图书前言

教材编写特点

本课程是电类专业学生接触实际电路工程的第一门专业基础课程,内容抽象,教学任务重,而且又有其本身不同于先修课程的特点和规律。因此,在教学实践中反映出的问题是教师“难教”,学生“难学”。问题的关键还是对这门课“教学内容”和“教学方法”认识不足。对于一门课程的教学内容应满足两方面: 一要反映科学的基本事实与规律,体现本学科最新成就并密切联系实际; 第二要符合培养目标和符合教学计划对本课程的基本要求,能体现本课程在教学体系中地位和作用。为配合教与学的关系,本书编写过程注意加强了以下方面的分析。 

分立元器件与集成的关系

一般来说,作为专业基础课,本课程教学内容应相对稳定,但这门课的特点注定它要加快新陈代谢。因为器件是电子线路的基石,从电子管到晶体管,再到集成电路的电子器件发展过程代表了电子技术的发展和几次大的变革,同时也说明了半导体器件制造核心技术发展日新月异。当前由于IC产业特别是EDA技术的长足进展,已经彻底打破了器件、电路和系统的界限,从根本上改变了电子技术和信息科学的领域传统思维。同时也对电子线路的教学提出更新更高的要求。为了避免与工程实践脱节,本教材教学内容选材以当代电子技术发展水平为背景,以器件为主线加速由“分立”向“集成”的转化的原则。

在教学实践中,虽然“重在集成”的观点已经被大家所接受,但集成电路的内部单元实际上是由分立元件构成的。如果忽视内部单元电路的原理,只掌握外特性和工作参数,但是这种教法的结果势必造成学生只知IC的管脚排列与外围连接,而对集成电路的内部结构以及工作原理完全不理解。从而导致课程知识结构的“分立”,使学生“知其然而不知其所以然”,难以使学生达到知识结构的“集成”。为了解决这个矛盾,在教学中要坚持“强调集成电路外特性和应用,兼顾内部单元电路原理分析”的内外兼修原则。终极目标是使传教者感到“言之有物”,受教者也感到“学有所获”。

本教材教学上明确要求学生过好“器件关”,对典型电子器件(有源器件)掌握要求做到“分析、选择、应用”一体化,关键是要掌握这些器件的外部特性,时刻注意“器件为路用”的教学原则。特别是通过分析元器件及其系统特性曲线往往有利于掌握器件与系统的模型、参数和工作原理。要懂得学习器件目的“重在应用”。要熟悉和掌握各种模拟集成电路的应用,诸如集成运放、集成功放、集成稳压器以及锁相环、乘法器等,才不至于与当代科技脱轨。实际集成电路可以宏观上把握“掌握两种集成电路”的教学理念,即线性电路——重点掌握运算放大器; 非线性电路——重点掌握模拟乘法器与集成比较器。这两类芯片都属于通用型IC,几乎可以实现线性和非线性领域的绝大部分应用电路的设计。在教学实践中对于这两种芯片要讲深讲透,要详细分析其电路结构、工作原理、参数特征以及典型应用。教师如果把握了教材处理方法和教材内容“粗讲、细讲”的分寸,可大大便于学生对于这门课程的学习。

“工程”思维与“理论”思维的关系

就分析方法而言,从过去的理想数学模型精密计算转换到本课程采用电子线路近似工程分析是本课程的核心思路与课程思维。本课程教与学中遇到的困难,究其原因往往是没有正确把握这门课的性质和分析方法。

本教材强调模拟电子技术是一门“工程应用性”课程。因此,其教学重点是掌握电子线路工程分析的方法,即“近似估算法”。实践证明,学生对于从基础课到专业基础课的过渡往往不适应。合理估算与恰当近似是要重点解决的问题。过去其他课程计算时可能得到唯一的正确答案,而在本课程只能计算某个值,其理论计算结果以及该结果相近的值都算正确。也就是近似结果的标准是“一个数量级”而不是“一个值”。

先修课“电路分析”与本课程虽然同为专业基础课,但在采用的数学模型和分析方法上都有所不同。“电路分析”采用理想模型和严格计算的方法,而本课程采用近似模型和工程估算的方法。在“电路分析”教材中,可以出现像“法拉级”量纲的脱离现实的电容元件数值,而模拟电子技术课程中电路元件要采用与实际标称值相符的结果。在“电路分析”课上学生用计算器得出一个值可以有任意多位小数,而本课程的计算结果却要结合实际仪表量程与误差要求对结果进行取舍。从实际电子测量和误差分析的角度看,电子元件和测量仪器都是有误差的,保留如此多的有效数字仅仅说明是“算”出来的数,完全脱离实际。通过以上分析可以看出,“电路分析”偏重理论,而“模拟电路”更偏重实际应用,所以只有正确把握“模拟电路”的课程性质才能掌握正确的分析方法。基于此,本教材从数学模型建立到分析计算充满了“近似和估算”; 从分立放大器晶体管h参数模型建立与简化过程到运放放大器两条基本运算法则“虚短、虚断”的应用等都反映了这一思维。可以说“近似估算法是本书的灵魂”。

