《模擬電子技術(shù)-》課件0-1 模擬電子技術(shù)

模擬電子技術(shù)—MAP課PanoramicTourofAnalogCircuits2/pp回憶一下用過的元器件…電阻

電容

電感/變壓器實(shí)驗(yàn)課見過實(shí)物的元件：“模擬電路”就從尋找實(shí)際的非線性器件和可控源開始…壓控電壓源壓控電流源流控電壓源流控電流源沒見過的“假想器件”：1、非線性器件2、受控源非線性器件3/pp為什么要尋找非線性器件和受控源？時(shí)代背景：無線電的發(fā)明（1894-1896年）在19世紀(jì)末，哪個(gè)國(guó)家先駕馭無線電，就能征服世界！還有兩大難題：1）無線電波人耳聽不見->要改變頻率

2）遠(yuǎn)跨重洋后信號(hào)微弱->要放大信號(hào)前蘇聯(lián)第一臺(tái)無線電設(shè)備（波波夫，1894年）英國(guó)第一臺(tái)無線電設(shè)備（馬可尼，1894年）4/pp非線性器件的意義：只有找到了非線性器件，電子系統(tǒng)才有可能產(chǎn)生新的頻率分量！（1）檢波：無線電波（高頻）->聲音（低頻）（2）調(diào)制：聲音（低頻）->無線電波（高頻）

（3）整流：交流電（工頻）->直流（零頻）輸入信號(hào)非線性系統(tǒng)（含有非線性元件）輸出信號(hào)（含有新的頻率分量）為什么要尋找非線性器件和受控源？5/pp受控源的意義：受控源就是放大器，有了它電子系統(tǒng)才能輸出額外的能量！為什么要尋找非線性器件和受控源？輸入信號(hào)（弱）輸出信號(hào)（強(qiáng)）壓控電壓源6/pp非線性器件的前身：礦石檢波器尋找非線性器件的探索之路方鉛礦、輝銅礦礦石表面某些特殊點(diǎn)，正反向電阻有輕微差異制成“礦石檢波器”“檢波”作用（射頻->音頻）礦石收音機(jī)（1920）電影《追逐繁星的孩子》（2011，新海誠(chéng)）7/pp實(shí)用的非線性器件：真空二極管（1904年）尋找非線性器件的探索之路發(fā)明人：弗萊明英國(guó)倫敦大學(xué)世界上第一支真空二極管70年代國(guó)產(chǎn)的“曙光”牌真空二極管8/pp實(shí)用的非線性器件：真空二極管（1904年）尋找非線性器件的探索之路真空二極管利用電極冷熱不對(duì)稱產(chǎn)生非線性（單向?qū)щ娦裕﹩蜗驅(qū)щ娖骷ǘO管）9/pp沒有找到放大器之前的“無線電”…尋找受控源（放大器）的探索之路無法放大微弱的接收信號(hào)，只好建造巨型天線和大功率發(fā)射器GE公司：發(fā)明200kW高頻交流發(fā)電機(jī)，直接向天線輸送出功率CyrilElwell：1000kW電弧光發(fā)射機(jī)，用于發(fā)電報(bào)。10/pp第一個(gè)受控源：真空三極管（1906年）尋找受控源（放大器）的探索之路真空三極管利用場(chǎng)強(qiáng)反比距離的思路，實(shí)現(xiàn)小電壓控制大電流距離很近：小電壓能產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)，改變對(duì)逸出電子的吸引力電子一旦越過柵網(wǎng)，將繼續(xù)飛向冷電極，形成電流壓控電流源11/pp第一個(gè)受控源：真空三極管（1906年）尋找受控源（放大器）的探索之路“懷舊派”的音響/功放里仍可見到真空管的蹤影真空三極管發(fā)明人德·福雷斯特經(jīng)典的國(guó)產(chǎn)“曙光”274B電子管12/pp無線電技術(shù)馬上投入第一次世界大戰(zhàn)人類終于掌握了無線電技術(shù)…一戰(zhàn)時(shí)期的電報(bào)機(jī)13/pp放大器非線性的困擾真空三極管并不是“完美”的壓控電流源真空管的伏-安特性不是直線，意味著放大器非線性失真早期：無線電用于無線發(fā)報(bào)，失真并不是主要問題后期：無線電用于傳送語音、廣播，需要低失真失真14/pp放大器非線性的困擾科學(xué)家：尋找線性的物理過程、發(fā)明新器件（至今沒有找到）工程師：尋找減緩非線性失真的方法（負(fù)反饋?。﹥舨钶敵龇答仭澳ｋ姟敝凶钪匾乃枷?，貫穿全程！15/pp放大器非線性的困擾負(fù)反饋的工程意義：1、如果A足夠大，與A無關(guān)2、F在分母上（1）要做放大器，只需要做衰減器（2）衰減器可以用電阻實(shí)現(xiàn)（3）電阻是線性元件->放大器線性（4）電阻成本很低、穩(wěn)定度卻很高（1）A的溫度變化幾乎不影響總增益（2）A的非線性幾乎不影響總增益（3）A的頻率特性幾乎不影響總增益

