第四章模擬電子電路 路漫漫其修遠(yuǎn)兮 吾將上下而求索 屈原 基本內(nèi)容 基本放大電路分析 微變等效電路分析法 直接耦合放大電路 運(yùn)算放大器及電路分析 電源電路 教學(xué)要求 掌握基本放大電路 微變等效電路分析 本章重點(diǎn) 微變等效電路分析 本章難點(diǎn) 運(yùn)算放大器及電路分析 第一節(jié)基本放大電路分析第二節(jié)微變等效電路分析法第三節(jié)直接耦合放大電路第四節(jié)運(yùn)算放大器及電路分析 第一節(jié)基本放大電路分析 三極管 放大元件 起電流控制作用 電源UBB 給發(fā)射結(jié)提供正向電壓 UCC 給集電結(jié)提供反向電壓 電阻RB 限制IB大小 RC 一方面給管子合適的電壓 另一方面它將集電極的電流變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓?實(shí)現(xiàn)電壓放大 電容 C1 C2耦合電容 其隔直通交的作用 1放大電路的組成 ui變化量 ui通過C1加至B極引起iB變化 iB 從而引起iC變化 iC RC上壓降RCiC變化 則uCE UCC iCRC發(fā)生變化 iB iC uCE 當(dāng)電路參數(shù)選擇適當(dāng) u0的幅度將比ui大 但兩者相位相反 放大電路放大交流信號(hào)的條件 給三極管提供電流放大的必要條件 保證信號(hào)的暢通 2放大電路的工作過程 3直流分析 直流通道在 ui 0時(shí)所形成的直流通路稱為直流通道 直流通道里只有直流量 此時(shí)稱放大電路為靜態(tài) 畫法 視電容為開路 畫出電路其余部分 RB RC UCC 靜態(tài)工作點(diǎn) 電路處于靜態(tài)時(shí)的IB UBE UCE在三極管特性曲線上決定的一點(diǎn)Q 叫靜態(tài)工作點(diǎn) 1 靜態(tài)工作點(diǎn)的估算法 對(duì)直流通道列寫電壓方程輸入回路 硅 0 7V 鍺 0 3V 輸出回路 2 圖解法 在輸出特性曲線上UCE UCC RCIC直線 其交點(diǎn)為Q Q點(diǎn)在x y軸上投影分別為UCE IC 稱UCE UCC RCIC為直流負(fù)載線 IC mA IB 20 A 40 60 80 100 0 UCC Q 其斜率為 4交流分析 交流通道只考慮交流信號(hào)形成的電路通道稱為交流通道 此時(shí)視直流量短路 電路為動(dòng)態(tài) 畫法 視直流源 電容短路 iB A uBE V Q ube ui ib Q Q iC mA uCE V IB 20 A 40 60 80 100 Q ic Q Q uce 信號(hào)是疊加在靜態(tài)基礎(chǔ)上的 輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位相反 相差180 5靜態(tài)工作點(diǎn)的選取 1 靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置要使放大器能正常工作 必須設(shè)置一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn) 否則將會(huì)引起非線性失真 非線性失真 截止失真 飽和失真 雙向失真 截止失真原因 Q點(diǎn)太低 放大器到了截止區(qū)改善 提高Q點(diǎn) 一般減少RB 增加IB 使IB IBM 飽和失真 原因 工作點(diǎn)Q太高 使放大器工作到了飽和區(qū) 改善 降低Q 增大RB 減少IB 截止現(xiàn)象 負(fù)半周削除 正半周削除 飽和現(xiàn)象 不失真 正半周削除 負(fù)半周削除 為了防止失真 工作點(diǎn)最好使Q位于負(fù)載線中點(diǎn) 即大約為一半左右 三極管各極電壓和電流的變化關(guān)系 在較大范圍內(nèi)是非線性的 如果三極管工作在小信號(hào)情況下 信號(hào)只是在靜態(tài)工作點(diǎn)附近小范圍變化 三極管特性可看成是近似線性的 