《模拟电子电路》PPT课件.ppt

第四章模拟电子电路 路漫漫其修远兮 吾将上下而求索 屈原 基本内容 基本放大电路分析 微变等效电路分析法 直接耦合放大电路 运算放大器及电路分析 电源电路 教学要求 掌握基本放大电路 微变等效电路分析 本章重点 微变等效电路分析 本章难点 运算放大器及电路分析 第一节基本放大电路分析第二节微变等效电路分析法第三节直接耦合放大电路第四节运算放大器及电路分析 第一节基本放大电路分析 三极管 放大元件 起电流控制作用 电源UBB 给发射结提供正向电压 UCC 给集电结提供反向电压 电阻RB 限制IB大小 RC 一方面给管子合适的电压 另一方面它将集电极的电流变化转变为电压变化 实现电压放大 电容 C1 C2耦合电容 其隔直通交的作用 1放大电路的组成 ui变化量 ui通过C1加至B极引起iB变化 iB 从而引起iC变化 iC RC上压降RCiC变化 则uCE UCC iCRC发生变化 iB iC uCE 当电路参数选择适当 u0的幅度将比ui大 但两者相位相反 放大电路放大交流信号的条件 给三极管提供电流放大的必要条件 保证信号的畅通 2放大电路的工作过程 3直流分析 直流通道在 ui 0时所形成的直流通路称为直流通道 直流通道里只有直流量 此时称放大电路为静态 画法 视电容为开路 画出电路其余部分 RB RC UCC 静态工作点 电路处于静态时的IB UBE UCE在三极管特性曲线上决定的一点Q 叫静态工作点 1 静态工作点的估算法 对直流通道列写电压方程输入回路 硅 0 7V 锗 0 3V 输出回路 2 图解法 在输出特性曲线上UCE UCC RCIC直线 其交点为Q Q点在x y轴上投影分别为UCE IC 称UCE UCC RCIC为直流负载线 IC mA IB 20 A 40 60 80 100 0 UCC Q 其斜率为 4交流分析 交流通道只考虑交流信号形成的电路通道称为交流通道 此时视直流量短路 电路为动态 画法 视直流源 电容短路 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 信号是叠加在静态基础上的 输出信号与输入信号相位相反 相差180 5静态工作点的选取 1 静态工作点的设置要使放大器能正常工作 必须设置一个合适的静态工作点 否则将会引起非线性失真 非线性失真 截止失真 饱和失真 双向失真 截止失真原因 Q点太低 放大器到了截止区改善 提高Q点 一般减少RB 增加IB 使IB IBM 饱和失真 原因 工作点Q太高 使放大器工作到了饱和区 改善 降低Q 增大RB 减少IB 截止现象 负半周削除 正半周削除 饱和现象 不失真 正半周削除 负半周削除 为了防止失真 工作点最好使Q位于负载线中点 即大约为一半左右 三极管各极电压和电流的变化关系 在较大范围内是非线性的 如果三极管工作在小信号情况下 信号只是在静态工作点附近小范围变化 三极管特性可看成是近似线性的 可用一个线性电路来代替 这个线性电路就称为三极管的微变等效电路 第二节微变等效电路分析法 第二节微变等效电路分析法 一 三极管的微变等效电路 1 微变等效电路将三极管等效为线性元件的电路 等效条件 信号变化范围小 2 三极管微变等效电路输入端 三极管输入电阻 如果输入信号很小 在静态工作点 附近的工作段可近似地认为是直线 输出端 输出等效电阻 受控电流源 三极管ic ib 受控电流源rbe 电阻rce 开路 式中 IE为射极静态电流 B C E B E ib 步骤a 做三极管等效电路 标注B C E三极 b 将三极管放大电路的UCC C1 C2短路 将RB RC等元件对号入座 二 放大电路的微变等效电路 C RB RC uO UCC B C E ui RL 三 放大电路的微变等效电路分析静态值仍由直流通路确定 而动态指标可用微变等效电路求得 1 电压放大倍数设在上图中输入为正弦信号 因为 故 2 输入电阻ri ri是指电路的动态输入电阻 由图中可看出 当负载开路时 式中 3 输出电阻roro是由输出端向放大电路内部看到的动态电阻 因rce远大于Rc 所以 大小反映了向信号源 被放大对象 索取电流的大小 大小反映了放大电路内阻的大小 例 3在图 所示电路中 UBE 试求 1 静态工作点参数IBQ ICQ UCEQ Uo值 2 计算动态指标u ri ro的值 图 用微变等效电路求动态指标 a 原理图 图 用微变等效电路求动态指标 a 原理图 b 微变等效电路 解 求静态工作点参数 画出微变等效电路如图 1 b 所示 2 计算动态指标 26 2 射级输出器动态分析 27 28 1 电压放大倍数 29 1 所以 但是 输出电流Ie增加了 2 输入输出同相 输出电压跟随输入电压 故称电压跟随器 结论 30 2 输入电阻 输入电阻较大 作为前一级的负载 