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模拟电子技术基础课件(华成英)经典.pdf

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模拟电子技术基础课件(华成英)经典.pdf

第一讲 绪论 一、电子技术的发展 二、模拟信号与模拟电路 三、“模拟电子技术基础”课程的特 点四、如何学习这门课程 五、课程的目的 六、考查方法 1 一、电子技术的发展 很大程度上反映在元器件的发展上 : • 1947年 贝尔实验室制成第一只晶体管 • 1958年 集成电路 • 1969年 大规模集成电路 • 1975年 超大规模集成电路 第一片集成电路只有4个晶体管,而1997年一片集成 电路中有40亿个晶体管。有科学家预测,集成度还将按 10倍/6年的速度增长,到2015或2020年达到饱和。 学习电子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展! 2 二、模拟信号与模拟电路 1. 信号:是反映消息的物理量  如温度、压力、流量,自然界的声音信号等等, 因而信号是消息的表现形式。  信息需要借助于某些物理量(如声、光、电) 的变化来表示和传递。 2. 电信号  由于非电的物理量很容易转换成电信号,而且 电信号又容易传送和控制,因此电信号成为应用 最为广泛的信号。  电信号是指随时间而变化的电压u或电流i ,记 作u=f(t) 或i=f(t) 。 3 二、模拟信号与模拟电路 3. 电子电路中信号的分类  模拟信号  对应任意时间值t 均有确定的函数值u或i,并且u 或 i 的幅值是连续取值的,即在时间和数值上均具 有连续性。  数字信号  在时间和数值上均具有离散性,u或 i 的变化在 时间上不连续,总是发生在离散的瞬间;且它们的 数值是一个最小量值的整数倍,当其值小于最小量 值时信号将毫无意义。 大多数物理量所转换成的信号均为模拟信号。 4 二、模拟信号与模拟电路 4. 模拟电路  模拟电路:对模拟量进行处理的电路。  最基本的处理是对信号的放大。  放大:输入为小信号,有源元件控制电源使负载获 得大信号,并保持线性关系。  有源元件:能够控制能量的元件。 5 二、模拟信号与模拟电路 5. “模拟电子技术基础” 课程的内容  半导体器件。  处理模拟信号的电子电路及其相关的基本功能:各 种放大电路、运算电路、滤波电路、信号发生电路、 电源电路等等。  模拟电路的分析方法。  不同的电子电路在电子系统中的作用。 6 三、“模拟电子技术基础”课程的特点 1、工程性  实际工程需要证明其可行性。  强调定性分析。  实际工程在满足基本性能指标的前提下总是容许存 在一定的误差范围的。  电子电路的定量分析称为“估算”。  近似分析要“合理”。  抓主要矛盾和矛盾的主要方面。  电子电路归根结底是电路。  估算不同的参数需采用不同的模型,可用电路的 基本理论分析电子电路。 7 三、“模拟电子技术基础”课程的特点 2. 实践性 实用的模拟电子电路几乎都需要进行调试 才能达到预期的目标,因而要掌握以下方法:  常用电子仪器的使用方法  电子电路的测试方法  故障的判断与排除方法  EDA软件的应用方法 8 四、如何学习这门课程 1. 掌握基本概念、基本电路和基本分析方法  基本概念:概念是不变的,应用是灵活的, “万 变不离其宗”。  基本电路:构成的原则是不变的,具体电路是多种 多样的。  基本分析方法:不同类型的电路有不同的性能指标 和描述方法,因而有不同的分析方法。 2. 学会辩证、全面地分析电子电路中的问题  根据需求,最适用的电路才是最好的电路。  要研究利弊关系,通常“有一利必有一弊”。 3. 注意电路中常用定理在电子电路中的应用 9 五、课程的目的 本课程通过对常用电子元器件、模拟电路及其系统的 分析和设计的学习,使学生获得模拟电子技术方面的基 础知识、基础理论和基本技能,为深入学习电子技术及 其在专业中的应用打下基础。 1. 掌握基本概念、基本电路、基本分析方法和基本实验 技能。 2. 具有能够继续深入学习和接受电子技术新发展的能力, 以及将所学知识用于本专业的能力。 建立起系统的观念、工程的观念、科技进步的观念和 创新意识。 10 六、考查方法 } 1. 会看:定性分析 考查分析问题的能力 2. 会算:定量计算 3. 会选:电路形式、器件、参数 考查解决问题的能力--设计能力 4. 会调:仪器选用、测试方法、故障诊断、EDA 考查解决问题的能力--实践能力 综合应用所学知识的能力 11 第二讲 半导体基础知识 一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及其单向导电性 四、PN结的电容效应 12 一、本征半导体 1、什么是半导体?什么是本征半导体? 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导体--铁、铝、铜等金属元素等低价元素,其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动,形成电流。 绝缘体--惰性气体、橡胶等,其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强,只有在外电场强到一定程度时才可能导 电。 半导体--硅(Si)、锗(Ge),均为四价元素,它们原 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。 无杂质 稳定的结构 13 1、本征半导体的结构 共价键 由于热运动,具有足够能量 的价电子挣脱共价键的束缚 而成为自由电子 自由电子的产生使共价键中 留有一个空位置,称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失,称为复合。 一定温度下,自由电子与空穴对的浓度一定;温度升高, 热运动加剧,挣脱共价键的电子增多,自由电子与空穴对 的浓度加大。 14 2、本征半导体中的两种载流子 运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时,带负电的自由电 子和带正电的空穴均参与导电, 且运动方向相反。由于载流子数 目很少,故导电性很差。 温度升高,热运动加剧,载流 子浓度增大,导电性增强。 热力学温度0K时不导电。 载流子 为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体? 15 二、杂质半导体 1. N型半导体 +5 多数载流子 空穴比未加杂质时的数目 多了?少了?为什么? 杂质半导体主要靠多数载 流子导电。掺入杂质越多, 多子浓度越高,导电性越强, 实现导电性可控。 磷(P) 16 2. P型半导体 +3 硼(B) 多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电, 掺入杂质越多,空穴浓度越高, 导电性越强, 在杂质半导体中,温度变化时, 载流子的数目变化吗?少子与多 子变化的数目相同吗?少子与多 子浓度的变化相同吗? 17 三、PN结的形成及其单向导电性 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气 体、液体、固体均有之。 P区空穴 浓度远高 于N区。 N区自由电 子浓度远高 于P区。 扩散运动 扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面 N区的自由电子浓度降低,产生内电场,不利于扩散运动的继 续进行。 18 PN结的形成 由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子,形成 内电场,从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P 区、自由电子从P区向N 区运动。 漂移运动 因电场作用所产生 的运动称为漂移运动。 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同, 达到动态平衡,就形成了PN结。 19 PN结的单向导电性 PN结加正向电压导通: 耗尽层变窄,扩散运动加 剧,由于外电源的作用,形 成扩散电流,PN结处于导通 状态。 PN结加反向电压截止: 耗尽层变宽,阻止扩散运动, 有利于漂移运动,形成漂移电 流。由于电流很小,故可近似 认为其截止。 20 四、PN结的电容效应 1. 势垒电容 PN结外加电压变化时,空间电荷区的宽度将发生 变化,有电荷的积累和释放的过程,与电容的充放 电相同,其等效电容称为势垒电容Cb。 2. 扩散电容 PN结外加的正向电压变化时,在扩散路程中载 流子的浓度及其梯度均有变化,也有电荷的积累和 释放的过程,其等效电容称为扩散电容Cd。 结电容: Cj = Cb + Cd 结电容不是常量!若PN结外加电压频率高到一定 程度,则失去单向导电性! 21 第三讲 半导体二极管 一、二极管的组成 二、二极管的伏安特性及电流方程 三、二极管的等效电路 四、二极管的主要参数 五、稳压二极管 22 一、二极管的组成 将PN结封装,引出两个电极,就构成了二极管。 点接触型: 结面积小,结电容小 故结允许的电流小 最高工作频率高 面接触型: 结面积大,结电容大 故结允许的电流大 最高工作频率低 平面型: 结面积可小、可大 小的工作频率高 大的结允许的电流大 23 二、二极管的伏安特性及电流方程 二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性 i = f (u) u i = IS (eUT −1) (常温下UT = 26mV) 击穿 电压 反向饱 开启 和电流 电压 温度的 电压当量 材料 硅Si 锗Ge 开启电压 0.5V 0.1V 导通电压 0.5~0.8V 0.1~0.3V 反向饱和电流 1µA以下 几十µA 24 从二极管的伏安特性可以反映出: 1. 单向导电性 正向特性为 指数曲线 u i = IS (eUT −1) u 若正向电压u >> UT,则i ≈ ISeUT; 若反向电压 u >> UT,则i ≈ −IS。 2. 伏安特性受温度影响 反向特性为横轴的平行线 T(℃)↑→在电流不变情况下管压降u↓ →反向饱和电流IS↑,U(BR) ↓ T(℃)↑→正向特性左移,反向特性下移 25 三、二极管的等效电路 1. 将伏安特性折线化 导通时i与u成 线性关系 理想 二极管 理想开关 导通时 UD=0 截止时IS=0 近似分析 中最常用 导通时UD=Uon 截止时IS=0 应根据不同情况选择不同的等效电路! 26 三、二极管的等效电路 2. 微变等效电路 当二极管在静态基础上有一动态信号作用时,则可将二极 管等效为一个电阻,称为动态电阻,也就是微变等效电路。 ui=0时直流电源作用 根据电流方程,rd = ∆uD ∆iD ≈ UT ID 27 小信号作用 Q越高,rd越小。 静态电流 四、二极管的主要参数 • 最大整流电流IF:最大平均值 • 最大反向工作电压UR:最大瞬时值 • 反向电流 IR:即IS • 最高工作频率fM:因PN结有电容效应 结电容为扩散电容(Cd)与势垒电容(Cb)之和。 扩散路程中 电荷的积累 与释放 空间电荷区 宽窄的变化 有电荷的积 累与释放 28 五、稳压二极管 1. 伏安特性 由一个PN结组 成,反向击穿后 在一定的电流范 围内端电压基本 不变,为稳定电 压。 2. 主要参数 进入稳压区的最小电流 不至于损坏的最大电流 稳定电压UZ、稳定电流IZ 最大功耗PZM= IZM UZ 动态电阻rz=ΔUZ /ΔIZ 29 讨论一 判断电路中二极管的工作状态,求解输出电压。 判断二极管工作状态的方法? 30 讨论二 1. V=2V、5V、10V时二极管中 的直流电流各为多少? 2. 若输入电压的有效值为5mV, 则上述各种情况下二极管中的交 ID 流电流各为多少? rd V=5V时, = ∆uD ∆iD ≈ UT I DQ Q uD=V-iR ID = V −UD R V 较小时应实测伏安 特性,用图解法求ID。 ≈ (5 − 0.7)A = 21.5mA 200 V=10V时,I D ≈ V R = ( 10 )A 200 = 50mA 31 讨论二 rd = ∆uD ∆iD ≈ UT I DQ ,I d = Ui rd V=2V,ID≈2.6mA V=5V,ID≈ 21.5mA rd ≈ ( 26 )Ω 2.6 = 10Ω,Id ≈ ( 5 )mA 10 = 0.5mA rd = ( 26 )Ω 21.5 ≈ 1.21Ω,Id ≈ ( 5 )mA 1.21 = 4.1mA V=10V,ID≈ 50mA rd = ( 26)Ω 50 = 0.52Ω,Id ≈ ( 5 )mA 0.52 = 9.6mA 在伏安特性上,Q点越高,二极管的动态电阻越小! 32 第四讲 晶体三极管 一、晶体管的结构和符号 二、晶体管的放大原理 三、晶体管的共射输入特性和输出特性 四、温度对晶体管特性的影响 五、主要参数 33 一、晶体管的结构和符号 为什么有孔? 小功率管 中功率管 大功率管 多子浓度高 多子浓度很 低,且很薄 面积大 晶体管有三个极、三个区、两个PN结。 34 二、晶体管的放大原理 放大的条件uBE > Uo(n 发射结正偏) uCB ≥ 0,即uCE ≥ uB(E 集电结反偏) 少数载 流子的 运动 因集电区面积大,在外电场作用下大 部分扩散到基区的电子漂移到集电区 因基区薄且多子浓度低,使极少 数扩散到基区的电子与空穴复合 基区空穴 的扩散 因发射区多子浓度高使大量 电子从发射区扩散到基区 扩散运动形成发射极电流IE,复合运动形成基极 电流IB,漂移运动形成集电极电流IC。 35 • 电流分配: IE=IB+IC IE-扩散运动形成的电流 IB-复合运动形成的电流 IC-漂移运动形成的电流 直流电流 放大系数 β = IC IB β = ∆iC ∆iB ICEO = (1+ β )ICBO 交流电流放大系数 穿透电流 集电结反向电流 为什么基极开路集电极回 路会有穿透电流? 36 三、晶体管的共射输入特性和输出特性 1. 输入特性 iB = f (uBE ) UCE 为什么像PN结的伏安特性? 为什么UCE增大曲线右移? 为什么UCE增大到一定值曲 线右移就不明显了? 对于小功率晶体管,UCE大于1V的一条输入特性曲线 可以取代UCE大于1V的所有输入特性曲线。 37 2. 输出特性 iC = f (uCE ) IB 对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线。 饱和区 ∆iC 放大区 为什么uCE较小时iC随uCE变 化很大?为什么进入放大状态 曲线几乎是横轴的平行线? ∆iB β = ∆iC ∆iB UCE =常量 截止区 β是常数吗?什么是理想晶体管?什么情况下 β = β ? 38 晶体管的三个工作区域 状态 截止 放大 饱和 uBE <Uon ≥ Uon ≥ Uon iC ICEO βiB <βiB uCE VCC ≥ uBE ≤ uBE 晶体管工作在放大状态时,输出回路的电流 iC几乎仅仅 决定于输入回路的电流 iB,即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC 。 39 四、温度对晶体管特性的影响 T (℃) ↑→ ICEO ↑ →β ↑ → uBE不变时iB ↑ ,即iB不变时uBE ↓ 40 五、主要参数 • 直流参数:β 、α 、ICBO、 ICEO α = IC IE α = ∆iC = β ∆iE 1+ β • 交流参数:β、α、fT(使β=1的信号频率) • 极限参数:ICM、PCM、U(BR)CEO 最大集电 极电流 c-e间击穿电压 最大集电极耗散功 率,PCM=iCuCE 安全工作区 41 讨论一 通过uBE是否大于Uon判断管 子是否导通。 iB = uI −U BE Rb = (5 − 0.7)mA 100 = 43μA iCmax = VCC Rc = (12)mA = 2.4mA 5 临界饱和时的 β = iCmax ≈ 56 iB 1. 分别分析uI=0V、5V时T是工作在截止状态还是导通状态; 2. 已知T导通时的UBE=0.7V,若uI=5V,则β在什么范围内T 处于放大状态?在什么范围内T处于饱和状态? 42 讨论二 2.7 ΔiC PCM = iCuCE uCE=1V时的iC就是ICM β = ∆iC ∆iB U CE U(BR)CEO 由图示特性求出PCM、ICM、U (BR)CEO 、β。 43 第五讲 基本共射放大电路的 工作原理 一、放大的教概学念基与本放要大求电:路的性能指标 二、基本共1射、放如大何电组路成的基组本成放及大各电元路件的作用 三、设置静2态、工如作何点分的析必放要大性电路 四、基本共射放大电路的工作原理 五、放大电路的组成原则 44 一、放大的概念及放大电路的性能指标 1. 放大的概念 放大的对象:变化量 放大的本质:能量的控制 判断电路能否放 大的基本出发点 放大的特征:功率放大 放大的基本要求:不失真,放大的前提 45 2. 性能指标 任何放大电路均可看成为二端口网络。 