模拟电子技术绪论（3）.pdf

《模拟电子技术绪论（3）.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟电子技术绪论（3）.pdf（38页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、模拟电子技术绪论 模拟电子系统的评价和分析方法 当设计完模拟电子电路后，需要从不同的方面对其进行 评估。主要分为理论分析和仪器测试两方面。 理论分析用于指导实际的模拟电子系统设计和使用仪器的实 际测试。 而仪器实际测试的结果反过来又帮助理解模拟电子技术的理 论知识，两者是相辅相成的关系。 理论分析方法类型 -传统分析方法的局限性 早期，由于条件所限，工程师通过晶体管的小信号模 型，获得小规模模拟电子电路电压增益、电流增益、 输入阻抗、输出阻抗、频率响应特性等。然后，再将 它们连接起来构成一个复杂的模拟电子系统。 这种方法在模拟电子技术发展早期是非常有效的。但是，随 着半导体技术的不断发展，这种

2、通过人工计算的方法就显得 效率很低。 理论分析方法类型 -EDA技术的发展 随着计算机性能的不断提高，电子设计自动化 （Electronic Design Automation，EDA）工具成为 电子系统设计和分析的强有力的助手，用于取代传统的 手工计算方法，显著的提高了设计和分析效率。 理论分析方法类型 -EDA技术的发展 以集成电路为重点的仿真程序（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis，SPICE），它 是为了执行日益庞大而复杂的集成电路仿真工业而发展 起来的，它是一个通用的、开源的模拟电子电路仿真工 具。 SPICE是一个

3、程序，它用于集成电路和板级设计，用于检查电 路设计的完整性，并且预测电路的行为。 基于晶体管级的仿真和验证。 理论分析方法类型 -EDA技术的发展 SPICE最早由加州大学伯克利分校开发。 1975年改进成为SPICE2的标准，它使用FORTRAN语言开 发。 在1989年，Thomas Quarles开发出SPICE3，它使用C语 言编写，并且增加了X窗口系统绘图功能。 理论分析方法类型 -EDA技术的发展 在目前流行的SPICE仿真工具，包括： NI公司的Mutisim Workbench工具； Altium公司的Altium Designer工具； Cadence公司的OrCAD工具。

4、理论分析方法类型 -EDA技术的发展 在SPICE仿真工具中，包含下面的模块： 电路原理图输入程序 激励源编辑程序 电路仿真程序 输出结果绘图程序 模型参数提取程序 元器件模型参数库 理论分析方法类型 -EDA技术的发展 SPICE的基本分析功能包含三大类： 直流分析 交流分析 时域分析 特别要注意的是这些理论分析方法和实际的测试仪器之间有着 一一对应的关系，这些分析方法也将贯穿课程后续内容。 SPICE仿真 -直流分析 直流工作点分析 用于测量在电路中包含电感短路和电容开路的直流工作点。 这说明了进行直流工作点分析的先决条件。 直流扫描分析 测量直流转移特性。当输入信号在一定范围内变化时，输

5、出 一个曲线轨迹。通过执行一系列的直流工作点分析，设计者 可以修改所选定信号源的电压，从而得到一个直流传输曲线。 SPICE仿真 -直流分析 传递函数分析 也称为小信号分析。 它将计算每个电压节点上的直流输入电阻、直流输出电阻和 直流增益值。 直流分析 -直流和小信号规范 交流和小信号规范包含直流电源电压Vcc、直流偏置电 流（用于启动晶体管以及工作）和功耗PD（直流电源 提供的功率）。 通常需要指定电压增益，即Vo和Vi的比值。两者之间线性。 直流分析 -直流和小信号规范 且电路工作在静态点Q，电压增益由下式给出。 Av称为“大信号电压增益”。 直流分析 -直流和小信号规范 对于后面介绍的晶

