本书的特色是以典型的电子设计自动化工具(Electronics Design Automation,EDA)所包含的SPICE作为设计实际模拟硬件电路的指导,并通过各种测试仪器对实际硬件电路的测量,比较理论和实际之间的差别,引导读者深入理解和思考实际模拟电路的设计问题,并加深对模拟电子技术理论知识的理解。本书适合从事模拟系统设计的工程师使用,可作为TI集成电路设计工程师的参考书,同时也可作为高等学校模拟电子技术基础课程的实践教学用书。
本书是《模拟电子系统设计指南:从半导体、分立元件到TI集成电路的分析与实现》一书的实践篇,重点在于介绍模拟电子系统中典型单元硬件电路的设计、实现和验证方法。本分共分为14章,包括构建模拟电子系统的基本知识、SPICE仿真工具、测试仪器原理、信号时域和频域表示、二极管电路设计与验证、双极结性晶体管电路设计与验证、金属氧化物场效应晶体管电路设计与验证、运算放大器电路设计与验证、集成差动放大器电路设计与验证、有源滤波器电路设计与验证、功率放大器电路设计与验证、振荡器电路设计与验证、电源管理器电路设计与验证、自动测试系统的原理及构建。
何宾,著名的嵌入式技术和EDA技术专家,长期从事电子设计自动化方面的教学和科研工作,与全球多家知名的半导体厂商和EDA工具厂商大学计划保持紧密合作。目前已经出版嵌入式和EDA方面的著作近30部,内容涵盖电路仿真、电路设计、可编程逻辑器件、数字信号处理、单片机、嵌入式系统、片上可编程系统等。典型的代表作有《Xilinx FPGA设计**指南》、《Altium Designer13.0电路设计、仿真与验证**指南》、《Xilinx FPGA数字设计-从门级到行为级的双重描述》、《Xilinx FPGA数字信号处理**指南-从HDL、模型到C的描述》、《模拟与数字系统协同设计**指南-Cypress集成开发环境》、《STC单片机原理及应用》、《Altium Designer15.0电路仿真、设计、验证与工艺实现**指南》、《STC单片机C语言程序设计》。
第1章构建模拟电子系统的基本
知识
1.1电阻
1.1.1轴向引线型电阻
1.1.2电阻网络
1.1.3贴片式电阻元件的封装
1.2电容
1.2.1功能
1.2.2有极性电容
1.2.3无极性电容
1.2.4聚苯乙烯电容
1.2.5真实的电容值
1.2.6电容的寄生效应
1.2.7寄生电容
1.2.8不同类型电容比较
1.3面包板
1.3.1面包板的结构和功能
1.3.2面包板的寄生电容
第2章SPICE仿真工具
2.1Multisim Live特性及应用
2.1.1登录Multisim Live
2.1.2Multisim Live设计流程
2.2TINA仿真工具特性及应用
2.2.1下载和安装TINA仿真工具
2.2.2TI TINA设计流程
第3章测试仪器的原理
3.1数字示波器的原理
3.1.1信号的基本概念
3.1.2示波器分类
3.1.3数字示波器的基本原理
3.1.4性能参数
3.1.5时基显示模式
3.2信号发生器原理
3.2.1信号发生器的功能
3.2.2信号发生器的分类
3.2.3工作原理
3.2.4性能参数
3.3线性直流电源的原理
3.3.1工作原理
3.3.2工作模式
3.3.3性能参数
3.3.4扩展应用
3.4数字万用表的原理
3.4.1工作原理
3.4.2性能参数
3.5频谱分析仪
3.5.1信号的时域和频域表示
3.5.2频谱分析仪的用途
3.5.3频谱分析仪的种类
3.5.4性能参数
3.6直流电子负载
3.6.1电子负载的工作模式
3.6.2性能参数
第4章信号时域和频域表示
4.1实验目的
4.2实验材料及仪器
4.3实验原理
第5章二极管电路设计与验证
5.1二极管I/V曲线测量
5.1.1实验目的
5.1.2实验材料及仪器
