模拟电路

模拟电路（Analog Circuit）^[1]通常是指输入与输出之间能满足一特定幅频（或相频）特性要求的线性系统。^[7]模拟电路处理的是连续变化的电信号，^[8]具有应用面广泛、噪声敏感性、技术要求高、便于集成等特点。^[8]^[9]

在20世纪中期以前，模拟电路处于分立元件阶段，真空三极管问世，用它构成的电子电路能够产生低频到微波范围的振荡，从而使电子技术进入了实际应用阶段。而晶体管的发明标志着电子电路进入了更高效的晶体管时代。^[10]1952年，真空管运算放大器K2-W进入市场，开启了模拟电路时代。1964年，“仙童半导体”的鲍勃·维德拉（Bob Widlar）发明了uA702，创造出第一款集成运算放大器，开启了“模拟芯片设计”的先河。1967年，LM101运算放大器问世，大卫·富拉格（David Fullagar）在LM101的基础上加以改进，推出了成为运算放大器标准的uA741。1985年，班德勒（J. W. Bandler）和萨拉马（A. E. Salama）对测前仿真和测后仿真做了较为具体的系统概括论述。^[7]^[11]1999年11月，Lattice公司又推出了在系统可编程模拟电路，翻开了模拟电路设计的新篇章，为电子设计自动化技术的应用开拓了更广阔的前景。^[12]

构建模拟电路的元器件有电阻、电容、电感和变压器、二极管、晶体管等，^[2]其工作流程分为信号获取、信号调理、信号加工、功率驱动和负载。^[13]通常可包括放大电路、运算电路、滤波隔离电路、信号转换电路、信号发生电路、直流电源电路等部分。^[6]针对模拟电路的分析，可采用节点分析法和环路法分析法等多种方法。^[14]^[15]在模拟电路出现故障时，通常会利用测前模拟和测后模拟等手段进行故障诊断。^[11]模拟电路在医疗、电子和图像处理等领域具有广泛的应用价值，^[3]^[4]^[5]但也存在着可靠性问题、技术发展滞后等局限性。^[16]^[17]未来，模拟电路可朝着高性能模拟集成电路设计、低压低功耗设计技术等方向发展。^[18]^[19]

主要元器件

构成模拟电路的主要元器件包括电阻、电容、电感、变压器、二极管、晶体管、石英谐振器、继电器、运算放大器等。^[2]^[7]

电阻：电阻（resistance）^[28]是电子线路中应用最多的元件之一，其在电路中主要用于分压、分流、滤波、耦合、阻抗匹配以及作为负载等。电阻的符号为“R”，基本单位名称为“欧[姆]”，单位符号为“Ω”。^[2]

电容：电容（capacitor）^[28]具有隔直流和通交流的特性，在电气工程和无线电工程中有非常重要的作用。利用电容的充放电特性，可以组成定时电路、锯齿波发生电路、PID电路及滤波电路等。电容用符号“C”表示，基本单位名称是“法[拉]”，单位符号为“F”。由于法的单位太大，所以常用的单位是毫法（mF）、微法（μF）、纳法（nF）和皮法（pF）。^[2]

电感：电感（inductor）^[28]是根据电磁感应原理制成的器件，在LC滤波、调谐放大器或振荡器的谐振和均衡电路等方面有较多的运用。电感用符号“L”表示，基本单位名称是“亨[利]”，单位符号为“H”。^[2]

变压器：变压器（transformer）^[29]是利用两个绕组的互感原理来传递交流电信号和能量的器件，主要参数有电压比、效率和频率响应等，其能起到变换前后级阻抗而使阻抗匹配的作用。^[2]

二极管：二极管（diode）^[30]由半导体材料（主要是硅和锗）制造的PN结组成，PN结结构的单向导电性和半导体材料的特殊性能，使二极管在电子线路中得到了广泛的运用。^[2]

晶体管：晶体管（transistor）^[31]是电子线路中用途十分广泛的器件。主要起到电压（或电流、功率）放大、开关和信号反向等作用。^[2]

石英谐振器：石英谐振器（quartz resonator）^[32]的主要原料是石英单晶（水晶）。它具有高稳定的物理、化学性能，弹性振动损耗极小，且品质因数极高，是一种用于稳定频率和选择频率的电子元件，广泛应用于无线电话、载波通信和时钟等场合。^[2]

继电器：继电器（relay）^[33]是一种对电路进行控制和换接的器件，是自动化设备中的主要电器元件，起自动操作、自动调节和安全保护等重要作用。^[2]

