1、第一章 绪论 第一章 绪 论 1.1 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 1.2 电子系统及信号处理电子系统及信号处理 1.3 分析与综合（设计）分析与综合（设计）1.4 模拟信号处理、模拟信号处理、放大器模型和放大器的放大器模型和放大器的 主要性能指标主要性能指标 1.5 改善放大器性能的重要手段改善放大器性能的重要手段负反馈负反馈 第一章 绪论 1.1 1.1 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 信号”是“信息”的载体，也可以说“信号”是“信息”的表现形式。“信息”则是“信号”的具体内容。例如：音频信号可以传达语言、音乐等信息，图像信号可以传达人类视觉系统所反应的图像信息。“信号”有非
2、电物理量信号和电信号之分，如光、温度、压力、流量、位移、速度、加速度等属非电物理量信号，而电信号一般指的是随时间变化的电流或电压，也包括电容器的电荷、线圈的磁通，以及空间的电磁波等。非电物理量信号可借助“传感器”转换为电信号，以便于进一步加工、处理和传输。第一章 绪论 电信号可分为模拟信号、采样数据信号和数字信号。所谓模拟信号，是指时间和数值(幅度)上都是连续变化的信号。自然界大部分信号都属模拟信号，如图1.1.1所示。采样数据信号是时间离散，幅度仍为连续(不量化)的信号，如图1.1.2(a)、(b)所示。图中Tc为采样周期，x(nTc)为对应时间t=nTc时的函数x(t)的样品。数字信号则不
3、仅时间离散、而且幅度也为离散，即幅度“量化”的信号，通常将某一时刻的时间离散信号x(nTc)量化为用“0”、“1”表示的序列码信号，如图1.1.3所示。采样数据信号由于幅度连续(不量化)，因此人们往往也将其归于模拟信号一类中。第一章 绪论 图1.1.1模拟信号(时间、幅度均为连续的信号)第一章 绪论 图1.1.2采样数据信号(时间离散、幅度连续的信号)第一章 绪论 图1.1.3数字信号(时间离散、幅度也离散(量化)的信号)第一章 绪论 1.2电子系统及信号处理电子系统及信号处理“电子系统”有多种描述方法。一般来说，将若干个单元电路或功能模块组合成的规模较大的、能够完成特定功能的完整的装置称为“
4、电子系统”。图1.2.1给出由“信号获取”、“信号处理”、“信号执行”、“控制电路”、“电源”等诸多部分组成的电子系统示意图（具有A/D的是模/数混合系统，不具有A/D的是纯模拟系统）。第一章 绪论 图1.2.1一般电子系统的组成框图 第一章 绪论 图1.2.1中各部分的作用简述如下：信号获取：主要是通过传感器或输入电路，将外界待观察的信号(通常为模拟信号)变换为电信号，或实现系统与信源间的耦合、匹配。预处理：主要是解决信号的放大、衰减、滤波等，即通常所说的“信号调理器”，经预处理后的信号，在幅度和其他方面都比较适合做进一步的分析或数字化处理。这一部分的信号仍多为模拟信号。第一章 绪论 信号处
5、理：主要完成信号的采集、分析、加工、变换、传输和判决等功能。有的系统，直接将模拟信号进行处理，但大部分现代电子系统都是先将预处理后的模拟信号经模/数变换(A/D)变换为数字信号，然后进行数字信号处理。因为数字化处理有许多优点，如功能强大、易集成化、抗干扰能力强等。信号执行：主要包括处理结果的显示、打印、负载的驱动(如驱动电机)以及其他输出电路。这一部分大多为数字信号，如果需要模拟信号，则可通过数/模变换(D/A)将处理后的数字信号重新变换为模拟信号。可见，A/D、D/A是“模拟数字模拟”的桥梁，是数/模混合电子系统中的关键部件之一。第一章 绪论 控制电路：主要负责对各部分动作的控制，使各部分能
