模拟电路是电子科学与技术、信息与通信工程、控制科学与工程、计算机科学与技术等领域的电子工程训练的重要基础课程。
模拟电路课程的任务是探讨常用半导体器件(二极管、三极管、运算放大器)内在的物理机制和外部的伏安特性; 讨论和分析用这些器件构成的基本模拟电路; 利用这些器件设计和构建人们所需要的功能电路。
该课程属于专业基础课,与物理课程相比,有其独特的工程分析方法。例如,突出主要矛盾、简化实际问题的近似法; 一定条件下转化矛盾的等效法; 直观形象地分析全局的图解法等。课程强调模拟电路的直觉和模型,作出大量的近似和等效是合理的。而且,由于制作过程中不可避免的电子元器件参数的离散性,过于注重演算数据的精确性(例如小数点后四位)是没有意义的。
与电路分析课程相比,模拟电路也有其特有的概念。由于构成模拟电路的关键部件是非线性器件,因此交、直流共存于同一电路之中。另外,这些器件为受控源模型。而且电路常常带有各种各样的反馈。这一切,均构成了学习中的难点。
与数字电路课程相比,虽然基本组成元件都是半导体二极管、三极管等,但模拟电路处理的信号是模拟量,三极管作为放大元件工作在线性状态,主要分析方法为微变等效法和图解法; 而数字电路处理的信号是数字量,三极管作为开关元件工作在饱和状态和截止状态,主要分析方法为逻辑代数、真值表、卡诺图、状态图等。
本书特色
本书是教育部“十一五”国家级规划教材,是在分析和比较了国内外一些优秀的同类教材特点的基础上编写而成的。与现有教材相比,本书最大的特点是在内容的处理上注重学习情境的创设,将课程教学、电路仿真、实验、课题设计、问题讨论等教学活动贯穿到教材之中,力图使读者在阅读本书时成为学习的主体,而不是知识的被动受体。这一宗旨具体体现在以下4点。
1. 以探讨实际问题的形式引入基本原理和概念的论述
本书每一章均以一组问题探讨开始(对于一些重点章节尤其如此)。这些问题与本章将要探讨的主题密切相关,且大部分需要读者首先动手用电路仿真软件(例如,PSpice、Multisim)来仿真电路,对得到的现象进行观察和思考,从而带着问题和探讨解决方案的目的开始每章内容的阅读。
本书每一章的结尾一般也有几个对本章某些内容需要在理论上和实践上作进一步深入思考的问题讨论和具有工程应用背景的小设计。
这样的处理使读者在读书的过程中学习、思考和实践活动三者能够得以同时进行。
2. 仿真实践与学习内容和学习过程融为一体
模拟电路采用的是定性分析、定量估算、仿真验证和实验调整相结合的分析方法,其学习过程就是实践活动的过程。本书将称为“软实验室”的电路仿真软件PSpice作为教材的一个有机组成部分,自始至终贯穿在整个教学内容里面。理论及时应用于实践,在实践中发现和提出问题,再回到理论来分析和解决问题,即为学习的意义所在。
3. 全方位的教材紧密结合,形成集成化的教学体系
与本书配套的还有实验教材和学习辅导用书,三部分内容紧密结合,内容相辅相成,围绕模拟电路的基本概念,以PSpice为工具,形成了一个集成化的教学体系。
例如,在体会本书每章前面设置的问题时,对于PSpice功能的应用和操作,有相当一部分读者在开始时并不熟悉。但是,对于这些问题的PSpice仿真在功能分析上如何设置等关键性步骤可以在学习辅导用书上找到答案。
又如,每章后面的问题讨论和小设计中有一些就是实验教材中的实验题目。这样,由于理论课后读者已经对这些问题进行了较为深入的研究和电路设计,因此在实验室就可以专注于仪器设备的操作学习、电路的实验调试,以及实验过程中问题的解决。
4. 可读性较强
本书对大部分教学内容的处理较为细致,有利于读者自学。这也是本教材作为讲义试用时学生的反映。
本书说明
1. 关于内容
本书是围绕半导体二极管、三极管、集成运算放大器的器件特性以及应用电路来展开的,因此,内容主要分为三大部分:
第一部分即第2章“半导体二极管及常用二极管电路”。这一部分对半导体二极管的工作原理、伏安特性、基本分析模型、主要参数以及典型的二极管电路和分析方法进行了论述。
第二部分为三极管及三极管放大电路。这一部分包括第3~6章。其中,第3~5章分别讨论了单极型三极管BJT和双极型三极管FET的结构和内部载流子的运动过程、伏安特性、直流和交流小信号模型,以及由它们构成的基本放大单元的工作原理和分析方法; 第6章进一步对各种常用的三极管放大电路包括直接耦合的多级放大电路、电流源电路、差动放大电路以及输出级电路进行了分析,这也为后面对集成运算放大器的应用和理解奠定了基础。
第三部分为集成运算放大器及其应用电路。这一部分包括第7~10章。其中,第7章介绍了集成运算放大器的内部电路组成和外部传输特性、表征集成运算放大器性能的主要参数,建立了集成运算放大器在电路中的等效模型; 在此基础上,第8章借助于运放构成的负反馈放大电路讨论了模拟电路中最重要的概念之一——负反馈; 第9章是运放工作在线性状态下的应用,包括运算放大电路、滤波器等; 第10章基本上是运放工作在非线性状态下的应用,包括比较器、正弦振荡器等。
需要指出的是,负反馈在模拟电路中是一个普遍的概念,并非在运放组成的电路中才有,第8章之前很少被提到是为了突出模拟电路中的其他概念。而第11章“直流稳压电源”实际上即为负反馈电路的一个应用实例。
第1章“模拟电路的基本概念”是开篇,论述了什么是模拟电路,模拟电路中基本器件的半导体物理材料,以及模拟放大电路的基本概念和性能指标。
2. 关于符号
本书所用符号和目前国内、国际习惯用法一致。即,直流信号、正弦信号的有效值、峰值等用大写字母表示,时变信号用小写字母表示,脚标表示某个点或某条支路或输入、输出。需要说明的有以下两点。
(1) 模拟电路是交、直流共存的电路。本书前半部分在讲述分立元件构成的放大电路时,为强调这种交直流共存的情况,通常使用大写字母、大写脚标表示直流量; 小写字母、小写脚标表示时变量; 小写字母、大写脚标表示电路的瞬时总值。例如,
IB—基极电流直流量;
ib—基极电流时变量;
iB—基极电流瞬时总值,即iB=IB+ib。
在本书后半部分尤其是描述集成运算放大器构成的系统功能电路时,没有再突出电路中的直流分量,而是笼统使用时变信号的符号来表示电路中的电压和电流,例如vi、vo、if等,一般情况下它们代表的是瞬时总值。
(2) 由于电路的测试信号一般用的是正弦信号,因此,当涉及讨论电路中信号的频率和相位问题,或者需要应用瞬时极性法时,本书使用了电压、电流的相量表示,如V·i、I·i等。
写在最后
编写此书的初衷源自于多年模拟电路课程教学实践中的感悟,但我们的能力和水平与日新月异发展的电子技术还存在一定的差距,书中内容难免存在疏漏、欠妥和错误之处,恳请各位读者指正。
编者
2010年10月于中山大学