模擬電子技術(shù)核心系統(tǒng)分析演講人：日期:CONTENTS目錄01基礎(chǔ)理論與分析方法02核心器件工作原理03放大器系統(tǒng)分析04頻率響應(yīng)研究體系05典型電路應(yīng)用場景06技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)01基礎(chǔ)理論與分析方法模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)界定轉(zhuǎn)換方式模擬信號(hào)可以通過采樣和量化轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)也可以通過數(shù)模轉(zhuǎn)換恢復(fù)為模擬信號(hào)。03在時(shí)間和幅度上都是離散的信號(hào)，只有兩種狀態(tài)，即“0”和“1”，用于計(jì)算機(jī)和數(shù)字系統(tǒng)。02數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)在時(shí)間和幅度上都是連續(xù)變化的信號(hào)，如聲音、溫度等實(shí)際物理量。01典型電路組成架構(gòu)放大電路濾波電路振蕩電路信號(hào)處理電路用于增強(qiáng)信號(hào)的功率或幅度，以便進(jìn)行后續(xù)處理或傳輸。允許一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過，而抑制其他頻率的信號(hào)，用于信號(hào)的分離和凈化。在沒有外部輸入信號(hào)的情況下，能夠自行產(chǎn)生周期性信號(hào)的電路，如正弦波振蕩器。用于對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行各種變換、運(yùn)算和處理的電路，如加法器、乘法器等。忽略信號(hào)交流成分，只考慮直流電源和元件對(duì)電路的影響，用于分析電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。將放大電路中的交流信號(hào)部分單獨(dú)提取出來，用等效的電路元件表示，以分析電路的動(dòng)態(tài)性能。在輸入信號(hào)較小的情況下，將非線性元件線性化，從而得到簡化的等效電路模型，便于分析計(jì)算。描述放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的放大能力，包括增益、相位等頻率特性的模型。放大電路等效模型建立直流等效模型交流等效模型小信號(hào)模型頻率響應(yīng)模型02核心器件工作原理伏安特性曲線擊穿電壓二極管兩端電壓與電流之間的關(guān)系曲線，表現(xiàn)出二極管的整流、穩(wěn)壓、開關(guān)等特性。二極管在反向電壓達(dá)到一定值時(shí)突然導(dǎo)通的現(xiàn)象，稱為擊穿，此時(shí)的電壓稱為擊穿電壓。二極管非線性特性解析正向電阻與反向電阻正向電阻指二極管正向?qū)〞r(shí)的電阻，反向電阻指二極管反向截止時(shí)的電阻，正向電阻遠(yuǎn)小于反向電阻。溫度影響二極管的伏安特性受溫度影響較大，溫度升高，正向電阻減小，反向電阻增大。晶體管三種工作區(qū)域放大區(qū)晶體管在此區(qū)域內(nèi)，輸入信號(hào)的小變化可以引起輸出信號(hào)的大變化，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大。01截止區(qū)晶體管在此區(qū)域內(nèi)，輸入信號(hào)無論怎么變化，輸出信號(hào)都幾乎為零，相當(dāng)于開關(guān)的關(guān)閉狀態(tài)。02飽和區(qū)晶體管在此區(qū)域內(nèi)，輸出信號(hào)已經(jīng)達(dá)到最大值，即使輸入信號(hào)繼續(xù)增大，輸出信號(hào)也不再增大。03特性曲線晶體管在不同工作條件下，輸入與輸出之間的關(guān)系曲線，包括共射特性曲線、共基特性曲線和共集特性曲線。04場效應(yīng)管參數(shù)圖譜轉(zhuǎn)移特性曲線擊穿電壓輸出特性曲線閾值電壓在一定條件下，場效應(yīng)管的漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線，用于描述場效應(yīng)管的放大特性。在一定條件下，場效應(yīng)管的漏極電流與漏極電壓之間的關(guān)系曲線，用于描述場效應(yīng)管的輸出特性。