模拟电子技术第八章功率电路.ppt

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1、第八章第八章 功率电路功率电路 功率放大电路功率放大电路 线性直流稳压电路线性直流稳压电路 开关型直流稳压电路开关型直流稳压电路1例：例：扩音系统扩音系统执行机构执行机构 用作放大电路的用作放大电路的输出级输出级，在信号失，在信号失真允许的范围内，输出足够的功率以真允许的范围内，输出足够的功率以驱动执行机构。如驱动执行机构。如使扬声器发声、继电器动作、使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转等。仪表指针偏转等。功功率率放放大大电电压压放放大大信信号号提提取取 8.1 8.1 功率放大电路功率放大电路功率放大器的作用功率放大器的作用：一、功率放大电路的特点与分类一、功率放大电路的特点与分类2(2)

2、功放电路中电流、电压要求都比较大，必须功放电路中电流、电压要求都比较大，必须注意电路参数不能超过功放管的极限值注意电路参数不能超过功放管的极限值:ICM 、UCEM 、PCM。注意对注意对功放管功放管散热和保护散热和保护。ICMPCMUCEMIcuce 8.1 8.1 功率放大电路功率放大电路1.1.功放电路特点功放电路特点(1)输出功率输出功率Pomax尽可能大尽可能大3(3)电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。电流、电压信号比较大，必须注意防止波形失真。(4)电源提供的能量尽可能转换给负载，减少电源提供的能量尽可能转换给负载，减少 晶体管晶体管及线路上的损失。即注意提高电路的效率（

3、及线路上的损失。即注意提高电路的效率（）。）。Pomax:负载上得到的交流信号功率。负载上得到的交流信号功率。PV：电源提供的直流功率。电源提供的直流功率。8.1 8.1 功率放大电路功率放大电路F 降低静态功耗，即减小静态电流。降低静态功耗，即减小静态电流。提高效率的途径提高效率的途径4（3）根据）根据功放管功放管导通时间导通时间的不同，可分为的不同，可分为:低频功放低频功放和和高频功放高频功放非谐振功放非谐振功放和和谐振功放谐振功放 8.1 8.1 功率放大电路功率放大电路2.2.功放电路的分类功放电路的分类（1）根据）根据工作频率工作频率的不同，功放电路可分为的不同，功放电路可分为:（2

4、）根据）根据负载性质负载性质的不同，功放电路可分为的不同，功放电路可分为:甲类甲类、乙类乙类、甲乙类甲乙类和和丙类丙类5 8.1 8.1 功率放大电路功率放大电路乙乙类类：导导通通角角等等于于180，失失真真大大，静静态态电电流流为为零零，管管耗小，效率高。耗小，效率高。甲甲类类：一一个个周周期期内内均均导导通通，失失真真小小，静静态态电电流流大大，管管耗大，效率低。耗大，效率低。甲甲乙乙类类：导导通通角角大大于于180，失失真真大大，静静态态电电流流小小，管管耗小，效率较高。耗小，效率较高。，丙类：丙类：导通角小于导通角小于1806uotuo射极输出器输出电阻低，带负载射极输出器输出电阻低，

5、带负载能力强，可以用做功率放大器吗能力强，可以用做功率放大器吗？问题讨论问题讨论:icuceQIcVCC/RLVCCRbuoVCCuiRL 8.1 8.1 功率放大电路功率放大电路7 一般射随静态工作点（一般射随静态工作点（Q）设置较高（靠近）设置较高（靠近负载线的中部），信号波形正负半周均不失真负载线的中部），信号波形正负半周均不失真。电路。电路中存在的静态电流（中存在的静态电流（ICQ），在晶体管和射极电阻中造），在晶体管和射极电阻中造成较大静态损耗，致使效率降低。设成较大静态损耗，致使效率降低。设Q点正好在负载点正好在负载线中点，若忽略晶体管的饱和压降及基极电流，则有：线中点，若忽略晶体

