模电培训课件

模拟电子技术培训课件第一章模拟电子技术概述什么是模拟电子技术？应用领域发展历程模拟电子技术是处理连续变化信号的电子音频设备、传感器系统、通信设备、医疗从早期的电子管到晶体管再到集成电路，技术，用于处理来自自然界的声音、光仪器、电源管理等众多领域都依赖模拟电模拟电子技术经历了几十年的快速发展和线、温度等物理量子技术创新模拟电子技术的重要性现代电子设备中的核心模拟电子技术在现代电子设备中无处不在，是连接物理世界与数字世界的桥梁•智能手机中的传感器接口•音频放大与信号处理系统•电源管理与供电系统•通信设备中的射频前端•工业控制系统中的信号调理模拟与数字电路的区别模拟信号•连续变化的信号•可以表示无限多的数值•易受噪声干扰•处理真实世界的物理量•复杂的数学分析数字信号•离散的信号值•通常只有两个状态0和1•抗噪声能力强•处理逻辑信息•基于布尔代数的简化分析连续与离散的世界模拟信号特点数字信号特点模拟信号如同流水般连续变化，理论上可以表示无限精细的变化自然界中的大多数信号本质上都是模拟的，如声音波形、光线强度变化等电阻、电容、电感基础电阻电容电感R CL电阻是限制电流的基本元件，遵循欧姆定律电容是储存电荷的元件，具有阻止直流、通过交电感是储存磁能的元件，具有阻止交流、通过直V=IR电阻的单位是欧姆Ω流的特性电容的单位是法拉F流的特性电感的单位是亨利H应用分压、限流、负载、反馈网络等应用滤波、耦合、计时、能量存储等基本电路定律欧姆定律基尔霍夫电压定律基尔霍夫电流定律KVL KCL电压V等于电流I与电阻R的乘积，是电路分析的基石闭合回路中，所有电压的代数和等于零在任何节点，所有流入和流出的电流的代数应用计算电路中的电压、电流和电阻值和等于零应用分析复杂电路中的电压分布应用分析复杂电路中的电流分配基础电子元件与电路示意图电路符号标准元件参数理解•电阻通常用锯齿形线表示在分析电路时，需要关注•电容通常用两条平行线表示•电阻值大小（欧姆Ω）•电感通常用螺旋形线表示•电容值大小（法拉F）•电流方向按照从正极到负极的约定•电感值大小（亨利H）•额定功率和耐压值•温度系数和频率特性二极管工作原理与应用二极管的基本特性二极管是具有单向导电特性的半导体器件，由P型半导体和N型半导体结合而成•正向偏置导通，电流从P型流向N型•反向偏置截止，只有极小的漏电流•正向压降通常为

