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电子线路识图与分析

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1 第1章 电子产品常用单元电路分析 各种电子产品的内部都会有一个能够维系其工作的电子系统,这个电子系统无论多么复杂,都 是由若干个基本单元电路组成的,因此掌握常用的电子单元电路的结构及工作原理就显得非常重 要。本章是从实际应用的角度对电子产品常用单元电路的结构及原理进行分析和讨论,同时也涉及 实践中的一些技术问题。 1.1 直流电源电路 1.1.1 直流电源概述 直流电源是电子设备工作的动力源,几乎所有的电子线路工作都需要有直流电源的支持。如电 子表、手机、数码照相机等。一个电源输出的电压和电流等指标应满足负载的需要。直流负载各有 不同,如容量上有大小之分,使用方式上有固定式和移动式,因此,每一种电子产品所配置的直流 电源也会有所不同。 1.1.2 直流电源类型及选择 直流电源类型有:干电池、蓄电池、锂电池、镉镍电池、纽扣电池、太阳能电池、整流电源、 开关电源等。 电子装置在设计的过程中同时要考虑电源的选择问题。选择直流电源首先要根据负载的使用条 件和要求确定电源类型,然后是确定电源的容量等其他性能指标。 目前市场上一些电子产品或电子装置所配置的直流电源如表 1­1 所示。 电子产品 手机 电子手表 表 1­1 直流电源列表 直流电源类型 电子产品 锂电池 数码相机 纽扣电池 笔记本 直流电源类型 锂电池 开关电源+锂电池 电子产品原理安装与调试 电子产品 光动能电子表 半导体收音机 彩色电视机 手机充电器 直流电源类型 太阳能电池 变压器降压整流电源、干电池 开关电源 阻容降压整流电源 电子产品 台式电脑 太阳能交通信号灯 太阳能照明灯 有源音箱 续表 直流电源类型 开关电源 太阳能电池/蓄电池 太阳能电池/蓄电池 变压器降压整流电源 变压器降压整流电源、阻容降压整流电源、开关电源比较见表 1­2。 表 1­2 变压器降压整流电源、阻容降压整流电源、开关电源比较 直流电源种类 功率、体积 功耗 电源内阻 可大功率输出 变压器降压整流电源 但体积大 大功率输出时 功耗也大 电源内阻小 阻容降压整流电源 小功率输出 体积小 功耗小 电源内阻大 开关电源 同容量的情况下体积比变压器降压 大功率输出时 整流电源要小许多 功耗较小 电源内阻小 1.1.3 整流电源应用实践 提出问题 在众多的电子产品中,由于他们功能和性能要求上的不同,对供电电源的要求也不 尽相同,如对晶体管收音机来说,它以干电池供电为主,整流电源供电为辅,对于整流电源的要求 是电压波形中的交流成分要少一些,防止喇叭中出现交流声,对电压的稳定性不作要求,而对于数 字类电子装置来说为了使电路工作性能稳定,对电源电压的稳定性要求较高。另外有些体积较小的 电子产品,要求电源的体积也要小,以方便使用或携带,如手机充电器、笔记本电脑等。针对这些 不同的要求,必须有针对性地加以解决。 1.单路输出整流电源 这是一种最简单的整流电源,其结构为:变压器+整流二极管+滤波电容,如图 1­1 所示。这种 直流电源适用于对电源电压稳定性要求不高的负载,如晶体管收音机等。 输出电压:UO = 1.2U2 2 图 1­1 单路输出整流电源 电子产品常用单元电路分析 第 1章 设计一个输出电压为 5V,最大输出电流为 300mA 的直流稳压电源。要求确定变压器容量、整 流二极管参数、滤波电容参数等。 (1)确定三端稳压器型号、输入电压(UI)、输入电流(I’L),整流滤波电路等效负载输出电 压为 5V,最大输出电流(ID)为 300mA,可选用 W7805(最大电流 1.5A)。也可选用稳 78M05(最 大电流为 0.5A),但使用时要加散热片。 7800 系列三端稳压器输入、输出最小压差为 2V,如果取 4V,则输入电压 UI =9V。W7805 的 功耗电流为 IOmax=8mA。 电源变压器的二次电压为: U2 = UI 1.2 = 9 1.2 V = 7.5V W7805 的最大输入电流为: IL¢ = IOmax + ID = 8 + 300 = 308mA 整流滤波电路的等效负载电阻为: RL¢ = 1.2U2 I L¢ = 1.2 ´ 7 308 = 29.2W (2)桥式整流二极管参数要求和型号选择。 正向平均电流为: IF ≥1 2 IL¢ = 1 ´ 308mA 2 = 154mA 最大反向电压为: URM ≥ UR max = 2U2 = 2 ´ 7.5V » 10.6V 可以选择硅二极管 1N4001,其额定正向整流电流为 1A,反向工作峰值电压为 50V,满足 要求。 (3)滤波电容和其他电容的选择。 滤波电容为: (3 ~ 5)T 3~5 C1 = 2RL¢ = F = 1027 ~ 1721μF 2 ´ 50 ´ 29.2 电容耐压为: UCM ≥ 2U2 = 10.6V 可选择 1500μF,耐压值为 25V 的铝电解电容。 电容 C2 主要改善输入纹波电压,其容量一般取 0.33μF,电容 C3 可改善负载的瞬态响应,其容 量一般取 0.1μF。 (4)变压器容量选择。 变压器二次电流有效值为 I2 = (1.5 ~ 2)IL¢ = (1.5 ~ 2) ´308mA = 462 ~ 616mA 取 I2 为 500mA。 