可用一個(gè)線性電路來代替 這個(gè)線性電路就稱為三極管的微變等效電路 第二節(jié)微變等效電路分析法 第二節(jié)微變等效電路分析法 一 三極管的微變等效電路 1 微變等效電路將三極管等效為線性元件的電路 等效條件 信號(hào)變化范圍小 2 三極管微變等效電路輸入端 三極管輸入電阻 如果輸入信號(hào)很小 在靜態(tài)工作點(diǎn) 附近的工作段可近似地認(rèn)為是直線 輸出端 輸出等效電阻 受控電流源 三極管ic ib 受控電流源rbe 電阻rce 開路 式中 IE為射極靜態(tài)電流 B C E B E ib 步驟a 做三極管等效電路 標(biāo)注B C E三極 b 將三極管放大電路的UCC C1 C2短路 將RB RC等元件對(duì)號(hào)入座 二 放大電路的微變等效電路 C RB RC uO UCC B C E ui RL 三 放大電路的微變等效電路分析靜態(tài)值仍由直流通路確定 而動(dòng)態(tài)指標(biāo)可用微變等效電路求得 1 電壓放大倍數(shù)設(shè)在上圖中輸入為正弦信號(hào) 因?yàn)?故 2 輸入電阻ri ri是指電路的動(dòng)態(tài)輸入電阻 由圖中可看出 當(dāng)負(fù)載開路時(shí) 式中 3 輸出電阻roro是由輸出端向放大電路內(nèi)部看到的動(dòng)態(tài)電阻 因rce遠(yuǎn)大于Rc 所以 大小反映了向信號(hào)源 被放大對(duì)象 索取電流的大小 大小反映了放大電路內(nèi)阻的大小 例 3在圖 所示電路中 UBE 試求 1 靜態(tài)工作點(diǎn)參數(shù)IBQ ICQ UCEQ Uo值 2 計(jì)算動(dòng)態(tài)指標(biāo)u ri ro的值 圖 用微變等效電路求動(dòng)態(tài)指標(biāo) a 原理圖 圖 用微變等效電路求動(dòng)態(tài)指標(biāo) a 原理圖 b 微變等效電路 解 求靜態(tài)工作點(diǎn)參數(shù) 畫出微變等效電路如圖 1 b 所示 2 計(jì)算動(dòng)態(tài)指標(biāo) 26 2 射級(jí)輸出器動(dòng)態(tài)分析 27 28 1 電壓放大倍數(shù) 29 1 所以 但是 輸出電流Ie增加了 2 輸入輸出同相 輸出電壓跟隨輸入電壓 故稱電壓跟隨器 結(jié)論 30 2 輸入電阻 輸入電阻較大 作為前一級(jí)的負(fù)載 對(duì)前一級(jí)的放大倍數(shù)影響較小且取得的信號(hào)大 31 3 輸出電阻 用加壓求電流法求輸出電阻 32 一般 所以 射極輸出器的輸出電阻很小 帶負(fù)載能力強(qiáng) 所謂帶負(fù)載能力強(qiáng) 是指當(dāng)負(fù)載變化時(shí) 放大倍數(shù)基本不變 第三節(jié)直接耦合放大電路 耦合方式 阻容耦合 變壓器耦合和直接耦合 優(yōu)點(diǎn) 連接簡(jiǎn)單 頻率特性好且便于集成 應(yīng)用廣泛 缺點(diǎn) 存在零點(diǎn)漂移 直接耦合 級(jí)與級(jí)之間不經(jīng)過電抗元件而直接連接的方式 零點(diǎn)漂移 當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí) 輸出端電壓偏離原來的起始電壓緩慢地?zé)o規(guī)則的上下漂動(dòng) 這種現(xiàn)象叫零點(diǎn)漂移 產(chǎn)生原因 溫度變化 電源電壓的波動(dòng) 電路元件參數(shù)的變化等等 第一級(jí)產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移對(duì)放大電路影響最大 為了抑制零點(diǎn)漂移 需引入一種電路 它是直接耦合放大電路的基本單元 差動(dòng)放大電路 1 抑制零點(diǎn)漂移的原理 靜態(tài)時(shí) Ui1 Ui2 0 由于電路對(duì)稱 RC RC RB1 RB1 ui1 ui2 RB2 RB2 ui UCC