电子技术基础

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1、电子技术基础电子技术基础模拟部分1课程内容电子技术基础 II（40学时）教材：电子技术基础 模拟部分（第六版），康华光考试课分数：考试占70-80%，作业占20-30%。作业：在每章结束后下一堂课时交，具体安排请各班学习委员同辅导老师商量。主讲：李 锋 辅导：周 爽 朱宇龙 2第一章绪 论3 4电子管4电子管，是一种在气密性封闭容器（一般为玻璃管）中产生电流传导，利用电场对真空中的电子流的作用以获得信号放大或振荡的电子器件。早期应用于电视机、收音机扩音机等电子产品中，近年来逐渐被晶体管和集成电路所取代，但目前在一些高保真音响器材中，仍然使用电子管作为音频功率放大器件。5晶体管56晶体管历史及重

2、要里程碑晶体管历史及重要里程碑1947年12月16日：威廉邵克雷（William Shockley）、约翰巴顿（John Bardeen）和沃特布拉顿（Walter Brattain）成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管。1950年：威廉邵克雷开发出双极晶体管（Bipolar Junction Transistor），这是现在通行的标准的晶体管。1953年：第一个采用晶体管的商业化设备投入市场，即助听器。1954年10月18日：第一台晶体管收音机Regency TR1投入市场，仅包含4只锗晶体管。1961年4月25日：第一个集成电路专利被授予罗伯特诺伊斯（Robert Noyce）。最初的晶体

3、管对收音机和电话而言已经足够，但是新的电子设备要求规格更小的晶体管，即集成电路。1965年：摩尔定律诞生。当时，戈登摩尔（Gordon Moore）预测，未来一个芯片上的晶体管数量大约每年翻一倍(10年后修正为每两年)，摩尔定律在Electronics Magazine杂志一篇文章中公布。671968年7月：罗伯特诺伊斯和戈登摩尔从仙童（Fairchild）半导体公司辞职，创立了一个新的企业，即英特尔公司，英文名Intel为“集成电子设备（integrated electronics）”的缩写。1969年：英特尔成功开发出第一个PMOS硅栅晶体管技术。这些晶体管继续使用传统的二氧化硅栅介质，但

4、是引入了新的多晶硅栅电极。1971年：英特尔发布了其第一个微处理器4004。4004规格为1/8英寸 x 1/16英寸，包含仅2000多个晶体管，采用英特尔10微米PMOS技术生产。1972年，英特尔发布了第一个8位处理器8008。1978年，英特尔发布了第一款16位处理器8086。含有2.9万个晶体管。1978年：英特尔标志性地把英特尔8088微处理器销售给IBM新的个人电脑事业部，武装了IBM新产品IBM PC的中枢大脑。1982年：286微处理器(全称80286，意为“第二代8086”)推出，提出了指令集概念，即现在的x86指令集，可运行为英特尔前一代产品所编写的所有软件。286处理器使

5、用了13400个晶体管，运行频率为6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz。1985年：英特尔386微处理器问世，含有27.5万个晶体管，是最初4004晶体管数量的100多倍。386是32位芯片，具备多任务处理能力，即它可在同一时间运行多个程序。1993年：英特尔奔腾处理器问世，含有3百万个晶体管，采用英特尔0.8微米制程技术生产。1999年2月：英特尔发布了奔腾III处理器。奔腾III是1x1正方形硅，含有950万个晶体管，采用英特尔0.25微米制程技术生产。2002年1月：英特尔奔腾4处理器推出，高性能桌面台式电脑由此可实现每秒钟22亿个周期运算。它采用英特尔0.13微米制程技术生产

