電子世界輕鬆遊：電子電路開心入門（簡體書）

作者：(日本)木村誠聰 譯者：林蓉蓉

木村誠聰 ，生于東京。日本大學工學院電氣工程專業畢業。1985年進入日本IBM公司、主要從事磁鐵記錄裝置的生產技術和產品開發。從1995年起在武藏工業大學從事數字信號處理的研究工作。2001年取得工學博士學位。在武藏工業大學擔任兼職講師后，從2007年開始在神奈川工科大學情報系情報科授課。著作有《影像處理應用系統》(共著、東京電機大學)，《數碼相機》(共著、Natsume社)，《模擬電子電路入門》、《數字電子電路入門》(秀和系統)等。

作為掌握電子電路的基本要素，半導體零部件的結構、電子電路中的基本理論、各種各樣的零部件、放大電路和應用運算電路以及作為電腦基礎的數字電路等，木村誠聰編寫的這本《電子世界輕松游：電子電路開心入門》對這些內容一一進行了說明。

我們的身邊充滿著由各種各樣電子電路組成的電子產品。這些產品看起來好像挺復雜的，自己不能簡單地設計和制作。當然，為了設計和制作電子電路，在大學期間要積累相應的知識和實踐經驗。
有很多人覺得只有在大學期間非常刻苦地學習，才能理解電子電路。電子電路雖然看起來復雜，實際上只要抓住基本的要素，將其組合，就不那么難理解了。基本要素中，理論部分是“歐姆定律”和“基爾霍夫定律”，只要會簡單的數學知識就可以掌握。當然，電子電路并不是僅限于數學手段來解決，也需要更高難度的知識。可是，我認為無論什么事只有抓住簡單的概念，在理解的基礎上進一步提高才會牢固掌握。
作為掌握電子電路的基本要素，半導體零部件的結構、電子電路中的基本理論、各種各樣的零部件、放大電路和應用運算電路以及作為電腦基礎的數字電路等，本書對這些內容一一進行了說明。書中選取的內容有舊的也有新的，但無論是新的還是舊的都是取自最基本的內容，所以如果能將本書中所寫的內容理解到某種程度的話，就能對電子電路的世界有一個總體的把握了。這個世界中隨處可見的數字儀器都是基于電子電路運轉的。怎樣做才能使數字儀器運轉呢？這個疑問通過理解電子電路就可以解開了吧。如果廣大讀者通過本書會對電子電路產生興趣，并且立志成為未來制造優秀產品的工程師(技術人員)，我將深感榮幸。
最后，我要對給予我寫作機會的Soft Bank creative的編輯人員以及為本書繪出漂亮插圖的設計師們表示衷心感謝。
木村誠聰

第1章 電子電路基礎
001 構成物質的原子核和電子 沿著軌道旋轉的電子
002 通過有沒有能自由移動的電子和能帶來判定導體和絕緣體
003 自由電子同時流動形成電流
004 電流的驅動力 電壓
005 控制電流 電阻和歐姆定律
006 通過化學反應發電的裝置 電池
007 電流和電壓的關系 基爾霍夫定律
008 “不變”的電和“變化”的電 直流電和交流電
009 信號的位置關系 相位
010 單位時間內電做的功 電功率
011 隨頻率而變的電阻值 阻抗
012 阻抗的計算 復數
013 存儲電荷 電容器及其電容
014 存儲磁場能 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 電子電路和半導體
017 移動零件和有放大作用的零件 無源元件和有源元件
018 施加能量電子就會運動 半導體
019 電子移動產生的空穴 空穴（Hole）
020 添加雜質的半導體 n型半導體和p型半導體
021 n型半導體和p型半導體的組合 二極管
022 發光半導體器件 發光二極管（LED）
023 對光和磁有反應的半導體器件 光電器件、霍爾器件
COLUMN 晶體管是發現還是發明？
第3章 模擬電子電路的基礎
024 放大及其單位 分貝（dB）
025 通過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 名稱因移動主體而不同 npn結和pnp結
028 晶體管的基本電路 共射極電路
029 晶體管和負載之間的關系 負載線
030 讓晶體管起作用的點 工作點
031 表示電流放大率的參數 h_fe
032 功率放大的基礎 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 將放大后的信號返回輸入 反饋電路
036 靠電壓控制電流的器件 場效應晶體管（FET）
037 FET基本電路
038 n型FET和p型FET的組合 CMOS
039 硅是優良的半導體 硅晶圓
040 在硅上制作晶體管 平板技術
041 在硅上制作電阻和電容器 平板技術的應用
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 可以運算的放大器 運算放大器
046 輸出相反方向的信號 反轉放大器
047 輸出相反方向的信號 同相放大器
048 將多個輸入相加 加法電路
049 減去兩個輸入 減法電路
050 表示信號的變化量 微分電路
051 在某時間段內積累信號 積分電路
052 去掉沒有用的波 濾波電路
053 為了傳送多個信號的變換方式 調制
054 總發出恒定頻率的信號 振蕩電路
055 輸出符合輸入信號變動的頻率 PLL電路
056 將模擬信號轉變成數字信息 模擬-數字轉變
057 將數字信號轉變成模擬信號 數字-模擬轉變
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 運算放大器的發明
第5章 數字電子電路
060 用0和1調動的電子電路 二進制數和數字電路
061 用數字電路表示負數 補數
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 計算機內的基本運算電路 半加法器
066 考慮下級進位的運算電路 全加法器
067 電腦的基本記憶電路 雙穩態多諧振蕩
068 記憶狀態的存儲器
069 由記憶的內部狀態和輸入決定輸出 順序電路
070 由進程表實現的數字電路 硬件描述語言
071 由脈沖波產生的交流電 逆變電路
072 使用數字的功率放大電路 丁類放大電路
COLUMN 電波故障和限制
參考文獻

