模拟电子技术第一章 模拟电路及放大器基础知识

模拟电子技术授课教师：郭彩萍联系方式：[e-mail]绪论一、电子技术的发展二、模拟信号与模拟电路三、电子信息系统的组成四、模拟电子技术基础课的特点五、如何学习这门课程六、课程的目的七、考查方法一、电子技术的发展电子技术的发展，推动计算机技术的发展，使之“无孔不入”，应用广泛！•广播通信：发射机、接收机、扩音、录音、程控交换机、电话、手机•网络：路由器、ATM交换机、收发器、调制解调器•工业：钢铁、石油化工、机加工、数控机床•交通：飞机、火车、轮船、汽车•军事：雷达、电子导航•航空航天：卫星定位、监测•医学：γ刀、CT、B超、微创手术•消费类电子：家电（空调、冰箱、电视、音响、摄像机、照相机、电子表）、电子玩具、各类报警器、保安系统电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展上。从电子管→半导体管→集成电路1904年电子管问世1947年晶体管诞生1958年集成电路研制成功电子管、晶体管、集成电路比较半导体元器件的发展•1947年贝尔实验室制成第一只晶体管•1958年集成电路•1969年大规模集成电路•1975年超大规模集成电路第一片集成电路只有4个晶体管，而1997年一片集成电路中有40亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按10倍/6年的速度增长，到2015或2020年达到饱和。学习电子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展！第一只晶体管的发明者（byJohnBardeen,WilliamSchockleyandWalterBrattaininBellLab）第一个集成电路及其发明者（JackKilbyfromTI）1958年9月12日，在德州仪器公司的实验室里，实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想。42年以后，2000年获诺贝尔物理学奖。“为现代信息技术奠定了基础”。他们在1947年11月底发明了晶体管，并在12月16日正式宣布“晶体管”诞生。1956年获诺贝尔物理学奖。巴因所做的超导研究于1972年第二次获得诺贝尔物理学奖。值得纪念的几位科学家！二、模拟信号与模拟电路1.电子电路中信号的分类数字信号：离散性模拟信号：连续性。大多数物理量为模拟信号。2.模拟电路模拟电路是对模拟信号进行处理的电路。最基本的处理是对信号的放大，有功能和性能各异的放大电路。其它模拟电路多以放大电路为基础。“1”的电压当量“1”的倍数介于K与K+1之间时需根据阈值确定为K或K+1任何瞬间的任何值均是有意义的三、电子信息系统的组成模拟电子电路数字电子电路（系统）信号的提取信号的预处理信号的加工信号的驱动与执行A/D转换计算机或其它数字系统D/A转换信号的提取信号的预处理信号的加工信号的驱动与执行A/D转换计算机或其它数字系统D/A转换传感器接收器隔离、滤波、放大运算、转换、比较功放模拟-数字混合电子电路模拟电子系统执行机构四、模拟电子技术基础课的特点1、工程性实际工程需要证明其可行性。强调定性分析。实际工程在满足基本性能指标的前提下总是容许存在一定的误差范围的。定量分析为“估算”。近似分析要“合理”。抓主要矛盾和矛盾的主要方面。电子电路归根结底是电路。不同条件下构造不同模型。2.实践性常用电子仪器的使用方法电子电路的测试方法故障的判断与排除方法EDA软件的应用方法五、如何学习这门课程1.掌握基本概念、基本电路和基本分析方法基本概念：概念是不变的，应用是灵活的，“万变不离其宗”。基本电路：构成的原则是不变的，具体电路是多种多样的。基本分析方法：不同类型的电路有不同的性能指标和描述方法，因而有不同的分析方法。2.注意定性分析和近似分析的重要性3.学会辩证、全面地分析电子电路中的问题根据需求，最适用的电路才是最好的电路。要研究利弊关系，通常“有一利必有一弊”。