6、管的饱和压降及基极电流，则有：UCEQ=VCC /2；ICQ=VCC/2RL。8.1 8.1 功率放大电路功率放大电路静态时：静态时：8 输入正弦波的幅值使输出信号的波形正负半输入正弦波的幅值使输出信号的波形正负半周均不失真，即周均不失真，即UcemVCC/2，IcmVCC/2RL。则有：。则有：8.1 8.1 功率放大电路功率放大电路动态时：动态时：交流输出功率：交流输出功率：管子消耗功率：管子消耗功率：9 8.1 8.1 功率放大电路功率放大电路电源供给功率：电源供给功率：效率：效率：如何解决效率低的问题？如何解决效率低的问题？降低降低Q点点但又会引起但又会引起截止失真截止失真既降低既降低

7、Q Q点又不会引起截止失真的办法点又不会引起截止失真的办法?采用采用推挽输出电路，推挽输出电路，或或互补对称射极输出器互补对称射极输出器10ui-VCCT1T2uo+VCCRLiLNPN型型PNP型型 8.1 8.1 功率放大电路功率放大电路二、互补对称功率放大电路二、互补对称功率放大电路1.1.乙类互补对称功率放大电路乙类互补对称功率放大电路(1)(1)电路结构电路结构 电路中采用两个晶电路中采用两个晶体管：体管：NPN、PNP各一各一支；两管特性一致。支；两管特性一致。电路还采用对称电电路还采用对称电源：源：+VCC，-VCC。组成互补对称式射组成互补对称式射极输出器。极输出器。11（2

8、2）工作原理（设）工作原理（设u ui i为正弦波，三极管导通压降为零）为正弦波，三极管导通压降为零）ic1ic2静态时：静态时：ui=0V T1、T2均不工作均不工作 uo=0V动态时：动态时：ui 0VT1截止，截止，T2导通导通ui 0VT1导通，导通，T2截止截止iL=ic1;ui-VCCT1T2uo+VCCRLiLiL=ic2 8.1 8.1 功率放大电路功率放大电路12(3)最大输出功率及效率的计算最大输出功率及效率的计算假设假设 ui 为正弦波且幅度足够为正弦波且幅度足够大，大，T1、T2导通时均能饱和，此导通时均能饱和，此时输出达到最大值。时输出达到最大值。ULmax负载上得到

9、的最大功率为：负载上得到的最大功率为：iL-VCCRLuiT1T2UL+VCC若忽略晶体管的饱和若忽略晶体管的饱和压降，压降，则负载（则负载（RL)上的电上的电压和电流的幅值分别为：压和电流的幅值分别为：8.1 8.1 功率放大电路功率放大电路13直流电源提供功率为直流电源提供功率为:每个电源中的电流为每个电源中的电流为半个正弦波，故有：半个正弦波，故有：tic1 2 8.1 8.1 功率放大电路功率放大电路效率为效率为:14单个管子在半个周期内的管耗单个管子在半个周期内的管耗管耗管耗PT：两管管耗：两管管耗：8.1 8.1 功率放大电路功率放大电路求极值可得：求极值可得：当当 时时15 8.

10、1 8.1 功率放大电路功率放大电路(3)功率放大管参数的选择功率放大管参数的选择ICMPCMUCEMIcuce16ui-VCCT1T2uo+VCCRLiL实际输入输出波形图实际输入输出波形图uiuououo 交越交越失真失真死区死区电压电压 8.1 8.1 功率放大电路功率放大电路A.静态电流静态电流 ICQ、IBQ等于零；等于零；B.每管导通时间为半个周期每管导通时间为半个周期；C.存在交越失真。存在交越失真。17R1D1D2R2 静态时静态时:T1、T2两管发射结电位分别为两管发射结电位分别为二极管二极管D1、D2的正向导通压降，致的正向导通压降，致使两管均处于微弱导通状态；使两管均处于

11、微弱导通状态；动态时：动态时：设设 ui 加入正弦信号。正半加入正弦信号。正半周周 T2 截止，截止，T1 基极电位进一步提基极电位进一步提高，进入良好的导通状态；负半高，进入良好的导通状态；负半周周T1截止，截止，T2 基极电位进一步降基极电位进一步降低，进入良好的导通状态。低，进入良好的导通状态。+VCC-VCCULuiiLRLT1T2电路中增加电路中增加 R1、D1、D2、R2支路支路 8.1 8.1 功率放大电路功率放大电路2.2.甲乙类互补对称功率放大电路甲乙类互补对称功率放大电路输出功率、管耗及效率输出功率、管耗及效率等的计算等的计算 可近似和可近似和乙类计算方法乙类计算方法相同相