实践与理论关系的合理化思维方法

本教材的鲜明特点是强调实践性教学,注重工程素质培养和专业基本训练。因此加强实践环节改革,是课程建设的重要任务之一。实践环节就本课程而言包括课程设计与实验课环节。实验课程应该贯穿与配合理论教学全过程。实验是对理论学习的强化和补充。国外许多学校电子线路的教学重点在实验室而不在教室,国内许多学校加强实验而采取实验单独开课,如果合理设计,这些做法都是有益的。

检验学校培养学生质量的唯一标准是社会实践。电子线路课程的基本要求是培养“硬件能力”。硬件是电子线路的基础,硬件能力是电子工程师的基本能力。从产业界反馈的需求信息来看,硬件工程师严重缺乏; 当前学校对学生硬件能力的培养普遍不足,所谓“硬件不硬”,这个问题已经引起了学校和产业界的普遍重视。课程实践教学加强对学生硬件能力的培养可以分为“基本能力”和“工程能力”两个阶段和要求。“基本能力”是对基本电路的分析和应用能力,归结为“懂、算、选、用”。“懂”指能读懂电路图,能够看懂电路图是工程技术人员的一项基本功。“算”指能够计算电路设计时所需的元件参数。“选”指在实际应用中能够根据设计需要正确选用元器件(首先是有源器件)和相关的电路形式,要会查阅和借助技术手册和工具书进行工作。“用”可以泛指会“应用”,包括使用各种电子设备和仪器,具备安装、焊接、调整、测试、修理这些基本实验技能。

电子设计的工程能力是电子工程师的高级能力。具有电子设计和产品开发能力的工程师受到社会的欢迎和产业界的青睐。因此加强电子设计工程级能力的培养也成为本课程教学的高级要求。完成这个教学环节往往需要循序渐进,从“模拟电路”起打好基础,通过“实验课—课程设计—毕业设计”顺延配合实现。

本书注重电子线路设计分析的数学过程,提出了与传统教材互补的新的分析方法,如负反馈、集成运放分析方法等,可以说本书是一本具有专著特色的教材。

综上所述,当前深化教学改革和课程建设必须做到联系实际和注重实效。教材改革也要紧跟这个方向。学生毕业后面对社会现实,起码要具备“专业素质”和“综合素质”两个方面。综合素质是多方面的,而一个人的“核心竞争力”往往是其“专业素质”,用人单位首先考虑的也是学生的专业素质。本书核心思想是提高学生的“专业素质”,它也是我们教学改革和课程建设的指导思想。这个问题实际上就是“学以致用”。希望本书能够在培养学生专业素质方面起到启蒙的作用。

本书汇集了多位一线教师及科研人员的教学经验与研究成果。本书第4、6、8、9、10、12章及各章“科技前沿”部分由王骥执笔; 第1、2、5章由杜爽执笔; 第3、7章及附录B由王立臣执笔; 第11章及附录A由张冰执笔; 林景东、周蔚、徐国保对书中部分实例做了仿真验证工作; 全书由王骥负责统稿工作。此外,魏武老师对本书的编写提供了宝贵建议。为了便于广大读者使用,编著者开了CAI教学课件

由于模拟电路知识面广,新器件、新技术不断涌现,加上作者水平、时间所限,书中定有不少疏漏,望广大读者不吝赐教(编著者邮箱zjouwangji@163.com)。

编著者

使用原则: 小写字母(u、i、r)带小写下标表示交流动态量; 大写字母带大(小)写角标表示直流量或有效值(平均值); 小写字母带大写下标表示含有直流、交流成分的全量; 两个下标一般第一个为输出量(反馈量),第二个为输入量。