运算放大器：运算放大器（operational amplifier），^[34]是一种高增益的多级直流耦合放大器，由于这种放大器最初用在模拟计算机中以实现各种数学运算，故称为运算放大器，其被广泛地应用在自动控制、测量等许多方面。^[35]运算放大器的函数运算主要有加（减）法运算和微（积）分运算，对（指）数运算、乘（除）法运算都要利用PN结的伏安特性。运算放大器最基本的用途就是做宽带放大器，分析运算放大器的关键是充分理解“虚断”^[注1]和“虚短”^[注2]。^[7]

类型

电子系统常用的模拟电路可分为放大电路、运算电路、滤波隔离电路、信号转换电路、信号发生电路、直流电源电路和专用模拟电路等。^[36]^[6]

放大电路：或称放大器，用于模拟信号电压、电流或功率的放大。它透过电源取得能量，以控制输出信号的波形与输入信号一致，但具有较大的振幅。^[37]^[6]放大的实质是在输入信号作用下，将直流电源的能量转换成交流信号能量。经过放大器的控制作用，负载上信号的能量远大于放大器输入信号源的能量，因此负载上电压或电流的幅度比输入信号大很多。^[38]

运算电路：集成运放是一个已经装配好的高增益直接耦合放大器，加接反馈网络以后就组成了运算电路。运算电路的输入、输出关系，仅仅取决于反馈网络，因此只要选取适当的反馈网络，就可以实现所需要的运算功能，如加减、乘除、微积分、对数等。^[39]^[6]在这些运算电路中要求集成运放工作在线性区，所以在电路中引入负反馈来扩大集成运放的线性范围。^[40]

滤波隔离电路：它的作用是消除或削弱外界干扰信号，防止它们伴随着检测信号而输入到系统中。另外，它和检测器相结合，防止监测系统一侧在任何情况下不致影响电气集中联锁系统的正常工作。隔离电路可采用线性光电耦合器、变压器或高阻等实现；^[41]^[6]滤波电路利用电抗性元件对交、直流信号阻抗的不同，实现滤波。^[42]

信号转换电路：信号转换电路是将传感器输出的电路参数转换成便于测量的电量，主要完成电流到电压的转换或将电压信号转换为电流信号；直流信号到交流信号的转换，将直流电压转换为与之成正比的频率等，使具有不同输入、输出的器件可以联用。^[43]^[6]在进行信号转换时，需要考虑转换电路应具有所需特性，与此同时，要求信号转换电路具有一定的输入阻抗和输出阻抗，以与之相连的器件或电路阻抗匹配。^[44]

信号发生电路：信号发生电路又称信号源或振荡器，^[45]是一种不需要外接输入信号就能产生一定频率、一定幅度和一定波形的电路。^[46]在生产实践和科技领域中有着广泛的应用，例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）信号、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频信号的振荡器。^[45]根据输出信号波形的形状，可以将信号发生电路分成正弦波发生电路和非正弦波发生电路两大类，主要用于产生正弦波、矩形波、三角波和锯齿波。^[46]^[6]

直流电源电路：在生产建设和科学实验中，主要采用交流电，它由电力系统的供电电网提供。但在某些场合，特别是电子线路和自动控制装置中，常常需要采用电压非常稳定的直流电。由于直接采用直流发电效率不高，因此，除了低功率的场合使用电池外，大部分直流电是由直流电源电路将交流电转变而成的，^[47]由由降压电路、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，用于将低压，低频率的交流电转换为不同输出电压和电流的直流稳压电源。^[48]^[6]

专用模拟电路：专用模拟电路由线性阵列和模拟标准单元组成。模拟电路的频带宽度、精度、增益和动态范围等暂时还没有一个最佳的办法加以描述和控制，但专用模拟电路可减少芯片面积、提高性能、降低费用、扩大功能、降低功耗、提高可靠性以及缩短开发周期。科学的发展要求系统具有高精度、宽频带、大动态范围的增益和频带实时可变性等性能，因此在技术上要求采用数字和模拟混合的ASIC，以提高整个电子系统的可靠性。^[36]

特点

应用面广泛：模拟电路处理的是连续变化的电信号，人们的日常生活、生产等活动与模拟信号的联系更加密切，所以模拟电路应用面十分广泛。^[8]

技术要求高：在模拟与数字电子电路的复合系统中，需要在模拟一数字、数字-模拟信号间进行变换，其中少不了模拟电路，而且技术难点往往在模拟电路部分。^[8]

便于集成：许多模拟电路便于集成，可较大地降低成本，减小体积。^[8]

不便于处理和存储：模拟信号相对数字信号而言，不便于处理和存储。处理数字信号的电子电路是数字电路，数字电路研究各种逻辑器件、各种数字电路中数字信号的变换、存储、测量和应用等内容。^[8]