输出视在功率为: S2 = U2 I2 = 7.5´ 0.5V × A = 3.75V × A 3 电子产品原理安装与调试 输入视在功率为 平均容量为 S1 = S2 hT = 3.75 0.6 = V×A = 6.25V × A 1 1 S = 2 (S1 + S2 ) = 2 (3.75 + 6.25)V × A = 5V × A 因此,可以选用容量为 5~8 V × A ,一次电压为 220V,二次电压为 7.5V 电源变压器。 2.正负双路整流稳压电源 大多数运算放大器的供电电源是按正负对称双电源设计的,如图 1­2 所示。这种整流电源的变 压器二次线圈需要在总匝数的 1/2 处留有抽头,用于接地。抽头将二次线圈一分为二,和后面的整 流、滤波、稳压电路构成对称结构的两个极性相反的整流稳压电路。电路中 LM7809 和 LM7909 分别为正压固定三端集成稳压电路和负压固定三端集成稳压电路,他们各自独立工作,分别输出 +9V 和­9V,即 V=±9V。 图 1­2 正负双路整流稳压电源 3.输出电压可调的整流稳压电源 电子设备的直流电源是比较容易出现故障的地方,所以在维修电子设备时往往需要一个自备直 流电源。由于不同的电子线路所用的电压不同,所以维修用的直流电源输出电压如果是可调的就较 为方便了。图 1­3 是一个输出电压在 1.25~37V 之间可调的直流稳压电源。电路中 CW317 为三端 可调集成稳压电路,使用时通过调节 R2 的阻值来确定输出电压值。 图 1­3 输出电压可调的整流稳压电源 4 电子产品常用单元电路分析 第 1章 4.阻容降压整流电源 对于小电流负载可以使用阻容降压整流电源,用电容降压替代变压器降压可以减小电子产品的 体积。阻容降压整流电源的内阻比较大,所以它不适用在动态变化大的大电流负载场合,如图 1­4 所示。 图 1­4 阻容降压整流电源 各元器件的作用是:C1 为降压电容器,VD1 为半波整流二极管,VD2 在市电的负半周时给 C1 提供放电回路,VD3 是稳压二极管,R 为关断电源后 C1 的电荷泄放电阻。 工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。例如,在 50Hz 的工频条件下,一个 1μF 的电容所产生的容抗约为 3180Ω。当 220V 的交流电压加在电容器的两端, 则流过电容的最大电流约为 70mA。虽然流过电容的电流有 70mA,但在电容器上并不产生功耗, 电容降压实际上是利用容抗限流。而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端 电压的角色。下面通过一个例子看一下在这种阻容降压整流电路中,降压电容的容量和负载电流之 间的关系。 若已知 C1 为 0.33μF,交流输入为 220V/50Hz,求电路能供给负载的最大电流。 C1 在电路中的容抗 XC 为: X C = 1/(2πfC1) = 1/(2×3.14×50×0.33×10­6)= 9.65kW 流过电容器 C1 的充电电流(IC)为: IC = U / X C = 220V/9.65kW = 22mA 通常降压电容 C1 的容量 C 与负载电流 Io 的关系可近似认为:C=14.5Io,其中 C 的容量单位为 μF,Io 的单位为 A。 5.倍压整流电源 在一些需用高电压、小电流的地方,常常使用倍压整流电路,如图 1­5 所示。倍压整流,可以 把较低的交流电压,用耐压较高的整流二极管和电容器,“整”出一个较高的直流电压。倍压整流 电路一般按输出电压是输入电压的多少倍,分为二倍压、三倍压与多倍压整流电路。 图 1­5 二倍压整流电源 U2 正半周(上正下负)时,二极管 VD1 导通,VD2 截止,电流经过 VD1 对 C1 充电,将电容 5 电子产品原理安装与调试 C1 上的电压 UC1 充到接近 U2 的峰值 2U 2 ,并基本保持不变。U2 为负半周(上负下正)时,二极 管 VD2 导通,VD1 截止。此时,C1 上的电压UC1 = 2U2 与电源电压 U2 串联相加,电流经 VD2 对电 容 C2 充电,如此反复充电,C2 上的电压就基本稳定在UC2 = 2 2U2 了。它的值是变压初级电压 U2 的二倍,所以叫做二倍压整流电路。 6.开关型直流稳压电源 直流稳压电源分为线性稳压电源和开关型稳压电源,前面所讨论的直流电源均属于线性稳压电 源,线性直流稳压电源需要大而笨重的变压器,同时电路所需要的滤波电容的体积和重量也相当大, 且在输出较大电流时,电路转换效率低,一般只有 20%~40%,还要安装很大的散热片。这种电源 不适合计算机等设备的需要。开关型稳压电源电路中的元件很小,效率可提高到 60%~80%,且自 身抗干扰能力强、输出电压范围宽。但由于逆变电路中会产生高频电压,开关电源对周围设备有一 定干扰,需要良好的屏蔽及接地。开关型直流稳压电源原理框图如图 1­6 所示。 AC 输入 EMI 滤波 输入电路 整流/滤波 变换电路 功率变换 输出电路 整流/滤波 DC 输出 PWM 控制器 电压反馈 控制电路 图 1­6 开关型直流稳压电源原理框图 (1)电路各部分的作用。 1)输入电路。 ①线路滤波及浪涌电流抑制。将电网中的各种杂波过滤,同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公 共电网。 ②整流与滤波。将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电(300V),以供下一级变换。 2)变换电路。利用高频振荡电路将整流后的直流电变为高频交流电(逆变),这是高频开关电 源的核心部分。频率越高,体积、重量与输出功率之比越小。 3)输出电路。利用整流、滤波电路将高频交流电变为负载需要的稳定可靠的直流电源。 4)控制电路。