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电子工程师自学速成 提高篇

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电子工程师自学速成 提高篇 

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tyw藏书 目录 封面 扉页 前言 第1章 电路分析基础 1.1 电路分析的基本方法与规律 1.1.1 欧姆定律 1.1.2 电功、电功率和焦耳定律 1.1.3 电阻的串联、并联与混联 1.2 复杂电路的分析方法与规律 1.2.1 基本概念 1.2.2 基尔霍夫定律 1.2.3 叠加定理 1.2.4 戴维南定理 1.2.5 最大功率传输定理与阻抗变换 第2章 放大电路 2.1 基本放大电路 2.1.1 固定偏置放大电路 2.1.2 分压式偏置放大电路 2.1.3 交流放大电路 2.1.4 放大电路的3种基本接法 2.1.5 朗读助记器的原理与检修(一) 2.2 负反馈放大电路 2.2.1 反馈知识介绍 2.2.2 反馈类型的判别 2.2.3 常见负反馈放大电路 2.2.4 负反馈对放大电路的影响 2.2.5 朗读助记器的原理与检修(二) 2.3 功率放大电路 2.3.1 功率放大电路的3种状态 2.3.2 变压器耦合功率放大电路 2.3.3 OTL功率放大电路 2.3.4 OCL功率放大电路 tyw藏书 2.3.5 朗读助记器的原理与检修(三) 2.4 多级放大电路 2.4.1 阻容耦合放大电路 2.4.2 直接耦合放大电路 2.4.3 变压器耦合放大电路 2.5 场效应管放大电路 2.5.1 结型场效应管及其放大电路 2.5.2 增强型绝缘栅场效应管及其放大电路 2.5.3 耗尽型绝缘栅场效应管及其放大电路 第3章 放大器 3.1 直流放大器 3.1.1 直流放大器的级间静态工作点影响问题 3.1.2 零点漂移问题 3.2 差动放大器 3.2.1 基本差动放大器 3.2.2 实用的差动放大器 3.2.3 差动放大器的几种连接形式 3.3 集成运算放大器 3.3.1 集成运算放大器的基础知识 3.3.2 集成运算放大器的线性应用电路 3.3.3 集成运算放大器的非线性应用电路 3.3.4 集成运算放大器的保护电路 3.4 小功率集成立体声功放器的原理与检修 3.4.1 电路原理 3.4.2 电路检修 第4章 谐振电路与滤波电路 4.1 谐振电路 4.1.1 串联谐振电路 4.1.2 并联谐振电路 4.2 滤波电路 4.2.1 无源滤波器 4.2.2 有源滤波器 第5章 振荡器 5.1 振荡器基础知识 tyw藏书 5.1.1 振荡器组成 5.1.2 振荡器的工作条件 5.2 RC振荡器 5.2.1 RC移相式振荡器 5.2.2 RC桥式振荡器 5.3 可调音频信号发生器的原理与检修 5.3.1 电路原理 5.3.2 电路检修 5.4 LC振荡器 5.4.1 变压器反馈式振荡器 5.4.2 电感三点式振荡器 5.4.3 电容三点式振荡器 5.4.4 改进型电容三点式振荡器 5.5 石英晶体及晶体振荡器 5.5.1 石英晶体 5.5.2 晶体振荡器 第6章 调制电路与解调电路 6.1 无线电信号的发送与接收 6.1.1 无线电信号的发送 6.1.2 无线电信号的接收 6.2 幅度调制与检波电路 6.2.1 幅度调制电路 6.2.2 检波电路 6.3 频率调制与鉴频电路 6.3.1 频率调制电路 6.3.2 鉴频电路 第7章 变频电路与反馈控制电路 7.1 变频电路 7.1.1 倍频电路 7.1.2 混频电路 7.2 反馈控制电路 7.2.1 自动增益控制(AGC)电路 7.2.2 自动频率控制(AFC)电路 7.2.3 锁相环(PLL)控制电路 tyw藏书 第8章 电源电路 8.1 整流电路 8.1.1 半波整流电路 8.1.2 全波整流电路 8.1.3 桥式整流电路 8.1.4 倍压整流电路 8.2 滤波电路 8.2.1 电容滤波电路 8.2.2 电感滤波电路 8.2.3 复合滤波电路 8.2.4 电子滤波电路 8.3 稳压电路 8.3.1 简单的稳压电路 8.3.2 串联型稳压电路 8.3.3 集成稳压电路 8.4 0~12V 可调电源的原理与检修 8.4.1 电路原理 8.4.2 电路检修 8.5 开关电源 8.5.1 开关电源基本工作原理 8.5.2 3种类型的开关电源工作原理分析 8.5.3 开关电源电路分析 第9章 晶闸管电路 9.1 单向晶闸管与晶闸管开关 9.1.1 单向晶闸管 9.1.2 晶闸管开关 9.2 晶闸管可控整流电路 9.2.1 可控半波整流电路 9.2.2 可控桥式整流电路 9.3 单结晶管与单向晶闸管交流调压电路 9.3.1 单结晶管 9.3.2 单结晶管振荡电路 9.3.3 单向晶闸管交流调压电路 9.4 双向晶闸管与双向晶闸管交流调压电路 tyw藏书 9.4.1 双向触发二极管 9.4.2 双向晶闸管 9.4.3 双向晶闸管交流调压电路 第10章 数字电路基础与门电路 10.1 数字电路基础 10.1.1 模拟信号与数字信号 10.1.2 正逻辑与负逻辑 10.1.3 三极管的3种工作状态 10.2 基本门电路 10.2.1 与门 10.2.2 或门 10.2.3 非门 10.3 门电路实验板的电路原理与实验 10.3.1 电路原理 10.3.2 基本门实验 10.4 复合门电路 10.4.1 与非门 10.4.2 或非门 10.4.3 与或非门 10.4.4 异或门 10.4.5 同或门 10.5 集成门电路 10.5.1 TTL集成门电路 10.5.2 CMOS集成门电路 第11章 数制、编码与逻辑代数 11.1 数制 11.1.1 十进制数 11.1.2 二进制数 11.1.3 十六进制数 11.1.4 数制转换 11.2 编码 11.2.1 8421BCD码、2421BCD码和5421BCD码 11.2.2 余3码 11.2.3 格雷码 tyw藏书 11.2.4 奇偶校验码 11.3 逻辑代数 11.3.1 逻辑代数的常量和变量 tyw藏书 11.3.2 逻辑代数的基本运算规律 11.3.3 逻辑表达式的化简 11.3.4 逻辑表达式、逻辑电路和真值表相互转换 11.3.5 逻辑代数在逻辑电路中的应用 第12章 组合逻辑电路 12.1 组合逻辑电路分析与设计 12.1.1 组合逻辑电路的分析 12.1.2 组合逻辑电路的设计 12.2 编码器 12.2.1 普通编码器 12.2.2 优先编码器 12.3 译码器 12.3.1  二进制译码器 12.3.2 二-十进制译码器 12.3.3 数码显示器与显示译码器 12.4 数码管译码控制器的电路原理与实验 12.4.1 电路原理 12.4.2 实验操作 12.5 加法器 12.5.1 半加器 12.5.2 全加器 12.5.3 多位加法器 12.6 数值比较器 12.6.1 等值比较器 12.6.2 数值比较器 12.7 数据选择器 12.7.1 结构与原理 12.7.2 常用数据选择器芯片 12.8 奇偶校验原理及奇偶校验器 12.8.1 奇偶校验原理 12.8.2 奇偶校验器 第13章 时序逻辑电路 13.1 触发器 13.1.1 基本RS触发器 13.1.2 同步RS触发器 13.1.3 D触发器 13.1.4 JK触发器 13.1.5 T触发器 13.1.6 主从触发器和边沿触发器 13.2 寄存器与移位寄存器 13.2.1 寄存器 13.2.2 移位寄存器 13.3 计数器 13.3.1 二进制计数器 13.3.2 十进制计数器 13.3.3 任意进制计数器 13.3.4 常用计数器芯片 13.4 电子密码控制器的电路原理与实验 13.4.1 电路原理 13.4.2 实验操作 第14章 脉冲电路 14.1 脉冲电路基础 14.1.1 脉冲的基础知识 14.1.2 RC电路 14.2 脉冲产生电路 14.2.1 多谐振荡器 14.2.2 锯齿波发生器 14.3 脉冲整形电路 14.3.1 单稳态触发器 14.3.2 施密特触发器 14.3.3 限幅电路 14.4 555定时器 14.4.1 结构与原理 14.4.2 应用 14.5 电子催眠器的电路原理与实验 tyw藏书 14.5.1 电子催眠原理 14.5.2 电路原理 14.5.3 实验操作及分析 第15章 D/A转换器和A/D转换器 15.1 概述 15.2 D/A转换器相关知识 15.2.1 D/A转换原理 15.2.2 D/A转换器 15.2.3 D/A转换器芯片DAC0832 15.3 A/D转换器相关知识 15.3.1 A/D转换原理 15.3.2 A/D转换器 15.3.3 A/D转换器芯片ADC0809 第16章 半导体存储器 16.1 顺序存储器 16.1.1 动态移存单元 16.1.2 动态移存器 16.1.3 常见顺序存储器 16.2 随机存储器 16.2.1 随机存储器的结构与原理 16.2.2 存储单元 16.2.3 存储器容量的扩展 16.3 只读存储器 16.3.1 固定只读存储器(ROM) 16.3.2 可编程只读存储器(PROM) 16.3.3 可改写只读存储器(EPROM) 16.3.4 电可改写只读存储器(EEPROM) 版权 tyw藏书 电子工程师自学速成——提高篇 蔡杏山 主编 tyw藏书 人民邮电出版社 北京 前言 tyw藏书 “电子技术无处不在”,小到身边的随身听,大到“神舟飞船”,无一不闪现着电子技术 的身影。电子技术应用于社会的众多领域,根据应用领域的不同,电子技术可分为家庭消 费电子技术(如电视机)、通信电子技术(如移动电话)、工业电子技术(如变频器)、 机械电子技术(如智能机器人控制系统)、医疗电子技术(如 B 超机)、汽车电子技术 (如汽车电气控制系统)、消费数码电子技术(如数码相机)和军事科技电子技术(如导 弹制导系统)等。 电子工程师是指从事各类电子产品和信息系统研究、教学、产品设计、科技开发、生 产和管理等工作的高级工程技术人才。电子工程师一般分为硬件电子工程师和软件电子工 程师,其中硬件电子工程师主要负责运用各种电子工具进行电子产品的装配、测试和维修 等工作,其工作是技术与手动操作的结合;软件电子工程师主要负责分析、设计电路图, 制作印制电路板(PCB),以及对嵌入式系统(如单片机)进行编程等工作。 为了让读者能够轻松快速地进入电子工程师行列,我们推出了“电子工程师自学速 成”丛书,该丛书分为“入门篇”、“提高篇”和“设计篇”共3本,各书内容说明如下。 《电子工程师自学速成——入门篇》的内容包括电子技术入门基础、电子元器件(电 阻器、电容器、电感器、变压器、二极管、三极管、光电器件、电声器件、晶闸管、场效 应管、IGBT、继电器、干簧管、显示器件、贴片元器件、集成电路和传感器)、基础电 子电路、收音机与电子产品的检修、电子测量基础、指针万用表、数字万用表、信号发生 器、毫伏表、示波器、频率计和扫频仪等。 《电子工程师自学速成—提高篇》的内容包括模拟电路和数字电路两大部分,其中模 拟电路部分的内容有电路分析基础、放大电路、放大器、谐振电路、滤波电路、振荡器、 调制电路、解调电路、变频电路、反馈控制电路、电源电路和晶闸管电路,数字电路部分 的内容有数字电路基础、门电路、数制、编码、逻辑代数、组合逻辑电路、时序逻辑电 路、脉冲电路、D/A转换器、A/D转换器和半导体存储器。 《电子工程师自学速成—设计篇》的内容包括单片机技术和Protel电路绘图设计两大 部分,其中单片机技术部分的内容有单片机入门、单片机硬件原理、单片机的开发过程、 单片机编程、中断技术、定时器/计数器、串行通信技术和接口技术,Protel电路绘图设计 部分的内容有Protel软件入门、设计电路原理图、制作新元件、手工设计PCB、自动设计 PCB和制作新元件封装。 “电子工程师自学速成”丛书主要有以下特点。 ◆ 基础起点低。读者只需具有初中文化程度即可阅读本套丛书。 tyw藏书 ◆ 语言通俗易懂。书中少用专业化的术语,遇到较难理解的内容用形象的比喻说 明,尽量避免复杂的理论分析和烦琐的公式推导,使得图书阅读起来十分顺畅。 ◆ 内容解说详细。考虑到自学时一般无人指导,因此在本套丛书编写过程中对书中 的知识和技能进行了详细解说,让读者能轻松理解所学内容。 ◆ 采用图文并茂的表现方式。书中大量采用读者喜欢的直观形象的图表方式表现内 容,使阅读变得非常轻松,不易产生阅读疲劳。 ◆ 内容安排符合认知规律。图书按照循序渐进、由浅入深的原则来确定各章节内容 的先后顺序,读者只需从前往后阅读图书,便会水到渠成。 ◆ 突出显示知识要点。为了帮助读者掌握书中的知识要点,书中用阴影和文字加粗 的方法突出显示知识要点,指示学习重点。 ◆ 网络免费辅导。读者在阅读时遇到难理解的问题可登录易天教学网: www.eTV100.com,观看有关辅导材料或向老师提问进行学习,读者也可以在该网站了解 本套丛书的新书信息。 本套丛书在编写过程中得到了许多老师的支持,其中,蔡玉山、詹春华、黄勇、何 慧、黄晓玲、蔡春霞、邓艳姣、刘凌云、刘海峰、刘元能、邵永亮、万四香、何宗昌、朱 球辉、何彬、李清荣、蔡理刚、何丽、蔡华山、梁云、蔡理峰、唐颖、王娟、蔡任英和邵 永明等参与了书中资料的收集和部分章节的编写工作,在此一致表示感谢。由于我们水平 有限,书中的错误和疏漏在所难免,望广大读者和同仁予以批评指正。 编者 tyw藏书 第1章 电路分析基础 1.1 电路分析的基本方法与规律 学好电子电路的关键是学会分析电路,而分析电路前先要掌握一些与电路分析有关的 基本定律和方法。 1.1.1 欧姆定律 tyw藏书 欧姆定律是电子技术中的一个最基本的定律,它反映了电路中电阻、电流和电压之间 的关系。欧姆定律分为部分电路欧姆定律和全电路欧姆定律。 1.部分电路欧姆定律 部分电路欧姆定律的内容是:在电路中,流过导体的电流I的大小与导体两端的电压U 成正比,与导体的电阻R成反比,即 也可以表示为U=IR或R= 。 为了让大家更好地理解欧姆定律,下面以图1-1为例来说明。 图1-1 欧姆定律的几种形式 如图 1-1 ( a )所示,已知电阻 R=10Ω,电阻两端电压 UAB=5V ,那么流过电阻的 电流 。 又如图1-1(b)所示,已知电阻R=5Ω,流过电阻的电流I=2A,那么电阻两端的电压 UAB=I·R=(2×5)V=10V。 在图1-1(c)所示电路中,流过电阻的电流I=2A,电阻两端的电压UAB=12V,那么电 阻的大小 。 下面再来说明欧姆定律在实际电路中的应用,如图 1-2所示。 图1-2 部分电路欧姆定律应用说明图 在图1-2所示电路中,电源的电动势E=12V,A、D之间的电压UAD与电动势E相等,3 tyw藏书 个电阻器R1、R2、R3串接起来,可以相当于一个电阻器 R,R=R1+R2+R3=(2+7+3) Ω=12Ω。知道了电阻的大小和电阻器两端的电压,就可以求出流过电阻器的电流I 求出了流过R1、R2、R3的电流I,并且它们的电阻大小已知,就可以求R1、R2、R3两 端的电压UR1( UR1实际就是A、B两点之间的电压UAB)、UR2(实际就是UBC)和 UR3(实际就是UCD),即 从上面可以看出UR1+UR2+UR3=UAB+UBC+UCD=UAD=12V 在图1-2所示电路中如何求B点电压呢?首先要明白,求某点电压指的就是求该点与地 之间的电压,所以B点电压UB实际就是电压UBD。求UB有以下两种方法。 方法一:UB=UBD=UBC+UCD=UR2+UR3=(7+3)V=10V 方法二:UB=UBD=UAD−UAB=UAD−UR1=(12−2)V=10V 2.全电路欧姆定律 全电路是指含有电源和负载的闭合回路。全电路欧姆定律又称闭合电路欧姆定律,其 内容是:闭合电路中的电流与电源的电动势成正比,与电路的内、外电阻之和成反比,即 全电路欧姆定律应用如图1-3所示。 图1-3 全电路欧姆定律应用说明图 图1-3中点画线框内为电源,R0表示电源的内阻,E表示电源的电动势。当开关S闭合 后,电路中有电流I流过,根据全电路欧姆定律可求得 。电源输 出电压(也即电阻R两端的电压)U=IR=1×10V=10V,内阻R0两端的电压U0=IR0= 1×2V=2V。如果将开关S断开,电路中的电流I=0A,那么内阻R0上消耗的电压U0=0V, 电源输出电压U与电源电动势相等,即U=E=12V。 tyw藏书 由全电路欧姆定律不难看出以下几点。 ① 在电源未接负载时,不管电源内阻多大,内阻消耗的电压始终为 0V,电源两端电 压与电动势相等。 ② 当电源与负载构成闭合回路后,由于有电流流过内阻,内阻会消耗电压,从而使 电源输出电压降低。内阻越大,内阻消耗的电压越大,电源输出电压越低。 ③ 在电源内阻不变的情况下,外阻越小,电路中的电流越大,内阻消耗的电压也越 大,电源输出电压会降低。 由于正常电源的内阻很小,内阻消耗的电压很低,故一般情况下可认为电源的输出电 压与电源电动势相等。 利用全电路欧姆定律可以解释很多现象。比如旧电池两端电压与正常电压相同,但将 旧电池与电路连接后除了输出电流很小外,电池的输出电压也会急剧下降,这是旧电池内 阻变大的缘故;又如将电源正、负极直接短路时,电源会发热甚至烧坏,这是因为短路时 流过电源内阻的电流很大,内阻消耗的电压与电源电动势相等,大量的电能在电源内阻上 消耗并转换成热能,故电源会发热。 1.电功 1.1.2 电功、电功率和焦耳定律 tyw藏书 电流流过灯泡,灯泡会发光;电流流过电炉丝,电炉丝会发热;电流流过电动机,电 动机会运转。由此可以看出,电流流过一些用电设备时是会做功的,电流做的功称为电 功。用电设备做功的大小不但与加到用电设备两端的电压及流过的电流有关,还与通电时 间长短有关。电功可用下面的公式计算 式中,W表示电功,单位是焦(J);U表示电压,单位是伏(V);I表示电流,单位 是安(A);t表示时间,单位是秒(s)。 电功的单位是焦(J),在电学中还常用到另一个单位千瓦时(kW·h),也称度。 1kW·h=1度。千瓦时与焦的换算关系是: 1kW·h可以这样理解:一个电功率为100W的灯泡连续使用10h,消耗的电功为 1kW·h(即消耗1度电)。 2.电功率 电流需要通过一些用电设备才能做功。为了衡量这些设备做功能力的大小,引入一个 电功率的概念。电流单位时间做的功称为电功率。电功率常用P表示,单位是瓦(W), 此外还有千瓦(kW)和毫瓦(mW)等,它们之间的换算关系是 电功率的计算公式是 根据欧姆定律可知U=I·R,I=U/R,所以电功率还可以用公式P=I2·R和P=U2/R来求。 下面以图1-4 所示电路为例来说明电功率的计算方法。 图1-4 电功率的计算说明图 在图 1-4 所示电路中,白炽灯两端的电压为 220V(它与电源的电动势相等),流过 白炽灯的电流为0.5A,求白炽灯的功率、电阻和白炽灯在10s所做的功。 白炽灯的功率 白炽灯的电阻 白炽灯在10s做的功 tyw藏书 3.焦耳定律 电流流过导体时导体会发热,这种现象称为电流的热效应。电热锅、电饭煲和电热水 器等都是利用电流的热效应来工作的。 英国物理学家焦耳通过实验发现:电流流过导体,导体发出的热量与导体流过的电 流、导体的电阻和通电的时间有关。这个关系用公式表示就是 式中,Q表示热量,单位是焦(J);R表示电阻,单位是欧(Ω);t表示时间,单位 是秒(s)。 焦耳定律说明:电流流过导体产生的热量,与电流的平方及导体的电阻成正比,与通 电时间也成正比。由于这个定律除了由焦耳发现外,俄国科学家楞次也通过实验独立发 现,故该定律又称焦耳-楞次定律。 举例:某台电动机额定电压是220V,线圈的电阻为0.4Ω,当电动机接220V的电压 时,流过的电流是3A,求电动机的功率和线圈每秒发出的热量。 电动机的功率是 电动机线圈每秒发出的热量 1.1.3 电阻的串联、并联与混联 tyw藏书 电阻的连接有串联、并联和混联3种方式。 1.电阻的串联 两个或两个以上的电阻头尾相连串接在电路中,称为电阻的串联,如图1-5所示。 图1-5 电阻的串联 电阻串联电路的特点有以下几点。 ① 流过各串联电阻的电流相等,都为I。 ② 电阻串联后的总电阻 R 增大,总电阻等于各串联电阻之和,即 ③ 总电压U等于各串联电阻上电压之和,即 ④ 串联电阻越大,两端电压越高,因为R1Ub>Ue,所以VT内部两个PN结的状态是:发射结正偏(PN结可相当于 一个二极管,P极电压高于N极电压时称为PN结电压正偏),集电结反偏。 综上所述,三极管处于放大状态时具有的特点如下。 ① Ib+Ic=Ie,Ic=Ib·β。 ② Uc>Ub>Ue(NPN型三极管)。 ③ 发射结正偏导通,集电结反偏。 4.静态工作点的计算 在图2-1(a)所示电路中,三极管VT的Ib(基极电流)、Ic(集电极电流)和Uce(集 电极和发射极之间的电压,Uce=Uc−Ue)称为静态工作点。 三极管VT的静态工作点计算方法如下 Ube=0.3V) (三极管处于放大状态时Ube值为定值,硅管一般取Ube=0.7V,锗管取 举例:在图2-1(a)所示电路中,VCC=12V,Rb=300kΩ,Rc=4kΩ,β=50,求放大电 路的静态工作点Ib、Ic、Uce。 静态工作点计算过程如下 以上分析的是NPN型三极管固定偏置放大电路,读者可根据上面的方法来分析图21(b)所示电路中的PNP型三极管固定偏置放大电路。 固定偏置放大电路结构简单,但当三极管温度上升引起静态工作点发生变化时(如环 境温度上升,三极管内的半导体材料导电能力增强,会使电流Ib、Ic增大),电路无法使 静态工作点恢复正常,从而会导致三极管工作不稳定,所以固定偏置放大电路一般用在要 求不高的电子设备中。 2.1.2 分压式偏置放大电路 tyw藏书 分压式偏置放大电路是一种应用最为广泛的放大电路,这主要是因为它能有效克服固 定偏置放大电路无法稳定静态工作点的缺点。分压式偏置放大电路如图2-2所示,该电路 为NPN型三极管构成的分压式偏置放大电路。R1为上偏置电阻,R2为下偏置电阻,R3为 负载电阻,R4为发射极电阻。 图2-2 分压式偏置放大电路 1.电流关系 接通电源后,电路中有电流 I1、I2、Ib、Ic、Ie产生,各电流的流向如图2-2所示。不 难看出,这些电流有以下关系 2.电压关系 接通电源后,电源为三极管各个极提供电压,+VCC电源经 R3降压后为VT提供集电极 电压Uc,+VCC经R1、R2分压为VT提供基极电压Ub,电流Ie在流经R4时,在R4上得到电压 UR4,UR4大小与VT的发射极电压Ue相等。图中的三极管VT处于放大状态,Uc、Ub、Ue3 个电压满足以下关系 3.三极管内部两个PN结的状态 由于Uc>Ub>Ue,其中Uc>Ub使VT的集电结处于反偏状态,Ub>Ue使VT的发射结处于 正偏状态。 4.静态工作点的计算 在电路中,三极管VT的电流Ib远小于电流I1,基极电压Ub基本由R1、R2分压来确定, 即 由于Ube=Ub−Ue=0.7V,所以三极管VT的发射极电压为 三极管VT的集电极电压为 tyw藏书 举例:在图 2-2 所示电路中,VCC=18V,R1=39kΩ,R2=10kΩ,R3=3kΩ,R4=2kΩ, β=50,求放大电路的Ub、Uc、Ue和静态工作点Ib、Ic、Uce。 计算过程如下 5.静态工作点的稳定 与固定偏置放大电路相比,分压式偏置放大电路最大的优点是具有稳定静态工作点的 功能。分压式偏置放大电路静态工作点稳定过程分析如下。 当环境温度上升时,三极管内部的半导体材料导电性增强,VT 的电流 Ib、Ic增大→ 流过 R4的电流Ie增大(Ie=Ib+Ic,电流Ib、Ic增大,Ie就增大)→R4两端的电压UR4增大 (UR4=Ie•R4,R4不变, Ie增大,UR4也就增大)→VT的发射极电压Ue上升(Ue=UR4) →VT的发射结两端的电压Ube下降(Ube=Ub−Ue,Ub基本不变,Ue上升,Ube下降)→Ib减 小→Ic也减小(Ic=Ib•β,β不变,Ib减小,Ic也减小)→Ib、Ic减小到正常值,从而稳定了三 极管的电流Ib、Ic。 2.1.3 交流放大电路 tyw藏书 偏置放大电路具有放大能力,若给偏置放大电路输入交流信号,它就可以对交流信号 进行放大,再输出幅度大的交流信号。为了使偏置放大电路以较好的效果放大交流信号, 并能与其他电路很好连接,通常要给偏置放大电路增加一些耦合、隔离和旁路元件,这样 的电路常称为交流放大电路。图2-3所示就是一种典型的交流放大电路。 图2-3 一种典型的交流放大电路 1.元器件说明 图中的电阻R1、R2、R3、R4与三极管VT构成分压式偏置放大电路。C1、C3称为耦合 电容,C1、C3容量较大,对交流信号阻碍很小,交流信号很容易通过C1、C3,C1用来将 输入端的交流信号传送到VT的基极,C3用来将VT集电极输出的交流信号传送给负载RL, C1、C3除了传送交流信号外,还起隔直作用,所以VT基极直流电压无法通过C1到输入 端,VT集电极直流电压无法通过C3到负载RL。C2称为交流旁路电容,可以提高放大电路 的放大能力。 2.直流工作条件 因为三极管只有在满足了直流工作条件时才具有放大能力,所以分析一个放大电路是 否具有放大能力先要分析它能否为三极管提供直流工作条件。 三极管要工作在放大状态,需满足的直流工作条件主要有:有完整的电流Ib、Ic、Ie 途径;能提供电压 Uc、Ub、Ue;发射结正偏导通,集电结反偏。这 3 个条件具备了三极 管才具有放大能力。一般情况下,如果三极管电流 Ib、Ic、Ie在电路中有完整的途径就可 认为它具有放大能力,因此以后在分析三极管的直流工作条件时,一般分析三极管的电流 Ib、Ic、Ie途径就可以了。 VT的电流Ib的途径是:电源VCC正极→电阻R1→VT的基极→VT的发射极; VT的电流Ic的途径是:电源VCC正极→电阻R3→VT的集电极→VT的发射极; VT的电流Ie的途径是:VT的发射极→R4→地→电源VCC负极。 电流Ib、Ic、Ie途径也可用如下流程图表示: tyw藏书 从上面的分析可知,三极管VT的电流Ib、Ic、Ie在电路中有完整的途径,所以VT具有 放大能力。试想一下,如果R1或R3开路,三极管VT有无放大能力,为什么? 3.交流信号处理过程 满足了直流工作条件后,三极管具有了放大能力,就可以放大交流信号。图 2-3 所示 电路中的Ui为小幅度的交流信号电压,它通过电容C1加到三极管VT的基极。 当交流信号电压 Ui为正半周时,Ui极性为上正下负,上正电压经 C1送到 VT 的基 极,与基极的直流电压(VCC经R1提供)叠加,使基极电压上升,VT的电流Ib增大,电流 Ic也增大,流过R3的电流Ic增大,R3上的电压UR3也增大(UR3=IcR3,因Ic增大,故UR3增 大),VT集电极电压Uc下降(Uc=VCC−UR3,UR3增大,故 Uc下降),该下降的电压即为 放大输出的信号电压,但信号电压被倒相180°,变成负半周信号电压。 当交流信号电压 Ui为负半周时,Ui极性为上负下正,上负电压经 C1送到 VT 的基 极,与基极的直流电压(VCC经R1提供)叠加,使基极电压下降,VT的电流Ib减小,电流 Ic也减小,流过R3的Ic电流减小,R3上的电压UR3也减小(UR3=IcR3,因Ic减小,故UR3减 小),VT集电极电压Uc上升(Uc=VCC−UR3,UR3减小,故 Uc上升),该上升的电压即为 放大输出的信号电压,但信号电压也被倒相180°,变成正半周信号电压。 也就是说,当交流信号电压正、负半周送到三极管基极,经三极管放大后,从集电极 输出放大的信号电压,但输出信号电压与输入信号电压相位相反。三极管集电极输出信号 电压再经耦合电容C3隔直后送给负载RL。 2.1.4 放大电路的3种基本接法 tyw藏书 1.放大电路的一些基本概念 为了让大家更容易理解放大电路,先来介绍一些放大电路的基本概念。 (1)输入电阻和输出电阻 一个放大电路通常可以用图 2-4 所示的电路来等效,这样等效的依据是:在放大电路 工作时,输入信号送到放大电路输入端,对于输入信号来说,放大电路就相当于一个负载 电阻 Ri,这个电阻Ri称为放大电路的输入电阻;放大电路将输入信号放大后,会输出信 号送到负载RL两端,因为放大电路有信号输出,所以对于负载RL来说,放大电路就相当 于一个具有内阻为Ro和电压为U2的信号源,这里的内阻Ro称为放大电路的输出电阻。 图2-4 放大电路等效图 图中的 U1为信号源电压,R1为信号源内阻,RL为负载。图中间点画线框内的部分是 放大电路的等效图,U2是放大的信号电压,Ui为放大电路的输入电压,负载RL两端的电 压Uo为放大电路的输出电压,流入放大电路的电流Ii称为输入电流,从放大电路流出的电 tyw藏书 流Io称为输出电流,Ri为放大电路的输入电阻,Ro为放大电路的输出电阻。 从减轻输入信号源负担和提高放大电路的输出电压角度考虑,输入电阻Ri的阻值大一 些好,因为在输入信号源内阻R1不变时,输入电阻Ri大一方面会使放大电路从信号源吸取 的电流Ii小,同时可以在放大电路输入端得到比较高的电压Ui,这样放大电路放大后输出 的电压很高。如果需要提高放大电路的输出电流Io,输入电阻Ri小一些更好,因为输入电 阻小时放大电路输入电流大,放大后输出的电流就比较大。 对于放大电路的输出电阻Ro的阻值,要求是越小越好,因为输出电阻小时,在输出 电阻上消耗的电压和电流都很小,负载RL就可以获得比较大的功率,也就是说放大电路 输出电阻小则该放大电路带负载能力强。 (2)放大倍数和增益 放大电路的放大倍数有以下3种。 ① 电压放大倍数。电压放大倍数是指输出电压Uo与输入电压Ui的比值,用Au表示 ② 电流放大倍数。电流放大倍数是指输出电流Io与输入电流Ii的比值,用Ai表示 ③ 功率放大倍数。功率放大倍数是指输出功率Po与输入功率Pi的比值,用AP表示 在实际应用中,为了便于计算和表示,常采用放大倍数的对数来表示放大电路的放大 能力,这样得到的值称为增益,增益的单位为分贝(dB)。增益越大说明电路的放大能 力越强。 电压增益为 电流增益为 功率增益为 例如放大电路的电压放大倍数分别为100倍和10 000倍时,它的电压增益分别就是 40dB和80dB。 2.放大电路的3种基本接法 根据三极管在电路中的连接方式不同,放大电路有3种基本接法:共发射极接法、共 基极接法和共集电极接法。放大电路的3种基本接法如图2-5所示。tyw藏书 图2-5 放大电路的3种基本接法 放大电路的3种基本接法电路可从下面几个方面来分析。 (1)是否具备放大能力 前面已经讲过,要判断三极管电路是否具备放大能力,一般可通过分析电路中三极管 的电流Ib、Ic、Ie有无完整的途径来判断,若有完整的途径就说明该放大电路具有放大能 力。图2-5所示电路中3种基本接法电路的三极管电流Ib、Ic、Ie分析如下。 共发射极接法电路中三极管的电流Ib、Ic、Ie途径: 共基极接法电路中三极管的电流Ib、Ic、Ie途径: 共集电极接法电路中三极管的电流Ib、Ic、Ie途径: 从上面的分析可以看出,3种基本接法电路中的三极管电流Ib、Ic、Ie都有完整的途 径,所以它们都具有放大能力。 (2)共用电极形式 一个放大电路应具有输入和输出端,为了使输入、输出端的交流信号能有各自的回 路,要求输入和输出端应各有两极,而三极管只有3个电极,这样就会出现一个电极被输 入、输出端共用的情况。 在分析放大电路时,为了掌握放大电路交流信号的处理情况,需要画出它的交流等效 图,在画交流等效图时不考虑直流。画交流等效图要掌握以下两点。 tyw藏书 ① 电源的内阻很小,对于交流信号可视为短路,即对交流信号而言,电源正、负极 相当于短路,所以画交流等效图时应将电源正、负极用导线连起来。 ② 电路中的耦合电容和旁路电容容量比较大,对交流信号阻碍很小,也可视为短 路,在画交流等效图时大容量的电容应用导线取代。 根据上述原则,可按图2-6所示的方法画出图2-5(a)所示共发射极接法放大电路的 交流等效图。 图2-6 共发射极接法放大电路的交流等效图的绘制 用同样的方法可画出其他两种基本接法放大电路的交流等效图。3 种基本接法放大电 路的交流等效图如图2-7所示。 图2-7 3种基本接法放大电路的交流等效图 在图2-7(a)所示电路中,基极是输入端,集电极是输出端,发射极是输入和输出回 路的共用电极,这种放大电路称为共发射极放大电路。 在图2-7(b)所示电路中,发射极是输入端,集电极是输出端,基极是输入和输出回 路的共用电极,这种放大电路称为共基极放大电路。 在图2-7(c)所示电路中,基极是输入端,发射极是输出端,集电极是输入和输出回 路的共用电极,这种放大电路称为共集电极放大电路。 (3)3种基本接法放大电路的特点 3种基本接法放大电路的特点见表2-1。 表2-1 3种基本接法放大电路的特点 tyw藏书 2.1.5 朗读助记器的原理与检修(一) tyw藏书 朗读助记器是一种利用声音反馈来增强记忆的电子产品。在朗读时,助记器的话筒 (又称传声器)将声音转换成电信号,然后对电信号进行放大,最后又将电信号经耳机 (又称受话器)还原成声音,人耳听到增强的朗读声音可强化朗读内容的记忆。朗读助记 器电路较为复杂,本书将它分成3个部分说明。 1.电路原理 图2-8所示是朗读助记器的第一部分电路原理图。 电路分析如下。 (1)信号处理过程 在朗读时,话筒BM将声音转换成电信号,这种由声音转换成的电信号称为音频信 号。