输入电流 输出电流 信号源 内阻 信号源 输入电压 输出电压 1) 放大倍数:输出量与输入量之比 Auu = Au = U o U i Aii = Ai = Io Ii Aui = U o Ii Aiu = Io U i 电压放大倍数是最常被研究和测试的参数 46 2)输入电阻和输出电阻 从输入端看进去的 等效电阻 Ri = Ui Ii 输入电压与 输入电流有 效值之比。 Ro = U ' o −Uo Uo = (U ' o Uo −1)RL RL 将输出等效 成有内阻的电 压源,内阻就 是输出电阻。 空载时输出 带RL时的输出电 电压有效值 压有效值 47 3)通频带 衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。 由于电容、电感及半导体器件PN结的电容效应,使放大电 路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降,并产生相 移。 下限频率 fbw = fH − fL 上限频率 4)最大不失真输出电压Uom:交流有效值。 48 二、基本共射放大电路的组成及各元件的作用 VBB、Rb:使UBE> Uon,且有 合适的IB。 VCC:使UCE≥Uon,同时作为负 载的能源。 Rc:将ΔiC转换成ΔuCE(uo) 。 动态信号作用时:ui → ib → ic → ∆iRc → ∆uCE (uo ) 输入电压ui为零时,晶体管各极的电流、b-e间的电 压、管压降称为静态工作点Q,记作IBQ、 ICQ(IEQ)、 UBEQ、 UCEQ。 49 三、设置静态工作点的必要性 为什么放大的对象是动态信号,却要晶体管在信号为零 时有合适的直流电流和极间电压? 输出电压必然失真! 设置合适的静态工作点,首先要解决失真问题,但Q点 几乎影响着所有的动态参数! 50 四、基本共射放大电路的工作原理 波形分析 动态信号 驮载在静 态之上 uCE 饱和失真 VCC UCEQ O 底部失真 uCE VCC UCEQ 截止失真 tO t 顶部失真 51 要想不失真,就要 输出和输入反相! 在信号的整个周期内 保证晶体管始终工作 在放大区! 五、放大电路的组成原则 • 静态工作点合适:合适的直流电源、合适的电 路参数。 • 动态信号能够作用于晶体管的输入回路,在负 载上能够获得放大了的动态信号。 • 对实用放大电路的要求:共地、直流电源种类 尽可能少、负载上无直流分量。 52 两种实用放大电路 直接耦合放大电路 问题: 1. 两种电源 将两个电源 合二为一 2. 信号源与放大电路不“共地” 共地,且要使信号 驮载在静态之上 静态时,U BEQ = U Rb1 动态时,b-e间电压是uI与 Rb1上的电压之和。 53 两种实用放大电路 阻容耦合放大电路 -+ UBEQ +- UCEQ C1、C2为耦合电容! 耦合电容的容量应足够 大,即对于交流信号近似 为短路。其作用是“隔离 直流、通过交流”。 静态时,C1、C2上电压? UC1 = U BEQ,U C2 = UCEQ 动态时, uBE=uI+UBEQ,信号驮载在静态之上。 负载上只有交流信号。 54 讨论 1. 用NPN型晶体管组成一个在本节课中未见过 的共射放大电路。 照葫芦画瓢! 2. 用PNP型晶体管组成一个共射放大电路。 55 第六讲 放大电路的分析方法 一、放大电路的直流通路和交流通路 二、图解法 三、等效电路法 56 一、放大电路的直流通路和交流通路 通常,放大电路中直流电源的作用和交流信号的 作用共存,这使得电路的分析复杂化。为简化分析, 将它们分开作用,引入直流通路和交流通路的概念。 1. 直流通路:① Us=0,保留Rs;②电容开路; ③电感相当于短路(线圈电阻近似为0)。 2. 交流通路:①大容量电容相当于短路; ②直流电源相当于短路(内阻为0)。 57 基本共射放大电路的直流通路和交流通路 IBQ=VBB-RUb BEQ ICQ = β IBQ U CEQ = VCC − ICQ Rc VBB越大, UBEQ取不同的 值所引起的IBQ 的误差越小。 列晶体管输入、输出回路方程,将UBEQ作为已知条件, 令ICQ=βIBQ,可估算出静态工作点。 58 阻容耦合单管共射放大电路的直流通路和交流通路 直流通路 IBQ=VCC-RUb BEQ ICQ = β IBQ U CEQ = VCC − ICQ Rc 当VCC>>UBEQ时,I BQ ≈ VCC Rb 已知:VCC=12V, Rb=600kΩ, Rc=3kΩ , β =100。 Q =? 59 讨论一 画出图示电路的直流通路和交流通路。 将uS短路,即为直流通路。 60 二、图解法 应实测特性曲线 1. 静态分析:图解二元方程 uBE = VBB − iBRb uCE = VCC − iC Rc Q IBQ 输入回路 负载线 ICQ 负载线 Q IBQ UBEQ UCEQ 61 2. 电压放大倍数的分析 uBE = VBB + ∆uI − iBRb 斜率不变 ∆iC IB = IBQ + ∆iB ∆uI ∆uCE 给定∆uI → ∆iB → ∆iC → ∆uCE (∆uO ) → Au = ∆uO ∆uI ∆uO与∆uI反相,Au符号为“-”。 62 3. 失真分析 • 截止失真 Q' t 截止失真是在输入回路首先产生失真! 消除方法:增大VBB,即向上平移输入回路负载线。 减小Rb能消除截止失真吗? 63 饱和失真 饱和失真产生于晶体管的输出回路! 64 消除饱和失真的方法 Rc↓或VCC↑ Q ''' Rb↑或 Q '' β↓或 VBB ↓ 这可不是 好办法! • 消除方法:增大Rb,减小VBB,减小Rc,减小β,增大VCC。 • 最大不失真输出电压Uom :比较UCEQ与( VCC- UCEQ ), 取其小者,除以 2 。 65 4、图解法的特点 • 形象直观; • 适应于Q点分析、失真分析、最大不失真输出 电压的分析; • 能够用于大信号分析; • 不易准确求解; • 不能求解输入电阻、输出电阻、频带等参数。 66 直流负载线和交流负载线 B ICQ RL' Uom=?Q点在什么位置Uom最大? 交流负载线应过Q点,且 斜率决定于(Rc∥RL) 67 讨论二 1. 在什么参数、如何变化时Q1→ Q2 → Q3 → Q4? 2. 从输出电压上看,哪个Q点下最易产生截止失真?哪 个Q点下最易产生饱和失真?哪个Q点下Uom最大? 3. 设计放大电路时,应根据什么选择VCC? 68 讨论三 已知ICQ=2mA,UCES= 0.7V。 1. 在空载情况下,当输 入信号增大时,电路首先出 现饱和失真还是截止失真? 若带负载的情况下呢? 2. 空载和带载两种情况下Uom分别为多少? 3. 在图示电路中,有无可能在空载时输出电压失真,而 带上负载后这种失真消除? 69 三、等效电路法 输入回路等效为 恒压源 • 半 利导 用体线器 性件 元的 件非 建线 立性 模特 型性 ,使 来放 描大 述电 非路 线的 性分 器IBQ析 件=复 的VB杂 特B-R化 性Ub 。 。BEQ 1. 直流模型:适于Q点的分析 ICQ = β IBQ 输出回路等效为电流控制的电流源 U CEQ = VCC − ICQ Rc 理想二极管 利用估算法求解静态工作点,实质上利用了直流模型。 70 2. 晶体管的h参数等效模型(交流等效模型) • 在交流通路中可将晶体管看成 为一个二端口网络,输入回路、 输出回路各为一个端口。 uBE = f (iB,uCE ) iC = f (iB,uCE ) 71 在低频、小信号作用下的关系式 duBE = ∂uBE ∂iB U CE diB + ∂uBE ∂uCE IB duCE  diC = ∂iC ∂iB U CE diB + ∂iC ∂uCE IB duCE 电阻 无量纲 U  be = h11Ib + h12U ce  Ic = h21Ib + h22U ce 无量纲 电导 交流等效模型(按式子画模型) 72 h参数的物理意义 h11 = ∂uBE ∂iB U CE = rbe b-e间的 动态电阻 h12 = ∂uBE ∂uCE IB 内反馈 系数 h21 = ∂iC ∂iB U CE =β 电流放大系数 h22 = ∂iC ∂uCE iB = 1 rce c-e间的电导 分清主次,合理近似!什么情况下h12和h22的作用可忽略不计? 73 简化的h参数等效电路-交流等效模型 基区体电阻 发射结电阻 发射区体电阻 数值小可忽略 利用PN结的电流方程可求得 rbe = U be Ib = rbb' + rb'e ≈ rbb' + (1+ β ) UT I EQ 查阅手册 由IEQ算出 在输入特性曲线上,Q点越高,rbe越小! 74 3. 放大电路的动态分析 放大电路的 交流等效电路 Ro = Rc Ui = Ii (Rb + rbe ) = Ib (Rb + rbe ) Uo = −Ic Rc Au = Uo U i =− β Rc Rb + rbe Ri = Ui Ii = Rb + rbe 75 阻容耦合共射放大电路的动态分析 Au = Uo U i = − Ic (Rc ∥ RL ) Ib rbe = − β RL' rbe Aus = Uo U s = Ui U s ⋅ Uo U i = Ri Rs + Ri ⋅ Au Ri = Rb ∥ rbe ≈ rbe Ro = Rc 76 讨论四:基本共射放大电路的静态分析 β = 80 rbb' = 200Ω 为什么用 图解法求解 IBQ和UBEQ? Q IBQ≈35μA UBEQ≈0.65V ICQ = βIBQ ≈ 2.8mA UCEQ = VCC − ICQ Rc ≈ 3.8V 77 讨论四:基本共射放大电路的动态分析 rbe ≈ rbb' + (1 + β ) UT I EQ ≈ 952Ω Au = − β (Rc ∥ RL ) Rb + rbe ≈ −11 Ri = Rb + rbe ≈ 11kΩ Ro = Rc = 3kΩ 78 讨论五:阻容耦合共射放大电路的静态分析 β = 80,rbe = 1kΩ 为什么可 忽略? I BQ = VCC − U BEQ Rb ≈ 20μA ICQ = βIBQ ≈ 1.6mA UCEQ = VCC − ICQ Rc ≈ 7.2V 79 讨论五:阻容耦合共射放大电路的动态分析 β = 80,rbe = 1kΩ Au = − β (Rc ∥ RL ) rbe ≈ −120 Aus = Uo U s = Ui U s ⋅ Uo U i =− Ri Rs + Ri ⋅ β (Rc ∥ RL ) rbe = −60 Ri = Rb ∥ rbe ≈ 1kΩ Ro = Rc = 3kΩ 80 第七讲 静态工作点的稳定 一、温度对静态工作点的影响 二、静态工作点稳定的典型电路 三、稳定静态工作点的方法 81 一、温度对静态工作点的影响 T( ℃ )→β↑→ICQ↑ →Q’ Q’ ICEO↑ 若UCEQ不变IBQ↑ 若温度升高时要Q’回到Q, 则只有减小IBQ 所谓Q点稳定,是指ICQ和UCEQ在温度变化时基本不变, 这是靠IBQ的变化得来的。 82 二、静态工作点稳定的典型电路 1. 电路组成 直流通路? Ce为旁路电容,在交流 通路中可视为短路 83 2. 稳定原理 为了稳定Q点,通常I1>> IB,即 I1≈ I2;因此 U BQ ≈ Rb1 Rb1 + Rb2 ⋅VCC 基本不随温度变化。 I EQ = U BQ − U BEQ Re 设UBEQ= UBE+ΔUBE,若UBEQ- UBE<< ΔUBE,则UEQ稳定。 84 Re 的作用 T(℃)↑→IC↑→UE ↑→UBE↓(UB基本不变)→ IB ↓→ IC↓ 关于反馈的一些概念: 将输出量通过一定的方式引回输入回路影响输入量的措 施称为反馈。 直流通路中的反馈称为直流反馈。 反馈的结果使输出量的变化减小的称为负反馈,反之称 为正反馈。 IC通过Re转换为ΔUE影响UBE 温度升高IC增大,反馈的结果使之减小 Re起直流负反馈作用,其值越大,反馈越强,Q点越稳定。 Re有上限值吗? 85 3. Q点分析 什么条件下成立? U BQ ≈ Rb1 Rb1 + Rb2 ⋅VCC I EQ = U BQ-U BEQ Re I BQ = I EQ β U CEQ = VCC − ICQ Rc − IEQ Re ≈ VCC − IEQ (Rc + Re ) 分压式电流负反馈工作点稳定电路 86 利用戴维宁定理等效变换后求解Q点 VBB = Rb1 Rb1 + Rb2 ⋅VCC Rb = Rb1 ∥ Rb2 Rb上静态电压 可忽略不计! VBB = IBQ Rb + U BEQ + IEQ Re = IBQ Rb + U BEQ + (1+ β )IBQ Re U BQ = U BEQ + (1+ β )IBQ Re 若 (1+ β) Re >> Rb,则U BQ ≈ Rb1 Rb1 + Rb2 ⋅VCC 87 4. 动态分析 Au = Uo U i =− β RL' rbe Ri = Rb1 ∥ Rb2 ∥ rbe Ro = Rc 无旁路电容Ce时: Ri = Rb1 ∥ Rb2 ∥[rbe + (1+ β )Re ] Au = U o U i = − β Ib (Rc ∥ RL ) Ibrbe + Ie Re =− β RL' rbe + (1 + β )R e 利?弊? 若(1 + β )Re >> rbe,则Au ≈ − RL' Re 88 三、稳定静态工作点的方法 • 引入直流负反馈 • 温度补偿:利用对温度 敏感的元件,在温度变 化时直接影响输入回路。 例如,Rb1或Rb2采用热敏 电阻。 Rb1应具有负温度 系数, Rb2应具有正温度 系数。 T (℃) ↑→ IC ↑→ U E ↑→ U BE ↓→ IB ↓→ IC ↓ Rb1 ↓→ U B ↓ 89 讨论 图示两个电路中是否采用了措施来稳定静态工作点? 若采用了措施,则是什么措施? 90 第八讲 晶体管放大电路的三种接法 一、基本共集放大电路 二、基本共基放大电路 三、三种接法放大电路的比较 四、三种接法的组合形式 91 一、基本共集放大电路 1. 静态分析 VBB = IBQ Rb + U BEQ + IEQ Re VCC = U CEQ + IEQ Re I BQ = VBB − U BEQ Rb + (1+ β )Re IEQ = (1+ β )IBQ U CEQ = VCC − IEQ Re 92 2. 动态分析:电压放大倍数 Au = Uo U i = Ib (Rb Ie Re + rbe ) + Ie Re = (1+ β )Re Rb + rbe + (1+ β )Re Uo< Ui 故称之为射 极跟随器 若(1+β)Re >> Rb + rbe,则 Au ≈ 1,即 Uo ≈ Ui 。 93 2. 动态分析:输入电阻的分析 RL Ri = Ui Ii = Ui Ib = Rb + rbe + (1+ β )Re 带负载电阻后 Ri = Rb + rbe + (1+ β )(Re // RL ) Ri与负载有关! 94 2. 动态分析:输出电阻的分析 令Us为零,保留Rs,在输出端加Uo,得: − Uo + Ro与信号源内阻有关! Ro = Uo Io = Uo I Re + Ie = Uo Uo + (1+ β ) Uo Re Rb + rbe = Re ∥ Rb + rbe 1+ β 3. 特点 输入电阻大,输出电阻小;只放大电流,不放大电压; 在一定条件下有电压跟随作用! 95 二、基本共基放大电路 1. 静态分析 U BEQ + IEQ Re = VBB ICQ Re + U CEQ −U BEQ = VCC I EQ = VBB − U BEQ Re I BQ = I EQ 1+ β U CEQ ≈ VCC − IEQ Rc + U BEQ 96 2. 动态分析 Au = Uo U i = Ic Rc Ie Re + Ibrbe = rbe β Rc + (1+ β )Re Ri = Re + rbe (1+ β ) Ro = Rc 3. 特点: 输入电阻小,频带宽!只放大电压,不放大电流! 97 三、三种接法的比较:空载情况下 接法 Au Ai Ri Ro 频带 共射 大 β 中 大 窄 共集 共基 小于1 大 1+β α 大 小 小 大 中 宽 98 四、三种接法的组合形式 • 为使单级放大电路具有多方面的优良性能,有时 采用组合接法。例如: – 共集-共基形式:输入电阻高、电压放大倍数较大、 频带宽 – 共集-共射形式:输入电阻高、电压放大倍数较大 具有什么特 点?是为了增 强电压放大能 力吗? 99 讨论一 图示电路为哪种基本接法的放大电路?它们的静态工作 点有可能稳定吗?求解静态工作点、电压放大倍数、输入 电阻和输出电阻的表达式。 100 讨论二 电路如图,所有电容对交流信号均可视为短路。 1. Q为多少? 2. Re有稳定Q点的作用吗? 3. 电路的交流等效电路? 4. V 变化时,电压放大倍数如何变化? 101 讨论二 Au = − rbe + β (Rc ∥ RL ) (1+ β )(Re ∥ rD ∥ R) 当Re ∥ R>>rD时, Au ≈ − β (Rc ∥ RL ) ,V rbe + (1+ β )rD ↑→ rD ↓→ Au ↑ 102 第九讲 场效应管及其放大电路 一、场效应管 二、场效应管放大电路静态工作点 的设置方法 三、场效应管放大电路的动态分析 四、复合管 103 一、场效应管(以N沟道为例) 场效应管有三个极:源极(s)、栅极(g)、漏极(d), 对应于晶体管的e、b、c;有三个工作区域:截止区、恒流区、 可变电阻区,对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。 