《模拟电子技术-》课件0-1 模拟电子技术

模拟电子技术—MAP课PanoramicTourofAnalogCircuits2/pp回忆一下用过的元器件…电阻

电容

电感/变压器实验课见过实物的元件：“模拟电路”就从寻找实际的非线性器件和可控源开始…压控电压源压控电流源流控电压源流控电流源没见过的“假想器件”：1、非线性器件2、受控源非线性器件3/pp为什么要寻找非线性器件和受控源？时代背景：无线电的发明（1894-1896年）在19世纪末，哪个国家先驾驭无线电，就能征服世界！还有两大难题：1）无线电波人耳听不见->要改变频率

2）远跨重洋后信号微弱->要放大信号前苏联第一台无线电设备（波波夫，1894年）英国第一台无线电设备（马可尼，1894年）4/pp非线性器件的意义：只有找到了非线性器件，电子系统才有可能产生新的频率分量！（1）检波：无线电波（高频）->声音（低频）（2）调制：声音（低频）->无线电波（高频）

（3）整流：交流电（工频）->直流（零频）输入信号非线性系统（含有非线性元件）输出信号（含有新的频率分量）为什么要寻找非线性器件和受控源？5/pp受控源的意义：受控源就是放大器，有了它电子系统才能输出额外的能量！为什么要寻找非线性器件和受控源？输入信号（弱）输出信号（强）压控电压源6/pp非线性器件的前身：矿石检波器寻找非线性器件的探索之路方铅矿、辉铜矿矿石表面某些特殊点，正反向电阻有轻微差异制成“矿石检波器”“检波”作用（射频->音频）矿石收音机（1920）电影《追逐繁星的孩子》（2011，新海诚）7/pp实用的非线性器件：真空二极管（1904年）寻找非线性器件的探索之路发明人：弗莱明英国伦敦大学世界上第一支真空二极管70年代国产的“曙光”牌真空二极管8/pp实用的非线性器件：真空二极管（1904年）寻找非线性器件的探索之路真空二极管利用电极冷热不对称产生非线性（单向导电性）单向导电器件（二极管）9/pp没有找到放大器之前的“无线电”…寻找受控源（放大器）的探索之路无法放大微弱的接收信号，只好建造巨型天线和大功率发射器GE公司：发明200kW高频交流发电机，直接向天线输送出功率CyrilElwell：1000kW电弧光发射机，用于发电报。10/pp第一个受控源：真空三极管（1906年）寻找受控源（放大器）的探索之路真空三极管利用场强反比距离的思路，实现小电压控制大电流距离很近：小电压能产生强电场，改变对逸出电子的吸引力电子一旦越过栅网，将继续飞向冷电极，形成电流压控电流源11/pp第一个受控源：真空三极管（1906年）寻找受控源（放大器）的探索之路“怀旧派”的音响/功放里仍可见到真空管的踪影真空三极管发明人德·福雷斯特经典的国产“曙光”274B电子管12/pp无线电技术马上投入第一次世界大战人类终于掌握了无线电技术…一战时期的电报机13/pp放大器非线性的困扰真空三极管并不是“完美”的压控电流源真空管的伏-安特性不是直线，意味着放大器非线性失真早期：无线电用于无线发报，失真并不是主要问题后期：无线电用于传送语音、广播，需要低失真失真14/pp放大器非线性的困扰科学家：寻找线性的物理过程、发明新器件（至今没有找到）工程师：寻找减缓非线性失真的方法（负反馈！）净差输出反馈“模电”中最重要的思想，贯穿全程！15/pp放大器非线性的困扰负反馈的工程意义：1、如果A足够大，与A无关2、F在分母上（1）要做放大器，只需要做衰减器（2）衰减器可以用电阻实现（3）电阻是线性元件->放大器线性（4）电阻成本很低、稳定度却很高（1）A的温度变化几乎不影响总增益（2）A的非线性几乎不影响总增益（3）A的频率特性几乎不影响总增益