音频信号由音量电位器 RP1调节大小后,再通过 C1送到三极管 VT1基极,音频信号 经 VT1放大后从集电极输出,通过C3送到耳机插座X2_out,如果将耳机插入X2插孔,就 可以听到自己的朗读声。 图2-8 朗读助记器的第一部分电路原理图 (2)直流工作情况 6V直流电压通过接插件X4送入电路,+6V电压经R10降压后分成3路:第1路经R1、插 座X1的内部簧片为话筒提供工作电压,使话筒工作;第2路经R2、R3分压后为三极管VT1 提供基极电压;第3路经R4为VT1提供集电极电压。三极管VT1提供电压后有电流Ib、Ic、 Ie流过,VT1处于放大状态,可以放大送到基极的信号并从集电极输出。 (3)元器件说明 BM为内置驻极体式话筒,用于将声音转换成音频信号,BM有正、负极之分,不能接 错极性。X1为外接输入插座,当外接音源设备(如收音机、MP3等)时,应将音源设备 的输出插头插入该插座,插座内的簧片断开,内置话筒BM被切断,而外部音源设备送来 tyw藏书 的信号经X1簧片、RP1和C1送到三极管VT1基极进行放大。X3为扬声器接插件,当使用外 接扬声器时,可将扬声器的两根引线与X3连接。X2为外接耳机插座,当插入耳机插头 后,插座内的簧片断开,扬声器接插件X3被切断。 R10、C5构成电源退耦电路,用于滤除电源供电中的波动成分,使电路能得到较稳定 的供电电压。在电路工作时,+6V电源经R10为三极管VT1供电,同时还会对C5充电,在 C5上充得上正下负的电压。在静态时,VT1无信号输入,VT1导通程度不变(即Ic保持不 变),流过R10的电流I基本稳定,电压UA保持不变,在VT1有信号输入时,VT1的电流Ic 会发生变化,当输入信号幅度大时, VT1放大时导通程度深,电流 Ic增大,流过 R10的电 流 I 也增大,若没有 C5,A 点电压会因电流 I的增大而下降(I增大,R10上电压增大), 有了C5后,C5会向R4放电弥补电流Ic增多的部分,无需通过R10的电流I增大,这样A点电 压变化很小。同样,如果VT1的输入信号幅度小时,VT1放大时导通浅,电流Ic减小,若 没有C5,电流I也减小,A点电压会因电流I减小而升高,有了C5后,多余的电流I会对C5充 电,这样电流I不会因Ic减小而减小,A点电压保持不变。 2.电路的检修 下面以“无声”故障为例来说明朗读助记器第一部分电路的检修方法,检修过程如图 2- 9所示。 tyw藏书 图2-9 “无声”故障检修流程图(朗读助记器第一部分电路) 2.2 负反馈放大电路 tyw藏书 2.2.1 反馈知识介绍 反馈意为“反送”,反馈电路的功能就是从电路的输出端取出一部分信号反送到电路的 输入端。由于温度和电源的影响,放大电路在工作时往往是不稳定的,并且性能也不大 好,给放大电路加上反馈电路可以有效克服这些缺点。 下面通过图2-10所示的方框图来介绍反馈的基础知识。 图2-10无反馈和有反馈放大电路方框图 1.正反馈和负反馈 图 2-10(a)中所示的基本放大电路没有加反馈电路,Xo表示输出信号,Xi表示输入 信号。图2-10(b)中所示的基本放大电路增加了反馈电路,它从放大电路的输出端取一 部分信号反送到电路的输入端,Xf表示反馈信号,反馈信号 Xf与输入信号 Xi叠加后送到 电路的输入端。如果反馈的信号与输入信号叠加所得到的信号增强,这种反馈称为正反 馈;如果反馈的信号与输入信号叠加所得到的信号减弱,这种反馈称为负反馈。 2.开环放大倍数 在图2-10(a)所示电路中,放大电路没加反馈时的放大倍数称为开环放大倍数A,它 可表示为 3.闭环放大倍数 在图2-10(b)所示电路中,反馈信号Xf与输出信号Xo的比值称为反馈系数F,即 如果反馈电路是负反馈,反馈系数F越大,表示负反馈信号Xf越大,抵消输入信号越 多,送到基本放大电路的净输入信号 越小,输出信号Xo越小,电路增益下降。 电路加了反馈电路后的放大倍数称为闭环放大倍数Af,它可表示为 tyw藏书 由于反馈放大电路引入了负反馈,它输出的信号 Xo较未加负反馈的基本放大电路输 出信号 Xo要小,所以负反馈放大电路的闭环放大倍数Af较开环放大倍数A小。 2.2.2 反馈类型的判别 反馈电路类型很多,可根据以下不同的标准分类。 tyw藏书 根据反馈的极性分:有正反馈和负反馈。 根据反馈信号和输出信号的关系分:有电压反馈和电流反馈。 根据反馈信号和输入信号的关系分:有串联反馈和并联反馈。 根据反馈信号是交流或直流分:有交流反馈和直流反馈。 电路的反馈类型虽然很多,但对于一个具体的反馈电路,它会同时具有以上4种类 型。下面就以图2-11所示两个反馈电路为例来介绍反馈类型的判别方法。 图2-11 两个反馈电路 1.正反馈和负反馈的判别 (1)三极管各极电压变化关系 为了快速判断出反馈电路的反馈类型,有必要了解三极管各极电压的变化关系。不管 NPN型还是PNP型三极管,它们各极电压的变化都有以下规律。 ① 三极管的基极与发射极是同相关系。当基极电压上升(或下降)时,发射极电压 也上升(或下降),即基极电压变化时,发射极的电压变化与基极电压变化相同。 ② 三极管的基极与集电极是反相关系。当基极电压上升(或下降)时,集电极电压 下降(或上升),即基极电压变化时,集电极的电压变化与基极电压变化相反。 ③ 三极管的发射极与集电极是同相关系。当发射极电压上升(或下降)时,集电极 电压也上升(或下降),即发射极电压变化时,集电极的电压变化与发射极相同。 三极管各极电压变化规律可用图2-12表示,其中 表示电压上升,Θ表示电压下降。 tyw藏书 图2-12 三极管各极电压变化规律 图2-12(a)表示的含义为“当三极管基极电压上升时,会引起发射极电压上升、集电 极电压下降;当三极管基极电压下降时,会引起发射极电压下降、集电极电压上升”。 图2-12(b)表示的含义为“当三极管发射极电压上升时,会引起基极和集电极电压都 上升;当三极管发射极电压下降时,会引起基极和集电极电压都下降”。 (2)正反馈和负反馈的判别 ① 判别电路中有无反馈。在图2-11(a)所示电路中,R5、C1将输出信号的一部分反 送到输入端,所以电路中有反馈。R5、C1构成反馈电路。 在图2-11(b)所示电路中,R4、R5将后级电路信号的一部分反送到前级电路,这也 属于反馈。R4、R5、C1构成反馈电路。 ② 判别反馈电路的正、负反馈类型。反馈电路的正、负反馈类型通常采用“瞬时极性 法”判别。所谓“瞬时极性法”是指假设电路输入端电压瞬间变化(上升或下降),再分析 输出端反馈过来的电压与先前假设的输入端电压的变化是否相同,相同说明反馈为正反 馈,相反则为负反馈。 正、负反馈类型判别如图2-13所示。 图2-13 正、负反馈类型的判别 在图 2-13(a)所示电路中,因为信号反馈到三极管 VT1的基极,所以假设 VT1的基 极电压上升,根据前面介绍的三极管各极电压变化规律可知,当三极管VT1的基极电压 (指对地电压,以下同)上升时,集电极电压会下降,三极管 VT2的基极电压下降,VT2 的集电极电压上升,该上升的电压经R5、C1反馈到VT1的基极,由于反馈信号的电压极性 与先前假设的电压极性相同,所以该反馈为正反馈。 tyw藏书 在图2-13(b)所示电路中,因为信号反馈到VT1的发射极,所以假设VT1的发射极电 压上升,VT1的集电极电压也会上升,VT2的基极电压上升,VT2的集电极电压下降,该 下降的电压经R5、R4反馈到VT1的发射极,由于反馈信号的电压极性与先前假设的电压极 性相反,所以该反馈为负反馈。 2.电压反馈和电流反馈的判别 电压反馈和电流反馈的判别方法是:将电路的输出端对地短路,如果反馈信号不再存 在(即反馈信号被短路到地),则该反馈为电压反馈;如果反馈信号依然存在(即反馈信 号未被短路),该反馈为电流反馈。 电压、电流反馈类型判别如图2-14所示。 图2-14 电压、电流反馈类型的判别 在图 2-14(a)所示电路中,将输出端 B 点对地短路,输出信号和反馈信号都被短路 到地,反馈信号不存在,该反馈为电压反馈。 在图 2-14(b)所示电路中,将输出端 B 点对地短路,输出信号被短路到地,反馈信 号没有被短路(输出端为三极管的发射极,但反馈信号取自三极管的集电极,故反馈信号 未被短路到地),反馈信号还存在,该反馈为电流反馈。 3.串联反馈和并联反馈的判别 串联反馈和并联反馈的判别方法是:将电路的输入端对地短路,如果反馈信号不存在 (即反馈信号被短路到地),该反馈为并联反馈;如果反馈信号依然存在(即反馈信号未 被短路),该反馈为串联反馈。 串联、并联反馈类型判别如图2-15所示。 在图 2-15(a)所示电路中,将输入端 A 点与地短路,输入信号和反馈信号都被短路 到地,反馈信号不存在,该反馈为并联反馈。 在图2-15(b)所示电路中,将输入端A点对地短路,输入信号被短路到地,反馈信 号没有被短路,仍有反馈信号加到前级电路,该反馈为串联反馈。 tyw藏书 图2-15 串联、并联反馈类型的判别 4.交流反馈和直流反馈的判别 交流反馈和直流反馈的判别方法是:如果反馈信号是交流信号,为交流反馈;如果反 馈信号是直流信号,就为直流反馈;如果反馈信号中既有交流信号又有直流信号,这种反 馈称为交流、直流反馈。 交流、直流反馈类型判别如图2-16所示。 图2-16 交流、直流反馈类型的判别 在图2-16(a)所示电路中,由于电容C1的隔直作用,直流信号无法加到输入端,只 有交流信号才能加到输入端,故该反馈为交流反馈。 在图2-16(b)所示电路中,由于电容C1的旁路作用,反馈的交流信号被旁路到地, 只有直流信号送到前级电路,故该反馈为直流反馈。 综上所述,图2-11(a)所示电路的反馈类型是电压、并联、交流正反馈,图211(b)所示电路的反馈类型是电流、串联、直流负反馈。 2.2.3 常见负反馈放大电路 tyw藏书 为了让放大电路稳定地工作,可以给放大电路增加负反馈电路,带有负反馈电路的放 大电路称为负反馈放大电路。下面介绍两种常见的负反馈放大电路。 1.电压负反馈放大电路 电压负反馈放大电路如图2-17所示。 电压负反馈放大电路的电阻R1除了可以为三极管VT提供基极电流Ib外,还能将输出 信号的一部分反馈到VT的基极(即输入端),由于基极与集电极是反相关系,故反馈为 负反馈,用前面介绍的方法还可以判断出该电路的反馈类型是电压、并联、交流、直流反 馈。 负反馈电路的一个非常重要的特点就是可以稳定放大电路的静态工作点,下面分析图 2-17所示电压负反馈放大电路静态工作点的稳定过程。 图2-17 电压负反馈放大电路 由于三极管是半导体器件,它具有热敏性,当环境温度上升时,它的导电性增强,电 流 Ib、Ic会增大,从而导致三极管工作不稳定,整个放大电路工作也不稳定。给放大电路 引入负反馈电阻 R1后就可以稳定电流Ib、Ic,其稳定过程如下。 当环境温度上升时,三极管VT的电流Ib、Ic增大→流过R2的电流I 增大(I=Ib+Ic,Ib、 Ic电流增大,I 就增大)→R2两端的电压 UR2增大(UR2=I•R2,I 增大,R2不变,UR2增 大)→VT 的集电极电压 Uc下降(Uc=VCC−UR2,UR2增大,VCC不变,Uc会减小)→VT 的基极电压 Ub下降(Ub由Uc经R1降压获得,Uc下降,Ub也会跟着下降)→Ib减小(Ub下 降,VT发射结两端的电压Ube减小,流过的电流Ib就减小)→Ic也减小(Ic=Ib•β,Ib减小, β不变,故Ic减小)→Ib、Ic减小到正常值。 由此可见,电压负反馈放大电路由于R1的负反馈作用,静态工作点得到稳定。 2.负反馈多级放大电路 图 2-18 所示是一种较常用的负反馈多级放大电路,电路中的 R3为反馈电阻,根据前 面介绍的方法不难判断出该电路的反馈类型是电压、并联、交流、直流负反馈。 tyw藏书 图2-18 一种较常用的负反馈多级放大电路 (1)三极管电流途径 三极管VT2的电流途径为: 三极管VT1的电流途径为: 由于三极管 VT1、VT2都有正常的电流 Ic、Ib、Ie,所以 VT1、VT2均处于放大状态。 另外,从VT1的电流途径可以看出,VT1的Ib1电流取自VT2的发射极,如果VT2没有导通, 无电流Ie2,VT1也就无电流Ib1,VT1就无法导通。 (2)静态工作点的稳定 给放大电路增加负反馈可以稳定静态工作点,图2-18所示电路也不例外,其静态工作 点稳定过程如下。 当环境温度上升时,三极管VT1的电流Ib、Ic增大→流过R1的电流Ic1增大→UR1增大 →Uc1下降(Uc1=VCC−UR1,UR1增大,Uc1下降)→VT2的基极电压Ub2下降→Ib2减小 →Ic2减小→Ie2减小→流过 R4的电流减小→UR4减小→Ue2下降(Ue2=UR4)→VT1的基极 电压 Ub1下降(电压 Ub1取自电压Ue2)→Ib1减小→Ic1减小,即三极管VT1原来增大的电流 Ib、Ic又下降到正常值,从而稳定了放大电路的静态工作点。 2.2.4 负反馈对放大电路的影响 tyw藏书 反馈有正反馈和负反馈之分,正反馈用在放大电路中可以将放大电路转变成振荡电 路,而负反馈用在放大电路中可以使放大性能更好、更稳定。有关正反馈的应用将在后面 的章节介绍。负反馈对放大电路的影响主要有以下几点。 1.对输入电阻的影响 对放大电路输入电阻的影响主要是并联负反馈和串联负反馈。理论分析和计算(该过 程较复杂,这里省略)表明:并联负反馈可使放大电路的输入电阻减小,串联负反馈可使 放大电路的输入电阻增大。 2.对输出电阻的影响 对放大电路输出电阻的影响主要是电压负反馈和电流负反馈。理论分析和计算表明: 电压负反馈可使放大电路的输出电阻减小,有稳定输出电压的功能;电流负反馈可使放大 电路的输出电阻增大,有稳定输出电流的功能。 3.对非线性失真的影响 如果一个放大电路静态工作点设置不合理(如 Ib、Ic偏大或偏小)或三极管本身存在 缺陷,就会造成放大电路放大后输出的信号产生失真。为了减小失真,可以在放大电路中 加入负反馈电路。 4.对频率特性的影响 对于一个放大电路,如果放大倍数很大,那么它的频率特性就比较差,对频率偏高或 偏低的信号就不能正常放大,而引入负反馈后,放大电路的放大倍数就会减小,频率特性 就会得到改善,通频带变宽(即能放大频率范围更广的信号)。 1.电路原理 2.2.5 朗读助记器的原理与检修(二) tyw藏书 朗读助记器第一、二部分电路如图2-19所示,点画线框内为第二部分,它是一个负反 馈多级放大电路。由于朗读助记器的第一部分前面已详细说明,这里仅介绍第二部分电 路。 图2-19 朗读助记器的第一、二部分电路原理图 朗读助记器的第二部分电路原理分析如下。 (1)信号处理过程 三极管VT1输出的音频信号经C3送到VT2基极,放大后从VT2集电极输出又送到VT3基 极,经VT3放大后从VT3发射极输出,再经C6送到耳机插座X2_out,如果将耳机插入X2插 孔,就可以听到自己的朗读声。 (2)直流工作情况 6V直流电源通过接插件X4送入电路,+6V电压经R10降压后除了为朗读助记器第一部 分电路供电外,还为第二部分电路供电。第二部分电路中的VT2、VT3获得供电会导通进 入放大状态,VT2、VT3的电流Ib、Ic、Ie途径如下。 VT3的电流途径: VT2的电流途径: (3)元器件说明 tyw藏书 VT2、VT3构成两级反馈放大电路。RP2为反馈电阻,该电路反馈类型是电压、并 联、交流、直流负反馈。RP2不但可以为VT2提供电流Ib2,还可以稳定VT2、VT3的静态工 作点。C4为交流旁路电容,可以提高VT2放大电路的增益。 2.电路的检修 下面以“无声”故障为例来说明朗读助记器第二部分电路的检修方法(第一部分电路已 确定正常),检修过程如图2-20所示。 tyw藏书 图2-20 “无声”故障检修流程图(朗读助记器第二部分电路) tyw藏书 2.3 功率放大电路 tyw藏书 功率放大电路简称功放电路,其功能是放大幅度较大的信号,让信号有足够的功率来 推动大功率负载(如扬声器、仪表的表头、电动机和继电器等)工作。功率放大电路一般 用作末级放大电路。 2.3.1 功率放大电路的3种状态 tyw藏书 根据功率放大电路功放管(三极管)静态工作点的不同,功率放大电路主要有3种工 作状态:甲类、乙类和甲乙类,如图2-21所示。 图2-21 功率放大电路的3种工作状态 1.甲类 甲类工作状态是指功放管的静态工作点设在放大区,该状态下功放管能放大信号正、 负半周。 如图2-21(a)所示,电源VCC经R1、R2分压为三极管VT基极提供0.6V电压,VT处于 导通状态。当交流信号正半周加到VT基极时,与基极的0.6V电压叠加使基极电压上升, VT仍处于放大状态,正半周信号经VT放大后从其集电极输出;当交流信号负半周加到VT 基极时,与基极0.6V电压叠加使基极电压下降,只要基极电压不低于 0.5V,三极管还处 于放大状态,负半周信号被 VT放大从其集电极输出。 图2-21(a)所示电路中的功率放大电路能放大交流信号的正、负半周信号,它的工 作状态就是甲类。由于三极管正常放大时的基极电压变化范围小(0.5~0.7V),所以这 种状态的功率放大电路适合小信号放大。如果输入信号很大,会使三极管基极电压过高或 过低(低于 0.5V),三极管会进入饱和或截止状态,信号就不能被正常放大,会产生严 重的失真,因此处于甲类状态的功率放大电路只能放大幅度小的信号。 2.乙类 乙类工作状态是指功放管的静态工作点Ib设为0A时的状态,该状态下功放管能放大半 个周期的信号。 如图2-21(b)所示,电源VCC经R1、R2分压为三极管VT基极提供0.5V电压,在静态 (无信号输入)时,VT处于临界导通状态(将通未通状态)。当交流信号正半周送到VT 基极时,基极电压高于0.5V,VT导通,VT进入放大状态,正半周交流信号被三极管放大 输出;当交流信号负半周来时,VT基极电压低于0.5V,不能导通。 图2-21(b)所示电路中的功率放大电路只能放大半个周期的交流信号,它的工作状 态就是乙类。 tyw藏书 3.甲乙类 甲乙类工作状态是指功放管的静态工作点设置在接近截止区但仍处于放大区时的状 态,该状态下Ib很小,功放管处于微导通。 如图2-21(c)所示,电源VCC经R1、R2分压为三极管VT基极提供0.55V电压,VT处 于微导通放大状态。当交流信号正半周加到VT基极时,VT处于放大状态,正半周信号经 VT放大从其集电极输出;当交流信号负半周加到VT基极时,VT并不是马上截止,只有交 流信号负半周低于−0.05V部分来到时,基极电压低于0.5V,三极管才进入截止状态,大部 分负半周信号无法被三极管放大。 图2-21(c)所示电路中的功率放大电路能放大超过半个周期的交流信号,它的工作 状态就是甲乙类。 综上所述,功率放大电路的3种状态的特点是:甲类状态的功率放大电路能放大交流 信号完整的正、负半周信号,甲乙类状态的功率放大电路能放大超过半个周期的交流信 号,而乙类状态的功率放大电路只能放大半个周期的交流信号。 2.3.2 变压器耦合功率放大电路 tyw藏书 变压器耦合功率放大电路是指采用变压器作为耦合元件的功率放大电路。变压器耦合 功率放大电路如图2-22所示。电源VCC经R1、R2分压和L2、L3分别为功放管VT1、VT2提 供基极电压,VT1、VT2弱导通,工作在甲乙类状态。 图2-22 变压器耦合功率放大电路 音频信号加到变压器T1初级绕组(又称一次绕组)L1两端,当音频信号正半周到来 时,L1上的信号电压极性是上正下负,该电压感应到 L2、L3上,L2、L3上得到的电压极 性都是上正下负,L3的下负电压加到VT2基极,VT2基极电压下降而进入截止状态,L2的 上正电压加到VT1的基极,VT1基极电压上升进入正常导通放大状态。VT1导通后有电流 流过,电流的途径是:电源 VCC正极→L4→VT1的集电极→VT1的发射极→R3→地,该电 流就是放大的正半周音频信号电流,此电流在流经 L4时,L4上有音频信号电压产生,它 感应到L6上,再送到扬声器两端。 当音频信号负半周到来时,L1上的信号电压极性是上负下正,该电压感应到L2、L3 上,L2、L3上的电压极性都是上负下正,L2的上负电压加到VT1基极,VT1基极电压下降 而进入截止状态,L3的下正电压加到VT2的基极,VT2基极电压上升进入正常导通放大状 态。VT2导通后有电流流过,电流的途径是:电源 VCC正极→L5→VT2的集电极→VT2的 发射极→R3→地,该电流就是放大的负半周音频信号电流,此电流在流经L5时,L5上有 音频信号电压产生,它感应到L6上,再加到扬声器两端。 VT1、VT2分别放大音频信号的正半周和负半周,并且一个三极管导通放大时,另一 个三极管截止,两个三极管交替工作,这种放大形式称为推挽放大。两个功放管各放大音 频信号半周,结果会有完整的音频信号流进扬声器。 2.3.3 OTL功率放大电路 OTL功率放大电路是指无输出变压器的功率放大电路。 tyw藏书 1.简单的OTL功率放大电路 图2-23所示是一种简单的OTL功率放大电路。电源VCC经R1、VD1、VD2和R2为三极 管VT1、VT2提供基极电压,若二极管VD1、VD2的导通电压为0.55V,则A点电压较B点电 压高1.1V,这两点的电压差可以使 VT1、VT2两个发射结刚刚导通,两个三极管处于微导 通状态。在静态时,三极管VT1、VT2导通程度相同,故它们的中心点F的电压约为电源电 压的一半,即 。 图2-23 一种简单的OTL功率放大电路 电路工作原理分析如下。 音频信号通过耦合电容C1加到功率放大电路,当音频信号正半周来时,B 点电压上 升,VT2基极电压升高,进入截止状态,由于B点电压上升,A点电压也上升(VD1、VD2 使A点始终高于B点1.1V),VT1基极电压上升,进入放大状态,有放大的电流流过扬声 器,电流途径是电源 VCC正极→VT1的集电极→VT1的发射极→电容C2→扬声器→地,该 电流同时对电容C2充得左正右负的电压;当音频信号负半周来时,B点电压下降,A点电 压也下降,VT1基极电压下降,进入截止状态,B 点电压下降会使 VT2基极电压下降, VT2进入放大状态,有放大的电流流过扬声器,途径是电容C2左正→VT2的发射极→集电 极→地→扬声器→C2右负,有放大的电流流过扬声器,即音频信号经VT1、VT2交替放大 半周后,有完整正、负半周音频信号流进扬声器。 2.带自举功能的OTL功率放大电路 带自举功能的OTL功率放大电路如图2-24所示。 tyw藏书 图2-24 带自举功能的OTL功率放大电路 (1)直流工作情况 这个电路的直流工作情况比较复杂,接通电源后3个三极管并不是同时导通的,它们 导通的顺序是VT2、VT1,最后才是VT3导通。电源首先经R6、R4为VT2提供电流Ib2而使 VT2导通,VT2导通后,它的电流Ie2一路经R1为VT1提供电流Ib1而使VT1导通,VT1导通 后,VT3的电流Ib3才能通过VT1的集电极、发射极和R3到地而使VT1导通。 在静态时,R5和VD1能保证A、B点电压在1.2V左右,让VT2、VT3处于刚导通状态。 另外,VT2、VT3的导通程度相同,F点电压为电源电压的一半( (2)交流信号处理过程 )。 音频信号送到VT1基极,放大后从其集电极输出,由于集电极和基极是反相关系,所 以VT1集电极输出的信号与基极信号极性相反。 音频信号正半周经 VT1放大后,从集电极输出变为负半周信号,该信号使 A 点电压 下降,经VD1和R5后,B点电压也下降,功放管VT2截止。A点电压下降会使VT3导通程度 深而进入正常放大状态,有电流流进扬声器,途径是:电容C3左正(注:在静态时,电 源会通过VT2对C3充得左正右负的约 电压)→VT3的发射极→VT3的集电极→扬声器 →C3右负。 音频信号负半周经VT1放大后,从集电极输出变为正半周信号,该信号使A点电压上 升,功放管VT3因基极电压上升而截止。A点电压上升后经VD1和R5会使B点电压上升(相 当于正半周信号加到B点),B点电压上升会使VT2导通程度深,VT2进入正常放大状态, 有电流流进扬声器,途径是:电源VCC正极→VT2的集电极→VT2的发射极→电容C3→扬 声器→地。该电流同时会对C3充得左正右负电压。 由此可见,音频信号正、负半周到来时,VT3、VT2交替工作,有完整的放大的音频 信号流进扬声器。 tyw藏书 (3)自举升压原理 C1、R6构成自举升压电路,C1为升压电容,R6为隔离电阻。 在电路工作时,VT1输出交流信号的正半周,A点电压上升,VT3截止,上升的A点电 压经VD1、R5使B点电压也上升,VT2导通加深而进入放大状态。如果VT1输出的正半周信 号幅度很大,A点电压很高,B点电压也上升到很高,电流Ib很大,VT2放大的电流Ic很 大,电流Ic对电容C3充电很多,F点电压上升到很高,接近电源电压,F点电压上升使得 VT2的发射结两端的电压Ube2减小(Ube2=Ub2−Ue2,Ue2=UF,因为三极管放大作用使Ue2 上升较Ub2上升更多,故Ube2减小),VT2不能充分导通,这样会造成大幅度正半周信号 到来时不能被正常放大而出现失真。 自举升压过程:在静态时,F点电压等于 ,电阻R6阻值很小,G点电压约等于电 源电压,电容C1被充得上正下负的电压VCC,大小为 。在VT2放大正半周信号时,若 F点电压上升到很高,接近电源电压VCC,由于电容具有“瞬间保持两端电压不变”的特 点,电容C1一端F点电压上升,另一端G点电压也上升,G点电压约为 (即 )。G点电压上升,通过R4使VT2的电压Ub也拉高,这样使得VT2在放大幅度大 的正半周信号时发射结仍能正常充分导通,从而减少失真。 2.3.4 OCL功率放大电路 tyw藏书 OCL功率放大电路是指无输出电容的功率放大电路。OCL功率放大电路如图2-25所 示,该电路输出端取消了电容,采用了正、负双电源供电,电路中+VCC端的电位最高, −VCC端的电位最低,接地的电位高低处于两者中间。 图2-25 OCL功率放大电路 音频信号正半周加到A点时,功放管VT2因基极电压上升而截止,A点电压上升,经 VD1、VD2使B点电压也上升, VT1因基极电压上升而导通加深,进入正常放大状态,有 电流流过扬声器,电流途径是:+VCC→VT1的集电极→VT1的发射极→扬声器→地。此电 流即为放大的音频正半周信号电流。 音频信号负半周加到A点时,A点电压下降,经VD1、VD2使 B 点电压也下降,VT1因 基极电压下降而截止。A 点电压下降使功放管 VT2基极电压下降而导通程度加深,进入正 常放大状态,有电流流过扬声器,电流途径是:地→扬声器→VT2的发射极→VT2的集电 极→−VCC。此电流即为放大的音频负半周信号电流。 1.电路原理 2.3.5 朗读助记器的原理与检修(三) tyw藏书 朗读助记器整体电路如图2-26所示,点画线框内为第三部分,它是一个带自举升压功 能的OTL功率放大电路。下面介绍第三部分电路的原理。 图2-26 朗读助记器整体电路原理图 (1)信号处理过程 三极管VT3输出的音频信号经C6耦合到VT4基极,放大后从VT4集电极输出。当VT4输 出正半周信号时,VT4集电极电压上升,经VD2、VD1将VT5的基极电压抬高,VT5导通放 大(此时VT6因基极电压高而截止),有放大的正半周信号经 VT5、C8流入扬声器,其途 径是:VCC(6V)→VT5的集电极、发射极→C8→扬声器→地,同时在C8上充得左正右负 的电压;当VT4输出负半周信号时, VT4集电极电压下降,经VD2、VD1将VT5的基极电压 拉低,VT5截止,此时VT6因基极电压下降而导通放大,有放大的负半周信号流过扬声 器,其途径是:C8左正→VT6的发射极、集电极→扬声器→C8右负。扬声器有正、负半周 信号流过而发声。 (2)直流工作情况 接通电源后,VT4、VT5、VT63个三极管并不是同时导通的,它们导通的顺序是 VT5、VT4,最后才是VT6导通。这是因为电源首先经R15、R13为VT5提供电流Ib5而使VT5 导通,VT5导通后,它的电流Ie5经R11为VT4提供电流Ib4而使VT4导通,VT4导通后,VT6 的电流Ib6才能通过VT4的集电极、发射极和R14到地而使VT4导通。 (3)元器件说明 C7、R15构成自举升压电路,可以提高VT5的动态范围。二极管VD1、VD2用来保证静 态时VT5、VT6基极的电压相差1.1V左右,让VT5、VT6处于刚导通状态(又称微导通状 tyw藏书 态)。另外,VT5、VT6的导通程度相同,H点电压约为电源电压的一半( 2.电路的检修 )。 下面以“无声”故障为例来说明朗读助记器第三部分电路的检修方法(第一、二部分电 路已确定正常),检修过程如图2-27所示。 图2-27 “无声”故障检修流程图(朗读助记器第三部分电路) 2.4 多级放大电路 tyw藏书 在多数情况下,电子设备处理的交流信号是很微弱的,由于单级放大电路的放大能力 有限,往往不能将微弱信号放大到要求的幅度,所以电子设备中常常将多个放大电路连接 起来组成多级放大电路,来放大微弱的电信号。 根据各个放大电路之间的耦合方式(连接和传递信号方式)不同,多级放大电路可分 为阻容耦合放大电路、直接耦合放大电路和变压器耦合放大电路。 2.4.1 阻容耦合放大电路 tyw藏书 阻容耦合放大电路是指各放大电路之间用电容连接起来的多级放大电路。阻容耦合放 大电路如图2-28所示。 交流信号经耦合电容C1送到第1级放大电路的三极管VT1基极,放大后从VT1集电极输 出,再经耦合电容C2送到第2级放大电路的三极管VT2基极,放大后从VT2集电极输出,通 过耦合电容C3送往后级电路。 图2-28 阻容耦合放大电路 阻容耦合的特点是:由于耦合电容的隔直作用,各放大电路的直流工作点互不影响, 所以设计各放大电路直流工作点比较容易。但因为各电路独立,所以采用的元器件比较 多。另外,由于电容对交流信号有一定的阻碍作用,交流信号在经过耦合电容时有一定的 损耗,频率越低,这种损耗越大。这种损耗可以通过采用大容量的电容来减小。 2.4.2 直接耦合放大电路 tyw藏书 直接耦合放大电路是指各放大电路之间直接用导线连接起来的多级放大电路。直接耦 合放大电路如图2-29所示。 图2-29 直接耦合放大电路 交流信号送到第1级放大电路的三极管VT1基极,放大后从VT1集电极输出,再直接送 到第2级放大电路的三极管VT2基极,放大后从VT2集电极输出去后级电路。 直接耦合的特点是:因为电路之间直接连接,所以各放大电路直流工作点会互相影 响,设计这种电路要考虑到前级电路对后级电路的影响,有一定的难度,但这种电路采用 元器件较少。另外,由于各电路之间是直接连接,对交流信号没有损耗。这种耦合电路还 可以放大直流信号,故又称为直流放大器。 2.4.3 变压器耦合放大电路 tyw藏书 变压器耦合放大电路是指各放大电路之间采用变压器连接起来的多级放大电路。变压 器耦合放大电路如图2-30所示。 图2-30 变压器耦合放大电路 交流信号送到第1级放大电路的三极管VT1基极,放大后从VT1集电极输出送到变压器 T1的初级绕组,再感应到次级绕组(又称二次绕组),送到第 2 级放大电路的三极管 VT2 基极,放大后从VT2集电极输出,通过变压器T2送往后级电路。 变压器耦合的特点是:各级电路之间的直流工作点互不影响。采用变压器耦合有一个 优点,就是变压器可以进行阻抗变换,适当设置初、次级绕组的匝数,可以让前级电路的 信号最大程度地送到后级电路。 多级耦合放大电路的放大能力远大于单级放大电路,其放大倍数等于各单级放大电路 放大倍数的乘积,即A=A1·A2·A3… 2.5 场效应管放大电路 tyw藏书 三极管是一种电流控制型器件,当输入电流Ib变化时,输出电流Ic会随之变化;而场 效应管是一种电压控制型器件,当输入电压发生变化时,输出电压会发生变化。 根据结构不同,场效应管可分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管,绝缘栅型场效应 管简称为MOS管(MOS的含义为金属-氧化物-半导体),MOS管又可分成耗尽型MOS管 和增强型MOS管。同三极管一样,场效应管也具有放大功能,因此它也能组成放大电 路。 2.5.1 结型场效应管及其放大电路 tyw藏书 1.结型场效应管 (1)结构 与三极管一样,场效应管也是由P型半导体和N型半导体组成的,三极管有PNP型和 NPN型两种,场效应管则可分为P沟道和N沟道两种。两种沟道的结型场效应管的结构如 图2-31所示。 图2-31 场效应管的结构 图2-31(a)所示为N沟道场效应管的结构图。从图中可以看出,场效应管内部有两块 P型半导体,它们通过导线内部相连,再引出一个电极,该电极称栅极(G极),两块P型 半导体以外的部分均为N型半导体,在P型半导体与N型半导体交界处形成两个耗尽层(即 PN结),耗尽层中间区域为沟道,由于沟道由N型半导体构成,所以称为N沟道,漏极 (D极)与源极(S极)分别接在沟道两端。 图2-31(b)所示为P沟道场效应管的结构图,P沟道场效应管内部有两块N型半导 体,G极与它们连接,两块N型半导体与邻近的P型半导体在交界处形成两个耗尽层,耗尽 层中间区域为P沟道。 如果在N沟道场效应管D、S极之间加电压,如图2-31(c)所示,电源正极输出的电 流就会由场效应管D极流入,在内部通过沟道从S极流出,回到电源的负极。场效应管流 过电流的大小与沟道的宽窄有关,沟道越宽,能通过的电流越大。 (2)工作原理 场效应管在电路中主要用来放大信号电压。下面通过图2-32来说明场效应管的工作原 理。 tyw藏书 图2-32 场效应管的工作原理 图2-32所示点画线框内为N沟道结型场效应管结构图。当在D、S极之间加上正向电压 UDS,会有电流从D极流向S极,若再在G、S极之间加上反向电压UGS(P型半导体接低电 位,N型半导体接高电位),如图2-32(a)所示,场效应管内部的两个耗尽层变厚,沟道 变窄,由D极流向S极的电流ID就会变小。反向电压UGS越高,沟道越窄,电流ID越小。 由此可见,改变G、S极之间的电压UGS,就能改变沟道宽窄,从而改变D极流向S极 的电流ID的大小,并且电流ID变化较电压UGS变化大得多,这就是场效应管的放大原理。 场效应管的放大能力大小用跨导gm表示,即 gm反映了栅源电压UGS对漏极电流ID的控制能力,是表征场效应管放大能力的一个重 要的参数(相当于三极管的β),gm的单位是西门子(S),也可以用A/V表示。 若给N沟道结型场效应管的G、S极之间加正向电压,如图2-32(b)所示,场效应管 内部两个耗尽层都会导通,耗尽层消失,不管如何增大G、S极间的正向电压,沟道宽度 都不变,电流ID也不变化。也就是说,当给N沟道结型场效应管G、S极之间加正向电压 时,无法控制电流ID变化。 在正常工作时,N沟道结型场效应管G、S极之间应加反向电压,即UGUS,UGS=UG−US为 正电压。 2.结型场效应管放大电路 结型场效应管放大电路如图2-33所示。 在图2-33(a)所示电路中,场效应管VT的G极通过R1接地,G极电压UG=0V,而VT 的电流ID不为0A(结型场效应管在G极不加电压时,内部就有沟道存在),电流ID在流过 电阻R2时, R2上有电压UR2;VT的S极电压US不为0V,US=UR2,场效应管的栅源电压 UGS=UG−US为负电压,该电压满足场效应管工作需要。 tyw藏书 图2-33 结型场效应管放大电路 如果交流信号电压Ui经C1送到VT的G极,G极电压UG会发生变化,场效应管内部沟道 宽度就会变化,ID的大小就会变化,VT的D极电压有很大的变化(如ID增大时,UD会下 降),该变化的电压就是放大的交流信号电压,它通过C2送到负载。 在图2-33(b)所示电路中,电源通过R1为场效应管VT的G极提供UG电压,此电压较 VT的S极电压US低,这里的电压US是电流ID流过R4,在R4上得到的电压,VT的栅源电压 UGS=UG−US为负电压,该电压也能让场效应管正常工作。 2.5.2 增强型绝缘栅场效应管及其放大电路 tyw藏书 1.增强型绝缘栅场效应管 (1)图形符号与结构 增强型绝缘栅场效应管又称增强型MOS管,它分为N沟道MOS管和P沟道MOS管,其 图形符号如图2-34(a)所示,图2-34(b)所示为增强型N沟道MOS管(简称增强型 NMOS管)的结构示意图。 图2-34 增强型MOS管 增强型NMOS管是以P型硅片作为基片(又称衬底),在基片上制作两个含很多杂质 的N型半导体材料,再在上面制作一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层,在两个N型半导 体材料上引出两个铝电极,分别称为漏极(D极)和源极(S极),在两极中间的SiO2绝 缘层上制作一层铝制导电层,从该导电层上引出的电极称为栅极(G极)。P型衬底通常 与S极连接在一起。 (2)工作原理 增强型NMOS管需要加合适的电压才能工作。加有合适电压的增强型NMOS管如图235所示,图2-35(a)所示为结构图形式,图2-35(b)所示为电路图形式。 tyw藏书 图2-35 加有合适电压的增强型NMOS管 如图2-35(a)所示,电源E1通过R1接场效应管D、S极,电源E2通过开关S接场效应 管的G、S极。在开关S断开时,场效应管的G极无电压,D、S极所接的两个N区之间没有 导电沟道,所以两个N区之间不能导通,电流ID为0A;如果将开关S闭合,场效应管的G 极获得正电压,与G极连接的铝电极有正电荷,它产生的电场穿过SiO2层,将P衬底的很 多电子吸引靠近SiO2层,从而在两个N区之间出现导电沟道,由于此时D、S极之间加上正 向电压,马上有电流ID从D极流入,再经导电沟道从S极流出。 如果改变E2电压的大小,也即改变G、S极之间的电压UGS,与G极相通的铝层上的电 荷产生的电场大小就会变化,SiO2下面的电子数量就会变化,两个N区之间的沟道宽度就 会变化,流过的电流ID大小会随之变化。电压UGS越高,沟道就越宽,电流ID就越大。 由此可见,改变G、S极之间的电压UGS,D、S极之间的内部沟道宽窄就会发生变 化,从D极流向S极的电流ID大小也就发生变化,并且电流ID变化较电压UGS变化大得多, 这就是增强型NMOS管的放大原理(即电压控制电流变化原理)。增强型NMOS管的放大 能力同样用跨导gm表示,即 增强型MOS管的特点是:在G、S极之间未加电压(即UGS=0V)时,D、S极之间没有 沟道, ID=0A;当 G、S 极之间加上合适电压(大于开启电压 UT)时,D、S 极之间有沟 道形成,电压UGS变化时,沟道宽窄会发生变化,电流ID也会变化。 对于增强型NMOS管,G、S极之间应加正电压(即UG>US,UGS=UG−US为正电 压),D、S极之间才会形成沟道;对于增强型 PMOS管,G、S极之间须加负电压(即 UGUS, UGS=UG−US为正电压。 2.耗尽型绝缘栅场效应管放大电路 耗尽型NMOS管放大电路如图2-38所示。 tyw藏书 图2-38 耗尽型NMOS管放大电路 在电路中,电源通过R1、R2为NMOS管VT的G极提供电压UG,VT的电流ID在流过电 阻R5时,在 R5上得到电压UR5,UR5与 S极电压 US相等,这里的US>UG,VT 的栅源电压 UGS=UG−US为负电压,该电压能让NMOS管正常工作。 如果交流信号通过C1加到VT的G极,电压UG会发生变化,VT的导电沟道宽窄也会变 化,电流ID会有很大的变化,电阻R4上的电压UR4(UR4=ID·R4)也有很大的变化,VT的 D极电压UD会有很大变化,该变化的电压UD即为放大的交流信号电压,它经C2送给负载 RL。 tyw藏书 第3章 放大器 3.1 直流放大器 集成电路主要是由半导体材料构成的,其内部适合用二极管、三极管等类型的元器件 制作,而不适合用电容、电感和变压器,因此集成放大电路内部多个放大电路之间通常采 用直接耦合。直接耦合放大电路除了可以放大交流信号外,还可以放大直流信号,故直接 耦合放大电路又称为直流放大器。 直流放大器的优点是各放大电路之间采用直接耦合方式,在传输信号时对高、中、低 频率信号都不会衰减,但直流放大器有两个明显的缺点:一是前、后级电路之间静态工作 点会互相影响,二是容易出现零点漂移。下面介绍这两个问题的解决方法。 3.1.1 直流放大器的级间静态工作点影响问题 tyw藏书 图3-1所示是一个两级直接耦合的直流放大器。 图3-1 两级直接耦合的直流放大器 由于两级电路是直接耦合,前、后级电路的静态工作点会相互影响。从电路中可以看 出,三极管VT1的集电极电压Uc1与VT2基极电压 Ub2是相等的,因为 PN 结的导通电压是 0.7V(硅材料0.5~0.7V,锗材料 0.2~0.3V),所以 Uc1= Ub2=0.7V,而 VT1的Ub1也为 0.7V,VT1的集电极电压Uc1很低,如果送到VT1基极的信号稍大,会使 Ub1上升,Uc1下 降,出现 Ub1> Uc1,VT1就会由放大进入饱和状态而不能正常工作。为了解决 VT1易进入 饱和状态这个问题,可以采取一定的方法来抬高 VT1集电极的电压,具体解决方法有下面 几种。 1.在后级电路中增加发射极电阻 这种做法如图 3-2(a)所示,在 VT2的发射极增加一个电阻 R5来抬高 VT2的发射极 电压Ue2,VT2的基极电压 Ub2也被抬高(Ub2较 Ue2始终大于 0.7V),Uc1电压也就被抬 高,VT1不容易进入饱和状态。电压 Uc1越高,VT1越不容易进入饱和状态,但要将 Uc1抬 得很高,要求电阻 R5的阻值很大,而 R5的阻值很大会使 VT2的电流 Ib2减小而导致 VT2的 增益下降,这是该方法的缺点。 tyw藏书 图3-2 提高后级放大电路中三极管发射极电压的几种做法 2.在后级电路中增加稳压二极管 这种做法如图3-2(b)所示,通过在VT2的发射极增加一个稳压二极管VZ,来抬高 VT2的发射极电压Ue2。选用不同稳压值的稳压二极管可以将Ue2抬高到不同的电压,另外 由于稳压二极管击穿导通电阻不是很大,不会让VT2的电流Ib2减小很多,VT2仍有较大的 增益。 3.将PNP型三极管与NPN型三极管配合使用 这种做法如图3-2(c)所示,由于PNP型和NPN型三极管各极电压高低有不同的特 点,它们配合使用,可以使各级放大电路的直流工作点有个合理的配置。 3.1.2 零点漂移问题 tyw藏书 一个直流放大器,在输入信号为零时,输出信号并不为零,这种现象称为零点漂移。 下面以图3-3所示的电路为例来分析产生零点漂移的原因。 图3-3 零点漂移分析图 如果图3-3所示电路不存在零点漂移,当VT1基极A点电位不变(即无输入电压)时, 输出端B点电位应该也不变化(即无输出电压)。但实际上由于某些原因,比如环境温度 变化,即使A点电位不变化,输出端B点电位也会变化。其原因是:即使A点电位不变, 当环境温度升高时,VT1的电流Ic1会增大,E 点电位会下降,VT2的基极电压下降,Ib2减 小,Ic2减小,VT2的输出端B点电位会上升;如果环境温度下降,VT1的电流Ic1减小,E点 电位会上升,VT2的基极电压上升, Ib2增大,Ic2增大,VT2的输出端B点电位会下降。 也就是说,即使无输入信号A点电压不变时,因为环境温度的变化,在电路的输出端 B点也会输出变化的电压,这就是零点漂移。放大电路级数越多,零点漂移越严重。因为 直流放大电路存在零点漂移,如果电路输入的有用信号很小,可能会出现放大电路输出的 有用信号被零点漂移信号“淹没”的情况。 电路产生零点漂移的原因很多,如温度的变化、电源电压的波动、元器件参数变化 等,其中主要是三极管因温度变化而引起电流Ic变化,从而出现零点漂移。解决零点漂移 问题的方法是选择温度性能好的三极管和其他的元器件,电路供电采用稳定的电源。但这 些都不能从根本上解决零点漂移问题,最好的方法是采用差动放大电路作为直流放大器。 3.2 差动放大器 tyw藏书 3.2.1 基本差动放大器 差动放大器的出现是为了解决直接耦合放大电路存在的零点漂移问题,另外差动放大 器还具有灵活的输入、输出方式。基本差动放大器如图3-4所示。 图3-4 基本差动放大器 差动放大器在电路结构上具有对称性,三极管VT1、VT2同型号,R1=R2,R3=R4, R5=R6,R7=R8。输入信号电压Ui经R3、R4分别加到VT1、VT2的基极,输出信号电压Uo 从VT1、VT2集电极之间取出,Uo= Uc1− Uc2。 1.抑制零点漂移原理 当无输入信号(即Ui=0V)时,由于电路的对称性,VT1、VT2的基极电流Ib1= Ib2, Ic1= Ic2,所以 Uc1= Uc2,输出电压 Uo= Uc1− Uc2=0V。 当环境温度上升时,VT1、VT2的集电极电流 Ic1、Ic2都会增大,Uc1、Uc2都会下降, 但因为电路是对称的(两三极管同型号,并且它们各自对应的供电电阻阻值也相等),所 以 Ic1、Ic2增大量是相同的,Uc1、Uc2的下降量也是相同的,因此Uc1、Uc2还是相等的, 故输出电压 Uo= Uc1− Uc2=0V。 也就是说,当差动放大器工作点发生变化时,由于电路的对称性,两电路变化相同, 故输出电压不会变化,从而有效抑制了零点漂移。 2.差模输入与差模放大倍数 tyw藏书 当给差动放大器输入信号电压Ui时,Ui加到R1、R2两端,因为R1=R2,所以R1两端的 电压Ui1与 R2两端的电压 Ui2相等,并且 Ui1= Ui2=(1/2)Ui。当 Ui信号正半周期来时,Ui 电压极性为上正下负,Ui1、Ui2两电压的极性都是上正下负,Ui1的上正电压经R3加到VT1 的基极,Ui2的下负电压经R4加到VT2的基极。这种大小相等、极性相反的两个输入信号 称为差模信号,差模信号加到电路两个输入端的输入方式称为差模输入。 以Ui信号正半周期来时为例:Ui1上正电压加到VT1基极,电压Ub1上升,电流Ib1增 大,电流Ic1增大,电压Uc1下降;Ui2下负电压加到VT2基极时,电压Ub2下降,电流Ib2减 小,电流Ic2减小,电压Uc2增大;电路的输出电压Uo= Uc1− Uc2,因为Uc1< Uc2,故 Uo<0V,即当输入信号Ui为正值(正半周期)时,输出电压为负值(负半周期),输入信 号Ui与输出信号Uo是反相关系。 差动放大器在差模输入时的放大倍数称为差模放大倍数Ad,且 另外,根据推导计算可知:上述差动放大器的差模放大倍数 Ad与单管放大电路的放 大倍数 A相等。差动放大电器多采用一个三极管,并不能提高电路的放大倍数,而只是用 来抑制零点漂移。 3.共模输入与共模放大倍数 图3-5所示是另一种输入方式的差动放大电路。 图3-5 共模输入的差动放大器 在图中,输入信号Ui一路经R3加到VT1的基极,另一路经R4加到VT2的基极,送到 VT1、VT2基极的信号电压大小相等、极性相同。这种大小相等、极性相同的两个输入信 号称为共模信号,共模信号加到电路两个输入端的输入方式称为共模输入。 以Ui信号正半周期输入为例:电压Ui极性是上正下负,该电压一路经R3加到VT1的基 极,电压 Ub1上升,电流 Ib1增大,电流 Ic1增大,电压 Uc1下降;电压 Ui另一路经 R4加到 VT2的基极,电压 Ub2上升,电流 Ib2增大,电流 Ic2增大,电压 Uc2下降;因为 Uc1、Uc2 都下降,并且下降量相同,所以输出电压 Uo= Uc1−Uc2=0V。也就是说,差动放大器在输 tyw藏书 入共模信号时,输出信号为0V。 差动放大器在共模输入时的放大倍数称为共模放大倍数Ac,且 由于差动放大电路在共模输入时,不管输入信号Ui是多少,输出信号Uo始终为0V, 故共模放大倍数Ac=0。差动放大电路中的零点漂移就相当于共模信号输入,比如当温度 上升时,引起VT1、VT2的电流Ib、Ic增大,就相当于正的共模信号加到VT1、VT2基极使 电流Ib、Ic增大一样,但输出电压为0V。实际上,差动放大电路不可能完全对称,这使得 两电路的变化量就不完全一样,输出电压就不会为0V,共模放大倍数就不为0。 共模放大倍数的大小可以反映差动放大器的对称程度,共模放大倍数越小,说明对称 程度越高,抑制零点漂移效果越好。 4.共模抑制比 一个性能良好的差动放大器,应该对差模信号有很高的放大能力,而对共模信号有足 够的抑制能力。为了衡量差动放大器这两个能力的大小,常采用共模抑制比KCMR来表 示。共模抑制比是指差动放大器的差模放大倍数Ad与共模放大倍数Ac的比值,即 共模抑制比越大,说明差动放大器的差模信号放大能力越大,共模信号放大能力越 小,抑制零点漂移能力越强,较好的差动放大器共模抑制比可达到107。 3.2.2 实用的差动放大器 tyw藏书 基本差动放大器的元器件参数不可能完全对称,所以电路仍有零点漂移存在,为了尽 量减少零点漂移,可以对基本差动放大器进行改进。下面就讲几种改进的实用差动放大 器。 1.带调零电位器的长尾式差动放大器 带调零电位器的长尾式差动放大器如图3-6所示。这种差动放大器中的三极管VT1、 VT2的发射极不是直接接地,而是通过电位器RP1、Re接负电源。 图3-6 带调零电位器的长尾式差动放大器 (1)调零电位器RP1的作用 由于差动放大电路不可能完全对称,所以三极管 VT1、VT2的电流 Ib、Ic也不可能完 全相等, Uc1与Uc2就不会相等,在无输入信号时,输出信号Uo=Uc1−Uc2不会等于0V。在 电路中采用了调零电位器后,可以通过调节电位器使输出电压为0V。 假设电路不完全对称,三极管VT1的电流Ib1、Ic1较VT2的电流Ib2、Ic2略大,那么VT1 的Uc1就较VT2的Uc2小,输出电压 Uo= Uc1− Uc2为负值。这时可以调节电位器 RP1,将滑 动端 C向 B端移动,电位器A端与C端的电阻阻值RAC会增大,C端与B端的电阻阻值RCB会 减小,VT1的电流Ib1因RAC增大而减小(电流Ib1的途径是:+VCC→R5→VT1的基极→VT1 的发射极→RP1的AC段电阻→Re→−VCC),Ic1减小,Uc1上升;而VT2的电流Ib2因RCB减 小而增大,Ic2增大,Uc2下降。这样适当调节RP1的位置,可以使Uc1=Uc2,输出电压Uo就 能调到0V。 (2)电阻Re和负电源的作用 当因温度上升引起 VT1、VT2的电流Ib、Ic增大时,Uc1、Uc2会同时下降而保持输出 电压Uo不变,这样虽然可以抑制零点漂移,但 VT1、VT2的工作点已发生了变化,放大电 路的性能会有所改变。电阻Re可以解决这个问题。 增加电阻Re后,当VT1、VT2的电流Ib、Ic增大时,这些电流都会流过电阻Re,Re两端 的电压会升高,VT1、VT2的发射极电压Ue会升高,VT1、VT2的电流Ib减小,电流Ic也会 减小,电流Ib、Ic又降回到原来的水平。由此可见,增加了Re后,通过Re的反馈作用,不 tyw藏书 但可以使VT1、VT2的电流Ib、Ic稳定,同时可以抑制零点漂移,Re的阻值越大,这种效果 越明显。 电路中采用负电源的原因是:增加反馈电阻Re后,如果直接将Re接地,VT1、VT2的 发射极电压较高,基极电压也会上升,VT1、VT2的动态范围会变小,容易进入饱和状态 (当基极电压大于集电极电压,集电结正偏即会使三极管进入饱和状态);采用负电源可 以拉低VT1、VT2的发射极电压,进而拉低基极电压,让基极和集电极电压差距增大,大 信号来时基极电压不易超过集电极电压,VT1、VT2不容易进入饱和状态,提高了VT1、 VT2的动态范围。 2.带恒流源的差动放大器 在图3-6所示的差动放大器中,发射极公共电阻Re的阻值越大,三极管工作点的稳定 性和抑制零点漂移的效果越好,但Re的阻值越大,需要的负电源越低,这样才能让三极 管发射极电压和基极电压不会很高。 为了解决这个问题,可采用图 3-7 所示带恒流源的差动放大器。这种差动放大器中 VT1、VT2发射极不是通过反馈电阻接负电源,而是通过VT3、R9、R10、R11构成的恒流 源电路接负电源。 图3-7 带恒流源的差动放大器 正、负电源经R10、R11为三极管VT3提供基极电压,因为VT3的基极电压由R10、R11 分压固定,那么它的电流Ib3、Ic3也就不会变化,即使因温度上升使VT3的Ib3、Ic3增大, 通过反馈电阻R9的作用,仍可以使 Ib3、Ic3降回到正常水平,因为该电路可以保持电流 Ib3、Ic3恒定,故将电流恒定的电路称为恒流源电路。VT3的电流Ic3是由VT1的Ie1和VT2的 Ie2组成的,因为Ic3不会变化,所以Ie1、Ie2也就无法变化,VT1、VT2的静态工作点也就得 到稳定,同时也抑制了零点漂移。 该电路中VT3的集电极、发射极之间的等效电阻与R9的阻值不是很大,故负电源不用 很低。 3.2.3 差动放大器的几种连接形式 tyw藏书 在实际使用时,差动放大器通常有下面几种连接形式。 1.双端输入、双端输出形式 双端输入、双端输出形式的差动放大器如图 3-8所示。 图3-8 双端输入、双端输出形式的差动放大器 输入信号Ui经R1、R2分压后,在R1、R2上分别得到大小相等的电压Ui1、Ui2,当Ui正 半周信号来时,Ui1、Ui2的极性都为上正下负,Ui1的上正电压送到VT1基极, Ui2的下负 电压送到VT2基极,放大后在VT1、VT2的集电极分别得到电压Uc1和Uc2,输出信号从两 三极管集电极取出,Uo=Uc1−Uc2。 双端输入、双端输出形式的差动放大器的差动放大倍数 数A相等,即Ad=A。 2.双端输入、单端输出形式 双端输入、单端输出形式的差动放大器如图3-9所示。 与单管放大倍 图3-9双端输入、单端输出形式的差动放大器 输入信号 Ui经 R1、R2分压后分别得到大小相等的电压 Ui1、Ui2,它们的极性相反, 分别送到VT1、VT2的基极,放大后在VT1、VT2的集电极分别得到电压Uc1和Uc2,输出信 号只从三极管VT1集电极取出,Uo=Uc1。 双端输入、单端输出形式的差动放大器的差动放大倍数Ad是单管放大倍数A的一半, 即 。 tyw藏书 3.单端输入、双端输出形式 单端输入、双端输出形式的差动放大器如图3-10所示。输入信号一端接到VT1的基 极,另一端在接到VT2基极的同时也接地,所以该电路是单端输入。 图3-10单端输入、双端输出形式的差动放大器 当输入信号Ui为上正下负时,上正电压经R3加到VT1的基极,VT1的Ib1增大,Ic1也增 大,Uc1下降;VT1的Ie1增大(因为Ib1、Ic1是增大的),流过Re的电流增大,两个三极管 的发射极电压(Ue1=Ue2)都增大,VT2的Ue2增大,电流Ib2会减小,电流Ic2减小,Uc2电 压上升。因为在放大信号时,Uc1下降时Uc2上升(或Uc1上升时Uc2会下降),输出电压取 自两集电极电压差,即Uo=Uc1−Uc2,这个值较大。 单端输入、双端输出形式的差动放大器的差动放大倍数 )与单管放大倍数 A相等,即Ad=A。 4.单端输入、单端输出形式 单端输入、单端输出形式的差动放大器如图 3-11 所示,它与图 3-10 所示的电路一 样,都是单端输入,但它的输出电压只取自VT1的集电极,Uo=Uc1,Uo的值比较小。 图3-11 单端输入、单端输出形式的差动放大器 单端输入、单端输出形式的差动放大器的差动放大倍数Ad是单管放大倍数A的一半, 即 综上所。述,不管差动放大器是哪种输入方式,其放大倍数只与ty电w路藏的输书出形式有关: 采用了单端输出形式,它的放大倍数较小,只有单管放大倍数的一半;采用了双端输出形 式,它的放大倍数与单管放大倍数相同。 3.3 集成运算放大器 tyw藏书 集成运算放大器是一种应用极为广泛的集成放大电路,它除了具有很高的放大倍数 外,还能通过外接一些元器件构成加法器、减法器等运算电路,所以称为运算放大器,简 称运放。 3.3.1 集成运算放大器的基础知识 tyw藏书 1.集成运算放大器的组成与图形符号 集成运算放大器内部由多级直接耦合的放大电路组成,其内部组成方框图如图3-12所 示,其图形符号如图3-13所示。 图3-12 集成运算放大器内部组成方框图 图3-13 集成运算放大器的图形符号 从图3-12所示方框图中可以看出,集成运算放大器有同相输入端(用“+”或“P”表示) 和反相输入端(用“−”或“N”表示),还有一个输出端,它内部由输入级、中间级和输出 级及偏置电路组成。 输入级采用具有很强零点漂移抑制能力的差动放大电路,中间级常采用增益较高的共 发射极放大电路,输出级一般采用带负载能力很强的功率放大电路,偏置电路的作用是为 各级放大电路提供工作电压。 2.集成运算放大器的理想特性 集成运算放大器是一种放大电路,它的等效图如图3-14所示。 图3-14 集成运算放大器等效图 为了分析方便,常将集成运算放大器看成是理想的,理想集成运算放大器主要有以下 特性。 ① 电压放大倍数A→∞。只要有信号输入,就会输出很大的信号。 tyw藏书 ② 输入电阻阻值Ri→∞。无论输入信号电压Ui多大,输入电流都近似为0A。 ③ 输出电阻阻值Ro→0Ω。输出电阻阻值接近0Ω,输出端可带很重的负载。 ④ 共模抑制比KCMR→∞。对差模信号有很大的放大倍数,而对共模信号几乎能全部 抑制。 实际的集成运算放大器与理想集成运算放大器的特性接近,因此以后就把实际的集成 运算放大器当成是理想集成运算放大器来分析。 集成运算放大器的工作状态有两种:线性状态和非线性状态。当给集成运算放大器加 上负反馈电路时,它就会工作在线性状态(线性状态是指电路的输入电压与输出电压成正 比关系);如果给集成运算放大器加正反馈电路或当其在开环工作时,它就会工作在非线 性状态。 3.3.2 集成运算放大器的线性应用电路 tyw藏书 当给集成运算放大器增加负反馈电路时,它就会工作在线性状态,如图3-15所示,Rf 为负反馈电阻。 图3-15 加入负反馈电路的集成运算放大器 在图3-15所示电路中,电压Ui经R1加到集成运算放大器的“−”端,由于集成运算放大 器的输入电阻阻值 Ri为∞,所以流入反相输入端的电流I−=0A,从同相输入端流出的电流 I+=0A,I−=I+=0A。由此可见,集成运算放大器的两个输入端之间相当于断路,实际上又 不是断路,故称为“虚断”。 在图3-15所示电路中,集成运算放大器的输出电压Uo=A·Ui,因为 Uo为有限值,而集 成运算放大器的电压放大倍数 A→∞,所以输入电压Ui≈0V,即Ui=U−−U+≈0V,U−=U+。 集成运算放大器两个输入端电压相等,两个输入端相当于短路,但实际上又不是短路的, 故称为“虚短”。 在图3-15所示电路中,U+=I+·R2,而I+=0A,所以U+=0V,又因为U−=U+,故U−=0V, 从电位来看,集成运算放大器“−”端相当于接地,但实际上又未接地,故该端称为“虚 地”。 综上所述,工作在线性状态的集成运算放大器有以下特性。 ① 具有“虚断”特性,即流入和流出输入端的电流都为0A,I−=I+=0A。 ② 具有“虚短”特性,即两个输入端的电压相等,U−=U+。 了解集成运算放大器的特性后,再来分析集成运算放大器在线性状态下的各种应用电 路。 1.反相比例运算放大器 集成运算放大器构成的反相比例运算放大器如图3-16所示,这种电路的特点是输入信 号和反馈信号都加在集成运算放大器的反相输入端。图中的Rf为反馈电阻,R2为平衡电 阻,接入R2的作用是使集成运算放大器内部输入电路(差动电路)保持对称,有利于抑 制零点漂移,R2=R1∥Rf(意为R2的阻值等于R1和Rf的并联阻值)。 tyw藏书 图3-16 反相比例运算放大器 输入信号Ui经R1加到反相输入端,由于流入反相输入端的电流 I−= 0A(“虚断”特 性),所以有 根据“虚短”特性可知,U−=U+=0V,所以有 由此可求得反相比例运算放大器的电压放大倍数为 式中的负号表示输出电压 Uo与输入电压 Ui反相,所以该放大电路称为反相比例运算 放大器。从上式还可知,反相比例运算放大器的电压放大倍数只与Rf和R1有关。 2.同相比例运算放大器 集成运算放大器构成的同相比例运算放大器如图3-17所示。该电路的输入信号加到集 成运算放大器的同相输入端,反馈信号送到反相输入端。 根据“虚短”特性可知,U−=U+,又因为输入端“虚断”,故流过电阻 R2的电流 I+=0A, R2上的电压为0V,所以U+=Ui=U−。在图3-17所示电路中,因为集成运算放大器反相输入 端流出的电流I−=0A,所以有 图3-17 同相比例运算放大器 因为U−=Ui,故上式可表示为 同相比例运算放大器的电压放大倍数为 tyw藏书 因为输出电压Uo与输入电压Ui同相,故该放大电路称为同相比例运算放大器。 3.电压-电流转换器 图 3-18 所示是一种由集成运算放大器构成的电压-电流转换器,它与同相比例运算放 大器有些相似,但该电路的负载RL接在负反馈电路中。 图3-18 电压-电流转换器 输入电压 Ui送到集成运算放大器的同相输入端,根据集成运算放大器的“虚断”特性 可知,I+=I−=0A,所以有 又因为集成运算放大器具有“虚短”特性,故Ui=U+=U−,上式可变换成 由上式可以看出,流过负载的电流IL只与输入电压Ui和电阻R1的阻值有关,与负载RL 的阻值无关,当R1的阻值固定后,负载电流IL只与Ui有关,当电压Ui发生变化,流过负载 的电流IL也相应变化,从而将电压转换成电流。 4.电流-电压转换器 图3-19所示是一种由集成运算放大器构成的电流-电压转换器,它可以将电流转换成 电压输出。 输入电流Ii送到集成运算放大器的反相输入端,根据集成运算放大器的“虚断”特性可 知,I−=I+=0A,所以 因为I+=0A,故流过R的电流也为0A,U+=0V,又根据集成运算放大器的“虚短”特性 可知, U−=U+=0V,上式可变换成 tyw藏书 由上式可以看出,输出电压Uo与输入电流Ii和电阻Rf的阻值有关,与负载RL的阻值无 关。当Rf阻值固定后,输出电压Uo只与输入电流Ii有关,当电流Ii发生变化时,负载上的 电压Uo也相应变化,从而将电流转换成电压。 5.加法器 集成运算放大器构成的加法器如图 3-20 所示,R0为平衡电阻, R0=R1∥R2∥R3∥Rf,电路有 3个信号电压U1、U2、U3输入,有一个信号电压Uo输出, 下面来分析它们的关系。 图3-19 电流-电压转换器 图3-20 加法器 因为I−=0A(根据“虚断”特性),所以 因为U−=U+=0V(根据“虚短”特性),所以上式可化简为 如果R1=R2=R3=R,就有 如果R1=R2=R3=Rf,那么 上式说明输出电压是各输入电压之和,从而实现了加法运算,式中的负号表示输出电 压与输入电压相位相反。 6.减法器 tyw藏书 集成运算放大器构成的减法器如图3-21所示,电路的两个输入端同时输入信号,反相 输入端输入电压 U1,同相输入端输入电压U2,为了保证两输入端平衡,要求 R2∥R3=R1∥Rf。下面分析两输入电压U1、U2与输出电压Uo的关系。 根据电阻串联规律可得 根据“虚断”特性可得 图3-21 减法器 因为U−=U+(根据“虚短”特性),所以有 如果R2=R3,R1=Rf,上式可简化成 由此可见,输出电压Uo等于两输入电压U2、U1的差,从而实现了减法运算。 3.3.3 集成运算放大器的非线性应用电路 tyw藏书 当集成运算放大器处于开环或正反馈时,它会工作在非线性状态,图3-22所示的两个 集成运算放大器就工作在非线性状态。 图3-22 集成运算放大器工作在非线性状态的两种形式 工作在非线性状态的集成运算放大器具有以下一些特点。 ① 当同相输入端电压大于反相输入端电压时,输出电压为高电平,即 ② 当同相输入端电压小于反相输入端电压时,输出电压为低电平,即 1.电压比较器 电压比较器通常可分为两种:单门限电压比较器和双门限电压比较器。 (1)单门限电压比较器 单门限电压比较器如图3-23所示,该集成运算放大器处于开环状态。+5V的电压经 R1、R2分压为集成运算放大器同相输入端提供+2V的电压,该电压作为门限电压(又称基 准电压),反相输入端输入图3-23(b)所示的Ui信号。 图3-23 单门限电压比较器 在 0~t1期间,输入信号 Ui的电压(也就是反相输入端电压 U−)低于同相输入端电压 U+,即U−U+,输出电压为低 电平。 在t2~t3期间,输入信号Ui的电压低于同相输入端电压U+,即U−U+,输出电压Uo为低电平,此时 比较器的门限电压U+被Uo拉低到−1V。 在t1~t2期间,输入信号Ui的电压始终高于电压U+(−1V),即U−>U+,输出电压Uo 为低电平。 从 t2时刻起,输入信号 Ui的电压开始低于−1V,即 U−U+,输出电压Uo为低电平。 以后电路就重复0~t3这个过程,从而将图3-24(b)中的输入信号Ui转换成输出信号 Uo。 2.方波信号发生器 方波信号发生器可以产生方波信号。图3-25所示的电路就是一个由集成运算放大器构 成的方波信号发生器,它是在集成运算放大器上同时加上正、负反馈电路构成的,VZ为 双向稳压二极管,假设它的稳压值UZ是5V,它可以使输出电压Uo稳定在−5~+5V范围 内。 tyw藏书 图3-25 方波信号发生器 在电路刚开始工作时,电容C上未充电,它两端的电压UC=0V,集成运算放大器反相 输入端电压U−=0V,输出电压Uo=+5V(高电平),电压Uo经R1、R2分压为同相输入端提 供U+=+3V。 在0~t1期间,Uo=+5V通过R对电容C充电,在电容上充得上正下负的电压,电压UC 上升,电压U−也上升。在t1时刻电压U−达到门限电压+3V,开始有U−>U+,输出电压Uo马 上变为低电平,即Uo=−5V,同相输入端的门限电压被Uo拉低至U+=−3V。 在t1~t2期间,电容C开始放电,放电的途径是:电容C上正→R→R1→R2→地→电容 C下负, t2时刻,电容C放电完毕。 在t2~t3期间,Uo=−5V开始对电容反充电,其途径是:地→电容C→R→VZ上 (−5V),电容C被充得上负下正的电压,UC为负压,U−也为负压,随着电容 C 不断被反 充电,U−不断下降。在 t3时刻,U−下降到−3V,开始有U−U+,输出电压Uo马上变为低电平。 以后重复上述过程,从而在电路的输出端得到图3-25(b)所示的方波信号Uo。 3.3.4 集成运算放大器的保护电路 tyw藏书 为了保护集成运算放大器,在使用时通常会给它加上一些保护电路。 1.电源极性接错保护电路 集成运算放大器在工作时需要接正、负两种电源,为了防止集成运算放大器因电源极 性接错而损坏,常常要给它加电源极性接错保护电路。图3-26所示就是一种常用的集成运 算放大器电源极性接错保护电路。 图3-26 集成运算放大器电源极性接错保护电路 该电路是在集成运算放大器的正、负电源处各接了一个二极管,由于二极管具有单向 导电性,如果某电源极性接错,相应的二极管无法导通,电源就不能加到集成运算放大器 的电源脚,从而保护了集成运算放大器。 2.输入保护电路 集成运算放大器加输入保护电路的目的是为了防止输入信号幅度过大。