6、，含有5500万个晶体管。782002年8月13日：英特尔透露了90纳米制程技术的若干技术突破，包括高性能、低功耗晶体管，应变硅，高速铜质接头和新型低-k介质材料。这是业内首次在生产中采用应变硅。2003年3月12日：针对笔记本的英特尔迅驰移动技术平台诞生，包括了英特尔最新的移动处理器“英特尔奔腾M处理器”。该处理器基于全新的移动优化微体系架构，采用英特尔0.13微米制程技术生产，包含7700万个晶体管。2005年5月26日：英特尔第一个主流双核处理器“英特尔奔腾D处理器”诞生，含有2.3亿个晶体管，采用英特尔领先的90纳米制程技术生产。2006年7月18日：英特尔安腾2双核处理器发布，采用世

7、界最复杂的产品设计，含有17.2亿个晶体管。该处理器采用英特尔90纳米制程技术生产。2006年7月27日：英特尔酷睿2双核处理器诞生。该处理器含有2.9亿多个晶体管，采用英特尔65纳米制程技术在世界最先进的几个实验室生产。2006年9月26日：英特尔宣布，超过15种45纳米制程产品正在开发，面向台式机、笔记本和企业级计算市场，研发代码Penryn，是从英特尔®酷睿微体系架构派生而出。发布英特尔酷睿i7处理器2007年1月8日：为扩大四核PC向主流买家的销售，英特尔发布了针对桌面电脑的65纳米制程英特尔酷睿2四核处理器和另外两款四核服务器处理器。英特尔酷睿2四核处理器含有5.8亿多个晶体

8、管。2007年1月29日：英特尔公布采用突破性的晶体管材料即高-k栅介质和金属栅极。英特尔将采用这些材料在公司下一代处理器英特尔酷睿2双核、英特尔®酷睿2四核处理器以及英特尔至强系列多核处理器的数以亿计的45纳米晶体管或微小开关中用来构建绝缘“墙”和开关“门”，研发代码Penryn。采用了这些先进的晶体管，已经生产出了英特尔45纳米微处理器。2010年11月，NVIDIA发布全新的GF110核心，含30亿个晶体管，采用先进的40纳米工艺制造。81-1 电子系统与信号v电子系统电子系统是指由若干相互联接、相互作用的基本电是指由若干相互联接、相互作用的基本电路组成的具有路组成的具有特定功能

9、特定功能的电路整体。的电路整体。v由于大规模集成电路和模拟由于大规模集成电路和模拟-数字混合集成电路的出数字混合集成电路的出现，目前，在单个芯片上能够集成许多种不同类型现，目前，在单个芯片上能够集成许多种不同类型的电路，从而自成一个系统。的电路，从而自成一个系统。如：单个芯片构成的数据采集系统产品，芯片内部如：单个芯片构成的数据采集系统产品，芯片内部包括多路模拟开关、可编程放大电路、取样包括多路模拟开关、可编程放大电路、取样-保持电保持电路、模路、模-数转换电路、数字信号传输与控制电路等多数转换电路、数字信号传输与控制电路等多种功能电路。种功能电路。v电子系统必须与物理系统相结合，才能构成完整

10、的电子系统必须与物理系统相结合，才能构成完整的实用系统。实用系统。910加热控制系统v石英预制棒加热炉温度控制系统的电子系统组成框图。石英预制棒加热炉温度控制系统的电子系统组成框图。虚线框内是一台可编程逻辑控制器虚线框内是一台可编程逻辑控制器PLC，它是一种可，它是一种可根据不同要求配备相应组合部件和控制程序的电子系根据不同要求配备相应组合部件和控制程序的电子系统。统。10加热控制系统v加热炉把石英预制棒下部尖端加热至加热炉把石英预制棒下部尖端加热至2200 C左右的左右的固定温度，使棒的尖端处于熔融状态，在光纤重力和固定温度，使棒的尖端处于熔融状态，在光纤重力和拉丝塔下部拉丝盘的作用下拉制成

