)主導(dǎo)地位時，就形成了穩(wěn)定的電荷運動，就具有導(dǎo)電性了。

如果在PN結(jié)加反向電壓，此時漂移運動占據(jù)主導(dǎo)地位，內(nèi)建電場逐減增強至某一極限時，即可作為一個絕緣體。

三極管的工作示意圖：

當(dāng)輸入電壓Vi<=0?時，即反向電壓（發(fā)射結(jié)和集電結(jié)反偏），此時處于截止?fàn)顟B(tài)。

當(dāng)輸入正向電壓Vi>V標(biāo)準(zhǔn)值時，此時Vb>Ve,Vb

當(dāng)輸入正向電壓V_i大于某一數(shù)值時（使得輸入電流ib≥VccRc），此時Vb>Ve,Vb>Vc（發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)正偏），此時處于飽和狀態(tài),開關(guān)導(dǎo)通。

具體的工作原理，可以找個視頻看看。

三極管按用途分為：高/中頻放大管、低頻放大管、低噪聲放大管、光電管、開關(guān)管、高反壓管、達林管、帶阻尼的三極管。

1.2、數(shù)字集成電路分類

一個電路中所需的晶體管、二極管、電阻、電容和電感等元件及布線互連在一起，制作在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上，通過引腳與外部聯(lián)系。

1.2.1、根據(jù)半導(dǎo)體器件進行分類

1）雙極型集成電路

采用雙極型半導(dǎo)體器件作為元件。其特點是：速度快、負(fù)債能力強、功耗大、集成度較低。

雙極型集成電路又可分為：

TTL（Transistor Transistor Logic）：三極管-三極管電路

ECL（Emitter Coupled Logic）：射極耦合電路

PL（Integrated Injection Logic）：集成注入電路

2）單極型集成電路

金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOS晶體管）作為元件。其特點是：結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、集成度高、功耗低，速度較慢。

單極型集成電路又可分為：

- PMOS（P-channel Metal Oxide Semiconductor,P-溝道MOS）
- NMOS（N-channel Metal Oxide Semiconductor,N-溝道MOS）
- CMOS（Complement Metal Oxide Semiconductor,C-溝道MOS）

1.2.2、根據(jù)集成電路規(guī)模的大小進行分類

1）SSI（小規(guī)模集成電路）

邏輯門數(shù)小于10門（或元件數(shù)小于100個）

2）MSI（中規(guī)模集成電路）

邏輯門數(shù)為10~99門（或元件數(shù)100~999個）

3）LSI（大規(guī)模集成電路）

邏輯門數(shù)為100~9999門（或元件數(shù)1000~99999個）

4）VLSI（超大規(guī)模集成電路）

邏輯門數(shù)大于10000門（或元件數(shù)大于100000個）

2、門電路

2.1、簡單邏輯門電路

2.1.1、二極管與門電路

三個二極管組成的與門電路：

注：情況一，VA=0V,VB,VC都接+5V時，只有A是導(dǎo)通的，A端為0V。高中時就學(xué)過，所謂產(chǎn)生電勢差才會有電流通過。而此時BC端都是截止?fàn)顟B(tài)，VF=0V。當(dāng)ABC端都是+5V時，ABC端都是截止?fàn)顟B(tài)F端的電壓幾乎和VCC端的電壓基本相同。

2.1.2、二極管或門電路

三個二極管組成的或門電路：

2.1.3、三極管非門電路-反相器

當(dāng)A輸入+5V時，三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)F端的電壓與底部一致幾乎為0V。而當(dāng)A輸入為0V時，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，所以F端的電壓基本等于上端的電壓+5V。

2.2、TTL集成邏輯門電路

TTL是晶體管—晶體管邏輯（Transistor-Transistor Logic）的簡稱。TTL邏輯門由若干晶體三極管、二極管和電阻組成。這種門電路于20世紀(jì)60年代即已問世，隨后經(jīng)過對電路結(jié)構(gòu)和工藝的不斷改進，性能得到不斷改善，至今仍被廣泛應(yīng)用于各種邏輯電路和數(shù)字系統(tǒng)中。