连续信号：模拟电路的工作信号通常是与某些物理量对应的模拟量例如正弦波信号，或者温度、压力等非电量通过传感器以后得到的相应的缓慢变化信号等，它们在数值上是连续的。^[49]

线性和非线性操作：在模拟电路中，晶体管大多工作在放大区，输出信号可以是输入信号的线性放大，如各种放大器，也可以是随输入信号作相应的非线性变化，如稳压器、检波器等。^[50]

广泛的频率响应：频率响应是指电路或系统的输出随输入信号的频率而变的特性。^[51]对于音频信号，模拟电路约有20kHz的带宽，在此范围内，模拟电路的频率响应并不是平坦的，^[52]其跨度为零到无穷大。^[53]

噪声敏感性：模拟电路中的器件往往工作在放大状态，因而电路的灵敏度比较高，但也容易受到干扰信号的影响。^[8]模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，对噪声敏感等。^[54]模拟电路敏感度特性取决于灵敏度和带宽。模拟器件的灵敏度以器件固有噪声为基础，即等于器件固有噪声的信号强度或最小可识别的信号强度。^[9]

设计复杂性：模拟电路设计过程一般按照总体方案的选择、单元电路的确定、元器件的选择和参数的计算、电路实验测试、绘制总体电路图等几个步骤进行。^[55]模拟电路中元件参数都有容差，若干元件的容差形成的综合效应可能和所有元件都正常一个元件有故障的效应相同，以至较难从输出信号中判断电路中的元器件是否都正常，^[56]因此在模拟电路设计中需要大量的电参数计算。^[55]

模拟集成电路

模拟集成电路主要是指将由电容、电阻、晶体管等组成的模拟电路集成在一起用来处理模拟信号的集成电路。模拟集成电路的主要构成电路有放大器、滤波器、反馈电路、基准源电路、开关电容电路等。模拟集成电路是用来产生、放大和处理各种模拟信号（指幅度随时间连续变化的信号）的电路，是微电子技术的核心技术之一，能对电压或电流等模拟量进行采集、放大、比较、转换和调制。^[57]模拟集成电路具有以下特点：

采用有源器件：由于制造工艺的原因，在集成电路中制造有源器件比制造大电阻容易实现。因此大电阻多用有源器件构成的恒流源电路代替，以获得稳定的偏置电流。BJT比二极管更易制作，一般用集电极-基极短路的BJT代替二极管。^[58]

采用直接耦合作为级间耦合方式：由于集成工艺不易制造大电容，集成电路中电容量一般不超过100pF，至于电感，只能限于极小的数值（1μH以下）。因此，在集成电路中，级间不能采用阻容耦合方式，均采用直接耦合方式。^[58]

采用多管复合或组合电路：集成电路制造工艺的特点是晶体管特别是BJT或FET最容易制作，而复合和组合结构的电路性能较好，因此，在集成电路中多采用复合管（一般为两管复合）和组合（共射-共基、共集-共基组合等）电路。^[58]

分类标准	类型	概述
根据集成度分类	大规模	电路内部集成元器件在10000个以下或少于1000个门电路^[59]
	中规模	电路内部集成元器件在1000个以下或少于100个门电路^[59]
	小规模	电路内部集成元器件在100个以下或少于10个门电路^[59]
根据封装的材料分类	塑料封装	塑料封装是以高分子树脂密封塑料封装时，水分子通常在数小时内即能侵入，塑料封装一般被认为是非气密性封装。这种使用有机物材料的封装称为包封，通常用低温聚合物来实现^[60]
	金属封装	金属封装是采用金属壳体或底座，IC芯片直接或通过基板安装在外壳或底座上，引线穿过金属壳体或底座，大多采用金属封装技术的一种封装形式^[60]
	陶瓷封装	陶瓷封装与金属封装相比，其价格较低。陶瓷被用作集成电路封装材料主要是因其在热、电、机械特性等方面极为稳定，并且陶瓷材料的特性可以通过改变其化学成分和工艺的控制调整实现^[60]
根据封装的引脚形式分类	直插式	直插式有单列直插式和双列直插式等类型。单列直插式封装引脚从封装一个侧面引出，引脚朝下，以缺口、凹槽或色点作为引脚参考标记；双列直插式封装的集成电路芯片具有两排引脚，这些引脚从封装两侧引出，以缺口或色点等标记为参考^[61]^[62]
根据封装的引脚形式分类	扁平式	扁平式集成电路的引脚识别方向和双列直插式IC相同，对某些软封装类型的集成电路，其引脚直接与印制电路板相结合^[63]
根据导电类型分类	双极型集成电路	双极型集成电路是以npn或pnp型双极型晶体管为基础的集成电路，它是最早出现的集成电路，具有驱动能力强、模拟精度高等优点^[64]
根据导电类型分类	单极型集成电路	在MOS集成电路中，参加导电的只有多数载流子，即只有电子或空穴中的一种，所以MOS集成电路又叫做“单极型集成电路”^[65]
根据输出与输入信号之间的响应关系分类	线性集成电路	线性集成电路的输出与输入信号之间的响应通常呈线性关系，其输出的信号形状与输入信号是相似的，只是被放大了，并且是按固定的系数进行放大的
根据输出与输入信号之间的响应关系分类	非线性集成电路	线性集成电路的输出信号对输入信号的响应呈现非线性关系，比如平方关系、对数关系等。常见的非线性电路有振荡器、定时器、锁相环电路等
根据用途分类	通用模拟电路	包括运算放大器、电压比较器、电压基准源电路、稳压电源电路等
	工业控制与测量电路	包括定时器、波形发生器、检测器、传感器电路、锁相环电路、模拟乘法器、电机驱动电路、功率控制电路和模拟开关等
	通信电路	包括电话通信电路和移动通信电路等
	消费类电路	包括黑白、彩色电视机电路，录像机电路，音响电路，医疗用电路等
参考文献^[57]

