目标：
讨论模拟电子技术的基本特性
描述模拟信号
分析信号源
解释放大器的特性

1.1模拟电子学

电子学可以划分成很多的分类来研究。其中最基本的一种分类方式是将信号分成可由
二进制数字表示的数字信号和由连续变化量表示的模拟信号。数字电子学包括所有的算术
和逻辑运算，如在计算机和计算器中执行的那样。事实上，模拟电子学包括所有其他(非
数字)信号，它包括信号处理功能，比如放大、微分和集成等。事实上，当今几乎所有的
信号(音频、视频和数据)都是经过数字化后，然后再进行传输和进行其他的处理。但是，
我们的确也无法直接接触到数字世界。因此，在现代电子学中模拟机理和模拟器件继续发
挥着重要的作用。

1.2模拟信号

信号是指任何携带信息的物理量，它可以是能被听到、看到或以其他方式表征的信
息。在电子学中，信号是指在导体中或在电磁场中由电波携带的信息。

1.2.1模拟信号和数字信号

信号可以分成连续信号和离散信号。连续信号变化缓慢，没有突变。离散信号可以只
有有限几个值。连续和离散是指信号的幅度，也可以指信号的时间。
事实上，很多信号的值在一定范围内是连续变化的，这样的信号就是模拟信号。例如，考虑图 1-3a 中用作转轴编码器的电位器。在输入电压的限制下，输出电压的值可以是连续变化的，产生一个与轴角位置有关的模拟信号。

另一方面，转轴编码器还有另外一种类型，它有一些可供选择的数字，如图 1-3b 所示。
当数字分配给这些步骤时，结果将是一个数字信号。
通常情况下，模拟电路比较简单，处理速度快，成本低，以及容易模拟出自然现象它们常用于处理线性函数、波形整形、将电压转换成电流或者将电流转换成电压、做乘法运算以及混频。相反，数字电路有很强的抗噪声性能，没有漂移问题，处理数据快以及能够进行各种运算。在很多电子系统中，需要将模拟信号和数字信号混合运用，这样有助于优化系统整体的性能或代价。

很多信号都来自于自然现象，例如压力或温度的测量。事实上，转换器的输出通常是模拟量，例如，一个传声器将模拟信号提供给一个放大器。通常情况下，为了方便存储、处理和传输，把模拟信号转换成数字形式

系统说明：

移动电话就是一个既有模拟信号又有数字信号的例子。传声器输入声音，它就是模拟信号，然后将这个模拟声音数据转换成数字信号，再调制在一个模拟的射频载波信号上，通过天线将它传输到一个基站上。
同样，从基站上收到的信号是一个调制在模拟载波上的数字智能信号。它经由一个低噪声放大器(LNA)放大，用一个模拟载波频率进行下变频。这样，数字声音数据就转换成模拟信号送到音频功率放大器，最后通过扬声器输出。

1.2.2周期信号

为了携带信息，电波的一些特性(如电压或者频率)需要变化。通常，电信号是以一定的时间间隔重复的，重复的波形就称为周期性的。周期(period，T)表示一个周期信号完成一个循环所需要的时间。周期(cycle)是指在波形呈现出另一个完全相同的图案之前波形的完整序列值。可以在逐次循环的波形上的任意两个相应点来测出周期。
周期信号波形在电子学中有着很广的应用。很多实用的电子电路，例如振荡器，就能产生周期波形。大多数振荡器都产生特定形状的波形，或者正弦波，或者非正弦波，如方波、矩形波、三角波或者锯齿波。
正弦波是最基本、最重要的周期波。三角正弦和余弦函数有相同的正弦波形。通常，正弦波形指三角函数。而正弦曲线是指和正弦波有相同形状的波形。正弦波形通常可以由交流发生器或者射频电波产生。正弦波也可以从一些自然的物理现象中得到，如激光生成器、音叉的振动或者海浪的运动等。

正弦曲线的平均值 在一个周期内，正弦曲线有相同的正负部分。因此，从数学意义上看，正弦曲线的均值必然为 0。但是，一般情况下，均值是指在一个周期内不考虑正负符号的平均值。也就是说，通常情况下先将负值部分转换成正值然后再取平均来得到均值。用峰值电压来表示均值电压的方程如下

化简得:

正弦曲线的有效值 如果在电阻两端施加一个直流电源，那么电阻消耗的功率将是一个稳定的值。功率可以通过下面的公式来计算:

正弦曲线在峰值点处有最大功率，在电压为 0处功率为 0。为了将交流电压电流与直流电压电流相对比，计算与直流电压电流产生相同的热效应时的交流电压、电流，通过积分可以求出等效的热量，称为方均根电压(rms)或者电流。方均根电压和峰值电压的关系。
如下:

