图书在版编目 <CIP) 数据 医学电子学基础与医学影像物理学 / 潘志达主编 - 北京 z 科学技术文献出版社, 医学影像专业必修课考试辅导教材 ISBN 医 II. 潘 ffi. 1 医用电子学 - 医学院校 - 教材 2 影像诊断 - 医用物理

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1 医学影像专业必修课考试辅导教材 医学电子学基础与 医学影像物理学 主编潘志达副主编伍建林盖立平王保芳 编者 ( 以姓氏笔画为序 丁晓东王保芳宁殿秀伍建林陈艳霞盖立平潘志达主审洪洋 科学技术文献出版社 Scientific and Technical Documents Publishing H 因 e 北京

2 图书在版编目 <CIP) 数据 医学电子学基础与医学影像物理学 / 潘志达主编 - 北京 z 科学技术文献出版社, 医学影像专业必修课考试辅导教材 ISBN 医 II. 潘 ffi. 1 医用电子学 - 医学院校 - 教材 2 影像诊断 - 医用物理 学 - 医学院校 - 教材 N. (R312 ( R445 中国版本图书馆 CIP 数据核字 005) 第 号 出 版 者科学技术文献出版社 地 址北京市复兴路 15 号 ( 中央电视台西侧 ) 图书编务部电话 ω10) , ω10) ( 传真 图书发行部电话 ω10) , ω10) ( 传真 ) 邮购部电话 ω10) 网址 stdph m st 址 ph@istic. ac. cn 策划编辑薛士滨 责任编辑唐玲 责任校对唐炜 责任出版王芳妮 发 行 者科学技术文献出版社发行全国各地新华书店经销 印 刷 者北京高迪印刷有限公司 版 ( 印 次 2006 年 1 月第 1 版第 1 次印刷 开本 787X 开 字数 460 千 印张 16 印数 册 定价 版权所有违法必究 购买本社图书, 凡字迹不清 缺页 倒页 脱页者, 本社发行部负责调换.

3 ( 京 ) 新登字 130 号 内容简介 本书是根据卫生部教材办公室及全国高等医药院校医学影像学专业教材评审委员会所审定的 " 医学电子学基础 " 与 " 医学影像物理学 " 的教学内容而编写的内容包括电路基础 半导体器件 放大电路基础 集成运算放大器 数字电路基础 普通 X 射线影像 数字化 x 射线成像技术 x 射线计算机体层成像 核磁共振成像 放射性核素显像及超声成像, 并附有模拟考试题两套及本专业中英文名词对照表, 本书适合全国各高等医药院校医学影像学专业广太师生参考使用. 科学技术文献出版社是国家科学技术部系统惟一一 家中央级综合性科技出版机构, 我们所有的努力都是为 了使您增长知识和才干.

4 前言本书是根据卫生部教材办公室及全国高等医药院校医学影像学专业教材评审委员 会所审定的 " 医学电子学基础 (The base of medicine electroniω" 与 " 医学影像物理学 <Physics of medicine imaging) " 的教学内容而编写的按医学影像学专业培养目标的要求, 学生应具有基础医学 临床医学和现代医学影像学的基本理论知识除此, 还应掌握医学影像诊断 介入放射以及医学成像技术等方面的专业知识要实现这一目标, " 医学电子学基础 " 与 " 医学影像物理学 " 的教学就显得格外重要. 实际上这两门课程, 除了包括 " 电子学 " " 物理学 " 的主要内容之外, 还涉及到 " 基础医学飞 " 临床医学 " 以及 ' 级学 " 和 ' 计算机技术 " 的诸多方面, 是跨学科的边缘学科要学好这两门课程, 并非易事为帮助医学影像学专业的学生学好这两门课程, 大连医科大学 中国医科大学 柯南大学的相关教师联合编写了这本 医学电子学基础与医学影像物理学 考试辅导教材我们的目的不仅是帮助学生学好这两门课程, 掌握必要的知识点 z 同时也希望有助于教师教好这两门课程. 另外, 本书还选用了医学影像诊断学的一些题目, 意在强化 " 基础 " 和 " 专业 " 的结合, 有利于后续课程的学习本书在编写过程中得到科学技术文献出版社和大连医科大学等单位的相关部门的全力支持, 在此深表谢意! 由于全国各高等医药院校医学影像学专业培养方向的差异, 这本书所涉及的内容不一定满足所有专业方向的要求, 又由于编者水平所限, 错误和不当之处在所难免, 希望使用本书的广大师生予以批评指正 潘志达 于大连医科大学 2005 年 8 月

5 目 录 第一篇医学电于学基础 (1l 第一章 电路基础 (1l 第二章 半导体器件... (12l 第三章 放大电路基础 (3)) 第四章 集成运算放大帮 (59) 第五章 数字电路基础 (77) 第二篇 医学影像物理学 " (11)) 第六章 普通 X 射线影懂 (11)) 第七章 数字化 E 射线成像技术 (145) 第八章五射线计算机体层成像 "..... (157) 第九章核磁共振成..... (183) 第十章 放射性核章显像... (200) 第十一章 超声成像..... l4l 第十二章 医学电子学基础与医学影惺物理学模拟考试题. (234) 医学电子学基础与医学影懂物理学本科生期末考试模拟试题丛 34) 医学电子学基础与医学影像物理学本科生期末寺试模拟试题也 38) 附录医学电于学基础与医学影像物理学中英主专业名词对照 )

6 所弟篇医学电子学基础 第一章 电路基础 教学大纲要求 掌握电子学基本定律 : 理解直流电路的暂态过程 ; 认识复杂电路的基本规律与计算方法 重点和难点 运用叠加原理 戴维宁定理 诺顿定理计算复杂电路 教学要点 : 一 电压源 Cvoltage supply) 电源是维持回路中电流流动的装置, 它既能向外电路提供电压, 也可以向外电路提供电流因 此, 一个电源可以用不同等效电路来表示用电压形式表示的称为电压源 ; 用电流形式表示的则称为 电流源 1. 理想电压源 两端能保持定值电压的电源, 用符号 Us 表示 ( 与流过的电流大小无关, 即内阻为零 理想电压源两端点相当于短路图 1-1 (a) 所示为理想电压源, 其特点是 : I 一 --- l 一一一 - + l 十 U,( 1) U V 尺 + + U( I J U ιo (a) 理想电压源 (b) 实际电压源 图 1-1 电压源 (1) 端电压恒定或按一定的时间函数变化 1 (2) 与流过的电流太小无关, 电流可以为任意值 : (3) 流过的电流由外电路确定

7 学电子学基础与医学影像物理(3) 端电压是由定值电流和它相连接的外电路共同决定的医t 九? t ~ ) 二厅 闯呐 1 2. 实际电压源 两端的电压随外电路的电流而改变, 用符号 U 表示特点是实际电压源的内阻 Rs 越小, 就越 接近理想电压源 o 如图 1-1 (1) 所示 3. 理想 电压源与实际电压源之间的关系转换实际电压源等效为理想电压源 Us 和内阻 Rs 相串联的模型 二 电流源 (current supply) 1. 理想电流源 两端能保持定值电流的电源, 用符号 Is 表示与外电路电压大小无关, 即内阻为无穷大理想学电流源两端点相当于断路如图 1-2 (a) 所示其特点是 : (1) 输出电流是定值或是按一定的时间函数变化 ; (2) 与端电压大小无关 : 2. 实际电流源 输出电流随外电路而变化的电源, 用符号 I 表示 Rs 代表实际电流源内阻, 其特点是实际电流 源的内阻 Rs 越太, 就越接近理想电流源如图 1-2 (b) 所示 1- α l 一, 十 R, U ) 理想电流源 (b) 实际电流源 图 1-2 电流源 3. 理想电流源与实际电流源之间的关系转换 实际电流源等效为理想电流源和内阻 Rs 相并联的模型 三 叠加原理 在一个复杂的网络中, 任何一个支路中的电流 ( 或电压 ), 等于电路中每个独立源单独作用时, 在该支路中产生的电流 ( 或电压 ) 的代数和这就是叠加原理每个独立源单独作用时, 其他独立源视为零值即电压源用短路代苔, 电流源用开路代苔, 受控源 ( 是一种描述电路中某支路的电压或电流受到另一条支路的电压或电流的控制现象的理想电路元件 ) 应该保留正负号的规定 : 若电流方向与原标定参考方向一致时, 取正, 否则取负 四 戴维宁定理 2 任何一个有源线性二端网络可以用一个理想电压源串联一个电阻来代替电压源的电压等于该 网络端口的开路电压 U 缸, 而等效电阻 R 则等于该网络中全部独立源为零值时, 从端口看进去的电

8 篇医阻. 由这一电压和等效电阻组成的等效电路, 称为戴维宁电路. 五 诺顿定理 于该网络端口的短路电流 Isc. 而等效电阻 Ro 则等于该网络中全部独立源为零值时, 从端口看进去 的电阻. 由这一电流和等效电阻组成的等效电路, 称为诺顿电路一个有源线性二端网络, 既可等效 第 学电子学基础 第一章电. 电流源的电流等路基础任何一个有源线性二端网络可以用一个理想电流源并联一个等效电阻来代替 为戴维宁电路, 也可等效为诺顿电路. 实际应用中根据具体问题选择较简便的一种. 六 直流电路的暂态过程 电子线路中的电过程, 通常有暂态过程与稳态过程之分在电路中电容或电感上存储的能量在 电路变化时进行能量转换的过程为暂态过程. 经过一段时间后电容或电感上的能量转换达到了一定 程度的平衡, 这个平衡将能稳定的持续下去, 这一电路状态称为稳态. 在 RC 电路的暂态过程中, 电 容充电与放电的快慢与 RC 乘积的太 4 有关, 用 τ 来表示充电与放电的快慢, 则 r=rc 式中, τ 越太, 表示充电或放电越慢.τ 的单位为秒 (s). 在 RC 电路的暂态过程中, 句二C关过电容电流与电容两端流过电容电流与电容两端电压随时间变化的规律为来电压存在系流即Uc 二古 f i, 苦耐分微即电容两端电压与流过电容电流存在积分关系. 上述这种微分与积分的关系, 在集成运算放大电路中要用到. 典型试题分析 l ( 一 单项选择题 1 一个电源可以用两种不同的等效电路来表示, 用电压形式表示的称为 ( ), 用电流形式表示 的称为 ( λ A. 电流源 B. 电压源 C. 直流电源 D. 交流电源 答案, B, A 考点 z 电压源与电流源的概念. 电源是维持回路中电流流动的装置, 它既能向外电路提供电压, 也可以向外电路提供电流. 因此, 一个电源可以用不同的等效电路来表示固用电压形式表示的称为电压源 : 用电流形式表示的则称为电流源固 2. 实际电压源可以用模型来表征, 即 A. 理想电压源和内阻相串联 B. 理想电压源和内阻相并联 C. 理想电流摞和内阻相串联 D. 理想电流源和内阻相并联 答案, A 考点 z 对实际电压源与理想电压源关系的理解. 实际电压摞可以等效为理想电压源 U s 和内阻 Rs 相串联的模型. 实际电压源的内阻 Rs 越小, 就越接近理想电压源. 3

9 ) 仙 (a) t 九? t ~ ) 二厅 闯呐 1 学电子学基础与医学影像物理学考点 : 理想电流源的定义医( 二 ) 多项选择题 3. 理想电压源的基本特性是 A. 端电压恒定或按一定的时间函数变化 B. 端电压与流过的电流太小无关 C. 流过的电流 由外电路确定 D. 理想电压源内阻不为零 答案 :ABC 考点 : 对理想 电压源的基本特性的掌握 理想电压源的基本特性是端电压恒定或按一定的时间函数变化 ; 与流过的电流大小无关 : 流过的 电流由外电路确定 : 理想电压源内阻为零 ( 三 ) 名词解释 4. 理想电流源 答案 : 理想电流源是两端能保持定值电流的电源, 用符号 Is 表示与外电路电压大小无关, 即内 阻为无穷大理想电流源两端点相当于断路 ( 四 ) 计算题 5. 试用叠加原理计算如图 1-3 (a) 所示的电位 Uo 己知 : Is = 9 ma, Us = 18 V, R j = 1 k,o, R 2 = 5 k,o, R3 二 6 k,o, R4 二 6 k,o 解 : 根据叠加原理, 电流源单独作用于网络时, 电压源用短路代替 ; 电压源单独作用于网络时, 电 流源用开路代替如图 1-3 (b) (c) 所求电压 Uo = U 1 + U 2 0 且 1 十 R, 十 R, U, R 4 U o R 2 R 4 Uj R3 Rj 十 且 2 E 毛 R4 U, R3 (c) 图 1-3 典型习题 5 电路图 电流源单独作用时, 整个电路的电压降落为 U01 二 [(R 1 + R3// R 4) // R 2 J x Is 二 20 V U1=UO1(Is-tL) R1= 川 4 电压源单独作用于网络时流过整个电路的电流为

10 电路基础RL Us 18 一一一一一一一 = 一 =2 ma R4// CR j + R 2) + R3 9 U z = 2 X [R 4 矿 CR j + Rz) ] = 6 V <idy 二三三卫 所求的电压为 考点 : 叠加原理的应用 Uo 二 Uj + U2 二 21 V 6. 试用戴维宁定理求如图 1-4 C a ) 所示的电路中流过 RL 的电流 I 60 ko, R 3=20 ko, R 4=40 ko, Us =100 V, R L =10 ko 医学电子学基础 第一章第一篇已知 R j = 80 ko, R 2 = (a) ( LO ) + uοc (c) ( AU ) 图 1-4 典型习题 6 电路图 解 : 第一步, 求 R L 开路时的等效电压, 电路如图 1-4 Cb) 所示 UOC = 一旦 s~ R 一旦 ~R2=20 V R j + R3 Hj R 2 + R4 第二步, 求等效电阻, 即全部独立源为零值时的等效电阻, 电路图 1-4 C c ) 所示 Ro = Rj// R3 + R 2// R4 = 40 ko 戴维宁定理等效后的电路如图 1-4 cd) 所示流过 RL 的电流为 Urr 一 --- 一二 0.4 Ro + R L 应用戴维宁定理时注意该定理只适用于计算网络外部的电压与电流, 而不适用于计算网络内部 的电压与电流 考点 : 戴维宁定理的应用 用戴维宁定理解题时, 把该二端网络可以用一个理想电压源串联一个电阻来代替电压源的电 ma 压等于该网络端口的开路电压, 而等效电阻则等于该网络中全部独立源为零值时, 从端口看进去的电阻 7. 试用诺顿定理求如图 1-5 C a ) 所示电路流过 RL 的电流 o 己知 R j 二 R 2 二 R3 二 2 ko, 5

11 t 九? t ~ ) 二厅 闯呐 1 学电子学基础与医学影像物理学十医RL 二 1 ko., Us 二 6 VO 所示 解 z 第一步, 求 R L 短路时的等效电流 电路如图 1-5 (b) 所示 I"f' 叮 = = 一一 ~s = 一 '- -.2 = 3 ma.ol R 1 2 第二步, 求等效电阻等效电阻等于独立源为主事值时, 负载前端口开路电阻 Rn Ro + R L I 二 1"" 二一一 -- 一二 1. 5 δl ma Ro 二 R 1 // R 2 // R3 二 1 ko. 第三步, 求流过 R L 的电流诺顿等效电路如图 1-5 cd) 所示 U 吓 R1 R, R, RL + U 飞 R1 ι( 电路如图 1-5 (c) (a) ( thu ) R 1 R R3 Ro I 飞 'C R'l R L (c) ( d ) 图 1-5 典型习题 7 电路图 考点 : 诺顿定理的应用 该二端网络可以用一个理想电流源并联一个等效电阻来代替电流源的电流等于该网络端口的 短路电流, 而等效电阻则等于该网络中全部独立源为零值时从端口看进去的电阻 ( 五 ) 论述题 8. 运用叠加原理进行求解计算时应注意哪些问题? (1) 考虑每个独立源单独作用时, 其他独立源视为零值即独立电压源用短路代替, 独立电流源用开路代替, 受控源应该保留 (2) 电流正负号的规定 : 当电源单独作用时的方向与原标定参考方向一致时, 电流取正号 : 相反时取负号 (3) 叠加原理适用于电压或电流的叠加考点 : 叠加原理的应用 6 叠加原理常用于多电源较复杂线性电路电流与电压的求解

12 篇医路基础( 二 多项选择题 i 旦 j ( 一 单项选择题 1. 可以用来表征实际电流源的模型是 A. 理想电压源和内阻相串联 B 理想电压源和内阻相并联 第 学电子学基础 C. 理想电流源和内阻相串联第一章D. 理想电流源和内阻相并联 2. 任何一个有源线性二端网络可以用一个 ) 串联一个电阻来代替 A 理想电压源 B 理想电流源 C 电源 D 电容 3. 任何一个有源线性二端网络可以用一个 ) 并联一个电阻来代替. A. 理想电压源 B 理想电流源 C 电源 D 电容 4. 实际电压源的内阻 ). 就越接近于 ) A. 理想电压源 B 理想电流源 C 越小 D 越太 5. 我们把充电电路中电阻与电容的乘积叫做电路的 A. 电压 B. 时间常数 C. 暂态 D. 稳态电6 理想电流源的基本特性是 A. 输出电流是定值或是按一定的时间菌数变化, 与端电压大小无关 B. 输出电流是定值, 与端 电压大小有关 C 端电压是由定值电流和它相连接的外电路共同决定的 D 端电压是由定值电流 Is 决定的 7. 运用叠加原理时应注意的方面有 A. 每个独立源单独作用时, 其他独立源视为零值. 即电压源用短路代替, 电流源用开路代替, 受 控源应该保留 B. 电流正负号的规定 = 若电流方向与原标定方向一致时, 取正, 否则取负 C. 每个 独立源单独作用时, 其他独立源视为零值即电压源用开路代替, 电流源用短路代替, 受控源应该保 留 D 每个独立源单独作用时, 其他独立源视为零值即电压源用短路代替, 电流源用开路代替, 受 控源不应该保留 8 关于任何一个有源线性二端网络, 以下说法正确的是 A. 可以用一个理想电流源并联一个等效电阻来代替 B. 可以用一个理想电压源并联一个等效 电阻来代替 C 一个有源线性二端网络, 既可等效为戴维宁电路, 也可等效为诺顿电路 D 可以用 一个理想电压源串联一个电阻来代替 E. 可以用一个理想电压源并联一个电阻来代替 ( 三 名词解释 9. 理想电压源 10. 有源二端网络 1 1. 叠加原理 12. 受控源 13. 诺顿定理 四 ) 计算题 14. 电路结构与参数如图 1.6 所示 Is~2 A.Rs~2 O, R~2 O. 试将图中的电流源变为电压源形式, 并求出电路中流过 R 的电流 I 15. 试用叠加原理求如图 1-7 所示流过 RL 的电流 h. 已知, R, ~RL~1 O. Us~4 V R2~R3~ 2 O.Is~3 A. 7

13 医学电子学基础与医学影像物理L t 九? t ~ ) 二厅 闯呐 1 I 气 R U" b 图 1-6 习题 14 电路图图 1-7 习题 15 电路图 16. 电路结构如图 1-8 所示试用叠加原理求流过 R 的电流 10 U S1 =4 V, U S2 =6 V 学已知 : R = R 2 = 2 Q, R 1 = 2 Q, I 100 Qm 100 α R 十 U S 1 十 VV 200 U S b 图 1-8 习题 16 电路图 图 1-9 习题 17 电路图 17. 电路结构与参数如图 1-9 所示, 求该电路的戴维宁等效电路 18. 如图 1-10 电路中, 试求该电路的诺顿等效电路和戴维宁等效电路 19. 如图 1-11 电路中, 试用诺顿定理和戴维宁定理求电流 I α l 50 十 18V + 12V 3D + 6V + 15V 6 ~l 120 b 4Q 图 1-10 习题 18 电路图 图 1-11 习题 19 电路图 ( 五 ) 论述题 20. 简述戴维宁定理的主要内容它适用于何种电路的计算? 答题要点 i 8 ( 一 ) 单项选择题 l. D 2. A 3. B 4. C;A 5. B

14 篇医( 二 多项选择题 6. AC 7. AB 8. ACD 9 理想电压源是指两端能保持定值电压的电源. 10. 有源二端网络是指凡只有两个引出端的, 内部啻有电源的部分电路. 11. 叠加原理 E 在一个复杂的网络中, 任何一个支路中的电流 ( 或电压 ), 等于电路中每个独立源 单独作用时, 在该支路中产生的电流 或电压 的代数和 12. 受控源是一种描述电路中某支路的电压或电流受到另一条支路的电压或电流的控制现象的 理想电路元件. 13. 诺顿定理任何一个有源线性二端网络可以用一个理想电流源并联一个等效电阻来代替 a 电 流源的电流等于该网络端口的短路电流, 而等效电阻则等于该网络中全部独立源为零值时, 从端口看 进去的电阻. 14. 解 = 按题意, 因为 流过 R 的电流为 Us~ IsRs~2x2~4 V, Rs~2 n I Js4 = 一一 ι~ ~ ::-'-:: ~ 1 A Rs+R 解 = 电压源单独作用时, 电流源开路, 流过 RL 的电流为 U< l Ll "Ll - R, + R,// R, 一一一 -- 一一一二 2A 电流源单独作用时, 电压源短路, 流过 RL 的电流就是电流源的电流, 即 流过 RL 的电流为 ιz 二 Is 二 3A ι ~ ILl + Iu ~ 5 A 16. 解 z 根据叠加原理, 在电阻 R 上的电流 I 分别是由两个独立电压源 US1 和 U 且产生的电流之 和, 当电压 JS1 源作用时, 令 U", 取零值如图 1-12ω 所示利用电阻等效关系可求出 R 与 R, 并 联再与 R, 串联的等效电阻 R' 为 2 n, 流过电路总电流为 第 学电子学基础 ( 三 ) 名词解释第一章电路基础( 四 计算题 所以流过 R 上的电流为 r1=.= r:s;=~ :...~~=---=-=2A R" 2 1'...= u~ 一 ~ ~~:l ~'\.2 ~ x X 1', = 一一 -::x2~la.l( R 2 +R" ~ 当电压源 U 且单独作用时, US1 电压源取零值. 如圈 1-12 (b) 所示. 同理可得当电压源 U 且单独作用时流过 R 上的电流 I 马为 ír~0.75a 9

15 学电子学基础与医学影像物理学当电路电压源不起作用时, ab 两端的等效电阻为医 一-十一t 九? t ~ ) 二厅 闯呐 1 R j R, r: R R Rj r: R R φl 飞 1 (a) ( k) υ图 1-12 习题 16 答案图 所以根据叠加原理, 在电阻 R 上的电流为 I 二 I'R + I"R 二 A 17. 解 : 电路 ab 两端的开路电压就是 20 n 电阻上的电压 100 Urr = 20 x. ~. ~ = 40 V vv -~ R, φa 2o x ( ) Rn 二 10 十 10 十二 32 n + 40V 该电路的戴维宁等效电路如图 1~13 所示 18. 解 : 根据题意 b (1) 将 ab 短路可得短路电流 1"" r 二一十一二 = 1~ A ι6 3 从 ab 端看进去的电阻为 ζ竹 d诺顿等效电路如图 1-14 (a) 所示 R U-一冽rou 句,缸图 1-13 习题 17 答案图 G 2Q Ro UC~, b (a) ( ku ) 图 1-14 习题 18 答案图 ) 将 ab 开路可得开路电压 U 町二 Uab 二 12 十丁士了 X3 二 14 V 戴维宁等效电路如图 1.14 (b) 所示 解 : 该电路在电源不起作用时的等效电阻为 ζ 句U u(1) 所求诺顿等效电路的电流为 R - 一+-ro-m吗d句,"

16 +-6 4一++-4 6一,"f 句,"0.6 A I~~ ~~:+~:~4.5A ~ + 1~ ~ 3 6 则, 可求得 va vt 句,z 乞+'-gJ '4句,-1 4-"6-ug 所求戴维宁电路的等效电压为 第 则, 可求得 ( 五 论述题 U"..~6+ 1~ 二亘 x3~9 V 品 6+3 旦王一一+句何4ro J 句471 "一+一+0.6 A 20. 任何一个有源线性二端网络可以用一个理想电压源串联一个电阻来代替. 电压源的电压等 于该网络端口的开路电压 Uoc 而等效电阻 Ro 则等于该网络中全部独立源为零值时, 从端口看进去 的电阻. 戴维宁定理只适用于计算外部电路的电压与电流, 而不适用于计算网络内部的电压和电流. 篇 医学电子学基础 第一章电路基础11

17 第二章 半导体器件 教学大纲要求 l 掌握两种载流子的形成, 扩散和漂移, PN 结的形成, 耗尽层, 半导体的单向导电性, 稳压管稳压原理, 晶体二极管 晶体三极管的放大作用, 三种工作状态, 晶体三极管的特性曲线, 熟悉三极管的主要参数, 了解场效应管的工作原理, 了解可控硅器件. 重点和难点 l PN 结的形成, 单向导电性, 二极管稳压原理. 三极管的特性曲线, 三种工作状态分析和各自特 点. 场效应管的工作原理, 场效应管的特性曲线分析 教学要点 i 一 PN 结 l. N 型半导体 <Semiω,nductor) 纯净的半导体称为本征半导体. 物质内部运载电荷的粒子称为载流于 田 rrier) G 半导体中有两种载流于 E 自由电子和雪穴. 本征半导体硅 或错 ) 中掺入五价元素磷 ( 或锦 等, 形成 N 型半导体掺入五价元素后, 晶体点阵中某些位置上的硅原子将被磷原子所代替, 磷与硅组成四对共价键后, 多余一个电于, 此电于晶失去形成自由电子 (fr 回 electron) 0 故硅 磷也称为施主杂质 (donor impuriti 臼 或 N 型杂质.N 型半导体的特点是大量电子, 少量空穴, 主要靠电子导电. 自由电子称为多数载梳子 ( 简称妻子 ). 而壁穴称为少数载流于 简称少于 λ 2.P 型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素, 如砌 嫁 锢等形成 p 型半导体, 也称为空穴型半导体因三 价杂质原于在与硅原于形成共价键时, 缺少一个价电于而在共价键中留下一空穴 (holρ P 型半导体 中空穴是多数载流子, 主要由掺杂形成 : 电子是少数载流子, 由热激发形成空穴很容矗俘获电子, 使 杂质原于成为负离子三价杂质因而也称为受主杂质 (accepter impurities) ( 或 p 型杂质 λf 型半导 体常温下特点 z 大量空穴, 少量电子, 主要靠壁穴导电 3.PN 结 (PN junction) 在一块本征半导体上用不同的掺杂工艺使其一边形成 F 型半导体, 另一边形成 N 型半导体, 那么在 p 型和 N 型半导体的交界面附近, 形成一个具有独特的物理特性的结, 这个结就是 PN 结, 由于交界面处两侧载梳子存在很大的浓度差.N 区的电子必然向 p 区运动, 同时 p 区的空穴也向 N 区运动. 由于载流于浓度不均匀而产生的高浓度载流于向低浓度载流子一侧的运动称为载流子的扩散

18 形成了空间电荷区 (space charge region) (p 区一边失去空穴, 留下带负电的杂质离子, N 区一边失去电 子, 留下带 E 电的杂质离子它们不能任意移动, 并不参与导电这些不能移动的带电粒子通常称为 空间电荷 ) 空间电荷区是高阻区, 又称阻挡层或耗尽层 (depletion layer), 内部载流子极少扩散运 动, 使耗尽层变宽 <idy 二三三卫第一篇(diffusion) 运动所形成的电流称为扩散电流由于扩散运动, 在 p 型和 N 型半导体的交接面附近, 体器件由于扩散运动形成了空间电荷区, 电荷区两侧的正负离子形成了内电场在电场作用下, 半导体 中的载流子沿内部电场力方向的运动称为载流子的漂移 (drift) 运动内电场阻碍了扩散运动, 加强 了漂移运动空间电荷区中扩散运动和漂移运动相互依存, 相互矛盾, 开始时, 扩散运动占优势, 空间 电荷区不断加宽随着内电场不断增强, 扩散运动不断减弱, 漂移运动却逐渐增强, 当二者趋于平衡 时, 空间电荷区的厚度不再变化, 形成了 PN 结 4.PN 结单向导电性 PN 结加正向电压时 :P 区接电源正端, N 区接电源负端, 称为正向偏置 (forward bias) 外加电场 与 PN 结内电场方向相反, 内电场减弱, 耗尽层变窄, 扩散运动加强此时漂移运动减弱, 多数载流子 的扩散电流通过回路形成正向电流 PN 结正偏时, 在正常工作范围内, PN 结上外加电压只要稍有 变化, 便能引起电流的显著变化正向的 PN 结表现为很小的电阻 PN 结加反向电压时 :P 区接电源负端, N 区接电源正端, PN 结反向偏置 (reverse bias), 内电场加 医学电子学基础 第二章半导强, 耗尽层变宽, 扩散运动难于进行, 漂移运动加强, 结平衡破坏, 外电路形成极小反向电流 PN 结的 单向导电性是由耗尽层的宽窄决定的, PN 结加正向电压时, 耗尽层变窄, 呈现很小的正向电阻, 正向 电流较大 : 加反向电压时, 耗尽层变宽, 呈现很大的反向电阻, 反向电流很小 PN 结的这种正向电阻 很小, 而反向电阻很大的特点, 称为 PN 结的单向导电性 二 二极管 Cdiode) 二极管的核心是 PN 结 1. 二极管的伏安特性 CV-A characteristics) 一般分为正向特性 反向特性和击穿特性兰部分如图 2-1 所示 (1) 正向特性当 U>O, 即处于正向特性区域正向区又 l/ma 分为两段 n 当 O<U<U 矶时, 正向电流为零, U 的称为 1 击穿特性 l 开启电压 门槛电压或死区电压 (threshold volt 反向特性 正向特性 age) 2) 当 U>U 战时, 开始出现正向电流, 并按指 数规律增长硅二极管的死区电压 U 的二 U/N 0.5 V 左右, 错二极管的死区电压 Uth 二 O.lV 左 ; 门槛电压 右 (2) 反向特性 当 U<O 时, 即处于反向特性区域 图 2-1 二极管的伏安特性 当 UBR < U<O 时, 反向电流很小, 且基本不 随反向电压的变化而变化, 此时的反向电流也称反向饱和电流 (reverse saturation current) Is 0 UBR 称 为反向击穿电压 (reverse breakdown voltage) (3) 击穿特性 (break-down characteristics) 13

19 码 1 医学电子学基础与医学影像物理学当 u; 注 U 血肘, 如果加到 PN 结的反向电压增大到一定数值时, 反向电流突然增加, 这个现象称 为 PN 结的反向击穿 a 在反向区, 硅二极管和错二极管的特性有所不同. 硅二极管的反向击穿特性 比较硬 比较陡, 反向饱和电流也很小 3 错二极管的反向击穿特性比较软, 过渡比较圆滑, 反向饱和电 流较大, 从击穿的机理上看, 硅二极管若 IU, 皿 注 7V 时, 主要是雪崩击穿 z 若 U 皿 <:;;4V 则主要是齐纳击 穿, 当在 4-7 V 之间两种击穿都有 2. 二极管的主要参数 (par 田 neters) 最大整流电流 1F, 最高反向工作电压 URM, 反向电流 1R, 直流电阻 RD, 交流 ( 动态 电阻 rdl 工作 温度 z 最高工作频率 FM 等. 3. 二极管稳压原理及其主要参数 稳压二极管简称稳压管 (voltage regulator) J 是一种特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管这 种管于的杂质浓度较大二极管反向击穿时, 当反向电压增大到一定值时, 反向电流突然上升, 此后当反向电压有极微小变化时, 反向电流就会有很大的增加. 但它的两端的电压变化很小稳压管利用了二极管的反向击穿特性, 来达到稳压目的. 与一般二极管不同, 稳压管的击穿是可逆的. 稳压管 的主要参数包括稳定电压 UZ ' 稳定电流 Iz 额定功耗 P 町 直流电阻 RD 动态电阻町 温度系数等. 三 半导体三极管 (transîstor) 及其基本连接方式 半导体三极管简称晶体管或三极管. 其重要特性是具有电流放大作用, 其次还有开关作用. 三 极管由两组靠得很近的 PN 结组成, 这两个 PN 结分别称为发射结和集电结. 三极管有三个电极, 它 们分别是发射极 (emitter) e 基极 (b8se 油 集电极 H 配 tor) Cc 三极管有三个区域, 分别为发射区 基 区 集电区. 三极管按导电极性分为两种类型 NPN 型和 PNP 型. NPN 型和 PNP 型在图形符号上 的区别是发射极的箭头方向不同, 箭头的方向表示发射结正向接法时的电流方向在实际中.NPN 型硅管应用较多, 本书主要以 NPN 型为例进行分析, 所得结论对 PNP 型也适用. 但 PNP 型与 NPN 型的管电压与电流方向是相反的. 1. 三极管制作特点 (1l 发射区杂质浓度远太于集电区和基区, 以利于发射区发射载流子基区宽度很窄 (2) 集电区比发射区太, 以利于收集电子. 2. 三极管的基本连接方式 三极管的基本连接方式有三种 z 共发射极电路 mmon-emitter configuration) 共基极电路 ( m mon-base,nfiguration) 共基电极电路( mmon- llect 回 configuration) J 它们的名称是根据哪一电极与 公共参考点 ( 接地点 ) 连接在一起而定的目其中最常用的是共发射极电路. 共发射极接法以发射极为 共同端, 基极为输入端, 而集电极为输出端的电路, 共发射极电路的电压增益大, 电流增益大, 输入输 出电压相位相反, 输入输出电阻中等, 用于一般放大团共基极电路即共基极接法, 发射极为输入端, 集 电极为输出端, 基极为共同端困共基极电路电压增益小, 电流增益大, 输入输出电压相位相同, 输入电 阻大, 输出电阻小, 用于信号跟随. 共集电极是集电极接地, 电压增益大, 电流增益小, 输入输出电压 相位相同, 输入电阻小, 输出电阻太, 用于商频放大 三极管的电流放大作用 三极管是电流控制器件. 即通过基极电流或发射极电流去控制集电极电流要使三极管正常工

20 Uc ' 对 PNP 管, 应满足 UE>UB>UC " 在放大电路中, 发射结正偏, 外加电场与 PN 结内电场方向相 反, 内电场减弱, 耗尽层变窄, 扩散运动加强, 漂移运动减弱, 发射区电子源源不断注入基区, 形成发射 极电流岛, 多数载流子的扩散电流通过回路形成 E 向电流. 进入基区多数载流子继续向集电极扩 散, 少数发生复和, 复合掉空穴由外电源补充, 形成基极电流 1B " PN 结正偏时, 在正常工作范围内, PN 结上外加电压只要稍有变化, 便能引起电流的显著变化. 正向的 PN 结表现为很小的电阻. 集电 结加反向电压时, PN 结反向偏置, 内电场加强, 耗尽层变宽, 扩散运动难于进行, 漂移运动加强, 结平 衡破坏, 把基区电于吸到集电区, 形成集电极电流 1 c " 化且 1c>> 马, 三极管实现放大作用 (1) 共基极电路电流与放大倍数间的关系 1c~ 1,c+ 1æ:;, 1"c>>1æ:; 1,c 代表扩散到集电区的电于流 ; 1. 由是发射极开路电流. 1) 共基极电流放大系数 α 1,c_ 主 ι 主 ro 中 1c 1 E 1E 马 三极管基极电流的改变控制集电极电流的变 集电极电流正比于发射极电流, 说明发射极电流对集电极电流有控制作用. 晶体管的这一特性, 使官具有较好的电压放大作用 B 第 篇医学电子学基础 第二章半导, 管子的发射结必须正向偏置, 集电结必须反向偏置对 NPN 管, 应满足 UE<L 也 < 体器件作井有放大作用 2) 共基极电流分配关系为 (2) 共发射极电路电流与放太倍数间的关系 共发射极电流 共发射极极电流放大系数 可得 1E~ 1c+ 1B 1c~ αie B~ (1- α lie - 1æ:; Ic=ft 扣白 1æ:; F-L 1α 1c 二 (1 + 卢 )1æ:; 二 1æJ 1 与 _ o!!lg 1c 二卢 1B + (1 + ß) 1æ:; 1æ:; 为基极开路时的集电极电流, 通常称为穿透电流, 它很小. 共射电流放大系数 共射极电流分配关系为 卢主二主 RJ 电!s: 1 B - 1 B 1E~ 1c+ 1B 1c~ 卢 lb+ 1æo 1æJ~ (1+ 卢 )1æ:; 4. 三极管的特性曲线 <characteristics) 及三种工作状态分析 三极管的特性曲线有输入特性曲线和输出特性曲线两种. 输入特性曲线是以输出电压 U CE 作为 参考量, 表明输入电流马和输入电压 UBE 之间关系的曲线, 如图 2-2 所示. 输出特性曲线是以输入 基极电流 1B 作参考量时, 输出回路中集电极电流 1c 和输出电压 UCE ' 即集电极电流与集电极电压之 间的关系的曲线. 如图 2-3 所示由曲线知, 它分为截止区 放大区 饱和区, 即晶体三极管的三个工 15

21 t 九? t ~ ) 二厅 闯呐 1 医学电子学基础与医学影像物理学作区域 II 1,,1μA U 吓二 OV UCF 注 1V u" jv 图 2-2 NPN 管输入特性曲线 (1) 截止区 (cut off region) JC!ÍllA 图 饱和区 放 大 区 10 截止区 μA 1B~0μA 15 NPN 管的输出特性曲线 t 在 π /v Isζ0 的区域称为截止区 Uα 很大, 发射结 集电结都反偏, 无放大作用, 三极管里高阻状态, Iβ 失去对 Ic 的控制作用, 相当于开关断开其特征是发射结电压 UBE 小于开启电压, 集电结反偏 (2) 放大区 (active region) 是输出曲线中部曲线平直的部分构成的区域其特征是发射结正偏, 集电结反偏, Is 对 Ic 有控制作用, 三极管工作在放大状态曲线平直段之间的间隔大小反映基极电流对集电极电流的控制能力大小 : 间隔大, 电流放大系数越大 : 曲线平坦而且距离相等, 说明此范围内放大系数几乎恒定 (3) 饱和区 (saturation region) 是每条曲线拐点连线左侧的区域其特征是三极管的发射结 集电结两个结均处于正向偏置状态, 集电结不再形成强电场吸引电子, IB 失去对 Ic 的控制作用, 无放大作用三极管呈现低阻状态, 相当于开关接通状态下面把三极管的三种工作状态特点及电流与工作状态 电压与工作状态的关系见表 2-1: 表 2-1 三极管工作状态与结偏置 工作电流 工作电压的关系 状态 PN 结偏置 IH 电 Ic 流 I E U H 电 压 Uc 截止 发射结反偏 h 二 Ic 二 h 二 UB 三三 Va; 集电结反偏 放大 发射结正偏 IB>O Ic= ßIB h=ib+lc 0.7 ( 硅管 ) Uα<;5< Uc< Va; 集电结反偏 = (1 + 卢 )[B 饱和 发射结正偏 IB > IBS Ic< ßIB h< (1 十 ß)[B 0.7( 硅管 ) Uæs 集电结正偏 hs 为三极大管临界饱和时基极注入的电流 ;U,αs 为临界饱和时集电极与发射极间的饱和压降 该关系适用于 NPN 管共射电路 o 5. 晶体三极管的主要参数 16 晶体三极管的主要参数有电流放大倍数 极问反向电流 极限参数等 (1) 电流放大倍数电流放大倍数分为直流电流放大倍数与交流电流放大倍数 晶体三极管的电流关系是

22 IE 二 Ic+ I B 其间的比例关系基本固定. 共发射极直流电流放大倍数 共基极直流电流放太倍数 ß~ 在 咀 a 二 τ 'E 当 Uæ 固定时, 集电极电流变化量和基极电流变化量之比定义为共发射极交流电流放大倍数. p 些 - ~ M B U 面固定时, 集电极电流变化量和发射极电流变化量之比定义为共基极交流电流放大倍数 α= 全 K!lh 半理论上讲, 共发射极直流电流放大倍数与共发射极交流电流放太倍数 共基极直流放太倍数与共 基极交流电流放大倍数是不一样的, 但三极管处于低频放大时二者非常接近, 所以经常利用这种关系 进行计算. 极问反向电流 I (X). lcexj (3) 极限参数 I 面.P. 剧 J BUCB:J' BUæo BUEHJ, 等. 第 篇 医学电子学基础 Ir 第二章导体器件当 四 场效应管 <field-effect transistor, FET) 场效应管是电压控制 ( 输入电压控制输出电流 器件它利用电场来控制半导体中电流的效应称 为场效应. 场效应管输入端反偏, 输入阻抗商, 噪声小, 便于集成以及受温度影响较小. 它是只有一 种载流子参与导电的半导体器件, 故属于单极型器件固由结构来划分, 官有结型场效应三极管 (junc tion type fie1d effect tr, 田 ISist 町.JFET) 和绝缘栅型场效应三极管 Cinsulated gate field effect transister. IGFET) 之分从参与导电的载流于来划分, 它有电子作为载流子的 N 掏道棒件和空穴作为载流子 的 F 沟道器件. 场效应管都可分为 N 沟道和 p 沟道两类. 1. 结型场效应管的工作原理 结型场效应管是利用在栅极和源极间加反向电压, 在反向电压作用下所产生的耗尽层的大小来 控制漏极电流. 它是一种电压控制器件, 输入电阻很高 2. 结型场效应管的特性曲线 结型场效应三极管的特性曲线有两条, 一是转移特性曲线 z 二是输出特性曲线. 转移特性是在一 定的漏源电压 U æ 下, 栅源电压 U 由对漏极电流 I D 的控制特性转移特性可以直接从输出特性上用 作图法求出. 如图 2-4 所示为 N 沟道结型场效应管转移特性曲线输出特性是指在栅源电压 U 由 一定的情况下, 漏极电流岛与漏源电压 U 田之间的关系如图 2-5 所示为 N 沟道结型场效应管输出 特性曲线. 特性曲线分为三个区, 1 区为可变电阻区, 它是由每条曲线的上升段组成的. II 区为恒流 区或放太区, 是由每条曲线的平直段组成 z 场效应管用做放大器时, 一般都工作在这个区域. m 区为 击穿区, 是由每条曲线的再次上升段组成的. 17

23 学电子学基础与医学影像物理转移特性曲线医t 九? t ~ ) 二厅 闯呐 1 1,,/mA 11), 览 ln/ma 预夹断轨迹恒流仄 IUD.\-U,ω 二 IUpl 可变 y. Uc".=OV lnss /V r 也阻.IR~ 一 : // 击穿区 Up 学U"s/V 图 2-4 N 沟道结型场效应管 图 2-5 N 沟道结型场效应管输出 特性曲线 Uns/v 3. 绝缘栅场效应管 Cmetal-oxide-semiconductor, MOS) (1) 绝缘栅场效应管原理利用改变感生沟道感应电荷的多少来控制导电沟道宽窄, 达到控制电流的大小 (2) 绝缘栅场效应管种类绝缘栅场效应管分为 N 沟道 p 沟道两种, 每种又分为增强型 ( 只有当 UGS 大于开启电压时, 才形成导电沟道 ) 和耗尽型 ( 存在原始沟道 ) 两类 (3) 绝缘栅场效应管的特性曲线绝缘栅场效应管与结型场效应三极管的特性曲线基本相同, 只不过绝缘栅场效应管的栅压可正 可负, 而结型场效应二极管的栅压只能是 p 沟道的为正或 N 沟道的为负 4. 场效应管的主要参数 (1) 夹断电压 Up ( 或用 UGSCoff! 表示 ) 在一定的漏极电压 UDS 作用下, 使漏极电流 ID 为一微小值时, 加在栅极上的电压 (2) 开启电压 UT ( 或用 UGSC 即表示 ) 在漏极电压 u 因为某一确定值时, 使沟道能将漏极 源极连接起来的最小栅极电压 (3) 饱和漏极电流 IIJSS 在栅极电压为零值时一定的漏极电压所引起的漏极电流 (4) 输入电阻 R GS 输入电阻等于加在栅极 源极之间的电压与栅流之比 (5) 跨导 gm 在漏极电压为某一固定值的条件下, 漏极电流的变化量和引起这个变化的栅极电压的变化量的比值, 称为跨导跨导是描述输入电压对输出电流的控制能力强弱的物理量, 即表示场效应管放大能力的物理量 五 可控硅 Csilicon controlled rectifier, SCR) 18 可控硅也称晶闸管, 是一种大功率器件常用于可控整流 逆变 调压等电路可控硅用小信号 控制大电流 高电压电路的通断, 作为无触点开关, 特别适合放火 防爆场合可控硅有三个 PN 结 可控硅的主要参数有正向重复峰值电压 反向重复峰值电压 额定正向平均电流 维持电流等 o