节点分析法

节点分析法是一种基于基尔霍夫电流定律（KCL）的电路分析技术，通过选择一个节点作为参考点（其电位设为零），并将其他节点相对于此参考点的电压作为解析变量。^[66]^[67]如图a所示电路，选取特定的树，使所有树支均连接至同一节点，并从中选择基本割集，可以得到该节点的KCL方程。例如，在一个包含个节点的电路中，个节点的KCL方程是独立的，这些节点称为独立节点。^[14]

如图b所示电路，选取节点3作为参考点（参考点的电位为零），其他节点相对于参考节点的电压称为节点电压，节点电压为。在包含n个节点的电路中，选取其中任一节点作为参考节点，用接地符号来表示，其他个节点相对于参考节点的电压，即为节点电压。以节点电压作为变量列写每个独立节点KCL方程的求解方法，就称为节点分析法。^[14]

环路分析法

电气网络的一种普通分析方法是网络回路（或环路）分析法。这种方法中应用的基本定律是克希荷夫第一定律，该定律表明绕闭合回路循行一周的电压的代数和为零，或者说，在任何闭合回路中，电压升之和必须等于电压降之和，网络回路分析法的内容包括假定电流—称为环流—在网络的每一条回路内流动，循每一条回路的电压降作代数相加，令每一条回路内的代数和等于零。^[15]

例如图中所示的回路中有一个电阻器和一个电感器与一个电压源串联。假定回路电流为，循此回路一周的电压降之和为。^[15]

按假定的电流方向，输入电压以负号相加，表示一个电压升，而每个无源元件上的电压降为正，是因为电流与产生的电压降同方向，利用电阻器和电感器中的电压降方程，得出。该方程就是此回路中电流的微分方程。^[15]

戴维南等效电路

给定任何线性电路，将它重新划分为网络A和B，它们只用两根导线相连，当B断开时，定义出现在A端口的电压为开路电压。如果将A中的所有独立电流源和独立电压源“置零”，用独立电压源以适当的极性与被置零的无源电路相串联，则B中的所有电流和电压保持不变。无论哪部分网络含有受控源，它的控制量必须在同一个网络中。另外，尽管置零的网络A称为无源网络，但它可能含有受控源，只要它的控制电流或电压不为零，其中仍然可能有电流流动。^[68]

无源网络A可以用“戴维南等效电阻"这样的单个等效电阻来表示，无论无源网络A中是否存在受控源。戴维南等效电路含有两个元件，一个是电压源，另一个是相串联的电阻。它们都可以为零。^[68]

诺顿等效电路

给定任何线性电路，将它重新划分为网络A和网络B，它们只用两根导线相连。如果两个网络中的任何一个含有受控源，其控制变量必须出现在同一网络之中。当网络B断开时，短接网络A的两个端点，定义短路电流为。如果将网络A中的所有独立电流源和独立电压源“置零”，用独立电流源以适当的极性与被置为零的无源电路相并联，则网络B中的所有电流和电压将保持不变。^[68]

线性电路的诺顿等效电路是诺顿电流源与戴维南等效电阻的并联，实际上可以通过对戴维南等效电路做电源变换来获得网络的诺顿等效电路。因此，引出了、和之间的直接关系为。^[68]

瞬态分析

瞬态分析就是求解电路的时域响应，即响应随时间的变化关系，因此也称为时域分析瞬态分析可以分析有瞬态信号源激励的电路，如放大电路，也可以分析没有瞬态信号源激励的电路，如波形发生电路。^[69]在瞬态分析中，系统将直流电源视为常量，交流电源按时间函数输出，电容和电感采用储能模型。^[70]

