模拟电子技术教学课件

模拟电子技术计应系统掌握模拟电子电路设与用第一章模拟电子技术基础概述术础连续将绍模拟电子技是电子工程的基学科，研究如何处理变化的电信号本章介模数区别拟电子的基本概念、重要性及其与字电子的与联系模拟电子技术的重要性信号处理核心广泛应用领域技术创新驱动现术术应术进线模拟信号处理是代电子系统的核心技，模拟电子技广泛用于通信系统、控制工模拟电子技的步推动了无通信、物联来连续疗传络频产能够直接处理自物理世界的信号，如程、医设备、感器网、音处理等众网、可穿戴设备等新兴业的发展，是科技线现领产础创声音、光、温度等自然象多域，是电子信息业的基新的重要引擎模拟与数字电子的区别与联系模拟电子特点数字电子特点连续进•处理变化的信号•处理离散的二制信号时连续仅状态•信号幅度和间都是的•信号有高低两种较传•受噪声和干扰影响大•抗噪能力强，信息输可靠计虑线计关时逻辑•设需考性度和失真•设注序和功能较•功耗通常高•易于集成，成本降低快模拟电子混合信号系统数字电子基本电子元件回顾12无源元件半导体元件负载压单导检压电阻限制电流流动，R=V/I，常用于偏置、和分二极管向电特性，用于整流、波和电参考储滤开关电容存电荷，I=C•dV/dt，用于耦合、去耦和波晶体管放大和功能，是模拟电路的核心器件储场滤储将单电感存磁能量，V=L•dI/dt，用于波和能量存集成电路多个元件集成于一芯片，提高可靠性和性能工程应用提示选择虑数频应数频应别数对元件需考温度系、噪声特性、功率容量和率响等参在高用中，需特注意元件的寄生参电路性能的影响模拟电子的基石第二章核心器件与电路原理将讨场应本章深入探模拟电子的核心器件，包括双极型晶体管BJT、效晶体管MOSFET和运算放大器Op-Amp等们将这数应时讨馈我分析些器件的工作原理、特性参及其在实际电路中的用同，探反论对计稳理模拟电路设的重要性，以及如何确保电路的定性双极型晶体管BJT工作原理结构与工作区域电流放大机制区区区组结区当时双极型晶体管由发射E、基B和集电C三部分成，形成NPN或PNP构其工作域包括基极注入少量电流，控制集电极与发射极之间的大电流，形成电流放大作用区结关断截止两个PN均反偏，晶体管数为区结结电流放大倍β=IC/IB，典型值50-300放大发射正偏，集电反偏，用于放大饱区结开关和两个PN均正偏，用作典型放大电路为根据接地端不同，可分压共发射极输入阻抗中等，输出阻抗高，电增益大压共集电极输入阻抗高，输出阻抗低，电跟随器频共基极输入阻抗低，输出阻抗高，高性能好场效应晶体管MOSFET基础结构特点电压控制特性CMOS技术栅衬组过栅场导过栅压导术将结现计MOSFET由源极S、漏极D、极G和底B四个端子成，通极电控制沟道电性与BJT电流控制不同，MOSFET通极电控制漏源电流，具有极高的输入阻抗互补金属氧化物半体技NMOS和PMOS合使用，实低功耗高集成度的电路设为线区饱区时数应场现础根据沟道类型分N沟道NMOS和P沟道PMOS两种工作在性和和具有不同的学模型和用景几乎所有代集成电路都基于CMOS工艺制造，是集成电路革命的基势开关线静损伤计虑调应阈区导MOSFET的主要优包括低功耗、高集成度、良好的特性和极高的输入阻抗然而，其性度不如BJT，且容易受电在模拟电路设中，经常需要考沟道长度制、体效和亚值域电等非理想因素运算放大器（OP-AMP）详解理想特性典型应用电路穷开环•无大的增益AOL→∞加法器穷•无大的输入阻抗RIN→∞压压权•零输出阻抗ROUT→0输出电等于输入电的加和穷带宽•无大的BW→∞Vout=-Rf/R1•V1+Rf/R2•V2调压•零失电VOS=0实际参数积分器开环•有限增益105-106压压对时积调压输出电是输入电间的分•输入失电1-5mVVout=-1/RC∫Vindt•输入偏置电流1-100nA•共模抑制比CMRR带宽积有源滤波器•增益GBP压摆•率SR现带带滤实低通、高通、通和阻波频应络率响由RC网决定反馈与稳定性分析确定开环增益设计反馈网络计算闭环增益分析相位裕度稳定性补偿负反馈的作用稳定性评估稳数时•提高电路定性，减小器件参变化的影响增益裕度系统相位达到-180°，增益低于0dB的幅度线线•改善性度，减少非性失真为时相位裕度系统增益0dB，相位高于-180°的角度扩频应带宽•展率响，增加•精确控制增益，取决于外部元件比值稳闭环荡定系统要求相位裕度通常大于45°，确保在条件下不会发生振调•整输入输出阻抗，提高系统匹配性频偿术率补技偿•主极点补稳定设计的关键馈环计对稳关偿络计荡反路是模拟电路设中的核心概念，掌握相位裕度和增益裕度的分析方法，确保电路定至重要合理的补网设能够防止振，提高系统性能过图们证稳时态应通波特分析和极点-零点配置，我可以在保系统定的同优化电路的动响第三章模拟电路设计方法与实验将绍计论计滤现本章重点介模拟电路的设流程和方法，从放大电路设到波器实，从信号调理到电源管理们将过应论识计满我通实际案例，展示如何用前两章的理知，设出足特定要求的模拟电时过验环节对论养践路系统同，通实加深理的理解，培实能力这论践将计维一章是理与实的桥梁，帮助学生建立系统性的模拟电路设思放大电路设计流程选择器件参数直流偏置与交流分析标选择虑直流偏置设计根据电路指合适的有源器件和无源元件，考因素包括频围线区•工作率范•确保器件工作在性计稳•增益要求•设定的偏置电路虑偿•噪声性能•考温度补计静态•功耗限制•算功耗稳交流小信号分析•温度定性•成本与可靠性•建立小信号等效模型计压频应数结线为虑这应•算电增益在高用中，器件的寄生参（如电容、引电感）变得尤重要，需要在模型中考些效频应•分析率响评•估输入输出阻抗•噪声分析计标进权计过应验证为产虑数放大电路设需要平衡多种性能指，往往需要行衡和迭代优化设程中充分利用仿真工具，并量考器件参散布的影响滤波器设计基础滤波器类型选择逼近函数确定频选择滤带带滤选择数带过带椭圆过带线根据域需求合适的波器类型低通、高通、通、阻或全通波器适合的逼近函巴特沃斯平坦通、切比雪夫陡峭渡、最陡峭渡或贝塞尔性相位阶数计算电路实现带过带宽计滤阶数选择结馈状态计根据阻衰减和渡度要求，算所需的波器适合的拓扑构Sallen-Key、多反、变量等，算元件值有源滤波器设计实例阶滤为以二Sallen-Key低通波器例计标频应

