电子信息导论(第五讲)(模拟电子线路).ppt

电子信息科学导论,模拟电子技术课,信息学院牛斌2009年9月,本讲的主要内容,1、课程概述2、课程内容概要,1、课程概述,11电子技术的两大支柱12模拟电子技术的信号特点13模拟电子技术的主要特点14模拟电子技术的在课程体系中的地位,11电子技术的两大支柱,电子技术的两大支柱是：1）模拟电子技术2）数字电子技术应用这两种电子技术产生了无数的电子系统，设备和产品，因而具有划时代的作用。,12模拟电子技术的信号特点,1.模拟信号是：幅度和相位都连续的电信号，或着说是幅度和时间方面都连续的电信号；2.模拟信号分布于自然界的各个角落，是自然界存在最广泛的信号。如温度的变化，语音，图像；而数字信号是人为的抽象出来的在时间上不连续的信号,13模拟电子技术的主要特点,1）本课程强调基本概念、基本原理和基本分析方法；2）本课程的内容更为接近工程实际，电子技术是一门实践性很强的课程3）在分析和计算时又常常需要从实际情况出发，抓住主要矛盾，忽略次要因素。过分追求“精确”是没有必要的。4）电子技术是一门发展十分迅速的学科；要注意能力的培养，包括学习新知识、新技术的能力。,14模拟电子技术的在课程体系中的地位,2、课程内容概要,21半导体器件及其发展22模拟电子线路,21半导体器件及其发展,1）第一代电子器件真空管开始形成:近半个世纪，真空管几乎是各种电子设备中唯一可用的电子器件。随后的电子技术取得了去多成就，如电视、雷达和计算机的发明。2）第二代电子器件半导体器件:它与真空管相比，半导体管体积小、重量轻、功耗低、寿命长。半导体器件有二极管、晶体管等，都是一个个独立元件，所以又称为分立元件，由分立元件组成的电路称为分立元件电路。随着电子器件应用的完，使得电子技术很快应用于工业自动化、检测、计算等方面，也促进了计算机、通信等方面的发展。,3)第三代电子器件集成电路:1959年美国德州仪器公司把晶体管和电阻、电容等集成在一块硅片上，构成了一个基本完整的单片式功能电路,标志着电子技术进入了微电子时代，是电子技术发展的一个飞跃。集成电路（简称IC）是将各种不同电路元件以及他们之间的连线制作在一块很小的半导体芯片上，称为能完成一定功能的完整电路。集成模拟芯片的类型：按照模拟集成电路的类型来分，则有集成运算放大器、集成功率放大器、集成中频放大器、集成高频放大器、集成比较器、集成乘法器、集成稳压器等。,2.2模拟电子线路,2.2.1模拟电子线路的分类2.2.2模拟电子线路的主要电路介绍,2.2.1模拟电子线路的分类,1）按其所处理的信号频率可以分为低频电路、高频电路和微波电路，2）按照电路中电子器件的工作状态分为线性电子电路和非线性电路电路。3）按照电路功能分为信号生成电路、信号放大电路、信号运算电路与处理电路及电源电路等。以下按照电路功能划分，介绍模拟电路的具体形式和作用,2.2.2模拟电子线路的主要电路介绍,图5.2模拟信号处理流程,主要电路,1）信号产生电路；2）信号电压的放大电路；3）信号功率的放大电路；4）信号处理电路；5）信号运算电路；6）电源电路电路,1）信号产生电路,信号生成就是产生电路所需要的各种信号，例如正弦波、矩形波、三角波等，本部分内容主要包括正弦振荡电路和非正弦波发生电路。例如石英晶体振荡器，频率稳定度在10-410-12范围内。经校准一年内可保持10-9的准确度，这精度表明，如果是一个时钟，每年最多误差0.031536秒。十年误差为0.31秒。正弦振荡电路的应用：电子技术实验室经常使用的低频信号发生器就是一种正弦波振荡电路。大功率正弦波振荡电路还可以直接为工业生产提供能量，例如高频加热炉的高频电源；超声波探伤；无线电、广播电视和通信的发送和接收；自动测量、自动控制系统中，等。都离不开正弦波振荡和非正弦电路。,2）信号电压的放大电路,分类：按信号频率高低可以分为低频放大器、中频放大器、高频放大器和直流放大器；按信号强弱可分为小信号放大器和大信号放大器。基本分析方法主要有：图解法、微变等效电路法。这两种方法解决的主要矛盾是三级管的非线性问题。针对放大器件的特性曲线为非线性的特点，在BJT或FET的特性曲线的基础上，用作图的方法求解。微变等效电路的实质是：在信号变化范围比较小(即“微变”)的前提下，采用局部线性化的方法，用一个线性电路来等效一个非线性的放大器件,3)信号功率的放大,功率放大的作用因为在一些电子设备中，常要求放大电路的输出级能够带动某种负载，例如：仪表、扬声器、荧光屏和数码管等等，或者驱动自动控制系统的执行机构，所以常常要求输出级要求放大电路有足够大的输出功率。功率放大电路一般作为多级放大电路的输出级功率放大电路的特点能输出足够大的功率；尽可能高的效率；尽可能小的失真。为了减少失真和提高效率，起工作状态，三极管常采用甲乙类工作方式,集成功率放大电路,集成功率放大电路：功率放大电路，已有已经实现集成化，这类集成芯片很多，如常用的LM386,TPA711，RDAD101。集成功率放大器的突出优点：温度稳定性好、电源利用率高、功耗较低、非线性失真小、使用安全方便等。大功率器件也发展迅速，主要有达林顿管、功率VMOSFET和功率模块。