12、同18 8.1 8.1 功率放大电路功率放大电路RL+VCC+uo V1V2V3V4V5 VCC+ui R实际电路实际电路V4RL+VCC+uo V1V2V3 VCCR*1R2R3R4图二中图二中V4、R1和和R2组成组成UBE电压倍增电路电压倍增电路假设假设I IB，则，则19 8.1 8.1 功率放大电路功率放大电路3.3.单电源互补对称功率放大电路单电源互补对称功率放大电路RLRBV40V+VCCV5V1V2CERERB1RB2+uo+ui+CE电容电容 C 的作用：的作用：1)充当充当 VCC/2 电源电源2)耦合交流信号耦合交流信号当当 ui=0 时时:当当 ui 0 时时：V2 导

13、通导通C 放电放电当当 ui 0 时时:u20时时:8.2 8.2 线性直流稳压电路线性直流稳压电路31单相半波整流电压波形单相半波整流电压波形u1u2aTbDRLuouDu2uouD t 2 3 4 0 8.2 8.2 线性直流稳压电路线性直流稳压电路输出电压平均值（输出电压平均值（Uo）:UDRM=22U承受的最高反向电压承受的最高反向电压:322.2.单相全波整流电路单相全波整流电路u1u2aTbD1RLuoD2u2io+原理：原理：+变压器副边中心抽变压器副边中心抽头，感应出两个相等的头，感应出两个相等的电压电压u2 当当u2正半周时，正半周时，D1导通，导通，D2截止。截止。当当u2

14、负半周时，负半周时，D2导通，导通，D1截止。截止。8.2 8.2 线性直流稳压电路线性直流稳压电路33u1u2aTbD1RLuoD2u2io单相全波整流电压波形单相全波整流电压波形u2uouD1 t 2 3 4 0uD2+0 ：uD2=2u2+忽略二极管正向压降忽略二极管正向压降 8.2 8.2 线性直流稳压电路线性直流稳压电路34输出电压平均值（输出电压平均值（Uo）：）：u1u2aTbD1RLuoD2u2iouo 2 0 t 8.2 8.2 线性直流稳压电路线性直流稳压电路二极管承受的二极管承受的最高反向电压最高反向电压：353.3.桥式整流电路桥式整流电路 8.2 8.2 线性直流稳压

15、电路线性直流稳压电路V3RLV4V2V1u1u2ioRLV4V3V2V1+uo u2u1输入正半周输入正半周（1 1）工作原理）工作原理输入负半周输入负半周+uo+uo 36 tO tO tO tO 2 3 2 3 Im 2 2 3 3 uOu2uDiD=iO 8.2 8.2 线性直流稳压电路线性直流稳压电路（2 2）电流电压波形）电流电压波形（3 3）参数估算）参数估算1)整流输出电压平均值整流输出电压平均值2)二极管平均电流二极管平均电流3)二极管最大反向压二极管最大反向压37（4 4）简化画法）简化画法+uo RLio+u2（5）整流桥整流桥把四只二极管封装把四只二极管封装在一起称为整流

16、桥在一起称为整流桥 8.2 8.2 线性直流稳压电路线性直流稳压电路38io +uo=uc RLV1V4V3V2+u 三、三、滤波电路滤波电路1.1.电容滤波电容滤波(1)(1)电路和工作原理电路和工作原理C 8.2 8.2 线性直流稳压电路线性直流稳压电路电容电容充电充电电容电容放电放电V 导通时给导通时给 C 充电，充电，V 截止时截止时 C 向向 RL 放电放电；滤波后滤波后 uo 的波形变得平缓，平均值提高。的波形变得平缓，平均值提高。39（2）波形及输出电压波形及输出电压当当 RL=时：时：O tuO 2 当当 RL 为有限值时：为有限值时：通常取通常取RC 越大越大 UO 越大越大

17、RL=为获得良好滤波效果，一般取：为获得良好滤波效果，一般取：(T 为输入交流电压的周期为输入交流电压的周期)UO U2 8.2 8.2 线性直流稳压电路线性直流稳压电路40 例例 单单相相桥桥式式电电容容滤滤波波整整流流，交交流流电电源源频频率率f=50 Hz，负负载载电电阻阻 RL=40 ，要要求求直直流流输输出出电电压压 UO=20 V，选选择择整整流流二二极极管管及及滤波电容。滤波电容。解解 1.选二极管选二极管电流平均值：电流平均值：承受最高反压承受最高反压：8.2 8.2 线性直流稳压电路线性直流稳压电路选二极管应满足：选二极管应满足：IF (2 3)ID选：选：2CZ55C(IF