1.设指截止率fc=1kHz，巴特沃斯响标数

2.确定准化系a0=1,a1=

1.414,a2=1选择

3.C1=C2=10nF计

4.算R1=

11.25kΩ,R2=

11.25kΩ现滤过馈络调

5.实增益K=1的波器可通反网整滤波器性能评估带•通平坦度带•阻衰减过带宽•渡度时应•群延和相位响•噪声和失真模拟信号调理电路传感器输出信号放大滤波隔离信号转换信号放大信号隔离信号转换将传将转换为标感器输出的微弱信号放大到合适电平隔离电路提供电气安全和抗干扰能力处理后的信号准输出格式转换现压转换标•仪表放大器高共模抑制比，适合差分信号•光电隔离器利用光电实隔离•电-电流4-20mA工业准压传频压转换•低噪声放大器提高微弱信号的信噪比•变器隔离适合交流信号输•率-电抗干扰能力强编应围数数传数转换数传•可程增益放大器适不同输入范•字隔离器高速据输隔离•模字化处理与输传感器接口电路设计传不同感器类型需要特定的接口电路电源管理与稳压电路线性稳压器开关稳压器过调节维压过频开关传储滤工作原理通串联通路电阻，持恒定输出电工作原理通高控制能量输，利用能元件波纹应热优点噪声低，波小，响快优点效率高可达95%，散少热损纹计杂缺点效率低，耗大缺点噪声大，波高，设复应场应对场用低功耗、低噪声、高精度合用中高功率，噪声不敏感合典型电路基本拓扑稳压压•三端器78xx/79xx系列•Buck降型输出低于输入压稳压压•低差器LDO•Boost升型输出高于输入调稳压•可输出器LM317/LM337•Buck-Boost输出可高可低•Flyback隔离型，多输出压压对较LDO在小差条件下工作，输入输出电差小，效率相高，适合电池供电设备噪声敏感度高线稳压滤开关性加波隔离型电源低功率高功率实验案例运放构建有源滤波器123实验目的实验器材实验步骤滤计计标计•掌握有源波器的设方法•UA741或TL082运算放大器

