模拟电子技术

模拟电子技术交流 1 0引言 1 1电子系统与信号 1 2放大电路的基本知识 1 1信号及其频谱 1 信号 信号是信息的载体 例如 声音信号可以传达语言 音乐或其他信息 图像信号可以传达人类视觉系统能够接受的图像信息 温度信号无法直接传递给电子系统 需先用温度传感器把它转换为电信号 然后送到电子系统中去进一步处理 2 信号源 把物理量转换为电信号的传感器常作为信号源 串联等效信号源 理想电压源和源电阻串联 如图1 1 4a所示 并联等效信号源 理想电流源和源电阻并联 如图1 1 4b所示 多级电子电路 对某一级进行分析时 前一级电路的输出信号是本级的输入信号 二者等效并可相互转换 3 信号的表达方式 基本特征 1 正弦波电压信号 电压幅值与时间的函数关系曲线如图1 1 5所示 数学表达式 式中 正弦波信号常作为标准信号用来对模拟电子电路进行测试 2 周期性方波信号 时域波形图如图1 1 6a所示 时间函数表达式 式中 方波信号展开为傅立叶级数表达式 式中 4 频谱 把一个信号分解为正弦信号的集合 得到其正弦信号的幅值随角频度变化的分布 称为该信号的频谱 方波信号的频谱图 频域方式 如图1 1 6b 周期信号的频谱由直流分量 基波分量以及无穷多项高次谐波分量组成 频谱表现为一系列离散频率上的幅值 且随着谐波次数的递增 幅值 的总趋势是逐渐减小的 周期信号 非周期信号 5 带宽 当选择适当的 截止角频率 点把频率高端截断时 并不过多地影响信号的特性 保留的部分称为信号的带宽 在一个周期内已包含信号的全部信息 任何重复周期都没有新的信息出现 如正弦信号和方波信号 图1 1 3所示炉温度变化曲线 非周期性时间函数 的频谱函数如图1 1 7所示 信号的频谱特性是电子系统有关频率特性的主要设计依据 1 1 3模拟信号和数字信号 1 模拟信号 例如 图1 1 2中高温计输出电压波形和放大电路输出波形如下图 图1 1 8 所示 两者均为模拟信号 特点 在时间上和幅值上均是连续的 在一定动态范围内可能取任意值 模拟电路 处理模拟信号的电子电路 图1 1 2中放大 滤波 电压 电流变换电路为模拟电路 信号分类 按时间和幅值的连续性和离散性把信号分为四类 1 时间连续 数值连续 2 时间离散 数值连续 3 时间离散 数值离散 4 时间连续 数值离散 讨论模拟电子电路的基本概念 基本原理 基本分析方法及基本应用 例如 在图1 1 2所示电子系统中 送入微机的温度信号 模拟 要先进行数字化转换 即离散化或量化处理 由微处理机输出的控制信号要再进行数模转换 1 对模拟信号取样 得时间离散而数值仍与模拟信号相应点一致的取样信号 如图1 1 9a所示 转换步骤 时间离散 数值连续信号 取样信号 2 对取样信号进行数字化转换 由ADC实现 ADC输出的二进制编码值与相应的取样信号幅值呈一定最接近的比例关系 数值上全部为整数 如图1 1 9b所示 3 将微处理机输出的控制信号再转换为模拟形成 由DAC实现 在某些应用中 该信号需用模拟滤波器进行滤波 以形成真正的时间连续 数值连续的模拟信号 DAC输出的信号是时间连续 数值离散的信号 如图1 1 9c所示 2 数字信号 数字系统中运行的信号都是数字信号 从时间函数波形看 数字信号只存在高 低两种电平的相互转换 这两种电平分别代表了二元编码中的1和0 e g 图1 1 10所示为一组数字信号 1 2放大电路的基本知识 放大 通过放大电路实现的 最基本的模拟信号处理功能 放大电路 构成其他模拟电路 如滤波 振荡 稳压等功能电路的基本单元电路 1 2 1模拟信号放大 传感器输出的电信号很微弱 既无法直接显示 a 也很难作进一步的分析处理 b 放大电路的一般符号 a 