模電第五版完整課件

電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）FundamentalofElectronicTechnologyCTGU11緒論FundamentalofElectronicTechnologyCTGU21.1課程慨述1.2電子學(xué)發(fā)展史1.3信號的傳輸與電子系統(tǒng)1.4放大電路的基本知識1.5學(xué)習(xí)方法與要求內(nèi)容31.2電子學(xué)發(fā)展史1750年，富蘭克林指出：雷電與摩擦生電是一回事1785年，庫侖總結(jié)出電荷的力學(xué)定理1800年，伏打創(chuàng)立了電位差理論1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線通電磁針偏轉(zhuǎn)1831年，法拉第完成磁生電實驗1865年，麥克斯韋發(fā)表電磁理論公式1888年，赫茲證明了電磁波的存在1896年，馬可尼發(fā)明電報，獲1908年諾貝爾獎1897年，湯姆蓀發(fā)現(xiàn)電子，獲1906年諾貝爾獎1947年，蕭克利、巴丁、布拉頓發(fā)明晶體管，獲56年諾貝爾獎1958年，基爾比發(fā)明集成電路，獲2000年諾貝爾獎5

1706年1月17日，本杰明.富蘭克林出生在北美州的波士頓。1746年，一位英國學(xué)者在波士頓利用玻璃管和萊頓瓶表演了電學(xué)實驗。富蘭克林懷著極大的興趣觀看了他的表演，并被電學(xué)這一剛剛興起的科學(xué)強(qiáng)烈地吸引住了。他寫了一篇名叫《論天空閃電和我們的電氣相同》的論文，并送給了英國皇家學(xué)會。1752年6月富蘭克林和他的兒子一道拉著風(fēng)箏線，此時，剛好一道閃電從風(fēng)箏上掠過，富蘭克林用手靠近風(fēng)箏上的鐵絲，立即掠過一種恐怖的麻木感。他抑制不住內(nèi)心的激動，大聲呼喊：“威廉，我被電擊了！”隨后，他又將風(fēng)箏線上的電引入萊顧瓶中?；氐郊依镆院螅惶m克林用雷電進(jìn)行了各種電學(xué)實驗，證明了天上的雷電與人工摩擦產(chǎn)生的電具有完全相同的性質(zhì)。富蘭克林關(guān)于天上和人間的電是同一種東西的假說，在他自己的這次實驗中得到了光輝的證實。1753年，俄國著名電學(xué)家利赫曼為了驗證富蘭克林的實驗，不幸被雷電擊死，這是做電實驗的第一個犧牲者。經(jīng)過多次試驗，他制成了一根實用的避雷針。他把幾米長的鐵桿，用絕緣材料固定在屋頂，桿上緊拴著一根粗導(dǎo)線，一直通到地里。當(dāng)雷電襲擊房子的時候，它就沿著金屬桿通過導(dǎo)線直達(dá)大地，房屋建筑完好無損。

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庫侖在1736年6月14日生于法國昂古萊姆。青少年時期，他就受到了良好的教育。他后來到巴黎軍事工程學(xué)院學(xué)習(xí)，離開學(xué)校后，他進(jìn)入西印度馬提尼克皇家工程公司工作。工作了八年以后，他又在?？怂箥u瑟堡等地服役。這時庫侖就已開始從事科學(xué)研究工作，他把主要精力放在研究工程力學(xué)和靜力學(xué)問題上。

1777年法國科學(xué)院懸賞，征求改良航海指南針中的磁針的方法。庫侖對磁力進(jìn)行深入細(xì)致的研究發(fā)現(xiàn)扭力和針轉(zhuǎn)過的角度成比例關(guān)系，從而可利用這種裝置算出靜電力或磁力的大小。這導(dǎo)致他發(fā)明了扭秤，1782年，他當(dāng)選為法國科學(xué)院院士。1785年，庫侖用自己發(fā)明的扭秤建立了靜電學(xué)中著名的庫侖定律。即兩電荷間的力與兩電荷的乘積成正比，與兩者的距離平方成反比。庫侖定律是電學(xué)發(fā)展史上的第一個定量規(guī)律，它使電學(xué)的研究從定性進(jìn)入定量階段，是電學(xué)史中的一塊重要的里程碑。電荷的單位庫侖就是以他的姓氏命名的。同年，他在給法國科學(xué)院的《電力定律》的論文中詳細(xì)地介紹了他的實驗裝置，測試經(jīng)過和實驗結(jié)果。7