一方面从输出端取样,经与设定标准进行比较,然后去控制逆变器,改变其频 率或脉宽,达到输出稳定,另一方面,根据测试电路提供的资料,经保护电路鉴别,提供控制电路 对整机进行各种保护措施。 (2)60W 宽电压范围开关电源电路分析。 图 1­7 为 60W 宽电压范围开关电源原理图。 此电源的指标为:输入电压为 85~265V(AC),输出为+12V、5A。这种输入电压为 85~265V 的开关电源在美国、日本等使用 110V 的交流电的国家也都可以使用。 1)电路结构特点。 ①电源的控制电路。采用了应用最为普遍的脉冲宽度调制(PWM)方式。TOPSitch­Ⅱ系列单 片开关电源是将 PWM 控制系统的全部功能集成到三端芯片中。内含脉宽调制器、场效应功率管 (MOSFET)、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路,通过高频变压器即可实 现输出端与电网完全隔离。外部仅需配整流滤波器、高频变压器、漏极钳位保护电路、反馈电路和 6 电子产品常用单元电路分析 第 1章 输出电路,即可构成反激式开关电源。TOP227Y 输出功率为 90W,内部有完善的过流和过热保护 电路。 图 1­7 60W 开关型直流稳压电源原理图 ②输入滤波电路。输入滤波电路就是 EMI 滤波器,选用电感量为 22mH 的共模扼流圈和 0.1μF 输入差模滤波电容。 ③整流滤波电路。整流滤波电路包括工频(50Hz)整流滤波和高频整流滤波。工频整流滤波 选用 2A/600V 的整流桥和 120μF/400V 的电解电容。高频整流滤波选用 25A/60V 的肖特基二极管 和 2200μF/16V 的电解电容。 ④尖峰电压吸收电路。尖峰电压吸收电路采用反向击穿电压为 200V 的瞬态电压控制器 P6KE200 和 BYV26C 型 2.3A/600V 的超快恢复二极管。二次高频整流二极管两端接有 RC 吸收回 路,以便减小尖峰电压。 ⑤电压反馈电路。电压反馈电路直接关系到开关电源的稳压性能。PC817A 型线性光耦合器和 TL431 型可调式精密并联稳压器组成高精度电压反馈电路,以便提高电源的负载调整率。 2)工作原理。 85~265V 的交流电源 u 首先经过 2A 容丝管(FU)、EMI 滤波器(C6、L2),再通过整流桥(BR) 和滤波电容(C1)产生直流高压 U1,接高频变压器的一次绕组。L2 为共模扼流圈,能减小电网噪 声所产生的巩膜干扰,也能限制开关电源的噪声传输到电网中。R8 为负温度系数(NTC)限流电 阻,刚开机时可限制 C1 的充电(冲击)电流。漏极钳位保护电路由瞬态电压抑制器(VDZ1)和阻 塞二极管(VD1)构成,可将变压器漏感产生的尖峰电压钳位到安全值。VDZ1 采用反向击穿电压 为 200V 的瞬态电压抑制器 P6KE200,选用 BYV26C 型 2.3A/600V 的超快恢复二极管。二次绕组 电压通过 VD2、C2、L1 和 C3 整流滤波,获得 12V 输出电压 Uo。RTN 为输出电压的返回端。R9 和 7 电子产品原理安装与调试 C9 用来抑制 VD2 上的高频衰减振荡。R6 为+12V 输出的最小负载,用于提高轻载时的电压调整率。 C7 为安全电容,能滤除一、二次所产生的共模干扰。R7 和 R10 均为泄放电阻(亦可不用)。 外部误差放大器由 TL431 组成。当+12V 输出电压升高时,经 R4、R5 分压后得到的取样电压, 就与 TL431 中的 2.5V 带隙基准电压 UREF 进行比较,使阴极 K 的点位降低,光耦合器中 LED 的工 作电流 IF 增大,再通过 IC2 使控制端电流 IC 增大,TOP227Y 的输出占空比减小,使 Uo 不变,从而 达到到了稳压目的。+12V 稳压值是由 TL431 的基准电压(UREF)、R4、R5 的分压比来确定。R1 为 LED 的限流电阻。C8 为相位补偿电容。反馈绕组 NF 电压经 VD3 和 C4 整流滤波后,供给 TOP227Y 所需偏压。C5 为控制端的旁路电容,它不仅能滤除控制端上的尖峰电压,还决定自动重启动频率, 并与 R3 一起对控制环路进行补偿。 7.UPS 不间断电源 有些系统工作时不允许停电,否则会造成计算机数据丢失,UPS 电源是一种不间断电源,它 能够提供持续、稳定、不间断的交流电,在市电停止供应的时候,能保持一段供电时间,使人们有 时间存盘,再从容地关闭机器。UPS 电源现已广泛应用于工业、通讯、国防、医院、广播电视、 计算机业务终端、网络服务器、网络设备、数据存储设备等领域。 UPS 电源按工作原理分成后备式、在线式与在线互动式三大类。 (1)在线式。 在线式 UPS(On­Line UPS)的运作模式为“市电和用电设备是隔离的,市电不会直接供电给 用电设备”,而是到了 UPS 就被转换成直流电,再兵分两路,一路为蓄电池充电,另一路则转回交 流电,供电给用电设备,市电供电品质不稳或停电时,电池从充电转为供电,直到市电恢复正常才 转回充电,“UPS 在用电的整个过程是全程介入的”。只要在 UPS 输出功率足够的前题下,可以供 电给任何使用市电的设备。 在线式 UPS 在电网正常供电状况下的主要功能是稳压及防止电波干扰;在电网停电时则使用 备用直流电源(蓄电池组)给逆变器供电,逆变器将直流变换为交流。由于逆变器一直在工作,因 此不存在切换时间问题,适用于对电源有严格要求的场合。 (2)后备式。 后备式又称为非在线式不间断电源(Off­Line UPS),它只是“备援”性质的 UPS,市电直接 供电给用电设备也为电池充电(Normal Mode),一旦市电供电品质不稳或停电了,市电的回路会 自动切断,蓄电池的直流电会被转换成交流电接手供电的任务(Battery Mode),直到市电恢复正 常,“UPS 只有在市电停电了才会介入供电”,不过从直流电转换的交流电是方波,只限于供电给 电容型负载,如电脑和监视器。 