電子世界輕松游

內(nèi)容概要

在我們生活的世界中，各種各樣形形色色的事物和現(xiàn)象，其中都必定包含著科學(xué)的成分。在這些成分中，有些是你所熟知的，有些是你未知的，有些是你還一知半解的。面對(duì)未知的世界，好奇的你是不是有很多疑惑、不解和期待呢？！“形形色色的科學(xué)”趣味科普叢書，把我們身邊方方面面的科學(xué)知識(shí)活靈活現(xiàn)、生動(dòng)有趣地展示給你，讓你在暢快閱讀中收獲這些鮮活的科學(xué)知識(shí)！
電子電路雖然看起來(lái)復(fù)雜，但實(shí)際上只要明白基本的概念和組成部分，整個(gè)電子電路無(wú)非就是各部分的組合。本書主要講了半導(dǎo)體部件的結(jié)構(gòu)、電子電路基本理論、許多部件和放大電路的應(yīng)用以及數(shù)字電路等內(nèi)容，書中包含了最重要同時(shí)又是最基本的電子電路知識(shí)，對(duì)電子電路感興趣、同時(shí)夢(mèng)想著在產(chǎn)品制造中實(shí)現(xiàn)自己創(chuàng)意的你，千萬(wàn)不要錯(cuò)過(guò)哦！
本書適合青少年讀者、科學(xué)愛(ài)好者以及大眾讀者閱讀。

作者簡(jiǎn)介

木村誠(chéng)聰
生于東京。日本大學(xué)工學(xué)院電氣工程專業(yè)畢業(yè)。1985年進(jìn)入日本IBM公司、主要從事磁鐵記錄裝置的生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。從1995年起在武藏工業(yè)大學(xué)從事數(shù)字信號(hào)處理的研究工作。2001年取得工學(xué)博士學(xué)位。在武藏工業(yè)大學(xué)擔(dān)任兼職講師后，從2007年開(kāi)始在神奈川工科大學(xué)情報(bào)系情報(bào)科授課。著作有《影像處理應(yīng)用系統(tǒng)》（共著、東京電機(jī)大學(xué)），《數(shù)碼相機(jī)》（共著、Natsume社），《模擬電子電路入門》、《數(shù)字電子電路入門》（秀和系統(tǒng)）等。
坂本紀(jì)子（ Design Studio Palette）
美術(shù)指導(dǎo)。
野邊Hayato
封面繪圖。
保田大介、紅谷桃衣、高山真季子 （株式會(huì)社 JOLLS）
內(nèi)文插圖。

