模拟电子学导论综述

1、第1章电子电路基础知识33第 1 章 电子电路基础知识随着通信技术、计算机技术和电子技术的迅速发展，各种电子产品进入千家万户，手 机、计算机、 数码照相机、 家庭音响、 电视机等电子设备已成为人们日常生活中的必需品。 那么，它们的工作原理是怎样的呢？其内部电路又是如何设计的？要回答这些问题，就需 要了解电子电路中诸多方面的知识，比如电子设备中每一个电子元器件是怎样工作的，它 们又是如何组成具有特殊功能的电路，进而构成一个复杂巧妙的电子系统的，等等。学习 电子电路是一件非常有趣的事。为了后续内容的学习，首先需要介绍一些电子电路的基本概念和基本分析方法，并通 过一些电子系统的典型实例，对将要学习的

2、一些重要功能模块有一个初步的认识。另外，作为研究电子电路的基础用书， 本书在附录 A 对线性电路的几个基本问题进行 了回顾，以便读者学习本书时参考。1.1 电信号你知道我们的声音是如何传送到扬声器的？声音首先通过微音器（话筒）变成音频信 号，再经过扩音器的放大， 最后通过扬声器还原成声音。 这一过程可归纳为 “声电声” 的转换和传送的过程。类似的例子还可以列举很多，它们的共同点是，非电量（比如声信 号）经过传感器（比如微音器）转换为电量，即电信号，然后再送入电子系统进行电信号 的处理。由此可见，讨论需从“电信号”和“电子系统”两方面入手。从广义上讲， 信号包含光信号、 声信号和电信号等。 信号

3、作为带有信息的某种物理量， 可以随时间或随空间变化。在信号分析中，根据信号的取值在时间上是否连续（不考虑个 别不连续点） ，可将信号分为时间连续信号和时间离散信号。其中，时间连续信号有两种： 一种取值是连续的，一种取值是离散的。同理，时间离散信号也有两种：一种取值连续， 一种取值离散。若信号的时间与取值都是连续的，则称此类信号为模拟信号；若信号的时 间连续，但是信号的取值离散，则称此类信号为量化信号；若信号的时间离散，但信号的 取值连续，则称此类信号为抽样信号或取样信号；若信号的时间与取值都是离散的，则称 此类信号为数字信号。电子系统可处理的信号为电信号，所以，自然界中各种非电量必须通过传感器

4、转换为 电信号，而电信号是指随时间而变化的电压或电流。能够处理模拟电信号的电子电路称为 模拟电路，能够处理数字电信号的电子电路称为数字电路。模拟电路正是本书主要讨论的 内容， 包括模拟电路的基本概念、 基本原理、 基本分析方法、 基本设计方法和基本应用等。 至于其他类型信号的处理方法和电路，可参考数字电路等有关书籍。1.2电子系统在人们的日常生活中，有许多熟悉的电子产品，它们就是一个电子系统，如电视机、 收音机、家庭音响、手机和计算机等。还有一些电子系统是存在的但不是很明显，比如电 冰箱中的电子控制系统。当然，还有很多不熟悉的庞大而复杂的电子系统。一般来说，为 了完成特定的功能，将若干个子系统

5、或功能模块，按照一定的要求，组成的规模较大的、 完整的电子装置，称为电子系统。电子系统有大有小，有简单的，也有复杂的，它们有的是模拟的，有的是数字的，也 有的是模拟和数字混合的。电子系统常见的功能模块包括信号源、放大电路、滤波器、直 流电源、波形变换电路、数字逻辑电路和转换电路等。简单地说，信号源可以产生各种波形信号，比如正弦波、方波、三角波等，放大电路 用于增大微弱信号的功率，滤波器用于信号的提取等；直流电源为其他功能模块提供必需 的能量；波形变换电路可将一种波形变换为另一种波形；数字逻辑电路可以处理数字信号;转换电路可以实现信号从模拟到数字或从数字到模拟的转换；等等。作为对电子系统的初步认

6、识，下面列举几个简单的模拟电子系统的例子。1. 扩音器一个简单扩音器的基本功能，是能够将微弱的音频信号放大，最终以足够大的功率驱 动扬声器发声。扩音器的原理框图如图1.1所示。语言信号通过微音器（话筒）转换成的电信号是很微弱的，需先经过具有一定放大倍 数的放大电路，即音频电压放大电路，将微弱 信号放大到具有一定电压值的信号，然后，再 推动音频功率放大电路，使之输出足够大的功 率，推动扬声器发声。音频电压音频功率放大电路放大电路微音器扬声器图i.i扩音器原理框图2. 直流稳压电源以低压线性直流稳压电源为例，其输入为 低压直流电压。为了实现此功能，需要如图 220V的交流电压降到一定值的低压交流电