0.7V（硅）或

0.3V（锗）•反向击穿当反向电压过大时发生二极管的主要应用整流电路钳位电路稳压电路将交流电转换为脉动直流电，是电源电路的核心部分限制信号电压不超过某一预设值，保护后级电路晶体管（）基础BJT晶体管结构与类型双极性结型晶体管BJT是由两个PN结组成的三端器件，分为NPN型和PNP型•发射极E掺杂浓度最高•基极B最薄，掺杂浓度低•集电极C面积最大NPN型电流从集电极流向发射极PNP型电流从发射极流向集电极场效应管（）简介FET场效应管的特点场效应管是一种电压控制型半导体器件，分为结型场效应管JFET和绝缘栅场效应管MOSFET•高输入阻抗，电流消耗极小•低噪声，适合微弱信号处理•热稳定性好，不易产生热失控•功率消耗低，特别适合便携设备•开关速度快，适合高频应用常见场效应管类型N沟道JFET P沟道JFET栅极负电压增大时，导电沟道变窄，漏源电流减小栅极正电压增大时，导电沟道变窄，漏源电流减小晶体管电子开关与放大器晶体管作为放大器晶体管作为开关晶体管的核心功能之一是信号放大，利晶体管在数字电路中广泛用作开关元用小信号控制大信号的特性件电流放大I_C=\beta\times I_B，β通•截止状态相当于开路，几乎不导通常为50-200•饱和状态相当于闭合开关，电阻很•电压放大通过负载电阻转换电流增小益为电压增益•开关速度决定了数字电路的最高工•功率放大同时实现电流和电压的放作频率大•驱动能力决定了可以连接的负载大小共射放大电路分析共射放大电路的特点共射放大电路是最常用的晶体管基本放大电路，其特点包括•输入阻抗中等（几千欧姆）•输出阻抗中等（几万欧姆）•电压放大倍数高•信号相位反转180°•带宽适中，频率响应较好电压增益计算其中，r_e为交流等效发射极电阻，R_C为集电极电阻，I_C为集电极静态电流静态工作点设置合理设置静态工作点是保证放大电路正常工作的关键，包括选择适当的偏置电阻和旁路电容工作点应设在负载线的中点附近，以获得最大的不失真输出信号摆幅运算放大器基础理想运放特性运算放大器Op-Amp是一种高增益直流耦合差分放大器，理想运放具有以下特性开环增益无穷大A_{OL}\to\infty输入阻抗无穷大R_{in}\to\infty输出阻抗为零R_{out}=0•带宽无穷大，响应速度无穷快•零输入偏置电流和零输入偏移电压基本运放电路反相放大器输入信号与输出信号相位相差180°输入阻抗等于输入电阻R_i同相放大器反馈与稳定性负反馈的优点正反馈与振荡在放大电路中引入负反馈可以带来许多好处正反馈会增强信号，可能导致系统不稳定•提高电路稳定性，减小对元件参数变化的敏感度•巴克豪森准则系统产生自激振荡的条件•减小非线性失真，扩大线性工作范围•环路增益|βA|≥1，相位差为360°的整数倍•拓展频率带宽，改善频率响应•正反馈应用振荡器、施密特触发器等•精确控制增益，使其主要由外部元件决定•稳定性分析相位裕度和增益裕度•增大输入阻抗，减小输出阻抗运算放大器典型应用电路运算放大器的多功能应用12积分器微分器将输入电压转换为输出电压，输出与输入输出电压与输入电压的变化率成正比，可的积分成正比常用于波形转换、模拟计用于波形检测和信号处理但容易放大高算等场合频噪声，使用时需加滤波3仪表放大器由三个运放组成的精密差分放大器，具有极高的共模抑制比和输入阻抗，常用于微弱信号的精确放大运算放大器凭借其高增益、高输入阻抗和低输出阻抗的特性，成为模拟电子设计中最常用的集成电路之一通过不同的外部连接方式，可以实现各种复杂功能仿真简介SPICESPICE的起源与发展SPICESimulation Programwith IntegratedCircuit Emphasis是最广泛使用的电路仿真程序，起源于20世纪70年代加州大学伯克利分校•1973年第一版SPICE发布•1975年SPICE2大幅改进核心算法•1985年SPICE3引入C语言实现•1990年代商业版本如PSpice、HSPICE兴起•2000年代至今开源版本如Ngspice、各种GUI前端发展SPICE仿真的主要功能直流分析DC交流分析AC计算电路中的静态工作点，分析直流电压和电流分布分析电路在不同频率下的响应，生成波特图等瞬态分析Transient蒙特卡洛分析模拟电路随时间变化的动态行为，查看波形评估元件参数变化对电路性能的影响使用入门LTspice软件安装与界面LTspice是一款免费的、功能强大的SPICE仿真软件，由Analog Devices公司提供

1.从Analog Devices官网下载LTspice

2.按照安装向导完成安装

3.启动软件，熟悉主界面组件•菜单栏和工具栏•绘图区域•元件库•仿真控制面板电路绘制与仿真步骤创建新的电路图文件→新建→原理图，或使用快捷键Ctrl+N放置元件编辑→元件，或按F2键，从库中选择所需元件连接元件使用连线工具连接各元件，形成完整电路仿真界面与频率响应曲线LTspice波特图解读要点关键参数提取波特图是分析放大电路频率特性的常用从波特图中可以提取放大器的多项关键工具，包括增益-频率曲线和相位-频率参数曲线•中频增益平坦区域的增益值•水平轴频率（对数刻度）低频截止频率f_L低频-3dB点•左侧垂直轴增益（dB）高频截止频率f_H高频-3dB点•右侧垂直轴相位（度）带宽BW f_H-f_L•增益曲线斜率变化点对应极点或零•增益带宽积中频增益与带宽的乘积点•相位裕度增益为1时的相位差与•-3dB点增益下降到中频增益的180°的差值