……问题转变为：怎么把放大器的增益A做大（不要求线性好，不要求稳定度好，相对容易得多）16/pp放大器非线性的困扰负反馈放大器的雏形：差分对电子管（1956）贝尔实验室M9话音放大器（1952）AF相减高增益反馈由这两个电阻决定增益17/pp更轻、更小--半导体时代的到来意外的发现：PN结奥尔在贝尔实验室1940年2月23日的实验记录手稿，他在无意中发现了P-N结奇异的现象：测量“纯”硅棒的电阻，正反向阻值不同！奥尔(R.ohl)18/pp更轻、更小--半导体时代的到来PN结会产生明显单向导电性（非线性），可替代真空二极管意外的发现：PN结化学意义上的“纯硅”（99.99%）的内部其实充满了各种成分的杂质在纯硅（99.9999999%）中人为掺入两种杂质,构成所谓PN结19/pp更轻、更小--半导体时代的到来为什么PN结会单向导电？PN结单向导电特性源自于耗尽区厚度的变化20/pp更轻、更小--半导体时代的到来隐藏于子弹壳内的晶体检波器晶体二极管相比于真空二极管：1、体积、重量、耗电小得多（便于间谍行动）2、极限工作频率高得多（开拓新的无线电频段，使敌方无法窃听）间谍使用的便携式电报机晶体二极管的发明21/pp更轻、更小--半导体时代的到来第二次世界大战第二次世界大战期间，半导体开始应用于单兵电子信息设备22/pp更轻、更小--半导体时代的到来现代的晶体二极管检波管/小信号二极管整流二极管发光二极管光敏二极管稳压二极管瞬态抑制管(TVS)23/pp更轻、更小--半导体时代的到来晶体三极管的发明：早期错误的思路真空管时代发明三极管的思路：在二极管中插入控制电极思路沿用至晶体三极管中：向二极管耗尽区插入电极，并注入电子，希望改变二极管特性来控制电流结果非常不理想（1943-1948年）原因：耗尽区太薄24/pp更轻、更小--半导体时代的到来晶体三极管的发明：三层结构的提出换一种思路：“三明治”结构晶体管之父：威廉·肖克利终于获得成功，并很快进入了量产阶段25/pp更轻、更小--半导体时代的到来晶体三极管的发明：世界上第一枚晶体三极管1948年6月30日晶体管发明新闻发布会26/pp更轻、更小--半导体时代的到来晶体三极管为什么能放大电流？1、如果不向基极注入电流，CE间没有电流产生27/pp更轻、更小--半导体时代的到来晶体三极管为什么能放大电流？2、向基极注入小电流（正电荷），发射极大量电子被吸引28/pp更轻、更小--半导体时代的到来晶体三极管为什么能放大电流？3、只有一个电子被正电荷复合，剩余的获得了能量，继续前进29/pp更轻、更小--半导体时代的到来晶体三极管为什么能放大电流？4、其余电子继续前进，到达集电极，等效一个放大的电流流控电流源30/pp更轻、更小--半导体时代的到来一个通俗的例子1、抽水机试图从水面上方抽水，不会产生水流（截止）31/pp更轻、更小--半导体时代的到来一个通俗的例子2、从基极喷入一股小水流，激起的波浪被抽走，产生了大水流（放大）32/pp更轻、更小--半导体时代的到来一个通俗的例子3、基极喷入的水流激起的波浪太多，以至于抽不完（饱和）33/pp更轻、更小--半导体时代的到来各种晶体三极管高频/微波三极管中/大功率三极管小功率三极管光敏三极管电力晶闸管薄膜三极管34/pp更轻、更小--半导体时代的到来晶体三极管也不是“完美”的流控电流源晶体三极管的伏-安特性也不是直线，也存在非线性失真失真指数律35/pp更轻、更小--半导体时代的到来晶体三极管也不是“完美”的流控电流源晶体三极管放大电路也要依靠负反馈来改善失真度36/pp更轻、更小--半导体时代的到来三极管负反馈放大器的例子AF相减高增益反馈由这两个电阻决定增益=2137/pp更省电的放大器--场效应管的发明为什么要发明场效应管？