模擬電子技術模電之緒論

1、模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎湖北大學物電模擬電子技術模擬電子技術課程：課程：模擬電子電路模擬電子電路學時：學時： 64學時（講授）學時（講授） +16學時（實驗）學時（實驗）任課教師任課教師： 諶雨章諶雨章 副教授副教授 （Dr. Yuzhang Chen）QQ：49479485： 電子技術基礎電子技術基礎 模擬部分模擬部分（第（第5版，版，康華光康華光編編著著），），高教出版社高教出版社一、本課程性質一、本課程性質專業(yè)基礎課電子技術：理論、知識、技能工程性：可行性、近似分析、模型化實踐性：電子儀器、電子電路測試、故障分析排查、仿真方法概述概述電子技術的課程體系電子技術的課程體系理論基礎理

2、論基礎：電路理論、電路理論、信號與線性系統(tǒng)信號與線性系統(tǒng)同步課程：數(shù)字電子技術（數(shù)字電路與邏輯設計）同步課程：數(shù)字電子技術（數(shù)字電路與邏輯設計）后續(xù)課程：后續(xù)課程：微機原理（計算機類課程）、高頻電路微機原理（計算機類課程）、高頻電路（通信類課程）等（通信類課程）等模擬電子技術和數(shù)字電子技術是電子信息類各專業(yè)的重要的技模擬電子技術和數(shù)字電子技術是電子信息類各專業(yè)的重要的技術基礎課程，對于繼續(xù)學習有關專業(yè)課程（通信類、計算機類、術基礎課程，對于繼續(xù)學習有關專業(yè)課程（通信類、計算機類、控制類、測量類、電力電子類）有著重要的影響?？刂祁?、測量類、電力電子類）有著重要的影響。二極管二極管集成器件集成器件

3、三極管三極管場效應管場效應管單管三組態(tài)放大器單管三組態(tài)放大器差動放大器差動放大器低頻功率放大器低頻功率放大器運放模擬運算電路運放模擬運算電路多級負反饋放大器多級負反饋放大器直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源二、本課程內容二、本課程內容模擬電子線路模擬電子線路三、學習目的和方法三、學習目的和方法目的：基本概念（物理參數(shù)的求解）；基本電路（生產背景、結構特點、性能特點）；基本分析方法（電路識別、性能指標、電路參數(shù)計算）；全面、辨證的分析觀念實踐應用三、學習目的和方法三、學習目的和方法方法：結合授課內容，理解課本；通過例題，理解電路結構，學會分析；通過練習題，熟悉理論和方法；通過實驗課程，熟悉模擬電子基本實際

4、電路及相關仿真軟件的使用考試電子系統(tǒng)信號提取信號預處理信號加工信號執(zhí)行 AD轉換計算機數(shù)字電路 DA轉換模擬信號的基本處理：放大溫度傳感溫度傳感（輸入）（輸入）信號放大信號放大信號濾波信號濾波控制執(zhí)行控制執(zhí)行（輸出）（輸出）功率放大功率放大數(shù)模轉換數(shù)模轉換數(shù)字邏輯數(shù)字邏輯電路電路模數(shù)轉換模數(shù)轉換恒溫恒溫裝置裝置模擬小信號電路模擬小信號電路數(shù)字電路數(shù)字電路非電子物非電子物理系統(tǒng)理系統(tǒng)模擬大信模擬大信號電路號電路電子系統(tǒng)電子系統(tǒng)電子系統(tǒng)的基本知識電子系統(tǒng)的基本知識溫度控制電子系統(tǒng)的組成框圖溫度控制電子系統(tǒng)的組成框圖電子系統(tǒng)描述電子系統(tǒng)描述電子系統(tǒng)的基本知識電子系統(tǒng)的基本知識由若干相互聯(lián)結，相互作用

5、的基本電路組成的，具有特定功能的電路整體，稱為電子系統(tǒng)。 基本電路：構成電子系統(tǒng)的基本元素基本電路：構成電子系統(tǒng)的基本元素 相互作用：基本電路以各自功能互相補充相互作用：基本電路以各自功能互相補充 特定功能：電子系統(tǒng)本身是專有的特定功能：電子系統(tǒng)本身是專有的 整整 體：用系統(tǒng)的觀點來考察整體電路體：用系統(tǒng)的觀點來考察整體電路基本單元電路功能描述基本單元電路功能描述輸入電路：非電子物理系統(tǒng)與電子系統(tǒng)的接口小信號放大電路：放大信號到所要求的電平濾波電路：對信號的時域或頻域特性加以改變數(shù)字與模擬接口電路：包括模數(shù)轉換和數(shù)模轉換數(shù)字邏輯電路：數(shù)字信號的處理電路功率放大電路：放大信號到所要求的功率信號產