1. 电流

I、i——直、交流电流通用符号

iD——PN结或二极管电流,交、直流混合量

IS——PN结或二极管反向饱和电流

IDM——最大整流电流

IDQ、ID——二极管静态电流或电流有效值

Iz——稳压管稳定电流

IEN——三极管发射极电子电流

IEN——晶体三极管发射极空穴电流

IB、ib——晶体三极管基极静态、动态电流

iB——晶体三极管基极静态、动态混合电流

IBN——基极电子电流

ICN——集电极电子电流

ICBO——集电区与基区反向饱和电流

IC、ic——集电极静态、动态电流

iC——集电极静态、动态混合电流

Δii、Δio——动态输入、输出电流变化量

ICEO——晶体三极管CE极间反向饱和电流

ICM——晶体三极管最大集电极电流

IR——PN结或二极管反向电流

ii、I·i——输入电流及其对应相量

io、I·o——输出电流及其对应相量

ID——场效应管沟道电流

iD——场效应管漏极全电流

IDO—— UGS=2UT时的ID

IDSS——饱和漏极电流

IREF——基准电流

iC、iL、iR——电容、电感、电阻电流

i+、i-——运放同相端与反相端电流

ID(AV)——整流二极管平均整流电流

IAV——平均电流

IH——维持电流

2. 电压

U、u——直、交流电压通用符号

uD——二极管端电压,交直流混合量

UT——温度电压当量

UBR——反向击穿电压

URM——二极管最大反向电压

UD——二极管正向压降

UDD——场效应管漏极或二极管电源

Uz——稳压管击穿电压或稳定电压

UCM——晶体三极管最大集电极电压

UBE、ube、uBE——晶体三极管发射结静态、动态、混合电压

UCE、uce、uCE——晶体三极管集电结发射结静态、动态、混合电压

U(BR)CBO——e开路时,cb之间的反向击穿电压

U(BR)CEO——b开路时,ce间的反向击穿电压

U(BR)EBO——c极开路时, eb极间的反向击穿电压

us、U·s——信号源电压及其对应相量

ui、U·i——输入电压及其对应相量

ub′e、U·b′e——晶体三极管发射极动态电压及其对应相量

uo、U·o——输出电压及其对应相量

u′o、U·′o——负载开路输出电压及其对应相量

Uomax、Iomax——放大电路的最大输出电压或电流

Δui、Δuo——动态输入电压、输出电压变化量

UCC、UBB——集电极电源、基极电源

U(BR)DS——场效应管漏源间击穿电压

U(BR)GS——场效应管栅源间击穿电压

UG、IG——晶闸管触发电压和触发电流

UBO——晶闸管阳极阴极电压

UDRM——晶闸管正向重复峰值电压

URRM——晶闸管反向重复峰值电压

UGS——场效应管栅极和源极的外加电压

UDS——场效应管D、S间电压

uGS、ugs——场效应管栅源全量电压、动态电压

uDS、uds——场效应管漏极全量电压与动态电压

UP、UGS(off)——场效应管夹断电压

UGS(th)、UT——场效应管开启电压

uP(u+)、uN(u-)——运放同相端与反相端电位

Uom——电压信号幅值

UOM——运放饱和输出电压

UREF——参考电压

UTH——比较器阈值电压

uOS——比较器输入失调电压

ΔUTH——门限宽度

Uo(av)——整流输出电压平均值

ΔUBE——三极管基射电压差

uid、uic——差模电压信号、共模电压信号

UN——等效输入噪声电压

3. 功率

P——功率通用符号

Pzm——稳压管最大额定功耗

PCM——最大集电极耗散功率

Pom——放大器最大输出功率

PT PD——晶体管与场效应管上的功耗

PS——直流电源提供的功率

PDM——漏极最大允许耗散功率

4. 电阻、电导、阻抗

r、R——动态、静态电阻通用符号

rd——PN结或二极管动态电阻

rz——稳压管动态电阻

RD——PN结或二极管静态电阻

RS——放大器信号源内阻

RL——放大器负载电阻

Ro——放大器输出电阻

Ri——放大器输入电阻

rbb′——晶体三极管基区体电阻

rb′e——晶体三极管发射区电阻

rb′e′——晶体三极管发射结电阻

rb′c——晶体三极管集电结电阻

rif、rof——反馈时的输入输出电阻

ro——输出电阻

rce——晶体三极管集电极发射极动态电阻

re——晶体三极管发射结引线与封装电阻

R′E——晶体三极管发射结外接负载电阻

R′L——晶体三极管集电极外接负载电阻

RGS——场效应管外接输入电阻

rd——场效应管动态输出电阻

RG1、RG2、RG3——场效应管栅极外接电阻

rgs——场效应管动态输入结电阻

