作为掌握电子电路的基本要素，半导体零部件的结构、电子电路中的基本理论、各种各样的零部件、放大电路和应用运算电路以及作为电脑基础的数字电路等，木村诚聪编写的这本《电子世界轻松游：电子电路开心入门》对这些内容一一进行了说明。

在我们生活的世界中，各种各样形形色色的事物和现象，其中都必定包含着科学的成分。在这些成分中，有些是你所熟知的，有些是你未知的，有些是你还一知半解的。面对未知的世界，好奇的你是不是有很多疑惑、不解和期待呢？！“形形色色的科学”趣味科普丛书，把我们身边方方面面的科学知识活灵活现、生动有趣地展示给你，让你在畅快阅读中收获这些鲜活的科学知识！

电子电路虽然看起来复杂，但实际上只要明白基本的概念和组成部分，整个电子电路无非就是各部分的组合。木村诚聪编写的这本《电子世界轻松游：电子电路开心入门》主要讲了半导体部件的结构、电子电路基本理论、许多部件和放大电路的应用以及数字电路等内容，书中包含了最重要同时又是最基本的电子电路知识，对电子电路感兴趣、同时梦想着在产品制造中实现自己创意的你，千万不要错过哦！

《电子世界轻松游：电子电路开心入门》适合青少年读者、科学爱好者以及大众读者阅读。

第1章 电子电路基础

 构成物质的原子核和电子 沿着轨道旋转的电子

 通过有没有能自由移动的电子和能带来判定导体和绝缘体

 自由电子同时流动形成电流

 电流的驱动力 电压

 控制电流 电阻和欧姆定律

 通过化学反应发电的装置 电池

 电流和电压的关系 基尔霍夫定律

 “不变”的电和“变化”的电 直流电和交流电

 信号的位置关系 相位

 单位时间内电做的功 电功率

 随频率而变的电阻值 阻抗

 阻抗的计算 复数

 存储电荷 电容器及其电容

 存储磁场能 线圈和电感

 各种各样的电阻器 从大型电阻器到片式电阻器

 存储电荷、通交流电的元件 电容器

COLUMN 电子电路的配角——连接器

第2章 电子电路和半导体

 移动零件和有放大作用的零件 无源元件和有源元件

 施加能量电子就会运动 半导体

 电子移动产生的空穴 空穴(Hole)

 添加杂质的半导体 n型半导体和p型半导体

 n型半导体和p型半导体的组合 二极管

 发光半导体器件 发光二极管(LED)

 对光和磁有反应的半导体器件 光电器件、霍尔器件

COLUMN 晶体管是发现还是发明？

第3章 模拟电子电路的基础

 放大及其单位 分贝(dB)

 通过电容器与线圈组合改变电阻值 谐振电路

 电子与空穴共同控制电流 双极晶体管

 名称因移动主体而不同 npn结和pnp结

 晶体管的基本电路 共射极电路

 晶体管和负载之间的关系 负载线

 让晶体管起作用的点 工作点

 表示电流放大率的参数 hfe

 功率放大的基础 甲类放大电路

 放大效率高的放大电路 乙类、丙类放大电路

 失真少、效率高的放大电路 推挽放大电路

 将放大后的信号返回输入 反馈电路

 靠电压控制电流的器件 场效应晶体管(FET)

 FET基本电路

 n型FET和p型FET的组合 CMOS

 硅是优良的半导体 硅晶圆

 在硅上制作晶体管 平板技术

 在硅上制作电阻和电容器 平板技术的应用

COLUMN 电工电路和电子电路的不同

第4章 模拟电子电路

 把大电流吸入晶体管 灌流电路

 把大电流从晶体管输出 电流源电路

 可以输出与输入相同的电流值 电流反射镜

 可以运算的放大器 运算放大器

 输出相反方向的信号 反转放大器

 输出相反方向的信号 同相放大器

 将多个输入相加 加法电路

 减去两个输入 减法电路

 表示信号的变化量 微分电路

 在某时间段内积累信号 积分电路

 去掉没有用的波 滤波电路

 为了传送多个信号的变换方式 调制

 总发出恒定频率的信号 振荡电路

 输出符合输入信号变动的频率 PLL电路

 将模拟信号转变成数字信息 模拟-数字转变

 将数字信号转变成模拟信号 数字-模拟转变

 高交流电压到低直流电压的获取 AC-DC电源电路

 由高直流电压制成低直流电压 DC-DC电源电路

COLUMN 运算放大器的发明

第5章 数字电子电路

 用和调动的电子电路 二进制数和数字电路

 用数字电路表示负数 补数

 表示A和B的电路 逻辑与(AND)

