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1、第 1 章 电子电路基础知识随着通信技术、计算机技术和电子技术的迅速发展，各种电子产品进入千家万户，手 机、计算机、数码照相机、家庭音响、电视机等电子设备已成为人们日常生活中的必需品。 那么，它们的工作原理是怎样的呢？其内部电路又是如何设计的？要回答这些问题，就需 要了解电子电路中诸多方面的知识，比如电子设备中每一个电子元器件是怎样工作的，它 们又是如何组成具有特殊功能的电路，进而构成一个复杂巧妙的电子系统的，等等。学习 电子电路是一件非常有趣的事。为了后续内容的学习，首先需要介绍一些电子电路的基本概念和基本分析方法，并通 过一些电子系统的典型实例，对将要学习的一些重要功能模块有一个初步的认识
2、。另外，作为研究电子电路的基础用书，本书在附录A对线性电路的几个基本问题进行 了回顾，以便读者学习本书时参考。1.1 电信号你知道我们的声音是如何传送到扬声器的？声音首先通过微音器（话筒）变成音频信 号，再经过扩音器的放大，最后通过扬声器还原成声音。这一过程可归纳为“声电声” 的转换和传送的过程。类似的例子还可以列举很多，它们的共同点是，非电量（比如声信 号）经过传感器（比如微音器）转换为电量，即电信号，然后再送入电子系统进行电信号 的处理。由此可见，讨论需从“电信号”和“电子系统”两方面入手。从广义上讲，信号包含光信号、声信号和电信号等。信号作为带有信息的某种物理量， 可以随时间或随空间变化
3、。在信号分析中，根据信号的取值在时间上是否连续（不考虑个 别不连续点），可将信号分为时间连续信号和时间离散信号。其中，时间连续信号有两种： 一种取值是连续的，一种取值是离散的。同理，时间离散信号也有两种：一种取值连续， 一种取值离散。若信号的时间与取值都是连续的，则称此类信号为模拟信号；若信号的时 间连续，但是信号的取值离散，则称此类信号为量化信号；若信号的时间离散，但信号的 取值连续，则称此类信号为抽样信号或取样信号；若信号的时间与取值都是离散的，则称 此类信号为数字信号。电子系统可处理的信号为电信号，所以，自然界中各种非电量必须通过传感器转换为 电信号，而电信号是指随时间而变化的电压或电流
4、。能够处理模拟电信号的电子电路称为 模拟电路，能够处理数字电信号的电子电路称为数字电路。模拟电路正是本书主要讨论的 内容，包括模拟电路的基本概念、基本原理、基本分析方法、基本设计方法和基本应用等。 至于其他类型信号的处理方法和电路，可参考数字电路等有关书籍。1.2 电子系统在人们的日常生活中，有许多熟悉的电子产品，它们就是一个电子系统，如电视机、 收音机、家庭音响、手机和计算机等。还有一些电子系统是存在的但不是很明显，比如电 冰箱中的电子控制系统。当然，还有很多不熟悉的庞大而复杂的电子系统。一般来说，为 了完成特定的功能，将若干个子系统或功能模块，按照一定的要求，组成的规模较大的、 完整的电子
5、装置，称为电子系统。电子系统有大有小，有简单的，也有复杂的，它们有的是模拟的，有的是数字的，也 有的是模拟和数字混合的。电子系统常见的功能模块包括信号源、放大电路、滤波器、直 流电源、波形变换电路、数字逻辑电路和转换电路等。简单地说，信号源可以产生各种波形信号，比如正弦波、方波、三角波等，放大电路 用于增大微弱信号的功率，滤波器用于信号的提取等；直流电源为其他功能模块提供必需 的能量；波形变换电路可将一种波形变换为另一种波形；数字逻辑电路可以处理数字信号； 转换电路可以实现信号从模拟到数字或从数字到模拟的转换；等等。作为对电子系统的初步认识，下面列举几个简单的模拟电子系统的例子。1扩音器一个简
