一个关于波长与折射率的问题

图文]如何提高光传输模式色散测量精确性

极化模式色散是影响下一代40Gbps或更高速率长途传输系统性能的主要因素之一，如果光纤材料或器件选择不当，即使在10Gbps的系统中它也会导致很高的误码率。本文简要介绍光通信系统极化模式色散的测量问题，并讨论如何提高测量的精确度。

在10Gbps速率下，极化模式色散(PMD)主要产生原因在于光纤(包括色散补偿光纤)本身；而在40Gbps速率下，光纤和器件(包括掺饵光纤放大器、光隔离器和接头等器件)均会对系统总体PMD产生影响。因此当传输速率增高时，要求器件设计更加严格以确保较低的PMD，对设计要求的提高也相应推动着测试设备制造商提供更加精确的PMD测量设备。

PMD关键参数

对于任何给定光器件，都有一个最慢群速输入主极化态(PSP-)和一个最快群速输入主极化态(PSP+)，一般情况下有两个输入和两个(不同的)输出主极化态(PSP0±和PSP1±)，并且这些主极化态通常和器件本征极化态都不相同。要注意的是，极化模式色散理论完全是针对那些没有极化相关损耗(PDL)器件而开发的，对于极化相关损耗PDL>0的情况，PMD理论很复杂且不够完善，因此下面部分的内容不适用于极化相关损耗PDL>0的情况。

主极化态具有其它极化态所没有的特点。对没有极化相关损耗的器件，主极化态之间呈正交关系，输入极化态映射到两个主极化态上的能量形成在链路上分离的两个模(即它们的初级谐波不交换能量)，因此用输入端初始条件可以描述信号在器件链路上任何一点的变化情况。

对一个给定器件，在特定波长λ下快速PSP和慢速PSP信号到达时间之差称为差分群延迟DGD(λ)，显然，这是任何两个不同极化态信号之间可能的最大延迟。通常光纤链路上的DGD与链路长度平方根成正比，或随所安装的器件数量而增大。如果链路DGD很大，那么差分延迟将造成较大误码率，因此使DGD远远小于位码长度是高速长途传输的关键。

理论上DGD的值等于相位改变除以频率增量,即

DGD=Δφ/Δω(Δω/ω=-Δλ/λ)

相位差指琼斯矩阵从频率ω到频率ω+Δω的变化量，因此测量DGD常常涉及频率/波长之比，通常用一个可调激光器实现波长递增。DGD越小波长增量Δλ必须越大，以确保器件在固有噪声限制范围外工作，相位噪声决定了器件的DGD分辨率下限。宽频器件允许较大步长，因此对测量小DGD值几乎没有限制，相对而言窄频器件在较小DGD值情况下要受器件本身噪声和精度失真的影响。

相位变化大于2π将会造成混淆，由此也决定了波长增量的上限，因为如果波长增量过大，Δφ将因大于2π而无法从Δφ+2π中区分出来，这一效应限制了波长增量Δλ的最大可测DGD。根据经验我们得出一个有用的规则，即最大可测量延迟DGDmax和波长增量Δλmax的关系可以表示为：

DGDmax·Δλmax＜λ2/2c

在1,550nm处，用该式可得

DGDmax·Δλmax＜4ps·nm 因此，当1,550nm处测量且波长增量为1nm时，DGD必须小于4ps以避免搞混。

从某种意义上说，测量DGD时正确选择波长增量有点像测电压时正确选择电压表的量程范围，如果Δλ太小，就像试图用量程为3V的电压表测量0.05V电压，而不是用量程0.1V的电压表；如果太大，相应的相位变化将超过上限DGDmax。只有正确设置Δλ才能有效利用设备所提供的精确度。

PMD统计特性

对于由多个组件构成的复合器件，总的DGD与每个子部件的PSP相对方位有关，如第k个子部件的PSPo+(k)和PSPi+(k+1)之间的角度αk。在环境因素如压力或温度改变的时候，PSP(k)之间的方位稳定性将决定器件PMD特性，如果由于环境因素波动致使方位发生变化，那么DGD和器件的总PSP位置也将会随时间而改变，PMD被定义为该DGD值的时域平均值。

如果PSP稳定且不随环境因素改变，那么PMD将是确定的，这样即使环境因素改变或经过一段时间，器件的DGD和PSP也不会发生明显的变化。大多数短程光器件就是这种情况。

但如果PSP要随环境因素而发生变化，则被测系统中子部件的数量将对PMD产生很大影响。如能够确定所有初始方位(αk)及其改变量(Δαk)，那么理论上可以计算出相应的变化ΔDGD和ΔPSP。但事实上这只有在器件仅由很少几个子部件构成时才可能，假如器件有上千个子部件则将是无法计算的(如像一段光纤中1至5米长度都必须看作是独立的部件)。对于此类子部件，其初始方位无法确定，不过就算是可以准确确定，αk的微小变化也将导致DGD和总PSP很大波动，使得实际分析预测完全没有办法进行。