書籍目錄

第1章 電子電路基礎(chǔ)001 構(gòu)成物質(zhì)的原子核和電子 沿著軌道旋轉(zhuǎn)的電子002 通過(guò)有沒(méi)有能自由移動(dòng)的電子和能帶來(lái)判定導(dǎo)體和絕緣體003 自由電子同時(shí)流動(dòng)形成電流004 電流的驅(qū)動(dòng)力 電壓005 控制電流 電阻和歐姆定律006 通過(guò)化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的裝置 電池007 電流和電壓的關(guān)系 基爾霍夫定律008 “不變”的電和“變化”的電 直流電和交流電009 信號(hào)的位置關(guān)系 相位010 單位時(shí)間內(nèi)電做的功 電功率011 隨頻率而變的電阻值 阻抗012 阻抗的計(jì)算 復(fù)數(shù)013 存儲(chǔ)電荷 電容器及其電容014 存儲(chǔ)磁場(chǎng)能 線圈和電感015 各種各樣的電阻器 從大型電阻器到片式電阻器016 存儲(chǔ)電荷、通交流電的元件 電容器COLUMN 電子電路的配角——連接器第2章 電子電路和半導(dǎo)體017 移動(dòng)零件和有放大作用的零件 無(wú)源元件和有源元件018 施加能量電子就會(huì)運(yùn)動(dòng) 半導(dǎo)體019 電子移動(dòng)產(chǎn)生的空穴 空穴(Hole)020 添加雜質(zhì)的半導(dǎo)體 n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體021 n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體的組合 二極管022 發(fā)光半導(dǎo)體器件 發(fā)光二極管(LED)023 對(duì)光和磁有反應(yīng)的半導(dǎo)體器件 光電器件、霍爾器件COLUMN 晶體管是發(fā)現(xiàn)還是發(fā)明?第3章 模擬電子電路的基礎(chǔ)024 放大及其單位 分貝(dB)025 通過(guò)電容器與線圈組合改變電阻值 諧振電路026 電子與空穴共同控制電流 雙極晶體管027 名稱因移動(dòng)主體而不同 npn結(jié)和pnp結(jié)028 晶體管的基本電路 共射極電路029 晶體管和負(fù)載之間的關(guān)系 負(fù)載線030 讓晶體管起作用的點(diǎn) 工作點(diǎn)031 表示電流放大率的參數(shù) hfe032 功率放大的基礎(chǔ) 甲類放大電路033 放大效率高的放大電路 乙類、丙類放大電路034 失真少、效率高的放大電路 推挽放大電路035 將放大后的信號(hào)返回輸入 反饋電路036 靠電壓控制電流的器件 場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)037 FET基本電路038 n型FET和p型FET的組合 CMOS039 硅是優(yōu)良的半導(dǎo)體 硅晶圓040 在硅上制作晶體管 平板技術(shù)041 在硅上制作電阻和電容器 平板技術(shù)的應(yīng)用COLUMN 電工電路和電子電路的不同第4章 模擬電子電路042 把大電流吸入晶體管 灌流電路043 把大電流從晶體管輸出 電流源電路044 可以輸出與輸入相同的電流值 電流反射鏡045 可以運(yùn)算的放大器 運(yùn)算放大器046 輸出相反方向的信號(hào) 反轉(zhuǎn)放大器047 輸出相反方向的信號(hào) 同相放大器048 將多個(gè)輸入相加 加法電路049 減去兩個(gè)輸入 減法電路050 表示信號(hào)的變化量 微分電路051 在某時(shí)間段內(nèi)積累信號(hào) 積分電路052 去掉沒(méi)有用的波 濾波電路053 為了傳送多個(gè)信號(hào)的變換方式 調(diào)制054 總發(fā)出恒定頻率的信號(hào) 振蕩電路055 輸出符合輸入信號(hào)變動(dòng)的頻率 PLL電路056 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信息 模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)變057 將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變成模擬信號(hào) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)變058 