内容简介
《模拟电子技术(第5版)》为高等职业教育电类基础课新形态一体化规划教材,亦为“十二五”职业教育国家规划教材,是在第4版基础上,经过总结提高、删增修改而成。
《模拟电子技术(第5版)》由半导体二极管及其基本应用、半导体三极管及其基本应用、放大电路基础、负反馈放大电路、集成运算放大器的线性应用、信号产生电路、直流稳压电源和附录组成。每节后有复习与讨论题,每章后有器件或电路应用知识及技能训练项目、小结、自测题和习题,书末给出部分自测题和习题答案。
《模拟电子技术(第5版)》课程体系以现代电子技术的基本知识、基本理论、基本技能为主线,突出理论教学与实践训练相结合;内容取舍上以应用为目的,尽量做到少而精,重点突出,淡化理论分析;叙述上简明扼要、深入浅出、概念清楚;教学方法上力求将课堂讲授、课内讨论、课外自学、习题、自我检测与技能训练优化组合,以利于启发引导、教学互动,激发学习积极性和主动性。
《模拟电子技术(第5版)》采用彩色印刷,版面鲜艳,层次分明,既突出了重点又提高了教材的可读性。全书配套出版有学习指导并配有教学课件、动画、微课、试题库、习题解答等教学资源,为教与学提供便利。
《模拟电子技术(第5版)》可作为高职高专院校电类各专业“模拟电子技术”课程及其实训的教材,也可供相关专业工程技术人员参考或培训使用。
内页插图
目录
第1章 半导体二极管及其基本应用
1.1 二极管的特性及主要参数
1.1.1 半导体的基本知识
1.1.2 二极管的结构与类型
1.1.3 二极管的伏安特性
1.1.4 二极管的主要参数
复习与讨论题
1.2 二极管的基本应用
1.2.1 二极管的大信号模型
1.2.2 二极管应用电路举例
1.2.3 二极管的直流电阻和交流电阻
复习与讨论题
1.3 特殊二极管及其基本应用
1.3.1 稳压二极管
1.3.2 发光二极管与光电二极管
1.3.3 变容二极管
复习与讨论题
1.4 二极管的使用知识及技能训l练
1.4.1 二极管的使用知识
1.4.2 技能训练项目
复习与讨论题
【本章小结】
【自测题】
【习题】
第2章 半导体三极管及其基本应用
2.1 晶体管的特性与参数
2.1.1 晶体管的工作原理
2.1.2 晶体管的伏安特性
2.1.3 晶体管的主要参数
复习与讨论题
2.2 晶体管的基本应用
2.2.1 晶体管的直流电路
2.2.2 晶体管开关电路
2.2.3 晶体管放大电路
复习与讨论题
2.3 场效应管及其基本应用
2.3.1 场效应管的结构、符号及其工作原理
2.3.2 场效应管的主要参数
2.3.3 场效应管的基本应用
复习与讨论题
2.4 三极管的使用知识及技能训练
2.4.1 三极管的使用知识
2.4.2 技能训练项目
复习与讨论题
【本章小结】
【自测题】
【习题】
第3章 放大电路基础
3.1 放大电路的基本知识
3.1.1 放大电路的组成
3.1.2 放大电路的主要性能指标
复习与讨论题
3.2 三种基本组态放大电路
3.2.1 共发射极放大电路
3.2.2 共集电极放大电路
3.2.3 共基极放大电路
3.2.4 场效应管放大电路
复习与讨论题
3.3 差分放大电路
3.3.1 基本差分放大电路
3.3.2 具有电流源的差分放大电路
3.3.3 差分放大电路的单端输入、输出方式
3.3.4 差分放大电路的差模传输特性及应用
复习与讨论题
3.4 互补对称功率放大电路
3.4.1 功率放大电路的特点与分类
3.4.2 乙类双电源互补对称功率放大电路
3.4.3 甲乙类双电源互补对称功率放大电路
3.4.4 甲乙类单电源互补对称放大电路
复习与讨论题
3.5 多级放大电路
3.5.1 多级放大电路的组成及性能指标的估算
3.5.2 集成运算放大器及其基本应用电路
复习与讨论题
3.6 放大电路的调试知识与技能训练
3.6.1 放大电路调试的基本知识
3.6.2 技能训练项目