……問題轉(zhuǎn)變?yōu)椋涸趺窗逊糯笃鞯脑鲆鍭做大（不要求線性好，不要求穩(wěn)定度好，相對(duì)容易得多）16/pp放大器非線性的困擾負(fù)反饋放大器的雛形：差分對(duì)電子管（1956）貝爾實(shí)驗(yàn)室M9話音放大器（1952）AF相減高增益反饋由這兩個(gè)電阻決定增益17/pp更輕、更小--半導(dǎo)體時(shí)代的到來意外的發(fā)現(xiàn)：PN結(jié)奧爾在貝爾實(shí)驗(yàn)室1940年2月23日的實(shí)驗(yàn)記錄手稿，他在無意中發(fā)現(xiàn)了P-N結(jié)奇異的現(xiàn)象：測(cè)量“純”硅棒的電阻，正反向阻值不同！奧爾(R.ohl)18/pp更輕、更小--半導(dǎo)體時(shí)代的到來PN結(jié)會(huì)產(chǎn)生明顯單向?qū)щ娦裕ǚ蔷€性），可替代真空二極管意外的發(fā)現(xiàn)：PN結(jié)化學(xué)意義上的“純硅”（99.99%）的內(nèi)部其實(shí)充滿了各種成分的雜質(zhì)在純硅（99.9999999%）中人為摻入兩種雜質(zhì),構(gòu)成所謂PN結(jié)19/pp更輕、更小--半導(dǎo)體時(shí)代的到來為什么PN結(jié)會(huì)單向?qū)щ姡縋N結(jié)單向?qū)щ娞匦栽醋杂诤谋M區(qū)厚度的變化20/pp更輕、更小--半導(dǎo)體時(shí)代的到來隱藏于子彈殼內(nèi)的晶體檢波器晶體二極管相比于真空二極管：1、體積、重量、耗電小得多（便于間諜行動(dòng)）2、極限工作頻率高得多（開拓新的無線電頻段，使敵方無法竊聽）間諜使用的便攜式電報(bào)機(jī)晶體二極管的發(fā)明21/pp更輕、更小--半導(dǎo)體時(shí)代的到來第二次世界大戰(zhàn)第二次世界大戰(zhàn)期間，半導(dǎo)體開始應(yīng)用于單兵電子信息設(shè)備22/pp更輕、更小--半導(dǎo)體時(shí)代的到來現(xiàn)代的晶體二極管檢波管/小信號(hào)二極管整流二極管發(fā)光二極管光敏二極管穩(wěn)壓二極管瞬態(tài)抑制管(TVS)23/pp更輕、更小--半導(dǎo)體時(shí)代的到來晶體三極管的發(fā)明：早期錯(cuò)誤的思路真空管時(shí)代發(fā)明三極管的思路：在二極管中插入控制電極思路沿用至晶體三極管中：向二極管耗盡區(qū)插入電極，并注入電子，希望改變二極管特性來控制電流結(jié)果非常不理想（1943-1948年）原因：耗盡區(qū)太薄24/pp更輕、更小--半導(dǎo)體時(shí)代的到來晶體三極管的發(fā)明：三層結(jié)構(gòu)的提出換一種思路：“三明治”結(jié)構(gòu)晶體管之父：威廉·肖克利終于獲得成功，并很快進(jìn)入了量產(chǎn)階段25/pp更輕、更小--半導(dǎo)體時(shí)代的到來晶體三極管的發(fā)明：世界上第一枚晶體三極管1948年6月30日晶體管發(fā)明新聞發(fā)布會(huì)26/pp更輕、更小--半導(dǎo)體時(shí)代的到來晶體三極管為什么能放大電流？1、如果不向基極注入電流，CE間沒有電流產(chǎn)生27/pp更輕、更小--半導(dǎo)體時(shí)代的到來晶體三極管為什么能放大電流？2、向基極注入小電流（正電荷），發(fā)射極大量電子被吸引28/pp更輕、更小--半導(dǎo)體時(shí)代的到來晶體三極管為什么能放大電流？3、只有一個(gè)電子被正電荷復(fù)合，剩余的獲得了能量，繼續(xù)前進(jìn)29/pp更輕、更小--半導(dǎo)體時(shí)代的到來晶體三極管為什么能放大電流？