7、压,220V的正弦波交流电压，而输出为所需的1.2所示的四个功能模块。其中，变压器可将整流电路（即波形变换电路） 将交流电压变为脉动直流电压，滤波电路可将脉动直流变为较平稳的直流，最终稳压器（即放大电路） 的输出将是不随输入电压或负载变化的稳定直流。变压器图1.2直流稳压电源3. 超外差收音机典型的超外差收音机的原理框图如图 1.3所示，图中包括放大电路、滤波电路、信号 源（如本机振荡器）和波形变换电路（如峰值检波器）等。图1.3超外差收音机原理框图以上仅对电子系统作了一个简单的了解。显然，描述一个完整的电子系统，还需要对 每一个功能模块提出相应的技术指标，比如放大电路的放大倍数、输入电阻、带

8、宽等。当 然，每一个功能模块又应由包含电阻、电容、电感、晶体管、集成电路等元器件构成的电 路所组成。我们需要掌握的技巧是，设计每一个模块应从它的外特性出发，比如设计一个 实际的放大电路时，首先涉及的是它所要求的技术指标。而对于一个复杂的电子系统来说,如何选择一个合理的原理框图，将涉及到诸多方面的知识，比如控制系统、通信系统等， 以及电路设计的优化，电磁兼容性，元器件的选择，工艺等问题，这里就不一一介绍了。从对电子系统的分析可知，对模拟信号最基本的处理是放大，而放大电路不仅具有独 立地完成信号放大的功能，而且也是构成各种功能模拟电路，如滤波器、振荡器、稳压器 等的基本电路。13放大电路利用传感器

9、将非电量转换为电量所得到的模拟信号，通常是很微弱的，比如上述的微 音器可将声音转换为幅值为1mV左右的电信号，这个小信号再输入到电压放大倍数为数千倍的放大器进行放大， 从而输出幅值为数伏量级的信号，将这个大电压信号作用于扬声器，才能发出响亮的声音。又比如数码照相机，其前端的光电传感器所产生的微弱信号需放大 几千倍甚至更大，才能进行模数转换，从而作进一步的分析、处理和显示等。可见，放大 电路是电子系统中非常重要的功能模块，它的作用就是对输入信号进行线性放大，即放大 电路的输出信号是与输入信号波形形状完全相同的大幅度的信号。可用图1.4概括放大电路“放大”信号的过程。（1）放大电路输入端口的一端和

10、输出端口的一端连接到一个公共“地”（又称电位参考点）上，这是通常的作法（隔离放大电路除外）。注意图1.4（a）所示的接地符号为 _。这个公共地可作为信号电流和直流供电（在1.4节介绍）电流回路的共同端点。在电子电路中引入电位参考点，将在电子电路的绘制、分析、设计和制作等方面带来很多方便。信号源0 -O-负 载图1.4放大电路放大”信号放大电路（2）信号源（比如上述例中的微音器）是独立源，可以等效为电压源或电流源，这是 根据放大电路的输入电阻的大小来确定的。若输入电阻较大，则信号源应采用电压源，以确保电路输入端得到较大的信号压降； 若输入电阻较小，则信号源应采用电流源，以确保电路输入端得到较大的

11、信号电流。（3）负载（比如上述例中的扬声器）可以是一个确定的电阻，也可以是一个等效电阻（比如后级电路的输入电阻）。（4） 放大电路可视为一个二端口网络。根据二端口网络的四个模型 （参见附录 A），可以得到放大电路的四个模型。 这里只考虑放大电路的正向传输，而没有考虑它的负向传输，因此，忽略系数Z12、gi2、hi2和yi2,于是，得到放大电路四个模型的基本方程组:Vi =乙1V2 = z21 1Z22 卩2A =gi1V1 v2 = g? g22 2V1 =h21 hI1 二 y1M2 = y21V1 y22V2(1.1)(1.2)(1.3)(1.4)由式（1.1）式（1.4）的第一式，可以求