同理，有效电流或者方均根电流是

1.2.3时域信号

迄今为止，你所接触的信号都是随着时间而变化的，同时，很自然地会将时间作为
个独立的变量。一些设备(例如振荡器)是把信号作为时间的函数来记录的，因此时间是一
个独立的变量。域是分配给独立变量的取值空间。以时间为变量的信号(如电压、电流、
电阻或者其他参量)都是时域信号。

1.2.4频域信号

有时候考察一个以频率为水平轴、以度(通常以对数形式)为直轴的信号也是很有价值的。因为频率是一个独立的变量，所以我们就说仪器工作在频域。频谱图是指幅度与频率之间关系的图。频谱分析仪是一个用来观察信号频谱的仪器。在射频测量中，这些仪器在分析电路的频率响应、测试谐波失真、检测传输器的调制程度以及很多其他应用方面起了很大的作用。
你已经明白如何用三个参数来表示一个正弦波，这些参数是频率、幅度、相位。一个连续的正弦波可以看成由这三个参数定义的随时间变化的信号。同样的正弦曲线也可以看成频谱中的一条直线。频域给出了信号的幅度和频率信息，但是它没有给出信号的相位角。正弦波的这两种表示形式的比较如图 1-6 所示，频谱图中谱线的高度就是正弦波的幅度。

谐波
一个非正弦周期波形由一个基频和几个谐频组成。基频是波形基本的重复频率，谐波是更高
频率的正弦波，其频率是基频的数倍。有趣的是，这些谐波都是基波的整数倍。奇次谐波的频率是波形基波频率的奇数倍。例如，一个 1kHz 的方波就包含基频 1kHz，奇次谐波 3kHz、5kHz、7kHz 等。这个例子中，3kHz 频率称为3次谐波，5kHz频称为 5次谐波，依次类推。一个纯正弦波的任何变形都会产生谐波。一个非正弦波是基波和多次谐波的组合，有些仅有奇次谐波，有些仅有偶次谐波，有些既有奇次也有偶次谐波。波形的形状取决于它的谐波成分。一般来说，只有基波和低次谐波对波形的形状影响比较重要。例如，方波由基波和奇次谐波构成，如图 1-7 所示。

系统例子1-1
模拟系统
模拟系统指仅以模拟形式处理数据的系统，一个例子就是公共广播系统，用来放大声音信号，使其在一个很大的范围内能听到，基本的框图如图 SE1-1 所示。这个框图表示声音信号(本质上是一个模拟信号)，通过传声器获取，转换成了一个小的模拟电压信号(称为音频信号)，电压随着声音大小和频率的变化而连续变化，再将其通过一个线性放大器，
放大器的输出是输入电压的放大，最后送到扬声器。扬声器将放大后的音频信号转换成声音波形，此时的声音波形比开始从传声器处采集到的波形有更大的音量。

模拟系统的另一个例子是调频接收机，这个系统对输入进来的调频载波信号进行处理，提取出音频信号送到放大器，放大器再输出声波，方框图如图 SE1-2 所示，其中标出了系统中各点的信号波形。

1.3信号源
 

回顾一下基本电子学中的戴维南定理，可以用一个电压源串联一个电阻来代替一个复
杂的线性电路，这个电路可以看成一个二端口的。同样，根据诺顿定理，可以用一个电流
源并联一个电阻来代替一个二端口线性电路。这些重要的理论对于简化和分析很多电路是
非常有用的，应该彻底理解。

1.3.1独立源

信号源可以定义成电压的或者电流的，也可以定义成直流信号源或交流信号源。理想的独立电压源产生的电压与负载电流无关，理想的独立电流源产生的电流也与负载电压无关。
理想的独立信号源的值是固定的，与电路中的所有其他参数都无关。虽然无法实现一个真正理想的信号源，但是在某些情况下(例如稳压电源)，它可以很接近理想情况。实际中的信号源可以看成一个理想的源与一个电阻(对交流源而言也可以是其他的无源器件)的组合。

1.3.2戴维南定理

戴维南定理告诉我们，可以用一个理想的独立电压源串联一个电阻来代替一个复杂的二端口线性电路，如图 1-9 所示。这个信号源可以是直流的也可以是交流的(图 1-9 中是一个直流电源)。戴维南定理是从二端口网路的理论来得出等效电路的。也就是说，原来的电路和戴维南等效电路在任何负载下都有一个完全相同的电压和电流。戴维南定理在分析线性电路中是很有意义的，例如放大器电路，这将在1.4 节中进行讨论。戴维南电路仅仅由两个量决定:戴维南电压和戴维南电阻。戴维南电压 就是原电路的开路电压(无负载，NL)，戴维南电阻 就是从输出端口看进去，把电路内部所有的电压源或电流源用它们的内阻替代后的等效电阻。

