电子技术基础(模拟部分).ppt

1,1 绪论,Fundamental of Electronic Technology,CTGU,2,1.1 课程慨述 1.2 电子学发展史 1.3 信号的传输与电子系统 1.4 放大电路的基本知识 1.5 学习方法与要求,内容,3,电子技术基础,（模拟部分）,4,1.1 课程慨述,电子技术基础课程（含模拟部分和数字部分）是电气信息类各专业的技术基础课程，是一门理论性与应用性都很强的课程。课程教学环节包括：理论课教学和实验教学。实践教学环节独立设课，主要有：电子工程实践、电工测量与实验技术、电子线路设计等。 本课程是研究各种半导体器件的性能、电路及其应用的学科。课程的任务是使学生获得电子技术的基本理论、基本知识和基本分析方法。培养学生分析、解决问题的能力和初步具备电子线路的设计、应用能力。学生可上课程网站下载资料和答疑。 课程平时成绩占40%（其中课外作业占20%、课堂作业及小测验占10%、课堂考勤占10%），期末考试成绩占60%（以闭卷考试为主，从课程试题库随机抽题）。,5,1.2 电子学发展史,1750年，富兰克林指出：雷电与摩擦生电是一回事 1785年，库仑总结出电荷的力学定理 1800年，伏打创立了电位差理论 1820年，奥斯特发现导线通电磁针偏转 1831年，法拉第完成磁生电实验 1865年，麦克斯韦发表电磁理论公式 1888年，赫兹证明了电磁波的存在 1896年，马可尼发明电报，获1908年诺贝尔奖 1897年，汤姆荪发现电子，获1906年诺贝尔奖 1947年，萧克利、巴丁、布拉顿发明晶体管，获56年诺贝尔奖 1958年，基尔比发明集成电路，获2000年诺贝尔奖,6,1706年1月17日，本杰明.富兰克林出生在北美州的波士顿。1746年，一位英国学者在波士顿利用玻璃管和莱顿瓶表演了电学实验。富兰克林怀着极大的兴趣观看了他的表演，并被电学这一刚刚兴起的科学强烈地吸引住了。他写了一篇名叫论天空闪电和我们的电气相同的论文，并送给了英国皇家学会。 1752年6月富兰克林和他的儿子一道拉着风筝线，此时，刚好一道闪电从风筝上掠过，富兰克林用手靠近风筝上的铁丝，立即掠过一种恐怖的麻木感。他抑制不住内心的激动，大声呼喊：“威廉，我被电击了！”随后，他又将风筝线上的电引入莱顾瓶中。回到家里以后，富兰克林用雷电进行了各种电学实验，证明了天上的雷电与人工摩擦产生的电具有完全相同的性质。富兰克林关于天上和人间的电是同一种东西的假说，在他自己的这次实验中得到了光辉的证实。 1753年，俄国著名电学家利赫曼为了验证富兰克林的实验，不幸被雷电击死，这是做电实验的第一个牺牲者。经过多次试验，他制成了一根实用的避雷针。他把几米长的铁杆，用绝缘材料固定在屋顶，杆上紧拴着一根粗导线，一直通到地里。当雷电袭击房子的时候，它就沿着金属杆通过导线直达大地，房屋建筑完好无损。,7,库仑在1736年6月14日生于法国昂古莱姆。青少年时期，他就受到了良好的教育。他后来到巴黎军事工程学院学习，离开学校后，他进入西印度马提尼克皇家工程公司工作。工作了八年以后，他又在埃克斯岛瑟堡等地服役。这时库仑就已开始从事科学研究工作，他把主要精力放在研究工程力学和静力学问题上。 1777年法国科学院悬赏，征求改良航海指南针中的磁针的方法。库仑对磁力进行深入细致的研究发现扭力和针转过的角度成比例关系，从而可利用这种装置算出静电力或磁力的大小。这导致他发明了扭秤，1782年，他当选为法国科学院院士。 1785年，库仑用自己发明的扭秤建立了静电学中著名的库仑定律。即两电荷间的力与两电荷的乘积成正比，与两者的距离平方成反比。库仑定律是电学发展史上的第一个定量规律，它使电学的研究从定性进入定量阶段，是电学史中的一块重要的里程碑。电荷的单位库仑就是以他的姓氏命名的。同年，他在给法国科学院的电力定律的论文中详细地介绍了他的实验装置，测试经过和实验结果。,8,伏特出生于意大利科莫一个富有的天主教家庭里。伏特在青年时期就开始了电学实验，伏特十六岁时开始与一些著名的电学家通信，伏特对静电的了解至少可以和当时最好的电学家媲美。不久他就开始应用他的理论制造各种有独创性的仪器，1775年由于起电盘的发明，使伏特担任了科莫一些学校的物理教授。后来他被任命为帕维亚大学物理学教授，正是在那里他作出了他的划时代的发现。他当时还被选为法国科学院的通迅院士，不久又被选为伦敦皇家学会的外国会员。 伏特发现导电体可以分为两大类。