模拟电子技术模电之绪论

1、模拟电子技术基础模拟电子技术基础湖北大学物电模拟电子技术模拟电子技术课程：课程：模拟电子电路模拟电子电路学时：学时： 64学时（讲授）学时（讲授） +16学时（实验）学时（实验）任课教师任课教师： 谌雨章谌雨章 副教授副教授 （Dr. Yuzhang Chen）QQ：49479485： 电子技术基础电子技术基础 模拟部分模拟部分（第（第5版，版，康华光康华光编编著著），），高教出版社高教出版社一、本课程性质一、本课程性质专业基础课电子技术：理论、知识、技能工程性：可行性、近似分析、模型化实践性：电子仪器、电子电路测试、故障分析排查、仿真方法概述概述电子技术的课程体系电子技术的课程体系理论基础理

2、论基础：电路理论、电路理论、信号与线性系统信号与线性系统同步课程：数字电子技术（数字电路与逻辑设计）同步课程：数字电子技术（数字电路与逻辑设计）后续课程：后续课程：微机原理（计算机类课程）、高频电路微机原理（计算机类课程）、高频电路（通信类课程）等（通信类课程）等模拟电子技术和数字电子技术是电子信息类各专业的重要的技模拟电子技术和数字电子技术是电子信息类各专业的重要的技术基础课程，对于继续学习有关专业课程（通信类、计算机类、术基础课程，对于继续学习有关专业课程（通信类、计算机类、控制类、测量类、电力电子类）有着重要的影响。控制类、测量类、电力电子类）有着重要的影响。二极管二极管集成器件集成器件

3、三极管三极管场效应管场效应管单管三组态放大器单管三组态放大器差动放大器差动放大器低频功率放大器低频功率放大器运放模拟运算电路运放模拟运算电路多级负反馈放大器多级负反馈放大器直流稳压电源直流稳压电源二、本课程内容二、本课程内容模拟电子线路模拟电子线路三、学习目的和方法三、学习目的和方法目的：基本概念（物理参数的求解）；基本电路（生产背景、结构特点、性能特点）；基本分析方法（电路识别、性能指标、电路参数计算）；全面、辨证的分析观念实践应用三、学习目的和方法三、学习目的和方法方法：结合授课内容，理解课本；通过例题，理解电路结构，学会分析；通过练习题，熟悉理论和方法；通过实验课程，熟悉模拟电子基本实际

4、电路及相关仿真软件的使用考试电子系统信号提取信号预处理信号加工信号执行 AD转换计算机数字电路 DA转换模拟信号的基本处理：放大温度传感温度传感（输入）（输入）信号放大信号放大信号滤波信号滤波控制执行控制执行（输出）（输出）功率放大功率放大数模转换数模转换数字逻辑数字逻辑电路电路模数转换模数转换恒温恒温装置装置模拟小信号电路模拟小信号电路数字电路数字电路非电子物非电子物理系统理系统模拟大信模拟大信号电路号电路电子系统电子系统电子系统的基本知识电子系统的基本知识温度控制电子系统的组成框图温度控制电子系统的组成框图电子系统描述电子系统描述电子系统的基本知识电子系统的基本知识由若干相互联结，相互作用

5、的基本电路组成的，具有特定功能的电路整体，称为电子系统。 基本电路：构成电子系统的基本元素基本电路：构成电子系统的基本元素 相互作用：基本电路以各自功能互相补充相互作用：基本电路以各自功能互相补充 特定功能：电子系统本身是专有的特定功能：电子系统本身是专有的 整整 体：用系统的观点来考察整体电路体：用系统的观点来考察整体电路基本单元电路功能描述基本单元电路功能描述输入电路：非电子物理系统与电子系统的接口小信号放大电路：放大信号到所要求的电平滤波电路：对信号的时域或频域特性加以改变数字与模拟接口电路：包括模数转换和数模转换数字逻辑电路：数字信号的处理电路功率放大电路：放大信号到所要求的功率信号产

