應(yīng)用型模擬電子技術(shù)的應(yīng)用

文/張秀

應(yīng)用型模擬電子技術(shù)涉及多種學(xué)科，既包括自動(dòng)控制工程技術(shù)、電氣工程技術(shù)、物理以及數(shù)學(xué)等多種學(xué)科，它是學(xué)習(xí)電子技術(shù)的非常重要的理論基礎(chǔ)。其廣泛的實(shí)踐應(yīng)用和深厚的理論基礎(chǔ)受到工程界廣泛的關(guān)注。

通常，應(yīng)用型模擬電子技術(shù)具有實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科其主要針對半導(dǎo)體元件的物理性能以及電路設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。學(xué)習(xí)和研究模擬電子技術(shù)及應(yīng)用，不僅可以提高解決問題的能力，也為理解各種電子元器件工作原理打下基礎(chǔ)。隨著應(yīng)用型模擬電子技術(shù)的不斷完善，其已經(jīng)從單一學(xué)科理論發(fā)展為多學(xué)科交叉技術(shù)，被廣泛運(yùn)用于通信工程及電子信息工程等方面。

1 應(yīng)用型模擬電子技術(shù)現(xiàn)狀

目前，模擬電子技術(shù)的現(xiàn)狀可以簡單概括為：與系統(tǒng)論緊密結(jié)合，充分引入網(wǎng)絡(luò)圖論，深受計(jì)算機(jī)的影響，非線性電路和系統(tǒng)的研究方興未艾，集成電路的出現(xiàn)及其向超大規(guī)模的快速發(fā)展將長期影響電路和系統(tǒng)學(xué)科的發(fā)展。多終端和集成設(shè)備；分析方法是系統(tǒng)的、通用的和計(jì)算機(jī)輔助的。積極、優(yōu)化并集成在合成中；從線性到非線性，從無源到有源，從分立到集成電路系統(tǒng)。有許多新的研究方向和新的研究成果。從現(xiàn)狀展望未來，你會發(fā)現(xiàn)應(yīng)用型模擬電子技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)理論中一門活躍而重要的學(xué)科，具有廣闊的發(fā)展前景。在當(dāng)今社會，電子技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了許多分支。例如，已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟的微電子技術(shù)現(xiàn)在正在發(fā)展。此外，納米電子技術(shù)和光電子技術(shù)也有廣闊的應(yīng)用前景。

1.1 微電子技術(shù)

微電子技術(shù)是模擬電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其基于半導(dǎo)體器件，核心是集成電路。其具有動(dòng)作速度快，無機(jī)械磨損及工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。微電子技術(shù)理論形成至今，其技術(shù)完善性及發(fā)展水平已經(jīng)有了很大的發(fā)展，成為高科技的驅(qū)動(dòng)力和現(xiàn)代電子工業(yè)的核心。微電子技術(shù)逐步向高速度低功耗及高集成度方向發(fā)展，成為一個(gè)國家綜合國力和科技發(fā)展水平的標(biāo)準(zhǔn)。而且微電子技術(shù)結(jié)合不同學(xué)科，形成了不同的發(fā)展方向。與光學(xué)領(lǐng)域及機(jī)械相結(jié)合發(fā)展形成微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)。而與生物工程技術(shù)相結(jié)合發(fā)展形成生物芯片學(xué)科。在微電子學(xué)領(lǐng)域，中國科學(xué)家石民博士對微電子學(xué)做出了杰出貢獻(xiàn)。

1.2 納米電子技術(shù)

