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氫化合物熱分解產生的碳沉積在瓷棒或瓷管表面而制成的。（優點：成本低；缺點：穩定性低，誤差大；）碳膜電阻器目前在我國生產量最大、應用范圍也最廣，如在收音機、錄放機、電視機及其他一些電子設備和儀器中都廣泛應用到碳膜電阻器。

金屬電阻器（RJ）：是用陰極濺射或真空蒸發等工藝，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。（優點：穩定性好，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、醫療和電子儀器中得到廣泛應用，在收音機、錄音機、電視機等民用電子產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技術中，它的優點是體積小節約空間，常用于手機、MP3等電子產品中。

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。兩個相互靠近的導體，中間夾一層不導電的絕緣介質，這就構成了電容器。當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，所以整個電容器是不導電的。我們知道，任何物質都是相對絕緣的，當物質兩端的電壓加大到一定程度后，物質都是可以導電的，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關系變化的。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。因此，電容器在調諧、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年英國法拉第發現電磁感應現象的鐵芯線圈。19世紀中期，電感器在電報、電話等裝置中得到實際應用。

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線本身的電阻壓降很小；當交流信號通過線圈時，線圈兩端將會產生自感電動勢，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構有關，線圈繞的匝數越多，電感越大；在同樣的匝數情況下，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

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

二極管就是用半導體材料(硅、硒、鍺等)制成的一種電子器件。它具有單向導電性能， 即給二極管陽極加上正向電壓時，二極管導通。當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體器件之一，其應用非常廣泛。二極管是最早誕生的半導體器件之一，其應用非常廣泛。無論是在常見的收音機電路還是在其他的家用電器產品或工業控制電路中，都可以找到二極管的蹤跡。

二極管就是由一個PN結加上相應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、發光二極管、穩壓二極管、光電二極管、開關二極管和快恢復二極管。

1）二極管的靜態特性

正向導通

反向截止

注：正向導通可能因電流過大而導致二極管燒壞，反向截止當達到擊穿電壓后反向擊穿。

例如：單向導電性（可以作開關）

2）二極管的動態特性

當二極管加正向電壓V_F時，正向導通有電流I_F;當加反向電壓-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。

反向恢復時間：t_{re}=t_s+t_t

產生反向恢復時間的原因，是P區N區電子的運動趨于穩定的過程。

開通時間：截止轉為正向導通所需的時間，主要由外部參數決定，開通時間與反向恢復時間相比很小，可以忽略不計。

3）半波整流

1.1.5、三極管

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

在高中我們學習過核外電子的排布，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電子穩定結構，它即不容易得到電子也不容易失去電子。

其次，我們再來復習一下化學鍵相關的概念。

離子鍵：使帶相反電荷的陰陽離子結合的相互作用。

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）。大多數不導電，只有少部分溶于水可導電。

界定離子化合物和共價化合物的可以在熔融狀態下是否導電來區分，熔融狀態下能導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。（熱能轉換為電能）電子的定向運動形成電流。但是為了加強硅的導電性，往往會摻一些雜志增強其導電性。

接下來再來看看一個PN結的工作原理：

P型半導體：摻雜了三價元素（如硼元素）的半導體稱為P型半導體，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電子穩定結構，少的這個電子叫空穴，P型半導體中空穴多，自由移動的電子少（吸引力強了導電性也強了）。

N型半導體：摻雜了五價元素（如磷元素）的半導體稱為N型半導體，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，導電性也強了）。

擴散運動：N極的電子流向P極和空穴結合的運動。

漂移運動：P極的少量電子移動到N極的運動。

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

如果在PN結加正向電壓（P極接上正極，N極接上負極，稱之為正偏，正極發射正電荷（等效空穴），負極發射負電荷（等效與電子，當完全中和掉了PN結中的電子），當擴散運動完全占據主導地位時，就形成了穩定的電荷運動，就具有導電性了。

如果在PN結加反向電壓，此時漂移運動占據主導地位，內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：

當輸入電壓Vi<=0?時，即反向電壓（發射結和集電結反偏），此時處于截止狀態。

當輸入正向電壓Vi>V標準值時，此時Vb>Ve,Vb

當輸入正向電壓V_i大于某一數值時（使得輸入電流ib≥VccRc），此時Vb>Ve,Vb>Vc（發射結正偏、集電結正偏），此時處于飽和狀態,開關導通。

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、開關管、高反壓管、達林管、帶阻尼的三極管。

1.2、數字集成電路分類

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體晶片或介質基片上，通過引腳與外部聯系。

1.2.1、根據半導體器件進行分類

1）雙極型集成電路

采用雙極型半導體器件作為元件。其特點是：速度快、負債能力強、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

金屬氧化物半導體場效應管（MOS晶體管）作為元件。其特點是：結構簡單、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、根據集成電路規模的大小進行分類