6、生电路：产生必要的波形电源电路：提供电子系统的能源供应主要单元电路有：电子系统的作用电子系统的作用 电子系统的作用是完成对信号的各种处理与变换 传感器：传感器： 物理量的测量和信号的采集物理量的测量和信号的采集 放大器：放大器： 微弱信号波形的放大微弱信号波形的放大 滤波器：滤波器： 无关信号和噪声的滤除无关信号和噪声的滤除 模数转换：模数转换： 模拟信号变为数字信号模拟信号变为数字信号 数字逻辑电路：数字信号的电路处理数字逻辑电路：数字信号的电路处理 数模转换：数模转换： 数字信号还原为模拟信号数字信号还原为模拟信号 功率放大：功率放大： 放大信号功率放大信号功率模拟电子电路 放大电路：电压

7、、电流、功率放大（基础） 滤波电路：信号提取、变换、抗干扰 运算电路：加减乘除 信号转换电路：电压电流转换、直流交流转换 信号发生电路：正弦波、方波、三角波 直流电源：将220V交流电源转换成直流电，作为各种电子电路供电电源放大电路示意图放大电路分析图功放功放电路实现 面包板 蜂窝板 Protel制版功放电路设计功放电路仿真功放电路仿真仿真软件 Multisim Pspice Protel Matlab1.1 信号信号1.3 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号1 1 绪论绪论1.2 信号的频谱信号的频谱1.4 放大电路模型放大电路模型1.5 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标模拟电

8、路最基本的模拟电路最基本的处理信号的功能处理信号的功能1.信号：信号： 信息的载体信息的载体 1.1 信号信号温度、气压、风速、声音等温度、气压、风速、声音等传感器（传感器（信号源信号源）连续变化的电信号（模拟信号）连续变化的电信号（模拟信号）放大、滤波放大、滤波驱动负载（显示装置、扬声器等）驱动负载（显示装置、扬声器等）微音器输出的某一段信号的波形微音器输出的某一段信号的波形如何表达？1. 信号：信号及其表达信号及其表达 信息的载体随时间变化的物理量 O t/s v/ V 10 80 70 60 50 40 30 20 8 10 8 10 放大电路输出波形 高温计输出波形 v/ mV 传感器

9、 电信号随时间变化的电压或电流T/2 200.52 200.02 199.501080706050403020t/s加热炉温度波动曲线加热炉温度波动曲线2. 电信号源的电路表达形式电信号源的电路表达形式戴维宁等效：戴维宁等效：将信号源等效为一个将信号源等效为一个理想电压源理想电压源与与内阻内阻相串联的相串联的形式。形式。 1.1 信号信号诺顿等效电路诺顿等效电路戴维宁等效电路戴维宁等效电路理想电压源：理想电压源：a、b端开路时的开路电压端开路时的开路电压内阻：所有电压源短路、电流源开路时，从内阻：所有电压源短路、电流源开路时，从a、b端往左看端往左看进去的等效电阻。进去的等效电阻。诺顿等效：诺

10、顿等效：将信号源等效为一个将信号源等效为一个理想电流源理想电流源与与内阻内阻相并联的形式。相并联的形式。理想电流源：理想电流源：a、b端短路时的短路电流端短路时的短路电流内阻：所有电压源短路、电流源开路时，从内阻：所有电压源短路、电流源开路时，从a、b端往左看端往左看进去的等效电阻。进去的等效电阻。 1.1 信号信号电压源等效电路电压源等效电路电流源等效电路电流源等效电路sssRiv ssRiv s 简单的电信号可以用公式表达：简单的电信号可以用公式表达： 便于提取特征参数便于提取特征参数频谱分析频谱分析 复杂的电信号的表达依赖于其特征参数，这些复杂的电信号的表达依赖于其特征参数，这些特征参数