 表示A或者B的电路 逻辑或(OR)

 表示否定的电路 逻辑非(NOT)

 计算机内的基本运算电路 半加法器

 考虑下级进位的运算电路 全加法器

 电脑的基本记忆电路 双稳态多谐振荡

 记忆状态的存储器

 由记忆的内部状态和输入决定输出 顺序电路

 由进程表实现的数字电路 硬件描述语言

 由脉冲波产生的交流电 逆变电路

 使用数字的功率放大电路 丁类放大电路

COLUMN 电波故障和限制

参考文献

构成物质的原子核和电子：沿着轨道旋转的电子

你知道我们身边的种种物质是由什么组成的吗？所有物质都是由如图1所示的由原子核和电子组成的原子构成的。电子围绕着原子核旋转，物质的种类是由原子核中的所有质子和中子以及环绕在它们周围的所有电子的数量决定的。如图1所示，在原子核周围只有一个电子的物质称为氢。

围绕原子核旋转的电子并不是无秩序地旋转，而是整齐地沿着轨道旋转。这些轨道如图2所示，离原子核最近的称为K层、其外侧依次为L层、M层和N层。各个轨道能够容纳一定数量的电子数，K层是2个、L层是8个、M层是18个、N层中能够容纳32个电子旋转。可以用原子核中所有的质子和中子以及电子层中电子的个数来区别物质的种类。

用于电子电路的原子有几种呢？使用最普遍的是硅(si)。硅元素中一共有14个电子，K层、L层是饱和状态，M层中只有4个电子。这时，电子存在的最外侧轨道称为最外层，最外层上的电子称为价电子。

除硅以外用于电子电路的原子有锗(Ge)和镓(Ga)。锗是K层、L层、M层处于饱和状态，最外层N层上有4个价电子(表1)。另外，镓和锗一样也是K层、L层、M层处于饱和状态，最外层N层上有3个价电子。用最外层上的价电子数决定其和其他原子是否容易结合。在电子电路中使用的物质是由各种原子的化合物组成的。

通过有没有能自由移动的电子和能带来判定导体和绝缘体

物质中有导电的导体和不能导电的绝缘体。导体和绝缘体有各种各样的种类，一般来说金属是导体，塑料、橡胶、玻璃和瓷器是绝缘体。它们的差异是物质中有无能够自由移动的电子和能带。

图1是铝(A1)的原子模型。铝是拥有13个电子的原子。表示电子层的K层和L层上分别能够容纳2个和8个电子，铝的K层和L层上的电子已经饱和了，其外层能容纳18个电子的M层上还剩3个价电子。价电子不能随便选择电子层。电子轨道中包括能级。将各轨道和能级进行对比如图1所示。铝里边K层和L层已经被电子填满了，所以其能带处于占满状态。可是M层还有富余，所以能带也有空隙。这些能带空还是不空，也就是最外层轨道上空与否是决定其是导体还是绝缘体的关键。

图1是导体铝，其最外层原子轨道(电子层)M层上有许多空位，这些轨道上的价电子可以自由移动。可是如 所示，原子轨道上全都挤满了电子，没有任何空位的情况下电子不能在同一轨道上自由移动，移至其他轨道需要非常高的能量，所以实际上其价电子是不能移动的。就像这样，我们可以通过有没有能够自由移动的价电子或者有没有能够自由移动的能带来判定物体是导体还是绝缘体。

自由电子同时流动形成电流

所谓的电流即是电子的流动。那么，在导体中如果电子流动的话，就能形成电流了么？如果把导体中到处活动的价电子称为自由电子，如图1所示，通常，自由电子在导体中到处移动，所以如果单看某一部分的话，那些活动整体抵消之后就变成零了。单凭导体自身的存在状态的话，可以说电流是不会产生的。