納米電子學(xué)是在納米尺度空間下研究微粒運(yùn)動(dòng)特征和規(guī)律。它其基本原理是統(tǒng)計(jì)漲落特性、電子能級的不連續(xù)性以及電子的量子隧道效應(yīng)等。作為納米電子學(xué)的主要組成部分，磁電子學(xué)是通過磁場調(diào)節(jié)輸運(yùn)特性，其主要理論依據(jù)為磁性和電子傳導(dǎo)間的關(guān)聯(lián)效應(yīng)。這種技術(shù)涉及到自旋極化。該技術(shù)被應(yīng)用于磁記錄、磁頭讀取、非易失性信息隨機(jī)存儲、自旋晶體管和量子計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。模擬電子技術(shù)從微電子技術(shù)發(fā)展到納米電子技術(shù)，被工程界視為電子器件的第二次革命。與從真空管到晶體管相比，它包含了豐富的科技內(nèi)容和更深刻的理論意義。在這次改革中，需要發(fā)展新的理論來探索相應(yīng)的材料和技術(shù)。在納米電子技術(shù)中，將會用到大量的量子物理相關(guān)內(nèi)容。

1.3 光電子技術(shù)

光電技術(shù)是未來信息產(chǎn)業(yè)的核心，由電子技術(shù)和光子技術(shù)兩種技術(shù)交叉發(fā)展而來，主要研究內(nèi)容包括光信號的產(chǎn)生，傳輸處理以及接收。其概念包括從基礎(chǔ)到應(yīng)用很多領(lǐng)域。包括新材料（新型發(fā)光光敏材料、非線性光學(xué)材料、基底材料微結(jié)構(gòu)、透射材料和人工材料等）、微加工和微機(jī)電、器件和系統(tǒng)集成等。

2 應(yīng)用型模擬電子技術(shù)的應(yīng)用

應(yīng)用型模擬電子是電子技術(shù)學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，因?yàn)槠淇刂茖?shí)現(xiàn)方法簡單，元器件成本低，被廣泛運(yùn)用到社會生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，包括信號產(chǎn)生電路以及功率和運(yùn)算放大電路等，尤其在自動(dòng)化控制領(lǐng)域。自動(dòng)化控制是利用電子元器件產(chǎn)生和處理控制信號，實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行。其中晶體管時(shí)間繼電器以及無觸點(diǎn)開關(guān)等模擬電子技術(shù)被廣泛運(yùn)用到自動(dòng)控制電路中。其中晶體管是一種半導(dǎo)體元器件，具有信號調(diào)制，開關(guān)整流以及信號放大等功能，是應(yīng)用型模擬做常用的元件，被用于各種模擬電路中，因?yàn)檫@些院級可以通過調(diào)節(jié)兩端電壓的大小來控制電路中電流大小，所以又被稱作為電流開關(guān)。在工程應(yīng)用中，根據(jù)所需要實(shí)現(xiàn)功能不同。晶體管分為很多種類。其中常用的有場效應(yīng)管，三極管以及二極管等等。與普通機(jī)械開工相比較，晶體管主要利用電訊好實(shí)現(xiàn)電路開合，而且速度比機(jī)械開關(guān)快很多。本文主要介紹二極管和三極管在控制電路中的應(yīng)用。

二極管是晶體管的一種，它具有單方向?qū)щ娦阅埽粡V泛運(yùn)用與整流電路中。當(dāng)二極管兩端施加一點(diǎn)電壓時(shí)，如果電壓和其導(dǎo)通方向一致側(cè)電路為通路，相反電路為開路，因此工程中常利用二極管的這一特性，把二極管作為無接觸點(diǎn)開關(guān)接入電路中，而且相比于機(jī)械開關(guān)，二極管具有動(dòng)作速快，無機(jī)械摩擦，成本低等特點(diǎn)。

圖1：PWM模擬電路

三極管是一種雙極型晶體管，其主要作用是把電路中的信號進(jìn)行放大。當(dāng)三極管處于飽和狀態(tài)的時(shí)候，阻抗較小，此時(shí)的電路相當(dāng)于通路。當(dāng)其處于截止?fàn)顟B(tài)的時(shí)候，電路相當(dāng)于斷路，因?yàn)殡妷郝湓诎l(fā)射極極和集電之間，三極管的阻抗很高，可以被視為斷路開關(guān)。在從打開到關(guān)閉的過渡過程中，管道以放大狀態(tài)工作。三管開關(guān)從開到關(guān)(或從關(guān)到開)切換非常快，所以使用三極管作為開關(guān)可以獲得邊緣非常陡的脈沖信號。能夠產(chǎn)生脈沖信號的電路在工程中被稱作為脈沖電路，在遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)控制中被廣泛使用。