1）SSI（小規模集成電路）

邏輯門數小于10門（或元件數小于100個）

2）MSI（中規模集成電路）

邏輯門數為10~99門（或元件數100~999個）

3）LSI（大規模集成電路）

邏輯門數為100~9999門（或元件數1000~99999個）

4）VLSI（超大規模集成電路）

邏輯門數大于10000門（或元件數大于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是導通的，A端為0V。高中時就學過，所謂產生電勢差才會有電流通過。而此時BC端都是截止狀態，VF=0V。當ABC端都是+5V時，ABC端都是截止狀態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A輸入+5V時，三極管處于導通狀態F端的電壓與底部一致幾乎為0V。而當A輸入為0V時，三極管處于截止狀態，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60年代即已問世，隨后經過對電路結構和工藝的不斷改進，性能得到不斷改善，至今仍被廣泛應用于各種邏輯電路和數字系統中。

2.2.1、典型TTL與非門

由于與非邏輯可以實現任意邏輯運算，所以與非門是應用最廣泛的邏輯門電路。

輸入級：由多發射極晶體管 T1 和基極電組 R1 組成，它實現了輸入變量 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 構成復合管，與 T5 組成推 拉式輸出結構。具有較強的負載能力。

前面我們也講到了三極管（可以簡單的理解成，發射極[發射電子]、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，發射極放出水），（一般來說硅）三極管導通的電壓約為0.6~0.7V，T5要導通需0.7V，T2且T5要導通則T2要1.4V，T1、T2、T5都要導通需2.1V，即，T1、T2、T5的開啟電壓Von為2.1V。

當Vi

當Vi=Von時，A/B/C均輸入0.7V，T1、T2、T5都能導通，處于飽和狀態。此時T5發射結正偏，集電結正偏，T5向下0.7V，Vo的電壓小于或等于0.3V。

當Vi>Von時，A、B、C輸入高電平3.6V，T1、T2、T5導通，且處于放大狀態，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。當兩個電路都輸出高電平， 輸出F才為高電平。

2）三態輸出門（Three State,簡稱TS門）

邏輯門的輸出有三種狀態：高電平狀態、低電平狀態、高阻狀態。

當EN=1的時候，實現與非功能。當EN=0的時候，高阻狀態。三態門的主要應用，如總線傳送（可控制當前由誰來處理）。

當EN=1的時候，G1工作，G2高阻。當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）、半導體（Semiconductor）場效應晶體管。工作時，只有一種載流子參與導電，因此是單極型三極管，也具有放大和開關作用。

目前，幾乎所有超大規模集成器件，如超大規模存儲器件、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型導電溝道，就會通電。接低電平則不會導通。

所以如果是N溝道：

VGS>VT（開啟電壓）NMOS時導通，否則截止

如果是P溝道：

VGS>VT（開啟電壓）PMOS時截止，否則導通

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。

反相器想當于一個非門，當然CMOS也可以實現與非門電路和或非門電路以及三態門。不能實現線與邏輯。

2.4、正邏輯和負邏輯

前面介紹的一些邏輯門電路，基本上都是默認了用高電平表示1，低電平表示0。

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

3、觸發器

3.1、什么是觸發器

在實際的數字系統中往往包含大量的存儲單元，而且經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CLK到來時電路才被“觸發”而動作，并根據輸入信號改變輸出狀態。把這種在時鐘信號觸發時才能動作的存儲單元電路稱為觸發器，以區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、觸發器的分類

按邏輯功能分類：RS（復位位置）、D（數據）、JK（多功能）、T（可控）、T’（計數式）觸發器等；

按有無時鐘信號：基本觸發器、時鐘觸發器；

按空翻電路結構：主從觸發器、維持阻塞觸發器、邊沿觸發器等。

3.2、各類觸發器簡介

3.2.1、基本RS觸發器

基本RS觸發器（a邏輯圖，b邏輯符號）：

當RDˉ=0、SDˉ=1時，觸發器置為0；

當RDˉ=1、SDˉ=0時，觸發器置為1；

當RDˉ=1、SDˉ=1時，觸發器保持原狀態不變；

當RDˉ=0、SDˉ=0時，觸發器輸出狀態不定；

3.2.2、JK觸發器

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

JK觸發器的特性表：

3.2.3、D觸發器

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

D觸發器應用很廣，可用做數字信號的寄存，移位寄存，分頻和波形發生器等等。

3.2.4、T觸發器和T'觸發器

T觸發器是在數字電路中，凡在CP時鐘脈沖控制下，根據輸入信號T取值的不同，具有保持和翻轉功能的觸發器，即當T=0時能保持狀態不變，當T=1時一定翻轉的電路。

T′觸發器又叫計數器，一個時鐘周期到來，在上升沿到來實現對原狀態的反轉，那么每次上升沿到來都對原狀態進行反轉就可以實現計數（改變次數）。

審核編輯：劉清