平时处于蓄电池充电状态,在停电时逆变器紧急切换到工作状态,将电池提供的直流电转变为 稳定的交流电输出,因此后备式 UPS 也被称为离线式 UPS。后备式 UPS 电源的优点是:运行效率 高、噪音低、价格相对便宜,主要适用于市电波动不大,对供电质量要求不高的场合,比较适合家 庭使用。 (3)线上交错式。 线上交错式又称为线上互动式或在线互动式(Line­Interactive UPS),基本运作方式和离线式一 样,不同之处在于线上交错式虽不像在线式全程介入供电,但随时都在监视市电的供电状况,本身 具备升压和减压补偿电路,在市电的供电状况不理想时,即时校正,减少不必要的 Battery Mode 切换,延长电池寿命。 8 电子产品常用单元电路分析 第 1章 1.2 放大电路 1.2.1 放大电路概述 放大电路是应用最为广泛的一类电子线路。在电子系统中有许多微弱的信号源,放大电路的作 用就是通过放大提升它们的幅值以达到可以利用的程度。放大电路之所以对输入信号具有放大提升 的能力,是通过放大器件的控制作用,把直流电源的能量转化为与输入信号一致的输出信号的能量, 其实质是一种能量控制作用。 对于不同的电子系统其信号源会各有不同,信号源周围的电磁环境也不尽相同,对放大后 的信号的利用也会不同,这样它们对于放大器的性能要求也就会不同。对于某一个电子系统来 说,一个好的放大电路首先是要选一个合适的放大器件,然后是以此为核心建立起一个合理的 电路结构,三是选择合适的电路参数才可以使其工作在最佳状态。如果一个很重要的电子系统 采用了一个性能一般的放大电路,或者是放大电路的制作成本较高,但没有充分考虑信号源的 特性,这两种情况都不会有好的结果。因此,在选用放大电路时必须要综合考虑各种因素,以 保证电子系统能够高质量工作和尽可能低成本为最佳方案。另外,放大电路的安装和调试水平 也会对放大电路的工作产生一定影响。为此,了解和掌握各种典型放大电路的结构、特点及安 装调试方法显得非常重要。 1.2.2 放大电路类型及选用 一、放大电路分类 放大电路可以从不同角度来进行分类:按放大器件的形态不同,有分立器件和集成器件之分; 按放大器件工作时参与导电载流子的种类不同,有双极型(自由电子和空穴同时参与到电)和单极 型(只有一种载流子参与导电)之分;按放大级数多少,有单级和多级之分;按所针对的信号源性 质不同,有直流放大和交流放大、小信号放大和大信号放大、高频放大和低频放大之分;按输出信 号特征不同,有电压放大和功率放大之分。 二、放大器件的选用 放大电路是以放大器件为核心,因此放大器件的基本性能就决定了放大电路的性能。因此,合 理地选择放大器件对整个电子系统非常重要。 1.三极管的选择使用 尽管集成运放在放大电路的应用中已经占有主导地位,但三极管仍然在很多场合下被使用。对 初学者来说掌握三极管的使用还是很有必要的,因为三极管确实能解决很多问题,同时它也是集成 运放的基础。三极管的种类繁多,目前市面上除了有国产型号,更多的是国外型号国产化的产品。 各半导体器件生产厂商都有自己的产品系列及型号,相互都有性能相近的产品,可以互换使用。所 以在实际应用时选择的余地很大,一般是根据不同用途来进行选择。 从电路功耗要求选择时,有小功率、中功率或大功率管;从频率要求选择时,有低频管、高频 管或超高频管;从三极管管型选择时,有 NPN 型和 PNP 型管;从输入阻抗要求选择时,有双极型 晶体三极管和单极型结型场效应管或绝缘栅场效应管;从耐压要求选择时,有高反压管;从电路的 开关特性选择时有开关三极管;从温度稳定性考虑时,凡能使用硅管的地方,都不使用锗管。 9 电子产品原理安装与调试 三极管的管型即 NPN 或 PNP 的选择可以从三极管的型号来辨别,例如国产管型号代表的意义 如下: 3AX 为 PNP 型低频小功率管(锗管) 3BX 为 NPN 型低频小功率管(锗管) 3CG 为 PNP 型高频小功率管(硅管) 3DG 为 NPN 型高频小功率管(硅管) 3AD 为 PNP 型低频小功率管(锗管) 3DD 为 NPN 型低频大功率管(硅管) 3CA 为 PNP 型高频大功率管(硅管) 3DA 为 NPN 型高频大功率管(硅管) 此外有国际流行的 9011~9018 系列高频小功率管,除 9012 和 9015 为 PNP 管外,其余均为 NPN 管。 在选择三极管时一般要同时考虑几种因素,但有些因素有相互制约关系,所以应抓主要矛盾, 兼顾次要因素。 低频管的特征频率 fT 一般在 2.5MHz 以下,而高频管的 fT 都从几十兆赫到几百兆赫甚至更高。 选管时应使 fT 为工作频率的 3~10 倍。原则上讲,高频管可以代换低频管,但是高频管的功率一 般比较小,动态范围窄,在代换时应注意功率条件。 三极管的电流放大能力用 β 来表示,一般希望 β 选大一些,但也不是越大越好。β 太高了容易 引起自激振荡,何况一般 β 高的管子工作多不稳定,受温度影响大。通常 β 多选 40~100 之间,但 低噪声、高 β 值的管子(如 9011~9015 等)温度稳定性仍较好。另外,对整个放大电路来说还应 从各级的配合来选择 β。例如,前级用 β 高的,后级就可以用 β 较低的管子;反之,前级用 β 较低 的,后级就可以用 β 较高的管子。 集电极—发射级反向击穿电压 UCEO 应选得大于电源电压(VCC)。穿透电流 ICEO 越小,对温度 稳定性越好。