正弦稳态分析

正弦稳态分析，是研究和讨论线性时不变电路在同一频率的正弦电源激励下网络的稳态响应。如若网络的所有固有频率在复数平面的左半闭平面内，即网络的所有固有频率的实部小于或等于零，而实部为零的纯虚数的固有频率为单根，且此与电源的角频率不相等，则网络的正弦稳态响应存在，为与电源角频率相同的正弦函数，称为网络的正弦稳态响应。^[71]

诊断内容

模拟电路故障诊断的主要内容包括故障检测、故障定位、故障辨识、测点分析、容差处理和故障预测等。^[11]

内容	概述
故障检测	确定电路中故障是否存在
故障定位	确定故障元件的位置
故障辨识	确定故障的原因，估计故障元件参数变化值
测点分析	在电路可及节点中选择最优节点或者在现有节点下对电路可诊断集作出分析
容差处理	在考虑参数容差条件下，元件是否发生故障
故障预测	在系统发生故障前预报即将发生故障的模块或元件
参考文献^[11]

测前仿真

测前仿真的理论基础是模式识别理论。在电路测试前，用计算机模拟电路在各种故障条件下的状态，建立相应的故障字典；电路测试后，根据测量信号和某种判决准则查字典，并最终确定故障。测点选择是故障字典法最重要的部分，选择高分辨率的测点可以在保证故障隔离率的前提下，减少测点个数的总量。具体方法包括故障字典法、概率法^[11]和故障树法等。^[72]

方法	概述	具体方法	概述
故障字典法	故障字典法的优点是一次计算，几乎无测后计算，但是故障状态有限，存储容量大，包括直流故障字典法、频域法等^[11]	直流故障字典法	直流故障字典法是利用电路直流响应作为故障特征，建立字典，该方法相对比较成熟，对硬故障的诊断简单有效^[11]
		频域法	频域法以频域响应作为故障特征建立字典，其理论分析较为成熟^[11]
		时域法	时域法是利用电路的时域响应作为故障特征建立字典^[11]
概率法	概率法是在测试前根据维修经验对大量数据进行统计分析，确定元件发生故障的先验概率，测试后算出后验概率，依据贝叶斯判别准则，后验概率最大的即是最有可能故障的元件^[11]
故障树法	故障树法是一种图形演绎法，需要分析系统故障的各种情况，建立逻辑故障树，由故障树顶端开始查询，找到系统失效的原因，用规定的逻辑符号分析系统故障与元件可能发生的故障之间的逻辑关系。诊断结果直观、适用性强，但是建立树的过程烦琐，工作量大^[72]

测后仿真

测后仿真又被称为故障分析法，特点是电路测试后，依据测量信息模拟电路从而进行故障诊断。依据同时可诊断的故障数，包括任意故障诊断、多故障诊断^[11]、元件参数辨识法和故障预测验证法等。^[73]

方法	概述	具体方法	概述
任意故障诊断	任意故障诊断包括转移导纳参数法、元件分割法、节点法、等效电路变化法等方法^[11]	转移导纳参数法	转移导纳参数法直接通过解网络转移导纳参数非线性方程组来决定网络元件值，超过容差范围的元件即为故障元件^[11]
		元件分割法	元件分割法以元件连接模型CCM为基础将系统中的元件分割出来，用连系关系描述系统特征与元件的关系，由元件特性和连接特性组成的CCM方程来表示系统的全部特性^[11]
		节点法	节点法是利用电路节点电压方程，通过传递函数建立故障诊断方程^[11]
		等效电路变化法	等效电路变化法是利用Y-Δ变换扩展到模拟电路故障诊断的方法^[11]
多故障诊断	多故障诊断包括K故障诊断法、网路分裂法、优化法等方法^[11]	K故障诊断法	K故障诊断法是假定网络中有几个元件故障，然后利用判决算法定位故障，由于在诊断过程中运用了等效电源替代网络参数变化，又被称为置换法^[11]
		网路分裂法	网路分裂是将大网络分为若干子网络，诊断时先将故障定位到子网络，再进一步找到故障最小区域^[11]
		优化法	优化法用于软故障，通过适当的目标函数估计出最有可能发生故障的元件^[11]
元件参数辨识法	元件参数辨识法是通过解析分析，直接从网络响应与元件参数值之间的关系中求解出元件的实际参数值，进而识别故障元件，因此在测试条件充分时，有可能不牵涉误差问题^[73]
故障预测验证法	故障预测验证法一般用在测试条件较差的场合，即可及端口数较少的场合。该方法首先认为网络中存在的故障很少，而且假定非故障元件的实际值即为其标称值，这样就可预测哪几个元件是故障元件^[73]