18、 =1 A，URM =100 V)或或 1 A、100 V 整流桥整流桥2.选滤波电容选滤波电容可选可选：1 000 F，耐压，耐压 50 V 的电解电容。的电解电容。412.电感滤波电感滤波RLL+u2 整流后的输出电压：整流后的输出电压：直流分量直流分量被电感被电感 L 短路短路交流分量交流分量主要主要降在降在 L 上上 电感越大，滤波效果越好电感越大，滤波效果越好 8.2 8.2 线性直流稳压电路线性直流稳压电路3.型滤波型滤波L C1RL+u2 C2负载电流小时负载电流小时C1、C2 对交流对交流容抗小容抗小L 对交流对交流感抗感抗很很大大42四、串联型稳压电路四、串联型稳压电路 8.

19、2 8.2 线性直流稳压电路线性直流稳压电路并联型并联型稳压电路稳压电路 调整管与负载并联调整管与负载并联串联型串联型稳压电路稳压电路 调整管与负载串联调整管与负载串联1.1.稳压电源的主要技术指标稳压电源的主要技术指标输出电压输出电压输出电压变化量输出电压变化量 稳压系数稳压系数S Sr r 最大输出电流最大输出电流I IOMOM在规定最小负载下的在规定最小负载下的最大输出电流最大输出电流43当输出电流从零变化到最大额定值时，当输出电流从零变化到最大额定值时，输出电压的相对变化值。输出电压的相对变化值。电流调整率电流调整率SI输出电阻输出电阻Ro 电压调整率电压调整率SV一般特指一般特指i

20、i/i i=10%=10%时的时的Sr 8.2 8.2 线性直流稳压电路线性直流稳压电路44输入电压交流纹波峰峰值与输出电压输入电压交流纹波峰峰值与输出电压交流纹波峰峰值之比的分贝数。交流纹波峰峰值之比的分贝数。效率效率 8.2 8.2 线性直流稳压电路线性直流稳压电路纹波抑制比纹波抑制比Srip输出电压的温度系数输出电压的温度系数ST452.串联型稳压电路的工作原理串联型稳压电路的工作原理+UI 取取样样电电路路调整管调整管比较放比较放大电路大电路基准电压基准电压(1)(1)电路结构和稳压原理电路结构和稳压原理 8.2 8.2 线性直流稳压电路线性直流稳压电路46稳压原理稳压原理输入电压变化

21、输入电压变化UIUO负载电流变化负载电流变化IL实质：实质：电压负反馈电压负反馈UFUIUOUFUO1UCEUO 8.2 8.2 线性直流稳压电路线性直流稳压电路UO1UCEUO47VoVo调节范围调节范围根据根据“虚短虚短”有有 UF=UREF(2)(2)参数计算参数计算 调整管选择调整管选择 8.2 8.2 线性直流稳压电路线性直流稳压电路483.三端集成稳压器三端集成稳压器CW7800 系列系列(正电源正电源)CW7900 系列系列(负电源负电源)5 V/6 V/9 V/12 V/15 V/18 V/24 V(1)(1)三端固定式三端固定式-7878、79 79 系列系列输出电流输出电流

22、78L /79L 输出电流输出电流 100mA78M/9M 输出电流输出电流 500 mA78 /79 输出电流输出电流 1.5 A输出电压输出电压 8.2 8.2 线性直流稳压电路线性直流稳压电路例如：例如：CW7805 输出输出 5 V，最大电流，最大电流 1.5 ACW78M09 输出输出 9V，最大电流，最大电流 0.5 ACW79L12 输出输出-5 V，最大电流，最大电流 0.1 A49封装封装CW78051 2 3UIUOGNDCW79051 2 3UIUOGND符号符号CW7800+213CW790013_2_塑料封装塑料封装金属封装金属封装 8.2 8.2 线性直流稳压电路线