24 篇医学电子学基础 第二章), 当 PN 结反向偏置时, 扩散电 导体器件典型试题分析 l l. P 型半导体内的事于是 ( ), N 型半导体内的事子是 A. 电子 B. 壁穴 C. 电子和壁穴 D. 载流于 第 ( 一 单项选择题半答案, B, A 考点, p 型半导体与 N 型半导体的特点. F 型半导体常温下特点大量空穴, 少量电子, 主要靠空穴导电.N 型半导体的特点是大量电子, 少量空穴, 主要靠电于导电 z 当 PN 结 E 向偏置时, 扩散电流 ( 漂移电流, 耗尽层 流 ) 漂移电流, 耗尽层 ) A. 大于 B. 小于 C 等于 D. 变宽 E 变窄 F 不变 答案, A, E, B, D 考点, PN 结正向偏置和 PN 结反向偏置时的特点. 正是由于 PN 结正向偏置和 PN 结反向偏置 时的特点使 PN 结具有单向导电性. 3 稳压二极管是利用二极管的 特性. A. 正向导通 B. 反向截止 答案, C 考点 z 稳压二极管的稳压原理. C. 反向击穿 D. 单向导电 二极管反向西穿时, 当反向电压增大到一定值时, 反向电流突然上升, 此后当反向电压有极微小 变化时, 反向电流就会有很大的增加, 但它的两端的电压变化很小. 稳压管利用了二极管的反向击穿 特性, 来达到稳压目的. ( 二 多项选择题 4. 三极管放大电路的工作条件是 A 发射结正偏 B 集电结 E 偏 C 集电结反偏 D 两个结都 E 偏 答案, AC 考点 z 三极管放大电路的工作条件. 发射结加正向电压时, p 区接电源 E 端, N 区接电源负端 ( 称为 E 向偏置 ), 外加电场与 PN 结内电场方向相反, 内电场减弱, 耗尽层变窄, 扩散运动加强, 漂移运动减弱, 发射区电子源源不断注入基区, 形成发射极电流 h, 多数载流子的扩散电流通过回路形成正向电流. 进入基区多数载流于继续向集电极扩散, 少数发生复和, 复合掉空穴由外电源补充, 形成基极电流 IB PN 结正偏时, 在正常工作范围内, PN 结上外加电压只要稍有变化, 便能引起电流的显著变化. 正向的 PN 结表现为很小的电阻集电结加反向电压时, PN 结反向偏置, 内电场加强, 耗尽层变宽, 扩散运动难于进行, 漂移运动 加强, 结平衡破坏, 把基区电子吸到集电区, 形成集电极电流 Ic' 电流的变化 Ic>>IB' 三极管实现放大作用. 三极管基极电流的改变控制集电极 ( 三 名词解释 S. PN 结 答案 z 在一块本征半导体上用不同的掺杂工艺使其一边形成 P 型半导体, 另一边形成 N 型半导 体, 那么在 p 型和 N 型半导体的交界面附近, 当扩散运动与飘移运动达到动态平衡时, 形成一个具有 独特的物理特性的结, 这个结就是 PN 结. PN 结具有单向导电性. 19

25 学电子学基础与医学影像物理学确定各电路的输出电压医A itlo B于山uiT 丰t 九? t ~ ) 二厅 闯呐 1 考点 :PN 结的定义 o ( 四 ) 计算题 PN 结是晶体二极管 三极管 场效应管 可控硅等半导体器件的基础 值 6. 测得某晶体三极管的电流如下, IB 二 100 p.a, Ic 二 2.1 ma, læo 二 2μA, 试分别求出 IE' 卢, l CEf) 答案 : fe=2.2 ma, 卢 = 21, IcEO = 44μA 考点 : 基极电流 集电极电流 发射极电流 反向饱和电流 放大倍数间的关系 解 :fe 二 Ic+ IB 二 2.2 ma qjm-ou 咱( 五 ) 判断题 βμa-kh 一一一4EA-4EA 今一年一Iα 刃二 (1 + 卢 ) Icro 二 44μA 7. 图 2-6 中二极管均为错管 ( 导通压降为 0.3 V), 试判断各图中的二极管是导通还是截止? 并 EAA ilv D 闯 ( a ) 工 + Uο o V 闯 HCLD 一.仙o + uυ o 十 十 Uυ U o ) (d) 图 2-6 典型习题 7 电路图 答案 : (1) 导通, Uo 二 6.3 V; (2) 截止, Uo 二 5V;(3)D 1 管导通, Dz 管截止 ; Uo 二 0.3 V; (4)D 1, D2 管全导通 ; Uo = U B = -7.7 V 考点 : 判断二极管的工作状态在判断这类问题时, 首先把二极管断开, 然后比较开路端电位的高低, 若二极管接回原位后正极与负极间的开路电压大子导通电压, 则二极管正向偏置而导通否则反偏而截止若电路中有两个 以上的二极管, 则承受正向电压较大者优先导通, 然后再判断其余二极管 o 确定输出电压时要考虑管 子的导通与截止解 : (1) 首先把图 2-6 (a) 中的二极管断开, 二极管开路电压 U AB = U A - U B = -6- (-10)=4 V 20 所以二极管正向偏置而导通 考虑到二极管的导通压降 0.3 V, 输出电压为 Uo 二 6 - O. 3 二 6.3 V

26 Uo 二 5V 第一篇医学电子学基础 第二章UAZB 二 UA2 - UB 二 12 - (- 8) 二 4V 导体器件U B = O. 3 = V 一Jf (2) 把图 2-6 (b) 中的二极管断开, 二极管开路电压 U AB = UA - UB = (- 5) = - 3 V <idy 二三三卫 知二极管将承受反向电压而截止, 电路中电流为零 R 上的压降为零输出电压 (3) 把图 2-6 (c) 中的二极管 D j Dz 断开, 则 D j 和 Dz 管的开路电压分别为 UA1E=[JA1IJE=0(8)=8V 知 D j 管正偏导通, Dz 管反偏截止因 D j 管正偏导通, Uo 被钳位在 0.3 V 所以输出电压为 Uo 二 0.3 V (4) 把图 2-6 cd) 中的二极管 D j Dz 断开, 则 D j 和 D2 管的开路电压分别为 UAjB=UAj-U 卫士 12 V UAZB = UA2 - UB = = - 20 V 知 D j Dz 管全导通, 因 Dz 管承受的正向电压高而优先导通, 使 UB 被钳位在半此时 D j 因承受反向电压而截止, 所以输出电压 Uo = UB = V 8. 电路如图 2-7 (a) 所示设 D 为理想二极管, 输入电压为正弦波, 其幅值大于直流电源 E j (Ej 二 Ez), 试绘出输出电压的波形 o 气 Dir T T~2 f uο "叫马οE\/ (J t (a) ( ku ) 图 2-7 典型习题 8 电路与波形图 答案 : 画出波形如图 2-7 (b) 所示考点 : 分析限幅电路中二极管的状态, 并画出限幅后的电压波形由于输入电压为正弦波, 它的大小和极性不断变化, 应分别分析二极管导通与截止时输入电压的大小和极性首先从二极管的正极出发, 在回路中画一绕行方向至负极, 与绕行方向一致的电压取正值, 否则取负然后根据回路中所有电压的代数和判定 : 代数和为正, 三极管导通, 否则截止最后根据二极管的状态和输入电压的波形即可画出输出电压波形解 Ui 正半周时, 因 Ui> E j, Dj 因正偏而导通, Dz 仍反偏截止 Uo 二 Ej, Ui 负半周时, 因 I uil > I Ezl, D2 正偏导通, Dj 截止, Uo 二 Ez 9. 测得如图 2-8 所示二极管三个电极的电位分别为下列数值, 试判断它们是 PNP 管还是 NPN 管, 是错管还是硅管? 并确定晶体管的基极 发射极 集电极 21

27 医学电子学基础与医学影像物理t 九? t ~ ) 二厅 闯呐 1 答案 : 图 2-8 ( thu ) 典型习题 9 电路图 (a) 1 为发射极 :2 为基极 :3 为集电极 Uc > UB> UE' NPN 管 UBE =0.7 V, 硅管 (b) 1 为集电极 :2 为基极 :3 为发射极 Uc < UB< UE' PNP 管 UBE 二 0.7 V, 硅管 (c) 1 为集电极 :2 为发射极 :3 为基极 Uc < UB< UE' PNP 管 UBE 二 0.3 V, 错管 考点 : 三极管材料 管型 基极 发射极 集电极的判定 首先判断基极, 电位居中者为基极然后根据 UBE 二 V 或 UBE 二 V, 可找出 发射极并可确定出错管或硅管余下第三脚必为集电极最后根据 NPN 和 PNP 电特点, 判断管 学5.6V 型 NPN 管子, Uc > UB> UE;PNP 管子, Uc < UB< UEo Uc 最大者为 NPN 管子, Uc 最小者为 PNP 管子 10. 万用表直流电压档测得某电路中兰极管的电位如图 2-9 所示, 试判断它们的工作状态 ( 饱和 放大 截止 1~ú 置或己损坏 ) +4V R, 3AK20 6V 3AD6A -1 X\\;/ -12V ( a ) 一 12.W ) ( thu ( 口 ) 3V 十 12V +8V 3CG21 ( d ) v ) 17. 3V 图 2-9 典型习题 10 图 答案 : (a) be 节击穿短路 ; (1) 放大 ; (c) 截止 ; (d)be 节已断路损坏 ; (e) 临界饱和 考点 : 三极管工作状态判定 22 在放大状态, 三极管的各极电压 PNP 管 : Uc< UB< UE' NPN 管 : Uc> UB> UE 正向偏置的发 射结电压降不同, 硅管 UBE 句 0.7 V, 错管 UBE 句 0.3 V, UBC<Oo 若发射结反偏, 集电结反偏, 管子截 止对 NPN 管子, UBE '" 三 0; UE 汇 <0 发射结正偏, 集电结正偏, 管子饱和发射结正偏, 集电结苓偏,

28 篇医即 U 面二 O. 管子临界饱和. 若硅管 UBC ""0.7 V 或错管 UBC 电 0.3 V. 则管子倒置. 若虽然满足 PNP 管, Uc < UB< UE.NPN 管, UC>UB>UE. 但 UBE 较大, 则可能管己断路损坏若 UB~ UE. 则 be 节 击穿短路根据如上所述即可做出判断. 11. 为了使三极管能起放大作用, 在三极管的发射区掺杂浓度商 基区宽度要薄 集电结结面积 第 学电子学基础 第二章( 六 论述题体器件比发射结结面积大. 其理由是什么? 如果将三极管的集电极和发射极对调使用 ( 即三极管反接 ). 能 否起放大作用? 答案 = 因为只有发射区注入到基区的载流子, 才能形成集电极电流. 发射区为高浓度的掺杂, 以 利于发射区发射电于. 由发射区注入基区的载流于, 在基区扩散的同时, 不断的复舍, 而复舍的载梳 子不利于载流子的传输, 它使到达集电极的载流子数下降, 即集电极电流下降, 所以基区要薄, 且杂质 浓度很低, 以利于载流于通过基区的时间缩短, 减少复舍的载梳子数集电极面积愈大, 收集到由发 射区注入 通过基区扩散到达集电极的载流于数就愈多, 所以要集电结的结面积要大. 如果将三极管的集电极和发射极对调使用 即三极管反接 ). 不能起放太作用因为集电区杂质 浓度很低, 使向基区注入的载流于很少, 而发射结面积小也不利于收集载流子, 三极管的电流放大倍 数变得很小, 三极管失去放大作用. 考点 z 三极管的制作特点与使用时应注意的问题. 三极管的制作特点与本身的放大功能直接联 系在一起集电极和发射极制作特点的不同决定三极管的集电极和发射极不能对调使用. 至些 I 半导( 一 单项选择题 1 一块本征半导体上用不同的掺杂工艺使其一边掺入 ) 形成 p 型半导体, 另一边掺入 < 形成 N 型半导体, 那么在 p 型和 N 型半导体的交界面附近, 形成一个具有独特的物理特性的 结, 这个结就是 ) A.PN 结 B. 发射结 c. 集电结 D. 基极 E. 五价元素 F 三价元素 2 在杂质半导体中, 多数载梳子的浓度主要取决于 很大关系. A. 温度 B. 杂质浓度 c. 湿度 D. 掺杂工艺 ). 而少数载流子的浓度则与 ( 有 3.PN 结的正向电阻很小, 而反向电阻很大的特点, 称为 ( ). PN 结加正向电压时, 空间电荷 区将 ( A. PN 结的单向导电性 B.PN 结的伏安特性 C.PN 结的 E 向偏置 D.PN 结的反向偏置 E. 变窄 F. 变宽 4. 物质内部运载电荷的粒子, 称为 ( ) A. 电子 B. 质子 C 载梳子 D 核子 5 工作在放大状态的三极管, 流过发射结的电流主要是 ( ). ). 流过集电结的电流主要是 A 位移电流 B 扩散电流 C. 基极电流 D. 漂移电流 6 下面哪一项是以输出电压作为参考量, 表明输入回路中输入电流和输入电压之闸的关系的曲线 ( ). A 输入特性曲线 B 输出特性曲线 C 伏安特性曲线 D. 转移特性曲线 7. 输出特性曲线是以输入电流作参毒量时, 表明即集电极电流与集电极电压之间的关系 23

29 医学电子学), 基极与发射极向电压 ( 基础与医学影像物理码 1 的曲线, A. 输入电流和输出电压 B. 输出电流和输出电压 C. 输出电流和输入电压 D. 基极电流与 集电极电压之同的关系 8.I CXJ 指 ) 间的反向饱和电流温度升高时, 反向饱和电流将 ( A 发射极开路时, 集电极 基极 B. 集电极开路时, 发射极 基极 C 基极开路时, 集电极 发射极 D. 集电极 基极 E. 增大 F. 减小 9 当温度升高时, 三极管的共发射极电流放太倍数 ( A. 增大 B. 下降 C. 不变 D. 增太 10. 结型场效应管主要是通过 ) 控制导电沟道宽窄, 从而达到控制漏极电流大小. A. 栅源电流 B. 漏极电流 C. 漏极电压 D. 栅源电压 11. 绝缘场效应管是利用来控制导电沟道, 从而控制漏极电流. A. 栅源电流 B. 漏极电压 C. 感应电荷的多少 D. 栅源电压 12. 场效应管由结构来划分, 它有 ( ) 和 ( ) 之分 学E 维持 A 结型场效应管 B 耗尽型 C 绝缘栅场效应管 D. 增强型 13. 场效应管属于 ) 控制型器件, 晶体三极管是 ) 控制型器件. A 载流子 B. 电流 C 电压 D 电荷 14. 可控硅必须在上加 E 向电压才能导通. A 控制极 B. 阴极 C. 阳极 D 发射极 ( 二 多项选择题 15.PN 结中载流于有两种运动形式 ( ) A. 扩散运动 B. 漂移运动 C. 加速运动 D. 减速运动 16. 三极管的主要参数包括 ) A 电流放大倍数 B. 极间反向电流 C. 极限参数 D. 输入输出特性 17 晶体三极管输出特性曲线分为 ) 区. A. 可变电阻 B 饱和 C. 截止 D. 放大 18. 下面 ( ) 接法时, 晶体管具有放大电流的功能. A. 共基极 B. 任何 C. 共发射极 D. 共集电极 19. 晶体三极管放大电路的三种组态分别是 A. 共发射极 B 共集电极 C. 耗尽型 D. 共基极 20 可控硅的主要参数有 ( ) A. 阳极电流 B 正向重复峰值电压 C 反向重复峰值电压 D. 额定正向平均电流 电流 F. 控制极电流 ( 三 名词解释 21. P 型半导体 22 耗尽层 23 反向饱和电流 性与输出特性 26 场效应管的开启电压和夹断电压. 24 单向导电性 25 晶体三极管的输入特 ( 四 ) 判断题 27 图 2-10 中二极管均为硅管, 试判断各图中的二极管是导通还是截止? 设二极管正向压降为 V. 并求出 UO ' 28 测得四个三极管三个电极的电位分别为下列数值, 判断是 PNP 管还是 NPN 管, 是错管还是 硅管, 井确定基极 发射极 集电极.

30 叭--7医学电子学基础 第二章4--q--1 ι-当 k4-1半导体器件习题 27 电路图 工 D ' 叫 工 04--R--70 工 D 14 0工 4 <idy 0P 二三三卫第一篇D 1 D1 lk (c) (d) 图 2-10 (1) U j = 2 V, Uz = 2.7 V, U 3 = 10 V (2) U j = 3 V, U 2 = 3.2 V, U 3 = 10 V (3) Uj 二 8 V, U2 二 10.3 V, U3 二 11V (4) U j = V, U 2 = 12 V, U 3 = 6 V 29 用表测得某放大电路中两个三极管的电流如图 2-11 试判断是 PNP 管还是 NPN 管, 在图 上标明晶体管的 E b c 极 W/F :5( ) 斗由 ( ku ) 图 2-11 习题 29 电路图 30. 根据图 2-12 给出的三极管电位, 判断它们的工作状态 VV,ttttttJ/) 句/F IOAV 112V --一飞 tttttto.7v 护 / 3Vν/ 一一一 ---t 飞 V 一一一 ---t 飞 V IOV I 5V (b) (c) 12.3V va:( v1-6v OV V ----t. V I Q.3V (d) -2.7Vν/ 一一一 ---t 飞 V 14V 1-3V ( 的 2V V 一一一 ---t 飞 V 12.7V ( 图 2-12 习题 30 电路图 25

31 医学电子学基础与医学影像物理t 九? t ~ ) 二厅 闯呐 1 ( 五 ) 计算题 3 1. 写出图 2-13 所示各电路的输出电压值二极管的正向压降为 0.7 V VlR1: J4 + Uo 十 l1: o 图 2-13 习题 31 电路图 32. 限幅电路如图 2-14(a) 所示设 D 二极管导通压降为 0.7 V, 输入电压为正弦波 Ui = 6sinwt 如 (b) 所示, 试绘出输出电压的波形, 并求出幅值 + R D, 一u)V + 6 Ui u o ωt o 学 D] (a) 口( 1 ) 7 图 2-14 习题 32 电路图 33 电路如图 2-15 (a) (b) 所示, 设 DZ1, Dz2 具有理想稳压特性且稳定的电压分别为 6V 和 7V 试求输出电压 Uoo 2kQ 3kQ + 十 + 4 U;~18V D" + U;~20V DLJ (a) ( -hu ) 图 2-15 习题 33 电路图 34 电路如图 2-16 (a) (b) 所示试估算流过二极管的电流和 A 点的电位 ( 管为硅管, 正向压 降为 0.7 V) Vιc(+lOV) Vιι 十 lov) R] 500 Q / D R] 3kQ A D R 2kQ D R 2 10kQ (a) ( 10 ) 26 图 2-16 习题 34 电路图

32 篇医35 有两个三极管, 一个管子的卢二 150. Ic 田二 200μA. 另一个管子的卢二 50. Ic 田二 20μA. 其他 参数相同, 选择哪一个管子更好一些? 36 测得工作在放大状态的两个三极管的两个电极电流如图 2-11, 估算它们的 α, β 值 37 什么是载流子的扩散运动? 什么是载梳子的漂移运动? 速度大小与什么因素有关? 第 学电子学基础 第二章( 六 ) 论述题体器件38 空间电荷区是如何形成的? 电荷区的宽度与外加电压有什么关系? 39. PN 结是如何形成的? 什么是 PN 结的反向青穿? 有哪儿种类型 T 各有何特点? 击穿是否 意味 PN 结坏了? 为什么? 40 二极管的直流电阻和交流电阻有何区别? 用万用表欧姆档测量的二极管电阻属于哪一种? 为什么用万用表的不同量程测出的二极管阻值不同? 41 晶体三极管既然是由两个 PN 结组成, 那么两个二极管对接起来能杏当一个三极管用? 42. 简述三极管的放大原理. 43 温度对三极管的特性与参数有何影响? 44. 试论述如何用万用表鉴别三极管的管型 管材 发射极 集电极 基极? 45. 绝缘栅场效应管有哪儿种类型? 增强型与耗尽型怎样区分? 46. 场效应管与晶体三极管有何不同? 47. 场效应管的夹断电压 开启电压 跨导三个参数的意义. 48. 可控硅在什么条件下由阻断转为导通? 在什么条件下由导通转为阻断? 半导答题要点 : ( 一 单项选择题 l. F,E,A 2.B,A 3.A,E 4.C 5.B,D 6.A 7.B 8.A,E 9.A,B 10.D l 1.C 12.A,C 13.C,B 14.A 二 多项选择题 1 呈.AB 16.ABC 17.BCD 18.CD 19.ABD 20.BCDE ( 三 ) 名词解释 21 在本征半导体中掺入三价杂质元素, 如棚 惊 锢等形成了 p 型半导体, 也称为雪穴型半导体. 22 在一块本征半导体上用不同的掺杂工艺使其一边形成 p 型半导体, 另一边形成 N 型半导体, 由于交界面处两侧载流子存在很大的浓度差.N 区的电于必然向 p 区运动, 同时 F 区的空穴也向 N 区运动高浓度载流子向低浓度载流子一侧的扩散运动.P 区一边失去孔穴, 留下带负电的杂质离子.N 区一边失去电子, 留下带正电的杂质离子. 它们不能任意移动, 并不参与导电这些不能移动的带电粒于通常称为空间电荷. 空间电荷区是高阻区, 又称阻挡层或耗尽层, 内部无载流子. 23 当二极管外加反向电压时时, 反向电流很小, 且基本不随反向电压的变化而变化, 此时的反向电流也称反向饱和电流. 24. PN 结的单向导电性是由耗尽层的宽窄决定的.PN 结加 E 向电压时, 耗尽层变窄, 呈现很小 的正向电阻, 正向电流较大 z 加反向电压时, 耗尽层变宽, 呈现很太的反向电阻, 反向电流很小. PN 结 的这种 E 向电阻很小, 而反向电阻很大的特点, 称为 PN 结的单向导电性. 25. 输入特性曲线是以输出电压作为参考量, 表明输入电流和输入电压之间的关系的曲线. 输 z1

33 t 九? t ~ ) 二厅 闯呐 1 学电子学基础与医学影像物理学30. (a) ; (b) 饱和 ; (c) 截止 ;Cd) ; (e) 饱和 ; (f) 放大医出特性曲线是以输入电流作参考量时, 输出电流和输出电压即集电极电流与集电极电压之间的关系的曲线 26 在漏极电压 U 因为某一确定值时, 使沟道能将漏极 源极连接起来的最小栅极电压 ( 用 UT 或 UGSCthJ 表示 )在一定的漏极电压 Uns 作用下, 使漏极电流 In 为零时, 加在栅极上的电压 ( 用 Up 或 UGSCoff! 表示 ) ( 四 ) 判断题 27. (a) 导通, Uo 二 1 l. 3 V; (1) 截止, Uo 二 6 V; (c) D2 导通, D) 截止, Uo 二 1 l. 3 V; (d) D) 截止, D2 截止, Uo = -5 V 28. (I) NPN 型硅管, 1 为发射极, 2 为基极, 3 为集电极 ; (2)NPN 型错管, 1 为发射极, 2 为基极, 3 为集电极 ; (3) PNP 型硅管, 1 为集电极, 2 为基极, 3 为发射极 ; (4)PNP 型错管, 1 为基极, 2 为发射极, 3 为集电极 29. (a) 根据 h 二 Ic+ IB' 知另一电极电流为 0.03mA, 应该是流出是 PNP 管, 从左至右电极依次为 c e b; (1) 该电极电流为, 方向为流入该管是 NPN 管, 从左至右电极依次为 b c 吨 ( 五 ) 计算题 31 解 : (a)2. 3V; (b)ov; (c) V 32 解 :ui>4.7v 时, D) 导通, D2 截止, Uo 二 4. 7 V; Ui < V, D2 导通, D) 截止, Uo 二 4.7 V; -4.7 V" 三 Ui< +4.7 V 时, D2 D) 全截止 'UQ= Ui 输出波形如图 2-17 所示 N6盯 ωt 4.7 wt 图 2-17 习题 32 答案图 33. 解 : (a) Uo 二 1 V; (b) Uo 二 6 Vo 34. 解 : (a) 吱 4. =6.7 V, In =3.25 ma; (b) 吹 4. = 3.95 A, In 句 1.63 ma 35 选择卢 = 50, lceq = 20μA 管子更好一些, 其受温度变化影响较小 F 3 元 6 解 : (a 山句 T 二 0 协卢二 _ 'C 二协 (b) a 二 0 协卢二 m ( 六 ) 论述题 E ~'/~'r- I 乌 B 37. 由于载流子浓度不均匀而产生的高浓度载流子向低浓度载流子一侧的运动称为载流子的扩 28 散运动在电场作用下, 半导体中的载流子沿内部电场力方向的运动称为载流子的漂移运动载流 子的扩散运动速度大小与载流子的浓度差有关, 浓度差越太, 载流子的扩散运动速度越大 : 载流子的 漂移运动速度太小与内部电场强度有关, 内部电场强度越大, 漂移运动速度越大

34 38 在一块本征半导体上用不同的掺杂工艺使其一边形成 p 型半导体, 另一边形成 N 型半导体, 那么在 p 型和 N 型半导体的交界面附近, 由于交界面处两侧载流子存在很大的浓度差.N 区的电子必然向 p 区运动, 同时 F 区的空穴也向 N 区运动因高浓度载流子向低浓度载流子一侧的扩散运动, 使耗尽层变宽由于扩散运动, 在 p 型和 N 型半导体的交接面附近, 形成了空间电荷区. (p 区一边 失去空穴, 留下带负电的杂质离子.N 区一边失去电子, 留下带正电的杂质离子. 它们不能任意移动, 并不参与导电. 这些不能移动的带电粒于通常称为空向电荷 空间电荷区是高阻区, 又称阻挡层或耗尽层, 内部载流子极少. 由于扩散运动形成了空间电荷区, 电荷区两侧的 E 负离子形成了内电场. P 区接电源 E 端.N 区接电源负端, 外加电场与内电场方向相反, 内电场减弱, 耗尽层变窄, p 区接电源负端.N 区接电源 E 端, 内电场加强, 耗尽层变宽 39. 在一块本征半导体上用不同的掺杂工艺使其一边形成 p 型半导体, 另一边形成 N 型半导体, 那么在 p 型和 N 型半导体的交界面附近, 由于交界面处两侧载流子存在很大的浓度差.N 区的电子必然向 p 区运动, 同时 p 区的空穴也向 N 区运动在 p 型和 N 型半导体的交接面附近.P 区一边失去空穴, 留下带负电的杂质离于.N 区一边失去电于, 留下带 E 电的杂质离子它们不能任意移动, 并不参与导电. 这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷. 空间电荷区是高阻区, 又称阻挡层或耗尽层, 内部载流子极少由于扩散运动形成了雪间电荷区, 电荷区两侧的正负离子形成了内电场. 在电场力作用下, 少数载流子发生漂移. 内电场阻碍了扩散运动, 加强了漂移运动空间电荷区中扩散运动和漂移运动相 第 半导体器件29 篇医学电子学基础 第二章互依存, 相互矛盾, 开始时, 扩散运动占优势, 空间电荷区不断加宽. 随着内电场不断增强, 扩散运动不断减弱, 漂移运动却逐渐增强, 当二者趋于平衡时, 壁间电荷区的厚度不再变化, 形成了 PN 结当反向电压超过一定值时.PN 结会出现击穿, 此时反向电流剧增, 反向电流开始剧增的电压称为反向击穿电压. 击穿有齐纳击穿 雪崩击穿两种 齐纳击穿 E 内电场的强作用下, 束缚电子被直接从共价键中拉出来, 形成电子空穴对, 而产生太 量的载梳子, 加强了漂移运动, 出现击穿, 本质是场致激发. 反向击穿电压 5 伏以下为齐纳吉穿. 雪崩击穿 E 内电场的强作用下, 在结内作漂移运动的少数载流子, 受到电场的加速作用可获得很 太的能量. 它与结内原子碰撞时, 使原子的价电于摆脱束缚状态而形成电于空穴对新生的电子 空穴对再去碰撞其他原于, 产生更多的电子 壁穴对. 使载流子数剧增反向电流迅速增太, 出现奇穿. 本质是碰撞电离. 齐纳击穿太于自为雪崩击穿. 出现击穿.PN 结并不一定坏了, 只有超过允许功率损耗值时, 才烧毁. 40 二极管的直流电阻是指二极管的两端所加直流电压与流过它的直流电流之比. 二极管的交流电阻是指在在静态工作点附近电压的变化量与电流的变化量之比, 也就是曲线在工作点处切线斜率的倒数交流电阻是动态电阻, 不能用万用电表测量用万用表欧姆档测量的二极管电阻属于二极管的直流电阻. 由于万用表不同量程的内阻不同, 使流过三极管的电流太小不同, 所以用万用表的不同量程测出的二极管阻值不同. 41 不能. 两个工极管对接起来是没有放大作用的因为三极管的重要特性是具有电流放太作用, 而这放太作用是其内部结构来保证的自其内部结构特点是 z 发射区杂质浓度远太于集电区和基区, 以利于发射区发射载流子, 集电区比发射区大, 以利于收集电子. 三极管正常偏置时, 由于两个 PN 结紧密相连, 一个 PN 结的内部变化可直接影响到另一个 PN 结的工作, 具有电流放大作用 a 而 两个对接的二极管不可以. 这就是三极管与对接的工极管的本质区别. 42. 在放大电路中, 发射结正偏, 外加电场与 PN 结内电场方向相反, 内电场减弱, 耗尽层变窄, 扩散运动加强, 漂移运动减弱, 发射区杂质浓度很高, 大量电子源源不断扩散到基区, 形成发射极电流 IE" 进入基区 基区宽度很窄 多数载流于继续向集电极扩散, 少数发生复和, 复合掉壁穴由外电源补充, 形成基极电流与. PN 结正偏时, 在正常工作范国内.PN 结上外加电压只要稍有变化, 便能引起电流的显著变化, 正向的 PN 结表现为很小的电阻集电结加反向电压时.PN 结反向偏置, 内电场加

35 码 1 医学电子学基础与医学影像物理学30 强, 耗尽层变宽, 扩散运动难于进行, 漂移运动加强, 结平衡破坏, 把基区电子吸到集电区, 形成集电极电流 Ic. 三极管基极电流的改变控制集电极电流的变化且 Ic>>IB' 三极管实现放大作用. 43 温度升高时, 发射结的正向压降减小, 其随温度的变化率为 2.5mV /t;. 因此温度升高时, 三极管的输入特性曲线左移 z 因为温度升高时.LζID læo.ß 都相应增大, 所以三极管的输出特性曲线耍水平上移, 曲线间距加大. 44. 用万用表鉴别三极管的管型 管材 发射极 集电极 基极的方法是 E (1) 先确定基极万周表调至欧姆 x 100 或 x lk 挡, 随意指定一个管脚为基极, 把任一个表笔固定与之连接, 用另一表笔先后测出剩下两个电极的电阻, 若两次测得电阻都很太 ( 或很小 ). 则把表笔调换一下再测一次, 若测得电阻都很小 ( 或很大 ). 则假定的管脚是基极. 若基极接红表笔时两次测得的电阻都很大, 则三极管为 NPN 型, 反之为 PNP 型. 判断集电极. 在确定了基极和三极管的类型之后, 可用电流放太倍数 p 的太小来确定集电极和发射极现以 NPN 型三极管为例说明判断的方法先把万用表的黯笔与假定的集电极接在一起, 并用一 只手的中指和姆指捏住, 红表笔与假定的发射极接在一起, 再用捏集电极的于的食指接触基极, 记下表针偏转的角度, 然后两只管脚对调再测一次这两次测量中, 表针偏转角度大的一次, 假设是对的当食指与基极连接时, 通过人体电阻给基极提供一个电流马, 经放大后有较大的电流流过表头, 使表针偏转, 卢大, 表针偏转角度就大. 因为卢怜品, 所以表针偏转角度大的一次假设是正确的, 即为集电极, 余下的一脚必为发射极. 45. 绝缘栅场效应管分为 N 掏道增强型 N 沟道耗尽型两类.P 拘道增强型 N 沟道耗尽型四类. 耗尽型绝缘栅场效应管在没有外加栅极电压时就已存在导电沟道, 而增强型绝缘栅场效应管只是在外加栅极电压超过一定值时, 才会出现导电沟道. 46. 场效应管与晶体三极管的不同是 E (1) 场效应管只有多于参与导电, 三极管 $ 于与少于均参与导电, 而少子受温度 辐射影响大, 所以场效应管的温度稳定性好, 抗辐射能力强, 噪声低. 场效应管是电压控制器件, 其输出电流决定于栅源极之闹的电压, 栅极基本上不取用电流, 因此它的输入电阻很高. 三极管是电流控制器件, 通过控制基极电流达到控制输出电流的目的, 因此基极总有一定电流, 故三极管的输入电阻较低. 场效应管的输入电阻商是它突出的优点. 场效应管的漏极与源极可以互换使用, 而三极管的集电极和发射极不能互换使用. (4) 场效应管与三极管都可用于放大与可控开关. 但场效应管可以作为压控电阻使用, 可以在微电流 低电压下工作, 便于集成. 在大规模集成电路中应用广泛. 47. 场效应管三个参数的意义是 z (1) 夹断电压 Up ( 或用 G 由 CofJl 表示 在一寇的漏极电压 UGD 作用下, 使漏极电流 ID 为一微小值时, 加在栅极上的电压. 结型场效应管和耗尽型绝缘栅场效应管当 Uæ 为 0 时己有导电掏道, 栅源电 压等于夹断电压时, 漏极电流为一微小值. 开启电压 UT ( 或用 U 由 剧表示 在漏极电压 U 因为某一确定值时, 使沟道能将漏极 源极连接起来的最小栅极电压. 增强型绝缘栅场效应管只是在外加栅极电压超过一定值时, 才会出现导电掏道. 即具有当漏极电压达到开启电压 U 团时才有漏极电流. (3) 跨导 gm 在漏极电压为某一固定值的条件下, 漏极电流的变化量和引起这个变化的栅极电压的变化量的比值, 称为跨导. 跨导是描述输入电压对输出电流的控制能力强弱的物理量, 即表示场效应管放大能力的物理量. 48. 可控硅由阻断转为导通, 阳极 A 与阴极 K 间的电压 (UAK ) 必须加正向电压, 且控制极 G 和阴 极 K 间的电压 U GK 必须加正向触发电压, 同时要求阳极电流大于维持电流 IH 只有当 UAK 电压反向 或使阳极电流小于维持电流时, 可控硅才由导通转为阻断.

36 一一一章第放大电路基础 教学大纲要求 掌握放大电路的放大条件 静态工作点的稳定原理, 学会用理论和作图两种方法求解静态工作点 : 掌握交流通路 微变等效电路, 正确运用等效电路计算放大电路的放大倍数 输入电阻 输出电阻等主要性能指标熟悉放大电路的三种组态, 多级放太电路的几种典型形式, 了解其等效电路图 : 熟悉差动放大器及其抑制零漂的原理了解负反馈放大器及反馈类型 重点和难点 静态工作点稳定, 正确用等效电路法对静态工作点 放大电路放大倍数 输入电阻 输出电阻等主 要性能指标进行计算 教学要点 : 一 单管共射极放大电路 1. 单管共射极放大电路结构 单管放大器是构成各种复杂放大电路的基本单元晶 体管发射结正偏, 集电结反偏时, 输出电压或电流在幅度上 得到了放大, 输出信号的能量得到了加强输出信号的能量实际上是由直流电源提供的, 只是经过三极管的控制, 使之转换成信号能量, 提供给负载 尺 u R I +U 单管共射极放大电路是应用最广的基本放大电路, 其结 u+ 构如图 3-1 晶体管的发射极是输入与输出回路的公共端, 故该电路为共发射极电路它由输入回路 输出回路和晶体 管三部分构成输入电容 C j 与输出电容 Cz 起着祸合与隔 直的作用图 3-1 单管共射极放大电路 2. 单管共射极放大电路的静态工作分析 当放大电路没有输入信号 (Ui 二 0) 时, 三极管的基极回路和集电极回路均存在着直流电流和直流电压, 这些直流电流和电压在兰极管的输入 输出特性曲线上各自对应一个点, 称为静态工作点 (quiescent point), 通常用 Q 表示, 它是保证不失真放大的必要条件 (1) 由直流通路估算静态工作点 在晶体管放太电路中, 通常用 II3(J' IrXl' U BEQ 三个物理量表示静态工作点直流通路 (direct

37 学电子学基础与医学影像物理连成一条直线 ( 称直流负载线 ), 该直线与己知基极电流曲线的交点就是静态工作点, 常用 Q 表示医2 刀( r.) curren t pa th) 即直流电源作用下直流电流流经的通路, 如图 3-2 所 十 T~-;c' 刁亏 Vcc - U ' 一 BE 星回 Rb R R, 可简写为 由于 UBE<Vcc ( 通常硅管约为 0.7 V, 错管约为 0.3 V), 上式 集电极电流为 V1α 回忆, Rb Ic= 卢 /IB 集电极与发射极问电压为图 3-2 Uα 二 V( 汇 IcRc 学(2) 直流负载线 (load line) 估算静态工作点 U nc T + UCE τ'e '直流通路 直流负载线估算静态工作点也称图解法估算静态工作点图解法估算静态工作就是根据静态方 程 Uα 二 Vcc - IcRc' 在三极管输出特性上确定的两个特殊点 ( 川, 马二 Vcc ; U1α 二叫二字 ) i c 该直线的斜率为 1 如图 3-3 直线 MN 所示 A c U ma A B 交流负载线 直流负载线 JlA 20 nu f FL ( A 10 12M ETC 愣 V 图 3-3 直流负载线和交流负载线 图解法的优点是能够直观反映各电流 电压的变化全过程 ( 包括动态 ) 缺点是不能分析复杂电 路, 不能对放大电路的输入阻抗 输出阻抗等进行计算由直流通路估算静态工作点与图解法估算三 极管的静态工作点必须熟练掌握 3. 单管共射极放大电路的动态工作分析 当放大电路有输入信号时, 三极管的基极回路和集电极回路在静态的基础上均存在着交流电流 和交流电压, 这些交流电流和电压在三极管的输入 输出特性曲线上各自对应一些点, 称为动态工作 点 注意 : 放大电路在放大交流信号过程中, UBE 与 Uα 的极性始终不变, 以保证发射结始终正向偏 置, 集电结始终反向偏置 32 (1) 交流 (alternating curren t, AC) 负载线 Cload line) 确定动态工作点在放大器处于动态工作情况时只要频率不太低, 可得到如图 3-4 所示交流通路 (AC path) 即输入信号作用下交流流经的通路, 即电容 电源短路交流通路的负载电阻为

38 ρ几口川4户y川二γ-t3医学电子学基础 第一二章交流通路 大电路基础UBE 二 UBE 十 Ube 二 R ci/ RL 式中, R'L 也称为放大器的交流负载电阻由交流通路图可 dr'l 得如下动态方程 + U 田 R~ + 该式表明输出回路中的电流和电压为直线关系, 直线斜率为 4 U, Rυ + RLlluo 也 mjr川川l第一篇1 该直线称为交流负载线如图 3-3 中 AB 直线所示它 豆 L 表示工作点的移动轨迹图 3-4 交流负载线与直流负载线必然在 Q 点相交过 Q 点做一 斜率为去的直线就可以得到一条交流负载线一般来说, Q 点选在交流负载线的中点可以获得 豆 L 最大不失真输出 (2) 动态情况下, lb lc uα 波形的绘制 量 当在放大器的输入端加入输入信号后, lb lc uα 都在原来的静态直流量的基础上叠加一个交流放iB = I B + ib ic = Ic + ic uα 二 Uα + 当输入电压 Ui (U 曲二 Ui) 为交流变化量时, 各处电压与电流也随之变化 (3) 微变等效电路 (small signal moded 分析法微变等效电路分析法 ( 可简称等效电路分析法 ) 就是在输入的信号很小时, 晶体管的特性可以看 U ce 成是线性的, 可以用一个由若干个电源和无源元件组成的等效电路来代替它的优点是简单方便不用作图就可以分析简单与复杂的电路它的缺点是不能分析静态电路与非线性失真 I) 用微变等效电路分析法分析放大电路的主要内容画出放大器的微变等效电路 ; 计算电压放太倍数 输入电阻 输出电阻等交流指标其中, 电压放大倍数是指输出正弦电压与输入正弦电压的瞬时值或有效值之比输入电阻是从放大电路输入端看进去的等效电阻, 相当于信号源的负载电阻, 它等于放大电路输入端信号电压有效值和输入电流有效值之比输出电阻是指从放大器的输出端看进去的等效电阻, 即电压源短路 受控源保留时从输出端看进去的电阻输出电阻是衡量放大电路带负载能力的一个指标, 输出电阻越小, 则带负载能力越强 2) 画微变等效电路的原则用 H 参数等效电路等效三极管 : 所有直流电源 所有电容均视为短路 : 标出电压的极性和电流的方向微变等效电路分析法分析放大电路必须熟练掌握 (4) 放大器的非线性失真 ( nonlinear distorsion) 如果静态工作点不合适, 会使放太电路的工作范围超出二极管特性曲线的线性范围, 会导致输出波形与输入波形不似, 这称为非线性失真产生的原因是 : I) 晶体管的非线性 2) 静态工作点的位置不合适静态工作点太低产生截止失真, 输出电压将削去正半周 : 静态工作点太高产生饱和失真, 输出电压将削去负半周 3) 输入信号较大 避免措施是把静态工作点选在交流负载线的中部 33

39 学电子学基础与医学影像物理它对交流信号相当于短路, 对直流分量无影响医r.) 二 放大器工作点的稳定 (stability of quiescent point) 1. 影响放大器工作点稳定的主要原因 温度的变化和管子参数的分散性温度变化将引起晶体管参数的变化温度升高, ube 减小, Icro 增大, 卢值增大, 集中表现为 Ic 增大, 静态工作点上移所谓稳定工作点就是稳定静态工作电流 Ic 对硅管, 由于它的 IcBO 很小, 所以影响硅管稳定的主要因素是 UBE 与卢的变化对错管, 静态工 作点不稳定主要是 Icro 与卢的变化引起 o 2. 稳定工作点方法 R, 采用射极偏置放大电路稳定工作点如图 3-5 所示射极 Hl+ 偏置放大电路稳定工作点实质 : 在发射极加入偏置电阻 Re' 利学用 Ie 的变化, 在 Re 上产生压降, 回送到输入回路去调解 U 缸, 抑制 Ic 的变化, 使 Ic 基本恒定这种电路也称为电路负反馈式偏置电路由于 Re 的接入, 虽然稳定了工作点, 却使电压放大倍数下降通常在 Re 上并联一个电容 Ce, 电容 Ce 又称为射极交流旁路电容, 它可以解决 Re 接入后放大倍数下降的矛盾图 3-5 Rr 11, c e 十 V('( 稳定工作点的条件 IR >> IB' UB>> UBE ' IR 为流过 R b2 与鸟儿的电流为兼顾电 路其他方面的性能, 则对硅管一般选取 I R = (5~10 )JB' UB=3~5 V 对错管一般选取 IR 二 (10~20) I 日, UB 二 1~3 V 三 放大电路的三种组态 共发射极电路 共基极电路 共集电极电路是放太电路的三种基本组态 o 前面己介绍共发射极电 路 共基极电路 共集电极电路 ( 也称为射极输出器, emitter follower) 及其等效电路如图 3-6 图 3-7 所 刁亏 十 Rr U h 34 图 3-6 共基放大及其等效电路