6、生電路：產生必要的波形電源電路：提供電子系統(tǒng)的能源供應主要單元電路有：電子系統(tǒng)的作用電子系統(tǒng)的作用 電子系統(tǒng)的作用是完成對信號的各種處理與變換 傳感器：傳感器： 物理量的測量和信號的采集物理量的測量和信號的采集 放大器：放大器： 微弱信號波形的放大微弱信號波形的放大 濾波器：濾波器： 無關信號和噪聲的濾除無關信號和噪聲的濾除 模數(shù)轉換：模數(shù)轉換： 模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號 數(shù)字邏輯電路：數(shù)字信號的電路處理數(shù)字邏輯電路：數(shù)字信號的電路處理 數(shù)模轉換：數(shù)模轉換： 數(shù)字信號還原為模擬信號數(shù)字信號還原為模擬信號 功率放大：功率放大： 放大信號功率放大信號功率模擬電子電路 放大電路：電壓

7、、電流、功率放大（基礎） 濾波電路：信號提取、變換、抗干擾 運算電路：加減乘除 信號轉換電路：電壓電流轉換、直流交流轉換 信號發(fā)生電路：正弦波、方波、三角波 直流電源：將220V交流電源轉換成直流電，作為各種電子電路供電電源放大電路示意圖放大電路分析圖功放功放電路實現(xiàn) 面包板 蜂窩板 Protel制版功放電路設計功放電路仿真功放電路仿真仿真軟件 Multisim Pspice Protel Matlab1.1 信號信號1.3 模擬信號和數(shù)字信號模擬信號和數(shù)字信號1 1 緒論緒論1.2 信號的頻譜信號的頻譜1.4 放大電路模型放大電路模型1.5 放大電路的主要性能指標放大電路的主要性能指標模擬電

8、路最基本的模擬電路最基本的處理信號的功能處理信號的功能1.信號：信號： 信息的載體信息的載體 1.1 信號信號溫度、氣壓、風速、聲音等溫度、氣壓、風速、聲音等傳感器（傳感器（信號源信號源）連續(xù)變化的電信號（模擬信號）連續(xù)變化的電信號（模擬信號）放大、濾波放大、濾波驅動負載（顯示裝置、揚聲器等）驅動負載（顯示裝置、揚聲器等）微音器輸出的某一段信號的波形微音器輸出的某一段信號的波形如何表達？1. 信號：信號及其表達信號及其表達 信息的載體隨時間變化的物理量 O t/s v/ V 10 80 70 60 50 40 30 20 8 10 8 10 放大電路輸出波形 高溫計輸出波形 v/ mV 傳感器

9、 電信號隨時間變化的電壓或電流T/2 200.52 200.02 199.501080706050403020t/s加熱爐溫度波動曲線加熱爐溫度波動曲線2. 電信號源的電路表達形式電信號源的電路表達形式戴維寧等效：戴維寧等效：將信號源等效為一個將信號源等效為一個理想電壓源理想電壓源與與內阻內阻相串聯(lián)的相串聯(lián)的形式。形式。 1.1 信號信號諾頓等效電路諾頓等效電路戴維寧等效電路戴維寧等效電路理想電壓源：理想電壓源：a、b端開路時的開路電壓端開路時的開路電壓內阻：所有電壓源短路、電流源開路時，從內阻：所有電壓源短路、電流源開路時，從a、b端往左看端往左看進去的等效電阻。進去的等效電阻。諾頓等效：諾

10、頓等效：將信號源等效為一個將信號源等效為一個理想電流源理想電流源與與內阻內阻相并聯(lián)的形式。相并聯(lián)的形式。理想電流源：理想電流源：a、b端短路時的短路電流端短路時的短路電流內阻：所有電壓源短路、電流源開路時，從內阻：所有電壓源短路、電流源開路時，從a、b端往左看端往左看進去的等效電阻。進去的等效電阻。 1.1 信號信號電壓源等效電路電壓源等效電路電流源等效電路電流源等效電路sssRiv ssRiv s 簡單的電信號可以用公式表達：簡單的電信號可以用公式表達： 便于提取特征參數(shù)便于提取特征參數(shù)頻譜分析頻譜分析 復雜的電信號的表達依賴于其特征參數(shù)，這些復雜的電信號的表達依賴于其特征參數(shù)，這些特征參數(shù)

