课程概述

电子信息工程

电子电路分析与设计（Electronic Circuit Analysis and Design）的半导体器件及其基本应用和模拟电路技术部分，简称「模拟电路」或模电，是一门电类工科专业的非常重要的必修课。由于其具有很强的工程实践性，许多思维方式与我们之前的经验似乎有些相悖，再加上模拟电路的教学体系比较混乱，对初学者非常不友好，因此笔者根据自己的学习经历和心得整理出这套模拟电路的笔记，希望能有所帮助。

模拟电路通俗地来说，就是先研究各种半导体「元件」（Component）的特性，再以这些元件为基础设计特定的「电路」（Circuits），研究这些电路对输入「信号」（Signals）的处理方式。

模拟电路系统最终处理的客体就是信号。因此我们在之后的学习中，输入电路的是一个信号，在电路中从一个信号变成另一个信号，最后也是以信号的形式对外输出，因此有必要对信号做专门的介绍。

模拟电路顾名思义，就是专门处理各种模拟信号的电路系统。对根据傅立叶变换，任何信号都可以分解为正弦信号的叠加，因此在之后的课程中，通常使用正弦信号作为标准的输入信号。

信号

课程章节

知识基础

在学习这门课之前，需要掌握：

高等数学，熟练积分和求导等基本运算
复变函数与积分变换，尤其是傅立叶积分变换
大学物理，需要对正弦波的相关计算有所了解
电路理论，用于电路的分析和定量计算
半导体物理，在介绍半导体元件等工作原理时会稍微涉及

信号是随时间的变换量，因此很自然可以「幅度-时间」为坐标轴作图，画出对应的波形图。这样的波形图称为「时域图」（Time domain），根据傅立叶变换，我们也可以将信号以「幅度-频率」为坐标轴作图，这样的波形图称为「频域图」（Frequency domain）。

若信号的幅度随着频率而变化，则可以在频域图中画出一条曲线，称此图为「频幅响应曲线」（Frequency Response），频幅响应曲线在频率响应一章会大量涉及。

2.2 元件

根据其是否需要电源供电，可以分为「有源元件」（Active components）和「无源元件」（Passive components）

常见的无源元件有电阻，电容，电感和二极管等，常见的有源元件就包括各种各样的半导体元件，如放大器和晶体管。笔者默认读者对电阻，电容和电感的符号和相应特性都已经有比较深的掌握了。

如下三种元件分别为电阻、电容和电感

在本课程中，前几章将会重点介绍四种常见的半导体器件，这是之前的电路理论所没有涉及的。他们分别为

二极管（Diode）
MOS 场效应管（MOSFET）
三极管（BJT）
运算放大器（Operational Amplifier）

其中，前三种元件为分立元件，最后一种为集成元件。我们需要简单了解这些元件的结构和工作原理，分析其工作特性和参数。在此基础上根据元件各自的特点对元件进行建模，最后应用在电路设计中。

2.3 电路

在掌握元件的特性后，就可以根据特性设计的相应的电路，从而对信号做相应的处理。最常用的处理就是对信号做放大，由此就有

BJT 放大器
MOS 放大器
运算放大器
反馈放大器
功率放大器

同时也有其他的电路有广泛的实际应用，如

有源滤波器
信号发生器
稳压电源

我们需要首先掌握一系列的分析方法，如图解分析法、小信号模型、瞬时极性法、虚短虚短等，来分析对应电路的电路原理、电路特点以及交流直流的性能指标，最终得到能够自主地去设计一些简单的模拟电路系统。

二、放大电路的模型

在模拟电路中，我们会大量涉及放大电路。因此在绪论中有必要对放大电路做一个基本的建模。

对于一个放大电路而言，它由供电部分和信号处理部分组成，在信号分析时，有时会忽略供电部分，因此放大器可以简单地看作一个二端口网络

左侧部分的输入信号，可以认为由一个电压信号源和一个信号源输入电阻串联组成，电压源信号会输出一个随时间变化的电压信号，通过电阻到达放大器的输入端。经过放大器的处理，从端输出给元件或下一级电路。输出端的元件或下一级电路称为「负载」（Load），可以用一个电阻来表示

1. 增益

放大电路作为一个二端口网络，我们关心它的传输特性，即：输出信号和输入信号之间有怎样的关系？由此可以得到四种传输特性。这些传输特性增益不仅与电路本身有关，也跟负载有关。

1.1 电压增益

放大电路输出端电压和输入端电压的比值称为电压增益（Voltage gain），是一个无量纲数

1.2 电流增益

放大电路输出端电流和输入端电流的比值称为电流增益（Current gain），是一个无量纲数

1.3 跨阻增益

放大电路输出端电压和输入端电流的比值称为跨阻增益（Transimpedance gain），单位为欧姆

1.4 互导增益

放大电路输出端电流和输入端电压的比值称为互导增益（Mutual conductance gain），单位为西门子

2. 放大器的基本参数

对于一个放大器，我们最关心的参数是其开环放大倍数增益、输入阻抗和输出阻抗。

2.1 开环电压增益

负载为开路时，此时的电压增益称为电路的「开环放大倍数」（Open loop gain）。开环放大倍数由电路本身决定。

2.2 输入阻抗

当输出端开路时，输入电压和输入电流之比叫做输入阻抗（Input resistance），放大电路的输入阻抗由电路本身决定。

当一个放大器的输出为另一个放大器的输入，这种连接方式称为「级联」。研究输入阻抗的意义就在于，对于放大器而言，后级放大器的输入阻抗就相当于前级电路的负载大小

2.3 输出阻抗

当输入端信号置零，放大器内部电源也置零时，输出电压和输出电流之比叫做输出阻抗（Output resistance），放大电路的输出阻抗由电路本身决定。

研究输出阻抗的意义就在于，对于放大器而言，前级放大器的输出阻抗就相当于后级电路的信号源电阻大小

3. 放大器的负载效应

当放大器连接上电阻时，根据电路理论相关知识

其中，为不带负载时的放大倍数。加上负载后，此时的实际电压增益为

可以发现，当减小时，电压增益也会减小。这种效应称为「负载效应」（Load effect)

经过以上的铺垫，我们正式进入魔法电路的世界！