清華大學自動化系2025.06電路與模擬電子技術(shù)葉朝輝CircuitsandAnalogElectronics1.1電子技術(shù)基本概念1.2電的發(fā)展史1.3電子技術(shù)發(fā)展史1.4電子技術(shù)的現(xiàn)代應(yīng)用1.5電子系統(tǒng)第1章電子技術(shù)與電子系統(tǒng)概述231.1.1電子產(chǎn)品舉例1.1.2電子技術(shù)1.1電子技術(shù)基本概念41.1.1電子產(chǎn)品舉例圖1-1-1手機

（左）外觀

（右）內(nèi)部電子產(chǎn)品或者電子設(shè)備：內(nèi)部都有電子電路，都能完成一定的功能和性能。51.1.2電子技術(shù)

電子技術(shù)是研究如何用電子元件（電子器件）組成電子電路和電子系統(tǒng)，以解決實際問題的一門科學技術(shù)。

研究內(nèi)容：電子元件（主要為半導體器件）的原理和特性，電子電路的組成、原理、分析和設(shè)計方法，電子系統(tǒng)的組成、原理、分析和設(shè)計方法?？萍际堑谝簧a(chǎn)力，目的是造福人類社會661.2.1古代電現(xiàn)象1.2.2電荷及其定理的發(fā)現(xiàn)1.2.3電池、電阻及電路的發(fā)明1.2.4電磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)1.2.5電路元件的發(fā)明1.2.6電的應(yīng)用1.2電的發(fā)展史學習發(fā)展史的重點在于學習科學家的發(fā)明創(chuàng)新的思想，了解科技發(fā)展的趨勢71.2.1古代電現(xiàn)象公元前三千年左右，在古埃及的壁畫里有會放電的電鯰魚。公元前兩千七百五十年的時候，有記載一種叫“尼羅河的雷霆”的電鰩，可以給人治病。古代阿拉伯人將雷電稱為“raad”。古希臘哲學家泰勒斯最早研究了靜電現(xiàn)象。81.2.2電荷及其定理的發(fā)現(xiàn)1752年美國的本杰明·富蘭克林做的風箏實驗，證明了閃電是自然界的放電現(xiàn)象；發(fā)現(xiàn)正、負電荷，電荷守恒定律。

1875年，查利·奧古斯丁·庫倫通過一個扭秤實驗，證明了電荷之間的作用力（吸引力或者排斥力）正比于兩個電荷量的乘積，而反比于它們之間的距離；并研究出了作用力的精確表達式。

電荷之間的相互作用力電研究上升到精確科學研究！查爾斯·庫倫(1736-1806)本杰明·富蘭克林(1706-1790)91.2.3電池、電阻及電路的發(fā)明圖1-2-2伏打電池

（左）實物

（右）結(jié)構(gòu)1800年，亞歷山大·伏打發(fā)明了伏打電池，可以在電池兩極分別產(chǎn)生正、負電荷。圖1-2-4常用的電阻

圖1-2-5手電筒及其電路亞歷山大·伏打(1745-1827)101.2.4電磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)圖1-2-6電流的磁效應(yīng)1820年，丹麥的漢斯·奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)在1831年,英國物理學家麥克·法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其規(guī)律圖1-2-7電磁感應(yīng)現(xiàn)象丹麥，漢斯·奧斯特(1777-1851)英國，麥克·法拉第(1791-1867)111.2.5電路元件的發(fā)明一、電容1746年，荷蘭物理學家彼得·凡·穆森布羅克發(fā)明了第一個公認的電容器（簡稱為電容）即萊頓瓶（eydenjar），可以儲存電荷。圖1-2-8萊頓瓶

（左）

（右）結(jié)構(gòu)圖1-2-9電容結(jié)構(gòu)圖1-2-10普通電容實物荷蘭，彼得·凡·穆森布羅克（EwaldGeorgvonKleist，1692－1761）12二、電感1832年，約瑟夫·亨利證明了當在螺旋線兩端加電壓u，產(chǎn)生電流

i后，在線圈中形成感應(yīng)磁場Φ，而感應(yīng)磁場又會產(chǎn)生反向的感應(yīng)電流-iΦ，來抵制（或阻止）線圈中電流i的變化。

螺旋線簡稱為線圈，也稱為電感。圖1-2-11電感（左）結(jié)構(gòu)

（右）實物約瑟夫·亨利（JosephHenry，1797－1878）13三、電磁繼電器圖1-2-12電磁繼電器

（左）電路圖

（右）實物

電磁繼電器是一種用較小的電流、較低的電壓控制較大電流、較高的電壓的一種“自動開關(guān)”141.2.6電的應(yīng)用一、電報

為了簡化字符的編碼，美國的塞繆爾·莫爾斯于1837年發(fā)明了莫爾斯碼，用“點”和“劃線”對字符進行編碼，不同的字符對應(yīng)不同的編碼。圖1-2-13莫爾斯碼（點、劃線）美國，塞繆爾·莫爾斯(1791-1872)151.2.6電的應(yīng)用一、電報