1.3.3 诺顿定理

类似于戴维南电路，诺顿定理提供了另外一种等效电路，诺顿定理同样可以用一个简单的等效电路来等效任一个线性二端口网络。不同于电压源，诺顿等效电路使用电流源并联上一个电阻来等效，如图 1-11 所示诺顿电流的幅度等于把负载短路后流经端口的电流，诺顿电阻和戴维南电阻的求法一样。

1.3.4传感器

模拟电路经常与测量联系在一起，传感器是一种将物理量(例如位置、压力或温度)从一种形式转换成另一种形式的器件。对于电子系统，输入传感器将测量出来的物理量转换成电量(电压、电流、电阻)，传感器将在第 15 章进一步阐述。
从传感器得到的信号通常情况下都比较小，在进一步处理前需要进行放大。无源传感器(例如应力计)需要一个单独的电源(称为激励)来支持其工作。其他传感器(例如热电偶)是一种有源传感器，它们是自激励器件，能够将一小部分测得量转换成电信号无论是无源传感器还是有源传感器，为了便于分析，都常简化成戴维南电路或者诺顿电路

为了选择一个合适的放大器，有必要考虑电源电压的大小，以及戴维南或者诺顿等效电阻的大小。当等效电阻很小时，戴维南等效电路更有用，因为此时的戴维南等效电路近似于一个理想电压源。当等效电阻很大时，诺顿等效电路更有用，因此此时的诺顿等效电路近似于一个理想电流源。当源电阻非常大时例如 pH计的情况下，必须采用一个高输人阻抗的放大器。还有一些其他考虑因素，如系统的频率响应噪声对放大器选择的影响。

1.4放大器

信号在处理之前，大多数都需要放大。放大器简单地增加了信号的幅度(要么是电压要么是电流，或者两者)，是电子学中最重要的功能之一。在线性电子学中还包括其他的处理:信号发生(振荡器)、波形整形、频率变换、调制和其他的处理。除了严格的数字电路和线性电路外，许多电子线路都是线性电路和数字电路的组合。这其中包括一类很重要的接口电路，它实现模-数转换和数-模转换功能。

1.4.1线性放大器

之前有关线性电路的结论可以延伸到放大器上。为了产生一个有用的输出(比如驱动一个扬声器)，线性放大器对输入信号进行幅度上的放大。理想放大器是指对信号的放大不带来噪声和失真，输出随着时间而变化，并且是对输入的精确再现。
放大器主要用于放大电压或者功率。对于一个电压放大器，输出信号正比于输入信号。输出电压和输人电压的比值就是电压增益。仅需写出输出电压比上输入电压，如

1.4.2非线性放大器
放大器还常用于输出不一定是输入信号再现的场合。这些放大器是模拟电路中的一个重要组成部分。它们主要分成两类:波形整形和开关。波形整形放大器通常用于改变波形的形状。开关放大器从其他波形中产生出一个矩形输出。它们的输入可以是任何形式的波形，例如，正弦波、三角波或者锯齿波。在很多数字应用场合，知形波输出常用作控制信号。

另外一个增益参数就是功率增益 A,，是指信号的输出功率比上输人功率。通常用电压或者电流的有效值来求功率。然而，功率增益仅是一个比值，因此可以用任何两个一致的量来计算。功率增益是时间的函数，表达式形式如下

1.4.3放大器模型

放大器是负载用来放大信号幅度的器件。尽管放大器内部很复杂，包括晶体管、电阻和其他元件，当分析源和负载特性的时候，这些都是可以简化的。可以认为放大器是源和负载之间的一个接口，如图 1-19a 和 b 所示。可以把在基础电子学课程中学到的等效电路概念运用到复杂得多的放大器中，把放大器作为等效电路，就可以简化性能关系式。把来自信号源的输入信号送入放大器的输入端，输出来自于另一端(在电路图上端口用开路表示)。放大器的输入端对源呈现出输入阻抗 R。这个阻抗将影响到放大器的输人电压，因为它与源内阻构成了分压器。
放大器的输出可以画成戴维南源电路或诺顿源电路。如图 1-19 所示，源的幅值取决于无负载增益(A.)和输入电压，因此放大器的输出电路(画成了戴维南或诺顿等效电路)包含受控源，这个受控源的值总是依赖于电路其他地方的电压或电流@。戴维南或诺顿等效情况下的电压或电流值如图 1-19 所示。

1.4.4级联

为便于分析，戴维南和诺顿电路把放大器简化成了最本质的几块。除了对源和负载而言模型变得简单了，当两级甚至多级组成一个级联放大器时，这种简化的模型还可以用于分析内部负载。考虑图 1-20 所示的两级级联放大器，其总增益和这三个回路中每个回路的负载效应有关。这些回路都是简单的串联电路，因此电压可以通过分压原理很容易地计算出来。

重要公式：