法拉第1791年9月22日生在一個手工工人家庭,21歲時當(dāng)上了戴維的助手。法拉第所研究的課題廣泛多樣，按編年順序排列,有如下各方面：鐵合金研究（1818－1824）；氯和碳的化合物（1820）；電磁轉(zhuǎn)動（1821）；氣體液化（1823，1845）；光學(xué)玻璃（1825－1831）；苯的發(fā)明（1825）；電磁感應(yīng)現(xiàn)象（1831）；不同來源的電的同一性（1832）；電化學(xué)分解（1832年起）；靜電學(xué)，電介質(zhì)（1835年起）；氣體放電（1835年）；光、電和磁（1845年起）；抗磁性（1845年起）；“射線振動思想”（1846年起）；重力和電（1849年起）；時間和磁性（1857年起）1821年他研究了奧斯特發(fā)現(xiàn)的電流的磁作用，作出了一項重大發(fā)現(xiàn)：磁作用的方向是與產(chǎn)生磁作用的電流的方向垂直的。法拉第還制成了一種電動機(jī)，證明了導(dǎo)線在恒定磁場內(nèi)的轉(zhuǎn)動。法拉第堅信，電與磁的關(guān)系必須被推廣，如果電流能產(chǎn)生磁場，磁場也一定能產(chǎn)生電流。法拉第為此冥思苦想了十年。他做了許多次實驗結(jié)果都失敗了。直到1831年年底，他才取得了巨大的突破，他發(fā)明最原始的發(fā)電機(jī)。奠定了現(xiàn)代電力工業(yè)的基礎(chǔ)。。

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麥克斯韋1831年6月出生于英國愛丁堡，14歲在中學(xué)時期就發(fā)表了第一篇科學(xué)論文《論卵形曲線的機(jī)械畫法》，16歲進(jìn)入愛丁堡大學(xué)學(xué)習(xí)物理，三年后，他轉(zhuǎn)學(xué)到劍橋大學(xué)三一學(xué)院。在劍橋?qū)W習(xí)時，打下了扎實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，為他爾后把數(shù)學(xué)分析和實驗研究緊密結(jié)合創(chuàng)造了條件。麥克斯韋在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，引入位移電流的概念，建立了一組微分方程。確定了電荷、電流（運(yùn)動的電荷）、電場、磁場之間的普遍聯(lián)系，麥克斯韋方程組表明，空間某處只要有變化的磁場就能激發(fā)出渦旋電場，而變化的電場又能激發(fā)渦旋磁場。交變的電場和磁場互相激發(fā)就形成了連續(xù)不斷的電磁振蕩即電磁波。麥克斯韋方程還說明，電磁波的速度只隨介質(zhì)的電和磁的性質(zhì)而變化，由此式可證明電微波在真空中傳播的速度，等于光在真空中傳播的速度。這不是偶然的巧合，而是由于光和電磁波在本質(zhì)上是相同的。光是一定波長的電磁波，這就是麥克斯韋創(chuàng)立的光的電磁學(xué)說。麥克斯韋依據(jù)庫侖、高斯、歐姆、安培、畢奧、薩伐爾、法拉第等前人的一系列發(fā)現(xiàn)和實驗成果，建立了第一個完整的電磁理論體系，不僅科學(xué)地預(yù)言了電磁波的存在，而且揭示了光、電、磁現(xiàn)象的本質(zhì)的統(tǒng)一性，完成了物理學(xué)的又一次大綜合。這一理論自然科學(xué)的成果，奠定了現(xiàn)代的電力工業(yè)、電子工業(yè)和無線電工業(yè)的基礎(chǔ)。

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赫茲，德國物理學(xué)家，生于漢堡。十九歲入德累斯頓工學(xué)院學(xué)工程，由于對自然科學(xué)的愛好，次年轉(zhuǎn)入柏林大學(xué)，1885年任卡爾魯厄大學(xué)物理學(xué)教授。1889年，擔(dān)任波恩大學(xué)物理學(xué)教授。赫茲根據(jù)電容器經(jīng)由電火花隙會產(chǎn)生振蕩原理，設(shè)計了一套電磁波發(fā)生器和一簡單的檢波器來探測電磁波，赫茲在暗室遠(yuǎn)端的墻壁上覆有可反射電波的鋅板，入射波與反射波重迭應(yīng)產(chǎn)生駐波，他以檢波器在距振蕩器不同距離處偵測加以證實。赫茲先求出振蕩器的頻率，又以檢波器量得駐波的波長，二者乘積即電磁波的傳播速度。正如麥克斯韋預(yù)測的一樣。電磁波傳播的速度等于光速。1888年，赫茲的實驗成功了。赫茲在實驗時曾指出，電磁波可以被反射、折射和如同可見光、熱波一樣的被偏振。由他的振蕩器所發(fā)出的電磁波是平面偏振波，其電場平行于振蕩器的導(dǎo)線，而磁場垂直于電場，且兩者均垂直傳播方向。1889年在一次著名的演說中，赫茲明確的指出，光是一種電磁現(xiàn)象。第一次以電磁波傳遞訊息是1896年意大利的馬可尼開始的。1901年，馬可尼又成功的將訊號送到大西洋彼岸的美國。20世紀(jì)無線電通訊更有了異常驚人的發(fā)展。赫茲實驗不僅證實麥克斯韋的電磁理論，更為無線電、電視和雷達(dá)的發(fā)展找到了途徑。