电流是自由电子在某个方向上流动时产生的。如图2所示，如果在导体中安装正极和负极的话，自由电子会同时向正极流动。自由电子同时定向流动的时候，就形成了电流。这个电流可由下式计算：

电流，(A)=电荷Q(C)÷时间f(s)

电荷Q即通过导体横截面的自由电子的数量，1Q约相当于6.24×10*18个电荷的电量。这是一个非常大的数量，照此类推lA的电流是非常巨大的。电流的单位安培是以发现“安培定则”(表示电流和磁场之间的关系)的安德烈·玛丽·安培(Andre Marie Ampere)的名字命名的。

如图2所示，电流方向与自由电子的运动方向相反。以前人们认为电是从正极流向负极的，后来，随着观察电子技术的进步，人们才知道电流的方向和电子流向的方向相反。确定电中存在正负极的是富兰克林(B.Franklin)，如果电子的流向和极性相反，那么之前的想法和理论都必须修正，因此我们定义电子和电流的方向是相反的。

电流的驱动力：电压

所谓的电流是自由电子朝某一方向移动形成的。那么，为了让电子移动该怎么做呢？水从高处向低处流，电子也一样，如图1所示，在某一相同的位置，电子完全不动，像右图所示存在高度差时，电子似乎会从位置高的地方向位置低的地方流动。这里的位置指的是拥有单位电荷的能量。这个能量是电位能，其越高能量越大。我们把这个位能称为电位(electric potential)，高低差称为电位差(electric potential difference)。通常此电位差称为电压(voltage)。

电压容易被想成是电的“压力”，是某个电位和某个电位的差。可以想象这个差小的时候，电流的流势不明显，差大的时候，电流的流势会相当大。电路中，由高电位落到低电位的电子能够被再次拉回高电位。举到高电位的东西，看起来是一种能量，称为电动势(electromotive force)(圈2)。电动势越大的话电位差就越大，电子势能也就越大，电流的流势也就变强。从低电位举到高电位的电动势需要相当的能量。也就是说因为电子的电荷是负的，所以从电子的角度来看的话，请注意其正向能量是变低的。

电压的定义是“对1库仑(C)的电荷做1焦耳(J)的功，形成的电位差是1伏特(V)”。伏特(V)这个单位是以19世纪发明电池的亚历山德罗·伏打(Alessandro G.A.Volta)的名字命名的。

P2-8

我们的身边充满着由各种各样电子电路组成的电子产品。这些产品看起来好像挺复杂的，自己不能简单地设计和制作。当然，为了设计和制作电子电路，在大学期间要积累相应的知识和实践经验。

有很多人觉得只有在大学期间非常刻苦地学习，才能理解电子电路。电子电路虽然看起来复杂，实际上只要抓住基本的要素，将其组合，就不那么难理解了。基本要素中，理论部分是“欧姆定律”和“基尔霍夫定律”，只要会简单的数学知识就可以掌握。当然，电子电路并不是仅限于数学手段来解决，也需要更高难度的知识。可是，我认为无论什么事只有抓住简单的概念，在理解的基础上进一步提高才会牢固掌握。

作为掌握电子电路的基本要素，半导体零部件的结构、电子电路中的基本理论、各种各样的零部件、放大电路和应用运算电路以及作为电脑基础的数字电路等，本书对这些内容一一进行了说明。书中选取的内容有旧的也有新的，但无论是新的还是旧的都是取自最基本的内容，所以如果能将本书中所写的内容理解到某种程度的话，就能对电子电路的世界有一个总体的把握了。这个世界中随处可见的数字仪器都是基于电子电路运转的。怎样做才能使数字仪器运转呢？这个疑问通过理解电子电路就可以解开了吧。如果广大读者通过本书会对电子电路产生兴趣，并且立志成为未来制造优秀产品的工程师(技术人员)，我将深感荣幸。

最后，我要对给予我写作机会的Soft Bank creative的编辑人员以及为本书绘出漂亮插图的设计师们表示衷心感谢。

木村诚聪