大学模电教学课件

大学模拟电子技术基础欢迎进入模拟电子技术基础课程的学习旅程本课程是电子工程专业的核心基础课，将为您打开电子世界的大门，带领您探索模拟信号处理的奥秘作为高等教育精品课程，我们精心设计了理论与实践相结合的教学内容，帮助您掌握从基础元器件到复杂电路系统的分析与设计能力通过本课程的学习，您将建立扎实的模拟电子技术理论基础，培养实际电路设计与分析能力本课程由经验丰富的教授团队主讲，配备全面的教学资源，包括精选教材、实验指导、在线题库和仿真软件等，为您的学习提供全方位支持绪论模拟电子学的意义模拟信号特点数字信号特点课程体系结构模拟信号是连续变化的，在时间和幅度数字信号只有离散的有限状态，通常用0本课程从半导体物理基础开始，逐步学上都呈现无限精度的变化自然界中的和1表示数字系统具有抗干扰能力强、习二极管、晶体管等元器件，再到放大大多数信号本质上都是模拟的，如声可靠性高等优点，但将现实世界的模拟器、信号处理电路等系统，最终达到能音、光线强度、温度等模拟信号处理信号转换为数字信号处理，最终还需要够分析设计实用电路的目标理论与实在信号的采集、调理和放大等方面具有转回模拟形式才能被人类感知验相结合，培养实际应用能力不可替代的作用模电发展简史与现状1真空管时代20世纪初，李·德福雷斯特发明了三极真空管，开创了电子放大的先河真空管体积大、能耗高，但为模拟电子学奠定了理论基础，并在二战期间得到广泛应用2晶体管革命1947年，贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿发明了晶体管，比真空管体积小、能耗低、寿命长，彻底改变了电子工业的面貌，开启了半导体时代3集成电路时代1958年，基尔比和诺伊斯分别发明了集成电路，将多个元器件集成在一个芯片上从最初的小规模集成到如今的超大规模集成电路，集成度提高了数百万倍4现代发展当前，模拟电路与数字电路深度融合，模数混合集成电路广泛应用于各类电子系统人工智能、物联网等新兴领域对模拟电路提出了低功耗、高精度的新要求学习内容与考核方式章节分布实验要求考核细则•半导体物理基础•完成8个基础实验•平时成绩占30%（作业10%，实验15%，•二极管及应用•1个综合设计实验出勤5%）•晶体管基础与放大电路•实验报告规范完整•期中考试占20%•场效应管及应用•实验操作安全准确•期末考试占50%•综合设计可加分•运算放大器•负反馈原理与应用•信号处理与产生电路•直流稳压电源半导体物理基础绝缘体能带间隙大，价带满，导带空半导体适中的能带间隙，可通过掺杂改变导电性导体价带和导带重叠，电子自由移动半导体是模拟电子学的物理基础，其特性介于导体与绝缘体之间纯净的半导体称为本征半导体，掺入微量杂质后形成N型（电子为主要载流子）或P型（空穴为主要载流子）半导体能带理论是理解半导体行为的关键在半导体中，电子从价带跃迁到导带需要一定能量，形成电子-空穴对温度升高会增加载流子浓度，导致半导体导电性随温度升高而增强，这与金属导体相反结与半导体二极管结构PNPN结形成正向偏置特性反向偏置特性PN结是半导体二极管的核心，由P型半当外加电压使P区电位高于N区时，PN结当外加电压使N区电位高于P区时，PN结导体和N型半导体接触形成在接触界处于正向偏置状态外加电场与内建电处于反向偏置状态外加电场与内建电面，由于浓度差异，P区的空穴向N区扩场方向相反，减弱了内建电场，使空间场方向相同，加强了内建电场，使空间散，N区的电子向P区扩散，形成扩散电电荷区变窄当外加电压超过一定阈值电荷区变宽此时，只有少量少数载流流同时，接触面附近形成空间电荷区（硅约

0.7V，锗约

0.3V）时，大量载流子产生的反向饱和电流，数值很小，通（耗尽区），建立内建电场，产生漂移子注入，产生显著的正向电流常在微安或纳安级别电流与扩散电流平衡二极管的主要参数反向饱和电流正向压降反向偏置时的微小电流，受温度影响显二极管导通时的压降，硅二极管约著

0.7V，锗二极管约

0.3V击穿电压反向电压超过此值时二极管将损坏结电容恢复时间PN结在不同偏置下呈现的电容特性从导通到截止状态转换所需时间这些参数对二极管在实际电路中的应用至关重要例如，开关电路需要恢复时间短的二极管；高频电路需要结电容小的二极管；大功率电路需要考虑正向压降带来的功耗问题温度变化会显著影响二极管特性，特别是反向饱和电流，温度每升高10℃，反向电流约增加一倍二极管的基本应用电路整流电路将交流电转换为单向脉动直流电限幅电路限制信号幅度在特定范围内钳位电路将信号波形整体上下平移至特定电平检波电路从调制信号中提取包络线二极管的单向导通特性使其成为各类信号处理电路的基础元件在限幅电路中，当输入信号超过某一阈值时，二极管导通并提供一条低阻通路，将超出部分剪掉钳位电路则通过二极管和电容的配合，使信号在保持波形不变的情况下整体移动到新的直流电平上检波电路利用二极管只允许单向电流通过的特性，配合电容实现对调幅信号的解调，提取出原始的低频信号，是无线电接收机的核心部分这些应用体现了二极管作为最基本的非线性元件在电子电路中的重要作用整流与滤波电路半波整流全波整流桥式整流与滤波最简单的整流电路，只有正半周（或负半利用变压器中心抽头，两个二极管分别导四个二极管组成桥路，不需要中心抽头变周）被导通，输出的脉动系数大，利用率通正负半周，输出脉动系数较小，效率较压器，效率高配合大容量电容滤波，可低，但电路简单，只需一个二极管即可实高，但需要特殊变压器显著减小输出纹波电压，为负载提供平滑现直流电压在实际应用中，整流后的脉动直流通常需要经过滤波电路处理滤波电容在电压上升时充电，下降时放电，维持负载电压，减小纹波电容值越大，滤波效果越好，但充电电流峰值也越大，对二极管的冲击也越大特殊二极管及应用稳压二极管发光二极管利用PN结反向击穿特性工作，正向导通时将电能转换为光能的在一定电流范围内保持两端电压特殊二极管不同材料可发出不恒定广泛用于简单的稳压电同颜色光线，从红外、可见光到路、过压保护和电平转换其稳紫外光具有能耗低、寿命长、压值由制造时的掺杂浓度决定，响应快等优点，广泛应用于显通常有