11、是设计电子系统的依据。特征参数是设计电子系统的依据。)sin()(mtVtv1. 电信号的电信号的时域时域表示表示A A. 正弦信号正弦信号)sin()(mtVtvffT212 1.2 信号的频谱信号的频谱时域时域时域时域横轴为时间横轴为时间为表达正弦信号的特征参数为表达正弦信号的特征参数、mV最简单，通常作为标准信号测试模拟电路最简单，通常作为标准信号测试模拟电路电信号的时域与频域表示电信号的时域与频域表示A. 正弦信号fT 2200 O t Vm -Vm f T = = 时域时域OVm 频域频域)sin()(0m tVtv时域：信号的时间波形表示时域：信号的时间波形表示频域：将信号分解为正

12、弦信号的集合频域：将信号分解为正弦信号的集合1. 电信号的时域与频域表示电信号的时域与频域表示B B. 方波信号方波信号)5sin513sin31(sin22)(000SS tttVVtvT20 满足狄利克雷条件，展开成傅满足狄利克雷条件，展开成傅里叶级数里叶级数2SV直流分量直流分量其中其中2SV基波分量基波分量312S V三次谐波分量三次谐波分量 1.2 信号的频谱信号的频谱方波的时域表示方波的时域表示 2. 信号的频谱信号的频谱B B. 方波信号方波信号)5sin513sin31(sin22)(000SS tttVVtv频谱：将一个信号分解为正弦信号的集合，得到其正弦信号幅值和相位频谱：

13、将一个信号分解为正弦信号的集合，得到其正弦信号幅值和相位随角频率变化的分布，称为该信号的频谱。随角频率变化的分布，称为该信号的频谱。 1.2 信号的频谱信号的频谱幅度谱幅度谱相位谱相位谱正弦信号的频谱对比C C. 非周期信号非周期信号傅里叶变换：傅里叶变换： 通过快速傅里叶变换（通过快速傅里叶变换（FFT）可迅速求出非周期信号的频谱函可迅速求出非周期信号的频谱函数。数。)0( 非周期信号包含了所有可能的频非周期信号包含了所有可能的频率成分率成分离散频率函数离散频率函数周期信号周期信号连续频率函数连续频率函数非周期信号非周期信号气温波形气温波形 气温波形的频谱函数（示意图）气温波形的频谱函数（示

14、意图） 1.2 信号的频谱信号的频谱C. C. 非周期信号非周期信号0 0.2 .2 电子系统的知识体系结构电子系统的知识体系结构连续频谱函数非周期信号时域时域T/2 200.52 200.02 199.501080706050403020t/s频域频域O T/ c)0(非周期信号包含了所有的（连续）频率成分 通过傅氏积分求出非周期信号的频谱函数。小结：电子系统处理的一切可归结为信号，而各式信号包含了特定的频率成分。所以，电子系统的频率特性也是我们要特别关注的。1.3 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号模拟信号：在时间和幅值上都是连续的信号。模拟信号：在时间和幅值上都是连续的信号。数字信号：

15、在时间和幅值上都是离散的信号。数字信号：在时间和幅值上都是离散的信号。 处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。半导体器件的种类及发展半导体器件的种类及发展一一、种类：种类： 二极管、三极管、场效应管、集成电路（二极管、三极管、场效应管、集成电路（ICIC） Integrated Circuit二二、发展：发展：电子器件电子器件的更新换代是推动电子技术发展的关键，的更新换代是推动电子技术发展的关键，电子学发展史上电子学发展史上三个重要里程碑三个重要里程碑：1 1、19061906年年电子管电子管发明（进入电子时代）发明（进入电子时代）2 2、19481948年年

16、晶体管晶体管问世（问世（半导体器件半导体器件）3 3、6060年代年代集成电路集成电路出现出现( (进入信息时代进入信息时代) ) 目前，贝尔实验室正研制超小体积和超低功耗的目前，贝尔实验室正研制超小体积和超低功耗的第四代半导体器件第四代半导体器件，它的问世将掀起电子技术新革命，它的问世将掀起电子技术新革命: : 47年 贝尔实验室制成第一只晶体管 58年 集成电路 69年 大规模集成电路 75年 超大规模集成电路u第一片集成电路只有第一片集成电路只有4个晶体管，而个晶体管，而97年一片集年一片集成电路上有成电路上有40亿个晶体管。科学家预测集成度按亿个晶体管。科学家预测集成度按10倍倍/6年