集成运算放大 器的输入保护电路如图3-27所示。 在图3-27(a)所示电路中,集成运算放大器的反相输入端与地之间接了两个二极 管。其中VD1用来防止输入信号正半周期电压过大,如果信号电压超过+0.7V,VD1会导 通,输入信号正半周期无法超过+0.7V;VD2用来防止输入信号负半周期电压过低,如果 信号电压低于−0.7V,VD2会导通,输入信号负半周期电压无法低于−0.7V。 在图3-27(b)所示电路中,在集成运算放大器的同相输入端接了两个二极管,这两 个二极管另一端并不是直接接地,而是VD1接正电压+U,VD2接负电压−U。假设电压 U=2V,如果输入信号正电压超过2.7V,VD1会导通,集成运算放大器的输入端电压被钳 在2.7V,如果输入信号负电压低于−2.7V,VD2会导通,集成运算放大器的输入端电压被 钳在−2.7V,即 VD1、VD2能将输入信号电压的幅度限制在−2.7~+2.7V范围内。 3.输出保护电路 集成运算放大器加输出保护电路的目的是为了防止输出信号幅度过大。集成运算放大 器的输出保护电路如图3-28所示。 tyw藏书 图3-27 集成运算放大器的输入保护电路 图3-28 集成运算放大器的输出保护电路 该电路在输出端接了一个双向稳压二极管 VZ,它的稳压范围是−UZ~+UZ,一旦输出 电压超过这个范围,VZ就会被击穿,将输出信号幅度限制在−UZ~+UZ范围内。 3.4 小功率集成立体声功放器的原理ty与w检藏修书 小功率集成立体声功放器(以下简称立体声功放器)采用集成放大电路进行功率放 大,它具有电路简单、性能优良和安装调试方便等特点。 3.4.1 电路原理 立体声功放器电路如图3-29所示。 tyw藏书 电路原理说明如下。 (1)信号处理过程 L、R声道音频信号(即立体声信号)通过插座X1的双触点分别送到双联音量电位器 RP_L和RP_R的滑动端,经调节后分别送到集成功放TDA2822的⑦、⑥脚,在内部放大后 再分别从①、③脚送出,经C3、C4分别送入扬声器B1、B2,推动扬声器发声。 tyw藏书 图3-29 立体声功放器电路原理图 (2)直流工作情况 电源电压通过接插件X2送入电路,并经C5滤波后送到TDA2822的②脚。电源电压可 在3~12V范围内调节,电压越高,集成功放的输出功率越大,扬声器发声越大。 TDA2822的④脚接地(电源的负极)。 (3)元器件说明 X1为3.5mm的立体声插座。RP为音量电位器,它是一个50kΩ双联电位器,调节音量 时,双声道的音量会同时改变。TDA2822是一个双声道集成功放,内部采用两组对称的集 成功放电路。C1、C2为交流旁路电容,可提高内部放大电路的增益。C6、R1和 C7、R2用 于滤除音频信号中的高频噪声信号。 3.4.2 电路检修 tyw藏书 下面以“无声”故障为例来说明立体声功放器的检修方法(以左声道为例),检修过程 如图3-30所示。 图3-30 “无声”故障检修流程图(立体声功放器) tyw藏书 第4章 谐振电路与滤波电路 4.1 谐振电路 谐振电路是一种由电感(L)和电容(C)构成的电路,故又称为LC谐振电路。谐振 电路在工作时会表现出一些特殊的性质,因此得到广泛应用。谐振电路分为串联谐振电路 和并联谐振电路。 4.1.1 串联谐振电路 tyw藏书 电容和电感头尾相连,并与交流信号连接在一起就构成了串联谐振电路。 1.电路结构 串联谐振电路如图4-1所示,其中U为交流信号,C为电容,L为电感,R为电感L的直 流等效电阻。 图4-1 串联谐振电路 2.性质说明 为了分析串联谐振电路的性质,将一个电压不变、频率可调的交流电源加到串联谐振 电路两端,再在电路中串接一个交流电流表,如图4-2(a)所示。 图4-2 串联谐振电路性质说明图 让交流信号电压U始终保持不变,而将交流信号频率由0Hz慢慢调高,在调节交流信 号频率的同时观察电流表,结果发现电流表指示电流值先慢慢增大,当增大到某一值时再 将交流信号频率继续调高,发现电流又开始逐渐下降,这个过程可用图4-2(b)所示的特 性曲线表示。 在串联谐振电路中,当交流信号频率为某一值(f0)时,电路出现最大电流的现象称 为串联谐振现象,简称串联谐振,这个频率称为谐振频率,用f0表示。谐振频率f0的大小 可利用下面的公式来求得 3.串联谐振电路谐振时的特点 串联谐振电路谐振时的特点主要有以下两点。 tyw藏书 ① 谐振时,电路中的电流最大,此时电感、电容串在一起就像一只阻值很小的电 阻,即串联谐振电路谐振时总阻抗最小(电阻、容抗和感抗统称为阻抗,用Z表示,阻抗 单位为Ω)。 ② 谐振时,电路中电感上的电压UL和电容上的电压UC都很高,往往比交流信号电压 U大Q倍(UL=UC=Q·U,Q为品质因数, ),因此串联谐振又称电压谐振。在谐 振时,UL与UC在数值上相等,但两者极性相反,故两电压之和(UL+UC)近似为0V。 4.1.2 并联谐振电路 tyw藏书 电容和电感头头相连、尾尾相接与交流信号连接起来就构成了并联谐振电路。 1.电路结构 并联谐振电路如图4-3所示,其中U为交流信号,C为电容,L为电感,R为电感L的直 流等效电阻。 图4-3 并联谐振电路 2.性质说明 为了分析并联谐振电路的性质,将一个电压不变、频率可调的交流电源加到并联谐振 电路两端,再在电路中串接一个交流电流表,如图4-4(a)所示。 图4-4 并联谐振电路性质说明图 让交流信号电压U始终保持不变,将交流信号频率从0Hz开始慢慢调高,在调节交流 信号频率的同时观察电流表,结果发现电流表指示电流开始很大,随着交流信号的频率逐 渐调高电流值慢慢减小,当减小到某一值时再将交流信号频率继续调高,发现电流又逐渐 上升,这个过程可用图 4-4 (b)所示的曲线表示。 在并联谐振电路中,当交流信号频率为某一值(f0)时,电路出现最小电流的现象称 为并联谐振现象,简称并联谐振,这个频率称为谐振频率,用f0表示。谐振频率f0的大小 可利用下面的公式来求得 3.并联谐振电路谐振时的特点 并联谐振电路谐振时的特点主要有以下两点。 ① 谐振时,电路中的电流I最小,此时电感、电容并在一起就像一只阻值很大的电 tyw藏书 阻,即并联谐振电路谐振时总阻抗最大。 ② 谐振时,流过电容支路的电流IC和流过电感支路的电流IL比总电流I大很多倍,故 并联谐振又称为电流谐振。其中 IC与 IL数值相等,但方向相反,IC与 IL在电感、电容支 路构成的回路中流动,不会流过主干路。 4.2 滤波电路 tyw藏书 滤波电路(滤波器)的功能是从众多的信号中选出需要的信号。根据电路工作时是否 需要电源,滤波器分为无源滤波器和有源滤波器;根据电路选取信号的特点,滤波器可分 为4种:低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。 4.2.1 无源滤波器 tyw藏书 无源滤波器主要由电感、电容和电阻构成,所以又称为RLC滤波电路。RLC滤波电路 可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。 1.低通滤波器(LPF) 低通滤波器的功能是选取低频信号,低通滤波器意为“低频信号可以通过的电路”。下 面以图4-5为例来说明低通滤波器的性质。 图4-5 低通滤波器性质说明图 当低通滤波器输入0~f1频率范围的信号时,经滤波器后输出0~f0频率范围的信号, 也就是说,只有f0频率以下的信号才能通过滤波器。这里的频率f0称为截止频率,又称转 折频率,低通滤波器只能通过频率低于截止频率f0的信号。 图4-6所示是几种常见的低通滤波器。 图4-6 几种常见的低通滤波器 图4-6(a)所示为RC低通滤波器。当电路输入各种频率的信号时,因为电容C对高频 信号阻碍小(根据 ),高频信号经电容C旁路到地;电容C对低频信号阻碍大, 低频信号不会被旁路,而是输出去后级电路。 如果单级RC低通滤波器滤波效果达不到要求,可采用图4-6(b)所示的多级RC滤波 器,这种滤波器能更彻底地滤掉高频信号,使选出的低频信号更纯净。 图4-6(c)所示为RL低通滤波器。当电路输入各种频率的信号时,因为电感L对高频 信号阻碍大(根据 ),高频信号很难通过电感L;而电感L对低频信号阻碍小, 低频信号很容易通过电感L去后级电路。 2.高通滤波器(HPF) 高通滤波器的功能是选取高频信号。下面以图4-7为例来说明高通滤波器的性质。 tyw藏书 图4-7 高通滤波器性质说明图 当高通滤波器输入0~f1频率范围的信号时,经滤波器后输出f0~f1频率范围的信号, 也就是说,只有频率f0以上的信号才能通过滤波器。高通滤波器能通过频率高于截止频率 f0的信号。 图4-8所示是几种常见的高通滤波器。 图4-8 几种常见的高通滤波器 图4-8(a)所示为RC高通滤波器。当电路输入各种频率的信号时,因为电容C对高频 信号阻碍小,对低频信号阻碍大,故低频信号难于通过电容C,高频信号很容易通过电容 C去后级电路。 图4-8(b)所示为RL高通滤波器。当电路输入各种频率的信号时,因为电感L对高频 信号阻碍大,而对低频信号阻碍小,故低频信号很容易通过电感L旁路到地,高频信号不 容易被电感L旁路而只能去后级电路。 图4-8(c)所示是一种滤波效果更好的高通滤波器。电容C1、C2对高频信号阻碍小、 对低频信号阻碍大,低频信号难于通过,高频信号很容易通过;另外,电感L对高频信号 阻碍大、对低频信号阻碍小,低频信号很容易被旁路掉,高频信号则不容易被旁路掉。这 种滤波器的电容C1、C2对低频信号有较大的阻碍,再加上电感L对低频信号的旁路,低频 信号很难通过该滤波器,低频信号分离较彻底。 3.带通滤波器(BPF) 带通滤波器的功能是选取某一段频率范围内的信号。下面以图4-9为例来说明带通滤 波器的性质。 tyw藏书 图4-9 带通滤波器性质说明图 当带通滤波器输入 0~f1频率范围的信号时,经滤波器后输出 fL~fH频率范围的信 号,这里的 fL称为下限截止频率,fH称为上限截止频率。带通滤波器能通过频率在下限截 止频率fL和上限截止频率fH之间的信号(含fL、fH信号),如果fL=fH=f0,那么这种带通滤 波器就可以选择单一频率的f0信号。 图4-10所示是几种常见的带通滤波器。 图4-10 几种常见的带通滤波器 图4-10(a)所示是一种由RC元件构成的带通滤波器。其中R1、C1构成低通滤波器, 它的截止频率为fH,可以通过频率fH以下的信号;C2、R2构成高通滤波器,它的截止频率 为fL,可以通过频率fL以上的信号;结果只有fL~fH频率范围的信号通过整个滤波器。 图4-10(b)所示是一种由LC串联谐振电路构成的带通滤波器。L1、C1谐振频率为 f0,它对频率为f0的信号阻碍小,对其他频率的信号阻碍很大,故只有频率为f0的信号可 以通过。该电路可以选取单一频率的信号,如果想让f0附近频率的信号也能通过,就要减 小谐振电路的Q值 ,L为电感的电感量,R为电感的直流电阻值),Q值越小,LC 电路的通频带越宽,能通过f0附近更多频率的信号。 图4-10(c)所示是一种由LC并联谐振电路构成的带通滤波器,L1、C1谐振频率为 f0,它对频率为f0的信号阻碍很大,对其他频率的信号阻碍小,故其他频率的信号被旁 路,只有频率为f0的信号不会被旁路,而去后级电路。 4.带阻滤波器(BEF) 带阻滤波器的功能是选取某一段频率范围以外的信号。带阻滤波器又称陷波器,它的 功能与带通滤波器恰好相反。下面以图4-11为例来说明带阻滤波器的性质。 tyw藏书 图4-11 带阻滤波器性质说明图 当带阻滤波器输入0~f1频率范围的信号时,经滤波器滤波后输出0~fL和fH~f1频率 范围的信号,而fL~fH频率范围内的信号不能通过。带阻滤波器能通过频率在下限截止频 率fL以下的信号和上限截止频率fH以上的信号(不含fL、fH信号),如果fL=fH=f0,那么带 阻滤波器就可以选择f0以外的所有信号。 图4-12所示是几种常见的带阻滤波器。 图4-12(a)所示是一种由RC元件构成的带阻滤波器。其中R1、C1构成低通滤波器, 它的截止频率为fL,可以通过频率fL以下的信号;C2、R2构成高通滤波器,它的截止频率 为fH,可以通过频率fH以上的信号;结果只有频率在fL以下和fH以上范围的信号可以通过 滤波器。 图4-12(b)所示是一种由LC并联谐振电路构成的带阻滤波器。L1、C1谐振频率为 f0,它对频率为f0的信号阻碍很大,而对其他频率的信号阻碍小,故只有频率为f0的信号 不能通过,其他频率的信号都能通过。该电路可以阻止单一频率的信号,如果想让f0附近 频率的信号也不能通过,可以减小谐振电路的Q值( ),Q值越小,LC电路的通频 带越宽,可以阻止f0附近更多频率的信号通过。 图4-12(c)所示是一种由LC串联谐振电路构成的带阻滤波器。L1、C1谐振频率为 f0,它仅对频率为f0的信号阻碍很小,故只有频率为f0的信号被旁路到地,其他频率的信 号不会被旁路,而是去后级电路。 图4-12 几种常见的带阻滤波器 4.2.2 有源滤波器 tyw藏书 有源滤波器一般由有源器件(集成运算放大器)和RC元件构成。它的优点是不采用 大电感和大电容,故体积小、质量小,并且对选取的信号有放大功能;其缺点是集成运算 放大器频率带宽不够理想,所以有源滤波器常用在几千赫频率以下的电路中,高频电路中 采用LC无源滤波器效果更好。 1.一阶低通滤波器 一阶低通滤波器如图4-13所示。 图4-13 一阶低通滤波器 在图 4-13(a)所示电路中,R1、C1构成低通滤波器,它选出低频信号后,再送到集 成运算放大器放大,集成运算放大器与R2、R3构成同相放大电路。该滤波器的截止频率 ,即该电路只让频率在f0以下的低频信号通过。 在图4-13(b)所示电路中,R2、C1构成负反馈电路,因为电容C1对高频信号阻碍很 小,所以从输出端经C1反馈到输入端的高频信号很多,由于是负反馈,反馈信号将输入 的高频信号抵消,而C1对低频信号阻碍大,负反馈到输入端的低频信号很少,低频信号 抵消少,大部分低频信号送到集成运算放大器输入端,并经放大后输出。该滤波器的截止 频率 。 2.一阶高通滤波器 一阶高通滤波器如图4-14所示。 图4-14 一阶高通滤波器 tyw藏书 R1、C1构成高通滤波器,高频信号很容易通过电容C1并送到集成运算放大器输入 端,集成运算放大器与R2、R3构成同相放大电路。该滤波器的截止频率 。 3.二阶带通滤波器 二阶带通滤波器如图4-15所示。 图4-15 二阶带通滤波器 R1、C1构成低通滤波器,它可以通过频率 f0以下的低频信号(含频率 f0的信号); C2、R2构成高通滤波器,可以通过频率f0以上的高频信号(含频率f0的信号)。结果只有 频率为f0的信号送到集成运算放大器放大而输出。 该滤波器的截止频率 。带通滤波器的Q值越小,滤波器的通频带越宽,可 以通过f0附近更多频率的信号。带通滤波器的品质因数 ,这里的 。 4.二阶带阻滤波器 二阶带阻滤波器如图4-16所示。 tyw藏书 图4-16 二阶带阻滤波器 R1、C1、R2构成低通滤波器,它可以通过频率 f0以下的低频信号(不含频率 f0的信 号);C2、C3、R3构成高通滤波器,可以通过频率 f0以上的高频信号(不含频率 f0的信 号)。结果只有频率为f0的信号无法送到集成运算放大器输入端。 该滤波器的截止频率 。带阻滤波器的Q值越小,滤波器的阻带越宽,可以 阻止f0附近更多频率的信号通过。带阻滤波器的品质因数 ,这里的 。 tyw藏书 第5章 振荡器 5.1 振荡器基础知识 5.1.1 振荡器组成 振荡器是一种用来产生交流信号的电路。正弦波振荡器用来产生正弦波信号。振荡器 主要由放大电路、选频电路和正反馈电路3个部分组成。振荡器组成如图5-1所示。 图5-1 振荡器组成方框图 振荡器工作原理如下。 接通电源后,放大电路获得供电开始导通,导通时电流有一个从无到有的变化过程, 该变化的电流中包含有微弱的 0~∞各种频率的信号,这些信号输出并送到选频电路,选 频电路从中选出频率为 f0的信号,f0信号经正反馈电路反馈到放大电路的输入端,放大后 输出幅度较大的 f0信号,f0信号又经选频电路选出,再通过正反馈电路反馈到放大电路输 入端进行放大,然后输出幅度更大的f0信号,接着又选频、反馈和放大,如此反复,放大 电路输出的 f0信号越来越大。随着 f0信号的不断增大,由于三极管非线性的原因(即三极 管输入信号达到一定幅度时,放大能力会下降,幅度越大,放大能力下降越多),放大电 路的放大倍数A自动不断减小。 放大电路输出的f0信号不是全部都反馈到放大电路的输入端,而是经反馈电路衰减了 再送到放大电路输入端,设反馈电路反馈衰减系数为 1/F。在振荡器工作后,放大电路的 放大倍数 A 不断减小,当放大电路的放大倍数A与反馈电路的衰减系数1/F相等时,输出 的f0信号幅度不会再增大。例如f0信号被反馈电路衰减为原来的1/10,再反馈到放大电路 放大10倍,输出的f0信号不会变化,电路输出稳定的f0信号。 5.1.2 振荡器的工作条件 tyw藏书 从前面介绍的振荡器工作原理知道,振荡器正常工作需要满足下面两个条件。 1.相位条件 相位条件要求电路的反馈为正反馈。 振荡器没有外加信号,它是将反馈信号作为输入信号,振荡器中的信号相位会有两次 改变,放大电路相位改变φA(又称相移φA),反馈电路相位改变φF。振荡器相位条件要 求满足 只有满足了上述条件才能保证电路的反馈为正反馈。例如放大电路将信号倒相180° (φA=π),那么反馈电路必须再将信号倒相180°(φF=π),这样才能保证电路的反馈是 正反馈。 2.幅度条件 幅度条件指振荡器稳定工作后,要求放大电路的放大倍数A与反馈电路的衰减系数 相等,即 只有这样才能保证振荡器能输出稳定的交流信号。 在振荡器刚起振时,要求放大电路的放大倍数A大于反馈电路的1/F,即A>1/F(AF >1),这样才能让输出信号幅度不断增大,当输出信号幅度达到一定值时,就要求 A=1/F(可以通过减小放大电路的放大倍数A或增大反馈电路的1/F来实现),这样才能让 输出信号幅度达到一定值时稳定不变。 5.2 RC振荡器 tyw藏书 RC 振荡器的功能是产生低频信号。由于这种振荡器的选频电路主要由电阻(R)、 电容(C)组成,所以称为RC振荡器。常见RC振荡器有RC移相式振荡器和RC桥式振荡 器。 5.2.1 RC移相式振荡器 tyw藏书 RC移相式振荡器又分为超前移相式RC振荡器和滞后移相式RC振荡器。 1.超前移相式RC振荡器 超前移相式RC振荡器如图5-2所示。 图5-2 超前移相式RC振荡器 图5-2所示电路中的3组相同的RC元件构成3节超前移相电路,每组RC元件都能对频率 为f0的信号进行60°超前移相,这里的 ;而对其他频率的信号也能进行超前移 相,但移相大于或小于60°。3节RC超前移相电路共同对频率为f0的信号进行 180°超前移 相,能将 0°转换成 180°,或将 180°转换成360°。 先来判断电路的反馈类型。 假设三极管VT基极输入相位为0°的信号,经过VT倒相放大后,从集电极输出180°的 信号,该信号经3节RC元件移相并反馈到VT的基极。由于移相电路只能对频率为f0的信号 移相180°( ),而对其他频率的信号移相大于或小于180°,所以3节RC元件 只能将180°的f0信号转换成360°的f0信号,因为360°也即是0°,故反馈到VT的基极反馈信 号与先前假设的输入信号相位相同,所以对f0信号来说,该反馈为正反馈。而RC移相电 路对VT集电极输出的其他频率信号移相不为180°,故不是正反馈。 电路振荡过程如下。 接通电源后,三极管VT导通,集电极输出各种频率的信号,这些信号经3节RC元件 移相并反馈到VT的基极,只有频率为f0的信号被移相180°而形成正反馈,f0信号再经放 大、反馈、放大……如此反复,VT集电极输出的f0信号越来越大,随着反馈到VT基极的f0 信号不断增大,三极管放大倍数不断下降,当三极管放大倍数下降到与反馈衰减系数相等 时(VT 集电极输出信号反馈到基极时,3 节RC电路对反馈信号有一定的衰减),VT输出 幅度稳定不变的f0信号。对于其他频率的信号虽然也有反馈、放大过程,但因为不是正反 馈,每次反馈不但不能增强信号,反而使信号不断削弱,最后都会消失。 从上面的分析过程可以看出,超前移相式RC振荡器的RC移相t电y路w既藏是书正反馈电路, 又是选频电路,其选频频率均为 。 2.滞后移相式RC振荡器 滞后移相式RC振荡器如图5-3所示。 图5-3 滞后移相式RC振荡器 图5-3所示电路中的3组相同的RC元件构成3节滞后移相电路,每节RC元件都能对频率 为f0的信号进行−60°滞后移相,这里的 ;而对其他频率的信号也能进行滞后移 相,但移相大于或小于60°。3节RC滞后移相电路共同对频率为f0的信号进行−180°滞后移 相,能将0°转换成−180°,或将180°转换成0°。 先来判断电路的反馈类型。 假设三极管VT基极输入相位为0°的信号,经过VT倒相放大后,从集电极输出180°信 号,该信号经3节RC元件移相并反馈到 VT 的基极。由于移相电路只能对频率为 f0的信号 滞后移相180°( ),所以能将180°的f0信号转换成0°的f0信号,反馈到VT的基 极,反馈信号与先前假设输入的信号相位相同,所以对f0信号来说,该反馈为正反馈。而 RC移相电路对其他频率的信号移相不为180°,故不是正反馈。 滞后移相式RC振荡器与超前移相式RC振荡器工作过程基本相同,这里不再叙述。 5.2.2 RC桥式振荡器 tyw藏书 RC桥式振荡器需用到RC串、并联选频电路,故又称为RC串、并联振荡器。 1.RC串、并联电路 RC串、并联电路如图5-4所示,电路中的R1=R2=R,C1=C2=C。为了分析电路的性 质,给电路输入一个电压不变而频率可调的交流信号,在电路输出端使用一只电压表测量 输出电压。 图5-4 RC串、并联电路 将输入交流信号频率f从0Hz开始慢慢调高,同时观察电压表指示,会发现电压表指示 的电压值慢慢由小变大,当交流信号频率 时,输出电压Uo达到最大值, ,当交流信号频率再继续调高时,输出电压又开始减小。 根据上述情况可知:如果给RC串、并联电路输入各种频率的信号,只有频率 的信号才有较大的电压输出,也就是说,RC串、并联电路能从众多的信号 中选出频率为f0的信号。 另外,RC串、并联电路对频率为f0以外的信号还会进行移相(对频率为f0的信号不会 移相),例如当输入相位为0°但频率不等于f0的信号时,电路输出的信号Uo相位就不再是 0°。 2.RC桥式振荡器 RC桥式振荡器如图5-5所示,从图中可以看出,该振荡器由一个同相运算放大电路和 RC串、并联电路组成。 tyw藏书 图5-5 RC桥式振荡器 先来分析该电路是否具备正反馈。 假设集成运算放大器的“+”端输入相位为 0°的信号,经放大器放大后输出的信号相位 仍是0°,输出信号通过RC串、并联电路反馈到集成运算放大器“+”端,因为RC串、并联电 路不会对频率为f0的信号( )移相,故反馈到“+”端的f0信号相位仍为0°。对频 率为f0的信号来说,该反馈为正反馈;对其他频率信号而言,因为 RC 电路会对它们进行 移相,导致反馈到“+”端的信号相位不再是0°,所以不是正反馈。 电路振荡过程分析如下。 接通电源后,集成运算放大器输出微弱的各种频率的信号,它们经 RC 串、并联电路 反馈到集成运算放大器的“+”端,因为RC串、并联电路的选频作用,所以只有频率为f0的 信号反馈到“+”端的电压最高。f0信号经放大器放大后输出,然后又反馈到“+”端,如此放 大、反馈过程反复进行,放大器输出的f0信号幅度越来越大。 R2为负温度系数热敏电阻,当集成运算放大器输出的f0信号幅度较小时,流过R2的反 馈信号小,R2阻值大,放大器的电压放大倍数Au大( ),随着f0信号幅度越来越 大,流过R2的反馈信号也越来越大,R2温度升高,阻值变小,放大器的电压放大倍数减 小,当 Au=3 时,衰减系数与放大倍数相等,输出的f0信号幅度不再增大,电路输出幅度 稳定的f0信号。 5.3 可调音频信号发生器的原理与ty检w修藏书 可调音频信号发生器(以下简称音频信号发生器)是一种频率可调的低频振荡器,它 可以产生频率在可听范围内的低频信号。在调节音频信号发生器的振荡频率时,它输出的 信号频率也会随之改变,若将频率变化的信号送入耳机,可以听到音调变化的声音。音频 信号发生器不但可以直观演示声音的音调变化,还可以当成频率可调的低频信号发生器使 用。 5.3.1 电路原理 音频信号发生器电路如图5-6所示。 tyw藏书 图5-6 音频信号发生器电路原理图 电路原理说明如下。 接通电源后,三极管VT2导通,导通时电流Ic从无到有,变化的电流Ic含有微弱的0~ ∞各种频率的信号,它从VT2集电极输出,经C4反馈到RP1、C1构成的RC串、并联选频电 路,该电路从各种频率的信号中选出频率为f0的信号( ),f0信号送到VT1基 极放大,再输出送到VT2放大,然后又反馈到VT1基极进行放大,如此反复进行,VT2集 电极输出的f0信号幅度越来越大,反馈到VT1基极的f0信号幅度也不断增大,VT1、VT2放 大电路的电压放大倍数Au逐渐减小,当Au减小到一定值时,VT2输出的f0信号幅度不再增 大,幅度稳定的f0信号经R10、RP2送到插座X1,若将耳机插入X1,就能听见f0信号在耳机 中还原出来的声音。 RP1、C1构成的RC串、并联选频电路,其频率为 ,RP1为一个双联电位 器,在调节时可以同时改变 RP1_A和 RP1_B的阻值,从而改变选频电路的频率,进而改 变电路的振荡频率。R2为反馈电阻,它所构成的反馈为负反馈(可自行分析),其功能 是根据信号的幅度自动降低VT1的增益,如VT2输出信号越大,经R2反馈到VT1发射极的 负反馈信号幅度越大,VT1增益越低。RP2为幅度调节电位器,可以调节输出信号的幅 度。 5.3.2 电路检修 tyw藏书 下面以“无声”故障为例来说明音频信号发生器的检修方法,检修过程如图5-7所示。 图5-7 “无声”故障检修流程图 5.4 LC振荡器 tyw藏书 LC振荡器是指选频电路由电感(L)和电容(C)构成的振荡器。常见的LC振荡器有 变压器反馈式振荡器、电感三点式振荡器和电容三点式振荡器。 5.4.1 变压器反馈式振荡器 变压器反馈式振荡器如图5-8所示。 tyw藏书 图5-8 变压器反馈式振荡器 1.电路组成及工作条件的判断 三极管VT和电阻R1、R2、R3等元器件构成放大电路;绕组L1、电容C1构成选频电 路,其频率 类型。 ;变压器T1、电容C3构成反馈电路。下面用瞬时极性法判断反馈 假设三极管VT基极电压上升(图中用“ ”表示),集电极电压会下降(图中用“ ”表示),T1的L1下端电压下降,L1的上端电压上升(电感两端电压极性相反),由于同 名端的缘故,绕组L2的上端电压上升,L2的上正电压经C3反馈到VT基极,反馈电压变化 与假设的电压变化相同,故该反馈为正反馈。 2.电路振荡过程 接通电源后,三极管VT导通,有Ic电流经L1流过VT。Ic是一个变化的电流(由小到 大),它包含着微弱的0~∞各种频率的信号。因为L1、C1构成的选频电路的频率为f0, 它从这些信号中选出 f0信号,选出后在 L1上有 f0信号电压(其他频率信号在 L1上没有电 压或电压很小),L1上的 f0信号电压感应到L2上,L2上的f0信号电压再通过C3耦合到VT 的基极,放大后从集电极输出,选频电路将放大的f0信号选出,在L1上有更高的f0信号电 压,该信号又感应到L2上再反馈到VT的基极,如此反复进行,VT输出的f0信号幅度越来 越大,反馈到VT基极的f0信号也越来越大。随着反馈信号逐渐增大,VT放大电路的放大 倍数A不断减小,当放大电路的放大倍数A与反馈电路的衰减系数1/F(主要由L1与L2的匝 数比决定)相等时,VT输出送到L1上的f0信号电压不能再增大, L1上幅度稳定的f0信号电 压感应到L3上,送给需要f0信号的电路。 5.4.2 电感三点式振荡器 tyw藏书 电感三点式振荡器如图5-9所示,为了分析方便,先画出该电路的交流等效图。电路 的交流等效图不考虑电路的直流工作情况,只考虑电路的交流工作情况,下面以绘制图59所示的电感三点式振荡器为例来说明电路的交流等效图的绘制要点,其绘制过程如图510所示,具体步骤如下。 图5-9 电感三点式振荡器 第1步:将电源+VCC正极与地(负极)用导线连接起来,如图 5-10(a)所示。这是 因为直流电源的内阻很小,对交流信号相当于短路,故对交流信号来说,电源正、负极之 间相当于导线。 图5-10 电感三点式振荡器交流等效图绘制过程 第2步:将电阻R1、R2、R3、R4这些元件去掉,如图5-10(b)所示。这是因为这些 电阻是用来为三极管提供直流工作条件的,并且对电路中的交流信号影响很小,故可去 掉。 第3步:将电容C1、C3、C4用导线代替,如图5-10(c)所示。这是因为电容C1、 C3、C4的容量很大,对电路中的交流信号阻碍很小,相当于短路,故可用导线取代;C2 容量小,对交流信号不能相当于短路,故应保留。 经过上述3个步骤画出来的图5-10(c)所示电路就是图5-9所示电路的交流等效图。 从等效图可以看出,三极管的3个极连到电感的三端,所以将该振荡器称为电感三点式振 荡器。 电感三点式振荡器分析如下。 1.电路组成及工作条件的判断 tyw藏书 三极管VT和电阻R1、R2、R3、R4等元器件构成放大电路;L1、L2、C2构成选频电 路,其频率 电容。 ;L2、C3构成反馈电路;C1、C3为耦合电容,C2为旁路 反馈类型的判断如下。 假设 VT 基极电压上升,集电极电压会下降,该电压通过耦合电容 C1使线圈 L(分成 L1、L2两部分)的上端电压下降,它的下端电压就上升(线圈两端电压极性相反),下端 上升的电压经 C3反馈到VT基极,反馈电压变化与假设的电压变化相同,故该反馈为正反 馈。 2.电路振荡过程 接通电源后,三极管VT导通,有电流Ic流过VT,Ic是一个变化的电流(由小到大), 它包含着各种频率的信号。L1、L2、C1构成的选频电路的频率为 f0,它从 VT 集电极输出 的各种频率的信号中选出 f0信号,选出后在 L1、L2上有 f0信号电压(其他频率信号在 L1、L2上没有电压或电压很小),L2上的f0信号电压通过电容C3耦合到VT的基极,经VT 放大后,f0信号从集电极输出,又送到选频电路,在L1、L2上的f0信号电压更高,L2上的 f0信号再反馈到VT的基极,如此反复进行, VT 输出的 f0信号幅度越来越大,反馈到 VT 基极的 f0信号也越来越大。随着反馈信号逐渐增大, VT放大电路的放大倍数A不断减 小,当放大电路的放大倍数A与反馈电路的衰减系数1/F相等时(衰减系数主要由L2匝数 决定,匝数越少,反馈信号越小,即衰减系数越大),VT输出的f0信号不能再增大,稳定 的f0信号输出送给其他的电路。 5.4.3 电容三点式振荡器 电容三点式振荡器如图5-11所示。 tyw藏书 1.电路组成及工作条件的判断 VT 和电阻 R1、R2、R3、R4等元器件构成放大电路;L、C2、C3构成选频电路,其频 率 ;C3、C5构成反馈电路;C1、C5为耦合电容,C4为旁路电容。因 为C1、C4、C5容量比较大,相当于短路,故图中三极管的3个极可看成是分别接到电容的 三端,所以将该振荡器称为电容三点式振荡器。 反馈类型的判断如下。 图5-11 电容三点式振荡器 假设三极管VT基极电压瞬时极性为“+”,集电极电压的极性为“−”,通过耦合电容C1 tyw藏书 使C2的上端极性为“−”,C2的下端极性为“+”,C3上端的极性为“−”,C3下端的极性 为“+”,C3下正电压反馈到VT基极,反馈信号电压的极性与假设的电压极性变化一致,故 反馈为正反馈。 2.电路振荡过程 接通电源后,三极管VT导通,有电流Ic流过VT,Ic是一个变化的电流(由小到大), 它包含着各种频率的信号。这些信号经C1加到L、C2、C3构成的选频电路,选频电路从中 选出f0信号,选出后在C2、C3上有f0信号电压(其他频率信号在C2、C3上没有电压或电压 很小),C3上的f0信号电压通过电容C5耦合到VT的基极,经VT放大后f0信号从集电极输 出,又送到选频电路,在C2、C3上的f0信号电压更高,C3上的f0信号再反馈到VT的基 极,如此反复进行,VT输出的f0信号幅度越来越大,反馈到VT基极的f0信号也越来越大。 随着反馈信号逐渐增大,VT放大电路的放大倍数A不断减小,当放大电路的放大倍数A与 反馈电路的衰减系数1/F相等时(衰减系数主要由C2、C3分压决定),VT输出的f0信号不 再增大,稳定的f0信号输出送给其他的电路。 5.4.4 改进型电容三点式振荡器 tyw藏书 由于三极管各极之间存在分布电容,为了减少分布电容对振荡器频率稳定性的影响, 实际的电容三点式振荡器常采用以下两种改进型。 1.串联型电容三点式振荡器 串联型电容三点式振荡器又称为克拉泼振荡器,该电路如图5-12所示。 tyw藏书 图5-12 串联型电容三点式振荡器 从图中可以看出,该电路主要是在普通的电容三点式振荡器的电感旁串联了一只容量 很小的电容C4,等效图中的Cce、Cbe分别为三极管集-射极、基-射极之间的分布电容;C1 为旁路电容,容量很大,可视为短路。选频电路电容的总容量C可以用下式计算 电路中的C4<>”表示“远大于”),所以可以认为 ,C≈C4,那么选频电路的频率可以表示为 从上式可以看出,选频电路的振荡频率基本上由C4决定,分布电容对它几乎没有影 响。 