孙肖子版模拟电子电路及技术基础课件 第1章.ppt

1、,第一章 绪 论,1.1 模拟信号和数字信号 1.2 电子系统及信号处理 1.3 分析与综合（设计） 1.4 模拟信号处理、 放大器模型和放大器的 主要性能指标 1.5 改善放大器性能的重要手段负反馈,1.1 模拟信号和数字信号,信号”是“信息”的载体，也可以说“信号”是“信息”的表现形式。“信息”则是“信号”的具体内容。例如：音频信号可以传达语言、音乐等信息，图像信号可以传达人类视觉系统所反应的图像信息。“信号”有非电物理量信号和电信号之分，如光、温度、压力、流量、位移、速度、加速度等属非电物理量信号，而电信号一般指的是随时间变化的电流或电压，也包括电容器的电荷、线圈的磁通，以及空间的电磁波

2、等。非电物理量信号可借助“传感器”转换为电信号，以便于进一步加工、处理和传输。,电信号可分为模拟信号、采样数据信号和数字信号。所谓模拟信号，是指时间和数值(幅度)上都是连续变化的信号。自然界大部分信号都属模拟信号，如图1.1.1所示。采样数据信号是时间离散，幅度仍为连续(不量化)的信号，如图1.1.2(a)、(b)所示。图中Tc为采样周期，x(nTc)为对应时间t=nTc时的函数x(t)的样品。数字信号则不仅时间离散、而且幅度也为离散，即幅度“量化”的信号，通常将某一时刻的时间离散信号x(nTc)量化为用“0”、“1”表示的序列码信号，如图1.1.3所示。采样数据信号由于幅度连续(不量化)，因

3、此人们往往也将其归于模拟信号一类中。,图1.1.1模拟信号(时间、幅度均为连续的信号),图1.1.2采样数据信号(时间离散、幅度连续的信号),图1.1.3数字信号(时间离散、幅度也离散(量化)的信号),1.2电子系统及信号处理,“电子系统”有多种描述方法。一般来说，将若干个单元电路或功能模块组合成的规模较大的、能够完成特定功能的完整的装置称为“电子系统”。图1.2.1给出由“信号获取”、“信号处理”、“信号执行”、“控制电路”、“电源”等诸多部分组成的电子系统示意图（具有A/D的是模/数混合系统，不具有A/D的是纯模拟系统）。,图1.2.1一般电子系统的组成框图,图1.2.1中各部分的作用简述

4、如下：信号获取：主要是通过传感器或输入电路，将外界待观察的信号(通常为模拟信号)变换为电信号，或实现系统与信源间的耦合、匹配。预处理：主要是解决信号的放大、衰减、滤波等，即通常所说的“信号调理器”，经预处理后的信号，在幅度和其他方面都比较适合做进一步的分析或数字化处理。这一部分的信号仍多为模拟信号。,信号处理：主要完成信号的采集、分析、加工、变换、传输和判决等功能。有的系统，直接将模拟信号进行处理，但大部分现代电子系统都是先将预处理后的模拟信号经模/数变换(A/D)变换为数字信号，然后进行数字信号处理。因为数字化处理有许多优点，如功能强大、易集成化、抗干扰能力强等。 信号执行：主要包括处理结果

5、的显示、打印、负载的驱动(如驱动电机)以及其他输出电路。这一部分大多为数字信号，如果需要模拟信号，则可通过数/模变换(D/A)将处理后的数字信号重新变换为模拟信号。可见，A/D、D/A是“模拟数字模拟 ”的桥梁，是数/模混合电子系统中的关键部件之一。,控制电路：主要负责对各部分动作的控制，使各部分能协调、有序地工作。电源：给系统中各部分电路提供电源，是任何电子系统中必不可少的组成部分。系统有大有小，有简单的，也有很复杂的。下面举几个较为简单的系统的例子，这些例子基本上不涉及数字化处理。(1)滤波器。如图1.2.2(a)所示，x(t)是被噪声污染了的信号，x(t)=s(t)+n(t)，其中s(t

6、)为待确定的信号，n(t)为干扰(加性噪声)。我们希望找到一个系统L，使得当x(t)为其输入时，能够得到的输出y(t)等于s(t)，这个系统L就是“滤波器”。,(2)均衡器。如图1.2.2(b)所示，信号s(t)通过信道C(如电话电缆)后，在信道接收到的信号x(t)已是失真的s(t)，我们需要设计一个系统L，使其对x(t)的响应恢复为s(t)，这个系统L就是所谓的“均衡器”。,(3)直流稳压电源。如图1.2.2(c)所示，系统输入为一正弦波sin0t，要设计一个系统L1，使其输出为单极性电压|sin0t |；再设计一个系统L2，使其对|sin0t |的响应为一直流电压；若要求最终得到的直流电压