6、体管来说，它的特性图通常是非线性的。 直流分析 -直流和小信号规范 电路工作在静态工作点Q点。使输入信号在很小的范围内变化， 以便VOVI关系是线性的，将电压增益称为小信号增益Av， 表示为： 在模拟电子电路中，特别是在放大器中，通常工作在特性中 一个特定的线性范围。 点 SPICE仿真 -交流分析 交流分析是在一定的频率范围内计算电路的响应。 如果电路中包含非线性器件或者元件。在计算频率响应之前， 就应该得到该元器件的交流小信号参数。 在进行交流分析前，必须要保证电路中至少有一个交流信号 源。 SPICE仿真 -交流分析 理论上的交流分析其等效于使用频谱分析仪对电路进行 频域分析。 图中Ap

7、b表示通带内的电压增益，Zi为输入阻抗，ZO为输出阻抗 SPICE仿真 -交流分析 上图是一个典型的频率响应特性，它描述了电压增益与 频率之间的关系，就是我们经常所提到的幅度-频率响 应特性。 从图中可以看出来，当输入信号Vi的频率在fL，fH之间时， 电压增益基本不变，而当输入信号的频率小于fL或者大于fH时， 可以看到电压增益明显变小。 在本书后面介绍滤波器时，将这种频率特性称为带通特性。 当fL=0时，称模拟电子电路具有低通特性；当fH=时，称模 拟电子线路具有高通特性。 有缘学习更多+ 谓y g d 3 0 7 6 或关注桃报：奉献教育（店铺） SPICE仿真 -瞬态（暂态）分析 瞬态

8、分析是指对指定输入信号的响应而产生的输出信号， 实际上就是在时域进行分析，理论上的瞬态分析就等效 于使用示波器对电路进行时域分析。 与交流分析不一样的是，对于瞬态分析来说，在一个时间段 内，输入信号Vi的频率是不变的，然后观察输出Vo随时间的 变化情况。 SPICE仿真 -傅里叶分析 傅里叶分析是在瞬态分析的基础上，分析信号中的基 波和谐波分量。 SPICE仿真 -阻抗特性分析 该分析将显示电路中任意端点和源点之间的阻抗特征，它 通常作为交流小信号分析的一部分。通过输入电源电压值 除以输出电流值，可以得到阻抗测量值。 当SPICE进行阻抗特性分析时，执行下面的行为： 从输入端删除信号源。 输入

9、电源与地短接。 删除所有接入电路的负载。 连接输出两端的电源，即正电源连接到输出端，负端接地。 SPICE仿真 -噪声分析 噪声分析利用噪声谱密度，测量由电阻和半导体器件引 起的噪声影响，通常由V2/Hz表征测量噪声值。 电阻和半导体器件均可以产生噪声，噪声电平取决于频率。 电阻和半导体器件会产生不同类型的噪声。 特别注意的是，在噪声分析中，将电容、电感和受控源看作 无噪声元器件。 对交流分析的每一个频率，计算电路中每一个噪声源（电阻 或晶体管）的噪声电平，通过将各均方根值相加，得到它们 对输出节点的贡献。 SPICE仿真 -零极点分析 在单输入/输出的线性系统中，利用电路的小信号交流 传输函

10、数，通过计算极点/零点，用零点-极点（Pole- Zero）进行稳定性分析。 将电路的直流工作点线性化，对所有非线性器件匹配小信号 模型。传输函数可以是电压增益（输出与输入电压之比）或 阻抗（输出电压与输入电流之比）中的任意一个。 SPICE仿真 -蒙特卡洛分析 它是一种统计模拟方法。 它是在给定电路元器件参数容差为统计分布规律的情况下， 用一组伪随机数求得元器件参数的随机抽样序列，然后对这 些随机抽样的电路进行直流扫描、直流工作点、传递函数、 噪声、交流小信号和瞬态分析。并且，通过多次分析结果估 算出电路性能的统计分布规律。 在蒙特卡洛分析基础上，可以执行最坏情况分析。 SPICE仿真 -温