6、协调、有序地工作。电源：给系统中各部分电路提供电源，是任何电子系统中必不可少的组成部分。系统有大有小，有简单的，也有很复杂的。下面举几个较为简单的系统的例子，这些例子基本上不涉及数字化处理。(1)滤波器。如图1.2.2(a)所示，x(t)是被噪声污染了的信号，x(t)=s(t)+n(t)，其中s(t)为待确定的信号，n(t)为干扰(加性噪声)。我们希望找到一个系统L，使得当x(t)为其输入时，能够得到的输出y(t)等于s(t)，这个系统L就是“滤波器”。第一章 绪论(2)均衡器。如图1.2.2(b)所示，信号s(t)通过信道C(如电话电缆)后，在信道接收到的信号x(t)已是失真的s(t)，我们
7、需要设计一个系统L，使其对x(t)的响应恢复为s(t)，这个系统L就是所谓的“均衡器”。第一章 绪论(3)直流稳压电源。如图1.2.2(c)所示，系统输入为一正弦波sin0t，要设计一个系统L1，使其输出为单极性电压|sin0t|；再设计一个系统L2，使其对|sin0t|的响应为一直流电压；若要求最终得到的直流电压不随输入电压或负载电流而变化，则必须设计另一个系统L3。为达到此目的，L1为“整流器”，L2为“滤波器”，L3为“稳压器”，故该系统L由整流器、滤波器、稳压器三部分组成。第一章 绪论(4)扩音器。如图1.2.2(d)所示，语音信号通过话筒(传感器)转换为微弱的电信号，我们希望设计一个
8、系统，将微弱的音频信号放大，并供给最终负载扬声器(喇叭)以足够大的功率，那么该系统应该是一个音频电压放大器L1和音频功率放大器L2，而且为改进该系统的性能，在放大器中引入“负反馈”F。第一章 绪论 图1.2.2简单系统举例(a)滤波器；(b)均衡器；(c)直流稳压电源；(d)扩音器 第一章 绪论 1.3分析与综合分析与综合(设计设计)“分析”是计算给定系统对各种输入的响应并确定它们的性质的过程。分析过程就是一个找出系统特性的过程。分析的途径有所不同，但答案和特性往往是惟一的，如图1.3.1(a)所示。“综合”或“设计”是另一种过程，即从要求的特性出发，找出满足这些特性的电路和系统结构。对“综合
9、”或“设计”来说，方案和结果并不是惟一的，从而为设计者提供了更多创造力的机会，如图1.3.1(b)所示。第一章 绪论 图1.3.1分析与设计(综合)第一章 绪论 1.4模拟信号处理、放大器模型和模拟信号处理、放大器模型和 1.4.11.4.1模拟信号处理模拟信号处理自20世纪80年代初以来，数字信号处理和数字集成电路迅猛发展，信号处理领域转移到数字领域不仅是大趋势，而且已经是现实。但在现代许多系统中，包括复杂高性能系统中，模拟电路从根本上已被证明是必需的。模拟电路的作用很难甚至不可能被相应的数字电路所取代。这是因为自然界产生的信号大多是模拟信号，如高品质麦克风接收到的乐队的音频信号、地震仪接收
10、到的地震波信号、传感器转换的许多非电物理量信号、生物电信号等，这些信号往往比较微弱，而且受干扰和噪声污染，需要放大和滤波。第一章 绪论 就是用数字化处理，也必须将这些信号放大到模/数(A/D)转换器所能接受的幅度大小，一般为数百毫伏到数伏。即使在数字通信、光通信、无线收发器，甚至是微处理器和存储器等设备中都不可避免地涉及到模拟技术。人们经常说，“高速数字电路设计实质上是模拟电路设计”。由于模拟设计要在速度、功耗、增益、精度、电源电压等多种因素间进行折衷，模拟电路对串扰、噪声等远比数字电路敏感，电阻、电容数值和器件的二级效应对模拟电路的影响远比数字电路严重，因而在一个数/模混合的硅片系统中，模拟