11、光纤。拉丝塔下部拉丝盘的作用下拉制成光纤。v保持加热炉内温度的稳定对保证光纤直径的准确性至保持加热炉内温度的稳定对保证光纤直径的准确性至关重要。当外界因素，如气温、炉外的冷却水温、电关重要。当外界因素，如气温、炉外的冷却水温、电压等发生微小波动时，都会使炉内温度偏离预置值。压等发生微小波动时，都会使炉内温度偏离预置值。11v高温计把温度的变化转换高温计把温度的变化转换为电压，经放大、滤波、为电压，经放大、滤波、取样取样/保持和保持和A/D把信号转把信号转换成数字。计算机根据加换成数字。计算机根据加热炉的热力学模型和控制热炉的热力学模型和控制模型计算出控制输出。模型计算出控制输出。信号及其频谱v

12、信号是信息的载体。物理量需要用适当的传感器转换信号是信息的载体。物理量需要用适当的传感器转换为电信号，再输入到电子系统。为电信号，再输入到电子系统。v常把传感器作为信号源处理。图常把传感器作为信号源处理。图a以理想电压源和源以理想电压源和源内阻内阻Rs串联等效信号源，而图串联等效信号源，而图b则以理想电流源和源则以理想电流源和源内阻内阻Rs并联等效信号源。并联等效信号源。v在多级电子电路中，对某一级电路进行分析时，前一在多级电子电路中，对某一级电路进行分析时，前一级电路的输出信号就是本级的输入信号。级电路的输出信号就是本级的输入信号。12正弦波信号v正弦波电压幅值与时间的函数关系是最简单的信号

13、。正弦波电压幅值与时间的函数关系是最简单的信号。当当Vm、和和 均为已知时，信号中就不再含有任何未均为已知时，信号中就不再含有任何未知信息。正弦波信号经常作为标准信号用来对模拟电知信息。正弦波信号经常作为标准信号用来对模拟电子电路进行测试。子电路进行测试。13周期性方波信号v周期性方波信号，它的时间函数表达式为周期性方波信号，它的时间函数表达式为14任意周期函数v任意周期函数只要满足狄利克雷条件都可以展开成傅任意周期函数只要满足狄利克雷条件都可以展开成傅里叶级数。方波信号展开为傅里叶级数表达式：里叶级数。方波信号展开为傅里叶级数表达式：15直流分量基波v周期信号的频谱由直流分量、基波分量和无穷

14、多项高周期信号的频谱由直流分量、基波分量和无穷多项高次谐波分量所组成，频谱表现为一系列离散频率上的次谐波分量所组成，频谱表现为一系列离散频率上的幅值，随着谐波次数的递增，幅值逐渐减小。幅值，随着谐波次数的递增，幅值逐渐减小。非周期信号频谱v运用傅里叶变换可将非周期信号表达为一运用傅里叶变换可将非周期信号表达为一连续频率函连续频率函数数形式的频谱，它包含了所有可能的频率形式的频谱，它包含了所有可能的频率(0 )成分。成分。v非周期信号随角频率上升到一定程度，其频谱函数总非周期信号随角频率上升到一定程度，其频谱函数总趋势是衰减的。选择适当的截止角频率时，不会影响趋势是衰减的。选择适当的截止角频率时

15、，不会影响信号的特性，通常把保留的部分称为信号的信号的特性，通常把保留的部分称为信号的带宽带宽。16模拟信号和数字信号v在信号分析中，按在信号分析中，按时间时间和和幅值幅值的连续性和离散性把的连续性和离散性把信号分为信号分为4类；类；(1)时间连续、数值连续信号；时间连续、数值连续信号；(2)时时间离散、数值连续信号；间离散、数值连续信号；(3)时间连续、数值离散信时间连续、数值离散信号；号；(4)时间离散、数值离散信号。时间离散、数值离散信号。v第第(1)类为模拟信号，第类为模拟信号，第(4)类信号属于数字信号。类信号属于数字信号。v模拟信号的特点是：在时间上和幅值上均是连续的，模拟信号的特

