极简模拟电子电路

当今，我们生活在一个信息化的时代，集成电路的设计与制造正是信息产业的基础。20世纪60年代,集成电路起源于美国; 70年代,日本和欧洲的半导体工业开始起步; 80年代,韩国、新加坡、中国台湾的集成电路产业开始发展。相对而言，中国大陆在此产业中是一个后起之秀，在进入21世纪以后半导体制造业才开始出现。在具有后发优势的同时也存在后发劣势，特别是在知识产权领域。近年来，中国集成电路产业的发展受到了一些外部因素的干扰，只能靠自力更生来发展壮大。因此，中国需要在这一领域培养大量的科研和技术人才，而电子电路就是该领域的核心之一。

模拟电子电路的特点

“模拟电子电路”是从事电子系统设计的工程师的知识基础，也是普通高校电子信息类专业的一门核心课程，其核心内容是晶体管放大电路。模拟电子电路被人们称为“黑色艺术”，初学者往往会感到它难以理解和把握。模拟电子电路涉及的基础知识比较广泛，主要包括电路原理和固态电子器件。为了减少读者查询相关基础知识的麻烦，这些内容在本书前4章中做了介绍。

模拟电子电路的一个显著特点是根据具体电路的特性作不同的近似，从而推导出相应的表征电路特性的数学公式。美国大学的大多数工科课程在考试时都允许学生带一张“备忘单”(crib sheet)，其中可以书写或打印与考试内容有关的公式和要点。笔者在“模拟电子电路”这门课的考场上看到有些学生在“备忘单”上密密麻麻地写满了公式，由此可见，他(她)们做了精心的准备，但是这门课的考试成绩却往往不理想。这是因为大部分公式都对应于某一个具体电路，脱离了电路背景，这些公式就像鱼离开了水一样，毫无生机。

同样，在所有模拟电子电路的图书中，我们都会发现其中有数不清的公式。其实，除了二极管和晶体管的特性以外，模拟电子电路并没有引进什么新的定理或定律。在中频段核心的公式只有两个——阻抗的电压电流关系公式和串联分压电路的公式； 在介绍放大器的频率响应时，也只不过需要增加一阶低通和高通滤波器的公式； 这些内容在电路原理中都已经学过。如果读者对电路原理的内容掌握得比较好，那么模拟电子电路中的绝大多数公式都可以根据不同的电路推导出来。形象地说，也就是会“触景生情”。

因此，学习模拟电子电路时并不需要记忆很多公式，关键是应该具备分析电路的能力。

为了减轻读者推导公式的负担，本书在很多地方提供了推导过程的中间步骤。

本书内容和特色

笔者在美国多所大学有20多年的教学经验，曾经讲授过相关的多门课程，如电路原理、模拟电子电路、数字电子电路、信号与系统、固态电子器件、电磁场、集成电路设计等。在美国东南密苏里州立大学工作期间，由于学生人数很少，笔者有机会亲自批改作业并且在实验室指导学生做实验。在与学生的多年深度接触过程中，笔者认真分析了在入门阶段学习模拟电子电路设计的学习规律，全面、系统地提炼了电路原理、固态电子器件及模拟电子电路课程中最为基础和核心的内容，并结合自己的讲授经验汇编成本书。

国内外大部分电子电路图书的普遍问题就是内容过于庞杂，而且篇幅浩大。例如，在美国大学中普遍采用的电子电路课程的教材都有1000多页。在如今这个快节奏的互联网时代，学生们面对这些“大部头”的教材往往会有一种望洋兴叹的感觉。因此，很多美国学生把教材当作习题集来用，仅仅在做作业的时候才去翻一下，遇到难点就上网搜索。笔者希望对这些教材进行删繁就简，从而给读者提供一条学习的捷径，这是本书的一大特色。

