模电是我们自动化专业的必修课,也是一门比较头秃的课程,于是我打算花一些时间好好整理一下,先从基础开始:
- 信号
- 信号的线性放大
- 放大电路模型
1. 信号
信号是信息的载体或表达形式
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模拟信号
在时间上和幅值上都是连续的信号,也就是数学上所说的连续函数 -
模拟电路
处理模拟信号的电子电路称为模拟电路
这里我们也回顾一下什么是数字信号:
- 数字信号：在时间和幅值上都是离散的信号
信号的分析
信号与系统这门课如果学过的话,应该知道信号的分析包括信号的时域分析和频域分析,比如正弦信号:
周期信号
正弦信号
上面这张图其实也叫做正弦电压的幅度谱
因为正弦信号是单一频率的信号,所以在频域中只有一根谱线
接下来看看方波信号
方波信号
这是用时域表示的方波信号:
通过高等数学,我们可以知道,任意周期函数,只要满足狄里赫利条件，就能展
开成傅里叶级数
这个方波信号可以展开成直流分量和各次谐波分量的叠加:
可以看出频率越高,幅值越小
非周期信号
现实生活中,大多数实际信号的时域波形并不是规则的周期波形
比如话筒的输出波形:
这个波形并没有明显的规律,但是至少可以发现他的平均值很小,也就是说他的直流分量很小,变化非常快的高频成分也不多
那么他的幅度频谱变化趋势可能有这样的形状:
说明这个信号的频率成分主要分布在这两条虚线之间的区域
实际上,即使是非周期信号,也能通过傅里叶变换,得到信号的频谱密度函数,从而获知他的频域特征
电信号的电路表示
在使用传感器将非电物理量转换为电量时,传感器输出的是电信号
所以在电路中,常把传感器描述成信号源,根据电路理论的知识,电路中的信号源都可以等效为戴维南和诺顿,两种形式的等效电路:
- 戴维南等效电路是电压源的形式
- 诺顿等效电路是电流源的形式
如果信号源内阻不是0也不是无穷大,那么这两种等效电路可以相互转换
在多数情况下，采用哪种信号源形式，取决于被转换的物理量是与传感器的输出电压成比例还是与输出电流成比例。
2. 信号的线性放大
在实际生活中,有些信号是十分微弱的,既无法直接显示,也很难进行进一步的分析和处理,如果希望对信号进一步地数字化处理,那么就需要把信号放大到伏特数量级,这样才能被一般的模数转换器转换为数字信号
还有一些电子系统需要输出较大的功率,例如音响系统往往要把音频信号的功率提高到数瓦、数十瓦,甚至更高的程度,对这样的信号处理,都离不开信号的放大
信号的放大,实际上指的是信号的线性放大
抽象层面的理解
在直角座标系中,这个表达式就是一条直线,且斜率为 A :
当x I 是电路的输入信号，x O 是电路的输出信号时，A就是电路的增益（放大倍数）:
这种描述放大电路输出与输入关系的曲线,称为传输特性曲线
可以看出信号线性放大的调节是A必须是常数,如果A为负值,那么直线就位于二四象限,这时电路的输出与输入呈现反相关系
我们知道信号在电路中的形式是电压或电流,也就是说x I 和x O 可以是电压或者电流,那么信号的放大指的就是对输入电压或者输入电流的放大,更准确地说,是对他们的幅值进行放大:
线性放大的特点表现为任何一点的电压幅值被放大的程度完全相同，也反映了输入对输出的控制 。
实现线性放大的条件
如果A的绝对值小于1,信号的幅值减小,但习惯上还是称为放大电路
换句话说,放大作用实质上是一种控制作用,A就是控制系数,这样看来,只要始终保证A是常数,就能实现信号的线性放大
这听起来似乎很简单,但是放大电路是一个实际的物理系统,它的输出幅值总是有限的,意味着图中的直线不可能无限地向两端延伸,实际情况是,随着输入的增大,输出信号达到一定幅值后,传输特性曲线开始向水平方向弯曲,这时曲线的斜率也不再是常数:
也就是说,电路的输出和输入不能继续保持线性关系了,这时就会出现非线性失真的情况
非线性失真
放大电路输出幅值有限导致的非线性失真
这个图描绘了由半导体器件的非线性特性导致的一种典型的失真想象
但是如果能将失真程度控制在所要求的精度范围内,我们就可以认为放大是线性的
除此以外,当信号中含有复合频率成分（如方波信号）时，放大电路必须对信号频带内所有频率成分的分量具有相同的放大能力，否则也会造成信号失真。
频率失真（线性失真）
幅度失真和相位失真通常都是同时发生的，它们统称为频率失真，也称为线性失真
频率失真与非线性失真的本质差别是，频率失真不会产生输入信号中没有的、新的频率分量，非线性失真则不然。
幅度失真
幅度失真是放大电路对信号中不同频率分量的放大倍数不同而产生的失真。
当放大基波幅值的倍数大于放大二次谐波的倍数时，复合波形出现失真。
相位失真
相位失真是放大电路对信号中不同频率分量产生的时延不同而出现的失真。
如果基波分量和二次谐波分量经放大电路产生不同的时延，则复合波形出现失真。
3. 放大电路模型
这里我们用三角形来表示放大电路:
从信号传输的角度来看,放大电路应该是一个双口网络
信号被放大,意味着能量的增加,根据能量守恒定律,我们知道能量不能无中生有,输出信号能量的增加,一定需要能量的供给者,它就是放大电路的工作电源。电源的能量在输入信号的控制下,转换为输出信号的能量
另外,特别需要注意的是这里的接地符号,是放大电路中正、负电压的电位参考基准点，定义为零电位。也是输入、输出和电源的“共同端”
由于工作电源对所有的放大电路来说都有相同的作用,所以电路图中经常省略电源符号
放大电路增益形式
电压、电流、功率增益通常用分贝表示:
放大电路等效模型
通常,可以用一个等效电阻来反映放大电路输入端口的电压和电流的关系,这个电阻称为放大电路的输入电阻
由于放大电路实现了输入信号对输出信号的控制,所以输出端口可以等效为一个受控源,其等效电阻常称为放大电路的输出电阻
当然,根据需要,可以将信号源和受控源变换为诺顿等效电路的形式,从而得到其他三种增益形式的模型:
也就是电流放大模型、互阻放大模型和互导放大模型,需要注意的是,这里忽略了电抗元件对电路的影响。
下面我们拿其中一个模型具体分析一下
电压放大模型
隔离型放大电路模型
这种模型的输入回路和输出回路之间没有任何的电路连接,包括他们的供电电源都是相互隔离的
输入与输出之间通过磁或光实现信号传输