電子線路綜合提高教案第一章

1、電子線路綜合提高電子線路綜合提高 第一章第一章蔣慧琳蔣慧琳2022-6-16第一章第一章 緒論緒論l 1.0 引言引言l 1.1 信號信號l 1.2 信號的頻譜信號的頻譜l 1.3 模擬信號和數(shù)字信號模擬信號和數(shù)字信號l 1.4 放大電路模型放大電路模型l 1.5 放大電路的主要性能指標(biāo)放大電路的主要性能指標(biāo)22022-6-161. 1. 0 0 引言引言l 什么是電子技術(shù)？什么是電子技術(shù)？n 電子技術(shù)是采用半導(dǎo)體器件組成的各種電子電路來產(chǎn)生、電子技術(shù)是采用半導(dǎo)體器件組成的各種電子電路來產(chǎn)生、傳輸和處理信號的技術(shù)傳輸和處理信號的技術(shù)l 電子電路分類電子電路分類n 按電子電路中流經(jīng)的信號類型、電

2、路功能和構(gòu)成原理，按電子電路中流經(jīng)的信號類型、電路功能和構(gòu)成原理，可分為兩大類可分為兩大類p 模擬電路模擬電路 p 數(shù)字電路數(shù)字電路l 電子技術(shù)的發(fā)展電子技術(shù)的發(fā)展32022-6-16第一章第一章 緒論緒論l 電子技術(shù)的發(fā)展電子技術(shù)的發(fā)展n 以電子器件的更新?lián)Q代為標(biāo)志n 電子學(xué)近百年發(fā)展史上三個(gè)重要里程碑：p 1904年電子管發(fā)明（真正進(jìn)入電子時(shí)代）p 1948年晶體管問世p 60年代集成電路出現(xiàn)2022-6-164第一章第一章 緒論緒論n 第一代電子器件電子管p 1906年，福雷斯特（Lee De Fordst）等發(fā)明了電子管，是電子學(xué)發(fā)展史上第一個(gè)里程碑。用電子管可實(shí)現(xiàn)整流、穩(wěn)壓、檢波、放

3、大、振蕩、變頻、調(diào)制等多種功能電路。2022-6-165第一章第一章 緒論緒論p 一種在氣密性封閉容器中產(chǎn)生電流傳導(dǎo)，利用電場對真空中的電子流的作用以獲得信號放大或振蕩的電子器件，常用于早期電子產(chǎn)品中 。p 電子管可分為電子二極管，電子三極管等p 電子管體積大、重量重、壽命短、耗電大。世界上第一臺計(jì)算機(jī)用1.8萬只電子管，占地170m2，重30t，耗電150kW2022-6-166第一章第一章 緒論緒論n 第二代電子器件晶體管 p 1948年，肖克利（W.Shckly）等發(fā)明了半導(dǎo)體三極管，其性能明顯優(yōu)于電子管，從而大大促進(jìn)了電子技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。晶體管的發(fā)明是電子學(xué)歷史上的第二個(gè)里程碑。20

4、22-6-167第一章第一章 緒論緒論p 一種固體半導(dǎo)體器件，可以用于檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號調(diào)制和許多其它功能。晶體管作為一種可變開關(guān)，基于輸入的電壓，控制流出的電流，因此晶體管可做為電流的開關(guān)，和一般機(jī)械開關(guān)（如Relay、switch）不同處在于晶體管是利用電訊號來控制，而且開關(guān)速度可以非常之快，在實(shí)驗(yàn)室中的切換速度可達(dá)100GHz以上。2022-6-168第一章第一章 緒論緒論p 晶體管分為半導(dǎo)體二極管，半導(dǎo)體三極管等p 盡管晶體管在體積、重量等方面性能優(yōu)于電子管，但由成百上千只晶體管和其他元件組成的分立電路體積大、焊點(diǎn)多，可靠性差。2022-6-169第一章第一章 緒論緒論