5.1.3电路设计原理
5.1.4硬件测试电路
5.1.5测试结果分析
5.2半波整流电路设计和验证
5.2.1实验目的
5.2.2实验材料及仪器
5.2.3电路设计原理
5.2.4硬件测试电路
5.2.5测试结果分析
5.3全波整流电路设计和验证
5.3.1实验目的
5.3.2实验材料及仪器
5.3.3电路设计原理
5.3.4硬件测试电路
5.3.5测试结果分析
5.4桥式整流电路设计和验证
5.4.1实验目的
5.4.2实验材料及仪器
5.4.3电路设计原理
5.4.4硬件测试电路
5.4.5测试结果分析
5.5限幅电路设计和验证
5.5.1实验目的
5.5.2实验材料及仪器
5.5.3电路设计原理
5.5.4硬件测试电路
5.5.5测试结果分析
5.6交流耦合和直流恢复电路设计和
验证
5.6.1实验目的
5.6.2实验材料及仪器
5.6.3电路设计原理
5.6.4硬件测试电路
5.6.5测试结果分析
5.7可变衰减器设计和验证
5.7.1实验目的
5.7.2实验材料及仪器
5.7.3电路设计原理
5.7.4硬件测试电路
5.7.5测试结果分析
第6章双极结型晶体管电路设计与
验证
6.1BJT用作二极管
6.1.1实验目的
6.1.2实验材料及仪器
6.1.3电路设计原理
6.1.4硬件测试电路
6.1.5测试结果分析
6.2BJT输出特性曲线测量
6.2.1实验目的
6.2.2实验材料及仪器
6.2.3电路设计原理
6.2.4阶梯波信号产生方法
6.2.5硬件测试电路
6.2.6测试结果分析
6.3BJT共射极放大电路设计和
验证
6.3.1实验目的
6.3.2实验材料及仪器
6.3.3电路设计原理
6.3.4硬件测试电路
6.3.5测试结果分析
6.4BJT镜像电流源设计和
验证
6.4.1实验目的
6.4.2实验材料及仪器
6.4.3电路设计原理
6.4.4硬件测试电路
6.4.5测试结果分析
6.5基极电流补偿镜像电流源设计和
验证
6.5.1实验目的
6.5.2实验材料及仪器
6.5.3电路设计原理
6.5.4硬件测试电路
6.5.5测试结果分析
6.6零增益放大器设计和验证
6.6.1实验目的
6.6.2实验材料及仪器
6.6.3电路设计原理
6.6.4硬件测试电路
6.6.5测试结果分析
6.7稳压电流源设计和验证
6.7.1实验目的
6.7.2实验材料及仪器
6.7.3电路设计原理
6.7.4硬件测试电路
6.7.5测试结果分析
6.8并联整流器设计和验证
6.8.1实验目的
6.8.2实验材料及仪器
6.8.3电路设计原理
6.8.4硬件测试电路
6.8.5测试结果分析
6.9射极跟随器设计和验证
6.9.1实验目的
6.9.2实验材料及仪器
6.9.3电路设计原理
6.9.4硬件测试电路
6.9.5测试结果分析
6.10差模输入差分放大器电路设计
和验证
6.10.1实验目的
6.10.2实验材料及仪器
6.10.3电路设计原理
6.10.4硬件测试电路
6.10.5测试结果分析
6.11共模输入差分放大器电路设计
和验证
6.11.1实验目的
6.11.2实验材料及仪器
6.11.3电路设计原理
6.11.4硬件测试电路
6.11.5测试结果分析
第7章金属氧化物场效应晶体管电路
设计与验证
7.1MOS用作二极管电路测试
7.1.1实验目的
7.1.2实验材料及仪器
7.1.3电路设计原理
7.1.4硬件测试电路
7.1.5测试结果分析
7.2MOS输出曲线测量
7.2.1实验目的
7.2.2实验材料及仪器
7.2.3电路设计原理
7.2.4硬件测试电路
7.2.5测试结果分析
7.3MOS转移特性曲线测量
7.3.1实验目的
7.3.2实验材料及仪器
7.3.3电路设计原理
7.3.4硬件测试电路
7.3.5测试结果分析
7.4MOS共源极放大电路设计和
