第一单元 元件与定律
电阻器、电容器和电感器
在电子电路中，电阻器、电容器和电感器是非常重要的元件。 电阻器和电阻
电阻器是二端口元件。电阻是阻止电流流动，更确切地说，是阻止电荷流动的能力。在国际单位制中，电阻用欧姆来度量。希腊字母Ω是欧姆的标准符号。较大的电阻一般用千欧和兆欧来表示。
模拟这种特性常用的电路元件是电阻器。图1.1表示电阻器的电路符号，R表示电阻器的电阻值。
为了进行电路分析，我们必须在电阻器中指明电流和电压的参考方向。如果我们选择关联参考方向，那么电压和电流之间的关系是：
这里 v 是电压，其单位是伏特， i 是电流，其单位是安培， R 是电阻，其单位是欧姆。 如果选择非关联参考方向，我们必须写成：
用在公式（1.1）和（1.2）中的代数式就是著名的欧姆定律。欧姆定律表示了电压作为电流的函数。然而，要表示电流是电压的函数也是非常方便的。欧姆定律是电阻两端的电压和电流间的代数关系。 电容器和电容
电能可以存储在电场中，存储电能的装置叫电容器。电容器存储电能的能力叫做电容。图1.2表示电容器的电路符号。电容的电路参数用字母C表示，用法拉来度量。因为法拉是相当大的电容量，实际上电容值通常位于皮法和微法之间。
电压随时间变化时，电荷的位移也随时间变化，引起了众所周知的位移电流。在终端，位移电流和传导电流没有区别。当电流参考方向和电压参考方向是关联参考方向时，电流正比于电容两端电压随时间的变化率，数学表达式为：
这里 i的单位是安培，C的单位是法拉，v的单位是伏特， t的单位是秒。 电感器和电感
众所周知，电感是电子电路中的模块之一。所有的线圈都有电感。电感是抵抗流过线圈电流的任何变化的性质。电感用字母L表示，其单位是亨利。 图1.3表示一个电感器。 当电流和电压的参考方向关联时，有
这里 v 的单位是伏特，L 的单位是亨利， i 的单位是安培， t 的单位是秒。
注意公式（1.4）显示电感器两端电压与电感器中电流随时间的变化率成正比。在此，我们可以得到两条重要的结论：第一，如果电流是常数，理想电感器的端电压为0，这样电感器在恒量或直流中可以当作短路；第二，在电感器中电流不能瞬时变化，也就是说，在0时间内电流不能以有限量改变。电感器和电容器一样，存储供给它的能量，但是它是以磁场的形式而不是以电场的形式存储能量。 1. two-terminal element 二端口元件 5. displacement current 转移电流 2. associated reference direction 关联参考方向 6. short circuit 短路 3. Ohm’s Law 欧姆定律 7. magnetic field 磁场 4. electric field 电场 8. conduction current 传导电流 II
1. capacitance 4. resistor 2. capacitor 5. Inductance 3. resistance 6. Inductor III.
在此，我们可以得到两条重要的结论：第一，如果电流是常数，理想电感器的端电压为0，这样电感器在恒量或直流中可以当作短路；第二，在电感器中电流不能瞬时变化，也就是说，在0时间内电流不能以有限量改变。
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理想的基本电路元件和基尔霍夫定律
理想的基本电路元件 理想的基本电路元件有三个特征：（1）它只有两个端口，这两个端口是和其他电路元件连接的端点；（2）在数学上它以电流或电压的方式被描述；（3）它不能再细分为其他的元件。我们使
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用单词“理想的”意味着基本电路元件不能作为一个可实现的物理元件而存在。我们使用“基本的”意味着电路元件不能被进一步简化或者被细分成其他的元件。这样，基本电路元件组成了构建电路模型的模块，但是它们自己不能用其他的元件形式来模拟了。
有五种理想的基本电路元件：电压源，电流源，电阻器，电感器和电容器。
基尔霍夫定律 任意一个元件中，当两端电压和电流被确定时，就说电路被解开了。欧姆定律是求解电路的一个重要等式。
在简单的电路结构中，欧姆定律足能求解任意一个元件的电压降和电流。然而，对于较复杂的电路连接，我们需要使用两个更重要的代数关系式来求解所有的电压和电流，这就是著名的基尔霍夫定律。