5、n 第三代電子器件集成電路p 集成電路按集成度可分作小規(guī)模集成電路（SSI）102中規(guī)模集成電路（MSI）103大規(guī)模集成電路（LSI）105超大規(guī)模集成電路(VLSI)105p 當(dāng)前，微電子已成為最具有發(fā)展前途的產(chǎn)業(yè)，微電子技術(shù)水平已成為衡量一個(gè)國家技術(shù)水平的重要標(biāo)志。2022-6-16101. 1. 1 1 信號信號l 消息和信息（消息和信息（message）n消息（message）p 語言、文字、圖像或數(shù)據(jù)等統(tǒng)稱為消息內(nèi)容天文、地理、歷史、政治、經(jīng)濟(jì)、科技、文化傳播方式書信、電話、廣播、電視、互聯(lián)網(wǎng)n信息（information）p 消息中賦予人們的新知識l 信號（信號（signal）n

6、消息的載體（消息是信號的傳送內(nèi)容）n表現(xiàn)為隨時(shí)間變化的某種物理量或物理現(xiàn)象n電信號112022-6-161. 1. 1 1 信號信號p 數(shù)學(xué)上： 信號是一個(gè)或多個(gè)變量的函數(shù)p 形態(tài)上：信號表現(xiàn)為一種波形p 自變量：時(shí)間、位移、周期、頻率、幅度、相位p 物理上： 信號是信息寄寓變化的形式p 描述信號常用的方法是：數(shù)學(xué)表達(dá)式波形p 信號的波形：信號通常是時(shí)間變量t 的函數(shù)，信號隨著t 而變化的曲線叫信號的波形n模擬信號p 信號隨時(shí)間連續(xù)變化n模擬電路p 處理模擬信號的電路122022-6-16微音器輸出的某一段信號的波形1. 1. 1 1 信號信號l 信號源的電路表達(dá)形式信號源的電路表達(dá)形式l 信

7、號的特性信號的特性n時(shí)間特性：表示為隨時(shí)間變化的函數(shù)n頻率特性：信號可以分解為許多不同頻率的正弦分量之和132022-6-16電壓源（戴維寧）等效電路電壓源（戴維寧）等效電路電流源（諾頓）等效電路電流源（諾頓）等效電路1. 1. 2 2 信號的頻譜信號的頻譜l 定義定義n信號在頻域中表示的圖形或曲線l 時(shí)域變換到頻域的目的和方法時(shí)域變換到頻域的目的和方法n便于提取特征參數(shù)（設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)的依據(jù)）n傅里葉變換n任意周期函數(shù)只要滿足狄利克雷條件（Dirichlet Conditions）都可以展開成傅里葉級數(shù)p 在一個(gè)周期內(nèi)，如果有間斷點(diǎn)存在，則點(diǎn)的數(shù)目有限p 在一個(gè)周期內(nèi)，極大值和極小值的數(shù)目有限

8、p 在一個(gè)周期內(nèi)，信號是絕對可積的142022-6-161. 1. 2 2 信號的頻譜信號的頻譜l 表達(dá)方式及基本特性表達(dá)方式及基本特性n時(shí)域正弦波電壓信號152022-6-16時(shí)域時(shí)域)sin()(mtVtvfT22特征參數(shù)特征參數(shù)、mV1. 1. 2 2 信號的頻譜信號的頻譜n周期性方波電壓信號p 滿足狄利克雷條件，展開成傅里葉級數(shù)162022-6-16方波的時(shí)域表示方波的時(shí)域表示 )5sin513sin31(sin22)(000SS tttVVtv2SV直流分量直流分量2SV基波分量基波分量312S V三次諧波分量三次諧波分量1. 1. 2 2 信號的頻譜信號的頻譜p 方波信號的頻譜17