0.707倍处电压比较器应用比较器工作原理电压比较器是一种将模拟输入信号与参考电压进行比较，并输出数字逻辑电平的电路比较器可以由运算放大器工作在开环状态下实现，或使用专用的比较器集成电路与普通运放相比，专用比较器具有更快的响应速度和更适合的输出电平基本电路配置•同相比较器当输入电压高于参考电压时输出高电平•反相比较器当输入电压低于参考电压时输出高电平•施密特触发器具有滞回特性，可防止噪声干扰比较器的典型应用过零检测电平监测检测交流信号何时穿过零点，常用于相位控制和同步电路在电力电监测电压是否超过预设阈值，用于报警系统和保护电路如电池电量子学中，过零检测是可控整流的基础监测、过压保护等波形整形将各种波形（如正弦波、三角波）转换为方波或脉冲信号，用于数字电路接口可以实现模拟信号到数字信号的简单转换滤波器设计滤波器基本类型滤波器是用于选择性通过或阻止特定频率范围信号的电路，根据通过频带的不同可分为四种基本类型低通滤波器通过低频信号，阻止高频信号高通滤波器通过高频信号，阻止低频信号滤波器实现方式带通滤波器•无源滤波器仅由电阻、电容、电感组成电源管理电路稳压器设计稳压器是将不稳定的输入电压转换为稳定输出电压的电路，是电源系统的核心组件线性稳压器•串联型如LM78xx系列，输出电压稳定，纹波小•并联型如TL431，可调性好，但效率较低•低压差LDO如LM1117，适用于电池供电设备开关稳压器•降压型Buck输出电压低于输入电压•升压型Boost输出电压高于输入电压•升降压型Buck-Boost输出电压可高于或低于输入电源滤波设计要点输入滤波输出滤波EMI/EMC考虑在整流后使用大容量电解电容平滑脉动直流，减小纹在稳压器输出端使用适当电容，提高瞬态响应性能对电源电路是潜在的电磁干扰源，需要合理布局、屏蔽和波通常配合高频陶瓷电容抑制瞬态干扰于开关电源，需使用LC滤波网络降低开关噪声滤波特别是开关电源，需要考虑共模和差模滤波电源管理电路是几乎所有电子设备的基础，良好的电源设计对系统的性能、可靠性和安全性至关重要模拟电路的多样化应用模拟电路在不同领域的应用传感器接口将物理量转换为电信号，并进行调理和放大•仪表放大器•信号调理电路•温度补偿电路信号处理对信号进行滤波、调制、解调等处理•有源滤波器•相位锁定环•混频器电力电子控制和转换大功率电能•开关电源•电机驱动器•功率因数校正通信电路信号的发送与接收•射频前端•调制解调器•低噪声放大器模拟电路的应用范围极为广泛，从消费电子到工业控制，从医疗设备到航空航天，几乎所有电子系统都离不开模拟电路的支持模拟电路与数字电路相互配合，共同构成完整的电子系统结语模拟电子技术的未来与学习建议模拟电子技术的发展趋势•集成化更多功能在单一芯片上实现•低功耗适应便携和物联网设备需求•高频化满足5G通信等高频应用•数模混合模拟与数字技术的深度融合•智能化自适应和自校准电路增多持续学习的重要性模拟电子技术领域不断发展，工程师需要•扎实掌握基础理论，理解物理本质•熟练使用仿真工具，验证设计方案•积累实际动手经验，培养实践技能•关注新技术和新元器件的发展推荐学习资源经典教材在线课程实践平台《模拟电子技术基础》、《电子电路设计艺术》、《运算MIT OCW、Coursera、B站优质电子教程等平台资源电子实验室、开源硬件平台、电路仿真软件放大器设计》等动手实践是掌握模拟电子技术的最佳途径，希望本课程能为您的学习之旅提供有益指导！。