4、其余電子繼續(xù)前進(jìn)，到達(dá)集電極，等效一個(gè)放大的電流流控電流源30/pp更輕、更小--半導(dǎo)體時(shí)代的到來一個(gè)通俗的例子1、抽水機(jī)試圖從水面上方抽水，不會(huì)產(chǎn)生水流（截止）31/pp更輕、更小--半導(dǎo)體時(shí)代的到來一個(gè)通俗的例子2、從基極噴入一股小水流，激起的波浪被抽走，產(chǎn)生了大水流（放大）32/pp更輕、更小--半導(dǎo)體時(shí)代的到來一個(gè)通俗的例子3、基極噴入的水流激起的波浪太多，以至于抽不完（飽和）33/pp更輕、更小--半導(dǎo)體時(shí)代的到來各種晶體三極管高頻/微波三極管中/大功率三極管小功率三極管光敏三極管電力晶閘管薄膜三極管34/pp更輕、更小--半導(dǎo)體時(shí)代的到來晶體三極管也不是“完美”的流控電流源晶體三極管的伏-安特性也不是直線，也存在非線性失真失真指數(shù)律35/pp更輕、更小--半導(dǎo)體時(shí)代的到來晶體三極管也不是“完美”的流控電流源晶體三極管放大電路也要依靠負(fù)反饋來改善失真度36/pp更輕、更小--半導(dǎo)體時(shí)代的到來三極管負(fù)反饋放大器的例子AF相減高增益反饋由這兩個(gè)電阻決定增益=2137/pp更省電的放大器--場(chǎng)效應(yīng)管的發(fā)明為什么要發(fā)明場(chǎng)效應(yīng)管？真空三極管雖然非常耗電，但主要耗在燈絲加熱上，控制用的柵極幾乎不吸收電流真空管三極管是壓控源晶體三極管是流控源驅(qū)動(dòng)晶體管（流控源）必須要消耗電流，這些電流最終來自于電源，不可避免產(chǎn)生功耗。兩者優(yōu)點(diǎn)結(jié)合：如果能用半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)壓控源，功耗幾乎為0！38/pp更省電的放大器--場(chǎng)效應(yīng)管的發(fā)明結(jié)型管(J-FET)：優(yōu)秀的低噪聲、低功耗放大器件結(jié)型管利用反偏P-N結(jié)的耗盡區(qū)，實(shí)現(xiàn)壓控電流源壓控電流源沒有電流39/pp更省電的放大器--場(chǎng)效應(yīng)管的發(fā)明MOS管(MOSFET)：使用最廣泛的大功率開關(guān)器件MOS管利用反型層，實(shí)現(xiàn)壓控開關(guān)/壓控電流源40/pp更省電的放大器--場(chǎng)效應(yīng)管的發(fā)明場(chǎng)效應(yīng)管仍然不是“完美”的壓控電流源失真場(chǎng)效應(yīng)管的伏-安特性仍然不是直線，也存在非線性失真平方律41/pp更省電的放大器--場(chǎng)效應(yīng)管的發(fā)明場(chǎng)效應(yīng)管仍然不是“完美”的壓控電流源場(chǎng)效應(yīng)管放大電路仍然要依靠負(fù)反饋來改善失真度42/pp討論：負(fù)反饋的商業(yè)價(jià)值從負(fù)反饋公式中，有沒有發(fā)現(xiàn)巨大的商機(jī)？既然負(fù)反饋被如此廣泛地應(yīng)用，43/pp討論：負(fù)反饋的商業(yè)價(jià)值負(fù)反饋的商機(jī)：相減和高倍放大部分電路可以做成通用件出售運(yùn)算放大器！OperationalAmplifier電子工程師都想購(gòu)買運(yùn)算放大器--只需簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)反饋電路（F），就可以輕松實(shí)現(xiàn)各種高性能電路！