模拟电子技术绪论模拟电子系统的评价和分析方法
?当设计完模拟电子电路后，需要从不同的方面对其进行评估。主要分为理论分析和仪器测试两方面。
?理论分析用于指导实际的模拟电子系统设计和使用仪器的实际测试。
?而仪器实际测试的结果反过来又帮助理解模拟电子技术的理论知识，两者是相辅相成的关系。
理论分析方法类型
--传统分析方法的局限性
?早期，由于条件所限，工程师通过晶体管的小信号模型，获得小规模模拟电子电路电压增益、电流增益、输入阻抗、输出阻抗、频率响应特性等。然后，再将它们连接起来构成一个复杂的模拟电子系统。
?这种方法在模拟电子技术发展早期是非常有效的。但是，随着半导体技术的不断发展，这种通过人工计算的方法就显得效率很低。
理论分析方法类型
--EDA技术的发展
?随着计算机性能的不断提高，电子设计自动化
（Electronic Design Automation，EDA）工具成为电子系统设计和分析的强有力的助手，用于取代传统的手工计算方法，显著的提高了设计和分析效率。
理论分析方法类型
--EDA技术的发展
?以集成电路为重点的仿真程序（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis，SPICE），它是为了执行日益庞大而复杂的集成电路仿真工业而发展起来的，它是一个通用的、开源的模拟电子电路仿真工具。
?SPICE是一个程序，它用于集成电路和板级设计，用于检查电路设计的完整性，并且预测电路的行为。?基于晶体管级的仿真和验证。
理论分析方法类型
--EDA技术的发展
?SPICE最早由加州大学伯克利分校开发。
?1975年改进成为SPICE2的标准，它使用FORTRAN语言开发。
?在1989年，Thomas Quarles开发出SPICE3，它使用C语言编写，并且增加了X窗口系统绘图功能。
理论分析方法类型
--EDA技术的发展
?在目前流行的SPICE仿真工具，包括：
?NI公司的MutisimWorkbench工具；?Altium公司的Altium Designer工具；?Cadence公司的OrCAD工具。
理论分析方法类型
--EDA技术的发展
?在SPICE仿真工具中，包含下面的模块：
?电路原理图输入程序?激励源编辑程序?电路仿真程序?输出结果绘图程序?模型参数提取程序?元器件模型参数库
理论分析方法类型
--EDA技术的发展
?SPICE的基本分析功能包含三大类：
?直流分析?交流分析?时域分析
特别要注意的是这些理论分析方法和实际的测试仪器之间有着一一对应的关系，这些分析方法也将贯穿课程后续内容。
SPICE仿真
--直流分析
?直流工作点分析
?用于测量在电路中包含电感短路和电容开路的直流工作点。这说明了进行直流工作点分析的先决条件。
?直流扫描分析
?测量直流转移特性。当输入信号在一定范围内变化时，输出一个曲线轨迹。通过执行一系列的直流工作点分析，设计者可以修改所选定信号源的电压，从而得到一个直流传输曲线。
SPICE仿真
--直流分析
?传递函数分析
?也称为小信号分析。
?它将计算每个电压节点上的直流输入电阻、直流输出电阻和直流增益值。
直流分析
--直流和小信号规范
?交流和小信号规范包含直流电源电压Vcc、直流偏置电流（用于启动晶体管以及工作）和功耗PD（直流电源提供的功率）。
?通常需要指定电压增益，即Vo和Vi的比值。两者之间线性。
直流分析--直流和小信号规范?且电路工作在静态点Q，电压增益由下式给出。?Av称为“大信号电压增益”。直流分析
--直流和小信号规范
?对于后面介绍的晶体管来说，它的特性图通常是非线性的。
直流分析
--直流和小信号规范