2.4V至200V多种规格示、照明和光通信领域光电二极管利用光电效应，当受到光照时产生电流或改变其电导率可用作光检测器，在自动控制、光通信、摄影测光等领域有广泛应用反向偏置时灵敏度更高，常用于高速光电检测这些特殊二极管极大扩展了半导体器件的应用范围，从电源管理到信息显示、从光电检测到无线通信，都能看到它们的身影随着材料科学和制造工艺的进步，新型特殊二极管不断涌现，如肖特基二极管、变容二极管等，为电子系统带来更多可能性晶体管基础结构NPN型晶体管由N型半导体-P型半导体-N型半导体三层结构组成PNP型晶体管由P型半导体-N型半导体-P型半导体三层结构组成三个区域发射区E、基区B、集电区C，各有不同掺杂浓度晶体管是电子工业革命的核心器件，其基本结构由两个相邻的PN结组成在NPN晶体管中，中间P型区域（基区）很薄，两侧为N型区域，分别称为发射区和集电区发射区掺杂浓度最高，基区浓度最低，集电区面积最大PNP晶体管与NPN晶体管结构类似，但半导体类型相反，工作时电流方向也相反在电路符号中，箭头指向N型区，NPN型箭头从发射极指出，PNP型箭头指向发射极在实际应用中，NPN型更为常见，这与电子比空穴有更高的迁移率有关晶体管基本工作原理放大区基极-发射极结正偏，集电极-基极结反偏集电极电流与基极电流成比例关系截止区基极电流为零，集电极电流极小相当于开路状态饱和区两个PN结都正偏集电极电流达到最大值，不再受基极电流控制晶体管工作原理的核心在于载流子的注入与控制以NPN晶体管为例，当基极-发射极结正偏时，发射区的大量电子注入到基区由于基区很薄且掺杂浓度低，大部分电子不会与基区的空穴复合，而是在电场作用下穿过基区，被集电区收集，形成集电极电流基区电流只是电子与空穴复合的小部分，却能控制从发射区到集电区的大电流，这就是晶体管的放大作用在放大区，集电极电流约为基极电流的几十到几百倍（由β值决定）而在数字电路中，晶体管通常工作在截止和饱和两个极端状态，分别对应逻辑0和1晶体管主要参数与测试符号名称典型值意义β直流电流放大系数50-300集电极电流与基极电流之比hFE共发射极电流放大系50-300与β相同，是测量标数准下的参数ICBO集电极截止电流几nA基极开路时的集电极电流VCEsat集-射饱和压降

0.2-

0.3V晶体管饱和导通时的压降fT截止频率几MHz-几GHz电流增益下降到1时的频率晶体管的输入输出特性曲线是全面了解其性能的重要工具输入特性曲线描述基极电流IB与基-射电压VBE的关系，呈现类似二极管的指数特性输出特性曲线描述集电极电流IC与集-射电压VCE的关系，可分为三个区域饱和区、放大区和击穿区通过晶体管测试仪或曲线跟踪仪，可以观察这些特性曲线，测量重要参数，帮助工程师选择合适的器件和设计电路在实际应用中，要特别注意参数的温度依赖性和分散性，预留足够的设计余量三极管的放大电路基础静态工作点确定三极管在无信号时的工作状态，通常选择在输出特性曲线的放大区中部，以获得最大的不失真信号摆幅静态工作点由电路的直流偏置网络设定小信号模型当输入信号较小时，可以将三极管近似为线性元件，建立小信号等效电路常用的模型包括T型等效电路、π型等效电路和混合参数模型，其中混合参数模型最为常用负载线分析在输出特性曲线上绘制负载线，确定静态工作点和动态工作范围负载线与特性曲线的交点即为工作点，负载线在特性曲线族上的移动轨迹反映了信号放大过程放大电路的基本原理是将输入的小信号电压或电流变化转换为放大的输出信号在设计放大电路时，首先要确定合适的静态工作点，使三极管工作在放大区中，能够对输入信号进行线性放大而不发生严重失真小信号分析方法是放大电路设计的重要工具通过小信号模型，可以将复杂的非线性器件简化为线性网络，使用线性电路分析方法求解各种性能参数，如电压增益、输入输出阻抗等在实际电路中，还需考虑温度稳定性、频率响应等因素，确保电路在各种条件下可靠工作共射放大电路180°相位反转输出信号与输入信号相位相反10-1000电压增益取决于负载电阻和内部参数1-2kΩ输入阻抗中等大小，适合多级放大10-100kΩ输出阻抗较高，适合驱动高阻负载共射放大电路是最常用的基本放大电路，其特点是发射极接地（或交流接地），信号从基极输入，从集电极输出这种配置提供了高电压增益和中等输入阻抗，是通用放大器的首选在小信号分析中，共射放大电路的电压增益近似为Av=-RC/re，其中RC是集电极电阻，re是发射极交流电阻（约等于26mV/IE）负号表示输出信号相对输入信号有180°相位反转这种反相特性在某些应用中很有用，如负反馈电路共射电路的频率响应受到晶体管内部电容的影响，在高频下增益会下降共基、共集放大电路共基放大电路共集放大电路基极接地，信号从发射极输入，从集电极输出具有高电压增益集电极接地，信号从基极输入，从发射极输出电压增益略小于（与共射相当），但输入阻抗很低（几十欧姆），输出阻抗很1，但电流增益高，输入阻抗很高（几十千欧至几兆欧），输出高输入输出信号同相，无相位反转阻抗很低（几十欧姆）特别适合高频应用，因为基极接地消除了米勒效应，提高了频率也称为射极跟随器，输出电压跟随输入电压变化，无相位反响应常用于射频放大器和阻抗变换电路转主要用于阻抗匹配，将高阻抗信号源与低阻抗负载相连，减少负载效应这两种放大电路虽然电压增益不如共射电路，但在特定应用中有不可替代的作用共基电路在高频应用中表现出色，而共集电路则是理想的缓冲放大器理解这三种基本配置的特点，可以根据具体需求选择最合适的电路结构，或将它们组合成多级放大器以获得理想的性能放大电路三种基本连接比较放大电路中的偏置电路集电极回馈偏置发射极自稳偏置基极偏置电阻连接到集电极而非电分压式偏置在发射极串联一个电阻并旁路电容，源，形成直接负反馈，提供极好的稳固定偏置使用两个电阻分压为基极提供偏置电利用负反馈原理提高稳定性当温度定性，特别适用于低电压电路只用一个电阻从电源到基极提供偏置压，改善了稳定性，但仍不够理想升高导致集电极电流增大时，发射极电流，结构简单但温度稳定性很差，广泛用于低功率、要求不高的电路电压升高，基极-发射极电压减小，静态工作点随温度和晶体管参数变化中，结构简单成本低抑制电流进一步增大显著，实际应用很少偏置电路的设计对放大器的性能至关重要好的偏置电路应具有良好的温度稳定性，不受晶体管参数分散性影响，并能在各种工作条件下保持正常工作直流稳定性是偏置电路设计的主要考虑因素，它关系到放大器能否在温度变化和器件老化过程中保持正常工作放大电路的主要性能指标增益带宽放大器将输入信号放大的倍数，分为电放大器能有效工作的频率范围，通常定压增益、电流增益和功率增益通常用义为增益下降3dB（约