1. 结型场效应管 结构示意图 漏极 符号 栅极 导电 沟道 源极 104 栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用 沟道最宽 UGS(off) 沟道变窄 沟道消失 称为夹断 uGS可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必 须加负电压? 105 漏-源电压对漏极电流的影响 uGD>UGS(off) uGD=UGS(off) 预夹断 uGD> I B3,I E3 ≈ R2 R1 + R2 ⋅VEE R3 −U BEQ 155 近似为 恒流 六、差分放大电路的改进 1. 加调零电位器RW 1) RW取值应大些?还是小 些? 2) RW对动态参数的影响? 3) 若RW滑动端在中点,写 出Ad、Ri的表达式。 Ad = − Rb + rbe βRc + (1+ β) RW 2 Ri = 2(Rb + rbe ) + (1+ β )RW 156 2. 场效应管差分放大电路 Ad = −gm Rd Ri = ∞ Ro = 2Rd 157 讨论一 若uI1=10mV,uI2=5mV,则uId=? uIc=? uId=5mV ,uIc=7.5mV 158 讨论二 1、uI=10mV,则uId=? uIc=? 2、若Ad=-102、KCMR=103 用直流表测uO ,uO=? =? uId=5mV ,uIc=7.5mV uO= Ad uId+ Ac uIc+UCQ1 =? =? 159 第十二讲 互补输出级 一、对输出级的要求 二、基本电路 三、消除交越失真的互补输出级 四、准互补输出级 五、直接耦合多级放大电路 160 一、对输出级的要求 互补输出级是直接耦合的功率放大电路。 对输出级的要求:带负载能力强;直流功耗小; 负载电阻上无直流功耗; 射极输出形式 最大不失真输出电压最大。 静态工作电流小 双电源供电时Uom的峰 值接近电源电压。 单电源供电Uom的峰值 接近二分之一电源电压。 输入为零时输出为零 161 二、基本电路 1. 特征:T1、T2特性理想对称。 2. 静态分析 T1的输入特性 理想化特性 静态时T1、T2均截止,UB= UE=0 162 3. 动态分析 ui正半周,电流通路为 +VCC→T1→RL→地, + uo = ui + ui负半周,电流通路为 地→ RL → T2 → -VCC, uo = ui 两只管子交替工作,两路电源交替供电, 双向跟随。 163 4. 交越失真 + + 信号在零附近两 只管子均截止 开启 消除失真的方法: 电压 设置合适的静态工作点。 164 三、消除交越失真的互补输出级 • 对偏置电路的要求:有合适的Q点,且动态电 阻尽可能小,即动态信号的损失尽可能小。 • 如果信号为零时两只管子处于临界导通或微导 通状态,那么当有信号输入时两只管子中至少 有一只导通,因而消除了交越失真。 • 二极管导通时,对直流电源的作用可近似等效 为一个0.6~0.8V的直流电池,对交流信号的 作用可等效为一个数值很小的动态电阻。 165 三、消除交越失真的互补输出级 静态:U B1B2 = U D1 + U D2 动态:ub1 ≈ ub2 ≈ ui 若I 2>>I B,则 U B1B2 ≈ R3+R4 R4 ⋅U BE 故称之为U BE 倍增电路 166 四、准互补输出级 为保持输出管的良好对称性,输出管应为 同类型晶体管。 静态时:U BE1 + U BE2 + U EB3 ≈ (1 + R5 R4 )U BE5 动态时:ub1 ≈ ub3 ≈ ui 167 五、直接耦合多级放大电路 1. 放大电路的读图方法 (1)化整为零:按信号流通顺序将N级放大电 路分为N个基本放大电路。 (2)识别电路:分析每级电路属于哪种基本电 路,有何特点。 (3)统观总体:分析整个电路的性能特点。 (4)定量估算:必要时需估算主要动态参数。 168 2. 例题 动态电阻无穷大 (1)化整为零,识别电路 第一级:双端输入单端输出的差放 第二级:以复合管为放大管的共射放大电路 第三级:准互补输出级 169 (2)基本性能 输入电阻为2rbe、电压放大倍数较大、输出电阻 很小、最大不失真输出电压的峰值接近电源电压。 170 (3)判断电路的同相输入端和反相输入端 + 同相 输入端 + - + 反相 - + 输入端 接法 共射 共集 共基 输入 b b e 输出 c e c 相位 反相 同相 同相 171 整个电路可等 效为一个双端输 入单端输出的差 分放大电路。 (4)交流等效电路 可估算低 频小信号下 的电压放大 倍数、输入 电阻、输出 电阻等。 172 第十三讲 集成运算放大电路 一、概述 二、集成运放中的电流源电路 三、集成运放电路分析 四、集成运放的主要性能指标 五、集成运放的种类 173 一、概述 集成运算放大电路,简称集成运放,是一个高性能的直接 耦合多级放大电路。因首先用于信号的运算,故而得名。 1. 集成运放的特点 (1)直接耦合方式,充分利用管子性能良好的一致性采 用差分放大电路和电流源电路。 (2)用复杂电路实现高性能的放大电路,因为电路复杂 并不增加制作工序。 (3)用有源元件替代无源元件,如用晶体管取代难于制 作的大电阻。 (4)采用复合管。 174 2. 集成运放电路的组成 两个 输入端 一个 输出端 若将集成运放看成为一个“黑盒子”,则可等效为 一个双端输入、单端输出的差分放大电路。 175 集成运放电路四个组成部分的作用 偏置电路:为各 级放大电路设置 合适的静态工作 点。采用电流源 电路。 输入级:前置级,多采用差分放大电路。要求Ri大,Ad 大, Ac小,输入端耐压高。 中间级:主放大级,多采用共射放大电路。要求有足够 的放大能力。 输出级:功率级,多采用准互补输出级。要求Ro小,最 大不失真输出电压尽可能大。 176 3. 集成运放的符号和电压传输特性 uO=f(uP-uN) 在线性区: uO=Aod(uP-uN) Aod是开环差模放大倍数。 非线 性区 由于Aod高达几十万倍,所以集成运放工作在线性区时的 最大输入电压(uP-uN)的数值仅为几十~一百多微伏。 (uP-uN)的数值大于一定值时,集成运放的输出不是 +UOM , 就是-UOM,即集成运放工作在非线性区。 177 二、集成运放中的电流源电路 在电流源电路中充分利用集成运放中晶体管性能的一致性。 1. 镜像电流源 T0 和 T1 特性完全相同。 基准电流 IR = (VCC −U BE ) R U BE1 = U BE0,IB1 = IB0 电路中有 负反馈吗? IC1 = IC0 = IC IR = IC0 + IB0 + IB1 = IC + 2IC β IC = β β + 2 ⋅ IR 若β >> 2,则IC ≈ IR 178 2. 微电流源 要求提供很小的静态电流,又不能用大电阻。 IE1 = (U BE0 −U BE1) Re U BE I U T I ≈ I e , I ≈ I e E S E0 E1 ( U BE0 −U BE1 ) UT S U BE0 − U BE1 = UTln IE0 I E1 = I E1Re Re IE1 ≈ I C1 超越 I E0 ≈ I C0 ≈ I R = VCC − U BE0 R 方程 设计过程很简单,首先确定IE0和IE1,然后选定R和Re。 179 3. 多路电流源 (1)基于比例电流源的多路电流源 UBE0+IE0Re0 =UBE1+IE1Re1 =UBE2+IE2Re2 =UBE3+IE3Re4 因为UBE相差不多,故IE0Re0≈ IE1Re1 ≈ IE2Re2 ≈ IE3Re3 根据所需静态电流,来选取发射极电阻的数值。 180 (2)多集电极管构成的多路电流源 设三个集电区的面积分别为S0、S1、S2,则 IC1 = S1 ,IC2 = S2 IC0 S0 IC0 S0 根据所需静态电流,来确定集电结面积。 181 (3)MOS管多路电流源 基准电流 MOS管的漏极 电流正比于沟道 的宽长比。 设宽长比W/L=S,且T1~T4的宽长比分别为S0、S1、 S2、S3,则 ID1 = S1 ,ID2 = S2 ,ID3 = S3 ID0 S0 ID0 S0 ID0 S0 根据所需静态电流,来确定沟道尺寸。 182 4. 有源负载 (1)用于共射放大电路 哪只管子为放大管? 其集电结静态电流约为多少? 静态时UIQ为多少? 为什么要考虑 h22? Au = − β1 (rce1 ∥ rce2 ∥ RL ) Rb + rbe1 183 (2)用于差分放大电路 ①电路的输入、输出方式? ②如何设置静态电流? ③静态时iO约为多少? ④动态时ΔiO约为多少? 静态: IC1 = IC2,IC3 ≈ IC1,IC4 = IC3,IC4 ≈ IC2 使单端输出电路 iO = iC4 − iC2 ≈ 0 的差模放大倍数近 动态:∆iC1 = −∆iC2,∆iC4 = ∆iC3 ≈ ∆iC1, 似等于双端输出时 的差模放大倍数。 ∆iO = ∆iC4 − ∆iC2 ≈ 2∆iC1 184 三、集成运放电路分析 1. 读图方法 已知电路图,分析其原理和功能、性能。 (1)了解用途:了解要分析的电路的应用场合、用途和技术 指标。 (2)化整为零:将整个电路图分为各自具有一定功能的基本 电路。 (3)分析功能:定性分析每一部分电路的基本功能和性能。 (4)统观整体:电路相互连接关系以及连接后电路实现的功 能和性能。 (5)定量计算:必要时可估算或利用计算机计算电路的主要 参数。 185 2. 举例:型号为F007的通用型集成运放 对于集成运放电路,应首先找出偏置电路,然后根据信 号流通顺序,将其分为输入级、中间级和输出级电路。 186 找出偏置电路 若在集成运放电路中能够估算出某一支路的电流,则 这个电流往往是偏置电路中的基准电流。 187 简化电路 分解电路 三级放大电路 双端输入、单端 输出差分放大电 路 以复合管为放大管、 用UBE倍增电路消 恒流源作负载的共 除交越失真的准 射放大电路 互补输出级 188 输入级的分析 共集-共基形式 T1和T2从基极输入、射极输出 T3和T4从射极输入、集电极输出 T3、T4为横向PNP型管,输 入端耐压高。共集形式,输入 电阻大,允许的共模输入电压 幅值大。共基形式频带宽。 Q点的稳定: T(℃)↑→IC1↑ IC2↑ →IC8↑ IC9与IC8为镜像关系→IC9↑ 因为IC10不变→IB3↓ IB4↓ → IC3 ↓ IC4↓→ IC1↓ IC2↓ 189 输入级的分析 ++ _ + + + T7的作用:抑制共模信号 放大差模信号 T5、T6分别是T3、T4的有源 负载,而T4又是T6的有源负载。 特点: + +_ _ _ 输入电阻大、差模放大倍 + 数大、共模放大倍数小、 输入端耐压高,并完成电 平转换(即对“地”输 作用? 出)。 190 中间级的分析 中间级 中间级是主放大器,它 所采取的一切措施都是为 了增大放大倍数。 输出级 F007的中间级是以复合 管为放大管、采用有源负 载的共射放大电路。由于 等效的集电极电阻趋于无 穷大,故动态电流几乎全 部流入输出级。 191 输出级的分析 准互补输出级,UBE倍增电路消除交越失真。 电流采样电阻 中间级 输出级 D1和D2起过流保护作用,未 过流时,两只二极管均截止。 U D1=U BE14 + iO R9 −U R7 iO增大到一定程度,D1导通, 为T14基极分流,从而保护了 T14。 特点: 输出电阻小 最大不失真输出电压高 192 判断同相输入端和反相输入端 + − + − − + + + 193 F007所具有的高性能 • Ad较大:放大差模信号的能力较强 • Ac较小:抑制共模信号的能力较强 • rid较大:从信号源索取的电流小 • ro小:带负载能力强 • Uom大:其峰值接近电源电压 • 输入端耐压高:使输入端不至于击穿的 差模电压大。 • uIcmax大:接近电源电压 194 四、集成运放的主要性能指标 指标参数 开环差模增益 Aod F007典型值 106dB 20 lg Aod = 20 lg ∆uO ∆(uP − uN ) 差模输入电阻 rid 2MΩ rid = ∆(uP − uN ) ∆iP 共模抑制比 KCMR 90dB K CMR = 20 lg Aod Ac 195 理想值 ∞ ∞ ∞ 四、集成运放的主要性能指标 指标参数 UIO的温漂dUIO/dT(℃) F007典型值 几μV/ ℃ 理想值 0 使输出电压等于零在输入端加的补偿电压。 UIO的温漂dUIO/dT(℃) 几μV/ ℃ 0 输入失调电流 IIO 20nA 0 IIO = IB1 − IB2 IIO的温漂dIIO/dT(℃) 几nA/ ℃ 0 196 四、集成运放的主要性能指标 指标参数 F007典型值 理想值 最大共模输入电压 UIcmax ±13V 能正常放大差模信号时容许的最大的共模输入电压。 最大差模输入电压 UIdmax ±30V 超过此值输入级差分管将损坏。 -3dB带宽 fH 10Hz ∞ 上限截止频率。 为什么这么低? 转换速率 SR SR = duO dt max 0.5V/μS ∞ 对大信号的反应速度 197 四、集成运放的主要性能指标 指标参数 F007典型值 • 开环差模增益 Aod • 差模输入电阻 rid • 共模抑制比 KCMR • 输入失调电压 UIO • UIO的温漂d UIO/dT(℃) • 输入失调电流 IIO (│ IB1- IB2 │) • UIO的温漂d UIO/dT(℃) • 最大共模输入电压 UIcmax • 最大差模输入电压 UIdmax • -3dB带宽 fH • 转换速率 SR(=duO/dt│max) 106dB 2MΩ 90dB 1mV 几μV/ ℃ 20nA 几nA/ ℃ ±13V ±30V 10Hz 0.5V/μS 198 理想值 ∞ ∞ ∞ 0 0 0 0 ∞ ∞ 五、集成运放的种类  电压放大型:输入量与输出量均为电压  电流放大型:输入量与输出量均为电流 按工作原理   跨导型:输入量为电压,输出量均为电流 互阻型:输入量为电流,输出量均为电压  可控增益:利用外加控制电压控制增益的大小  按可控性 选通控制:输入为多通道,利用输入的逻辑信  号控制那个通道的信号放大 199 五、集成运放的种类 按性能指标 通常情况下用通用型运放,特 殊情况下才用专用型运放。 高 阻 型:rid,可高于1012Ω。 用于测量放大器、信号发生器。 高 速 型: fH和SR高, fH可达1.7GHz,SR可达 103V/μS。 用于A/D、D/A转换电路、视频放大器。 高精度型:低失调、低温漂、低噪声、高增益, Aod高于105dB。 用于微弱信号的测量与运算、高精度设备。 低功耗型:工作电源电压低、静态功耗小,在100~200μW。 用于空间技术、军事科学和工业中的遥感遥测。 大功率型、仪表用放大器、隔离放大器、缓冲放大器…… 200 讨论一 根据下列要求,将应优先考虑使用的集成运放填入空内。 已知现有集成运放的类型是: ①通用型 ②高阻型 ③高速型 ④低功耗型 ⑤高压型 ⑥大功率型 ⑦高精度型 1. 作低频放大器,应选用 。 2. 作宽频带放大器,应选用 。 3. 作幅值为1μV以下微弱信号的量测放大器,应选用 。 4. 作内阻为10MΩ信号源的放大器,应选用 。 5. 负载需5A电流驱动的放大器,应选用 。 6. 要求输出电压幅值为±80的放大器,应选用 。 7. 宇航仪器中所用的放大器,应选用 。 201 讨论二 有源负载 增大输入级的负载电阻 复合管共射放大电路 超β管 + + +_ _ _ _ 反相 同相 _ 输入端 有输源入负端载 1. 输入级采用什么措施增大放大倍数? 增大第二级的 2. 中间级采用什么措施增大电压放大倍数? 负载电阻 3. 如何消除交越失真? 4. uI1、 uI3哪个是同相输入端?哪个是反相输入端? 202 第十四讲 频率响应概述与 晶体管的高频等效电路 一、频率响应的基本概念 二、放大电路的频率参数 三、晶体管的高频等效电路 四、场效应管的高频等效电路 203 一、频率响应的基本概念 1. 研究的问题: 放大电路对信号频率的适应程度,即信号频 率对放大倍数的影响。 由于放大电路中耦合电容、旁路电容、半导 体器件极间电容的存在,使放大倍数为频率的 函数。 在使用一个放大电路时应了解其信号频率的 适用范围,在设计放大电路时,应满足信号频 率的范围要求。 204 2. 基本概念 (1)高通电路:信号频率越高,输出电压越接近输入电压。 . . I Uo . Ui Uo超前Ui,当 f → 0 时;Uo → 0,Uo超前Ui 90°。 Au = Uo U i = R = jωRC 1 + R 1+ jωRC jωC 205 (1)高通电路:频率响应 Au = Uo U i = jωRC 1+ jωRC 令f L = 1 2πRC ,则Au = j 1+ f j f fL fL fL f>>fL时放大 倍数约为1   Au =  f fL 1+ ( f fL)2 ϕ = 90° − arctan( f fL ) 低频段放大倍数表达式的特点?下限截止频率的特征? 