测前与测后的融合

测前与测后的融合方法主要包括逼近法和人工智能方法等。^[73]^[72]

方法	概述
逼近法	逼近法包括测后模拟法中的优化法与测前模拟法中的概率统计法两种。由于这两种方法所得的解都是或然的，因此也统称为近似法^[73]
人工智能方法	人工智能方法主要有模式识别、人工神经网络和专家系统等方法。该类方法不仅要求对研究对象建立高精确的数学模型，同时还要具有鲁棒性好的优点，可以对故障执行在线的自动诊断^[72]

万用表

万用表是用来测量包括直流电压和电流、电阻，以及交流电压（某些万用表还能测量交流电流）的仪器。万用表按显示测量值所用的方法，可分为模拟式或数字式。按是否包含有放大电路，可分为有源式或无源式。包含有源电路的万用表常称为电子万用表，通常只在实验室或车间使用。^[74]

数字万用表通常包含有源电路，其准确度指标一般要比价格相当的模拟式仪表^[注3]好，并能自动转换量程^[注4]和自动选择极性^[注5]。只包含无源电路^[注6]的万用表常称为VOM（伏特—欧姆—毫安）表，它主要用于检测电压、开路或短路情况，以及进行基本的量级比较。^[74]

示波器

示波器是模拟电路故障诊断过程中最具有独特作用的仪器，它直观地显示电压和时间，而且操作者能看到电压的幅度和信号的形状，因而很容易确定待查信号的平均值、峰值、有效值和峰——峰值。另外，还能测量频率和相位的相互关系；使用双踪示波器时，能比较两个信号之间的严格时间关系。^[74]

函数信号发生器

函数发生器是一种产生各种波形（一般包括正弦波、方波和三角波）的通用信号源。信号频率可在低达1MHz或1μHz到高达几MHz的很宽范围内调节。典型的通用发生器的频率范围为0.01Hz~10MHz。音频信号发生器在较小的频率范围内产生失真小的正弦信号，频率处在20Hz~20kHz的音频范围，但也可以高到100kHz。实验室等级的音频发生器配备有可供用户精确调节信号幅度的精密衰减器和（或）输出仪表。多数音频信号发生器还在与正弦波相同的频率范围内产生方波输出。信号发生器通常分为高频信号发生器、低频信号发生器和扫频信号发生器。低频信号发生器应能提供具有下列特性的输出信号：低的谐波含量、稳定的工作频率、稳定的输出幅度、低的输出噪声等。^[74]

扫频信号发生器

信号频率随时间在一定范围内反复扫描的正弦信号发生器称为扫频信号发生器。扫频信号发生器能够快速地测量元件和系统的频率特性、动态特性，进行信号特征的频率分析。扫频信号发生器在自动和半自动测量中的应用越来越广泛。^[74]

频谱分析仪

频谱分析仪是一种具有电扫描本振的专门化的超外差接收机，能够在CRT显示器上提供幅度随频率变化的连续表示。它与通信中所使用的超外差接收机不同，后者必须恢复特殊的调制型式，并抑制掉所有其他频率分量和噪声，频谱分析仪必须以同样的方式处理所有的频率分量。由于干扰或噪声本质可能是待测的能量。因此，尽管频谱分析仪采用了与通信用的超外差接收机相似的基本标准部件，但电路本质很不一样现代频谱分析仪提供了幅度和频率的全部校准，在CRT上显示的各个不同控制器设定值的信息，以及有关的信号信息。数字存储和信号处理功能则帮助操作者更迅速、更容易及更准确地进行测量。^[74]

器件噪声

器件噪声是电路中元件的固有噪声电阻的热噪声和晶体管的散粒噪声都算器件噪声的例子；另一种类型的器件噪声是开关噪声，来自于开关模式电源（电感型）或者开关电容转换器（基于电容的）。器件种类很多，每一种都有自己的噪声频谱。有源和无源器件都能够制造噪声对电路产生影响。无源器件包括电阻、电容和电感。在这3种类型的无源器件中，电阻对电路噪声的影响最显著。^[76]

器件噪声的另一个来源是有源器件。出现在电路中的典型有源器件是运算放大器、A/D转换器、基准电压源以及电源芯片。在这些器件中，运算放大器对信号链有最大的直接影响，电源芯片通过器件的电源引脚注入噪声，它可能最终进入信号链。^[76]