1.根据设指算元件值习应阶滤•学运算放大器的实际用•各种阻值电阻和电容

2.搭建Sallen-Key二低通波器频应测试测频•了解率响与分析•电源±15V直流

3.量不同率下的增益和相位验证论计结绘图论对•理算与实际果的差异•信号发生器

4.制波特并与理比调观应•示波器

5.整元件值察响变化频谱•分析仪滤波器参数结果分析与误差讨论滤阶验误来•波器类型二巴特沃斯低通实中常见的差源频•截止率1kHz为•元件公差通常±5%或±1%带•通增益10dB带宽•运放的有限和增益带频•阻衰减12dB/倍程线•寄生电容和布阻抗元件选择测•量设备的精度限制进•R1=R2=15kΩ改措施•C1=C2=10nF•使用高精度元件虑数•运放TL082双运放•考元件的温度系•优化电路布局减少干扰•使用更高性能的运放理论与实践的桥梁验论识转为关键场过亲测试问题实室是理知化实际技能的所通手搭建电路、性能、分析，学生能够深入理解模拟电子的核心概念践仅验证论计还养问题败习这为师动手实不能理算，能培解决实际工程的能力在失中学，在探索中成长，是成优秀电子工程的必经之路第四章现代模拟技术与工具应用术现计赖进计辅计随着电子技的快速发展，代模拟电路设已经高度依于先的算机助设将绍软计当CAD工具本章介主流的模拟电路仿真件、集成电路设流程，以及代模拟计关键趋势电路设的们将讨计术开资习我探低功耗设技、混合信号系统架构，以及如何利用源源加速学和设计过这现将为来职坚础程掌握些代工具和方法，未的业发展奠定实基模拟电路仿真软件介绍SPICE仿真基础主流仿真工具Xschem与ngspice工具使用标进软开图编辑结SPICESimulation Programwith IntegratedCircuit Emphasis是模拟电路仿真的工业准，能够行商业件Xschem是一个源的电路原理器，可与ngspice合使用态直流、交流、瞬和噪声分析专计层计创•Cadence Virtuoso业IC设平台•支持次化设和符号建基本分析类型包括•Synopsys HSPICE高精度仿真引擎•与多种后端工具集成扫频计•.DC直流工作点和描分析•Keysight ADS高电路设工具•支持Verilog-A模型频应开费软导图•.AC小信号交流率响源/免件•可出到版工具•.TRAN瞬态时域分析•LTspice由ADI提供，免费且功能强大ngspice是SPICE3的开源衍生版本，提供全面的仿真功能，特别适合教学和研究使用•.NOISE噪声分析•TINA-TI德州仪器提供的仿真工具开计•KiCad源PCB设套件集成电路设计流程概览规格定义标节关键数确定电路性能指、接口要求、功耗限制、工艺点等参系统架构设计关键颈测试划分功能模块，定义接口，确定性能瓶，制定策略电路设计与仿真详细计进验证设各功能模块电路，行各种工作条件下的仿真版图设计将转换为图虑应电路物理版，考匹配、寄生效、信号完整性等因素验证与流片进验证圆行DRC、LVS、PEX等物理，准备流片文件，送往晶厂制造测试与封装对进测试制造出的芯片行，分析良率，封装合格品130nm CMOS工艺特点（IHP SG13G2）数应势工艺参用优计•130nm SiGeBiCMOS工艺•适合RF/毫米波设•晶体管fT300GHz•支持高速模拟电路压•工作电

1.2V/

3.3V•混合信号系统集成层连对较•6金属互•成本相低计规则对简单•高精度无源元件•设相低功耗模拟电路设计趋势电源电压降低噪声增加动态范围减小器件尺寸与性能权衡可靠性问题电源电压降低的挑战器件尺寸与性能权衡节缩压断带来计战缩计临权随着工艺点小，电源电不降低，一系列设挑微器件在低功耗设中面的衡摆•信号幅减小，SNR下降优势阈压•器件值电占比增大线区缩开关•器件性间小•更快的速度栅层验•极氧化可靠性考•更低的寄生电容混合信号系统设计要点数模转换器DAC模数转换器ADC关键接口电路将数码转换为将转换为数码连数字模拟信号模拟信号字接模拟和字域的桥梁简单闪获时•电阻串DAC但匹配要求高•存型ADC最高速度但功耗大•采样保持电路捕瞬信号络积较阈断•电阻网R-2R面小但精度有限•逐次逼近型SAR中速中功耗•比器模拟信号值判转时时•电流向DAC高速但功耗大•双斜率ADC高精度但速度慢•钟发生器提供精确序带宽带宽锁环频时•Σ-ΔDAC高精度但受限•Σ-ΔADC高分辨率但小•相PLL率合成与钟恢复关键标时关键标关键标稳时指分辨率、INL/DNL、建立间、SFDR指ENOB、SNR、SFDR、采样率指抖动、定性、建立间噪声与干扰抑制技术物理隔离独立供电数开环线数独过模拟与字电路分放置，使用保护和隔离沟，避免共用走模拟和字电路使用立电源和地，降低通电源耦合的干扰差分信号屏蔽与滤波传层关键节滤使用差分信号输，提高共模抑制比，减少外部干扰影响使用屏蔽阻隔干扰，在点增加去耦电容和EMI波器课程资源与学习建议推荐开源资料典型教材推荐开计计•源电路设工具

