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1、模拟电子技术 Analog Electronics,张凌涛 中南林业科技大学计信学院 ,为什么要学? 学什么? 怎么学?,课程介绍,一、电子技术的发展与应用,二、课程的性质及教学目标,三、课程内容,四、课程特点,五、学习方法,六、教材和参考书,以器件发展为里程碑: 1906年 李.德.福雷斯特发明电子三极管(triode) 1948年 威廉.肖克莱发明晶体管(transistor) 1958年 基尔比制成第一块集成电路(IC, Integrated Circuits);6个月后诺伊斯制成第一块硅集成电路 1969年 大规模集成电路(LSI) 1975年 超大规模集成电路(ULSI) SoC (
2、System On a Chip), IP(Intellectual Property),一、电子技术发展和应用,摩尔定律,一、电子技术发展和应用,一、电子技术发展和应用,一、电子技术发展和应用,一、电子技术发展和应用,一、电子技术发展和应用,一、电子技术发展和应用,电子系统,传感器,压力1,压力2,温度1,温度2,. . .,. . .,放大 滤波等预 处理,数模转换电路,模数转换电路,计算机数据处理,驱动电路,. . .,. . .,驱动电路,驱动电路,驱动电路,传感器,传感器,传感器,执行机构,执行机构,执行机构,执行机构,数模转换电路,模数转换电路,计算机数据处理,电子系统,不失真,大
3、功率,由若干相互联接、相互作用的基本电子电路组成的、具有特定功能的电路整体,是入门性质的技术基础课,核心课程 通过学习常用电子元器件、基本模拟电路及其系统的分析和设计,获得模拟电子技术方面的基本知识、基本理论和基本技能,为深入学习电子技术及其在专业中的应用打下基础。 概念性、工程性、实践性 初学者不适,觉得概念繁杂、难以把握、入门难,二、课程的性质及教学目标,放大(模拟小信号放大和功率放大) 分立器件(晶体管和场效应管) 集成器件(运放) 信号滤波 信号产生、运算 直流稳压电源,三、课程主要内容,本课程的目的,掌握有关模拟电子技术的基本概念、基本器件、基本电路、基本分析方法、基本实验技能。,1
4、.会看:读图能力定性分析 2.会算:估算能力定量分析 3.会选:选择能力选电路、选器件、选参数 4.会调:调试能力具体调试、实现,1、工程性 实际工程需要论证其可行性。 强调定性分析。,实际工程在满足基本性能指标的前提下容许存 在一定的误差范围。 电子电路的定量分析称为“估算”。,近似分析要“合理”。 抓住主要方面,忽略次要因素。,电路理论分析电子电路。 估算不同的参数需采用不同的模型,可用电路的基本理论分析电子电路。,四、课程主要特点,2、 实践性 实用的模拟电子电路几乎都需进行调试才能达到预期的目标,因而要掌握以下方法: 常用电子仪器的使用方法 电子电路的测试方法 故障的诊断与排除方法 E
5、DA软件的使用方法,四、课程主要特点,四、课程主要特点,3、一些特有的概念: 非线性器件 交直流共存 4、 发展快、应用广 关注技术新发展,2. 掌握基本概念、基本电路和基本分析方法,3. 学会全面地分析电子电路中的问题 根据需求,最适用的电路是最好的。 折中考虑,通常“有一利必有一弊”。,4. 注意电路中常用定理在电子电路分析中的应用,五、学习方法几点建议,打好基础、关注发展、主动更新、注重实践,1. 兴趣是最好的老师,5. 课后习题充分重视,独立完成 6. 至少有一本参考书 7. 预习和复习,康华光. 电子技术基础 -模拟部分. 第5版. 高等教育出版社, 2006 华成英,童诗白. 模拟