001 構成物質的原子核和電子沿著軌道旋轉的電子
你知道我們身邊的種種物質是由什么組成的嗎？所有物質都是由如圖1所示的由原子核和電子組成的原子構成的。電子圍繞著原子核旋轉，物質的種類是由原子核中的所有質子和中子以及環繞在它們周圍的所有電子的數量決定的。如圖1所示，在原子核周圍只有一個電子的物質稱為氫。
圍繞原子核旋轉的電子并不是無秩序地旋轉，而是整齊地沿著軌道旋轉。這些軌道如圖2所示，離原子核最近的稱為K層、其外側依次為L層、M層和N層。各個軌道能夠容納一定數量的電子數，K層是2個、L層是8個、M層是18個、N層中能夠容納32個電子旋轉。
可以用原子核中所有的質子和中子以及電子層中電子的個數來區別物質的種類。
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個電子，K層、L層是飽和狀態，M層中只有4個電子。
這時，電子存在的最外側軌道稱為最外層，最外層上的電子稱為價電子。
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，最外層N層上有4個價電子（表1）。另外，鎵和鍺一樣也是K層、L層、M層處于飽和狀態，最外層N層上有3個價電子。用最外層上的價電子數決定其和其他原子是否容易結合。在電子電路中使用的物質是由各種原子的化合物組成的。
每個原子都是由圍繞在軌道周圍的電子的數量決定的
可以通過最外層的價電子數改變物質連接的難易程度
1 原子核和繞核運動的電子組成的原子模型
身邊的所有物質都是由原子核和電子組成的原子構成的。電子圍繞著原子核旋轉
圖2 電子層的模型和電子數
原子核周圍旋轉的電子沿著某些軌道旋轉。軌道由K層開始依次為L、M、N層，每個電子層上容納的電子數是一定的
表1 在電子電路中經常使用的原子和電子層
用于電子電路的原子有硅、鍺和鎵等。每個原子其軌道上的電子數是一定的
002 通過有沒有能自由移動的電子和能帶來判定導體和絕緣體
物質中有導電的導體和不能導電的絕緣體。導體和絕緣體有各種各樣的種類，一般來說金屬是導體，塑料、橡膠、玻璃和瓷器是絕緣體。它們的差異是物質中有無能夠自由移動的電子和能帶。
圖1是鋁（Al）的原子模型。鋁是擁有13個電子的原子。表示電子層的K層和L層上分別能夠容納2個和8個電子，鋁的K層和L層上的電子已經飽和了，其外層能容納18個電子的M層上還剩3個價電子。價電子不能隨便選擇電子層。電子軌道中包括能級。將各軌道和能級進行對比如圖1所示。鋁里邊K層和L層已經被電子填滿了，所以其能帶處于占滿狀態。可是M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體還是絕緣體的關鍵。
圖1是導體鋁，其最外層原子軌道（電子層）M層上有許多空位，這些軌道上的價電子可以自由移動。可是如圖2所示，原子軌道上全都擠滿了電子，沒有任何空位的情況下電子不能在同一軌道上自由移動，移至其他軌道需要非常高的能量，所以實際上其價電子是不能移動的。就像這樣，我們可以通過有沒有能夠自由移動的價電子或者有沒有能夠自由移動的能帶來判定物體是導體還是絕緣體。
導體最外層軌道上有空位，能帶也有空隙
絕緣體軌道上的電子沒有空位，電子不能自由移動
圖1 鋁（Al）原子的能帶
每個原子中有一定數量的電子，電子自K層依次沿軌道排列。最外層軌道如果沒有被電子充滿，就會產生電子自由移動的余地，由這樣的原子組成的物質成為能夠導電的導體
圖2 絕緣體難導電的原因
軌道被電子充滿的情況下，電子移到其他軌道上需要很大能量，非常難。另外，因為電子不能自由移動，所以這些物質成為難以導電的絕緣體
003 自由電子同時流動形成電流
所謂的電流即是電子的流動。那么，在導體中如果電子流動的話，就能形成電流了么？如果把導體中到處活動的價電子稱為自由電子，如圖1所示，通常，自由電子在導體中到處移動，所以如果單看某一部分的話，那些活動整體抵消之后就變成零了。單憑導體自身的存在狀態的話，可以說電流是不會產生的。
電流是自由電子在某個方向上流動時產生的。如圖2所示，如果在導體中安裝正極和負極的話，自由電子會同時向正極流動。自由電子同時定向流動的時候，就形成了電流。這個電流可由下式計算：
電流I（A）=電荷Q（C）÷時間t（s）
電荷Q即通過導體橫截面的自由電子的數量，1Q約相當于6.24×1018個電荷的電量。這是一個非常大的數量，照此類推1A的電流是非常巨大的。電流的單位安培是以發現“安培定則”（表示電流和磁場之間的關系）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動方向相反。以前人們認為電是從正極流向負極的，后來，隨著觀察電子技術的進步，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。
自由電子定向運動時形成電流
電流的方向和電子的移動方向是相反的
圖1 導體中的自由電子
在導體中，自由電子來回自由地運動。這種運動絲毫沒有規律性，因為是在內部到處運動，所以整體來說電量抵消為零，呈現沒有電流流動的狀態
圖2 電子和電流的方向
如果在導體上加電極的話，其中的自由電子會向一個方向移動。為了測定這種移動需要的能量的大小，我們定義了電流。