場效應(yīng)管在漏極電壓達(dá)到一定值時(shí)突然導(dǎo)通的現(xiàn)象，稱為擊穿，此時(shí)的電壓稱為擊穿電壓。場效應(yīng)管開啟時(shí)所需的柵極電壓，也稱為開啟電壓或門限電壓，閾值電壓越小，場效應(yīng)管越容易開啟。03放大器系統(tǒng)分析放大器分類與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電壓放大器、電流放大器、功率放大器。按放大信號(hào)類型分類線性放大器、非線性放大器。按輸入/輸出信號(hào)關(guān)系分類共射放大器、共基放大器、共集放大器、差分放大器、多級(jí)放大器等。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)增益、輸入輸出阻抗、帶寬、穩(wěn)定性等。放大器性能指標(biāo)靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定策略直流偏置法通過合理的直流偏置電路設(shè)計(jì)，使放大器在沒有輸入信號(hào)時(shí)也能工作在合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。02040301負(fù)載變化穩(wěn)定性措施采用恒流源負(fù)載、負(fù)反饋等技術(shù)，減小負(fù)載變化對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響。溫度穩(wěn)定性措施采用溫度補(bǔ)償元件、溫度敏感元件或差分放大器等措施，提高放大器的溫度穩(wěn)定性。靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)整方法通過調(diào)整電源電壓、電阻值等參數(shù)，使放大器工作在最佳靜態(tài)工作點(diǎn)。頻率失真與增益關(guān)系頻率失真類型線性失真和非線性失真。增益-頻率特性放大器增益隨頻率變化的特性，主要包括幅頻特性和相頻特性。頻率失真原因晶體管內(nèi)部參數(shù)隨頻率變化、電路中的電容和電感等元件對(duì)高頻信號(hào)的阻礙作用等。改善頻率失真方法采用高頻優(yōu)化技術(shù)、負(fù)反饋技術(shù)、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)等，使放大器在寬頻帶內(nèi)保持增益平坦和相位一致。04頻率響應(yīng)研究體系Bode圖分析方法論幅頻特性分析穩(wěn)定性判斷相頻特性分析設(shè)計(jì)優(yōu)化通過Bode圖可以直觀地展示系統(tǒng)增益隨頻率變化的特性，從而判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和裕度。Bode圖還可以展示相位隨頻率變化的特性，有助于判斷系統(tǒng)是否發(fā)生相位滯后或超前。根據(jù)Bode圖上的增益裕度和相位裕度，可以判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。通過對(duì)Bode圖的分析，可以指導(dǎo)電路設(shè)計(jì)，選擇合適的電路參數(shù)，使系統(tǒng)達(dá)到期望的頻率響應(yīng)特性。截止頻率影響要素電路結(jié)構(gòu)不同的電路結(jié)構(gòu)具有不同的截止頻率特性，例如低通、高通、帶通等濾波器。01元件參數(shù)電路中的電阻、電容、電感等元件的參數(shù)變化會(huì)直接影響截止頻率的位置和形狀。02信號(hào)強(qiáng)度信號(hào)強(qiáng)度的大小也會(huì)對(duì)截止頻率產(chǎn)生影響，強(qiáng)信號(hào)下截止頻率可能會(huì)向高頻移動(dòng)。03負(fù)載效應(yīng)負(fù)載的接入會(huì)改變電路的頻率響應(yīng)特性，從而影響截止頻率。04相位補(bǔ)償技術(shù)路徑滯后補(bǔ)償超前補(bǔ)償反饋控制相位調(diào)整器通過增加相位滯后網(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)的相位在截止頻率附近得到補(bǔ)償，從而提高相位裕度。在系統(tǒng)中加入超前補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，使相位提前，從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。