16、点是：在时间上和幅值上均是连续的，在一定动态范围内可能取任意值。处理模拟信号的在一定动态范围内可能取任意值。处理模拟信号的电子电路称为电子电路称为模拟电路模拟电路，如放大电路、滤波电路、，如放大电路、滤波电路、电压电压/电流变换电路等。电流变换电路等。1718时间离散、数值连续信号（S/H信号）时间离散、数值离散信号（ADC输出）时间连续、数值离散信号（DAC输出）1-2 放大电路的基本知识v放大放大是最基本的模拟信号处理功能，不同模拟电子是最基本的模拟信号处理功能，不同模拟电子系统应用不同类型的放大电路。系统应用不同类型的放大电路。v放大电路也是构成其他模拟电路的基本单元电路，放大电路也是构

17、成其他模拟电路的基本单元电路，如滤波、振荡、稳压等功能电路。如滤波、振荡、稳压等功能电路。19模拟信号放大v检测外部物理信号的传感器所输出的电信号通常是检测外部物理信号的传感器所输出的电信号通常是很微弱的，如高温计输出电压仅有毫伏量级，细胞很微弱的，如高温计输出电压仅有毫伏量级，细胞电生理实验中所检测到的细胞膜离子单通道电流只电生理实验中所检测到的细胞膜离子单通道电流只有皮安有皮安(pA)量圾。量圾。v对这些能量过于微弱的信号，通常必须把它们放大对这些能量过于微弱的信号，通常必须把它们放大到数百毫伏量级，才能用数字式仪表或传统的指针到数百毫伏量级，才能用数字式仪表或传统的指针式仪表显示出来。若

18、对信号进行数字化处理，则须式仪表显示出来。若对信号进行数字化处理，则须把信号放大到数伏量级才能被模数转换器所接受。把信号放大到数伏量级才能被模数转换器所接受。20放大电路v只考虑电压增益的电只考虑电压增益的电路称为路称为电压放大电路电压放大电路。21v只考虑电流增益的电路只考虑电流增益的电路称为称为电流放大电路电流放大电路。v当需要把电流信号转换为电压信号，可利用当需要把电流信号转换为电压信号，可利用互阻放互阻放大电路大电路。v把电压信号转换为电流输出的电路，称为把电压信号转换为电流输出的电路，称为互导放大互导放大电路电路。放大电路模型v根据输入信号和输出信号是电压还是电流，放大电根据输入信号

19、和输出信号是电压还是电流，放大电路可分为四种类型，即：电压放大、电流放大、互路可分为四种类型，即：电压放大、电流放大、互阻放大和互导放大。阻放大和互导放大。v这四类放大电路有四种不同的双口网络作为相应类这四类放大电路有四种不同的双口网络作为相应类型放大电路模型。模型给出了等效放大电路的输入型放大电路模型。模型给出了等效放大电路的输入和输出特性，而忽略各种实际放大电路的内部结构。和输出特性，而忽略各种实际放大电路的内部结构。v若将模型与实际电路相联系，其中各元件参数值可若将模型与实际电路相联系，其中各元件参数值可以通过对电路和元器件的分析来确定，也可以通过以通过对电路和元器件的分析来确定，也可以

20、通过对实际电路的测量而得到。对实际电路的测量而得到。22电压放大电路模型v电压放大电路模型电压放大电路模型由输入电阻由输入电阻Ri、输出电阻、输出电阻Ro和受控和受控电压源电压源 三个基本元件构成，其中三个基本元件构成，其中 为输入为输入电压，电压，为输出开路为输出开路()时的电压增益。时的电压增益。23电流放大电路模型v电流放大电路模型电流放大电路模型与电压放大电路模型在形式上不同与电压放大电路模型在形式上不同之处在输出回路，它是由受控电流源之处在输出回路，它是由受控电流源 和输出电和输出电阻阻Ro并联而成，其中并联而成，其中 为输入电流。为输入电流。为输出短为输出短路路(RL=0)时的电流