11、电路占的比重并不大，但占的硅片面积却很大，特别是在那些包含射频收发器的集成芯片中，模拟电路的设计和制作往往会成为整机设计的瓶颈。高性能的模拟电路设计很少能依靠计算机自动完成，在一定程度上仍依赖于设计者的经验和直觉。第一章 绪论 正如毕查德拉扎维(美)教授所说的那样，“好的模拟电路设计需要直觉、严密和创新。作为模拟电路设计者，必须以工程师的眼光快速而直觉地理解一个大的电路，以数学家的智慧量化那些在电路中难以捉摸的而又重要的效应，以艺术家的灵感发明新的电路结构。”第一章 绪论 1.4.21.4.2放大器模型放大器模型放大器是模拟信号处理中最重要的、也是最基本的部件。放大电路不仅具有独立地完成信号放
12、大的功能，而且也是其他模拟电路，如振荡器、滤波器、稳压器、调制解调器的基础和基本的组成部分。放大器是一个有源二端口网络，其一般符号如图1.4.1所示。放大器的输入端口连接“待放大的信号源”，其中Us为信号源电压(复数相量)，Rs为信号源内阻，Ui和Ii分别是放大器的输入电压和输入电流。放大器的输出端口接相应的负载电阻RL(也可以是一般的阻抗ZL)，Uo和Io分别是放大器的输出电压和输出电流。通常输入端口与输出端口有一个公共的电位参考点，称之为“地”(如图1.4.1所示)，隔离放大器除外。.第一章 绪论 图1.4.1 放大器视为有源二端口网络 第一章 绪论 放大器的基本任务是不失真地放大信号，故
13、人们最关心的是放大倍数A。放大倍数又称为“增益”，它表达放大器输出量与输入量的关系。根据输入量和输出量是电压或是电流，放大倍数(增益)有以下4种定义，即.iouUAU(输出电压与输入电压之比)电压放大倍数uA电流放大倍数 iAioiIAI(输出电流与输入电流之比)rA互阻放大倍数 i()orUAI(输出电压与输入电流之比)互导放大倍数 gA(1/)ogiIAU(输出电流与输入电压之比)(1.4.1a)(1.4.1b)(1.4.1c)(1.4.1d)第一章 绪论 表表1.4.14种类型放大器及其模型种类型放大器及其模型 第一章 绪论 实际上，电压放大器的应用最为广泛。从表1.4.1中可知，电压放
14、大器在信号流通中，面临两部分“衰减”。从输入端口看，真正加到放大器的输入电压信号Ui是信号源电压Us的分压，即.iissiRUURR(1.4.2a)只有当输入电阻Ri远大于信号源内阻Rs(RiRs)时，Ui才可等于Us，否则信号将被衰减。.第一章 绪论 从输出端口看，输出电压Uo与受控源AuoUi的关系也是Ro与RL的分压，即 LoioLLuioLuoouoiRUA URRURAAURR(1.4.2b)(1.4.2c)可见，只有当RoRs。输入电阻的计算公式为 iiiURI(1.4.4a)第一章 绪论 图1.4.3 Ri的计算方法 第一章 绪论 Ri的测量方法如图1.4.4所示，在信号源与放大
15、器输入端之间串入一个已知的电阻R，分别测出图中U1和U2的电压值，则根据式(1.4.4c)计算出Ri：i21iRUURR212iURRUU(1.4.4b)(1.4.4c)例如：选R=3k，测得U1=0.6V,U2=0.2V,则Ri=1.5k。第一章 绪论 图1.4.4 Ri的测量方法 第一章 绪论 3.输出电阻输出电阻Ro放大器输出电阻Ro的大小决定了放大器带负载的能力。如式(1.4.2b、c)所示，输出电压Uo=(RL/(Ro+RL)AuoUi,Au=Uo/Ui=(RL/(Ro+RL)）Auo，只有当RoRL时，UoAuoUi，RL的变化对输出电压或放大倍数影响最小，输出电压也越稳定。输出电