普通硅管的稳定性比锗管好得多,但普通硅管的饱和压降较锗管为大(硅管 UCES=0.3V;锗管 UCES=0.1V),在某些电路中会影响电路的性能,应根据电路的具体情况选用。选 用晶体管的耗散功率(PM)时应根据不同电路的要求留有一定的余量。 对高频放大、中频放大和振荡器等电路用的晶体管,应选用特征频率 fT 高、极间电容较小的 晶体管,以保证在高频情况下仍有较高的增益和稳定性。 需要说明的是,由于三极管制造的离散性,即使同一型号的性能也有较大差别,使用时应对其 影响电路的参数进行测试。 2.集成运放的选择使用 集成运放具有体积小、功耗低、可靠性高且安装调试容易等优点,故得到广泛的应用。 由于集成运放在电子系统中扮演着主要角色,所以生产厂商经过多年的努力开发出了种类繁 多、性能参数各有所长的不同系列产品,可供给不同情况下的使用,以便满足使用者对性价比要求。 一般来讲,选择集成运放的原则是在满足电气特性的前提下,尽可能选择价格低廉、市场货源充足 的器件,即选用性能价格比高、通用性强的器件。 (1)如果没有特殊的要求,一般可选用通用型运放,因为这类器件直流性能较好,种类也较 多,且价格也较低。在通用运放子系列中,有单运放(μA741)、双运放(LM358)、四运放(LM324) 等多个品种。对于多运放器件,其最大特点是内部对称性能好,因此,在考虑电路中需要多个放大 器(如有源滤波)或要求放大器对称性好(如测量放大器)时,可选用多运放,这样也可减少器件、 简化线路、缩小面积和降低成本。 (2)如果被放大的信号源的内阻抗很大,则可选用高输入阻抗的运算放大器(CA3140),另 外像生物信号放大、提取、测量放大电路等也需使用高输入阻抗集成运放。 10 电子产品常用单元电路分析 第 1章 (3)如果系统对放大电路要求低噪声、低漂移、高精度,则可选用高精低漂移的低噪声集成 运放(OP07、OP27),适用于在毫伏级或更微弱信号检测、精密模拟运算、高精度稳压、高增益 直流放大、自控仪表等场合。 (4)对于视频信号放大、高速采样/保持、高频振荡及波形发生器、锁相环等场合,则应选择 高速宽带集成运放(LM318、μA715)。 (5)对于要求低功耗场合,如便携式仪表、遥感遥测等场合,可选用低功耗运放(TL­022C、 ICL7600);对于需要高压输入/输出场合,可选用高压运放(μA791)。对于需要增益控制场合,可 选用程控运放(PGA103A)。 在选用运放时需要注意,盲目选用高档的运放不一定就保证电子系统的高质量,因为运放的性能 参数之间常相互制约。如果经过耐心挑选,也可从低档型号中挑选出具有所需某项性能参数的运放。 三、放大电路结构的选择 放大电路的结构是指放大器件在电路中的接法和级数。放大器件在电路中的不同接法及采用的 放大级数不同都会对放大器的性能产生不同的影响。 1.放大电路性能与结构的关系 (1)高放大倍数需要多级放大结构。 为了获得较高的放大倍数就要采用多级放大电路结构。一个电子放大系统通常是由输入级、中 间级和输出级构成。输入级与信号源相连接属于小信号放大器,它的主要作用是从信号源处获得尽 可能大的无干扰的有用信号;中间级的主要作用是增大有用电压信号的幅度也就是提高电压放大倍 数,同时还要抑制其他干扰信号;输出级的作用是产生足够的输出功率以满足负载的需要。 (2)放大电路结构对输入、输出电阻的影响。 放大电路的输入输出电阻是放大电路的重要参数,通常希望输入电阻越大越好,输出电阻越小 越好。输入电阻大可以减小信号源的负担,并可以获得较大的输入信号;输出电阻越小,带负载能 力就越强。 放大器的输入回路与信号源连接起来后,信号源就作用在放大电路的输入电阻上,信号源的内 阻和放大电路输入电阻形成一种串联关系,放大电路要想从信号源处获得尽可能大的输入信号,其 输入电阻应比信号源内阻应大 10 倍以上,以减小输入回路的电流,否则会在信号源内阻上有较大 的电压损耗,这样会出现放大电路有劲使不出的现象。 放大电路输入电阻的大小首先取决于放大器件本身的特性,另外与放大电路的接法有关。三 极管按共地方式有三种接法,如图 1­8 所示。三种接法下,他们的输入电阻是不同的,如表 1­3 所示。 图 1­8 三极管的三种共地方式 11 电子产品原理安装与调试 组态 共发 射极 共集 电极 共基 极 表 1­3 三极管放大电路在不同组态时的性能比较 放大倍数 AV Au = uo ui » - RF R (较大) (1+b )RL¢ (近似为 1) rbe + (1 + b )RL¢ 输入电阻 Ri 输出电阻 Ro Au = uo ui » - RF R (适中) Rc (适中) Rb //[rbe + (1 + b )RL¢ ] (很大) rbe + (Rs // Rb ) 1+ b (很小) b RC // RL (较大) rbe Re // 1 rbe +b » rbe 1+ b (较小) RC (适中) 适用场合 低频放大 阻抗变换 高频放大 从表中可以看出共集电极接法的输入电阻最大,输出电阻最小,因此,他多被用来作为输入级 和输出级。 放大管的输入电阻还和放大器件有关,双极型三极管的输入电阻比较小(几千欧),这是因为 它是电流控制器件(用输入电流控制输出电流)。单极型场效应管的输入电阻极高(可达几百兆~ 几千兆),这是因为它是电压控制器件(用输入电压控制输出电流)。因此,当信号源内阻较高时应 采用场效应管为放大器件。 2.放大电路稳定性与放大电路结构的关系 我们希望放大电路的工作要稳定,不出现失真等现象,但实际上它的工作是不稳定的,它会受 各种因素的影响,其中温度的变化会影响他的静态工作点的稳定,从而会导致输出信号出现失真。 在放大电路中引入负反馈可以起到稳定工作点的作用。