对前一级的放大倍数影响较小且取得的信号大 31 3 输出电阻 用加压求电流法求输出电阻 32 一般 所以 射极输出器的输出电阻很小 带负载能力强 所谓带负载能力强 是指当负载变化时 放大倍数基本不变 第三节直接耦合放大电路 耦合方式 阻容耦合 变压器耦合和直接耦合 优点 连接简单 频率特性好且便于集成 应用广泛 缺点 存在零点漂移 直接耦合 级与级之间不经过电抗元件而直接连接的方式 零点漂移 当输入信号为零时 输出端电压偏离原来的起始电压缓慢地无规则的上下漂动 这种现象叫零点漂移 产生原因 温度变化 电源电压的波动 电路元件参数的变化等等 第一级产生的零点漂移对放大电路影响最大 为了抑制零点漂移 需引入一种电路 它是直接耦合放大电路的基本单元 差动放大电路 1 抑制零点漂移的原理 静态时 Ui1 Ui2 0 由于电路对称 RC RC RB1 RB1 ui1 ui2 RB2 RB2 ui UCC uo V1V2 电路由两个特性完全相同的基本放大电路组成 温度上升 引起两边电流变化 由于电路对称 零漂被抑制 2 动态工作原理 差模信号 极性相反 幅值相同的信号 ui1 ui2共模信号 极性相同 幅值相同的信号 ui1 ui2 差模输入 信号 共模输入 干扰信号 差动放大电路对差模信号有放大作用 对共模信号有抑制作用 共模 差模同时输入 若电路完全对称 AC 0 只有差模信号输出 若电路不完全对称 AC 0 既有差模信号又有共模信号输出 3 静态分析所谓静态分析 就是计算放大电路的静态工作点的选取 由差动放大电路的对称性 有 3 求差模和共模电压放大倍数 因为ui1 ui2 设ui1 ui2 uo1 uo2 电路对称 uo1 uo2 uo uo1 uo2 2uo1 差模电压放大倍数 i b be r R C o1 u R L u i1 i c i b 2 b R 差模输入电阻 输出电阻 加入共模信号 ui1 ui2 uic uid 0 设ui1 ui2 uo1 uo2 因ui1 ui2 uo1 uo2 uo 0 理想化 共模电压放大倍数 第四节运算放大器及电路分析 集成电路 将整个电路中的元器件制作在一块硅基片上 构成完整的能完成特定功能的电子电路 运算放大器 具有高放大倍数 高输入电阻 低输出电阻的直接耦合放大器 集成运放的组成 抑制零漂 共模抑制比高 低输出电阻 多采用射随器 放大作用的主要单元 提供各级静态电流 理想的运算放大器条件是 1 开环差模电压放大倍数为 2 开环共模电压放大倍数为0 3 差模输入电阻为 4 输出电阻为零 5 理想运算放大器的通频带为 运放电路的两个基本假设 假设1运算放大器的输入电流为零 即假设2运算放大器的输入电压为零 即 运放电路分析 1 反向比例电路 以后如不加说明 输入 输出的另一端均为地 因要求静态时u u 对地电阻相同 所以平衡电阻R2 R1 RF 因虚短 所以u u 0 称反相输入端 虚地 反相输入的重要特点 因虚断 i i 0 所以i1 if 反相比例运算 电压放大倍数 反馈电路直接从输出端引出 电压反馈 输入信号和反馈信号加在同一输入端 并联反馈 反馈信号使净输入信号减小 负反馈 电压并联负反馈 输入电阻低 共模电压 0 2 同相比例电路 输入电阻高共模电压 ui 电压放大倍数 电压串联负反馈 输入信号和反馈信号分别加两个输入端 串联反馈 反馈电路直接从输出端引出 电压反馈 因虚短 所以u ui 反相输入端不 虚地 反馈信号使净输入信号减小 负反馈 同相比例运算 因虚断 所以u ui 电路组成 电压放大倍数 因虚短 所以u ui 反相输入端不 虚地 因要求静态时u u 对地电阻相同 所以平衡电阻R2 R1 RF 加法电路 uo ui2 if i2 R2 RP Rf 在调节某一路信号的输入电阻的阻值时 不影响其它输入电压与输出电压的比例关系 调节方便 求和电路也可从同相端输入 但同相求和电路的共模输入电压较高 且不如反相求和电路调节方便 减法电路 uo if i1 R1 R2 Rf R3 利用叠加原理 同相端输入 反相端输入 当R1 R2 R3 Rf R时 uo ui2 ui1 减法器 R2 R3 R1 Rf 微分电路 iR uo正比于ui的微分 积分电路 uo ui iC i1 R RP C uo正比于ui的积分 运放的非线性应用电路 电压比较器 电压比较器是一种常见的模拟信号处理电路 它将一个模拟输入电压与一个参考电压进行比较 并将比较的结果输出 比较器的输出只有两种可能的状态 高电平或低电平 为数字量 而输入信号是连续变化的模拟量 因此比较器可作为模拟电路和数字电路的 接口 由于比较器的输出只有高 低电平两种状态 故其中的运放常工作在非线性区 从电路结构来看 运放常处于开环状态或加入正反馈 根据比较器的传输特性不同 可分为单限比较器 滞回比较器及双限比较器等 单限比较器单限比较器是指只有一个门限电压的比较器 