16、阻Ro的定义和计算方法如图1.4.5所示，在输出端加一测试电压Uo，算出电压Uo引起的输出电流Io，则.0SLooUoRURI(1.4.5)第一章 绪论 图1.4.5 Ro的定义及计算方法 第一章 绪论 图1.4.6 Ro的测量方法 第一章 绪论 图1.4.6给出Ro的测量电路。信号源给放大器施加幅度和频率合适的交流信号输入。在放大器的输出端接一个已知的负载电阻RL和串联一个开关S，用电压表或示波器分别测出S打开和S闭合的输出电压Uo值，则有S打开，测得 oo1uoiSUA UU打开S闭合，测得 oo2o1LLuoiSoLoLRRUUA UURRRR闭合第一章 绪论 故 o1o2Lo2oUUR
17、RU例如：测得S打开时的输出电压Uo1=2V，S闭合时的输出电压Uo2=0.8V，已知RL=5k，则 2V-0.8V5k7.5k0.8VoR (1.4.6)第一章 绪论 4.4.频率响应与带宽频率响应与带宽表1.4.1中的模型是最简单的模型。实际电路中，除电阻外，还存在许多电抗元件，如电路的分布电容、杂散电容、负载电容、器件的极间电容、分布电感等。电抗元件对不同的频率呈现不同的阻抗(容抗，感抗ZL=jL)，这必然会导致放大器的放大倍数也是角频率的函数，即放大倍数是一个“复数”：c1jZCuui(j)(j)(j)(j)(j)oUAAU(1.4.7)第一章 绪论 定义放大器的通频带(带宽)BW为
18、HLHLBW22ff(1.4.8)如果用分贝(dB)来表示幅频特性的纵坐标，如图1.4.7(b)所示，那么半功率点的增益为()|(dB)20lg220lg|20lg220lg|(dB)3dBuuuuAAAA半功率点(1.4.9)第一章 绪论 图1.4.7 放大器的幅频特性与相频特性(a)幅频特性；(b)相频特性 第一章 绪论 若|Au|=1000，则|Au半功率点|=60dB-3dB=57dB。可见，半功率点所对应的放大倍数dB值比中频放大倍数dB值下降了3dB，所以人们也称该通频带为-3dB带宽，即 BW-3dB=fH-fL 有的放大器的下限频率fL=0，也就是放大倍数平坦部分一直延伸到零频
19、率附近。第一章 绪论 5.非线性失真系数非线性失真系数由于放大元件的电流电压传输特性是非线性的，因此会引入另一种失真，称为“非线性失真”。如图1.4.8所示，(a)图为理想传输特性，输出uo与输入ui为线性关系，不会引起非线性失真；而(b)图uoui是非线性关系，在-ui1uiui2内，传输特性近似为线性，但当ui ui2时，特性是非线性的，呈现一种限幅状态。所以，尽管输入信号为标准的正弦波，但一旦信号幅度超过其线性范围，输出波形就会产生畸变，成为非正弦波，甚至于成为方波。经傅里叶分析，发现输出波形中除其频率同输入信号频率的基波分量外，还出现许多输入信号所没有的新的谐波成分。第一章 绪论 因非
20、线性失真而引入的谐波分量越多，则表明非线性失真越严重，故定义非线性失真系数(也称全谐波失真系数)THD为2222nm2m3mnm21m1mTHDnUUUUUU式中:U1m为输出信号基波分量振幅;Unm为第n次谐波分量振幅。第一章 绪论 图1.4.8 非线性传输特性引起非线性失真波形第一章 绪论 1.5改善放大器性能的重要手段改善放大器性能的重要手段负反馈负反馈 1.5.11.5.1反馈的基本概念和基本框图反馈的基本概念和基本框图所谓“反馈”，就是将放大器的输出信号(电流或电压)，通过一定的网络，回送到放大器的输入回路，并同输入信号一起参与放大器的输入控制作用，从而使放大器的某些性能获得有效改善