1.《模拟CMOS集成电路设》Razavi著计计•KiCad完整的PCB设套件

2.《模拟集成电路设》Gray等著图计•Xschem+ngspice原理与仿真

3.《运算放大器设》Huijsing著图编辑开关计•Magic IC版器

4.《电源设》Pressman著质项锁环计•GitHub优目

5.《相设》Rogers等著开圆学习路径建议•SkyWater PDK源晶制造工艺计•OpenCircuitDesign IC设工具集础论开

1.打牢基理器件物理与电路分析•eSim源EDA工具练简单杂线习

2.熟掌握仿真工具从到复•在学平台计现专项课

3.设实实际电路PCB或芯片•Coursera模拟电子程开项贡习计

4.参与源目献与学并重•edX VLSI设与嵌入式系统术论议专区

5.跟踪前沿技期刊文与会•B站电子工程动手实践优先社区交流互助项目驱动学习习践议验计区论项标频数模拟电子学需要大量实，建自建实室，准备基本仪器加入电子设社如EEVblog坛、电子工程世界等，参与设定具体的目目，如音放大器、电源管理系统或据采坚计现测试环讨论问验扩围绕项针对习关识设备和元器件，持设-实-的完整循，提解惑，分享经，展人脉集模块，目需求有性地学相知术习过论践结断战问题养维调试为计师关键模拟电子技学是一个长期程，需要理与实相合，不挑自我，解决实际培系统思和能力，是成优秀模拟设工程的丰富的学习资源开区为习质资计项计过积开项仅术还源社电子工程学者提供了海量的优源，从设工具到完整目，从教程到参考设通极参与源目，不可以提升技能力，师能与全球工程交流合作开项贵习观专师组项问题计GitHub、GitLab等平台上的源电子目是宝的学材料，可以察业工程如何织目、解决和优化设课程总结基础理论电路设计导习滤计现掌握半体器件物理、电路分析与信号处理的基本原理，建立系统化的学放大器、波器、电源管理等典型模拟电路的设方法与实技识养计模拟电子知框架巧，培实际设能力创新思维工具应用养创计应术练软计测试计验培系统分析与新设能力，能够根据用需求提出合理的技解决熟使用电路仿真件、PCB设工具和设备，提高设效率与证方案能力核心收获过课习应该通本程学，您术现计现应•理解模拟电子技在代电子系统中的核心地位•了解集成电路设流程与代工具用关键问题•掌握晶体管、运算放大器等器件的工作原理•具备分析和解决实际电路的能力计进验证养续习创专养•能够设基本的模拟功能电路并行仿真•培持学与新的业素术础论践结续习创领竞模拟电子技是电子工程的重要基，理与实合，持学新，才能在快速发展的电子信息域保持争力未来展望超低功耗设计物联网传感人工智能集成新型半导体材料生物电子接口互动环节学生提问教师回答现数趋势习术来术预来为质现在代字化下，学模拟电子技是否仍然重要？未就业前景如何？模拟电子技在可见的未仍然不可替代，因物理世界本上是模拟的任何与实世界交互的系统都需要模拟接口随着物联网、5G/6G通信、智能领对计阔汽车等域的发展，模拟设人才的需求只会增加，就业前景非常广常见问题解答如何提高模拟电路调试能力？如何平衡理论学习与实践项目？调试项验积议议项驱习是一需要经累的技能建建采用目动学方法习测选择战项

1.系统学量仪器的使用方法

1.一个稍有挑的实际目简单开杂项针对习关论

2.从电路始，逐步增加复度

2.根据目需求有性地学相理养维将问题践应论问题

3.培系统思，分解

3.在实中用理，解决具体错误验库记录问题结验识

4.建立个人经，常见

4.总经，形成自己的知体系验训项杂扩识

5.与同行交流，分享经与教

5.逐步增加目复度，展知面设计思路分享计时议在设模拟电路，建遵循以下思路约

1.明确需求与束条件进级关键

2.行系统划分，确定模块为关键标预

3.指留足够裕度简单杂

4.从到复，逐步构建测试计检

5.注重性，设自机制致谢与联系方式感谢聆听，期待共同进步联系方式学习交流群师扫维码课讨论•教邮箱professor@university.edu.cn描下方二加入程群课•程网站www.university.edu.cn/analog办时•公间周一至周五14:00-16:00办楼•公地点电子工程B403推荐资源课验楼•程实室电子工程A305开计开源设平台GitHub源电子术态杂•学期刊IEEE固电路志。