高交流電壓到低直流電壓的獲取 AC-DC電源電路059 由高直流電壓制成低直流電壓 DC-DC電源電路COLUMN 運(yùn)算放大器的發(fā)明第5章 數(shù)字電子電路060 用0和1調(diào)動(dòng)的電子電路 二進(jìn)制數(shù)和數(shù)字電路061 用數(shù)字電路表示負(fù)數(shù) 補(bǔ)數(shù)062 表示A和B的電路 邏輯與(AND)063 表示A或者B的電路 邏輯或(OR)064 表示否定的電路 邏輯非(NOT)065 計(jì)算機(jī)內(nèi)的基本運(yùn)算電路 半加法器066 考慮下級(jí)進(jìn)位的運(yùn)算電路 全加法器067 電腦的基本記憶電路 雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩068 記憶狀態(tài)的存儲(chǔ)器069 由記憶的內(nèi)部狀態(tài)和輸入決定輸出 順序電路070 由進(jìn)程表實(shí)現(xiàn)的數(shù)字電路 硬件描述語(yǔ)言071 由脈沖波產(chǎn)生的交流電 逆變電路072 使用數(shù)字的功率放大電路 丁類放大電路COLUMN 電波故障和限制參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　構(gòu)成物質(zhì)的原子核和電子：沿著軌道旋轉(zhuǎn)的電子 你知道我們身邊的種種物質(zhì)是由什么組成的嗎？所有物質(zhì)都是由如圖1 所示的由原子核和電子組成的原子構(gòu)成的。電子圍繞著原子核旋轉(zhuǎn)，物質(zhì)的 種類是由原子核中的所有質(zhì)子和中子以及環(huán)繞在它們周圍的所有電子的數(shù)量 決定的。如圖1所示，在原子核周圍只有一個(gè)電子的物質(zhì)稱為氫。圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子并不是無(wú)秩序地旋轉(zhuǎn)，而是整齊地沿著軌道旋轉(zhuǎn)。這些軌道如圖2所示，離原子核最近的稱為K層、其外側(cè)依次為L(zhǎng)層、M層和 N層。各個(gè)軌道能夠容納一定數(shù)量的電子數(shù)，K層是2個(gè)、L層是8個(gè)、M層是18 個(gè)、N層中能夠容納32個(gè)電子旋轉(zhuǎn)?？梢杂迷雍酥兴械馁|(zhì)子和中子以及 電子層中電子的個(gè)數(shù)來(lái)區(qū)別物質(zhì)的種類。用于電子電路的原子有幾種呢？使用最普遍的是硅（si）。硅元素中一共 有14個(gè)電子，K層、L層是飽和狀態(tài)，M層中只有4個(gè)電子。這時(shí)，電子存在的 最外側(cè)軌道稱為最外層，最外層上的電子稱為價(jià)電子。除硅以外用于電子電路的原子有鍺（Ge）和鎵（Ga）。鍺是K層、L層、M層 處于飽和狀態(tài)，最外層N層上有4個(gè)價(jià)電子（表1）。另外，鎵和鍺一樣也是K層、L層、M層處于飽和狀態(tài)，最外層N層上有3個(gè)價(jià)電子。用最外層上的價(jià)電子 數(shù)決定其和其他原子是否容易結(jié)合。在電子電路中使用的物質(zhì)是由各種原子 的化合物組成的。通過(guò)有沒(méi)有能自由移動(dòng)的電子和能帶來(lái)判定導(dǎo)體和絕緣體 物質(zhì)中有導(dǎo)電的導(dǎo)體和不能導(dǎo)電的絕緣體。導(dǎo)體和絕緣體有各種各樣的 種類，一般來(lái)說(shuō)金屬是導(dǎo)體，塑料、橡膠、玻璃和瓷器是絕緣體。它們的差 異是物質(zhì)中有無(wú)能夠自由移動(dòng)的電子和能帶。圖1是鋁（A1）的原子模型。鋁是擁有13個(gè)電子的原子。表示電子層的K層 和L層上分別能夠容納2個(gè)和8個(gè)電子，鋁的K層和L層上的電子已經(jīng)飽和了，其外層能容納18個(gè)電子的M層上還剩3個(gè)價(jià)電子。價(jià)電子不能隨便選擇電子層。電子軌道中包括能級(jí)。將各軌道和能級(jí)進(jìn)行對(duì)比如圖1所示。鋁里邊K層和 L層已經(jīng)被電子填滿了，所以其能帶處于占滿狀態(tài)?？墒荕層還有富余，所以 能帶也有空隙。這些能帶空還是不空，也就是最外層軌道上空與否是決定其 是導(dǎo)體還是絕緣體的關(guān)鍵。