对于（流入或流出）节点的每一个电流，相对于参考方向的代数符号必须被指定。若指定电流流出节点为正号，则要求电流流入节点为负号。相反，若指定电流流出节点为负号，则要求给电流流入节点为正号。 我们在阐述基尔霍夫电压定律以前，必须定义闭合路径。从任意选择的节点开始，沿着电路的闭合路径（走），经过所选择（路径上）的基本电路元件，返回到起始节点，只经过任意中间节点一次。现在，可以阐述基尔霍夫电压定律可以阐述为：沿着任意闭合路径的所有电压的代数和等于零。
为了使用基尔霍夫电压定律，我们必须给回路里的每一个电压设定代数符号（参考方向）。当沿着闭合路径巡行时，电压在巡行方向上显示升或降，对于电压升设定一个正的符号，则要求给电压降一个负号。相反，给电压升一个负号，则要求给电压降一个正号。
第二单元 电路
电 路
电路通常包含四个部分：电源，如电池；导体或导线，控制器件，如开关；负载。负载是一个器件或一台机器。在负载中能够发生能量转换。电灯、电阻器和电动机都是电负载的一些普通实例。 任何有电子连续不断流动的导体和电动势源的组合都叫电路。
一盏连接干电池的灯就是一个简单电路的实例。电流从电池的正极（＋）通过电灯，流向负极（－），电池的作用就是通过负极（－）为电子流提供一条再生通道。
只要电路中任何点都保持连通，该电路就是一个闭合电路，就有电流流过。但是如果通路有断开处，则该电路就是一个开路，就无电流流过。
串联电路和并联电路是电路的两种主要接法。当电器元件连接时，电流没有分流，这种连接称为串联。串联电路中的每一处电流都是相同的。事实上，在日常电工操作中，最常见的是含两个或两个以上支路的电路。例如一般的家庭照明电路，电灯是并联的，每盏灯代表一条从主电路中的负极到正极的独立通路。在并联电路中，总电流量等于流过电路中各支路的电流总和。
许多实用的电路是串并联混合的。这种电路能够把串联电路的不同电压与并联电路的不同电流特征结合在一个网络内。当负载对同一个电源要求有不同的电压和电流时，这种电路特别有用。 为了分析电路，我们可以使用电路化简方法，也可以使用电路分析方法。
通过应用同欧姆定律结合的基尔霍夫定律，或者通过使用戴维南和诺顿等效电路化简电路结构，可以分析相对简单的阻性电路。对于所有的电路都可以使用这些方法，但是当电路结构更复杂、引入更多元件的时候，这种直接求解的方法很快就变得麻烦了。此时，可以使用两种常规的分析方法。它们是节点电压法和网孔电流法，这两种方法是分析电路的两种有力的方法，目的在于复杂电路结构的分析。节点电压被定义为从参考节点到非参考节点的电压升，网孔电流是仅存在于网孔周围的电流。 I．
1. a circuit that the current can flow through 5. plus 2. in fact 6. be composed of 3. a circuit which is broken 7. cell 4. minus II.
1. 能量转换 4. 电路化简方法 2. 正极 5. 电路分析方法 3. 串联电路 6. 阻性电路
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7. 戴维南和诺顿等效电路 9. 网孔电流法 8. 节点电压法 10. 参考节点 III.
对于所有的电路都可以使用这些方法，但是当电路结构更复杂、引入更多元件的时候，这种直接求解的方法很快就变得麻烦了。此时，可以使用两种常规的分析方法。
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三相电路
三相电路非常重要，因为差不多所有的电功率都是按三相电产生和传输的。三相电路的基本组成是一个交流电压发电机，它产生相同峰值，但是相角相差120°的三个电压，自然地，三个电压都具有相同的频率。这些电压可以只跨三线，形成三线三相电路。或者这些电压可以跨三线和一个中性线之间，形成四线三相电路。
因为三相电路有三或四线，但是三个电枢绕组有六个接线端，这些端子中的一些被连在一起。连接这些绕组有两个实际的方法：Y型连接或者?型连接。之所以叫Y型连接是因为实际绕组是Y的形状，表示相应的感应电压在相角上差120°。在Y型连接中，三个端子被连接到一个公共端，用N表示为中性点。实际上，第四个节点可能是地。很明显，这种Y型连接产生了一个四线电路。注意，线电流也是绕组电流，叫相电流。在Y型连接中，线电流和相电流相同，线电压的峰值是相电压峰值的3倍。另一种实际的绕组连接是首尾顺次连接的闭合路径，叫?连接。这种?型连接显然是一个三线电路，因为没有端子连接第四条线。当然希腊字母?形状和交流发电机中的电枢绕组的物理放置没有关系。相反，它仅仅表明绕组电压相角差120°。在?型连接中，这个线电流和相电流不一样，但是相电压和相电压一致。这种?交流绕组连接不受欢迎，因为它不能提供一个方便的接地端。