7、不随输入电压或负载电流而变化，则必须设计另一个系统L3。为达到此目的，L1为“整流器”，L2为“滤波器”，L3为“稳压器”，故该系统L由整流器、滤波器、稳压器三部分组成。,(4)扩音器。如图1.2.2(d)所示，语音信号通过话筒(传感器)转换为微弱的电信号，我们希望设计一个系统，将微弱的音频信号放大，并供给最终负载扬声器(喇叭)以足够大的功率，那么该系统应该是一个音频电压放大器L1和音频功率放大器L2，而且为改进该系统的性能，在放大器中引入“负反馈”F。,图1.2.2简单系统举例 (a)滤波器；(b)均衡器；(c)直流稳压电源；(d)扩音器,1.3分析与综合(设计),“分析”是计算给定系统对各

8、种输入的响应并确定它们的性质的过程。分析过程就是一个找出系 统特性的过程。分析的途径有所不同，但答案和特性往往是惟一的，如图1.3.1(a)所示。 “综合”或“设计”是另一种过程，即从要求的特性出发，找出满足这些特性的电路和系 统结构。对“综合”或“设计”来说，方案和结果并不是惟一的，从而为设计者提供了更多创造力的机会，如图1.3.1(b)所示。,图1.3.1分析与设计(综合),1.4模拟信号处理、放大器模型和,1.4.1模拟信号处理 自20世纪80年代初以来，数字信号处理和数字集成电路迅猛发展，信号处理领域转移到数字领域不仅是大趋势，而且已经是现实。但在现代许多系统中，包括复杂高性能系统中，

9、模拟电路从根本上已被证明是必需的。模拟电路的作用很难甚至不可能被相应的数字电路所取代。这是因为自然界产生的信号大多是模拟信号，如高品质麦克风接收到的乐队的音频信号、地震仪接收到的地震波信号、传感器转换的许多非电物理量信号、生物电信号等，这些信号往往比较微弱，而且受干扰和噪声污染，需要放大和滤波。,就是用数字化处理，也必须将这些信号放大到模/数(A/D)转换器所能接受的幅度大小，一般为数百毫伏到数伏。即使在数字通信、光通信、无线收发器，甚至是微处理器和存储器等设备中都不可避免地涉及到模拟技术。人们经常说，“高速数字电路设计实质上是模拟电路设计”。由于模拟设计要在速度、功耗、增益、精度、电源电压等

10、多种因素间进行折衷，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，因而在一个数/模混合的硅片系统中，模拟电路占的比重并不大，但占的硅片面积却很大，特别是在那些包含射频收发器的集成芯片中，模拟电路的设计和制作往往会成为整机设计的瓶颈。高性能的模拟电路设计很少能依靠计算机自动完成，在一定程度上仍依赖于设计者的经验和直觉。,正如毕查德拉扎维(美)教授所说的那样，“好的模拟电路设计需要直觉、严密和创新。作为模拟电路设计者，必须以工程师的眼光快速而直觉地理解一个大的电路，以数学家的智慧量化那些在电路中难以捉摸的而又重要的效应，以艺术家的灵感发明新

11、的电路结构。”,1.4.2放大器模型放大器是模拟信号处理中最重要的、也是最基本的部件。放大电路不仅具有独立地完成信号放大的功能，而且也是其他模拟电路，如振荡器、滤波器、稳压器、调制解调器的基础和基本的组成部分。放大器是一个有源二端口网络，其一般符号如图1.4.1所示。放大器的输入端口连接“待放大的信号源”，其中Us为信号源电压(复数相量)，Rs为信号源内阻，Ui和Ii分别是放大器的输入电压和输入电流。放大器的输出端口接相应的负载电阻RL(也可以是一般的阻抗ZL)，Uo和Io分别是放大器的输出电压和输出电流。通常输入端口与输出端口有一个公共的电位参考点，称之为“地”(如图1.4.1所示)，隔离放

12、大器除外。,.,.,.,.,.,图1.4.1放大器视为有源二端口网络,放大器的基本任务是不失真地放大信号，故人们最关心的是放大倍数A。放大倍数又称为“增益”，它表达放大器输出量与输入量的关系。根据输入量和输出量是电压或是电流，放大倍数(增益)有以下4种定义，即,.,(输出电压与输入电压之比),电压放大倍数,电流放大倍数,(输出电流与输入电流之比),互阻放大倍数,(输出电压与输入电流之比),互导放大倍数,(输出电流与输入电压之比),(1.4.1a),(1.4.1b),(1.4.1c),(1.4.1d),表1.4.14种类型放大器及其模型,实际上，电压放大器的应用最为广泛。从表1.4.1中可知，电

13、压放大器在信号流通中，面临两部分“衰减”。从输入端口看，真正加到放大器的输入电压信号Ui是信号源电压Us的分压，即,.,.,(1.4.2a),从输出端口看，输出电压Uo与受控源AuoUi的关系也是Ro与RL的分压，即,(1.4.2b),(1.4.2c),可见，只有当RoRL时，Au才等于Auo，所以，电压放大器的理想条件是,.,.,(1.4.2d),1.4.3放大器的主要性能指标1.电压放大倍数(电压增益)Au放大器的增益为负载上得到的输出电压与放大器的输入电压之比，即,.,(1.4.3a),它表达放大器的输入电压对输出电压的控制能力，即放大电压的能力。,有时用分贝(dB)来表示放大器的增益，