正因为此，所谓强模耦合器件的PMD特性是随机的，只能由统计学方法进行描述。显然，DGD和PSP随时间(环境)随机变化，也只有从统计角度进行的预测(如平均DGD或概率分布)才有实际意义。不管哪钟情况我们都将DGD分布(一段时间或样本)的平均值定义为PMD，即=PMD。由于经常混用DGD和PMD这两个术语，所以清楚区分两者是非常重要的，记住DGD可随着波长和时间(环境)发生明显的波动，而根据定义PMD与波长和时间无关。

宽带器件如连接器和隔离器的DGD是确定的，几乎不随波长和时间/环境变化而波动，因此在系列测量中DGD分布仅受测量过程本身精确性的影响，通常可得到一个窄对称正态分布，分布的宽度与测量设备有关，而与PMD统计值本身无关。由于我们的目标是设计低PMD器件，所以一般分布集中在PMD小于500fs较小值范围，预计这个值将来会进一步减小。

窄带器件如DWDM多路复用器和多路分用器由于内部结构的原因，这些器件的插入损耗和PMD参数在通频带和抑制频带上明显不同，因为子部件相对方位一般对环境改变不敏感，所以PMD特性也是确定的。这些组件的通频带一般较窄，但由于无法使用较大波长增量Δλ，故而很难对小DGD值进行测量。

对于强模耦合长光纤，理论上DGD的分布是仅有一个自由参数γ的麦克斯韦分布，该参数描述了分布的宽度特性。麦克斯韦分布方程可参见公式(1)。

我们把极化模式色散(PMD)定义为时间的平均值见公式(2)。

上式表明了将PMD定义为DGD平均值的概念，较大PMD值表示分布较宽，意味着出现较大DGD值的几率更大，而较大DGD会严重影响链路的误码率。由于麦克斯韦分布的平均值仅是宽度参数γ的函数，因此测量PMD(平均值)可使我们重建整个麦克斯韦分布并由此推出给定时间内网络DGD发生的概率。

对于均质材料，光波传播在理论上由折射率n、器件长度L和波长λ来描述，环境因素主要影响折射率和器件长度。由于n、L和γ在光传播方程同一个幂指数位置，所以波长变化Δλ与折射率变化Δn或长度变化ΔL效果是一样的。因此当DGD在一个时间段对多个波长采样时，在某波长具有随机特性的器件时域统计DGD将以同样统计参数(形状、平均值和宽度)重现。对所有PMD仪表来说，按时间和波长采样的DGD平均值相等是一个基本假设公式(3)。

通常情况下系统设计人员只对特定波长下某个信道内DGD随时间变化情况感兴趣，所有采用波长采样技术的PMD仪表都可以立即得到测量结果，上式等同性假设可以确保系统操作员得到准确的结果。该等式已经在应用传输线路上经过测试，结果表明等式是正确的，由于在这样的试验中要生成所有可能统计状态(各种环境条件)非常困难，所以好在能得到这样的结果。

显然，DGD和PMD的测量精度不同，必须考虑统计PMD的特性，随机器件(如光纤)PMD测量的不确定性比确定性器件(如隔离器)DGD测量精度涉及的问题要多。

精度影响因素分析

DGD精度

DGD不确定性可由公式(4)计算：

如果没有波长误差(即δ(Δλ)=0)，那么DGD误差由设备无法分辨较小相位变化Δφ而引起。任何设备都存在一定的内部相位噪声，这会影响设备的精度。例如测量单模光纤一段几乎没有DGD的短插线，大部分商用琼斯矩阵本征分析(JME)设备使用波长增量Δλ=10nm，测出的噪声为3～5fs。对于这样大的步长，相对不确定性δ(Δλ)/Δλ实际上可以忽略，因此3～5fs的DGD实际上对应2°Δφ[计算如下：Δω(10nm)=7,854×109

1/sec；Δφ=DGD×Δω=5fs×7,854×109

1/sec=4×10-2 rad=2°]。由此可见，此类情况只有相位移在5°～10°左右变化才能得到比较精确的结果。

琼斯矩阵本征分析之类的所有DGD测量技术都使用可调谐激光器，目前最好的可调激光器δ(Δλ)为±10pm，因此步长为100pm时相对波长不确定性为20%，只要相位移远远大于20°则相对δ(Δλ)/Δλ来说它的作用就可以忽略。如果使用不确定性只有δ(Δλ)=1～3pm的外置波长仪来测量波长，将可以极大提高DGD的精确度。