70.7%）的频率分贝dB表示，电压增益AvdB=点带宽越宽，能处理的信号频率范围20lgVout/Vin增益越高，对微弱信越广带宽与增益常常是相互制约的，号的放大能力越强，但也可能带来稳定增益带宽积常作为放大器性能的综合指性问题标失真输出信号波形与输入信号波形的偏离程度包括非线性失真（谐波失真）和频率失真失真越低，放大器的保真度越高通常用总谐波失真THD表示，高保真放大器的THD应小于

0.1%除了上述指标外，放大器的输入输出阻抗、噪声系数、动态范围和稳定性等也是重要的性能指标输入阻抗影响放大器对信号源的负载效应，输出阻抗影响放大器驱动负载的能力噪声系数表示放大器引入额外噪声的程度，关系到处理微弱信号的能力动态范围表示放大器可以处理的最大信号与最小信号之比，通常用分贝表示稳定性则关系到放大器在各种条件下是否会产生自激振荡在设计放大器时，需要根据具体应用综合考虑这些指标，做出合理的权衡放大电路的分析方法直流分析确定静态工作点，计算各点直流电压和电流•忽略所有交流信号源和交流耦合电容•电容视为开路，电感视为短路•利用基尔霍夫定律和三极管特性方程求解交流小信号分析计算动态参数如增益、输入输出阻抗等•忽略所有直流电源（置零）•电容视为短路，电感视为开路•三极管用小信号等效模型替代频率响应分析考虑电路在不同频率下的性能变化•考虑所有电容和电感的频率特性•分析低频和高频截止点•绘制波特图表示频率响应在实际电路分析中，通常先进行直流分析确定静态工作点，然后基于此工作点进行交流小信号分析混合参数模型是常用的小信号分析工具，其中包括输入电阻hie、电流放大系数hfe、反向电压传输系数hre和输出电导hoe等参数频率响应分析则需考虑电路中各元件的频率特性，特别是耦合电容、旁路电容和三极管内部电容对电路特性的影响低频下，耦合电容阻抗增大，导致增益下降；高频下，三极管内部电容形成旁路通道，同样导致增益下降通过设计，可以调整电路的频率响应特性，满足不同应用需求场效应管（）结构与原理FETJFET结构MOSFET结构工作原理比较结型场效应管，由半导体沟道和PN结栅金属-氧化物-半导体场效应管，栅极与沟FET都是电压控制电流的器件，利用电场极组成栅极与沟道形成反偏PN结，控道之间有绝缘的氧化层分为增强型和效应控制沟道电导率JFET只能工作在制沟道宽度工作时栅极始终反偏，基耗尽型增强型需要栅压才能形成沟耗尽模式；MOSFET可工作在增强或耗本不消耗控制功率根据沟道类型分为N道；耗尽型在零栅压时已存在沟道，施尽模式MOSFET输入阻抗更高，功耗沟道和P沟道两种加栅压会减小沟道更低，集成度更高，是现代集成电路的主要器件场效应管的主要参数包括跨导gm（表示栅源电压变化对漏极电流的控制能力）、漏极电阻rd（表示漏源电压变化对漏极电流的影响）、截止电压（使漏极电流降至指定小值的栅源电压）和最大漏极电流IDSS（栅源电压为零时的漏极电流）与双极型晶体管相比，FET具有输入阻抗极高、噪声低、温度特性好等优点，特别适合作为高阻抗信号源的前置放大器MOSFET还具有功耗低、集成度高、抗辐射能力强等优势，已成为数字集成电路和功率电子领域的核心器件放大电路类型FET共源极电路共栅极电路•信号从栅极输入，从漏极输出•信号从源极输入，从漏极输出•电压增益中等到高（-gmRD）•电压增益中等到高（gmRD）•输入阻抗极高（兆欧级）•输入阻抗较低（约1/gm）•输出阻抗较高•输出阻抗较高•输出信号相对输入信号有180°相位反转•输出信号与输入信号同相•类似于BJT的共射极配置•类似于BJT的共基极配置共漏极电路•信号从栅极输入，从源极输出•电压增益接近但小于1•输入阻抗极高•输出阻抗低（约1/gm）•输出信号与输入信号同相•也称为源极跟随器，类似于BJT的射极跟随器FET放大电路与BJT放大电路有许多相似之处，但FET的高输入阻抗特性使其在某些应用中具有独特优势共源极电路是最常用的FET放大器配置，提供反相放大，适合一般放大用途共栅极电路在高频应用中表现出色，因为它消除了米勒效应对频率响应的限制源极跟随器（共漏极电路）是理想的缓冲放大器，能有效隔离高阻抗信号源与低阻抗负载MOSFET的极高输入阻抗（通常为10^12欧姆量级）使其特别适合于测量生物电信号、电荷放大器等对输入阻抗要求极高的场合在现代模拟集成电路中，MOSFET已成为主要的有源器件功率放大电路基础功率放大原理效率计算将小信号电压或电流放大为大功率信号，驱动低输出有用功率与总消耗功率之比，η=P输出/P阻抗负载如扬声器2总热管理保护电路通过散热器散发功率管产生的热量，防止过热损防止短路、过载和温度过高等异常情况坏功率放大器是电子系统的最后一级，直接驱动负载，如扬声器、电机等与小信号放大器相比，功率放大器需要处理更大的电流和电压，并将大部分电能传递给负载功率放大器的设计重点是效率、线性度和可靠性的平衡功率放大器的静态功耗是重要的设计考量A类放大器的静态电流较大，即使无信号输入也消耗大量功率；而B类放大器静态电流接近零，效率高但存在交越失真热管理是功率放大器设计的关键，通常需要使用散热器并计算热阻，确保功率器件在最坏工作条件下温度不超过安全范围功率放大器的类型12A类放大器B类放大器输出管全时间导通，导通角为360°线性度最好，失真最小，但效率低，最采用互补对管推挽输出，每个管只导通半个周期，导通角为180°理论最大大理论效率为50%，实际常低于25%静态功耗大，需要良好散热适用于效率为