綜上所述，有晶體管組成的無觸點(diǎn)開關(guān)，具有動(dòng)作快，無機(jī)械摩擦耗損，成本低等優(yōu)點(diǎn)，在非接觸控制以及弱控制電流方面得到廣泛的應(yīng)用。但是這種無觸點(diǎn)開關(guān)也存在容易受到外界環(huán)境干擾的缺點(diǎn)。因此在應(yīng)用型模擬電子技術(shù)設(shè)計(jì)控制電路時(shí)，要綜合考慮各種因素，在外界干擾大時(shí)，在電路中使用電磁繼電器來彌補(bǔ)模擬電子元件的不足。因此，為了充分發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢，彌補(bǔ)它們在實(shí)際使用中的不足，它們通常結(jié)合使用，即晶體管繼電器用作傳感元件，接觸繼電器用作執(zhí)行元件。這樣獲得的繼電器稱為混合繼電器。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，控制技術(shù)逐步趨向于集成化和小型化，不斷完善應(yīng)用型模擬電子技術(shù)，才能使電器設(shè)備更加自動(dòng)化，不斷滿足人們各種需求。

2.1 在PWM波生成中的實(shí)踐探索

隨著人們環(huán)保意識的提高，可再生能源利用受到社會各界的關(guān)注，但是太陽能、風(fēng)能等新能源所生產(chǎn)的電能直接并網(wǎng)會沖擊公共電網(wǎng)的穩(wěn)定性，為了解決這個(gè)問題，工程科技人員設(shè)計(jì)了并網(wǎng)逆變器，其主要作用是使輸出電流波形與并網(wǎng)前的電網(wǎng)電流具有相同的頻率、幅度和相位。當(dāng)原始電流被提供給并網(wǎng)逆變器的控制部分時(shí)，需要適當(dāng)?shù)拿}寬調(diào)制控制方法來使并網(wǎng)逆變器的電流能夠快速跟蹤參考電流。生成PWM波是實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器高效工作的前提，而應(yīng)用型模擬電子可以實(shí)現(xiàn)。圖1為利用模擬電子技術(shù)設(shè)計(jì)PWM模擬電路。

2.2 在交直流電轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用

直流電在我們生產(chǎn)和生活中運(yùn)用廣泛，比如電動(dòng)汽車，手機(jī)以及一些控制電機(jī)。但是除了太陽能電池或化學(xué)能電池在某些特定場合用作電源外，大多數(shù)電路的直流電都是由公共電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換而來的。其轉(zhuǎn)換原理正是利用模擬電子技術(shù)中二極管單向?qū)щ娦阅埽约半娙萜鳛V波功能。

在交流轉(zhuǎn)換為直流的過程中，整流是第一步，也是最重要的一部，通常在工程中使用全橋整理電路來實(shí)現(xiàn)。其工作原理是二極管的單向?qū)щ娦浴?/p>

3 總結(jié)

應(yīng)用型模擬電子技術(shù)(Analog electronic technology)學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，其涉及到多個(gè)學(xué)科，廣泛應(yīng)用于當(dāng)前的生產(chǎn)和生活各個(gè)領(lǐng)域。其主要工作原理是利用二極管、三極管等半導(dǎo)體元件，對模擬仿真信號進(jìn)行處理，進(jìn)而完成控制目標(biāo)，所以應(yīng)用型模擬電子技術(shù)也可以理解為處理模擬信號的模擬電路技術(shù)，本文首先闡述應(yīng)用型模擬電子技術(shù)基本概念，介紹該技術(shù)目前發(fā)展?fàn)顩r。并在此基礎(chǔ)上，探討應(yīng)用型模擬電子技術(shù)在工程中的應(yīng)用。并簡要以脈寬調(diào)制波產(chǎn)生機(jī)理和交流/直流轉(zhuǎn)換電路為例，說明了應(yīng)用型模擬電子技術(shù)在工程控制領(lǐng)域的應(yīng)用。