9、2022-6-16頻譜：將一個(gè)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。)5sin513sin31(sin22)(000SStttVVtv幅度譜幅度譜各頻率分量振幅隨角頻率變化的分布各頻率分量振幅隨角頻率變化的分布相位譜相位譜各頻率分量的相位隨角頻率變化的分布各頻率分量的相位隨角頻率變化的分布1. 1. 2 2 信號的頻譜信號的頻譜n非周期性信號182022-6-16 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數(shù)。離散頻率函數(shù)周期信號連續(xù)頻率函數(shù)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)（

10、示意圖）)0( 非周期信號包含了所有可能的頻率成分 截止角頻率 把高于此頻率部分截?cái)鄷r(shí)，不會對信號特性產(chǎn)生較大影響。c1. 1. 3 3 模擬信號和數(shù)字信號模擬信號和數(shù)字信號192022-6-16l 四類信號四類信號 n 時(shí)間連續(xù)、數(shù)值連續(xù)（模擬信號）n 時(shí)間離散、數(shù)值連續(xù)n 時(shí)間連續(xù)、數(shù)值離散n 時(shí)間離散、數(shù)值離散（數(shù)字信號）l 模擬電路：處理模擬信號的電子電路模擬電路：處理模擬信號的電子電路1. 1. 4 4 放大電路模型放大電路模型202022-6-161.4.1 1.4.1 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l 放大電路是構(gòu)成其他模擬電路的基本單元電路放大電路是構(gòu)

11、成其他模擬電路的基本單元電路l 放大電路的功能放大電路的功能n 實(shí)現(xiàn)信號放大（最基本的模擬信號處理功能）p 放大微弱的電信號，輸出電壓或電流在幅度上得到放大 檢測外部物理信號的傳感器所輸出的電信號通常很微弱 話筒輸出電壓毫伏量級 細(xì)胞電生理實(shí)驗(yàn)中檢測到的電流皮安量級 微弱信號既無法直接顯示，又很難做進(jìn)一步分析處理 放大到數(shù)百毫伏量級才能用傳統(tǒng)指針式儀表顯示 模數(shù)轉(zhuǎn)換器對信號進(jìn)行數(shù)字化處理需數(shù)伏量級1. 1. 4 4 放大電路模型放大電路模型212022-6-16n 線性放大p 放大電路輸出信號中包含的信息與輸入信號完全相同p 不減少原有信息，不增加新的信息p 只改變信號幅度或功率的大小l 放大

12、電路的實(shí)際電路和簡化電路放大電路的實(shí)際電路和簡化電路n 公認(rèn)為放大電路都需要直流電源1. 1. 4 4 放大電路模型放大電路模型222022-6-16l 放大電路主要特性放大電路主要特性n 對象是變化量n 本質(zhì)是能量的控制n 特征是功率放大n 基本要求是不失真n 能量由直流電源供給1. 1. 4 4 放大電路模型放大電路模型232022-6-16l 放大電路的簡化電路放大電路的簡化電路n 放大電路是雙口網(wǎng)絡(luò)p 一個(gè)信號輸入口，一個(gè)信號輸出口p 根據(jù)輸入信號的條件和對輸出信號的要求電壓增益（電壓放大倍數(shù)）電壓增益（電壓放大倍數(shù)）iovvv A電流增益電流增益ioiiAi 互阻增益互阻增益)(io

13、 iArv互導(dǎo)增益互導(dǎo)增益)S(ioviAg 1. 1. 4 4 放大電路模型放大電路模型242022-6-161.4.2 1.4.2 放大電路模型放大電路模型l 輸入端口電壓和電流的關(guān)系，可以用一個(gè)等效電阻來輸入端口電壓和電流的關(guān)系，可以用一個(gè)等效電阻來反映反映l 輸出端口可以用一個(gè)信號源和其內(nèi)阻等效輸出端口可以用一個(gè)信號源和其內(nèi)阻等效n模型由輸入電阻、輸出電阻、受控電壓源三個(gè)基本元件構(gòu)成1. 1. 4 4 放大電路模型放大電路模型252022-6-16l 電壓放大模型電壓放大模型n 負(fù)載開路（負(fù)載開路（R RL L= =）時(shí)的電壓增益時(shí)的電壓增益ovAiR輸入電阻輸入電阻oR輸出電阻輸出電