17、的速度还将继续到年的速度还将继续到2015或或2020年，将达年，将达到饱和。到饱和。1 1第一代电子器件第一代电子器件电子管电子管 1904年英国人弗莱明年英国人弗莱明发明了第一种可用作电磁波检发明了第一种可用作电磁波检波器的电子元件波器的电子元件二极电子管二极电子管。 1906年，美国无线电工程师福雷斯特年，美国无线电工程师福雷斯特（Lee De Fordst）等发明，）等发明， 在改进二极管性能时发明了在改进二极管性能时发明了三极电子三极电子管管。电子管体积大、重量重、寿命短、耗电大。世界上电子管体积大、重量重、寿命短、耗电大。世界上第一台计算机用第一台计算机用1.8万只电子管，占地万只

18、电子管，占地170m2，重，重30t，耗，耗电电150kW。 2 2第二代电子器件第二代电子器件晶体管（半导体三极管）晶体管（半导体三极管） 1947年，美国物理学家肖克利、巴丁和布拉顿年，美国物理学家肖克利、巴丁和布拉顿三三人捷足先登，合作发明了晶体管。人捷足先登，合作发明了晶体管。1948年年11月，肖克月，肖克利构思出一种新型晶体管，其结构像利构思出一种新型晶体管，其结构像“三明治三明治”夹心夹心面包那样，把面包那样，把N型半导体夹在两层型半导体夹在两层P型半导体之间。型半导体之间。可惜的是，由于当时技术条件的限制，研究和实验都可惜的是，由于当时技术条件的限制，研究和实验都十分困难。直到

19、十分困难。直到1950年，人们才成功地制造出第一个年，人们才成功地制造出第一个PN结型结型晶体管晶体管。3 3第三代电子器件第三代电子器件集成电路集成电路(IC)(IC) 1958年，基尔白等设想将管子、元件和线路集成年，基尔白等设想将管子、元件和线路集成封装在一起，三年后，集成电路实现了商品化。封装在一起，三年后，集成电路实现了商品化。IC按集成度分按集成度分: (1)小规模小规模IC（SSI）102 (2)中规模中规模IC （MSI）103 (3)大规模大规模IC （LSI）105 (4)超大规模超大规模IC (VLSI)105 随着电子技术应用的不断推广和电子产品发展随着电子技术应用的不

20、断推广和电子产品发展的日趋复杂，电子设备中应用的电子器件越来越多。的日趋复杂，电子设备中应用的电子器件越来越多。为确保设备的可靠性，缩小其重量和体积，人们迫为确保设备的可靠性，缩小其重量和体积，人们迫切需要在电子技术领域来一次新的突破。同时在冷切需要在电子技术领域来一次新的突破。同时在冷战时期激烈的军备竞赛的刺激下，在已有的晶体管战时期激烈的军备竞赛的刺激下，在已有的晶体管技术的基础上，一种新兴技术诞生了，那就是今天技术的基础上，一种新兴技术诞生了，那就是今天大放异彩的大放异彩的集成电路集成电路。可以肯定的是，微电子行业具有广阔的科技和应用前景，可以肯定的是，微电子行业具有广阔的科技和应用前景

21、，与此同时微电子技术通过微型化、自动化、计算机化和机与此同时微电子技术通过微型化、自动化、计算机化和机器人化，将从根本上改变人类的生活。它正在冲击着人类器人化，将从根本上改变人类的生活。它正在冲击着人类生活的许多方面：劳动生产、家庭、政治、科学、战争与生活的许多方面：劳动生产、家庭、政治、科学、战争与和平。和平。 相关网站相关网站电子技术书籍专卖网电子技术书籍专卖网 http:/电子工程专辑电子工程专辑 http:/拓普电子网站拓普电子网站 http:/全国大学生电全国大学生电子设计竞赛网子设计竞赛网 http:/ 1.4 放大电路模型放大电路模型电压增益（电压放大倍数）电压增益（电压放大倍数

