《电子技术基础》课件

电子技术基础电子技术的历史与发展电子技术经历了从真空管到晶体管，再到集成电路的革命性发展每一次技术突破都引领了新一代电子产品的诞生与应用20世纪初期，真空管的发明开启了电子时代；20世纪40年代末，晶体管的出现使电子设备小型化成为可能；而60年代集成电路技术的发展，则彻底改变了电子工业的面貌模拟电子与数字电子简介模拟信号数字信号模拟电子技术处理的是连续变化的信号，如音频、视频等特点是信号可以在一定范围内取任意值，精度受噪声影响大主要应用于音频放大、传感器信号处理等领域基本电学量电流1定义单位时间内通过导体横截面的电量，用字母表示I单位安培（），库仑秒A1A=1/电流方向按照正电荷流动的方向规定电压2定义两点间电势差，表示单位电荷在电场中获得的能量，用字母或表示U V单位伏特（），焦耳库仑V1V=1/电阻3定义导体对电流的阻碍作用，用字母表示R单位欧姆（Ω）常用电子元器件分类基本无源元件•电阻器限制电流，分压•电容器储存电荷，滤波•电感器储存磁能，抑制电流变化半导体器件•二极管单向导电•三极管放大信号•场效应管高输入阻抗集成电路•模拟IC运算放大器等电路基本定律欧姆定律，表示电阻两端电压与通过电阻的电流成正比U=I×R基尔霍夫电流定律（）KCL在任何节点上，流入的电流等于流出的电流∑I=0（代数和）基尔霍夫电压定律（）KVL在任何闭合回路中，电压的代数和等于零∑U=0（代数和）信号和系统基础信号类型系统特性连续信号在任意时刻都有定义的信号线性系统满足叠加原理离散信号仅在特定时刻有定义的序列时不变系统系统响应与输入信号时间无关周期信号每隔一定时间重复出现的信号电阻器种类与特性电阻器类型•固定电阻碳膜、金属膜、线绕等•可变电阻电位器、热敏电阻、光敏电阻主要参数•阻值欧姆（Ω）•额定功率瓦特（W）•精度±1%、±5%等•温度系数ppm/°C电阻色环编码电容器结构与功能基本结构工作原理主要应用电容器由两个导体极板（电极）和中间的绝缘电容器可以储存电荷，当电压变化时，电容器滤波消除电源纹波材料（介质）组成中的电流i=Cdu/dt耦合隔直传输交流信号，阻断直流分量/电容量C与极板面积成正比，与极板间距离成在直流电路中，电容器充电后阻断电流；在交反比，与介质材料有关流电路中，电容器表现为阻抗电感器基本原理电感器原理电感器是利用电磁感应原理工作的元件，由导线绕制成线圈构成当电流通过线圈时，会在线圈周围产生磁场；当电流变化时，磁场也随之变化，从而在线圈中感应出感应电动势电感特性电感器阻碍电流的变化u=Ldi/dt在直流电路中，稳态时电感相当于短路在交流电路中，电感器的阻抗与频率成正比应用领域半导体材料基础硅（）和锗（）型与型半导体Si GeP N半导体材料主要是由第IV族元素如硅、锗构成它们具有四个价电子，形成掺杂是改变半导体性质的关键技术四面体晶格结构在室温下，纯半导体表现出较低的导电性N型掺入五价元素（如磷P），提供自由电子P型掺入三价元素（如硼B），产生空穴结与二极管PN结形成与工作原理PN当型半导体与型半导体接触形成结时，扩散作用导致结区附近载P NPN流子重新分布，形成耗尽区和内建电场正向偏置外加电压方向与内建电场相反，降低势垒高度，电流易于通过反向偏置外加电压方向与内建电场相同，增加势垒高度，阻碍电流通过伏安特性曲线半导体二极管的应用整流检波利用二极管单向导电特性，将交流电转换为脉动直流电常见电从调幅信号中提取出音频信号的过程，是无线电接收机的关键部路有半波整流和全波整流分限幅保护控制信号电压不超过某一预设值，用于保护电路免受过压损坏晶体三极管结构BJT基本结构晶体三极管（）由两个结组成，分为三个区域发射区（）、BJT PNE基区（）和集电区（）B C类型区分型两块型半导体夹一块型半导体NPN NP型两块型半导体夹一块型半导体PNP PN三种基本接法共发射极输入阻抗中等，输出阻抗高，电压放大倍数大共基极输入阻抗低，输出阻抗高，无电流放大作用共集电极输入阻抗高，输出阻抗低，电压跟随特性晶体管放大原理电流放大三极管的基本功能是电流放大，其放大倍数β（即hFE）表示集电极电流与基极电流之比β=IC/IB通常β值在几十到几百之间，这是三极管放大能力的关键参数直流特性输入特性与的关系曲线UBE