由于可不受限制地增大波长步距，所以即使在测量较小DGD值时，相位也不是宽带确定性器件的主要限制因素。但是对于窄带器件，波长步距Δλ受通带结构限制，一个信道间距为100GHz的多路分路器通频带为50～60GHz，假设PMD相位移为10°(比仪器内部相位大5倍)，那么能够准确测量的最小DGD值为公式(5)。

或差不多0.5ps。对于用在40Gb/s系统的低PMD元件来说，这个值显得太大了，当波长增量大于Δλmax时，最大可测DGD由相位测量的不确定性所决定。

可调谐激光源在生成同样波长增量时往往具有同样的误差，即波长误差一般是重复的。波长误差通常向一个方向偏移，通常不会对称分散在指定波长增量周围，这就造成DGD或PMD值偏离平均值。有鉴于此，我们强烈建议在使用小波长步距时利用外部波长仪对波长步距进行测量。

PMD精度

我们知道对于宽带和窄带具有确定性的器件来说，DGD与波长几乎无关，这样我们可以通过扫描一个特定的波长范围得到许多DGD样本，然后计算出平均值，即为PMD值。此时DGD分布可假定为符合高斯分布，PMD测量不确定性为通常标准差σDGD的1/√n倍，n表示DGD采样数量。

如果假设窄带器件的DGD不随波长而发生明显波动，那么可以在通频带内中心波长位置进行系列DGD测量。与插损不同，由于传输信道不在抑制频带工作，所以DGD只对通频带有意义，而抑制频带仅用来抑制相邻信道之间的信号串扰。波长增量Δλ应尽可能大，这样对指定的通频带DGD可以实现最大相位移，因而波长增量仅比通频带宽略小即可。此外由于结果出自标准测量程序，且PMD测量的不确定性又由σDGD决定，所以可认为DGD分布符合正态分布。要注意的是，任何较大的系统波长增量偏移都将表现为系统误差δ(Δλ)，并会立即引起整个DGD分布函数偏移，且PMD值也出现偏移，因此这类器件较小PMD值测量必须要有较高波长测量精度。

对于那些有许多极化模耦合的器件如光纤来说，在不同时间(环境)和波长DGD表现为随机变化，但即便如此，间隔非常近的两个波长所测得的DGD值仍然在某种程度上具有相关性。这种相关性意味着如果知道λ1处的DGD，则可以适当地预测λ2处DGD值的概率，前提是λ2-λ1小于典型的波长间隔。这种关联性有些类似于近期和中远期天气预报，通常第二天的天气预报比较可靠，但下一周的情况就有些模糊。存在相关性的波长(频率)间隔被称为PMD带宽ΔBλ，对一个符合麦克斯韦分布的器件，PMD带宽由ΔBλ=0.64/PMD得到，它与PMD值成反比。在1,550nm波长处，该等式可简化为ΔBλ=(5.1/PMD)，这里PMD以ns形式表示。

PMD越大则PMD带宽越小，并且在给定波长范围DGD、PSP和极化状态的变化将越快。由于PMD带宽表示DGD发生明显变化的波长范围，用于单个DGD测量的波长增量Δλ应远小于PMD带宽ΔBλ，否则单个DGD测量仅仅是对DGD进行平滑处理。

显然，要准确重现麦克斯韦分布必须对不同环境条件下的多个DGD值进行采样，否则PMD值的估计将是不准确的。就相关性而言，两个值(DGD(λ1)和DGD(λ2))只有在波长间隔(λ2-λ1)足够大的前提下从统计上来说才是独立的，因此对于随机模式耦合器件，相邻DGD值之间的波长间隔应略大于ΔBλ。

然而这就出现一个问题，因为PMD带宽限定了在指定扫描范围的测量中进行统计独立采样数量的上限。由于实际扫描范围由λstart和λstop限定，因此独立样本的数量大约在[ωstop-ωstart]/ΔBλ～ωstop-ωstart]×PMD之间，所以扫描范围和PMD带宽减小都将影响PMD精度，这可从理论上用公式(6)进行验证：

即使独立DGD测量精度非常高也无法超越这一局限，因为这是第一原则，并且仅假定DGD符合麦克斯韦分布，所以它对任何PMD测量技术都适用。

对于PMD为10ps的器件，可调范围10nm得到的ΔPMD不确定性相对较好，为±10%或1ps；但是对于PMD为1ps的器件，使用10nm范围其不确定率为±30%，相对来说就比较大了(以百分比来说)，这样就必须扫描100nm波长以使预计误差降低到10%左右。和这些相对较大的内部不确定性比较，大多数情况下因波长或相位错误造成的设备误差都可以忽略。 本文结论 DGD不确定性与很多因素有关，包括波长增量改变引起的波长误差以及设备内部相噪声。通过使用外部波长仪而不靠可调激光器内部步长精度，可以显著改善波长不确定性。设备PMD的内部相噪声会对最小DGD值的下限产生影响，窄频器件通频带宽限制了波长改变增量，目前已成为此类模型得到较低PMD值的巨大障碍。对于具有随机特性的宽频类光纤器件，PMD精度主要由缩小的可调范围和PMD带宽决定，只有很少的情况下可以实现不确定率好于±10%。

如何计算功放输出功率?