复习与讨论题
【本章小结】
【自测题】
【习题】
第4章 负反馈放大电路
4.1 反馈的基本概念及类型
4.1.1 反馈的基本概念
4.1.2 负反馈放大电路的基本类型
复习与讨论题
4.2 负反馈对放大电路性能的影响
4.2.1 改善放大电路的性能
4.2.2 改变放大电路的输入电阻和输出电阻
复习与讨论题
4.3 深度负反馈放大电路的特点及增益估算
4.3.1 深度负反馈放大电路的特点
4.3.2 深度负反馈放大电路电压放大倍数的估算
复习与讨论题
4.4 负反馈放大电路应用知识及技能训练
4.4.1 负反馈放大电路的应用知识
4.4.2 技能训练项目
复习与讨论题
【本章小结】
【自测题】
【习题】
第5章 集成运算放大器的线性应用
5.1 基本运算电路
5.1.1 比例运算电路
5.1.2 加减运算电路
5.1.3 微分与积分运算电路
复习与讨论题
5.2 有源滤波电路
5.2.1 无源RC低通和高通滤波电路
5.2.2 有源低通滤波电路
5.2.3 有源高通滤波电路
5.2.4 有源带通滤波电路
5.2.5 有源带阻滤波电路
复习与讨论题
5.3 集成运算放大器的频率特性
5.3.1 晶体管的高频特性
5.3.2 集成运放的频率特性及其高频参数
5.3.3 集成运放交流放大电路及其频率特性
复习与讨论题
5.4 集成功率放大器及其应用
5.4.1 常用集成功放及其应用
5.4.2 集成功放使用注意事项
复习与讨论题
5.5 集成运放使用知识及技能训l练
5.5.1 集成运放使用知识
5.5.2 技能训练项目
复习与讨论题
【本章小结】
【自测题】
【习题】
第6章 信号产生电路
6.1 正弦波振荡电路
6.1.1 正弦波振荡电路的工作原理
6.1.2 RC振荡电路
6.1.3 LC振荡电路
6.1.4 石英晶体振荡电路
复习与讨论题
6.2 非正弦波信号产生电路
6.2.1 电压比较器
6.2.2 方波、三角波和锯齿波产生电路
6.2.3 集成压控振荡器
复习与讨论题
6.3 锁相频率合成电路
6.3.1 锁相环路
6.3.2 锁相频率合成器
复习与讨论题
6.4 振荡电路的应用知识及技能训练
6.4.1 振荡电路的应用知识
6.4.2 技能训练项目
复习与讨论题
【本章小结】
【自测题】
【习题】
第7章 直流稳压电源
7.1 单相整流滤波电路
7.1.1 单相整流电路
7.1.2 滤波电路
复习与讨论题
7.2 线性集成稳压器
7.2.1 稳压电路的主要技术指标
7.2.2 串联型稳压电路的工作原理
7.2.3 三端集成稳压器
7.2.4 低压差线性集成稳压器
复习与讨论题
7.3 开关集成稳压电路
7.3.1 开关稳压电路的特点及类型
7.3.2 开关稳压电路的基本工作原理
7.3.3 集成开关稳压器及其应用
复习与讨论题
7.4 直流稳压电源的使用知识及技能训练
7.4.1 直流稳压电源的使用知识
7.4.2 技能训练项目
复习与讨论题
【本章小结】
【自测题】
【习题】
附录A Multisim10软件简介
附录B 部分自测题和习题答案
参考文献
前言/序言
本书为高等职业教育电类基础课新形态一体化规划教材,亦为“十二五”职业教育国家规划教材。本书第1版为教育部规划教材,第2版、第3版分别为“十五”、“十一五”国家级规划教材。本版是在第4版的基础上,经过总结提高、删增修改而成,可作为高职高专电类各专业“模拟电子技术”及其实训课程的教材,也可供相关专业工程技术人员参考或培训使用。