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杰克·S·基爾比，曾長期供職于美國著名的德州儀器公司，出生于美國堪薩斯州，曾獲美國伊利諾伊州電子工程學(xué)學(xué)士和威斯康星州電子工程學(xué)碩士。他從1947年開始從事消費(fèi)類電子產(chǎn)品的開發(fā)，1958年加入德州儀器公司，從事計算機(jī)集成電路研究和開發(fā)。1970年榮獲美國國家科學(xué)獎?wù)隆?982年，他的名字被寫入了美國發(fā)明家名人堂，獲得了與亨利·福特、愛迪生和懷特兄弟并列的榮譽(yù)。他目前擁有六十多項美國專利，是電器和電子工程師協(xié)會的成員?；鶢柋泉氉匝芯科陂g，漸漸形成一個天才的想法：電阻器和電容器可以用與晶體管相同的材料制造。另外，既然所有元器件都可以用同一塊材料制造，那么這些部件可以先在同一塊材料上就地制造，再相互連接，最終形成完整的電路。他選用了半導(dǎo)體硅。集成電路取代了晶體管，為開發(fā)電子產(chǎn)品的各種功能鋪平了道路，并且大幅度降低了成本，它的誕生，使微處理器的出現(xiàn)成為了可能，也使計算機(jī)變成普通人可以親近的日常工具。集成技術(shù)的應(yīng)用，催生了更多方便快捷的電子產(chǎn)品，比如常見的手持電子計算器，就是基爾比繼集成電路之后的一個新發(fā)明?！?。

基爾比獲獎后對青年人的特別建議：

電子學(xué)是一項迷人的領(lǐng)域，發(fā)展速度日新月異，未來的機(jī)遇一如既往，建議投身其中，從頭做起。13

電子技術(shù)是十九世紀(jì)末、二十世紀(jì)初開始發(fā)展起來的新興技術(shù)，二十世紀(jì)發(fā)展最迅速，應(yīng)用最廣泛，成為近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個重要標(biāo)志。電子計算機(jī)發(fā)展經(jīng)歷的四個階段恰好能夠充分說明電子技術(shù)發(fā)展的四個階段的特性第一代（1946~1957年）是電子計算機(jī)，它的基本電子元件是電子管，運(yùn)算速度為每秒幾千次~幾萬次第二代（1958~1970年）是晶體管計算機(jī)。第三代（1963~1970年）是集成電路計算機(jī)。開始采用性能更好的半導(dǎo)體存儲器，運(yùn)算速度提高到每秒幾十萬次基本運(yùn)算。第四代（1971年~日前）是大規(guī)模集成電路計算機(jī)。運(yùn)算速度可達(dá)每秒幾百萬次，甚至上億次基本運(yùn)算。141.3信號的傳輸與電子系統(tǒng)

1.3.1電子系統(tǒng)

傳輸信號，由三部分組成：

信號獲取依靠傳感器得到電信號

信號處理對信號加工，適合傳輸

信號執(zhí)行完成系統(tǒng)的最終任務(wù)光電管放大器顯示器計數(shù)器激光測距電子系統(tǒng)151.3.2信號描述（1）信號源等效電路

（2）正弦電壓信號(3)

模擬與數(shù)字信號時間和幅值均連續(xù)為模擬信號RiRSRSRi+VS-ISVmtωω0Vmπv(t)17電信號源的電路表達(dá)形式電子系統(tǒng)RS+-VS電壓源等效電路電流源等效電路電子系統(tǒng)RSIS戴維寧諾頓轉(zhuǎn)換18電信的時域與頻域表示A.正弦信號時域頻域信號及其頻譜19電信的時域與頻域表示C.非周期信號傅里葉變換：通過快速傅里葉變換（FFT）可迅速求出非周期信號的頻譜函數(shù)。非周期信號包含了所有可能的頻率成分離散頻率函數(shù)周期信號連續(xù)頻率函數(shù)非周期信號頻域時域21模擬信號和數(shù)字信號處理模擬信號的電子電路稱為模擬電路。模擬信號：在時間和幅值上都是連續(xù)的信號。數(shù)字信號：在時間和幅值上都是離散的信號。221.4放大電路的基本知識輸入電阻輸出電阻電壓放大模型電流放大模型

