模擬電路與數(shù)字電路1章g

1、Analog circuits and digital circuits 1 1、緒論、緒論2 2、半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)、半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)3 3、放大電路基礎(chǔ)、放大電路基礎(chǔ)4 4、放大電路的反饋、放大電路的反饋5 5、集成運(yùn)算放大電路基礎(chǔ)、集成運(yùn)算放大電路基礎(chǔ)6 6、正弦波振蕩電路、正弦波振蕩電路7 7、直流電源、直流電源8 8、功率放大電路、功率放大電路課程內(nèi)容課程內(nèi)容模擬電路與數(shù)字電路，電子工業(yè)出版社模擬電路與數(shù)字電路，電子工業(yè)出版社, ,寇戈主編寇戈主編教材：教材：參考書目：參考書目：1 1電子技術(shù)基礎(chǔ)電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第四版），華中理工大學(xué)電子教模擬部分（第四版），華中理工大學(xué)電子教研室編

2、，康華光等，高等教育出版社。研室編，康華光等，高等教育出版社。 2 2 童詩白主編：童詩白主編：模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，高等教育出版社，高等教育出版社，19951995年年1010月第月第1 1版；版；“Microelectronic Circuits” (4th Ed.)Sedra & Smith, Oxford University Press (1997)“Introduction to Electronic Circuit Design” Spencer & Ghausi, Prentice Hall (2003)“The Art of Electronics

3、” (2nd Ed.)Horowitz & Hill, Cambridge University Press (1994)“Electronic Devices & Circuit Theory” (7th Ed.)Boylestad & Nashelsky, Prentice-Hall (1999)學(xué)習(xí)本課程的目的、方法學(xué)習(xí)本課程的目的、方法本課程是實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課，注意理論聯(lián)系本課程是實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課，注意理論聯(lián)系實(shí)際。實(shí)際。目的目的：通過相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，獲得模擬電子技術(shù)的：通過相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，獲得模擬電子技術(shù)的基本理論、基本知識和基本技能，為學(xué)習(xí)后續(xù)課

4、程基本理論、基本知識和基本技能，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程及從事工程技術(shù)和科學(xué)研究奠定初步基礎(chǔ)。及從事工程技術(shù)和科學(xué)研究奠定初步基礎(chǔ)。1緒 論本章主要介紹電子技術(shù)的一些名詞、術(shù)語、基本概念，簡要介紹電子系統(tǒng)的基本組成，分析其內(nèi)部各電路之間的信號流向及接口關(guān)系，最后介紹電子電路的特點(diǎn)和分析方法，為學(xué)好這門課程奠定基礎(chǔ)。1.1 電子技術(shù)1.1.11.1.1 電子技術(shù)的概念及發(fā)展歷史電子技術(shù)的概念及發(fā)展歷史 電子技術(shù)是研究電子器件、電子電路及其應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)。 常見的電子器件有電子管、晶體管和集成電路，等等。 電子電路是由電子元件（例如電阻、電容、電感等）和電子器件構(gòu)成的具有某種功能的電路，它是電子設(shè)備的重要組

5、成部分。電子技術(shù)發(fā)展歷史 19041904年英國倫敦大學(xué)的弗萊明發(fā)明了年英國倫敦大學(xué)的弗萊明發(fā)明了真空電子二極管真空電子二極管； 19061906年美國的德福雷斯特發(fā)明了對電子信號具有放大作年美國的德福雷斯特發(fā)明了對電子信號具有放大作用的用的真空電子三極管真空電子三極管，簡稱，簡稱電子管電子管； 19481948年美國貝爾電話研究所的三位科學(xué)家肖克萊、巴丁年美國貝爾電話研究所的三位科學(xué)家肖克萊、巴丁和布拉頓發(fā)明了和布拉頓發(fā)明了晶體三極管晶體三極管（一種半導(dǎo)體器件）；（一種半導(dǎo)體器件）； 5050年代末，美國德克薩斯公司和仙童公司發(fā)明了年代末，美國德克薩斯公司和仙童公司發(fā)明了集成電集成電路路（實(shí)