这种电路的振荡波形好,频率比较稳定;缺点是用作频率可调振荡器时,输出信号的 幅度随频率升高而下降。 2.并联型电容三点式振荡器 并联型电容三点式振荡器又称为西勒振荡器,该电路如图5-13所示。 tyw藏书 图5-13 并联型电容三点式振荡器 从图中可以看出,该电路主要是在串联型电容三点式振荡器的电感两端再并联了一只 容量很小的电容C5。选频电路电容的总容量C可以用下式计算 电路中的 C4<fp时,石英晶体呈容性,相当于电容。 1.并联型晶体振荡器 5.5.2 晶体振荡器 tyw藏书 并联型晶体振荡器如图5-16所示。三极管VT与R1、R2、R3、R4构成放大电路;C3为 交流旁路电容,对交流信号相当于短路;X1为石英晶体,在电路中相当于电感。从交流 等效图可以看出,该电路是一个电容三点式振荡器,C1、C2、X1构成选频电路,其选频 频率主要由X1决定,频率接近fp。 图5-16 并联型晶体振荡器 电路振荡过程:接通电源后,三极管VT导通,有变化的电流Ic流过VT,它包含着微 弱的0~∞各种频率的信号。这些信号加到C1、C2、X1构成的选频电路,选频电路从中选 出f0信号,在X1、C1、C2两端有f0信号电压,取C2两端的f0信号电压反馈到VT的基-射极 之间进行放大,放大后输出信号又加到选频电路,C1、C2两端的信号电压增大,C2两端 的电压又送到VT基-射极,如此反复进行,VT输出的信号越来越大,而VT放大电路的放 大倍数逐渐减小,当放大电路的放大倍数与反馈电路的衰减系数相等时,输出信号幅度保 持稳定,不会再增大,该信号再送到其他的电路。 2.串联型晶体振荡器 串联型晶体振荡器如图5-17 所示。该振荡器采用了两级放大电路,石英晶体X1除了 构成反馈电路外,还具有选频功能,其选频频率f0=fs,电位器RP1用来调节反馈信号的幅 度。 tyw藏书 图5-17 串联型晶体振荡器 判断反馈电路的类型如下。 因为信号是反馈到VT1发射极,现假设VT1发射极电压瞬时极性为“+”,VT1集电极电 压极性为“+”(发射极与集电极是同相关系,当发射极电压上升时集电极电压也上升), VT2的基极电压极性为“+”,VT2发射极电压极性也为“+”,该极性的电压通过X1反馈到 VT1的发射极,反馈电压极性与假设的电压极性相同,故该反馈为正反馈。 电路的振荡过程如下。 接通电源后,三极管VT1、VT2导通,VT2发射极输出变化的电流Ie中包含各种频率的 信号,石英晶体X1对其中的f0信号阻抗很小,f0信号经X1、RP1反馈到VT1的发射极,该 信号经VT1放大后从集电极输出,又加到VT2放大后从发射极输出,然后又通过X1反馈到 VT1放大,如此反复进行, VT2输出的f0信号幅度越来越大,VT1、VT2组成的放大电路放 大倍数越来越小,当放大倍数等于反馈衰减系数时,输出f0信号幅度不再变化,电路输出 稳定的f0信号。 tyw藏书 第6章 调制电路与解调电路 6.1 无线电信号的发送与接收 6.1.1 无线电信号的发送 电信号要以无线电波方式传送出去,可以将电信号送到天线,由天线将电信号转换成 无线电波并发射出去。如果要把声音发射出去,可以先用话筒将声音转换成电信号,再将 声音转换成的电信号送到天线,让天线将它转换成无线电波并发射出去。但广播电台并没 有采用这种将声音转换成电信号通过天线直接发射的方式来传送声音,主要原因是音频信 号(声音转换成的电信号)频率很低。 无线电波传送规律表明:要将无线电波有效发射出去,要求无线电波的频率与发射天 线的长度有一定的关系,频率越低,要求发射天线越长。声音的频率为 20Hz~20kHz,声 音经话筒转换成的音频信号频率也是 20Hz~20kHz,音频信号经天线转换成的无线电波的 频率同样是 20Hz~20kHz,如果要将这样的低频无线电波有效发射出去,要求天线的长度 在几千米至几千千米,这是很难做到的。 1.无线电信号的发送处理过程 为了解决音频信号发射需要很长天线的问题,人们想出了一个办法:在无线电发送设 备中,先让音频信号“坐”到高频信号上,再将高频信号发射出去。由于高频无线电波频率 高,发射天线不需要很长,高频无线电波传送出去后,“坐”到高频信号上的音频信号也随 之传送出去。这就像人坐上飞机,当飞机飞到很远的地方时,人也就到达了很远的地方一 样。无线电信号的发送处理过程如图6-1所示(以电台发射机为例)。 图6-1 无线电信号的发送处理过程 话筒将声音转换成音频信号(低频信号),再经音频放大器放大后送到调制器,与此 同时高频载波信号振荡器产生高频载波信号也送到调制器,在调制器中,音频信号“坐”在 tyw藏书 高频载波信号上,这样的高频信号经高频信号放大器放大后送到天线,天线将该信号转换 成无线电波发射出去。 2.调制方式 将低频信号装载到高频信号上的过程称为调制,常见的调制方式有两种:幅度调制 (AM)和频率调制(FM)。 (1)幅度调制 将低频信号和高频载波信号按一定方式处理,得到频率不变而幅度随低频信号变化的 高频信号,这个过程称为幅度调制。这种幅度随低频信号变化的高频信号称为调幅信号。 幅度调制过程如图6-2所示,低频信号送到幅度调制器,同时高频载波信号也送到幅度调 制器,在内部调制后输出幅度随低频信号变化的高频调幅信号。 图6-2 幅度调制过程 为了表示高频调幅信号幅度是随低频信号变化的,图中在高频信号上人为画出了随幅 度变化的包络线,实际高频调幅信号上并没有该包络线。 (2)频率调制 将低频信号与高频载波信号按一定的方式处理,得到幅度不变而频率随音频信号变化 的高频信号,这个过程称为频率调制。这种频率随音频信号变化的高频信号称为调频信 号。频率调制过程如图 6-3 所示,低频信号送到频率调制器,同时高频载波信号也送到频 率调制器,在内部调制后输出幅度不变而频率随低频信号变化的高频调频信号。 图6-3 频率调制过程 tyw藏书 6.1.2 无线电信号的接收 tyw藏书 在无线电发送设备中,将低频信号调制在高频载波信号上,通过天线发射出去,当无 线电波经过无线电接收设备时,接收设备的天线将它接收下来,再通过内部电路处理后就 可以取出低频信号。下面以收音机为例来说明无线电信号的接收过程。 1.无线电信号的接收处理过程 无线电信号的接收处理简易过程如图6-4所示。 图6-4 无线电信号的接收处理简易过程 电台发射出来的无线电波经过收音机天线时,天线将它接收下来并转换成电信号,电 信号送到输入调谐回路,该电路的作用是选出需要的电信号,电信号被选出后再送到解调 电路。因为电台发射出来的信号是包含有音频信号的高频信号,解调电路的作用是从高频 电信号中将音频信号取出。音频信号再经音频放大电路放大后送入扬声器,扬声器就会发 出与电台相同的声音。 2.解调方式 在电台需要将音频信号加载到高频信号上(调制),而在收音机中需要从高频信号中 将音频信号取出。从高频信号中将低频信号取出的过程称为解调,它与调制恰好相反。调 制方式有两种:调幅调制和调频调制。相对应的解调也有两种方式:检波和鉴频。 (1)检波 检波是调幅调制的逆过程,它的作用是从高频调幅信号中检出低频信号。检波过程如 图 6-5 所示,高频调幅信号送到检波器,检波器从中检出低频信号。 图6-5 检波过程 (2)鉴频 鉴频是调频调制的逆过程,它的作用是从高频调频信号中检出低频信号。鉴频过程如 图 6-6 所示,高频调频信号送到鉴频器,鉴频器从中检出低频信号。 图6-6 鉴频过程 tyw藏书 6.2 幅度调制与检波电路 tyw藏书 6.2.1 幅度调制电路 1.功能 幅度调制电路的功能是用低频信号去调制高频等幅信号,得到幅度随低频信号变化而 变化的高频调幅信号。 2.电路分析 幅度调制电路如图6-7所示。 图6-7 幅度调制电路 VT 为调制三极管;C1、C2为交流旁路电容,用来减少交流信号的损耗;电压 Ub通过 L4、L3提供给VT的基极;L5、C3构成选频电路,用来选取VT输出的高频调幅信号,该选 频电路的谐振频率与高频等幅信号(载波信号)的频率相同。 幅度调制过程:高频等幅信号经变压器 T1的 L1绕组感应到 L3绕组上,低频信号经变 压器 T1的L2绕组感应到L4绕组上,L3绕组上的高频等幅信号电压和L4上的低频信号电压 叠加后送到VT的基极,经VT放大后从集电极输出高频调幅信号,由L5、C3构成的选频电 路选出后,再感应到L6上送到后级电路。 1.功能 6.2.2 检波电路 tyw藏书 检波电路即幅度解调电路,其功能是从高频调幅信号中取出低频信号。 2.电路分析 检波电路如图6-8(a)所示,该电路是最常见的二极管检波电路。 该检波电路中采用了二极管,二极管具有单向导电性。给二极管VD的正端E点输入一 个图6-8 (b)所示的A信号,当A信号正半周来时,E点电压逐渐上升,VD导通,A信号 经VD对C1充电, C1上的电压上升(见A信号上充电虚线标注),当A信号电压开始下降 时,VD截止,C1开始通过负载RL放电,由于RL阻值较大,故C1放电很慢,两端电压下降 少(见A信号上放电虚线标注),当A信号下一个正半周来时,VD又会导通,A信号又会 经VD对C1充电,接着C1又放电,如此反复进行,在F点(也即电容C1两端)可得到B信号 (波形与A信号虚线所示一致),这就是二极管检波原理。 如果给二极管VD正端送图6-8(b)所示的C信号,该信号经VD对C1充电,然后C1又 放电,如此反复,结果在C1上得到D信号,D信号的波形与C信号幅度变化很相似,因此 可看作检波电路能从C信号(高频调幅信号)中检出D信号(低频信号)。 tyw藏书 图6-8 检波电路及有关信号波形 6.3 频率调制与鉴频电路 tyw藏书 6.3.1 频率调制电路 1.功能 频率调制电路的功能是用低频信号去调制高频等幅信号,得到幅度不变但频率随低频 信号变化的高频调频信号。 2.压控选频电路 压控选频电路是一种改变电压就能控制频率变化的选频电路,这种电路与普通的 LC 选频电路基本相同,只是用变容二极管取代电容。图6-9所示就是一种常见的压控选频电 路。 tyw藏书 图6-9 压控选频电路 电路中采用变容二极管代替电容,变容二极管要相当于电容,必须在两端加反向电 压,反向电压越高,它的容量越小。图中L1、C1、VD构成一个并联谐振选频电路,+VCC 电源经电位器RP1为变容二极管VD 提供反向电压,若VD的容量为C,则该选频电路的频 率 。 如果将电位器滑动端上移,加到变容二极管两端的反向电压增大,其容量C减小,选 频电路的谐振频率f0升高;反之,如果滑动端下移,选频电路的频率会降低。 变容二极管的反向电压还与控制信号有关。当控制信号正半周期经R1加到VD负极 时,该信号电压与通过RP1送来的电压叠加,使变容二极管反向电压增大,容量减小,电 路的谐振频率升高;当控制信号负半周期经R1加到VD负极时,该信号电压与通过RP1送 tyw藏书 来的电压叠加,使变容二极管反向电压减小,容量增大,电路的谐振频率降低。也就是 说,该选频电路的频率随着控制信号的电压变化而变化,故将该选频电路称为压控选频电 路,当控制信号正半周期来时频率升高,负半周期信号来时频率降低,电路的频率变化是 以f0为中心进行的。 3.频率调制电路分析 频率调制电路如图6-10所示,图6-10(a)所示为实际电路,图6-10(b)所示为交流 等效图。 tyw藏书 图6-10 频率调制电路 该电路实际上是一个频率可控的振荡电路。VT、R1~R4组成放大电路;C1为旁路电 容,C2为耦合电容,这两个电容的容量都很大,对振荡信号相当于短路;C3、C4、C5、 VD、L1构成选频电路;VD为变容二极管,电源经R5、R6分压为它提供反向电压,使它可 以相当于电容,其容量除了受R5提供的反向电压影响外,还与送来的调制信号(低频信 号)有关,VD 的容量变化会使选频电路的频率也发生变化。 电路振荡过程:接通电源后,VT导通,集电极输出各种频率的信号,这些信号送到 由C3、C4、C5、VD、L1构成的选频电路上,选频电路从中选出频率为f0的信号,取C4两 端的f0信号电压反馈到VT基-射极放大(因为C1容量很大,对f0的信号相当于短路,故C4 两端f0的信号电压送到VT的基-射极),经VT放大后从集电极输出,输出的f0信号又加到 选频电路,如此反复进行,VT输出的f0信号幅度越来越大,同时VT放大电路的放大倍数 不断减小,当放大倍数与衰减系数相等时, VT输出的信号幅度不会再增大而保持稳定。 频率调制过程:在无调制信号加到频率调制电路时,电路会输出频率为f0的信号。当 tyw藏书 调制信号正半周期通过R7加到变容二极管VD负极时,正半周期信号电压与电源通过R5加 到VD负极的直流电压叠加,VD的反向电压增大,其容量减小,选频电路的频率上升(高 于f0),电路振荡输出的信号频率升高;当调制信号负半周期加到变容二极管负极时,负 半周期信号电压与VD负极的直流电压相叠加,VD的反向电压减小,其容量增大,选频电 路的频率下降(低于f0),电路振荡输出的信号频率下降。 也就是说,当调制信号加到频率调制电路时,电路的振荡频率会发生变化,调制信号 正半周期来时振荡频率上升,调制信号负半周期来时振荡频率下降,从而使频率调制电路 输出频率随调制信号电压变化的调频信号。 6.3.2 鉴频电路 tyw藏书 鉴频电路简称鉴频器,即频率解调电路,其功能是从调频信号中检出调制信号。下面 先以图6-11所示说明图为例来简要介绍鉴频器的工作原理。 tyw藏书 图6-11 鉴频器说明图 给图6-11(a)所示的鉴频器输入图6-11(b)所示的幅度不变、频率变化的调频信 号,经鉴频器处理后输出幅度变化的调制信号。鉴频器有个固有频率 f0,当输入信号的频 率 f 高于 f0时,鉴频器会输出正电压信号;当输入信号频率f低于f0时,鉴频器输出负电压 信号。鉴频器的鉴频特点可用图6-11(c)所示的特性曲线表示。 1.与鉴频器有关的知识 鉴频器的组成元器件并不多,但电路工作过程比较复杂,这主要是因为它涉及的知识 面广,并且理论抽象,因此在分析鉴频器原理之前,先介绍与鉴频器相关的知识。鉴频器 及有关的知识抽象复杂,可作选学内容。 (1)矢量和正弦量 矢量是指有原点、长度和方向的量,矢量用图6-12(a)所示图形表示。正弦量是指 大小呈正弦波状变化的量,很多交流信号是正弦量,如调频信号和音频信号等都是正弦 量,正弦量用图6-12(b)所示的图形表示。 tyw藏书 图6-12 矢量与正弦量 在分析电路时,为了方便,经常用矢量来表示正弦量。矢量表示正弦量有以下规律。 ① 矢量的长度表示正弦量的幅度大小。 ② 矢量的夹角表示正弦量的相位差。 ③ 矢量水平向右表示相位为0°,矢量逆时针旋转表示相位超前,顺时针旋转表示相 位滞后。 矢量表示正弦量如图6-13所示。图6-13(a)中的正弦量i2比i1幅度大,所以图613(b)中画出的对应矢量i2较i1长度更长;图6-13(a)中的正弦量i1相位为0°,图613(b)中i1的矢量方向画作水平向右,正弦量i2相位滞后i190°,i2的矢量方向可看作是从 水平向右方向出发,顺时针旋转90°而得到;图6-13(a)中的正弦量i1与i2相位差为90°, 在图6-13(b)中矢量i1与i2夹角则为90°。 图6-13 矢量表示正弦量示例图 矢量可以进行加、减运算,它遵循平行四边形法则。平行四边形法则的内容是:以已 知两个矢量为边,作一个平行四边形,连接平行四边形对角线,得到新的矢量即为两矢量 相加获得的矢量。 若要对图6-13(b)中的i1、i2矢量进行相加运算,可以以i1、i2矢量为边,作出一个 平行四边形,如图6-14(a)所示,连接原点与对角点形成的矢量i3就为i1、i2矢量相加得 到的新矢量。从图中可以看出,矢量相加得到的新矢量长度并不是两矢量长度和,新矢量 相位也有变化。若要进行i2−i1矢量相减运算,可以先在 i1的反方向作出一个相同长度的 矢量,该矢量即为−i1,再以矢量 i2、−i1为边作出一个平行四边形,如图6-14(b)所示, 连接原点与对角点形成的矢量i4就为i2、i1矢量相减得到的新矢量。 tyw藏书 图6-14 矢量的加、减 两个同频率的正弦量信号混合相加会形成一个新的同频率的正弦量信号,如果采用对 两个正弦量信号直接进行叠加的方法来求新正弦量会很复杂。如果先将两个正弦量用相应 的矢量表示,然后进行矢量相加会得到一个新矢量,再将新矢量还原为正弦量,该正弦量 即为两正弦量混合相加得到的新正弦量。图6-14(a)中的i3为i1、i2相加得到的新矢量, 它的相位较i2超前、较i1滞后,幅度较i1、i2都大,将它还原为正弦量信号i3,这样得到的 正弦量信号i3与正弦量i1、i2直接相加得到的i3正弦量将完全相同,该正弦量i3相位较正弦 量i2超前、较i1滞后,幅度较正弦量i1、i2都大。 (2)电阻、电容和电感的电压与电流相位关系 ① 电阻:电阻两端电压与流过的电流是同相关系(可理解为:有电流流过电阻,电 阻两端马上有电压,电流大时电压高)。电阻的电压与电流的相位关系如图6-15所示。 图6-15 电阻的电压与电流的相位关系 ② 电容:电容两端电压与流过的电流的相位关系是电流超前电压90°(可理解为:先 有电流对电容充电,而后电容两端有电压)。电容的电压与电流的相位关系如图6-16所 示。 图6-16 电容的电压与电流的相位关系 tyw藏书 ③ 电感:电感两端电压与流过电流的相位关系是电流滞后电压 90°(可理解为:电感 与电容是性质相反的元件,电压和电流的相位关系也相反)。电感的电压与电流相位关系 如图6-17所示。 图6-17 电感的电压与电流的相位关系 (3)RLC串联电路的电压与电流的相位关系 RLC串联电路如图6-18所示,图中RLC电路的谐振频率为ƒ0,输入信号频率为ƒ。RLC 串联电路电流与电压的相位关系如图6-19所示。 图6-18 RLC串联电路 图6-19 RLC串联电路电流与电压的相位关系 ① 当 f=ƒ0时,RLC 串联电路谐振,LC 电路相当于短路,电路只剩下电阻,因此电流 与电压的相位关系是:电流与电压同相,矢量表示如图6-19(a)所示。 ② 当ƒ>ƒ0时,输入信号频率偏高,电容C可视为短路(电容容易通过高频信号), 剩下电感与电阻,RLC 电路呈感性,因此电流与电压的相位关系是:电压超前电流θ角 (0°<θ<90°),矢量表示如图6-19(b)所示。 ③ 当ƒ<ƒ0时,输入信号频率偏低,电感L可视为短路(电感容易通过低频信号), 剩下电容与电阻,RLC 电路呈容性,因此电流与电压的相位关系是:电压滞后电流θ角 (0°<θ<90°),矢量表示如图6-19(c)所示。 (4)RLC并联电路电压与电流的相位关系 RLC并联电路如图6-20所示,图中RLC电路的谐振频率为ƒ0。RLC并联电路电流与电 压的相位关系如图6-21所示。 图6-20 RLC并联电路 tyw藏书 图6-21 RLC并联电路电流与电压的相位关系 ① 当ƒ=ƒ0时,RLC并联电路谐振,RLC并联电路呈阻性,相当于一个阻值很大的电 阻,因此电流与电压同相位,矢量表示如图6-21(a)所示。 ② 当 ƒ>ƒ0时,输入信号频率偏高,电感可视为开路(电感对高频信号阻抗大),剩 下电容和电阻,RLC并联电路呈容性,因此电流与电压的相位关系是:电流超前电压θ角 (0°<θ<90°),矢量表示如图6-21(b)所示。 ③ 当 ƒ<ƒ0时,输入信号频率偏低,电容可视为开路(电容对低频信号阻抗大),剩 下电感和电阻,RLC并联电路呈感性,因此电流与电压的相位关系是:电流滞后电压θ角 (0°<θ<90°),矢量表示如图6-21(c)所示。 2.鉴频器工作原理 鉴频器种类很多,常见分立元件构成的鉴频器有相位鉴频器、对称比例鉴频器和不对 称比例鉴频器。 (1)相位鉴频器 相位鉴频器电路如图6-22所示。 图6-22 相位鉴频器 C1、L1和 L2、C3构成双调谐回路,谐振频率均为 ƒ0。L2绕组中心引出抽头,上半部 和下半部绕组匝数相等,故上半部和下半部绕组上的电压相等。因为C2对ƒ0信号容抗很 tyw藏书 小,可视为短路,所以高频扼流圈L3上的电压U3与U1电压相位相同。VD1、VD2为检波 管。C4、R1与C5、R2参数相同(C4=C5,R1=R2)。当频率为ƒ0的信号U1输入时,经电路 鉴频后的输出电压Uo为调制信号。 工作原理如下。 ① 当调频信号频率ƒ=ƒ0时,调频信号电压U1加到L1两端,在次级绕组L2上有感应电 动势E2产生,E2相位与U1相同。E2与L2、C3构成LC串联电路,如图6-23所示。因为E2频 率为ƒ0,与L2、C3构成的串联电路谐振频率相等,L2、C3电路对E2信号呈阻性,所以E2 与I2同相位(E2可看作 L2、C3两端电压),而L2两端电压 U2超前电流I290°。矢量关系如 图6-24(a)所示,从矢量图可以看出 U2超前U190°,又因为U1与 U3同相,故 U2超前 U390°,L3绕组上的电压 U3与 L2上半部绕组上电压 相加得到UVD1电压,即 ,该电压经VD1对C4充电,在C4上充得上正下负的电压。U3与L2下半部绕 组电压 相减得到UVD2电压,即 ,该电压经VD2对C5充电,在C5上充得上 负下正的电压,从图6-24(a)可以看出,UVD1、UVD2大小相等,故C4的上正下负电压与 C5的上负下正电压大小相等,方向相反,相互抵消,Uo=0V,即当输入信号频率ƒ=ƒ0时, 鉴频器输出的调制信号电压为0V。 图6-23 E2与L2、C3构成的串联电路 tyw藏书 图6-24 鉴频矢量图 ② 当调频信号频率 ƒ>ƒ0时,调频信号电压 U1加到 L1两端,在次级绕组 L2上有感应 电动势E2产生,E2相位与U1相同。E2与L2、C3构成LC串联电路,如图6-23所示。因为E2 频率(与U1信号频率相同)大于ƒ0,即大于L2、C3构成的串联电路的谐振频率,L2、C3 电路对E2信号呈感性,故 E2超前 I2θ角(0°<θ<90°),L2上电压U2超前I290°,U1与U3 同相,矢量关系如图 6-24(b)所示,U3与U1同相,在矢量图上进行加、减,求 ,从图6-24(b)所示的矢量图关系可以看出,电压UVD1较 电压UVD2高,故UVD1通过VD1对C4充得上正下负电压大于UVD2通过VD2对C5充得上负下 正电压,C5的上负下正电压被完全抵消,C4上还剩上正下负电压, Uo>0V,即当输入调 频信号频率ƒ>ƒ0时,鉴频器输出的调制信号为正电压(正半周部分)。 ③ 当调频信号频率ƒ<ƒ0时,U1与E2同相,E2信号频率小于L2、C3构成的串联电路的 谐振频率,L2、C3对 E2信号呈容性,E2落后 I2θ角(0°<θ<90°),L2上电压 U2超前 I290°,U1与 U3同相,矢量关系如图6-24(c)所示,在矢量图上进行加、减,求 ,从矢量图可以看出,UVD1小于UVD2,故UVD1对C4充得上 正下负电压小于UVD2对C5充得的上负下正电压,C4的上正下负电压被抵消,C5上还剩上 负下正电压,Uo<0V,即当输入信号频率ƒ<ƒ0时,鉴频器输出的调制信号为负电压(负 半周部分)。 相位鉴频器具有输出调制信号电压较大、灵敏度高等优点,故一般用在性能较好的电 子设备中。 (2)不对称比例鉴频器 不对称比例鉴频器电路如图6-25所示。 tyw藏书 图6-25 不对称比例鉴频器 L1、C1与 L2、C2构成双调谐回路,两者的谐振频率都为 ƒ0。L2绕组中心引出抽头, 上半部和下半部绕组匝数相等,故两者的电压相等,都为 。L3绕组上的电压U3与电压 U1相位相同。R4、C6构成去加重电路,用于滤除调制信号中的高频干扰信号,提高信噪 比。 工作原理说明如下。 ① 当输入的调频信号频率ƒ=ƒ0时,调频信号电压U1与L2绕组上产生的电动势E2为同 相位,因为E2信号频率与L2、C2构成的串联电路频率相同,L2、C2电路对E2信号呈阻 性,所以E2与I2同相, L2上电压U2又超前I290°,U1与U3同相,矢量关系如图6-24(a)所 示,L3上的电压U3与L2上半部的电压 相加,得到UVD1电压(即 ),U3与 L2下半部的电压相减,得到UVD2电压(即 )。UVD1经VD1对C5充电,充电途 径是:A点→VD1→R1→C3//R2//C4→C5→E点,在C5上充得上正下负的电压;VD2U 经 VD2对C5充电,充电途径是:E点→C5→R2→VD2→F点,在C5上充得上负下正的电压。 因为当 ƒ=ƒ0时,UVD1= UVD2,故 C5上充得的上正下负电压与上负下正的电压相等,相互 抵消,C5两端电压为0V,即当输入信号频率为 ƒ0时,鉴频器输出的调制信号电压为0V。 ② 当输入调频信号频率ƒ>ƒ0时,如图6-24(b)所示,UVD1大于UVD2,UVD1对C5充 得的上正下负电压大于UVD2对C5充得的上负下正电压,C5的上负下正电压被抵消,还剩 下上正下负的电压,C5两端电压为负(C5上端接地),即当输入信号频率大于ƒ0时,鉴 频器输出的调制信号为负电压(负半周)。 ③ 当输入调频信号频率ƒ<ƒ0时,如图6-24(c)所示,UVD1小于UVD2,UVD1对C5充 得的上正下负电压小于UVD2对C5充得的上负下正电压,C5的上正下负电压被抵消,C5上 还保留上负下正的电压,C5两端电压为正,即当输入信号频率小于ƒ0时,鉴频器输出的 调制信号为正电压(正半周)。 不对称比例鉴频器输出的调制信号电压比相位鉴频器小,但它ty具w有藏限幅书功能。 tyw藏书 第7章 变频电路与反馈控制电路 7.1 变频电路 变频电路可以改变信号频率。根据变频方式不同,变频电路可分为倍频电路和混频电 路。 7.1.1 倍频电路 tyw藏书 倍频电路的功能是将信号的频率成倍提高。根据电路提升频率倍数的不同,倍频电路 可分为二倍频电路、三倍频电路、四倍频电路等,例如二倍频电路可以将信号频率提高两 倍。 1.倍频原理 理论和实践表明:当某一频率的正弦交流信号通过非线性元器件(如二极管、三极管 等)时,会产生并输出各种新的频率信号,主要有直流成分、基波成分、二次谐波、三次 谐波等。下面以图7-1为例来形象地说明这个原理。 图7-1 正弦交流信号通过非线性元器件输出的各种分量 当频率为f的交流信号输入非线性元器件后,会输出各种新频率成分的信号,其中有 直流成分、频率为f的基波信号、频率为2f的二次谐波信号和频率为3f的三次谐波信号等。 在这些信号中,基波信号的幅度最大,其次是二次谐波,随着谐波频率的升高,幅度逐渐 减小。 如果在非线性元器件后面加上一个选频电路,比如让选频电路的频率为2f,那么选频 电路就可以从非线性元器件输出的各种信号中只选出频率为2f的二次谐波信号,从而得到 频率是输入信号两倍的信号。 2.倍频电路 根据倍频电路采用的非线性元器件的不同,倍频电路主要可分为二极管倍频电路和三 极管倍频电路。 (1)二极管倍频电路 二极管倍频电路如图7-2所示。该电路利用二极管VD来进行频率变换,图中的C1、L1 构成谐振频率为3f的并联谐振电路。 tyw藏书 图7-2 二极管倍频电路 当频率为f的信号通过二极管VD时,二极管会产生各种新频率的信号,有f、2f、3f、 4f等,这些信号送到选频电路。因为选频电路的频率为3f,它对3f信号发生谐振,对3f信 号来说,选频电路相当于一个阻值很大的电阻,故选频电路两端得到很高的3f信号电压, 对其他频率的信号,选频电路阻抗很小,它们经选频电路旁路到地,L1上的3f信号电压感 应到L2上,再输出去后级电路。 (2)三极管倍频电路 三极管倍频电路如图7-3所示。该电路利用三极管进行频率变换,图中的C2、L1构成 谐振频率为2f的并联谐振选频电路。 图7-3 三极管倍频电路 频率为f的信号经C1加到三极管VT的基极,该信号在经VT的发射结时会产生各种新频 率的信号,这些信号再经三极管放大后从集电极输出。因为C2、L1构成的选频电路的频 率为2f,所以它能从VT输出的各种信号中选出2f信号,在L1上有很高的2f信号电压,该电 压感应到L2上再送往后级电路。 7.1.2 混频电路 tyw藏书 混频电路的功能是让两个不同频率的信号通过非线性元器件,得到其他频率的信号。 1.混频原理 理论和实践表明:当两个不同频率的正弦交流信号通过非线性元器件(如二极管、三 极管等)时,会产生并输出各种新频率的信号,主要有直流信号、基波信号、谐波信号、 差频信号、和频信号等。下面以图7-4为例来形象地说明这个原理。 图7-4 两个不同频率信号通过非线性元器件输出的各种分量频谱 当频率分别为 f1、f2的两个交流信号输入非线性元器件后,会输出各种新频率的信 号,其中除了有直流信号、频率为f1和f2的基波信号、频率为2f1和2f2的二次谐波信号和其 他更高次的谐波信号外,还有频率为(f1+f2)的和频信号、(f1−f2)的差频信号及 (2f2−f1)和(2f2+f1)等频率的信号。 如果在非线性元器件后面加上一个选频电路,比如将选频电路的频率设为 (f1−f2),那么选频电路就可以从输出的各种信号中只选出频率为(f1−f2)的差频信 号。 2.混频电路 根据混频电路采用的非线性元器件的不同,混频电路主要可分为二极管混频电路和三 极管混频电路。 (1)二极管混频电路 二极管混频电路如图7-5所示。该电路利用二极管VD来进行频率变换,图中的C1、L1 构成并联谐振电路,其谐振频率为(f1+f2)。 图7-5 二极管混频电路 当f1信号和f2信号经过二极管VD后,二极管会产生各种新频率的信号,有频率为f1和 f2的基波信号、各次谐波信号,还有(f1+f2)的和频信号、(f1−f2)的差频信号等。这些 信号送到选频电路,因为选频电路的频率为(f1+f2),它对(f1+f2)信号发生谐振,选 频电路两端有很高的(f1+f2)信号电压,对其他频率的信号,选频电路阻抗很小,它们 tyw藏书 经选频电路旁路到地,L1上的(f1+f2)和频信号电压被感应到L2上,再输出去后级电 路。 (2)三极管混频电路 三极管混频电路如图7-6所示。该电路利用三极管进行频率变换,图中的C2、L1构成 谐振频率为(f1−f2)的并联谐振选频电路。 图7-6 三极管混频电路 频率为f1的信号经C1加到三极管VT的基极,频率为f2的信号加到三极管VT的发射 极,两信号在经过 VT 的发射结时会产生各种新频率的信号,这些信号再经三极管放大后 从集电极输出。因为C2、L1构成的选频电路的频率为(f1−f2),所以它能从VT输出的各 种信号中选出(f1−f2)差频信号,在L1上有很高的(f1−f2)信号电压,该电压感应到L2 上再送往后级电路。 7.2 反馈控制电路 tyw藏书 反馈控制是电子技术中一种非常重要的技术。反馈控制的基本原理是从电路的输出端 取出一部分信号(取样信号),再对取样信号进行比较分析来判断电路的输出信号是否正 常,若不正常,就会产生控制电压去改变电路的工作状态,使电路输出信号正常。 常用的反馈控制电路主要有3类:自动增益控制电路、自动频率控制电路和锁相环控 制电路。 1.功能 7.2.1 自动增益控制(AGC)电路 tyw藏书 自动增益控制电路简称 AGC 电路,其功能是根据电路输出信号幅度的大小来自动调 节电路的增益。当输出信号幅度大时,将电路的增益调小,使电路输出信号幅度变小;当 输出信号幅度小时,提高电路的增益,使电路输出信号幅度变大。 2.三极管电流Ic与放大能力的关系 AGC 电路一般是通过控制三极管的电流 Ic大小来改变电路的增益。三极管电流 Ic与 放大能力的关系可用图7-7所示曲线表示。 图7-7 三极管电流Ic与放大能力的关系曲线 从图7-7 所示曲线可以看出,当三极管的Ic=I0时(B点),放大倍数β最大;当三极 管的IcI0时(BC段),Ic越大, 放大倍数β越小。 将三极管的电流Ic设在AB段范围内的AGC电路称为反向AGC电路。反向AGC电路是 通过增大电流Ic来提高电路增益,通过减小电流Ic来降低电路增益。反向AGC电路一般将 电流Ic大小设在B1点(较B点小)。调幅收音机一般采用反向AGC电路。 将三极管的电流Ic设在BC段范围内的AGC电路称为正向AGC电路。正向AGC电路是 通过减小电流Ic来提高电路增益,通过增大电流Ic来降低电路增益。正向AGC电路一般将 电流Ic大小设在B2点(较B点大)。电视机一般采用正向AGC电路。 tyw藏书 3.AGC电路分析 图7-8所示是一种AGC电路,R7、VD、C2、R2构成AGC电路,用来控制VT1的增益, VT1的电流Ic设置较小,故电路属于反向AGC电路。 图7-8 一种AGC电路 输入信号Ui经C1送到三极管VT1基极,放大后从VT1集电极输出,再由VT2进一步放 大,然后从VT2集电极输出,VT2输出信号Uo分作两路:一路去后级电路,另一路送给 AGC电路。当输出信号Uo为正半周时,二极管VD不能导通;当Uo为负半周时,VD导通, 电压Uo经R7、VD对C2充电,在C2上充得上负下正的电压,C2上负电压经R2送到VT1的基 极,与VT1原有的基极电压(由电源经R1提供)叠加,VT1基极电压略有降低。 AGC过程:若输入信号Ui幅度很大,该信号经VT1、VT2放大后,从VT2集电极输出 的Uo信号幅度也增大(与正常幅度比较),Uo信号的负半周幅度也增大,Uo信号经R7、 VD对C2充得的上负下正电压很高,即 C2上负电压很低,C2很低的上负电压通过 R2使 VT1基极电压下降很多,VT1的Ib减小,Ic也减小,由于VT1工作在反向AGC状态,电流Ic 减小,VT1放大能力下降,VT1输出信号幅度减小,VT2输出信号Uo也减小,Uo信号回到 正常的幅度。