本版修订充分考虑到高职高专教学规律、办学定位、岗位需求、生源情况以及现代电子技术的发展等因素,确定以培养学生能力和素养为出发点,突出重点、加强概念、增加应用、适度更新为修订思路,适度删减一些章节的理论推导以及器件内部结构原理的讨论,增加应用实例及新技术的介绍,增设知识拓展内容;将每章的“电路调整测试”改为“器件(或电路)应用知识及技能训练”,突出应用技能的训练,加强基本技能的训练和指导,增加电路组装、综合实训以及电路应用知识、故障处理等实用内容:精选习题,删去过多的理论计算题,突出基本知识的巩固和基本应用能力的提高;在第3、4、5、6章中增加了Multisim电路仿真的实例,辅助学习;删去4版附录A的内容,并将4版附录B的电子电路仿真软件更新为Multisim10,删去EWB的内容。
经过本次修订,本书有如下主要特点:
(1)课程体系以现代电子技术的基本知识、基本理论、基本技能为主线,突出器件与基本应用相结合、基本知识与实用技术相结合、理论教学与实践训练相结合;在内容取舍上,以应用为目的,做到少而精、重点突出,淡化理论分析,突出集成电路的应用,适度引入新器件和新技术:在叙述方法上,抓住重点问题的本质,以详略得当的语言进行说明,做到简明扼要、深入浅出、层次分明、概念清楚。
(2)以培养学生综合应用能力和职业素养为目的,将课堂讲授、课内讨论、课外自学、习题、‘自我检测与技能训练等有机结合,形成优化的教学体系,便于实施启发引导、教学互动,激发学习积极性和主动性,提高教学效果。
(3)理论教学与实践教学紧密结合,各章后均编有应用知识及技能训练内容,介绍元器件使用知识、电路应用知识及调试和故障处理方法,并列出技能训练项目。应用知识实用、内容丰富,训练项目多元化、分层次,有基本技能训练也有综合技能训练,有电路组装调试也有虚拟实验。
本书完全保留原教材的基本特色,内容结构清晰、表达精练,同时在图片、国标、版式方面做了全新突破,全书采用彩色印刷,图文并茂,既突出重点,又提高可读性,有利于激发学生学习兴趣。本书配套出版有学习指导,并配有教学课件、动画、微课、试题库、习题解答等教学资源,为教师教学、学生学习提供便利。
承蒙南京工程学院章忠全教授审阅了全书,提出了许多宝贵意见和建议,在此,谨致以衷心的感谢。
本书由胡宴如任主编,耿苏燕任副主编。耿苏燕负责第2章的编写,周正负责附录A及书中Multisim仿真分析的编写,其余各章均由胡宴如负责编写,淮安信息职业技术学院的周丽红、王海燕和许金星制作了本书的微课。参加编写工作的还有吴正平、胡旭峰、马丽明、王敏珍等。
限于编者水平,书中错漏及不妥之处在所难免,恳请读者批评指正。
编者
2015年8月
《电路板设计与制造实战指南》 引言 在日新月异的电子科技浪潮中,硬件的创新与迭代速度不断攀升,而作为一切电子产品核心的电路板,其设计与制造的精度、效率和可靠性,直接决定了产品的最终性能和市场竞争力。从一枚小小的微控制器板,到支撑起庞大服务器集群的高密度互联(HDI)电路板,再到集成了复杂射频(RF)和电源管理单元的特种电路板,其背后都凝聚着精密的理论知识、先进的工艺技术和严格的质量控制。 本书《电路板设计与制造实战指南》并非一本泛泛而谈的理论教科书,而是旨在为广大电子工程师、技术爱好者以及相关专业的学生,提供一套系统、全面、极具实践指导意义的学习框架。我们深知,在实际工作中,遇到的挑战往往是多方面的,不仅需要扎实的理论基础,更需要熟练掌握设计工具、理解制造流程、洞察供应链的各个环节,并具备解决实际问题的能力。因此,本书将重点聚焦于电路板设计的全流程,从概念构思到成品交付,深入剖析每一个关键步骤,并结合大量实例,力求将抽象的概念具象化,将复杂的流程条理化,让读者能够真正“看得懂、学得会、用得上”。 我们抛弃了枯燥的公式推导和过于超前的理论探讨,而是将目光投向了工程师们在日常工作中真正会遇到的痛点和难点。例如,如何选择合适的PCB板材以满足不同应用场景的需求?如何在有限的空间内实现高效的信号完整性(SI)和电源完整性(PI)设计?如何优化布局布线以减少电磁干扰(EMI)?在制造环节,又有哪些关键的质量控制点是必须掌握的?如何与PCB制造商有效沟通,确保设计意图准确实现?这些都是本书将深入探讨的核心内容。 