?电路工作在静态工作点Q点。使输入信号在很小的范围内变化，以便VO~VI关系是线性的，将电压增益称为小信号增益Av，表示为：
点
?在模拟电子电路中，特别是在放大器中，通常工作在特性中一个特定的线性范围。
SPICE仿真
--交流分析
?交流分析是在一定的频率范围内计算电路的响应。
?如果电路中包含非线性器件或者元件。在计算频率响应之前，就应该得到该元器件的交流小信号参数。
?在进行交流分析前，必须要保证电路中至少有一个交流信号源。
SPICE仿真
--交流分析
?理论上的交流分析其等效于使用频谱分析仪对电路进行频域分析。
图中Apb表示通带内的电压增益，Zi为输入阻抗，ZO为输出阻抗
SPICE仿真--交流分析?上图是一个典型的频率响应特性，它描述了电压增益与频率之间的关系，就是我们经常所提到的幅度-频率响应特性。?从图中可以看出来，当输入信号Vi的频率在[fL，fH]之间时，电压增益基本不变，而当输入信号的频率小于fL或者大于fH时，可以看到电压增益明显变小。
?在本书后面介绍滤波器时，将这种频率特性称为带通特性。当fL=0时，称模拟电子电路具有低通特性；当fH=∞时，称模拟电子线路具有高通特性。
有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）SPICE仿真--瞬态（暂态）分析
?瞬态分析是指对指定输入信号的响应而产生的输出信号，实际上就是在时域进行分析，理论上的瞬态分析就等效于使用示波器对电路进行时域分析。
?与交流分析不一样的是，对于瞬态分析来说，在一个时间段内，输入信号Vi的频率是不变的，然后观察输出Vo随时间的变化情况。
SPICE仿真--傅里叶分析
?傅里叶分析是在瞬态分析的基础上，分析信号中的基波和谐波分量。
SPICE仿真
--阻抗特性分析
该分析将显示电路中任意端点和源点之间的阻抗特征，它通常作为交流小信号分析的一部分。通过输入电源电压值除以输出电流值，可以得到阻抗测量值。当SPICE进行阻抗特性分析时，执行下面的行为：
?从输入端删除信号源。?输入电源与地短接。?删除所有接入电路的负载。
?连接输出两端的电源，即正电源连接到输出端，负端接地。
SPICE仿真
--噪声分析
?噪声分析利用噪声谱密度，测量由电阻和半导体器件引起的噪声影响，通常由V2/Hz表征测量噪声值。
?电阻和半导体器件均可以产生噪声，噪声电平取决于频率。?电阻和半导体器件会产生不同类型的噪声。
?特别注意的是，在噪声分析中，将电容、电感和受控源看作无噪声元器件。
?对交流分析的每一个频率，计算电路中每一个噪声源（电阻或晶体管）的噪声电平，通过将各均方根值相加，得到它们对输出节点的贡献。
SPICE仿真
--零极点分析
?在单输入/输出的线性系统中，利用电路的小信号交流传输函数，通过计算极点/零点，用零点-极点（Pole-Zero）进行稳定性分析。
?将电路的直流工作点线性化，对所有非线性器件匹配小信号模型。传输函数可以是电压增益（输出与输入电压之比）或阻抗（输出电压与输入电流之比）中的任意一个。
SPICE仿真
--蒙特卡洛分析
?它是一种统计模拟方法。
?它是在给定电路元器件参数容差为统计分布规律的情况下，用一组伪随机数求得元器件参数的随机抽样序列，然后对这些随机抽样的电路进行直流扫描、直流工作点、传递函数、噪声、交流小信号和瞬态分析。并且，通过多次分析结果估算出电路性能的统计分布规律。
?在蒙特卡洛分析基础上，可以执行最坏情况分析。
SPICE仿真
--温度扫描分析
?温度扫描是指在一定的温度范围内计算电路参数，用来确定电路的温度漂移等性能指标。
SPICE仿真
--参数扫描分析
?参数扫描可以与直流、交流或瞬态分析等配合使用，为研究电路参数变化对电路性能的影响提供了极大的便利。