IB输出特性与的关系曲线（在不同值下）UCE ICIB通过特性曲线可以分析三极管的工作状态静态工作点确定三极管的静态工作点（点）是设计放大电路的第一步Q合理的点应位于特性曲线的线性区域，以保证信号不失真Q通过偏置电路来设置点，常见的有固定偏置、分压偏置等Q晶体管共射放大电路电路结构包括分压偏置电阻（、）、发射极电阻（）、集电极负载电阻R1R2RE（）、耦合电容（、）和旁路电容（）RC C1C2CE工作原理输入信号通过加到基极，控制基极电流变化C1基极电流的小变化引起集电极电流的大变化集电极电流流过产生放大的电压信号RC性能指标电压放大倍数Au≈-RC/re（re为交流等效电阻）输入阻抗几千欧姆量级输出阻抗几千至几万欧姆多级放大电路级联放大原理单级放大器的增益往往有限，通过将多个放大级串联可获得更高的总增益总电压增益Av=Av1×Av2×...×Avn耦合方式RC耦合使用电容传输信号，阻断直流直接耦合无耦合元件，前级输出直接连接后级输入变压器耦合利用磁感应传输信号，提供阻抗匹配技术挑战阻抗匹配确保各级之间有效传输信号频率响应多级放大导致频带变窄相位失真各级引入的相移累积影响噪声累积每一级都会引入新的噪声差动放大器差动放大器结构差动放大器由两个完全对称的放大电路组成，共用一个发射极电阻两个输入信号分别加到两个三极管的基极工作原理差动放大器对两个输入信号的差值进行放大，同时抑制共模信号（两个输入端同时出现的相同信号）主要特点•高共模抑制比（CMRR）•良好的温度稳定性•直流耦合能力应用领域运算放大器的输入级、仪器仪表、模拟信号处理耦合方式耦合变压器耦合直接耦合RC使用电容器作为耦合元件，传输交流信号，阻断利用变压器的电磁感应原理传输信号优点是可前级的输出直接连接到后级的输入，无需任何耦直流分量优点是电路简单，成本低；缺点是低以实现阻抗匹配，提供直流隔离；缺点是体积合元件优点是可以放大直流信号，无低频限频响应较差，在低频段引入相移大，频率响应有限，且存在非线性失真制；缺点是工作点设计复杂，温度稳定性差放大电路的频率响应频率响应特性放大电路对不同频率信号的放大能力不同，这种特性通过频率响应曲线表示主要参数•中频增益平坦区域的增益值•低频截止频率fL增益下降到中频增益的

0.707倍的低频点•高频截止频率fH增益下降到中频增益的

0.707倍的高频点•带宽BW=fH-fL波特图用对数坐标表示的增益频率曲线，方便分析电路的频率特性-通常包括幅频特性和相频特性两部分场效应管基础FET结型场效应管（）绝缘栅场效应管（）JFET MOSFET结构由N型（或P型）半导体通道和P型（或N型）栅极组成结构栅极与沟道之间有一层氧化物绝缘层工作原理利用栅源电压控制漏源之间的沟道宽度，从而控制漏极电流类型增强型和耗尽型特点输入阻抗极高，噪声低，但电压控制范围有限特点输入阻抗更高，功耗低，易于集成，是现代集成电路的基础器件常用放大电路拓扑射极跟随器（集电极共端）•特点电压增益接近1，输入阻抗高，输出阻抗低•作用阻抗变换，提供良好的驱动能力•应用缓冲级，驱动低阻抗负载源极跟随器•场效应管版本的跟随器电路•具有极高的输入阻抗•适合连接高阻抗信号源共源极放大器•FET的基本放大电路•类似于共射放大器功率放大器与分类甲类（）乙类（）甲乙类（）Class AClass BClass AB输出管导通角为，全周期工作输出管导通角为，每个管只工作半个周期导通角介于之间360°180°180°~360°优点线性度最好，失真最小优点效率高（理论最大效率为

