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电子技术基础模拟部分主讲 曹英晖 1 绪论1 1电子系统与信号1 1 1电子系统电子系统是指由基本电路互相联接构成的具有特定功能的电路整体 在电子系统的发展过程中 曾出现过以继电器 电子管 晶体管等为主要元件的电子系统 目前的电子系统中普遍采用集成电路作为核心元件 使得电子系统的体积缩小 功耗降低 而性能和可靠性显著提高 同时成本不断减小 这也使得电子系统得到了广泛的应用 1 2 1信号及其频谱信号是用来表示各种信息的 电子系统使用的都是电信号 既利用电压 电流等物理量来表示信息 电信号中表示的信息就包含在电压 电流等物理量随时间的不断变化之中 对于向电子系统提供电信号的系统 设备或器件 常常可以用等效电路来描述 等效信号源包括等效电压源和等效电流源 等效电路是一种描述 分析和设计电子系统的有效方法 电子系统在工作时不断地从输入端读取输入信号 进行处理后在输出端产生输出信号 电子系统通过信号来进行信息的输入 处理和输出 任何信号都可以分解为一系列的不同频率 不同幅度的正弦和余弦信号的迭加 正弦和余弦信号也可以合成任意信号 对于电子系统正弦和余弦信号是一种基本的信号 电子系统的特性可以根据其对正弦或余弦信号的响应来分析 研究 因为对正弦信号移相可以获得余弦信号 也常常把正弦和余弦信号都归结为正弦信号 正弦信号可以表示为 其基本参数包括 振幅Vm 周期T 角频率w 初相 方波也是一种常见的信号 它的参数包括周期T 幅度VS 方波能分解成一系列正弦和余弦的迭加 即按傅立叶级数展开 展开后的成分包括直流分量 基波 以及各个高次谐波 信号按正弦和余弦信号分解后各个频率分量的幅度随频率的分布称为频谱 频谱是从信号所包含的频率成分来描述信号 是一种频域表示 对于如方波这样的周期信号 其频谱是离散的 可通过对信号做傅立叶级数展开得到频谱 而对于非周期信号其频谱是连续的 可以对信号作傅立叶变换得到其频谱 实际应用的信号 其频谱中可以包含无穷多的频率成分 常常在不显著降低性能的前提下选择适当的截止频率点来截断频谱 忽略比截止频率更高的频率成分 保留的频率范围称为带宽 1 1 3模拟信号和数字信号模拟信号 随时间连续变化的信号数字信号 随时间离散变化 不连续变化 的信号根据所使用的信号 电子系统分为模拟系统和数字系统 其内部构成分别为模拟电路和数字电路 模拟信号和数字信号可以通过转换电路相互转换 下图是模拟 数字转换的原理图 信号按照时间上和幅值上的连续性可分为 1 时间连续 幅值连续 2 时间离散 幅值连续 3 时间离散 幅值离散 4 时间连续 幅值离散 其中1 4为常见的模拟信号和数字信号 1 2放大电路基础放大电路是一种基本的模拟电路 它可以把微弱的电压或电流信号加强放大为较强的信号 根据选取电流还是电压作为信号 可以把放大电路分为一下电压放大 电流放大 互阻放大 和互导放大四个类型 1 电压放大电路 输入输出均采用电压信号 输出电压可以表示为 其中称为电压增益 无量纲 2 电流放大电路 输入输出均采用电流信号 输出电流可以表示为 其中称为电流增益 无量纲 3 互阻放大电路 输入电流信号 输出电压信号 输出电压可以表示为 其中称为互阻增益 其量纲为电阻单位欧姆 4 互导放大电路 输入电压信号 输出电流信号 输出电流可以表示为 其中称为互导增益 其量纲为电导单位西门子 S 1 2 2放大电路模型1 电压放大电路模型 根据模型等效电路 输出电压以及电压增益分别为 2 电流放大电路模型 根据模型中的等效电路 电路的输入输出电流分别为 电路的电流增益为 3 互阻放大电路模型 电路的输入电流以及输出电压分别为 电路的互阻增益为 4 互导放大电路模型 电路的输入电压以及输出电流分别为 电路的互导增益为 以上四种放大电路模型是从四个不同侧面对放大电路的放大能力的描述 同一个电路 既可以具有电压增益 也可以具有电流增益 互阻增益和互导增益 应根据具体的应用和要求选择某个模型来对电路进行分析 设计 1 2 3放大电路的主要性能指标1 输入电阻 具体计算时常常用测试信号源在输入端产生的电压与电流之比表示输入电阻 放大电路的输入电阻定义为输入电压与输入电流的比 输入电阻的大小决定了放大电路从信号源获取信号的能力 2 输出电阻输出电阻定义为信号源取零值且负载开路时测试信号在输出端产生的电压与电流之比 输出电阻的大小决定了放大电路向负载输送信号的能力 3 增益增益定义为输出信号与输入信号之比 是电路的放大能力的定量描述 具体包括电压增益 电流增益 互阻增益和互导增益等 实际应用中常常按照对数来表示增益 其中最主要的是按分贝 dB 来表示 电压增益电流增益功率增益 4 频率响应及带宽放大电路的各项指标常常是信号频率的函数 以电压增益为例 可以表示为 把放大电路的输出随信号频率的变化称为电路的频率响应 频率响应还可进一步分解为幅频响应和相频响应 幅频响应表示的是增益的模随信号频率的变化 相频响应的表示的是增益的相位随信号频率的变化 下图为某电路幅频响应曲线 由于使用了对数刻度 这样的特性曲线图常常称为波特图 其特点是所表现的频率和增益范围很宽 图中增益平坦的区域称为中频区 当增益下降到中频区的 也就是比中频区下降3dB时 输出功率减小到中频区的一半 称为半功率点 对应的频率称为上限频率fH及下限频率fL 两个频率之差称为放大电路的带宽BW 5放大电路的失真失真是指输出信号相对于输入信