ri 、ro——放大器动态输入、输出电阻

RCE、rce——晶体三极管CE极间静态、动态等效电阻

rid、ric、rod——差模输入电阻、共模输入电阻、差模输出电阻

gm——场效应管低频跨导

R+、R-——运放同相端与反相端等效电阻

RP——平衡电阻

RG——增益控制电阻

r——线圈电阻

rq——石英晶体动态电阻

Rt——温度系数热敏电阻

Gie——晶体三极管输入电导

Goe——晶体三极管输出电导

Z——动态元件阻抗通用符号

X——动态元件电抗通用符号

ρ——石英晶体特性阻抗

5. 电容、电感

C——通用电容

CB——PN结势垒电容

CD——PN结扩散电容

Cj——PN结耗尽层电容或变容二极管电容

CE——旁路电容

Cb′e——晶体三极管发射结电容

Cb′c——晶体三极管集电结电容

C′b′c、C″b′c——Cb′c在晶体三极管微变等效模型中输入、输出侧等效电容

CGS、CGD、CDS——场效应管栅源极间、栅漏极间、漏源极间结电容

CGS、CGD、CDS——场效应管极间电容

CA——传感器压电元件的电容

CC——电缆电容

Ci——放大器输入电容

Cf——放大器反馈电容

Co ——石英晶体安装电容

Cq——石英晶体动态电容

L——电感通用符号

M——互感系数

Lq——石英晶体动态电感

6. 频率(角频率)、周期(时间)

f、ω——信号频率、角频率

fH——上限频率

fL——下限频率

BW——放大器通频带、开环带宽

BWG——放大器单位增益带宽

fβ——共发射极截止频率

fq——石英晶体串联谐振频率

fp——石英晶体并联谐振频率

fN——石英晶体标称频率

ω0——中心角频率

τL、τH——低频、高频段时间常数

tR——比较器响应时间

tSr——比较器选通脉冲释放时间

T——信号周期

7. 放大倍数(增益)、反馈系数、传输函数

β-——晶体三极管共射直流电流放大系数

β——晶体三极管共射交流电流放大系数

α-、α——晶体三极管共基直流电流放大系数和交流电流放大系数

Aum——放大器中频增益

Aii、Auu、Aiu、Aui——放大器开环电流、电压、互导、互阻增益

A·ii、A·uu、A·iu、A·ui——放大器开环电流、电压、互导、互阻增益相量

Au 、Aus——放大器电压增益、源电压增益

Ai——放大器电流增益

CTR——光电耦合电流传输比

Aud、Auc——放大器差模电压放大倍数、共模电压放大倍数

A(jω)、A(s)——传输频率、复频域增益函数

AuH——放大器高频区电压增益的幅值

AuL——放大器低频区电压增益的幅值

Af——放大电路的闭环放大倍数

Auuf 、Auif 、Aiuf 、Aiif——放大器闭环电压增益、互阻增益、互导增益、电流增益

Auuo——放大器去掉负载的电压增益

Aod——放大器差模开环放大倍数

AuP——滤波器的中频传输增益

K·——晶体管ce与be极间电压放大倍数

T,T·——环路增益及其相量

H(z)——系统函数

H(ejω)——频率响应

Hd(ejω)、Hd(n)——理想频率响应、单位脉冲响应

8. 器件相关名称符号

D——二极管

DZ——稳压二极管

T——晶体三极管

b(B)、c(C)、e(E)——晶体管基极、集电极、发射极

Tr——耦合变压器

G(g)、S(s)、D(d)——场效应管栅极、源极、漏极

FET——场效应管

MOSFET——金属氧化物半导体场效应管

JFET——结型场效应管

IGBT——绝缘栅双极型晶体管

IOA——集成运放

PC——光电耦合

PGA——可编程增益放大器

LPF——低通滤波电路

HPF——高通滤波电路

BPF——带通滤波电路

BEF——带阻滤波电路

APF——全通滤波电路

K——开关

9. 其他物理量符号、名称

K——波尔兹曼常数

T——热力学温度

W——耗尽层厚度、禁带宽度

n——杂质浓度

n——变压器的匝数比

xi、X·i——输入量及其对应相量

xo、X·o——输出量及其对应相量

xi、xf、xid——输入信号、反馈信号、净输入信号

D——失真系数

η——电路能量转换效率

h11e、h12e、h21e、h22e——晶体管h参数

SE——晶体三极管发射区面积

KCMRR——差放共模抑制比

F——反馈系数通用符号

SR——电压转换率

φH——高频区相角

φL——低频区相角

q——压电传感器产生的电荷

Q——品质因数

p——折合接入系数

S——整流输出电压的脉动系数

Sγ——稳压系数

SU——电压调整率

SI——电流调整率

Srip——纹波抑制比

ST——输出电压的温度系数