用数字仪表或传统指针式仪表显示 必须放大到数百毫伏量级 b 进行数字化处理 模数转换 必须放大到数伏量级 加热炉高温计输出电压仅有毫伏级 细胞膜离子单通道电流只有皮安级 放大电路的四种类型 1 电压放大电路 只考虑放大电路的输出电压与输入电压的关系 2 电流放大电路 3 互阻放大电路 放大电路输出电压与输入电流的关系 只考虑放大电路的输出电流与输入电流的关系 4 互导放大电路 放大电路输出电流与输入电压的关系 石英预制棒加热炉温度控制系统 1 2 2放大电路模型 由输入电阻 输出电阻和受控电压源 三个基本元件构成 如图1 2 2a虚线框内所示电路 为进一步讨论四种放大电路的性能指标 建立四种不同的双口网络作为相应类型放大电路模型 1 电压放大电路模型 放大器输入端电压 电压增益 电压放大电路适用于信号源内阻较小且负载电阻较大的场合 2 电流放大电路模型 在输出端 在输入端 电流放大电路适用于信号源内阻较大且负载电阻较小的场合 输出回路由输出电阻和受控电流源并联构成 如图1 2 2b虚线框内所示电路 不同于电压放大电路模型 3 互阻放大电路模型 如图1 2 2c虚线框内所示电路 4 互导放大电路模型 如图1 2 2d虚线框内所示电路 根据信号源的戴维宁 诺顿等效变换原理 上述四种电路模型相互之间可以任意转换 一个实际的放大电路原则上可以取四类电路模型中任意一种作为它的电路模型 但是根据信号源的性质和负载的要求 一般只有其中一种模型在电路设计或分析中的概念最明确 运用最方便 参考电位点 电路输入与输出信号的共同端点 用符号表示 隔离放大 放大电路的输入与输出电路 包括供电电源 相互绝缘 输入与输出信号之间不存在任何公共参考点 隔离型电压放大电路模型如图1 2 3所示 提高安全性和抗干扰能力 1 2 3放大电路的主要性能指标 放大电路的性能指标是衡量其品质优劣的标准 并决定其适用范围 1 输入电阻 放大电路的输入电阻Ri可用图1 2 4表示 的大小决定了放大电路从信号源吸取信号幅值的大小 的定量分析如图1 2 5所示 在输入端外加测试电压 计算相应的测试电流 则 2 输出电阻 以上讨论的放大电路的输入电阻和输出电阻不是直流电阻 而是在线性运用情况下的交流电阻 3 增益 四种放大电路的不同增益反映了放大电路在输入信号控制下 将供电电源能量转换为信号能量的能力 B是以10为底的对数增益的基本单位 用对数方式表达放大电路增益的优点 1 当用对数坐标表达增益随频率变化的曲线时 可大大扩大增益变化的视野 2 计算多级放大电路的总增益时 可将乘法化为加法进行运算 4 频率响应及带宽 实际的放大电路中总存在一些电抗性元件 因此 放大电路的输出和输入之间的关系必然和信号频率有关 放大电路的频率响应 是指在输入正弦信号情况下 输出随频率连续变化的稳态响应 考虑电抗性元件的作用及信号角频率变量 则电压增益表达为 e g 一个普通音响系统放大电路的幅频响应 如图1 2 7所示 波特图 幅频响应和相频响应曲线称为对数频率响应或波特图 半功率点 带宽 幅频响应的高 低两个半功率点间的频率差 直流 直接耦合 放大电路 中频区平坦部分一直延伸到直流 如图1 2 8所示 在输入信号幅值保持不变条件下 增益下降3dB的频率点 其输出功率约等于中频区输出功率的一半 如果放大器的通频带不够宽 不能使不同频率的信号得到同样的放大 那么 输出波形就会变形 幅度失真 如果一个输入信号由基波和二次谐波组成 因受放大电路带宽所限制 基波增益较大 而二次谐波增益较小 于是输出波形产生了失真 如图1 2 9a所示 相位失真 放大电路对不同频率的信号产生的相移不同时所产生的失真 如图1 2 9b所示 频率失真 由于放大器对不同频率信号的放大倍数不同而产生的