也就是说,当输入信号增大导致输出信号幅度增大时,AGC电路自动减小 放大电路的增益,将输出信号幅度调回到正常值。 当输入信号减小时,输出信号幅度会随之减小,AGC电路自动增大放大电路的增 益,具体过程可自行分析。 1.功能 7.2.2 自动频率控制(AFC)电路 tyw藏书 自动频率控制电路简称AFC电路,其功能是将振荡器产生的信号与基准信号进行频率 比较,若两信号频率不同,则会产生控制电压去控制振荡器,使振荡器产生的信号与基准 信号频率保持相同。 2.工作原理 AFC电路主要由频率比较器、低通滤波器和压控振荡器组成。AFC电路组成如图7-9 所示。 图7-9 AFC电路组成 电路工作原理如下。 压控振荡器产生频率为 f 的信号,该信号一路作为比较信号送到频率比较器,另一路 作为输出信号提供给其他电路。在频率比较器中,振荡器送来的比较信号f与基准电路送 来的基准信号f0进行频率比较,比较结果产生误差信号,误差信号再经低通滤波器滤波平 滑后形成控制电压 U,去控制压控振荡器(电压控制振荡频率的振荡器)的振荡频率。 若振荡器产生的信号频率与基准信号频率相等(f=f0),频率比较器产生误差信号经 低通滤波后形成的控制电压U=0V,即不控制振荡器,振荡器保持振荡频率f=f0。 若振荡器产生的信号频率大于基准信号频率(f>f0),频率比较器产生误差信号经 低通滤波后形成的控制电压U<0V,该电压控制振荡器,使振荡器振荡频率下降,下降到 f=f0。 若振荡器产生的信号频率小于基准信号频率(f<f0),频率比较器产生误差信号经 低通滤波后形成的控制电压U>0V,该电压控制振荡器,使振荡器振荡频率升高,升高到 f=f0。 也就是说,AFC 电路可以将振荡器的频率锁定在 f=f0,让振荡器产生的信号频率与基 准信号频率始终相等。如果振荡器频率发生漂移,电路就会产生控制电压控制振荡器,使 振荡器振荡频率往f=f0靠近,一旦f=f0,电路就不再产生控制电压(U=0V),让振荡器的 振荡频率保持为f=f0。 3.其他形式的AFC电路 图7-9所示是基本形式的AFC电路,AFC电路还有一些其他形式。图7-10所示是另外两 种较常见的AFC电路组成形式。 图7-10(a)所示的AFC电路较图7-9所示电路增加了一个二分频器,这样可让振荡器 产生f=2f0的信号。在工作时,振荡器产生的信号频率为f,该信号经二分频器将频率降低 tyw藏书 一半,变成频率为f/2的信号,它作为比较信号去频率比较器与基准信号f0进行比较,如果 f/2≠f0,即f≠2f0,比较器就会产生控制电压去控制振荡器,使振荡器的振荡频率往 f=2f0靠 近,直至 f=2f0时,比较器产生的控制电压才为0V,振荡器振荡频率就被锁定在f=2f0。如 果分频器分频数为n,那么AFC电路就可以将振荡器的振荡频率锁定在f=nf0。 图7-10 两种常见的AFC电路组成形式 图7-10(b)所示的AFC电路没有基准信号,而是采用一个频率为f0的鉴频器。在工作 时,振荡器产生的信号频率为 f,它送到鉴频器进行鉴频,如果 f≠f0,鉴频器就会产生控 制电压去控制振荡器,使振荡器的振荡频率往 f=f0靠近,直至 f=f0时,鉴频器产生的控制 电压才为 0V,振荡器的振荡频率就被锁定在f=f0。 1.功能 7.2.3 锁相环(PLL)控制电路 tyw藏书 锁相环控制电路简称PLL电路,又称自动相位控制电路(APC电路),其功能是将振 荡器产生的信号与基准信号进行相位比较,若两信号相位差不符合要求,则会产生控制电 压去控制振荡器,使振荡器产生的信号相位超前或滞后,直到两信号相位差符合要求。 2.工作原理 PLL电路主要由相位比较器、低通滤波器和压控振荡器组成。PLL电路组成如图7-11 所示。 图7-11 PLL电路组成 电路工作原理如下。 压控振荡器产生频率为 f 的信号,该信号一路作为比较信号送到相位比较器,另一路 作为输出信号提供给其他电路。在相位比较器中,振荡器送来的比较信号f与基准电路送 来的基准信号f0进行相位比较,比较结果产生误差信号,误差信号再经低通滤波器滤波平 滑后形成控制电压 U,去调节压控振荡器产生的信号相位。 若振荡器产生的信号(比较信号)相位与基准信号相同,如图7-12(a)所示,相位 比较器产生的误差信号经低通滤波后形成的控制电压U=0V,即不控制振荡器,振荡器输 出信号相位不变。 若振荡器产生的信号相位超前基准信号,如图7-12(b)所示,相位比较器产生的误 差信号经低通滤波后形成的控制电压U<0V,该电压控制振荡器,使振荡器输出信号相位 后移,以便与基准信号同相。 若振荡器产生的信号相位滞后基准信号,如图7-12(c)所示,相位比较器产生误差 信号经低通滤波后形成的控制电压U>0V,该电压控制振荡器,使振荡器输出信号相位前 移,以便与基准信号同相。 图7-12 基准信号与比较信号的3种相位比较情况 PLL电路与AFC电路的控制对象都是振荡器,AFC电路以控制振荡器频率为目的,而 tyw藏书 PLL电路以控制振荡器信号相位为目的。实际上PLL电路控制稳定后,比较信号不但相位 与基准信号保持同步,两者频率也相同,所以PLL电路是一种精度更高的控制电路。 AFC电路就像是指挥两支行进队伍的指挥员,它只要求两支队伍行进速度相同,而不 管哪支队伍在前或在后;PLL电路也像是指挥两支行进队伍的指挥员,但它除了要求两支 队伍行进速度相同外,还要求两支队伍人员并排前行(或者始终保持一定的距离前行), 如果一支队伍超前,则要求该队伍减慢行进速度,当两支队伍同步后,如果一直保持同速 行进,就会一直保持同步同速。 tyw藏书 第8章 电源电路 电路工作时需要提供电源,电源是电路工作的动力。电源的种类很多,如干电池、蓄 电池和太阳电池等,但最常见的电源则是220V交流市电。大多数电子设备供电都来自 220V市电,不过这些设备的内部电路真正需要的是直流电压,为了解决这个问题,电子 设备内部通常设有电源电路,其任务是将220V交流电压转换成很低的直流电压,再供给 内部的各个电路。 电源电路通常是由整流电路、滤波电路和稳压电路组成的。电源电路的组成方框图如 图8-1所示。 图8-1 电源电路的组成方框图 220V 的交流电压先经变压器降压,得到较低的交流电压,交流低压再由整流电路转 换成脉动直流电压,该脉动直流电压的波动很大(即电压时大时小,变化幅度很大),它 经滤波电路平滑后波动变小,然后经稳压电路进一步稳压,得到稳定的直流电压,供给其 他电路作为直流电源。 8.1 整流电路 tyw藏书 整流电路的功能是将交流电转换成直流电。整流电路主要有半波整流电路、全波整流 电路、桥式整流电路和倍压整流电路等。 1.电路结构与原理 8.1.1 半波整流电路 tyw藏书 半波整流电路采有一个二极管将交流电转换成直流电,它只能利用到交流电的半个周 期,故称为半波整流。半波整流电路及有关电压波形如图8-2所示。 电路工作原理分析如下。 220V交流电压送到变压器T1初级绕组L1两端,L1两端的交流电压U1的波形如图82(b)所示,该电压感应到次级绕组L2上,在L2上得到图8-2(b)所示的较低的交流电压 U2。当L2上的交流电压U2为正半周时,U2的极性是上正下负,二极管VD导通,有电流流 过二极管和电阻RL,电流方向是:U2上正→VD→RL→U2下负;当L2上的交流电压U2为负 半周时,U2电压的极性是上负下正,二极管截止,无电流流过二极管VD和电阻RL。如此 反复工作,在电阻RL上会得到图8-2(b)所示脉动直流电压UL。 图8-2 半波整流电路及电压波形 从上面的分析可以看出,半波整流电路只能在交流电压半个周期内导通,另半个周期 内不能导通,即半波整流电路只能利用半个周期的交流电压。 2.电路计算 由于交流电压时刻在发生变化,所以整流后输出的直流电压UL也会变化(电压时高 时低),这种大小变化的直流电压称为脉动直流电压。根据理论和实验都可得出,半波整 流电路负载RL两端的平均电压值为 负载RL流过的电流平均值为 例如:图8-2(a)所示电路中的U1=220V,变压器T1的匝数比n=11,负载RL=30Ω, tyw藏书 那么电压U2=(220/11)V=20V,负载RL两端的电压UL=0.45×20V=9V,RL流过的平均电流 IL=(0.45×20/30)A=0.3A。 3.元器件选用 对于整流电路,整流二极管的选择非常重要。在选择整流二极管时,主要考虑最高反 向电压URM和最大整流电流IRM。 在半波整流电路中,整流二极管两端承受的最高反向电压为U2的峰值,即 整流二极管流过的平均电流与负载电流相同,即 例如:图8-2(a)所示半波整流电路中的U2=20V、RL=30Ω,那么整流二极管两端承 受的最高反向电压U= =1.41×20V=28.2V,流过二极管的平均电流 (0.45×20/30)A=0.3A。 在选择整流二极管时,所选择二极管的最高反向电压URM应大于在电路中承受的最高 反向电压,最大整流电流 IRM应大于流过二极管的平均电流。因此,要让图 8-2(a)所示 电路中的二极管正常工作,应选用URM大于28.2V、IRM大于0.3A的整流二极管,若选用的 整流二极管参数小于该值,则其容易反向击穿或烧坏。 4.特点 半波整流电路结构简单,使用元器件少,但整流输出的直流电压波动大,另外由于整 流时只利用了交流电压的半个周期(半波),故效率很低,所以半波整流电路常用在对效 率和电压稳定性要求不高的小功率电子设备中。 1.电路结构与原理 8.1.2 全波整流电路 tyw藏书 全波整流电路采用两个二极管将交流电转换成直流电,由于它可以利用交流电的正、 负半周,所以称为全波整流。全波整流电路及有关电压波形如图 8-3 所示,这种整流电路 采用两只整流二极管,采用的变压器次级绕组L2被对称分作L2A和L2B两部分。 图8-3 全波整流电路及电压波形 电路工作原理分析如下。 220V交流电压U1送到变压器T1的初级绕组L1两端,U1电压波形如图8-3(b)所示。 当交流电压U1正半周送到L1时,L1上的交流电压U1极性为上正下负,该电压感应到L2A、 L2B上,L2A、L2B上的电压极性也是上正下负,L2A的上正下负电压使VD1导通,有电流流 过负载RL,其途径是:L2A上正→VD1→RL→L2A下负,此时L2B的上正下负电压对VD2为 反向电压(L2B下负对应VD2正极),故 VD2不能导通;当交流电压 U1负半周来时,L1上 的交流电压极性为上负下正,L2A、L2B感应到的电压极性也为上负下正,L2B的上负下正 电压使 VD2导通,有电流流过负载 RL,其途径是:L2B下正→VD2→RL→L2B上负,此时 L2A的上负下正电压对VD1为反向电压,VD1不能导通。如此反复工作,在RL上会得到图 8-3(b)所示的脉动直流电压UL。 从上面的分析可以看出,全波整流电路能利用到交流电压的正、负半周,效率大大提 高,达到半波整流电路的两倍。 2.电路计算 全波整流电路能利用到交流电压的正、负半周,故负载RL两端的平均电压值是半波 整流电路的两倍,即 tyw藏书 U2A为变压器次级绕组L2A或L2B两端的电压,UA=U2/2,所以上式也可以写成 负载RL流过的电流平均值为 例如:图 8-3(a)所示电路中的 U1=220V,变压器 T1的匝数比 n=11,负载 RL=30Ω,那么电压U2=(220/11)V=20V,负载RL两端的电压UL=0.45×20V=9V,RL流过 的平均电流IL=(0.45×20/30)A=0.3A。 3.元器件选用 在全波整流电路中,每个整流二极管有半个周期处于截止状态,由于一只二极管截止 时另一个二极管导通,整个L2绕组上的电压通过导通的二极管加到截止的二极管两端,截 止的二极管两端承受的最高反向电压为 由于负载电流是两个整流二极管轮流导通半个周期得到的,故流过二极管的平均电流 为负载电流的一半,即 图8-3(a)所示全波整流电路中的U2=20V、RL=30Ω,那么整流二极管两端承受的最 高反向电压U= =1.41×20V=28.2V,流过二极管的平均电流 (0.225×20/30)A=0.15A。 综上所述,要让图 8-3(a)所示电路中的二极管正常工作,应选用 URM大于 28.2V、 IRM大于0.15A的整流二极管。 4.特点 全波整流电路的输出直流电压脉动小,整流二极管流过的电流小,但由于两个整流二 极管轮流导通,变压器始终只有半个次级绕组工作,变压器利用率低,从而使输出电压 低,输出电流小。 1.电路结构与原理 8.1.3 桥式整流电路 tyw藏书 桥式整流电路采用4个二极管将交流电转换成直流电,由于4个二极管在电路中的连接 与电桥相似,故称为桥式整流电路。桥式整流电路及有关电压波形如图8-4所示,它用到 了4个整流二极管。 电路工作原理分析如下。 220V交流电压U1送到变压器初级绕组L1两端,该电压经降压感应到L2上,在L2上得 到电压U2,电压U1、U2波形如图8-4(b)所示。当交流电压U1为正半周时,L1上的电压 极性是上正下负, L2上感应的电压U2极性也是上正下负,L2上正下负电压U2使VD1、 VD3导通,有电流流过RL,电流途径是:L2上正→VD1→RL→VD3→L2下负;当交流电压 负半周来时,L1上的电压极性是上负下正,L2上感应的电压U2极性也是上负下正,L2上 负下正电压U2使VD2、VD4导通,电流途径是:L2下正→VD2→RL→VD4→L2上负。如此 反复工作,在RL上得到图8-4(b)所示脉动直流电压UL。 图8-4 桥式整流电路及电压波形 从上面的分析可以看出,桥式整流电路在交流电压整个周期内都能导通,即桥式整流 电路能利用整个周期的交流电压。 2.电路计算 由于桥式整流电路能利用到交流电压的正、负半周,故负载RL两端的平均电压值是 半波整流电路的两倍,即 负载RL流过的电流平均值为 tyw藏书 例如:图 8-4(a)所示电路中的 U1=220V,变压器 T1的匝数比 n=11,负载 RL=30Ω,那么电压U2=(220/11)V=20V,负载RL两端的电压UL=0.9×20V=18V,RL流过 的平均电流IL=(0.9×20/30)A=0.6A。 3.元器件选用 在桥式整流电路中,每个整流二极管有半个周期处于截止状态,在截止时,整流二极 管两端承受的最高反向电压为 由于整流二极管只有半个周期导通,故流过整流二极管的平均电流为负载电流的一 半,即 图8-4(a)所示桥式整流电路中的U2=20V、RL=30Ω,那么整流二极管两端承受的最 高反向电压U= =1.41×20V=28.2V,流过二极管的平均电流 =(0.45 20/30)A×=0.3A。 因此,要让图 8-4(a)所示电路中的二极管正常工作,应选用 URM大于 28.2V、IRM 大于 0.3A的整流二极管,若选用的整流二极管参数小于该值,则其容易反向击穿或烧 坏。 4.特点 桥式整流电路输出的直流电压脉动小,由于能利用到交流电压正、负半周,故整流效 率高,正因为有这些优点,故大量电子设备的电源电路采用桥式整流电路。 5.整流桥堆 上述桥式整流电路采用了4个二极管,在电路安装时较为麻烦,为此有些元器件制作 厂将4个二极管制作并封装成一个器件,这种器件称为整流桥堆。整流桥堆实物外形如图 8-5所示。 tyw藏书 图8-5 整流桥堆 整流桥堆有4个引脚,标有“~”的两个引脚为交流电压输入端,标有“+”和“−”的两个 引脚分别为直流电压“+”和“−”输出端。整流桥堆内部结构如图8-6所示。 图8-6 整流桥堆内部结构 8.1.4 倍压整流电路 tyw藏书 倍压整流电路是一种将较低交流电压转换成较高直流电压的整流电路。倍压整流电路 可以成倍提高输出电压,根据提升电压倍数不同,倍压整流电路可分为二倍压整流、三倍 压整流、四倍压整流电路等。 1.二倍压整流电路 二倍压整流电路如图8-7所示。 图8-7 二倍压整流电路 电路工作原理分析如下。 交流电压Ui送到变压器T1初级绕组L1,再感应到次级绕组L2上,L2上的交流信号电压 为U2,电压U2最大值(峰值)为 。当交流电压的负半周来时,L2上的电压极性为上 负下正,该电压经VD1对C1充电,充电途径是:L2下正→VD1→C1→L2上负,在C1上充得 左负右正电压,该电压大小约为 ;当交流电压的正半周来时,L2上电压的极性为上 正下负,该上正下负电压与C1上的左负右正电压叠加(与两节电池叠加相似),再经VD2 对C2充电,充电途径是:C1右正→VD2→C2→L2下负(L2上的电压与 C1上的电压叠加 后,C1右端相当于整个电压的正极,L2下端相当于整个电压的负极),结果在C2上获得 大小约为2 的电压Uo,提供给负载RL。 2.七倍压整流电路 七倍压整流电路如图8-8所示。 tyw藏书 图8-8 七倍压整流电路 七倍压整流电路的工作原理与二倍压整流电路基本相同。当电压 U2极性为上负下正 时,它经VD1对C1充得左正右负电压,大小为 ;当电压U2变为上正下负时,上正下 负的电压U2与C1左正右正的电压叠加,经VD2对C2充得左正右负电压,大小为2 ;当 电压U2又变为上负下正时,上负下正的电压U2、C1上的左正右负电压与C2上的左正右负 电压3个电压进行叠加,由于电压U2、C1上的电压极性相反,相互抵消,故叠加后总电压 为2 ,它经VD3对C3充电,在C3上充得左正右负的电压,电压大小为2 。电路中 C4、C5、C6、C7的充电原理与C3基本类似,它们两端充得的电压大小均为2 。 在电路中,除了C1两端电压为 外,其他电容两端的电压均为2 ,总电压Uo 取自C1、C3、C5、C7的叠加电压。如果在电路中灵活接线,可以获得一倍压、二倍压、 三倍压、四倍压、五倍压和六倍压。 3.倍压整流电路的特点 倍压整流电路可以通过增加整流二极管和电容的方法成倍提高输出电压,但这种整流 电路输出电流比较小。 8.2 滤波电路 tyw藏书 整流电路能将交流电转变为直流电,但由于交流电压大小时刻在变化,故整流后流过 负载的电流大小也时刻变化。例如当变压器的正半周交流电压逐渐上升时,经二极管整流 后流过负载的电流会逐渐增大;而当变压器的正半周交流电压逐渐下降时,经整流后流过 负载的电流会逐渐减小,这样忽大忽小的电流流过负载,负载很难正常工作。为了让流过 负载的电流大小稳定不变或变化尽量小,需要在整流电路后加上滤波电路。 常见滤波电路有电容滤波电路、电感滤波电路、复合滤波电路和电子滤波电路等。 8.2.1 电容滤波电路 tyw藏书 电容滤波电路是利用电容充、放电原理工作的。电容滤波电路及有关电压波形如图 8-9 所示,电容C为滤波电容。220V交流电压经变压器T1降压后,在L2上得到图8-9(b) 所示的电压U2,在没有滤波电容C时,负载RL上得到的电压为URL1,电压URL1随电压U2 波动而波动,变化很大,如t1时刻电压URL1最大,t2时刻电压URL1变为0V,这样时大时 小、时有时无的电压使负载无法正常工作。在整流电路之后增加滤波电容可以解决这个问 题。 图8-9 电容滤波电路及电压波形 电容滤波电路工作原理分析如下。 在0~t1期间,电压U2极性为上正下负且逐渐增大,U2波形如图8-9(b)所示, VD1、VD3导通,电压U2通过VD1、VD3整流输出的电流一方面流过负载RL,另一方面对 电容C充电,在电容C上充得上正下负的电压,t1时刻充得电压最高。 在t1~t2期间,电压U2极性为上正下负但逐渐减小,电容C上的电压高于电压U2, VD1、VD3截止,电容C开始对RL放电,使整流二极管截止时RL仍有电流流过,电容C上 的电压因放电而缓慢下降。 在t2~t3期间,电压U2极性变为上负下正且逐渐增大,但电容C上的电压仍高于电压 U2,VD1、VD3截止,电容C继续对RL放电,C上的电压继续下降。 在t3~t4期间,电压U2极性为上负下正且继续增大,电压U2开始大于电容C上的电 压,VD2、VD4导通,电压U2通过VD2、VD4整流输出的电流又流过负载RL,并对电容C 充电,在电容C上的上正下负的电压又开始升高。 在t4~t5期间,电压U2极性仍为上负下正但逐渐减小,电容C上的电压高于电压U2, VD2、VD4截止,电容C又对RL放电,使RL仍有电流流过,C上的电压因放电缓慢下降。 在t5~t6期间,U2电压极性变为上正下负且逐渐增大,但电容C上的电压仍高于电压 U2,VD2、VD4截止,电容C继续对RL放电,C上的电压则继续下降。 tyw藏书 t6时刻以后,电路会重复0~t6过程,从而在负载RL两端(也是电容C两端)得到图8- 9(b)所示的电压URL2。将图8-9(b)中的电压URL1和URL2波形比较不难发现,增加了 滤波电容后在负载上得到的电压大小波动较无滤波电容时要小得多。 电容使整流电路输出电压波动变小的功能称为滤波。电容滤波的实质是在输入电压高 时通过充电将电能存储起来,而在输入电压较低时通过放电将电能释放出来,从而保证负 载得到波动较小的电压。电容滤波与水缸蓄水相似,如果自来水供应紧张,白天不供水或 供水量很少而晚上供水量很多时,为了保证一整天能正常用水,可以在晚上水多时一边用 水一边用水缸蓄水(相当于给电容充电),而在白天水少或无水时水缸可以供水(相当于 电容放电)。这里的水缸就相当于电容,只不过水缸存储水,而电容存储电能。 电容能使整流输出的电压波动变小,电容的容量越大,其两端的电压波动越小,即电 容容量越大,滤波效果越好。容量大和容量小的电容可相当于大水缸和小茶杯,大水缸蓄 水多,在停水时可以供很长时间的用水;而小茶杯蓄水少,停水时供水时间短,还会造成 用水时有时无。 8.2.2 电感滤波电路 tyw藏书 电感滤波电路是利用电感储能和放能原理工作的。电感滤波电路如图8-10所示,电感 L为滤波电感。220V交流电压经变压器T1降压后,在L2上得到电压U2。 图8-10 电感滤波电路 电感滤波电路工作原理分析如下。 当电压U2极性为上正下负且逐渐增大时,VD1、VD3导通,有电流流过电感L和负载 RL,电流途径是:L2上正→VD1→电感L→RL→VD3→L2下负,电流在流过电感L时,电感 会产生左正右负的自感电动势阻碍电流,同时电感存储能量,由于电感自感电动势的阻 碍,流过负载的电流缓慢增大。 当电压U2极性为上正下负且逐渐减小时,经整流二极管VD1、VD3流过电感L和负载 RL的电流变小,电感L马上产生左负右正的自感电动势开始释放能量,电感L的左负右正 电动势产生电流,电流的途径是:L 右正→RL→VD3→L2→VD1→L 左负,该电流与电压 U2产生的电流一起流过负载RL,使流过RL的电流不会因U2减小而变小。 当电压 U2极性为上负下正时,VD2、VD4导通,电路工作原理与电压 U2极性为上正 下负时基本相同,这里不再叙述。 从上面的分析可知,当输入电压高使整流电流大时,电感产生电动势对电流进行阻 碍,避免流过负载的电流突然增大(让电流缓慢增大);而当输入电压低使整流电流小 时,电感又产生反向电动势,反向电动势产生的电流与减小的整流电流叠加一起流过负 载,避免流过负载的电流因输入电压减小而迅速减小,这样就使得流过负载的电流大小波 动大大减小。 电感滤波的效果与电感的电感量有关,电感量越大,流过负载的电流波动越小,滤波 效果越好。 8.2.3 复合滤波电路 tyw藏书 单独的电容滤波或电感滤波效果往往不理想,因此可将电容、电感和电阻组合起来构 成复合滤波电路,复合滤波电路滤波效果比较好。 1.LC滤波电路 LC滤波电路由电感L和电容C构成,其电路结构如图8-11点画线框内部分所示。 图8-11 LC滤波电路 整流电路输出的脉动直流电压先由电感L滤除大部分波动成分,少量的波动成分再由 电容C进一步滤掉,供给负载的电压波动就很小。 LC滤波电路带负载能力很强,即使负载变化时,输出电压也比较稳定。另外,由于 电容接在电感之后,在刚接通电源时,电感会对突然流过的浪涌电流产生阻碍,从而减小 浪涌电流对整流二极管的冲击。 2.LC-π形滤波电路 LC-π形滤波电路由一个电感和两个电容接成π形构成,其电路结构如图8-12点画线框 内部分所示。 图8-12 LC-π形滤波电路 整流电路输出的脉动直流电压依次经电容C1、电感L和电容C2滤波后,波动成分基本 被滤掉,供给负载的电压波动很小。 LC-π形滤波电路滤波效果要好于LC滤波电路,由于电容C1接在电感之前,在刚接通 电源时,变压器次级绕组通过整流二极管对C1充电的浪涌电流很大,为了缩短浪涌电流 的持续时间,一般要求C1的容量小于C2的容量。 3.RC-π形滤波电路 tyw藏书 RC-π形滤波电路用电阻替代电感,并与电容接成π形构成。RC-π形滤波电路如图8-13 点画线框内部分所示。 图8-13 RC-π形滤波电路 整流电路输出的脉动直流电压经电容C1滤除部分波动成分后,在通过电阻R时,波动 电压在R上会产生一定压降,从而使C2上的波动电压大大减小。R阻值越大,滤波效果越 好。 RC-π形滤波电路成本低、体积小,但电流在经过电阻时有电压降和损耗,会导致输 出电压下降,所以这种滤波电路主要用在负载电流不大的电路中,另外要求R的阻值不能 太大,一般为几十至几百欧,且满足R<UT1),T2、T1极之间马上导通,电流由 T2极流入,从 T1极流出,此时撤 去 G 极电压,T2、T1极之间仍处于导通状态。 也就是说,当UT2>UG>UT1时,双向晶闸管导通,电流由T2极流向T1极,撤去G极 电压后,晶闸管继续处于导通状态。 ② 当T2、T1极之间加反向电压(即UT2<UT1)时,如图9-14(b)所示。 在这种情况下,若 G 极无电压,则 T2、T1极之间不导通;若在 G、T1极之间加反向 电压(即UG<UT1),T2、T1极之间马上导通,电流由T1极流入,从T2极流出,此时撤去 G极电压,T2、T1极之间仍处于导通状态。 也就是说,当UT1>UG>UT2时,双向晶闸管导通,电流由T1极流向T2极,撤去G极 电压后,晶闸管继续处于导通状态。 双向晶闸管导通后,撤去G极电压,会继续处于导通状态。在这种情况下,要使双向 晶闸管由导通进入截止,可采用以下任意一种方法。 ① 让流过主电极T1、T2的电流减小至维持电流以下。 ② 让主电极T1、T2之间电压为0V或改变两极间电压的极性。 9.4.3 双向晶闸管交流调压电路 tyw藏书 双向晶闸管交流调压电路通常由双向触发二极管和双向晶闸管等元器件组成。图9-15 所示是一种由双向触发二极管和双向晶闸管构成的交流调压电路。 图9-15 由双向触发二极管和双向晶闸管构成的交流调压电路 电路工作过程说明如下。 当交流电压U正半周来时,U的极性是上正下负,该电压经负载RL、电位器RP对电容 C充得上正下负的电压。随着充电的进行,当C的上正下负电压达到一定值时,该电压使 双向触发二极管VD导通,电容C的正电压经VD送到VS的G极,VS的G极电压较主电极T1 的电压高,VS被正向触发,两主电极T2、T1之间随之导通,有电流流过负载RL。在交流 电压U过零时,流过晶闸管VS的电流为0A,VT由导通转入截止。 当交流电压U负半周来时,U的极性是上负下正,该电压对电容C反向充电,先将上正 下负的电压中和,然后再充得上负下正的电压。随着充电的进行,当C的上负下正电压达 到一定值时,该电压使双向触发二极管VD导通,上负电压经VD送到VS的G极,VS的G极 电压较主电极T1电压低,VS被反向触发,两主电极T1、T2之间随之导通,有电流流过负 载RL。在交流电压U过零时, VS由导通转入截止。 从上面的分析可知,只有在晶闸管导通期间,交流电压才能加到负载两端,晶闸管导 通时间越短,负载两端得到的交流电压有效值越小,而调节电位器 RP 的值可以改变晶闸 管导通时间,进而改变负载上的电压。例如RP滑动端下移,RP阻值变小,交流电压U经 RP对电容C充电的电流大, C 上的电压很快上升到使双向触发二极管导通的电压值,晶闸 管导通提前,导通时间长,负载上得到的交流电压有效值高。 tyw藏书 第10章 数字电路基础与门电路 10.1 数字电路基础 电子技术分为模拟电子技术和数字电子技术。我国的模拟电子技术发展相对较早且很 成熟,在20世纪80年代和90年代,大量的电子制造企业采用模拟电子技术生产出大量物美 价廉的电子产品,如收音机、录音机、电视机和录像机等,从而极大程度地丰富了人们的 物质和精神生活。 数字电子技术在我国发展较晚,进入21世纪后,数字电子技术开始迅速发展,日常生 活中的数字电子产品也越来越多,如家电消费类的数字电子产品有影碟机、数字电视机、 计算机、移动电话、数码相机、数码摄像机、MP3、MP4和移动电话等。另外,在工业生 产过程的自动控制、无线电遥感测量、智能化仪表、高科技军事武器和航空航天等领域也 都广泛采用了数字电子技术,可以说21世纪将是数字电子技术的天下。 10.1.1 模拟信号与数字信号 tyw藏书 模拟电路处理的是模拟信号,而数字电路处理的是数字信号。下面就以图10-1为例来 说明模拟信号和数字信号的区别。 图10-1 模拟信号和数字信号 模拟信号是一种大小随时间连续变化的信号(例如电流或电压信号),图10-1(a) 所示就是一种模拟信号。从图 10-1(a)可以看出,在 0~t1时间内,信号电压慢慢上升, 在 t1~t2时间内,信号电压又慢慢下降,它们的变化都是连续的。 数字信号是一种突变的信号(例如电压或电流信号),图10-1(b)所示是一种脉冲 信号,是数字信号中的一种。从图10-1(b)可以看出,在0~t1期间,信号电压大小始终 为0.1V,而在t1时刻,电压瞬间由0.1V上升至3V,在t1~t2时间,电压始终为3V,在t2时 刻,电压又瞬间由3V降到0.1V。 由此可以看出,模拟信号电压或电流的大小是随时间连续缓慢变化的,而数字信号的 特点是“保持”(一段时间内维持低电压或高电压)和“突变”(低电压与高电压的转换瞬间 完成)。为了分析方便,在数字电路中常将0~1V范围的电压称为低电平,用“0”表示; 而将3~5V范围的电压称为高电平,用“1”表示。 10.1.2 正逻辑与负逻辑 tyw藏书 数字信号只有“1”和“0”两位数值。在数字电路中,有正逻辑与负逻辑两种体制。 正逻辑体制规定:高电平为1,低电平为0。 负逻辑体制规定:低电平为1,高电平为0。 在两种逻辑中,正逻辑更为常用。图10-2所示的数字信号用正逻辑表示就是010101。 图10-2 正逻辑表示的数字信号 10.1.3 三极管的3种工作状态 tyw藏书 三极管的工作状态有3种:截止、放大和饱和。在模拟电路中,三极管主要工作在放 大状态。图10-3所示为一个含三极管的模拟电路,电源经R1为三极管VT1提供基极偏置电 压,VT1导通,有电流Ib、Ic流过,处于放大状态,当模拟信号送到三极管基极时,信号 能被它放大并从集电极输出。 图10-3 处于放大状态的三极管 在数字电路中,三极管工作在截止与饱和状态,也称为“开关”状态。图10-4(a)所 示为一个含三极管的数字电路,三极管VT1的基极没有提供偏置电压,所以它不能导通, 处于截止状态;如果给 VT1基极加一个图示的数字信号,当数字信号低电平(较低的电 压)到来时,VT1基极电压很低,发射结无法导通,无电流 Ib、Ic流过,三极管仍处于截 止状态;当数字信号高电平来到 VT1基极时,VT1基极电压很高,发射结导通,有很大的 Ib、Ic流过,三极管处于饱和状态。 数字电路中的三极管很像开关,如图10-4(b)所示。开关的通断受输入的数字信号 控制,当数字信号低电平到来时,三极管处于截止状态,相当于开关S断开;当数字信号 高电平到来时,三极管处于饱和状态,相当于开关S闭合。 图10-4 工作在截止与饱和状态的三极管 与模拟电路比较,数字电路有一些明显的优点。在模拟电路中,不允许电路处理信号 产生大的失真,如电视机中的视频信号电压由3V变为5V,屏幕上的白色图像就会变为灰 tyw藏书 色图像。而在数字电路中,即使输入信号产生失真畸变,但只要高电平没有变成低电平, 或低电平没有变成高电平,数字电路处理后就能输出正常不失真的信号。正因为数字电路 对信号处理不容易产生失真,所以它在电子设备中得到了广泛应用。 但是,不管数字电子技术如何发展,它都是和模拟电子技术水乳交融的,你中有我, 我中有你,人们很难找到一种不含模拟电路的数字电子产品。因此在学习电子技术时,对 模拟电路和数字电路要等同对待。 门电路是组成各种复杂数字电路的基本单元。门电路包括基本门电路和复合门电路, 复合门电路由基本门电路组合而成。 10.2 基本门电路 tyw藏书 基本门电路是组成各种数字电路最基本的单元,基本门电路有3种:与门、或门和非 门。 1.电路结构与原理 10.2.1 与门 tyw藏书 与门电路结构如图10-5所示,它是一个由二极管和电阻构成的电路,其中A、B为输 入端,S1、S2为开关,Y为输出端,+5V电压经R1、R2分压,在E点得到+3V的电压。 图10-5 与门电路结构 与门电路工作原理说明如下。 当S1、S2均拨至位置“2”时,A、B端对地电压都为0V,由于E点电压(注:各点电压 均指该点对地电压。以下同)为3V,所以二极管VD1、VD2都导通,E点电压马上下降到 0.7V,Y端输出电压为0.7V。 当 S1拨至位置“2”、S2拨至位置“1”时,A 端电压为 0V,B端电压为 5V,由于E 点电 压为3V,所以二极管VD1马上导通,E点电压下降到0.7V,此时VD2正端电压为0.7V,负 端电压为5V, VD2处于截止状态,Y端输出电压为0.7V。 当S1拨至位置“1”、S2拨至位置“2”时,A端电压为5V,B端电压为0V,VD2导通, VD1截止,E点为0.7V,Y端输出电压为0.7V。 