本书第1~3章介绍了电路原理的基础内容，第4章介绍了固态电子器件的核心内容，第5~7章讲解了模拟电子电路的主要内容。除了对这些知识性内容的讲解，书中还介绍了相关的历史事件、杰出人物和在相关领域的应用，以激发读者的学习兴趣。为了有助于读者将来阅读英文的书籍和文献，在介绍重要的概念和定理时都给出了这些术语的英文注释。

如今集成电路设计需要借助EDA软件来完成，而本书中涉及晶体管的绝大多数公式都仅仅是一些近似。目前人工智能还没有深度介入EDA软件，其功能还局限于显示人们所设计电路的仿真结果，不能代替工程师去做电路设计。因此，对于未来的电路设计工程师来说，获得对核心概念和方法的直觉性理解就显得至关重要。

本书另外一个突出特色就是利用仿真软件来辅助介绍模拟电子电路的原理，这有利于降低读者的“认知负担”。很多读者在学习模拟电子电路时会有一种“不知所云”的感觉，这有些类似一个初次从国外旅游回来的人讲述其目睹的异国风光： 在讲述者的脑海里有一幅幅鲜活的图像，而听众接收到的信息仅仅是一些语言描述，需要靠自己的相关经历和想象力来还原出那些图像。Multisim是高等院校相关专业广泛采用的一个电路设计和仿真软件，其用户界面相当直观，而且功能比较齐全。与其他同类软件不同，Multisim提供了不少虚拟测量仪器，十分有利于学生把仿真和实验结合起来。Multisim的仿真结果就可以帮助学生直接进入图像的世界中，从而打破与文字世界之间的隔阂。

2020年初，新型冠状病毒开始在全球大流行，在美国有很多人感染离世，包括本学院的同事。在过去的三个暑假中，本人因专注于此书的写作而淡忘了疫情的威胁，从而度过了这段艰难的时光。此外，我十分感谢夫人钟琴在这几年中的大力支持； 还要感谢清华大学出版社工作人员给予的支持； 古人云： “教学相长”，在此也衷心感谢多年来选修本人讲授课程的学生们。

张玉民美国东南密苏里州立大学
2023年4月

《极简模拟电子电路》基于Multisim仿真软件，系统介绍了模拟电子电路的主要内容，简单介绍了半导体物理和主要的半导体器件，包括二极管、双极型晶体管、MOS场效应晶体管。全书共7章： 第1章为直流电路，介绍了欧姆定律、基尔霍夫定律、焦耳定律、戴维南和诺顿定理、线性叠加原理； 第2章为交流电路，介绍了电阻/电容/电感的交流响应、相量方法的原理和使用、功率分析、一阶滤波器、带通和带阻滤波器、谐振电路；第3章为暂态电路，介绍了电容和电感的模型和时域分析、二阶系统的暂态过程、拉普拉斯变换及其应用； 第4章为半导体器件，介绍了半导体能带、本征和掺杂半导体、载流子的输运过程、不同偏置状态下的pn结、双极型晶体管、MOS场效应晶体管； 第5章为放大电路基础，介绍了逻辑门电路、基本放大电路和放大器的参数、简单和稳定的直流偏置电路、二极管和晶体管的模型、三种基本放大电路、放大电路的低频和高频响应； 第6章为反馈电路，介绍了基本的反馈系统、运算放大器、负反馈电路、敏感性和失真分析、阻抗调节、主动滤波器、数字正反馈电路、维恩电桥振荡器、三点式LC振荡器、负阻LC振荡器； 第7章为差分放大器，介绍了简单的差分放大器、镜像电流源、有源负载、垂直级联放大器、多级放大器、主导极点补偿、反馈补偿。 《极简模拟电子电路》可作为学生或者开发人员学习模拟电子电路的入门用书，也可作为从事电子电路设计开发的工程技术人员的参考书，还可作为高等院校电子信息类专业相关课程的教材。