负反馈不仅可以稳定静态工作点,还可以改 善放大电路的动态性能。因此几乎所有放大电路都要引入负反馈。负反馈有不同的类型,对放大电 路产生的影响也不同。电压负反馈可以稳定输出电压,这相当于减小了输出电阻(具有了电压源特 性);电流负反馈可以稳定输出电流,这相当于增大了输出电阻(具有了电流源特性);串联负反馈 可以提高输入电阻;并联负反馈可以减小输入电阻;交流负反馈还可以稳定放大倍数、展宽通频带。 尽管负反馈会使电压放大倍数被削弱,但可以通过增加放大级数来弥补。 3.集成放大电路的结构及选择 集成运放在结构上有其特殊性:有两个输入端且这两个输入端内部的偏置电流要由外电路提 供;有的还有调零端用于零输入零输出达不到时的人为调零;在电源供给方式上,有用正负双电源 供电的也有使用单电源的;输出端的静态工作点的设置与信号源性质和电源结构都有关系。在线性 使用时,在其输出端和反相输入端之间必须跨接一个负反馈电阻。由于这些特殊性,在实际使用中 能把集成运放运用好也不是一件容易的事情,所以要对集成运放有个深入的了解。 (1)对集成运放的认识。 1)集成运放外端结构及输入方式。 集成运放本身是一个多级直接耦合式放大器,为了克服“零漂”,它的第一级采用了差动放大 电路,因此使它拥有两个输入端,这两个输入端与输出端之间在相位上一个是同相关系,另一个是 反相关系,因此,这两个输入端就被相应的称为同相输入端和反相输入端。有两个输入端这是运放 的一个很大特点,这使它可以放大差模信号并抑制共模信号,增强了抗干扰能力。当然它也可以采 用单端输入方式。也就是说运放的输入端和信号源之间可以有三种输入方式:同相输入、反相输入 和差动输入。信号源与放大电路有共地端的可以采用单端输入方式,无共地端的采用差动输入方式。 12 运放的三种输入方式如图 1­9 所示。 电子产品常用单元电路分析 第 1章 (a)反相输入方式 (b)同相输入方式 图 1­9 集成运放三种输入方式 (c)差动输入方式 集成运放的供电方式是按正负对称双电源设计,但也可以使用单电源供电。采用双电源可以提 高输出电压动态范围,但对于便携式电子产品为了减小产品的体积,均选择单电源供电方式。运放 的两种供电方式如图 1­10 所示。 (a)对称双电源供电 (b)单电源供电 图 1­10 集成运放两种供电方式 2)集成运放基本性能的测试。 为了能够正确掌握集成运放的使用方法,我们可以利用 EWB 仿真工具来对集成运放的基本性 能进行测试,如图 1­11 所示。 图 1­11 集成运放基本性能的测试 在 EWB 仿真电路中,集成运放选用型号为 μA 741。输入信号为直流,对输入信号的要求是: 13 电子产品原理安装与调试 输入信号可正负变化,其变化量为毫伏级。这里输入信号由两个 10mV 的直流电源和一个可调电阻 组成的信号电路来提供。此电路可以实现直流正负信号放大的测试,输入信号可以在±10mV 之间 通过电位器调节。集成运放的输入方式可以是反相输入也可以是同相输入,通过两个开关进行切换。 μA 741 的工作电压范围为(±1.5~±15V),图中取±12V。 反相输入放大倍数为 RF=100k Au = uo ui » - RF R R=10k Au » -10 同相输入放大倍数为 Au = uo ui » 1+ RF R Au » 11 测试时,输入信号分别取 50%、60%、40%,然后观察输出电压极性和数值的变化。 取反相输入: 零输入:取 50%,即 Vi=-16.57μV,有 Vo=-0.32mV(理想情况应为零输入零输出) 负输入:取 60%,即 Vi=-1.97mV,有 Vo=+19.21mV 正输入:取 40%,即 Vi=+1.94mV,有 Vo=-19.85mV 取同相输入: 零输入:取 50%,即 Vi=-17.5uV,有 Vo=-0.68mV 负输入:取 60%,即 Vi=-2.02mV,有 Vo=-22.67mV 正输入:取 40%,即 Vi=+1.94mV,有 Vo=+21.33mV 测试结果分析: l 反相输入时,输出信号与输入信号反相,电压放大倍数近似为 10。 l 同相输入时,输出信号与输入信号同相,电压放大倍数近似为 11。 l 根据输入取 50%的测试结果分析,若输入信号为零时,输出信号不为零,这说明运放的 两个输入端参数不完全对称,需要人工调零。 l 采用双电源供电,既可以放大直流信号,也可以放大交流信号,输出信号以电源“地” 为参考点。 l 根据测试结果可得到这样一个推断,当采用单电源供电时,放大交流信号会出现失真, 即负半周信号得不到放大,为了使输出信号不失真,需要将输出端的静态电位设为 VCC/2, 即让交流信号以此为参考点;当放大直流信号时,若采用反相输入,输出端的静态值不 能为零,否则输出没有响应。 l 放大交流信号时,输出电压的幅值不应超过电源电压(±12V),否则会产生失真。正因 为如此,当电源电压和放大倍数都已确定的情况下,输入信号的最大值就被限制在一个 范围内。 由于集成运放多用于交流信号放大,为了实现零输入零输出,供电电源是按正负对称双电源设 计,但也可以在单电源下工作。如 LM324 的供电方式为(±1.5~±15V)/(+3~+30V),前者是指 双电源,后者是指单电源。接下来我们看一下实际应用中使用双电源和单电源的交流放大电路结构。 (2)双电源供电的交流放大电路。 1)双电源同相输入式交流放大电路。 图 1­12 是使用双电源的同相输入式交流放大电路。两组电源电压 VCC 和 VEE 相等。