为什么几乎所有的电功率都用三相产生和传输，这里一定有些恰当的原因。事实上，一个平衡的三相负载吸收常量而不是脉动瞬时功率，这是三相电路优于单相电路的一个重要优点。另一个重要的优点是三相电动机或发电机显著地比相同尺寸单相电动机或发电机功率要大，而且，某些类型的三相交流电动机是自启动的，而单相不是。一个经常被提到的三相传输优于单相传输的优点是在功率线上节省铜或铝。这是一个普遍的想法，其实很容易看到这并不是真的。
第三单元 集成电路
集成电路
我们的世界充满了集成电路。你能在电脑中找到它们。例如，大部分人可能听说过微处理器。微处理器是电脑中处理所有信息的一块集成电路。如果鼠标被移动过，它可以追踪是什么键被按下了，它能计数，运行程序，游戏以及操作系统。在现代每个电子器件中几乎都能找到集成电路的身影，比如汽车、电视机、CD播放机、手提电话等。但究竟什么是集成电路以及它的历史又是什么呢？
集成电路只不过是非常先进的电路。电路由不同的电子元器件组成，如晶体管、电阻、电容和二极管，这些元件以不同的方式连接在一起，它们有各自的行为特性。
晶体管的行为类似开关，它对电信号有开关和放大的作用。在电脑中它被用来存储信息，或在立体声放大器中被用来放大声音信号。
电阻起限流的作用，它能控制允许通过的电流的大小。在电视机或收音机中电阻被用来控制音量。 电容收集电荷并能在一瞬间释放电荷，这就好比照相机中的小电池能为闪光灯提供足够的能量。
二极管在某些条件下能阻碍电流的流动，只有当这些条件改变时才能使电流通过。例如，光电池中的光束打破触发二极管来阻止电流流过。
这些元器件就像在电结构网中搭积木，视乎如何将元器件组合在一起从而建设电路，所有电路从一个防盗报警器，到计算机微处理器，均可以搭建。
在以上所提到的元器件中，为现代计算机发展作出最重要贡献的是晶体管。在晶体管发明以前，工程师们使用真空管。和晶体管的作用一样，晶体管起开关和放大电流的作用。那么为什么真空管会被晶体管所替代？这里有几个原因。
真空管的外表和行为极像一个灯泡，它产生大量的热量，并有烧坏的可能。此外，相对于晶体管，它是速
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度慢，大而且笨重。
当工程师试图使用真空管建立复杂的电路，他们很快意识到它的局限性。举例来说，世界上第一款数字计算机ENIAC，是一个庞然大物，它的重量超过30吨，消耗200千瓦的电力。它拥有大约18000个真空管，但由于真空管不断烧毁，使得它非常不可靠。
当晶体管在1947年被发明时，它被认为是一场革命。由于它体积小，速度快，可靠性高和效率高，因此迅速取代了真空管。摆脱了真空管的种种限制，工程师们终于可以开始实现自己的梦想来进行电力建设。 在1958年的夏天Jack Kilby在德州仪器公司找到了解决办法。他是新雇用的，并已着手工作一个建设较小规模的电路的项目。然而，在Jack Kilby看来，德州仪器选择的使电路小型化项目的方法似乎不是正确的。 因为他是新聘的，Kilby和其余的工作人员不同，他没有休假。当他独自在实验室工作的时候，他发现了一个解决电路小型化问题的自己的方法。 Kilby的想法是，使所有元件及晶片放在相同的一块半导体材料上。当其余的同事度假回来时，Kilby向他的上级介绍了他的新想法。于是他被允许建立他的电路的一个测试版本。在1958年9月，他的集成电路制作完毕，电路通过检测，而且非常完美！
虽然第一块集成电路是相当的简陋并有一些问题，但它的构想是具有开创性的。通过将所有的元器件加工在相同的材料上，并通过金属丝将它们连接起来，因此不再需要单独的分立元件。电线和元器件不再需要手工组装。这种电路规模可越做越小和并且制造过程可自动进行。
Jack Kilby，最有名的，就是他发明了集成电路，在2000年他凭此获得了诺贝尔物理奖。成功发明集成电路之后，Kilby仍在德州仪器公司工作，他带领的团队发明了手提式计算器。
从Jack Kilby的第一个原型开始，集成电路已走过了漫长的道路。他的构思成立一个新的产业，并成为计算机化的社会背后的一个关键要素。如今大部分先进的电路包含数亿个元器件，并且面积比指甲还小。这些在芯片上的晶体管尺寸约为90纳米，即0.00009毫米，这意味着你可以将数百个这样的晶体管放入一个红细胞内。