14、阻由輸出回路得由輸出回路得LoLiooRRRA vvv則電壓增益為則電壓增益為iovvv ALoLoRRRA v由此可見由此可見 LR vA負(fù)載的大小會影響增益的大小負(fù)載的大小會影響增益的大小要想減小負(fù)載的影響，則希望要想減小負(fù)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)）LoRR 理想情況理想情況0o R1. 1. 4 4 放大電路模型放大電路模型262022-6-16n 另一方面，考慮到輸入回另一方面，考慮到輸入回路對信號源的衰減路對信號源的衰減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？ iR1. 1. 4 4

15、放大電路模型放大電路模型272022-6-16l 電流放大模型電流放大模型n n 負(fù)載短路時(shí)的負(fù)載短路時(shí)的 電流增益電流增益s iA由輸出回路得由輸出回路得LooisoRRRiAii 則電流增益為則電流增益為ioiiAi LoosRRRAi 由此可見由此可見 LR iA要想減小負(fù)載的影響，則希望要想減小負(fù)載的影響，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 R1. 1. 4 4 放大電路模型放大電路模型282022-6-16l 互阻放大模型互阻放大模型l 互導(dǎo)

16、放大模型互導(dǎo)放大模型l 隔離放大隔離放大 輸入輸出回路沒有公共端輸入輸出回路沒有公共端1.5 1.5 放大電路的主要性能指標(biāo)放大電路的主要性能指標(biāo)292022-6-16l 輸入電阻輸入電阻l 輸出電阻輸出電阻l 增益增益l 頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)l 非線性失真非線性失真l 1.5 1.5 放大電路的主要性能指標(biāo)放大電路的主要性能指標(biāo)ttiiRv l 輸入電阻輸入電阻n在輸入端產(chǎn)生 分壓或分流影 響n大小決定放大 電路從信號源 吸取信號能量 的大小 302022-6-16n 1.5 1.5 放大電路的主要性能指標(biāo)放大電路的主要性能指標(biāo)312022-6-16l 輸出電阻輸出電阻n 電壓放大和互阻放大電壓

17、放大和互阻放大電路的輸出量為電壓信號，只要電路的輸出量為電壓信號，只要RL足夠大，一般信號輸出功率較低，放大器供電電源能耗足夠大，一般信號輸出功率較低，放大器供電電源能耗也較低，多用于信號的也較低，多用于信號的前置放大和中間放大前置放大和中間放大n 電流放大和互導(dǎo)放大電流放大和互導(dǎo)放大電路電路Ro越大，越大，RL的影響越小，可輸?shù)挠绊懺叫?，可輸出較大電流，從而輸出功率較大，電源供給功率大，通出較大電流，從而輸出功率較大，電源供給功率大，通常用于常用于輸出級輸出級 Ls,0ttoRvviR1.5 1.5 放大電路的主要性能指標(biāo)放大電路的主要性能指標(biāo)322022-6-16l 增益增益n反映放大電路

18、在輸入信號控制下，將供電電源能量轉(zhuǎn)換為輸出信號能量的能力n 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 1.5 放大電路的主要性能指標(biāo)放大電路的主要性能指標(biāo)332022-6-16l 頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)n 考慮電抗性元件的考慮電抗性元件的作用和信號角頻率作用和信號角頻率變量，電壓增益可變量，電壓增益可表示為表示為)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

