一、电信号相关概念第一部分电信号的本质信号是信息的物理载体。在电子学中我们用电的物理量电压或电流随时间的变化来代表信息这就是电信号。电压信号 vs 电流信号这是最常见的两种形式。电压信号用电路中两点之间的电位差电压大小来表示信息。它的优点是容易获取和处理缺点是长距离传输时容易受干扰电压会衰减。电流信号用流过导线的电流大小来表示信息。它的优点是抗干扰能力强适合远距离传输比如工业上常用的4-20mA电流环。模拟信号 vs 数字信号最重要的分类模拟信号在时间和数值上都是连续变化的。比如温度、声音、光线的强弱。它的特点是信息密度高但易受噪声干扰且难以无损复制就像磁带翻录会越来越模糊。数字信号在时间和数值上都是离散的通常只取有限的几个值最常见的是二进制中的“0”和“1”对应低电平和高电平。它的特点是抗干扰能力极强便于存储、计算和远距离传输因为只需判断“有”或“无”第二部分描述电信号的五大关键参数要读懂一个电信号主要看这五个指标幅度指信号的大小通常指峰值最大值或有效值均方根值即RMS。它代表了信号的“强弱”。比如家用220V电压指的是有效值它的峰值其实是约311V。频率与周期周期 T信号完成一个完整循环所需要的时间单位是秒。频率f单位时间内信号重复变化的次数是周期的倒数f1/T单位是赫兹Hz。它决定了信号变化的“快慢”。比如50Hz表示每秒变化50次。相位描述信号在周期循环中的“位置”通常用角度度或弧度表示。它主要用于比较两个同频率信号之间的相对关系比如一个比另一个早或晚启动。带宽一个信号所包含的最高频率与最低频率之差。这个概念非常重要。比如人的语音信号带宽约4kHz而高清视频信号的带宽则达到几MHz。带宽越宽意味着信息量越大但传输和处理也越复杂。这是物理带宽通信领域中的带宽是数据带宽指的是信息速率单位是bps单位时间内传输的比特数。占空比仅适用于脉冲信号方波。指高电平持续的时间占整个周期的百分比。例如50%占空比意味着高电平和低电平的时间各占一半。第三部分几个常见的“标准”电信号实例了解这些典型信号能帮你把理论和实际联系起来正弦波Sine Wave最纯净、最基础的交流信号由振荡产生。市电220V、50Hz就是一种标准的正弦波。方波 / 脉冲波Square Wave / Pulse Wave数字电路的核心信号在两个电压电平如0V和5V之间快速切换。它常被用作时钟信号控制整个芯片的工作节奏。三角波 / 锯齿波Triangle Wave / Sawtooth Wave常用于扫描或控制信号例如老式电视机的电子束扫描或开关电源中的控制波形。PWM波脉宽调制信号频率固定但占空比可变的方波。它非常实用常用于控制电机转速和调节LED亮度通过改变“开”和“关”的时间比例而不是改变电压电平。第四部分两个容易混淆的高频词共模信号与差模信号主要出现在差分传输中差模信号是你要传输的有效信号它存在于两根信号线的差值中比如A线电压减去B线电压。共模信号是外界干扰如电磁噪声同时施加在两根线上的相同信号。差分放大器的作用就是放大差模抑制共模这就是双绞线抗干扰的基本原理。二、放大器相关概念第一部分放大器的本质与理想模型本质放大器是一个能量转换器。它利用电源提供的能量将输入小信号“复制”成一个更大的输出信号。它不创造能量只是控制能量的输出。理想运放运算放大器的两个黄金法则这是分析一切线性放大电路的基础1、虚短同相输入端和反向输入端-的电压近似相等因为开环增益极大开环增益指没有反馈回路即输出端未接任何反馈信号到输入端时其本身的电压放大倍数理想运放的开环增益时无穷大显示芯片开环增益通常非常高80-140dB之间2、虚断两个输入端的输入阻抗极高接近无穷大所以流入运放输入端的电流近似为0。阻抗阻抗Z是电阻R和电抗X的复数之和。ZRjXj是数学中的虚数单位电抗分为感抗和容抗感抗XL​公式 XL2πfL。频率f越高感抗越大相当于水车缓冲每次变化都要缓冲一下所以它高频相当于断路变化越快越难通过所以感抗越大。容抗XC公式 XC1/(2πfC频率f越高容抗越小相当于橡胶膜频率越高充放电越频繁容抗越小。输入阻抗要大输出阻抗要小且输出要远小于下一级输入举例信号源---放大器---负载前级信号源源内阻Rs信号源电压Vs放大器输入阻抗Ri放大器输入电压ViViVs*[Ri/(RsRi)]若Ri太小则导致Vi远远小于Vs电压被内部消耗了放大器输出阻抗Ro下级负载输入阻抗RL实际负载接到电压VloadVloadVo[RL/(RoRL)]若Ro太大Vo大部分被消耗在自己的输出电阻上负载得到的电压大打折扣阻抗匹配是指信号源或前级电路的输出阻抗与负载或后级电路的输入阻抗之间的一种特定数量关系。电压匹配阻抗桥接追求信号电压最大化负载输入阻抗源输出阻抗功率匹配共轭匹配追求负载获得最大功率。要求负载输入阻抗源输出阻抗;举例源内阻Rs负载电阻RlRl0短路电压为0电流最大P0RlRsPE^2/4Rs此时功率最大Rl无穷大断路电压最大电流为0P0结论当负载阻抗等于源内阻时负载能从信号源那里“榨取”出最大的能量。这就是最大功率传输定理什么时候电压匹配什么时候功率匹配1、判断目的是测电压关心波形还是干大功率活关心能量2、判断信号小信号、低频 1MHz连线短可按电压匹配大信号、高频 1MHz或长线传输必须按功率匹配否则会有信号反射。回到放大器第二部分衡量放大器性能的六大核心参数1、增益Gain核心指标指输出信号与输入信号的比值电压增益Av输出电压/输入电压常用dB表示公式20*logAv电流增益Ai功率增益Ap增益过高会引入噪声增益过低信号不够需要折中2、带宽Bandwidth放大器能够有效放大的信号频率范围物理带宽单位是Hz3、增益带宽积GBP增益和带宽的乘积大多数运放增益带宽积是固定的增大一方另一方必减小4、输入/输出阻抗5、共模抑制比CMRR衡量放大器甄别和剔除干扰的能力单位dB值越大越好代表放大器对两根输入线上同时出现的噪声共模信号的抑制能力。CMRR是放大器对差模信号的放大倍数与共模信号放大倍数的比值。为什么两根信号线上会有共模信号电磁感应为什么芯片本身CMRR很高但在实际电路上会变差输入端电阻不匹配、信号源内阻不匹配、频率升高导致CMRR下降6、压摆率Slew Rate衡量放大器对输入信号变化速度的反应能力单位是V/us伏每微秒如果输入信号变化太快而压摆率太低输出信号会跟不上导致波形形成梯形或三角波产生失真。影响波形的陡峭程度即方波的上升/下降时间7、噪声密度Noise Density放大器自身内部元件电阻、晶体管会产生热噪声决定放大微弱信号时信号会不会被噪声淹没。越小越好单位。