6、单扩音器的基本功能，是能够将微弱的音频信号放大，最终以足够大的功率驱动扬声器发声。扩音器的原理框图如图 1.1 所示。语言信号通过微音器（话筒）转换成的图 1.1 扩音器原理框图电信号是很微弱的，需先经过具有一定放大倍 数的放大电路，即音频电压放大电路，将微弱 信号放大到具有一定电压值的信号，然后，再 推动音频功率放大电路，使之输出足够大的功 率，推动扬声器发声。2直流稳压电源以低压线性直流稳压电源为例，其输入为 220V 的正弦波交流电压，而输出为所需的 低压直流电压。为了实现此功能，需要如图 1.2 所示的四个功能模块。其中，变压器可将 220V 的交流电压降到一定值的低压交流电压，整流电
7、路（即波形变换电路）将交流电压变 为脉动直流电压，滤波电路可将脉动直流变为较平稳的直流，最终稳压器（即放大电路） 的输出将是不随输入电压或负载变化的稳定直流。变压器图 1.2 直流稳压电源3超外差收音机典型的超外差收音机的原理框图如图 1.3 所示，图中包括放大电路、滤波电路、信号 源（如本机振荡器）和波形变换电路（如峰值检波器）等。图 1.3 超外差收音机原理框图以上仅对电子系统作了一个简单的了解。显然，描述一个完整的电子系统，还需要对 每一个功能模块提出相应的技术指标，比如放大电路的放大倍数、输入电阻、带宽等。当 然，每一个功能模块又应由包含电阻、电容、电感、晶体管、集成电路等元器件构成的
8、电 路所组成。我们需要掌握的技巧是，设计每一个模块应从它的外特性出发，比如设计一个 实际的放大电路时，首先涉及的是它所要求的技术指标。而对于一个复杂的电子系统来说， 如何选择一个合理的原理框图，将涉及到诸多方面的知识，比如控制系统、通信系统等， 以及电路设计的优化，电磁兼容性，元器件的选择，工艺等问题，这里就不一一介绍了。从对电子系统的分析可知，对模拟信号最基本的处理是放大，而放大电路不仅具有独 立地完成信号放大的功能，而且也是构成各种功能模拟电路，如滤波器、振荡器、稳压器 等的基本电路。1.3 放大电路利用传感器将非电量转换为电量所得到的模拟信号，通常是很微弱的，比如上述的微 音器可将声音转
9、换为幅值为1mV左右的电信号，这个小信号再输入到电压放大倍数为数千 倍的放大器进行放大，从而输出幅值为数伏量级的信号，将这个大电压信号作用于扬声器， 才能发出响亮的声音。又比如数码照相机，其前端的光电传感器所产生的微弱信号需放大 几千倍甚至更大，才能进行模数转换，从而作进一步的分析、处理和显示等。可见，放大 电路是电子系统中非常重要的功能模块，它的作用就是对输入信号进行线性放大，即放大 电路的输出信号是与输入信号波形形状完全相同的大幅度的信号。可用图1.4 概括放大电 路“放大”信号的过程。（1）放大电路输入端口的一端和输出端口的一端连接到一个公共“地”（又称电位参 考点）上，这是通常的作法（
10、隔离放大电路除外）。注意图1.4 （a）所示的接地符号为。 这个公共地可作为信号电流和直流供电（在1.4 节介绍）电流回路的共同端点。在电子电 路中引入电位参考点，将在电子电路的绘制、分析、设计和制作等方面带来很多方便。图 1.4 放大电路“放大”信号（2）信号源（比如上述例中的微音器）是独立源，可以等效为电压源或电流源，这是 根据放大电路的输入电阻的大小来确定的。若输入电阻较大，则信号源应采用电压源，以确保电路输入端得到较大的信号压降； 若输入电阻较小，则信号源应采用电流源，以确保电路输入端得到较大的信号电流。（3）负载（比如上述例中的扬声器）可以是一个确定的电阻，也可以是一个等效电阻 比如
