电路与模拟电子技术基础(高等学校电子信息类专业系列教材)较为精练地整合了“电路理论”和“模拟电子技术”两门课程,内容选取上本着“电路”为“模电”服务的原则,兼顾深度和广度,力求有较宽的覆盖面以容纳较大的信息量,力求合理的深度;既注重基础理论,同时也兼顾技术的先进性;体系结构新颖,文字简练流畅;例题和习题富有思考性和启发性,并在书后附有部分习题参考答案。
电路与模拟电子技术基础(高等学校电子信息类专业系列教材)较为简明地介绍了电路理论基础和模拟电子技术基础的主要内容,包括直流电路、正弦交流电路、常用半导体器件、放大电路基础、集成运算放大器、放大电路中的负反馈、集成运算放大器的应用、直流稳压电源、在系统可编程模拟器件及其开发平台。
电路与模拟电子技术基础(高等学校电子信息类专业系列教材)适合作为高等学校计算机科学与技术、机电设计及其自动化等专业的“电路与模拟电子技术”课程的教材,也适合作为高等职业院校电气与电子类专业相关课程的参考教材。
入选教育部高等学校电子信息类专业教学指导委员会规划教材!配教学课件,专门为计算机类与机电类专业编著!本书配有教学课件(PPT),下载地址为清华大学出版社网站本书页面。
“电路与模拟电子技术基础”是计算机科学与技术专业的一门重要的技术基础课程,通过本课程的学习,使学生掌握电路和模拟电子技术方面的基础理论、基本电路和基本的分析和设计方法,为进一步学习“数字电路”“计算机组成原理”等课程打下良好的基础。
“电路与模拟电子技术基础”课程的内容包括电路理论基础和模拟电子技术基础两部分,内容庞杂,涉及面广。在教与学两方面都有很大的难度。充分考虑到“电路与模拟电子技术”课程的基本教学目标以及“内容多与学时少”的矛盾,本着“以模拟电子技术基础为主,电路理论为模拟电子技术服务”的原则,大幅度删减了“电路理论基础”课程的内容,同时精简了“模拟电子技术基础”课程的内容,并大胆改革了经典内容的传统写法,力求使教材更适应于少学时的教学需求。
本书是根据作者长期从事“电路与模拟电子技术基础”课程教学的经验编写而成的,主要特点如下:
(1)内容精练,体系新颖。
对原属于“电路理论基础”和“模拟电子技术基础”两门课程的内容进行优化组合,遵循“必需”和“够用”的宗旨精选内容,凝练章节,构建新的教材体系。
(2)强化电路基本概念,突出集成电路应用。
在电路理论基础部分,强调“直流电路”和“正弦交流电路”的分析方法,删除了“动态电路分析”的相关内容;在模拟电子技术基础部分,精写分立元件电路的内容,突出集成电路及其应用。
(3)语言形象精练,叙述深入浅出。
在编写分立元件电路时,充分利用图、表等形象化的语言,并通过例题讲解经典电路的分析方法,使问题的叙述更为精练。此外,在介绍电路的基本原理时,注重突出电路结构的构思方法,以使读者从中获得启发。
(4)引入EDA软件和可编程器件,引导先进分析设计方法。
在模拟电子技术基础的章节,每章均针对相应的重点或难点设置了Multisim仿真内容;同时在教材最后一章引入了模拟可编程器件的原理及其应用,旨在引导学生熟悉和了解电子技术领域先进的分析和设计方法。
本书的教学时数为54学时左右,打“※”的内容可根据需要取舍。
本书由杨凌主编,高晖、杜娟参编。杨凌编写第1、2、4、5、6、7章并统稿,高晖编写第3、8章,杜娟编写第9章及全部附录。
本书内容已制作成用于多媒体教学的PowerPoint课件,并将免费提供给采用本书作为教材的院校使用。
由于编者的能力和水平有限,书中不妥之处在所难免,敬请使用本书的师生和读者不吝批评指正。
编者2017年10月
杨凌,兰州大学信息科学与工程学院副教授、硕士生导师,教育部高等学校电子信息类专业教学指导委员会协作委员,兰州大学信息科学与工程学院教学指导委员会副主任。教育部学位与研究生教育发展中心评议专家,陕西省科技计划评审专家,甘肃省科技评价及奖励评审专家,兰州大学“君政基金”项目指导教师。长期从事通信与信息系统、信号与信息处理、非线性电路等领域的教学和研究工作。开设“电路分析”、“模拟电子线路”、“数字电路与逻辑设计”、“自动控制原理”等多门本科课程。发表学术论文50余篇。主持或参与国家、省部级等科研项目10余项。出版教材2部,获得教学成果奖2项。
第1章直流电路
1.1电路的基本概念
1.1.1电路的组成
1.1.2实际电路和电路模型
1.1.3电路中的基本物理量及参考方向
1.2电路的基本定律
1.2.1欧姆定律
1.2.2基尔霍夫定律
1.3电源的工作状态
1.3.1带载工作状态
1.3.2开路(空载)状态
1.3.3短路状态
1.4受控源