40 ρ几口川4户y川γ-td3路基础三种组态的性能比较 十 Vcc L + b r{; 比 + U, R, + J R, U, R" R, E 几 u o C 图 3-7 共集放大及其等效电路 三种组态的性能比较见表 3-1 也二 mjr川川l+ 一二章第一篇医学电子学基础 第表 3-1 组态 共射极电路 共基极电路 共集电极电路 连接方 公共极为输入极为 b, 输出 公共极为 b, 输入极为输出 公共极为 c, 输入极为 b, 输出极为 e 式 极为 C 极为 C Q 点计算 hn= Vcc - UBE BQ- Rb I [JE EJEE CQ- R, 吨 E V,cc 'B(r Rb + (1 + ß) R, Iω 二卢 [1 础 InQ 二 ICQ < 卢 ICQ 二 ßIIlQ UαQ 二 Vcc 一 lcor c UæQ 二 VcεIω (Rc+ R,) u,αq 二 Vcc - 1 R, 放大电电压放大倍数 FRd/Rc ræ + (1 + 卢 )R, 应二 ræ 应二 输入电阻 Rbdl R bz // [ræ + (1 + ß) R,J ræ+ (1+ß)R'L( 太 ) ræ 1+ 卢 输出电 阻 Rc( 适中 华 T( 小 ) (1 + 卢 ) r" ( 大 相位 相反 相同 相同 优点 放大能力强 输入电阻大, 输出电阻小, 带 输入电阻小, 输出电阻大, 高频性能 负载能力强 好 应用 低频电压放大的输入极 间级 恒流源 高频放大器和宽频带 输入极 输出极和隔离缓冲级 和输出极 放大器 四 放大电路的主要性能指标 1. 放大倍数 (1) 电压放大倍数 (voltage gain) 输出电压与输入电压幅值或有效值之比 Au 二廿 (2) 电流放大倍数 (current gain) 35

41 且\JF曲八ρLJJ学电子学基础与医学影像物理基本不变医输出电流与输入电流有效值或幅值之比, (3) 功率放大倍数 (pow 町 gain) 输出功率与输入功率之比, 对小功率放大电路, 人们常常关 It., 一个电路的电压放大倍数. 坠3. 输出电阻 Coutput resistanc.,) 2. 输入电阻也 nput resistan 四 ) R 4. 通频带 (p 田 sb 皿.v R; 二号 学通频带是衡量放太电路对不同频率信号的放大能力的指标. 通频带越宽, 表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强由于放太电路中电抗性元件的存在, 信号中青有很多频率的复杂信号. 放太倍数随着频率的高低而变化. 频率太高或太低时, 放大信号都大幅度下降. 而中频段, 放大倍数 5. 最大不失真输出电压 U 删 ho 五 多级放大电路 多级放大电路前后级之闹的信号传递方式称为糯合. 1. 精合方式 (1l 阻容精含在分立元件电路中应用广, 不适合集成. 各级工作点不相互影响, 结构简单 (2) 变压器藕舍不适合集成, 目前非特殊情况已很少采用 直接藕合能放大缓慢变化的信号和直流信号, 适合集成, 但各级间静态工作点相互影响, 调整复杂 (4) 光电藕合以光信号为媒介实现信号的糯合和传递, 因其抗干扰能力强而得到越来越广泛的应用. 2. 多级放大电路的计算 (1l 多级放太电路的总放大倍数是各级放大倍数的乘积. 多级放太电路的输入电阻是输入级的输入电阻. ) 事级放太电路的输出电阻是输出级的输出电阻 36

42 ρ几口川4户y川γ-td3第一篇医学电子学基础 第一二章反馈电路 大电路基础2. 反馈的分类 也二 mjr川川l图 3-8 六 负反馈放大器 (negative feedback amplifier) 1. 反馈的基本概念 反馈 (feedback) 就是通过一定方式把放大电路输出回路输出信号量 ( 电流或电压 ) 的一部分或全 部送回到输入回路中的过程如图 3-8 所示放(1) 直流反馈和交流反馈 按照反馈信号本身的交直流性质, 反馈分为直流反馈和交流反馈如果反馈信号中只包含直流成分, 则称为直流反馈若反馈信号中只包含交流成分, 则称为交流反馈在很多情况下交直流两种反馈都有 (2) 正反馈和负反馈按照对净输入信号的影响, 使净输入信号加强了的反馈称为正反馈 : 使净输入信号减弱了的反馈称为负反馈正反馈和负反馈的判断法之一可采用瞬时极性法在放大电路的输入端, 假设一个输入信号的电压极性, 可用 " 十 " 或" 牛 " "~" 表示按信号传输方向依次判断相关点的瞬时极性, 直至判断出反馈信号的瞬时电压极性如果反馈信号的瞬时极性使净输入信号减小, 则为负反馈 ; 反之为正反馈 (3) 电压反馈和电流反馈按照反馈信号取样对象不同, 若反馈信号与输出电压成比例称为电压反馈 : 反馈信号与输出电流成比例称为电流反馈 (4) 串联反馈和并联反馈按照反馈信号取样对象与输入端关系不同, 将反馈信号与输入信号串联共同作用于放大器的输入端称为串联反馈 : 将反馈信号与输入信号并联共同作用于放大器的输入端称为并联反馈 3. 典型反馈回路 电压串联 (voltage-series) 负反馈 电压并联 ( voltage-shunt) 负反馈 电流串联 (current-series) 负反 馈 电流并联 (current-shunt) 负反馈 4. 负反馈对放大器性能的影响 (1) 提高放大倍数的稳定性 : (2) 减小非线性失真, 但是只能改善反馈环内产生的非线性失真 : (3) 使电路的输入与输出电阻发生变化 串联负反馈使输入电阻增加, 并联负反馈使输入电阻减小负反馈对输入电阻的影响只与反馈 加入的方式有关, 即与串联反馈或并联反馈有关, 而与电压反馈或电流反馈无关在负反馈中, 输出 37

43 学电子学基础与医学影像物理对称时, 放大电路的输出电压为医r.) 电阻的大小只取决于取样是电压还是电流, 而与输入端的连接方式无关电压负反馈使输出电阻减小, 电流负反馈使输出电阻增加 (4) 扩展通频带放太电路加入负反馈后, 增益下降, 但通频带却加宽了 (5) 抑制放大电路内部的噪声和干扰负反馈只对反馈环内的噪声和干扰有抑制作用, 且必须加大输入信号后才使抑制作用有效 七 差动放大器 1. 零点漂移 在多级直流放大器中, 当输入电压为零时, 输出端却有不规则的变化电压输出的现象称为零点漂移输入级数越多, 放大倍数越高, 则零点漂移越严重学2. 差动放大电路差动放大电路是抑制零点漂移的有效电路它是一个对称电路, 可使漂移信号相互抵消 (1) 三种差动电路基本差动放大电路 ; 射级祸合差动放大电路 ; 恒流源式差动放大电路 (2) 差动放大电路的连接方式双端输入双端输出 双端输入单端输出 单端输入双端输出 单端输入单端输出 o (3) 差动放大电路的本质如果在差动放大电路的两个输入端输入两个大小与极性都是任意的信号叫 1 和 Ui2 ' 在电路完全 UO 二 UOl - Uα 二 A u1 (Uil - Ui2) +v. 问 Y 图 3-9 差动放大电路 该方程是差动放大的基本方程式, 说明差动放大的输出电压与两输入信号之差成正比, 而不取决 于信号本身的大小它反映了差动放大电路的本质, 即有差有输出, 无差无输出差动放大电路两个 输入端信号的差值称为差模信号当差动放大电路两个输入端信号大小相等极性相反, 称为差模输 入方式若差模输入, 即 Uil = 饨, 如图 3-9 则放大电路的差模放大倍数为 A.,,,= UW=~ul (Uil - Uρ 2A u1 Uil = A." 阳 一一一 U Uj Uil - Ui2 一一二 2 Uil 即差动放大的电压放大倍数等于一个管子的电压放大倍数 (4) 差动放太电路对共模信号的抑制 38 我们把差动放大电路两个输入端信号的算术平均值, 称为共模信号 (common-mode signad 对差动放大, 因电路对称, 由温度变化等因素引起两管的输出漂移电压必然是大小相等 极性相同, 即为共模信号当差动放大电路两个输入端信号大小相等极性相同, 称为共模输入方式由于电路的对称,

44 u'i1即使单端输出电路, 由于 R.< 也称为共模电阻 取值较大, 产生较大的反馈电压, 把放大倍数压的很 低, 也能很好的抑制共模信号, 因此稳定了工作点, 抑制了零点漂移. 对共模放大倍数抑制作用越强, 表明放大器的性能越好. ( 呈 ) 差动放大电路的性能指标 1l 差模放大倍数 A" 输入信号为差模信号时的放大倍数. 2) 共模放大倍数儿输入共模信号时的放大倍数. 3) 共模抑制比 KCMR (common mode r. 句 ection ratio) 差模放大倍数与共模放大倍数的比值. 共模 抑制比 K 白面越太, 电路抑制温漂的性能越好. 典型试题分析 l ( 一 ) 单项选择题 1. 放大电路的动态是指 A. 输入信号为零时放大电路的工作状态 B. 加入信号后放大电路的工作状态 为零时放大电路的工作状态 D. 加入信号后放大电路的输出情况 答案, B 考点 z 放大电路的动态概念放大电路动态时的电压放大倍数 输入电阻 输出电阻及电路参数 改变对放太棒性能指标的影响是放太电路的重点内容. C 输出信号 J飞d\L蝇吃亡川UMrJf咛二圃4第 篇医学电子学基础 第三章放大电. 双端输出时的共模输出电压为霉, 共模放大倍数也为零. 路基础两管的集电极电流产生相等的电流增量 ( 二 ) 多项选择题 2 分析电子电路常用的两种基本分析方法是 A. 圄解法 B. 输入特性 C. 输出特性 答案, AD D 微变等效电路分析法 考点分析电子电路常用的两种基本分析方法的了解. 对具体问题如何应用图解法和微变等效 电路分析法是放大电路的重点内容 3 放大电路的两种工作状态是 A. 截止 B. 静态 C. 饱和 答案, BD D 动态 考点 z 放大电路工作状态种类的了解. 要与晶体三极管的工作状态区分开. ( 三 ) 名词解释 为开路. 4 直流通路 答案 直流电源作用下直流流经的通路为直流通路. 考点 E 直流通路的概念. 画直流通路时, 只考虑直流电源的作用, 信号源 电感视为短路, 电容视 ( 四 计算题 5 己知图 3.10ω.Rb~510 ko.rc~10 ko.rl~ 1. 5 ko. Vcc~ lo V. 三极管的输出特性如图 3.10 <b) 所示. 试求 = 39

45 r.) idma 80μA 医学电子学基础与医学影像物理学值? 11, (3) 图 3-10 (a) 十 11ο 典型习题 5 电路图 60μA 40μA 20μA 12 u,jv 输出特性曲线 (1) 图解法求出电路的静态工作点绘出直流负载线, 并分析这个工作点选得是否合适 (b) 8 图 3-10 (b) 且 10 (2) 在 Va; 和三极管不变的情况下, 为了把三极管的静态集电极电压 Uα 提高到 5V 左右, 可以 改变哪些参数? 如何改? (3) 在 Va; 和二极管不变的情况下, 为了使 Ic=2 ma, U,α=2 V, 应改变哪些参数? 改成什么数 答案 : (1) Q (0.3 V, 0.9 ma), 直流负载线如图 3-9 (b), 工作点不合适, 偏低 Rc 1 (2) 可改变参数 R J. 与 Rr' 并使一 = 一, 才能使 Urw 提高到 5V o ~'V /0 ~ Rb 2 卢 巳 (3) 应改变 Rc=4 kn 即可达到要求 考点 : 图解法求电路的静态工作点, 如何画直流负载线, 如何分析工作点是否合适及静态工作点 与电路参数的关系 解 : 按题意 (1) 利用图解法确定静态工作点的步骤是 z 1 画出放太电路的直流通路 ; 2 根据直流通路列出直流负载方程, 在兰极管的输出特性坐标平面内画直流负载线 : 3 用估算法 ( 或图解法 ) 求出静态工作点的电流 1 4 查出直流负载线与输出特性曲线的交点, 即为静态工作点 Qo 首先画出电路的直流通路 3-10 (c), 即把电容短路, 然后根据直流通路, 列出直流负载线方程 +T 飞 χy R 句 (c) 图 3-10 (c) 典型习题 5 直流通路 40 Uα = Va;- IcRc 找出两特殊点 M 点, Ic 二 0 时, UBE 二 Va; 二 10 V

46 u'i1i时, Uæ~O 时.Ic= 号 ~=1 ma "c 4连接岛西 V 点即可得到直流负载线 吃亡川J咛二圃飞Jd\LUMf蝇r直流负载线与马二 20μA 的线的交点 Q(0.3 Y, 0.9 mal 即为所求静态工作点. 由固知静态工 作点接近截止区, 所以工作点选得偏低, 不是很合适 也 改变参数 Rb 与 Rc Vcc 不变, Uæ 二 5 Y, 由 Uæ 二 Vcc - IoR c 得 数参变改可以所R 与R 使并b C 由 Uæ~ Vcc - IoRc' 得 即应改变 Rc 二 4 ko 即可达到要求. Uæ~ Vcc-ß 剧 CEVEPEERc 巫山 b LZJ -noma υ旷c 才白叫提商到M V -inz 一一旦旦乱 坠凡坠画 Rc 二 4 ko 咄Ljix 使i" -一"2篇医第 学电子学基础 第三章IB~ Vcc1Rb~20 μa 路基础放大电由题分析知, 放大电路的静态工作点是由电路参数决定的. 改变静态工作点, 必须改变电路的元 件参数 6. 在图 3-11 (.) 示电路中, 若 Rb 二 280 ko, Rc 二 3 ko, RL 二 3 ko, Vcc 二 12 y, β 二 50Jr~bb 二 200 0, 试求 z (1) 静态工作点. 画出直流负载线和交流负载线 (2)γh 的值. 画出微变等效电路. (4) 放大器的电压放大倍数 输入电阻和输出电阻 答案 z (1) 静态工作点, IRl ~40 阳 '\.;[CQ~2 ma, UæQ ~6 Y 直流负载线和交流负载线如图 3-11 (.) 所示. ) r..~0.9 ko, (3) 见圈子 11 (b), 句 AEt~-mzRZERJTUEO9 胁 R 俨 Rc~3 胁 考点 z 计算静态工作点 B 直流负载线和交流负载线 微变等效电路的绘制, 放太器的电压放太倍 数 输入电阻和输出电阻的求解, 解 = 按题意 C1l 1 皿二主号 VBE~ 卫二 40μA N b 280 1叮,,蛇口叩得矶?=,句玩ICQ~ 胆固 ~50x40~2 ma JU由=标标Z坐坐点点-7斗叫也比时JUnυ,UæQ~ Vcc-looRc~12-2 叫 ~6 Y -4 m1 7= 11坠N川J41 M

47 医学电子学基础与医学影像物理图 3-11 (a) r.) 连接 MN 点即可得到直流负载线该直线与 IBQ 二 40μA 的交点即为 Q 点如图 3-11 (a) 所示 B 80μA 60μA L b C 1, + 40μA U i Rb r R, R L U, 20μA (a) M L 12 uc/v e ( thu ) 图 3-11 (b) 学1 2,~,......,. l lr- b,r ~ ìl 2 画交流负载线, 有两种方法 : 第一种方法由 v'cc 二 Uα 边 +1ωR'L 二 9V 确定出交流负载线与横轴的交点 A, 连接 AQ 点并延 长与纵轴相交, 即可得到交流负载线 AB 如图 3-11 (a) 所示 第二种方法是二二, 过 Q 岚作一斜率为的直线该直线与横纵轴的 R'L- RL//Rc- 3 '~"""""r ",,--./' 3 交点 A B 所确定的就是交流负载线 (2) 晶体管的基极输入电阻 rbe' 是对交流而言的动态电阻, 它表示晶体管的输入特性对于低频 小功率管可用下式估算 26 ma rbe = r' 协 + (1 + ß) 1; ;;;~ rbb 为兰极管的基区体电阻 ;h 为静态发射极电流 h"""ic, 得 rbe 二 0.9 ko ) 画微变等效电路的步骤是, 首先画出晶体管的等效电路, 即输出回路用电流源代替 (Is 二 β h' 是一受控源 ), 对低频小功率晶体管的基极输入电阻用马估算然后把电路中的电容和直流电源视 为短路, 把对交流分量起作用的元件画在相应的端点上, 最后标出电压的极性与电流的方向画微变 等效电路如图 3-11 (b) (4) 放大器的电压放大倍数 输入电阻和输出电阻 Au 一旦旦一旦马 5o x CRcI/ RL ) - 50 x (3113) ----'=-c-'----'~-"~"_. """ - 83 Ui rbe rbe 0. 9 Ri = Rb// γbe = 280//0. 9 = 0. 9 ko Ro"""Rc= 3 ko 7. 如图 3-12 (a) 所示共集电极电路 ( 硅三极管 ) 的放大电路, 卢 = 60, r'bb = 2000, v(α;= 10 V, Rb =200 ko, R e =RL =Rs =1.2 ko, 求 : (1) 静态工作点 : (2) 电压放大倍数 Au 输入电阻 Ri 输出电阻 Ro' 答案 : 42 (1) IBQ 二 34μA, hq 二 2.1 ma, U. 囚 Q 二 7.5 V, (2)A u = O. 968, Ri = 27 ko, Ro= 350 考点 : 共集电极放大电路的静态工作点 电压放大倍数 Au 输入电阻凡 Ro 输出电阻的求解解 : (1) 画直流通路如图 3-12 (b), 计算静态工作点

48 ρ几口川4户y川γ-td3医学电子学基础 第一二章+VU 大电路基础) 100 = Rb + (1 + 7Bk = 200 十 (1 十 60) x 1. 2 句 ma=34μa 1EQ= (1 + 卢 ) 100 = (1 + 60) x 0.034=2.1 ma uαq 二 Va::; - 1mR e 二 X 1. 2=7.5 V (2) 画出微变等效电路如图 3-12 (c) 所示, 首先求出三极管的输入电阻仙, 然后计算电压放大倍 数 Au 输入电阻乱 Ro 输出电阻 也二 mjr川川lv;cc - BBEO 第一篇十 Vcc R" R, + + U, 巳飞放( a ) ( LO 图 3-12 (a) 1 + b ιι -e- r he + 图 3-12 (b) R, + / U, U, R/, R e RL Uο C (c) 图 3-12 (c) 26 _~, 26 rbe 二 r'bb+ (1 + 卢 )7 一二 200 十 (1 十 60) 句 1000 (.0,) 二 1 ko, I 皿 2.1 AIJo(1+β) CR e // R L ) = 一一 --:-'----::-:---':-'::':--:ê"=---,-, = U i rbe 十 (1 十卢 ) CR e // R L ) R i = 号 = Rb// [r 加 + 川 ) (Re// R L ) ] = 刀 k o, (r 加 + Rs// Rh \ Ro 二于二 R ei/ l'--"" 唱 i 气,,) 二 ko, 二 35 0, Tρ' 由计算结果说明共集电极放大电路的输出电阻很低, 所以带负载能力较强 8. 共基极放大电路如图 3-13 (a) 所示, 三极管为硅管, 卢 = 100, R b1 = Rω =60 ko" R e=2.9 ko" R L = 1 ko" Rc = 2.1 ko" V a::; = 15 ko" r' bb = 200 0, 求 : (1) 该电路的静态工作点 : (2) 电压放大倍数 Au 输入电阻 Ri Ro 输出电阻 答案 : 43

49 医学电子学基础与医学影像物Uα:Q =Vcc-I,ω (Rc + Re) = V 理r.) (1) 1 国二 23.5μA, I,ω 二 2.35 ma, U.α 刃二 3.25 V (2)A u = 51, Ri = 13 0., Ro= 2.1 ko. 考点 : 共基极放大电路的静态工作点 电压放大倍数 Au' 输 入电阻凡 输出电阻 Ro 的求解 o 解 : (1) 画出直流通路如图 3-13 (b) 所示由直流通路得 pωu 叫2-nk v 4EE4 严吁--αζ-zo -ou--zo -nu V -H -- -DA J,,J一I汁TUB - UBE IιQ 句 I 皿 =-E7 一 2 万一 =2.35 ma I 坠 2.35 D 二 ma 二 23.5μA f:j 100 图 3-13 (c) 学( + 才 l + l( + U i R, Rr U, Rι ι - - ( pv ) 典型习题 8 电路图 Rc (a) ( ku ) 图 3-13 (a) 图 3-13 (b) (2) 画出微变等效电路如图 3-13 (c) 所示, 首先求出三极管的输入电阻旬, 然后计算电压放太倍 数 Au 输入电阻 Ri 输出电阻 Ro 所以 八 26.~~, 26 rbe = r' bb + (1 +β) 了 = ( ) 一一句 = ,- h -~~..~~ 2.35 A. = f!o = - ßIb CRe // RL ~_1^"v2.1//1 二二冒二 100 x 二 51 Ui - hrl 陪 Ui. Ui m Ui. Ui. ^ Ui 11"" ()\ 1 l R i = 子, 而 Ii = ;:' +..:::..! - ßl h = ;:' +..:::..! +β=1 百 + (1 + 卢 )~ IUi li.1'{e r, 曲 n. e rbe. rbe L. L T be.j Ri=r1, = Re// ( 主 ) = L 主 ; 十 (1 十卢 ) 之 J ~.t' [2 川市 ) ] = Ro= Rc = 2. 1 ko. 由计算结果说明共基电极放大电路的输入电阻很低, 输出电阻大, 输出电压与输入电压位相相 同电压放大倍数较大, 与共射极电路差不多 ( 五 ) 判断题 9. 分析图 3-14 所示电路是否具有放大作用? 为什么? 44

50 vh一h 二D叫ρ几学电子学基础 第一二章Vcc 路基础一也二 m口川γ-川t川4户y川djr十 斗 t 十 U, U, 医3L+ 斗,+ 第一篇(a) ) ( LU V cc 十 RbI CHi-H + R <Ji (c) ( λ) U图 3-14 典型习题 9 电路图 放大电答案 : (d) 具有放大作用, (a) (b) (c) 没有放大作用考点 : 基本放大电路的放大组成原则 : 静态时电源必须使发射结正偏, 集电结反偏且交流信号要能够顺利进出 (d) 有正确的静态偏置, 交流信号能顺利进出, 电路有输出电压, 所以具有放大功能 (a) (b) 因为静态基极电流 IB=O, 所以电路不具有放大功能 (c) 因缺少电阻 Rc'Uo=O, 不具有放大功能 10. 试根据如圈子 15 所给电路参数判断电路是否具有正常的放大作用设三极管为硅管, 卢二 50 (a) ( t) hυ(c) 图 3-15 典型习题 10 电路图 答案 : (a) 有放大作用 ; (b) 饱和 ; (c) 截止 考点 : 电路是否具有放大作用, 除三极管的发射结正偏, 集电结反偏外, 还要考虑电路元件参数的 选择是否恰当, 只有电路元件参数的选择恰当才能保证三极管工作在放大区 (a) 设三极管工作在放大区, 则 TI E-U一Ic= 卢 iib =50 X O.ll=5.5 ma tea- ql一-4ea--白内u-ov叮/一内υ嚼'且a m 45

51 学电子学基础与医学影像物理数也要选择合适图中的 (a) 与 (b) 电路结构相同, 仅 Rb 参数不同, 导致两者的工作区域不同医r.) 故知 所以 Uα 二 Vcc - IcRc 二 x 1 二 6.5 V Uc =6.5 V, UB =0.7 V, UE=O V UB > UE, Uc> UB 说明发射结正偏, 集电结反偏, 三极管静态工作点在放大区, 若输入信号大小适宜, 该电路可实现 不失真放大 (b) 设三极管工作在放大区, 则 以一E V二喃竹句自-JA马内'一一--ou 且D-E-Uυ均AU寸Ic 二月 b 二 50 x 0.28 二 14 ma U CE = V(α 一nu- q& oo m A IcRc = x 1 = - 2 V 这个电路的最低电位是地, UCE 不可能是负电压, 因此该三极管不是工作在放大区, 而是处于饱 和状态, 原来的假设不成立学(c) 由图可知, U BE = - 2 V, 则 IB 二 O, Ic 二 0, U,α 二 12 V UB = -2 V, UE=O V, Uc =12 V 可见 U B< UE, Uc> U B 发射结反偏, 集电结反偏, 三极管的静态工作点在截止区电路无放大作用由此例题分析知, 一个电路是否有正常的放大作用, 不但电源的极性要正确连接, 而且电路的参马 ~I ( 一 ) 单项选择题 1. 电路的静态是指 A. 输入端开路的状态 B. 输入交流信号幅值不变的状态 c. 输入直流信号的状态 D. 输入 交流信号幅值为零的状态 2. 微变等效电路较适合解决的问题是 A. 输入 输出均为小信号时电路的交流性能 时的幅值与波形 D. 静态工作点的设置 3. 在直流通路中只考虑的作用是 B. 输入为正弦波时输出波形 c. 输出为大信号 A. 直流输入信号的作用 B. 电容的作用 c. 直流电源的作用 D. 直流输入信号中变化量的 作用 4. 在信号较大情况下, 避免出现饱和与截止失真的办法是 A. 把静态工作点选在交流负载线的中部 B. 把静态工作点 远在交流负载线的上部 c. 把静态工作点选在交流负载线的下 部 D 把静态工作点选在直流负载线的中部 5. 己知如图 3-16 所示放大电路中的 Rb 二 100 kn, Rc 二 1. 5 kn, 卢 =80, 在静态时, 该三极管处于 A. 放大状态 B. 截止状态 c. 饱和状态 D. 不能确定 十 u o 6. 在如图 3-16 所示放大电路中, 当用直流电压表测得 Uα 句 46 V( 汇, 时, 有可能是因为 ) ; 当测得 UCE 句时, 有可能是因为 图 3-16 习题 5 6 电路图

52 u'i1a.r, 开路 B.RL 短路 C.R c 开路 D.R, 过小 7 衡量一个放大电路带负载能力的指标是 A. 输入电阻 B. 输出电阻 c. 放大倍数 D. 输出电压 飞Jd\吃亡川LUJMf咛蝇r二圃4第 8 输入电阻等于 A. 放大电路的输出端信号电压和输入电流之比 B 放大电路的输入端倍号电压和输入电流之 医比 c. 放大电路的输入端信号电压和输出电流之比 D. 放大电路的输出端信号电压和输出电流之 比 的电压放大倍数之积 D. 等于两个管子的电压放大倍数之差 9 影响放大器静态工作点稳定的主要原因是 A. 温度和管子参数的分散性 B. 电容 c. 电阻 D 电压 10. 阻容精舍电路能放大 A. 直流信号 B. 交流信号 c. 交 直流信号 D. 反馈信号 11. 直接藕舍电路能放大 ) ; 各级静态工作点 ( A. 直流信号 B. 交流信号 c. 交 直流信号 D. 相互影响 12. $ 级放大器的总放大倍数等于 A. 各级放大倍数之和 B. 各级放大倍数之积 c. 各级放太倍数之差 D. 各级放大倍数之商 13. 将放大器的输出信号的一部分或全部通过一定形式的网络送回到输入端叫做 A. 正反馈 B. 负反馈 c. 反馈 D. 交流反馈 14. 在放大电路中, 如果反馈信号削弱了输入信号, 使放大器的放太倍数减小. 则这种反馈称为 A. 反馈 B. 直流反馈 c..ie 反馈 D. 负反馈 15. 负反馈所能抑制的干扰和噪声是 A. 输入信号所包含的干扰和噪声 B. 反馈环内的干扰和噪声 C 反馈环外的干扰和噪声 D. 输出信号所包含的干扰和噪声 16. 所谓开环是指 A. 无电源 B. 无信号源 c. 无反馈回路 D 无三极管 17. 差动放大电路的最大优势是 A. 能有效抑制零点漂移 B 输出电阻小 c. 输出电压大 D. 放大倍数大 18. 差模放大倍数是 ( ) 之比. A 输出的变化量与输入量 B 输出的变化量与输入的变化量 C 输出差模量与输入差模量 D. 输出差模量与输出量 19. 电路的差模放大倍数越大, 表示 A. 植漂越大 B. 抑制温漂能力强 c. 用信号的放太倍数越大 D. 反馈越太 20. 在差动放大器双端输入差模信号, 双端输出的差模放大倍数为 A. 等于一个管子的电压放大倍数 B. 等于两个管子的电压放大倍数之和 c. 等于两个管子 篇 学电子学基础 第三章放大电E. 相互独立路基础( 二 多项选择题 2 1. 共射基本放大电路中, 基极电阻 R, 的作用是 A. 调节偏流 IB B 放大电流 C 提供电压反馈 D. 防止输入的交流信号被短路 22. 图解法较适用于解决的问题是 A 输入 输出均为小信号时的电路的交流性能 B 输入为正弦波时输出波形 c. 输出为太信 号时的幅值与波形 D. 静态工作点的设置 23. 分析放大电路时常采用交 直流分开分析的方法, 这是因为 A. 电路中既有直流分量, 又有交流分量 B. 电路中存在电容 c. 晶体管是非线性元件 D. 交 47

53 八ρ学电子学基础与医学影像C. 信号较太医物理\作用且JJ流量与直流量在放大电路中的变化规律不同 LF24. 在交流通路中耍考虑的作用是曲JA. 交流信号的作用 B 直流输入信号的作用 C 直流输入信号中变化量的作用 Z 呈. 下列元件中的有源器件是 A. 电阻 B. 电容 C. 二极管 D. 晶体 E. 场效应管 F. 集成运算放大器 26. 在共射基本放太电路中, 如果 NPN 的管压降 Uæ 增大, 则与此相应的是 A. 输入电压下降 B 集电极电流下降 C 基极电流下降 D. 输出电压下降 27. 放大器的非线性失真引起的原因是由于 A. 电容较大 B 静态工作点的位置不合适 D. 晶体管的非线性 28. 放大器的非线性失真包括 学A. 饱和失真 B 电容引起的失真 C 电阻引起的失真 D. 截止失真 29. 射极偏置电路稳定工作点的条件是 A.IR>>IB B.IR<<IB C. UB>>UBE D. UB<<UBE 30. $ 级放大器间的藕舍方式有 A. 变压器糯合 B 阻容精舍 C 直接藕舍 D. 光电藕舍 3 1. 反馈的基本类型分为 D. 电流并联负反馈 D. 电容的 A. 电压串联负反馈 B 电压并联负反馈 C. 电流串联负反馈 32. 反馈通路可由下列元件组成 A. 电容 B. 电阻 C. 电感 D. 晶体管 E 运放 33. 若接入反馈后与未接反馈时相比, 为负反馈的布以下情况 A. 输入量减小 B. 净输入量增大 C. 输出量变小 D.IAI 变小 34. 为稳定输出电流, 应引入 ( ) 反馈 z 为稳定输出电压, 应引入 ( 反馈 z 为稳定静态工作 点, 应引入 ( ) 反馈 z 为扩展频带, 应引入 ( ) 反馈. A. 直流负反馈 B 交流负反馈 C 交流电流负反馈 D. 交流电压负反馈 35. 差动放大电路的接法有 A. 单端输入单端输出 B 单端输入双端输出 C. 双端输入双端输出 D 双端输入单端输出 ( 三 ) 名词解释 36. 三极管的静态工作点与动态工作点 37. 负反馈 38. 交流反馈 39. 差模信号 40. 共模 信号 4 1. 共模抑制比 ( 四 ) 计算题 42. 放大电路如图 3-17 (.) 所示. 该电路三极管的输出特性如图 3-17 (b) 所示. 试根据给定参 数 E (1) 画出直流负载线 z (2) 求出静态工作点 : (3) 画出交流负载线. 48

54 ρ几口川4户y川二γ-t349 山W习题 45 电路图 Vcc 12V 100μA duma R" 300kQ 60μA 40μA U, u" lb 二 (a) (b) UCt/V 图 试用估算法确定图 3-18 所示放大电路的静态工作点 Q 点己知三极管的卢 = 已知共射放大电路如图 3-16 的输出特性曲线和直流负载线几缸 Y 交流负载线 AB 如图 3-19 所示试求 : (1) 电源电压 V 町 静态电流 I 叩 电压 UCEQ; (2) 集电极电阻 Rc 负载电阻 RL ; (3) 三极管的电流放大倍数卢 : (4) γ 飞必 =200 n 时, 电压放大倍数 Au 是多少? 也 mjr川川80μa 第一篇二章20μA 路基础习题图 L医学电子学基础 第一放大电VmA 6k N 5 60μA 50μA 40μA 3 30μA 2 [[, A 与 M 矶.jV 图 3-18 习题 43 电路图 图 3-19 习题 44 图 45. 试画出如图 3-20 所示各放大电路的等效电路 RÖ1 IV U : Ui U, u o (a) 图 3-20

55 医学电子学基础与医学影像物理学r.) 46. 电路如图 3-21 所示 ( 三极管为硅管 ), 求 : (1) 静态工作点 ; (2) 画出交流等效电路 ; (3) 电压放大倍数 ; (4) 输入电阻 ; (5) 输出电阻 其参数如下 R b1 = 2.5 ko, R b2 = 10 ko, Rc = 2 ko, Re = 625 0, R b2 R L 二 1. 5 ko, v( 汇二 15V, rbb 二 3000, 卢二 放大电路如图 3-22 (a) 所示, (b) 是三极管的输出特性曲线, U 卢国 =0.7 V 图解法求 : (1) R L = 和 RL =3 ko 时的静态工作点 ; (2) RL 二 和 RL 二 3 ko, 该电路最大不失真输出电压有效值 o 48. 静态工作点稳定电路如图 3-23 所示, 已知卢 =50, UEE = 0.7 V, Rc = 2.7 ko, R b1 = 20 0, R b2 = 40 ko, R e1 = 150 0, R e2 = 1.5 ko, rbb' = 300 0, V cc = 12 V, 试 求 : (1) 静态工作点 : (2) 电压放大倍数 输入电阻和输出电阻 t t t R,,) 图 3-21 Uo 习题 46 电路图 R 3kQ + U o i,/ma :~ l 40 J1 A 30μA 20μA 10μA (a) ( ku ) nv 12 u C1/V 图 3-22 习题 47 电路与三极管输出特性曲线图 R b2 Ui R h1 U" 图 3-23 习题 48 电路图 图 3-24 习题 49 电路图 49. 在图 3-24 所示的直接祸合放太器中, 当输入电压为零时, 输出电压为 5.1 V; 当输入电压为 16 mv 时, 输出为 9.7 V 求: (1) 电压放大倍数 : (2) 若输入为零时, 输出由 5.1 V 变为 5.7 V, 这时折合到输入端的零点漂移是多少? 如果输出由 5.1 V 变到 4.7 V 呢? 50. 电路如图 3-25 所示, 设 Vcc 自 U 因为己知 U, + (1) 画出直流通路, 写出静态电流 IBQ I CQ 的表达式 : 50 (2) 画出微变等效电路 图 3-25 习题 50 电路图

56 ρ几口川4户y川二γ-t351 电路图路基础习题 5 1. 试根据放大电路的组成原则, 判断图 3-26 所示电路是否有放 大作用? 为什么? +VC( +V 丫 Uj (a) ( -hu ) d( 五 ) 分析判断题 (c) 也 mjr川川l第一篇+f 干 r 一二章医学电子学基础 第图 如图 3-27 所示放大电路, 自二 500 今用直流表测出三极管六组电压值, 如表 3-2 所示, 试分析 各组电路的工作是否正常, 若不正常, 指出其可能出现的问题 表 3-2 三极管的六组电压值 放大电 UBCy) UECy) UcCy) 目 VC( +12Y R, 6krl 图 3-27 习题 52 电路图 R b2 15kQ 53. 如图 3-28 所示电路, 指出反馈元件, 并判断反馈类型 Ui u.., (a) ( KH ) 51

57 医学电子学基础与医学影像物理r.) +v, 巳 + E 十 u ( 六 ) 论述题 (c) + + R7 图 3-28 u o 习题 53 电路图 ( AU ) 学54. 试说明晶体管放大电路的组成原则放大的实质是什么? 55. 什么是放大电路的静态分析? 静态分析依据什么电路? 56. 阐述直流负载线和交流负载线的联系与区别 57. 什么是直流通路 交流通路? 说明画直流通路和交流通路的方法 58. 什么是放大电路的动态分析? 动态分析的依据什么? 59. 什么是放大电路的输入电阻 输出电阻? 为什么通常希望放大电路的输入电阻高, 而输出电 阻低一些? 60. 放太电路将在什么情况下产生饱和失真? 将在什么情况下产生截止失真? 6 1. 微变等效电路法的使用条件是什么? 这种方法能否用来计算直流量? 62. 在阻容精合放大电路中, 糯合电容有何作用? 63. 直接祸合放大器的优点和缺点各是什么? 64. 试说明负反馈对放大器输入电阻和输出电阻的影响 65. 差动放大器的主要性能指标都有哪些? 差动放大器有何优点? 差动放大器为什么能较好的抑制零点漂移? 答题要点二 ( 一 ) 单项选择题 l.d 2.A 3.B 4.A 5.C 6.AD 7.B 8.B 9.A 10.B 11.CE 12.B 13.C 14.D 15.B 16.C 17.A 18.C 19.C 20.A ( 二 ) 多项选择题 21.AD 22.CD 23.D 24.AC 25.DEF 26.ABC 27.ABCDE 28.AD 29.AC 30.ABCD 31.ABCD 32.ABCDE 33.ACD 34.CDBA 35.ABCD ( 三 ) 名词解释 当放大电路没有输入信号 (Ui = 0) 时, 三极管的基极回路和集电极回路均存在着直流电流和 直流电压, 这些直流电流和电压在三极管的输入 输出特性由线上各自对应一个点, 称为静态工作点, 通常用 Q 表示它是保证不失真放大的必要条件当放大电路有输入信号时, 三极管的基极回路和

58 ρ几口川4户y川γ-td3(c) 白(a) 出特性由线上各自对应一些点, 称为动态工作点 37. 反馈就是通过一定方式把放大电路输出回路中输出信号 ( 电流或电压 ) 的一部分或全部送回 到输入回路中的过程 o 使净输入信号减弱的反馈称为负反馈 38. 反馈信号中只包含交流成分的反馈, 则称为交流反馈 39. 差动放大电路两个输入端信号的差值称为差模信号 40. 差动放大电路两个输入端信号的算术平均值, 称为共模信号 4 1. 差模放大倍数与共模放大倍数的比值称为共模抑制比共模抑制比 Kα 优越大, 电路抑制温 漂的性能越好 ( 四 ) 计算题 42. 解 : 按题意 (1) 画直流负载线首先画出直流通路如图 3-29 (a) 所示, 直流负载线方程为 Uα 二 Vc 汇 Ic (Rc1 + Rα). 令 Ic 二 O. U.α 二 O. 得两点 M(12Y.0) N ( ma). 连接 MN 得直流负载线如图 3-29 (b) 所示 B i/ma 100μA 也二 mjr川川, 这些交流电流和电压在三极管的输入 输一二章集电极回路在静态的基础上均存在着交流电流和交流电压 放大电路基础+ L第一篇医学电子学基础 第R/O 3 80μA 60μA 10μA 十 U, 20μA 丘 12 -ucjv 图 3-29 习题 42 答案图 v"rr - (- U"",) (2) IBQ= 认 D 皿句 40μA. 直流负载线与 IBQ = 40μA 的交点 Q 即为静态工作点得 A b Iω= 1. 6 (ma), - U.α 现 =5.6 Y (3) 交流通路如图 3-29 (c) 所示, 交流负载线方程为 U 田二 Uα (ic - Ic) CRd/ Rα). 令 lc 二 O. 得 A 点坐标为 uα 二 8.8 Y. 连接 AQ 两点并延长得交流负载线 AB, 如图 3-29 (b) 所示 + 只 c( +12V 43. 解 : 直流通路如图 3-30 所示由直流通路列方程为 Vcc = (IB+ Ic)Rc+ I~F+ U BE + hre= (1+ 卢 )I~c+ I~F 十 UBE + (1 + 卢 )I~e 求得 I 皿 =54μA Iω 二卢!JBQ 二 2.7 ma R, 100Q Uα 边 = V,αj 一 CIc + IB)Rc - IeRe=3.47 Y 44. 答案 z (1) 电源电压 Vcc 二 12 y. 静态电流 ICQ 二 3 ma. 电压 Uα 迎二 6Y 图 3-30 习题 43 直流通路 53

59 医学电子学基础与医学影像物理-r.) (2) 集电极电阻 Rc 二 2 kn, 负载电阻 R L 二 4 kn (3) 兰极管的电流放大倍数卢 = 100 (4) r' 品 =200 n 时, 电压放大倍数 Au = 答案 : 各放大电路的微变等效电路如图 3-31 所示 十 U, Rb2 1 一 --- r hj b [3]" e 学图 3-31 习题 45 答案图 46. 解 : (1) 直流等效电路如图 3-32 (a) 所示 R", R, 十刊JU 十 U i L. 一 UE UB V,æR bl I 国 = 瓦 ~ 瓦 (R b1 + R 但 )Re =4 ma I TYl IBQ 二 rγ66μa Uω 二 Vα - 1coRc - IecJ? e 二比一 1EQ CR c 十 Re) 二 4.5 V (2) 交流等效电路如图 3-32 (b) 所示, 26 阳二 (1 + 卢 ) 了二 'E kn 卢 IR ci/ RL (3) 电压放大倍数 A..=~= -74 Ui rl 陪 (4) 输入电阻 R i = R b1 // R 归 // rbe""'o. 52 kn (5) 输出电阻 Ro 句 Rc =2 kn +v. 口? RÖ2 l v't L< 门川11, 一一一 -b 1 + R b2 r be R, Rr U" R h1 c (a) ( thu ) 图 3-32 习题 46 答案图 47. 解 : 有负载和无负载时的静态工作点不同, 须分别求解 静态基极电流 U 二 -u 二 m l 田二 Rh 二 0.02 ma 二 20μA 54 即空载时, Uα 二 Vcc - i cr c 二 12-3ic 作直流负载线如图 3-33(a) 所示, 与 1BQ 二 20μA 的输出特性曲线交于 Ql 点, 由图得