78.5%，静态功耗几乎为零，但存在交越失真通常用于中等功率放高保真小功率放大大器34AB类放大器C类放大器介于A类和B类之间，输出管静态时略有导通，导通角在180°-360°之间平导通角小于180°，效率高（可达90%）但失真严重主要用于射频功率放衡了效率和线性度，减轻交越失真，是音频功率放大器的常用类型大，通过谐振电路滤除谐波，恢复信号波形不适用于音频放大放大器失真类型与分析非线性失真由于放大器传输特性的非线性引起，输出信号包含不存在于输入信号中的频率成分主要包括谐波失真（输出中出现输入信号的谐波）和交调失真（多个频率信号相互调制产生新频率）频率失真放大器对不同频率分量的放大倍数不同，导致输出信号的频谱成分比例与输入不同主要由耦合电容、旁路电容和晶体管内部电容造成在音频放大器中尤为重要交越失真B类和AB类放大器中，当信号在正负半周切换时，由于输出管导通特性的不连续性产生的失真表现为波形在零点附近的不连续，产生高次谐波，听感很差减轻失真的方法多种多样非线性失真可以通过改善偏置稳定性、避免过载、使用负反馈等方法减轻交越失真可以通过施加适当的静态偏置（AB类）或使用特殊电路如二极管补偿电路来减轻频率失真则需要通过合理选择耦合电容值、使用频率补偿网络等方法来改善失真的测量方法包括谐波分析法（测量各次谐波幅度与基波的比值）、方波响应法（观察方波通过放大器后的波形变化）和交调失真测试（输入两个频率信号，测量输出中交调分量的大小）总谐波失真THD是衡量放大器保真度的重要指标，高保真放大器的THD通常应小于