传导噪声

电磁干扰波一般有两种传播途径，要按各个途径进行评价。一种是以波长长的频带向电源线传播，给发射区以干扰的途径。这种波长长的频率在附属于电子设备的电源线的长度范围内还不满1个波长，其辐射到空间的也很小，由此可掌握发生于电源线上的电压，进而可充分评价干扰的大小，这种噪声叫做传导噪声。^[77]传导噪声与所需的电信号混合在一起，已经存在于电路的导电通路中，如电源线或信号通道等，会影响模拟器件的性能。^[76]

辐射噪声

辐射噪声是以电磁场的形式向空间传播。当电流或电荷随时间快速变化时，其一部分能量进入周围空间而形成电磁辐射。因此，辐射噪声较之传导噪声更加隐蔽。天线是辐射源或辐射体，电偶极子和磁偶极子是基本的辐射单元。功率变换器中的元件、器件、连接导线等都可看作天线，均可向空中辐射电磁能。因此辐射噪声对系统以及对同一环境下电子设备的影响不容忽视。此外，电缆是功率变换器输入、输出必不可少的构件，也是最长的连接导体，它传输能量，也产生辐射噪声。^[78]

噪声控制

对于装置外部的噪声源，应该根据噪声的性质采取有效措施。可采取下列措施：^[79]

静电感应噪声

在中、高压电路附近，由于静电感应容易产生噪声，可通过多种措施有效控制这种噪声。首先，可以为电子装置和引线安装金属屏蔽并确保其接地，以减少干扰。此外，远距离传输的输入和输出线也应具备良好的接地屏蔽，特别是需要确保柜体电位与传输电缆接地电位保持一致。同时，应尽可能缩短信号线的长度，并减小电路的阻抗，以及对整个系统实施全面屏蔽等，这些措施可以有效降低静电感应引起的噪声影响。^[79]

电磁干扰

靠近强磁场时易受电磁干扰，它对集成电路器件的影响尤为严重，可通过多种措施避免电磁干扰。首先，信号线要尽量远离产生电磁感应的电力线并施加电磁屏蔽。此外，如果受空间条件限制，信号线与电力线不能远离时，应该采取使两者的走线互相垂直的布线方式。^[79]

高频装置噪声

对于高频装置、火花放电等产生的电磁波噪声、汽车点火栓噪声、大功率调频、调幅电磁波、雷达波以及晶体管内部产生的高频噪声等，应以隔断噪声传递路径为主要着眼点，施加相应的屏蔽；换掉产生较大噪声的元器件也是抑制噪声的一种措施。^[79]

电网浪涌电压

对于电网浪涌电压等噪声，一般是在线路上设置浪涌吸收器、线路滤波器、信号输入滤波器和其他多种保护器件。获得稳定且线性的电路后，其所有连线可能还需滤波，同一产品中的数字电路部分总会把噪声感应到内部连线上，外部连线则承受外界的电磁环境的干扰。避免采用有源电路来滤波和抑制射频带宽以达到防于扰要求，只能使用无源滤波器。^[79]

挑战

故障诊断难度：模拟电路由于其信号的连续性和元件容差的存在，使得故障诊断成为一个复杂的问题。传统的故障测试诊断方法在实际应用中难以达到预期效果，主要原因在于模拟电路的故障没有简单通用的表达模型，以及模拟电路元器件容差的存在和元件值连续性变化等因素。^[11]

可靠性问题：模拟电路的可靠性是制约电路系统可靠性的关键因素之一。高性能模拟集成电路产品需要复杂的工艺来实现高速、低噪声、高精度等要求，这些复杂性给各种技术都带来了严峻的可靠性考验。模拟电路的抗干扰能力也是提高其运行可靠性的重要方面。^[16]

设计与验证挑战：随着电子技术的高速发展，对电子设备的可靠性提出了更高的要求。模拟电路的测试和诊断一直是电路测试领域内的研究热点之一，但传统故障测试诊断理论和方法在实际应用中难以达到预期效果。^[11]此外，对模拟电路进行设计时，需要开展大量的手工运算，其设计环节自动化程度偏低，这也表明，模拟电路设计难度高于数字电路，对设计人员自身水平及其能力提出更高的要求。^[80]^[17]

技术发展滞后：尽管模拟/混合信号集成电路在许多现代新兴系统芯片（SoC）设计应用中扮演着重要角色，但模拟电子设计自动化（EDA）工具的发展仍远远落后于数字EDA工具。这导致了模拟/混合信号IC设计，尤其是模拟布局设计，仍然是一个手动、耗时且容易出错的任务。^[17]

医疗

模拟电路在医疗领域的应用已经成为现代医疗技术不可或缺的一部分。例如，心电图等生理信号的采集就需要高性能的模拟前端电路来保证信号的准确性和稳定性。一个病态心电图模拟电路原理图如下图所示，这个电路用于模拟疾病性质的一个模型。^[3]此外，很多人在医疗仪器设备维修中碰到的问题是模拟电路问题，医疗仪器设备中的开关电源电路即是典型的模拟电路。^[81]