C1 和 C2 为 输入和输出耦合电容,起隔直通交作用;R1 使运放同相输入端形成直流通路,内部的差分管得到 14 电子产品常用单元电路分析 第 1章 必要的输入偏置电流;RF 引入直流和交流负反馈,并使集成运放反相输入端形成直流通路,内部 的差分管得到必要的输入偏置电流;由于 C 隔直流,使直流形成全反馈,交流通过 R 和 C 分流, 形成交流部分反馈,为电压串联负反馈。 图 1­12 双电源同相输入式交流放大电路 双电源供电时可以以零点为中心正负输出。无信号输入时,运放输出端的静态电压 Vo≈0V, 交流放大电路的输出电压 Uo=0V;有交流信号输入时,运放输出端的电压 Vo 可在-VEE~+VCC 之间 变化,通过 C2 输出放大的交流信号,输出电压 uo 的幅值最大值近似为 VCC(VCC=VEE)。引入深度 电压串联负反馈后,放大电路的电压增益: Au = uo ui » 1+ RF R 放大电路的输入电阻 Ri=R1//rif。rif 是运放引入串联负反馈后的闭环输入电阻。rif 很大,所以 Ri=R1// rif≈R1;放大电路的输出电阻 Ro = rof≈0,rof 是运放引入电压负反馈后的闭环输出电阻,rof 很小。 2)双电源反相输入式交流放大电路。 图 1­13 是使用双电源的反相输入式交流放大电路。两组电源电压 VCC 和 VEE 相等。RF 引入直 流和交流负反馈,C1 隔直流,使直流形成全反馈,交流通过 R 和 C1 分流,形成交流部分反馈,为 电压并联负反馈。为了减小运放输入偏置电流造成的零点漂移,可以选择 R1=RF。引入深度电压并 联负反馈后,放大电路的电压增益为 Au = uo ui » - RF R ,因为运放反相输入端“虚地”,所以放大电路 的输入电阻 Ri≈R;放大电路的输出电 Ro= rof≈0。 (3)单电源供电的交流放大电路。 集成运放可以采用单电源供电,其­VEE 端接“地”(即直流电源负极),集成运放的+VCC 端接 直流电源正极,这时,运放输出端的电压 V0 只能在 0~+VCC 之间变化。在单电源供电的运放交流 放大电路中,为了不使放大后的交流信号产生失真,静态时,一般要将运放输出端的电压 Vo 设置 在 0 至+VCC 值的中间,即 Vo=+VCC/2。这样能够得到较大的动态范围;动态时,Vo 在+VCC/2 值的基 础上,上增至接近+VCC 值,下降至接近 0V,输出电压 uo 的幅值近似为 VCC/2。 15 电子产品原理安装与调试 图 1­13 单电源同相输入式交流放大电路 1)单电源同相输入式交流放大电路。 图 1­14 是使用单电源的同相输入式交流放大电路。电源 VCC 通过 R1 和 R2 分压,使运放同相输 入端电位由于 C 隔直流,使 RF 引入直流全负反馈。所以,静态时运放输出端的电压 V0=V-≈ V+=+VCC/2;C 通交流,使 RF 引入交流部分负反馈,是电压串联负反馈。 放大电路的电压增益为: Au = Uo Ui » 1+ RF R 放大电路的输入电阻:Ri=R1//R2//rif ≈R1//R2 放大电路的输出电阻:Ro= rof ≈0 图 1­14 单电源同相输入式交流放大电路 2)单电源反相输入式交流放大电路。 图 1­15 是使用单电源的反相输入式交流放大电路。电源 VCC 通过 R1 和 R2 分压,使运放同相输 入端电位为: V+ = +VCC ´ R1 R2 + R2 = +VCC / 2 ,为了避免电源的纹波电压对 V+电位的干扰,可以在 R2 两端并联滤波电容 C3,消除谐振;由于 C1 隔直流,使 RF 引入直流全负反馈。所以,静态时, 运放输出端的电压 V0=V-≈V+ = +VCC/2;C1 通交流,使 RF 引入交流部分负反馈,是电压并联负反 馈。放大电路的电压增益为: Au = Uo Ui » 1+ RF R ,放大电路的输入电阻 Ri≈R,放大电路的输出电阻 Ro= rof≈0。 16 电子产品常用单元电路分析 第 1章 图 1­15 单电源反相输入式交流放大电路 1.2.3 放大电路应用实践 一、关于放大器输入级的选择 提出问题 在初学者的实践中可能会遇到这样的情况,为一个信号源安装了一个放大电路,但 在调试时发现放大电路的输出达不到期望值,无论怎样调整参数都没有多大改进。 这是一个放大器输入级选择上的问题。一个放大系统在选择放大电路输入级时,首先要明确信 号源的特性。信号源是个广泛的概念,其中包括传感器,如温度传感器、麦克风都是信号源。传感 器虽有不同的种类,但它们有一个共同之处就是可以把各种非电量的变化都转换为电量的变化,所 以可以把传感器视为信号源。不同的传感器由于它们的物理结构不同,所以呈现的特性也会有所不 同,其中一个不同就表现在信号源内阻上。任何一个信号源都有其内阻,一旦信号源的型号被确定, 放大电路就要根据这个信号源来进行设计。 现以电容麦克、动圈式喇叭和压电陶瓷片三种信号源为例来选择各自的输入级放大器。这三种信 号源都可以将声音变换为电信号,但是他们的内阻各不相同,动圈式喇叭的内阻最小,只有几欧姆至 十几欧姆,压电陶瓷片的内阻最大,可达到几百兆欧,电容麦克的内阻居中,一般小于 2 千欧姆。 1.电容麦克放大器的选择 电容麦克放大器的选择电容麦克是目前用的最多的一种声电转换装置,其内部结构如图 1­16 所示。 图 1­16 电容麦克内部电路 17 电子产品原理安装与调试 电容麦克声电转换原理: 电容麦克的基本结构是由一片涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干个小孔的金属电极(称 为背电极)构成。驻极体与背电极相对,中间有一个极小的空气隙。形成一个以空气和驻极体作绝 缘介质,以驻极体上的金属层和背电极作为两个电极构成一个平板电容器。由于驻极体薄膜上分布 有自由电荷,当声波引起驻极体薄膜振动而产生位移时,改变了电容两极板的距离,从而引起电容 量发生变化。