图4 31单限比较器电路和其传输特性 比较器输出电压由一种状态跳变为另一种状态时 所对应的输入电压通常称为阈值电压或门限电压 用UTH表示 可见 这种单限比较器的阈值电压UTH UR 若UR 0 即运放反相输入端接地 则比较器的阈值电压UTH 0 这种单限比较器也称为过零比较器 利用过零比较器可以将正弦波变为方波 单限比较器的输入 输出波形如图4 31所示 图4 31存在干扰时 单限比较器的输出 输入波形 滞回电压比较器通过引入上 下两个门限电压 以获得正确 稳定的输出电压 电压比较器有两个门限电平 故传输特性呈滞回形状 图4 32反相滞回电压比较器 滞回电压比较器用于控制系统时主要优点是抗干扰能力强 当输入信号受干扰或噪声的影响而上下波动时 只要根据干扰或噪声电平适当调整滞回电压比较器两个门限电平UTH1和UTH2的值 就可以避免比较器的输出电压在高 低电平之间反复跳变 如图4 33所示 图4 33存在干扰时 滞回比较器的输入 输出波形 第五节电源电路 电源变压器 将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2 整流电路 将交流电压u2变为脉动的直流电压u3 滤波电路 将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4 稳压电路 清除电网波动及负载变化的影响 保持输出电压uo的稳定 一 单相桥式整流电路 单相桥式整流电路由变压器和4个同型号的二极管接成电桥形式组成 如图7 3所示 工作过程 整流过程如下 当u2为正半周时 即a端为正 b端为负 这时VD1 VD3导通 VD2 VD4截止 电流的通路是a VD1 RL VD3 b 如图中实线箭头所示 当u2为负半周时 VD2 VD4导通 VD1 VD3截止 电流的通路是b VD2 RL VD4 a 如图中虚线所示 由此可见 无论u2处于正半周还是负半周 都有电流分别流过两对二极管 并以相同方向流过负载RL 输出波形如图7 3c所示 显然 它是单方向的全波脉动波形 2 电路计算 从上面的分析得知 桥式整流中负载所获得的直流电压比半波整流电路提高了一倍 即表示了桥式整流电路的直流分量是交流电压有效值的0 9倍 流过负载RL上的直流电流IO为 流过每个二极管的平均电流为IO的一半 即 二 三相桥式整流电路 1 电路的组成 共阴极组 阴极连接在一起的3个二极管 VD1 VD3 VD5 共阳极组 阳极连接在一起的3个二极管 VD4 VD6 VD2 2 工作过程 三 电容滤波 u2 uC时 二极管导通 C充电 u2 uC时 二极管截止 C放电 二极管中的电流 uc uL 近似估算 UL 1 2U2 b 流过二极管瞬时电流很大 整流管导电时间越短 iD的峰值电流D2越大 电容滤波电路的特点 a UL与RLC的关系 RLC愈大 C放电愈慢 UL 平均值 愈大 3 其它滤波电路 为进一步改善滤波特性 可将上述滤波电路组合起来使用 LC滤波电路 RC 型滤波电路 1 串联型稳压电源的构成由四部分组成 基准电压 调整管 取样电路 放大比较环节 四 串联型稳压电源简介 2 工作原理 1 输入电压变化时 实质 电压负反馈 2 负载电流变化时 3 输出电压的计算 可见 调节R1或R2可以改变输出电压 用负反馈的理论计算 4 集成稳压电源 单片集成稳压电源 具有体积小 可靠性高 使用灵活 价格低廉等优点 最简单的集成稳压电源只有输入 输出和公共引出端 故称之为三端集成稳压器 1 分类 XX两位数字为输出电压值 1 25 37V连续可调 2 外形及引脚功能 W7800系列稳压器外形 W7900系列稳压器外形 塑料封装 3 性能特点 7800 7900系列 输出电流超过1 5A 加散热器 不需要外接元件内部有过热保护内部有过流保护调整管设有安全工作区保护输出电压容差为4 输出电压额定值有 5V 6V 9V 12V 15V 18V 24V等 输出为固定正电压时的接法如图所示 a输出为固定电压的电路 输入与输出之间的电压不得低于3V 4 三端固定输出集成稳压器的应用 0 1 1 F 1 F 为了瞬时增减负载电流时 不致引起输出电压有较大的波动 即用来改善负载的瞬态响应 用来抵消输入端接线较长时的电感效应 防止产生自激振荡 即用以改善波形 B同时输出正 负电压的电路 UXX 为W78XX固定输出电压UO UXX UZ C提高输出电压的电路 IO I2 IC D提高输出电流的电路 当IO较小时 UR较小 T截止 IC 0 当IO IOM时 UR较大 T导通 IO IOM IC R可由功率管T的UBE和稳压器的IOM确定 即R UBE IOM 5 三端可调输出集成稳压器的应用 流过调整端电流 100 A 在要求不高的场合它在R2上的压降可以忽略 2 1两端电压为1 25V 基准电压