上篇　模拟部分

第1章　半导体器件　1

1.1　半导体基础知识　1

半导体器件（semiconductor device）通常，这些半导体材料是硅、锗或砷化镓，可用作整流器、振荡器、发光器、放大器、测光器等器材。为了与集成电路相区别，有时也称为分立器件。

绝大部分二端器件（即晶体二极管）的基本结构是一个PN结。利用不同的半导体材料、采用不同的工艺和几何结构，已研制出种类繁多、功能用途各异的多种晶体二极，可用来产生、控制、接收、变换、放大信 号和进行能量转换。晶体二极管的频率覆盖范围可从低频、高频、微波、毫米波、红外直至光波。三端器件一 般是有源器件，典型代表是各种晶体管（又称晶体三极管）。晶体管又可以分为双极型晶体管和场效应晶体管两 类。根据用途的不同，晶体管可分为功率晶体管微波晶体管和低噪声晶体管。除了作为放大、振荡、开关用的 一般晶体管外，还有一些特殊用途的晶体管，如光晶体管、磁敏晶体管，场效应传感器等。这些器件既能把一些 环境因素的信息转换为电信号，又有一般晶体管的放大作用得到较大的输出信号。此外，还有一些特殊器件，如单结晶体管可用于产生锯齿波，可控硅可用于各种大电流的控制电路，电荷耦合器件可用作摄橡器件或信息存 储器件等。在通信和雷达等军事装备中，主要靠高灵敏度、低噪声的半导体接收器件接收微弱信号。随着微波 通信技术的迅速发展，微波半导件低噪声器件发展很快，工作频率不断提高，而噪声系数不断下降。微波半导体 器件由于性能优异、体积小、重量轻和功耗低等特性，在防空反导、电子战、C（U3）I等系统中已得到广泛的应用 。

1.1.1　本征半导体　1

本征半导体（intrinsic semiconductor)

完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。实际半导体不能绝对地纯净，本征半导体一般是指导电主要由材料的本征激发决定的纯净半导体。更通俗地讲，完全纯净的半导体称为本征半导体或I型半导体。硅和锗都是四价元素，其原子核最外层有四个价电子。它们都是由同一种原子构成的“单晶体”，属于本征半导体。

在绝对零度温度下，半导体的价带（valence band）是满带（见能带理论），受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带（forbidden band/band gap）进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带（conduction band），价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴（hole），导带中的电子和价带中的空穴合称为电子－空穴对。上述产生的电子和空穴均能自由移动，成为自由载流子（free carrier），它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子－空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，使电子－空穴对消失，称为复合（recombination）。复合时产生的能量以电磁辐射（发射光子photon）或晶格热振动（发射声子phonon）的形式释放。在一定温度下，电子－空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时本征半导体具有一定的载流子浓度，从而具有一定的电导率。加热或光照会使半导体发生热激发或光激发，从而产生更多的电子－空穴对，这时载流子浓度增加，电导率增加。半导体热敏电阻和光敏电阻等半导体器件就是根据此原理制成的。常温下本征半导体的电导率较小，载流子浓度对温度变化敏感，所以很难对半导体特性进行控制，因此实际应用不多。

本征半导体特点：电子浓度=空穴浓度

缺点：载流子少，导电性差，温度稳定性差！

1.1.2　本征激发和两种载流子　2

1.1.3　杂质半导体　2

定义

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。制备杂质半导体时一般按百万分之一数量级的比例在本征半导体中掺杂。

基本原理

半导体中的杂质对电导率的影响非常大，本征半导体经过掺杂就形成杂质半导体，一般可分为N型半导体和P型半导体。

半导体中掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产生附加的杂质能级。能提供电子载流子的杂质称为施主(Donor)杂质，相应能级称为施主能级，位于禁带上方靠近导带底附近。例如四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时，杂质原子作为晶格的一分子，其五个价电子中有四个与周围的锗（或硅）原子形成共价键，多余的一个电子被束缚于杂质原子附近，产生类氢浅能级—施主能级。施主能级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带激发到导带所需能量小得多，很易激发到导带成为电子载流子，因此对于掺入施主杂质的半导体，导电载流子主要是被激发到导带中的电子，属电子导电型，称为N型半导体。由于半导体中总是存在本征激发的电子空穴对，所以在n型半导体中电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