206 (2)低通电路: 信号频率越低,输出电压越接近输入电压。 . I . Ui . Uo Uo滞后Ui,当 f → ∞ 时;Uo → 0,Uo滞后Ui 90°。 1 Au = Uo U i = jωC 1+ R = 1 + 1 jωRC jωC 207 (2)低通电路:频率响应 f<> fβ 时,β ≈ fβ f ⋅ β0;f → ∞ 时,β → 0,ϕ → -90° 217 电流放大倍数的波特图: 采用对数坐标系 折线化近似画法 20 lg 2 ≈ 3dB -20dB/十倍频 lg f 5.71° 注意折线化曲线的误差 采用对数坐标系,横轴为lg f,可开阔视野;纵轴为20 lg β , 单位为“分贝” (dB),使得 “ ×” →“ +” 。 218 3. 晶体管的频率参数 共射截 止频率 共基截 止频率 特征 频率 集电结电容 fβ、fα、fT、Cob (Cµ )。 使 β = 1时的频率为fT β = 1 β0 +j f fβ fβ = 1 2 π rb'e( Cπ + Cμ ) fT ≈ fα ≈ β0 fβ 手册 通过以上分析得出的结论: 查得 ① 低频段和高频段放大倍数的表达式; ② 截止频率与时间常数的关系; ③ 波特图及其折线画法; ④ Cπ的求法。 219 四、场效应管的高频等效电路 可与晶体管高频等效电流类比,简化、单向化变换。 单向化变换 忽略d-s间等效电容 很大,可忽略其电流 Cg' s ≈ Cgs + (1+ gm RL' )Cdg 极间电容 数值/pF Cgs Cgd 1~10 1~10 Cds 0.1~1 220 讨论一 1. 若干个放大电路的放大倍数分别为1、10、102、 103、104、105,它们的增益分别为多少? 2. 为什么波特图开阔了视野?同样长度的横轴,在 单位长度不变的情况下,采用对数坐标后,最高频 率是原来的多少倍? O f 10 20 30 40 50 60 10 102 103 104 105 106 lg f 221 讨论二 电路如图。已知各电阻阻 值;静态工作点合适,集电 极电流ICQ=2mA;晶体管的 rbb’=200Ω,Cob=5pF, fβ=1MHz。 试求解该电路中晶体管高 频等效模型中的各个参数。 222 讨论二 ICQ → gm、rb'e Cμ (≈ Cob )、gm、Rc、RL → Cμ' fβ、Cμ (≈ Cob )、rb'e → Cπ Cμ' + Cμ = Cπ' 223 第十五讲 放大电路的频率响应 一、单管共射放大电路的频率响应 二、多级放大电路的频率响应 224 一、单管共射放大电路的频率响应 适用于信号频率从0~∞的 交流等效电路 中频段:C 短路, Cπ' 开路。 低频段:考虑C 的影响,Cπ' 开路。 高频段:考虑 Cπ' 的影响,C 开路。 225 1. 中频电压放大倍数 Ausm = U o U s = Ui ⋅ U b'e ⋅ U o Us Ui U b'e 带负载时: Ausm = Ri Rs + Ri ⋅ rb'e rbe ⋅[−gm (Rc ∥ RL )] 空载时: Ausmo = Ri Rs + Ri ⋅ rb'e rbe ⋅ (−gm Rc ) 226 2. 低频电压放大倍数:定性分析 Ausmo = Ri Rs+Ri ⋅ rb'e rbe ⋅ (−gm Rc ) Rs . Us Ui C . Uo . Io . . . Au Uoo RL Uo 0 . Uo Uo超前Uoo,当 f → 0 时,Uo → 0,Uo超前Uoo 90°。 227 2. 低频电压放大倍数:定量分析 Rs . Us Ui C所在回路的时间常数? C . Au . Uoo RL . Uo Ausmo = Ri Rs+Ri ⋅ rb'e rbe ⋅ (−gm Rc ) Ausl = Uo U s = U oo U s ⋅ Uo U oo = Ausmo ⋅ Rc + RL 1 jωC + RL Ausl = Ausmo ⋅ Rc + RL 1 jωC + RL ⋅ Rc + RL Rc + RL = 1+ Ausm 1 jω(Rc + RL )C Ausl = 1+ Ausm fL (jf ) fL = 1 2π(Rc + RL ) 228 2. 低频电压放大倍数:低频段频率响应分析 Ausl = Ausm ( jf 1+ jf fL) fL fL = 2π 1 (Rc + RL )C 中频段 20 lg Ausl = 20 lg Ausm − 20 lg    ϕ = -180° + (90° − arctan f )  fL 1 1+ ( fL )2 f 20dB/十倍频 f >> fL时,20 lg Aus ≈ 20 lg Ausm f = fL时,20 lg Aus 下降3dB,ϕ = -135° f << fL时,20 lg Aus ≈ 20 lg( Ausm fL ) f f → 0 时,Aus → 0,ϕ → −90°。 229 3. 高频电压放大倍数:定性分析 . Is 0 U. s' . UC R b' U ' Cπ 滞后U s', Us' . Au . RL Uo 当f → ∞时,U ' Cπ → 0, e U ' Cπ 滞后U ' s (−90°)。 U ' s U s = Ui U s ⋅ U b'e U i = Ri Rs + Ri ⋅ rb'e ,R rbe = rb'e ∥ (rbb + Rb ∥ Rs ) 230 3. 高频电压放大倍数:定量分析 R = rb'e ∥ (rbb + Rb ∥ Rs ) 1 Aush = Uo U s = U ' s U s ⋅ U C'π U ' s ⋅ Uo U C'π = Ri Rs + Ri ⋅ rb'e rbe ⋅ jω Cπ' R + 1 jω Cπ' ⋅ (−gm RL' ) Aush = Uo U s = Ausm 1+ j f fH fH = 2π 1 RCπ' = 2π [rb'e ∥ (rbb' 1 + Rb ∥ Rs )]Cπ' 231 3. 高频电压放大倍数:高频段频率响应分析 Aush = Uo U s = Ausm 1+ j f fH fH = 2π [rb'e ∥ (rbb' 1 + Rb ∥ Rs )]Cπ'  20  lg Aush = 20 lg Aum − 20 lg  1+ ( f )2 fH ϕ = -180° - arctan f fH f << fH时,20 lg Aush ≈ 20 lg Ausm ; f = fH时,20 lg Aush 下降3dB,ϕ = -225° f >> fH时,f 每增大10倍,20 lg Aush 下降20dB; f → ∞时,Aush → 0,ϕ → -270°。 232 4. 电压放大倍数的波特图 全频段放大倍数表达式: Aus = U o U s = Ausm ( j f fL ) (1+ j f )(1+ j f ) fL fH = Ausm (1+ fL )(1+ j f ) jf fH 233 5. 带宽增益积:定性分析 Ausm = Ri Rs + Ri ⋅ rb'e rbe ⋅[−gm (Rc ∥ RL )] fbw= fH- fL≈ fH fH = 2π [rb'e ∥ (rbb' 1 + Rb ∥ Rs )]Cπ' Cπ' ≈ Cπ + (1+ gm RL' )Cμ 带宽增益积 Aum fbw ≈ Aum fH gm RL' ↑→ Cπ' ↑→ fH ↓   g m RL' ↑→ Aum ↑ 矛盾 当提高增益时, 带宽将变窄;反 之,增益降低, 带宽将变宽。 234 5. 带宽增益积:定量分析 根据 Ausm = Ri Rs + Ri ⋅ rb'e rbe ⋅[−gm (Rc ∥ RL )] fH = 2π [rb'e ∥ (rbb' 1 + Rb ∥ Rs )]Cπ' Cπ' ≈ Cπ + (1+ gm RL' )Cμ 若rbe<> 1、gmRL' Cμ ,则可以证明 图示电路的 约为常量 Aum fH ≈ 1 2π(rbb' + Rs )Cμ 说明决定于 管子参数 对于大多数放大电路,增益提高,带宽都将变窄。 要想制作宽频带放大电路需用高频管,必要时需采用共 基电路。 235 二、多级放大电路的频率响应:分析举例 一个两级放大电路每一级(已考虑了它们的相 互影响)的幅频特性均如图所示。 20 lg Au = 20 lg Au1 + 20 lg Au2 = 40 lg Au1 6dB 3dB fL fH fL> fL1, fH< fH1,频带变窄! 236 ≈0.643fH1 二、多级放大电路的频率响应 对于N级放大电路,若各级的下、上限频率分别为fL1~ fLn、 fH1~ fHn,整个电路的下、上限频率分别为fL、 fH, 则  fL > fLk   f H < f Hk (k = 1,2,…, n)  fbw < fbwk 由于 ∑ 20lg Au n = 20lg Auk k =1  n ∑ ϕ = ϕk k =1 求解使增益下降3dB的频 率,经修正,可得 n ∑ fL ≈ 1.1 f 2 Lk k =1 ∑ 1 ≈ 1.1 fH n1 f2 k =1 Hk 1.1为修正系数 237 讨论一:问题 1. 信号频率为0~∞时电压放大 倍数的表达式? 2. 若所有的电容容量都相同, 则下限频率等于多少? 238 讨论一:时间常数分析 分别考虑C1、C2、Ce、Cπ' 所确定的截止频率。 C2、Ce短路,Cπ' 开路,求出 τ1 = (Rs + Rb1 ∥ Rb2 ∥ rbe )C1 C1、Ce短路,Cπ' 开路,求出 τ 2 = (Rc + RL )C2 C1、C2短路,Cπ' 开路,求出 C1、 C2、 Ce短路,求出 τe = (Re ∥ rbe + Rs ∥ Rb1 ∥ Rb2 1+ β )Ce τ Cπ' = [ rb'e ∥( rbb' + Rs ∥ Rb1 ∥ Rb2 )]Cπ' 239 讨论一:电压放大倍数分析 τ1 = (Rs + Rb1 ∥ Rb2 ∥ rbe )C1 τ 2 = (Rc + RL )C2 τe = (Re ∥ rbe + Rs ∥ 1+ Rb1 β ∥ Rb2 )Ce 很小! τ Cπ' = [ rb'e ∥( rbb' + Rs ∥ Rb1 ∥ Rb2 )]Cπ' fL1 = 1 (2πτ1) fL2 = 1 (2πτ 2 ) fL3 = 1 (2πτ e ) fH = 1 (2πτ Cπ' ) Au = Aum ⋅ (1+ jf j3 f 3 fL1 fL2 fL3 fL1)(1+ jf fL2 )(1+ jf fL3)(1+ jf fH ) 240 讨论二 已知某放大电路的幅频 特性如图所示,讨论下列问 题: Au = ? 1. 该放大电路为几级放大电路? 2. 耦合方式? 3. 在 f =104Hz 时,增益下降多少?附加相移φ’=? 4. 在 f =105Hz 时,附加相移φ’≈? 5. 画出相频特性曲线; 6. fH=? 241 第十六讲 反馈的概念及判断 一、反馈的基本概念 二、交流负反馈的四种组态 三、反馈的判断 242 一、反馈的基本概念 1. 什么是反馈 反馈放大电路可用 方框图表示。 要研究哪些问题? 电子电路输出量的一部分或全部通过一定的方式 引回到输入回路,影响输入量,称为反馈。 怎样引回 是从输出 电压还是 输出电流 引出反馈 多少 怎样引出 影响输入电压 还是输入电流 243 2. 正反馈和负反馈 引入反馈后其变化是增大? 还是减小? 引入反馈后其变化是 增大?还是减小? 从反馈的结果来判断,凡反馈的结果使输出 量的变化减小的为负反馈,否则为正反馈; 或者,凡反馈的结果使净输入量减小的为负 反馈,否则为正反馈。 244 3. 直流反馈和交流反馈 直流通路中存在的反馈称为直流反馈,交流通 路中存在的反馈称为交流反馈。 交流负反馈 直流负反馈 245 4. 局部反馈和级间反馈 只对多级放大电路中某一级起反馈作用的称为局部 反馈,将多级放大电路的输出量引回到其输入级的输 入回路的称为级间反馈。 通过R3引入的是局部反馈 通过R4引入的是级间反馈 通常,重点研究级间反馈或称总体反馈。 246 二、交流负反馈的四种组态 1. 电压反馈和电流反馈 描述放大电路和反馈网络在输出端的连接方式,即 反馈网络的取样对象。 将输出电压的一部分或全 部引回到输入回路来影响净 输入量的为电压反馈,即 X o = Uo 将输出电流的一部分或全部引回到输入回路来影响净 输入量的为电流反馈,即 X o = Io 247 2. 串联反馈和并联反馈 描述放大电路和反馈网络在输入端的连接方式, 即输入量、反馈量、净输入量的叠加关系。 + _ 负反馈 U i = U ' i + Uf --串联负反馈 Ii = Ii' + If --并联负反馈 248 3. 四种反馈组态:注意量纲 电压串联负反馈 电压并联负反馈 电流串联负反馈 为什么在并 联负反馈电路 中不加恒压源 信号? 为什么在串 联负反馈电路 中不加恒流源 信号? 电流并联负反馈 249 三、反馈的判断 1. 有无反馈的判断 “找联系”:找输出回路与输入回路的联系, 若有则有反馈,否则无反馈。 无反馈 引入反馈 了吗? 将输出电压全 部反馈回去 250 1. 有无反馈的判断 “找联系”:是找输出回路与输入回路的联系, 不仅是输出端与输入端的联系! 既在输入回路又 在输出回路,因 而引入了反馈。 251 2. 直流反馈和交流反馈的判断 “看通路”,即看反馈是存在于直流通路还 是交流通路。 设以下电路中所有电容对交流信号均可视为短路。 仅有直流 反馈 252 仅有交流 反馈 2. 直流反馈和交流反馈的判断 交、直 流反馈 共存 仅有直流 反馈 253 3. 正、负反馈(反馈极性)的判断 “看反馈的结果” ,即净输入量是被增大还是被减 小。 瞬时极性法: 给定 X i 的瞬时极性, 并以此为依据分析电路中 各电流、电位的极性从而 得到 X o 的极性; X o 的极性→ X f 的极性→ X i 、X f 、X ' i 的叠加关系 U ' i = U i − U f 或 Ii' = Ii − If --负反馈 U ' i = Ui + Uf 或 Ii' = Ii + If --正反馈 254 3. 正、负反馈的判断 + + uD = uI − uF uF = R1 R1 + R2 ⋅ uO + uF − 反馈量是仅仅决定于输出量的物理量。 255 反馈量仅决定于输出量 + + + − + + 反馈电流 净输入电流 净输入电流减小,引入了负反馈 增大,引入 iR2 = uN − uO R2 反馈量 了正反馈 在判断集成运放构成的反馈放大电路的反馈极性时,净 输入电压指的是集成运放两个输入端的电位差,净输入电 流指的是同相输入端或反相输入端的电流。 256 4. 电压反馈和电流反馈的判断 令输出电压为0,若反馈量随之为0,则为电压反馈; 若反馈量依然存在,则为电流反馈。 电路引入了电压负反馈 257 4. 电压反馈和电流反馈的判断 − + − 仅受基极电 流的控制 反馈电流 电路引入了电流负反馈 258 5. 串联反馈和并联反馈的判断 在输入端,输入量、反馈量和净输入量以电压的方式 叠加,为串联反馈;以电流的方式叠加,为并联反馈。 ++ + + − − + iN = iI − iF 引入了并联反馈 − uD = uI − uF 引入了串联反馈 259 分立元件放大电路中反馈的分析 图示电路有无引入反馈?是直流反馈还是交流反馈?是 正反馈还是负反馈?若为交流负反馈,其组态为哪种? _ + + + + _ uF _ 引入了电流串联负反馈 1. 若第三级从射 极输出,则电路引 入了哪种组态的交 流负反馈? 2. 若在第三级的 射极加旁路电容, 则反馈的性质有何 变化? 3. 若在第三级的射极加旁路电容,且在输出端和输入 端跨接一电阻,则反馈的性质有何变化? 260 分立元件放大电路中的净输入量和输出电流 • 在判断分立元件反馈放大电路的反馈极性时, 净输入电压常指输入级晶体管的b-e(e-b)间 或场效应管g-s(s-g)间的电位差,净输入电流 常指输入级晶体管的基极电流(射极电流)或 场效应管的栅极(源极)电流。 • 在分立元件电流负反馈放大电路中,反馈量常 取自于输出级晶体管的集电极电流或发射极电 流,而不是负载上的电流;此时称输出级晶体 管的集电极电流或发射极电流为输出电流,反 馈的结果将稳定该电流。 261 第十七讲 负反馈放大电路的 方框图及放大倍数的估算 一、负反馈放大电路的方框图 二、负反馈放大电路放大倍数的一般表达式 三、深度负反馈的实质 四、深度负反馈条件下放大倍数的估算方法 262 一、负反馈放大电路的方框图 负反馈放大电路 的基本放大电路 断开反馈,且 考虑反馈网络 的负载效应 反馈网络 决定反馈量和输出量关系 的所有元件所组成的网络 方框图中信号是单向流通的。 反馈组态 X i X ' i X f X o 电压串联 Ui U ' i U f U o 电压并联 Ii Ii' If U o 电流串联 Ui U ' i U f Io 电流并联 Ii Ii' If Io 263 二、负反馈放大电路放大倍数的一般表达式 基本放大电路 的放大倍数 A = X o X ' i 反馈系数 F = X f X o 反馈放大电路的放大倍数 Af = X o X i Af = A X ' i X ' i + X f = A X ' i X ' i + FX o = A X ' i X ' i + A FX ' i = A 1+ A F 264 负反馈放大电路放大倍数的量纲 Af = A 1+ A F 环路放 大倍数 反馈组态 功能 电压串联 电压控制电压 电压并联 电流控制电压 电流串联 电压控制电流 电流并联 电流控制电流 A U o U ' i U o Ii' Io U ' i Io Ii' F U f Uo If U o U f Io If Io Af U o Ui U o Ii Io Ui Io Ii 265 三、深度负反馈的实质 Af = A 1+ A F 只有A F > 0, 电路引入的才为负反馈。 