6、現(xiàn)了材料、元件和電路的三合一）。（實(shí)現(xiàn)了材料、元件和電路的三合一）。貝爾晶體二極管1.1.2信息和信號 信息是對于接收者來說，預(yù)先不知道的內(nèi)容或知識。信息只有傳輸出去才有意義，為了傳輸信息，需要將它載于某種物理量中，才能使它表現(xiàn)出來，被接收者感覺或認(rèn)識，這種載有信息的物理量一般稱之為信號。 一般把將非電量轉(zhuǎn)換為電量的器件稱為傳感器。非電量轉(zhuǎn)換成電量經(jīng)過電子技術(shù)處理后，有時還需要將電量再還原為非電量，完成還原作用的器件，稱為再生器。1.1.3 1.1.3 模擬信號和數(shù)字信號模擬信號和數(shù)字信號1.1.3.1模擬信號模擬信號 模擬信號的特點(diǎn)是，在時間上和幅值上均是連續(xù)的，在一定動態(tài)范圍內(nèi)可取任意值。

7、處理模擬信號的電子電路稱為模擬電路，本課程主要討論各種模擬電子電路的基本概念、基本原理、基本分析方法和基本應(yīng)用。電子技術(shù)所處理的對象是載有信息的電信號，在電子技術(shù)中會遇到多種信號，按其不同特點(diǎn)可分為兩大類模擬信號和數(shù)字信號。模擬信號1.1.3.2 1.1.3.2 數(shù)字信號數(shù)字信號可以分為三種：時間離散、數(shù)值連續(xù)信號（模擬信號的取樣信號）時間離散、數(shù)值離散信號（模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出信號） 時間連續(xù)、數(shù)值離散信號（數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出信號） 數(shù)字信號（數(shù)字信號（a a）時間離散、數(shù)值連續(xù)信號（模擬信號的取樣信號）；數(shù)字信號（數(shù)字信號（b b）時間離散、數(shù)值離散信號（模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出信號）；數(shù)字信號（數(shù)字信號（c

8、 c）時間連續(xù)、數(shù)值離散信號（數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出信號）。 1.1.41.1.4電子系統(tǒng)電子系統(tǒng)通常是指由若干相互關(guān)聯(lián)、相互作用的基本電路組成的具有特定功能的電路整體。擴(kuò)聲系統(tǒng)方框圖擴(kuò)聲系統(tǒng)方框圖聲頻放大器傳聲器揚(yáng)聲器電子系統(tǒng)的基本組成框圖電子系統(tǒng)的基本組成框圖信號處理電路電源傳感器再生器非電信號輸出非電信號輸入1.2 1.2 電子電路的特點(diǎn)電子電路的特點(diǎn)電源電路 基本功能電路信號產(chǎn)生電路組合邏輯電路信號放大電路信號變換電路信號存儲電路信號運(yùn)算與處理電路時序邏輯電路 1.2.1 電子器件與電子電路1.2.2 1.2.2 分立元件電路與集成電路 分立元件電路是將單個的電子元器件連接起來組成的。一個功能

9、復(fù)雜的電子系統(tǒng)，若用分立元件實(shí)現(xiàn)，將會用很多元器件，不但體積和功耗大，而且可靠性也較差。 與分立元件電路相比較，采用集成電路制造的電子設(shè)備具有成本低、體積小、重量輕、功耗低、可靠性高等許多優(yōu)點(diǎn)，而且有利于提高生產(chǎn)效率，并且便于維修。集成電路的特點(diǎn)：集成電路的特點(diǎn)：所有元件都做在一小塊硅片上，相互距離非常近，制作時工藝條件相同，各元件參數(shù)值具有相同方向的偏差，溫度特性一致，容易制成兩個特性相同的晶體管或電阻；使用晶體管多，電阻少。一般集成電路中電阻值為幾十歐，太大的電阻往往用晶體管制成的有源負(fù)載電阻代替，或者在集成電路外部連接。集成電路內(nèi)部很少使用電容，一般不用電感，只能靠外接。1.2.4 1.