验证
7.4.1实验目的
7.4.2实验材料及仪器
7.4.3电路设计原理
7.4.4硬件测试电路
7.4.5测试结果分析
7.5MOS镜像电流源电路设计和
验证
7.5.1实验目的
7.5.2实验材料及仪器
7.5.3电路设计原理
7.5.4硬件测试电路
7.5.5测试结果分析
7.6零增益放大器电路设计和
验证
7.6.1实验目的
7.6.2实验材料及仪器
7.6.3电路设计原理
7.6.4硬件测试电路
7.6.5测试结果分析
7.7源极跟随器电路设计和
验证
7.7.1实验目的
7.7.2实验材料及仪器
7.7.3电路设计原理
7.7.4硬件测试电路
7.7.5测试结果分析
7.8差模输入差分放大器电路设计和
验证
7.8.1实验目的
7.8.2实验材料及仪器
7.8.3电路设计原理
7.8.4硬件测试电路
7.8.5测试结果分析
7.9共模输入差分放大器电路设计和
验证
7.9.1实验目的
7.9.2实验材料及仪器
7.9.3电路设计原理
7.9.4硬件测试电路
7.9.5测试结果分析
第8章集成运算放大器电路设计与
验证
8.1同相放大器电路设计和
验证
8.1.1实验目的
8.1.2实验材料及仪器
8.1.3电路设计原理
8.1.4硬件测试电路
8.1.5测试结果分析
8.2反相放大器电路设计和
验证
8.2.1实验目的
8.2.2实验材料及仪器
8.2.3电路设计原理
8.2.4硬件测试电路
8.2.5测试结果分析
8.3电压跟随器电路设计和
验证
8.3.1实验目的
8.3.2实验材料及仪器
8.3.3电路设计原理
8.3.4硬件测试电路
8.3.5测试结果分析
8.4加法器电路设计和验证
8.4.1实验目的
8.4.2实验材料及仪器
8.4.3电路设计原理
8.4.4硬件测试电路
8.4.5测试结果分析
8.5积分器电路设计和验证
8.5.1实验目的
8.5.2实验材料及仪器
8.5.3电路设计原理
8.5.4硬件测试电路
8.5.5测试结果分析
8.6微分器电路设计和验证
8.6.1实验目的
8.6.2实验材料及仪器
8.6.3电路设计原理
8.6.4硬件测试电路
8.6.5测试结果分析
8.7半波整流器电路设计和
验证
8.7.1实验目的
8.7.2实验材料及仪器
8.7.3电路设计原理
8.7.4硬件测试电路
8.7.5测试结果分析
8.8全波整流器电路设计和
验证
8.8.1实验目的
8.8.2实验材料及仪器
8.8.3电路设计原理
8.8.4硬件测试电路
8.8.5测试结果分析
8.9单电源同相放大器电路设计和
验证
8.9.1实验目的
8.9.2实验材料及仪器
8.9.3电路设计原理
8.9.4硬件测试电路
8.9.5测试结果分析
第9章集成差动放大器电路设计与
验证
9.1应变力测量电路设计和
验证
9.1.1实验目的
9.1.2实验材料及仪器
9.1.3应变片原理
9.1.4电路设计原理
9.1.5硬件测试电路
9.1.6测试结果分析
9.2热电阻测量电路设计和
验证
9.2.1实验目的
9.2.2实验材料及仪器
9.2.3温度传感器原理
9.2.4电路设计原理
9.2.5硬件测试电路
9.2.6测试结果分析
第10章有源滤波器电路设计与
验证
10.1一阶有源低通滤波器电路设计
和验证
10.1.1实验目的
10.1.2实验材料及仪器
10.1.3电路设计原理
10.1.4硬件测试电路
10.1.5测试结果分析
10.2一阶有源高通滤波器电路设计
和验证
10.2.1实验目的
10.2.2实验材料及仪器
10.2.3电路设计原理
10.2.4硬件测试电路
10.2.5测试结果分析
10.3一阶有源带通滤波器电路设计
和验证
10.3.1实验目的
10.3.2实验材料及仪器
10.3.3电路设计原理
10.3.4硬件测试电路