若 1+A F >> 1,则 Af ≈ 1 F ,即 X i ≈ Xf 。 净输入量可 上式说明:在串联负反馈电路中,Ui ≈ Uf 忽略不计 在并联负反馈电路中,Ii ≈ If 在中频段,通常,A 、F、Af 符号相同。 266 四、深度负反馈条件下电压放大倍数的估算 1. 电压串联负反馈电路 Fuu = U f U o Auuf = Uo U i ≈ Uo U f = 1 Fuu Fuu = U f U o = R1 R1 + R2 Auuf ≈ 1 Fuu =1+ R2 R1 267 2. 电压并联负反馈电路 Rif很小 Fui = If U o 为什么? 为什么? Ausf = U o U s ≈ U o Is Rs = U o Ii Rs ≈ U o If Rs = 1 ⋅1 Fui Rs 268 2. 电压并联负反馈电路 Fui = If U o Ausf = U o U s ≈ 1 Fui ⋅1 Rs Fiu = If U o =− 1 R2 Ausf ≈ 1 Fiu ⋅1 Rs = − R2 R1 269 3. 电流串联负反馈电流 Fui = U f Io Auf = U o U i ≈ Io ⋅ RL' U f = 1 Fui ⋅ RL' 270 Fui = Uf Io = R1 Auf ≈ 1 Fui ⋅ RL' = RL R1 4. 电流并联负反馈电路 Fii = If Io Ausf = Uo U s ≈ Io RL' Is Rs ≈ Io RL' If Rs = 1 Fii ⋅ RL' Rs Fii = If Io = − R2 R1+R2 Ausf ≈ 1 Fii ⋅ RL' Rs = −(1+ R1 ) RL R2 Rs 271 深度负反馈条件下四种组态负反馈放大电路的 电压放大倍数 反馈组态 电压串联 电压并联 电流串联 电流并联 Auf 或 Ausf Auuf = U o U i ≈ U o U f = 1 Fuu Ausf = U o U s ≈ 1 Fui ⋅1 Rs Auf = U o U i ≈ 1 Fui ⋅ RL' Ausf = U o U s ≈ 1 Fii ⋅ RL' Rs 通常,Auf ( Ausf )、A 、F、Af 符号相同。 272 讨论一 求解在深度负反馈条件下电路的电压放大倍数。 _ + + + + _ uF _ 比较两电路 F = U f = − Re1Re3 Io Re1 + Rf + Re3 Au = Uo U i =− Re1 + Rf + Re3 Re1Re3 ⋅ (Rc3 ∥ RL ) 273 讨论二 求解在深度负反馈条件下电路的电压放大倍数。 Auf =1+ Rf Re1 Auf =− R Rs R 1. 第三级从射极输出; 2. 若在第三级的射极加旁路电容,且在输出端和输 入端跨接一电阻。 274 5. 理想运放情况下负反馈放大电路的估算 理想运放参数特点: Aod=∞,rid=∞, ro=0。 电路特征: 反馈网络为无源网络,如图。 因为uO为有限值, Aod=∞,所以 uN-uP=0,即 uN=uP--虚短路 因为rid=∞,所以 iN=iP=0--虚断路 求解放大倍数 的基本出发点 275 讨论三 利用“虚短”、“虚断”求解电路。 uN = uP = uI iR2 = iR1 = uI R1 iR3 = uR1 + uR2 R3 = (1 + R2 R1 )uI R3 iO = iR2 + iR3 = R1 + R2 + R1R3 R3 ⋅ uI Aup = ∆uO ∆uI = ∆iO RL ∆uI = R1 + R2 + R3 R1R3 ⋅ RL 276 第十八讲 交流负反馈对放大 电路性能的影响 一、提高放大倍数的稳定性 二、改变输入电阻和输出电阻 三、展宽频带 四、减小非线性失真 五、引入负反馈的一般原则 277 一、提高放大倍数的稳定性 在中频段,放大倍数、反馈系数等均为实数。 Af =A 1+ AF dAf dA = (1 + 1 AF )2 dAf = dA (1 + AF )2 dAf = 1 ⋅ dA Af 1 + AF A 说明放大倍数减小到基本放大电路的 1 , 1+AF 放大倍数的稳定性是基本放大电路的(1+AF)倍。 278 二、改变输入电阻和输出电阻 1. 对输入电阻的影响 对输入电阻的影响仅与反馈网络与基本放大电路输入 端的接法有关,即决定于是串联反馈还是并联反馈。 引入串联负反馈时 Ri = U ' i Ii Rif = Ui Ii = U ' i +Uf Ii = U ' i + AFU ' i Ii Rif = (1 + AF )Ri 279 串联负反馈对输入电阻影响的讨论 引入串联负反馈,对图示两电路的输入电阻所产生的 影响一样码? Rb1支路在引入反馈前后对输入电阻的影响有无变化? 引入串联负反馈,使引入反馈的支路的等效电阻增大 到原来的(1+AF)倍。 Ri'f = (1 + AF )Ri' 280 引入并联负反馈时 Ri = Ui I ' i Rif = Ui Ii = Ui I ' i + If = Ui I ' i + AFI ' i Rif = Ri 1+ AF 串联负反馈增大输入电阻,并联负反馈减小输入电阻。 在(1+ AF ) → ∞时 引入串联负反馈 Rif (或Ri'f ) → ∞, 引入并联负反馈 Rif → 0。 281 2. 对输出电阻的影响 对输出电阻的影响仅与反馈网络与基本放大电路输出 端的接法有关,即决定于是电压反馈还是电流反馈。 电压负反馈减小输出电阻,电流负反馈增大输出电阻。 引入电压负反馈时 Rof = Uo Io = Uo Uo − (− AFUo ) Ro Rof = Ro 1+ AF 所取电流已在其 负载效应中考虑 282 引入电流负反馈时 所取电压已在其 负载效应中考虑 Io = Uo Ro + (− AFIo ) Uo Io = Ro 1+ AF Rof = Uo Io = (1+ AF )Ro 283 电流负反馈对输出电阻影响的讨论 Rc2支路在 引入反馈前 后对输出电 阻的影响有 无变化? 引入电流负反馈,使引出反馈的支路 的等效电阻增大到原来的(1+AF)倍。 Ro' f = (1 + AF )Ro' 在(1+ AF ) → ∞时 引入电压负反馈 Rof → 0; 引入电流负反馈 Rof (或Ro' f ) → ∞。 284 三、展宽频带:设反馈网络是纯电阻网络 20 lg A 引入负反馈后的幅频特性 O fLf fL 可推导出引入负 反馈后的截止频 率、通频带 20 lg1+ A F f fH fHf fHf = (1+ AF ) fH f Lf = fL 1+ AF fbwf = (1+ AF ) fbw Af = A 1+ A F AL = Am 1+ fL jf AH = Am 1+ j f fH 285 四、减小非线性失真:思路 由于晶体管输入特性的非线性, 当b-e间加正弦波信号电压时,基 极电流的变化不是正弦波。 可以设想,若加在b-e之间 的电压正半周幅值大于负半 周的幅值,则其电流失真会 减小,甚至为正弦波。 286 四、减小非线性失真 设基本放大电路的输出信号与输入信号同相。 净输入信号的正半周幅值 小于负半周幅值 可以证明,在引入负反馈前 后输出量基波幅值相同的情况 下,非线性失真减小到基本放 大电路的1/(1+AF)。 287 五、引入负反馈的一般原则 • 稳定Q点应引入直流负反馈,改善动态性能应引入交流负 反馈; • 根据信号源特点,增大输入电阻应引入串联负反馈,减小 输入电阻应引入并联负反馈; • 根据负载需要,需输出稳定电压(即减小输出电阻)的应 引入电压负反馈,需输出稳定电流(即增大输出电阻)的 应引入电流负反馈; • 从信号转换关系上看,输出电压是输入电压受控源的为电 压串联负反馈,输出电压是输入电流受控源的为电压并联 负反馈,输出电流是输入电压受控源的为电流串联负反馈, 输出电流是输入电流受控源的为电流并联负反馈; 当(1+AF) >>1时,它们的转换系数均约为1/F。 288 讨论一 • 为减小放大电路从信号源索取的电流,增强 带负载能力,应引入什么反馈? • 为了得到稳定的电流放大倍数,应引入什么 反馈? • 为了稳定放大电路的静态工作点,应引入什 么反馈? • 为了使电流信号转换成与之成稳定关系的电 压信号,应引入什么反馈? • 为了使电压信号转换成与之成稳定关系的电 流信号,应引入什么反馈? 289 讨论二 - + + - 电流反馈 + + uF - 并联反馈 串联反馈 电压反馈 试在图示电路中分别引入四种不同组态的交流负反馈。 290 讨论三 在图示电路中能够引入哪些组态的交流负反馈? − ④ − + ① + ② ③ + 只可能引入电压并联或电流串联两种组态的交流负反馈。 291 第十九讲 负反馈放大电路的稳定性 一、自激振荡产生的原因及条件 二、负反馈放大电路稳定性的分析 三、负反馈放大电路稳定性的判断 四、消除自激振荡的方法 292 一、自激振荡产生的原因及条件 1. 现象:输入信号为0时,输出有一定幅值、一 定频率的信号,称电路产生了自激振荡。 负反馈放大电路自激振荡的频率在低频段或高 频段。 2. 原因 在低频段或高频段,若存在一个频率f0,且当 f = f0 时附加相移为±π,则 X ' i = X i + X f 293 对 f=f0的信号,净输入量是输入量与反馈量之和。 X ' i = X i + X f 在电扰动下,如合闸通电,必含有频率为f0的信号, 对于f = f0 的信号,产生正反馈过程 X o ↑→ X f ↑→ X ' i ↑→ X o ↑↑ 输出量逐渐增大,直至达到动态平衡,电路产生了自 激振荡。 294 3. 自激振荡的条件 X i = 0时,X o维持X o X o = − A FX o A F=−1  A F = 1  ϕA + ϕF = (2n +1)π (n为整数) 由于电路通电后输出量有一个从小到大直至稳幅的 过程,起振条件为 A F > 1 295 二、负反馈放大电路稳定性的分析 设反馈网络为电阻网络,放大电路为直接耦合形式。 ①附加相移由放大电路决定; ②振荡只可能产生在高频段。 对于单管放大电路: f → ∞时,ϕA' → −90°,A → 0 因没有满足相位条件的频率,故引入负反馈后不可能振荡。 对于两级放大电路: f → ∞时,ϕ ' A → −180°,A →0 因没有满足幅值条件的频率,故引入负反馈后不可能振荡。 对于三级放大电路: f → ∞时,ϕ ' A → −270°,A →0 对于产生-180º附加相移的信号频率,有可能满足起振条 件,故引入负反馈后可能振荡。 296 什么样的放大电路引入负反馈后容易产生自激振荡? 三级或三级以上的直接耦合放大电路引入负 反馈后有可能产生高频振荡;同理,耦合电容、 旁路电容等为三个或三个以上的放大电路,引 入负反馈后有可能产生低频振荡 环路放大倍数AF越大,越容易满足起振条件, 闭合后越容易产生自激振荡。 放大电路的级数越多,耦合电容、旁路 电容越多,引入的负反馈越深,产生自激 振荡的可能性越大。 297 三、负反馈放大电路稳定性的判断 已知环路增益的频率特性来判断闭环后电路的稳定性。 使环路增益下降到0dB的频率,记作fc; 使φA+φF=(2n+1)π 的频率,记作f0。 fc fc f0 f0 298 三、负反馈放大电路稳定性的判断 满足起 振条件 fc fc f0 f0 电路不稳定 电路稳定 f0< fc,电路不稳定,会产生自激振荡; f0 > fc, 电路稳定,不会产生自激振荡。 299 稳定裕度 幅值裕度 fc f0 φm 电路稳定 Gm≤-10dB,且 Gm φm≥45º,负反馈放大 电路才具有可靠的稳 定性。 相位裕度 300 四、消除自激振荡的方法 常用的方法为滞后补偿方法。 设放大电路为直接耦合方式,反馈网络为电阻网络。 1. 简单滞后补偿 .. 20lg│AF│ -20dB/十倍频 -40dB/十倍频 A F = (1+ j f Am Fm )(1+ j f )(1+ j f ) f H1 f H2 f H3 在最低的上限频率所在回 路加补偿电容。 补偿电容 -60dB/十倍频 O f f ' H1 fH1 f H2 f H3 301 1. 简单滞后补偿 A F = (1 + j Am Fm f f ' H1 )(1 + j f f H2 )(1 + j f f H3 ) 补偿后,当f = fH2时,20 lg A F = 0dB。 补偿前 补偿后 最大附加相 移为-135° 滞后补偿法是 以频带变窄为代 价来消除自激振 荡的。 具有45°的相位 裕度,故电路稳定 302 2. 密勒补偿 C' 在最低的上限频率所 在回路加补偿电容。 补偿前 C' = (1+ k )C 在获得同样补偿的 情况下,补偿电容比 简单滞后补偿的电容 小得多。 补偿后 303 3. RC 滞后补偿:在最低的上限频率所在回路加补偿。 A F = (1+ j f Am Fm )(1+ j f )(1+ j f ) f H1 f H2 f H3 1+ 补偿后产生系数: j f f ' H 2 ,取代 1 1+ j f f ' H1 1+ j f f H1 若f ' H 2 = fH2,则A F = (1 + j Am Fm f f ' H1 )(1 + j f) f H3 上式表明,最大附加相移为-180º,不满足起振条件,闭 环后一定不会产生自激振荡,电路稳定。 304 RC 滞后补偿与简单滞后补偿比较 补偿前 简单补偿后 的幅频特性 RC滞后补偿后 的幅频特性 滞后补偿法消振均以频带变窄为代价,RC滞后补偿较 简单电容补偿使频带的变化小些。 为使消振后频带变化更小,可考虑采用超前补偿的方 法,略。 305 讨论一 试问电路闭环后会产生自激振荡吗?若已知反馈网络 为纯电阻网络,且 20 lg A = 100dB ,则使电路不产生自 激振荡的 20 lg F 的上限值为多少? 306 讨论二 判断电路引入负反馈后有可能产生自激振荡吗? 如可能,则应在电路的哪一级加补偿电容? 307 第二十讲 放大电路中反馈的 其它问题 一、放大电路中的正反馈 二、电流反馈型集成运放 三、方框图法解负反馈放大电路 308 一、放大电路中的正反馈 + + 引入的正、负反馈目标 应一致。 + uf − 正反馈 负反馈 自举电路:通过引入正反 馈,提高输入电压;因而增 大输入电阻。 iR3 = Ui −Uo R3 = (1− Au )Ui R3 R3' = Ui iR3 = R3 1− Au 309 二、电流反馈型集成运放 1. 电流模技术 信号传递过程中除与晶体管b-e间电压有关外,其余各 参量均为电流量的电路称为电流模电路。 电流源电路可按比例传输电流,故称为电流模电路的单 元电路。 iO = iI 优点: (1)只要uCE2>UCES,iO就仅受ICM限制。 (2) iO与iI具有良好的线性关系,不受 晶体管非线性特性的影响。 (3)极间电容有低阻回路,电路上限频 率高。 310 2. 电流反馈型集成运放的等效电路 电流反馈型集成运放的输入信号为电流,引入的反馈必 须影响其输入电流才能起作用,故而得名;同理通用性集 成运放称为电压反馈型集成运放。 Aui = Uo Ii = Ii ⋅ 1 jωCz Ii = 1 jωCz 311 3. 由电流反馈型集成运放组成的负反馈放大电路 的频率响应 I1 = In + I2,U i − U R1 n = U n ro + U n −Uo R1 Ui ≈ U n − Uo R1 ro R1 In = −Ii = U n ro ,U o = − Aui In = − U n jωroC ,U n = − jω roCU o R1∥R2>>ro A u = U o U i ≈− R2 R1 ⋅ 1+ 1 jωR2C 312 3. 由电流反馈型集成运放组成的负反馈放大电路 的频率响应 A u = − R2 R1 ⋅1 1+ j f fH ( fH = 1 2πR2C ) 改变R1可改变增益,但 上限频率不变,即频带不 变,带宽增益积不是常量。 313 三、方框图法解负反馈放大电路 首先求出负反馈放大电路的基本放大电路及其动态参数、 反馈网络和反馈系数,然后求解负反馈放大电路的动态参数, 过程如下: A 、Ri、Ro、fL、fH、fbw → 1+ A F → Af、Rif、Rof、fLf、fHf、fbwf ↑ F 1. 基本放大电路的求解方法:见6.3.4节,其动态参数的求解 方法见3.2节。 2. 反馈网络及反馈系数的求解方法:见6.4节。 3. 负反馈放大电路动态参数的求解方法:见6.5节。 314 讨论一 ui R1 100kΩ R3 50kΩ Rif R2 100kΩ A1 uO1 A2 R5 100kΩ R4 100kΩ uo uS R e1 RS T1 R c2 T2 R c1 VD Ce Rb1 Re2 +VCC T3 R e3 RL uO Rf V EE Rof 1. 