12、得输入电阻1 1R=Zn 二一hn =一g11 y11由式（1.1）式（1.4）的第二式，令V1 =0或h =0，可以求得输出电阻1 1Ro 二 Z22 二 g22h22y22也就是说，放大电路四个模型中输入电阻的值是相同的，输出电阻的值也是相同的。将I,、山、V,和V分别以Ii、-|1。、Vi和Vo来表示，得到放大电路的四个模型，如图1.5所示。IhRoilRi Vi2 (t )是任意的，即它们 既不是差模信号，也不是共模信号。下面对 V1(t)、V2(t)进行等效变换：可见，对于差分放大电路来说，输入任意信号论、V2(t)相当于输入差模信号和共模信号Vid2（t）=-Vid1（t）， 7

13、2（1.12）Vc2（t）=Vc1（t）二 Vc（t） J i2（t）V1（1.13）2于是，可用一个等效源系统取代任意信号Vi1 (t)、v2 (t)，如图1.8所示。图中 Vid (t)二Vi2(t) -Vi1(t)称为差模输入电压，于是，式(1.9)可写成vm (t)式中Ad称为差模电压放大倍数。而共模信号为输入电压的平均值，即Vic(t) =Vi2(t) Vi1。+Vi1+Vi2+Vic-tin3 mT1me(S)(b)输出波形4 in图1.21实际互阻放大电路的仿真图中的受控源为电压控制电流源，这就是场效应管的等效模型(参见第7章)，故图1.21( a)可以理解为场效应管放大电路。直

14、流电源经过电阻R1作用于受控源上，输入电压作用于输入端，于是，在电阻R1上产生两个电压信号，一是直流电源在R1上的直流压降，二是由输入信号引起的交流信号。当我们通过电容输出信号于示波器时，在示波器 上将看到交流信号，即电容 C1起到了“通交流，隔直流”的作用，如图 1.21 ( b)所示。可以看出，图1.20 (b)与图1.21 ( b)所示是一样的，即只考虑交流信号的作用时， 也就是令直流电源为零时，图1.21 (a)即等效为图1.20 (a)。换句话说，图1.20 ( a) 是图1.21 (a)的交流等效电路。(3) 将输出波形与输入波形进行比较，如图1.22所示，可知图1.21 (a)所

15、示电路为 反相放大电路。后续章节中还会遇到这种电路。(4) 若无电容C1，则输出的波形中含有直流分量，如图1.23所示。(5) 若在C1的右端接入负载 R2 (2k Q)，则我们将看到输出电压减小了一半。也就是说，对于交流信号来说，负载为R1与R2的并联，即交流负载为2k Q/2kQ=1kQ，于是，交流输出电压为1V (1mA X 1kQ)峰值，如图1.24所示。注意，对于交流信号来说，电容 C1的容抗较负载 R2的值可略，故 C1视为交流的通路。即Transient AnalysisSTransient Analysis0I m 2m Jm 4mTime(S)宀A古却一一歹7 6 5 4 3

16、5m0Im2m3 m4m5mTime(S)图 1.23无电容C1时的输出波形Transient Analysis图1.22输入波形与输出波形比较 粗线一一输岀波形，细线一一输入波形0lrn 2rri 3m 斗皿 5nlHme(S)(b)输出波形粗线一一输出波形，细线一一输入波形图1.24带载互阻放大电路3. 级联放大电路模型选择电压控制电压源，对例1.3的级联放大电路进行仿真。设置参数：根据例题的已知条件，设 V1受控源的输入端“漏电阻”为1M Q，“增益”为100V/V ; V2受控源的输入端“漏电阻”为1.8k Q, “增益”为200V/ V,仿真电路如图101.25( a)所示。Tran

17、sient AnalysisIR22iX VJVd-5- 宙訝1 一芳-%(a)仿真电路图Im 2 m 3m4 m.5mTime(b)输出波形图1.25级联放大电路例题中已求出电路的开路电压放大倍数为1.8 X 104，故接入负载100 Q后，有载电压放大倍数为9.0X 103。当输入信号源电压为1mV峰值的正弦波时，其输出信号电压为9V峰值的正弦波，仿真输出波形如图1.25 (b)所示，可见，仿真测试与理论计算结果一致。4. 差分放大电路模型利用功能模块库中的“电压放大器”模块，可以对差分放大电路进行仿真。仿真电路 如图1.26 (a)所示。设置“电压放大器”模块的增益为2V/V，接入两个信