1.5电路中电位的计算
1.6复杂电路的基本分析方法
1.6.1叠加原理
1.6.2等效电源定理
1.6.3含受控源电阻电路的分析
※1.6.4非线性电阻电路的分析
思考题与习题
第2章正弦交流电路
2.1交流电的基本概念
2.1.1正弦交流电的三要素
2.1.2正弦交流电的相位差
2.1.3正弦交流电的有效值
2.2正弦量的相量表示方法
2.2.1用旋转相量表示正弦量
2.2.2相量图
2.2.3正弦交流电路的相量分析方法
2.3交流电路中的基本元件
2.3.1电阻元件
2.3.2电感元件
2.3.3电容元件
2.4单一参数的正弦交流电路
2.4.1纯电阻电路
2.4.2纯电感电路
2.4.3纯电容电路
2.5RLC串联电路
2.6正弦交流电路中的谐振
2.6.1串联电路的谐振
2.6.2并联电路的谐振
※2.7三相交流电路
2.7.1三相交流电源
2.7.2三相负载的连接
2.7.3三相电路的功率
思考题与习题
第3章常用半导体器件
3.1半导体基础知识
3.1.1本征半导体
3.1.2杂质半导体
3.1.3PN结的形成及特性
3.2晶体二极管
3.2.1二极管的分类、结构和符号
3.2.2二极管的特性和主要参数
3.2.3几种特殊的二极管
3.3晶体三极管
3.3.1三极管的分类、结构和符号
3.3.2三极管的电流分配与放大作用
3.3.3三极管的特性曲线和工作状态
3.3.4三极管的主要参数
3.3.5温度对三极管参数的影响
3.4场效应管
3.4.1场效应管的分类、结构、符号和特性曲线
3.4.2场效应管的主要参数
3.4.3场效应管与三极管的比较
3.5用Multisim分析晶体管的特性
思考题与习题
第4章放大电路基础
4.1放大电路概述
4.1.1放大的概念
4.1.2放大电路的主要性能指标
4.2放大电路的构成原则和工作原理
4.2.1放大电路的构成原则
4.2.2放大电路的工作原理
4.3三种基本的三极管放大电路
4.3.1分压偏置Q点稳定电路
4.3.2三种基本的三极管放大电路
4.4场效应管放大电路
4.4.1场效应管的微变等效电路
4.4.2三种基本的场效应管放大电路
4.5多级放大电路
4.5.1多级放大电路的组成
4.5.2多级放大电路的级间耦合方式
4.5.3多级放大电路的分析计算
4.6低频功率放大电路
4.6.1功率放大电路的特点和分类
4.6.2乙类互补对称功率放大电路
4.6.3甲乙类互补对称功率放大电路
4.6.4功放管的散热问题
4.7放大电路的频率响应
4.7.1频率响应的一般概念
4.7.2三极管的频率特性参数及其混合π型等效电路
4.7.3单管放大电路的频率响应
4.7.4多级放大电路的频率响应
4.8用Multisim分析放大电路
思考题与习题
第5章集成运算放大器
5.1集成运算放大器的组成
5.2电流源电路
5.2.1电流源电路
5.2.2电流源电路作为有源负载
5.3差动放大电路
5.3.1直接耦合放大电路的主要问题
5.3.2差动放大电路的组成
5.3.3差动放大电路的工作原理
5.3.4差动放大电路的分析计算
5.3.5恒流源差动放大电路
5.4集成运算放大器
5.4.1集成运算放大器的结构、符号及封装形式
5.4.2集成运算放大器的主要参数
5.4.3理想运算放大器的概念及其特点
5.4.4集成运算放大器的使用注意事项
5.5用Multisim分析差动放大电路
思考题与习题
第6章放大电路中的负反馈
6.1反馈的基本概念及反馈放大电路的一般框图
6.1.1反馈的基本概念
6.1.2反馈放大电路的一般框图
6.2反馈的分类及判别方法
6.3负反馈放大电路的一般表达式及四种基本组态
6.3.1负反馈放大电路的一般表达式
6.3.2负反馈放大电路的四种组态
6.4负反馈对放大电路性能的影响
6.4.1提高放大倍数的稳定性
6.4.2减小非线性失真
6.4.3扩展通频带
6.4.4对输入电阻和输出电阻的影响
6.5深度负反馈放大电路的近似估算
6.6用Multisim分析负反馈放大电路
思考题与习题
第7章集成运算放大器的应用
7.1基本的信号运算电路
7.1.1比例运算电路
7.1.2求和运算电路
7.1.3积分和微分运算电路
7.1.4对数和指数运算电路
7.1.5乘法和除法运算电路
7.1.6电压电流(V/I)和电流电压(I/V)变换电路
7.2有源滤波电路
7.2.1有源滤波器的分类
7.2.2有源低通滤波器
7.2.3有源高通滤波器
7.2.4带通滤波器
7.2.5带阻滤波器
7.3电压比较器
7.3.1单限电压比较器
7.3.2滞回电压比较器