0.1%差动放大电路基础差模信号1两输入端信号大小相等、相位相反的部分共模信号两输入端信号大小相等、相位相同的部分共模抑制抑制共模信号，放大差模信号的能力差动放大电路是现代模拟集成电路的基本单元，由两个结构对称的放大器组成其核心优势在于能够有效抑制共模信号（如电源噪声、温度漂移等），同时放大差模信号（有用信号）差动放大器广泛应用于仪器仪表、通信设备和各类模拟信号处理电路中共模抑制比CMRR是差动放大器的关键指标，定义为差模增益与共模增益之比，通常用分贝表示CMRRdB=20lgAd/AcCMRR越高，差动放大器抑制共模干扰的能力越强理想差动放大器的CMRR为无穷大，实际电路中，CMRR受元件匹配度影响很大在高精度应用中，需要采用精密匹配元件和温度补偿技术来提高CMRR集成运算放大器概述基本运算放大电路反相放大器输入信号接反相端，同相端接地输出与输入信号相位相差180°，增益为-Rf/Ri输入阻抗等于输入电阻Ri，较低，但可根据需要调整同相放大器输入信号接同相端，反相端通过分压网络与输出相连输出与输入信号同相，增益为1+Rf/Ri输入阻抗非常高，接近运放本身的输入阻抗求和放大器多个输入信号通过各自的电阻连接到反相端输出是各输入信号的加权和，权重由各输入电阻与反馈电阻之比决定可实现模拟信号的线性组合运算放大器的应用还包括积分器（反馈通路中使用电容代替电阻）和微分器（输入通路中使用电容）积分器对输入信号进行时间积分，输出正比于输入信号的积分值，常用于波形发生器和滤波器微分器则输出正比于输入信号的变化率，但实际应用中容易受噪声影响，通常需要加入额外元件进行修正运放的虚短与虚断原理虚短原理虚断原理在具有负反馈的运放电路中，由于运放具有极高的开环增益，为使输由于运放输入阻抗极高，流入两输入端的电流几乎为零，即I+≈I-≈出电压保持在有限范围内，两输入端电压差趋近于零，即V+≈V-0这就是虚断，意味着输入端可视为开路，不吸收电流这就是虚短，意味着两输入端电压几乎相等，但并不存在实际的电虚断原理在同相放大器分析中尤为有用由于反相输入端不吸收电气连接流，分压网络中的电流仅由两个电阻决定，与运放输出无关这使得虚短原理使运放电路分析变得简单例如，在反相放大器中，由于同同相放大器的增益可以简单地由分压网络决定，即A=1+Rf/Ri相端接地且存在虚短，反相端电压也接近零，形成虚地这样，输入电阻确定了输入电流，反馈电阻确定了输出电压虚短和虚断原理是分析运放电路的强大工具，能大大简化计算过程需要注意的是，这些原理基于理想运放假设，只在负反馈和线性工作区有效当运放接近饱和或开环工作时，这些原理不再适用在高频情况下，由于运放开环增益下降，虚短条件也会有所偏离实际应用中，运放的非理想特性（如输入失调电压、偏置电流和有限的增益带宽积）会导致与理想计算的偏差在高精度设计中，需要考虑这些非理想因素的影响，并采取相应的补偿措施例如，使用精密元件、温度补偿技术或更高性能的运放运放的频率特性和稳定性1MHz单位增益带宽增益降至10dB时的频率，通常是运放的重要指标20dB/decade增益下降斜率开环增益随频率增加而下降的速率，与极点数相关45°相位裕度开环增益为1时，相位超前于-180°的角度，与稳定性相关6-12dB增益裕度相位为-180°时，开环增益低于0dB的程度运放的频率特性通常用波特图（Bode plot）表示，包括增益-频率曲线和相位-频率曲线典型运放在低频具有最大增益，随频率增加而下降现代运放通常采用内部补偿设计，确保在任何负反馈条件下都能稳定工作，代价是限制了高频性能稳定性是运放电路设计的关键考量当负反馈深度增加时，闭环电路的带宽增加，但相位裕度减小，可能导致振荡评估运放电路稳定性的经验标准是相位裕度至少45°，增益裕度至少6dB在需要更高频率响应的应用中，可以使用外部频率补偿网络，如在反馈回路中加入滞后补偿网络，或使用前向补偿技术，在保证稳定性的同时扩展带宽负反馈的基本原理提高稳定性1减小参数变化对系统性能的影响扩展带宽2以牺牲增益为代价扩大有效工作频率范围减小失真3抑制非线性因素引起的谐波分量抑制噪声降低系统对内部噪声源的敏感性负反馈是将输出信号的一部分反馈到输入端，与输入信号相减，从而控制系统行为的技术在电子放大器中，负反馈可以降低增益，但同时带来许多优点，包括增加带宽、减小失真、改善输入输出阻抗和增强稳定性负反馈的数学表达式为Af=A/1+Aβ，其中A是开环增益，β是反馈系数，Af是闭环增益根据采样和比较方式的不同，负反馈可分为四种基本类型电压串联负反馈（采样输出电压，串联比较）、电压并联负反馈（采样输出电压，并联比较）、电流串联负反馈（采样输出电流，串联比较）和电流并联负反馈（采样输出电流，并联比较）不同类型的负反馈对放大器性能产生不同影响，如电压串联负反馈增加输入阻抗，减小输出阻抗；而电流并联负反馈则减小输入阻抗，增加输出阻抗负反馈综合应用电路稳压电路信号调制电路精密测量电路利用负反馈保持输出电压恒定，即使利用反馈网络的频率选择性，实现信仪表放大器中多级负反馈的配合，实输入电压或负载变化运放比较参考号频谱的调整如音频均衡器，通过现高共模抑制比和可控增益，适用于电压和采样电压，控制功率元件调整多个调节旋钮控制不同频段的增益，微弱信号的精确放大医疗设备、科输出，构成自动调节系统高质量稳从而调整音色类似原理也用于各类学仪器中广泛使用，可测量微伏级的压电源可实现

0.1%以下的稳定度滤波器设计生物电信号信号的运算与处理电路比较器比较两个输入信号的大小，输出高/低电平峰值检测器捕捉并保持信号的最大值波形整形器改变信号波形以满足特定需求比较器是运放的一种开环应用，当同相输入电压高于反相输入时，输出饱和至电源正压；反之则饱和至电源负压为避免噪声干扰，常在反馈回路中加入少量正反馈，形成施密特触发器，具有滞回特性比较器广泛用于模数转换、过零检测和电平监控电路峰值检测器由运放、二极管和电容组成，当输入信号上升时，电容充电至峰值；当信号下降时，二极管截止，电容保持电压通过增加放电电路可实现自动复位功能波形整形器根据需求设计，如对数/指数变换器可压缩/扩展信号动态范围，限幅器可保护后级电路免受过大信号损坏，积分器可提取信号的直流分量并过滤高频噪声这些电路是信号处理系统的重要组成部分信号产生电路基础振荡条件正反馈相位条件和幅度条件同时满足输出信号一部分反馈到输入，相位相同频率稳定幅度稳定依赖高Q值谐振回路或RC网络通过非线性元件或自动增益控制实现振荡器是一种能将直流电能转换为交流信号的电路，无需外部输入信号即可持续输出振荡的产生基于正反馈原理，需满足两个条件环路增益大于或等于1（幅度条件），环路相移为0或360度的整数倍（相位条件）振荡器可根据波形分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器，或根据频率确定元件分为LC振荡器、RC振荡器和晶体振荡器LC振荡器利用电感和电容形成谐振回路，产生高频正弦波，常见类型包括科尔皮兹振荡器、哈特莱振荡器和克拉普振荡器RC振荡器使用电阻和电容网络确定频率，适用于低频应用，结构简单但频率稳定性较差晶体振荡器利用石英晶体的压电效应，具有极高的频率稳定性，频率偏差可低至百万分之几，广泛用于时钟电路和通信设备中正弦波振荡器分析RCWien桥振荡器起振条件•由运放和RC网络组成•正反馈回路相移为0°•RC网络在特定频率提供0°相移•闭环增益至少为1•运放提供相位反转和足够增益•实际设计中增益略大于1•振荡频率f=1/2πRC•Wien桥中R1=R2，C1=C2时，增益需为3•需要幅度稳定机制幅度稳定技术•灯泡自动稳定（利用灯丝电阻随温度变化）•二极管限幅稳定•AGC（自动增益控制）回路•平衡正负反馈Wien桥振荡器是最常用的RC正弦波振荡器之一，具有电路简单、波形纯净、频率容易调节等优点其核心是一个Wien桥网络，由串联RC和并联RC组成在谐振频率处，网络提供1/3的衰减和0°相移，因此运放需提供3倍增益才能维持振荡幅度稳定是设计中的关键问题传统方法是在反馈回路中使用小灯泡，利用其电阻随电流增大而增大的特性自动调节增益现代设计常用热敏电阻、场效应管或精密二极管网络实现更精确的幅度控制优化设计的Wien桥振荡器可以产生总谐波失真小于