11、是設計電子系統(tǒng)的依據(jù)。特征參數(shù)是設計電子系統(tǒng)的依據(jù)。)sin()(mtVtv1. 電信號的電信號的時域時域表示表示A A. 正弦信號正弦信號)sin()(mtVtvffT212 1.2 信號的頻譜信號的頻譜時域時域時域時域橫軸為時間橫軸為時間為表達正弦信號的特征參數(shù)為表達正弦信號的特征參數(shù)、mV最簡單，通常作為標準信號測試模擬電路最簡單，通常作為標準信號測試模擬電路電信號的時域與頻域表示電信號的時域與頻域表示A. 正弦信號fT 2200 O t Vm -Vm f T = = 時域時域OVm 頻域頻域)sin()(0m tVtv時域：信號的時間波形表示時域：信號的時間波形表示頻域：將信號分解為正

12、弦信號的集合頻域：將信號分解為正弦信號的集合1. 電信號的時域與頻域表示電信號的時域與頻域表示B B. 方波信號方波信號)5sin513sin31(sin22)(000SS tttVVtvT20 滿足狄利克雷條件，展開成傅滿足狄利克雷條件，展開成傅里葉級數(shù)里葉級數(shù)2SV直流分量直流分量其中其中2SV基波分量基波分量312S V三次諧波分量三次諧波分量 1.2 信號的頻譜信號的頻譜方波的時域表示方波的時域表示 2. 信號的頻譜信號的頻譜B B. 方波信號方波信號)5sin513sin31(sin22)(000SS tttVVtv頻譜：將一個信號分解為正弦信號的集合，得到其正弦信號幅值和相位頻譜：

13、將一個信號分解為正弦信號的集合，得到其正弦信號幅值和相位隨角頻率變化的分布，稱為該信號的頻譜。隨角頻率變化的分布，稱為該信號的頻譜。 1.2 信號的頻譜信號的頻譜幅度譜幅度譜相位譜相位譜正弦信號的頻譜對比C C. 非周期信號非周期信號傅里葉變換：傅里葉變換： 通過快速傅里葉變換（通過快速傅里葉變換（FFT）可迅速求出非周期信號的頻譜函可迅速求出非周期信號的頻譜函數(shù)。數(shù)。)0( 非周期信號包含了所有可能的頻非周期信號包含了所有可能的頻率成分率成分離散頻率函數(shù)離散頻率函數(shù)周期信號周期信號連續(xù)頻率函數(shù)連續(xù)頻率函數(shù)非周期信號非周期信號氣溫波形氣溫波形 氣溫波形的頻譜函數(shù)（示意圖）氣溫波形的頻譜函數(shù)（示

14、意圖） 1.2 信號的頻譜信號的頻譜C. C. 非周期信號非周期信號0 0.2 .2 電子系統(tǒng)的知識體系結構電子系統(tǒng)的知識體系結構連續(xù)頻譜函數(shù)非周期信號時域時域T/2 200.52 200.02 199.501080706050403020t/s頻域頻域O T/ c)0(非周期信號包含了所有的（連續(xù)）頻率成分 通過傅氏積分求出非周期信號的頻譜函數(shù)。小結：電子系統(tǒng)處理的一切可歸結為信號，而各式信號包含了特定的頻率成分。所以，電子系統(tǒng)的頻率特性也是我們要特別關注的。1.3 模擬信號和數(shù)字信號模擬信號和數(shù)字信號模擬信號：在時間和幅值上都是連續(xù)的信號。模擬信號：在時間和幅值上都是連續(xù)的信號。數(shù)字信號：

15、在時間和幅值上都是離散的信號。數(shù)字信號：在時間和幅值上都是離散的信號。 處理模擬信號的電子電路稱為模擬電路。處理模擬信號的電子電路稱為模擬電路。半導體器件的種類及發(fā)展半導體器件的種類及發(fā)展一一、種類：種類： 二極管、三極管、場效應管、集成電路（二極管、三極管、場效應管、集成電路（ICIC） Integrated Circuit二二、發(fā)展：發(fā)展：電子器件電子器件的更新?lián)Q代是推動電子技術發(fā)展的關鍵，的更新?lián)Q代是推動電子技術發(fā)展的關鍵，電子學發(fā)展史上電子學發(fā)展史上三個重要里程碑三個重要里程碑：1 1、19061906年年電子管電子管發(fā)明（進入電子時代）發(fā)明（進入電子時代）2 2、19481948年年