23、性直流稳压电路50CW7800 的内部结构和基本应用电路的内部结构和基本应用电路内部内部结构结构+UI 取样电路调整电路保护电路电路基准电压比较放大启动电路+UO 8.2 8.2 线性直流稳压电路线性直流稳压电路基本应基本应用电路用电路Uo=12VW7812123C2+UiC1C30.33 F0.1 F 100 FRL防止输入端短路时防止输入端短路时 C3反向放电损坏稳压器反向放电损坏稳压器抵消输入抵消输入长接线的长接线的电感效应，电感效应，防止自激防止自激改善负载的改善负载的瞬态响应，瞬态响应，消除高频噪消除高频噪声声51输出正、负输出正、负电压的电路电压的电路24V24V220VW7815

24、W79151 13 32 23 32 21 11 000 F 220 F 0.33 F0.33 F0.1 F+15 V+15 V 15 V15 V+1 000 F 0.1 F220 F 8.2 8.2 线性直流稳压电路线性直流稳压电路恒流源恒流源电路电路1 12 2+UI=10V W78053 3+UO RRLIQIO0.1 F0.33 F10 52(2)(2)三端可调输出集成稳压器三端可调输出集成稳压器CW117/217/317系列系列(正电源正电源)CW137/237/337系列系列(负电源负电源)工作温度工作温度CW117(137)-55 150 CCW217(237)-25 150 C

25、CW317(337)0 125 C 8.2 8.2 线性直流稳压电路线性直流稳压电路基准电压基准电压1.25 V输出电流输出电流L 型型 输出电流输出电流 100 mAM 型型 输出电流输出电流 500 mA53CW117 内部结构和基本应用电路内部结构和基本应用电路内内部部结结构构调整电路基准电路误差放大启动电路偏置电路电路保护电路电路IREFUIUOADJ1 12 23 3外外形形引引脚脚CW1171 2 3UIUOADJCW1371 2 3UIUOADJ 50 A 8.2 8.2 线性直流稳压电路线性直流稳压电路54基本应用电路基本应用电路Uo CW3171 12 23C2+UiC1C3

26、0.1 F10 F33 FR1R2C4I IOOI IQQI II REF0.1 FV1V2V1 防止输入端短路时防止输入端短路时C4 反向放电损坏稳压器反向放电损坏稳压器V2 防止输出端短路时防止输出端短路时C2 通通过调整端放电损坏稳压器过调整端放电损坏稳压器UREF=1.25 V使使 UREF 很稳定很稳定125 125 I REF 50 A2.2 k2.2 k 8.2 8.2 线性直流稳压电路线性直流稳压电路R1=125 R2=0 2.2 k 时，时，UO=1.25 24 V55线性稳压电路的缺点：线性稳压电路的缺点：调整管调整管管耗大管耗大电源电源效率低效率低(40%60%)改进思路

27、：改进思路：使调整管使调整管截止截止(电流小电流小)饱和饱和(管压降小管压降小)8.3 8.3 开关型直流稳压电路开关型直流稳压电路一、开关型直流稳压电路的特点和分类一、开关型直流稳压电路的特点和分类（1 1）开关稳压电路的优点：）开关稳压电路的优点：效率高效率高(80%90%)体积小、重量轻体积小、重量轻稳压范围宽稳压范围宽对电网要求不高对电网要求不高（2 2）开关稳压电路的缺点：）开关稳压电路的缺点：电路电路复杂复杂对电子设备对电子设备干扰较大干扰较大输出电压含输出电压含较大纹波较大纹波56 8.3 8.3 开关型直流稳压电路开关型直流稳压电路（3 3）开关型直流稳压电路的分类：）开关型直

28、流稳压电路的分类：按开关管与负载间的连接方式：按开关管与负载间的连接方式：串联型、并联型和脉冲变压器（高频）耦合型串联型、并联型和脉冲变压器（高频）耦合型按启动功率管的方式：按启动功率管的方式：自激型和它激型自激型和它激型按所用开关器件：按所用开关器件：晶体功率管开关型、晶体功率管开关型、MOSFETMOSFET功率管开关型和可控硅开关型功率管开关型和可控硅开关型按稳压控制方式：按稳压控制方式：脉冲宽度调制型脉冲宽度调制型（PWMPWM，周期恒定、改变占空比），周期恒定、改变占空比）、脉冲、脉冲频率调制型频率调制型（PFMPFM，导通脉宽恒定、改变工作频率），导通脉宽恒定、改变工作频率）和混和