第1章直流电路

1．1欧姆定律

1．2基尔霍夫定律 

1．3焦耳定律

1．4戴维南和诺顿定理

1．5线性叠加原理

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第2章交流电路

2．1电阻的交流响应

2．2电容和电感的交流响应 

2．3相量方法介绍 

2．4相量方法应用 

2．5交流电路的功率分析 

2．6一阶滤波器 

2．7RCR电路模块的频率响应

2．8带通和带阻滤波器 

2．9RLC谐振电路 

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第3章暂态电路

3．1电容的模型 

3．2电容的时域分析 

3．3电感的模型和时域分析 

3．4二阶系统的暂态过程 

3．5拉普拉斯变换简介

3．6拉普拉斯变换应用

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第4章半导体器件

4．1半导体的能带

4．2本征半导体

4．3掺杂半导体

4．4载流子的输运过程

4．5平衡态pn结

4．6反向偏置的pn结

4．7正向偏置的pn结

4．8双极型晶体管

4．9MOS场效应晶体管

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第5章放大电路基础

5．1逻辑门电路

5．2基本放大电路

5．3放大器的参数

5．4简单直流偏置电路

5．5稳定直流偏置电路

5．6二极管模型

5．7晶体管模型

5．8共发射极放大电路

5．9共基极放大电路

5．10共集电极放大电路

5．11放大电路的低频响应

5．12放大电路的高频响应

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第6章反馈电路

6．1反馈系统简介

6．2运算放大器简介

6．3负反馈电路

6．4敏感性分析

6．5失真分析

6．6阻抗调节

6．7主动滤波器

6．8数字正反馈电路

6．9维恩电桥振荡器

6．10三点式LC回路振荡器

6．11负阻LC振荡器

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第7章差分放大器

7．1差分放大器简介

7．2简单差分放大器

7．3简单镜像电流源

7．4先进镜像电流源

7．5有源负载

7．6垂直级联放大器

7．7多级放大器

7．8主导极点补偿

7．9反馈补偿

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参考文献

《极简模拟电子电路》基于Multisim仿真软件，系统介绍了模拟电子电路的主要内容，简单介绍了半导体物理和主要的半导体器件，包括二极管、双极型晶体管、MOS场效应晶体管。全书共7章： 第1章为直流电路，介绍了欧姆定律、基尔霍夫定律、焦耳定律、戴维南和诺顿定理、线性叠加原理； 第2章为交流电路，介绍了电阻/电容/电感的交流响应、相量方法的原理和使用、功率分析、一阶滤波器、带通和带阻滤波器、谐振电路；第3章为暂态电路，介绍了电容和电感的模型和时域分析、二阶系统的暂态过程、拉普拉斯变换及其应用； 第4章为半导体器件，介绍了半导体能带、本征和掺杂半导体、载流子的输运过程、不同偏置状态下的pn结、双极型晶体管、MOS场效应晶体管； 第5章为放大电路基础，介绍了逻辑门电路、基本放大电路和放大器的参数、简单和稳定的直流偏置电路、二极管和晶体管的模型、三种基本放大电路、放大电路的低频和高频响应； 第6章为反馈电路，介绍了基本的反馈系统、运算放大器、负反馈电路、敏感性和失真分析、阻抗调节、主动滤波器、数字正反馈电路、维恩电桥振荡器、三点式LC振荡器、负阻LC振荡器； 第7章为差分放大器，介绍了简单的差分放大器、镜像电流源、有源负载、垂直级联放大器、多级放大器、主导极点补偿、反馈补偿。 《极简模拟电子电路》可作为学生或者开发人员学习模拟电子电路的入门用书，也可作为从事电子电路设计开发的工程技术人员的参考书，还可作为高等院校电子信息类专业相关课程的教材。

本书对内容删繁就简，倡导学习模拟电子电路并不需要记忆很多公式，关键是应该具备分析电路的能力 ；另外一个突出特色就是利用仿真来辅助介绍模拟电子电路的原理，这有利于降低读者的“认知负担”