通過反饋電路來控制系統(tǒng)的增益和相位，實(shí)現(xiàn)對(duì)相位特性的調(diào)整，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。利用相位調(diào)整器來調(diào)整電路中信號(hào)的相位，使其與負(fù)載的相位匹配，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的相位裕度。05典型電路應(yīng)用場景線性穩(wěn)壓電源開關(guān)穩(wěn)壓電源調(diào)整管工作在線性區(qū)，通過負(fù)反饋電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。具有輸出電壓穩(wěn)定、波紋小的特點(diǎn)。利用開關(guān)管進(jìn)行高效率的電能轉(zhuǎn)換，包括降壓型、升壓型和升降壓型。具有效率高、發(fā)熱量小的特點(diǎn)。穩(wěn)壓電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路利用穩(wěn)壓二極管的反向擊穿特性，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。具有簡單、可靠的特點(diǎn)，但穩(wěn)壓范圍有限。串聯(lián)穩(wěn)壓電源通過調(diào)整串聯(lián)在輸入與輸出之間的調(diào)整管，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。具有輸出電壓可調(diào)、保護(hù)性能好的特點(diǎn)。通過振蕩電路產(chǎn)生正弦波信號(hào)，常用于音頻、通信等領(lǐng)域。包括RC振蕩器、LC振蕩器等。正弦波發(fā)生器通過積分電路和比較電路相結(jié)合，將正弦波或其他波形轉(zhuǎn)換為三角波，常用于示波器、函數(shù)發(fā)生器等。三角波發(fā)生器通過整形電路將正弦波或其他波形轉(zhuǎn)換為矩形波，常用于數(shù)字電路、時(shí)鐘電路等。包括比較器整形、施密特觸發(fā)器整形等。矩形波發(fā)生器010302波形發(fā)生與整形電路通過充電和放電過程形成鋸齒波，常用于鋸齒波發(fā)生器、PWM控制等。鋸齒波發(fā)生器04包括低噪聲放大器、功率放大器等，用于提高射頻信號(hào)的幅度和驅(qū)動(dòng)力。包括低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器等，用于濾除射頻信號(hào)中的雜波和干擾。用于將射頻信號(hào)與本地振蕩信號(hào)混頻，實(shí)現(xiàn)頻率的變換。包括乘法器混頻、開關(guān)混頻等。用于從調(diào)制信號(hào)中還原出原始信號(hào)，包括包絡(luò)檢波和同步檢波兩種。檢波后的信號(hào)可用于后續(xù)處理或解調(diào)。射頻前端調(diào)理模塊放大電路濾波電路混頻電路檢波電路06技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)新型半導(dǎo)體材料突破硅基半導(dǎo)體材料是現(xiàn)代電子技術(shù)的基石，其性能的提升直接推動(dòng)了模擬電子技術(shù)的進(jìn)步。硅基半導(dǎo)體材料化合物半導(dǎo)體材料低維半導(dǎo)體材料如砷化鎵、磷化銦等，具有高電子遷移率、高熱導(dǎo)率和高發(fā)光效率等優(yōu)點(diǎn)，適用于高頻、高速、大功率和光電子等領(lǐng)域。如量子點(diǎn)、納米線等，具有獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)，為模擬電子技術(shù)提供了新的發(fā)展方向。SoC集成化設(shè)計(jì)趨勢集成度提高隨著工藝技術(shù)的進(jìn)步，SoC的集成度不斷提高，將更多的功能集成在一個(gè)芯片上，降低了功耗和成本。系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化可靠性設(shè)計(jì)SoC設(shè)計(jì)需要從系統(tǒng)級(jí)的角度進(jìn)行考慮，實(shí)現(xiàn)電路與算法、軟件與硬件的協(xié)同優(yōu)化，提高系統(tǒng)性能。隨著SoC復(fù)雜度的提高，可靠性設(shè)計(jì)變得尤為重要，需要采用冗余設(shè)計(jì)、容錯(cuò)技術(shù)等手段來降低故障率。123功率與噪聲平衡挑戰(zhàn)功率放大與傳輸功耗與溫度管理噪聲抑