16、晶體管晶體管問世（問世（半導體器件半導體器件）3 3、6060年代年代集成電路集成電路出現(xiàn)出現(xiàn)( (進入信息時代進入信息時代) ) 目前，貝爾實驗室正研制超小體積和超低功耗的目前，貝爾實驗室正研制超小體積和超低功耗的第四代半導體器件第四代半導體器件，它的問世將掀起電子技術新革命，它的問世將掀起電子技術新革命: : 47年 貝爾實驗室制成第一只晶體管 58年 集成電路 69年 大規(guī)模集成電路 75年 超大規(guī)模集成電路u第一片集成電路只有第一片集成電路只有4個晶體管，而個晶體管，而97年一片集年一片集成電路上有成電路上有40億個晶體管?？茖W家預測集成度按億個晶體管?？茖W家預測集成度按10倍倍/6年

17、的速度還將繼續(xù)到年的速度還將繼續(xù)到2015或或2020年，將達年，將達到飽和。到飽和。1 1第一代電子器件第一代電子器件電子管電子管 1904年英國人弗萊明年英國人弗萊明發(fā)明了第一種可用作電磁波檢發(fā)明了第一種可用作電磁波檢波器的電子元件波器的電子元件二極電子管二極電子管。 1906年，美國無線電工程師福雷斯特年，美國無線電工程師福雷斯特（Lee De Fordst）等發(fā)明，）等發(fā)明， 在改進二極管性能時發(fā)明了在改進二極管性能時發(fā)明了三極電子三極電子管管。電子管體積大、重量重、壽命短、耗電大。世界上電子管體積大、重量重、壽命短、耗電大。世界上第一臺計算機用第一臺計算機用1.8萬只電子管，占地萬只

18、電子管，占地170m2，重，重30t，耗，耗電電150kW。 2 2第二代電子器件第二代電子器件晶體管（半導體三極管）晶體管（半導體三極管） 1947年，美國物理學家肖克利、巴丁和布拉頓年，美國物理學家肖克利、巴丁和布拉頓三三人捷足先登，合作發(fā)明了晶體管。人捷足先登，合作發(fā)明了晶體管。1948年年11月，肖克月，肖克利構思出一種新型晶體管，其結構像利構思出一種新型晶體管，其結構像“三明治三明治”夾心夾心面包那樣，把面包那樣，把N型半導體夾在兩層型半導體夾在兩層P型半導體之間。型半導體之間?？上У氖?，由于當時技術條件的限制，研究和實驗都可惜的是，由于當時技術條件的限制，研究和實驗都十分困難。直到

19、十分困難。直到1950年，人們才成功地制造出第一個年，人們才成功地制造出第一個PN結型結型晶體管晶體管。3 3第三代電子器件第三代電子器件集成電路集成電路(IC)(IC) 1958年，基爾白等設想將管子、元件和線路集成年，基爾白等設想將管子、元件和線路集成封裝在一起，三年后，集成電路實現(xiàn)了商品化。封裝在一起，三年后，集成電路實現(xiàn)了商品化。IC按集成度分按集成度分: (1)小規(guī)模小規(guī)模IC（SSI）102 (2)中規(guī)模中規(guī)模IC （MSI）103 (3)大規(guī)模大規(guī)模IC （LSI）105 (4)超大規(guī)模超大規(guī)模IC (VLSI)105 隨著電子技術應用的不斷推廣和電子產品發(fā)展隨著電子技術應用的不

20、斷推廣和電子產品發(fā)展的日趨復雜，電子設備中應用的電子器件越來越多。的日趨復雜，電子設備中應用的電子器件越來越多。為確保設備的可靠性，縮小其重量和體積，人們迫為確保設備的可靠性，縮小其重量和體積，人們迫切需要在電子技術領域來一次新的突破。同時在冷切需要在電子技術領域來一次新的突破。同時在冷戰(zhàn)時期激烈的軍備競賽的刺激下，在已有的晶體管戰(zhàn)時期激烈的軍備競賽的刺激下，在已有的晶體管技術的基礎上，一種新興技術誕生了，那就是今天技術的基礎上，一種新興技術誕生了，那就是今天大放異彩的大放異彩的集成電路集成電路?？梢钥隙ǖ氖牵㈦娮有袠I(yè)具有廣闊的科技和應用前景，可以肯定的是，微電子行業(yè)具有廣闊的科技和應用前景

21、，與此同時微電子技術通過微型化、自動化、計算機化和機與此同時微電子技術通過微型化、自動化、計算機化和機器人化，將從根本上改變人類的生活。它正在沖擊著人類器人化，將從根本上改變人類的生活。它正在沖擊著人類生活的許多方面：勞動生產、家庭、政治、科學、戰(zhàn)爭與生活的許多方面：勞動生產、家庭、政治、科學、戰(zhàn)爭與和平。和平。 相關網(wǎng)站相關網(wǎng)站電子技術書籍專賣網(wǎng)電子技術書籍專賣網(wǎng) http:/電子工程專輯電子工程專輯 http:/拓普電子網(wǎng)站拓普電子網(wǎng)站 http:/全國大學生電全國大學生電子設計競賽網(wǎng)子設計競賽網(wǎng) http:/ 1.4 放大電路模型放大電路模型電壓增益（電壓放大倍數(shù)）電壓增益（電壓放大倍數(shù)