第一类是金属，它们接触时会产生电势差；第二类是电解质，第二类导体互相接触时不会产生明显的电势差，第一类导体可依次排列起来，使其中第一种相对于后面的一种是正的，例如锌对铜是正的,在一个金属链中,一种金属和最后一种金属之间的电势差是一样的。 伏特把一些第一种导体和第二种导体连接得使每一个接触点上产生的电势差可以相加。他把这种装置称为“电堆“，因为它是由浸在酸溶液中的锌板、铜板和布片重复许多层而构成的。他在论不同导电物质接触产生的电中介绍了他的发明。电堆能产生连续的电流，它的强度的数量级比从静电起电机能得到的电流大，由此开始了一场真正的科学革命。,9,法拉第1791年9月22日生在一个手工工人家庭,21岁时当上了戴维的助手。法拉第所研究的课题广泛多样，按编年顺序排列,有如下各方面：铁合金研究（18181824）；氯和碳的化合物（1820）；电磁转动（1821）；气体液化（1823，1845）；光学玻璃（18251831）；苯的发明（1825）；电磁感应现象（1831）；不同来源的电的同一性（1832）；电化学分解（1832年起）；静电学，电介质（1835年起）；气体放电（1835年）；光、电和磁（1845年起）；抗磁性（1845年起）；“射线振动思想”（1846年起）；重力和电（1849年起）；时间和磁性（1857年起） 1821年他研究了奥斯特发现的电流的磁作用，作出了一项重大发现：磁作用的方向是与产生磁作用的电流的方向垂直的。法拉第还制成了一种电动机，证明了导线在恒定磁场内的转动。 法拉第坚信，电与磁的关系必须被推广，如果电流能产生磁场，磁场也一定能产生电流。法拉第为此冥思苦想了十年。他做了许多次实验结果都失败了。直到1831年年底，他才取得了巨大的突破，他发明最原始的发电机。奠定了现代电力工业的基础。 。,10,麦克斯韦1831年6月出生于英国爱丁堡， 14岁在中学时期就发表了第一篇科学论文论卵形曲线的机械画法，16岁进入爱丁堡大学学习物理，三年后，他转学到剑桥大学三一学院。在剑桥学习时，打下了扎实的数学基础，为他尔后把数学分析和实验研究紧密结合创造了条件。 麦克斯韦在总结前人工作的基础上，引入位移电流的概念，建立了一组微分方程。确定了电荷、电流（运动的电荷）、电场、磁场之间的普遍联系，麦克斯韦方程组表明，空间某处只要有变化的磁场就能激发出涡旋电场，而变化的电场又能激发涡旋磁场。交变的电场和磁场互相激发就形成了连续不断的电磁振荡即电磁波。麦克斯韦方程还说明，电磁波的速度只随介质的电和磁的性质而变化，由此式可证明电微波在真空中传播的速度，等于光在真空中传播的速度。这不是偶然的巧合，而是由于光和电磁波在本质上是相同的。光是一定波长的电磁波，这就是麦克斯韦创立的光的电磁学说。 麦克斯韦依据库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现和实验成果，建立了第一个完整的电磁理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的本质的统一性，完成了物理学的又一次大综合。这一理论自然科学的成果，奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电工业的基础。,11,赫兹，德国物理学家，生于汉堡。十九岁入德累斯顿工学院学工程，由于对自然科学的爱好，次年转入柏林大学，1885年任卡尔鲁厄大学物理学教授。1889年，担任波恩大学物理学教授。 赫兹根据电容器经由电火花隙会产生振荡原理，设计了一套电磁波发生器和一简单的检波器来探测电磁波，赫兹在暗室远端的墙壁上覆有可反射电波的锌板，入射波与反射波重迭应产生驻波，他以检波器在距振荡器不同距离处侦测加以证实。赫兹先求出振荡器的频率，又以检波器量得驻波的波长，二者乘积即电磁波的传播速度。正如麦克斯韦预测的一样。电磁波传播的速度等于光速。1888年，赫兹的实验成功了。赫兹在实验时曾指出，电磁波可以被反射、折射和如同可见光、热波一样的被偏振。由他的振荡器所发出的电磁波是平面偏振波，其电场平行于振荡器的导线，而磁场垂直于电场，且两者均垂直传播方向。 1889年在一次著名的演说中，赫兹明确的指出，光是一种电磁现象。第一次以电磁波传递讯息是1896年意大利的马可尼开始的。1901年，马可尼又成功的将讯号送到大西洋彼岸的美国。20世纪无线电通讯更有了异常惊人的发展。