4.注意电路中常用定理在电子电路中的应用六、课程的目的1.掌握基本概念、基本电路、基本方法和基本实验技能。2.具有能够继续深入学习和接受电子技术新发展的能力，以及将所学知识用于本专业的能力。本课程通过对常用电子元器件、模拟电路及其系统的分析和设计的学习，使学生获得模拟电子技术方面的基础知识、基础理论和基本技能，为深入学习电子技术及其在专业中的应用打下基础。注重培养系统的观念、工程的观念、科技进步的观念和创新意识，学习科学的思维方法。提倡快乐学习！七、考查方法1.会看：读图，定性分析2.会算：定量计算考查分析问题的能力3.会选：电路形式、器件、参数4.会调：仪器选用、测试方法、故障诊断、EDA考查解决问题的能力－－设计能力考查解决问题的能力－－实践能力综合应用所学知识的能力第一章模拟电路及放大器基础知识1.2模拟电路及放大器当xi有一个微小的变化时，xo必有一个相应的变化，这样的电路称为模拟电路。换句话说，xo和xi是连续函数关系。研究模拟电路的技术就称为模拟电子技术。1.2.1模拟电路的定义ixox模拟电路图1-1模拟电路示意图图1-2所示的是大家熟知的电阻式分压电路，该电路就是一种模拟电路，其作用是得到一个比ui小的电压uo，这种电路在中学的课程上就研究过了。在模电中要研究的模拟电路将具有更多的功能，必然要引入新的元器件。图1-2电阻分压电路图如果xi和xo的变化遵循线性关系，我们称这种电路为线性电路，当这种线性电路需要通过加电源后才能实现时，我们就称之为放大电路或放大器，所以放大器是线性电路的一种。图1-3为放大器的示意图。1.2.2放大器的定义图1-3放大器示意图ixox放大器电源+电源-在输入信号的一定的频率范围内，一个放大器有一个基本不变的性能指标。一个在工作的放大器如图1-4所示，放大器的前一级电路可认为是信号源，后一级的电路可认为是负载。1.2.3放大器的性能指标图1-4放大器在电路中的位置ixox放大器信号源负载放大器的性能指标主要有：（一）放大器的放大倍数放大倍数定义为输出输入之比，放大倍数又称增益，用A表示。本质上，放大器只是一种信号转化为另一种信号，增益A不一定就是大于1的，A可以小于1。当输入xi为电压ui，输出xo为电压uo时，增益为Au=uo/ui，称为电压增益，无量纲。当输入xi为电压ui，输出xo为电流io时，增益为Ag=io/ui，称为互导增益，量纲为S（西门子）。当输入xi为电流ii，输出xo为电压uo时，增益为Ag=uo/ii，称为互阻增益，量纲为Ω（欧姆）。当输入xi为电流ii，输出xo为电流io时，增益为Ag=io/ii，称为电流增益，无量纲。由此可见，放大器根据输入输出的信号类型不同有4种类型，有电压型、互导型、互阻型和电流型，最常见的是电压型。（二）放大器的输入阻抗（1）输入阻抗的定义从图1-5可用看出，放大器的输入端等效为一个信号源的负载，当加一个信号si时，放大器从信号索取电流ii，并且在其输入端口产生一个电压ui，定义输入阻抗Ri为ui与ii之比，即Ri=ui/ii。这个定义适合于理论上求输入阻抗，也适合于实验室求输入阻抗。iS放大器iuiRii+-方法是在一个放大器输入端加一电压源，求出电压源的输出电压ui和输出电流ii，由此而求得Ri。图1-5放大器输入阻抗的理解示意图下面讨论一下输入阻抗对放大器的影响。（2）电压输入型放大器应有高输入阻抗当输入信号源为电压型时，要求放大器也为电压输入型。对非理想的电压源来讲，由戴维南定理可等效为理想电压源us与内阻Rs之串联，电压源加入放大器的等效电路如图1-6，此时，在放大器输入端得到的有效电压ui为：isisiRRRuu式1-1Ri↑→ui↑，由此可以得出结论：对于电压源信号来说，放大器的输入阻抗越大越好，换言之，电压输入型放大器应有较高的输入阻抗。理想的电压型输入放大器Ri=∞。图1-6放大器输入阻抗对电压信号源的影响（3）电流输入型放大器应有低输入阻抗当输入信号源为电流型时，要求放大器也为电流输入型。