44/pp運(yùn)算放大器應(yīng)用示例：10倍放大器只需外接兩枚電阻，就構(gòu)成了高性能的10倍放大器（失真度極低，穩(wěn)定度極好，性能遠(yuǎn)高于分立器件放大器）“傻瓜式”的負(fù)反饋電路：運(yùn)算放大器45/pp運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器的發(fā)展歷程：分立電路（1960，$182）模塊元件（1962）厚膜電路（1960-80）小型化（2000）片上系統(tǒng)SoC（趨勢(shì)）集成電路（1968-今）46/pp運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器的內(nèi)部原理運(yùn)放完成兩個(gè)功能：1）輸入相減求差2）對(duì)差高倍放大47/pp運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器的內(nèi)部原理1)相減2)高增益運(yùn)放內(nèi)部包括三個(gè)部分：1）相減2）高增益3）輸出驅(qū)動(dòng)3)輸出驅(qū)動(dòng)48/pp運(yùn)算放大器利用電路對(duì)稱性實(shí)現(xiàn)相減（差動(dòng)放大）的功能--（1）輸入相減：差動(dòng)放大器運(yùn)算放大器的內(nèi)部原理49/pp運(yùn)算放大器失調(diào)電壓由工藝誤差引起的初始誤差，是固定偏移量討論1：什么是失調(diào)電壓（Vos）？加工誤差引起天平的初始誤差使用前要“調(diào)零”工藝誤差導(dǎo)致運(yùn)放的失調(diào)電壓可以通過調(diào)零消除50/pp運(yùn)算放大器“共模抑制”就是“相減”，“共模抑制比”就是相減的性能討論2：什么是共模抑制比（CMRR）？臂長(zhǎng)相等，相同的輸入完全抵消臂長(zhǎng)加工誤差，相同輸入未完全抵消工藝對(duì)稱性越好，共模抑制比越高，相減越干凈，性能越好工藝對(duì)稱，共模抑制比高（優(yōu)）工藝對(duì)稱差，共模抑制比低（劣）51/pp運(yùn)算放大器串聯(lián)的電流源=極高的電壓增益--（2）高倍放大：有源負(fù)載放大器注水>排水：水位上升至最高注水<排水：水位下降至最低運(yùn)算放大器的內(nèi)部原理有源負(fù)載放大器=串聯(lián)的電流源52/pp運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器的應(yīng)用：加不同的反饋網(wǎng)絡(luò)F構(gòu)成功能各異的電路（1）運(yùn)放+電阻反饋：比例放大、加、減法、I/V變換（2）運(yùn)放+電容反饋：積分、微分、電荷放大器（3）運(yùn)放+RC反饋網(wǎng)絡(luò):低通、高通、帶通、濾波器（4）運(yùn)放+二極管：精密檢波、對(duì)數(shù)/指數(shù)電路（5）運(yùn)放+正反饋：振蕩器、雙穩(wěn)態(tài)記憶、遲滯比較（6）運(yùn)放不加反饋：門限比較器、整形電路（7）運(yùn)放+被控對(duì)象：自動(dòng)控制電路、PID控制器（8）運(yùn)放+三極管擴(kuò)流：穩(wěn)壓電源、功率放大器

…

…實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)電路應(yīng)該首選采用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)學(xué)分立器件->掌握原理用集成運(yùn)放->追求指標(biāo)53/pp總結(jié)：模擬電路在電子系統(tǒng)中的作用真實(shí)的物理世界的本質(zhì)是模擬的，模擬電路是電子設(shè)備與真實(shí)物理世界交互的重要橋梁電子設(shè)備：從物理世界獲取信息，進(jìn)行處理，再將信息返回物