由于驻极体上的电荷始终保持恒定,根据公式:Q=CU,所以当 C 变化时必然引起电 容两端电压 U 的变化,从而输出电信号,实现声-电的变换。由于实际电容器的电容量很小,输 出的电信号极为微弱,输出阻抗又极高,可达数百兆欧以上。因此,它不能直接与放大电路相连接, 必须连接阻抗变换器。通常用一个专用的场效应管和一个二极管复合成阻抗变换器,经过阻抗变换 后,电容麦克的内阻下降至 2 千欧以下。 根据电容麦克的特性,可以采用共发射极接法放大电路,如图 1­17 所示。为了提高音质应采 用低噪声三极管 C9014。放大器的输出通过电位器引出送至后级进行再次放大。 图 1­17 电容麦克放大器 2.动圈式喇叭放大器的选择 动圈式喇叭本是一种电声转换设备,但他也可以当麦克来使用,其内部结构如图 1­18 所示。 动圈喇叭声电转换原理: 动圈式喇叭在多数情况下是用来发声的,即将音频电流还原出声音,它的发声原理可以用图 1­19 来说明。动圈式喇叭是由发音纸盆、纸盆托架、电磁线圈和永久磁铁等部分构成,使用时将 音频电流加入到线圈中,线圈会产生与电流极性相适的电磁场,其强度与电流强度成正比。线圈产 生的磁场与永久磁铁磁场相互作用使线圈受力并沿磁铁的轴向产生往复运动,由于纸盆与支撑线圈 的圆筒骨架连为一体,所以纸盆也随之产生振动发出声音。但它也可反过来使用,即把它当作麦克 来使用,当有声音使纸盆产生共振带动线圈沿磁铁的轴向产生微小移动时,线圈便会切割永久磁铁 的磁场,在线圈中会产生感应电势,这样就实现了声电转换。动圈式麦克就是利用这个原理制作的。 动圈式喇叭的线圈匝数较少,所以产生的感应电势非常微弱,线圈的阻抗也很小,仅有几欧姆到几 十欧姆。当把动圈式喇叭作为麦克使用时,若采用共发射极放大电路,经过测试发现放大电路的放 大能力没有发挥出来。但若是采用共基极接法放大电路,结果有所好转。这是为什么呢?这要从放 大电路的输入电阻和信号源特性两个方面来分析。首先我们对动圈式喇叭的电压和电流输出能力进 18 电子产品常用单元电路分析 第 1章 行测试,具体做法是用手触碰喇叭的纸盆,然后用万用表的交流电压档和交流电流档分别测试电压 和电流,测量结果表明,喇叭的电流输出能力要大于电压输出能力。对于这样一个信号源,放大电 路的输入电阻不能太高,否则就会影响信号源电流的进入。而共发射极接法的放大电路输入电阻为 几千欧姆,共基极放大电路的输入电阻为几百欧姆,所以采用后者的效果就要比前者好。共基极放 大电路如图 1­19 所示。 图 1­18 动圈式喇叭结构示意图 图 1­19 共基极放大电路 3.压电陶瓷片放大器的选择 压电陶瓷片即是一种电声转换器件(可以用来做蜂鸣器或高音喇叭),又是一种声电转换器件。 压电陶瓷片声电转换原理: 压电陶瓷是一种能将机械能和电能相互转换即具有压电效应的陶瓷材料。 所谓压电效应是指某些介质在受到机械压力时,哪怕这种压力像声波振动那样微小,都会产生 压缩或伸长等形状变化,引起介质表面带电(声电转换)。这是正压电效应。反之,施加激励电场, 介质产生变形(电声转换),称逆电效应。利用压电陶瓷的正压电效应可以制成振动传感器(测量 人体脉搏)或制成声纳传感器(测量水下物体)。利用压电陶瓷片的逆电效应可以制成蜂鸣器和高 音喇叭。 压电陶瓷片的结构是在两片铜质圆形片中间放入压电陶瓷介质材料(类似电容结构),两个 铜质圆形片即为两个电极。由于压电陶瓷片的两个电极被陶瓷介质隔离,所以其内阻极高(可达 数百兆以上),在声波的作用下或两个电极直接受外力作用时,两个电极虽然能产生电场信号, 但基本无电流输出能力。它的特性正好和动圈喇叭相反,一个是电流输出能力强,一个是电压输 出能力强。如果用“双极型”三极管作为放大器件显然不合适,因为三极管是电流控制器件。在 这种情况下应当采用“单极型”场效应管作为放大器件,因为场效应管是电压控制器件,输入电 阻极高,工作时基本不需要输入电流。场效应管放大电路如图 1­20 所示,国产场效应管的型号 有 3DJ6、3DJ7 等。如果输入级采用集成运算大器也必须选用“单极型”的,如 CA3140、OP07 等。该电路可用于检测人体脉搏的跳动,将压电陶瓷片放在手腕处脉搏跳动的位置用手轻轻压住, 此时每当脉搏跳动一次时,输出端就会产生一个电位的变化,再通过整形电路变成标准脉冲后, 用计数电路就可对其计数。 19 电子产品原理安装与调试 图 1­20 场效应管放大电路 从以上分析我们可以得出结论:如果信号源输出电流的能力大,则要求放大电路的输入电阻要 小一些;如果信号源输出电压的能力大,则要求放大电路的输入电阻要大一些;如果需要信号源输 出功率最大,则要求信号源所带的负载电阻与信号源内阻实现匹配,即两者阻值相等。 二、关于小信号的放大问题 提出问题 在一个电子系统中,如果需要对某一个物理量(如温度)进行精确控制,而代表这 个物理量的电压信号非常微弱(在 10mV 以下),其周围又有较大的共模信号存在,在这种情况下 应选用共模抑制比很高的差动放大电路,同时还要求放大电路有极高的输入电阻以减小信号源内部 的损耗,具有这样性能的放大电路称为测量放大器,如图 1­21 所示。 图 1­21 测量放大电路 其总放大倍数为: K = æ - ç1 + è 2 R1 RG ö ÷× ø R5 R3 测量放大器通常由三个性能一致的运放组成,A3 为差动放大电路,A1 和 A2 是两个同相输入放 大电路组成输入级,它们的作用除了具有放大作用外主要是用来提高整个放大电路的输入电阻。这 20

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