对非理想的电流源来讲，由诺顿定理可等效为理想电流源is与内阻Rs之并联，电流源加入放大器的等效电路如图1-7，此时，在放大器输入端得到的有效电流ii为：式1-2Ri↓→ii↑，由此得出结论：对于电流源信号来说，放大器的输入阻抗越小越好，换言之，电流输入型放大器应有较低的输入阻抗。理想的电流型输入放大器Ri=0。图1-7放大器输入阻抗对电流源信号源的影响isssiRRRii放大器iuiRii+-sRsi（三）放大器的输出阻抗（1）输出阻抗的定义输出阻抗是反映放大器输出带载能力的一个指标，带载能力由输出阻抗来决定。当放大器在工作时，其输出端就是一个带载能力较强的信号源，因此我们定义输出阻抗为从放大器输出端看进去的等效电阻Ro。下面来讨论输出阻抗对负载的影响。（2）电压输出型放大器应有低输出阻抗如果放大器是电压输出型，根据戴维南定理，其输出端可等效为一个开路输出电压和其内阻Ro的串联，如图1-8所示，在输出端有负载RL时，落在RL上的输出电压uo为：式1-3Ro↓→uo↑，由此可以得出结论：对于电压型负载来说，放大器的输出阻抗越小越好，换言之，电压输出型放大器应有较低的输出阻抗。理想的电压型输出放大器Ro=0。图1-8电压输出型放大器输出阻抗对负载的影响LoLooRRRu'uouLRoi+-oRou'放大器（3）电流输出型放大器应有高输出阻抗如果放大器是电流输出型，根据诺顿定理，其输出端可等效为一个短路输出电压i’o和其内阻Ro的并联，如图1-9所示，在输出端有负载RL时，流过RL上的输出电流io为：式1-4Ro↑→io↑，由此可以得出结论：对于电流型负载来说，放大器的输出阻抗越大越好，换言之，电流输出型放大器应有较高的输出阻抗。理想的电流型输出放大器Ro=∞。图1-9电流输出型放大器输出阻抗对负载的影响LooooRRRi'iouLRoi+-放大器oRoi'（4）输出阻抗的实验室求法据图1-8和图1-9所示原理，要想通过实验的方法求得放大器的输出阻Ro，可用下面方法：式1-5LoooR1uu'R）（对电流输出型放大器，先量其短路电流，接上负载RL再量其输出电流io，根据解得：LooooRRRi'iLooooRii'iR式1-6LoLooRRRu'u对电压输出型放大器，先量其开路电压，接上负载RL再量其输出电压uo，根据解得：（5）输出阻抗的理论求法如图1-10所示，无论是什么形式输出的放大器，作出其等效交流电路，令其输入信号si为0（即将电压型信号源短路或电流型信号源开路），此时在放大器的输出端加一个电压信号uo，必有io产生，uo与io之比就是输出阻抗Ro，这就是放大器输出阻抗的理论求法。在这里必须强调的是，本方法实质上是通过激励法求放大器的输出端等效电阻，所产生的电流io必须是完全由外加电压uo所致，因此，要令输入si=0，否则io中可能有si产生之成分。图1-10输出阻抗的理论求法ouoi+-放大器oRiS=0（四）放大器的通频带严格来讲，由于电感电容等的影响，当输入信号的频率发生变化时，放大器的各项指标都会发生变化，因而放大器的增益A、输入阻抗Ri、输出阻抗Ro等指标都是复数，但在一定的输入信号的频率范围内，放大器的指标变化非常小可视其为常量。当超过这个输入信号的频率范围时，放大器的各项指标会发生较大的变化。我们把这个信号的频率范围称为放大器的通频带。一般情况下，放大器的通频带是根据放大器的增益来定义的，如图1-11所示：在通频带内增益Am视为近似不变，当输入信号频率f变小，增益下降到0.707Am时，对应的频率定义为下限截止频率fL，当输入信号频率f变大，增益下降到0.707Am时，对应的频率定义为上限截止频率fH，我们把fH-fL定义为放大器的通频带fBW。图1-11放大器的通频带0fAAm0.707AmLfHf（五）放大器的零点和零漂当放大器的输入为0时，对应的放大器输出值就是放大器的零点。一个放大器总会有个零点，理想的放大器的零点是不变的，但实际的放大器零点是变化的，零点的变化称为零漂，零漂越小，说明放大器的稳定性越好。零漂分为时漂和温漂，时漂是放大器的零点随时间的漂移，例如某放