本书内容涵盖了从基础的PCB层数选择、叠层设计,到复杂的差分阻抗控制、高频板设计,再到先进的封装技术集成、微通孔(micro-via)与埋孔(buried via)的合理运用。在制造方面,我们将详细解析PCB的制造工艺流程,包括覆铜、蚀刻、钻孔、电镀、表面处理、成型、测试等关键环节,并深入讲解质量检验的标准和方法。同时,我们还将讨论PCB供应链的管理,包括元器件选型、代工厂选择、成本控制以及项目管理等,这些都是确保项目顺利推进不可或缺的知识。 我们相信,通过阅读本书,您不仅能够掌握电路板设计的理论知识,更能够提升您的实际操作能力,培养解决复杂工程问题的能力,最终成为一名更加出色的电子工程师。无论您是初涉PCB设计的新手,还是希望深化专业技能的资深工程师,本书都将是您宝贵的参考资料和得力助手。 第一章:PCB设计流程概述与基础概念 本章将为读者建立一个清晰的PCB设计全局观。我们将首先介绍PCB设计的完整流程,从需求分析、原理图设计、PCB布局、PCB布线,到设计规则检查(DRC)、制造文件生成(Gerber文件等),以及最终的生产制造与测试。每一个环节的衔接与重要性都将得到清晰的阐述。 接着,本章将深入讲解PCB设计的基础概念。这包括PCB的层数选择,如单面板、双面板、多层板(4层、6层、8层及以上),以及HDI板等,并分析不同层数在成本、性能和信号完整性上的权衡。我们将详细介绍PCB的叠层设计,包括不同层间的信号层、电源层、地平面以及绝缘介质(如FR-4、高频板材等)的排列方式,以及为何要采用特定的叠层结构。 此外,本章还将涵盖PCB的基本构成单元,如导通孔(Through-hole)、盲孔(Blind via)、埋孔(Buried via)和微通孔(Micro-via)的概念、作用以及在设计中的应用。不同类型的过孔在信号传输、阻抗匹配和空间利用上的差异将被详细解析。同时,我们还将介绍PCB板材的选择原则,包括介电常数(Dk)、损耗角正切(Df)、热膨胀系数(CTE)等关键参数,并结合实际应用场景,如高速数字电路、射频电路、电源电路等,指导读者如何选择最合适的板材。 第二章:原理图设计与元件选型 原理图是PCB设计的灵魂,其准确性和完整性直接决定了PCB设计的成败。本章将详细介绍原理图设计工具的使用方法,包括如何绘制逻辑清晰的电路图、如何进行元件的符号创建与库管理。我们将强调良好的原理图设计规范,如分组、标识、注释等,以提高可读性和可维护性。 元件选型是原理图设计的关键环节,直接影响到电路的性能、功耗、成本和可靠性。本章将深入探讨元件选型的原则和方法,包括: 器件的电气特性分析: 理解不同器件(如集成电路、分立元件、电源管理芯片、射频器件等)的关键参数,如电压、电流、频率、功耗、封装尺寸、电气接口标准等。 性能与成本的权衡: 如何在满足性能需求的前提下,选择最具成本效益的元器件。 功耗设计: 针对低功耗应用,如何选择高能效的器件,以及如何进行功耗预算。 可靠性与寿命: 了解不同元器件的可靠性指标,如MTBF(平均无故障时间),以及如何选择适合长期工作的器件。 封装选择: 分析不同封装(如SOP、QFP、BGA、QFN等)的特点,包括焊接难度、散热性能、信号传输特性以及板上空间占用。 供应链与可获得性: 考虑元器件的生产周期、供应稳定性以及是否容易获得,避免项目因元器件断供而延误。 供应商选择与数据手册解读: 如何从不同的供应商中选择合适的元器件,以及如何准确理解和利用元器件的数据手册(Datasheet)。 本章还将结合实际案例,演示如何为特定的电子产品(例如,一款嵌入式开发板、一个物联网传感器节点)进行完整的元器件选型和原理图绘制。 第三章:PCB布局规划与优化 布局是PCB设计的核心技能之一,它直接影响到电路的性能、信号完整性、电源完整性、电磁兼容性(EMC)以及可制造性。