78.5%）优点较好的效率，较小的失真缺点效率低（理论最大效率为50%），发热大缺点存在交越失真缺点电路复杂度增加运算放大器基本原理理想运放特性•开环增益无穷大•输入阻抗无穷大•输出阻抗为零•带宽无穷大零失真、零噪声•理想模型分析方法虚短原则闭环时，两输入端电压相等虚断原则输入端不流入电流基本结构反相放大器输出与输入信号相位相差180°同相放大器输出与输入信号同相位运算放大器典型应用加法器微分器将多路输入信号进行加权求和，输出为输出与输入信号的时间微分成正比，Vo=-R2/R1V1-Vo=-RCdVi/dtR2/R3V2-...积分器电压跟随器输出与输入信号的时间积分成正比，Vo=-1/RC∫Vi dt增益为1的同相放大器，输入阻抗极高，输出阻抗极低，用于阻抗变换电流检测仪表放大器将电流转换为电压信号，方便后续处理和测量由三个运放组成的高精度差分放大器，常用于微弱信号处理负反馈基础负反馈概念负反馈是将放大器输出信号的一部分反馈到输入端，与输入信号相减，以改善电路性能的技术四种基本类型•电压串联负反馈采样输出电压，串联反馈•电压并联负反馈采样输出电压，并联反馈•电流串联负反馈采样输出电流，串联反馈•电流并联负反馈采样输出电流，并联反馈负反馈公式闭环增益Af=A/1+Aβ，其中A为开环增益，β为反馈系数负反馈对电路性能的影响稳定增益1当1+Aβ1时，闭环增益Af≈1/β，主要由反馈网络决定，不受温度、元件参数变化的影响减小失真2负反馈可以将非线性失真降低1+Aβ倍，显著改善信号质量改善频率响应3负反馈可以扩展放大器的带宽，使频率响应更加平坦带宽增加1+Aβ倍调整输入输出阻抗4电压串联负反馈提高输入阻抗，降低输出阻抗电压并联负反馈降低输入阻抗，降低输出阻抗电流串联负反馈提高输入阻抗，提高输出阻抗电流并联负反馈降低输入阻抗，提高输出阻抗集成电子技术集成运算放大器应用集成运算放大器如、等是电子设计中最常用的模拟集成电路741LM324之一它们将复杂的电路集成在单个芯片中，大大简化了电路设计典型应用电路•有源滤波器低通、高通、带通、带阻•信号调理放大、衰减、隔离•信号发生器正弦波、方波、三角波定时器555一种多功能集成电路，可用于产生精确的时间延迟或振荡工作模式单稳态、双稳态、多谐振荡器电源电路原理变压整流通过变压器将交流电压变换为所需电压值利用二极管将交流电转换为单向脉动直流电同时提供电气隔离，增加安全性常见电路有半波整流和全波整流滤波稳压使用电容或LC滤波器减小脉动直流中的纹波使用稳压电路维持输出电压恒定使输出电压更加平滑线性稳压精度高，效率低开关稳压效率高，噪声大整流电路详解单相半波整流最简单的整流电路，仅使用一个二极管优点元件少，成本低缺点输出电压纹波大，变压器利用率低平均输出电压Vdc=Vm/π≈

0.318Vm单相全波整流中心抽头型使用两个二极管和中心抽头变压器桥式使用四个二极管，无需中心抽头变压器优点纹波小，变压器利用率高缺点元件多，桥式整流时二极管压降大平均输出电压Vdc=2Vm/π≈

0.636Vm滤波电路电容滤波原理利用电容储能特性，在电压下降时释放能量特点结构简单，成本低，但纹波较大纹波系数与负载电流成正比，与电容值成反比滤波LC原理电感阻碍电流变化，电容平滑电压波动特点滤波效果好，纹波小，但体积大、成本高应用大功率电源，对纹波要求严格的场合π型滤波结构由两个电容和一个电感组成特点结合了电容滤波和LC滤波的优点应用中等功率电源，需要较低纹波的场合稳压电路类型齐纳二极管稳压电路原理利用齐纳二极管反向击穿时电压基本恒定的特性特点•结构简单，成本低•稳压精度较低•负载能力有限•无短路保护能力三端稳压器集成化的线性稳压器，如78xx（正电压）和79xx（负电压）系列特点•使用简便，外围元件少•具有过流、过热保护功能•稳压精度高•效率较低，需要散热振荡电路基本原理振荡的基本条件振荡器是一种能将直流电能转换为交流信号的电路，其工作原理基于正反馈正反馈概念将输出信号的一部分反馈到输入端，使之与输入信号相加振荡条件（巴克豪森判据）•幅度条件|Aβ|≥1（回路增益大于或等于1）•相位条件Aβ的相移为0°或360°的整数倍稳幅机制实际振荡器需要某种自动增益控制机制，使振荡稳定在一定幅度振荡器RC/LC移相振荡器桥振荡器振荡器RC