相应地，能提供空穴载流子的杂质称为受主(Acceptor)杂质，相应能级称为受主能级，位于禁带下方靠近价带顶附近。例如在锗或硅晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时，杂质原子与周围四个锗（或硅）原子形成共价结合时尚缺少一个电子，因而存在一个空位，与此空位相应的能量状态就是受主能级。由于受主能级靠近价带顶，价带中的电子很容易激发到受主能级上填补这个空位，使受主杂质原子成为负电中心。同时价带中由于电离出一个电子而留下一个空位，形成自由的空穴载流子，这一过程所需电离能比本征半导体情形下产生电子空穴对要小得多。因此这时空穴是多数载流子，杂质半导体主要靠空穴导电，即空穴导电型，称为p型半导体。在P型半导体中空穴是多数载流子，电子是少数载流子。在半导体器件的各种效应中，少数载流子常扮演重要角色。

1.1.4　PN结　4

PN结（PN junction）。采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。PN结具有单向导电性。P是positive的缩写，N是negative的缩写，表明正荷子与负荷子起作用的特点。一块单晶半导体中 ，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时 ，P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称为PN结。PN结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料制成的 PN 结叫同质结 ，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。

1.2　二极管　7

二极管又称晶体二极管,简称二极管(diode)，另外，还有早期的真空电子二极管；它是一种具有单向传导电流的电子器件。在半导体二极管内部有一个PN结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向电流的转导性。一般来讲，晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体烧结形成的p-n结界面。在其界面的两侧形成空间电荷层，构成自建电场。当外加电压等于零时，由于p-n 结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，这也是常态下的二极管特性。

1.2.1　二极管的几种常见结构　7

1.2.2　二极管的伏-安特性　7

1.2.3　二极管的主要参数　8

1.2.4　二极管极性的简易判别法　8

1.2.5　二极管的等效电路　9

*1.3　二极管的基本应用电路　9

1.3.1　二极管整流电路　9

1.3.2　桥式整流电路　10

1.3.3　倍压整流电路　11

1.3.4　限幅电路　12

1.3.5　与门电路　12

*1.4　稳压管　13

稳压二极管（又叫齐纳二极管）,此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。

1.4.1　稳压管的结构和特性曲线　13

1.4.2　稳压管的主要参数　14

1.5　其他类型的二极管　15

1.5.1　发光二极管　15

1.5.2　光电二极管　16

1.6　三极管　16

半导体三极管又称“晶体三极管”或“晶体管”。在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结，组成一个PNP（或NPN）结构。中间的N区（或P区）叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极B、发射极E和集电极C，是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。

1.6.1　三极管的结构及类型　16

1.6.2　三极管的电流放大作用　17

1.6.3　三极管的共射特性曲线　19

1.6.4　三极管的主要参数　21

1.7　场效应管　23

场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高（10^8～10^9Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。

1.7.1　结型场效应管的类型和构造　23

1.7.2　绝缘栅型场效应管的类型和构造　26

1.7.3　场效应管的主要参数　30

本章小结　31

习题　31

第2章　基本放大电路　34

2.1　共发射极放大电路　34

2.1.1　电路的组成　34

2.1.2　放大电路的直流通路和交流通路　35

2.1.3　共发射极电路图解分析法　35

2.1.4　微变等效电路分析法　39

2.2　放大电路的分析　44

2.2.1　稳定工作点的必要性　44

2.2.2　工作点稳定的典型电路　44

2.2.3　复合管放大电路　47

2.3　共集电极电压放大器　48

2.4　共基极电压放大器　50

2.5　多级放大器　51

2.5.1　阻容耦合电压放大器　52

*2.5.2　共射-共基放大器　53

2.5.3　直接耦合电压放大器　55

2.6　差动放大器　57

2.6.1　电路组成　57

2.6.2　静态分析　59

2.6.3　动态分析　59

2.6.4　差动放大器输入、输出的4种组态　61

2.7　放大器的频响特性　64

2.7.1　三极管高频等效模型　64

2.7.2　三极管电流放大倍数的频率响应　66

2.7.3　单管共射放大电路的频响特性　68

2.8　场效应管基本放大电路　74

2.8.1　电路的组成　74

2.8.2　场效应管与三极管的比较　77

2.9　功率放大电路　77

2.9.1　概述　77

2.9.2　甲类功率放大电路　78

2.9.3　乙类推挽功率放大电路　79

本章小结　81

习题　82

第3章　集成运算放大器　89

3.1　概述　89

集成运算放大器（Integrated Operational Amplifier）简称集成运放，是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。它的增益高（可达60~180dB），输入电阻大（几十千欧至百万兆欧），输出电阻低（几十欧），共模抑制比高（60~170dB），失调与飘移小，而且还具有输入电压为零时输出电压亦为零的特点，适用于正，负两种极性信号的输入和输出。