6、电子技术基础. 第4版. 高等教育出版社,2006 陈大钦. 电子技术基础(模拟部分)重点难点题解指导考研指南. 高等教育出版社,2006 罗杰. 电子线路设计实验测试. 第4版. 华中科技大学出版社,2008 Allan R. Hambley. 电子电路基础(Electronics) 第2版 影印版. 高等教育出版社,2004,六、教材和主要参考书,主要理论基础电路分析,电路分析基本定律 1) 基尔霍夫电流定律(KCL) 2) 基尔霍夫电压定律(KVL) 3) 叠加定理 4) 戴维宁定理 5) 诺顿定理 6) 分压公式和分流公式,基尔霍夫电流定律(KCL),其基本内容是:对于集总电路的任一节
7、点,在任一时刻流入该节点的电流之和等于流出该节点的电流之和。,对于节点a ,有 i1= i2+i3+ i4 或 i1-i2-i3-i4=0,基尔霍夫电压定律(KVL),基本内容是:对于任何集总电路中的任一回路,在任一瞬间,沿回路的各支路电压的代数和为零。,u1- u2- u3+ u4=0,叠加定理,S,S,戴维宁定理和诺顿定理,电压源等效电路,电流源等效电路,分压公式和分流公式,1.1 信号,1.3 模拟信号和数字信号,1 绪论,1.2 信号的频谱,1.4 放大电路模型,1.5 放大电路的主要性能指标,模拟电路最基本的处理信号的功能,1.信号: 信息的载体,1.1 信号,温度、气压、风速、声音
8、等,传感器(信号源),连续变化的电信号(模拟信号),放大、滤波,驱动负载(显示装置、扬声器等),微音器输出的某一段信号的波形,如何表达?,2. 电信号源的电路表达形式,戴维宁等效:将信号源等效为一个理想电压源与内阻相串联的形式。,1.1 信号,诺顿等效电路,戴维宁等效电路,理想电压源:a、b端开路时的开路电压,内阻:所有电压源短路、电流源开路时,从a、b端往左看进去的等效电阻。,诺顿等效:将信号源等效为一个理想电流源与内阻相并联的形式。,理想电流源:a、b端短路时的短路电流,内阻:所有电压源短路、电流源开路时,从a、b端往左看进去的等效电阻。,1.1 信号,电压源等效电路,电流源等效电路,简单
9、的电信号可以用公式表达:,便于提取特征参数频谱分析,复杂的电信号的表达依赖于其特征参数,这些特征参数是设计电子系统的依据。,1. 电信号的时域表示,A. 正弦信号,1.2 信号的频谱,时域,时域横轴为时间,为表达正弦信号的特征参数,最简单,通常作为标准信号测试模拟电路,1. 电信号的时域与频域表示,B. 方波信号,满足狄利克雷条件,展开成傅里叶级数,直流分量,其中,基波分量,三次谐波分量,1.2 信号的频谱,方波的时域表示,2. 信号的频谱,B. 方波信号,频谱:将一个信号分解为正弦信号的集合,得到其正弦信号幅值和相位随角频率变化的分布,称为该信号的频谱。,1.2 信号的频谱,幅度谱,相位谱,
10、正弦信号的频谱?,C. 非周期信号,傅里叶变换:,通过快速傅里叶变换(FFT)可迅速求出非周期信号的频谱函数。,非周期信号包含了所有可能的频率成分,离散频率函数,连续频率函数,气温波形,气温波形的频谱函数(示意图),1.2 信号的频谱,1.3 模拟信号和数字信号,模拟信号:在时间和幅值上都是连续的信号。 数字信号:在时间和幅值上都是离散的信号。 处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。,1.4 放大电路模型,电压增益(电压放大倍数),电流增益,互阻增益,互导增益,1. 放大电路的符号及模拟信号放大,负载开路时的 电压增益,A. 电压放大模型,输入电阻,输出电阻,由输出回路得,则电压增益为,由此可见