若將“點”和“劃線”的編碼對應(yīng)為數(shù)字“0”和“1”，則電磁繼電器的開關(guān)（按鍵）輸入信號和觸點輸出信號對應(yīng)編碼為數(shù)字信號“0”和“1”。

數(shù)字信號是離散的信號，只在電報員或觸點動作的時候出現(xiàn)，其他時間不出現(xiàn)，因此在時間上是分散（離散）的；并且只取離散的數(shù)值“0”和“1”。電報機16二、電話亞歷山大·貝爾于1876年發(fā)明了電話。圖1-2-14語音信號：連續(xù)的模擬信號

模擬信號是一種連續(xù)變化的信號，用于模擬自然界的各種物理、化學、生物等的信號，例如聲音、溫度、壓力、顏色、亮度、脈搏等亞歷山大·貝爾(1847-1922)電話機17三、無線電報1895年意大利的馬可尼發(fā)明了無線電報。圖1-2-15無線電報發(fā)報裝置原理圖意大利，古列爾莫·馬可尼(1874-1937)18四、計算機1941年德國的朱賽（Zuse）最先研制成了全自動的繼電器計算機Z-3，即第一代電計算機，它已具備程序控制、數(shù)字存儲等現(xiàn)代計算機的特征，標志著電的應(yīng)用發(fā)展到了一個新的階段。全自動繼電器計算機Z-3191.3.1電子管的發(fā)明1.3.2晶體管的發(fā)明1.3.3集成電路的發(fā)明1.3.4電子技術(shù)的早期應(yīng)用1.3電子技術(shù)發(fā)展史201.3.1電子管的發(fā)明一、電子二極管1904年，在無線電公司工作的英國電氣工程師約翰·弗萊明，受到“愛迪生效應(yīng)”的啟發(fā)，發(fā)明了世界上第一個電子管—真空二極管，可以在無線電檢波中作開關(guān)用。圖1-3-1真空二極管（電子二極管）（左）原理圖

（右）實物圖電子二級管：電壓→金屬絲（陰極）→發(fā)射電子→金屬網(wǎng)（陽極）→產(chǎn)生電流；反過來就沒有電流；相當于開關(guān)21二、電子三極管1907年，美國李·德佛瑞斯特給電子二極管增加了第三個電極—控制柵，研究出了真空三極管（也稱為電子三極管，簡稱為電子管）。圖1-3-2真空三極管原理圖三、電子管的應(yīng)用電子管廣泛應(yīng)用于收音機、電視機、計算機，等。圖1-3-3第一臺電子管通用計算機-伊尼亞克(ENIAC)221.3.2晶體管的發(fā)明1947年，貝爾實驗室的三位科學家肖克利（WilliamSchockley）、巴?。↗ohnBardeen）和布萊頓（WalterBrattain）發(fā)明了用半導體材料制作的晶體管（Transistor），并于1956年獲得了諾貝爾物理學獎。圖1-3-4發(fā)明晶體管的三位科學家圖1-3-5現(xiàn)代晶體管實物231.3.3集成電路的發(fā)明1958年，美國德州儀器公司的工程師JackKilby發(fā)明了鍺半導體材料制成的集成電路(IntegratedCircuit，簡稱為IC)，將具有某一功能的電路全部制作在一塊半導體上，加上封裝和引腳。

1959年，美國仙童公司（Fairchild）的RobortNoyce發(fā)明了硅半導體材料制成的集成電路。圖1-3-6JackKilby制作的鍺半導體集成電路

241.3.3集成電路的發(fā)明1965年，美國科學家摩爾（Moore）預測出了集成電路的發(fā)展趨勢：集成電路的集成度每隔十八個月要翻一番（即它上面的元件的數(shù)目要增加一倍），但是它的成本卻要降低一倍，這就是著名的摩爾定律。圖1-3-7現(xiàn)代集成電路芯片251.3.4電子技術(shù)的早期應(yīng)用

半導體元件和集成電路早期應(yīng)用于電話、電報、收音機、電視機、計算機等，開啟了信息化時代即第三次工業(yè)革命。1960年，我國自行研制了第一套1000門自動電話交換機。1961年，美國德克薩斯儀器公司與美國軍方合作，研制出第一臺集成電路電子計算機。1964年，美國IBM生產(chǎn)出了由混合集成電路制成的IBM360計算機，成為第三代計算機的主要里程碑。261.4.1電子電路的功能1.4.2電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域1.4電子技術(shù)的現(xiàn)代應(yīng)用271.4.1電子電路的功能1.通信2.信號處理3.計算4.測量5.控制6.其它功能