模拟集成电路一般是由一块厚约0.2~0.25mm的P型硅片制成，这种硅片是集成电路的基片。基片上可以做出包含有数十个或更多的BJT或FET、电阻和连接导线的电路。

运算放大器除具有+、-输入端和输出端外，还有+、-电源供电端、外接补偿电路端、调零端、相位补偿端、公共接地端及其他附加端等。它的闭环放大倍数取决于外接反馈电阻，这给使用带来很大方便。

3.1.1　集成运放电路的特点　89

3.1.2　集成运放电路的组成框图　89

3.2　电流源电路　90

3.2.1　基本电流源电路　91

*3.2.2　以电流源为有源负载的放大器　92

3.3　集成运放原理电路和理想运放的参数　92

3.3.1　集成运放原理电路分析　92

3.3.2　集成运放的主要参数　93

3.4　理想集成运放的参数和工作区　94

3.4.1　理想运放的性能指标　95

3.4.2　理想运放在不同工作区的特征　95

3.5　基本运算电路　96

3.5.1　比例运算电路　97

3.5.2　加减运算电路　100

3.5.3　积分和微分运算电路　103

3.5.4　对数和指数(反对数)运算电路　104

本章小结　105

习题　106

第4章　正弦波振荡电路　111

4.1　概述　111

4.2　正弦波振荡电路的基本原理　111

4.2.1　正弦波振荡电路的振荡条件　111

4.2.2　振荡电路的基本组成、分类及分析方法　113

4.3　LC振荡电路　113

4.3.1　互感耦合振荡电路　114

4.3.2　三点式振荡电路　114

4.4　RC振荡电路　116

4.4.1　RC相移振荡电路　116

4.4.2　文氏桥振荡电路　117

4.5　石英晶体振荡电路　118

本章小结　120

习题　121

下篇　数字部分

第5章　数字逻辑基础　122

用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路，或数字系统。由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。现代的数字电路由半导体工艺制成的若干数字集成器件构造而成。逻辑门是数字逻辑电路的基本单元。存储器是用来存储二值数据的数字电路。从整体上看，数字电路可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。

5.1　数制与BCD码　122

5.1.1　数制　122

5.1.2　几种简单的编码　125

5.2　逻辑代数基础　126

逻辑运算又称布尔运算布尔用数学方法研究逻辑问题，成功地建立了逻辑演算。他用等式表示判断，把推理看作等式的变换。这种变换的有效性不依赖人们对符号的解释，只依赖于符号的组合规律 。这一逻辑理论人们常称它为布尔代数。20世纪30年代，逻辑代数在电路系统上获得应用，随后，由于电子技术与计算机的发展，出现各种复杂的大系统，它们的变换规律也遵守布尔所揭示的规律。逻辑运算 (logical operators) 通常用来测试真假值。最常见到的逻辑运算就是循环的处理，用来判断是否该离开循环或继续执行循环内的指令。

5.2.1　与运算　126

5.2.2　或运算　127

5.2.3　非运算　128

5.2.4　复合运算　129

5.2.5　正逻辑和负逻辑　130

5.3　逻辑代数的基本关系式和常用公式　131

5.3.1　逻辑代数的基本关系式　131

5.3.2　基本定律　132

5.3.3　常用的公式　133

5.3.4　基本定理　134

5.4　逻辑函数的表示方法　135

5.4.1　逻辑函数的表示方法　135

5.4.2　逻辑函数的真值表表示法　135

5.4.3　逻辑函数式　136

5.4.4　逻辑图　138

5.4.5　工作波形图　138

5.5　逻辑函数式的化简　139

5.5.1　公式化简法　139

5.5.2　逻辑函数的卡诺图化简法　140

5.5.3　具有无关项的逻辑函数的化简　145

5.6　研究逻辑函数的两类问题　146

5.6.1　给定电路分析功能　146

5.6.2　给定逻辑问题设计电路　148

本章小结　150

习题　151

第6章　门电路　154

6.1　概述　154

逻辑门（Logic Gates)是在集成电路(Integrated Circuit)上的基本组件。简单的逻辑门可由晶体管组成。这些晶体管的组合可以使代表两种信号的高低电平在通过它们之后产生高电平或者低电平的信号。高、低电平可以分别代表逻辑上的“真”与“假”或二进制当中的1和0，从而实现逻辑运算。常见的逻辑门包括“与”门，“或”门，“非”门，“异或”门(Exclusive OR gate)（也称：互斥或）等等。逻辑门可以组合使用实现更为复杂的逻辑运算。