21、的过程。如图1.5.1所示，反馈放大器由基本放大器和反馈网络两部分组成。反馈放大器的输入信号为Xi，输出信号为Xo。反馈网络将Xo的一部分取出，这一过程称为“取样”，“取样”信号经反馈网络馈送到放大器输入回路称为反馈信号Xf。Xf与输入信号Xi加以“比较”后再送到基本放大器的输入端，从而改变放大器的某些性能，或最终影响放大器的输出信号Xo。反馈框图中各物理量的关系如下：.第一章 绪论 原放大器放大倍数 ioXAX(也称开环放大倍数也称开环放大倍数)(1.5.1)反馈信号Xf与反馈系数F.ofXFX,foXFX(1.5.2)反馈放大器放大倍数 iofXAX(也称闭环放大倍数)(1.5.3)第一章
22、 绪论 图1.5.1反馈放大器基本框图 第一章 绪论 1.5.21.5.2负反馈与正反馈负反馈与正反馈1.1.负反馈负反馈基本放大器的输入信号称“净输入信号”，记为XI，在有反馈的电路中，XiXi，如图1.5.1所示，如果净输入 iifi()XXXX.即净输入信号等于输入信号Xi与反馈信号Xf之差，净输入信号呈减小态势，则称该类反馈为“负反馈”。负反馈的引入将使Xi减小，从而使反馈放大器的输出信号Xo减小，导致闭环放大倍数减小，但换来的却是其他性能的全面提升。负反馈的过程是一个自动调节过程，其实质是利用输出信息反过来影响输入，而结果使得输出性能改善。例如，放大器输入Xi一定，而某种原因使输出X
23、o增大，那么引入负反馈后将使输出回落，从而达到稳定：.第一章 绪论 OfOiifO()()()iXXFXXXXXAX 不稳定稳定因果第一章 绪论 2.2.正反馈正反馈若反馈信号Xf与输入信号Xi同相相加，导致净输入信 反而增大，则称为“正反馈”，即 iifi()XXXX(1.5.5)正反馈会使放大器的性能全面恶化，甚至会使放大器不稳定而失去正常放大功能，例如：iX.iXOfOiifOi()()()XXFXXXXXAX 不稳定果不稳定因果第一章 绪论 1.5.3 深度负反馈深度负反馈当负反馈很强，反馈量Xf逼近输入量Xi，而使净输入Xi趋于零时，称该系统引入了“深度负反馈”。此时，有.iiiXX
24、X深度负反馈条件为 fii0XXX(1.5.6a)(1.5.6b)第一章 绪论 1.5.4 1.5.4 串联负反馈与并联负反馈串联负反馈与并联负反馈 1.1.串联负反馈串联负反馈 如果反馈网络与输入回路串联连接，输入量、反馈量、净输入量三者符合基尔霍夫回路电压定律，即 iifUUU则称电路引进了串联负反馈。串联负反馈下的深度负反馈条件为 ifi0UUU(1.5.7)(1.5.8)第一章 绪论 2.并联负反馈并联负反馈如果反馈网络与输入回路并联连接，输入量、反馈量、净输入量三者符合基尔霍夫节点电流定律，即 iifIII(1.5.9)则称电路引进了并联负反馈。并联负反馈下的深度负反馈条件为 ifi0III(1.5.10)第一章 绪论 1.5.5 电压负反馈与电流负反馈电压负反馈与电流负反馈1.电压负反馈电压负反馈如果反馈信号取样于输出电压Uo，则称为电压反馈。电压反馈下，反馈信号Xf与输出电压成正比，即.fXFU(1.5.11)第一章 绪论 2.2.电流负反馈电流负反馈如果反馈信号取样于输出电流Io，则称为电流反馈。电流反馈下，反馈信号Xf与输出电流成正比，即.foXFI 通常，电压负反馈将改善输出电压的性能，而电流负反馈将改善输出电流的性能。