14、即,(1.4.3b),图1.4.2用电压表或示波器测量放大倍数,2.输入电阻Ri输入电阻Ri是放大器输入端的等效电阻。输入电阻Ri表明放大器从信号源有效吸取信号幅值的大小(Ui=UsRi/（Ri+Rs)。为了减小信号源内阻Rs对信号的衰减作用，希望RiRs。 输入电阻的计算公式为,(1.4.4a),图1.4.3 Ri的计算方法,Ri的测量方法如图1.4.4所示，在信号源与放大器输入端之间串入一个已知的电阻R，分别测出图中U1和U2的电压值，则根据式(1.4.4c)计算出Ri：,(1.4.4b),(1.4.4c),例如：选R=3k，测得U1=0.6V,U2=0.2V,则Ri=1.5k。,图1.4

15、.4 Ri的测量方法,3.输出电阻Ro放大器输出电阻Ro的大小决定了放大器带负载的能力。如式(1.4.2b、c)所示，输出电压Uo=(RL/(Ro+ RL) AuoUi,Au=Uo/Ui=(RL/(Ro+RL) ）Auo，只有当RoRL时，UoAuoUi，RL的变化对输出电压或放大倍数影响最小，输出电压也越稳定。输出电阻Ro的定义和计算方法如图1.4.5所示，在输出端加一测试电压Uo，算出电压Uo引起的输出电流Io，则,(1.4.5),图1.4.5 Ro的定义及计算方法,图1.4.6 Ro的测量方法,图1.4.6给出Ro的测量电路。信号源给放大器施加幅度和频率合适的交流信号输入。在放大器的输出

16、端接一个已知的负载电阻RL和串联一个开关S，用电压表或示波器分别测出S打开和S闭合的输出电压Uo值，则有S打开，测得,S闭合，测得,故,例如：测得S打开时的输出电压Uo1=2V，S闭合时的输出电压Uo2=0.8V，已知RL=5k，则,(1.4.6),4.频率响应与带宽表1.4.1中的模型是最简单的模型。实际电路中，除电阻外，还存在许多电抗元件，如电路的分布电容、杂散电容、负载电容、器件的极间电容、分布电感等。电抗元件对不同的频率呈现不同的阻抗(容抗，感抗ZL=jL) ，这必然会导致放大器的放大倍数也是角频率的函数，即放大倍数是一个“复数”：,(1.4.7),定义放大器的通频带(带宽)BW为,(

17、1.4.8),如果用分贝(dB)来表示幅频特性的纵坐标，如图1.4.7(b)所示，那么半功率点的增益为,(1.4.9),图1.4.7放大器的幅频特性与相频特性 (a)幅频特性；(b)相频特性,若|Au|=1000，则|Au半功率点|=60dB-3dB=57dB。可见，半功率点所对应的放大倍数dB值比中频放大倍数dB值下降了3dB，所以人们也称该通频带为-3dB带宽，即,BW-3dB=fH-fL,有的放大器的下限频率fL=0，也就是放大倍数平坦部分一直延伸到零频率附近。,5.非线性失真系数由于放大元件的电流电压传输特性是非线性的，因此会引入另一种失真，称为“非线性失真”。如图1.4.8所示， (

18、a)图为理想传输特性，输出uo与输入ui为线性关系，不会引起非线性失真；而(b)图uoui是非线性关系，在-ui1 ui2时，特性是非线性的，呈现一种限幅状态。所以，尽管输入信号为标准的正弦波，但一旦信号幅度超过其线性范围，输出波形就会产生畸变，成为非正弦波，甚至于成为方波。经傅里叶分析，发现输出波形中除其频率同输入信号频率的基波分量外，还出现许多输入信号所没有的新的谐波成分。,因非线性失真而引入的谐波分量越多，则表明非线性失真越严重，故定义非线性失真系数(也称全谐波失真系数)THD为,式中:U1m为输出信号基波分量振幅;Unm为第n次谐波分量振幅。,图1.4.8 非线性传输特性引起非线性失真

19、波形,1.5改善放大器性能的重要手段负反馈,原放大器放大倍数,(也称开环放大倍数),(1.5.1),反馈信号Xf与反馈系数F,.,(1.5.2),反馈放大器放大倍数,(也称闭环放大倍数),(1.5.3),图1.5.1反馈放大器基本框图,1.5.2负反馈与正反馈1.负反馈基本放大器的输入信号称“净输入信号”，记为XI，在有反馈的电路中，XiXi，如图1.5.1所示，如果净输入,.,.,.,即净输入信号等于输入信号Xi与反馈信号Xf之差，净输入信号呈减小态势，则称该类反馈为“负反馈”。 负反馈的引入将使Xi减小，从而使反馈放大器的输出信号Xo减小，导致闭环放大倍数减小，但换来的却是其他性能的全面提升。 负反馈的过程是一个自动调节过程，其实质是利用输出信息反过来影响输入，而结果使得输出性能改