11、,即负载的大小会影响增益的大小,要想减小负载的影响,则希望? (考虑改变放大电路的参数),理想情况,2. 放大电路模型,1.4 放大电路模型,另一方面,考虑到输入回路对信号源的衰减,理想情况,有,要想减小衰减,则希望?,1.4 放大电路模型,A. 电压放大模型,负载短路时的 电流增益,2. 电流放大模型,由输出回路得,则电流增益为,由此可见,要想减小负载的影响,则希望?,理想情况,由输入回路得,要想减小对信号源的衰减,则希望?,理想情况,1.4 放大电路模型,C. 互阻放大模型(自学),输入输出回路没有公共端,避免干扰,D. 互导放大模型(自学),E. 隔离放大电路模型,1.4 放大电路模型,
12、1.5 放大电路的主要性能指标,1. 输入电阻,1.5 放大电路的主要性能指标,2. 输出电阻,注意:输入、输出电阻为交流电阻,另一测量方法:,得:,负载开路时,测得开路电压:,接上负载时,测得负载电压:,1.5 放大电路的主要性能指标,3. 增益,反映放大电路在输入信号控制下,将供电电源能量转换为输出信号能量的能力。,其中,四种增益,常用分贝(dB)表示。,1.5 放大电路的主要性能指标,4. 频率响应,A.频率响应及带宽,电压增益可表示为,在输入正弦信号情况下,输出随输入信号频率连续变化的稳态响应,称为放大电路的频率响应。,或写为,其中,该图称为波特图 纵轴:dB 横轴:对数坐标,1.5
13、放大电路的主要性能指标,4. 频率响应,A.频率响应及带宽,其中,普通音响系统放大电路的幅频响应,1.5 放大电路的主要性能指标,4. 频率响应,B.频率失真(线性失真),幅度失真:,对不同频率的信号增益不同,产生的失真。,1.5 放大电路的主要性能指标,4. 频率响应,B.频率失真(线性失真),幅度失真:,对不同频率的信号增益不同,产生的失真。,相位失真:,对不同频率的信号相移不同,产生的失真。,1.5 放大电路的主要性能指标,5. 非线性失真,由元器件非线性特性引起的失真。,非线性失真系数:,VO1是输出电压信号基波分量的有效值,Vok是高次谐波分量的有效值,k为正整数。,5. 非线性失真
14、系数,非线性传输特性引起非线性失真波形,(a) 线性传输特性与不失真输出波形,(b) 非线性传输特性与非线性失真输出波形,end,1.4 模拟信号放大、放大器模型和 放大器的主要性能指标,模拟设计需要在速度、功耗、增益、精度等多因素间进行折衷,模拟电路对串扰、噪声等远比数字电路敏感,电阻电容数值和器件的二级效应对模拟电路的影响远比数字电路严重,好的模拟电路设计需要直觉、严密和创新,1.4.2 放大器模型(不失真地放大信号),一、放大倍数A-Amplify(增益),电流放大倍数,互导放大倍数,电压放大倍数,互阻放大倍数,电压放大器,电压增益,理想,电流放大器,电流增益,理想,互阻放大器,互阻增益
15、,理想,互导放大器,互导增益,理想,1.5 放大器的主要性能指标,1、电压放大倍数(电压增益) ,电压放大倍数测量方法,二、输入电阻Ri: ,Ri 表征该放大器从信号源有效吸取信号幅值的大小,从放大器输入端看进去的等效电阻,例:R=3K,测得U1=0.6V, U2=0.2V,则 Ri=1.5K,输入电阻测量方法,三、输出电阻Ro:,Ro表征放大器带负载能力,从放大器输出端看进去的等效电阻,S打开,测得,S闭合,测得,例:测得S打开时输出电压UO1=2V,测得S闭合时输出电压 UO2=0.8V,已知RL= 5K,则,输出电阻测量方法,4.频率响应与失真,放大器的幅频特性和相频特性,(a) 幅频特性 (b)相频特性,5. 非线性失真系数,非线性传输特性引起非线性失真波形,(a) 线性传输特性与不失真输出波形,(b) 非线性传输特性与非线性失真输出波形,非线性失真系数(全谐波失真系数)THD,Unm 第n次谐波分量振幅,U1m 输出信号基波分量振幅,
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