21、增益。时的电流增益。24互阻放大和互导放大电路模型v两电路的输出信号分别由受控电压源两电路的输出信号分别由受控电压源 和受控和受控电流源电流源 产生。在理想状态下，互阻放大电路产生。在理想状态下，互阻放大电路要求输入电阻要求输入电阻Ri=0且输出电阻且输出电阻Ro=0；而互导放大电；而互导放大电路则要求输入电阻路则要求输入电阻Ri=，输出电阻，输出电阻Ro=。电路中。电路中的的 称为输出开路时的称为输出开路时的互阻增益互阻增益，称为输称为输出短路时的出短路时的互导增益互导增益。25隔离放大v许多工业控制设备及医疗设备，为了电子设备的提高许多工业控制设备及医疗设备，为了电子设备的提高安全性和抗干

22、扰能力，在前级信号预放大中，普遍采安全性和抗干扰能力，在前级信号预放大中，普遍采用用“隔离隔离”放大，即放大电路的输入与输出电路放大，即放大电路的输入与输出电路(包包括供电电源括供电电源)相互绝缘，输入与输出信号之间不存在相互绝缘，输入与输出信号之间不存在任何公共参考点。任何公共参考点。26放大电路的主要性能指标1输入电阻输入电阻v输入电阻等于输入电压输入电阻等于输入电压 与输入电流与输入电流 比值，比值，即即 。输入电阻。输入电阻Ri的大小决定了放大电路的大小决定了放大电路从信号源吸取信号幅值的大小。从信号源吸取信号幅值的大小。v对于输入为电压信号的放大电路对于输入为电压信号的放大电路(电压

23、放大和互导放电压放大和互导放大大)，输入电阻输入电阻Ri愈大，则放大电路输入端的愈大，则放大电路输入端的 值愈值愈大。反之，输入为电流信号的放大电路大。反之，输入为电流信号的放大电路(电流放大和电流放大和互阻放大互阻放大)，Ri愈小，注入放大电路的输入电流愈小，注入放大电路的输入电流 愈愈大。大。27放大电路的主要性能指标2输出电阻输出电阻v放大电路输出电阻放大电路输出电阻Ro的大小决定它带负载的能力。对的大小决定它带负载的能力。对输出为电压信号的放大电路，输出为电压信号的放大电路，Ro愈小，负载电阻愈小，负载电阻RL的变化对输出电压的变化对输出电压 的影响愈小。的影响愈小。v对输出为电流信号

24、的放大电路，与受控电流源并联的对输出为电流信号的放大电路，与受控电流源并联的Ro愈大，负载电阻愈大，负载电阻RL的变化对输出电流的变化对输出电流 的影响愈的影响愈小。小。28放大电路的主要性能指标3.增益增益v四种放大电路分别具有不同的增益，如电压增益四种放大电路分别具有不同的增益，如电压增益 电流增益电流增益 互阻增益互阻增益 及互导增益及互导增益 。它们实。它们实际反映了放大电路在输入信号控制下，将供电电源能际反映了放大电路在输入信号控制下，将供电电源能量转换为信号能量的能力。量转换为信号能量的能力。v其中其中 和和 两种无量纲增益，在工程上常用以两种无量纲增益，在工程上常用以10为底的对

25、数增益表达，其基本单位为为底的对数增益表达，其基本单位为B(贝尔，贝尔，Bel)，用它的十分之一单位，用它的十分之一单位dB(分贝分贝)。29放大电路的主要性能指标4频率响应及带宽频率响应及带宽v实际的放大电路中总是存在一些电抗性元件，如电容、实际的放大电路中总是存在一些电抗性元件，如电容、电感、电子器件的极间电容以及接线电容与接线电感电感、电子器件的极间电容以及接线电容与接线电感等。因此，放大电路的输出和输入之间的关系必然和等。因此，放大电路的输出和输入之间的关系必然和信号频率有关。信号频率有关。v放大电路的频率响应所指的是，在输入正弦信号情况放大电路的频率响应所指的是，在输入正弦信号情况下