0.01%的高纯度正弦波，适用于音频测试、仪器校准等要求严格的场合直流稳压电源基础变压将交流电压变换为适当的幅值，并提供电气隔离2整流将交流电转换为单向脉动直流电，通常使用桥式整流电路滤波使用大容量电容平滑整流后的脉动电压，减小纹波4稳压通过反馈控制，保持输出电压恒定，不受输入电压和负载变化影响直流稳压电源是电子系统的心脏，为各类电路提供稳定可靠的工作电压整流环节将交流电转换为直流，常用的桥式整流器提供全波整流，效率高于半波整流滤波环节使用大容量电解电容，容量越大，纹波电压越小，但充电电流峰值也越大，对整流二极管的要求更高稳压环节是决定电源性能的关键，分为线性稳压和开关稳压两大类线性稳压通过调整串联管的等效电阻分配电压，具有响应快、噪声低的优点，但效率较低；开关稳压通过高频开关和能量存储元件工作，效率高但有开关噪声性能指标包括负载调整率（衡量负载变化对输出电压的影响）、线性调整率（衡量输入电压变化对输出的影响）和纹波系数（输出中残留的交流成分）三端集成稳压器78xx系列（正电压）79xx系列（负电压）可调系列提供固定正输出电压的三端稳压器，如7805+5V、提供固定负输出电压的三端稳压器，如7905-5V、输出电压可调的三端稳压器，如LM317正电压和7812+12V等内部包含基准源、误差放大器、功7912-12V等内部结构与78xx系列类似，但极性LM337负电压通过外部电阻分压网络设定输出电率管和保护电路结构简单，只需极少外部元件即可相反常与78xx系列配合使用，构建双电源系统压，调整范围通常为

1.25V至37V更灵活，适用于工作非标准电压需求三端集成稳压器因其使用简便、成本低廉而广受欢迎除基本应用外，通过增加外部元件，可实现过流保护、热保护、短路保护等功能在使用时需注意散热问题，当输入输出电压差较大或负载电流较大时，稳压器会产生大量热量，可能需要散热器为提高性能，通常在输入输出端增加旁路电容，滤除高频噪声并改善瞬态响应输入电容一般为

0.33μF至1μF，输出电容一般为

0.1μF至10μF当稳压器距离电源较远时，还需在输入端增加较大电容（如1000μF），防止输入电压波动现代电子系统中，虽然开关电源逐渐成为主流，但三端稳压器仍在局部供电、后级滤波等场合有广泛应用模拟集成电路发展与趋势1早期发展1960-1980第一代运放（如μA

709、μA741）出现，奠定了模拟IC基础双极工艺为主，主要应用于工业控制和仪器仪表领域典型集成度为数十到数百个元件2技术成熟期1980-2000CMOS工艺崛起，BiCMOS技术结合双极和MOS优点集成度提高到数千至数万个元件开始出现混合信号处理芯片，如ADC、DAC和PLL等3系统集成时代2000-现在超大规模集成电路，单芯片集成数百万元件SoC技术将模拟、数字和RF功能集成在一起工艺节点不断缩小，从1μm发展到现在的7nm以下4未来趋势超低功耗设计成为重点，支持物联网和可穿戴设备新材料如GaN、SiC应用于高频高功率场合人工智能辅助设计加速开发周期边缘计算推动模拟前端创新现代模拟集成电路面临的主要挑战是在工艺不断微缩的情况下保持优良的模拟性能随着特征尺寸缩小，晶体管本征增益下降，漏电流增加，器件匹配性变差，给模拟电路设计带来挑战设计师必须开发新技术来克服这些限制，如动态偏置、自校准、数字辅助模拟等方法模拟数字接口（简单介绍）/模数转换ADC数模转换DAC将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，是现实世界与数字处将离散的数字信号还原为连续的模拟信号，使数字系统能与模拟理系统的桥梁根据工作原理分为逐次逼近型、双积分型、并行世界交互常见类型包括R-2R电阻网络型、电流源阵列型等比较型等关键参数包括分辨率（位数）、采样率、非线性误差重要指标有分辨率、建立时间、单调性和积分非线性误差和信噪比例如，16位ADC具有2^16=65536个量化级别，理论分辨率约为现代DAC广泛应用于音频播放、视频显示、通信调制和自动控制输入范围的