60 ρ几口川4户y川二γ-tj3j 川Wv'α 二 ZL-vr6v, RFC 二 R ci/ RL 二 1.5 kn 路基础二 2 ma, U.α 边二 6V 饱和压降为 Uæs = 0.7 V, 由图可知最太不失真输出电压峰值为 5.3 V, 有效值约为 3.75 V diω 有载时, 即 RL = 3 kn 时, 用戴维宁定理将电路变换为图 3-33 (b ), 图中 也 mr川川la c 得 uα = v' cc - icr' c = ic 作直流负载线如图 3-33(a) 所示, 与 100 = 20 严 <\, 的交点为 Q2' 由图得 1CQ=2 ma, U(α 边 =3V 最太不失真输出电压峰值约为 2.3 V, 有效值约为 VO I A R:: 40μA 30μA 20μA uο 10μA (a) liceiv ( 'hu) 第一篇医学电子学基础 第一二章放大电图 3-33 习题的答案图 48. 解 : 按题意 ωh 句 EJt;;vr4V UW)- U"," IEQ=-41 一一 主句 2.4 ~ l"kl R e1 + R e2 ma 26 (2) 印二阳,+ (1 + 卢 )7 一句 0.85 kn 1EQ 49. 解 : (1) (2) I 俨 hq=2.4 ma, loo= 于 = 咽 Uα;;Q = V(ε Ic 边 (Rc+ R e1 + Re) = V A.= 卢 R_C -16 rbe + (1 + 卢 )R e1 Ri = R b1 // R b2 // [rbe + (1 + ß) R e1 ] = 5.19 kn Ro 欠 :,: Rc 二 2.7 kn A. = ---' 句 =288-16x10-'-0 ij.u,," = ,;,.-/= 一一一一一 =2.1mV 288 ij.u,," = u U1=,., mv 解 : (1) 直流通路如图 3-34 (a) 所示, 静态电流 vαj( b2 ~BQ UEE Rb1+Rb2LJBE - 一 (Rb1 // R b2 ) 十 Rb + (1 + 卢 ) Re - (R bi // R b2 ) 十 R b1 + (1 + 卢 )Re 55

61 医学电子学基础与医学影像物理r.) (2) 等效电路如图 3-34 (b) 所示 VrrR Z1:UE) 卢 Iω """1 国句周国, [.ω 二 (Rb1FE 二 ) + Rb1 + (1 + ß) Re R /J l R b2 (a) K +V cc + Ui l. ( 'hu), 十 ι 飞 学习题 50 答案图图 3-34 ( 五 ) 分析判断题 5 1. 判断结果如下 : (a) 无放大作用由于 C 1 的隔直作用使发射结无偏置, 信号不能正常放大 (b) 符合放大电路的组成原则 : 发射结正偏, 集电结反偏偏若参数与静态工作点合适, 可实现 不失真放大 (c) 无放大作用发射结零偏, 集电结反偏管子截止 52. 对一个正常工作的放大电路, 它的静态工作点是确定的由参数知该电路正常放大工作状 态时 R,," Vrr U B = 一 ι ι= 1. 5V -n R b1 十 R b2 U E = U B - U BE =O.8 V 与实验数据比较, 得出如下结论 : 玩 = Vcc - IcRc= 岛是 Rc=8 V 1 组电源可能未接入, 电路不能正常工作 ;2 组 Re 或 Ce 可能短路, 三极管饱和 ;3 组 计算值基本符合, 电路处于正常放大状态 ;4 组 R b1 可能断路, 电路不能正常工作 ; 5 组 与理论 发射结或 Re 断路, 电路不能正常工作 ;6 组祸合电容 C2 短路, 电路不能正常工作 53. 判断反馈类型如下 z (a) 反馈元件为 Rs, R4 Cο1 ' 反馈类型为电压串联负反馈 (b) 反馈元件为 R3, Rt' 反馈类型为电压串联负反馈 (c) 反馈元件为 Rs R2' 反馈类型为电压串联负反馈 (d) 反馈元件为 R3, Rl' 反馈类型为电流串联负反馈 ( 六 ) 论述题 54. 晶体管放大电路的组成原则 : 电源必须使发射结正偏, 集电结反偏且交流信号要能够顺利进 56 出, 电路有合适的静态工作点放大的实质首先是能量的控制作用, 即用能量较小的信号控制另一个 信号的输出, 从而在负载上得到较大的能量其次, 放大作用是针对变化量而言的再次, 为了实现 能量的控制, 通常采用具有放大作用的三极管或场效应管等, 三极管具有电流控制作用, 场效应管具

62 u'i155. 静态是指当放大电路没有输入信号时的工作状态. 静态分析是确定放大电路在静态时, 三极管各极的直流电流和直流电压, 一般分析 I 阅 ICQ U= 等.IBQ ICQ'U= 称为放大电路的静态工作点, 通常用 Q 表示. 它是保证不失真放大的必要条件静态工作点可以由估算法求得, 也可用图解法求得. 静态分析依据的电路是放大电路的直流通路. 即把电路中的电容开路, 电感短路后得到的电路. 56. 直流负载钱是反映放大电路静态时输出回路电压 U æ 与电流 Ic 关系的直线, 交流负载线是反映动态时输出回路电压 Uæ 与电流 'c 关系的直线, 二者方程式不同, 斜率也不同. 直流负载线的斜事决定于直流通路输出回路总的直流负载电阻. 交流负载线的斜事决定于交流通路的交流负载电阻. 直流负载线主要用来确定静态工作点. 交流负载线用于分析动态时的电压波形 电流波形 波形失真 输出电压动态范围等. 57. 放大电路的直流通路是直流电源作用下直流电流流经的通路回画直流通路时, 只考虑直流电源的作用, 把电路中的电容视为开路, 电感视为短路, 信号源视为短路即可得到直流通路. 放大电路的交流通路是输入信号作用下交流电流流经的通路, 画交流通路时, 恒流源开路, 电容和直流电源短路. 交 直流共存于同一电路. 动态分析的主要内容是分析放大电路中的输入 输出电压和电流的波形, 研究披形的失真和输出电压的动态范围 计算电压放大倍数 输入电阻 输出电阻等. 分析的方法主要采用图解法和微变等效电路法. 动态分析的依据是放太电路的交流通路. 59. 放大电路的输入电阻是从放大电路的输入端看进去的等效电阻, 其太小等于输入电压有效值或瞬时值与输入电流有效值或瞬时值之比. 放大电路与信号源相连, 放大电路相当于信号源的一个负载 B 输入电阻是衡量放太电路对信号源影响程度的一个指标. 输入电阻越大, 表示放大电路的输入端得到的电压越接近信号电压, 所以通常希望输入电阻大. 放大电路的输出电阻是从放大电路的输出端看进去的等效电阻, 其大小等于电压源短赂 受控源保留时从输出端看进去的等效电阻输出电阻越小, 带负载前后输出电压相差越小, 也就是放大器受负载影响的程度越小. 一般用输出电阻来衡量放大器的带负载能力. 输出电阻越小, 放大器带负载能力越强. 所以希望放大器的输出电阻小. 60. 当静态工作点位置偏高, 而输入信号的幅度较大时, 将导致三极管工作区域部分时间进入饱和区, 因此引起的波形失真称为饱和失真当静态工作点位置偏低, 而且输入信号信号相对较太时, 将使三极管工作区域部分时间进入截止区, 因此而引起的失真称为截止失真 61. 微变等效电路法的使用条件是输入信号足够小, 且三极管的静态工作点保证设在特性曲线的线性区微变等效电路法分析的对象是微小的变化量即交流量, 只能用该方法分析放太电路的各项动态性能, 不能用来计算直流量 a 62. 在阻容精合放大电路中, 桐合电容具有隔离直流 传送交流的作用. 它既可以便放大电路中的直流成分不与信号 负载发生联系, 便于设置与稳定静态工作点, 又可以使交流信号顺利传递过去. 63. 直接桐合放大器的优点是既能放大交流信号, 也能放大缓慢变化的直流信号, 便于集成. 缺点是较易产生零点漂移, 各级工作点相互影响. 64. 负反馈对输入电阻的影响只与反馈加入的方式有关, 即与串联反馈或并联反馈有关, 而与电压反馈或电流反馈无关. 串联负反馈使输入电阻增加, 并联负反馈使输入电阻减小在负反馈中, 输出电阻的大小只取决于取样是电压还是电流, 而与输入端的连接方式无关. 电压负反馈使输出电阻减小, 电流负反馈使输出电阻增加. 65. 差动放大电路的主要性能指标有 2 <1l 差模放太倍数 : J飞d\吃亡川LMUJf蝇r咛二圃4第 篇医学电子学基础. 第三章有电压控制作用 放大电路基础58. 放大电路的动态分析是指放大电路接入输入信号后的工作状态. 放大电路在动态情况下, 57

63 且\JF曲八ρLJJ 共模放大倍数, (3) 共模抑制比. 差动放大器的优点 s 差动放大电路是抑制零点漂移的有效电路, 它是一个对称电路, 可使漂移信 医学电子学基础与医学影像物理学58 号相互抵消. 对差动放大, 因电路对称, 由温度变化等因素引起两管的输出漂移电压必然是大小相等 极性相同, 即为共模信号. 当输入信号为共模信号时, 由于电路的对称, 两管的集电极电流产生相等的电流增量. 双端输出时的共模输出电压为零, 共模放大倍数也为零. 即使单端输出电路, 由于 R, ( 也称为共模电阻 } 取值较太, 产生较太的反馈电压, 把放大倍数压的很低, 也能很好的抑制共模信号, 因此稳定了工作点, 抑制了零点漂移. 对共模放太倍数抑制作用越强, 表明放大器的性能越好.

64 第四章 集成运算放大器 教学大纲要求 l 掌握集成运算放大器 <integrated operational amp 且 fier) 的理想特性, 比例运算 加减法运算 积分等几种主要运算电路及集成运算放大器在信号处理方面的应用 : 熟练虚短 Cvirtual short) 和虚断 Cvirtual cuü 的真正含义及其应用 z 了解集成运算放大器的电路结构特点和主要性能指标及电压比较器 ( >ffiparator) 电赂 有源滤波电路 采样保持 田皿 ple- holdl 电赂等运算放大器的应用. 重点和难点 l 集成运算放大器的理想参数, 虚短和虚断在几种典型运算电路中的应用. 集成运算放大器在信 号发生方面的应用 B 教学要点 i 一 集成运算放大器的基础知识 1. 集成运算放大器内部结构 外部结构与表示 集成运算放大器内部基本单元电路主要由输入级 中间级 输出级和偏置电路四部分构成, 它的 外部常有几个或十几个引出端, 但为筒便, 在电路图中只画出两个输入端 一个输出端. 贝 <dbl. 2. 集成运算放大器的主要参数 <1l 开环差模电压增益 <Open I.p voltage gain) 开环差模电压增益是集成运放无外加负反馈情况下的直流差模增益, 一般用对数表示, 单位为分 它的定义式为 ~=2 = 20lg 0lgIATTI A.T T L1~~TT A. ILlU, - LlU_ I 上式是反映电路放大能力的一个参数目一般集成运放的 Aæ 为 100 db 左右, 高质量的集成运放 可达 140 db 以上. 差模输入电阻 R., 它是从集成运放两个输入端看进去的动态电阻, 它会随着环境温度和频率而变, 选用时我们希望 输入电阻越大越好. 实际集成运放的输入电阻在兆欧数量级, 以场效应管作为输入级的集成运放, Rid 可达 10'MO. 输出电阻 R", 即集成运放在开环工作时, 它的输出电压变化量与输出电流变化量之比值其值大小可反映运 放带负载的能力. 通常要求集成运放的开环输出电阻越小越好, 典型值一般在几十到几百欧姆之间.

65 且\JF曲八ρL学电子学基础与医学影像物理ho 反映差动放大管输入电流不对称的程度. 其值越小越好一般为 1 na -0.1 队, 高质量的低医JJ学于 1 na. (4) 共模抑制比 K 四面 R <COmmon-mode r 句 ection ra tio) 共模抑制比的定义是开环差模放大倍数与开环共模放大倍数的比值, 一般也用分贝表示. 共模 抑制比反映了集成运放抑制共模信号的能力.K, 四面越大, 说明运放对共模干扰的抑制能力越强一 般运放 KfMR 在 80 db 以上, 高质量的集成运放的 KfMR 目前可达 160 db. (5) 输入失调电压 UJ1J 理想的运算放大器, 当输入电压 u+ = u 时, 输出电压 UQ~O 但实际的运算放大器中, 如果要 使 uo=o. 必须在输入端加一个很小的补偿电压, 这个假设的电压就是输入失调电压, 一般在毫伏数 量级, 高质量的在 1 my 以下. 显然它越小越好 也 输入失调电压温漂 auio 输入失调电压温漂代表输入失调电压的温度系数, 是衡量运放温漂的重要指标一般运放为每 度 10-20μy. 高质量的低于每度 0.5μy. 这个指标往往比失调电压更为重要, 因为可以通过调整电 阻的阻值人为地使失调电压等于零, 但却无法将失调电压的温漂调至零, 甚至不一定能使其降低. (7) 输入偏置电流 IlB du", auj1j~ dt 当输入电压为零值时, 集成运放两输入端静态基极电流的算术平均值. 此值主要取决于集成运 放输入极的静态集电极电流和输入极放大管的卢值 B ( 目 输入失调电流 IJ1J 输入失调电流是输入电压为零值时, 集成运放两端静态基极电流的差值 IJ1J ~I r. 且 - I", I (9) 输入失调电流温漂 a IJ1J di", aiio= d 于 代表输入失调电流的温度系数一般为每度儿纳安, 高质量的只有每度几十个皮安. (10) 最大共模输入电压 U1, 而 集成运放输入端所加的共模电压超过某一数值时, 其共模抑制比将显著下降, 甚至使集成运放不 能维持正常工作, 这一电压称为最大共模输入电压, 用 UlU\{ 来表示 U, 田的大小, 反映了集成运放 所能承受的共模干扰信号的能力的太小. (11) 最大差模输入电压 U IrM 集成运放的两个输入端所允许加的最大电压差称为最大差模输入电压, 用 UILM 来表示. 它的大 小与输入级的结构布关. 当所加电压差超过 UIrM 肘, 输入级的某一侧晶体管将会出现 PN 结反向击穿现象, 造成集成运放的性能显著变坏, 甚至引起集成运放的永久性损坏. (12) 额定输出电压 U 倒在额定输出电流及标称电源电压下, 为保证输出被形不出现明显的削波或非线性失真, 集成运放所能提供的最大输出电压峰值, 称为额定输出电压, 又称最大输出电压的动态范围. (13) 静态功耗静态功耗是不接负载且无输入信号时, 集成运放所捎耗的正 负电源总功率团一般通用型集成运放的静态功耗为数十到数百毫瓦, 而低功耗集成运放仅有零点儿毫瓦 理想集成运算放大器的特性 (1) 开环差模电压增益无穷太 z

66 ρ几一篇4. 理想集成运算放大器的两条基本结论 医学电子学基础 第四章UO=Aod(U 十 U_) 放大器(3) 输出电阻 Rod 为零 : (4) 共模抑制比无穷大 ; (5) 输入失调电压 输入失调电流以及它们的漂移均为零 : 第口川4户Y川也 m二jrγ-td(2) 差模输入电阻 Rid 无穷大 : 3川川L(1) 两输入端之间的电位差为零一一虚短 集成运放的输出电压和输入电压存在着线性关系 因理想集成运算放大器开环差模电压增益 Aod =, 又集成运放的输出电压 UO 为有限值, 所以 U+ - u 句 0, 即 U+~U 理想集成运算放大器的同相端与反相端间的电位差为零但不是短路, 所以称为 " 虚短 " (2) 两输入端的输入电流为零虚断 差模输入电阻 Rid 二, 所以 七句 理想集成运算放大器的两输入端不取用电流但不是断开, 这一特点称为 " 虚断 " 5. 集成运算放大器的基本组态 集成运算(1) 反相放大器组态 反相放大器组态电路如图 4-1 (a) 所示 Rj RJ U i Ui (a) hv 图 4-1 反相放大器组态 通过反馈元件 RF 有电压并联负反馈由虚短 U+ 句 U_, 又因 U_ = 0, 所以 U+ 句 U_ = 0 同相 输入端电位接近于地而又不是真正接地, 所以称为 " 虚地 "又由虚断七二仁句 0, 得 1) 二作, 所以这是理想运算放大器反相放大闭环增益的基本关系式该式说明输出电压与输入电压相位相反, 大小仅取决于反馈回路电阻比反相放大器的实质上是电压并联负反馈, 因此具有输入电阻和输出电阻低的特点 Ui - U_ Ui 1, R) R j u--uo r 丁 F Uo 一豆豆 Ui Uo R) RF A..F= UO= _ RF 一一一 - uf Ui 61

67 医学电子学基础与医学影像物理r.) 如令 Rp 二 R1' 则 Uo 二 1 于是构成输出电压反相器如图 4-1 (b) 所示 Ui (2) 同相放太棒组态图 4-2 为同相放大器组态反馈网络为电压串联负反馈电路输入信号直接加到同相输入端, 不存在 " 虚地 "同理, 由虚短和虚断, 得 RF A,,,,=!:!:. 门 Rp.,r:;= 一 ""=1+ 工一 Ui l( 学) U i (a) ( ku 图 4-2 同相放大器组态 这是理想运算放大器同相放大闭环增益的基本关系式由式可知, 输出电压与输入电压同相, 大 小也只取决于反馈回路电阻比同相放大器实质上是电压串联负反馈电路它具有高输入电阻和低 输出电阻的特点且要求运放的共模抑制比高如令 Rp 二 R1' 则构成输出电压同相跟随器如 图 4-2 (b) 所示 (3) 差动放大器组态 将反相放大器组态和同相放大器组态二者结合起来, 就构成差动放大器组态运算放大器电路, 如 图 4-3 (a) 所示输入信号是 Uil - Ui2' 于是可利用叠加原理将 Uil 和 Ui2 分别作用于输入端, 求出输出 R, R ", 电压和, 然后合成当满足...j _...[' 时, 总的输出电压为 R 2 R 1 则 比 = 主 (uz1uz2)=57ztz A,,,,= _ p 一 - UF- R 1 R3 Rp 该式表明, 当运算放大器具有理想特性, 外部满足一 = 一时, 差动 1 石算放大器只对差模信号实 R 2 R 1 现运算, 不反映共模信号, 且理想闭环电压增益仅由外部回路电阻之比决定, 而与运算放大器本身的 参数无关该电路的同相输入端是电压串联负反馈, 反相输入端是电压并联负反馈, 输入阻抗低对不同信号源, 它的内阻不同, 外接电阻的平衡条件也要改变, 调整繁琐同相并联型差动放大器具有输入阻抗高 共模抑制比大和增益可调等优点, 该电路在生物医学信号检测中的心电图机的前置放大 器得到广泛应用 同相并联型差动放大电路如图 4-3 (b) 所示该电路的电压增益为 R" 2R 何 Au 三 ~" (1 十一 ~-" ) R3'~ R 1 62

68 ρ几口川4户y川γ-td3rf U i1 1'-., '" R, 且 3 U i1 RJ u t, R, 11 日 U o2 R3 R4 图 4-3 (a) 差动放大器组态 图 4-3 (b) 调节 R) 即可调节电压增益, 非常方便图 4-3 (c) 是同相并联型差动放大电路组成的心电放大 器为了获得高输入阻抗, 又少用部件, 可采用同相串联型差动放大器, 图 4-3 cd) 为同相串联型差动 放大器的电路图采用同相串联型差动放大器也可组成心电放大器如图 4-3 (e) 所示与同相并联 型差动放大电路相比可少用一个运放 也二 mjr川川r4 第四章放大器同相并联型差动放大电路 L第一篇医学电子学基础 集成运算U i1 U o1 Rl R4 10k 47k l~ìco t 1 11;2 2fi 10k ht 47kllR4 Uo 图 4-3 (c) 同相并联型差动放大器组成的心电放大器 RpJ R, R 月 图 4-3 (d) 同相串联型差动放大器 63

69 医学电子学基础与医学影像物图 4-3 (e) 理学r.) 同相串联型差动放大器组成的心电放大器 图 4-3 差动放大器组态电路 二 集成运算放大器在信号运算方面的应用 1. 比例运算电路 比例运算电路是最简单 最基本的电路, 其运算原理是学习其他运算电路的基础 2. 加减法运算电路 反相求和电路由于 " 虚地 " 的作用使输出与输入间的关系仅取决于反馈电阻和各输入电阻之比, 而且对集成运放的共模抑制比要求不高, 应用较广泛减法电路是把两个相减的信号分别加在运放的同相输入与反相输入端, 则输出电压就是同相输入与反相输入电压之差但是这种电路的调整十分繁琐, 且要求运放的共模抑制比高, 因此在实际应用上很少采用如果需要同时实现加法和减法运算, 一般采用两级反相求和电路用运放实现加法 减法, 加减法是集成运放实现运算的典型应用 3. 积分运算电路 积分电路应用很广, 是组成模拟计算机的基本单元, 也是控制与测量系统的重要单元利用其充 放电可以实现延时 定时及各种波形的产生反相输入积分电路就是把反相比例运算电路的反馈回 路的电阻改为电容即可实现 o 输出电压与输入电压为积分关系积分电路在波形转换方面的应用应 该掌握 4. 微分电路 微分电路是积分的逆运算只要把积分电路的电阻与电容互换位置即可实现 o 微分电路也可以 实现波形转换, 还可以起移相的作用 5. 对数与指数电路 利用二极管的伏安特性, 用二极管做反馈元件, 与集成运放可组成对数运算电路也可以利用兰 极管的集电极电流与发射结电压的关系, 利用三极管做反馈元件接在集成运放的反馈回路中构成对 数放大器指数是对数的逆运算 o 只要把对数运算的反馈元件与输入电阻对调即可组成指数电路 乘除运算电路 可采用集成运放的对数和指数电路构成, 也有单片集成的模拟乘法器

70 u'i1电压比较器属于一种信号处理电路, 属于集成运放的非线性应用 B 广泛应用于模拟与数字电路的接口 模数转换 数字仪表 自动控制 自动检测及各种非正弦被形的产生与转换等领域其功能是比较两个电压 ( 一个输入电压和一个参考电压 的大小, 并用输出电平的高低表示比较的结果, 常用的仪器有过零比较器 单限比较器 带回比较器等 2. 采样保持电路在电路中当输入信号变化较快时, 要求输出信号能快速跟随输入信号的变化进行间隔来样, 而且两次采样之间保持前一次来样结束时的状态. 因此需要采样保持电路滤波电路是一种能使有用的频率信号通过而同时抑制无用信号的电子装置. 由有源元件组成的 滤波电路为有源滤波电路. 按照通带和阻带的相互位置不同, 滤波器可分为低通滤波棒 (low pass fil ter) 高通滤波器 (high p 四 s filter) 带通滤波器 Cband pa 田 filter) 带阻滤被器 Cband elimination filter) 四类. 4三 集成运放在信号处理方面的应用 吃亡川J咛二圃飞Jd\LU蝇Mr第 f篇医学电子学基础 1. 电压比较器 Cvollage comparator) 第四章集成运算3. 有源滤波电路放大器四 集成运放在信号发生方面的应用 用集成运放及电阻 电容 稳压管等元件可以组成各种被形发生器. 如正弦波振荡器 方波产生 器 三角波产生器等 E 典型试题分析 l ( 一 单项选择题 1 集成电路的规模大小用 ( ) 来描述 A. 集成度 B. 输入电阻大小 c. 输出电阻大小 D 组件大小 答案, A 考点 z 集成电路的基本概念. 集成电路是利用半导体平面工艺将整个电路中的多个三极管 二极管 电容 电阻等元件和它们之问的连线集成在一块半导体基片上, 构成一个完整的 具有一定功能的电路. 集成电路的规模大小用集成度来描述集成度指在一块基片上能够制作的最大元件数. 集成度小于 100 的集成电路为小规模集成电路. 集成度在 的称为中规模集成电路. 大规模集成电路指集成度在 的电路. 超大规模集成电路指集成度在 以上的集成电路 z 运算放大棒从本质上来说是一种高增益的 ) 放太棒. A. 间接桐合 B 直接精合 c. 藕合 D 阻容答案, B 考点 z 运算放大器的本质. 运算放大器从本质上来说, 就是一种高增益的直接祸舍放大棒, 是直流放大器的一种. 当我们根 据各种不同的需要给它加上各种合适的外部反馈网络后, 其输出电压与输入电压之间可以灵活地实 现各种预定的函数关系. 65

71 学电子学基础与医学影像物理( 二 ) 多项选择题医r.) 3. 反相输入加法运算电路如图 4-4 所示, 若 R 1 二 R2' 则输出为 A EU 川 22) B iz411+ud 14 - U i2 Rj C 77(Z411+U22> 答案 :A D 导 (U 川 U2Z) 考点 : 集成运算放大器在信号运算方面的应用这种运放实现了两个输入电压求和的运算式中负号是由于信号从反相端输入引起如果在输出端接一反相器即可消去负号反相输入求和电路在实际工作中应用较为广泛 o A 2 图 4-4 典型习题 3 电路图 4. 集成运算放大器通常由 ( ) 构成 A. 输入级 B. 中间级 答案 :ABCD C. 输出级 D. 偏置电路 学考点 : 集成运算放大器的构成集成运算放大器的许多性能参数主要取决于其输入级的性能集成运算放大器的输入级几乎都采用差动放大电路, 输入特性好中间级是由一到两级的直接祸合的共射 ( 或共源 ) 电路组成, 提供足够的放大倍数输出级多为射极或源极输出器, 向负载提供大的输出功率, 并有低的输出电阻, 以提高负载能力偏置电路均由恒流电路组成, 向各放大级提供合适的偏置电流 5. 理想集成运算放大器的特性是 A. 差模输入电阻 Rid 无穷大 B. 输出电阻 Rcxi 为零 C. 共模抑制比 Kα 优无穷大 D. 输入失调电压 输入失调电流以及它们的漂移均为零 E. 开环电压放大倍数无穷大答案 :ABCDE 考点 : 理想集成运算放大器的特性在分析各种实际应用电路时, 通常采用该特性下描述的理想模型代替电路中的实际运算放大器 6. 分析理想集成运算放大器的两条基本依据是 A. 两输入端之间的电位差为苓 B. 两输入端的输入电流为苓 C. 两输入端之间的电位差为 无穷大 D. 两输入端的输入电流为无穷大答案 :AB 考点 : 对理想集成运算放大器的特性的理解虚短与虚断是理想集成运算放大器工作在线性区的两点重要结论, 是分析运放应用电路的出发点 ( 二 ) 名词解释 7. 开环差模电压增益答案 : 集成运放无外加负反馈情况下的直流差模增益考点 : 开环差模电压增益的定义一般用对数表示, 单位为分贝它的定义式为.ð u 门 Acxi=20lgl ATT --~TT g I.ðU + -.ðu _ I 66 这是反映电路放大能力的一个参数一般集成运放的 Acxi 为 100 达 140 db 以上 db 左右, 高质量的集成运放可

72 ρ几口川4户y川二γ-t3: 对反相放大器电路特性的理解与掌握放大器考点 ( 四 ) 计算题 8. 图 4-5 是反相放大器电路试求开环增益 Au 为无穷大 U i 时的输出电压 解 : 设反相输入端电压为钩, 则有 Ui - U_ U_ - Uo -E7=-E7 一,- U_.tiu = Uo 图 4-5 得输出电压 UO RF R+ 旦己 RF)Ui l' A u 因开环增益为无穷大 RF Uo 二瓦 Ui 也 mdrf JR川川L第一篇8 电路图第四章典型习题 医学电子学基础 集成运算图 4-6 典型习题 9 电路图 9. 图 4-6 是同相放大器电路试求输入电阻和开环增益 Au 为无穷大时的输出电压 o 解 : 反相输入端电压是通过电阻 RF 和 R 1 分压得到的, 因放太器输入阻抗为无穷大, 所以 U R 1 RF+ R 1 门町 U 因 UO=Au(Ui- u_l 得 ß!P uo=aum-e RF+ R 1, 1 R 1 uo'a u E 士瓦 ) = Ui 因开环增益 Au 为无穷大, 整理上式得 Uo 二 (UFMz A 1 考点 : 对同相放大器电路的理解与掌握 10. 图 4-7 是反相加法放大器电路 R 1 = R 2 = R3 = 20 ko, RF 二 40 ko, 若输入端所加电压为 U1 二 0.1 y, U2 二 0.2 y, 问 =0.3 Y 试求输出电压 考点 : 对加法电路的理解与掌握 解 : 由反相输入加法,RF RF RF Uo 二飞 E:U1 EU2 EU3J llj U2 u 3 u ο 代入数据得 uo=- 1. 2Y 图 4-7 典型习题 10 电路图 67

73 学电子学基础与医学影像物理学考点 : 加减法电路的混合运算医r.) 1 1. 试用集成运放实现以下运算关系 : UOl = Uil Ui3-5 Ui2 解 z 可用两种方法 : (1) 第一种方法 : 给定的运算关系既有加法又有减法, 可以利用两个集成运放的反相求和达到要 求先将 Uil 和 Ui3 进行反相求和, 使 UOl = - (Ui Ui3) 再把第一个集成运放的输出与 Ui2 通过第三个集成运放进行反相求和, 使 即 UO 二 (UOl + 5UiZ) UO = Uil Ui3 - 电路如图 4-8 (a) 所示由反相输入加法公式知 若取 RF1 = F F2 = 30 kn, 则可算得 5 UiZ R", R ", R"" R"" -- 二 1,~ 二 1. 5, ';" 二 I,~ 二 R 1. R3. ~. R4. Rz R 1 二 30 kn, R3 二 20 kn, R4 二 30 kn, R 2 二 6 kn 4 R, Rp, 1,14 - (a) ( ku ) 图 4-8 典型习题 11 电路图 (2) 第二种方法 : 用一个运放采用双端输入同时实现加减法 o 将 Uil' Ui3 作用于同相输入端, uiz 1' 信 用于反相输入端如图 4-8 (b) 所示, 也可达到要求但是这种电路的调整十分繁琐, 且要求运放的 共模抑制比高, 因此在实际应用上很少采用 12. 同相并联型差动放大电路如图 4-3 (b) 所示, 试推导其电压放大倍数为 R,. 2R 何 Au = ~" (1 + 一 :-L) R 3 " R 1 解 z 由电路知两运放的输入端电阻 Rz 与电位器 R 1 串联, 又理想集成运放的虚断即输入电流近 似为零, 可以得到 UOl - Uα = i (2Rz + R 1 ) 又由理想集成运放的虚短, 可得 Uil = U + 1 = U - 1 = U + 2 = U - 2 ' 所以 u _ 1 - U - 2 Uil - Ui2 z= 一一 - 士一一一一一 i 1 由此得 2R 句 UOl - Uα 二 (1 十五三 ) (Uil - Ui2) 68 又由差动放大公式, 得第二级运放的输出电压为 R4, UO= 瓦飞 Uoz - U01)

74 u'i1可得同相并联型差动放大电压放大倍数为 4考点 同相并联型差动放大电路的原理 13. 同相串联型差动放大组成的心电放大器如图 4-3Cρ 所示, 同相串联型差动放大器由 Al.Az 组成, 其放大倍数为 27. A, 的电压放大倍数为 33. 求电路总的电压放大倍数. 解 = 该电路是用 Al.Az 组成电压放大倍数为 27 的同相串联型差动放大器, 其输出端接有高通植被器. 输出级 A, 是组成电压放大倍数为 33 的同相运算放大器, 所以, 这个电路的总电压放大倍数为 A,. ~27X33~891 考点 z 同相串联型差动放大电路的应用. ( 五 论述题 14. 理想集成运放工作在线性区有什么特点? 试说明 " 虚短 " 和 " 虚地 " 的联系. 答案理想集成运放工作在线性区的特点是理想集成运放工作在线性区时必须通过外部元件引入负反馈, 两输入端之间电位差为零, 即 " 虚短飞两输入端的电流为零 J IlP" 虚断 " " 虚短 " 和 " 虚地 " 的联系 z 理想集成运放工作在线性区时有 " 虚短 " 时不一定有 " 虚地 " 只有当电路中的同相端接地或通过一个电阻接地时, 即 U+ 电 0 时, 因为 U 二 U+ 所以 U 也为霉, 此时可认为 吃亡川J咛二圃AEi1+3 号 J飞放大器d\LMUf蝇r篇医学电子学基础 第四章第 集成运算反相输入端 " 虚地 " 虚地 " 属于 " 虚短 " 在特殊条件下的表现形式 " 虚短 " 时不一定有 " 虚地 "," 虚 地 " 时一定有 " 虚短 " 考点 z 理想集成运放工作在线性区的特点. " 虚短 " 与 " 虚地 " 是理想集成运放工作在线性区的两点重要结论, 是分析许多运放应用电路的出 发点 :sjn2i l ( 一 ) 单项选择题 1.( ) 的定义是开环差模放大倍数与开环共模放大倍数的比值, 反映了集成运放抑制共模信 号的能力. A. 输入电阻 B. 输出电阻 c. 共模抑制比 D. 开环差模电压增益 2. 闭环电压放大倍数的值等于 ) 之比, 由反馈网络决定, 与运算放大器本身的参数无关. A 反馈电阻与输入回路电阻 B 反馈电阻与输出回路电阻 c. 差模放大倍数与共模放大倍 数 D 输入回路电阻与反馈电阻 3. 集成运放应用于信号运算时工作在区. A. 非线性区 B. 线性区 c. 饱和区 D. 截止区 4 由于 ) 现象, 对集成运放的最太共模输入电压和共模抑制比要求不高, 因此反相输入求和电路在工作中应用较为广泛, A. 虚短 B. 虚短 c. 虚地 D. 负反馈 5 由于虚地, 集成运放的共模输入电压可视为 A 零 B. 无穷太 c. 正电压 D 负电压 6 由于虚地, 反相比例运算电路的输入电阻 ( A. 低, 低 B. 低, 商 c. 高, 低 D. 高, 高 ). 输出电阻 ( ) 69

75 医学电子学基础与医学影像物理学一,$ r.) 7. 同相比例运算电路由于引入电压串联负反馈, 因此其输入电阻很 ( ), 输出电阻很 ( A. 高, 高 B. 高, 低 c. 低, 低 D. 低, 高 8. 反相比例运算电路引入 A. 电压并联负反馈 B 电压串联负反馈 c. 电压并联正反馈 D. 电压串联正反馈 9. 能将矩形波转换成三角波形的是 A. 比例运算电路 B. 加法电路 c. 微分电路 D. 积分电路 10. 能实现 Au 二一 150 的放大电路是 A. 比例运算电路 B. 反相比例运算电路 c. 积分电路 D. 微分电路 11. 能将矩形波转换成尖顶波的是 A. 反相比例运算电路 B. 同相比例运算电路 c. 微分电路 D. 积分电路 12. 运算电路可实现 Au>1 的是 A. 同相比例运算电路 B. 乘方电路 c. 积分电路 D. 反相比例运算电路 13. 运算电路可实现函数 y= auil + bui2 (α >0, b>o) 的是 A. 同相求和运算电路 B. 反相求和运算电路 c. 乘方电路 D. 积分电路 14. 电路如图 4-9 所示, 该电路可以产生 A. 三角波 B. 正弦波 c. 矩形波 D. 尖顶波 Rj R3 11 o 1 u,i Uc, R j Li k 且 DL 图 4-9 习题 14 电路图 图 4.10 习题 15 电路图 15. 设有一理想集成运算放大器如图 4-10 所示, 其中 R 1 = R 2 = 22 ko, R3 = 11 ko R F = 110 ko, R p = 110 ko 其输出电压与输入电压的表达关系式为 A. Uo = - 5 (Uil + UiZ) + 10Ui3 D.uo 二 5 (Uil 十 Ui2) 十 U 诅 B. Uo = 5 (Uil + Ui2) + 10Ui3 c. Uo = - 5 (Uil + Ui2) - 10Ui3 ( 二 ) 多项选择题 16. 集成运算放大器的三种组态分别是 A. 反相放大器组态 B. 同相放太器组态 c. 差动放大器组态 D. 直接祸合 17. 集成运算放大器在线性区工作时虚短 " 与 " 虚断 " 是根据理想运算放大器满足的 ( ) 条 件推出 A.Kα1R= 和输出电阻为零 B. 开环差模电压增益无穷大和输入电阻为零 c. 输出电阻为 70 零和输入电阻为无穷大 D. 开环差模电压增益无穷大 E. 输入电阻为无穷大 18. 有源滤波器按照通带和阻带的相互位置不同, 可分为 A. 低通滤波器 B. 高通滤波器 c. 带通滤波器 D. 带阻滤波器

76 ρ几4户成运算放大器uii 19. 输入失调电流 20. 输入偏置电流 2 1. 输入失调电压 22. 虚短 23. 虚断 也二 m口川γ-川川y川三 ) 名词解释 d( JR3第T( 四 ) 计算题 RF 25. 反相比例运算器如图 4-11 所示, 若输入电阻为 R 1 = u 10 ko, 闭环增益为 Au = - 10, 试确定其反馈电阻和补偿电阻 的大小 26. 电路如图 4-12 所示, Rl = R 2 = R3' 试证明 : 图 4-11 习题 25 电路图 uo=fuz1+u 川江 ) 27. 反相加法器如图 4-13 所示, 若 R 1 = R 2 = R F = 40 ko, 试求 : (1) 输出输入电压关系式 : (2) Uil 二 4 Y, Uil 二 2 Y, uo 二? L24. 虚地第四章一篇医学电子学基础 (3) 补偿电阻应如何取值? 集U;l U i2 U 12 U, 习 图 4-12 习题 26 电路图 图 4-13 习题 27 电路图 28. 设计一个能实现 Uo 二 (Uil 十 10Ui2 十 5 Ui3) 的电路, 其中对各个信号的输入电阻不小于 4 ko, 确定电路参数 29. 设计能实现 Uo = 4 Uil - 2 Ui2 + 5 Ui3 的电路 30. 图 4-14 所示的加法器中, 已知 R 1 二 R 2 二 R3 二 20 ko, RF 二 100 ko, 各输入端电压如图所示, 求输出电压 3 1. 电路如图 4-15 所示, 写出输出电压 Uo 与输入电压 Uil ' Ui2 ' Ui3 的关系式 u i Rj R, C U i2 t d R 句 图 4-14 习题 30 电路图 图 4-15 习题 31 电路图 10μFo 32. 设有如图 4-16 (b) 所示方波信号作用于 4-16 (a) 的输入端, 已知 U c (0)=0, R=100 ko, C= 试画出输出端的电压波形 71

77 医学电子学基础与医学影像物理V( 功 r.) 2 1 ( 川 图 4-16 一 2 习题 32 电路与波形图 33. 积分电路如图 4-17 (a), R 二 1 M o" C 二 1μFo 输入 Ui 是矩形波, 如图 4-17 (1) 所示其周期 为 T=4 s, 幅值为 :t 2 V 设电容初始电压为零试画出相应的输出电压波形 ( 10 ) 学2 内C u/v Z tls 图 4-17 习题 33 电路与波形图 34. 图 4-17 ( 且 ) 积分电路中, 输入电压为 Ui 二 Asinwt, 试求输出电压 35. 电路如图 4-18 所示, 求当 RF =4R 1 'Ui= -2 V 时的输出电压 图 4-18 习题 35 电路图 36. 微分电路如图 4-19 所示, 试推导 u 门 = -RC 兰兰 --~ dt lp Rp 72 图 4-19 习题 36 电路图

78 u'd\ufi1篇医( 五 论述题第四章集成运算放大器( 一 单项选择题 A, 组成, 其总电压放大倍数为 25. A. 的电压放大倍数为 33. 求电路总的电压放大倍数 38. 同相串联型差动放大电路如图 4-3ω 所示, 试推导其电压放大倍数为 吃亡川J咛二圃437. 同相并联型差动放大组成的心电放大器如固 4-3 (c) 所示, 同相并联型差动放大器由 A 1, A 2, 飞JLM蝇rAJUf 严 ) A 2 第 39. 简述集成运放的组成部分及各组成部分的功能回 40. 如何判断运放是否满足 " 虚短 " 的条件? 41. 为什么在集成运放的同相端常接入一个电阻 Rp 且其大小等于反相端的直流电阻 T 42. 集成运放采用反相输入形式有何优点? 答题要点 i 学电子学基础 1.C 2.A 3.B 4.C 5.A 6.A 7.B 8.A 9.D 10.B 11.C 12.A 13.A 14.C 15.A ( 二 ) 多项选择题 16.ABC 17.DE 18.ABCD ( 三 名词解释 19. 输入电压为零值时, 集成运放两端静态基极电流的差值, 称为输入失调电流. Iro=l J, 且 1", 当输入电压为零值时, 集成运放两输入端静态基极电流的算术平均值, 称为输入偏置电流 理想的运算放大器, 当输入电压 u. 二 U 时, 输出电压 uo 二 O. 但实际的运算放大器中, 如果要使 uo=o. 必须在输入端加一个很小的补偿电压, 这个假设的电压就是输入失调电压, 它越小越好. 22. 理想集成运算放大器两输入端之间的电位差为零但不是短路, 所以称为虚短. 23. 理想集成运算放太器两输入端之间不取用电流, 但不是断开, 所以称为虚断. 24. 若理想集成运算放大器的同相端接地, 那么反相输入端近似为地电位, 但又不是真 E 接地, 所以称 " 虚地 " " 虚地 " 是反相放大器的一个重要特征, 是 " 虚短 " 的特例. ( 四 计算题 25. 解, A.=- lo= 芋, 几 = 10 恤, 因此.. 1 为保证输入端的对称, 补偿电阻 RF 二 10R, 二 100 ko R1R", Rp 二 R, //RF 二 且二二 L 坦 RF ko r ~~lff ~~r R 证明 z 根据反相输入 " 虚地 " " 虚断 " 的特点, 可知 t1 + t2 + i3 = if 73

79 学电子学基础与医学影像物理学28. 解 : 利用如图 4-20 所示的反相求和电路即可实现医r.) Uil Ui2 Ui3 Uo +,.:- +,.:' = - R 1 R 2 R3 RF UO 二, R ", R ", R ", te:uz1+e:uz2+e:1423j 因为, Rl 二 R 2 二 R3' 所以上式可写为 27. 解 : R", R", (1) Un = - ( 一王 U" + ::r U'o) LJ 'R j -ll Rz 三 R ", UO 二 R: ~Uil + Ui2 + Ui3) R p R p 40 (2) U 门二 (::r u" + ::r u'o) 一一 (Uil + Ui2) 二 2V U- 'Rluil'RzUi2/- 40 (3) Rp 二 R 1 11 RzII Rp 二 13.3 ko U ii 可取 U i2 R" R" R" - 二 1, -:;::;-'- 二 10, -:;::;-'- 二 5 R 1 "R2 "~'R3 Ui:l R 飞 因题中要求各个信号的输入电阻不小于 4 ko, 故选 Rz 二 4 ko, 可得 R F =40 ko, R! =40 ko, R 3 =8 ko R p = Rjll Rjl R311 R F =2.35 ko, 因此可选择 R p =2.4 ko 29. 解 : 用两种方法求解 : 图 4-20 反相求和电路 (1) 第一种方法 : 给定的运算关系既有加法又有减法, 可以利用两个集成运放的反相求和达到要 求 先将 Uil 和 Ui3 进行反相求和, 使 UO! = - (4Uil + 5Ui3) 再把第一个集成运放的输出与 Ui2 通过第二个集成运放进行反相求和, 使 Uo 二 (UOl 十 2Ui2), UO 二 4 Ui! + 5 Ui3-2 Ui2 U i] R, R 户 1 RF u 3 U,) Ui] (a) hv 图 4-21 习题 29 电路图 R~ R~ R~ R~ 由题意知可二 3, 可二 5, 可二 1. 可二 2, 若 RF1 二 RF2 二 RF 二川, 得 74 电路如图 4-21 (a) 所示 R 1 二 10 ko, R3 二 6 ko, R4 二 30 ko, Rz 二 15 koo (2) 第二种方法用一个运放同时实现加减法将 Uil' Ui3 作用于同相输入端, Ui2 作用于反相输

80 ρ几d叫utcv) d叫i (t 对 l 3 到 0 解舶 h 肌 3 叫啕吁 u 均吁 0- 二 f ( u 叭 Uil 问让川 1 口川4户Y川也 m二jrγ-td入端如图 4-21(b) 所示 o 也可达到要求 3 引 1. 解舶 U n 上 d 旦缸 iιld 山 t 十叫 旦坠 i 兰主 d 出 t 十 + r 旦坠 i 豆主 dω tρ ) lj - C J R 1 Uv, J Rz Uv, J R3 32. 解 : 图中 A 1 是基本积分电路 Az 是电压跟随器由电压跟随棒的性质和积分器的性质可得第墨 )τ 已知 Uc (0) 二 0, τ 二 RC 二 100 X 10 3 X 10 X 10-6 二 1 s 当时 Oζtζ1 S, Ui 二 2 y, 所以 川 ) 二 J 2dt' 二 2t 当 1 s 时, Uo( l) = - 2 Yo 当 1 s '" 主 t ", 三 2 s 时, Ui = - 2 Y, 所以 Uo ω= 时 1) - J (- 2) dt' = (t - 1) = 2 t - 4 3川川一篇U 门二 U 门, 二 Ur (0) - l r U; (t') dt' 放大器L医学电子学基础 第四章集成运当 t 二 2 s 时, Uo (2) 二 0, 以后重复上述过程 算输出电压的波形如图 4-22 所示 1 r 33. 解 : 由积分电路知 I Uidt, t 为 o ~ 1 s, Ui 二 2 y, 所以, Uo 二 R 1 CJ U 咽 O 二一 ~t 二 R 1 C 2t t 为 1 ~ 3 S' Ui = - 2 y, Uo = 25-4 d = 2 s' Uo = 0; t = 3 s' Uo = 2 Y 0 波形如图 4-23 所示 u 气rqG f t/s ) S ( ku ) uo(v) 1 I I 2 I 3 ) s 5 t/s 2 图 4-22 习题 32 答案图 图 4-23 习题 33 答案图 34 解 :U 门上 r Asin ωtdt J-md, 所以输出电压为余弦波, 相位超前输入电压玉, 振 lj - R 1 CJωR 1 C 75

81 八ρ学电子学基础与医学影像物理38. 解 z 根据同相比例运放的电压放大倍数的公式医JFJ\即 u 由 = 盹 ~- 2 V.A, 的输出是 A, 的输入由反相放大棒特点, 得且JL曲R. 35. 解, A, 是电压跟随器.A, 是反相放大器. 所以 A, 的输出电压等于其输入电压, Uo 二正均 1 二 8 V. 36. 解 E 由理想运放的 " 虚断勺 O. 可得 tc = 阻, 而坦盹c= 一c 白u c 可--o 反困相输入端地虚" u ~~ u d-e a R 尸R FU EU Uu o 解 z 该电路总的电压增益为 E - R <d一出c 一出一得25 x 33 二 825 学4 二 1+ 营 性出得第一级放大器的输出电压为 第二级放大器的输出电压为 U D1 (1 + 争 ) Uil, 1 R R~. uo =(l+ 一主 )uu -2 R ' "'12 2 Rz 将第一级放大器的输出电压代入上式得 R. R 当 ~ 一旦时, 得 RF! - R, R~ r _ R,. R~. 1 uo= 什 (1 + ~~:':) Ui2 - (1 + ~;: 土 盹 R 2 L '.L ' R F2 ''''1.2 '.L' R 1 ' -,1 J Uo = (1 + 啻 ) (Ui2 - Uil) 所以, 同相串联型差动放太电路的电压放太倍数为 A 二 1+if ( 五 ) 论述题 39. 集成运放的组成部分包括输入级 中间级 输出级 偏置电路等输入级由差动放大电路 改 进型 构成, 输入特性好 E 中间级由直接糯舍的共射 共源 电路构成, 提供足够的放太倍数 z 输出级多 为射极或源极输出器, 可向负载提供大的输出功率, 井有低的输出电阻, 以提高负载能力 y 偏置电路均 由恒流电路组成, 向各放大级提供舍适的偏置电流. 40. 判断运放是杏满足 " 虚短 " 条件, 实质是判断运放是杏工作在线性区四即在电路中是杏弓 l 入 一个深度负反馈. 41. 放大辑同相输入端接入补偿电阻 Rp 的作用是为了捎除或减小输入偏置电流对直流输出电 压的影响, 保持差动放大器的对称性 42. 反相比例运算电路是引入并联电压负反馈, 闭环输入电阻小 R F = Rt' 输入端无共模信号 z 76 同相比例运算电路是串联电压负反馈, 输入电阻大, 输入端有共模信号.