26、，输出随频率连续变化的稳态响应。下，输出随频率连续变化的稳态响应。30频率响应v 为信号的角频率，为信号的角频率，AV()表示电压增益的模与角频率表示电压增益的模与角频率之间的关系，称为之间的关系，称为幅频响应幅频响应；而；而()表示放大电路的表示放大电路的输出与输入正弦电压信号的相位差与角频率之间的关输出与输入正弦电压信号的相位差与角频率之间的关系，称为系，称为相频响应相频响应，二者综合起来可全面表征放大电，二者综合起来可全面表征放大电路的频率响应。路的频率响应。31v若考虑电抗性元件的作用和信号角频率变量，则放若考虑电抗性元件的作用和信号角频率变量，则放大电路的电压增益可表达为大电路的电压

27、增益可表达为带宽v横坐标采用频率单位横坐标采用频率单位f=/(2)，坐标采用对数刻度，坐标采用对数刻度，称为称为波特波特(Bode)图。图。v幅频响应的中间一段是平坦的，称为幅频响应的中间一段是平坦的，称为中频区中频区。32v在在20Hz和和20kHz两点增两点增益分别下降益分别下降3dB，在低，在低于于20Hz和高于和高于20kHz的的两个区域增益随频率两个区域增益随频率远离这两点而下降。增远离这两点而下降。增益下降益下降3dB的频率点，的频率点，其输出功率约等于中频其输出功率约等于中频区输出功率的一半，通区输出功率的一半，通常称为常称为半功率点半功率点。带宽v把幅频响应的高、低两个半功率点

28、间的频率差定义为把幅频响应的高、低两个半功率点间的频率差定义为放大电路的带宽，即放大电路的带宽，即vfH是频率响应的高端半功率点，也称为上限频率，而是频率响应的高端半功率点，也称为上限频率，而fL则称为下限频率则称为下限频率。33失真v理论上许多非正弦信号的频率范围都延伸到无穷大，理论上许多非正弦信号的频率范围都延伸到无穷大，而放大电路的带宽却是有限的，并且相频响应也不而放大电路的带宽却是有限的，并且相频响应也不能保持常数。基波增益较大，而二次谐波增益较小，能保持常数。基波增益较大，而二次谐波增益较小，于是输出电压波形产生了失真，这叫作于是输出电压波形产生了失真，这叫作幅度失真幅度失真。v当放

29、大电路对不同频率的信号产生的相移不同时，当放大电路对不同频率的信号产生的相移不同时，也产生失真，称为也产生失真，称为相位失真相位失真。v幅度失真和相位失真总称为幅度失真和相位失真总称为频率失真频率失真，它们都是由，它们都是由于线性电抗元件所引起的，所以又称为于线性电抗元件所引起的，所以又称为线性失真线性失真。34非线性失真v非线性信号的失真是由放大器件的非线性特性所引起非线性信号的失真是由放大器件的非线性特性所引起的，放大器件包括分立器件的，放大器件包括分立器件(如半导体三极管等如半导体三极管等)和集和集成电路器件成电路器件(如集成运算放大器等如集成运算放大器等)。v对于分立器件放大电路来说，应设法使它工作在线性对于分立器件放大电路来说，应设法使它工作在线性放大区。但当要求信号的幅值较大，如多级放大电路放大区。但当要求信号的幅值较大，如多级放大电路的末级，特别是功率放大电路，非线性失真难以避免。的末级，特别是功率放大电路，非线性失真难以避免。v对于集成运算放大器，通常是由正、负双电源供电，对于集成运算放大器，通常是由正、负双电源供电，当输出信号的幅值接近双电源值时，其输出将产生非当输出信号的幅值接近双电源值时，其输出将产生非线性失真，称为线性失真，称为饱和失真饱和失真。35作业P20 习题一习题一 1.2.1，1.4.1，1.5.2，1.5.6预习第二章预习第二章36