计算机芯片每年都变得更加强大，但价格比前一年低很多。Gordon Moore——早期集成电路的开创者和英特尔公司的奠基人曾经说过： \如果汽车工业能和半导体行业的一样发展迅速，那么如今任何人都可以拥有一辆劳斯莱斯，然后开上一季度就弃之如敝履，毫不可惜地丢掉它再换一辆新的\。 amplify current
electronic component complex circuit vacuum tube
hand-held calculator Integrated Circuit chip semiconductor material microprocessor
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从Jack Kilby发明的第一个原型开始，集成电路已走过了漫长的道路。他的构思引发了一个新的产业，并成为计算机化社会背后的一个关键要素。如今大部分先进的电路包含数亿个元器件，并且面积比指甲还小。这些在芯片上的晶体管尺寸约为90纳米，即0.00009毫米，这意味着你可以将数百个这样的晶体管放入一个红细胞内。
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集成电路封装
由于集成电路芯片面积很小，芯片材料比较脆弱，周围环境容易对其产生破坏，以及集成电路使用者很难对它进行操作，因此，在制造过程中对集成电路芯片进行封装是一个必要的步骤。图3-1显示了从硅晶圆片开始一个非常典型的集成电路封装流程。
封装半导体器件所选择的封装类型需要考虑如下因素：尺寸，引脚数，功耗，现场操作条件，当然，还有封装成本。典型的集成电路封装根据焊接的方式可以分为两类：(如图3-2所示)： 引脚插入法 表面贴装技术
引脚插入法意味着将元器件的引脚插入到印刷电路板上相应的孔中，通过焊接将元器件的引脚与PCB板上的导线相连接。
为了确定元器件的物理位置，在元器件引脚和PCB板孔之间通常会使用基座，焊接点起到位置的固定以及电路连接的作用。
表面贴装焊接直接焊在PCB板表面上而不是将元器件插入PCB板的孔中。与引脚插入法相比，表面贴装技术显著降低了封装尺寸和封装成本。
目前，在半导体工业中所流行的封装形式如下图3-3所示。
第四单元 放大器
运算放大器
运算放大器的名字来源于它最初的用途之一，在早期的模拟计算机中加、减，常被用来完成数学运算。在现代技术中使得它有各种各样的用途。运算放大器这个名字经常缩写成Op Amp。
运算放大器是直接耦合、高增益、线性的放大器。线性放大器是一种如实重现输入波形的放大器。线性放大器的输出应该是输入信号的真实复制品。
因为它的高增益，所以运算放大器通常使用外部元件来减少其增益到需要的水平。运算放大器是直接耦合的，它能放大直流输入信号，也能放大交流输入信号。
运算放大器的符号如图4.1a所示。它有两个输入端，一个输出端。 供给运算放大器的电源通常从正负电源获得（图4.1b）。这能使输出在零伏特处上下振荡 运算放大器通常由四个串联级组成。每一级是一个完成特定功能的放大器。
输入是一个具有两个浮置输入V1和V2的微分放大器。微分放大器放大两个输入之间的电压差 (V1和 V2)。这种类型电路具有非常高的输入阻抗，也可以提供高的共模抑制。
第二级是一个高增益放大器，提供设备的主要增益。第三级是输出放大器，它提供一个低输出阻抗。它能传送一个大输入信号电流或电压。输出电压可以在正负电源的几伏特范围中振荡。 所有各级连接起来可产生非常高的增益。这个增益叫做“开环增益”。
在实际电路中，输出电压的一小部分以相反极性被反馈到某个输入端，从而减少总的增益。这个过程叫做“负反馈”。
随着负反馈的应用，这个增益被减少，并且运算放大器被认为具有一个“闭环增益”。 理想运算放大器有如下特性：
1. 无穷大输入阻抗。这是两个输入端之间的阻抗。连接时输入不会加载任何电路。 2. 零输出阻抗。输出阻抗应该为0。这确保放大器能提供的输出功率没有限制。 3. 无穷大的开环增益。应用负反馈以前，放大器的增益在理想上是无穷大的。 4. 无穷带宽。理想运算放大器的开环带宽被认为是无穷大的。
在实际情况下，运算放大器不能达到这些理想的特性。然而，我们通常假定它们是理想的，以便更容易使
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