29、混合调制型。合调制型。磁性储能电路、开关电路和控制方式是决磁性储能电路、开关电路和控制方式是决定开关型直流稳压电路特性的基本因素。定开关型直流稳压电路特性的基本因素。57二、开关型稳压电源的基本工作原理二、开关型稳压电源的基本工作原理调整管调整管取样取样电路电路开关调整管控制开关调整管控制组成框图组成框图滤波滤波+UI+Uo RLV18A8C基准电压三角波发生器R1R2V2LC+UREFuFuAuTuBuEiLIO频率固定频率固定的三角波的三角波误差放大误差放大续流续流 8.3 8.3 开关型直流稳压电路开关型直流稳压电路1.1.串联型开关稳压电路串联型开关稳压电路58工作波形工作波形OOOO

30、UOtttOttuTuAuBuEiLuoIOtofftonUI脉宽调制式脉宽调制式(PWM)8.3 8.3 开关型直流稳压电路开关型直流稳压电路 占空比占空比59+UI+Uo RLV18A8C基准基准电压电压三角波三角波发生器发生器R1R2V2LC+UREFuFuAuTuBuEiLIO稳压原理稳压原理UIUOuFuA占空比占空比 UOq=50%当当 uF=UREF，uA=0，UO 为预定标称值为预定标称值 8.3 8.3 开关型直流稳压电路开关型直流稳压电路602.2.并联型开关稳压电路并联型开关稳压电路+Uo+UI RLV1R1R2LC+UREFuFuB控控 制制电电 路路V2+UI+Uo

31、RLV1LC+uBV2+UI+Uo RLV1LC+uBV2iL高电平高电平iO低电平低电平uBtofftonT 截止截止截截止止iL 8.3 8.3 开关型直流稳压电路开关型直流稳压电路61单片脉宽调制式单片脉宽调制式(外接开关功率管外接开关功率管)三、三、开关型开关型集集成稳压器成稳压器类型类型单片集成开关稳压器单片集成开关稳压器CW1524CW4960/4962 8.3 8.3 开关型直流稳压电路开关型直流稳压电路1.CW4960/4962组成：组成：基准电压源、误差放大器、脉宽调制器、开关功率管基准电压源、误差放大器、脉宽调制器、开关功率管(内接内接)、软启动电路、过流限制、过热保护等。

32、、软启动电路、过流限制、过热保护等。功能：功能：慢起动、过流保护、过热保护、占空比可调慢起动、过流保护、过热保护、占空比可调(0(0 100%)100%)最大输入电压：最大输入电压：50 V输出电压：输出电压：5.1 40 V 连续可调连续可调最高工作频率：最高工作频率：100 kHz额定输出电流：额定输出电流：CW4960 CW4960 2.5 A(过流保护过流保护 3.0 4.5 A)CW4960 CW4960 1.5 A(过流保护过流保护 2.5 3.5 A)小散热片小散热片不用散热片不用散热片62CW4960/4962 系列引脚图系列引脚图1 2 3 4 5 6 7CW4960IN反馈

33、反馈补偿补偿GNDRT/CT软启动软启动输出输出1 234 5678161514131211109NC输出输出NC补偿补偿NCGNDGNDNC输入输入NC软启动软启动RT/CTGNDGND反馈反馈NCCW4962 8.3 8.3 开关型直流稳压电路开关型直流稳压电路63220 FR115 k L150 H4962(4960)11(3)10(2)7(1)14(5)4(4)15(6)2(7)。R2RPRTCPCTC1UIUO4.7 k+220 F220 F/40 VC2C34.3 k 33 nF2.2 F2.2 nFV取样电阻取样电阻500 10 k 工作频率控制工作频率控制f =1/RTCT106 kHz一般一般 RT=1 27 k CT=1 3.3 nF 频率补偿频率补偿防寄生振荡防寄生振荡续流二极管续流二极管采用肖特基管采用肖特基管软启动电容软启动电容1 4.7 F 8.3 8.3 开关型直流稳压电路开关型直流稳压电路2.CW4960/4962应用电路应用电路64电子技术电子技术第八章 结束模拟电路部分模拟电路部分65