82 第五章 数字电路基础 教学大纲要求 l 掌握模拟电路和数字电路的主要区别, 各种门 (gate) 电路及逻辑关系, 根据脉冲 <clock p 晒 le. CP) 和输入端信号绘触发器 (fl ip- flop) 的输出波形 z 熟悉触发器的真值表 田由国 blρ 分析 z 了解基本逻辑定律和逻辑函数 (Iogic function> 的化筒 逻辑表达式 q 唔 lc expre 阻 on) 和逻辑图之间的转换 时序逻辑电路 呵 uentiallogic circ 山,) 重点和难点 l 基本逻樨关系和符号, 逻辑门电路, 触发器, 逻樨表达式. 教学要点 : 一 逻辑代数基础 分析与设计数字电路的数学工具是逻辑代数. 1. 数字电路简介 <1l 数字电路与模拟电路的比较 电子电路按处理信号的不同分为两类, 即模拟电路与数字电路. 模拟电路输入信号是连续变化 的信号, 在时间与数值上都是连续的, 也称模拟信号. 其函数值要用连续取值的数来表示 E 数字电路 的输入信号是离散的信号, 数值与时间上都不连续, 也称数字信号. 电平和低电平两种形式出现, 其函数值用 1 或 0 就能表示. 在数字电路中, 数字信号只以高 表 5-1 量字电路与檀扭电路之间的 1;( 000J 与联系 出段内容 量字电路 檀扭电路 工作信号离散盘字信号常用草草 1 及其组合表在时间与撞值上都连续的量 果用十进制量表示 ) 示 罪用二进制 儿进制菌十六进制盘 三扭曹的工作状态工作在截止或饱和 1;(< 开关状态 工作在放大区 基本单元 研究对草 分析方法 门电路和触发器 输入与输出闸的逻辑关系 真值表 逻辑函盘 卡诺固 植形困 三捏臂 基本放大器和运算放大器等 输入与输出间在盘值大小 相值等方面的主矗 解析法 幢查等效电路法 固解法等 二进制数 (binary number) 表示法人们日常生活计数习惯于用十进制 <d 田 imal number). 而在数字电路中应用最广泛的数制是二进制. 它只有 1 和 o 两个数码, 记数规律是 " 逢 2 进 1". 此外还有八进制数 ( 田 tal number) 十六进制

83 医学电子学基础与医学影像物理7 汇结 卢 'LC '~ 二 数 (hexdecimal number) 0 其计数规律分别是 " 逢 8 进 1" 和 " 逢 16 进 1" D 不同的进制数之间可以相互 转换. 表 5.2 十进制与二进制 八进制 十六进制数关矗对照 十进制数二进制量八进制数十六进制数 学 A B C D E F 逻辑关系与逻辑符号 在数字电路中所用的数学方法为逻辑代数 ( 又称布尔代数 ). 它描述了客观事物间的逻辑关系. 与普通代数中的变量不同, 逻辑代数中的变量 ( 也称逻辑变量 是用来表示逻辑关系的一种二值变量, 它的取值为 1 和 O. 代表两种对立的逻辑状态. 逻篝代数有与 或 非三种基本运算用 A B 表示逻 辑条件, 称为逻辑变量 E 用 Y 表示逻辑结果, 它的值取决于逻辑变量的取值, 称为逻辑函数. 无论逻 辑变量还是逻辑函数只有 0 和 1 两种可能的取值. 真值表就是所有逻辑变量的各种可能的组合用其 相应的逻辑函数值排列而成的表格. (1) 与 (AND) 运算 逻辑与 只有决定事物结果的几个条件同时满足时, 结果才会发生. 这种因果关系叫 " 与 " 逻辑关矗. 两 变量的与逻辑关系可用下面的数学表达式表示 g Y 称为 A B 的逻辑积. 式中乘号 ". " 称为逻辑乘. Y~A'B 与逻辑的运算规律为 " 见得 O. 全 1 得 1". 实现与逻辑关系的电路称为与门二变量的与逻辑 符号见表 5.3. 与逻辑关系也可用于多个变量的情况. 78 ) 或 (OR) 运算 ( 逻辑或 在决定事物结果的几个条件中, 只要满足一个或几个条件时, 结果就会发生. 只有所有条件都不 满足时, 结果不会发生两变量的或运算用数学表达式表示为

84 ) 非 (NOT) 运算 ( 逻辑非 ) 路基础 Y 二 A' B 与A [}--; ADUY= A' B Y 二 A 十 B 式中加号 " 十 " 称为逻辑加 Y 称为变量 A B 的逻辑和在电子线路中实现输出量和输入量之间或逻辑关系的电路称为或门电路, 简称或门或逻辑的 f 机 ~Jrt 口 运算规律, t!p" 见 1 得 L 全为 " 两变量的或逻辑符号见表 5-3 第非运算反映的逻辑关系是 : 当某一条件满足时, 结果不发生, 而当这一条件不满足时, 结果才会发 生两变量的非运算用数学表达式表示为 Y 二 A 具有 " 非 " 功能的电子线路叫做 " 非门 " 非门电路是一倒相器非逻辑的运算规律为 " 见得 1, 见 1 得 " 非逻辑符号见表 5-30 (4) 与非 (NAND) 逻辑 先对若干个逻辑变量进行 " 与 " 运算, 然后再对结果求 " 非 " 二变量的与非逻辑的函数表达式是 Y 二 AB 其逻辑符号见表 5-3 一篇医学电子学基础 第五章数(5) 或非 (NOR) 逻辑 字电先对若干个逻辑变量进行 " 或 " 运算, 然后再对结果求 " 非 " 二变量的或非逻辑的函数表达式是 Y=A+B 其逻辑符号见表 5-30 (6) 异或 (Exclusive-OR) 逻辑 当自变量 A 和 B 不同时, 因变量 Y 为 1; 当 A 和 B 相同时, Y 为 00 异或逻辑的函数表达式是 Y=AffiB 也可用与 或 非的基本组合来表示, 即 Y 二 AffiB 二 A.B+A.B 异或逻辑的逻辑符号见表 5-30 表 5-3 常见逻辑运算的函数表示与逻辑符号 逻辑运算 逻辑函数 国际符号 或 非 Y 二 A+B Y=A ; 一注Y一AADU ; 一飞/-AADU v' 或非 Y 二 A 十 B 此; 一注Y一 v' 与非 4v' 异或 Y 二 A(jj B ;={ 丑 -J 79

85 医学电子学基础与医学影像物理汇结 卢 'LC '~ 二 3. 逻辑关系的表示方法及其相互转换 逻辑函数常用的表示方法有五种 逻辑表达式 逻辑真值表 逻辑图 卡诺图等对同一逻辑函 数, 各表示方法均可互换. 4. 逻辑代数的三个规则代入规则在任何一个逻辑等式中, 若将等式两边出现的某变量, 都用同一个画数代替, 则等式仍然成立, 这个规则称为代入规则 a 反演规则对任意一个逻辑函数 Y. 若将 y 中的 "." 换成 "+", "+" 换成 "-", 并将 "1 " 换成 "0" "0" 换成 "1". 再将原变量换成反变量, 反变量换成原变量, 注意保持原表达式的逻辑优先顺序, 即可得到其反画数这个规则称为反演规则. 对偶规则对任意一个逻辑函数式 y. 若将 Y 的 "." 换成 "+","+" 换成 ".". "1" 换成 "0", "0" 换 学成 "1", 注意保持原表达式的逻辑优先顺序, 即可得到其对偶式, 这个规则称为对偶规则. 利用代入规则可扩大一些基本公式的应用范围. 对偶规则与反演规则的主要区别在于, 在对偶 5. 逻辑函数的化简方法 规则中逻辑变量不变, 在反演规则中将变量取反. 逻辑函数的化简方法有代数化筒法和卡诺圈化简法两种. 无论哪种化简方法, 其目的都是使描 述逻辑问题的逻辑表达式化为最简形式, 用具体逻辑门实现时, 单元门数应最小, 每个门输入端数也 应尽可能小. 一个逻辑函数最简式可以有多种不同的表示方法, 如与或表达式, 或与表达式 与非 与非表达 式 或非一或非表达式 与或非表达式等. (1) 代数化简法代数化筒法是利用公式来化简逻辑函数, 也称公式化简法, 用代数化简法化简逻辑函数时它的使用不受任何条件的限制, 运用一定的运算技巧和经验, 任何复杂的逻辑函数都可以用代数法来化简. 但这种方法并没有固定的方法和步骤可循. 表 5.4 逻辑代数告式 范围说明 名称 逻辑与 非 逻辑或 变量与常量 01 掉 (1lA'1~1 )A+O~A 的关矗 la'o~o <4lA+1~A 和普通代盘 交换律 臼 la'b~b'a <6 la+b~b+a 相似的定律 结告悻 (7lA' <B'Cl ~ (A.B).C C8lA+ <B+ Cl~ (A+ B) + C 分配悻 阳 la' (B+ Cl ~ A'B+ A- C (10lA+ (B' Cl ~ (A+ B). (A+ Cl 逻理代世特 直补棒 (l1 la'a~o (12lA + 孟 ~1 殊规律 重量悻 (13lA'A~A U 的 A+A~A 反摘悻 <t5la'b~a+b (16lA+B~A'B 对台律 (17lA ~A 常用的代数法化简归纳如下 g 并项法 利用公式 AB+AB=A.1+A=A 等, 将两项并一项, 可消去一个变量 E 80 吸收法利用公式 A+AB=A.AB+AC+ 且 >BC+AC. 将多余项 AB 吸收, 从而消去一个乘积项 z 捎去法利用公式 A+ 孟 B=A+B. 将多余项因于且去掉, 使乘积项中因于的数目减少 :

86 矿工ι KVιvlib成两项, 再与其他项合并, 以使表达式得到进一步简化. 卡诺图 Ckarnaugh map) 化筒法 卡诺图化筒法简单 直观, 而且有一定的化筒步骤可循, 而且化简过程中也易于避免差错, 初学者 容易掌握. 1l 卡诺图化简法步骤如下 z 1 将逻辑表达式化成最小项 Cminitenn) 表达式 2 填写逻辑函数的卡诺图. 3 合并最小项合并最小项的原理是 z 两个逻辑相邻的最小项可以合并成一项, 消去一个因子, 以此类推回 2" 个排成矩形的 "1" 的小方格可以合并化简消去 η 个因子. 2) 卡诺图化简法应注意的问题 相邻项除几何位置相邻外, 上顶与下底 最右边一列与最左边一列及轴对称的最小项均为相邻 项, 四角相邻 z 包围圈尽可能大, 消去的变量多 z 包围圈中应包括 γ 个 "1", 包围圈为方形 z 包围圈尽可 能少, 这样逻辑 " 与 ' 乘积项少 z 避免事余圈, 每一个新的包围圈必须至少有一个新的 未被圈过的最小 项. 通常将约束项和任意项均称为无关项. 输入变量的某些取值组合在逻辑函数中不允许出现, 否 则会造成函数输出提乱. 由于变量的束关系对应的最小项称为约束项在某些变量取值下, 函数的 取值可以是任意的, 它所对应的最小项称为任意项. 无关项是与函数无关的最小项. 在真值表与卡 诺圈中, 无关项常用 "x' 表示. 利用无关项在化简逻辑函数时可得到更简单的表达式. 第 J篇医学电子学基础 根据题目需要, 人为地加一些不改变原逻辑关系的多余顶, 或某一项乘以 (A+A) 后拆第五章配项法 数字电路基础(3) 带有无关项逻辑函数的化筒 二 逻辑门电路 门电路的性能包啻两个方面, 一是逻辑性能 z 二是电气性能. 常用门电路的逻辑特性即逻辑功能 是本部分的重点 利用二极管和三极管的开关特性, 可以组成能实现各种逻辑功能的数字电路基本单元, 常称为逻 辑门电路, 简称门电路. 与前面所学的基本逻辑关系相对应, 常用的门电路在逻辑功能上有与门 或 门 非门 ( 反相器 与非门 或非门 异或门 与或门等按照电路结构组成的不同, 门电路有分立元件 门电路和集成门电路之分. 在逻辑电路中, 有两种逻辑体制 z 一种是用 1 表示高电位.0 表示低电位, 这是正逻辑 阳出 ve logic) 体制, 反之为负逻辑也唔 'ative logic) 体制. 对于同一电路, 可以采用 E 逻辑 体制, 也可以采用负逻辑体制. 采用不同的逻辑体制不牵涉到逻辑电路本身的好坏. 本书如无特殊 说明, 一律采用正逻辑, 即规定高电位为逻辑 1. 低电位为逻辑 O. 1. 分立元件门电路 <1l 二极管 " 与 " 门电路 z 由工极管组成的 " 与 " 门电路见表 5-5. A B 是输入变量.Y 是输出变量. 输入端对地的高 低电平分别为 3V 和 o V. 记作逻辑 1 和逻辑 O. 作为输入变量的两种状态. 正电源 V'" 为 10 V. 二极管的正向压降为 0.7 V A=o.B=O. Y=O. uo=0.7 v.a=o.b= 1. Y=O. ua=o. 7 V A 二 1.B 二 O. Y 二 O. Uo 二 0.7V.A 二 1.B 二 1. Y 二 1. Uo 二 3.7 V. 由此可见, 此电路具有 " 与 " 的逻辑功能仅当全部输入端为高电平时, 输出才是高电平, 任一输入端为低电平时, 输出就是低电平, 符合与逻辑 " 全 1 为 1. 见得 " 的逻辑关系. 所以, 我们把这种电路称为二极管 " 与门. 二极管与门真值表与逻辑符号见表

87 医学电子学基础与医学影像物理一\AYJ Y-AB 表 5-5 常用逻辑门电路 真值表 表达式与逻辑符号 逻辑门 逻辑电路图 真值表 表达式 逻辑符号 F 干 f A B Y 月 1 Y=A'B 与门 A B Y -27- A AB A B Y V学SJ H Y 或门 R Y 二 A+B 4 Y A Y A 卧 7 非 n Y 二 A 与非门 A H v. c A B Y Y=A'B A B Y ; 二卧 7 或非门 A B Y=A+B 82

88 A = 0, B = 0, y = 0, Uo = O. 7 V; A = 0, B = 1, Y = 1, Uo = 2. 3 V 路基础(2) 二极管 " 或 " 门电路 由二极管组成的 " 或 " 门电路见表 5-5, A B 是输入变量, y 是输出变量输入端对地的高 低电平分别为 3V 和 o V, 记作逻辑 1 和逻 f 机 ~Jrt 口 辑 0, 作为输入变量的两种状态 o 二极管的正向压降为 0.7 V, 第A = 1, B = 0, Y = 1, Uo = 2. 3 V; A = 1, B = 1, Y = 1, Uo = 2. 3 V, 由此可见, 此电路具有 " 或 " 的逻辑功能当一个输入端为高电平时, 输出就是高电平 : 全部输入端为低电平时, 输出是低电平, 符合或逻辑 " 全为 0, 见 1 得 1" 的逻辑关系所以, 我们把这种电路称为二极管 " 或门 "二极管或门真值表与逻辑符号见表 5-5 ) " 非 " 门电路三极管反相器由三极管组成的非门电路见表 5-5, Vα; 为 5V 输入有两种状态: 高电平为 3 V( 逻辑 0, 管子饱和导通, Uo 输出低电平 0.7 V; 输入低电平为 o V( 逻辑 0), 管子截止, Uo 输出高电平 3V 在上面给出的这两种输入的作用下, 此电路中的管子要么饱和, 输出低电平 Uo 二 0.7 V( 输出逻辑 0); 要么截止, 输出高电平 uo=3 V( 输出逻辑 o 该电路输出变量正好是输入变量的反, 实现了逻辑 " 非 " 的功能, 所以又称 " 非门 " 电路 (4) " 与非 " 门电路上述三种电路是最基本的逻辑电路, 用它们可以组成其他几种基本的逻辑门电路, 如与非 或非门 异或等复合电路与非 或非门电路 真值表见表 5-5 一篇医学电子学基础 第五章数字电2. 集成门电路 前面所讨论的基本门电路是由分立元件组成的, 这些电路虽然形式简单, 但是反映速度低, 负载能力差, 电气性能不好, 目前已很少使用在数字技术领域里, 目前广泛采用的电路都是集成电路优点 : 体积可比分立元件设备缩小几百倍, 功耗低, 故障率低, 输出特性好 ( 转换速度快 ), 输出电阻低 ( 带负载能力强 ), 抗干扰能力强, 稳定性高 TTL 逻辑门 (transistor-transistor logic gate) 和 CMOS 逻辑门电路是目前应用最为广泛的两大系列集成电路 o (I) TTL 与非门集成门电路由晶体管构成的与非门组成的逻辑电路称为晶体管晶体管逻辑电路, 简称 TTL, TTL 电路是用多发射极三极管代替二极管与门, 是双极型集成电路整个电路由三个部分组成, 即输入极 中间极和输出极, 如图 5-1 所示输入级由多发射极三极管和电阻 R j 组成, 中间极由 A B Tz Rz 和 R3 组成, 它是一个倒相电路输出极有 T3 T4 Ts 组成推挽电路 TTL 与非门工作原理如下 : 当输入端 A B 中有一个或几个为低电平 F 飞 RJ C+5V) 时, 则 T 1 管中与之相对应的发射结正向偏置, T 1 管导通由于 T 1 管的低电平加在 Tz 的基极上 而使其截止 Uez r 降, 使 Ts 截止 ;T3 管的基极为高电平所以 T3 管是个射极跟随器, 输出的高电 平加在 T4 管基极上, 从而使 T4 管导通, 输出高电平, 即 Y= 1 ( 逻辑 o 上述分析表明, 当输入端 A B 中有一个或几个为低电平时, 其输出端均为高电平当输入端 A B 全为高电平时, T 1 管中的全部发射结都反向偏置由于 T 1 管的集电结正向偏置, 造成 T 1 管向 图 5-1 1TL 与非门电路 83

89 医学电子学基础与医学影像物理学T2 管中供给基极电流, 促使 T2 管饱和导通于是 Tz 管的集电极电位降低使 T 3 T4 截止 :Tz 管的发 射极电位上升, 使 T3 管饱和导通输出低电平, 即 Y=Q C 逻辑 ) 第二种状态说明, 当输入端全为高 电平时, 输出端为低电平 由以上讨论可知, 该电路完成的是 " 与非 " 门的逻辑功能其逻辑函数表达式为 Y=A'B 常用的 TTL 门电路还有 TTL 反相器 CInverter) 或非门 OC 门 ( 集电极开路与非门 ) Copen collector) 二态门 Cthree-state logic gate) 等 TTL 门电路 OC 门解决了输出端可以 " 线与 " CWire-And) C 在某 些情况下, 常常需要将两个门电路的输出端接在一起, 以实现 " 与 " 逻辑功能, 这种实现 " 与 " 逻辑的方法称为 " 线与勺的问题, 但输出必须外接上拉电阻 ( 输出端和电源间接的集电极电阻 ) 至电源兰态门在使能端的控制下具有高电平 高电阻 低电阻三种状态, 广泛用于数据传输的总线结构中 TTL 门电路反相器 与非门 或非门 OC 门 三态门 与或非门的逻辑符号 功能与特点见表 5-60 表 5-6 常用 TTL 门电路逻辑符号 功能与特点 逻辑门逻辑符号功能特点 与非门 ;43 Y Y 二 A- B 或非门 ;4? Y y= A 十 B C 汇门 ~:=t 于 Y y=a'b 输出端须接上拉电阻和外接电源, 才能工作 三态门 : -Y 输出端有三种状态 高阻态 CCS 二 1) : 高电平 低电平 高阻态 与或非门 ; 自 3 Y Y 二 A- B+ C'D (2)MOS 集成门电路 MOS 集成门电路是以绝缘栅场效应管为基本单元组成的门电路只有一种载流子 ( 电子或雪穴 ) 参与导电也称单极型集成电路由于导电沟道不同, 又有 PMOS 集成电路和 NMOS 集成电路之分另一种 CMOS 集成门电路是互补 MOS 集成门电路的简称 PMOS 性能较差, 所以较少使用 NMOS 逻辑门电路以或非门为基础, 工作管并联, 使用方便 CMOS 是由 PMOS 和 NMOS 成对构成 的逻辑门电路它的功耗与抗干扰能力优于 TTL, 虽然开发较 TTL 晚, 有后来居土之势常用的 CMOS 逻辑符号 功能与特点见表 5-7 所示 84

90 表 5-7 名称 逻辑符号 功 能 特 点 反相器三态门 A~ Y 叫王一 异或门 1 哇子 Y Y 二 AEBB ;43 Y 与非门 或非门 ;4 于 Y Y Y 二 A 输出端有三种状态 : 高电 Y 阻态 (CS 二 1) 平 低电平 高阻态 Y=A'B 二 A+B f 机 ~Jrt 口第一篇医学电子学基础 第五章数字电CMOS 逻辑符号 功能与特点路基础常用的 三 组合逻辑电路 Ccombinationallogic circuit) 数字电路可分组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类组合逻辑电路的特点是, 电路的输出信号只是该时刻输入信号的函数, 与以前的电路状态无关这种电路无记忆功能, 无反馈回路常用的组合逻辑电路包括编码器 (encoder) 译码器 (decoder) 数值比较器 (comparator) 运算器 (op 巳 ration) 数据选择器 (multiplexer) 数据分配器 (demultiplexer) 等 1. 组合逻辑电路的分析方法 (1) 由逻辑电路写出各输出端的逻辑表达式 : (2) 化简和变换各逻辑表达式 : (3) 列出真值表 : (4) 根据真值表和逻辑表达式对逻辑电路进行分析, 最后确定其功能 2. 组合逻辑电路的设计方法 (1) 根据对电路逻辑功能的要求, 列出真值表 : (2) 由真值表写出逻辑表达式 : (3) 化简和变换各逻辑表达式, 并画出逻辑电路图 : 3. 编码器 广义说, 编码是指用特定的符号和信息表示特定的对象的过程在数字电路中, 将逻辑信号转换成二进制码叫做编码这种码通常表示数 设各代号或存储信息单元的地址等具有编码功能的逻辑电路称为编码器所谓 BCD 码是用 4 位二进制数表示十进制数中的 O~9 十个数码的一种编码方 85

91 法最常用的一种是 8421BCD 二一十进制码编码器 8421BCD 二一十进制码表示的是四位二进制 码中为 1 的码元对应的权之和正好是它所代表的十进制数 二十进制码编码器逻辑电路如图 5-2 所示 医学电子学基础与医学影像物理学Ao Aj A, A, A, A 与 A6 A7 A 抗 A9 +v:ιι Y, Yo Y j ~, 图 5-2 二一十进制码编码器逻辑电路 根据逻辑电路写出逻辑表达式 Y3 二 A8 A 9 Yz = A4 A5A6A7 Y1 二 A Z A 3 A 6 A 7 YO = A1 A3 A5 A7 A9 根据逻辑表达式写出真值表, 二十进制码编码器真值表见表 5-80 表 5-8 二 十进制码编码器真值表 Ao A 1 A 2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 Y 3 Yz Y 1 YO 上述 8421BCD 编码器电路简单, 但当同时按下两个以上的键时, 其输出会发生混乱这时需要优先编码 8421BCD 码优先编码器 Cpriority encoder), 它可以实现对同时输入的信号中具有优先级别的信号进行编码

92 矿工ι KVιvlib字电路基础6. 加法器 CAdder) 译码器又称解码器. 译码是编码的逆过程. 能完成译码功能的电路叫做译码器, 按逻辑功能的不同, 译码器可分为通用译码器和数字显示译码器. 通用译码器包括二进制译码器和二一十进制译码器. 数字显示译码器是将数字或符号的代码翻译成所显示的相应内容, 用以驱动各类显示器件, 如液晶数码管 辉光数码管 荧光数码管等. 带选通端的译码器可用做数据分配器. 译码器还可以产生单输出或多输出的逻辑函数常用的 3 位二进制译码器为 3 线 8 线译码器. 译码器的输入为 3 位二进制代码, 输出有 8 个状态. 常用的集成 3 位二进制译码器为 数据选择器数据选择器是指能根据电路需要, 把多个通道的数字信号之一选中井送到输出端的电路相当 于严格单刀多掷开关固是一种事输入 单输出的组合逻辑器件固对于采用工进制编码的选择控制信号, 若有 n 个选择控制信号, 则可控制 2" 个输入信号. 4 选 1 数据选择器有 等自选 1 第 J篇医学电子学基础 4. 译码器第五章数据选择器有 等. 数在数字系统中, 除进行逻辑运算之外, 还经常做数值的算术运算, 而在数字系统中, 减法 乘法 除法等运算都是分解为加法运算进行的, 所以加法器是最基本和最常用的运算单元. (1l 半加器 (Half adder) 两个一位二进制数的加法电路. ( 不考虑从相邻低位来的进位数 全加器 (Full add 町 考虑从相邻低位来的进位数的两个一位工进制数的加法电路 (3) 多位加法器实现多位二进制数相加运算的电路称为多位加法器. 多位加法器的电路形式很多, 并行相加 串行进位的四位加法器用了四个全加器, 每个全加器的进位输入来自低一位全加器的进位输出. 因此, 每位数的相加运算只有在低一位的运算完成后才能进行. 这种进位方式称为串行进位或逐位进位. 此外还有超前进位加法器. 四 触发器与时序逻辑电路 与组合逻辑电路不同, 时序逻辑电路的特点是任意时刻的输出不仅取决于该时刻的输入逻辑变 量的状态, 而且还与系统原先的状态有关. 它的特点是 z 1 包括组合逻辑电路和具有记忆功能的电路 或反馈延迟电路, 因此能把原先产生的状态储存起来或经延迟作为产生新状态的条件 2 输入与输 出间至少有一条反馈路径. 1. 触发器 触发器是时序逻辑电路的基本单元, 具有记忆功能. 它能够记忆一位二值信号 (1 或者 ). 把若干个触发器组合在一起, 便可寄存多位二值信号. 根据逻辑功能的不同, 触发器可分为 RS 为触发器 JK 触发器 D 触发器 T 触发器等几种类型 : 根据电路结构的不同, 触发器又可分为基本触发棒 同步触发器 (synchronous 丑 ip-flop) 主从触发器 Cmaster-slave 也 p-flop) 和边沿触发器 <edge triggered flip-flop) 等类型. (1) 基本 RS 触发器 1l 电路组成 把两个与非门的输入端和输出端相互交叉连接, 就构成了基本 RS 触发器. 如圄 5-3 (.) 所示. f57

93 品可医学电子学基础与医学影像物理学由与非门构成的基本触发器是用负脉冲 的小圆圈反映了这一点, 而不是取 " 非 " 的意思触发器有稳定状态的原因在于两个门的交叉连接 2) 逻辑关系分析 Q R=1, S=1, 维持原来的状态不变 S ---c:l s -Q R ----<:1 R þ-q R 二 O, S 二 1, 触发器置 R=LS=O, 触发器置 1 图 5-3 (a) 基本 RS 触发器电路结构与逻辑符号 R=O, S=O, 触发负脉冲同时撤消后, 状态不定, 应避免 R 端加负脉冲而使触发器由 "1" 态变为勺 " 态, 称为触发器置勺 ", R 端称为置端 S 端加负脉冲而使触发器由 "0" 态变为 "1" 态, 称为触发器置 "1", S 端称为置 1 端 触发器原来的状态 ( 也称初态 ) 用 Qn 表示, 触发器新的状态 ( 也称做次态 ) 用 Qn+l 表示因为触 (0 电平 ) 触发的, 图中的逻辑符号中输入端 Q 发器新的状态 Qn+l 不仅与输入状态有关, 而且还与触发器原来的状态 Qn 有关, 所以把 Qη 也当做一 个逻辑变量引入了真值表通常把 Qn 称做状态变量, 把含有状态变量的这个真值表叫做触发器的特 性表上述逻辑关系见表 5-90 表 5-9 基本 RS 触发器特性表 S R Qn Qn+l 说明 保持原态 Qn+l= Qn 置 1 1 置 1 9 陪 9 陪 不定 从上面的分析中己知, 正常工作时不允许加 且三县二 0 的输入信号, 也就是说基本 RS 触发器 在正常工作时必须满足约束条件 S.R= 0 所以基本 RS 触发器的特性方程为 Qn 十 1 = S + RQn S. R = 0 豆 J- 斗 3) 基本 RS 触发器的动作特点是 z 输入信号在 全部作用时间内都能直接改变输出端 Q 和 Q 的 状态, 何时加上输入信号, 何时就得到相应的输 Qlh 二 出基本 RS 触发器波形图如图 5-3 (b) 所示 (2) 同步 RS 触发器在数字电路中, 往往含有多个触发器为了保证数字电路的协调工作, 要求能控制这些触发器输出状态转换的时间号 入时钟控制信号, 使 Q ol 触发器只有在时钟控制信号到达时, 才根据输入 图 5-3 (b) 基本 RS 触发器波形图 88 信号改变它的输出状态 1) 电路组成

94 的 G 1 Gz 构成基本 RS 触发器, G3 马是一对输入控制门, cp 为控制端 2) 工作情况分析在时钟脉冲的休止期内, cp 二 0, G3 G4 两门被封锁, 无论 R 和 S 是什么信号, G3 G4 门的输出均为 1, 输入信号 R s 不会使触发器的状态翻转 : 在时钟脉冲高电平的持续期内, CP= LG3 G4 门被打开, 输入信号才能反映到 G3 G4 门的输出端并去触发基本 RS 触发器, 使输出状态作相应的转换同步 RS 触发器的特性方程是 Qn+l 二 S+RQn S'R 二 O CP= 1 有效, 即高电平有效同步 RS 触发器工作波形如图 5-4 Cb) 所示, C 设初始状态为 0) S Q 5 一寸 = -Q R (a) CP ----I ζl R 一 lr p- Q f 机 ~Jrt 口第一篇医学电子学基础 5-4 C a ) 所示同步 RS 触发器是在基本 RS 触发器的基础上, 增设了一对输入控制门而构成第五章如图 数字电Q 路基础2 3 4 CP 5 --LI-- R Q 图 5-4 (b) 同步 RS 触发器电路结构与逻辑符号及输入 输出波形图 3) 同步 RS 触发器特点 同步 RS 触发器的问题是 : 在 CP 二 1 的全部时间里输入信号都能直接改变输出端的状态虽然电路限 制了只有在允许时间 CCP= 1) 里电路才能动作, 但如果在这段时间里有输入信号, 电路就可能在一个时钟脉 冲中翻转多次这种在一个时钟脉冲作用下引起触发器的状态翻转两次或多次的现象称为触发器的空翻 空翻现象会造成逻辑上的混乱, 使电路无法正常工作附同步 RS 触发器的特性表 5-10 表 5-10 同步 RS 触发器的特性表 CP S R Qn Qn+l 说明 任何值 任何值 任何值 Qn 不动作 Qn 十 1 二 Qη 保持 89

95 医学电子学基础与医学影像物理需 g qy J CP S R Qn Qn+l 说明 续表 置 1 1 置 1 (3) 主从 RS 触发器主从 RS 触发器就是为了解决空翻问题而设计的 (1) 电路组成如图 5-5 所示学提经 不定 S G, Si1Sl Q C 尸 - 斗 Cl R 一 ~ lr 寸 I p--- Q ι 'p 主触发器 从触发器 图 5-5 主从 RS 触发器电路结构与逻辑符号 2) 工作情况分析 CP 二 1, G7 马门打开, 主触发器是活动的, 输入端 R S 的状态存入主触发器中同时, CP 封锁 了马 G4 门, 从触发器是封闭的, 其状态保持不变 CP=Q, 主触发器封闭, 主触发器的状态不变与 此同时, G3 G4 门打开, 从触发器是活动的, 将主触发器在脉冲跳变那一刻的输出状态, 存入从触发器中输入和输出之间的逻辑关系, 与同步 RS 触发器相同 3) 主从 RS 触发器特点主从 RS 触发器是分两步工作的 : 第一步是封闭从触发器, 使输出状态不变, 同时打开主触发器, 使信号存入其中 ; 第三步是封闭主触发器, 避免 R S 的变化对主触发器的影响, 同时, 打开从触发器, 让主触发器的状态移入其中, 于是整个触发器的状态便改变了一次因此, 来一个时钟脉冲, 触发器的状态至多改变一次, 从而解决了同步 RS 触发器的空翻问题主从 RS 触发器的特性方程与同步 RS 触发器相同, 仍然存在约束条件只是主从 RS 触发器状态的转换是在时钟脉冲的下降沿 (fall edge) 发生的, 这种工作方式称为下降沿触发 (4) 主从 JK 触发器主从 JK 触发器是为了解决状态不确定问题而设计的 1) 电路组成如图 5-6 所示 2) 工作情况分析 90 ]=K=Q, 保持原来状态 J 二 Q, K 二 1. 置 J 二 1, K 二 Q, 置 10

96 μi lj l Q 路基础J 二 K 二 1. 状态翻转 o 金必 djf 护第J CP 一 ---1 Cl K 一 ~lk 寸 I p---- Q CP 从触发器 图 5-6 主从 JK 触发器电路结构与逻辑符号 由于主从结构的功能, 避免了空翻, 每来一个时钟脉冲, 触发器的状态仅发生一次翻转处于计 数工作状态的 ]K 触发器称为 T 触发器 3) 主从 ]K 触发器特点 在 Cp 高电平信号触发期间, 主触发器的输出端只可能根据控制信号发生一次翻转, 这种现象称 为一次变化现象输入信号 J K 是不允许变化的, 否则会产生错误输出因此, 主从 ]K 触发器的特 点是在 Cp 高电平信号触发期间, 输入信号 J K 不允许变化 主从 ]K 触发器特性方程 Qη 十 1 二 ]on 十 KQη 附主从 ]K 触发器特性表 5-11 一篇医学电子学基础 第五章数字电表 5-11 主从 JK 触发器特性表 CP J K Qn Qn 十 1 说明 任何值 任何值 任何值 Qn 不动作 保持 1 置 1 置 1 翻转 Qn+l 二 Qn (5) 边沿触发器 边沿触发器为克服一次变化现象而设计只在 Cp 脉冲的上升沿 (rise edge) 或下降沿时刻对输入信号作出反应, 有效提高了抗干扰能力边沿 ]K 触发器是利用门的输出延迟时间而构成, 其工作特点是 :cp 脉冲信号的下降沿前接受输入的信号 J K, 在下降沿处动作, 下降沿后输入又被封锁, 它消除了触发器的一次变化现象边沿 ]K 触发器的电路结构及逻辑符号如图 5-7 所示, cp 脉冲输入端的小三角表示动态触发器, 即属于边沿型 cp 脉冲输入端有小圆圈表示下降沿有效没有小圆圈表示上升沿有效其特性表 如表 5-12 所示其特性方程与主从 ]K 触发器相同 o 91

97 需 g qy J Q Q 医学电子学基础与医学影像物理学J CP 图 5-7 K 边沿 JK 触发器电路结构与逻辑符号 l I I I 表 5-12 边沿 JK 触发器特性表 CP J K Qn+l Qn 1 Qn (6) 边沿 D 触发器边沿 D 触发器通常采用维持阻塞结构, 又称维持阻塞 D 触发器当触发器处于置位状态时, 利用内部产生的信号通过维持线, 维持置位信号, 同时通过阻塞线阻塞由于输入变化产生的复位信号, 保证触发器可靠的置位 : 而当触发器处于复位状态时, 可以保证触发器可靠的复位 o 1) 电路组成如图 5-8 所示 Q Q Q Q Sn CP D Rr> Rn Sn 图 5-8 边沿 D 触发器电路结构与逻辑符号 92 2) 工作情况分析 CP 二 0 时, 保持原态不变

98 JtV2. 常用时序逻辑电路路基础CP~1 期间, 由维持阻塞线使电路保持己布的置位 复位状态. CP 时钟脉神的上升活时 J an+ 1 二 D. 3)D 触发器特点 / J - /N民V飞飞飞//JJ ι 主川JJ卢j在时钟脉神的上升活动作.D 触发器通常用于寄存数据. D 触发掘特性方程,Q" +'~D 附 D 触发器特性表 CP 表 5-13 D x Q"+l 1 x Q" 数Q" 第 篇 医学电子学基础 第五章D 触盎槽特性表 时序逻辑电路分为同步时序电路与异步时序电路, 以触发器是否由同一时钟脉冲触发来区分, 时序逻辑电路的描述方法包括逻辑函数 输出函数 激励函数 状态方程 λ 状态转换固和时序图等 常用时序逻辑电路有移位寄存器 Cshift register) 计数器 (counter) 等 典型试题分析 l 字电( 一 ) 单项选择题 1. (255)10 ~ ( )2 A 答案, A C D B 过渡, 这样可以大大减少运算步骤 a ) 1 2. (10110), 二 考点 z 十进制与二进制间的转换. 方法 1, 直接利用除 2 取余法. 方法 2, 利用除 8 取余法对于较大的十进制数向二进制的转换, 可以借助八进制数为过波, 甚至还可以借助十六进制数为 A.26 B.22 C.32 D.20 答案, B 考点 z 二进制与十进制间的转换. 方法 1, 直接按权展开得 (1 X X X X X 2 0 )10 = 22 方法 2, (10110), ~ (26), ~ (2 x 8' + 6 X 8')10 ~ 22 当二进制数位数较多时, 第二种方法更能显出优势. 3 函数 Y~ 孟 CB+ C.DE) 的反函数是 A.A( 画 + C.DE) DE) B.Y 二 A+ B (C+ D+ El C.Y 二 A+ (B+ C.IÆ) D.Y 二 A CB + C. 93

99 我 P JT / 飞川二 ~ç' 学电子学基础与医学影像物理学D. 编码器医答案, B 考点 z 逻辑函数的求反运算. 反演规则 z 对任意一个逻辑画数 y, 若将 Y 中的 "." 换成 "+", "+" 换成 41_", 再将原变量换成反变量, 反变量换成原变量 z 并将 "1" 换成 "0", "0" 换成 "1", 即可得到其反函数. 4 基本 RS 触发槽的特性方程是 A. 0"+1 ~ S+ 豆 O", S.R~O B. 0"+1 ~ S + 豆 α'.s.r~o D. 0"+1 ~ S + RQ.. S. R ~ 0 C. 0"+1 ~ S + RQ.. S. R ~ 0 答案.A 考点 z 触发器的特性方程. 基本 RS 触发棒 同步 RS 触发器 主从 RS 触发棒 JK 触发棒 D 触发器的特性方程及其应用必 须掌握 ( 二 多项选择题 5 下列电路中, 属于组合逻辑电路的是 A. 译码器 B. 触发器 C. 计数器 答案, AD 考点 z 组合逻辑电路的特点. 组合逻辑电路的特点是, 电路的输出信号只是该时刻输入信号的函数, 与以前的电路状态无关. 这种电路无记忆功能, 无反馈回路. 6 以下的说法中, 错误的有 A 一个逻辑函数全部最小项之和恒等于 o B 一个逻辑函数全部最大项之和恒等于 0 个逻辑菌数全部最小项之积恒等于 o D. 一个逻辑函数全部最大项之积恒等于 0 C. 一 答案.ABC 考点 逻辑函数最小项与最大项的性质, 7 既克服了空翻现象, 又无一次变化问题的触发器有 A. 同步 RS 触发器 B. 边沿 JK 触发器 C. 维持阻塞 D 触发器 答案, BC D. 主从 JK 触发器 考点 对边沿 JK 触发器与维持阻塞 D 触发器特点的掌握. 边沿 JK 触发辑在 CP 脉冲信号的下降和前接受输入的信号 J K, 在下降措处动作, 下降沿后输 入又被封锁, 它消除了 JK 触发器的一次变化现象, 无空翻现象. 维持阻塞 D 触发器在时钟脉冲的上升沿动作, 克服了空翻与一次变化问题 D 触发器通常用于 寄存数据 ( 三 名词解释 8. " 与非 " 逻辑关系答案 z 先对若干变量进行 " 与 " 运算, 然后再对结果求 " 非 " 考点, 与非逻辑关系定义. 与非逻辑关系是数字电路中经常用到的一种逻辑关系二变量的与非逻辑函数表达式为 Y~A.B ( 四 计算题 94 9 将下列一组数按照从大到小的顺序排列, (3) 10 (11110), (34), 8A)16 答案, 8A)16> (3)10> (11110),> (4),