1.4.1模擬信號的放大

1.4.2放大電路模型

1.4.3放大電路的主要性能指標(biāo)

增益互阻放大模型互導(dǎo)放大模型隔離放大電路模型頻率響應(yīng)及帶寬非線性失真23要求RL?RORSISRSAISIiRiRLIoIi

電流放大要求Ri?Rs要求RO?RL要求RS?Ri25

1.4.1模擬信號的放大電壓增益（電壓放大倍數(shù)）電流增益互阻增益互導(dǎo)增益信號源負(fù)載26

1.4.2放大電路模型另一方面，考慮到輸入回路對信號源的衰減理想有要想減小衰減，則希望…？29電壓放大模型電流放大模型

1.4.2放大電路模型關(guān)心輸出電流與輸入電流的關(guān)系2.電流放大模型30

1.4.2放大電路模型——負(fù)載短路時的電流增益2.電流放大模型由輸出回路得則電流增益為由此可見要想減小負(fù)載的影響，則希望…？理想情況由輸入回路得要想減小對信號源的衰減，則希望…？理想31

1.4.2放大電路模型3.互阻放大模型（自看）輸入輸出回路沒有公共端4.互導(dǎo)放大模型（自看）5.隔離放大電路模型32

1.4.3放大電路的主要性能指標(biāo)1.輸入電阻ri

輸入電阻是衡量放大電路從其前級取電流大小的參數(shù)。Au~USUi2.輸出電阻ro

放大電路對其負(fù)載而言，相當(dāng)于信號源，這個戴維南等效電路的內(nèi)阻就是輸出電阻UI333.增益

輸入信號控制下將電源能量轉(zhuǎn)換為信號能量的能力。無量綱增益用對數(shù)表示

電壓增益=20lg∣AV∣dB電流增益=20lg∣AI∣dB344.通頻帶fAuAum0.7AumfL下限截止頻率fH上限截止頻率通頻帶：fbw=fH–fL35

1.4.3放大電路的主要性能指標(biāo)1.輸入電阻36

1.4.3放大電路的主要性能指標(biāo)2.輸出電阻所以另一方法注意：輸入、輸出電阻為交流電阻37

1.4.3放大電路的主要性能指標(biāo)3.增益反映放大電路在輸入信號控制下，將供電電源能量轉(zhuǎn)換為輸出信號能量的能力其中

“甲放大電路的增益為-20倍”和“乙放大電路的增益為-20dB”，問哪個電路的增益大？四種增益常用分貝（dB）表示38

1.4.3放大電路的主要性能指標(biāo)4.頻率響應(yīng)及帶寬（頻域指標(biāo)）A.頻率響應(yīng)及帶寬電壓增益可表示為在輸入正弦信號情況下，輸出隨輸入信號頻率連續(xù)變化的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，稱為放大電路的頻率響應(yīng)。或?qū)憺槠渲?9

1.4.3放大電路的主要性能指標(biāo)4.頻率響應(yīng)及帶寬（頻域指標(biāo)）A.頻率響應(yīng)及帶寬普通音響系統(tǒng)放大電路的幅頻響應(yīng)該圖稱為波特圖縱軸：dB橫軸：對數(shù)坐標(biāo)40

1.4.3放大電路的主要性能指標(biāo)4.頻率響應(yīng)及帶寬（頻域指標(biāo)）A.頻率響應(yīng)及帶寬其中普通音響系統(tǒng)放大電路的幅頻響應(yīng)高頻區(qū)中頻區(qū)低頻區(qū)3dB頻率點（半功率點）3dB頻率點（半功率點）

直流放大電路的幅頻響應(yīng)與此由何區(qū)別？41

1.4.3放大電路的主要性能指標(biāo)4.頻率響應(yīng)及帶寬（頻域指標(biāo)）B.頻率失真（線性失真）幅度失真：對不同頻率的信號增益不同，產(chǎn)生的失真。基波二次諧波輸入信號輸出信號基波二次諧波42

1.4.3放大電路的主要性能指標(biāo)4.頻率響應(yīng)