本章将深入剖析PCB布局的各个方面: 布局原则与策略: 介绍按照功能模块划分、重要性排序、信号流向考虑等基本布局原则。 关键器件的布局: 电源模块布局: 如何合理放置电源芯片、电容、电感,确保稳定高效的供电。 处理器/主控芯片布局: 考虑其引脚数量、信号密度以及散热需求。 高频元件布局: 如晶振、射频器件、高速接口,需注意隔离与短线。 连接器布局: 考虑用户接口、调试接口以及外围设备连接的便利性。 信号流向与模块划分: 如何根据信号的流向进行布局,尽量缩短长信号线,减少信号交叉。 电源和地平面设计: 强调创建完整的电源平面和地平面,其作用在于提供低阻抗的回流路径,降低噪声,提高信号完整性。 热管理考虑: 如何合理安排发热元件的位置,利用散热焊盘、散热孔以及考虑空气流通,确保良好的散热。 EMC/EMI考虑: 在布局阶段就应考虑电磁兼容性,例如,将敏感电路与易产生干扰的电路分开,采用接地屏蔽等。 可制造性设计(DFM): 考虑元件的间距、方向,以及避免焊接难点,为后续的自动化贴片和焊接做好准备。 封装类型的影响: 不同封装的元器件对布局有不同的要求,例如BGA封装需要预留足够的间距和散热空间。 本章将通过大量的实际PCB布局案例,对比分析不同布局方案的优劣,指导读者如何在实际项目中进行高效且优化的布局。 第四章:PCB布线技术与信号完整性 布线是PCB设计中技术性最强的环节之一,直接关系到信号的质量和电路的性能。本章将聚焦于PCB布线技术,并深入探讨信号完整性(SI)问题。 布线规则与策略: 导线宽度与间距: 如何根据电流大小、阻抗要求和信号类型来确定导线宽度和间距。 最短路径原则: 尽量缩短信号线的长度,尤其对于高速信号。 避免直角转折: 讲解直角转折可能引起的阻抗不连续和信号反射。 差分信号布线: 强调差分对的长度匹配、紧密耦合以及共面性。 蛇形线(Serpentine Trace): 在需要长度匹配时如何合理使用。 阻抗匹配: 传输线理论基础: 讲解特性阻抗、阻抗不匹配的原因与影响。 单端阻抗控制: 如何通过导线宽度、板材介电常数和叠层设计来控制单端阻抗。 差分阻抗控制: 如何设计差分对以达到特定的差分阻抗要求。 串扰(Crosstalk): 如何通过导线间距、地平面屏蔽等方法减少串扰。 信号完整性(SI)分析: 反射(Reflection): 分析信号反射的原因、影响以及如何减小。 振铃(Ringing): 解释振铃的产生机制,并给出抑制方法。 过冲(Overshoot)与下冲(Undershoot): 讨论其产生原因和影响。 时序(Timing): 确保信号到达接收端的时间符合要求。 EMI/EMC关联: 讲解信号完整性差如何导致EMI问题。 高速信号布线技巧: 针对USB、PCIe、DDR等高速接口的布线要求。 射频(RF)电路布线: 特殊的微带线、带状线设计与匹配。 电源完整性(PI)的重要性: 讲解电源平面、去耦电容的布局与作用,确保电压稳定。 本章将结合仿真工具的初步介绍,说明如何通过仿真来预测和优化布线效果。 第五章:PCB制造工艺与质量控制 本章将带领读者深入了解PCB的制造流程,理解设计背后的工艺限制,并掌握必要的质量控制方法。 PCB制造流程详解: 基本流程: 从菲林制作、覆铜、蚀刻、钻孔、去毛刺、电镀、阻焊层制作、字符层制作、表面处理(如HASL、ENIG、OSP等)、成型(切割)、清洗等环节,进行详细的工艺说明。 多层板的压合工艺: 讲解如何通过压合将多层PCB板粘合在一起。 HDI PCB制造工艺: 介绍微通孔、埋孔、盲孔的特殊制造工艺。 柔性PCB和刚挠结合PCB制造: 探讨其独特的工艺特点。 表面处理工艺(Surface Finish): 详细介绍各种表面处理工艺(如热风整平HASL、沉金ENIG、有机可焊涂层OSP、沉银、沉锡等)的原理、优缺点、适用范围以及对焊接性能的影响。 PCB制造中的关键参数与限制: 最小线宽、最小间距: 不同工艺等级的PCB制造能力限制。 