100 一篇(34)8 二 3 X 8 1 十 4 x 8 0 二 (28) 10 医学电子学基础 第五章考点 : 二进制数 八进制数 十六进制数与十进制之间的关系 解 z 首先将所有不同数制下的数变为十进制数 金必 djf 护 (11110)2 = (36)8 = 3 X x 80 = (30)10 第 A)16 二 3 X x 16 0 二 (58) 10 知 (3A) 16> (33) 10> (11110) 2> (34) 8 ( 五 ) 分析画图题 10. 如图 5-9 是硅二极管组成的电路, 输入端 ABC 的波形如图 5-10 所示输入端对地的高 低电平分别为 3V 和 o V, 记作逻辑 "1" 和逻辑勺 " (1) 分析电路的逻辑功能 (2) 写出表达式 (3) 画出输出波形 解 : 正电源 E 为 12 V, 二极管的正向压降为 0.7 V A=O, B=O, C=O, Y=O, 的 =0.7 V; A 二 O, B 二 0, C 二 1, Y 二 0, Uo 二 0.7 V; A β C 图 5-9 A=O, B=LC=O, Y=O, 的 =0.7 V;A=1, B=0, C=0, Y=O, 的 =0.7 Vo A = 1, B = 1, C = 0, Y = 0, Uo = 0. 7 V; A = 1, B = 0, C = 1, Y = 0, 的 =0.7 V A 二 O, B 二 1, C 二 1, Y 二 0, Uo 二 0.7 V;A 二 1, B 二 1, C 二 1, Y 二 1, Uo 二 2.3 Vo E 二 12V R=lk 典型习题 10 电路图 由此可见, 此电路具有 " 与 " 的逻辑功能 z 仅当全部输入端为高电平时, 输出才是高电平 : 任一输入 端为低电平时, 输出就是低电平, 符合与逻辑 " 全 1 为 L 见得 " 的逻辑关系 输出波形如图 5-10 所示 Y=ABC Y 路基础数字电A B cj L Y 图 5-10 典型习题 10 波形图 考点 : 独立元件门电路的分析独立元件门电路是集成门电路的基础对基本与常用逻辑关系门电路的分析是数字电路的出发点 1 1. 画出下列逻辑表达式的逻辑图 (1) Y=A+ BC (2) Y 二 (A + ß) (C+ D) 95

101 需 g qy J 医学电子学基础与医学影像物理学答案 : ; 立 ~ (a) 考点 : 由逻辑表达式画逻辑图 解 : (1) 由表达式 Y=A+BC red- Y A B C D ) U( 典型习题 11 电路图 知 B 和 C 是逻辑 " 与 " 关系, 再与 A 实现 " 或 " 关系即可所以此逻辑图需一个 " 与 " 门, 一个 " 或 " 门即可实现如图 5-11 所示 图 5-11 (2) 由表达式 Y= CA+ ß) CC+ D) 知 A 和 B C 和 D 分别先是 " 或 " 关系, 然后再是 " 与 " 关系所 以需要两个 " 或 " 门 一个 " 与 " 门即可实现该逻辑表达式的逻辑关系如图 5-11 Cb) 所示 12. 写出图 5-12 的逻辑表达式解 : 该电路由四个或非门组成由逻辑电路得 T 1 =A+B+C, T2 =A+B T 3 =A+ B+ C+ A+B+ B, 输出 Y 二 T 3 二 A+Bo 考点 : 由逻辑电路求逻辑表达式只要由前级门逐级向后, 根据每个 门的输入变量, 写出其输出的逻辑函数, 就可以得到相应于整个电路的逻 A B C A B B 辑表达式最后可用代数或卡诺图进行化简 13. 设计一个三人表决器, 表决者有 A B C 三人, 三人中有两人投 赞成票则表决通过, 否则最后结果为否决作出真值表, 写出逻辑表达 图 电路图 典型习题 式, 画出用与非门构成的逻辑电路图考点 : 由真值表求逻辑表达式, 由逻辑表达式画逻辑图解 : 根据实践中提出的逻辑要求, 作真值表设个人 CA B c) 投赞成票为 1. 投反对票为 0, 表决结果 CY) 通过为 1, 否决为 0 这就是 A B C 自变量和困变量 Y 之间的一种逻辑关系 表 5-14 二人表决逻辑真值表 A B C Y 找出真值表中 Y=1 的变量组合 1 把每一个对应于 Y=1 的变量组合写成一个乘积项 : 把这些乘 96 积项相加, 就得到了相应的逻辑表达式 把上面的逻辑函数进行化简 Y=ABC+ABC+ ABC+ ABC

102 Y 二 ABC+ABC+A 政 :::+ABC 二 ABC 十 ABC 十 ABC 十 ABC 十 A 皮士 +ABC 二 BC(A + A) + AC CB + B) + AB (C + C) = AB + BC + AC 对上式二次求非, 再用反演律得所求与非形式为 A Y = AB + BC + AC = AB. BC. AC 14. 己知如图 5-14 (a) 所示电路, 其输入波形如图 514B (b) 所示试分析该电路, 画出触发器输出端 Q 和 Ql 的电 压波形设触发器的初态为 0 答案 :Q和 Ql 的电压波形如图 5-14 (c) 所示 C 考点 : 由电路 输入波形及 ]K 触发器与 D 触发器的特性 图 5-13 典型习题 13 电路图 方程分析电路, 画输出波形图 解 z 对 ]K 触发器, cp 二 A, A 的下降沿变化由 ]K 触发器特性方程为 Qn+l 二 JQn+ KQn, 因为 J 二 K 二 L 则有 Qn+l 二 Q 飞触发器处于计数状态, 来一个 cp 脉冲翻转一次但由于 RD 信号直接置, 受 Ql 的控制, 当 Ql 时, Qo 二 0 对 D 触发器, cp 二 B, B 上升沿变化由 D 触发器特性方程, 有 Ql n 十 1 二 D 二 Qon, Ql 的输出随 Q 变化 Q Ql 的输出波形如图 (c) 所示 金必 djf 护 第一篇医学电子学基础 5-13 所示第五章由逻辑函数作逻辑电路如图 数字电路基础H l A Ql B (a) Qo 图 5-14 典型习题 14 电路与波形图 ( 六 ) 论述题 15. 请总结归纳基本 RS 触发器 同步 RS 触发器 主从 RS 触发器 主从 ]K 触发器和边沿触发器的翻转特点答案 : 基本 RS 触发器的翻转特点 : 在输入信号 S 和 R 的全部作用时间内, 都能根据输入信号的变化改变输出的状态 : 遵守 SR=O 的约束条件 同步 RS 触发器的翻转特点 : 在时钟脉冲 cp 二 1 的全部时间内, 输入信号 S 和 R 的变化都将改 变输出的状态存在空翻现象, 遵守 SR 二 0 的约束条件 主从 RS 触发器的翻转特点 : 在时钟脉冲 CP= 1 的全部时间内, 输入信号 S 和 R 的变化都将改 变输出的状态不存在空翻现象, 遵守 SR 二 0 的约束条件主从 ]K 触发器在 CP 高电平信号触发期间, 主触发器的输出端只可能根据控制信号发生一次翻转, 这种现象称为一次变化现象输入信号 J K 是不允许变化的, 否则会产生错误输出边沿触发器的翻转特点 : 克服一次变化现象只在 CP 脉冲的上升沿或下降沿时刻对输入信号 作出反应, 有效提高了抗干扰能力 考点 : 基本 RS 触发器 同步 RS 触发器 主从 RS 触发器 主从 jk 触发器和边沿触发器翻转特点 掌握各触发器的特点是分析其工作情况的基础 w

103 需 g qy J 学电子学基础与医学影像物理::=[ 耳寸医斗.!..I ( 一 ) 单项选择题 1. ( 二 ( A.21 B ( = ( )2 ) 10 C.40 D.80 A B C D 图 5-15 所示二变量的逻辑符号表示的逻辑关系为 A. 与 B. 或 C. 非学D. 与非 E[]-' 图 5-15 习题 3 图 图 5-16 习题 4 图 4. 如图 5-16 所示, 三变量的逻辑符号表示的逻辑关系为 A. 与 B. 或 C. 非 D. 与非 5. 己知逻辑门电路的输入信号和输出信号的波形如图 5-17 所示, 该电路实现的逻辑功能是 A. 与 B. 非 C. 或 D. 异或 6. 影响二极管和兰极管开关速度的原因是 A. 电荷存储效应 B. 饱和效应 C. 截止效应 D. 输 入电阻 7.TTL 门电路输入端外接电阻影响其输入电平, 原因是 A. 输入电阻低, 有输入电流所致 B. 输入电阻高, 有输 图 5-17 习题 5 波形图 入电流所致 C. 输入电阻低, 无输入电流所致 D. 输入电阻高, 无输入电流所致 8. 在 TTL 集成门电路中为实现 " 线与 " 功能, 应选用 A. 三态门 B. 与非门 C. OC 门 D. 异或门 9. TTL 集成门电路中为实现 " 总线 " 功能, 应选用 A. 三态门 B. OC 门 C. 或门 D. 异或门 10. MOS 集成门电路是以为基本单元组成的门电路 A. 绝缘栅场效应管 B. 结型场效应管 C. 三极管 D. 二极管 11. NMOS 逻辑电路如图 5-18 所示, 它可以实现 V nn(+ lov) (P) U,~ (N) I 98 图 5-18 习题 11 电路图 图 5-19 习题 12 电路图

104 一 D. 真值表与逻辑电第五章一数字电路基础) ; 能实现 Qn 十 1 二 A 十 Qn 的 A. 与逻辑功能 B. 或逻辑功能 C. 非逻辑功能 12. CMOS 逻辑电路如图 5-19 所示, 它可以实现 A." 与 " 逻辑功能 B. " 或 " 逻辑功能 C. " 非 " 逻辑功能 D." 与非 " 逻辑功能 13. 在讨论触发器时, 一般可用来描述其逻辑功能 金必 djf 护 A. 真值表和特性方程 B. 真值表和逻辑关系 D. 与非逻辑功能第C. 逻辑关系与逻辑电路 路 14. 用与非门构成的基本 RS 触发器, 欲使其输出为保持原态则输入端应为 A.S 二 R 二 1 B.S 二 R 二 1 C. S 二 l. R 二 o D.S 二 O.R 二 1 司 ~~Q A -0~0~--B Q C οvιl 寸 J 0 t-t- Q CP 一一 ---1> - I I 什 K Q þ- 十 D 15. 触发器电路如图 5-20 所示, 能实现 Qn+l = Qn 的电路是 =Q-QD一一P 气二; =J'KJ( -4P 一篇医学电子学基础 图 5-20 习题 15 电路图 16. 触发器电路如图 5-21 所示, 能实现 Qn 十 1 二 AQn 的电路是 ( 电路是 A 习 &p 才 D r-v Q 忖一 Q I A =1 &HD Q rt- CP 1" 寸 ) Q t-' 45L 斗一 CP A B C 图 5-21 习题 16 电路图 17. 主从 ]K 触发器的特性方程是 A. Qn+l 二 ]Qn+KQn B.Qn+l 二 ]Qn+KQn C.Qn+l 二 ]Qn + KQn D. Qn+l 二 ]Qn+ KQn 18. 对于 ]K 触发器, 若输入 ]=O.K=l. 则经过 100 个脉冲后, 触发器的状态应为 A.1 B.O C. 翻转 D. 保持 ( 二 ) 多项选择题 19. 逻辑代数的化简方法有 A. 卡诺图法 B. BCD 码 C. 真值表 D. 代数化简法 20. 下列说法中与 BCD 码的性质相符的是 A. 一组 4 位二进制数组成的 BCD 码只能表示 1 位十进制数 B. BCD 码是人为选定的 0~9 的 十个数字的代码 C. BCD 码有多种 D. BCD 码是一组 4 位二进制数, 能表示 16 以内的任何一个十 进制数 2 1. 兰种基本的逻辑函数包括 A. 或非 B. 或 C. 非 D. 与 22. 逻辑函数常用的表示方法有 A. 逻辑表达式 B. 逻辑真值表 C. 逻辑图 D. 卡诺图 23. 按逻辑功能的不同, 译码器可分为的两大类是 A. 数据分配器 B. 通用译码器 C. 数字显示译码驱动器 D. 数据选择器 99

105 学电子学基础与医学影像物理35. 用代数法化简下列逻辑函数医需 g qy J 24. 根据逻辑功能的不同, 触发器可分为 A.RS 触发器 B.jK 触发器 C.D 触发器 25. 根据电路结构的不同, 触发器可分为 D.T 触发器 A. 基本触发器 B. 同步触发器 C. 主从触发器 D. 边沿触发器 ( 兰 ) 名词解释 学(1) 2003 (2) 101 (3) (4) 数字信号 27." 与 " 逻辑关系 28. " 或 " 逻辑关系 序逻辑电路 32. 触发器的空翻现象 ( 四 ) 计算题 33. 把下列十进制数转换成二进制数 34. 把下列二进制数转换成十进制数 29. 逻辑非 30 组合逻辑电路 3 1. 时 (1) (2 ) (3 )1001 (4) (1) Y(A, B, C, D) = AB 十 ACD+AB+BD (2) Y(A, B, C, D, E) 二 AB 十 AD+AD+AC 十 BD 十 ACEP+BE+ED ) Y(A, B, C) =AB (A +AB) C+ A (B+ C) + AB+ ABC (4) Y(A, B, C, D) = 政 ~D+ ABCD+ AB CD, 其中 CD+ CD=O 36. 用卡诺图法化简下列函数 o (I) y 悦, B, C, D) 二.6 m (3, 5, 6, 7) (2) Y 悦, B,C, D) 二.6 m (0, 1, 3, 5, 8) +.6 d (10, 11, 12,13, 14, 15) (3 )Y 蚀, B, C, D)=.6 m(0, 2, 4, 5,7, 13) +.6 d(8, 9,1O, ll14, 15) (4) Y 蚀, B, C, D)=.6 m(0, 1, 4, 9, 12, 13) +.6 d(2, 3, 6,1O, ll14) 37. 将下列函数化简为最简与或表达式 (1) Y 悦, B, C,D)=.6 m(0, 1, 2, 3, 6, 8) +.6 d(10, 11, 12, 13, 14, 15) (2) Y= (A, B, C, D) = ABC+ AC+ ACB+ BIX (3) Y 二 (A, B, 二 A 庄 :+ABC 十 ABC 38. 如图 5-22 是二极管组成的电路及输入端 ABC 的波形输入端对地高 低电平分别为 3V OV 试分析电路的逻辑功能, 写出表达式画出输出 Y 波形 A B C Y R=3.9k E=-12V A B C 图 5-22 习题 38 电路与波形图 100

106 数字电路基础y, 金必 39. 图 5-23 中画出四种二输入端的门电路, 试根据输入波形画出输出波形 YJR o Yι山t 第 川 B 图 5-23 习题 39 电路与波形图 djf 护 一篇ytR 医学电子学基础 第五章A 40. 分立元件门电路如图 5-24 所示输入端对地高 低电平分别为 5V, OVo 试写出输出的逻 辑表达式 A B C 引 A 3.3kQ IOkQ (a) +lov (b) lov 图 5-24 习题 40 电路图 4 1. 逻辑电路如图 5-25 所示, 试写出电路逻辑表达式并化为最简函数 42. 某组合逻辑电路如图 5-26 所示, 列出真值表, 试分析该电路的逻辑功能 AB AC BC AB ABC 图 5-25 习题 41 电路图 图 5-26 习题 42 电路图 43. 写出图 5-27 所示电路输出信号的逻辑表达式, 列出真值表, 说明其功能 101

107 医学电子学基础与医学影像物理:~: þ:=; 需 g qy J 图 5-27 习题 43 电路图 44. 画出基本与非门 RS 触发器如图 5-28 (a) 所示的输出端波形, 己知 S, R 波形如图 5-28 (b) 所示设触发器的初态为主事 S 学(a) R ( thu ) 图 5-28 习题 44 波形图 45. 电路与 Cp R S 的波形如图 5-29 所示, 试对应画出 Q, Q 端波形设触发器的初态为零 5 一一寸 IS -Q CP- Cl R 一斗 lr r Q CP S R 图 5-29 习题 45 电路与波形图 46. 触发器及 CP,], K 的波形如图 5-30 所示, 试对应画出 Q 端波形 o 设触发器的初态为霉 Q C CP J K J Cl' K 图 5-30 习题 46 电路与波形图 47. JK 触发器构成电路如图 5-31 所示, 试根据 CP A B 波形画出对应输出端 Ql' Q2 的波形 设触发器的初态为零 o 102

108 Qj U 二 A B CP A 8 图 5-31 习题 47 电路与波形图 48. 试画出如图 5-32 所示 T 触发器的输出信号 Q.Q 波形设触发器的初态为零 Qj Q2 A B CP 金必 djf 护 第一篇医学电子学基础 第五章数字电CP 路基础CP A B 图 5-32 习题 48 电路与波形图 49. 触发器及 CP D 的波形如图 试对应画出 Q.Q 端波形设触发器的初态为零 CP 一 íu 图 5-33 习题 49 电路图 50. 根据图 5-34 所示的电路与输入波形, 画出 Q.Q 的波形设触发器的初态为零 A B CP Q Q A B 图 5-34 习题 50 电路图 103

109 需 g qy J 医学电子学基础与医学影像物理学; 5 1. 设图 5-35 中各触发器的初始状态为主害, 试画出在 CP 脉冲作用下各触发器输出端的波形 Q 1 1J 丁 Q C P lîî1j -Q CP- '>Cl I L...l IK b- 图 5-35 (a) : D一( d ) 一一二D口'DC ; 二JCK二DC~; 臼( 五 ) 论述题 (; (e) 习题 51 电路与 CP 脉冲图 口一: ~CP-<DCl I ï lk (c) p---' D Y ld ~ 牛 Q CP ----V CI P 一 (f) 52. 数字电路的特点是什么? 53. 数字电路有哪些基本的逻辑关系? 画出它们的逻辑符号和真值表 54. TTL 与非门的工作原理 55. 半加器与全加器各有何特点? 56. 编码器的主要功能是什么? 57. 同步 RS 触发器的结构上有何特点? CP 脉冲的作用是什么? 58. 主从结构触发器有何特点? 为什么能够克服空翻现象? 59. 维持阻塞 D 触发器有何特点? 维持与阻塞是什么意思? 答题要点 i ( 一 ) 单项选择题 1. B 2.A 15.D 16.B A 3.D 4.A 5.C 17.A 18.B 6.A 7.A 8.C 9.A 10.A l 1. C 12.C.13.A 14.B ( 二 ) 多项选择题 19.AD 20.ABC 21.BCD 22.ABCD 23.BC 24.ABCD 25.ABCD ( 兰 ) 名词解释 26. 数字电路的输入信号是离散的信号, 数值与时间上都不连续, 也称之为数字信号 27. 只有决定事物的结果的几个条件同时满足时, 结果才会发生这种因果关系叫 " 与 " 逻辑关系两变量的与逻辑关系可用下面的数学表达式表示 : Y 二 A-B 28. 在决定事物结果的几个条件中, 只要满足一个或几个条件时, 结果就会发生只有所有条件都不满足时, 结果才不会发生两变量的或运算用数学表达式表示为 104 Y 二 A+B 29. 当某一条件满足时, 结果不发生, 而当这一条件不满足时, 结果才会发生两变量的非运算 用数学表达式表示为

110 30. 电路的输出信号只是该时刻输入信号的函数, 与以前的电路状态无关的电路称为组合逻辑 电路这种电路无记忆功能, 无反馈回路 3 1. 任意时刻的输出不仅取决于该时刻的输入逻辑变量的状态, 而且还与系统原先的状态有关 的电路称为时序逻辑电路 32. 在一个时钟脉冲作用下引起触发器的状态翻转两次或多次的现象称为触发器的空翻空翻 现象会造成逻辑上的混乱, 使电路无法正常工作 ( 四 ) 计算题 33. 把下列十进制数转换成二进制数 (1) (2 ) (3 ) 把下列二进制数转换成十进制数 (4) 金必 djf 护第一篇(1) 22 (2) 82 (3) 17 (4) 用代数法化简下列逻辑函数数(1) Y (A, B, C, D) = A + B (3) Y(A, B, C) = A + B + C (4) Y(A, B, C, D) = 政 :::+AC 36. 用卡诺图法化简下列函数 (1) Y (A, B, C, D) = BC + AB + AC (2) Y(A, B, C, D) 二 BCD + ABD + ACD (3) Y(A, B, C, D) =ACD+ BD+ BD (4) Y(A, B, C, D) 二 AB 十 ACD+BD 37. 将下列函数化简为最简与或表达式 (1) Y(A, B, C, D) = AB + α)+bd (2) Y 二 (A, B, C, D) 二 AB+BC 十 BD (3) Y= (A, B, C) =AB+ BC 38. 解 : A = 0, B = 0, C = 0, y = 0, Uo = V; A = 0, B = 0, C = 1, Y = 1, Uo = 2.3 V; A 二 O, B 二 l, C 二 O, Y 二 1, Uo 二 2.3 V;A 二 l, B 二 O, C 二 O, Y 二 1, Uo 二 2.3 V; A = 1, B = 1, C = 0, Y = 1, Uo = 2.3 V; A = 1, B = 0, C = 1, Y = 1, Uo = 2.3 V A = 0, B = 1, C = 1, Y = 1, Uo = 2.3 V; A = 1, B = 1, C = 1, Y = 1, Uo = 2.3 V 医学电子学基础 Y 二 A 第五章字电路基础(2) Y(A, B, C, D, E) 二 A+ C+BD+BE A B y~ L 图 5-36 习题 38 答案波形图 由此可见, 此电路具有 " 或 " 的逻辑功能 : 仅当一个输入端为高电平时, 输出就是高电平 : 全部输入 端为低电平时, 输出才是低电平, 符合与逻辑 " 见 1 为 1, 全 o 得 " 的逻辑关系 Y=A+B+C 波形如图 5-36 所示 39. 答案 : 如图 5-37 所示 105

111 医学电子学基础与医学影像物理4 1. 答案 : 由逻辑图写出逻辑表达式 : 需 g qy J Y2 一 几学40. 答案, Y1 二 A: Y2 二 AB 十 C 图 5-37 习题 39 答案图 YCA, B, C,D) 二 A 十 B + A + C. CB(jJ C). CA(jJB) 化简得 Y 二 A 十 B 42. 答案 : 由逻辑电路得输出函数的表达式为 Y 二 ABC. A + ABC. B 十 ABC.C 二 ABC+ABC 由表达式得真值表 表 5-15 习题真值表 A B C Y 由真值表知只有当 A, B, C 全为勺 " 或全为 "1" 时, 输出为 "1", 否则全为 "0", 所以该电路为 " 一致 电路用于判定三个输入信号的极性是否相同 43. 答案, Y=A+B+A+A+B+B, 真值表如表 5-16 所示 表 5-16 习题 43 真值表 A 1 B Y 106 由真值表知只有当 A, B 全为 "0" 或全为 "1" 时, 输出为 "1", 否则全为 "0", 所以该电路为 " 一致电路用于判定两个输入信号的极性是否相同

112 字电路基础R s R Q Q 图 5-38 习题 44 答案图 金必 djf 护第一篇45. 答案 : 如图 5-39 所示数医学电子学基础 44. 答案 : 如图 5-38 所示第五章Q Q 图 5-39 习题 45 答案图 46. 答案 : 如图 5-40 所示 CP J Q 图 5-40 习题 46 答案图 所示 47. 答案 : Q~+ 1 = ] Ql n + KQl n = A Qn + BQl n; Q~+ 1 = Ql n Q2 n + Ql nq2 n 输出波形如图 5-41 CP A B Q, Q2 107 图 5-41 习题 47 答案图

113 医学电子学基础与医学影像物理5 卜 ----LJ----L 需 g qy J 48. 答案 : Qn+l 二 JQn+ KQn 二 TQn 十 TQn 二 Tffi Qno Qn 输出波形如图 5-42 所示 T 二 0 时, Qn+l 二 Qn; T 二 1 时, Qn+ 1 二 CP T Q :L 图 5-42 习题 48 答案图学49. 答案 ; Qn+l 二 D, CP 上跳沿翻转输出波形如图 5-43 所示 σiuuliul -1 DLJ 寸山 i QLHJ 图 5-43 习题 49 答案图 50. 答案 : Qn+l 二 D 二 AffiB, CP 上升沿翻转输出波形如图 5-44 所示 CP A Q~ 图 5-44 习题 50 答案图 5 1. 答案 z 解 : 图 (a) 为 JK 触发器由电路图知该触发器 CP 上升沿翻转, 特性方程为 Qn+l 二 JQn 十 KQη, 输入端信号 J 二 K 二 1, 代入特性方程, 则有 Qn+l 二 Qn, 触发器处于计数状态, 来一个 CP 脉冲翻转一次图 (b) 为 JK 触发器由电路图知该触发器 CP 下降沿翻转, 特性方程为 Qn+l=JQn+KQn, 输 108 入端信号 J= Qn, K= Qn, 代入特性方程, 则有 Qn+l = Qn, 触发器处于保持状态为零 图 (c) 为 JK 触发器由电路图知该触发器 CP 下降沿翻转, 特性方程为 Qn+l 二 JQn 十 KQn, 输入

114 字电路基础习题 51 答案图 端信号 J 二 Qn, K 二 1. 代入特性方程, 则有 Qη 十 1 二 Qn, 触发器处于计数状态, 来一个 CP 脉冲翻转一 金必 次口门第口1口且阳1lldjf 护 )Q( 数一篇医学电子学基础 第五章图 5-45 图 cd) 为 D 触发器由电路图知该触发器 CP 上升沿翻转, 特性方程为 Qn+l = D, 输入端信号 D 二 Qn, 代入特性方程, 则有 Qn+l 二 Qn, 触发器处于计数状态, 来一个 CP 脉冲翻转一次 图 (e) 为 K 触发器由电路图知该触发器 CP 下降沿翻转, 特性方程为 Qn+l = D, 输入端信号 D = Qn, 代入特性方程, 则有 Qn+l = Qn, 触发器处于计数状态, 来一个 CP 脉冲翻转一次图 (f) 为 D 触发器由电路图知该触发器 CP 上升沿翻转, 特性方程为 Qn 十 1 二 D, 输入端信号 D 二 Qn, 1~ 入特性方程, 则有 Qπ+ 1 二 Qn, 触发器处于保持状态为零 ( 五 ) 论述题 52. 数字电路的特点是 : 输入信号是离散信号, 它在数值与时间上都不是连续的, 用 "1" 和 "0" 两个基本数字符号分别表示数字信号的两个对立的离散状态数字电路中二极管 三极管 MOS 管等工作在饱和或截止 ( 开关 ) 状态组成的基本单元是逻辑门电路和触发器研究的主要问题是输入与输出间的逻辑关系研究的主要方法是真值表 卡诺图与波形图常用的数学工具是逻辑代数 53. 数字电路基本的逻辑关系有逻辑与 逻辑或 逻辑非它们的逻辑符号 真值表及其数学表达式如表 5-17 所示 表 5-17 习题 53 答案表 逻辑关系真值表数学表达式逻辑符号 A B Y 与 1 Y=A.B ; 二 Eγ A B Y 或 1 1 Y 二 A+B 1 1 ; 二 EJ----V

115 需 g qy J 医学电子学基础与医学影像物理逻辑关系真值表数学表达式逻辑符号 A Y 非 TTL 与非门电路如图 5-1 所示 TTL 与非门工作原理如下 z 续表 当输入端 A B 中有一个或几个为低电平时, 则 T 1 管中与之相对应的发射结正向偏置, T 1 管导 通由于 T 1 管的低电平加在 T2 的基极上而使其截止 Ue2 下降, 使 T5 截止 ; T3 管的基极为高电 平所以 T3 管是个射极跟随器, 输出的高电平加 T4 管基极上从而使 T4 管导通输出高电平, 即 y= 1 C 逻辑 1) 上述分析表明, 当输入端 A B 中有一个或几个为低电平时, 其输出端均为高电平学当输入端 A B 全为高电平时, T 1 管中的全部发射结都反向偏置由于 T 1 管的集电结正向偏置, 造成 T 1 管向 T2 管中供给基极电流, 促使 T2 管饱和导通于是 T2 管的集电极电位降低使 T3 T4 截止 ;T2 管的发射极电位上升, 使 T3 管饱和导通输出低电平, 即 Y 二 oc 逻辑 OL 第二种状态说明, 当输入端全为高电平时, 输出端为低电平由以上讨论可知, 该电路完成的是 " 与非 " 门的逻辑功能其逻辑函数表达式为 Y 二 A.B 55. 半加器是两个一位二进制数的加法电路不考虑从相邻低位来的进位数全加器是考虑从 相邻低位来的进位数的两个一位二进制数的加法电路 56. 编码是指用特定的符号和信息表示特定的对象的过程在数字电路中, 将逻辑信号转换成 二进制码叫做编码这种码通常表示数 设备代号或存储信息单元的地址等具有编码功能的逻辑 电路称为编码器 57. 同步 RS 触发器是在基本 RS 触发器的基础上, 增设了一对输入控制门而构成的 G 1 G2 构 成基本 RS 触发器, G3 G4 是一对输入控制门, cp 为控制端结构如图 5-4 C a ) 所示在数字电路中, 往往含有多个触发器为了保证数字电路的协调工作, 要求能控制这些触发器输出状态转换的时间 引入 cp 时钟控制信号, 使触发器只有在时钟控制信号到达时, 才根据输入信号改变它的输出状态 58. 主从 RS 触发器结构如图 5-5 所示主从 RS 触发器是分两步工作的 : 第一步是封闭从触发 器, 使输出状态不变, 同时打开主触发器, 使信号存入其中 : 第二步是封闭主触发器, 避免 R S 的变化 对主触发器的影响, 同时, 打开从触发器, 让主触发器的状态移入其中, 于是整个触发器的状态便改变 了一次因此, 来一个时钟脉冲, 触发器的状态至多改变一次, 从而解决了同步 RS 触发器的空翻问 题 作 59. 答 : 维持阻塞 D 触发器特点 :cp 时钟脉冲的上升沿时, Qn+l 二 D 在时钟脉冲的上升沿动 当触发器处于置位状态时, 利用内部产生的信号通过维持线, 维持置位信号, 同时通过阻塞线阻 塞由于输入变化产生的复位信号, 保证触发器可靠的置位 ; 而当触发器处于复位状态时, 可以保证触 发器可靠的复位电路组成如图 5-8 所示 CP 二 0 时, 保持原态不变 ;CP 二 1 期间, 由维持阻塞线使 电路保持己有的置位 复位状态 110

116 第二篇 医学影像物理学 第六章 普通 x 射线影像 掌握 X 射线产生的物理过程 实际焦点和有效焦点 半影 X 射线管的容量 X 射线的强度 X 射线滤过和硬化 作用概率与截面 X 射线与物质相互作用的主要形式 线性衰减系数 吸收衰减规律 混合物和化合物的质量衰减系数 化合物的有效原子系数 x 射线透视和 X 射线摄影的基本原理 g 熟悉连续能谱 X 射线在物质中的衰减规律 软 X 射线摄影 高千伏 X 射线摄影 体层摄影和 X 射线造影 : 了解评价医学影像质量的参数及影响 X 射线影像质量的因素. 重点和难点 l 实际焦点和有效焦点 X 射线产生的物理过程 X 射线滤过和硬化 作用概率与截面 主要作用形 式 吸收衰减规律 x 射线透视和 X 射线摄影的基本原理. 教学要点? 摄影等. 本章主要介绍 X 射线产生的物理过程 X 射线的辐射场 X 射线在介质中的衰减 X 射线透视与 一 x 射线管的特性 l. X 射线管 管球 ) 的结构 <1l 产生定向实用的 X 射线的四个条件 1l 有电于源 阴极 发射电于 z 2) 有一个受电于轰击而辐射 X 射线的物体 ( 阳极靶 ) ; 3) 有加速电子使其增加动能的电位差 ( 管电压 h 4) 有一个高度真空的环境 ( 玻璃外壳 λ )X 射线管的阴极 1l 类型 圆焦点型和线焦点型 2) 阴极体的作用使电子初聚焦 防止二次电子造成的危害 B )X 射线管的阳极

117 学电子学基础与医学影像物理阴极, 通常是铜制的圆柱体, 在柱端斜面上嵌一小块鸽板, 作为接受高速电子冲击的靶, 又称阳靶医句J需 g qy J 阳极 Canode) 也称阳靶 1) 阳极的功能产生 x 射线 2) 类型按阳极的结构分有固定式和旋转式两种类型 (4) 特殊 x 射线管 ~ 栅控 x 射线管 学X 射线管 m在普通 X 射线管的阴极和阳极之间加上控制栅极其特点是, 当栅极加上负电位时, 管电流被 截止, 无 X 射线输出, 当负电位消失时, 管电流导通, 输出 X 射线作用是, 能实现快速断续 X 线摄 影 1) 软 x 射线管 采用铝 Cz 二 42) 靶, 对乳房等软组织进行 x 射线摄影 o 产生软 x 射线的管电压 较低, 通常为 20~50 kv 软 x 射线管的出射窗采用极薄的玻璃窗 2) 金属 X 射线管 适用于短时间曝光, 承受高负载金属 X 射线管是中间易形成鸽层的玻璃部 分由钢制壳取代, 靠近阳极端嵌入玻壳, 另一端嵌入陶瓷内, 使钢壳处于绝缘状态, 接地后能捕获杂散 电子 3) 陶瓷绝缘 x 射线管 主要用于连续 x 射线摄影, 体层摄影和电影摄影等陶瓷绝缘 x 射线管 是将镣鸽合金的阳靶装在锢阳极盘上, 制成旋转阳极将阳极用陶瓷绝缘后放入金属外壳中, 最后装 在钢制的管套中 (5)X 射线管的电特性 x 射线的产生装置主要包括四个组成部分, 即 x 射线管 低压电源 高压电源和整流电路其组 成电路如图 6-1 所示 x 射线管是这种装置的核心部分它是一个高度真空的硬质玻璃管, 管内封 入阴极和阳极阴极单独由低压电源供给电流, 使其炽热而发射电子阳极在管的另一端且正对着 COOOO :J 乐器 图 6-1 MT2 主主三灯丝变 V 1 川川X 射线机的基本线路 1) 管电流和管电压阴阳两极间所加的几十千伏到几百千伏的直流高压, 叫做管电压 Ctube voltage). 阴极发射的热电子在电场作用下高速奔向阳极, 形成管电流 Ctube Cl 盯 ent). 这些高速电子突然被鸽靶阻止时, 就有 X 射线向四周辐射医用 x 射线产生装置 Cx 光机 ). 都采用交流供电, 图 6-1 中升压变压器 T 1 用来获得所需的管电压.4 个二极管联成全波桥式整流器, 把 T 1 输出的交流高压变为直流高压改变升压变压器 T 1 原 112 副线圈的阻数比, 可以调节管电压的大小降压变压器 T2 供给灯丝加热电流, 变阻器 R 用来调节灯丝电流以改变阴极发射的热电子的数量, 从而控制管电流 2)X 射线管的电特性是指决定管电流大小的因素, 主要有灯丝加热电流或灯丝电压这里还需

118 第二篇X2. X 射线的产生线影像对强度l 掌握两个概念 : 1" 电压饱和 " 是指随着管电压的增加, 管电流升高到某一临界值时, 就不再随管电压而变化, 且 保持一恒定值 金必 djf 护 2" 温度饱和 " 是指当管电压一定, 且低于某一较低的临界电压值时, 管电流并不随灯丝电流的继续增加而升高 (1) x 射线的产生 X 线是由高速运动的电子流撞击靶面而突然受阻产生的不足电子总能量 1% 的高速电子与原子核的内层电子或原子核相互作用时, 通过辐射损失 Cradiationloss) 的能量, 大部分以 x 射线的形式辐射出去, 由 x 线管窗口发射电子总能量的 99% 以上, 为高速电子与原子核的外层电子作用而损失, 统称为碰撞损失 Ccollisionloss) 并转换为热能, 由 X 线管散热设施散发 (2)X 射线谱通常 X 射线管发出的 X 射线不是单色的, 它包含各种不同的波长成分将其强度按照波长的顺序排列开来的图谱, 叫做 X 射线谱 CX-ray spectrum) 鸽靶 X 射线管所发射的 X 射线谱如图 6-2 所示, 上部是相对强度与波长关系的曲线, 下部是照在胶片上的射线谱从该图可以看出, X 射线谱包含两个部分 : 曲线下面划斜线的部分对应于照片上的背景, 它包括各种不同波长的射线, 称为连续 x 射线谱 CContinuous X-rays spectrum) ; 另一部分是曲线上凸出的尖峰, 具有较大的强度, 对应于照片上的明显谱线, 这相当于可见光中的明线光谱, 称为标识 X 射线谱 Ccharacteristic X-rays spectrum) 普通医学影像物理学 第六章射L 一一 L 一 扎扎 相λ(nm) 图 6-2 X 射线谱示图 (3) 连续 X 射线产生的物理过程 1) 产生机制经典的电磁学理论指出, 当一个带电体在外电场中速度变化时, 带电体将向外辐射电磁波高速电子进入到原子核附近的强电场区域, 然后飞离强电场区域从而完成一次电子与原子核的相互作用时, 电子的速度大小和方向必然发生变化, 按上述理论, 电子将向外辐射电磁波而损失能量 b. E, 电磁波的频率由 b.e= hυ 确定电子的这种能量辐射叫韧致辐射 Cbremsstrahlung), 这种辐射所产生的能量为 hu 的电磁波称为光子由于每个高速电子与靶原子作用时的相对位置不同, 且每个电子与靶原子作用前具有的能量也不同, 所以各次相互作用对应的辐射损失也不同, 因而发出的 x 光子频率也互不相同, 大量的 x 光子组成了具有频率连续的 x 光谱 2) 连续谱的特性实验指出, 当 x 射线管在管电压较低时只出现连续 x 射线谱其特点是 : 1 连续谱的 x 射线强度是随波长的变化而连续变化的在不同管电压作用下连续谱的位置并 不一样, 谱线的强度从长波开始逐渐上升, 达到最大值后很快下降为零每条由线都有一个峰值, 曲 线在波长增加的方向上都无限延展, 但强度越来越弱 ; 在波长减小的方向上, 曲线都存在一个称为短 113

119 需 g qy J 医学电子学基础与医学影像物理3 波极限波长 À min 的极限值 2 随着管电压的升高, 辐射强度均相应地增强 3 各曲线所对应的强度峰值和短波极限的位置均向短波方向移动 4 短波极限值与构成阳靶的材料无关, 仅由管电压的太小决定 图 6-3 是鸽靶 X 射线管在较低管电压下的连续 X 射线谱 8 "'taueuaaτx强度2 射线相对 学o 波长 (nr 叫 图 6-3 鸽的连续 x 射线谱 3) 短波极限强度为零的相应波长是连续谱中的最短波长, 称为短波极限短波极限波长 À min 对应的 X 光子能量最太, 可见, 最大能量的光子对应着电子与原子核在一次相互作用中损失其全部 能量 eu, 产生能量为 hy 二主立的光子辐射由于在相互作用中能量守恒, 则有 À min [ρlvu - LU γ'一一a-hc1.24 一一一一 ~Cnm) eu U Ckv) '>HH 上式表明, 短波极限 À min 与管电压 U 成反比与构成阳靶的材料无关, 这些都与实验中观察到的现 象相符合 (4) 标识 X 射线产生的物理过程 当管电压较高时, 可以见到连续 X 射线强度分布曲线上出现几个尖锐的高峰 ( 与高峰相应波长 的 X 射线强度突然增大 ), 这是叠加在连续 X 射线上的另一类 X 射线, 称为标识 X 射线鸽靶在较高 管电压时 x 射线的强度分布曲线如图 6-4 所示当管电压升高到 70 kv 以上时, 连续谱在 0.02 且 m 附近叠加了四条谱线, 在曲线上出现了四个高峰当电压继续升高时, 连续谱发生很大改变, 但这四 时ι一条标识谱线在图中的位置却始终不变, 即它们的波长不变, 图中的四条谱线就是图 6-2 中未曾分开的 K 线 n 产生机制高速电子将内层电子打出 ( 离开原子 ) 使之成为自由电子 ( 称为光电子 ), 使原子内电子层出现空位这样, 按能量分布最低的原则, 处于高能态的外壳层电子必然要向内壳层跃迁填补内壳层电子空位, 在跃迁过程中必定放出多余的能量, 这个能量以 x 射线辐射的形式表现出来, 即高速电子把原子核外内层电子击出的过程中伴随的标识 x 射线的电磁辐射, 称标识辐射 Ccharacteristis X -radia tion) 当高速电子进入靶内时, 如果它与某个原子的内层电子发生强烈相互作用, 就有可能把一部分动 114 能传递给这个电子, 使它从原子中脱出, 从而在原子的内层电子中出现一个空位如果被打出去的是 K 层电子, 则空出来的位置就会被 L M 或更外层的电子跃迁填充, 并在跃迁过程中发出一个光子, 而光子能量等于两个能级的能量差这样发出的几条谱线, 组成标识谱的 K 线系 o 如果空位出现在 L

120 第二篇普通X层 ( 这个空位可能是由于高速电子直接把一个 L 层电子轰击出去, 也可能是由于 L 层电子跃迁到了 K 层留下的空位 ), 那么这个空位就可能由 M N 0 层的电子来补充, 并在跃迁过程中发出一个 x 光 子, 形成标识谱的 L 线系由于离核愈远的电子, 能级差愈小, 所以 L 线系各谱线的波长比 K 系的大 金必 djf 护 些同理, M 系的波长又更大些 aux射线相对强度句tnofda-qd941inυav AV l 波长 (nm) 0.04 图 6-4 2) 标识谱的特性从图 6-4 可以看出, 标识 X 射线具有如下特点 : 1 为线状光谱, 有不连续的波长分布 : 2 波长与阳靶材料有关根据其波长即可判断阳靶是由什么材料构成标识 " 之名称即由此而 来 : 3 在较高管电压下才产生标识 X 射线, 但其波长与管电压的大小无关 o 200kV 第六章x 射线谱线影像鸽在较高管电压下的 医学影像物理学 射3. X 射线管的焦点及焦点的性能参量 (1) 实际焦点和有效焦点 1) 实际焦点灯丝发射的电子, 经聚焦加速后, 投射在阳极靶上的面积 o 实际焦点的太小和灯 丝的形状有关长灯丝所形成的焦点叫大焦点, 短灯丝形成的焦点叫小焦点, 可根据需要选择使用 实际焦点的大小直接影响 x 射线管的散热和影像的清晰度 2) 有效焦点 ( 目视焦点 ) X 射线管的实际焦点在垂直于 X 射线管轴线方向上投影的面积, 即 x 射线照射在胶片上的有效面积有效焦点与靶的倾斜度, 即靶角 (target angle) () 有关, 靶角越小, 有效 焦点的面积越小焦点愈小, X 射线透视或照相在荧光屏或照相底片上所成的像愈清晰 o 一般诊断 用的 x 射线管采用小焦点, 而治疗用 x 射线管则采用大焦点另一方面, 为了降低阳极靶面的温度, 大功率的 X 射线管多采用旋转阳极, 使受撞击面不断改变, 将热量分散到较大的面积上 (2)X 射线管焦点性能参量 nx 射线管焦点方位特性 一般是越靠向 x 射线管阴极方向所得到的有效焦点越大, 而越靠向 x 射线管阳极方向所得有效焦点越小这一特性被称为焦点的方位特性 (azimuth character) 0 2) 焦点的 X 线量的分布在 X 射线管中, 实际焦点上 X 射线强度的分布是不均匀分布由于形成的主 副焦点的位置分布不同及电子密度的分布不同, 使焦点宽度方向上 X 射线强度分布不均匀而形成双峰 三峰 或四峰分布的情形 X 射线强度在实际焦点上的不均匀分布决定于两个因素, 一是到达靶面各处的电子密度不尽相同 : 二是到达靶面上各处的电子与靶原子作用的情况不同, 因此, 从靶面上各处辐射的单个 x 光子的能量也不相同 3) 管球焦点对成像的影响 小, 得到的影像越清晰 有效焦点的大小直接关系到 X 射线所成影像的清晰度, 有效焦点越 115