uo V1V2 電路由兩個(gè)特性完全相同的基本放大電路組成 溫度上升 引起兩邊電流變化 由于電路對(duì)稱 零漂被抑制 2 動(dòng)態(tài)工作原理 差模信號(hào) 極性相反 幅值相同的信號(hào) ui1 ui2共模信號(hào) 極性相同 幅值相同的信號(hào) ui1 ui2 差模輸入 信號(hào) 共模輸入 干擾信號(hào) 差動(dòng)放大電路對(duì)差模信號(hào)有放大作用 對(duì)共模信號(hào)有抑制作用 共模 差模同時(shí)輸入 若電路完全對(duì)稱 AC 0 只有差模信號(hào)輸出 若電路不完全對(duì)稱 AC 0 既有差模信號(hào)又有共模信號(hào)輸出 3 靜態(tài)分析所謂靜態(tài)分析 就是計(jì)算放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)的選取 由差動(dòng)放大電路的對(duì)稱性 有 3 求差模和共模電壓放大倍數(shù) 因?yàn)閡i1 ui2 設(shè)ui1 ui2 uo1 uo2 電路對(duì)稱 uo1 uo2 uo uo1 uo2 2uo1 差模電壓放大倍數(shù) i b be r R C o1 u R L u i1 i c i b 2 b R 差模輸入電阻 輸出電阻 加入共模信號(hào) ui1 ui2 uic uid 0 設(shè)ui1 ui2 uo1 uo2 因ui1 ui2 uo1 uo2 uo 0 理想化 共模電壓放大倍數(shù) 第四節(jié)運(yùn)算放大器及電路分析 集成電路 將整個(gè)電路中的元器件制作在一塊硅基片上 構(gòu)成完整的能完成特定功能的電子電路 運(yùn)算放大器 具有高放大倍數(shù) 高輸入電阻 低輸出電阻的直接耦合放大器 集成運(yùn)放的組成 抑制零漂 共模抑制比高 低輸出電阻 多采用射隨器 放大作用的主要單元 提供各級(jí)靜態(tài)電流 理想的運(yùn)算放大器條件是 1 開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)為 2 開環(huán)共模電壓放大倍數(shù)為0 3 差模輸入電阻為 4 輸出電阻為零 5 理想運(yùn)算放大器的通頻帶為 運(yùn)放電路的兩個(gè)基本假設(shè) 假設(shè)1運(yùn)算放大器的輸入電流為零 即假設(shè)2運(yùn)算放大器的輸入電壓為零 即 運(yùn)放電路分析 1 反向比例電路 以后如不加說明 輸入 輸出的另一端均為地 因要求靜態(tài)時(shí)u u 對(duì)地電阻相同 所以平衡電阻R2 R1 RF 因虛短 所以u(píng) u 0 稱反相輸入端 虛地 反相輸入的重要特點(diǎn) 因虛斷 i i 0 所以i1 if 反相比例運(yùn)算 電壓放大倍數(shù) 反饋電路直接從輸出端引出 電壓反饋 輸入信號(hào)和反饋信號(hào)加在同一輸入端 并聯(lián)反饋 反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)減小 負(fù)反饋 電壓并聯(lián)負(fù)反饋 輸入電阻低 共模電壓 0 2 同相比例電路 輸入電阻高共模電壓 ui 電壓放大倍數(shù) 電壓串聯(lián)負(fù)反饋 輸入信號(hào)和反饋信號(hào)分別加兩個(gè)輸入端 串聯(lián)反饋 反饋電路直接從輸出端引出 電壓反饋 因虛短 所以u(píng) ui 反相輸入端不 虛地 反饋信號(hào)使凈輸入信號(hào)減小 負(fù)反饋 同相比例運(yùn)算 因虛斷 所以u(píng) ui 電路組成 電壓放大倍數(shù) 因虛短 所以u(píng) ui 反相輸入端不 虛地 因要求靜態(tài)時(shí)u u 對(duì)地電阻相同 所以平衡電阻R2 R1 RF 加法電路 uo ui2 if i2 R2 RP Rf 在調(diào)節(jié)某一路信號(hào)的輸入電阻的阻值時(shí) 不影響其它輸入電壓與輸出電壓的比例關(guān)系 