22、）iovvv A電流增益電流增益ioiiAi 互阻增益互阻增益)(io iArv互導增益互導增益)S(ioviAg 1. 放大電路的符號及模擬信號放大放大電路的符號及模擬信號放大負載開路時的負載開路時的 電壓增益電壓增益A. 電壓放大模型電壓放大模型ovAiR輸入電阻輸入電阻oR輸出電阻輸出電阻由輸出回路得由輸出回路得LoLiOoRRRAV vv則電壓增益為則電壓增益為iovv VALoLoRRRA v由此可見由此可見 LR vA即負載的大小會影響增益的大小即負載的大小會影響增益的大小要想減小負載的影響，則希望要想減小負載的影響，則希望？ （考慮改變放大電路的參數(shù)）（考慮改變放大電路的參數(shù)）L

23、oRR 理想情況理想情況0o R2. 放大電路模型放大電路模型 1.4 放大電路模型放大電路模型 另一方面，考慮到另一方面，考慮到輸入回路對信號源的輸入回路對信號源的衰減衰減siRR 理想情況理想情況有有sisiivvRRR 要想減小衰減，則希望要想減小衰減，則希望？ iR 1.4 放大電路模型放大電路模型A. 電壓放大模型電壓放大模型負載短路時的負載短路時的 電流增益電流增益2. 電流放大模型電流放大模型s iA由輸出回路得由輸出回路得LooioRRRiAiis 則電流增益為則電流增益為ioiiAi LooRRRAis 由此可見由此可見 LR iA要想減小負載的影響，則希望要想減小負載的影響

24、，則希望？LoRR 理想情況理想情況 oR由輸入回路得由輸入回路得isssiRRRii 要想減小對信號源的衰減，則希望要想減小對信號源的衰減，則希望？siRR 理想情況理想情況0i R 1.4 放大電路模型放大電路模型C. 互阻放大模型（自學）互阻放大模型（自學）輸入輸出回路沒有公共端，避免干擾輸入輸出回路沒有公共端，避免干擾D. 互導放大模型（自學）互導放大模型（自學）A,B,C,D可以任意轉換可以任意轉換E. 隔離放大電路模型隔離放大電路模型 1.4 放大電路模型放大電路模型 1.5 放大電路的主要性能指標放大電路的主要性能指標1. 輸入電阻輸入電阻放大電路從信號源吸取信號幅值的大?。粚τ?/p>

25、電壓放大模型，Ri大? ，小?好對于電流放大？ 1.5 放大電路的主要性能指標放大電路的主要性能指標2. 輸出電阻輸出電阻 Ls,0ttoRvviR帶負載的能力：放大電路輸出隨負載變化的帶負載的能力：放大電路輸出隨負載變化的程度程度對于電壓放大模型，Ro大? ，小?好對于電流放大？注意：輸入、輸出電阻為交流電阻注意：輸入、輸出電阻為交流電阻 另一測量方法：另一測量方法：得：得：負載開路時，測得開負載開路時，測得開路電壓：路電壓：LooRvvR) 1(oiovvvoA接上負載時，測得負載電壓：接上負載時，測得負載電壓：LoLoLoLRRRvRRRAiovvvo 1.5 放大電路的主要性能指標放大

26、電路的主要性能指標3. 增益增益 反映放大電路在輸入信號控制下，將供電電源能量反映放大電路在輸入信號控制下，將供電電源能量轉換為輸出信號能量的能力。轉換為輸出信號能量的能力。其中其中(dB)lg20vA 電電壓壓增增益益四種增益四種增益iovvv AioiiAi ioiArv ioviAg iAA 、v常用分貝（常用分貝（dBdB）表示。）表示。(dB)lg20iA 電電流流增增益益(dB)lg10PA 功功率率增增益益 1.5 放大電路的主要性能指標放大電路的主要性能指標4. 頻率響應頻率響應A.A.頻率響應及帶寬頻率響應及帶寬 電壓增益可表示為電壓增益可表示為)j ()j ()j (io VVAV 在輸入正弦信號情況下，輸出隨輸入信號頻率連續(xù)變化的穩(wěn)態(tài)在輸入正弦信號情況下，輸出隨輸入信號頻率連續(xù)變化的穩(wěn)態(tài)響應，稱為放