真空三极管虽然非常耗电，但主要耗在灯丝加热上，控制用的栅极几乎不吸收电流真空管三极管是压控源晶体三极管是流控源驱动晶体管（流控源）必须要消耗电流，这些电流最终来自于电源，不可避免产生功耗。两者优点结合：如果能用半导体实现压控源，功耗几乎为0！38/pp更省电的放大器--场效应管的发明结型管(J-FET)：优秀的低噪声、低功耗放大器件结型管利用反偏P-N结的耗尽区，实现压控电流源压控电流源没有电流39/pp更省电的放大器--场效应管的发明MOS管(MOSFET)：使用最广泛的大功率开关器件MOS管利用反型层，实现压控开关/压控电流源40/pp更省电的放大器--场效应管的发明场效应管仍然不是“完美”的压控电流源失真场效应管的伏-安特性仍然不是直线，也存在非线性失真平方律41/pp更省电的放大器--场效应管的发明场效应管仍然不是“完美”的压控电流源场效应管放大电路仍然要依靠负反馈来改善失真度42/pp讨论：负反馈的商业价值从负反馈公式中，有没有发现巨大的商机？既然负反馈被如此广泛地应用，43/pp讨论：负反馈的商业价值负反馈的商机：相减和高倍放大部分电路可以做成通用件出售运算放大器！OperationalAmplifier电子工程师都想购买运算放大器--只需简单设计反馈电路（F），就可以轻松实现各种高性能电路！44/pp运算放大器应用示例：10倍放大器只需外接两枚电阻，就构成了高性能的10倍放大器（失真度极低，稳定度极好，性能远高于分立器件放大器）“傻瓜式”的负反馈电路：运算放大器45/pp运算放大器运算放大器的发展历程：分立电路（1960，$182）模块元件（1962）厚膜电路（1960-80）小型化（2000）片上系统SoC（趋势）集成电路（1968-今）46/pp运算放大器运算放大器的内部原理运放完成两个功能：1）输入相减求差2）对差高倍放大47/pp运算放大器运算放大器的内部原理1)相减2)高增益运放内部包括三个部分：1）相减2）高增益3）输出驱动3)输出驱动48/pp运算放大器利用电路对称性实现相减（差动放大）的功能--（1）输入相减：差动放大器运算放大器的内部原理49/pp运算放大器失调电压由工艺误差引起的初始误差，是固定偏移量讨论1：什么是失调电压（Vos）？加工误差引起天平的初始误差使用前要“调零”工艺误差导致运放的失调电压可以通过调零消除50/pp运算放大器“共模抑制”就是“相减”，“共模抑制比”就是相减的性能讨论2：什么是共模抑制比（CMRR）？臂长相等，相同的输入完全抵消臂长加工误差，相同输入未完全抵消工艺对称性越好，共模抑制比越高，相减越干净，性能越好工艺对称，共模抑制比高（优）工艺对称差，共模抑制比低（劣）51/pp运算放大器串联的电流源=极高的电压增益--（2）高倍放大：有源负载放大器注水>排水：水位上升至最高注水<排水：水位下降至最低运算放大器的内部原理有源负载放大器=串联的电流源52/pp运算放大器运算放大器的应用：加不同的反馈网络F构成功能各异的电路（1）运放+电阻反馈：比例放大、加、减法、I/V变换（2）运放+电容反馈：积分、微分、电荷放大器（3）运放+RC反馈网络:低通、高通、带通、滤波器（4）运放+二极管：精密检波、对数/指数电路（5）运放+正反馈：振荡器、双稳态记忆、迟滞比较（6）运放不加反馈：门限比较器、整形电路（7）运放+被控对象：自动控制电路、PID控制器（8）运放+三极管扩流：稳压电源、功率放大器

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…实际工程中，设计电路应该首选采用运算放大器实现学分立器件->掌握原理用集成运放->追求指标53/pp总结：模拟电路在电子系统中的作用真实的物理世界的本质是模拟的，模拟电路是电子设备与真实物理世界交互的重要桥梁电子设备：从物理世界获取信息，进行处理，再将信息返回物