6.2　分立元件门电路　155

6.2.1　二极管与门电路　155

6.2.2　二极管或门电路　156

6.2.3　三极管非门电路　156

6.3　TTL集成门电路　158

6.3.1　TTL非门电路　158

6.3.2　TTL与非门及或非门电路　161

6.3.3　集电极开路的门电路　163

6.3.4　三态门电路　165

6.4　CMOS门电路　168

6.4.1　CMOS反相器电路的组成和工作原理　168

6.4.2　CMOS与非门电路的组成和工作原理　169

6.4.3　CMOS或非门电路的组成和工作原理　169

6.4.4　CMOS传输门电路的组成和工作原理　171

6.5　集成电路使用知识简介　172

6.5.1　国产集成电路型号的命名法　172

6.5.2　集成门电路的主要技术指标　172

6.5.3　多余输入脚的处理　173

6.5.4　TTL与CMOS的接口电路　173

本章小结　175

习题　175

第7章　组合逻辑电路　178

7.1　概述　178

组合逻辑电路是指在任何时刻，输出状态只决定于同一时刻各输入状态的组合，而与电路以前状态无关，而与其他时间的状态无关。其逻辑函数如下：

Li=f（A1，A2，A3……An） (i=1，2，3…m)

其中，A1~An为输入变量，Li为输出变量。

组合逻辑电路的特点归纳如下：

① 输入、输出之间没有返馈延迟通道；

② 电路中无记忆单元。

对于第一个逻辑表达公式或逻辑电路，其真值表可以是惟一的，但其对应的逻辑电路或逻辑表达式可能有多种实现形式，所以，一个特定的逻辑问题，其对应的真值表是惟一的，但实现它的逻辑电路是多种多样的。在实际设计工作中，如果由于某些原因无法获得某些门电路，可以通过变换逻辑表达式变电路，从而能使用其他器件来代替该器件。同时，为了使逻辑电路的设计更简洁，通过各方法对逻辑表达式进行化简是必要的。组合电路可用一组逻辑表达式来描述。设计组合电路直就是实现逻辑表达式。要求在满足逻辑功能和技术要求基础上，力求使电路简单、经济、可靠、实现组合逻辑函数的途径是多种多样的，可采用基本门电路，也可采用中、大规模集成电路。其一般设计步骤为：

① 分析设计要求，列真值表；

② 进行逻辑和必要变换。得出所需要的最简逻辑表达式；

③ 画逻辑图。

7.1.1　组合逻辑电路的特点　178

7.1.2　组合逻辑电路的分析和设计方法　178

7.2　常用组合逻辑电路　179

7.2.1　编码器　179

编码器（encoder）是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种；按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

编码器可按以下方式来分类。

1、按码盘的刻孔方式不同分类

（1）增量型：就是每转过单位的角度就发出一个脉冲信号(也有发正余弦信号，

然后对其进行细分，斩波出频率更高的脉冲)，通常为A相、B相、Z相输出，A相、B相为相互延迟1/4周期的脉冲输出，根据延迟关系可以区别正反转，而且通过取A相、B相的上升和下降沿可以进行2或4倍频；Z相为单圈脉冲，即每圈发出一个脉冲。

（2）绝对值型：就是对应一圈，每个基准的角度发出一个唯一与该角度对应二进制的数值，通过外部记圈器件可以进行多个位置的记录和测量。

2、按信号的输出类型分为：电压输出、集电极开路输出、推拉互补输出和长线驱动输出。

3、以编码器机械安装形式分类

（1）有轴型：有轴型又可分为夹紧法兰型、同步法兰型和伺服安装型等。

（2）轴套型：轴套型又可分为半空型、全空型和大口径型等。

4、以编码器工作原理可分为：光电式、磁电式和触点电刷式

7.2.2　优先编码器　181

7.2.3　译码器　185

译码器是组合逻辑电路的一个重要的器件，其可以分为：变量译码和显示译码两类。 变量译码一般是一种较少输入变为较多输出的器件，一般分为2n译码和8421BCD码译码两类。 显示译码主要解决二进制数显示成对应的十、或十六进制数的转换功能，一般其可分为驱动LED和驱动LCD两类。

译码是编码的逆过程，在编码时，每一种二进制代码，都赋予了特定的含义，即都表示了一个确定的信号或者对象。把代码状态的特定含义“翻译”出来的过程叫做译码，实现译码操作的电路称为译码器。或者说，译码器是可以将输入二进制代码的状态翻译成输出信号，以表示其原来含义的电路。