11、度扫描分析 温度扫描是指在一定的温度范围内计算电路参数，用来 确定电路的温度漂移等性能指标。 SPICE仿真 -参数扫描分析 参数扫描可以与直流、交流或瞬态分析等配合使用，为 研究电路参数变化对电路性能的影响提供了极大的便利。 在分析功能上与蒙特卡罗分析和温度分析类似，它是按扫描 变量对电路的所有分析参数进行扫描。 分析结果将产生一个数据列表或一组曲线图。 理论分析方法的实质 理论分析方法的核心就是直流分析、瞬态分析、交流 小信号分析。此外，还应该包含统计域分析。 这些分析方法，其实质体现着信号与系统的辨证关系。 理论分析方法的实质 -时域分析问题 使用有源器件实现的模拟微分器。其输入电压VI

12、和 输出电压VO的关系表示为： 理论分析方法的实质 -时域分析问题 很明显这是一个时间域的表达式。通过该式，当给定一 个时域输入信号Vi(t)时，通过该式就可以得到输出信号 Vo(t)。 理论分析方法的实质 -时域分析问题 从另一方面来说，当输入信号Vi(t)变化很快的时候，为 了防止V0(t)的值过大，可以减少K的值，这就是在自动 控制原理中介绍的用于微分作用的微分系数的值大小和 输入信号的变化快慢有关。 当信号变化过快时，减少K值，降低微分作用；而当信号变化 过慢时，增加K值，提高微分作用。 理论分析方法的实质 -频域分析问题 从上式可以看出，当输入信号Vi(t)变化的越快，通过 微分后，

13、得到的输出V0(t)越大。 典型的，当输入信号为直流时，输出为0。 随着Vi(t)变化率增加，V0(t)越大。 如果从频率的角度分析，就是我们说的“滤波器”概念，微 分器属于高通滤波器。 理论分析方法的实质 -频域分析问题 用拉普拉斯变换后，表示为 当s=j 时，将上式用频率表达式： 理论分析方法的实质 -频域分析问题 理论分析方法的实质 从上面可以看出，对于同一个模拟电子电路系统来说， 可以从不同的角度研究它。 交流小信号（频域）分析目的所关注的是频谱特性。 相比较来说，瞬态分析目的所关注的是时域特性。 有缘学习更多+ 谓y g d 3 0 7 6 或关注桃报：奉献教育（店铺） 设计测试 通

14、过理论分析，为实际电路的设计提供了重要的指导。 通过SPICE工具提供的强大分析功能，为后续进行实际 模拟电子电路设计提供了重要参考。 但是，SPICE工具的仿真只考虑了器件模型本身，但并不考虑 真实的模拟电子线路环境。 比如：元器件本身的容差、印刷电路板（Printed Circuit Board， PCB）/面包板（bread board）本身存在的电容、环境温度的变 化、实际电源纹波和地噪声等。 因此，当设计完实际的模拟电子电路时，就需要对所设计的 电路进行测试。 设计测试 传统上，对模拟电子电路的测试仪器主要包括：信号源、 扫频仪、万用表、示波器以及频谱分析仪等。 通过这些电子测量设备

15、，设计者可以对实际电路进行准确测 量和分析。 然后，根据测量结果以及电路实际工作的环境状况，修改理 论设计方案，反复不断修改，直到满足设计性能为止。 设计测试 但是，这些仪器比较昂贵，体积较大，并不方便学生 和老师在实验室以外的其它地方使用。 为了弥补这个缺陷，一些厂商陆续推出了“虚拟仪器”工具， 其原理就是通过高速ADC转换器，采集模拟电子电路的电压 等信号，通过虚拟仪器的USB高速接口，以及专用的软件工 具将转换后的结果显示在PC/笔记本电脑的显示屏上。 设计测试 这种工具的出现虽然不能代替真正的测试仪器，但是由于这 种虚拟仪器比较便宜，体积很小，因此便于学生或者老师在 实验室外的其它地方调试模拟电子线路。 特别是，NI推出的ELVIS工具，可以将虚拟仪器设备实时捕获的模 拟电子电路的模拟信号量与Multisim Workbench仿真结果进行 同步比较。 通过仿真和实际硬件测试结果的比较，深入理解理论对实际模拟 电子电路设计的指导作用。 ADI提供的虚拟仪器等。