2.2.1、典型TTL與非門

由于與非邏輯可以實現(xiàn)任意邏輯運算，所以與非門是應(yīng)用最廣泛的邏輯門電路。

輸入級：由多發(fā)射極晶體管 T1 和基極電組 R1 組成，它實現(xiàn)了輸入變量 A 、 B 、 C 的與運算。

中間級：是放大級，由T2 、R2 和 R3 組成， T2 的集電極 C2 和 發(fā)射極 E2 可以分提供兩個相 位相反的電壓信號。

輸出級：由 T3 、 T4 、T5和 R4 、 R 5 組成 其中 T3 、 T4 構(gòu)成復(fù)合管，與 T5 組成推 拉式輸出結(jié)構(gòu)。具有較強的負(fù)載能力。

前面我們也講到了三極管（可以簡單的理解成，發(fā)射極[發(fā)射電子]、基極[控制流量]、集電極[收集電子]，就好像我們水龍頭放水，集電極接管子，基極水龍頭控制流量，發(fā)射極放出水），（一般來說硅）三極管導(dǎo)通的電壓約為0.6~0.7V，T5要導(dǎo)通需0.7V，T2且T5要導(dǎo)通則T2要1.4V，T1、T2、T5都要導(dǎo)通需2.1V，即，T1、T2、T5的開啟電壓Von為2.1V。

當(dāng)Vi

當(dāng)Vi=Von時，A/B/C均輸入0.7V，T1、T2、T5都能導(dǎo)通，處于飽和狀態(tài)。此時T5發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏，T5向下0.7V，Vo的電壓小于或等于0.3V。

當(dāng)Vi>Von時，A、B、C輸入高電平3.6V，T1、T2、T5導(dǎo)通，且處于放大狀態(tài)，Ic1=Ii+IR1，T5向下0.7V，Vo的電壓小于或等于0.3V。

2.2.2、常用的集成TTL門電路

1）TTL非門

輸入級只有一個變量。輸入高電平輸出低電平，輸入低電平輸出高電平。

2）或非門

2.2.3、兩種特殊的門電路

1）集電極開路門（Open Collector Gate，簡稱OC門）

線與邏輯：只要有一個門輸出為低電平，輸出F便為低電平。當(dāng)兩個電路都輸出高電平， 輸出F才為高電平。

2）三態(tài)輸出門（Three State,簡稱TS門）

邏輯門的輸出有三種狀態(tài)：高電平狀態(tài)、低電平狀態(tài)、高阻狀態(tài)。

當(dāng)EN=1的時候，實現(xiàn)與非功能。當(dāng)EN=0的時候，高阻狀態(tài)。三態(tài)門的主要應(yīng)用，如總線傳送（可控制當(dāng)前由誰來處理）。

當(dāng)EN=1的時候，G1工作，G2高阻。當(dāng)EN=0的時候，G1高阻，G2工作（D2口上有個小圓圈，就是表示EN=0才是與非功能）。

2.3、CMOS集成邏輯門電路

2.3.1、什么是MOS

MOS管：是金屬物（Metal）、氧化物（Oxide）、半導(dǎo)體（Semiconductor）場效應(yīng)晶體管。工作時，只有一種載流子參與導(dǎo)電，因此是單極型三極管，也具有放大和開關(guān)作用。