22、）iovvv A电流增益电流增益ioiiAi 互阻增益互阻增益)(io iArv互导增益互导增益)S(ioviAg 1. 放大电路的符号及模拟信号放大放大电路的符号及模拟信号放大负载开路时的负载开路时的 电压增益电压增益A. 电压放大模型电压放大模型ovAiR输入电阻输入电阻oR输出电阻输出电阻由输出回路得由输出回路得LoLiOoRRRAV vv则电压增益为则电压增益为iovv VALoLoRRRA v由此可见由此可见 LR vA即负载的大小会影响增益的大小即负载的大小会影响增益的大小要想减小负载的影响，则希望要想减小负载的影响，则希望？ （考虑改变放大电路的参数）（考虑改变放大电路的参数）L

23、oRR 理想情况理想情况0o R2. 放大电路模型放大电路模型 1.4 放大电路模型放大电路模型 另一方面，考虑到另一方面，考虑到输入回路对信号源的输入回路对信号源的衰减衰减siRR 理想情况理想情况有有sisiivvRRR 要想减小衰减，则希望要想减小衰减，则希望？ iR 1.4 放大电路模型放大电路模型A. 电压放大模型电压放大模型负载短路时的负载短路时的 电流增益电流增益2. 电流放大模型电流放大模型s iA由输出回路得由输出回路得LooioRRRiAiis 则电流增益为则电流增益为ioiiAi LooRRRAis 由此可见由此可见 LR iA要想减小负载的影响，则希望要想减小负载的影响

24、，则希望？LoRR 理想情况理想情况 oR由输入回路得由输入回路得isssiRRRii 要想减小对信号源的衰减，则希望要想减小对信号源的衰减，则希望？siRR 理想情况理想情况0i R 1.4 放大电路模型放大电路模型C. 互阻放大模型（自学）互阻放大模型（自学）输入输出回路没有公共端，避免干扰输入输出回路没有公共端，避免干扰D. 互导放大模型（自学）互导放大模型（自学）A,B,C,D可以任意转换可以任意转换E. 隔离放大电路模型隔离放大电路模型 1.4 放大电路模型放大电路模型 1.5 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标1. 输入电阻输入电阻放大电路从信号源吸取信号幅值的大小；对于

25、电压放大模型，Ri大? ，小?好对于电流放大？ 1.5 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标2. 输出电阻输出电阻 Ls,0ttoRvviR带负载的能力：放大电路输出随负载变化的带负载的能力：放大电路输出随负载变化的程度程度对于电压放大模型，Ro大? ，小?好对于电流放大？注意：输入、输出电阻为交流电阻注意：输入、输出电阻为交流电阻 另一测量方法：另一测量方法：得：得：负载开路时，测得开负载开路时，测得开路电压：路电压：LooRvvR) 1(oiovvvoA接上负载时，测得负载电压：接上负载时，测得负载电压：LoLoLoLRRRvRRRAiovvvo 1.5 放大电路的主要性能指标放大

26、电路的主要性能指标3. 增益增益 反映放大电路在输入信号控制下，将供电电源能量反映放大电路在输入信号控制下，将供电电源能量转换为输出信号能量的能力。转换为输出信号能量的能力。其中其中(dB)lg20vA 电电压压增增益益四种增益四种增益iovvv AioiiAi ioiArv ioviAg iAA 、v常用分贝（常用分贝（dBdB）表示。）表示。(dB)lg20iA 电电流流增增益益(dB)lg10PA 功功率率增增益益 1.5 放大电路的主要性能指标放大电路的主要性能指标4. 频率响应频率响应A.A.频率响应及带宽频率响应及带宽 电压增益可表示为电压增益可表示为)j ()j ()j (io VVAV 在输入正弦信号情况下，输出随输入信号频率连续变化的稳态在输入正弦信号情况下，输出随输入信号频率连续变化的稳态响应，称为放