电子

在调幅广播（AM）方面，话简将声音（空气振动）转换为电信号，电信号的电压值模拟了声音的振动变化，转换后的电信号经过音频放大、调幅、功率放大，最终通过发射天线将无线电波发射出去。在接收系统中，模拟电路可将信号由高频变为低频，再经过选频放大选出某一个调幅波信号，经检波将其还原成音频信号，再经音频放大送至喇叭，最后由喇叭将电信号转换为声音信号，以实现广播接收。^[4]

图像处理

在图像处理中，面阵传感器通过模拟电路不需要运动就能获取一幅二维图像。成像传感器将照射能量转换为电压，然后将传感器响应数字化，得到的数字量为数字图像。在图像处理中，场景的反射（透射）来自照射源的能量，成像系统收集照射的能量，并将其聚焦到一个图像平面上，模拟电路扫描这些输出并把它们转换为模拟信号，然后由成像系统的其他部分进行数字化，从而输出一幅数字图像。^[5]

发展方向

高性能模拟集成电路设计：利用MOS器件的体（body）端口作为高性能模拟集成电路设计的一个重要机会，这包括提高增益和线性度或降低供电需求的技术。^[18]

低压低功耗设计技术：当在数字线路中工作电压和工艺制程特性的线宽度还在继续减小，这与摩尔规律是一致的。由于芯片的尺寸及供电电压的降低，使得模拟IC的设计面临许多的问题，因此，准确的元件建模成为了关键。所以，进一步深入的亚微米级的元件建模是未来的发展趋势。^[19]

新型活动元件的应用：为了解决传统运算放大器等基础构建块的性能限制，研究者探索了新的模式活动构建块，如操作跨导放大器（OTA）、第二代电流传送器（CCII）等，以及它们在通信、测量和射频系统中的应用。^[82]

建模和仿真：电路模型既可以用于构建目标电路的设计规格说明，也可以用于对目标电路特征的描述与仿真。研究模拟集成电路建模，对提高模拟集成电路自动化分析的效率具有重要意义。^[83]

与深度学习相结合：深度学习识别阶段主要通过卷积神经网络、循环神经网络等神经网络，模拟人类大脑结构和自我训练能力，对大量模拟电路故障样本数据进行学习实现复杂模拟电路的故障分类。利用神经网络的自动学习和特征挖掘能力进行特征提取能够较好适用于复杂的模拟电路故障识别问题，能够达到较高的准确率。^[84]

电路类型	信号类别	作用	工作状态	分析方法
模拟电路	在时间和数值上连续变化的连续量	对输入模拟信号进行线性放大	线性放大状态，对电路的参数要求较高	估算法、围解法、微变等效电路法
数字电路	在时间和数值上不连续变化的离散量	对数字信号实现输出与输入的逻辑关系	非线性开关状态，对电路的参数要求不高	布尔代数、卡诺图、真值表法
参考文献^[85]

参考资料 85

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参考 13
参考 14
参考 15
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Recentresearchdevelopmentandnewchallengesinanaloglayoutsynthesis — ieeexplore
Exploiting the Body of MOS Devices for High Performance Analog Design — ieeexplore
参考 19
参考 20
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参考 74
参考 75
参考 76
参考 77
参考 78
参考 79
参考 80
参考 81
New possibilities and trends in circuit design for analog signal processing — semanticscholar
参考 83
参考 84
参考 85

注释

由于运算放大器的差模输入电阻很大,一般通用型运算放大器的输入电阻都在1MΩ以上。因此流入运算放大器输入端的电流基本是微安级,远小于输入端外电路的电流。故通常可把运算放大器的两输入端视为开路,且输入电阻越大,两输入端越接近开路。把两输入端视为等效开路,这一特性称为虚假开路,简称“虚断”。^[7]
由于运算放大器的电压放大倍数很大,一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数在80dB以上,输出幅度受供电电压制约,而运算放大器的供电电压是有限的,因此运算放大器的差模输入电压也是微伏级,两输入端近似等电位,相当于短路,简称“虚短”。^[7]
模拟式仪表也称为电测量指示仪表，它是指能随时指示出被测量的电参数(电流、电压、功率、电阻、频率及相位角等)的有效值、平均值、瞬时值或峰值的仪表，是电测量仪表的一个重要组成部分。^[75]
自动选择适当的测量范围。^[74]
能测量正电压或负电压，并在读出器上显示适当的符号。^[74]
用于电阻测量的小电池除外^[74]