121 需 g qy J 如图 6-5 所示, 当有效焦点为点光源时, 胶片上的图像界线分明, 图像边界的清晰度高当有效焦点是面积为 5, 线度为 AB 的面光源时, 胶片上图像边 有效焦点 缘区域 P 由于线光源 AB 不能完全投照其上而出现 学电子学基础与医学影像物理学对影像清晰度的影响医半阴影, 这种半阴影在 x 射线影像中称为半影, 半影的出现影响着影像的清晰度, 使影像的边缘模糊不清, 严重时甚至造成影像无法辨认 半影 P 的大小为 P 二一兰 --;5, 可见, 欲使半影缩 f-d 小, 除了缩小有效焦点的面积 S 外, 还应尽可能地缩短被摄部位与胶片间的距离 d 另外, X 射线管焦点面上 X 射线强度的分布不均匀, 这将会对 X 射线影像质量产生影响 图 6-5 半影 有效焦点尺寸 4.X 射线管的容量 (I) x 射线管的容量 1) 定义大量速度极高的电子打在阳极靶上将产生很多热量, 允许产热 ( 或能承受热量 ) 的最太 负荷量, 称为 x 射线管的容量 2) 计算公式 X 射线管的容量通常用其最高管电压与管电流的乘积来表示, 即 ptleie 一一 1000 式中,[j 二为管电压的有效值, 单位为 kv: Ie 为管电流的有效值, 单位为 ma:p 为容量, 单位为 kwo ) 影响容量的因素 1) 实际焦点的太小 : 2) 管电压的高低 : 3) 管电流的大小 : 4)X 射线管连续使用时间 : 5) 焦点上电子分布的情况 : 6) 阳极的构造及冷却方式 二 X 射线辐射场的空间分布 l. X 射线的基本性质 X 射线是波长很短的电磁波, 以光的速度直线前进, 其波长范围为 ~50 nm 目前 X 射线 诊断常用的波长范围为 0.008~0.031 nm ( 相当于管电压 40~150 kv) 在电磁辐射谱中, 居 y 射线和紫外线之间, 比可见光的波长要短得多, 肉眼看不见 x 射线具有电磁波的各种特性, 其与临床诊疗有关的特性有如下几个方面 (1) 穿透作用由于 X 射线波长短, 具有较高的能量, 物质对其吸收较弱, 因此它有很强的贯穿本领 x 射线的贯穿本领不仅与 X 射线的能量有关, 还与被穿透的物质本身结构和原子性质有关因此不同的物质, X 射线的贯穿本领也不同同 -X 射线, 对原子序数较低的元素所组成的物体, 其贯穿本领较强 ; 而对原子序数较高的元素组成的物体, 贯穿本领相对较弱因此, X 射线对人体不同组织的穿透 116 性也是不同的, 它是 X 射线医学影像学的基础穿透性与管电压和被照体的密度有关, 管电压愈高, 被照体密度愈低, X 线穿透力就愈强 : 相反则愈弱医学上利用 x 射线的贯穿本领和不同物质对它

122 N JtV属于可透性组织, 如体内气体 脂肪 一些脏器和肌肉等 z 其二是属于中等可透性组织, 如结缔组织 软 骨等 z 第三是不易透过性组织, 如骨略 盐类等 / J - 民飞/飞飞//JJ ι 主V篇医学影像物理学 第六章川JJ卢j第 普通X射线影像吸收程度的不同进行 X 射线透视 摄影和防护 X 射线对人体组织的穿透作用可分为三类. 其一是 ) 荧光作用 x 射线能激发荧光物质 ( 如铀辄化坝 鸽酸钙等 产生肉眼可见的荧光, 荧光的强弱与 x 钱量的 多少有关. 当一定量的 X 钱穿透密度和厚度大的物体时, 被吸收多 透过少, 激发荧光少, 亮度暗 z 相 反则亮度强医学中的 x 射线透视就是用荧光作用来观察 X 射线透过人体后所成的影像. 此特性 是 X 线透视检查的基础. (3) 感光作用 X 线照射到胶片上, 使胶片上的澳化银感光, 银离于 <Ag+ ) 被还原成金属银 <Ag). 经显 定影处理 后, 沉淀于胶片的胶膜内, 在胶片上呈黑色 z 而未感光的漠化银在定影及忡洗过程中, 从 X 线胶片上 被洗掉, 显出胶片片基的透明本色由于 X 线照射量不同, 金属银沉淀也不同, 从而产生黑白对比的 影像. 感光作用是 x 钱摄影的基础. (4) 电离作用 x 射线通过任何物质都会使该物质产生电寓, 电离程度与 X 射线的量成正比. 例如.X 射线通过 空气时, 壁气的电离程度与空气所吸收的 X 射线量成正比, 因而通过测量空气的电离的程度可计算 X 射线的照射量 X 射线的电离作用是放射剂量学的基础. (5) 生物效应 X 射线照射生物体, 能使生物体产生各种生物效应, 如, 使机体细胞组织产生抑制 损害甚至坏死 等生理和生物的改变. 由于人体各种组织细胞对 X 射线的敏感性不同, 受到的损伤程度也就有差 异 x 射线的这种性质可用来杀死某些敏感性很强 分裂旺盛的癌细胞等, 以达到治疗的目的. x 射 线对 E 常组织也有损害作用, 所以射线工作者耍特别注意防护 X 线的生物效应是 X 钱治疗学和 x 线防护学的基础. 从上述可知.X 线的穿透 荧光和感光作用与医学影像诊断有关, x 线的穿透 电离和生物作用与 放射治疗 防护有关. 2. X 射线的强度和硬度 <1l x 射线的强度 (Inter 回 ty of X-rays) 1) 定义 X 射线在空间某一点的强度是单位时间内通过单位横截面积的辐射能量, 单位为 w. rx32. 2) X 射线强度的计算 1 单色 X 射线强度 I 为 I~ N'hr 式中 N 为单位时间内通过单位横截面积上的 X 光于数日.hr 为每个光子的能量. 2 复色 x 射线强度 I 为 I 二 2: N, hv, 式中 N,, N,,'" N 二分别表示单位时间通过单位面积 垂直于射线方向 ) 的能量为 hr, hr, hr. 的光子数. 由此可知, 有两种办法可使 x 射线强度增加. 一是增加管电流, 使单位时间内轰击阳极靶的高 速电子数目增多, 从而增加所产生的光子数目 N, 二是增加管电压, 可使每个光子的能量 hri 增加. 由于光于数不晶测出, 故通常采用管电流的毫安数 (ma) 来间接表示 x 射线的强度太小, 称为毫安率. 117

123 学电子学基础与医学影像物理学我 P JT / 飞川二 ~ç' 医在管电压一定的情况下, X 射线管灯丝电流越大, 灯丝温度越高, 则发射的热电子数目越多, 管电 流就越大. 因此, 常用调节灯丝电流的方法改变管电流, 以达到控制 x 射线强度的目的. 由于 X 射线通过任一截面积的总辐射能量不仅与管电流成正比, 而且还与照射时间成正比, 因 此常用管电流的毫安数 (ma) 与辐射时间 ω 的乘积表示 x 射线的总辐射能量, 其单位为 ma.so 3) 影响连续 X 射线强度的因素 1 靶物质的影响由于 [o:; Z, 对于连续 x 射线的强度, 在管电压 U 管电流 z 固定时, 与阳极靶的原子序数 Z 成正比 2 管电流的影响因为 Ioci. 在管电压 U 靶材 原子序数 z) 固定时 x 射线的强度取决于管电流管电流越太, 在 X 射线管中被加速的电于数量越多, 产生的 X 射线强度也就越太. 3 管电压的影响因为 [0:; U', 当管电流 靶材 ( 原子序数 z) 固定时, 随管电压的升高, 连续 x 射线谱的最短波长和最大强度所对应的波长均向短波方向移动, 这就使得 X 射线的高能成分所占比例增加, X 射线强度提高考虑以上因素的影响, 连续 X 射线的总强度可用下面公式近似表示 [a = K. Z. i. U'" 式中 K 为常数, 约 Xl0-', m 约等于 2. 4) 测量 X 射线强度的方法 用 x 射线在雪气中产生电离电荷的多少来测定 X 射线的照射量, 进而反映出 X 射线强度的大 小 - (Z )X 射线的硬度 (hardn 四 S of X-ray) x 射线的硬度是指 x 射线的质 线质 也就是 X 射线的贯穿本领, 即穿透物质的能力. 它只决定 于光于的能量 hv, 而与光于数目无关. 对于一定的吸收物质, X 射线被吸收愈少则贯穿的量愈多, X 射线就愈硬, 或者说硬度愈大回 X 射线管的管电压愈高, 则轰击靶面的电子动能愈大, 发射光子的能量也愈大, 而光于能量愈太愈不易被物质吸收, 即管电压愈高产生的 X 射线愈硬. 在医学上通常用管电压的干伏数 (kv) 来表示 x 射线的硬度, 称为干伏率, 并通过调节管电压来控制 X 射线的硬度. 在医学上, 根据用途把 X 射线按硬度分为极软 软 硬和极硬四类. 3. X 射线的滤过和硬化 C1l x 射线的滤过 1l 定义 x 射线穿过一定的物质后, 使部分较软 x 射线的相对强度降低, 从而提高 x 射线的有 效能量, 线质变硬, 称为 X 射线的滤过. 2) 分类 X 射线的滤过分固有滤过 ( 经 X 射线管壁的滤过 和附加滤过 在 X 射线管外的滤波板 的滤过 1 固有滤过 2 附加滤过 从 x 射线管阳极发射出的原级 x 射线穿过管壁后, 被吸收一部分, 称为固有滤过 为了适应不同的需要, 在 X 射线管射出的 X 射线到达被投照部位前放置一定的 物体, 也会产生滤过, 称为附加滤过. 附加滤过后提高了 x 射线的有效能量, 线质变硬了. 在实际应用上多采用密度均匀的金属滤波板, 当管电压较低时一般采用铝滤波板, 在管电压较高时多采用铜铝滤被板. )x 射线的硬化 x 射线穿过一定的物质后, 能量较低的 x 射线衰减系数较大, 从而出射 x 射线中的长被成分变小, X 射线光子的平均能量增加, 硬度增加, 称为 X 射线的硬化 辐射场的角分布 ( 辐射强度空间分布 ) (1l 定义

124 N JtV均匀的分布称为辐射强度雪间分布或称辐射场的角分布. 薄靶周围 x 射线强度的角分布 / J - 民飞/飞飞//JJ ι 主V篇医学影像物理学 第六章川JJ卢j第 普通X射线影像从阳极靶上发射的 X 射线与辐射方向有关, 即在不同的方位角上的辐射强度是不同的, 这种不 薄靶在不同管电压下产生的 x 射线的空间分布特点是, 当工作电压在 100 kv 左右时.X 射线在 各方向上强度基本相等, 当管电压升高时.X 射线最大强度方向逐渐趋向电子束的入射方向, 其它方 向的强度分布所占比重逐渐减少.X 射线的强度分布趋于集中. (3) 厚靶的 X 射线空间分布 1) 厚靶 X 射线管 阳极靶较厚. 2) " 足跟 " 效应 ( 阳极效应 是指愈靠近阳极, 沿管长轴分布的 X 射线强度下降得愈多的现象, 就是所谓的 " 足跟 " 效应. 三 X 射线在介质中的衰减 1. 作用概率与截面 (1) 作用概率 设单能 X 射线柬入射某物质, 物质的厚度为 t;. L. 入射的强度为 ι, 出射时强度为 1. 若令 t;.i= 1 t;.i - 10' 则 10 表示束流减弱的程度, 则作用概率甲可用下式表示 t;.i 发生作用的粒子数 甲 10 入射的 X 光于数 其物理意义是.X 射线通过物质层 t;.l 时强度的相对减弱, 也表示一个粒子与物质相互作用的概 率 - (2) 作用截面 反应截面 若靶粒子密度为 N. 通过靶物质的厚度为 t;. L.mtl No t;.l 表示底面积为单位面积, 长为 t;.l 的柱 体内的靶粒子数, 即单位面积内靶粒子数. 1l 作用截面 一个入射粒于与一个靶粒于发生相互作用的概率, 可表示为 t;.i /1 σ 二一 No t;.l 单位是巴凰 (barn). 符号为 b.1 b = 10-28m2 0 导出 于川 o t;.l 1= Ioe-U"NOL 从上式可知, 入射束的强度, 将随着穿过物质的厚度而呈指数形式减少, 其中 an 为决定指数函数形 式的系数. 它与物理学中物质对 X 射线的指数吸收规律 1 = Ioe-ι 形式是一样的, 显然 N 就是线性 衰减系数 μ 可见, 作用截面与衰减矗数, 只是同一物理性质的不同表达方式. 2) 衰减截面 转移截面 每一原子的相互作用截面 σ. 表示每一原于对入射光子的有效能量转移面积. 应注意, 一种作 用形式对应一种作用截面. 3) 总截面 σ 与吸收截面冉 散射截面鸟和电子偶截面 a, 间的关系 与衰减系数 μ 相对应, 衰减截面 σ 是总截面, 它是吸收 ( 或光电 截面岛 散射截面鸟和电于偶 截面马之和. 表示为, σ=σ'.+σ" +σe 119

125 学电子学基础与医学影像物理学干散射或经典散射如果光子和原子中束缚得较弱医需 g qy J 2.X 射线与物质作用的主要形式 (1) 光电效应 (photoelectric effect) 光子将其全部能量传递给原子的轨道电子, 光子消失, 获得能量的电子脱离原子的束缚而成为自 由电子 ( 称为光电子 ), 这一过程称为光电效应光电子的动能等于入射光子的能量减去该出射光电子在原来所在原子壳层中的结合能, 即 muz=hy 一 W 由此可见, 入射光子的能量若低于这个结合能时, 则光电效应不能发生 生物组织中, 完全可以发生光电效应发生光电 效应时, 光电子从原子内壳层出射后, 外壳层的电子 将填补空穴, 随之辐射出标识 X 射线, 如图 6-6 所示 (2) 康普顿散射 1) 散射 散射是 x 射线光子进入吸收物质时与 原子中的电子相互作用而改变了进行方向的现象 这种相互作用可以看成是两个粒子间的弹性碰撞 如果光子和原子中束缚得很紧的电子碰撞, 因为束缚 光电子 电子不会脱离原子, 所以光子只改变了进行方向而无 能量损失, 因为波长也没有改变, 这种过程称之为相 图 6-6 光电吸收 的电子发生碰撞, 情况就不同了所谓束缚得较弱的电子是指结合能很小的外层电子, 或者说电子的结合能比入射光子的能量小很多的电子实际上对于几十千电子伏特 (kev) 能量的光子来说, 肌体的软组织的全部电子都可以看成是束缚得很弱的电子 x 射线光子与这些电子相互作用时, 可以把一部分能量传给电子, 使它脱出原子成为反冲电子, 光子本身能量减小, 波长增加, 并改变了进行方向这种改变波长和进行方向的 x 光子能量的散射称为不相干散射或康普顿散射 2) 康普顿散射光子与原子核外的电子 ( 多为外层电子 ) 发生弹性碰撞, 一部分能量转移给电子, 使它脱离原子成为反冲电子, 而散射光子的能量和运动方向发生变化, 这一过程称为康普顿效应 (Compton effect), 或康普顿散射是康普顿 1923 年发现的康普顿效应中光子只损失部分能量, 散射光波长向长波方向移动康普顿散射实际上是能量较大的入射光子在被束缚得很弱的电子或自由电子上发生的散射 理论上可以导出, 散射波线波长的改变量 Aλ 二 λ λ, 与康普顿波长 λ 及散射角有以下关系 Aλ=λ (1 - cos8) Àn = ~ = x 10-12m 口 lec 康普顿散射的发生概率与单位体积内的电子总数成正比由于原子序数高的物质一般单位体积内的电子数也较多, 所以康普顿散在原子序数高的物质中发生的可能性大些 (3) 电子对效应 (electron pairing effect) 1) 定义入射光子与原子核周围的电场相互作用时, 一个光子的全部能量会转变为具有静止质量的一个负电子和一个正电子, 这一现象称为电子对效应电子对效应中的电子总动能为 Eke 二 hy MeV 120 可见, 能产生电子对效应的光子能量 hy 必须大于 ) 电子对的涅灭辐射 ( 涅灭效应 ) 一般情况下, 正电子与负电子各自得到总动能 EKe 的一半 MeV

126 JtV当它们通过物质时, 会通过电离或激发逐渐丧失其动能, 在正电于动能完全丧失时, 会与物质中的自由电于复合, 两电子消失, 而产生飞行方向相反, 能量各为 MeV 的两个光子, 称为电子对的理灭辐射或理灭效应. / J - /N民V飞飞飞//JJ ι 主川JJ卢j(4) 主要作用形式小结 X 射线与物质作用的主要形式归结为表 6-1. 第 表 6.1 光于能量光于与物圃作用形式 MeV MeV 二种形式都存在光电效应占主导地位康普顿散射占主导地位电子肘鼓应占优费 MeV MeV 综上所述.X 光于能量较小时, 主要作用是光电效应, 中等能量时是康普顿散射, 高能量时是电子普对效应. 但在这些作用过程中伴随着次级射线和次级带电粒子的产生. 次级射线有康普顿散射射 线 光电效应中的标识 X 射线 电于偶 " 涅灭 " 时发出的两个 MeV 的光于. 次级带电粒子包括光电于 康普顿散射中的反冲电于 电子偶次级射线比原发射线能量小, 因此更容易被物质吸收. 又由于次级射线进行方向与原发射线不 篇医学影像物理学 X 射线与物质作用的主要形式第六章通X射同, 所以在 x 射线的诊断中干扰成像的清晰程度, 同时在对其防护上也应加以注意, 另外, 我们所说 的 X 射线的电离作用 荧光作用 化学作用 生物效应等几乎都是由次级带电粒子所产生的 X 射线能量范围一般不超过 0.3 MeV. 显然电子对效应不能发生. 线影像但目前医学影像中使用的 3. 吸收衰减的规律 <1l 物质对 X 射线的吸收 当 x 射线通过物质时.X 光于能与物质中的原子发生多种相互作用. 在作用过程中, 一部分 x 光于被吸收并转化为其它形式的能量, 一部分 X 光子被物质散射而改变方向, 因此在 X 射线原来方 向上的强度衰减了, 这种现象称为物质对 X 射线的吸收 ) 单能窄柬 X 射线的吸收衰减规律 单能 X 射线是指由能量相同的光子组成的 X 射线, 窄束 X 射线是指 X 射线中不存在散射成分. 实际中是把通过钻有细长孔的厚铅板做成的准直器之后的 x 射线看作窄 x 射线柬. 单能窄束 X 射线的吸收衰减规律, -t>.i~ μ tj. L. ~tj.l O. 则 d1~ -μ1dl 1 ~ 10e-μL 式中.1 0 是入射 X 射线强度 ; 1 是穿过厚度为 L 的均匀物质后 X 射线的强度 :μ 称为线性衰减系数 ( 线性吸收矗数 如果厚度 L 的单位为 m.μ 则的单位为 m1. 显然, μ 愈大则射线强度在物质中 衰减愈快, μ 愈小则衰减愈慢 a 1l 线性衰减系数 (1in 田.r attenuation efficienû 由式 t>.i ~μ1tj.l 和 d1~ μ1dl 可得 _di...l μ_ t>.i 曲..= 1 tj.l - 同俨 1 dl 线性衰减系数 μ 的物理意义是.X 射线穿过单位厚度的物质薄层时, 强度减弱的百分数, 或单位厚度的作用概率. 121

127 我 P JT / 飞川二 ~ç' 学电子学基础与医学影像物理即医学显然, 作用截面可表示为 σ 主 111 _.K tj.l'n N 总的线性衰减系数等于各种作用的线性衰减系数的和 D 质量衰减系数 (ma 卧 attenuation coefficienû 粒于数密度 ( 单位体积内物质分子的数目 )N 为 于是线性衰减系数又可表示为 N~ 孟 'NA μ 二盏.NA.a 为消除 p 的相关性, 弓 入质量衰减系数 μ 俐, 线性衰减系数 μ 与密度 p 的比值称为质量衰减矗数, 向 = 且 ~ 一 ~ _tj.1._l_ P 1. tj.l'p 1 tj.lm 可见, μm 与靶物质的物理状态无关, 仅决定于作用截面 σ 上式中的 tj.lm~p. tj.l 称为质量厚度 <mass thickn 四 ). 它表示单位截面积上的物质质量. 所以, 严 " 也是穿过物体单位质量厚度的作用概率. 质量衰减系数用来比较各种物质对 X 射线的吸收本领. 一种物质由液态或固态转变为气态时, 密度变化很大, 但 I'm 值都是相同的总质量衰减系数也等于各分质量衰减系数之和. 这样吸收衰减规律也可表示为 1~ 100μ 皿 Lm 式中 Lm~ L'p, 为质量厚度. 3) 半价层 X 射线在某种物质中强度被衰减一半的厚度 或质量厚度 ). 称为该种物质的半价层 (ha1f valuo layer)" X 射线对物质的穿透本领常用半价层来表示半价层与衰减矗数之间的关系式为 L n ~ ln2 ~ O 尼 - 一 μμ ---- 或 L_. n ~ ln2 ~ 一 --- ml 尼 μmμm 我们也可以用半价层来表示物质对 X 射线的衰减规律 L I 二 ι( ) 古或 1 ~ 10 (~ ) 功 各种物质的衰减系数都与射线波长有关, 因此以上各式只适用于单色射线柬. 四 x 射线在人体组织内的衰减 1. 混合物和化合物的质量衰减系数 混合物和化合物都是由多种元素组成的, 夺各元素的质量衰减系数分别为 μ 削, 冉世, μ 时,, μ=" 则化舍物或混合物总的质量衰减系数为 向二 2: 向,.P; 其中 'Pi 表示第 z 种元素在化合物或泪舍物中其质量占总质量的百分数 化合物的有效原子序数 光于与物质的作用截面随物质原子序数的增加而增大, 故射线束的线性衰减系数也随原子序数

128 JtVX3. 连续能谱 X 射线在物质中的衰减规律线影像用有效原子序数 或称平均原子序数 来描述其对 x 射线的衰减性质. (1l 有效原子序数 如果某元素对 X 射线的质量衰减系数与某化合物或泪合物的质量衰减系数相同, 该元素的原于 序数称为某化合物或混合物的有效原子序数, 有效原子序数 ( 平均原子序数 的计算公式 在医用诊断 x 射线的能量范围内 ( kev), 有效原子序数的计算公式为 E 二 (~a;z1 叫 Etz 式中.aj 为第 z 种元素在单位体积中电子数的占有比率, Zi 为第 t 种元素的原子序数 (3) 有效原子序数计算的近似公式 [ 坦 ]~ X 射线有较强的衰减对于混合物或化合物常采 / J - 章的增加而显著地增大所以高原子序数的物质对 /N民V飞飞飞//JJ Z~ ~a~; 普式中.ai 为第 z 种元素原于在分于中的原子个数, Zì. 为第 z 种元素的原子序数 ι 主篇医学影像物理学 川JJ卢j第 第六(1) 连续 X 射线在物质中的衰减规律 连续能谱窄束 X 射线的衰减公式 I ~ I, + I, + +ι 二 e 式中. 11' ι.... J 叫 L+ Io2e-,u2L+ + Ione- P."L 1n 表示各种能量 x 射线束的透过强度 ,. 10π 表示各种能量 x 射线束的入 射强度 g 凹 ' 问, 的表示各种能量的线性衰减系数, L 为吸收物质层的厚度 当连续 X 射线通过物质层时, 其量和质都有变化. 特点是, X 射线强度变小 ( 量减小 ), 硬度变大 ( 质提高 ). 这是由于低能光子容易被吸收, 致使 x 线束通过物质后高能光子在射线束中所占比率相 对变大的原故. 也就是说各种波长的 X 射线的强度均降低, 但长波 X 射线衰减比例越大, 最终使连 续 X 射线光子的平均能量增加, X 射线硬度增大. 决定衰减程度的因素 X 射线穿过物体时, 决定其衰减程度的因素 2 llx 射线本身的性质 2) 吸收物质的性质 1 物质的密度 2 物质的原子序数 3 每干克物质啻有的电子数 一般的说, 射线能量越商, 衰减越少. 吸收物质的密度越大, 原子序数越高, 每克的电子数越多 时, 使 x 射线衰减的能力就越强 通射4. X 射线在人体组织内的衰减 (1) 人体的物质组成从物质构成上看, 人体由骨儒 软组织 肺和消化道以及腔体内的气体组成. 骨憾由肢体蛋白和钙组成, 软组织占人体组织的大部分, 其中包括肌陶和脂肪等. )X 射线与人体组织的相互作用 诊断用 x 射线与人体组织相互作用时, 除一部分为直接透射外, 主要作用形式为光电效应和康 普顿散射 123

129 我 P JT / 飞川二 ~ç' 医学电子学基础与医学影像物理X 射线通过人体时强度变弱, 应用下面的单能宽束 (broad b 田皿 )x 射线衰减公式描述 I ~ B10e 式中, B 称为积累因子, 严 ' 为被检物质的有效线性衰减系数.d 为被检物质的厚度 五 X 线成像 l. X 线成像原理 (llx 线影像的形成基于的三个基本条件 llx 线具有一定的穿透力, 能穿透人体的组织结构 g 2) 被穿透的组织结构存在着密度和厚度的差异. x 线在穿透过程中被吸收的量不同, 以致剩余 下来的 x 射线量有差别 z 3) 有差别的剩余 X 射线, 是不可见的, 需经过显像过程例如经 X 线片的显示, 就能获得具有黑 白对比 层次差异的 x 线影像 a μ 'd 学的部分则相反, 于是在 x 射线片和荧屏上显示出黑白对比和明晴差别的影像. 所以.x 射线成像与组织结构和器官厚度也有关. 当强度均匀的 X 射线穿透不同厚度 不同密度的组织结构时, 由于吸收程度不同, 在 X 射线图像上显示出黑白对比或在荧屏上显示出具有明晴差异的 层次丰富的 X 线影像. 例如, 在正常人体结构中, 胸部的肋骨密度高, 对 X 钱吸收事, 照片上呈透亮影, 肺部密度低.x 线吸收少, 照片上呈黑影 B 病理变化也可使人体组织密度发生改变, 不同组织密度的病理变化可产生相应的病理 x 钱影像. 例如, 肺结核病变可产生中等密度的纤维性改变和高密度的钙化, 在胸片上出现代表病变的透亮影. 由此可见, 组织结构和器官密度及厚度的差别, 是产生影像对比的基础, 是 X 线成像的基本条件. 应当指出, 密度与厚度在成像中所起的作用耍看哪一个占优势. 例如, 在胸部, 肋骨密度商但厚度小, 而 It., 脏大血管密度凰低, 但厚度大, 因而心脏大血管的影像反而比肋骨影像自同样, 胸腔大量积液的密度为中等, 但因厚度大, 所以其影像也比肋骨影像为白. 人工对比成像( 造影 人体有的部位所啻组织和器官密度近似, 难以形成良好的黑白对比影像. 为此, 可人为地导入密度较该组织或器官更高 ( 腆或领剂 ) 或更低 ( 气体 的物质, 形成人工的密度差别, 进而产生良好的黑白对比影像, 这就是人工对比成像的原理此法又称造影检查, 导入的物质称对比剂 ( ntr 困 t meruum) 或造影剂. 2. 直线图像特点 天然对比成像人体各组织有密度的差别, 这种差别称为天然对比. 人体组织结构的密度可归纳为三类 E 1l 属于高密度的有骨组织和钙化灶等 1 2) 中等密度的有软骨 肌肉 神经 实质器官 结缔组织以及体液等 z 3) 低密度的有脂肪组织以及存在于呼吸道 胃肠道 鼻窦和乳突内的气体等 a 人体组织结构和器官形态不同, 厚度也不一样. 厚的部分, 吸收 X 射线事, 透过的 X 射线少, 薄 (1l 影像密度 124 X 线图像是人体某部位不同密度和厚度组织结构的综合投影. 所以影像密度的概念与人体组织 结构密度的概念是不同的. 人体组织结构密度是指人体组织中单位体积内物质的质量, 而影像密度 则指 x 线图像上所示影像的黑白. 也就是说影像密度是指在胶片上白色的为高密度, 黑色的为低密

130 JtV篇医度, 灰色的为中等密度 : 在荧光屏上则与胶片表现相反. 影像的放大和失真 由于 X 射线束呈锥形, 故被照射物体的投影会出现放大和伴影, 后者则会使影像失真 / J - /N民V飞飞飞//JJ ι 主川JJ卢jX 线检查方法可分为常规检查 特殊检查和造影检查三太类. 常规检查包括透视和 X 钱摄影, 是 X 线检查中最基本和应用最广泛的方法 l. X 射线透视 <1l 定义应用荧光屏显像的检查方法一般称为 x 射线透视 CX-ray fluoroscopy) 0 适用于人体天然对比较好的部位. 如胸部透视可观察肺 心脏和大血管, 腹部透视则常用于观察隔下游离气体和胃肠道梗阻以及致密的异物. 基本原理由于人体各组织 器官在密度 厚度等方面存在差异, 对投照在其上的 x 射线的衰减各不相同, 因而对 X 射线的透射也不相同. 当从人体不同部位透射出的 X 射线与荧光屏相遇时, 可在荧光屏上形成由明睛不同的点构成的影像. 如果投照部位厚度一定, 则荧光屏上晴的地方表明与之相对应的人体部位组织器官密度高.X 射线吸收得多 z 亮的地方则表示组织器官密度低.X 射线吸收得少. 医生根据解剖学 病理学等医学知识, 分析这个影像, 可判断出该组织器官的形态和功能, 这就是普通 x 射线透视. )x 射线透视优点与缺点 1l 透视优点操作方便 简单 费用低 z 能立即得到检查结果 z 可同时观察器官的形态和动态活动情况. 例如呼吸和踊肌运动 心脏和大血管搏动 胃肠道蠕动和排空等. 此外, 还可转动病人体位进行多方向观察. 2) 透视缺点不能留下永久性记录, 不便于随访或复查时比较 z 影像对比度及清晰度较差, 难于观察密度与厚度差别小的器官以及密度与厚度较大的部位. 例如头颅 脊柱 骨盆等. 另外, 检查者不可避免 X 射线的照射 第 学影像物理学 第六章普通Xx 射线透视与 X 射线摄影线影像六 射2.X 射线影像增强器 X 射线影像增强器 (image intensifi 町. I. 1) 可把普通 X 射线透视的荧光屏亮点的亮度提商 倍影像增强器由影像增强臂 高压发生辑 光学系统等部件组成, 影像增强管是其核心部件 <1l 影像增强管的结构和工作原理影像增强管的基本结构有输入屏 光电阴极 聚焦电极 阳极 输出屏等. x 射线管发出的 x 射线, 透过被检查的人体组织, 进入真空玻璃管, 并投射到输入屏, 将被检查部位的 X 射线影像转换为 荧光影像. 荧光照射光电阴极产生电子影像, 经聚焦和阳极电场的加速打在输出荧光屏上, 再次转换 为亮度太太加强的荧光影像. 影像增强管的亮度增益通常把输出屏影像亮度与输入屏影像亮度的比值定义为影像增强管的亮度增益 (3) 影像增强器的优点 1l 使 X 射线电视 X 射线电影 磁带录像和遥控得以实现, 摆脱了暗室操作, 为隔室操作 会诊 教 学提供了条件, 也使 X 射线影像的存贮方式发生了变革. 果. 2) 输出影像的分辨力比普通 x 射线透视的影像分辨力高得多, 大大提高了对细微病变检查的效 125

131 我 P JT / 飞川二 ~ç' 医学电子学基础与医学影像物理学3) 大大降低了被检者的受照剂量, 且使用 X 射线电视进行遥控操作, 可从根本上消除 X 射线对操作人员的辐射危害, 改善了 x 射线诊断的防护条件. 3. X 射线摄影 (llx 射线摄影 CX-ray roentgengr 田 n) 1l 定义应用 x 射线胶片显像的方法称为 x 射线摄影它适用于人体任何部位. 2) 基本原理用胶片代替荧光屏, 透过人体的 X 射线就作用在胶片上, 由于各组织器官的密度 厚度不同, 对 X 射线的衰减不同, 对胶片的感光程度也就不同, 于是形成 X 射线投影像, 这就是普通 x 射线摄影. 注意, 在胶片上影像的黑白与荧光屏上影像的明晴正好相反 3) 优缺点摄片的优点是应用范围广, 受检者受照 X 线量相对较少, 影像较清晰, 并可作永久性资料保存, 随时进行教学科研或复查对照. 其缺点是被检范围受照片太小限制, 不能动态观察器官活动等. )x 射线胶片肢片的主要特性是感光, 从而形成潜影 Clatent image), 经过对带有潜影的 x 射线胶片的处理 ( 显影 定影等 ). 使胶片上的潜影转变为可见的由不同光密度组成的灰度分布像. llx 射线胶片的构造胶片中间是无色或淡蓝色透明的片基, 片基两边是感光层, 片基与感光层之间涂有粘结剂, 使两者紧密贴合. 感光层外面是一层薄薄的保护膜 2) 胶片黑度 x 射线照射的胶片, 经过显影 定影后, 肢片感光层中的卤化银被还原成金属银残留在胶片上, 形成由金属银颗粒组成的黑色影像. 胶片变黑的程度称为胶片黑度. 可表示为 D~lg ( 于 ) 式中.10 是投照在胶片上曝光点的光强.1 是透射曝光点后的光强. 10/1 越大, 表示该曝光点吸收光的能力越大, 黑度越大. 由黑度的定义可知, 黑度就是胶片的光密度, 也称胶片密度或影像密度. (3) 增感屏常采用的增感措施是在暗盒中将胶片夹在两片增感屏 Cintensifying screen) 之间, 然后进行曝光增感屏有三种 z 1l 金属增感屏能产生次级电子使胶片感光, 产生增感作用改善图像质量. 2) 荧光增感屏在 X 射线照射下荧光物质发光, 可使胶片的感光速度加快十倍到数百倍 3) 金属荧光增感屏与金属增感屏比较, 它感光速度大增 g 与荧光增感屏比较, 图像质量更高, 具备两者优点. (4) 滤线器滤线器 (filter) 是消除散射线的有效设备, 它能有效地吸收散射线. 核心部件为撞线栅, 它一般是用彼此平行的薄铅条间隔以能够使 X 射线通过的物质 如胶木 纸板等 构成. 依铅条的排列方式不同, 滤线栅有两种, 聚焦式滤线栅和平行滤线栅. 七 特殊 X 射线摄影 所谓特殊 X 射线摄影, 是指通过利用 X 射线的某种特殊装置和方法, 使人体的某一器官或组织, 显示出一般 X 射线摄影所不能显示的影像 软 X 射线摄影 <Soft X-ray radi 略 raphy) 40 kv 以下管电压产生的 X 射线, 因其能量低, 波长较长, 穿透物质的能力较弱, 称为 " 软 X 射

132 JtV篇医线飞用这种射线摄影称 " 软 X 射线摄影 " 可以产生软 X 射线的管球靶面有锢靶 铝靶等, 常用的是 铝靶 x 射线摄影. 软 X 射线摄影是利用人体各种组织对不同质的软 X 射线的吸收有显著差别的原理, 使密度相差 / J - /N民V飞飞飞//JJ ι 主川JJ卢j不大的脂肪 肌陶和腺体等软组织在感光胶片上形成对比良好的影像, 以利于观察软组织特别是乳房的形态变化以及痛肿等疾病. <1l 高干伏 X 射线摄影基本原理高干伏 X 射线摄影是指使用高于 120 ky( 常用 ky) 的管电压所产生的 X 射线进行的摄影检查. 需用高电压小焦点 x 射线管 特殊的滤线棒和计时装置. 主要用于显示隐蔽病灶和患者需耍短时间曝光等情况. 高千伏 x 射线摄影克服普通 x 射线摄影中骨组织完全遮挡其它组织影像的缺点, 从而在骨影中显示出其它组织的影像当管电压达到 120 ky 以上时, 各部分结构影像密度的商低受其组织原子序数和厚度的影响减少, 骨憾的影像密度与软组织和气体的影像密度相差不大, 即使相互重叠也不致为骨影所遮盖, 从而使与骨幡相重叠的软组织或骨幡本身的细小结构及啻气的管腔等变得易于观察. 可在致密影像中显示出被隐蔽的病变. ) 高干伏 X 射线摄影的优点与缺点 优点 1 层次丰富 z 2 改善因肢体厚薄及组织不同导致的影像密度差别过大的缺点, 3 可以减少毫安秒或缩短照射时阅 g 4 降低被检者所受的辐射量. 2) 缺点各组织对 X 射线的吸收差异减小, 散射线增多, 这不仅降低了影像的反差, 而且增加了照片的灰雾. 第 学影像物理学 第六章普通X2. 高千伏 X 射线摄影 <ttigh kv X.ray radi 叩 'Ilphy) 线影像射3. 体层摄影 体层摄影是通过特殊装置和操作技术获得人体某一特定层面的组织影像, 而不属于该选庭层面的结构则在摄影过程中被模糊掉的技术团即利用 X 射线管 成像胶片相对于受检体作适当运动, 使除指定层面的其它层面的影像模糊, 从而使指定层显示较为清晰的影像而不受其它层面的遮挡. 体层摄影常用于平片难于显示的较多重叠和处于较深部位的病变, 用于了解病变内部结构有无破坏 空洞或钙化, 边缘是否锐利以及病变的确切部位和范围等 4.X 射线造影及造影剂 (llx 射线造影 对于缺乏天然对比的人体组织结构或器官, 可通过 " 人工对比 " 的方法, 将某种造影剂 ( 或对比剂 引入欲检查的器官内或其周围, 使其形成物质密度差异, 从而改变器官与周围组织的 X 射线影像密 度, 显示出器官的形态和功能的方法称为 x 射线造影 a 造影检查扩大了 x 射线检查的范围, 因而应 用广泛. ) 造影剂 1l 阳性造影 JliJ ( 对比剂 指造影剂的有效原子序数大, 物质密度高, 对 X 射线吸收强, 在透视荧光屏上显示浓黑的造影剂影像, 在胶片上则是谈白的造影剂影像. 常用的有领剂和腆剂. 领剂是医用硫酸锁, 主耍用于消化道 127

133 我 P JT / 飞川二 ~ç' 医学电子学基础与医学影像物理学造影检查礁剂分为无机腆制剂 布机确制剂两类固无机模类对比剂不能作血管内注射, 多用于逆行 肾孟造影 膀脱造影 尿道造影 经侃 T" 形管胆道造影和窦道造影等 g 有机穰制剂又分为水榕性确剂和 脂榕性礁剂两类. 常用的是水榕性确剂, 该类确剂包括离子型对比剂和非离于型对比剂, 适用于各种 经血管造影 中枢神经系统检查和 CT 的增强检查. 非离子型对比剂毒副作用比离子型对比剂小. 2) 阴性造影部 u ( 对比剂 指造影剂的有效原子序数低, 物质密度小, 对 X 射线吸收差, 在透视荧光屏上显示泼白的造影剂 影像, 胶片上是浓黑的造影剂影像常用的有空气 二氧化碳和氧气. 主要用于关节腔 软组织间隙 盆腔和腹腔造影检查, 目前应用不多. 3) 造影剂的选择必须具备的条件 无毒性 无剌激性 副作用小 : 容易吸收和排糙, 不久存于体内 : 理化性能稳庭, 便于储存 : 有效原 子序数商 ( 或低 密度大 ( 或小 用于有效原子序数低 ( 或高 密度小 或大 的组织器官中, 能形成较 高的影像密度差别, 使影像清晰. 4) 造影方法 造影等 根据对比剂导入的途径不同可分为 1 直接导入法口服法, 如食管及胃肠道领餐检查 z 灌注法, 如支气管造影等 z 穿刺法, 如心血管 2 间接引入法 生理排泄法 ) 静脉注入或口服对比剂后, 对比剂选择体内某一器官排泄, 从而 使该器官显影. 常用的有静脉肾孟造影和胆系造影等. 八 X 线检查中的防护 由于 X 线对机体的生物效应, 在受到过量照射时, 不可避免地会给人体带来辐射损伤固因此, 必 须重视工作人员 病人以及环境的 x 线防护, 避免不必要的损害 1. 时间防护 指一切人员应尽可能减少在 X 射线场内停留的时间, 尽量缩短照射时间, 减少受照剂量. 2. 距离防护 35 cmg X 射线机工作时, 应尽一切可能使工作人员远离 X 射线源. 患者与 X 射线管的距离不能小于 3. 屏蔽防护 屏蔽即在 X 射线源与人员同放置一种能吸收 X 线的物质, 如铅玻璃 铅圄裙和混凝土墙壁等. 九 x 射线影像质量 1. 评价医学影像质量的参数 (1l 对比度 Ccontrast> 与对比度分辨力也 ntrast rl 目 lution) 模糊 Cunsha 甲 ne 田 ) 与细节的可见度 ( 空间分辨率 ) Cspatial resolution) (3) 噪声 Cnoise) (4) 伪影 (artifact) (5) 畸变 ( 失真 ) <distortion) 影响 X 射线影像质量的因素 (1l 影响 X 射线影像对比度的因素

134 JtV篇医学影像物理学 第六章模糊对影像质量最直接的影响是降低了影像的对比度, 进而减低细 X射线影像典型试题分析 l llx 射线胶片特性的影响 2) 被检者的影响 3) 光于能量的影响 / J - /N民V飞飞飞//JJ ι 主川JJ卢j4) 散射线的影响 模糊对 X 射线影像质量的影响 1l 模糊源与图像总模糊度及造成影像模糊的因素有 z 第 1 运动模糊, 运动模糊度 Hm 1 2 焦点模糊, 焦点模糊度马 : 3 检测器模糊, 检测器模糊度 H,. 总模糊度 H, H,~ ( 琦 + 马 + 1Pm)l l2 2) 模糊对影像质量的影响节的可见度. (3)X 射线影像中的噪声 (4 )x 射线影像中的伪影与畸变普( 一 单项选择题 通1. 为缩小有效焦点, 可 A. 缩短物片距 B. 使用滤线器 遮光板 C 使用旋转阳极 D 缩短曝光时间 E. 使用高速 增感屏 答案, c 考点 z 有效焦点. 使用滤钱器 遮光板可减少散射线, 缩短曝光时间可有效减少运动伪像, 缩短曝光时间和使用高速增感屏均与缩小有效焦点无关 : 使用旋转阳极可缩小有效焦点. 2. 关于 X 射线防护, 哪种说法不正确 A. 应重视防护, 控制辐射量并采取有效措施 B. 合理使用 x 射线检查, 保护患者与工作人员 C 尤其重视孕妇 小儿患者的防护 D 屏蔽防护是使用原子序数高的物质作为屏障的措施 E. 距离防护是利用 x 射线辐射量与距离成反比这一原理, 增加 x 射线源与人体间的距离以减少辐射量的措施答案, E 考点, X 射线防护 E 关于 X 射线防护的重要性是不言而喻的. 在防护措施方面, 技术上可以采取屏蔽防护和距离防护的原则, 其中后者是最简易的防护措施, 其理论根据是 X 射线辐射量与距离的平方成反比, 而不是 E 所描述的仅与距离成反比. 3.X 射线吸收量主要取决于 A. 待检组织的密度 B 待检组织的厚度 c. 待检组织的形状 D 待检组织的范围 E. 靶片 距 答案, A 考点, X 射线的吸收. 对 X 射线起吸收作用的主要是原子中的电子, 因此, 吸收 x 射线的多少和 物质的电子密度成正比. 由于大多数物质在 19 中有近似相同数目的电子, 因此它和物质的密度成 129