最小孔径、最小焊盘尺寸: 钻孔和焊盘的最小尺寸限制。 堆叠高度、层间错位: 压合工艺的公差。 表面粗糙度: 对焊接影响。 质量控制与检验: 设计规则检查(DRC): 如何进行DRC检查,发现设计中的潜在制造问题。 制造文件(Gerber、Excellon等): 讲解这些文件的格式和重要性,以及如何正确生成。 AOI(Automated Optical Inspection)检测: 自动光学检测原理与应用。 ICT(In-Circuit Test)测试: 在线测试方法。 功能测试(Functional Test): 对成品PCB进行功能验证。 可靠性测试: 如高低温测试、耐湿测试、振动测试等。 DFM(Design for Manufacturability)的重要性: 强调在设计阶段就考虑制造的便利性和可控性,以降低成本和提高良率。 与PCB制造商的沟通: 如何提供清晰的制造要求,避免误解,确保设计意图准确实现。 第六章:PCB高级设计技术与发展趋势 本章将进一步探讨PCB设计的进阶技术,以及行业的发展方向。 嵌入式元件(Embedded Components): 在PCB内部嵌入电阻、电容、电感甚至主动元器件的技术。 3D PCB设计: 整合3D模型,进行更全面的设计验证。 高密度互连(HDI)技术: 微通孔、多层微通孔、堆叠微通孔、图形化微通孔的应用。 先进封装技术与PCB的协同设计: 如SiP(System in Package)技术,如何将芯片级封装与PCB板结合。 射频(RF)PCB设计实战: 微带线、带状线、脊形线、传输线建模与仿真。 电源管理PCB设计: 高效电源转换、低压差线性稳压器(LDO)、开关电源(SMPS)的布局布线技巧。 大电流PCB设计: 导线加宽、多层共面走线、铜箔厚度选择。 软件工具的高级应用: 信号完整性(SI)和电源完整性(PI)仿真工具: 如HyperLynx, Sigrity等。 EMC/EMI仿真工具: 预测和分析电磁干扰。 热仿真工具: 分析散热性能。 PCB设计行业发展趋势: 更高密度、更小尺寸: 智能化、小型化电子产品的需求推动。 更高频率: 5G、Wi-Fi 6E等技术对PCB性能提出更高要求。 更复杂的材料: 柔性材料、耐高温材料、低介电损耗材料的应用。 人工智能(AI)在PCB设计中的应用: 自动化布局布线、智能DRC等。 绿色环保PCB制造: 无铅、无卤素、环保材料的应用。 第七章:PCB项目管理与供应链 除了技术本身,一个成功的PCB项目还需要有效的管理和对供应链的深入理解。 项目管理流程: 需求分析与定义: 明确产品规格和性能指标。 计划制定: 时间节点、资源分配、风险评估。 设计执行与评审: 阶段性设计评审。 制造与测试协调: 与代工厂的紧密合作。 项目收尾与总结: 经验教训总结。 PCB供应链管理: 元器件采购: 如何选择可靠的供应商,确保质量和交期。 PCB制造商选择: 如何评估制造商的能力、设备、质量体系和价格。 合同与协议: 重要的商务与技术条款。 物料清单(BOM)管理: 确保BOM的准确性和完整性。 成本控制: 在设计和制造环节进行成本优化。 风险管理: 潜在的物料短缺、技术问题、制造延误等风险的应对。 与不同角色的沟通协作: 与原理图工程师的协作。 与固件/软件工程师的协作。 与测试工程师的协作。 与生产制造部门的沟通。 附录:常用PCB设计术语解释 本书将在附录中提供一份详细的PCB设计常用术语解释,帮助读者更好地理解和记忆专业词汇。 结语 《电路板设计与制造实战指南》旨在成为您在电子设计道路上的得力伙伴。我们希望通过本书,您能够建立起一套完整的PCB设计思维,掌握扎实的专业技能,并以更加自信的态度迎接未来的挑战。电子技术日新月异,学习永无止境,愿本书能为您打开一扇通往更广阔电子设计世界的大门。