左图引入了哪种组态的交流负反馈?深度负反馈条 件下的电压放大倍数≈?输入电阻≈?输出电阻≈? 2. 右图是几级放大电路?各级分别是哪种基本放大电 路?引入了哪种组态的交流负反馈?深度负反馈条件下的 电压放大倍数为多少? 315 讨论二 - + - - uf + 电流串联负反馈 + Auf ≈ (R2 + R6 + R7 )RL R2 R7 电流串联负反馈 设所有的电容对交流 信号均可视为短路。试说 明电路中是否引入了交流 负反馈;如引入了,则说 明其组态。 - uf + + Auf ≈ ? - 316 第二十一讲 信号的运算 一、概述 二、比例运算电路 三、加减运算电路 四、积分运算电路和微分运算电路 五、对数运算电路和指数运算电路 六、模拟乘法器及其在运算电路中的应用 317 一、概述 1. 电子系统简介 传感器 接收器 隔离、滤波 放大、阻抗 变换 运算、转 换、比较 功率放大 A/D转换 第七章 第八章 第九章 信号的产生 电子信息系统的供电电源 第十章 318 2. 理想运放的参数特点 Aod、 rid 、fH 均为无穷大,ro、失调电压及其温漂、 失调电流及其温漂、噪声均为0。 3. 集成运放的线性工作区 uO=Aod(uP- uN) 电路特征:引入电压负反馈。 无源网络 因为uO为有限值, Aod=∞, 所以 uN-uP=0,即 uN=uP…………虚短路 因为rid=∞,所以 iN=iP=0………虚断路 319 4. 研究的问题 (1)什么是运算电路:运算电路的输出电压是输入电 压某种运算的结果,如加、减、乘、除、乘方、开方、积 分、微分、对数、指数等。 (2)描述方法:运算关系式 uO=f (uI) (3)分析方法:“虚短”和“虚断”是基本出发点。 5、学习运算电路的基本要求 (1)识别电路。 (2)求解运算关系式。 320 二、比例运算电路 1. 反相输入 iN=iP=0, + uN=uP=0--虚地 在节点N:iF = iR = uI R _ uO = −iFRf =− Rf R ⋅ uI 1) 电路引入了哪种组态的负反馈? 2) 电路的输入电阻为多少? 3) R’=?为什么? 4) 若要Ri=100kΩ,比例系数为-100,R1=? Rf=? Rf太大,噪声大。如何利用相对小 的电阻获得-100的比例系数? 321 T 形反馈网络反相比例运算电路 利用R4中有较大电流来获得较大数值的比例系数。 uM = − R2 R1 ⋅ uI uO = uM − (i2 + i3 )R4 i2 = i1 = uI R1 i3 = uM R3 uO = − R2 + R4 R1 (1 + R2 ∥ R3 R4 ) ⋅ uI 若要求Ri = 100kΩ,则R1 = ? 若比例系数为−100,R2 = R4 = 100kΩ,则R3 = ? 322 2. 同相输入 uN = uP = uI uO = (1 + Rf R ) ⋅ uN uO = (1 + Rf R ) ⋅uI 1) 电路引入了哪种组态的负反馈? 2) 输入电阻为多少? 3) 电阻R’=?为什么? 4) 共模抑制比KCMR≠∞时会影响运算精度吗?为什么? 运算关系的分析方法:节点电流法 323 同相输入比例运算电路的特例:电压跟随器 uO = uN = uP = uI 1) F = ? 2) Ri = ? Ro = ? 3) uIc = ? 324 三、加减运算电路 1. 反相求和 方法一:节点电流法 uN = uP = 0 iF = iR1 + iR2 + iR3 = uI1 + uI2 + uI3 R1 R2 R3 uO = −iFRf = − Rf ( uI1 R1 + uI2 R2 + uI3 ) R3 325 1. 反相求和 方法二:利用叠加原理 首先求解每个输入信号单独作用时的输出电压,然后将所 有结果相加,即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。 uO1 = − Rf R1 ⋅ uI1 同理可得 uO2 = − Rf R2 ⋅ uI2 uO3 = − Rf R3 ⋅ uI3 uO = uO1 + uO2 + uO3 = − Rf R1 ⋅ uI1 − Rf R2 ⋅ uI2 − Rf R3 ⋅ uI3 326 2. 同相求和 设 R1∥ R2∥ R3∥ R4= R∥ Rf 利用叠加原理求解: 令uI2= uI3=0,求uI1单独 作用时的输出电压 uO1 = (1 + Rf R )⋅ R2 ∥ R3 ∥ R4 R1 + R2 ∥ R3 ∥ R4 ⋅ uI1 同理可得, uI2、 uI3单独作用时的uO2、 uO3,形式 与uO1相同, uO =uO1+uO2+uO3 。 物理意义清楚,计算麻烦! 在求解运算电路时,应选择合适的方法,使运算结果 简单明了,易于计算。 327 2. 同相求和 设 R1∥ R2∥ R3∥ R4= R∥ Rf i1 + i2 + i3 = i4 uI1 − uP + uI2 − uP + uI3 − uP = uP R1 R2 R3 R4 必不可少吗? uI1 R1 + uI2 R2 + uI3 R3 =( 1 R1 +1 R2 + 1 R3 + 1 R4 )uP uP = RP ( uI1 R1 + uI2 R2 + uI3 ) R3 (RP = R1 ∥ R2 ∥ R3 ∥ R4 ) uO = (1+ Rf R ) ⋅uP = R + Rf R ⋅ RP ( uI1 R1 + uI2 R2 + uI3 ) ⋅ Rf R3 Rf uO = Rf ⋅ (uI1 R1 + uI2 R2 + uI3 ) R3 与反相求和运算电路 的结果差一负号 328 3. 加减运算 利用求和运算电路的分析结果 设 R1∥ R2∥ Rf= R3∥ R4 ∥ R5 uO = Rf ⋅ (uI3 R3 + uI4 R4 − uI1 R1 − uI2 ) R2 若R1∥ R2∥ Rf≠ R3∥ R4 ∥ R5,uO=? uO = Rf R ⋅ (uI2 − uI1) 实现了差分 放大电路 329 四、积分运算电路和微分运算电路 1. 积分运算电路 iC = iR = uI R ∫ uO = −uC = − 1 C uI R ∫ uO = − 1 RC uI ∫ uO = − 1 RC t2 t1 uI + uO (t1) 若uI在t1~t2为常量,则 uO = − 1 RC ⋅ uI (t2 − t1) + uO (t1) 330 利用积分运算的基本关系实现不同的功能 1) 输入为阶跃信号时的输出电压波形? 2) 输入为方波时的输出电压波形? 3) 输入为正弦波时的输出电压波形? 线性积分,延时 波形变换 移相 331 2. 微分运算电路 iR = iC =C duI dt uO = −iR R = −RC duI dt 为了克服集成运 放的阻塞现象和自 激振荡,实用电路 应采取措施。 限制输 入电流 332 限制输出 电压幅值 滞后补偿 五、对数运算电路和指数运算电路 1. 对数运算 iC =i R = uI R uBE iC≈ ISe UT 利用PN结端电 压与电流的关系 uO = −uBE ≈ −U T ln uI ISR 实用电路中常常采取措施 消除IS对运算关系的影响 对输入电压的极性和幅值有何要求? 333 集成对数运算电路 iC1 = iI1 = uI R3 ≈ uBE1 ISe UT uBE1 ≈ UT ln uI I S R3 同理,uBE2 ≈UT ln U REF ISR uN2 = uP2 = uBE1 ≈ −U T ln uI I R R3 = UT ln IR IS uO = (1 + R2 R5 )uN2 ≈ −(1 + R2 R5 )U T ln uI I R R3 334 2. 指数运算电路 uI = uBE uI iR = iE ≈ ISeUT uI uO = −iR R ≈ −ISReUT 对输入电压的极性和幅值有何要求? 3. 乘法、除法运算电路 335 六、模拟乘法器及其在运算电路中的应用 1. 模拟乘法器简介 1) 变跨导型模拟乘法器的基本原理 uO = −(iC1 − iC2 )Rc = −gm RcuX gm = I EQ UT = I 2U T I = uY − uBE3 Re 若uY >> uBE3,则g m ≈ uY 2UT Re uO ≈ Rc 2UT Re ⋅ uXuY 实际电路需在多方面改进,如线性度、温度的影响、 输入电压的极性等方面。 336 2)模拟乘法器的符号及等效电路 uO = kuXuY 理想情况下,ri1、 ri2、fH 为无穷大, 失调电压、电流 及其温漂为0,ro为0, ux 、 uy 幅值变化时 k 值不变。 有单象限、两象限和四象 限之分。 337 2. 在运算电路中的基本应用 1)乘法运算 2)乘方运算 uO = kuI1uI2 实际的模拟乘法器k常为 +0.1V-1或-0.1V-1。 若k= +0.1V-1,uI1= uI2=10V, 则 uO=10V。 uO = kuI2 实现了对正弦波 若uI = 2Ui sin ω t 电压的二倍频变换 则uO = 2 kU 2 i sin 2 ω t = 2 kU 2 i (1 − cos2ω t) 338 2. 在运算电路中的基本应用 3)除法运算 运算电路中集成运放必须引入负反馈! − + i2 − i1 uO = − R2 R1 ⋅ uI1 kuI2 为使电路引入的是负反馈, k和uI2的极性应如何? i1 = i2 uI1 = − uO' R1 R2 uO' = − R2 R1 ⋅ uI1 = kuI2uO 若集成运放的同相输入端与 反相输入端互换,则k和uI2的 极性应如何? 339 3. 开方运算 uO' = − R2 R1 ⋅ uI = kuO2 uO = − R2 kR1 ⋅ uI 为满足上式,电路中uI、 uO、k的极性是什么?为什么? 若uO<0,则有何变化? 若集成运放的负反馈通路中为某种运算电路,则整个 电路实现其逆运算,如除法运算电路、开方运算电路。 如何实现开三次方运算电路? 340 讨论一:电路如图所示 (1)组成哪种基本运算电路?与用一个运放组成的 完成同样运算的电路的主要区别是什么? (2)为什么在求解第一级电路的运算关系时可以不 考虑第二级电路对它的影响? 341 讨论二:求解图示各电路 iO = f (uI ) = ? uO = f (uI ) = ? Ri = ? Ro = ? 该电路可等效成差分放 大电路的哪种接法?与该 接法的分立元件电路相比 有什么优点? 342 讨论三:求解图示各电路 − _ + + + _ 1) 标出集成运放的“+”和 “-”; 2) 求解uO= f (uI) = ? + 已知R1=R2,求解uO= f (uI) = ? 二极管什么时候导通?什么 时候截止? uO = uI 343 第二十二讲 有源滤波电路 一、概述 二、低通滤波器 三、高通、带通、带阻滤波器 四、状态变量型滤波器 344 一、概述 1. 滤波电路的功能 使指定频段的信号顺利通过,其它频率的信号被衰减。 2. 滤波电路的种类 低通滤波器(LPF) 通带放大倍数 理想幅频特性 无过渡带 通带截止频率 下降速率 用幅频特性描述滤波特性,要研究 Aup、Au ( fP、下降速率)。 345 理想滤波器的幅频特性 高通滤波器(HPF) 阻容耦合 带通滤波器(BPF) 通信电路 带阻滤波器(BEF)) 抗已知频率的干扰 全通滤波器(APF)) f-φ转换 346 3. 无源滤波电路和有源滤波电路 空载:Aup = 1 fp = 1 2πRC Au =1 1+ j f fp 带载:Aup = R RL + RL fp = 2π 1 (R ∥ RL )C 空载时 带负载时 负载变化,通 带放大倍数和截 止频率均变化。 Au = Aup 1+ j f fp 347 有源滤波电路 用电压跟随 器隔离滤波电 路与负载电阻 无源滤波电路的滤波参数随负载变化;有源滤波电 路的滤波参数不随负载变化,可放大,不能输出高电 压大电流。 348 二、低通滤波器 1. 同相输入 (1)一阶电路 Aup =1+ R2 R1 频率趋于0时的放大 倍数为通带放大倍数 fp = 1 2πRC 决定于RC环节 Au = Aup 1+ j f fp 表明进入高频段 的下降速率为 -20dB/十倍频 Au (s) = U o (s) Ui (s) = (1 + Rf R1 ) R 1 sC + 1 sC = (1 + R2 R1 )⋅ 1+ 1 sRC 经拉氏变换得传递函数 一阶LPF 对于LPF,频率趋于0时的放大倍数即为通带放大倍数。 求解传递函数时,只需将放大倍数中的 jω用 s 取代即可。 349 1. 同相输入 (1)一阶电路:幅频特性 Aup =1+ R2 R1 Au = Aup 1+ j f fp ( fp = 1) 2πRC Au (s) = U o (s) Ui (s) = (1 + R2 R1 ) ⋅ 1+ 1 sRC 为了使过渡带变窄,需采 用多阶滤波器,即增加RC环 节。在Au(s)表达式分母中s的 方次就是滤波器的阶数。 350 (2)简单二阶LPF 分析方法:电路引入了负反馈利用节点电流法求解输出电 压与输入电压的关系。 Au (s) = (1 + R2 R1 ) 1+ 1 3sRC + ( sRC ) 2 Au = (1+ R2 ) R1 1− ( f 1 )2 + 3j f f0 f0 f0 = 1 2π RC 特征频率 截止频率 fp ≈ 0.37f0 351 (3)压控电压源二阶LPF 为使 fp=f0,且在f=f0时幅频特性按-40dB/十倍频下降。 f→0时,C1断路,正反馈 断开,放大倍数为通带放大 倍数; f →∞, C2短路,正反馈 不起作用,放大倍数小→0 ; 引入正反馈 因而有可能在f = f 0时放大倍数等于或大于通带放大倍数。 对于不同频率的信号正反馈的强弱不同。 352 压控电压源二阶LPF的分析 列P、M点的节点电流方程, 整理可得: Au (s) = 1 + [3 − Aup Aup (s) (s)]sRC + ( sRC ) 2 Au = 1− ( f )2 f0 Aup + j[3 − Aup ] f f0 f = f0 时,Au = Aup 3 − Aup = QAup 当 2 < Aup < 3 时,Au f = f0 > Aup 353 2. 反相输入低通滤波器 Au = − R2 R1 ⋅1 1+ j f f0 fp = f0 = 1 2πR2C fH 积分运算电路的传递函数为 Au (s) = 1 ,即 sR1C f → 0,Au → ∞。 加R2后, f→0,C 断开,通带放大倍数, Aup = − R2 R1 Au (s) = − R2 R1 ⋅ 1+ 1 sR2C 354 三、高通、带通、带阻有源滤波器 1. 高通滤波器(HPF) 与LPF有对偶性,将LPF的电阻和电容互换,就可得一阶 HPF、简单二阶HPF、压控电压源二阶HPF电路。 2. 带通滤波器(BPF) 3. 带阻滤波器(BEF) O fH<fL fH>fL O O 355 四、状态变量型滤波器 要点: • 将比例、积分、求和 等基本运算电路组合 成自由设置传递函数、 实现各种滤波功能的 电路,称为状态变量 型滤波器。 • 通带放大倍数决定于 负反馈网络。 • 利用“逆运算”方法。 R6 Aup =1+ R6 R4 f→0时负反馈最强, A1输出电压→0; f→ ∞时C 相当于 短路,A2输出电压→0,电路开环, A1输出电压→±UOM, 工作到非线性区;需引入负反馈决定通带放大倍数。 356 四、状态变量滤波器 二阶电路的组成 高通 U o1 ( s) R6 R5 带通 Uo2 (s) 低通 Uo3 (s) 带阻 Uo4 (s) 357 运算电路与有源滤波器的比较 • 相同之处 – 电路中均引入深度负反馈,因而集成运放均工作在 线性区。 – 均具有“虚短”和“虚断”的特点,均可用节点电 流法求解电路。 • 不同之处 – 运算电路研究的是时域问题,有源滤波电路研究的 是频域问题;测试时,前者是在输入信号频率不变 或直流信号下测量输出电压与输入电压有效值或幅 值的关系,后者是在输入电压幅值不变的情况下测 量输出电压幅值与输入电压频率的关系。 – 运算电路用运算关系式描述输出电压与输入电压的 关系,有源滤波器用电压放大倍数的幅频特性描述 滤波特性。 358 讨论 双T网络 f0 = 1 2πRC 359 A1组成 HPF Uo = −Uo1 −Ui 电路为LPF 第二十三讲 正弦波振荡电路 一、正弦波振荡的条件和电路的组成 二、RC正弦波振荡电路 三、LC正弦波振荡电路 四、石英晶体正弦波振荡电路 360 一、正弦波振荡的条件和电路的组成 1. 正弦波振荡的条件 无外加信号,输出一定频率一定幅值的信号。 与负反馈放大电路的振荡的不同之处:在正弦波振荡电 路中引入的是正反馈,且振荡频率可控。 在电扰动下,对于某一特定频率f0的信号形成正反馈: Xo ↑→ X ' i → Xo ↑↑ 由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制,最 终达到动态平衡,稳定在一定的幅值。。 361 1. 正弦波振荡的条件 一旦产生稳定的振荡,则 电路的输出量自维持,即 X o = A FX o A F = 1 ⇒   A F =1 ϕA + ϕF = 2nπ 幅值平衡条件 相位平衡条件 起振条件: A F > 1 要产生正弦波振荡,必须有满足相位条件的f0,且在 合闸通电时对于f= f0信号有从小到大直至稳幅的过程, 即满足起振条件。 