10.3.5测试结果分析
10.4一阶有源带阻滤波器电路设计
和验证
10.4.1实验目的
10.4.2实验材料及仪器
10.4.3电路设计原理
10.4.4硬件测试电路
10.4.5测试结果分析
10.5二阶有源低通滤波器电路设计
和验证
10.5.1实验目的
10.5.2实验材料及仪器
10.5.3电路设计原理
10.5.4硬件测试电路
10.5.5测试结果分析
第11章功率放大器电路设计与
验证
11.1B类功率放大器电路设计和
验证
11.1.1实验目的
11.1.2实验材料及仪器
11.1.3电路设计原理
11.1.4硬件测试电路
11.1.5测试结果分析
11.2AB类功率输出放大器电路设计
和验证(一)
11.2.1实验目的
11.2.2实验材料及仪器
11.2.3电路设计原理
11.2.4硬件测试电路
11.2.5测试结果分析
11.3AB类功率输出放大器电路设计
和验证(二)
11.3.1实验目的
11.3.2实验材料及仪器
11.3.3电路设计原理
11.3.4硬件测试电路
11.3.5测试结果分析
第12章振荡器电路设计与验证
12.1移相振荡器电路设计和
验证
12.1.1实验目的
12.1.2实验材料及仪器
12.1.3电路设计原理
12.1.4硬件测试电路
12.1.5测试结果分析
12.2文氏桥振荡器电路设计和
验证
12.2.1实验目的
12.2.2实验材料及仪器
12.2.3电路设计原理
12.2.4硬件测试电路
12.2.5测试结果分析
第13章电源管理器电路设计与
验证
13.1线性电源电路设计和
验证
13.1.1实验目的
13.1.2实验材料及仪器
13.1.3电路设计原理
13.1.4硬件测试电路
13.1.5测试结果分析
13.2降压型开关电源设计与
验证
13.2.1实验目的
13.2.2实验材料和仪器
13.2.3电路设计原理
13.2.4硬件测试电路
13.2.5测试结果分析
13.3升压型开关电源设计与
验证
13.3.1实验目的
13.3.2实验材料和仪器
13.3.3电路设计原理
13.3.4硬件测试电路
13.3.5测试结果分析
第14章模拟电路自动测试系统的
构建
14.1实验目的
14.2实验材料及仪器
14.3设计原理
14.3.1测试仪器通过网络与上位机
连接
14.3.2自动测试过程的实现
前言
本书是《模拟电子系统设计指南(基础篇):从半导体、分立元件到TI集成电路的分析与实现》一书的配套实践用书。模拟电子系统的设计能力取决于对相关理论知识理解的深度和广度,对理论知识的理解仅从书本上学习是远远不够的,需要通过大量的SPICE电路软件仿真,以及构建和测试实际硬件电路来积累大家通常所说的“设计经验”。
在编写本书的过程中,本人的学生参与了大量模拟硬件电路的构建、测试和验证工作,而他们在大学刚开始学习模拟电子技术时,感觉特别抽象,理解起来很困难,导致他们不知道学习模拟电子技术这门课程的目的所在,当然这也是国内大学教师和学生普遍的共识。本人在编写这本书的6个月的时间里,通过给学生布置书上所提供的这些设计题目,引导他们有针对性地从实践中重新学习模拟电子技术知识,而不是像原来一样仅仅从书本上学习。
在他们完成本人所布置的这些设计题目的过程中,首先要参考本人编写的《模拟电子系统设计指南(基础篇):从半导体、分立元件到TI集成电路的分析与实现》中相关的模拟电路理论知识,然后使用SPICE对要搭建的模拟硬件电路从不同的角度进行初步可行性验证,最后在面包板/万能板上构建实际的硬件电路,并通过测试仪器从时域(包含X-Y)和频域两个不同的角度研究信号与模拟电子系统各个单元之间的内在关系。经过这个训练过程,他们从以前感觉模拟电子技术是最难学最不喜欢学的课程,到如今转变为对模拟电子技术内在所表现出深层次“魅力”的浓厚兴趣。并且,现在他们可以从整体上将所学习的各门相关专业课程知识点有机地联系在一起。由此可见,实践/实验在模拟电子课程教与学中的重要作用。