10、2.4 電子電路的分析方法電子電路的分析方法 數(shù)字電路著重研究各種電路的輸入和輸出之間的邏輯關(guān)系，分析時常利用邏輯代數(shù)、真值表、卡諾圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖等方法。 模擬電路研究的重點(diǎn)是信號在處理過程中的波形變化以及器件和電路對信號波形的影響，主要采用電路分析的方法。1.3 放大電路的基本知識放大電路的基本知識1.3.1 1.3.1 模擬信號放大模擬信號放大放大電路的表示方法四種放大電路四種放大電路 電壓放大電路 電流放大電路 互阻放大電路 互導(dǎo)放大電路iGoVAIiRoIAViVoVAViIoIAI1.3.2 放大電路模型放大電路模型 電壓放大電路模型，由電壓放大電路模型，由輸入電阻、輸出電阻和輸入電

11、阻、輸出電阻和受控電壓源受控電壓源三個基本元件構(gòu)成。三個基本元件構(gòu)成。 受控電壓源受控電壓源是一種非獨(dú)立的電壓信號源，它的是一種非獨(dú)立的電壓信號源，它的輸出受另一信號控制。輸出受另一信號控制。電壓放大電壓放大電路模型電路模型oLLiVOoRRRVAVoLLVOioVRRRAVVAoRsR電壓放大電路適合于信號源內(nèi)阻RS較小且RL負(fù)載較大場合。電流放大電流放大電路模型電路模型oLoiISoRRRIAIoLoISioIRRRAIIAisssiRRRII當(dāng)oRLR和iRsR時，才可使電路具有較理想的電流放大效果?；プ璺糯箅娐坊プ璺糯箅娐吩诶硐霠顟B(tài)下，互阻放大電路要求輸入電阻0iR且輸出電阻0oR互導(dǎo)

12、放大電路互導(dǎo)放大電路互導(dǎo)放大電路要求:輸入電阻iR，輸出電阻oR電壓放大電路模型的開路輸出電壓為iVOVA,根據(jù)電流放大電路模型可得開路輸出電壓為oiISRIA,且iiiRVI/,令兩電路等效， oiiISiVORRVAVA電流放大模型就可轉(zhuǎn)換為電壓放大電路模型一個實(shí)際的放大電路原則上可以取四類電路模型中任意一種作為它的電路模型，但是根據(jù)信號源的性質(zhì)和負(fù)載的要求，一般只有其中一種模型在電路設(shè)計或分析中概念最明確，運(yùn)用最方便。隔離放大隔離放大1.3.3 放大電路的主要性能指標(biāo)放大電路的主要性能指標(biāo) 輸入電阻 輸出電阻 增益 頻率響應(yīng) 非線性失真1.3.3.1 輸入電阻輸入電阻輸入電阻等于輸入電壓

13、與輸入電流的比值iiiIVR/輸入為電壓信號的放大電路，即電壓放大和互導(dǎo)放大，iR愈大，則放大電路輸入端的iV值愈大。輸入為電流信號的放大電路，即電流放大和互阻放大，iR愈小，注入放大電路的輸入電流iI愈大。isssiRRRIIisisiRRRVV1.3.3.2 輸出電阻輸出電阻 輸出電阻的大小決定帶負(fù)載的能力。輸出電阻的大小決定帶負(fù)載的能力。oLoiISoRRRIAIoLLiVOoRRRVAV 對輸出為電流信號的放大電路（電流放大和互導(dǎo)放對輸出為電流信號的放大電路（電流放大和互導(dǎo)放大），輸出電阻愈大，負(fù)載電阻的變化對輸出電流大），輸出電阻愈大，負(fù)載電阻的變化對輸出電流的影響愈小，常用于電子系

14、統(tǒng)的的影響愈小，常用于電子系統(tǒng)的輸出級輸出級。 對輸出為電壓信號的放大電路（電壓放大和互阻放對輸出為電壓信號的放大電路（電壓放大和互阻放大），輸出電阻愈小，負(fù)載電阻的變化對輸出電壓大），輸出電阻愈小，負(fù)載電阻的變化對輸出電壓的影響愈小。多用于信號的的影響愈小。多用于信號的前置放大和中間級放大前置放大和中間級放大。1.3.3.3 增益增益 和 兩種無量綱增益在工程上常用以10為底的對數(shù)增益表達(dá)，基本單位為B(貝爾，Bel)，平時用它的十分之一單位dB(分貝)。VAIAVAlg20IAlg20 四種放大電路有不同的增益-電壓增益、電流增益、互阻增益及互導(dǎo)增益。實(shí)際反映了放大電路在輸入信號控制下，將