11、后级电路的输入电阻）。（4）放大电路可视为一个二端口网络。根据二端口网络的四个模型（参见附录A）,可 以得到放大电路的四个模型。这里只考虑放大电路的正向传输，而没有考虑它的负向传输，1.1）1.2）1.3）1.4）因此，忽略系数z12、g12、h12和y12，于是，得到放大电路四个模型的基本方程组: 片=z IW = z I + z I2 21 1 22 2JI = g VV = g VZ + g I2 2 22 2JU = h I I = h I + h V2 2 22 2JI = y u11 = y V + y V2 2 22 2由式（1.1 ）式（1 .4）的第一式，可以求得输入电阻 1
12、 , 1R = z = = h =i g y gy由式（1.1 ）式（1 .4）的第二式，令卩=0或I = 0，可以求得输出电阻1 1c11R = z = g =o 22 22 h y22 22也就是说，放大电路四个模型中输入电阻的值是相同的，输出电阻的值也是相同的。将I 1I、VZ和卩分别以I、-1、V和V来表示，得到放大电路的四个模型，如图1.5所示。2 1 2 i o i oRLsRLRLRL图 1.5 放大电路的四个模型一个实际的放大电路原则上可以用上述四个模型中的任意一个作为它的电路模型。但是，根据信号源的特性和负载的要求，一般只有一个模型最为合适。比如一个电流电压转换器，其信号源为
13、高内阻的电流源，而负载要求得到恒定的电 压信号，此时放大电路应选用互阻放大电路模型为宜，如图1.5 (a)所示。在这种情况下, 放大电路可视为电流控制型的电压源。参数(比例系数)A称为开路互阻放大倍数，即roc式(1.1)第二式中，在I = 0时z21的值，其单位为欧，它等于开路输出电压V与输入电2 21 ooc流I的比值，即iqoc1.5)对于一个理想的互阻放大电路，则要求输入电阻为零，输出电阻也为零。又比如在上述图1.1扩音器的例子中，信号源为低内阻的电压源，而负载要求得到恒定 的电压信号，此时放大电路应选用电压放大电路模型为宜，如图.5 (b)所示。在这种情况 下，放大电路可视为电压控制
14、型的电压源。参数A称为开路电压放大倍数，即式1.2)第voc二式中，在I = 0时gc的值，无量纲，它等于开路输出电压与输入电压卩的比值，即2 21 ooc ivA = ooc(1.6)voc Vi 对于一个理想的电压放大电路，则要求输入电阻为无穷大，输出电阻为零。再比如一个电流放大器，其信号源为高内阻的电流源，负载要求得到恒定的电流信号，此时放大电路应选用电流放大电路模型为宜，如图1.5 (c)所示。在这种情况下，放大电路可视为电流控制型的电流源。参数A称为短路电流放大倍数，即式(1.3)第二式中，isc在U = 0时冷1的值，无量纲，它等于短路输出电流I与输入电流I的比值，即221osci
15、A = osc( 1.7)isc Ji 对于一个理想的电流放大电路，则要求输入电阻为零，输出电阻为无穷大。类似的，一个电压电流转换器，其信号源为低内阻的电压源，负载要求得到恒定的电流信号，此时放大电路应选用互导放大电路模型为宜，如图1.5 (d)所示。在这种情况下，放大电路可视为电压控制型的电流源。参数A称为短路互导放大倍数，即式(1.4)gsc第二式中，在V = 0时y21的值，其单位为西，它等于短路输出电流I与输入电压V的比221osci值，即A = osc( 18 )gsc Vi 对于一个理想的互导放大电路，则要求输入电阻为无穷大，输出电阻也为无穷大。四种类型放大电路的放大倍数和源放大倍数如表 1-1 所示。表 1-1 四种类型放大电路放大倍数一览表类型放大倍数A =呂=RLAr IR + Rroc互阻放大电路.VoLRRAA .o sLrsIR + RR + RrccOTRAA vo v VLR + Rvoc