0.0015%高速ADC可达数百MHz采样率，适用于系统例如，CD播放器使用16位/

44.1kHz的DAC，而高端音频雷达、通信等应用；高精度ADC分辨率可达24位，适用于精密设备可能使用24位/192kHz或更高规格的DAC，提供更高保真测量和音频应用度的声音重现模数/数模转换是模拟和数字世界的接口，在现代电子系统中扮演着关键角色随着物联网、智能设备的普及，这些接口电路需求激增未来的发展趋势包括更高的集成度、更低的功耗和更智能的自适应能力，以适应各种复杂应用场景常用电子仪器与测量示波器观察和分析电信号波形的重要仪器，可显示电压随时间变化的图像现代数字示波器具有波形存储、自动测量、FFT分析等功能，是电子工程师的眼睛使用时需注意探头衰减比、带宽限制和触发设置万用表测量电压、电流、电阻等基本电参数的便携仪器数字万用表还可测量电容、频率、温度等参数使用时注意量程选择，电流测量需串联，电压测量需并联，电阻测量需断电高电压测量需特别注意安全直流电源为电路提供稳定直流电压/电流的设备可调电源允许调节电压和电流限制值，并具备过流、过压保护功能使用时应先调高电压/电流限制，连接负载后再调整到所需值，防止意外损坏电路除上述基本仪器外，函数信号发生器、频谱分析仪、逻辑分析仪等专用仪器在特定测试中也不可或缺函数发生器提供各种波形的激励信号；频谱分析仪显示信号的频域特性，适合分析谐波、噪声和调制信号；逻辑分析仪则用于数字电路的测试和调试现代电子测量仪器向数字化、智能化、网络化方向发展，许多仪器配备计算机接口，支持远程控制和数据采集虚拟仪器技术将硬件测量前端与计算机软件结合，提供更灵活的测量解决方案但无论技术如何进步，安全操作和正确连接始终是电子测量的首要原则模电典型实验二极管伏安特性测试实验准备准备待测二极管（如1N

4148、1N4007等）、可调直流电源、数字万用表（2只，分别测量电压和电流）、电阻（限流用，约1kΩ）和连接导线确保仪器校准良好，连接牢固电路连接按照电路图连接元件可调电源串联限流电阻和二极管，电压表并联在二极管两端，电流表串联在电路中正向测量时注意二极管极性，反向测量时需调换二极管方向正向特性测量从0V开始，缓慢增加电源电压，记录二极管电压和电流硅二极管在约

0.5-

0.7V导通，电流开始显著增加继续增加电压，直到电流达到约50mA，记录10-15个数据点反向特性测量调换二极管方向，从0V开始增加反向电压，记录反向电流注意不要超过二极管的额定反向电压，避免击穿损坏由于反向电流很小（通常为μA级），可能需要更灵敏的电流表实验数据处理需要绘制伏安特性曲线，横轴为二极管电压，纵轴为电流正向特性曲线呈指数增长，反向特性则几乎为水平线（反向电流很小）从曲线可提取重要参数如正向导通电压（电流为10mA时的电压）、反向饱和电流等模电实验三极管放大电路测量项目理论值实测值误差%静态集电极电压6V

5.8V

3.3%静态发射极电压

1.5V

1.42V

5.3%静态集电极电流

1.5mA

1.44mA

4.0%电压增益-47-

43.

57.4%输入阻抗

2.2kΩ

2.05kΩ

6.8%本实验旨在搭建共射极放大电路并测量其性能参数首先测量静态工作点，验证偏置电路设计的正确性正确的工作点应使晶体管工作在放大区中部，集电极电压约为电源电压的一半使用直流电压表测量各点电压，并计算实际电流接着连接信号源和示波器，输入1kHz正弦波信号，调整幅度使输出波形不失真测量输入输出电压，计算电压增益；改变输入频率，观察频率响应特性；通过测量输入电流，计算输入阻抗最后可进行负载测试，连接不同电阻负载，观察输出电压变化，分析放大器的负载能力实验中需注意信号地连接正确，避免引入干扰运算放大器实验比例放大与反相放大反相放大电路同相放大电路按照电路图连接元件，使用UA741或LM358等通用运放，电源调整连接为同相放大电路，保持相同的反馈网络（R1=10kΩ，使用±12V或±15V双电源输入电阻Ri选10kΩ，反馈电阻Rf初R2=47kΩ，理论增益为

5.7）同样输入1kHz、100mVpp信始选47kΩ（理论增益为-

4.7）号，观察输出波形输入1kHz、100mVpp正弦波，测量输出波形，计算实际增益并验证输出与输入同相，测量实际增益并与理论值1+R2/R1比较与理论值比较更换不同反馈电阻，验证增益与-Rf/Ri关系增测量输入阻抗（反相放大器约为Ri，同相放大器接近运放输入阻加输入信号幅度直至输出开始削波，记录最大不失真输出振幅抗，非常高）可以使用多档输入电阻的方法测量输入阻抗实验的延伸部分包括测试运放的带宽限制保持同一增益设置，逐渐增加输入信号频率，观察输出信号幅度的变化当输出幅度下降到原值的

0.707倍（-3dB点）时，记录此频率作为电路的截止频率比较反相和同相两种配置的频率响应差异还可测试运放的压摆率（Slew Rate）限制输入大幅度方波信号，观察输出波形的上升沿和下降沿斜率当输入频率或幅度过大时，输出波形会出现斜波失真通过测量输出电压变化率（V/μs），可估算运放的压摆率，并验证它对大信号频率响应的限制作用负反馈实验与频率响应振荡器与信号源实验电路搭建按照电路图搭建Wien桥振荡器，使用运放（如UA741）、电阻和电容关键元件包括RC网络（R1=R2=10kΩ，C1=C2=10nF，理论振荡频率约