362 2. 起振与稳幅 电路如何从起振到稳幅? A F > 1 Xo Xo 稳定的 振幅 o FA 非线性环节 的必要性! Xf (Xi) A F A F 363 3. 基本组成部分 1) 放大电路:放大作用 2) 正反馈网络:满足相位条件 } 常合二为一 3) 选频网络:确定f0,保证电路产生正弦波振荡 4) 非线性环节(稳幅环节):稳幅 4、分析方法 1) 是否存在主要组成部分; 2) 放大电路能否正常工作,即是否有合适的Q点,信号是 否可能正常传递,没有被短路或断路; 3) 是否满足相位条件,即是否存在 f0,是否可能振荡; 4) 是否满足幅值条件,即是否一定振荡。 364 相位条件的判断方法:瞬时极性法 + U i − 极性? 在多数正弦波振荡电路 中,输出量、净输入量和 反馈量均为电压量。 断开反馈,在断开处给放大电路加 f=f0的信号Ui,且规 定其极性,然后根据 Ui的极性→ Uo的极性→ Uf的极性 若Uf与Ui极性相同,则电路可能产生自激振荡;否则电路不 可能产生自激振荡。 365 5. 分类 常用选频网络所用元件分类。 1) RC正弦波振荡电路:几百千赫以下 2) LC正弦波振荡电路:几百千赫~几百兆赫 3) 石英晶体正弦波振荡电路:振荡频率稳定 366 二、RC 正弦波振荡电路 1. RC串并联选频网络 低频段 . . I Uf . Uo 高频段 在频率从0~∞ 中必有一个频率 f0,φF=0º。 f → 0,Uf → 0,ϕF → +90° . I . Uo . Uf f → ∞,Uf → 0,ϕF → −90° 367 RC串并联选频网络的频率响应 R∥ 1 F = Uf = Uo R + 1 jω C +R ∥ 1 jω C jω C F = 1 3 + j(ω RC − 1 ) ω RC 令f0 = 1 ,则F 2π RC = 3+ j( 1 f − f0 ) f0 f 当 f=f0时,不但φ=0,且 F 最大,为1/3。 368 2. 电路组成 不符合相位条件 不符合相位条件 1)是否可用共射放大电路? 2)是否可用共集放大电路? 3)是否可用共基放大电路? 4)是否可用两级共射放大电路? 输入电阻小、输出 电阻大,影响f0 可引入电压串联负反馈,使 电压放大倍数大于3,且Ri大、 Ro小,对f0影响小 应为RC 串并联网路配一个电压放大倍数略大于3、输入电 阻趋于无穷大、输出电阻趋于0的放大电路。 369 3. RC桥式正弦波振荡电路(文氏桥振荡器) 用同相比例运算电路作放大电路。 Rf ≥ 2R1 因同相比例运算电路有非常好的线 性度,故R或Rf可用热敏电阻,或加 文氏桥振荡 二极管作为非线性环节。 器的特点? 370 频率可调的文氏桥振荡器 改变电容以粗调,改变电 位器滑动端以微调。 加稳压管可以限制输出电 压的峰-峰值。 同轴 电位器 371 讨论一:合理连接电路,组成文氏桥振荡电路 − + + + + − 372 讨论二:判断图示电路有可能产生正弦波振荡吗? RC 移项式电路 RC 双T选频网络 − + − − U i + − 1) RC 移相电路有几级才可 能产生正弦波振荡? 2) 若R 和C 互换呢? 选频网络和正反馈 网络是两个网络。 373 三、LC 正弦波振荡电路 1. LC并联网络的选频特性 理想LC并联网络在谐振时呈纯阻性,且 阻抗无穷大。 谐振频率为 f0 = 2 π 1 LC 在损耗较小时,品质因数及谐振频率 损耗 Q≈ 1⋅ R L,f C 0 ≈ 2 π 1 LC 在f=f0时,电容和电感中电流各约为多少?网络的电 阻为多少? 374 LC选频放大电路→正弦波振荡电路 放大电路 反馈网络 当f=f0时, 电压放大倍 数的数值最 大,且附加 相移为0。 附加相移 Uo 构成正弦波 振荡电路最简 单的做法是通 过变压器引入 反馈。 375 2. 变压器反馈式电路 必须有合适的同铭端! + U f − + − 分析电路是否可能产生正弦 波振荡的步骤: 1) 是否存在组成部分 2) 放大电路是否能正常工作 3) 是否满足相位条件 + Ui ( f = f0 ) − C1是必要的吗? 特点: 易振,波形较好;耦合不紧密, 损耗大,频率稳定性不高。 为使N1、N2耦合紧密,将它们合二为一,组成电感反馈 式电路。 376 3. 电感反馈式电路 + U f − + − + Ui ( f = f0 ) − 必要吗? 反馈电压取自哪个线圈? 反馈电压的极性? 电感的三个抽头分别接晶 体管的三个极,故称之为电 感三点式电路。 377 3. 电感反馈式电路 特点:耦合紧密,易振,振 幅大,C 用可调电容可获得 较宽范围的振荡频率。波形 较差,常含有高次谐波。 因为放大电路的输入电 阻就是它自身的负载,故A 与F 具有相关性;若增大 N1,则 A 增大,F 减小。 由于电感对高频信号呈现较大的电抗,故波形中含高 次谐波,为使振荡波形好,采用电容反馈式电路。 378 4. 电容反馈式(电容三点式)电路 作用? − f0 ≈ 2π 1 L ⋅ C1C2 (C1 + C2 ) + 若C << C1且C << C2,则 U i − − −+ f0 ≈ 2π 1 LC Uf + C 与放大电路参数无关 若要振荡频率高,则L、C1、C2的取值就要小。当电容减 小到一定程度时,晶体管的极间电容将并联在C1和C2上,影 响振荡频率。 特点:波形好,振荡频率调整范围小,适于频率固定的场合。 379 四、石英晶体正弦波振荡电路 1. 石英晶体的特点 SiO2结晶体按一定方向切割的晶片。 压电效应和压电振荡:机械变形和电场的关系 固有频率只决定于其几何尺寸,故非常稳定。 感性 因C << C0,故 阻性 fs ≈ fp ≈ 2π 1 LC 容性 一般LC选频网络的Q为几百,石英晶体的Q可达104~ 106;前者Δf/f为10-5,后者可达10-10~10-11。 380 2. 电路 (1)并联型电路 (2)串联型电路 ① 石英晶体工作在哪个区? ② 是哪种典型的正弦波振荡 电路? ① 石英晶体工作在哪个区? ② 两级放大电路分别为哪种 基本接法? ③ C1的作用? 381 讨论三 同铭端? − + − + + U i − 能产生正弦 注意事项: 波振荡吗? 1. 放大电路必须能够正常工作,放大电路的基本接法; 2. 断开反馈,在断开处加 f=f0的输入电压; 3. 找出在哪个元件上获得反馈电压,是否能取代输入电压。 382 第二十四讲 电压比较器 一、概述 二、单限比较器 三、滞回比较器 四、窗口比较器 五、集成电压比较器 383 一、概述 1. 电压比较器的功能:比较电压的大小。 广泛用于各种报警电路。 输入电压是连续的模拟信号;输出电压表示比较的结 果,只有高电平和低电平两种情况。 使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压。 2. 电压比较器的描述方法 :电压传输特性 uO=f(uI) 电压传输特性的三个要素: (1)输出高电平UOH和输出低电平UOL (2)阈值电压UT (3)输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向 384 3. 几种常用的电压比较器 (1)单限比较器:只有一个阈值电压 (2)滞回比较器:具有滞回特性 输入电压的变化方向不同,阈值电压也不同,但输入电压 单调变化使输出电压只跃变一次。回差电压 ∆U = UT1 −UT2 (3)窗口比较器: 有两个阈值电压,输入电压单调变化时输出电压跃变两次。 385 4、集成运放的非线性工作区 电路特征:集成运放处于开环或仅引入正反馈 集成运放工作在非线性区的特点 1) 净输入电流为0 2) uP> uN时, uO=+UOM uP< uN时, uO=-UOM 386 二、单限比较器 1. 过零比较器 (1)UT=0 (2)UOH=+ UOM, UOL=- UOM (3)uI > 0 时 uO =-UOM; uI < 0 时 uO =+ UOM 集成运放的净输入 电压最大值为±UD 集成运放的净输入电压等于输入电压,为保护集成运 放的输入端,需加输入端限幅电路。 387 输出限幅电路 为适应负载对电压幅值的要求,输出端加限幅电路。 不可缺少! UOH=+ UZ1+ UD2 UOL=-( UZ2 + UD1) UOH= - UOL= UZ 388 UOH= UZ UOL=- UD 输出限幅电路 uO=± UZ (1)保护输入端 (2)加速集成运放状态的转换 电压比较器的分析方法: (1)写出 uP、uN的表达式,令uP= uN,求解出的 uI即为UT; (2)根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平; (3)根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出 电压的跃变方向。 389 2. 一般单限比较器 UO = ±U Z 作用于反相输入端 uN = R2 R1 + R2 ⋅U REF + R1 R1 + R2 ⋅ uI 令uN = uP = 0, 得 UT = − R2 R1 ⋅U REF (1)若要UT< 0,则应如何修改电路? (2)若要改变曲线跃变方向,则应如 何修改电路? (3)若要改变UOL、UOH呢? 390 三、滞回比较器 1. 阈值电压 UOL = −U Z UOH = +U Z uN = uI uP = R1 R1 + R2 ⋅ uO , 令uN = uP,得 ±UT = ± R1 R1 + R2 ⋅U Z 391 三、滞回比较器 2. 工作原理及电压传输特性 ±UT = ± R1 R1 + R2 ⋅U Z UO = ±U Z 设uI<-UT,则 uN< uP, uO=+UZ。此时uP= +UT, 增大 uI,直至+UT,再增大, uO才从+UZ跃变为- UZ。 设 uI>+UT,则 uN> uP, uO=-UZ。此时uP= -UT, 减小 uI,直至-UT,再减小, uO才从-UZ跃变为+UZ。 392 讨论一:如何改变滞回比较器的电压传输特性 1. 若要电压传输特性曲线左右移动,则应如何修改电路? 2. 若要电压传输特性曲线上下移动,则应如何修改电路? 3. 若要改变输入电压过 阈值电压时输出电压的 跃变方向,则应如何修 改变输出 限幅电路 改电路? 393 四、窗口比较器 −U OM uI > U RH uI < U RL U OM U OM −U OM 当uI>URH时,uO1= - uO2= UOM,D1导通, D2截止; uO= UZ。 当uIUon ,则uO仅在大于Uon近似为uI,失真。 420 精密整流电路的组成 uI > 0 设R=Rf uI > 0时,uO' < 0,D1截止, D2导通,uO = −uI。 uI < 0 uI < 0时,uO' > 0,D2截止, D1导通,uO = 0。 对于将二极管和晶体管作电子开关 的集成运放应用电路,在分析电路时, 首先应判断管子相当于开关闭合还是 断开,它们的状态往往决定于输入信 号或输出信号的极性。 半波整流,若加uI的负半周,则实现全波整流 421 全波精密整流电路 uI > 0时,uO = uI。 uI < 0时,uO = −uI。 uO = uI uO1 = −2uI uO1 = 0 (uI > 0) (uI < 0) uO = −uO1 − uI 绝对值运算电路 二倍频三角波 422 四、u-f 转换电路(压控振荡器) 1. 电荷平衡式压控振荡器 电路的组成:由锯齿波发生电路演变而来。 ≈T 若T2决定于外加电压,则电路的振荡频率就几乎 仅仅受控于外加电压,实现了u→f 的转换。 423 1. 电荷平衡式压控振荡器 +UT R1>>R5 ±UT = ± R2 R3 ⋅U Z −UT −UZ UT = − 1 R1C ⋅ uIT1 − UT ≈ − 1 R1C ⋅ uIT −UT +UZ f ≈ 1 = R3 ⋅ uI T1 2R1R2C U Z 单位时间内脉冲个数表示电 若uI>0,则电路作何改动? 压的数值,故实现A/D转换 424 2. 复位式压控振荡器 f ≈ R1CuI U REF 425 讨论一:分析图示两个电路的功能。 iO=? uO=? u-i 转换电路 绝对值运算电路- 精密整流电路 426 讨论二:已知三极管饱和压降为0。 uO1 C R1 uI R2 A1 R3 uO2 R2 A2 R2 R2 R1 T R4 R1 =2R2 1. 晶体管什么情况下导通?什么情况下截止? 2. 晶体管饱和导通和截止uO1和uI的运算关系? 3. uI的极性? 4. uO1、 uO2的波形? 5. uI与振荡频率的关系? 427 第二十七讲 功率放大电路 一、概述 二、互补输出级的分析计算 428 一、概述 1. 功率放大电路研究的问题 (1) 性能指标:输出功率和效率。 若已知Uom,则可得Pom。 Pom = U 2 om RL 最大输出功率与电源损耗的平均功率之比为效率。 (2) 分析方法:因大信号作用,故应采用图解法。 (3) 晶体管的选用:根据极限参数选择晶体管。 在功放中,晶体管通过的最大集电极或射极电流接近 最大集电极电流,承受的最大管压降接近c-e反向击穿电 压,消耗的最大功率接近集电极最大耗散功率。称为工 作在尽限状态。 429 2. 对功率放大电路的要求 (1)在电源电压一定的情况下,最大不失真输出电压最 大,即输出功率尽可能大。 (2)效率尽可能高,因而电路损耗的直流功率尽可能小, 静态时功放管的集电极电流近似为0。 3、晶体管的工作方式 (1)甲类方式:晶体管在信号的整个周期内均处于导通状态 (2)乙类方式:晶体管仅在信号的半个周期处于导通状态 (3)甲乙类方式:晶体管在信号的多半个周期处于导通状态 430 4. 功率放大电路的种类 (1)变压器耦合功率放大电路 单管甲类电路 适合做功放吗? ① 输入信号增大,输出功率如何变化? ② 输入信号增大,管子的平均电流如何变化? ③ 输入信号增大,电源提供的功率如何变化?效率如何变化? 431 乙类推挽电路 iB +− u BE 0 −+ U om = VCC − U CES 2 信号的正半周T1导通、T2截止;负半周T2导通、T1截止。 两只管子交替工作,称为“ 推挽 ”。设 β为常量,则负载 上可获得正弦波。输入信号越大,电源提供的功率也越大。 432 (2)OTL电路 因变压器耦合功放笨重、自身损耗大,故选用OTL电路。 输入电压的正半周: +VCC→T1→C→RL→地 + C 充电。 − 输入电压的负半周: C 的 “+”→T2→地→RL→ C “ -” C 放电。 静态时,uI =UB =UE = + VCC 2 U om = (VCC 2) −UCES 2 C 足够大,才能认为其对交流信号相当于短路。 OTL电路低频特性差。 433 (3) OCL电路 静态时,UEQ= UBQ=0。 输入电压的正半周: + +VCC→T1→RL→地 − 输入电压的负半周: 地→RL →T2 → -VCC U om = VCC − U CES 2 两只管子交替导通,两路电源交替供电,双向跟随。 434 (4)BTL电路 + − ①是双端输入、双端输 出形式,输入信号、负 − 载电阻均无接地点。 + ②管子多,损耗大,使 效率低。 输入电压的正半周:+VCC→ T1 → RL→ T4→地 输入电压的负半周:+VCC→ T2 → RL→ T3→地 U om = VCC − 2U CES 2 435 几种电路的比较 变压器耦合乙类推挽:单电源供电,笨重,效率 低,低频特性差。 OTL电路:单电源供电,低频特性差。 OCL电路:双电源供电,效率高,低频特性好。 BTL电路:单电源供电,低频特性好;双端输入 双端输出。 436 二、互补输出级的分析估算 求解输出功率和效率的方法: 在已知RL的情况下,先求出Uom,则 然后求出电源的平均功率, Pom = U 2 om RL PV = IC(AV) ⋅VCC 效率 η = Pom PV 1. 输出功率 U om = VCC −U CES 2 Pom = (VCC −U CES )2 2RL 437 2. 效率 Pom = (VCC −U CES )2 2RL ∫ PV = 1 π πVCC 0 −U CES RL ⋅sin ω t ⋅VCCd(ω t) = 2 ⋅ VCC (VCC −UCES ) π RL η = π ⋅ VCC −UCES 4 VCC 438 3. 晶体管的极限参数 iC max ≈ VCC RL < I CM uCE max ≈ 2VCC < U CEO(BR) 在输出功率最大时,因管压降最小, 故管子损耗不大;输出功率最小时,因 集电极电流最小,故管子损耗也不大。 管子功耗与输出电压峰值的关系为 ∫ P T = 1 2π π 0 (VCC −U OM sin ω t) ⋅ U OM RL ⋅ sin ω tdω t PT对UOM求导,并令其为0,可得 U OM = 2 π ⋅ VCC ≈ 0.6 VCC 439 将UOM代入PT的表达式,可得 PTmax = VC2C π2 RL 若U CES = 0,则Pom = VC2C 2RL ,PTmax = 2 π2 ⋅ Pom ≈ 0.2Pom 因此,选择晶体管时,其极限参数  ICM > iC U CEO(BR) max ≈ VCC RL > uCE max ≈ 2VCC    PCM > PT max ≈ 0.2 × VC2C 2RL 440 讨论一 1. 