WienLC使用三级RC网络提供180°相移，与放大器的使用RC串并联网络作为频率选择元件利用LC谐振电路的谐振特性产生正弦波相移形成180°360°特点波形纯净，失真小，常用于音频信号发生类型Hartley、Colpitts、Clapp等特点结构简单，频率稳定性一般，适合低频振器特点适合高频振荡，但体积较大荡多谐振荡器与波形产生施密特触发器一种具有滞回特性的比较器电路，可将任意波形转换为方波当输入信号超过上阈值时输出跳变为高电平，低于下阈值时输出跳变为低电平多谐振荡器分类•单稳态只有一个稳定状态，受触发后暂时变为另一状态，然后自动返回•双稳态有两个稳定状态，外部触发使其在两个状态间切换•多稳态（无稳态）无稳定状态，持续在两个状态间自动切换常见波形•方波555定时器或施密特触发器产生•三角波积分器对方波积分生成•锯齿波特殊的三角波，上升或下降时间特别短数字电路与逻辑门与门（）或门（）AND OR只有当所有输入都为时，输出才为只要有一个输入为，输出就为1111Y=A·B Y=A+B非门（）与非门（）NOT NAND输出是输入的逻辑取反与门输出取反，功能完备Y=ĀY=A·B̄或非门（）异或门（）NOR XOR或门输出取反，功能完备输入不同时输出为1Y=A+B̄Y=A⊕B=A·B̄+Ā·B组合逻辑电路组合逻辑特点组合逻辑电路的输出仅取决于当前输入，与电路历史状态无关常见组合逻辑电路•加法器半加器（两输入）和全加器（三输入）•编码器将2ⁿ个输入编码为n位二进制码•译码器将n位二进制码解码为2ⁿ个输出•数据选择器（多路复用器）从多个输入中选择一个•数据分配器（多路分配器）将一个输入分配到多个输出设计方法真值表→逻辑表达式→简化（卡诺图或代数方法）→逻辑图时序逻辑电路触发器D最基本的存储单元，在时钟上升沿将D输入的值锁存到输出Q应用寄存器、移位寄存器、存储器触发器JK功能更加丰富的触发器，可实现置位、复位、保持和翻转功能特点没有D触发器可能出现的不确定状态寄存器与计数器寄存器由多个触发器组成，用于存储数据计数器能够按照预定顺序计数的电路，分为同步和异步两种脉冲产生与整形单稳态电路接收到触发信号后，输出一个固定宽度的脉冲，然后自动返回稳定状态应用定时延迟、脉冲宽度控制双稳态电路具有两个稳定状态，外部信号可以使其在两个状态之间切换应用存储1位二进制信息、开关控制无稳态电路没有稳定状态，输出持续振荡，产生周期性波形应用时钟信号发生器、闪烁器脉冲整形技术通过RC网络、施密特触发器等电路改善脉冲波形的上升/下降时间、消除毛刺、调整占空比等模拟数字信号转换/采样过程按照一定时间间隔对连续模拟信号进行离散化采样定理采样频率必须至少是信号最高频率的两倍（fs≥2fmax）量化过程将采样值映射到有限数量的离散量化级别量化精度由位数决定n位ADC有2ⁿ个量化级别量化误差导致量化噪声转换器类型A/D转换器模拟→数字，常见类型有逐次逼近型、双积分型、Σ-Δ型D/A转换器数字→模拟，常见类型有R-2R电阻网络型、权重电阻型通信系统中模拟电路应用放大电路应用•低噪声放大器（LNA）用于接收机前端，放大微弱信号•功率放大器（PA）用于发射机末级，提供足够输出功率•中频放大器（IF）在频率变换后提供选择性放大•音频放大器处理已解调的音频信号调制与解调•调幅（AM）载波幅度随调制信号变化•调频（FM）载波频率随调制信号变化•相位调制（PM）载波相位随调制信号变化频率变换使用混频器将信号从一个频率转换到另一个频率信号过滤与处理技术低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器允许低频信号通过，衰减高频信号允许高频信号通过，衰减低频信号只允许特定频带的信号通过，衰减阻止特定频带的信号通过，允许其其他频率他频率通过应用音频系统中的低音扬声器驱应用音频系统中的高音扬声器驱动，电源纹波滤波动，去除直流分量应用无线接收机中选择特定频应用消除特定干扰信号，音频陷道，音频均衡器波器与电磁兼容EMC电磁干扰现象电磁兼容（）是指电子设备在电磁环境中正常工作而不对其他设备EMC产生干扰的能力干扰类型•传导干扰通过导线传播•辐射干扰通过空间传播•静电放电（ESD）瞬时高压对设备的冲击抑制方法•屏蔽使用金属壳体隔离电磁场•滤波在电源和信号线上使用滤波器•接地提供干扰电流的低阻抗回路•布线优化减少环路面积，分离敏感线路现代电子系统发展趋势高速化1现代电子系统处理速度不断提高，从向甚至发展这要求更先进MHz