135 E. 管电流医学电子学基础与医学影像物理学我 P JT / 飞川 E 比 二 ~ç' ( 二 ) 多项选择题 4 产生定向的 实用的 X 射线应具备哪些条件 A. 电子源 B. 阳极靶 C. 管电压 D. 高度真空的环境答案, ABCD 考点 z 对 X 射线产生条件的了解, 首先应有电子源 ( 阴极 来发射电子 z 其次应有一个受电子轰击而辐射 X 射线的物体 ( 阳极靶 ), 第三要有加速电于使其增加动能的电位差 管电压 ), 第四要有一个高度真壁的环境 玻璃外壳 ), 使电子在运动过程中尽可能减少能量损耗, 保护灯丝不被氧化. X 射线管 ( 或称管球 就能产生定向的 实用的 X 射线 5. 对 X 射线而言, 在低能范围时, X 射线与物质相互作用的主要形式有 A. 光电效应 B. 康普顿散射 C. 电子对效应 D. 生物效应 E.. 足跟 " 效应 答案, ABC 考点 z 对主要作用形式的了解 目前在 X 射线诊断技术中, X 射线的能量范国是 key, 这属于低能范畴. 对 X 射线而 言, 在低能范围时, X 射线与物质相互作用的主要形式有 2 光电效应 康普顿散射和电子对效应 ( 三 论述题 6.X 射线摄影和 X 射线透视的基本原理是什么? 它们有哪些特点? 考点 z 对 x 射线摄影和 x 射线透视的基本原理的理解. 答案 = 不同组织对 X 射线的吸收能力不同, 均匀入射的 X 射线穿透人体后, 出射的 X 射线将不均匀, 使荧光屏或 X 射线胶片上显示出明晴不同或黑白不同的影像, 对 X 射线吸收强的组织对应晴影像, 吸收弱的组织对应亮影像. 注意, 在胶片上影像的黑白与荧光屏上影像的明暗正好相反. 这就是 X 射线摄影和透视的基本原理. x 射线摄影将影像记录在胶片上, 便于查阅且固像清晰, 空间分辨力高, 避免了 x 射线对检查者的照射其缺点是被检范围受照片大小限制, 不能动态观察器官活动等. x 射线透视具有直观 方便 简单 费用低廉的优点, 能立即得到检查结果, 可同时观察器官的形态和动态活动情况此外, 还可转动病人体位进行多方向观察, 缺点是不能留下永久性记录, 不便于随访或复查时比较 : 影像对比度及清晰度较差, 难于观察密度与厚度差别小的器官以及密度与厚度较太的部位, 另外, 检查者不可避免 X 射线的照射. 四 计算题 7 如果要得到连续谱中最短波长为 0.05 nm 的 X 射线, 加于 X 射线管的电压为多少? 电子到达 阳极时的动能为多少 T 考点, 对短波极限的理解. L邮U儿闹-日加剧一为情曲山u= ~c =6.626X lo.:"x3.00x lo: 答于mdx 案130 - 一一 eå"", =2.49X10' Y 1.6x10-19 xo.05x lo-' 电于到达阳极时的动能为

136 JtV篇医E,~ eu~ 1. 60X x 2.49X 10' ~3.98X J 8 己知某种物质的线性吸收罩数为 200cm- t, 现有一束单色 X 射线通过物质后的强度减弱了 90%. 该物质的厚度应为多少? / J - /N民V飞飞飞//JJ ι 主川JJ卢j考点 z 单能窄束 x 射线在物质中衰减的规律. 答案 z 设投射到物质上的射线强度为 10' 被物质吸收的强度则为 0.9ι, 因而, 出射的射线强度为 第 根据 X 射线的吸收规律 1= Ioe- fι 得到.11 0 ~ 10eμL e-,.r. ~0.1 因此 ln _., L 二一一一二一一一二 1. 15X10-' μ200 9 若壁气中各组分的质量百分比为氨 75%. 氧 23.7%. 二氧化碳 1. 3%. 试计算在能量为 10keV 光于作用下, 壁气的质量衰减系数是多少? 氮 氧 二氧化碳的质量衰减系数分别为 和 8.31 也 l.kgη. 考点 z 对混合物和化合物的质量衰减系数的了解. 答案 z 空气的质量衰减系数为 向 = 向,.,P+ 冉而 Po+ 向 2 P 2 二 0.36 x x x ~0.515 m 2 'kg- 1 之旦 j ( 一 ) 单项选择题 学影像物理学 第六章普通XO. 1 10' 线影像射1 伦琴发现 X 射线是在 A.1895 年 B.1795 年 C.1695 年 D.1885 年 2 关于 X 射线的产生, 下述哪项不正确 E.1875 年 A. 需要有自由电于群的发生 B. 电子群的高速由阴极向阳极行进 C. 绝太部分 (99% 以上 动能转变为 x 线 D 高速电子流突然受到阻挡 E. 同时产生了大量的热能 3 标识 X 射线的波长仅取决于 A. 阳极靶物质 B. 管电压 C. 管电流 D 灯丝温度 E. 阴极材料 4. X 线管是 A. 真壁荧光管 B. 真壁二极管 C. 真空五极管 D. 真壁四极管 5 产生标识 x 射线的最低激发电压 U 必须满足的关系是 A. e TJ;, 注 W B.eU~ 二 W C.eU 坦 W D.eU#W E.eUccW 6 下列关于 X 射线的本质的描述, 正确的是 E 真壁三极管 A. 只有 X 射线管球才能产生 X 线 B 凡是 X 射线都可用于影像诊断 很短的电磁披 D. 比红外线波长长 E. 披长范围为 5-10 nm C.X 射线是一种波长 7 对于给定的靶原子, 各线系的最低激发电压大小排列顺序为 A. UK>U L > U M B. UK< U L < U M C.UK> U M > U L D.UK< U M < U L E, UK 二 UL 二 U M 8. 焦片距对成像的影响 131

137 学电子学基础与医学影像物理我 P JT / 飞川二 ~ç' 医A. 与半影大小成 E 比 B 与半影大小无关 C. 与所用 X 线量成反比 E 比 E. 近距离投照, 焦片距为 cm 9.X 射线的特性, 下列哪项在临床上的应用最不重要 D 与所用 X 射线量成 A. 电离效应 B. 荧光效应 C. 穿透性 D. 摄影效应 E. 以上都不是 1O.X 射线成像的基础基于 A. 荧光效应 B. 感光效应 C. 电离效应 D 生物效应 E. 穿透性 11. 透视检查的基础基于 A. 荧光效应 B. 感光效应 C. 电离效应 D 生物效应 E. 穿透性 12.X 射线摄影的基础基于 A. 荧光效应 B. 感光效应 C. 电离效应 D. 生物效应 E. 穿透性 13.X 射线产生过程中, 电于高速运动所需能量主要取决于 A. 靶物质原子序数 B. 管电流 C. 管电压 D. 旋转阳极转速 E 灯丝焦点大小 14. 下列哪种说法是不正确的 A.X 射线图像由不同灰度影像构成 B.X 射线影像不会发生形状失真 C.X 射线束是锥形束 学A.1% B.5% C.0.1% D.0.2% E.0.5% 16. 医用胶片最常用的感光物质是 A. 氯化银 B. 澳化银 C. 融化银 D. 氯化银 + 硕化银 E. 澳化银 + 融化银 17. 不属于 X 射线装置的是 投射的 D.X 射线影像有一定放大效应 E.X 射线影像可产生伴影 15. 在产生通常诊断条件下的 x 射线时, 太部分的能量都转化为热能, 产生 x 射线的能量只占 A.X 线管 B. 变压器 C. 操作台 D. 检查床 E. 光学照相机 18. 影响 X 射线强度的因素, 正确的是 A.X 射线强度与管电压成正比 B.X 射线强度与管电压成反比 C.X 射线强度与靶物质原子序数成反比 D 管电流与产生的 X 射线光子数量成反比 E.X 射线强度与 X 射线波长成正比 19.X 射线应用于临床诊断的基本原理不包括 A. 穿透性 B. 荧光作用 C. 感光作用 D 电离作用 20. 影像诊断的主要依据和信息来源是 E. 摄影作用 A. 病史 B. 体征 C. 图像 D. 病理结果 E 检验结果 2 1. X 射线管球中的阴极产生大量的自由电子是通过 A. 高电压 小电流 B. 低电压 大电流 C 只需电流 22. 下列 x 射线产生的基本条件, 哪项不对 D. 低电压 小电流 E. 商电压 大电流 A. 电子云 B. 旋转阳极 C. 高度真空 D 电子高速运动 E. 高速电子骤然减速 23. 连续 X 射线的总强度可用下面哪个公式近似表示 A.I 总二 K"Z"i" U'" B.I" 二 K" 2'" i" U'" C. I" 二 K"Z"i'" U'" K"Z"i" U 24.X 射线产生过程中, 电于高速运动所需能量主要取决于 D. I" 二 K"i" U'" E.I 总二 A. 管电压 B. 管电流 C. 灯丝焦点大小 D 旋转阳极转速 E 靶物质原子序数 25. 在 X 射线诊断工作中, 在附加滤过一定时, 常用什么来间接描述 X 射线的质 A.X 射线管的管电压的毫安数 B.X 射线管的管电压的千伏值 C.X 射线管的管电流的毫安 数 D.X 射线管的管电流的千伏值 E. 以上都不是 在 x 射线管内产生 x 射线时, 大部分转换为热能, 其中转换为 x 射线者仅为 A.1% 以下 B.2% 以下 C.3% 以下 D.4% 以下 E.5% 以下 27. 根据薄靶产生 x 射线的雪间分布特点, 在管电压较低时, 利用

138 JtV学影像物理学 第六章普通A. 反射式靶 B 穿透式靶 C. 散射式靶 D 阳极靶 E. 电于靶 28. 哪些按照部位需加用滤线器 A. 手 B. 足 C 头部 D 大腿 E 上臂 29. 根据薄靶产生 x 射线的塑间分布特点, 在管电压较高时, 利用 A. 反射式靶 B 穿透式靶 C. 散射式靶 D 电于靶 E. 以上都不是 30. 高能电子束神奇薄靶时产生的 x 射线 / J - /N民V飞飞飞//JJ ι 主篇医川JJ卢j第 A. 集中向前方, X 射线柬变窄 B 集中向后方, X 射线柬变窄 C 集中在与电于束成垂直的方 向上 D. 沿着电子束方向上 x 射线强度相对较小 E. 以上结论都不是 3 1. 下列旋转阳极特点, 错误的是 A. 功率大 B. 有效焦点面积小 C. 曝光时间短 D. 散热能力强 E. 造价相对商 32. 目前在 x 射线诊断技术中, X 射线的能量范国是 A MeV B kev C MeV D kev E kev 33. 下列哪项表述是错误的 A.X 射线不是电磁波 B.X 射线波长范围为 nm C.X 射线居 y 射线与紫外线之 间 D.X 射线具有强穿透力 E.X 线比可见光的波长短 34. 总截面 σ 与吸收截面岛 散射截面鸟和电子偶截面 4 间的关系 A.σ=σa 冉 +σe 35. 乳腺检查, 应用 B.σ=σ~a + σ, σe C.σ=σa 町 σe D.σ=σ.+σ', +σe E.σ 岛内 +σ, +σe X射线影像133 A. 体层摄影 B. 软 X 射线摄影 C. 放大摄影 D. 荧光摄影 E. 普通摄影 36. 散射波线波长的改变量 Aλ 二 λ, 与康普顿波长 λ 及散射角有以下关系 A. <l. ~.0 (1 + c058) B. <l. ~ 2.0 (1 - cos8) C. <l. ~.0 (1-2c 囚 E.<l. ~.o (1-.8) D. <l. ~.o (1 + 2c 囚 37. 下列关于造影剂的表述, 哪项是错误的 A. 分商 低密度对比剂两类 B. 顿剂为常用造影剂 C 礁为常用造影剂 D. 水槽性腆对比剂 只有离于型 E. 低密度对比剂多为气体, 如二氧化碳 38. 吸收 x 射线能力最强的组织结构是 A. 肌肉 B. 脂肪 C. 骨幡 D. 肺组织 39.X 射线透视的优点, 下述哪项不正确 E. 肝脏 A. 可直接观察器官的活动功能 B. 费用低廉 C. 可观察身体组织的细微变化 D. 操作简单, 立即可得结果 E. 可任意旋转病人的体位, 从不同角度上进行观察 40. 下列关于软 x 射线技术的描述, 错误的是 A. 用锢靶管球 B 用鸽靶管球 C 投照时通常使用单面增感屏为减少散射线, X 线管窗口通常加薄铜板或铝板 41. 关于高千伏摄影哪项是错误的 D. 管电压 40 kv 左右 E A. 指用 80 kv 以上电压摄影 B. 观察肺间质性病变比普通平片好 C. 目前多采用 kv 摄影 D 要求毫安秒相对要低 E 主要用于观察肺实变或胸腔积液内有无肿块性病变 42. 下列关于 X 射线检查的叙述, 哪项是错误的 A. 缺乏自然对比的组织或器官, 可采用人工对比 B. 体层摄影属于特殊检查 C. 软 X 射线摄 影采用鸽靶管球发射 x 射线 D. 普通检查包括荧光透视和摄影 E. 自然对比和人工对比是 X 钱 检查的基础 43. 下述造影目前已基本掏汰, 除了 A. 静脉胆道造影 B 气腹造影 C 腹膜后充气造影 D. 气脑造影 44. 下列哪一项措施不能减少医 患人员接受的 X 射线量 E 口服胆囊造影

139 学电子学基础与医学影像物理A. 建筑材料 B 铅 c. 铁 D. 铜医我 P JT / 飞川二 ~ç' A. 隔室操作 B 使用高速增感屏 C 使用滤线栅 D 使用遮光器 E 穿戴个人防护服 45. 投照时, 焦点 胶片和被摄器官间相互关系是 A. 焦点胶片距离越大, 伴影越大, 图像越清晰 B. 肢体胶片距离越大, 伴影越小, 图像越模 糊 c. 肢体一胶片距离越小, 伴影越太, 图像越清晰 D. 焦点一胶片距离越近, 伴影越大, 图像越清 晰 E 焦点越小, 伴影越小, 图像越清晰 46. 下述关于造影剂的描述, 错误的是 A. 高密度造影剂称为阳性造影剂 B. 低密度造影剂称为阴性造影剂 C 非离于型造影剂比 离子型安全 D. 非离子型造影剂的渗透压比离子型的低 E. 非离子型造影剂比离子型造影剂价格 低廉 47. 关于 X 射线成像下列哪项是错误的 A. 组织密度和厚度的差别是产生影像对比的基础 B 组织的密度寓, 吸收的 x 射线量多, 照片 图像呈白影 C 组织的厚度小, 透过的 X 射线量少, 照片图像呈黑影 D 组织的厚度大, 透过的 x 学射线量少, 照片图像呈自影 E. 组织的密度小, 透过的 x 射线量多, 照片图像呈黑影 48. 增感屏的作用是 A. 增加 x 射线用量 B. 延长曝光时间 c. 提高图像清晰度 D 降低图像对比度 E 提高胶 片感光效应 49. 不属于低密度的组织结构是 A. 脂肪组织 B 呼吸道腔 c. 胃肠道气体 D 乳突气房 E 膀肮尿液 50. 平片难于显示重叠较多的部位, 为了解病变内部结构, 应用 A. 体层摄影 B 软线摄影 c. 放大摄影 D 荧光摄影 E. 普通摄影 5 1. 下列防护物质中, 最理想的防护物是 E 铝 ( 二 ) 多项选择题 52. 影响连续 X 射线的强度的因素主要有 A. 靶物质的影响 B. 管电流的影响 c. 管电压的影响 D. 环境的影响 E 温度的影响 53. 同步辐射产生的 X 射线有哪些特性 A. 能获得单色 x 射线 B. 是完全的钱偏振光 c. 有很好的准直性 D. 有强的辐射功率 E. 张角较太 54.X 射线的基本性质有 A. 穿透作用 B 荧光作用 c. 感光作用 D 生物效应 E. 电离作用 55. 在医学上, 根据用途把 X 射线按硬度的大小分为哪四类 A. 极软 x 射线 B. 较软 x 射线 c. 软 x 射线 D. 硬 x 射线 56. 对于单色 X 射线, 钱质可用哪些量表示 E 极硬 X 射线 的线质 A.X 光子的能量 B.X 光子波 * C.X 光于频率 D. 半价层 E. 管电压 57. 对医用 X 射线束, 在一般情况下困不需要严格的能谱分析, 故通常可用下列哪些量来表示它 A. 半价层 B. 等效能量 C.X 光于频率 D 等效波长 E 等效电压 58. 产生硬 x 射线应选用 A. 原子序数较大的材料做阳极靶 B. 原子序数较大和厚度较大的滤过板 c. 高的管电压 D. 低的管电压 E. 原子序数较小的材料做阳极靶 产生软 x 射线应选用 A. 原子序数较大的材料做阳极靶 B. 原子序数较小的材料做阳极靶 C 高的管电压 D.11 民

140 JtV的管电压 E 特殊结构的软 X 射线设备 60.X 射线辐射强度在空间的分布情况主要取决于下列哪些因素 A. 入射电子的能量 B 靶物质 C 靶厚度 D 温度 E. 真空环境 / J - /N民V飞飞飞//JJ ι 主川JJ卢j61. 关于低能电于束冲击薄靶产生的 x 射线强度分布, 下列哪些说法是 E 确的 A. 主要集中在与电子束成垂直的方向上 B. 沿着电子束方向上 X 射线强度相对较小 C 与 电子束相反方向上 x 射线强度近似为零 D. 集中向前方.X 射线束变窄 E. 集中向后方.X 射线束 变窄 第 篇 医学影像物理学 第六章62.X 射线与诊断相关的特性包括 A. 穿透性 B. 荧光效应 C. 感光效应 D. 电离效应 E. 生物效应 63. 关于衰减截面的描述正确的是 A. 表示每一原子对入射光子的有效能量转移面积 B 与作用形式有关 子的种类有关 D. 与入射粒于的能量有关 E. 与作用形式无关 64.X 线影像形成的差异与下列哪些因素有关 A. 被摄人体组织的密度 B. 被摄人体部位的厚度 C. 被摄人体的身高 D 被摄人体的体重 E 被摄人体与 X 线管球的距离 65. 光电效应产生的次级粒子有 A. 光电子 B. 正离于 产生光电子的原子 C 电子偶 D. 反忡电于 E. 新的光于 标识辐 射光于 66. 产生 X 射线的条件 A. 自由活动的电子 B. 商电压 C. 高电流 D. 电于靶 E. 电子枪 67.X 光子能量较小时, 主要作用是光电效应, 中等能量时是康普顿散射, 高能量时是电于对效 普通X射C. 与被撞击的靶粒线影像应, 在这些作用过程中伴随产生的次级射线有 A. 康普顿散射射线 B. 电子偶 " 湿灭 ' 时发出的两个 MeV 的光子 C 标识 X 射线 D. 连续 X 射线 E.α 射线 68.X 射线诊断的准确性取决于 A. 对 X 射线影像特点的认识 B. 对相关解剖结构的认识与分析 与分析 D. 正确的诊断思维方法 E. 遵循一定的原则和步骤 C 对相关病理基础的认识 69.X 光于能量较小时, 主要作用是光电效应, 中等能量时是康普顿散射, 高能量时是电于对效 应, 在这些作用过程中伴随产生的次级带电粒子包括 A. 光电子 B. 康菁顿散射中的反冲电子 C 电子偶 70.X 射线对比剂的引入方式包括 D. 中子 E. 质于 A. 口服法 B. 灌注法 C. 穿刺注入法 D 产气法 E. 腼气法 71. 对 X 射线在物质中的衰减, 下面哪些描述是 E 确的 A. 高原子序数的物质对 X 射线有较强的衰减 B. 当射线穿过相同的物体时, 密度大的物质对 X 射线的衰减能力强 C. 低原子序数的物质对 X 射线有较强的衰减 D 当射线穿过相同的物体 时, 密度小的物质对 X 射线的衰减能力强 E. 电子数目越多的物质, 更易使 x 射线衰减 72.X 射线影像的形成, 基于以下几点 A.X 射线具有穿透力, 能穿透人体结构 B. 被穿透的组织结构存在密度差别 C. 被穿透的组 织结构存在厚度差别 D. 被穿透的组织结构产生电离效应 E 经过显像过程, 形成黑白对比 层次 差异的 X 射线影像 73. 决定 x 射线柬线质的重要条件是 A. 管电流 B. 真空环境 C. 灯丝温度 74. 下述哪些措施可提高图像对比度 D.X 射线管的激发电压 E 滤过条件 135

141 学电子学基础与医学影像物理c. 被检者的配合医我 P JT / 飞川二 ~ç' A. 提高管电压 B 使用增感屏 C 延长曝光时问 D 使用遮光器 E 使用滤钱器 75.X 射线穿过物体时, 决定其衰减程度的主要因素有 A.X 射线本身的性质 B. 物质的密度 c. 原子序数 D. 每千克物质啻有的电于数 E 周围 环境 76. 造影剂的选择必须具备的条件 A. 原子序数高 ( 或低 用于有效原子序数低 ( 或高 的组织器官中, 能形成较高的影像密度差别 B. 理化性能稳定, 便于储存 c. 容易吸收和排泄, 不久存于体内 D 无毒性 无刺激性 副作用小 E. 密度大 ( 或小 用于密度小 或大 的组织器官中, 能形成较高的影像密度差别 77. 观察异常 x 射线表现肘, 应注意以下几点 A. 病变的位置和分布 B. 病变的数目 c. 病变的形状 D. 病变的边缘 E. 据官功能的改变 78.X 射线与治疗相关的特性包括 A. 穿透性 B. 荧光效应 c. 感光效应 D 电离效应 E. 生物效应学79. 评价医学影像质量的参数有 A. 对比度 B. 细节分辨力 c. 噪声 D 伪影 E. 畸变 80.X 线摄片时的曝光量与下列哪些因素有关 A. 被摄人体组织的密度 B 被摄人体部位的厚度 c. 被摄人体的身高 D 被摄人体的体重 E. 被摄人体与 X 线管球的距离 8 1. 医学影像的质量决定于 A. 成像方法 B. 设备的特点 D. 操作者选用的客观成像参数 E. 操作者 E 分压电路 选用的主观成像参数 82.X 射线的产生装置主要包括 A.X 射线管 B 低压电顿 C 高压电源 ( 三 ) 名词解释 D 整流电路 83. 半价层 84.X 射线的硬化日 5 辐射场的角分布 86 作用概率 光电效应 89. 康普顿散射 90. 作用截面 9 1. 有效原子序数 四 论述题 87 电于对效应 为什么实际中要适当选择阳极的倾角, 取 15"-19"1 93. 简述 x 射线是怎样发生的, 临床应用的 x 射线有哪些特性? 94. X 射线管的一般构造包括哪几部分, 各部分都有什么功能? 95. 什么是韧致辐射? 为什么韧致辐射是产生连续 x 射线谱的机制? 96. 为什么韧致辐射产生的连续 X 射线谱中存在最短波长 λ "", 1 最短波长 λ=. 受何种因素影响? 97. 为什么在管电压较高时多采用铜铝滤波板? 98. 什么是 X 射线的滤过? 它有哪些种类? 99. 什么是标识辐射? 为什么标识辐射是产生标识 X 射线的机制? 影响标识辐射的因素有哪 些? 136 响? 100 何为实际焦点 有效焦点 靶角? 三者间有何关系 影响焦点太小的因素有哪些? 102 为什么焦点面上 X 射线的能量分布是不均匀分布? 103. 何为半影? 影响投影像半影区大小的因素有哪些? 管球焦点对 X 射线的投影像有什么影 104 什么是 X 射线管球的容量? 为什么不能超容量使用?

142 JtVX( 五 ) 计算题线影像105.X 射线具有哪些基本性质? 106. 何为 X 射线的强度? 宫决定于哪些因素? 107.X 射线在物质内的传播过程中, 同物质发生相互作用的种类有哪几种 9 / J - /N民V飞飞飞//JJ ι 主川JJ卢j108 何为半价层? 它与哪些因素有关? 109 线性衰减系数和质量衰减系数之间有什么联系? 质量衰减系数有什么特点? 110 连续能谱 X 射线在物质中的衰减规律有什么特点? 111 试述影像增强管的基本结构和基本工作原理, 影像增强器对 X 射线影像系统产生的变革作医112. 什么是特殊 X 射线摄影? 试述软 X 射线摄影 高干伏 X 射线摄影 体层摄影的基本原理 B 113. 什么是 X 射线造影 1 X 射线造影剂有哪些种类? 114. 试述影响 x 射线影像质量的主要因素. 115 滤线板对 X 射线能起什么作用? 当同时使用两种不同物质制作的滤线板时, 应按什么顺序放置? 为什么? 第 篇 学影像物理学 第六章用. 最大值 B 116 设 X 射线管的管电压为 100 kv, 求其产生连续 X 射线的最短波长和相应的 X 光子能量的 117 在 X 射线管中, 若电子到达阳极靶面的速度为 1. 5 X 10 8 m-s- 1, 求连续 X 射线谱的最短波 长和相应的最大光子能量 X 射线的管电压为 50kV, 求连续 X 射线的最高频率 119. 设某 X 射线连续谱的短波极限为 0.1 nm. 求加于 X 射线管的管电压. 120 如果到达 X 射线管阳极的电于速度为 15.1XI0 7 m-s- 1, 求加于 X 射线管的管电压及 X 射 线连续谱的短波极限, 121 一厚为 2XI0-3 m 的铜片能使单色 X 射线的强度减弱至原来的 1 店, 试求铜的线性衰减系 数和半价层. 少? 122. 铝的线性吸收系数为 2.31 cm- 1, 强度为 I 的 x 射线, 透过 3.0 mm 厚的铝板后强度为多 123 一个连续工作的 X 射线管球, 管电压是 250 kv, 电流是 40 ma. 其容量为多少? 124 试计算水 (H, O) 的有效原子序数. 125 己知铝 CAll 对 λ~0.7x10-1o 田的 X 射线的质量吸收系数为 0.5 m 2e kg- 1 ; 铝的密度为 2.7 XI0 3 kg-m- 3, 要使波长为 0.7 X m 的 x 射线射的强度减至原来强度的 11100, 问铝板应多厚 ' 126 已知水对能量为 1 MeV 的 X 射线的 " 半价层 " 为 10.2 cm. 求 z cll 水的线性吸收系数和质量吸收系数, 此 x 射线的波长, 127. 一连续工作的 x 射线管, 工作电压是 250 kv, 电流是 40 ma. 假定产生 x 射线的效率是 0.7%, 问靶上每分钟会产生的热量有多大? 128 设 X 射线机的管电压为 80 kv, 计算光子的最大能量和 X 射线的最短波长. 129.X 射线被衰减时, 要经过几个半价层, 强度才减少到原来的 1 % 设密度为 3g.cm- 3 的物质对于某单色 X 射线束的质量衰减系数为 0.03 cm 2.g- 1, 求该射线 束分别穿过厚度为 1 mm~5 mm 和 1 cm 的吸收层后的强度为原来强度的百分数. 普通射13 1. 对波长为 nm 的射线, 铝的衰减系数为 132c 皿 " 铅的衰减系数为 2610 cm- 1 o 要和 1 mm 厚的铅层得到相同的防护效果, 铝板的厚度应为多大? 137

143 我 P JT / 飞川二 ~ç' 医学电子学基础与医学影像物理学答题要点 : ( 一 单项选择题 1.A 2.C 3.A 4.B 5.A 6.C 7.A 8.D 9.E 10.E 11.A 12.B 13.C 14.B 15.D 16.E 17.E 18.A 19.D 20.C 21. B 22.B 23.A 24.A 25.B 26.A 27.A 28.C 29.B 30.A 31. D 32.E 33.A 34.D 35.B 36.E 37.D 38.C 39.C 40.B 41.A 42.C 43.E 44.C 45.E 46.E 47.C 48.E 49.E 50.A 51.B ( 二 多项选择题 52.ABC 53.ABCD 54.ABCDE 55.ACDE 56.ABCDE 57.ABDE 58.ABC 59.BDE 60.ABC 61.ABC 62.ABC 63.ABCD 64.ABE 65.ABE 66.ABD 67.ABC 68.ABCDE 69.ABC 70.ABC 71.ABE 72.ABCE 73.DE 74.BE 75.ABCD 76.ABCDE 77.ABCDE 78.DE 79.ABCDE 80.ABE 81.ABCDE 82.ABCD ( 三 名词解释 83. 所谓半价层是使 X 射线束的强度减弱为原来一半时所需要的吸收层的厚度 84.X 射线穿过一定的物质后, 能量较低的 X 射线衰减系数较大, 从而出射 X 射线中的 * 披成分 变小.X 射线光子的平均能量增加, 硬度增加, 称为 x 射线的硬化. 85. 从阳极靶上发射的 x 射线与辐射方向有关, 即在不同的方位角上的辐射强度是不同的. 这 种不均匀的分布称为辐射强度空间分布或称辐射场的角分布. 概率 86. 作用概率表示射线通过物质层 ðl 时强度的相对减弱 z 也表示一个粒于与物质相互作用的 M 发生作用的粒于数 q~ 10 二入射的 X 光于数 87. 入射光子与原子核周围的电场相互作用时, 一个光子的全部能量会转变为具有静止质量的 一个负电子和一个正电子, 这一现象称为电子对效应. 88. 光于将其全部能量传递给物质原子的轨道电子, 光于捎失, 获得能量的电子脱离原子的束缚 而成为自由电子 ( 称为光电子 ). 这一过程称为光电效应 89. 光子与原于核外的电于 ( 多为外层电子 ) 发生弹性碰撞, 一部分能量转移给电子, 使它脱离原 子成为反神电子, 而散射光子的能量和运动方向发生变化, 这一过程称为康普顿效应, 或康普顿散射. 90. 一个入射粒子与一个靶粒子发生相互作用的概率称为作用截面. 用公式表示为 a~ ð I!1 N'ðL 9 1. 如果某元素对 X 射线的质量衰减系数与某化合物或混合物的质量衰减系数相同, 该元素的 原子序数称为某化合物或混合物的有效原子序数. ( 四 ) 论述题 92. 实际焦点的太小直接影响 X 射线管的散热和影像的清晰度面积越大, 对散热越有利. 但 实际焦点越太, 有效焦点的面积也将增大, 必然引起在胶片上所成影像的清晰度. 若用缩短灯丝长度 138 或减小 0 角来缩小有效焦点, 必然影响实际焦点缩小, 单位面积上的电子密度增加, 实际焦点的温度 快速上升, 使阳极将不能承受较大的功率. 因此两方面的情况都要寺虑到, 实际中适当选择阳极的倾 角, 取 15 ' -19 ' 较好.

144 ..~ N JtV台. X 射线管阴极灯丝通电后产生电于群, 变压器向 x 射线管两端提供商电压, 驱使电子群向阳极 高速度运行, 并撞击在阳极靶面上, 其动能转换为 99.8% 的热能和 0.2% 的 X 射线. / J - 民飞/飞飞//JJ ι 主V篇医学影像物理学 第六章川JJ卢j第 普通X射线影像93. 高速运行的电于群突然受阻, 便发生 X 射线 X 线发生装置主要有 X 射线管 变压器和操纵 临床应用的 x 射线特性是 z (1l 穿透性和 X 射线管管电压有关, 管电压愈高, 产生的 X 射线波长愈短, 穿透性愈强, 这是 x 射线临床应用的基础. 荧光作用 X 射线可激发荧光物质, 产生肉眼可见的荧光, 这是 X 射线透视的基础. 感光作用 x 射线可使胶片感光, 形成潜影, 经显影 定影处理后产生影像, 这是 X 射线摄影 的基础. (4) 电离作用 X 射线对人体电离的程度与吸收的 X 射线量成正比, 这是 X 射线防护和放射治 疗的基础 94. 一般应包括阴极 阴极体 阳极 ( 吉靶 阳极体 真空管. 阴极发射热电子 E 阴极体有聚焦电 子束和回收二次辐射的作用 : 阳极 ( 吉靶 加速电子井阻碍电于运动发射 X 射线 : 阳极体起散热作用 z 真丝管产生高真壁环境. 95. 高速电子进入到原子核附近的强电场区域, 受到强电场的作用, 然后飞离强电场区域从而完成一次电于与原于核的相互作用时, 电于的速度太小和方向必然发生变化, 按电磁理论, 电子将向外辐射电磁波而损失能量 ð. E. 电磁波的频率由 ð.e 二 hv 决定. 电子的这种能量辐射叫韧致辐射固这种辐射所产生的能量为 hv 的电磁波称为光子. 由于每个高速电子与靶原子作用时的相对位置不 同, 且每个电子与靶原于作用前具有的能量也不同, 所以各次相互作用对应的辐射损失也不同, 因而 发出的 X 光于频率也互不相同, 大量的 X 光于组成了具杏频率连续的 X 光谱. 可见连续 X 射线的发 生是韧致辐射过程, 所以韧致辐射是产生连续 x 射线谱的机制. 96. 因为当电于的最大动能全部损失转化为 X 光于的能量后.X 光子不可能再获得更大的能量, 从而形成最短波长. 所以韧致辐射产生的连续 x 射线谱中存在最短波长 Åmin G 短波极限波长 1."", 对 应的 X 光子能量最大, 可见, 最大能量的光于对应着电子与原子核在一次相互作用中损失其全部能 量 ι 产生能量为 hymu EFi 的光子辐射. "uun 由于在相互作用中能量守恒, 则有 eu=hr, 皿 = 在 ι λ 血 = ':""_= hc _~:.~~_, (nm) eu U(kV)'u 且 可见, 最短波长仅由管电压决定, 不受任何其它因素的影响. 97. 在管电压较商时多采用铜铝滤波板, 就是在铜板后加一适当厚度的铝板. 这是因为铜滤波 板产生的软标识 X 射线, 能被铜板下面的铝板吸收, 而铝板产生的标识 X 射线能被儿厘米厚的空气 所吸收, 这样可防止标识 X 射线对人体的损害, 98.X 射线穿过一定的物质后, 使部分较软 X 射线的相对强度降低, 从而提高 X 射线的有效能 量, 钱质变硬, 称为 x 射线的滤过, 分固有滤过和附加滤过. 从 x 射线管阳极发射出的原级 x 射线 穿过管壁后, 被吸收一部分, 称为固布滤过, 即经 X 射线管壁的滤过. 为了适应不同的需要, 在 X 射 线管射出的 x 射线到达被投照部位前放置一定的物体, 也会产生滤过, 称为附加滤过, 即在 x 射线管 外的滤波板的滤过, 99. 高速电子将内层电子打出 离开原于 ) 使之成为自由电于 ( 称光电子 ). 使原于内电于层出现 空位. 这样, 按能量分布最低的原则, 处于高能态的外壳层电子必然要向内壳层跃迁填补内壳层电子 空位, 在跃迁过程中必定放出多余的能量, 这个能量以 x 射线辐射的形式表现出来, 即高速电子把原 子核外内层电子击出的过程中伴随的标识 X 射线的电磁辐射, 称标识辐射. 139

145 我 P JT / 飞川二 ~ç' 医当电子的能量较高时, 可将靶原子的内层电子 (K, L, M 壳层 碰出原子核的束缚, 成为自由电子, 这样, 在内层轨道上产生一空位, 这一空位不能长期存在, 外层电子会跃迁至空位填充内层轨道, 并将 多余的能量 二能级差 以 X 光子的形式辐射出来, 产生标识 X 射线. 韧致辐射不可能产生不连续的 标识 X 射线. 所以标识辐射是产生标识 X 射线的机制. 学电子学基础与医学影像物理学140 标识 X 射线的波长只能由靶原子的能级结构决定, 即靶元素决定. 管电压和管电流可影响标识辐射的强度. 100 灯丝发射的电子, 经聚焦加速后, 投射在阳极靶上的面积 b. 称为实际焦点, X 射线管的实际焦点在垂直于 X 射线管轴线方向上投影的面积 a. 即 x 射线照射在胶片上的有效面积, 称为有效焦点. 靶角 (target angle> 8 是靶面与垂直于电子流方向间的夹角. 三者的关系为.a 二 bsin 影响焦点大小的因素有 g 阴极灯丝的大小和形状 : 阴极体的聚焦性能 : 管电流的大小, 管电流增大时, 由于电子间的为库仑作用, 产生焦点增涨现象. 102 一是到达靶面各处的电子密度不均匀 ( 这使靶面上各处辐射的 X 光于密度不尽相同 ), 二是到达靶面的上各处的电子与靶原子作用的情况有差别 ( 这将使靶面上各处辐射的单个 x 光子的能量 千差万别 ). 从而使得靶面各处产生的 X 射线的强度不均匀, 辐射光子的频率有差别 103. 由于 X 射线管的实际焦点有一定的面积, 从而使得投照物体的边缘在投影区产生半明半暗的模糊投影, 称为半影. 影响半影的因素有 z 有效焦点的大小, 焦点上的 X 射线分布, 焦点 投照物 投影屏的相对距离. 管球焦点越太, 半影区越太焦点上 X 射线的强度分布也有影响, 高斯分布半影较小, 双峰分布半影较大 104 大量速度极高的电于打在阳极靶上将产生很多热量, 允许产热 ( 或能承受热量 的最大负荷量, 称为 X 射线管的容量, 由于 X 射线管的能量转换效率高.99% 以上的电能转化为热能, 阳极靶上产热量大并且集中, 容易损坏阳极靶, 超容量使用首先将破坏阳极靶而使管球报废. 所以不能超容量使用. 105.X 射线是被长极短的电磁波, 具有下列性质 E (1) 贯穿能力强, 太多数物质对 X 射线透明或半透明 z ) 能使荧光物质发出荧光 g (3) 具有电离作用 z (4) 能使照相底片感光, 使很多物质发生光化学反应. 106.X 射线在壁间某一点的强度是单位时间内通过垂直于 X 射线传播方向的单位面积的 X 射线辐射能量. 它决定于单个 X 光子的能量和 X 光子的数密度. 107.X 射线在物质内传播时, 同物质发生的主要相互作用有 z 光电效应, 康普顿散射.X 射线能量很大时 ( 大于 MeV) 还可发生电子对效应 所谓半价层是使 x 射线束的强度减弱为原来一半时所需要的吸收层的厚度. 半价层与 x 射线的硬度和吸收层的物质组成及其密度有关 对同一种物质, 线性衰减系数与密度成正比, 线性衰减系数 μ 与密度 p 的比值称为质量衰减系数 μ 旷即 μ= 冉如 质量衰减系数与靶物质的物理状态无关, 仅由靶物质的原子分子结构决定 110 当连续 X 射线通过物质层时, 其量和质都有变化特点是.X 射线强度变小 ( 量减小 ). 硬度变太 质提高 )这是由于低能光于容易被吸收, 致使 X 线柬通过物质后高能光于在射线束中所占比率相对变大的原故. 也就是说各种波长的 X 射线的强度均降低, 但长波 X 射线衰减比例越大, 最终使连续 X 射线光于的平均能量增加.X 射线硬度增大. 111 影像增强管的基本结构有输入屏 光电阴极 聚焦电极 阳极 输出屏等. X 射线管发出的 X 射线, 透过被检查的人体组织, 进入真空玻璃管, 并投射到输入屏, 将被检查

146 N JtV在输出荧光屏上, 再次转换为亮度太太加强的荧光影像. 影像增强器提高了影像亮度, 使 x 射线电视 电影 录相和遥控得以实现, 摆脱了暗室操作, 使 x / J - 民飞/飞飞//JJ ι 主V篇医学影像物理学 第六章川JJ卢j第 普通X射线影像部位的 X 射线影像转换为荧光影像. 荧光照射光电阴极产生电于影像, 经聚焦和阳极电场的加速打 射线影像有了更大的使用雪间, 同时减小 X 射线的剂量, 降低了对受检者和检查者的危害. 112 所谓特殊 X 射线摄影, 是指通过利用 X 射线的某种特殊装置和方法, 使人体的某一器官或组织, 显示出一般 X 射线摄影所不能显示的影像. 软 x 射线摄影是利用人体各种组织对不同质的软 x 射线的吸收有显著差别的原理, 使密度相差 不大的脂肪 肌肉和腺体等软组织在感光胶片上形成对比良好的影像, 以利于观察软组织特别是乳房的形态变化以及痛肿等疾病. 高干伏 X 射线摄影是指使用高于 120 ky( 常用 ky) 的管电压所产生的 X 射线进行的摄影检查, 高干伏 x 射线摄影克服普通 x 射线摄影中骨组织完全遮挡其它组织影像的缺点, 从而在骨影中显示出其它组织的影像固当管电压达到 120kY 以上时, 各部分结构影像密度的高低受其组织原子序数和厚度的影响减少, 骨憾的影像密度与软组织和气体的影像密度相差不太, 即使相互重叠也 不致为骨影所遮盖, 从而使与骨锵相重叠的软组织或骨憾本身的细小结构及青气的管腔等变得易于观察. 可在致密影像中显示出被隐蔽的病变. 体层摄影是利用 x 射线管 成像胶片相对于受检体作适当运动, 使除指定层面的其它层面的影像模糊, 从而使指定层显示较为清晰的影像而不受其它层面的遮挡. 体层摄影常用于明确平片难于显示的重叠较多的和处于较深部位的病变, 用于了解病变内部结构有无破坏 空洞或钙化, 边缘是否 锐利以及病变的确切部位和范国等 113. 对于缺乏天然对比的人体组织结构或器官, 可通过 " 人工对比 " 的方法, 将某种造影剂 或对 比剂 引入欲检查的器官内或其周围, 使其形成物质密度差异, 从而改变器官与周国组织的 x 射线影 像密度, 显示出器官的形态和功能的方法称为 X 射线造影, 造影剂可分为 E cl) 阳性造影剂 原子序数高, 对 X 射线吸收能力强 λ 常用的有领剂和确剂. 硕剂分为无机礁 制剂 有机腆制剂两类. 有机礁制剂又分为水榕性破剂和脂榕性确剂两类. 常用的是水榕性腆剂, 该 类碗剂包括离于型对比剂和非离于型对比 1fiJ. ) 阴性造影 JlIJ ( 原子序数低, 对 X 射线的吸收能力弱 ). 常用的有空气 二氧化碳和氧气主要 用于关节腔 软组织间隙 盆腔和腹腔造影检查, 目前应用不多 影响 x 射线影像质量的主要因素有 z cl) 胶片的性能 : 受检者的厚度及运动 t )x 光子的能量和入射线的强度, 散射 g (4) 检测器的性能及运动等 滤线板对 X 射线所起的作用是使软 x 射线成分被强烈吸收, 剩下硬度高且放射谱范围比较 窄的 X 射线. 顺序要求是后一种滤线板能吸收前滤线板发出的标识 X 射线. 这是因为各种物质在 吸收 X 射线时都发出它自己的标识 X 射线, 所以要求后一种植线板能吸收前滤线板发出的标识 X 射 线, 而后一种滤线板发出的标识 X 射线被壁气吸收. ( 五 计算题 116 解 z 最短波长 hc 1.24., ~.~-. ~ ~ ;.~:., (nm) ~. '_~_' ~ nm eu U(kY) "..." 100 对应的光子能量为 141