指出图中放大电路部分; 2. 说明电路中是否引入了级间反馈,是直流反馈还是交流反馈,若为交流 负反馈则说明其反馈组态; 3. 最大输出功率和效率的表达式; 4. 说明如何估算在输出最大功率时输入电压的有效值; 5. 说明D1~D3和RW的作用,C1~C4的作用; 6. 说明哪些元件构成过流保护电路及其原理。 441 讨论二:图示各电路属于哪种功放? 442 讨论三:出现下列故障时,将产生什么现象? T2、T5的极限参数: PCM=1.5W,ICM=600mA,UBR(CEO)=40V。 1. R2短路; 2. R2断路; 3. D1短路; 4. D1断路; 5. T1集电极开路。 443 第二十八讲 直流电源的组成 单相整流滤波电路 一、直流电源的组成及各部分的作用 二、单相整流电路 三、滤波电路 444 一、直流电源的组成及各部分的作用 直流电源是能量转换电路,将220V(或380V)50Hz的 交流电转换为直流电。 改变电压值 通常为降压 半波整流 交流变脉 动的直流 全波整流 减小脉动 1) 负载变化输出电压 基本不变; 2) 电网电压变化输出 电压基本不变。。 在分析电源电路时要特别考虑的两个问题:允许电网电 压波动±10%,且负载有一定的变化范围。 445 二、单相整流电路 对整流电路要研究清楚以下问题: 1. 电路的工作原理:二极管工作状态、波形分析 2. 输出电压和输出电流的平均值:输出为脉动的直流电压 3. 整流二极管的选择:二极管承受的最大整流平均电流和最 高反向工作电压 为分析问题简单起见,设二极管为理想二极管,变压器 内阻为0。 理想化特性 实际特性 整流二极管的伏安特性: 正向导通电压为0, 正向电阻为0。 446 1. 单相半波整流电路 (1)工作原理 + − u2 + − u2 + − u2的正半周,D导通, A→D→RL→B,uO= u2 。 u2的负半周,D截止,承受反向电压,为u2; uO=0。 447 (2)UO(AV)和 IL(AV)的估算 已知变压器副边电压有效值为U2 ∫ U O(AV) = 1 2π π 0 2U2 sin ω td(ω t) U O(AV) = 2U 2 π ≈ 0.45U2 I L(AV) = U O(AV) RL ≈ 0.45U 2 RL (3)二极管的选择 U R max = 2U 2 I D(AV) = I L(AV) ≈ 0.45U 2 RL 考虑到电网电压波动范围为 ±10%,二极管的极限参数应满 足: I F  > 1.1× 0.45U 2 RL UR > 1.1 2U2 448 2. 单相桥式整流电路 (1)工作原理 − + 若接反了呢? u2 O − + 四只管子如何接? u2的正半周 A→D1→RL→D3→B,uO= u2 u2的负半周 B →D2→RL→D4→ A,uO= -u2 uO O 集成的桥式整流电 路称为整流堆。 449 (2)估算 ∫ U O(AV) = 1 π π 0 2U2 sin ω td(ω t) U O(AV) = 2 2U 2 π ≈ 0.9U2 I L(AV) = U O(AV) RL ≈ 0.9U 2 RL 450 (3)二极管的选择 U R max = 2U 2 I D(AV) = I L(AV) 2 ≈ 0.45U 2 RL 考虑到电网电压波动范围为 ±10%,二极管的极限参数应满 足: I F  > 1.1× 0.45U 2 RL UR > 1.1 2U2 451 三、滤波电路 1. 电容滤波电路 充电 放电速度与正弦 波下降速度相似 按指数规律下降 (1)工作原理 当 u2 > uC 时,有一对二极管导通,对电容充电,τ 充电非常小。 当 u2 < uC 时,所有二极管均截止,电容通过RL放电,τ 放电 = RLC。 滤波后,输出电压平均值增大,脉动变小。 452 (1)工作原理:考虑变压器和整流电路的内阻 内阻使 uO < u2 C 越大, RL越大, τ放电将越大,曲线越平滑,脉动越小。 453 (2)二极管的导通角 无滤波电容时θ=π。 有滤波电容时θ < π, 且二极管平均电流增大, 故其峰值很大! 导通角 脉动 ↓ C ↑  RL ↑ → τ 放电 ↑→  U O(AV) θ ↓→ ↑ iD的峰值 ↑ θ小到一定程度,难于选择二极管! 454 (3)电容的选择及UO(AV)的估算 当RLC = (3~5) T 2 时,U O(AV) ≈ 1.2U 2。 C的耐压值应大于1.1 2U2。 若负载开路 UO(AV)=? (4)优缺点 简单易行,UO(AV)高,C 足够大时交流分量较小; 不适于大电流负载。 455 2. 电感滤波电路 适于大电流负载!   RL ↓ → U O(AV)  ↓ L ↑ 交流分量 ↓ 当回路电流减小时,感生电动势的方向阻止电流的减小,从而 增大二极管的导通角。 电感对直流分量的电抗为线圈电阻,对交流分量的感抗为ωL。 直流分量:U O(AV) = RL R + RL ⋅U D(AV) ≈ RL R + RL × 0.9U2 交流分量:uO(AC) = RL2 RL + (ω L) 2 ⋅ ud ≈ RL ωL ⋅ ud 456 3. 复式滤波电路 为获得更好的滤波效果,可采用复式滤波电路。 电感应与负载串联,电容应与负载并联。 457 4. 倍压整流电路 − + − + − +P 2 2U 2 2U 2 分析时的两个要点:设①负载开路,②电路进入稳态。 u2正半周C1充电:A→D1→C1→B,最终 UC1 = 2U 2 u2负半周,u2加C1上电压对C2充电:P→D2→C2→A,最终 UC2 = 2 2U 2 458 讨论一 已知变压器副边电压有效值为10V,电容足够大, 判断下列情况下输出电压平均值UO(AV)≈? 1. 正常工作; 2. C开路; 3. RL开路; 4. D1和C同时开路。 459 讨论二 整流电路如图所示,分别求解下列两种情况下输出电 压的波形和平均值、整流二极管的最大整流电流和最高 反向工作电压。 1. 变压器副边电压有效值U21=U22=20V; 2. U21=22V、 U22=22V。 460 第二十九讲 稳压电路 一、稳压电路的性能指标 二、稳压管稳压电路 三、串联型稳压电路 四、集成稳压器 五、开关型稳压电路 461 一、稳压电路的性能指标 1. 输出电压 2. 输出电流 3. 稳压系数 表明电网电压波动时电路的稳压性能。 在负载电流不变时,输出电压相对变化量与输入电压变 化量之比。 Sr = ∆U O ∆U I UO UI RL = ∆U O ∆U I ⋅ UI UO RL 4. 输出电阻 表明负载电流变化时电路的稳压性能。 在电网电压不变时,负载变化引起的输出电压的变化量 与输出电流的变化量之比。 Ro = ∆U O ∆I O UI 5. 纹波电压 测试出输出电压的交流分量。 462 二、稳压管稳压电路 1. 稳压管的伏安特性和主要参数 伏安特性 符号 等效电路 稳定电压 UZ:稳压管的击穿电压 稳定电流 IZ:使稳压管工作在稳压状态的最小电流 最大耗散功率 PZM:允许的最大功率, PZM= IZM UZ 动态电阻 rz:工作在稳压状态时,rz=ΔU / ΔI 463 2. 稳压管稳压电路的工作原理 UI =UR +UO IR = IDZ + IL 电网电压 ↑→ U I ↑→ UO ↑ (U Z ) ↑→ IDZ ↑→ IR ↑→ U R ↑→ UO ↓ 若∆UI ≈ ∆U R,则UO基本不变。利用 R上的电压变化补偿UI的波动。 RL  ↓→ UO ↓ (U Z ↓) → IDZ ↓→ IR ↓ RL ↓→ IL ↑→ IR ↑ 若∆IDZ ≈ −∆IL,则U R基本不变,UO也就基本不变。 利用I D 的变化来补偿I Z L的变化。 464 3. 稳压管稳压电路的主要指标 (1)输出电压 (2)输出电流 (3)稳压系数 UO=UZ IZmax- IZmin≤ IZM- IZ Sr = ∆U O ∆U I ⋅ UI UO RL = rz ∥ RL R + rz ∥ RL ⋅ UI UO ≈ rz R ⋅ UI UO (4)输出电阻 Ro = rz ∥ R ≈ rz 4. 特点 简单易行,稳压性能好。适用于输出电压固定、输出电 流变化范围较小的场合。 465 5. 稳压管稳压电路的设计 (1)UI的选择 UI=(2~3)UZ 为减小Sr,取 值矛盾! Sr ≈ rz R ⋅ UI UO (2)稳压管的选择 UZ=UO IZM-IZ > ILmax- ILmin (3)限流电阻的选择 保证稳压管既稳压又不损坏。 I DZmin > I Z 且 I DZmax < I ZM 电网电压最低且负载电流最大时,稳压管的电流最小。 I DZ min = U Imin − U Z R − I Lmax > IZ R < U Imin −U Z I Z + ILmax 电网电压最高且负载电流最小时,稳压管的电流最大。 I DZ max = U Imax − U Z R − I Lmin < I ZM 若求得Rmin>Rmax,怎么办? 466 R > U Imax −U Z I ZM + I Lmin 讨论一:稳压管稳压电路的设计 已知输出电压为 6V,负载电流为0~ 30mA。试求图示电 路的参数。 依次选择稳压管、 UI、 R、 C、U2、二极管 1. 输出电压、负载电流→稳压管 2. 输出电压→UI 3. 输出电压、负载电流、稳压管电流、 UI →R 4. UI 、 R →滤波电路的等效负载电阻→C 5. UI → U2 6. U2、 R中电流→整流二极管 467 三、串联型稳压电路 1. 基本调整管稳压电路 为了使稳压管稳压电路输出大电流,需要加晶体管放大。 IL = (1+ β )IO UO = U Z −U BE 稳压原理:电路引入电压负反馈,稳定输出电压。 468 调整管的作用及如何提高稳压性能 UO = U I −UCE 不管什么原因引起UO变化,都将通过UCE的调节 使UO稳定,故称晶体管为调整管。 若要提高电路的稳压性能,则应加深电路的负反 馈,即提高放大电路的放大倍数。 469 2. 具有放大环节的串联型稳压电路 ↓ ↓ ↑ ↑ 同相比例 运算电路 (1)稳压原理:若由于某种原因使UO增大 则 UO↑→ UN↑→ UB↓→ UO↓ (2)输出电压的调节范围 R1 + R2 + R3 R2 + R3 ⋅U Z ≤UO ≤ R1 + R2 R3 + R3 ⋅U Z 470 (3)串联型稳压电路的基本组成及其作用 比较放大 取样电阻 调整管 基准电压 调整管:是电路的核 心,UCE随UI和负载 产生变化以稳定UO。 基准电压:是UO的 参考电压。 取样电阻: 对UO 的取样,与基准电压共同决定UO 。 比较放大:将UO 的取样电压与基准电压比较后放大,决定 电路的稳压性能。 471 (4)串联型稳压电源中调整管的选择 根据极限参数ICM、 U(BR)CEO、PCM 选择调整管! 应考虑电网电压的波动和负载电流的变化! IEmax=IR1+ILmax≈ ILmax< ICM UCEmax=UImax- UOmin < U(BR)CEO PTmax= IEmax UCEmax < PCM 472 讨论二:对于基本串联型稳压电源的讨论 1. 若UO为10V~20V,R1= R3=1kΩ,则R3和UZ各为多 少? 2. 若电网电压波动±10%, UO为10V~20V,UCES=3V, UI至少选取多少伏? 3. 若电网电压波动±10%, UI为28V , UO为10V~20V ; 晶体管的电流放大系数为50,PCM=5W,ICM=1A;集成 运放最大输出电流为10mA,则最大负载电流约为多少? 473 讨论三:关于实用串联型稳压电源的讨论 输出电流 取样电阻 限流型过流 保护电路 I E max ≈ U BE R0 1. 标出集成运放的同相输入端和反相输入端; 2. 电路由哪些部分组成? 3. UI=21V,R1= R2= R3=300Ω,UZ=6V, UCES=3V, UO=? 4. 如何选取R’和R? 474 讨论三:关于实用串联型稳压电源的讨论 5. 取样电阻的取值应大些还是小些,为什么?它们有上限值吗? 6. 若电路输出纹波电压很大,则其原因最大的可能性是什么? 7. 根据图中过流保护电路的原理组成一种限流型过流保护电路。 475 四、集成稳压器(三端稳压器) 1. W7800系列 (1)简介 输出电压:5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V 输出电流:1.5A(W7800)、0.5A (W78M00)、0.1A (W78L00) 476 (2)基本应用 将输入端接整流滤波电路的输出,将输出端接负 载电阻,构成串类型稳压电路。 使Co不通过 稳压器放电 消除高频噪声 抵销长线电感效应, 消除自激振荡 477 (3)输出电流扩展电路 为使负载电流大于三端稳压器的输出电流,可采 用射极输出器进行电流放大。 IL = (1+ β )(IO − IR ) 很小 UO = U ' O +UD −U BE 二极管的作用:消除 UBE对UO的影响。 若UBE= UD,则 UO = U ' O 三端稳压器的输出电压 478 (4)输出电压扩展电路 隔离作用 UO = (1 + R2 R1 ) ⋅U ' O + I W R2 IW为几mA,UO与三端 稳压器参数有关。 基准电压 R1 + R2 + R3 R1 + R2 ⋅U ' O ≤UO ≤ R1 + R2 R1 + R3 ⋅U ' O 电路复杂 479 2. 基准电压源三端稳压器 W117 输出电压UREF=1.25V,调整端电流只有几微安。 保护 稳压器 UO = (1 + R2 R1 ) ⋅U REF 减小纹波电压 480 讨论四:W117的应用 3V ≤ UI-UO ≤ 40V 3mA ≤ IO ≤ 1.5A 决定于IOmin 1. R1的上限值为多少? 2. UO可能的最大值为多少? 3. 输出电压最小值为多少? 两种情况:1.已知UI 2.自己选取UI 决定于W117的输出 4. UOmax=30V,选取R1、 R2; 根据输出电压表达式 5. 已知电网电压波动±10%,输出电压最大值为30V, UI 至少取多少伏? 输入电压最低、输出电压最高时, UI-UO>3V。 481 讨论五:集成稳压器的应用 W7900与W7800不同 之处是输出为负电压。 ±UO=? 1. 基准电压为多少? 2. UO的表达式? 3. 为使W7812不因输入 端和输出端之间电压太 大而损坏,可采用什么 方法? 482 五、开关型稳压电路 1. 开关型稳压电源的特点 线性稳压电源:结构简单,调节方便,输出电压 稳定性强,纹波电压小。缺点是调整管工作在甲类状态, 因而功耗大,效率低(20%~49%);需加散热器,因而 设备体积大,笨重,成本高。 若调整管工作在开关状态,则势必大大减小功耗,提高 效率,开关型稳压电源的效率可达70%~95%。体积小, 重量轻。适于固定的大负载电流、输出电压小范围调节的 场合。 483 构成开关型稳压电源的基本思路 将交流电经变压器、整流滤波 得到直流电压 ↓ 控制调整管按一定频率开关,得到矩形波 ↓ 滤波,得到直流电压 引入负反馈,控制占空比,使输出电压稳定。 484 2. 串联开关型稳压电路 (1)基本电路 ① 电路组成及工作原理 T、D 均工作在开关状态。 uB=UH时 调整管 续流 滤波电路 二极管 uB=UL时 T饱和导通, D截止, uE≈ UI;L 储能,C 充电。 T截止, D导通, uE≈ - UD ;L 释放能量,C 放电。 485 ② 波形分析及输出电压平均值 调整管 续流 滤波电路 二极管 UO ≈ Ton T ⋅UI + Toff T ⋅ (−UD ) ≈ δ UI 关键技术:大功率高频管,高质量磁性材料 稳压原理:若某种原因使输出电压升高,则应减小占空比。 486 ③ 稳压原理 脉冲宽度调制式:PWM电路作用: UO↑→ Ton↓→ δ↓→ UO ↓ 其它控制方式: 脉冲频率调制式: UO↑→ T↑(脉宽不变)→ δ↓→ UO ↓ 混合调制式: UO↑→ T↑ Ton ↓→ δ↓→ UO ↓ 在串联开关型稳压电路中 UO < UI,故为降压型电路。 487 ④ 脉宽调制电路的基本原理 电压 调整管 比较器 比较放大电路 uP2与uB1占空比 的关系 UP2↑ 稳压原理: δ↑ UO↑→ UN1↑→ UO1 ↓(UP2↓)→uB1的占空比δ↓→ UO↓ UO↓→ UN1 ↓→ UO1↑ (UP2↑)→uB1的占空比δ↑→UO↑ 488 3. 并联开关型稳压电路(升压型) (1)工作原理 要研究调整管在饱和导通和 截止状态下电路的工作情况。 uB=UL时 uB=UH时 T饱和导通, L 储能, D截止,C 对负载放电。 T截止,L产生感生电 动势, D导通;UI与L所 产生的感生电动势相加 对C 充电。 489 (2)输出电压 - + + - 在周期不变的情况下, uB占空比越大,输出电压 平均值越高。 只有L足够大,才能升压;只有C足够大,输出电压交 流分量才足够小! 490 (3)稳压原理 脉宽调制式: UO↑→ Ton↓(频率不变)→ δ↓→ UO ↓ 491
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