例如顯示信息、存儲信息等。281.4.2電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括消費、醫(yī)療、交通、農(nóng)業(yè)、通信、工業(yè)、航空航天、軍事、測量等領(lǐng)域。圖1-3-10手機與音箱之間傳輸音樂歌曲29圖1-3-11石油聲波測井儀器圖1-3-12嫦娥五號探測器301.5.1電子系統(tǒng)簡介1.5.2現(xiàn)代電子系統(tǒng)的組成1.5.3現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計方法1.5.4現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計原則1.5電子系統(tǒng)311.5.1電子系統(tǒng)簡介一、電子系統(tǒng)定義

電子系統(tǒng)是指由若干相互連接、相互作用的電子電路和其它零部件組成，能夠產(chǎn)生或處理電信號及信息的完整的裝置。32二、電信號及信息1.信息、消息與信號信息：人類社會和自然界中需要傳送、交換、存儲和提取的抽象內(nèi)容。消息：表示信息的語言、文字、圖像、數(shù)據(jù)等。信號：運載消息的物理量，它們是時間或空間的函數(shù)，所攜帶的消息則體現(xiàn)在它們的變化之中。由于電信號容易產(chǎn)生、傳輸和控制，也容易實現(xiàn)與其它物理量的相互轉(zhuǎn)換，因此是應(yīng)用最廣泛的信號。332.電信號電信號：隨時間變化的電壓或電流，可以用波形或函數(shù)表示。數(shù)字信號：在時間或數(shù)值上均離散的電信號，例如電路的開關(guān)信號、脈沖信號等。（a）開關(guān)信號

（b）數(shù)據(jù)采集信號圖2-1-1數(shù)字信號342.電信號模擬信號：在時間和數(shù)值上均連續(xù)的電信號，例如聲音、亮度、顏色、溫度、壓力、流量、心電信號等。（a）溫度信號

（b）聲音信號

（c）脈搏信號圖2-1-2模擬信號35三、電子電路電子電路：用于產(chǎn)生或處理電信號。模擬電路(AnalogElectronicCircuit)：用于產(chǎn)生或處理模擬信號，其最基本的處理為放大，此外還有濾波、運算、信號產(chǎn)生電路等。數(shù)字電路(DigitalElectronicCircuit)：用于產(chǎn)生或處理數(shù)字信號，其最基本的處理為邏輯運算，此外還有數(shù)學運算，以及計數(shù)、存儲等。信號轉(zhuǎn)換電路：用于實現(xiàn)模擬信號與數(shù)字信號之間的相互轉(zhuǎn)換。模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路或模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(AnalogtoDigitalConverter，簡稱為A/D或者ADC)：實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換。數(shù)-模轉(zhuǎn)換電路或數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(DigitaltoAnalogConverter，簡稱為D/A或者DAC)：實現(xiàn)數(shù)字信號到模擬信號之間的轉(zhuǎn)換。36四、電子元件

常用的電子元件包括電阻、電容、電感、半導體器件，而半導體器件主要包括二極管、晶體管、場效應(yīng)管、集成電路等。

集成電路（IntegratedCircuit，簡稱IC）：采用一定的制造工藝，將電子元件、電阻、電容等組成的具有完整功能的電路制作在同一塊半導體基片上（直徑約為3-10mm），然后加上外部封裝和引腳所構(gòu)成的器件。37微處理器：主要由數(shù)字電路組成，通常具有信息處理、存儲等功能。片上系統(tǒng)：在一塊半導體上集成了多種功能的電路，一個芯片即可以組成一個電子系統(tǒng)，也稱為系統(tǒng)級芯片。分立元件：非集成電路的電子元件。硬件：電子元件及其組成的電子電路。軟件：微處理器或SoC中的微處理器中運行的程序通常稱為。四、電子元件38五、電子零部件電子零部件：包括傳感器（例如麥克風、攝像頭、溫度傳感器等）、執(zhí)行器（例如揚聲器、蜂鳴器、電機、閥門等）、顯示器（例如液晶屏、數(shù)碼管等）、鍵盤和按鍵、有線或無線通信信號的發(fā)射或接收裝置、信號傳輸線、電子產(chǎn)品的外殼等。39一、現(xiàn)代電子器件的特點

現(xiàn)代集成電路的集成度越來越高，功能越來越強，例如多核微處理器、片上系統(tǒng)等。1.5.2現(xiàn)代電子系統(tǒng)的組成40圖2-2-1現(xiàn)代電子系統(tǒng)的組成現(xiàn)代電子系統(tǒng)通常以微處理器和SoC為核心組成。1.組成

電子系統(tǒng)的功能是產(chǎn)生或者處理電信號