目前，幾乎所有超大規(guī)模集成器件，如超大規(guī)模存儲器件、可編程邏輯器件等都采用CMOS工藝制造。

2.3.2、MOS工作原理

柵極接高電平，吸引電子上來，最終在源-漏極間形成N型導(dǎo)電溝道，就會通電。接低電平則不會導(dǎo)通。

所以如果是N溝道：

VGS>VT（開啟電壓）NMOS時導(dǎo)通，否則截止

如果是P溝道：

VGS>VT（開啟電壓）PMOS時截止，否則導(dǎo)通

表示符號：

其中箭頭就是表示電子運動方向。向里是N型，向外是P型。

2.3.3、CMOS反向器

CMOS邏輯門電路由增強型N溝道MOSFET和P溝道MOSFET互補而成。

反相器想當(dāng)于一個非門，當(dāng)然CMOS也可以實現(xiàn)與非門電路和或非門電路以及三態(tài)門。不能實現(xiàn)線與邏輯。

2.4、正邏輯和負(fù)邏輯

前面介紹的一些邏輯門電路，基本上都是默認(rèn)了用高電平表示1，低電平表示0。

事實上，既可以規(guī)定用高電平表示1、低電平表示0（正邏輯）；也可以規(guī)定高電平表示0、低電平表示1（負(fù)邏輯）。

3、觸發(fā)器

3.1、什么是觸發(fā)器

在實際的數(shù)字系統(tǒng)中往往包含大量的存儲單元，而且經(jīng)常要求他們在同一時刻同步動作，為達到這個目的，在每個存儲單元電路上引入一個時鐘脈沖（CLK）作為控制信號，只有當(dāng)CLK到來時電路才被“觸發(fā)”而動作，并根據(jù)輸入信號改變輸出狀態(tài)。把這種在時鐘信號觸發(fā)時才能動作的存儲單元電路稱為觸發(fā)器，以區(qū)別沒有時鐘信號控制的鎖存器。

它有一個或多個輸入端，有兩個互補輸出端，分別用Q和Qˉ表示。

3.1.1、觸發(fā)器的分類

按邏輯功能分類：RS（復(fù)位位置）、D（數(shù)據(jù)）、JK（多功能）、T（可控）、T’（計數(shù)式）觸發(fā)器等；

按有無時鐘信號：基本觸發(fā)器、時鐘觸發(fā)器；

按空翻電路結(jié)構(gòu)：主從觸發(fā)器、維持阻塞觸發(fā)器、邊沿觸發(fā)器等。

3.2、各類觸發(fā)器簡介

3.2.1、基本RS觸發(fā)器

基本RS觸發(fā)器（a邏輯圖，b邏輯符號）：

當(dāng)RDˉ=0、SDˉ=1時，觸發(fā)器置為0；

當(dāng)RDˉ=1、SDˉ=0時，觸發(fā)器置為1；

當(dāng)RDˉ=1、SDˉ=1時，觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變；

當(dāng)RDˉ=0、SDˉ=0時，觸發(fā)器輸出狀態(tài)不定；

3.2.2、JK觸發(fā)器

JK觸發(fā)器具有置0、置1、保持和翻轉(zhuǎn)功能。在各類集成觸發(fā)器中，JK觸發(fā)器的功能最為齊全。在實際應(yīng)用中，它不僅有很強的通用性，而且能靈活地轉(zhuǎn)換其他類型的觸發(fā)器。由JK觸發(fā)器可以構(gòu)成D觸發(fā)器和T觸發(fā)器。

JK觸發(fā)器的特性表：

3.2.3、D觸發(fā)器

D觸發(fā)器是一個具有記憶功能的，具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)的信息存儲器件，是構(gòu)成多種時序電路的最基本邏輯單元，也是數(shù)字邏輯電路中一種重要的單元電路。

D觸發(fā)器應(yīng)用很廣，可用做數(shù)字信號的寄存，移位寄存，分頻和波形發(fā)生器等等。

3.2.4、T觸發(fā)器和T'觸發(fā)器

T觸發(fā)器是在數(shù)字電路中，凡在CP時鐘脈沖控制下，根據(jù)輸入信號T取值的不同，具有保持和翻轉(zhuǎn)功能的觸發(fā)器，即當(dāng)T=0時能保持狀態(tài)不變，當(dāng)T=1時一定翻轉(zhuǎn)的電路。

T′觸發(fā)器又叫計數(shù)器，一個時鐘周期到來，在上升沿到來實現(xiàn)對原狀態(tài)的反轉(zhuǎn)，那么每次上升沿到來都對原狀態(tài)進行反轉(zhuǎn)就可以實現(xiàn)計數(shù)（改變次數(shù)）。

審核編輯：劉清