?在分析功能上与蒙特卡罗分析和温度分析类似，它是按扫描变量对电路的所有分析参数进行扫描。?分析结果将产生一个数据列表或一组曲线图。
理论分析方法的实质
?理论分析方法的核心就是直流分析、瞬态分析、交流小信号分析。此外，还应该包含统计域分析。
?这些分析方法，其实质体现着信号与系统的辨证关系。
理论分析方法的实质--时域分析问题
?使用有源器件实现的模拟微分器。其输入电压VI和输出电压VO的关系表示为：
理论分析方法的实质--时域分析问题
?很明显这是一个时间域的表达式。通过该式，当给定一个时域输入信号Vi(t)时，通过该式就可以得到输出信号Vo(t)。
理论分析方法的实质--时域分析问题
?从另一方面来说，当输入信号Vi(t)变化很快的时候，为了防止V0(t)的值过大，可以减少K的值，这就是在自动控制原理中介绍的用于微分作用的微分系数的值大小和输入信号的变化快慢有关。
?当信号变化过快时，减少K值，降低微分作用；而当信号变化过慢时，增加K值，提高微分作用。
理论分析方法的实质--频域分析问题
?从上式可以看出，当输入信号Vi(t)变化的越快，通过微分后，得到的输出V0(t)越大。
?典型的，当输入信号为直流时，输出为0。?随着Vi(t)变化率增加，V0(t)越大。
?如果从频率的角度分析，就是我们说的“滤波器”概念，微分器属于高通滤波器。
理论分析方法的实质--频域分析问题
?用拉普拉斯变换后，表示为
????
?当s=j时，将上式用频率表达式：
????
理论分析方法的实质--频域分析问题
理论分析方法的实质?从上面可以看出，对于同一个模拟电子电路系统来说，可以从不同的角度研究它。?交流小信号（频域）分析目的所关注的是频谱特性。?相比较来说，瞬态分析目的所关注的是时域特性。
有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）设计测试
?通过理论分析，为实际电路的设计提供了重要的指导。通过SPICE工具提供的强大分析功能，为后续进行实际模拟电子电路设计提供了重要参考。
?但是，SPICE工具的仿真只考虑了器件模型本身，但并不考虑真实的模拟电子线路环境。
?比如：元器件本身的容差、印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）/面包板（bread board）本身存在的电容、环境温度的变化、实际电源纹波和地噪声等。
?因此，当设计完实际的模拟电子电路时，就需要对所设计的电路进行测试。
设计测试
?传统上，对模拟电子电路的测试仪器主要包括：信号源、扫频仪、万用表、示波器以及频谱分析仪等。
?通过这些电子测量设备，设计者可以对实际电路进行准确测量和分析。
?然后，根据测量结果以及电路实际工作的环境状况，修改理论设计方案，反复不断修改，直到满足设计性能为止。
设计测试
?但是，这些仪器比较昂贵，体积较大，并不方便学生和老师在实验室以外的其它地方使用。
?为了弥补这个缺陷，一些厂商陆续推出了“虚拟仪器”工具，其原理就是通过高速ADC转换器，采集模拟电子电路的电压等信号，通过虚拟仪器的USB高速接口，以及专用的软件工具将转换后的结果显示在PC/笔记本电脑的显示屏上。
设计测试
?这种工具的出现虽然不能代替真正的测试仪器，但是由于这种虚拟仪器比较便宜，体积很小，因此便于学生或者老师在实验室外的其它地方调试模拟电子线路。
?特别是，NI推出的ELVIS工具，可以将虚拟仪器设备实时捕获的模拟电子电路的模拟信号量与Multisim Workbench仿真结果进行同步比较。
?通过仿真和实际硬件测试结果的比较，深入理解理论对实际模拟电子电路设计的指导作用。?ADI提供的虚拟仪器等。
模拟电子技术绪论(3) - 图文