7.3.3窗口电压比较器
7.4波形产生电路
7.4.1正弦波产生电路
7.4.2非正弦波产生电路
7.5用Multisim分析集成运放的应用电路
思考题与习题
第8章直流稳压电源
8.1直流稳压电源的组成
8.2单相桥式整流电路
8.2.1电路组成及工作原理
8.2.2整流二极管的选择
8.3滤波电路
8.3.1电容滤波电路
8.3.2电感滤波电路
8.3.3复式滤波电路
8.4稳压电路
8.4.1硅稳压管稳压电路
8.4.2串联反馈式稳压电路
8.4.3线性集成稳压电路
※8.4.4开关型稳压电路
8.5用Multisim分析直流电源电路
思考题与习题
※第9章在系统可编程模拟器件及其开发平台
9.1引言
9.2主要ispPAC器件的特性及应用
9.2.1ispPAC10
9.2.2ispPAC20
9.2.3ispPAC30
9.2.4ispPAC80/81
9.3PACDesigner软件及开发实例
9.3.1PACDesigner的基本用法
9.3.2设计实例
附录A电路仿真软件——Multisim软件简介
A.1Multisim集成环境
A.2元器件及虚拟仪器
A.3Multisim仿真功能简介
附录B部分习题参考答案
参考文献
第5章集成运算放大器
集成电路是20世纪50年代末发展起来的一种新型器件,它采用半导体集成工艺,把众多晶体管、电阻、电容及连线制作在一块硅片上,做成具有特定功能的独立电子线路。与分立元件电路相比,集成电路具有性能好、可靠性高、体积小、耗电少、成本低等优点,因此,自它诞生起便得到了飞速的发展并获得了广泛的应用。
集成运算放大器(operational amplifier)简称运放,是一种模拟集成电路,由于它最初被用于模拟计算机,实现各种数学运算而得名,该名称一直沿用至今。目前,集成运放的应用已远远超出了模拟运算的范畴,它作为一种通用集成器件被广泛用于各种电子系统及设备中。
5.1集成运算放大器的组成
集成运算放大器实质上是一种高增益的多级直接耦合放大电路。集成运放的类型很多,电路也不一样,但结构具有共同之处,通常由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部分组成,图51示出了其内部电路组成原理框图。
图51集成运放的内部电路组成框图
其中对输入级的要求是输入电阻大、噪声低、零漂小,一般是由三极管或场效应管组成的差动式放大电路组成; 中间级的主要作用是提供电压增益,它可由一级或多级放大电路组成; 输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器组成,以降低输出电阻,提高带负载能力; 偏置电路为各级电路提供合适的偏置电流。此外还有一些辅助环节,如单端化电路、相位补偿环节、电平移动电路、输出保护电路等。
5.2电流源电路
电流源(current source)电路是广泛应用于集成电路中的一种单元电路。在集成电路中,电流源除了作为偏置电路提供恒定的静态偏置电流外,还可利用其输出电阻大的特点,做有源电阻使用,以提高单级放大电路的放大倍数。
5.2.1电流源电路
1. 单管电流源电路
表51示出了几种三极管单管电流源电路,以供读者学习和比较。
表51常见的几种三极管电流源
类型电 路 结 构Io与Ir的关系式输 出 电 阻特点
基本镜像电流源Ir=UCC-UBER≈UCCR
Io=ββ+2Ir≈IrRo=rce2当β、UCC较小时,Io的精度较低、热稳定性较差
改进型镜像电流源Ir=UCC-2UBER
Io=β2+ββ2+β+2Ir≈IrRo=rce2有T3管隔离,在β较小时也有Io≈Ir,Io精度提高
比例式电流源Ir=UCC-UBER+R1≈UCCR+R1
Io=R1R2Ir+UTR2lnIrIo
≈R1R2IrRo≈1+βR2R2+rbe2+R1∥Rrce2按比例输出毫安级电流,Io/Ir与电阻成反比。Ro增大,Io精度提高
微电流源Ir=UCC-UBER≈UCCR
Io=UTR2lnIrIoRo≈1+βR2R2+rbe2rce2提供微安级电流,IoIr。
Ro增大,Io精度提高
威尔逊电流源Ir=UCC-2UBER
Io=β2+2ββ2+2β+2Ir≈IrRo≈β2rceIo精度高。因为有负反馈,所以Io稳定性也好
2. 多路电流源
表51中的电流源电路都是以一个参考电流对应一个输出电流。实际电路设计中,常常以一个参考电流对应多个输出电流,如图52所示。
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