圖1是導(dǎo)體鋁，其最外層原子軌道（電子層）M層上有許多空位，這些軌道 上的價(jià)電子可以自由移動(dòng)?？墒侨?所示，原子軌道上全都擠滿了電子，沒(méi) 有任何空位的情況下電子不能在同一軌道上自由移動(dòng)，移至其他軌道需要非 常高的能量，所以實(shí)際上其價(jià)電子是不能移動(dòng)的。就像這樣，我們可以通過(guò) 有沒(méi)有能夠自由移動(dòng)的價(jià)電子或者有沒(méi)有能夠自由移動(dòng)的能帶來(lái)判定物體是 導(dǎo)體還是絕緣體。自由電子同時(shí)流動(dòng)形成電流 所謂的電流即是電子的流動(dòng)。那么，在導(dǎo)體中如果電子流動(dòng)的話，就能 形成電流了么？如果把導(dǎo)體中到處活動(dòng)的價(jià)電子稱為自由電子，如圖1所示，通常，自由電子在導(dǎo)體中到處移動(dòng)，所以如果單看某一部分的話，那些活 動(dòng)整體抵消之后就變成零了。單憑導(dǎo)體自身的存在狀態(tài)的話，可以說(shuō)電流是 不會(huì)產(chǎn)生的。電流是自由電子在某個(gè)方向上流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的。如圖2所示，如果在導(dǎo)體 中安裝正極和負(fù)極的話，自由電子會(huì)同時(shí)向正極流動(dòng)。自由電子同時(shí)定向流 動(dòng)的時(shí)候，就形成了電流。這個(gè)電流可由下式計(jì)算：電流，（A）=電荷Q（C）÷時(shí)間f（s） 電荷Q即通過(guò)導(dǎo)體橫截面的自由電子的數(shù)量，1Q約相當(dāng)于6.24×10*18個(gè) 電荷的電量。這是一個(gè)非常大的數(shù)量，照此類推lA的電流是非常巨大的。電 流的單位安培是以發(fā)現(xiàn)“安培定則”（表示電流和磁場(chǎng)之間的關(guān)系）的安德烈·瑪麗·安培（Andre Marie Ampere）的名字命名的。如圖2所示，電流方向與自由電子的運(yùn)動(dòng)方向相反。以前人們認(rèn)為電是 從正極流向負(fù)極的，后來(lái)，隨著觀察電子技術(shù)的進(jìn)步，人們才知道電流的方 向和電子流向的方向相反。確定電中存在正負(fù)極的是富蘭克林（B.Franklin），如果電子的流向和極性相反，那么之前的想法和理論都必須修正，因此我 們定義電子和電流的方向是相反的。電流的驅(qū)動(dòng)力：電壓 所謂的電流是自由電子朝某一方向移動(dòng)形成的。那么，為了讓電子移動(dòng) 該怎么做呢？水從高處向低處流，電子也一樣，如圖1所示，在某一相同的 位置，電子完全不動(dòng)，像右圖所示存在高度差時(shí)，電子似乎會(huì)從位置高的地 方向位置低的地方流動(dòng)。這里的位置指的是擁有單位電荷的能量。這個(gè)能量 是電位能，其越高能量越大。我們把這個(gè)位能稱為電位（electric potential），高低差稱為電位差（electric potential difference）。通常 此電位差稱為電壓（voltage）。電壓容易被想成是電的“壓力”，是某個(gè)電位和某個(gè)電位的差。可以想 象這個(gè)差小的時(shí)候，電流的流勢(shì)不明顯，差大的時(shí)候，電流的流勢(shì)會(huì)相當(dāng)大。電路中，由高電位落到低電位的電子能夠被再次拉回高電位。舉到高電位 的東西，看起來(lái)是一種能量，稱為電動(dòng)勢(shì)（electromotive force）（圈2）。電 動(dòng)勢(shì)越大的話電位差就越大，電子勢(shì)能也就越大，電流的流勢(shì)也就變強(qiáng)。從 低電位舉到高電位的電動(dòng)勢(shì)需要相當(dāng)?shù)哪芰?。也就是說(shuō)因?yàn)殡娮拥碾姾墒秦?fù) 的，所以從電子的角度來(lái)看的話，請(qǐng)注意其正向能量是變低的。電壓的定義是“對(duì)1庫(kù)侖（C）的電荷做1焦耳（J）的功，形成的電位差是1 伏特（V）”。伏特（V）這個(gè)單位是以19世紀(jì)發(fā)明電池的亞歷山德羅·伏打 （Alessandro G.A.Volta）的名字命名的。P2-8

圖書封面

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