GHzTHz的材料和工艺技术，同时也带来更多的挑战，如信号完整性、功耗和散热等问题低功耗2随着移动设备和物联网的普及，低功耗设计变得极为重要技术发展方向包括动态电压频率调节、多电源域设计和亚阈值操作等集成化3系统级芯片（）和多芯片封装技术使得更多功能可以集成在更小的空间内SoC同时异构集成也成为趋势，将不同功能、不同工艺的芯片集成在一起智能化4人工智能、机器学习和神经网络算法正在与电子系统深度融合，出现了专用的加速器芯片物联网技术使设备互联互通，实现智能化控制和监测AI仿真与实验平台MultisimMultisim是一款功能强大的电路仿真软件，由美国国家仪器（NI）公司开发它提供了丰富的元器件库和分析工具，适合模拟和数字电路的仿真主要功能•直流分析、交流分析、瞬态分析•Monte Carlo分析、参数扫描•虚拟仪器（示波器、频谱分析仪等）ProteusProteus集成了电路仿真和PCB设计功能，其特色是可以仿真单片机系统，包括程序执行和外设操作虚拟实验流程•绘制电路图•设置仿真参数•运行仿真并观察结果•分析和优化电路设计设计案例简易音频放大器1电路组成•前置放大级使用晶体管共射放大电路•音调控制级采用RC网络实现低音和高音调节•功率放大级采用推挽功率放大电路驱动扬声器性能分析•频率响应20Hz-20kHz（±3dB）•输出功率10W•失真度小于1%（额定功率下）•信噪比大于80dB实测结果通过示波器观察各级信号波形，确认放大器工作在线性区域，无明显失真使用频谱分析仪测量频率响应曲线，满足设计要求设计案例闪烁控制电路2LED设计目标设计一个可调频率的闪烁电路，实现警示或装饰功能LED电路方案•核心元件555定时器（工作在多谐振荡模式）•频率调节使用电位器改变RC时间常数•LED驱动使用晶体管提供足够的驱动电流•电源供应使用9V电池或5V稳压电源实物演示在实验板上搭建电路，调节电位器可观察到闪烁频率从到LED

0.5Hz连续变化测量电流和工作波形，验证设计的正确性5Hz LED改进方向增加光敏电阻实现光控功能；添加多个实现顺序点亮效果LED课程实验内容与考核基础实验电阻、电容、电感特性测量二极管、三极管参数测量基本放大电路搭建与测试设计性实验单电源运放电路设计数字逻辑电路设计与实现小型电源电路设计与调试能力培养电路分析与设计能力仪器使用与测量技能电路故障诊断与排除考核方式实验报告（50%）数据记录、分析讨论实验操作（30%）实验板搭建、仪器使用设计作品（20%）创新性、实用性、完成度电子技术学习建议理论联系实际多做仿真和实验注重基础理解123电子技术是实践性很强的学科，光学习利用Multisim、Proteus等仿真软件，电子技术的发展日新月异，但基本原理理论而不动手实践，很难真正掌握建在实际搭建电路前进行仿真验证通过和方法是相对稳定的扎实掌握基础知议在学习每一个新概念后，通过实验或仿真可以快速修改参数，观察电路行识，如欧姆定律、基尔霍夫定律、放大仿真来验证和加深理解例如，学习三为，有助于深入理解电路原理同时，原理等，对学习新技术和解决实际问题极管放大原理后，可以自己搭建一个简不要害怕失败，实验中的问题和故障往至关重要不要只记公式，要理解背后单的放大电路，测量其性能参数往是最好的学习机会的物理意义课程总结与展望基础技术的重要性电子技术是现代信息社会的基础，掌握电子技术的基本原理和应用方法，对于理解和开发现代电子系统至关重要从手机到计算机，从家电到医疗设备，无不依赖于电子技术的发展行业发展机遇随着、物联网、人工智能等技术的快速发展，电子信息行业正迎来前5G所未有的机遇特别是在集成电路、新型显示、智能终端等领域，人才需求旺盛，职业发展空间广阔持续学习的必要性电子技术更新换代快，需要持续学习才能跟上发展步伐建议关注行业前沿，参加专业培训，尝试开源项目，不断提升自己的专业能力和综合素质。