全书分为14章,以二极管、BJT、MOSFET、集成运算放大器、功率放大器、电源管理器为主线,将模拟电子课程中所需要掌握的重要知识点通过实验进行了系统化融合。本人的学生王中正负责本书第510章实验内容的设计和验证,徐佳负责本书第67章实验内容的设计和验证,唐思怡负责本书第1114章实验内容的设计和验证。此外,汤宗美负责本书教学课件的制作。本人完成对全书的文字整理、实验结构的确认及审阅工作。本书由王学伟主审。
在编写本书的过程中,TI大学计划提供了芯片和经费资助;NI大学计划提供了正版Multisim Designer 14.0工具的授权;RIGOL公司大学计划提供了程控电源、信号发生器、数字示波器、频谱分析仪、数字万用表和电子负载。正是由于这些公司的鼎力支持和帮助,使得我能够高质量地完成本书的编写工作,在此向他们的支持表示衷心的感谢。通过本书的编写,使得教育界和产业界能够更紧密地合作,并可以全方位地帮助教育界的老师将最新的模拟电子设计软件工具和硬件平台介绍给广大的学生,同时也为产业界培养更多能够从事相关工作的工程技术人员,这是一种双赢的合作。
最后,感谢电子工业出版社各位编辑对本书出版给予的帮助和支持,由于本人水平有限,书中难免出现不足之处,请读者不吝指出,帮助本人进一步完善本书的内容。
何宾
2017年4月于北京
这是一本真正意义上的“实践出真知”的书。我是一名即将步入工作岗位的电子工程专业学生,在校期间学习了大量的模拟电子理论,但总感觉缺乏将理论应用于实际的经验。这本书的出现,恰好填补了这个空白。它没有回避那些复杂的技术细节,而是以一种循序渐进的方式,将半导体基础、分立元件的特性,以及TI公司一系列经典的模拟集成电路,进行了深入的剖析。我特别欣赏书中关于“TI集成电路的分析与实现”这部分内容。很多时候,我们拿到一个集成电路,只是看数据手册,但往往难以理解其内部的设计思路和工作原理。这本书通过对一些代表性芯片的深入解读,例如高性能的运放、ADC/DAC、电源管理IC等,让我看到了它们是如何通过巧妙的内部结构设计,来实现强大的功能。书中还提供了大量的实际应用案例,这些案例不仅仅是理论上的演示,更是指导我们如何将这些芯片集成到实际的系统中去,并进行有效的调试。我尝试着去理解其中关于PCB布局的建议,以及如何处理信号完整性问题,这些都是在学校里很难学到的宝贵经验。总而言之,这本书是一本不可多得的实战指导手册,它让我从一个理论学习者,逐渐成长为一个能够独立进行模拟电子系统设计和实现的人。
评分这本书的价值,在我看来,远不止于“指南”。它更像是一位经验丰富的老工程师,在你耳边娓娓道来,将那些深奥的电路设计原理,以一种极其贴近实际操作的方式呈现出来。我尤其欣赏它在讲解TI集成电路部分时的深度和广度。很多市面上的书籍,在谈到集成电路时,往往只是简单地介绍一下型号和功能,但这本书却花了大量的篇幅去剖析其内部结构和工作机制。比如,当它介绍运算放大器时,不仅仅是告诉你它能做什么,还深入到输入级、增益级、输出级的具体实现,以及各种非理想因素对性能的影响。这让我不再只是一个“黑箱”使用者,而是能够更深刻地理解这些强大元器件的内在逻辑。书中提供了很多具体的TI芯片型号,并结合实际应用场景进行分析,比如音频放大、电源管理、信号调理等。我尝试着去查阅那些芯片的数据手册,然后对照书中的讲解,发现那些看似复杂的表格和参数,在书的引导下变得清晰易懂。更重要的是,它提供了一些实际的项目案例,从原理图设计到PCB布局,再到实际调试,每一步都有详细的指导。这让我意识到,设计一个完整的电子系统,不仅仅是搭好电路,还需要考虑很多工程上的细节,比如信号完整性、功耗、热管理等等。这本书的“实践篇”名副其实,它确实是在教会我们如何从零开始,构建一个可工作的、高性能的模拟电子系统。