1.6kHz）和反馈网络（包含一个小灯泡或热敏电阻作为非线性元件，实现幅度稳定）测试起振条件连接电源，观察输出是否产生持续振荡如未振荡，检查反馈增益是否满足起振条件（大于3）调整反馈电阻，找到刚好能维持稳定振荡的临界值使用示波器观察输出波形，确认为正弦波且无明显失真参数测量测量输出信号的频率、幅度和波形失真使用频率计或示波器测量频率，与理论计算值f=1/2πRC比较使用示波器或真有效值电压表测量输出幅度如有条件，用频谱分析仪测量谐波失真调节与验证更换不同值的RC元件，观察频率变化是否符合理论预期尝试设计一个可变频率振荡器，如使用双联电位器同时调节R1和R2验证幅度稳定机制的有效性，如临时移除非线性元件，观察输出幅度变化综合实验稳压电源制作电路设计•输入220V交流，通过变压器降至12-15V交流•整流桥式整流器（如1N4007*4）•滤波大容量电解电容（1000-4700μF/25V）•稳压LM317可调稳压器或7805/7812固定稳压器•输出保护快熔断器和TVS二极管电路搭建•按原理图连接元件，注意电解电容极性•为LM317添加调节电阻网络，实现

1.25-12V可调输出•为功率元件安装适当散热器•添加输出滤波电容（

0.1-10μF）测试验证•空载测试测量输出电压稳定性和纹波•负载测试连接不同负载（如电阻、小灯泡），测量负载调整率•线性调整测试改变输入电压，观察输出变化•短路保护测试短接输出，验证保护电路功能本实验综合运用了整流、滤波和稳压等知识，是模拟电子技术的综合应用在搭建过程中需注意安全，特别是交流电部分必须正确绝缘元件选择上，整流二极管需考虑最大电流和反向耐压，滤波电容需考虑纹波电流，稳压器需考虑功耗和散热模电电路设计流程需求分析明确电路功能、技术规格和工作条件如放大器需明确增益、带宽、噪声要求；电源需明确电压、电流和稳定度要求考虑成本、尺寸、可靠性等因素2原理图设计根据需求设计电路方案，选择合适的拓扑结构进行理论分析和计算，确定关键元件参数绘制详细原理图，标注元件值和关键点电压电流3仿真验证使用SPICE类软件（如Multisim、LTspice）进行电路仿真验证静态工作点、瞬态响应和频率特性进行温度、元件公差等参数敏感性分析4原型制作选购实际元件，在面包板或洞洞板上搭建原型进行实测验证，解决仿真中未发现的问题根据测试结果调整设计5PCB设计进行印制电路板设计，考虑电源分配、信号完整性和电磁兼容性布局布线时注意模拟/数字区域分离，地平面完整，信号线合理布置成功的电路设计需要理论与实践相结合设计初期应充分考虑实际因素，如元件误差、温度变化、电源噪声等对电路性能的影响，并采取相应的补偿措施同时要考虑电路的可测试性和可维护性，预留测试点和调节点模电常见故障分析与处理放大器故障电源故障•无输出检查电源、信号路径和放大元件•无输出电压检查保险丝、变压器和整流桥•增益过低检查偏置电路、反馈网络和负载效应•输出电压偏低检查滤波电容和稳压器工作状态•失真严重检查工作点是否正确，输入信号是否过•纹波过大检查滤波电容容量和等效串联电阻大•过热检查负载电流、散热条件和稳压器工作点•自激振荡检查接地、布线和反馈路径•噪声干扰检查地线连接和电磁屏蔽•噪声过大检查接地系统、元件质量和布线干扰检测方法•电压法测量关键点直流电压，与理论值比较•信号注入法在不同点注入测试信号，跟踪信号路径•替换法用已知好的元件替换可疑元件•温度测试观察元件温度异常，发现过热部件•波形分析使用示波器观察各点信号波形特征电子电路故障诊断是一项需要经验和系统方法的技能有效的故障诊断应从整体到局部，从简单到复杂首先检查明显问题如电源、连接和明显损坏；然后进行功能测试，确定故障现象；再通过测量和分析，缩小故障范围；最后定位到具体元件并进行修复防止故障再次发生也很重要应分析故障原因，可能是设计缺陷、元件老化、环境影响或误操作针对不同原因采取相应措施，如改进设计、更换高可靠性元件、加强环境保护或制定操作规范模拟电路的可靠性工程是一个重要研究领域，包括老化测试、环境适应性测试和加速寿命测试等方法复习与考试重点指南12基础理论电路分析掌握半导体PN结基本原理，晶体管放大原理，放大电路基本结构与分析方熟悉二极管电路分析，晶体管偏置电路计算，共射放大器参数分析，运放基法，负反馈原理及应用重点理解各类器件的物理模型和数学模型，能够正本电路的输入输出关系计算重点掌握直流分析和交流小信号分析方法，能确应用公式进行计算分离并解决复杂电路问题34应用设计实验能力掌握基本功能电路的设计方法，如放大器设计，振荡器设计，滤波器设计，熟悉常用仪器使用方法，掌握电路搭建技巧，能正确测量电路参数，分析实稳压电源设计重点理解设计参数之间的关系和权衡，能根据需求确定合理验数据并撰写规范报告重点培养实践动手能力和问题分析解决能力参数并验证课程总结与展望职业发展模拟电子设计工程师、集成电路设计师、电子产品研发知识体系电子器件、信号处理、电路设计、系统集成模电基础半导体器件、放大电路、信号处理、电源设计模拟电子技术是电子工程专业的核心基础课程，为后续的数字电路、信号处理、通信原理、自动控制等课程奠定了坚实基础虽然数字技术发展迅速，但模拟电路在信号获取、处理和转换方面仍然不可替代现代电子系统往往是模拟和数字技术的结合，模数混合设计能力日益重要在工程应用中，模拟电路广泛用于传感器接口、信号调理、功率控制、无线通信等领域随着物联网、可穿戴设备、新能源等产业发展，对高性能、低功耗模拟电路的需求与日俱增建议对模拟电子技术有兴趣的同学进一步学习高频电路、CMOS模拟集成电路设计、功率电子技术等课程，并通过实际项目积累经验电子设计自动化工具和先进仿真软件也是值得掌握的重要技能。