为了保证器件的安全运行，可从功率管的散热、防止二次击穿、降低使用定额和保护措施等方面来考虑。,4）信号处理电路；,信号的处理电路主要包括：滤波和比较电路滤波电路滤波电路的作用：实质是“选频”，即通过一定的电路，允许一定频率的信号通过，或者对输入信号的某些频率成分的幅度进行削弱或衰减，使得输出信号中不再包含这些频率成分。在无线通信、自动测量以及控制系统中，常常被用于数据传送及抑制干扰等。滤波电路分类：根据其工作信号的频率范围，滤波电路主要分成：低通滤波电路、高通滤波电路、带通滤波电路、带阻滤波电路。电路形式：无源滤波器；有源滤波器,比较电路,电压比较器的作用：是将模拟输入电压与参考电压进行比较，并将比较的结果以数字量的形式输出。由于比较起的输出信号只有高电平或者低电平两种装态，因此可以认为比较器是模拟电路和数字电路的“接口”电路。分类：过零比较器;单限比较器;滞回比较器;窗孔比较器。主要应用场所：自动控制、测量系统、非正弦波的产生和变换等电路。,5）信号运算电路,信号运算电路含义：信号运算是指电子线路所具有的各种数学运算功能，也就是对输入信号进行的运算能力。分类：比例运算电路（具有电压放大作用）、求和电路、积分和微分电路、指数和对数电路、乘法和除法电路等。运算电路的基本核心器件：是运算放大器，常用的集成芯片有：A741；P709；F007;TL022;LF353;LM324;LF347,6)电源电路,说明：各种电子设备通常都需要直流电源供电。比较经济实用地获得直流电源的方法，通常都是由电网所提供的交流电压变化为直流电压电路组成：将交流电压经过变压、整流、滤波、稳压以后得到。各部分的电路及其输出波形如图5.3所示,电源电路组成框图,常用的稳压电路,）硅稳压管稳压电路：电路结构简单，适用于输出电压固定且负载电流较小的场合，主要缺点是输出电压不可调节。)串联型直流稳压电路：主要包括四个部分：调整管、采样电阻、放大电路和基准电压。其稳压的原理实质上是引入电压负反馈来稳定输出电压。其输出电压可以在一定得范围内进行调节。,)集成稳压器：由于其体积小、可靠性高及温度特性好等优点得到了广泛的应用，特别是三端集成稳压器，只有三个引脚，使用更为广泛。三端集成稳压器的实质是将串联型直流稳压电路的组成部分，再加上保护电路和启动电路全部集成在一个芯片上而做成的。)开关型稳压电路：其特点是调整管工作在开关状态，具有效率高、体积小、重量轻以及对电网电压要求不高等优点，被广泛应用于计算机、电视机、通信及空间技术等领域。但存在输出电压中纹波和噪声成分较大等缺点。,2.3基本分析内容,2.3.电子线路行为特性分析2.3.电子线路参数分析,2.3.电子线路行为特性分析,行为特性含义：所谓行为特性，是指电子线路模型所代表的功能和技术特性，例如放大电路的行为特性包括放大功能、放大能力、频率特性等。问题分类：在进行理论分析时，建立电子线路的分析模型进行数学解析描述。在进行仿真分析时，行为特性的描述是通过对电路图的仿真运算和测试结果总结出特性和指标，这时得到的是电子线路中变量之间的关系曲线。,2.3.电子线路参数分析,含义：所谓电路参数是指描述电路技术特点和特性的数据或变量。电路参数必须具有明显的物理意义。在模拟电子技术中，电路的基本参数包括输入或输出信号的电压、电流、频率、频率特性等。例如：放大器的电压放大倍数，输入电阻和输出电阻等；主要分析的问题：频率特性：指电子线路对不通频率信号的处理结果，直接反映电子线路或系统中信号幅度、相位、频率之间的关系。,主要分析的问题,反馈特性：指电子线路或系统的输出信号通过某种途径进入到形同的输入端而构成对输入信号的影响，进而影响到电子线路的输出。反馈太热性是电子线路或系统的基本特性。稳定性：指反馈电子线路或系统稳定工作的基本特征。输入特性和输出特性：是指输入端电量之间关系以及输出端电量之间关系。输入特性和输出特性取决于电路和器件的组成和结构。,3、实验,模拟电路实验：电路实验使用实际电路器件组成相应的电路，通过对电路现象的观察来总结电路模型，会对理论分析进行验证。几项注意问题：解相关仪器的使用方法，估算实验数据和取值范围及曲线变化趋势；实验中认真连接实验电路，检查所连接电路并完整、无误采集实验数据；实验后认真分析实验数据，撰写实验报告。仿真实验,仿真实验,含义：借助计算机和相应的工程软件进行仿真分析已经成为电子线路分析和设计的方法和途径。仿真方法：电子系统的计算机分析可同通过一下两种方法完成：一是使用编程语言，如C+、FORTRAN、QBASIC等；二是使用软件，如Spice，Multisim（电子工作平台，EWB），MicroCap等。对于模拟电子线路，可以使用Spice电路描述语言工具对电路进行描述和仿真。如果不希望用专门的语言进行描述来实现仿真，,则可以直接输入物理模型的方法，也就是通常所说的电路图输入方法对所要仿真的电路进行描述，这时可以使用Multisim等软件平台所提供的绘图界面。利用仿真软件有系统高度集成，简洁直观，操作方便；电路分析手段完备；提供多种输入输出接口；使用灵活方便等优点。,仿真结果说明：由于半导体器件制造工艺的分散