根据需要，输出信号可以是脉冲，也可以是高电平或者低电平。

7.2.4　显示译码器　189

7.2.5　数据选择器　191

7.2.6　加法器　195

7.2.7　数值比较器　198

7.3　组合逻辑电路中的竞争-冒险现象　199

7.3.1　竞争-冒险现象　199

7.3.2　竞争-冒险现象的判断方法　200

本章小结　201

习题　202

第8章　触发器和时序逻辑电路　205

8.1　概述　205

8.2　触发器的电路结构与工作原理　205

8.2.1　基本RS触发器　205

8.2.2　同步RS触发器的电路结构与工作原理　208

8.2.3　主从RS触发器的电路结构与工作原理　209

8.2.4　由CMOS传输门组成的边沿触发器　213

8.3　触发器逻辑功能的描述方法　214

8.3.1　RS触发器　214

8.3.2　JK触发器　215

8.3.3　D触发器　216

8.3.4　T触发器　216

8.3.5　触发器逻辑功能的转换　217

8.4　时序逻辑电路的分析方法和设计方法　219

8.4.1　同步时序电路的分析方法　219

8.4.2　异步时序逻辑电路的分析方法及举例　223

8.4.3　同步时序电路的设计方法　224

8.5　常用的时序逻辑电路　228

8.5.1　寄存器和移位寄存器　228

8.5.2　同步计数器　231

8.5.3　移位寄存器型计数器　244

8.6　时序逻辑电路分析设计综合例题　246

本章小结　248

习题　249

第9章　脉冲产生和整形电路　253

9.1　概述　253

9.2　555定时器的应用　253

9.2.1　555定时器的电路结构　253

9.2.2　用555定时器组成施密特触发器　255

9.2.3　用555定时器组成单稳态电路　256

9.2.4　用555定时器组成多谐振荡器　258

9.2.5　555定时器的应用电路　260

9.3　石英晶体多谐振荡器　262

9.4　压控振荡器　263

本章小结　264

习题　264

第10章　数/模和模/数转换器　266

10.1　概述　266

10.2　数/模转换器　266

10.2.1　权电阻网络D/A转换器　266

10.2.2　倒T形电阻网络D/A转换器　268

10.3　模/数转换器　269

10.3.1　A/D转换器的基本组成　269

10.3.2　直接A/D转换器　271

10.3.3　间接A/D转换器　275

10.4　A/D和D/A的使用参数　276

10.4.1　A/D和D/A的转换精度　276

10.4.2　A/D和D/A的转换速度　277

本章小结　277

习题　277

第11章　半导体存储器和可编程逻辑器件　279

11.1　半导体存储器　279

11.1.1　只读存储器　279

11.1.2　ROM的扩展及应用　281

11.1.3　几种常用的ROM　283

11.2　可编程逻辑器件　284

11.2.1　PLD的连接方式及基本门电路的PLD表示法　285

11.2.2　可编程阵列逻辑　286

11.2.3　可编程通用阵列逻辑器件的基本结构　288

11.2.4　在系统可编程逻辑器件　290

11.3　可编程逻辑器件的编程　296

11.3.1　PLD的开发系统　296

11.3.2　PLD编程的一般步骤　297

11.4　CPLD及FPGA简介　297

11.4.1　CPLD及FPGA基本结构　297

11.4.2　FPGA/CPLD设计流程　300

本章小结　302

习题　302

附录A　常用数字集成电路型号及引脚　306

一个放大器由一个15v的电源供电，并向1k欧的负载提供峰值为12v的正弦波信号，假设从信号源得到的

一、功放的输出功率一般都是按峰值功率计算的，不失真最大功率=输出电压平方 / 8×扬声器阻抗=（37+37）^2/64=85.6W。pmpo=8*85.6=685W。37V是最大值，不是有效值。37除以根号2才是有效值。

二、功率放大器的输出功率和功放的供电电压、负载阻抗以及功放组态有关，主要有以下几种方式:

1、最大不失真功率，一般以1000Hz的正弦波为基准，失真小于0.1%时的输出功率。这个功率比较靠谱。（P=U^2/2R)

2、最大峰值功率，该功率以最大输出电压最为依据，不考虑实际失真的最大功率，可以是最大不失真功率的2倍。(P=U^2/R)

3、最大峰峰值功率，该功率以输出电压的峰峰值为依据，同样不考虑失真是的最大功率，是最大不失真功率的4倍。（P=2U^2/R）

扩展资料

功率放大器简称功放，俗称“扩音机”，是音响系统中最基本的设备，它的任务是把来自信号源（专业音响系统中则是来自调音台）的微弱电信号进行放大以驱动扬声器发出声音。

功放，是各类音响器材中最大的一个家族，其作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。由于考虑功率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能，不同的功放在内部的信号处理、线路设计和生产工艺上也各不相同。

（参考资料 百度百科 功放）

15V直流电源提供的电功率15Vx8mA=120mW(毫瓦)

1k欧的负载峰值电压12V所获得功率(12V)?/(2x1k欧)=72mW

放大器的损耗功率=120mW-72mW=48mW

此放大器效率η=72/120=0.6=60%