赫兹实验不仅证实麦克斯韦的电磁理论，更为无线电、电视和雷达的发展找到了途径。,12,1824年6月26日开尔文生于爱尔兰的贝尔法斯特。原名W.汤姆孙。 10岁时就进格拉斯哥大学预科学习。1845年毕业于剑桥大学，1846年受聘为格拉斯哥大学物理学教授18901895年任伦敦皇家学会会长。1877年被选为法国科学院院士。 开尔文研究范围广泛，在热学、电磁学、流体力学、光学、地球物理、数学、工程应用等方面都做出了贡献。他一生发表论文多达600余篇，取得70种发明专利， 在电学方面，汤姆孙以极高明的技巧研究过各种不同类型的问题，从静电学到瞬变电流。他揭示了傅里叶热传导理论和势理论之间的相似性，讨论了法拉第关于电作用传播的概念，分析了振荡电路及由此产生的交变电流。他的文章影响了麦克斯韦，后者向他请教，希望能和他研究同一课题，并给了他极高的赞誉。1855年他研究了电缆中信号传播情况，解决了长距离海底电缆通讯的一系列理论和技术问题。由汤姆孙和亥姆霍兹起主导作用的在巴黎召开的国际代表大会，和1893年在芝加哥召开的另一次代表大会，正式采用伏特、安培、法拉和欧姆等作为电学单位，这一新的单位制，从此它们被普遍使用。,13,杰克·S·基尔比，曾长期供职于美国著名的德州仪器公司，出生于美国堪萨斯州，曾获美国伊利诺伊州电子工程学学士和威斯康星州电子工程学硕士。他从1947年开始从事消费类电子产品的开发，1958年加入德州仪器公司，从事计算机集成电路研究和开发。1970年荣获美国国家科学奖章。1982年，他的名字被写入了美国发明家名人堂，获得了与亨利·福特、爱迪生和怀特兄弟并列的荣誉。他目前拥有六十多项美国专利，是电器和电子工程师协会的成员。 基尔比独自研究期间，渐渐形成一个天才的想法：电阻器和电容器可以用与晶体管相同的材料制造。另外，既然所有元器件都可以用同一块材料制造，那么这些部件可以先在同一块材料上就地制造，再相互连接，最终形成完整的电路。他选用了半导体硅。 集成电路取代了晶体管，为开发电子产品的各种功能铺平了道路，并且大幅度降低了成本，它的诞生，使微处理器的出现成为了可能，也使计算机变成普通人可以亲近的日常工具。集成技术的应用，催生了更多方便快捷的电子产品，比如常见的手持电子计算器，就是基尔比继集成电路之后的一个新发明。”。,基尔比获奖后对青年人的特别建议： 电子学是一项迷人的领域，发展速度日新月异，未来的机遇一如既往，建议投身其中，从头做起。,14,电子技术是十九世纪末、二十世纪初开始发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。电子计算机发展经历的四个阶段恰好能够充分说明电子技术发展的四个阶段的特性 第一代（19461957年）是电子计算机，它的基本电 子元件是电子管，运算速度为每秒几千次几万次 第二代（19581970年）是晶体管计算机。 第三代（19631970年）是集成电路计算机。开始采用性能更好的半导体存储器，运算速度提高到每秒几十万次基本运算。 第四代（1971年日前）是大规模集成电路计算机。运算速度可达每秒几百万次，甚至上亿次基本运算。,15,1.3 信号的传输与电子系统,1.3.1 电子系统 传输信号，由三部分组成： 信号获取 依靠传感器得到电信号 信号处理 对信号加工，适合传输 信号执行 完成系统的最终任务,激光测距电子系统,16,信号： 信息的载体,17,1.3.2 信号描述,（1）信号源等效电路 （2）正弦电压信号 (3) 模拟与数字信号 时间和幅值均连续为模拟信号,Ri,18,电信号源的电路表达形式,戴维宁,诺顿,19,电信的时域与频域表示,A. 正弦信号,信号及其频谱,20,电信的时域与频域表示,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,21,电信的时域与频域表示,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,22,模拟信号和数字信号,处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。,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。