15、供電電源能量轉(zhuǎn)換為信號能量的能力。 電壓增益 dB 電流增益 dB 用對數(shù)方式表達(dá)原因：用對數(shù)方式表達(dá)原因：(1)(1)當(dāng)用對數(shù)坐標(biāo)表達(dá)增益隨頻率變化的曲線時，可大大當(dāng)用對數(shù)坐標(biāo)表達(dá)增益隨頻率變化的曲線時，可大大擴(kuò)大增益變化的視野；擴(kuò)大增益變化的視野；(2)(2)計算多級放大電路的總增益時，可將乘法化為加法進(jìn)計算多級放大電路的總增益時，可將乘法化為加法進(jìn)行運(yùn)算。行運(yùn)算。在某些情況下，在某些情況下， 或或 為負(fù)數(shù)，意味著輸出與輸入之間為負(fù)數(shù)，意味著輸出與輸入之間的相位關(guān)系為的相位關(guān)系為 ，這與對數(shù)增益為負(fù)值時的意義不能混，這與對數(shù)增益為負(fù)值時的意義不能混淆。在某種情況下，放大電路的增益為淆。在某

16、種情況下，放大電路的增益為-2OdB-2OdB，這表示信號，這表示信號電壓衰減到電壓衰減到l llOlO，即，即 。VAIA1801.0VA1.3.3.4 頻率響應(yīng)及帶寬頻率響應(yīng)及帶寬放大電路的放大電路的頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)指在輸入正弦信號指在輸入正弦信號情況下，輸出隨頻率連續(xù)變化的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。情況下，輸出隨頻率連續(xù)變化的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。幅頻響應(yīng)與相頻響應(yīng)幅頻響應(yīng)與相頻響應(yīng)相頻響應(yīng)相頻響應(yīng)表示放大表示放大電路輸出與輸入正弦電路輸出與輸入正弦電壓信號的相位差與電壓信號的相位差與角頻率之間的關(guān)系。角頻率之間的關(guān)系。)()(VVAA)()()(jVjVjAioV幅頻響應(yīng)幅頻響應(yīng)表示電壓表示電壓增益的模與角頻率之

17、增益的模與角頻率之間的關(guān)系。間的關(guān)系。音響系統(tǒng)放大電路的幅頻響應(yīng)音響系統(tǒng)放大電路的幅頻響應(yīng)(波特圖)BodeLHffBW波特波特(Bode)(Bode)圖、半功率點(diǎn)、帶寬圖、半功率點(diǎn)、帶寬 橫坐標(biāo)采用頻率單位，圖中的坐標(biāo)均采用對數(shù)刻橫坐標(biāo)采用頻率單位，圖中的坐標(biāo)均采用對數(shù)刻度，稱為度，稱為波特波特(Bode)(Bode)圖圖，這樣處理不僅把頻率和，這樣處理不僅把頻率和增益變化范圍展得很寬，而且在繪制近似頻率響增益變化范圍展得很寬，而且在繪制近似頻率響應(yīng)曲線時也十分簡便。應(yīng)曲線時也十分簡便。 在輸入信號幅值保持不變條件下，增益下降在輸入信號幅值保持不變條件下，增益下降3dB3dB的的頻率點(diǎn)，其輸

18、出功率約等于中頻區(qū)輸出功率的一頻率點(diǎn)，其輸出功率約等于中頻區(qū)輸出功率的一半，通常稱為半，通常稱為半功率點(diǎn)半功率點(diǎn)。 一般把幅頻響應(yīng)的高、低兩個半功率點(diǎn)間的頻率一般把幅頻響應(yīng)的高、低兩個半功率點(diǎn)間的頻率差定義為放大電路的差定義為放大電路的帶寬帶寬。直流直流( (直接耦合直接耦合) )放大電路放大電路 下限頻率為零的放大電路稱為下限頻率為零的放大電路稱為直流直流( (直接耦直接耦合合) )放大電路放大電路。 現(xiàn)代模擬集成電路大多采用直接耦合進(jìn)行現(xiàn)代模擬集成電路大多采用直接耦合進(jìn)行放大。放大。直流放大電路的頻率響應(yīng)直流放大電路的頻率響應(yīng)幅度失真與相位失真幅度失真與相位失真線性失真線性失真1.3.3.51.3.3.5 非線性失真非線性失真 向放大電路輸入標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號，可以測定輸出信號的向放大電路輸入標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號，可以測定輸出信號的非線性失真。非線性失真。 非線性失真系數(shù)非線性失真系數(shù)%100122okokVV其他性能指標(biāo)其他性能指標(biāo) 最大輸出功率 效率 信號噪聲比 抗干擾能力，等等 在某些特殊使用場合還會提出體積、重量、工