评分作为一名在模拟电子领域摸爬滚打多年的工程师,我一直在寻找一本能够在我已经掌握一定基础后,还能给我带来启发和思考的书籍。这本书,恰好满足了我的需求。它不仅仅是对基础知识的简单罗列,而是深入到了模拟电子系统设计的“道”的层面。从半导体材料的物理特性,到分立元件的精细分析,再到TI公司一系列高端模拟集成电路的巧妙设计,本书都展现出了作者深厚的功力和独到的见解。我尤其赞赏它在讲解高性能模拟芯片时,那种“拆解”式的分析方法。比如,当介绍一款复杂的模拟滤波器时,它会先分析其理论模型,然后深入到其内部的运放、电阻、电容等元器件是如何协同工作,以及如何通过这些元器件的参数选择来达到特定的滤波效果。书中提供的很多设计技巧和优化方法,都是我之前从未留意过的,或者说,即使留意过,也未曾深入理解其背后的原理。例如,关于噪声抑制、失真分析、以及电源去耦等方面的讲解,都非常到位,并且给出了切实可行的解决方案。这本书让我对模拟电子系统设计的复杂性和精妙性有了更深层次的理解,也激发了我进一步探索和创新的动力。它是一本值得反复阅读和思考的佳作,能够帮助任何希望在模拟电子领域深耕的工程师,不断提升自己的设计能力和理论水平。
评分我一直认为,学习模拟电子设计,最怕的就是“纸上谈兵”。而这本书,则是一股清流,它以一种近乎“手把手”的方式,引导读者深入到模拟电子的实际应用中去。从最基础的半导体材料特性,到各种分立元件(电阻、电容、电感、二极管、三极管、场效应管等)的详细分析,再到TI公司那些功能强大的集成电路,这本书覆盖的范围非常全面。我尤其喜欢它在讲解分立元件时,那种深入浅出的讲解方式。比如,对于三极管,它不仅仅介绍了BJT和MOSFET的基本结构和工作原理,还重点讲解了它们的选型依据,例如电流增益、漏电流、开关速度等等,以及在不同应用场景下(放大、开关)应该如何去选择和配置。书中提供的很多实用技巧和经验总结,都是作者多年实践经验的凝练,这对于初学者来说,简直是无价之宝。我尝试着去复现书中的一些电路,比如一个简单的音频前置放大器,或者一个简单的稳压电路,通过书中的指导,我不仅成功地搭建了电路,还能够理解电路中各个元器件的作用,以及它们如何协同工作。这种“知其然,更知其所以然”的学习体验,让我对模拟电子设计产生了浓厚的兴趣,也让我对未来的学习方向有了更清晰的认识。
评分这本书实在是太赞了!作为一名对电子领域充满好奇的初学者,我一直在寻找一本能够真正带领我入门,并且看得懂、学得会、用得上的书。这本书的标题就深深吸引了我——“模拟电子系统设计指南(实践篇)”,光是“实践篇”三个字就让我看到了希望,不再是枯燥的理论堆砌。翻开书页,我首先被它的排版和图示所打动,清晰的电路图、直观的元器件示意图,还有各种波形图,都仿佛在低语:“别怕,跟着我一步步来!” 刚开始接触半导体器件,我总是感到有些迷茫,比如各种二极管、三极管的参数到底代表什么,它们在电路中到底起什么作用。这本书在这方面做得非常到位,它并没有直接抛出复杂的公式,而是从最基础的PN结原理讲起,然后逐步过渡到二极管和三极管的特性分析。我特别喜欢它对于不同工作区域的讲解,以及如何根据这些特性来选择合适的元器件。读到后面关于分立元件的章节,更是让我受益匪浅。从简单的放大电路到更复杂的滤波器,书中的每一个例子都配有详细的分析过程,包括为什么这样接线,为什么选择这样的数值,以及电路工作时信号的变化过程。我尝试着跟着书中的例子,用万用表和示波器去验证,那种亲手搭建电路并看到预期结果的成就感,是任何理论学习都无法比拟的。它让我明白了“理论联系实际”这句话的真正含义,也让我对今后的学习充满了信心。
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