調(diào)節(jié)方便 求和電路也可從同相端輸入 但同相求和電路的共模輸入電壓較高 且不如反相求和電路調(diào)節(jié)方便 減法電路 uo if i1 R1 R2 Rf R3 利用疊加原理 同相端輸入 反相端輸入 當(dāng)R1 R2 R3 Rf R時(shí) uo ui2 ui1 減法器 R2 R3 R1 Rf 微分電路 iR uo正比于ui的微分 積分電路 uo ui iC i1 R RP C uo正比于ui的積分 運(yùn)放的非線性應(yīng)用電路 電壓比較器 電壓比較器是一種常見的模擬信號(hào)處理電路 它將一個(gè)模擬輸入電壓與一個(gè)參考電壓進(jìn)行比較 并將比較的結(jié)果輸出 比較器的輸出只有兩種可能的狀態(tài) 高電平或低電平 為數(shù)字量 而輸入信號(hào)是連續(xù)變化的模擬量 因此比較器可作為模擬電路和數(shù)字電路的 接口 由于比較器的輸出只有高 低電平兩種狀態(tài) 故其中的運(yùn)放常工作在非線性區(qū) 從電路結(jié)構(gòu)來看 運(yùn)放常處于開環(huán)狀態(tài)或加入正反饋 根據(jù)比較器的傳輸特性不同 可分為單限比較器 滯回比較器及雙限比較器等 單限比較器單限比較器是指只有一個(gè)門限電壓的比較器 圖4 31單限比較器電路和其傳輸特性 比較器輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)榱硪环N狀態(tài)時(shí) 所對(duì)應(yīng)的輸入電壓通常稱為閾值電壓或門限電壓 用UTH表示 可見 這種單限比較器的閾值電壓UTH UR 若UR 0 即運(yùn)放反相輸入端接地 則比較器的閾值電壓UTH 0 這種單限比較器也稱為過零比較器 利用過零比較器可以將正弦波變?yōu)榉讲?單限比較器的輸入 輸出波形如圖4 31所示 圖4 31存在干擾時(shí) 單限比較器的輸出 輸入波形 滯回電壓比較器通過引入上 下兩個(gè)門限電壓 以獲得正確 穩(wěn)定的輸出電壓 電壓比較器有兩個(gè)門限電平 故傳輸特性呈滯回形狀 圖4 32反相滯回電壓比較器 滯回電壓比較器用于控制系統(tǒng)時(shí)主要優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng) 當(dāng)輸入信號(hào)受干擾或噪聲的影響而上下波動(dòng)時(shí) 只要根據(jù)干擾或噪聲電平適當(dāng)調(diào)整滯回電壓比較器兩個(gè)門限電平UTH1和UTH2的值 就可以避免比較器的輸出電壓在高 低電平之間反復(fù)跳變 如圖4 33所示 圖4 33存在干擾時(shí) 滯回比較器的輸入 輸出波形 第五節(jié)電源電路 電源變壓器 將交流電網(wǎng)電壓u1變?yōu)楹线m的交流電壓u2 整流電路 將交流電壓u2變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓u3 濾波電路 將脈動(dòng)直流電壓u3轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷簎4 穩(wěn)壓電路 清除電網(wǎng)波動(dòng)及負(fù)載變化的影響 保持輸出電壓uo的穩(wěn)定 一 單相橋式整流電路 單相橋式整流電路由變壓器和4個(gè)同型號(hào)的二極管接成電橋形式組成 如圖7 3所示 工作過程 整流過程如下 當(dāng)u2為正半周時(shí) 即a端為正 b端為負(fù) 這時(shí)VD1 VD3導(dǎo)通 VD2 VD4截止 電流的通路是a VD1 RL VD3 b 如圖中實(shí)線箭頭所示 當(dāng)u2為負(fù)半周時(shí) VD2 VD4導(dǎo)通 VD1 VD3截止 電流的通路是b VD2 RL VD4 a 如圖中虛線所示 由此可見 無論u2處于正半周還是負(fù)半周 都有電流分別流過兩對(duì)二極管 并以相同方向流過負(fù)載RL 輸出波形如圖7 