19、的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，稱為放大電路的頻率響應(yīng))()()j ()j (ioio VV或?qū)憺榛驅(qū)憺?()( vvAA其中其中稱稱為為幅幅頻頻響響應(yīng)應(yīng) )j ()j ()(ioVVAv稱稱為為相相頻頻響響應(yīng)應(yīng) )()()(io1.5 1.5 放大電路的主要性能指標(biāo)放大電路的主要性能指標(biāo)342022-6-16n 某音響系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)某音響系統(tǒng)的幅頻響應(yīng) 上上限限頻頻率率高高半半功功率率點(diǎn)點(diǎn)Hf下下限限頻頻率率低低半半功功率率點(diǎn)點(diǎn)Lf稱稱為為帶帶寬寬或或通通頻頻帶帶LHffBWHLH fBWff時(shí)時(shí)，當(dāng)當(dāng)該圖稱為波特圖該圖稱為波特圖縱軸：縱軸：dBdB橫軸：對數(shù)坐標(biāo)橫軸：對數(shù)坐標(biāo)輸出功率約等于中輸出功率約等于中頻

20、區(qū)輸出功率的一頻區(qū)輸出功率的一半半半功率點(diǎn)半功率點(diǎn)1.5 1.5 放大電路的主要性能指標(biāo)放大電路的主要性能指標(biāo)352022-6-16l 頻率失真頻率失真n 幅度失真幅度失真p 對不同頻率的信號幅度增益 不同產(chǎn)生的失真 1.5 1.5 放大電路的主要性能指標(biāo)放大電路的主要性能指標(biāo)362022-6-16n 相位失真相位失真p 對不同頻率的信號相移不同 產(chǎn)生的失真 1.5 1.5 放大電路的主要性能指標(biāo)放大電路的主要性能指標(biāo)372022-6-16l 非線性失真非線性失真n 由元器件非線性特性引起的失真 非線性失真系數(shù)非線性失真系數(shù): :%100o122o VVkk Vo1是輸出電壓信號基波分量的有效

21、值，Vok是高次諧波分量的有效值，k為正整數(shù)本章小結(jié)本章小結(jié)382022-6-16l 電子系統(tǒng)與信號電子系統(tǒng)與信號n 電子系統(tǒng)電子系統(tǒng)p 若干相互連接、相互作用的基本電路組成的具有特定功能若干相互連接、相互作用的基本電路組成的具有特定功能的電路整體的電路整體n 信號信號p 信息的載體信息的載體p 按照時(shí)間和幅值的連續(xù)性和離散性可分為按照時(shí)間和幅值的連續(xù)性和離散性可分為4類類 時(shí)間、數(shù)值連續(xù)的信號（模擬信號）時(shí)間、數(shù)值連續(xù)的信號（模擬信號） 時(shí)間、數(shù)值離散的信號（數(shù)字信號）時(shí)間、數(shù)值離散的信號（數(shù)字信號）n 模擬信號模擬信號p 時(shí)間和幅值上均連續(xù)，在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)可能取任意值時(shí)間和幅值上均連續(xù)，在動(dòng)

22、態(tài)范圍內(nèi)可能取任意值p 處理模擬信號的電子電路成為模擬電路處理模擬信號的電子電路成為模擬電路 本章小結(jié)本章小結(jié)392022-6-16l 放大電路的基本知識放大電路的基本知識n 信號放大電路是最基本的模擬信號處理電路信號放大電路是最基本的模擬信號處理電路n 四種類型四種類型p 電壓放大電路電壓放大電路 電壓增益電壓增益 考慮到信號源內(nèi)阻的電壓增益考慮到信號源內(nèi)阻的電壓增益 iovvv ALoLoRRRAvisiisiLoLosiiosoRRRRRRvvvvvvvvsvARRRAA本章小結(jié)本章小結(jié)402022-6-16p 電流放大電路電流放大電路 電流增益電流增益 考慮到信號源內(nèi)阻的電流增益考慮到信號源內(nèi)阻的電流增益p 互阻放大電路互阻放大電路