18、号源：分别为1.5V和1V峰值的正弦波信号源。单端输出(对地)、双端输出的输出波形如图1.26 ( b)所示，图中两个细线波形为单端输出波形，粗线波形为双端输出波形。可以看出，单端输 出的输出波形(对地) 是互为反相的，且输出电压均为0.5V峰值，而双端输出的输出波形为单端输出的差值，即输出电压为1V峰值。差分放大电路模型由以上分析可知，差分放大电路双端输出的差模放大倍数为AvdVOV1 一2在本例中，Avd12，即模块的增益2V/V。1.51单端输出的差模放大倍数为A/d12 Mi V21Avd2在本例中，Ad1=1或 他2 =-1。即差分放大电路的单端输出电压放大倍数为双21.51端输出时

19、的1/2。5. 电子系统通过对基本模块进行仿真，对它们的特性以及仿真过程有了一定的了解。下面根据实 际问题，设计一个小电子系统，然后再进行计算机仿真。由于噪声和干扰的原因，使得本来等幅的调频信号不再等幅。所以，在调频收音机的 电路中，有这样一部分电路，需要实现的功能是，将幅度受到干扰的调频信号变成等幅的 调频信号。据此，设计两个功能模块来实现这样一个子系统。(1) 放大电路：将电压幅度较小的非等幅调频信号进行放大，且放大到较大的幅度。(2) 限幅电路：将大幅度的调频信号进行限幅，从而得到等幅的调频信号。仿真电路及波形图如图1.27所示。Al辽JJAmhs idohzr(a)仿真电路in1.0K

20、17,55.05-5O-52.-2- (琶皂曇Transient Analysis-500.m5m10m15m20m(c)幅度受到干扰的调频信号5.Uni2.5thIIIJ 0-5.0m-7.5 m-1,51.0-id5 mIutti15m2umTime( S)(b)原调频信号Tnmsiem Analysis-500. mTransient AriSilvsis5mI Oin15m(d)限幅后得到的等幅调频信号20 m图1.27调频信号的放大、限幅电路在图1.27中，将一个调频信号源与一个脉冲信号源串联，来模拟幅度受到干扰的调频信号，经过放大器1000倍的放大，将毫伏级的电压变为伏级的电压，然

21、后，送入限幅模块实现限幅，从而输出等幅的调频信号。小 结(1) 电子系统可处理的信号均为电信号。电信号分为模拟电信号和数字电信号。能够处理模拟电信号的电子电路称为模拟电路；能够处理数字电信号的电子电路称为数字电路。(2) 电子系统是指为了完成某种特定的功能，将若干个子系统或功能模块，按照一定 要求，组成的规模较大的、完整的电子装置。电子系统常见的功能模块有信号源、放大电路、滤波电路、直流电源、波形变换电路 等，这些电路是本课程讨论的重点。(3) 放大电路是电子系统中非常重要的功能模块，它的作用是对输入信号进行线性 放大。放大电路有四个电路模型，即电压放大电路、互阻放大电路、互导放大电路和电流放

22、 大电路。一个实际的放大电路，根据其信号源的特性和负载的要求，一般有一个模型最为 合适。(4 )直流电源为放大电路提供能量，放大电路可视为一种能够从直流电源取出能量， 并将这个能量的一部分转换为输出信号能量的电子电路。为此，弓I入效率的概念。放大电路常见的供电形式有单电源和双电源两种。(5)差模信号是指大小相等，相位相反的信号；共模信号是指大小相等、相位相同的 信号。(6 )放大电路有单端输入放大电路和差分放大电路之分。后者的优势在于能够“放大 差模信号，抑制共模信号”。为此，引入 CMRR的概念。(7) 放大电路的传输特性是它的瞬时输出电压振幅对瞬时输入电压振幅所画出的曲 线。研究放大电路的

23、传输特性可以分析电路的非线性程度。(8) 衡量放大电路品质的优劣，有许多技术指标，比如放大倍数、输入电阻、输出电 阻、频率响应、效率等。(9) 在实际应用中，有时根据需要进行放大电路的级联，构成级联放大电路。计算级 联放大电路的每一级增益时，要注意考虑后级的负载作用。(10 )计算机仿真能够帮助我们更好地理解、分析和设计电子电路。习题 1【分析题】1.1 一信号源的开路电压有效值Vs=2mV,内阻为50kQ,将其连接到一个放大电路的输入端。放大电路的开路电压增益为100,输入电阻为100k Q,输出电阻为4 Q,负载为4 Qo 求放大电路的电压增益 Avs=Vo/Vs和Av=Vo/Vi，以及功率增益和