当S1、S2均拨至位置“1”时,A、B端电压都为5V,VD1、VD2均不能导通,E点电压 为3V,Y端输出电压为3V。 为了分析方便,在数字电路中通常将0~1V范围的电压规定为低电平,用“0”表示; 将3~5V范围的电压称为高电平,用“1”表示。根据该规定,可将与门电路工作原理简化 如下: 当A=0、B=0时,Y=0; 当A=0、B=1时,Y=0; 当A=1、B=0时,Y=0; 当A=1、B=1时,Y=1。 由此可见,与门电路的功能是:只有输入端都为高电平时,输出端才会输出高电平; 只要有一个输入端为低电平,输出端就会输出低电平。 2.真值表 tyw藏书 真值表是用来列举电路各种输入值和对应输出值的表格。它能让人们直观地看出电路 输入与输出之间的关系。表10-1为与门电路的真值表。 表10-1 与门电路的真值表 3.逻辑表达式 真值表虽然能直观地描述电路输入和输出之间的关系,但比较麻烦且不便记忆。为此 可采用关系式来表达电路输入与输出之间的逻辑关系,这种关系式称为逻辑表达式。 与门电路的逻辑表达式是 式中的“·”表示“与”,读作“A与B”(或“A乘B”)。 4.图形符号 图10-5所示的与门电路由多个元器件组成,这在画图和分析时很不方便,可以用一个 简单的符号来表示整个与门电路,这个符号称为图形符号。与门电路的图形符号如图10-6 所示,其中旧符号是指早期采用的符号,常用符号是指国外多采用的符号,新标准符号是 指我国最新公布的标准符号。 图10-6 与门电路的图形符号 5.与门芯片 在数字电路系统中,已很少采用分立元器件组成的与门电路,市面上有很多集成化的 与门芯片(又称与门集成电路)。74LS08是一种较常用的与门芯片,其外形和结构如图 10-7所示。从图10-7 (b)可以看出,74LS08内部有4个与门,每个与门有2个输入端、1 个输出端。 tyw藏书 图10-7 与门芯片74LS08 1.电路结构与原理 10.2.2 或门 tyw藏书 或门电路结构如图10-8所示,它由二极管和电阻构成,其中A、B为输入端,Y为输出 端。 或门电路工作原理说明如下。 当S1、S2均拨至位置“2”时,A、B端电压都为0V,二极管VD1、VD2都无法导通,E 点电压为0V,Y端输出电压为0V,即A=0、B=0时,Y=0。 当S1拨至位置“2”、S2拨至位置“1”时,A端电压为0V,B端电压为5V,二极管VD2马 上导通,E点电压为4.3V,此时VD1处于截止状态,Y端输出电压为4.3V,即A=0、B=1 时,Y=1。 当S1拨至位置“1”、S2拨至位置“2”时,A端电压为5V,B端电压为 0V,VD1导通, VD2截止,E 点为 4.3V,Y 端输出电压为4.3V,即A=1、B=0时,Y=1。 当S1、S2均拨至位置“1”时,A、B端电压都为5V,VD1、VD2均导通,E点电压为 4.3V,Y端输出电压为4.3V,即A=1、B=1时,Y=1。 由此可见,或门电路的功能是:只要有一个输入端为高电平,输出端就为高电平;只 有输入端都为低电平时,输出端才输出低电平。 图10-8 或门电路结构 2.真值表 或门电路的真值表见表10-2。 表10-2 或门电路的真值表 3.逻辑表达式 或门电路的逻辑表达式为 式中的“+”表示“或”。 4.图形符号 或门电路的图形符号如图10-9所示。 tyw藏书 图10-9 或门电路的图形符号 5.或门芯片 74LS32是一种较常用的或门芯片,其外形和结构如图10-10所示。从图10-10(b)可 以看出,74LS32内部有4个或门,每个或门有2个输入端、1个输出端。 图10-10 或门芯片74LS32 1.电路结构与原理 10.2.3 非门 tyw藏书 非门电路结构如图10-11所示,它是由三极管和电阻构成的电路,其中A为输入端,Y 为输出端。 图10-11 非门电路结构 非门电路工作原理说明如下。 当S1拨至位置“2”,A端电压为0V时,三极管VT1截止,E点电压为5V,Y端输出电压 为5V,即A=0时,Y=1。 当S1拨至位置“1”,A端电压为5V时,三极管VT1饱和导通,E点电压低于0.7V(0.1~ 0.3V),Y端输出电压也低于0.7V,即A=1时, Y=0。 由此可见,非门电路的功能是:输入与输出状态总是相反的。 2.真值表 非门电路的真值表见表10-3。 表10-3 非门电路的真值表 3.逻辑表达式 非门电路的逻辑表达式为 式中的“¯”表示“非”(或相反)。 4.图形符号 非门电路的图形符号如图10-12所示。 tyw藏书 图10-12 非门电路的图形符号 5.非门芯片 74LS04是一种常用的非门芯片(又称反相器),其外形和结构如图10-13所示。从图 10-13(b)可以看出,74LS04内部有6个非门,每个非门有1个输入端、1个输出端。 图10-13 非门芯片74LS04 10.3 门电路实验板的电路原理与t实yw验藏书 门电路实验板是一块包含有与门、或门、非门和输入及输出指示电路的实验板,利用 它不但可以验证与门、或门和非门的逻辑功能,还可以用实验板上的基本门芯片组合成更 复杂的电路,并验证它们的功能。 10.3.1 电路原理 tyw藏书 图10-14所示是门电路实验板的电路原理图。74LS08为与门芯片,74LS32为或门芯 片、74LS04为非门芯片;SIP1~SIP3分别为这些门电路的输入/输出端接插件,SIP_H 为高 电平接插件,用来为门电路提供高电平“1”,SIP_L 为低电平接插件,用来为门电路提供 低电平“0”;VD1~VD3为发光二极管,与R2、R3、R4构成3组指示电路,在实验时用来指 示门电路的输出端状态,高电平来时发光二极管亮,低电平来时发光二极管灭;C1、C2 为电源滤波电容,确保提供给电路的电压波动小。 tyw藏书 图10-14 门电路实验板电路原理图 10.3.2 基本门实验 tyw藏书 利用门电路实验板可以验证与门、或门和非门的输入/输出关系。 1.与门实验 实验板中的74LS08是一块二输入与门芯片,内含4组相同的与门,其内部结构参见图 10-7,可以使用任意一组与门做验证实验。 在实验时,先用两根导线将74LS08的A1、B1端(第1组与门输入端)分别与SIP_H接 插件连接,再用一根导线将Y1端(第1组与门输出端)和接插件SIP4的第1组指示电路(由 R2、VD1构成)连接好,然后给实验板接通5V电源,发现指示灯VD1______(亮或不 亮)。 上述实验表明:当与门输入端A1=1、B1=1时,输出端Y1=______。用相同的方法可 以验证与门的其他3种输入/输出关系。 2.或门实验 实验板中的74LS32是一块二输入或门芯片,内含4组相同的或门,其内部结构参见图 10-10,可以使用任意一组或门做验证实验。 在实验时,先用导线将74LS32的A1端与SIP_H接插件连接,然后用导线将74LS32的 B1端与SIP_L接插件连接,再用一根导线将74LS32的Y1端与插件SIP4的第1组指示电路 (由R2、VD1构成)连接好,然后给实验板接通5V电源,发现指示灯VD1______(亮或不 亮)。 上述实验表明:当或门输入端A1=1、B1=0时,输出端Y1=______。用相同的方法可 以验证或门的其他3种输入/输出关系。 3.非门实验 实验板中的74LS04是一块非门芯片,内含6组相同的非门,其内部结构参见图10-13, 可以使用任意一组非门做验证实验。 在实验时,用导线将74LS04的A1端与SIP_L接插件连接,再用一根导线将Y1端与插件 SIP4的第1组指示电路(由R2、VD1构成)连接好,然后给实验板接通5V电源,发现指示 灯VD1______ (亮或不亮)。 上述实验表明:当非门输入端A1=0时,输出端Y1=______。用相同的方法可以验证非 门A1=0时的输出情况。 10.4 复合门电路 tyw藏书 复合门电路又称组合门电路,由基本门电路组合而成。常见的复合门电路有:与非 门、或非门、与或非门、异或门和同或门等。 1.结构与原理 10.4.1 与非门 tyw藏书 与非门是由与门和非门组成的,其逻辑结构及图形符号如图10-15所示。 图10-15 与非门 与非门工作原理说明如下。 当A端输入“0”、B端输入“1”时,与门的C端会输出“0”,C端的“0”送到非门的输入 端,非门的Y端(输出端)会输出“1”。 A、B端其他3种输入情况读者可以按上述方法分析,这里不再叙述。 2.逻辑表达式 与非门的逻辑表达式为 3.真值表 与非门的真值表见表10-4。 表10-4 与非门的真值表 4.逻辑功能 与非门的逻辑功能是:只有输入端全为“1”时,输出端才为“0”;只要有一个输入端 为“0”,输出端就为“1”。 5.常用与非门芯片 74LS00是一种常用的与非门芯片,其外形和结构如图10-16所示。从图10-16(b)可 以看出, 74LS00内部有4个与非门,每个与非门有2个输入端、1个输出端。 tyw藏书 图10-16 与非门芯片74LS00 1.结构与原理 10.4.2 或非门 tyw藏书 或非门是由或门和非门组合而成的,其逻辑结构和图形符号如图10-17所示。 图10-17 或非门 或非门工作原理说明如下。 当A端输入“0”、B端输入“1”时,或门的C端会输出“1”,C端的“1”送到非门的输入 端,结果非门的Y端(输出端)会输出“0”。 A、B端其他3种输入情况读者可以按上述方法进行分析。 2.逻辑表达式 或非门的逻辑表达式为 根据逻辑表达式很容易求出与输入值对应的输出值,例如,当A=0、B=1时,Y=0。 3.真值表 或非门的真值表见表10-5。 表10-5 或非门的真值表 4.逻辑功能 或非门的逻辑功能是:只有输入端全为“0”时,输出端才为“1”;只要输入端有一个 为“1”,输出端就为“0”。 5.常用或非门芯片 74LS27是一种常用的或非门芯片,其外形和结构如图10-18所示。从图10-18(b)可 以看出, 74LS27内部有3个或非门,每个或非门有3个输入端、1个输出端。 tyw藏书 图10-18 或非门芯片74LS27 1.结构与原理 10.4.3 与或非门 tyw藏书 与或非门是由与门、或门和非门组成的,其逻辑结构和图形符号如图10-19所示。 图10-19 与或非门 与或非门工作原理说明如下。 当A=0,B=0,C=1,D=0时,与门1输出端E=0,与门2的输出端F=0,或门3输出端 G=0,非门输出端Y=1。 当A=0,B=0,C=1,D=1时,与门1输出端E=0,与门2的输出端F=1,或门3输出端 G=1,非门输出端Y=0。 A、B、C、D端其他输入情况读者可以按上述方法分析。 2.逻辑表达式 与或非门的逻辑表达式为 3.真值表 与或非门的真值表见表10-6。 表10-6 与或非门的真值表 tyw藏书 4.逻辑功能 与或非门的逻辑功能是:只要A、B端或C、D端中有一组全为“1”,输出端就为“0”, 否则输出端为“1”。 5.常用与或非门芯片 74LS54是一种常用的与或非门芯片,其外形和结构如图10-20所示。从图10-20(b) 可以看出, 74LS54内部有1个与或非门,它由4个三输入与门和1个四输入或非门组成。 tyw藏书 图10-20 与或非门芯片74LS54 1.结构与原理 10.4.4 异或门 tyw藏书 异或门是由两个与门、两个非门和一个或门组成的,其逻辑结构和图形符号如图10- 21所示。 图10-21 异或门 异或门工作原理说明如下。 当A=0,B=0时,非门1输出端C=1,非门2的输出端D=1,与门3输出端E=0,与门4输 出端F=0,或门5输出端Y=0。 当A=0,B=1时,非门1输出端C=0,非门2的输出端D=1,与门3输出端E=0,与门4输 出端F=1,或门5输出端Y=1。 A、B端其他输入情况读者可以按上述方法分析。 2.逻辑表达式 异或门的逻辑表达式为 3.真值表 异或门的真值表见表10-7。 表10-7 异或门的真值表 4.逻辑功能 异或门的逻辑功能是:当两个输入端一个为“0”、另一个为“1”时,输出端为“1”;当 两个输入端同时为“1”或同时为“0”时,输出端为“0”。该特点简述为:异出“1”,同出“0”。 5.常用异或门芯片 74LS86是一个4组二输入异或门芯片,其外形和结构如图10-22所示。从图10-22(b) 可以看出,74LS86内部有4组异或门,每组异或门有2个输入端和1个输出端。 tyw藏书 图10-22 异或门芯片74LS86 1.结构与原理 10.4.5 同或门 tyw藏书 同或门又称异或非门,它是在异或门的输出端加上一个非门构成的。同或门的逻辑结 构和图形符号如图10-23所示。 图10-23 同或门 同或门工作原理说明如下。 当A=0,B=0时,非门1输出端C=1,非门2输出端D=1,与门3输出端E=0,与门4输出 端F=0,或门5输出端G=0,非门6输出端Y=1。 当A=0,B=1时,非门1输出端C=0,非门2输出端D=1,与门3输出端E=0,与门4输出 端F=1,或门5输出端G=1,非门6输出端Y=0。 A、B端其他输入情况读者可以按上述方法分析。 2.逻辑表达式 同或门的逻辑表达式为 3.真值表 同或门的真值表见表10-8。 表10-8 同或门的真值表 4.逻辑功能 同或门的逻辑功能是:当两个输入端一个为“0”、另一个为“1”时,输出端为“0”;当 两个输入端都为“1”或都为“0”时,输出端为“1”。该特点简述为:异出“0”,同出“1”。 5.常用同或门芯片 74LS266是一个4组二输入同或门芯片,其外形和结构如图10-24所示。从图10- tyw藏书 24(b)可以看出,74LS266内部有4组同或门,每组同或门有2个输入端和1个输出端。 图10-24 同或门芯片74LS266 10.5 集成门电路 tyw藏书 分立件构成的门电路已非常少见,现在的门电路大多数已集成化。集成化的门电路称 为集成门电路,集成门电路内部电路的结构与分立件门电路有所不同,但它们的输入/输 出逻辑关系是相同的。根据芯片内部采用的主要元器件不同,集成门电路主要分为TTL集 成门电路和CMOS集成门电路。不论是TTL集成门电路还是CMOS集成门电路,它们的逻 辑关系都是相同的。 TTL集成门电路简称TTL门电路,其芯片内部主要采用双极型三极管来构成门电路, 74LS系列和74系列芯片属于TTL门电路。TTL门电路是电流控制型器件,其功耗较大,但 工作速度快、传输延迟时间短(5~10ns)。 CMOS集成门电路简称CMOS门电路,其芯片内部主要采用MOS管来构成门电路, 74HC、74HCT和4000系列芯片属于CMOS门电路。CMOS门电路是电压控制型器件,其工 作速度较TTL门电路慢,但功耗小、抗干扰性强、驱动负载能力强。 1.多发射三极管 10.5.1 TTL集成门电路 tyw藏书 在TTL集成门电路中常用到多发射极三极管,它具有两个以上的发射极,图10-25所 示是一个具有3个发射极的三极管的图形符号和等效图,该三极管内部有3个发射结和1个 集电结。 图10-25 多发射极三极管 下面以图10-26所示电路为例来说明多发射极三极管的工作原理,其中图10-26(b) 所示电路为图10-26(a)所示电路的等效图。 图10-26 多发射极三极管工作原理说明图 当多发射极三极管VT1的发射极A、B、C分别输入0V、5V、0V电压时,F、A和F、C 之间的两个发射结导通,F点电压下降为0.7V,F、B之间的发射结反偏截止(B端电压为 5V)。因为F点电压为0.7V,该电压不能使VT1的集电结和VT2的发射结同时导通(两者同 时导通需要1.4V电压),所以VT2处于截止状态,VT2集电极电压为5V。 当VT1的发射极A、B、C同时输入5V电压时,F、A,F、B和F、C之间的3个发射结都 不能导通,F点电压为5V,该电压使VT1的集电结和VT2的发射结同时导通(这时F点电压 会从5V降至1.4V),VT2饱和导通,VT2集电极电压为0.3V。 2.TTL与非门电路 TTL集成门电路与分立件门电路一样,有与门、或门、非门、与非门、或非门、异或 门和同或门等多种类型。这些门电路的分析方法基本相同,下面以 TTL 与非门电路为例 来说明 TTL 集成门电路的工作原理。TTL与非门电路如图10-27所示。 tyw藏书 图10-27 TTL与非门电路 当 A、B、C 3 个输入端都加 5V 电压时,即 A=1、B=1、C=1 时,多发射极三极管 VT13 个发射结都处于截止状态,VT1的基极电压很高,VT1集电结导通,基极电压经集电 结加到VT2的基极, VT2饱和导通,VT2的集电极电压下降,发射极电压上升。因为VT2 的集电极电压下降至很低,VT3基极电压也很低,VT3不能导通,处于截止状态,发射极 无电压,VT4基极无电压,VT4截止。因VT2发射极电压上升,该电压加到VT5的基极, VT5饱和导通,集电极电压很低(0.1~0.3V),为低电平。即当A=1、B=1、C=1时,电路 输出端Y=0。 当 A、B、C 3 个输入端分别加0V、5V、5V电压时,即 A=0、B=1、C=1时,VT1与A 端相接的发射结导通,VT1基极电压降为0.7V,所以VT1另外两个发射结都处于截止状 态。VT1的基极电压为0.7V,它不足以使VT1集电结和VT2的发射结同时导通,VT2无法导 通,它的发射极电压很低(为0V),而集电极电压很高。VT2很低的发射极电压送到VT5 的基极,VT5无法导通而处于截止状态。VT2很高的集电极电压送到 VT3的基极,VT3导 通,VT3发射极电压很高,该电压送到 VT4的基极,VT4饱和导通,+5V电源电压经R5、 VT4送到输出端,在输出端得到一个较高的电压。即当A=0、B=1、C=1时,电路输出端 Y=1。 A、B、C的其他几种输入情况读者可自行分析。从上面的分析可知,该电路的输入与 输出之间有“与非”的关系。 3.TTL集电极开路门(OC门) (1)结构与原理 TTL集电极开路门又称OC门,图10-28(a)所示是一个典型OC门的电路结构,从图 中可以看出,OC门输出端内部的三极管集电极是悬空的,没有接负载。图10-28中的OC 门输入与输出有“与非”关系。 tyw藏书 图10-28 OC门 (2)常用OC门芯片 74LS01是一种常用的OC门芯片,其外形和结构如图10-29所示。从图10-29(b)可以 看出, 74LS01内部有4个OC与非门,每个与非门有2个输入端、1个输出端。 图10-29 OC门芯片74LS01 (3)外接负载形式 OC门输出端内部的三极管集电极没有接负载,在实际使用时,OC门可根据需要在输 出端外接各种负载。图10-30所示为OC门3种常见外接负载方式。在图10-30(a)所示电路 中,输出端外接电阻 R,该电阻常称为上拉电阻;在图 10-30(b)所示电路中,输出端外 接发光二极管,当 OC门输出端的内部三极管导通(相当于输出低电平)时,发光二极管 有电流流过而发光;在图10-30(c)所示电路中,输出端外接继电器线圈,当 OC 门输出 端的内部三极管导通时,有电流流过线圈,线圈产生磁场吸合开关(开关未画出)。 tyw藏书 图10-30 OC门3种外接负载方式 (4)线与电路 几个 OC 门并联时还可以构成线与电路。OC 门构成的线与电路如图 10-31 所示,该 电路是将几个OC门的输出端连接起来,再接一个公共的负载R。下面来分析该电路是否 有“与”的关系。 图10-31 OC门线与电路 如果Y1输出为“1”、Y2输出为“0”,则OC门1内部输出端的三极管VT4处于截止状态, 如图10-31(b)所示,OC门2内部输出端的三极管VT8处于饱和状态,E点电压很低,故输 出端Y=0。 如果 Y1输出为“1”、Y2输出为“1”,则 OC 门 1 和 OC 门 2 内部输出端的三极管都处 于截止状态,E点电压很高,故输出端Y=1。 其他几种情况读者可自行分析。 由上述分析可知,当将几个OC门的输出端连接起来,再接一个公共负载时,输出端 确实有“与”的关系,这个“与”关系不是靠与门来实现的,而是由导线连接来实现的,故称 为“线与”。 4.三态输出门(TS门) tyw藏书 三态输出门简称为三态门,或称 TS 门,这种门电路输出不仅会出现高电平和低电 平,还可以出现第3种状态——高阻态(又称禁止态或悬浮态)。 (1)结构与原理 图10-32(a)所示是一个典型三态门的电路结构,从图中可以看出,它是在TTL与非 门电路上进行了改进,它的一个输入端在内部通过二极管VD与三极管VT2集电极相连, 该端不再当作输入端,而称为控制端(又称使能端),常用“EN”表示。 图10-32 三态门 三态门工作原理说明如下。 当EN=0(0V)时,VT1与EN端相连的发射结和二极管VD都处于导通状态。VT1一个 发射结导通,其基极电压为0.7V,该电压无法使VT1的集电结和VT2的发射结导通,VT2处 于截止状态, VT2的发射极电压为0V,VT5基极无电压而处于截止状态。二极管VD处于 导通状态,VT2的集电极电压下降,为 0.7V,该电压无法使 VT3、VT4的两个发射结同时 导通,所以 VT3、VT4同时处于截止状态。因为VT4和VT5同时处于截止状态,Y输出端既 不与地接通,又不与电源相通,这种状态称为高阻状态(又称悬浮状态或禁止状态)。 在EN=0(0V)情况下,无论A、B端输入“1”还是“0”,VT1与EN端相连的发射结和二 极管VD都处于导通状态,VT1基极和VT2的集电极电压都为0.7V,最终VT4、VT5都处于 截止状态。 当EN=1(5V)时,与EN端相连的VT1的发射结和二极管VD都处于截止状态,相当于 与EN端相连的VT1发射结和二极管VD处于开路,可认为两者不存在,这样该电路可看成 是只有两个输入端的普通与非门电路,输入端A、B与输出端Y有“与非”关系。 (2)真值表 图10-32所示三态门的真值表见表10-9。 表10-9 三态门的真值表 tyw藏书 (3)逻辑功能 图10-32所示三态门的逻辑功能是:当控制端EN=0时,电路处于高阻状态,无论输入 端输入什么,输出端都无输出;当控制端EN=1时,电路正常工作,相当于与非门电路, 输出与输入有“与非”关系。 (4)常用三态门芯片 74LS126是一种常用的高电平有效型三态门芯片,其外形和结构如图10-33所示。从图 10-33(b)可以看出,74LS126内部有4个三态门,每个三态门有1个输入端A、1个输出端 Y和1个控制端C,当C=1时,Y=A;当C=0时,为高阻态。 tyw藏书 图10-33 三态门芯片74LS126 (5)应用 三态门广泛用在数字电子产品中,特别是计算机中,它主要用于总线传递,可以进行 单向数据传递,也可以进行双向数据传递。 ① 三态门构成的单向总线传递电路。三态门构成的单向总线传递电路如图1034(a)所示,它由3个三态门构成。 图10-34 三态门构成的数据传递电路 在任何时刻,3个三态门中只允许其中一个三态门的控制端为“1”,让该三态门处于工 作状态,而其他的三态门控制端一定要为“0”,让它们处于高阻状态,这样控制端为“1”的 三态门电路才能正常工作。如果有两个或两个以上三态门的控制端同时为“1”,则这些三 态门会同时工作,同时有数据送向总线,那么总线传递信息就会出错,这是不允许的。 数据单向传递过程:假设3个三态门的输入端分别是A=0、B=0、C=1、D=1、E=0、 F=1,各个三态门EN端均为0。首先让EN1=1,三态门G1工作,输出端Y1=1(因输入端 A=0、B=0),“1”送往总线去其他的电路;然后让EN2=1(此时EN1变为0),三态门G2 工作,输出端Y2=0,“0”送往总线去其他的电路;再让EN3=1,三态门G3工作,输出端 tyw藏书 Y3=1,“1”送往总线去其他的电路。 由此可见,当让几个三态门的控制端依次为“1”时,这几个三态门输出的数据就会依 次送往总线。 ② 三态门构成的双向总线传递电路。三态门构成的双向总线传递电路如图1034(b)所示,它由两个三态门构成。这两个三态门控制端的控制方式不同,三态门 G1的 控制端为“1”时处于工作状态,而三态门G2的控制端为“0”时才处于工作状态(三态门G2 的EN端的小圆圈表示当该端电平为“0”时工作,为“1”时处于高阻状态)。 数据双向传递过程:假设三态门G1输入端A=1,当控制端EN为“1”时,三态门G1处于 工作状态,三态门G2处于高阻状态,于是三态门G1输出数据“0”,并送到总线;当控制端 EN为“0”时,三态门G1处于高阻状态,三态门G2处于工作状态,总线上的数据“0”送到三 态门G2的输入端,三态门G2输出数据“1”,并送到G1的输入端。 由此可见,通过改变三态门的控制端电平,就能改变数据传递方向,实现数据的双向 传递。 5.TTL器件使用注意事项 TTL器件在使用时要注意以下事项。 ① 电源电压。电源电压VCC允许范围为0~+5V(1±10%),超过该范围可能会损坏 TTL器件,或使器件逻辑功能混乱。 ② 电源滤波。为了减小TTL器件工作时引起的电源电压波动,使TTL器件工作稳定, 可在电源两端并联一个100μF的滤波电容(低频滤波)和一个0.01~0.1μF的滤波电容(高 频滤波)。 ③ 输入端的连接。输入端高电平有两种获得方式:一是输入端通过串接一个1~10kΩ 的电阻与电源连接,二是输入端直接与电源连接。输入端直接接地获得低电平。 或门、或非门等输入端为“或”逻辑的TTL器件多余的输入端不能悬空,要接地。与 门、与非门等输入端为“与”逻辑的 TTL 器件多余的输入端可以悬空(相当于接高电 平),但这样易受外界干扰,为了提高器件的可靠性,通常将多余的输入端直接接电源或 与其他输入端并联,如果与其他输入端并联,输入端从输入信号处获得的电流将会增加。 ④ 输出端的连接。输出端禁止直接接电源或接地,对于容性负载(100pF 以上), 应串接几百欧的限流电阻,否则器件易损坏。除 OC门和三态门外,其他门电路的输出端 禁止并联使用,否则会损坏器件或引起逻辑功能混乱。 10.5.2 CMOS集成门电路 tyw藏书 CMOS集成门电路简称CMOS门电路,它由PMOS场效应管和NMOS场效应管以互补对 称的形式组成。 1.MOS场效应管 (1)图形符号 MOS场效应管是一种电压控制型器件,简称为MOS管,它是由金属(M)、氧化物 (O)和半导体(S)构成的。MOS管像三极管一样,既可用作放大,也可当作电子开关 使用。MOS管可分为耗尽型MOS管和增强型MOS管,每种类型又分为P沟道和N沟道, MOS管的图形符号如图10-35所示,其中采用增强型MOS管构成的门电路更为常见。 图10-35 MOS管的图形符号 (2)增强型MOS管的结构 增强型MOS管有P沟道和N沟道两种,其结构原理基本相似,下面以N沟道增强型 MOS管(简称增强型NMOS管)为例进行说明。增强型NMOS管的结构如图10-36所示。 tyw藏书 图10-36 增强型NMOS管的结构 增强型NMOS管是以P型硅片作为基片(又称衬底),在基片上制作两个含很多杂质 的N型材料,再在上面制作一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层,在两个N型材料上引出 两个铝电极,分别称为漏极(D极)和源极(S极),在两极中间的SiO2绝缘层上制作一 层铝制导电层,从该导电层上引出电极(称为G极)。一般情况下,P型衬底常与S极内部 连接在一起。 (3)增强型MOS管的工作原理 增强型MOS管需要加合适的电压才能工作。下面以图10-37为例来说明增强型NMOS 管的工作原理,其中图10-37(a)为结构图形式,图10-37(b)为电路图形式。 tyw藏书 图10-37 增强型NMOS管工作原理说明图 电源E1通过R1加到NMOS管D、S极,电源E2通过开关S加到NMOS管的G、S极。在开 关S断开时,NMOS管的G极无电压,D、S极所接的两个N区之间没有导电沟道,所以两个 N区之间不能导通,电流ID为0A;如果将开关S闭合,NMOS管的G极获得正电压,与G极 连接的铝电极有正电荷,它产生的电场穿过SiO2层,将P衬底很多的电子吸引靠近SiO2 层,从而在两个N区之间出现导电沟道,由于此时D、S极之间加上正向电压,就有电流ID 从D极流入,再经导电沟道从S极流出。 如果改变E2电压的大小,也即是改变G、S极之间的电压UGS,与G极相连的铝层产生 的电场大小就会变化,SiO2下面的电子数量就会变化,两个N区之间的沟道宽度就会变 化,流过的电流ID大小就会变化。电压UGS越高,沟道就会越宽,电流ID就会越大。 增强型MOS管具有的特点是:在G、S极之间未加电压(即UGS=0V)时,D、S极之间 没有沟道,ID=0A;当G、S极之间加上合适的电压(大于开启电压UT)时,D、S极之间 有沟道形成,电压UGS变化时,沟道宽窄会发生变化,电流ID也会变化。 对于增强型NMOS管,G、S极之间的电压UGS>0V(即UG>US)且UGS>UT时,D、S极 之间才会形成沟道而导通。为分析方便,可认为当NMOS管G极为高电平时导通,为低电 平时截止。 对于增强型PMOS管,G、S极之间的电压UGS<0V且UGSB;当数值比较器的Y2=1时,表明输入值A>tw,通常τ≥3tw时就可认为满足该条件。 3.RC微分电路 RC微分电路能将矩形脉冲转变成宽度很窄的尖峰脉冲信号。RC微分电路如图147(a)所示,给微分电路输入图14-7(b)所示的矩形脉冲Ui时,它会输出尖峰脉冲信号 Uo。 tyw藏书 图14-7 RC微分电路 电路工作过程说明如下。 在 0~t1期间,矩形脉冲为低电平,输入电压 Ui=0V,无电流流过电容和电阻,故电 阻 R 两端电压Uo=0V。 在t1~t2期间,矩形脉冲为高电平,输入电压Ui的极性是上正下负,在t1时刻,由于电 容C还没被充电,故电容两端的电压 UC=0V,而电阻 R 两端的 Uo= Vm,t1时刻后 Ui开始 对电容充电,由于该电路的时间常数很小,因此电容充电速度很快,电压 UC(左正右 负)很快上升到 Vm,该电压保持为Vm到t2时刻,而电阻R两端的电压Uo很快下降到0V。 即在t1~t2期间,R两端得到一个正的尖峰脉冲电压Uo。 在t2~t3期间,矩形脉冲又为低电平,输入电压Ui=0V,输入端电路相当于短路,电容 C左端通过输入电路接地,电容C相当于与电阻R并联,电容C上的左正右负电压Vm加到电 阻R两端, R两端得到一个上负下正的电压−Vm,Uo=−Vm。然后电容C开始通过输入端电 路和R放电,随着放电的进行,由于 RC 电路时间常数小,电容放电很快,它两端的电压 下降很快,R 两端的负电压也快速减小,当电容放电完毕,流过R的电流为0A,R两端电 压Uo上升到0V,Uo=0V一直维持到t3时刻。即在t2~t3期间,R两端得到一个负的尖峰脉冲 电压Uo。 t3时刻以后,电路重复上述过程,从而在输出端得到图14-7(b)所示的正负尖峰脉 冲信号。 微分电路正常工作应满足:电路的时间常数τ应远小于输入矩形脉冲的脉冲宽度tw, 即τ<U−,比 基本RS触发器是由两个与非门G1、G2构成的,其功能说明如下。 当 =0、 =1时,触发器置“0”,即Q=0, =1; 当 =1、 =0时,触发器置“1”,即Q=1, =0; 当 =1、 =1时,触发器“保持”原状态; 当 =0、 =0时,触发器状态不定,这种情况禁止出现。 Q=0, 端(④脚)为定时器复位端,当 =0时,它送到基本RS触发t器y,w对藏触发书器置“0”,即 =1; =0和触发器输出的Q=0送到与非门G3,与非门G3输出为“1”,再经非门G4后变 为“0”,从定时器的OUT端(③脚)输出“0”。即当 =0时,定时器被复位,输出为“0”, 在正常工作时,应让 =1。 3.放电管和缓冲器 三极管VT为放电管,它的状态受与非门G3输出电平控制,当G3输出为高电平时,VT 的基极为高电平而导通,⑦、①脚之间相当于短路;当G3输出为低电平时,VT截止, ⑦、①脚之间相当于开路。非门G4为缓冲器,其作用主要是提高定时器带负载能力,保 证定时器OUT端能输出足够的电流,还能隔离负载对定时器的影响。 555定时器的功能见表14-2,表中标“×”表示不论为何种情况,都不影响结果。 表14-2 555定时器的功能表 从表中可以看出555定时器在各种情况下的状态,如在 =1时,如果高触发端 、低触发端 处于导通状态。 ,则定时器OUT端会输出低电平“0”,此时内部的放电管 14.4.2 应用 tyw藏书 555集成电路可以构成很多种类的应用电路,下面主要介绍几种典型的555应用电路。 1.由555集成电路构成的单稳态触发器 由555集成电路构成的单稳态触发器如图14-27所示。 电路工作原理说明如下。 接通电源后,电源VCC经电阻R对电容C充电,C两端的电压UC上升,当UC上升到超 过 时,高触发端(⑥脚) 、低触发端(②脚) (无触发信号Ui 输入时,②脚为高电平),比较器C1输出 =0,比较器C2输出 =1,RS触发器被置“0”, Q=0,G3输出为“1”,G4输出为“0”,即定时器OUT端(③脚)输出低电平“0”,与此同时 G3输出的“1”使放电管VT导通,电容C通过⑦、①脚放电,使 ,比较器C1输出 =1,由于此时 =1,RS触发器状态保持不变,定时器状态保持不变,输出Uo仍为低电 平。 