,23,1.4 放大电路的基本知识, 输入电阻, 输出电阻, 电压放大模型, 电流放大模型,1.4.1 模拟信号的放大,1.4.2 放大电路模型,1.4.3 放大电路的主要性能指标, 增益, 互阻放大模型, 互导放大模型, 隔离放大电路模型, 频率响应及带宽, 非线性失真,24,1.4 放大电路的基本知识,1.4.1 模拟信号的放大 电压放大 Vo=AVVi 电流放大 Io=AIIi 互阻放大 Vo=ARIi 互导放大 Io=AGVi 1.4.2 放大电路模型,Au,电压放大,+ Vo -,RS,Ri,RL,+ VS -,Ro,+ AV0Vi -,+ Vi -,25,要求 RL»RO,RS,IS,RS,AISIi,Ri,RL,Io,Ii,电流放大,要求 Ri»Rs,要求 RO»RL,要求 RS»Ri,26,1.4.1 模拟信号的放大,电压增益（电压放大倍数）,电流增益,互阻增益,互导增益,27,1.4.2 放大电路模型,放大电路是一个双口网络。从端口特性来研究放大电路，可将其等效成具有某种端口特性的等效电路。,输入端口特性可以等效为一个输入电阻,输出端口可以根据不同情况等效成不同的电路形式,28,1.4.2 放大电路模型,负载开路时的 电压增益,1. 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,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,29,1.4.2 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,有,要想减小衰减，则希望？,30,1.4.2 放大电路模型,关心输出电流与输入电流的关系,2. 电流放大模型,31,1.4.2 放大电路模型,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,32,1.4.2 放大电路模型,3. 互阻放大模型（自看）,输入输出回路没有公共端,4. 互导放大模型（自看）,5. 隔离放大电路模型,33,1.4.3 放大电路的主要性能指标 1.输入电阻ri 输入电阻是衡量放大电路从其前级取电 流大小的参数。,2.输出电阻ro 放大电路对其负载而言，相当于信号源，这 个戴维南等效电路的内阻就是输出电阻,34,3. 增益 输入信号控制下将电源能量转换为 信号能量的能力。 无量纲增益用对数表示 电压增益= 20 lgAV dB 电流增益= 20 lgAI dB,35,4. 通频带,通频带：,fbw=fHfL,36,1.4.3 放大电路的主要性能指标,1. 输入电阻,37,1.4.3 放大电路的主要性能指标,2. 输出电阻,所以,另一方法,注意：输入、输出电阻为交流电阻,38,1.4.3 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,“甲放大电路的增益为-20倍”和“乙放大电路的增益为-20dB”，问哪个电路的增益大？,四种增益,常用分贝（dB）表示,39,1.4.3 放大电路的主要性能指标,4. 频率响应及带宽（频域指标）,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,40,1.4.3 放大电路的主要性能指标,4. 频率响应及带宽（频域指标）,A.频率响应及带宽,普通音响系统放大电路的幅频响应,该图称为波特图,纵轴：dB,横轴：对数坐标,41,1.4.3 放大电路的主要性能指标,4. 频率响应及带宽（频域指标）,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,高频区,中频区,低频区,直流放大电路的幅频响应与此由何区别？,42,1.4.3 放大电路的主要性能指标,4. 频率响应及带宽（频域指标）,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。,基波,二次谐波,输入信号,输出信号,基波,二次谐波,43,1.4.3 放大电路的主要性能指标,4. 频率响应及带宽（频域指标）,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。,对于具有上图幅频响应的放大电路，若输入50Hz的正弦波，是否会产生频率失真？,44,1.4.3 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,45,46,作业：,1.5.3，1.5.4，1.5.6,