3c所示 顯然 它是單方向的全波脈動(dòng)波形 2 電路計(jì)算 從上面的分析得知 橋式整流中負(fù)載所獲得的直流電壓比半波整流電路提高了一倍 即表示了橋式整流電路的直流分量是交流電壓有效值的0 9倍 流過負(fù)載RL上的直流電流IO為 流過每個(gè)二極管的平均電流為IO的一半 即 二 三相橋式整流電路 1 電路的組成 共陰極組 陰極連接在一起的3個(gè)二極管 VD1 VD3 VD5 共陽(yáng)極組 陽(yáng)極連接在一起的3個(gè)二極管 VD4 VD6 VD2 2 工作過程 三 電容濾波 u2 uC時(shí) 二極管導(dǎo)通 C充電 u2 uC時(shí) 二極管截止 C放電 二極管中的電流 uc uL 近似估算 UL 1 2U2 b 流過二極管瞬時(shí)電流很大 整流管導(dǎo)電時(shí)間越短 iD的峰值電流D2越大 電容濾波電路的特點(diǎn) a UL與RLC的關(guān)系 RLC愈大 C放電愈慢 UL 平均值 愈大 3 其它濾波電路 為進(jìn)一步改善濾波特性 可將上述濾波電路組合起來使用 LC濾波電路 RC 型濾波電路 1 串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的構(gòu)成由四部分組成 基準(zhǔn)電壓 調(diào)整管 取樣電路 放大比較環(huán)節(jié) 四 串聯(lián)型穩(wěn)壓電源簡(jiǎn)介 2 工作原理 1 輸入電壓變化時(shí) 實(shí)質(zhì) 電壓負(fù)反饋 2 負(fù)載電流變化時(shí) 3 輸出電壓的計(jì)算 可見 調(diào)節(jié)R1或R2可以改變輸出電壓 用負(fù)反饋的理論計(jì)算 4 集成穩(wěn)壓電源 單片集成穩(wěn)壓電源 具有體積小 可靠性高 使用靈活 價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn) 最簡(jiǎn)單的集成穩(wěn)壓電源只有輸入 輸出和公共引出端 故稱之為三端集成穩(wěn)壓器 1 分類 XX兩位數(shù)字為輸出電壓值 1 25 37V連續(xù)可調(diào) 2 外形及引腳功能 W7800系列穩(wěn)壓器外形 W7900系列穩(wěn)壓器外形 塑料封裝 3 性能特點(diǎn) 7800 7900系列 輸出電流超過1 5A 加散熱器 不需要外接元件內(nèi)部有過熱保護(hù)內(nèi)部有過流保護(hù)調(diào)整管設(shè)有安全工作區(qū)保護(hù)輸出電壓容差為4 輸出電壓額定值有 5V 6V 9V 12V 15V 18V 24V等 輸出為固定正電壓時(shí)的接法如圖所示 a輸出為固定電壓的電路 輸入與輸出之間的電壓不得低于3V 4 三端固定輸出集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用 0 1 1 F 1 F 為了瞬時(shí)增減負(fù)載電流時(shí) 不致引起輸出電壓有較大的波動(dòng) 即用來改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng) 用來抵消輸入端接線較長(zhǎng)時(shí)的電感效應(yīng) 防止產(chǎn)生自激振蕩 即用以改善波形 B同時(shí)輸出正 負(fù)電壓的電路 UXX 為W78XX固定輸出電壓UO UXX UZ C提高輸出電壓的電路 IO I2 IC D提高輸出電流的電路 當(dāng)IO較小時(shí) UR較小 T截止 IC 0 當(dāng)IO IOM時(shí) UR較大 T導(dǎo)通 IO IOM IC R可由功率管T的UBE和穩(wěn)壓器的IOM確定 即R UBE IOM 5 三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用 流過調(diào)整端電流 100 A 在要求不高的場(chǎng)合它在R2上的壓降可以忽略 2 1兩端電壓為1 25V 基準(zhǔn)電壓