tyw藏书 图14-27 由555集成电路构成的单稳态触发器 当低电平触发信号Ui来到时,TR端的电压低于 ,比较器C2输出使 =0,触发器被 置“1”,Q=1,G3输出为“0”,G4输出为“1”,定时器OUT端输出高电平“1”,与此同时G3输 出的“0”使放电管VT截止,电源又通过R对C充电,C上的电压UC上升,在电容C充电期 间,输出Uo保持为高电平,此为暂稳态。 当充电使UC上升到大于 时,即 ,比较器C1输出使 =0,由于此时Ui已 恢复为高电平, =1,触发器被置“0”,Q=0,G3输出为“1”,G4输出为“0”,定时器OUT端 输出由“1”变为“0”,同时G3输出的“1”使放电管导通,电容C通过⑦、①脚内部的放电管放 tyw藏书 电。在此期间,定时器保持输出Uo为低电平。 从上面的分析可知,电路保持一种状态(“0”态)不变,当触发信号来时,电路马上 转变成另一种状态(“1”态),但这种状态不稳定,一段时间后,电路又自动返回到原状 态(“0”态),这就是单稳态触发器。此单稳态触发器的输出脉冲宽度tw与RC元件有关, 输出脉冲宽度tw为 R通常取几百欧至几兆欧,C一般取几百皮法至几百微法。 2.由555集成电路构成的多谐振荡器 由555集成电路构成的多谐振荡器如图14-28所示。 图14-28 由555集成电路构成的多谐振荡器 电路工作原理说明如下。 tyw藏书 接通电源后,电源VCC经R1、R2对电容C充电,C两端电压UC上升,当UC上升到超过 时,比较器C1输出为低电平,内部RS触发器被复位清0,输出端Uo由高电平变为低电 平,如图14-28(b)所示,同时G3输出高电平使放电管VT导通,电容C通过R2和⑦脚内部 的放电管VT放电,电压UC下降,当UC下降至小于 时,比较器C2输出为低电平,内部 RS触发器被置“1”,G3输出低电平使放电管VT截止,输出端Uo由低电平变为高电平,电 容C放电时间tL(即Uo低电平时间)为 放电管截止后,电容C停止放电,电源VCC又重新经R1、R2对C充电,UC上升,UC上 升至 所需时间tH(即Uo高电平时间)为 当UC上升到超过 时,内部触发器又被复位清0,Uo又变为低电平,如此反复, 在555定时器的输出端得到一个方波信号电压Uo,该信号的频率f为 3.由555集成电路构成的施密特触发器 由555集成电路构成的施密特触发器如图14-29所示。 tyw藏书 图14-29 由555集成电路构成的施密特触发器 电路工作原理说明如下。 在0~t1期间,输入电压 ,比较器C1输出高电平,C2输出低电平,RS触发器 被置“1”(即Q=1),经G3、G4后,③脚输出电压Uo为高电平。 在t1~t2期间, ,比较器C1输出高电平,C2输出高电平,RS触发器 状态保持(Q仍为1),输出电压Uo仍为高电平。 在t2~t3期间, ,比较器C1输出低电平,C2输出高电平,RS触发器复位清 0(即Q=0),输出电压Uo为低电平。 tyw藏书 在t3~t4期间, ,比较器C1输出高电平,C2输出高电平,RS触发器 状态保持(Q仍为“0”),输出电压Uo仍为低电平。 在t4~t5期间,输入电压 ,比较器C1输出高电平,C2输出低电平,RS触发 器被置“1”,输出电压Uo为高电平。 以后电路重复 0~t5期间的工作过程。从图 14-29(b)不难看出,施密特触发器两次 触发电压是不同的,回差电压 。给555集成电路提供的 电源不同,回差电压的大小会不同,如让电源电压为6V,那么回差电压为2V。 14.5 电子催眠器的电路原理与实验 tyw藏书 14.5.1 电子催眠原理 1.有关睡眠科学知识 科学研究表明,人体神经是依靠电信号传递信息的,当人体处于不同活动状态时,其 脑电波的活动频率也不相同。表14-3中列出了人体常见的脑电波及意识状态。 表14-3 人体常见的脑电波及意识状态 人的整个睡眠过程可以分为5个阶段。 第1阶段为过渡期。人体感到困倦、意识进入朦胧状态,通常持续1~7min,呼吸和心 跳变慢,肌肉变松弛,体温下降,脑电波为频率较慢但振幅较大的α波。 第2阶段为轻度睡眠期。持续10~25min,此时脑电波为频率更慢的θ波。 第3、4阶段为深度睡眠期。脑电波主要是频率慢、振幅极大的δ波。 第5阶段为快速眼动睡眠期。这时通过仪器可以观测到睡眠者的眼球有快速跳动现 象,呼吸和心跳变得不规则,肌肉完全瘫痪,并且很难唤醒。 快速眼动睡眠结束后,再循环到轻睡期,如此循环往复,一个晚上一般要经过4~6次 这样的循环。 2.电子催眠原理 当人处于不同意识状态时,大脑会呈现不同的脑电波,反之,若让大脑呈现某种脑电 波,人体就会进入相应的意识状态。电子催眠是利用电子技术的方法产生与睡眠脑电波 (α和θ)频率相同或相近的声、光信号,通过刺激听、视觉来诱导人体出现睡眠脑电波, 从而使人体进入睡眠状态。 14.5.2 电路原理 图14-30所示是电子催眠器的电路原理图。 tyw藏书 图14-30 电子催眠器的电路原理图 电子催眠器的工作原理说明如下。 555定时器芯片与R1、RP、C1构成多谐振荡器(振荡器的工作原理请参见图14-28所 示的多谐振荡器),通过调节电位器RP可以让振荡器产生0.7~14Hz的低频脉冲信号,该 信号从555定时器的③脚输出,经电容 C3隔直后,频率仍为 0.7~14Hz,但信号电平下 移,出现负脉冲,如图 14-31所示。低频脉冲信号经R2、耳机插座和b、a点送给正、负极 并联的发光二极管VD1、VD2,正脉冲来时,VD1导通发光,负脉冲来时,VD2导通发 光,在低频脉冲的作用下,VD1、VD2交替闪烁发光。若这时将耳机插头插入插孔 X,低 频脉冲信号会流经耳机,在耳机中就能听到类似雨滴落在地板上的“滴嗒”的声音。 tyw藏书 图14-31 电容对555定时器输出信号的隔直说明 若需要外接发光二极管,可断开b、a点之间的连接,再将两个串联的发光二极管接在 接插件 XS2两端。在接插件 SP+、SP−端外接扬声器,扬声器会发出“滴嗒”的声音,由于 扬声器电阻很小,分流掉的电流很大,故外接扬声器后 VD1、VD2将不会发光,耳机也无 声。 在睡觉前,戴上耳机,并将耳机插头插入插孔 X,同时让VD1、VD2在眼睛视野内, 调节电位器RP改变VD1、VD2的闪烁频率,闪烁频率以感觉舒适为佳。耳听类似的雨滴 音,眼看舒适的闪烁光,人体易出现α和θ脑电波,而进入睡眠状态。电子催眠器产生的信 号频率可用下式计算 从上式可以看出,只要改变 R1、RP、C1的值就可以调节电路输出频率,在一个信号 周期中,高电平时间tH=0.7(R1+RP)C1,低电平时间tL=0.7RPC1,当RP接近∞时, tH≈tL,因此电子催眠器也可以用作频率和占空比可调的低频脉冲信号发生器。 14.5.3 实验操作及分析 电子催眠器实验操作及分析内容如下。 tyw藏书 第1步:给电子催眠器接通6V电源,并插上耳机,会发现指示灯VD1、VD2______, 耳机会发出______。 第2步:将电位器RP阻值调小时,除了会发现VD1、VD2闪烁频率______,还会发现 耳机声音频率______。 第3步:用导线短路电容C3正、负极,会发现VD1______ ,VD2______,原因是 ______。 第4步:在 SP+、SP−端子外接扬声器,扬声器会______,VD1、VD2会______,耳机 会______,造成这种现象的原因是______。 第5步:在电容 C1两端并联一只 10μF 的电容,会发现 VD1、VD2______,原因是 ______。 tyw藏书 第15章 D/A转换器和A/D转换器 15.1 概述 数字电路只能处理二进制数字信号,而声音、温度、速度和光线等都是模拟量,利用 相应的传感器(如声音用话筒)可以将它们转换成模拟信号,然后由A/D转换器将它们转 换成二进制数字信号,再让数字电路对它们进行各种处理,最后由D/A转换电路将数字信 号还原成模拟信号。 下面以声音的数字化处理为例来说明A/D和D/A转换过程,具体如图15-1所示。 图15-1 声音的数字化处理 话筒将声音转换成音频信号(模拟信号),再送到A/D转换电路转换成数字音频信号 (数字信号),数字音频信号送入数字电路处理系统进行各种处理(如消除噪声、卡拉 OK 混响处理等),然后输出去D/A转换电路。在D/A转换电路中,数字音频信号转换成 音频信号(模拟信号),送到扬声器使之发声。 从上述分析可以看出,模拟信号转换成数字信号后,在数字电路处理系统中可以很灵 活地进行各种各样的处理,有很多处理是模拟电路较难实现的,由此可见数字电路在数据 处理方面有很多优势。 不过应承认,目前很难找到一个纯粹的全数字电路的电子产品,就是在数字化程度最 高的计算机中,显示器、声卡、音箱和电源电路等部分都大量采用模拟电路技术。在今后 很长的一段时间内,数字电子技术和模拟电子技术相互依存,它们相互融合应用到各种各 样的电子产品中。 15.2 D/A转换器相关知识 tyw藏书 15.2.1 D/A转换原理 D/A转换器又称数/模转换器,简称DAC,它的功能是将数字信号转换成模拟信号。 不管是十进制数还是二进制数,都可以写成数码与权的组合表达式,例如二进制数 1011可以表示成 这里的“1”和“0”称为数码,23、22、21、20称为权,位数越高,权值越大,所以23> 22>21>20。 D/A 转换的基本原理是将数字信号中的每位数按权值大小转换成相应大小的电压,再 将这些电压相加得到模拟信号电压。 15.2.2 D/A转换器 tyw藏书 D/A转换器的种类很多,这里介绍两种较常见的D/A转换器:权电阻型D/A转换器和 倒T型D/A转换器。 1.权电阻型D/A转换器 权电阻型D/A转换器如图15-2所示。由于D/A转换器要使用运算放大器,为了更容易 理解电路原理,建议读者先复习一下有关运算放大器方面的知识(可参阅《零起步轻松学 电子电路》第3章)。 图15-2 权电阻型D/A转换器 (1)电子开关 图15-2所示是一个3位权电阻型D/A转换电路。S2~S0为3个电子开关,开关的切换分 别受输入的数字信号D2~D0的控制,当D=1时,开关置于“1”处,当D=0时,开关置 于“2”处。电子开关可由三极管或场效应管构成,图15-3所示为场效应管和非门构成的电 子开关。 图15-3 电子开关 当D=1时,经非门G1变为“0”,“0”送到场效应管VT2的栅极,VT2截止,G1输出 tyw藏书 的“0”再经非门G2后变为“1”,它送到场效应管VT1的栅极,VT1导通,相当于开关置 于“1”位置。反之,若D=0,VT2导通,VT1截止,相当于开关置于“2”位置。 (2)工作原理 图15-2中R2、R1和R0的阻值分别为R、2R和4R,R2、R1、R0、RF与运算放大器构成 加法器。 当输入的数字信号D2D1D0=000时,S2~S0均接地,即无电流流过R2、R1、R0,流过 反馈电阻RF的电流IF=0A,运算放大器输出的电压Uo=−IFRF=0V。 当输入的数字信号D2D1D0=001时,S2、S1接地,S0接参考电压UREF,有电流流过 R0,因为运算放大器“−”端为虚地端,电压为0V,故流过R0的电流 ,又因为“−”端 与运算放大器内部具有“虚断”特性,流入“−”端的电流为0A,电流I0全部流过反馈电阻 RF,故IF=I0,运算放大器输出的电压 。 当输入的数字信号D2D1D0=010时,S2、S0接地,S1接参考电压UREF,有电流流过 R1,流过R1的电流 ,流过反馈电阻RF的电流IF=I1,运算放大器输出的电压 。 当输入的数字信号D2D1D0=011时,S2接地,S1、S0接参考电压UREF,有电流流过 R1、R0,流过R1的电流 ,流过R0的电流 ,流过反馈电阻RF的电流 IF=I1+I0,运算放大器输出的电压 。 当输入的数字信号D2D1D0=100时,输出电压 。 当输入的数字信号D2D1D0=101时,输出电压 。 当输入的数字信号D2D1D0=110时,输出电压 。 当输入的数字信号D2D1D0=111时,输出电压 。 由此可以看出,当输入的数字信号的数值越大,电路输出负的电压Uo越低,电压Uo tyw藏书 是一种阶梯信号,它经倒相和滤波平滑后就可以得到图15-2所示的模拟信号U1。 对于输入数据为D2D1D0的3位权电阻型D/A转换器,其输出电压Uo可表示为 举例:在图15-2所示的3位权电阻型D/A转换器中,UREF=−8V,RF=25kΩ,R=50kΩ, 输入数字信号D2D1D0=101,那么输出电压Uo的值为 对于n位权电阻型D/A转换器,其输出电压Uo可表示为 权电阻型D/A转换器的优点是结构简单,使用元器件少;缺点是权电阻阻值不同,在 位数多时差距大。例如在8位权电阻型D/A转换器中,如果最小电阻R=10kΩ,那么最大电 阻的阻值会达到28−1=1.28MΩ,两者相差128倍,在这么大的范围内精确选择成倍数阻值 的电阻很困难,并且不易集成化,因此集成D/A转换器很少采用权电阻型。 2.倒T型D/A转换器 倒T型D/A转换器又称R-2R型D/A转换器,其电路结构如图15-4所示。从图中可以看 出,该电路主要采用了阻值为R和2R的两种电阻,可以有效解决权电阻型D/A转换器电阻 差距大的问题。 tyw藏书 图15-4 倒T型D/A转换器 图15-4所示是一个4位倒T型D/A转换器,电路输入端分成4个相同的部分,每个部分 有阻值为R、2R的两个电阻和一个电子开关,电子开关“1”端接地,“2”端接运算放大器 的“−”端,由于运算放大器“−”端为虚地端,其电位为 0V,所以不管开关处于哪个位置, 流过阻值为 2R 的电阻的电流都不会变化。 从图15-4中不难发现,A、B、C点往右对地电阻值都为2R,A点往右对地电阻值为 R+2R∥2R=2R, B点往右对地电阻值为R+2R∥2R(A点往右对地电阻值)=2R,C点往右 对地电阻值为R+2R∥2R (B点往右对地电阻值)=2R。电压UREF输出的电流每经一个节 点就分流一半,流过4个阻值为2R的电阻的电流分别为I/2、I/4、I/8、I/16,当D=0时,电 子开关处于“1”,当D=1时,电子开关处于“2”,流往运算放大器的电流Ii可表示为 由于电压UREF往右对地电阻值为2 R∥2 R ( C点往右对地电阻值)=R ,故 , 上式可转换为 因为Uo=−IFRF,而IF=Ii,所以输出电压为 对于n位倒T型D/A转换器,其输出电压为 从上式可以看出, n 位倒 T 型 D/A 转换器输入的数字信号( Dn−1Dn−2…D0)越大, tyw藏书 (2n−1Dn−1+2n−2Dn−2+…20D0)的值就越大,输出电压Uo的幅度也就越大,从而将不同 的数字信号转换成幅度不同的模拟电压。 1.内部结构 15.2.3 D/A转换器芯片DAC0832 tyw藏书 DAC0832是一个8位分辨率的D/A转换器,其内部结构和引脚功能如图15-5所示。从 图中可以看出,DAC0832内部有8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器和一些 控制门电路。 图15-5 D/A转换器芯片DAC0832 2.各脚功能说明 DAC0832各脚功能说明如下。 DI0~DI7:8位数据输入端,TTL电平,有效时间大于90ns。 ILE:数据锁存允许控制端,高电平有效,当ILE=1时,8位输入锁存器允许数字信号 输入。 :片选控制端,低电平有效,当 =0时,本片被选中工作。 :输入锁存器写选通控制端。如图15-5(a)所示,输入锁存器能否锁存输入数 据,由ILE、 、 共同决定,当ILE为高电平、 为低电平、 输入低电平脉冲 (宽度应大于500ns)时, 、 电平取反后送到与门(与门输入端的小圆圈表示取 反),在锁存器的 端会得到一个高电平。在 为高电平时,锁存器的数据会随数据 输入线的状态变化(即不能锁存数据),当 由高电平转为低电平( 低电平脉冲 转为高电平)时,输入线上的数据被锁存下来(即输入线的数据再发生变化,锁存器中的 数据不会随之变化)。 :数据传送控制端,低电平有效。 :DAC寄存器写选通控制端。DAC寄存器能否保存输入数据,由 、 共同决定,当 为低电平、 输入低电平脉冲,在寄存器的tyw端藏会书得到一个高电 平。在 为高电平时,寄存器不能保存锁存器送来的数据,当 由高电平转为低电平 ( 低电平脉冲转为高电平)时,寄存器将锁存器送来的数据保存下来。 IOUT1:模拟量电流输出端1。当DI0~DI7端都为“1”时,IOUT1的值最大。 IOUT2:模拟量电流输出端2。该端的电流值与IOUT1之和为一常数,即IOUT1的值大时 IOUT2的值小。 RFB:反馈信号输入端。在芯片该引脚内部有反馈电阻。 VCC:电源输入端。该端可接+5~+15V电压。 UREF:基准电压输入端。该端可接−10~+10V电压,此端电压决定D/A转换器输出电 压的范围。 AGND:模拟电路地。它为模拟信号和基准电源的参考地。 DGND:数字电路地。它为工作电源地和数字电路地。 3.应用电路 DAC0832典型应用电路如图15-6所示。 图15-6 DAC0832典型应用电路 DAC0832有3种工作模式。 ①直通工作模式。当 、 、 和 接低电平,ILE接高电平时, DAC0832处于直通工作模式。在该模式下,输入锁存器和 DAC 寄存器都处于直通状态, 输入的数字信号可以直接通过它们到达D/A转换器。 ②单缓冲工作模式。当 、 接低电平时,DAC寄存器工作在直通状态,由 输入锁存器缓冲送来的信号可以直接通过DAC寄存器到达D/A转换器。 ③ 双缓冲工作模式。当输入锁存器和DAC寄存器都处于受控状态时,数字信号在锁 tyw藏书 存器和寄存器中都要经过缓冲,再送到D/A转换器。 在图15-6所示电路中,DAC0832工作在直通模式,D7~D0端输入的数字信号在内部 直接通过输入锁存器和DAC寄存器,然后经D/A转换器转换成模拟信号电流从IOUT1端输 出,再送到运算放大器μA741进行放大,并转换成模拟信号电压Uo输出。 15.3 A/D转换器相关知识 tyw藏书 15.3.1 A/D转换原理 A/D 转换器又称模/数转换器,简称 ADC,其功能是将模拟信号转换成数字信号。 A/D 转换由采样(又称取样)、保持及量化、编码4个步骤来完成,A/D转换过程如图15-7 所示,模拟信号经采样、保持、量化和编码后就转换成数字信号。 图15-7 A/D转换过程 1.采样和保持 采样就是每隔一定的时间对模拟信号进行取值,而保持则是将采样取得的信号值保存 下来。采样和保持往往结合在一起应用。下面以图15-8为例来说明采样和保持原理。 图15-8 采样和保持原理 图15-8(a)中的S为模拟开关,实际上一般为三极管或场效应管,S的通、断受采样 脉冲Us的控制,当采样脉冲到来时,S闭合,输入信号Ui可以通过,采样脉冲过后,S断 开,输入信号无法通过,S起采样作用。电容C为保持电容,它能保存采样过来的信号电 压值。 在工作时,给采样开关S输入图15-8(b)所示的模拟信号Ui,同时给开关S控制端加 采样脉冲Us。当采样脉冲第1个脉冲到来时,S闭合,此时正好是模拟信号A点电压到来, tyw藏书 A点电压通过开关S对保持电容C充电,在电容上充得与A点相同的电压,脉冲过后,S断 开,电容C无法放电,所以在电容上保持与A点一样的电压。 当第2个采样脉冲到来时,S闭合,此时正好是模拟信号B点电压到来,B点电压通过 开关S对保持电容C充电,在电容C上充得与B点相同的电压,脉冲过后,S断开,电容C无 法放电,所以在电容C上保持与B点一样的电压。 当第3个采样脉冲到来时,在电容C上得到与C点一样的电压。 当第4个采样脉冲到来时,S闭合,此时正好是模拟信号D点电压到来,由于D点电压 较电容上的电压(第3个脉冲到来时C点对电容C充得的电压)略低,电容C通过开关S向输 入端放电,放电使电容C上的电压下降到与模拟信号D点相同的电压,脉冲过后,S断开, 电容C无法放电,所以在电容C上保持与D点一样的电压。 当第5个采样脉冲到来时,S闭合,此时正好是模拟信号E点电压到来,由于E点电压 较电容C上的电压低,电容C通过开关S向输入端放电,放电使电容C上的电压下降到与模 拟信号E点相同的电压,脉冲过后,S断开,电容C无法放电,所以在电容C上保持与E点 一样的电压。 如此工作后,在电容C上就得到如图15-8(b)所示的Uo信号。 2.量化与编码 量化是指根据编码位数需要,将采样信号电压分割成整数个电压段的过程。编码是指 将每个电压段用相应的二进制数表示的过程。 以图15-8所示信号为例,模拟信号Ui经采样、保持得到采样信号电压Uo,Uo的变化范 围是0~7.5V,现在需要用3 位二进制数对它进行编码,由于3位二进制数只有 2 3 = 8个数 值,所以将0~7.5V分成8份:0~0.5V为第1份(又称第一等级),以0V作为基准,即在0 ~0.5V范围内的电压都当成是0V,编码时用“000”表示;0.5~1.5V为第2份,基准值为 1V,编码时用“001”表示;1.5~2.5V为第3份,基准值为2V,编码时用“010”表示;依此类 推,5.5~6.5V为第7份,基准值为6V,编码时用“110”表示;6.5~7.5V为第8份,基准值为 7V,编码时用“111”表示。 综上所述,图15-8(b)中的模拟信号经采样、保持后得到采样电压Uo,采样电压Uo 再经量化、编码后就转换成数字信号(000 100 110 111 111 101 011 001 000 001 100),从 而完成了 A/D 转换过程。 15.3.2 A/D转换器 tyw藏书 A/D转换器种类很多,下面介绍两种较常见的A/D转换器:并联比较型A/D转换器和 逐次逼近型A/D转换器。 1.并联比较型A/D转换器 3位并联比较型A/D转换器如图15-9所示,它由电阻分压器、电压比较器和3位二进制 编码器构成。 tyw藏书 图15-9 3位并联比较型A/D转换器 电路工作原理说明如下。 参考电压 UREF经 8个相同的电阻分压后得到1/8UREF、2/8UREF、…、7/8UREF7 个不 同的电压,它们分别送到7个比较器(运算放大器)的“−”输入端,输入的模拟信号电压Ui 同时送到7个比较器的“+”输入端。参考电压 UREF的数值可以根据情况设定,如果输入的 模拟信号电压范围大,则要求参考电压UREF高。 当送到各个比较器“+”端的模拟信号Ui电压低于1/8UREF时,每个比较器的“+”端电压 都较“−”端电压低,各个比较器都输出低电平“0”,这些“0”送到3位二进制编码器,经编码 后输出数据为Q2Q1Q0=000。 tyw藏书 当输入的模拟信号电压为 2/8UREF>Ui>1/8UREF时,比较器 C1的“+”端电压都较“−”端 电压高,它输出高电平“1”,而其他各个比较器的“+”端电压都较“−”端电压低,它们都输 出低电平“0”,比较器输出的C7C6C5C4C3C2C1=0000001送到3位二进制编码器,经编码后 输出数据为Q2Q1Q0=001。 依此类推,当输入的模拟信号电压为 3/8UREF>Ui>2/8UREF、4/8UREF>Ui>3/8UREF、 5/8UREF>Ui>4/8UREF、6/8UREF>Ui>5/8UREF、7/8UREF>Ui>6/8UREF、UREF>Ui>7/8UREF 时,编码器会输出010、011、100、101、110、111。 由上面的分析可以看出,当输入模拟信号电压时,电路会输出数字信号,从而实现了 A/D转换。 并联比较型A/D转换器的输入和输出关系见表15-1。 表15-1 并联比较型A/D转换器的输入/输出状态表 并联比较型 A/D 转换器的优点是转换速度快,各位数字信号输出是同时完成的,所 以转换速度与输出码的位数多少无关,但这种转换器所需的元器件数量多,3 位转换器需 要 23−1=7 个比较器,而 10 位转换器需要 2 10 −1=1 023 个比较器,因此位数多的 A/D 转 换器很少采用并联比较型A/D转换器。 2.逐次逼近型A/D转换器 逐次逼近型A/D转换器是一种带有反馈环节的比较型A/D转换器。图15-10所示是3位 逐次逼近型A/D转换器结构示意图,它由比较器、D/A转换器、寄存器和控制电路等组 成。 电路工作原理说明如下。 首先,控制电路将寄存器复位清0,接着控制寄存器输出Q2Q1Q0=100,“100”经D/A 转换器转换成电压Uo,Uo送到比较器的“+”端,与此同时,待转换的模拟电压Ui也送到比 较器的“−”端,比较器将Uo、Ui两电压进行比较,比较结果有两种情况:Uo>Ui和UoUi,则比较器输出UC为高电平,表明寄存器输出数字信号Q2Q1Q0=100偏 大。控制电路令寄存器将最高位 Q2置“0”,同时将 Q1置“1”,输出数字信号 Q2Q1Q0=010,“010”再由D/A转换器转换成电压Uo并送到比较器,与Ui进行比较,若 UoUi,比较器输出UC为高电平,表明寄存器输出Q2Q1Q0=110偏大,控制电路令寄存器 将Q1置“0”,同时将Q0置“1”,寄存器输出Q2Q1Q0=101,“101”转换成的模拟电压Uo最接 近输入电压Ui,控制电路令控制门打开,寄存器输出的“101”经控制门送到数字信号输出 端,“101”就为当前采样点电压转换成的数字信号。接着控制电路将寄存器清 0,然后又 令寄存器输出“100”,开始将下一个采样点的电压 Ui转换成数字信号。 总之,逐次逼近型A/D转换器是通过不断变化寄存器输出的数字信号,并将数字信号 转换成电压与输入模拟电压进行比较,当数字信号转换成的电压逼近输入电压时,就将该 数字信号作为模拟电压转换成数字信号输出,从而实现A/D转换。 逐次逼近型A/D转换器在进行A/D转换时,每次都需要逐位比较,对于n位A/D转换 器,其完成一个采样点转换所需的时间是n+2个时钟周期,所以转换速度较并联比较型 A/D转换器慢,但在位数多时,其使用的元器件数量较后者少得多,因此集成A/D转换器 广泛采用逐次逼近型A/D转换器。 tyw藏书 1.内部结构 15.3.3 A/D转换器芯片ADC0809 tyw藏书 ADC0809是一个8位A/D转换器,其内部结构和引脚功能如图15-11所示。从图中可以 看出,ADC0809由8路模拟量开关、地址锁存与译码器、8位A/D转换器和三态门输出锁存 器等部分组成。 图15-11 A/D转换器芯片ADC0809 8路模拟量开关可外接8路模拟信号输入;地址锁存与译码器的功能是锁存A、B、C引 脚送入的地址选通信号,并译码得到控制信号,以选择8路模拟量开关中的某一路进入 A/D转换器;8位A/D转换器的功能是将模拟量信号转换成数字信号;三态门输出锁存器的 功能是将A/D转换器送来的数字信号锁存起来,当OE端由低电平变为高电平时,锁存器就 会将数字量从D0~D7端输出。 2.各引脚功能说明 ADC0809各引脚排列及功能标注如图15-11(b)所示。各引脚功能说明如下。 IN0~IN7:8路模拟量输入端口。 D0(2−8)~D7(2−1):8路数字量输出端口。 START:A/D转换器启动控制端。START端正脉冲宽度应大于100ns,在脉冲上升沿来 时对内部寄存器清0,下降沿来时,A/D转换器开始工作,在工作期间,START应保持低 电平。 ADDA、ADDB、ADDC:8路模拟量开关地址选通控制端。三端输入不同的值可以选 择8路中的1路输入,具体见表15-2。 表15-2 选通控制端不同电平与所选通道 tyw藏书 ALE:地址锁存控制端。当该端为高电平时,将ADDA、ADDB、ADDC端的地址选 通信号送入地址锁存器,并译码得到地址输出去8路模拟量开关,选择相应通道的模拟量 输入。在使用时, ALE端通常与START端连接。 EOC:转换结束信号输出端。在A/D转换时,EOC为低电平;转换结束时,EOC变为 高电平。根据这个信号可以知道A/D转换器的状态。 OE:输出允许控制端。当 OE 由低变高时,打开三态门输出锁存器,锁存的数字量 会从 D0~D7端送出。 CLK:时钟信号输入端。该端输入的时钟信号控制A/D转换器的转换速度,它的频率 范围为10~1 280kHz。 REF(+)、REF(−):参考电压输入端。REF(+)端通常与VCC相连,而 REF(−)与GND相连。 VCC:电源。 GND:接地。 3.应用电路 图15-12所示是一个ADC0809典型应用电路。该电路有以下几个要点。 tyw藏书 图15-12 ADC0809典型应用电路 ① OE 端接高电平(电源),允许芯片输出数字信号。 ② CLOCK 端输入 200kHz 的脉冲作为芯片内部电路的时钟脉冲。 ③ START 端和 ALE 端接单脉冲。当脉冲来时,ALE 端为高电平,使 A2、A1、A0端 输入的通道选择信号有效,芯片选择 IN0~IN7中的某路输入;当脉冲来时,脉冲上升沿 进入 START 端,使A/D 转换器的寄存器清 0,脉冲下降沿来时,A/D 转换器开始对选择 通道送入的模拟电压进行 A/D转换,从D7~D0端输出数字信号。 ④ EOC端悬空未用,即芯片不使用转换结束输出端功能。 图15-12所示电路的工作过程说明如下。 当电路按图示方式接好后,让A2A1A0=000,在单脉冲输入ALE端时,选择IN0路输 入。在CLOCK端提供时钟脉冲和START端输入单脉冲后,芯片开始对IN0端输入的电压进 行A/D转换,转换成的数字信号从D7~D0端输出。 tyw藏书 第16章 半导体存储器 半导体存储器是指由半导体材料制成的、用来存取二进制数的电路。半导体存储器可 分为顺序存储器、随机存储器和只读存储器。存储器广泛用在数码电子产品、家电智能控 制器、工业自动化控制系统中。 16.1 顺序存储器 tyw藏书 顺序存储器简称SAM(Sequential Access Memory),它是一种按一定的顺序逐位(串 行)将数据存入或取出的存储器,又称为串行存储器。顺序存储器是由动态移存器组成 的,而动态移存器则是由基本的动态移存单元组成的。 16.1.1 动态移存单元 tyw藏书 动态移存单元是顺序存储器中最基本的组成单元,由于它主要是由 MOS 管构成,所 以称为动态MOS移存单元。 动态MOS移存单元种类较多,由CMOS电路构成的CMOS动态移存单元较为常见。 CMOS动态移存单元如图16-1所示,它采用了类似主从触发器的主从结构。 图16-1 CMOS动态移存单元 电路工作原理分析如下。 当CP=1、 =0时,传输门TG1导通,TG2截止,主电路工作,从电路不工作。此时 如果输入信号Ui为“1”,它经TG1对MOS管的输入分布电容C1充电(输入分布电容是MOS 管的结构形成的,在电路中看不见,故图中用虚线表示),电容C1上得到高电平,该电 平使VT1截止、VT2导通,在B点得到低电平“0”。 当CP=0、 =1时,传输门TG1截止,TG2导通,主电路不工作,从电路开始工作。 此时B点的低电平“0”经TG2送到VT3、VT4的G极,该电平使VT3导通、VT4截止,输出端 Uo输出高电平“1”。 CMOS动态移存单元的功耗很低,所以可用来制作微功耗的顺序存储器。 16.1.2 动态移存器 tyw藏书 动态移存器是由很多动态MOS移存单元串接而成的,所以又称动态MOS移存器。图 16-2所示是一个 1 024 位动态移存器。 图16-2 1 024位动态移存器 电路工作原理说明如下。 当第1个时钟脉冲到来时,CP=1、 =0,数据由串入端进入第1个动态移存单元的主 移存单元,时钟脉冲过后,CP=0、 =1,数据由主移存单元进入从移存单元。 当第2个时钟脉冲到来时,CP=1、 =0,数据从第1个动态移存单元移出,进入第2 个动态移存单元的主移存单元,时钟脉冲过后,CP=0、 =1,数据由主移存单元进入从 移存单元。 也就是说,每到来一个时钟脉冲,数据就前进 1 位,1 024 个时钟脉冲过后,1 024 位 数据就依次存入这个 1 024 位的动态移存器。 16.1.3 常见顺序存储器 tyw藏书 顺序存储器是由动态移存器和一些控制电路组合构成的。 1.1 024×1位顺序存储器 1 024×1 位顺序存储器可以存储 1 024 位数据,其组成如图 16-3 所示。 图16-3 1024×1位顺序存储器 该顺序存储器由 3 个门电路构成的控制电路和一个 1 024 位的动态移存器组成,它有 3 种工作方式:写、读和循环刷新。顺序存储器的R/ 为读/写控制端。 当R/ =0时,与门G1关闭,从输出端反馈过来的数据无法通过与门G1,与门G2开通 (G2端小圆圈表示低电平输入有效,并且输入电平还需经非门转换再送到与门输入 端),D端输入的数据通过与门G2、或门G3送入动态移存器,在时钟脉冲CP和 的控制 下,输入的数据逐位进入移存器,此工作方式称为写操作。 当R/ =1时,与门G1开放,与门G2关闭,D端的数据无法进入,即无法进行写操 作;在CP和 的控制下,移存器内的数据逐位从输出端输出,即将数据逐位取出,此工 作方式称为读操作。 另外,在R/ =1时,移存器输出端的数据除了往后级电路传送外,还通过一条反馈 线反送到移存器输入端重新逐位进入移存器,这个过程称为刷新。刷新可以让移存器中的 数据得以长时间保存,有效地解决了移存器中 MOS 管输入分布电容不能长时间保存数据 的问题。在不对存储器进行读、写操作时,应让R/ =1,让存储器不断进行循环刷新, 使数据能一直保存。 2.1 024×8位顺序存储器 1 024×8 位顺序存储器实际上是一个 1KB(1 024 字节)的存储器,其组成如图 16-4 所示。从图中可以看出,它由 8 个 1 024×1 位顺序存储器并联而成。 tyw藏书 图16-4 1 024×8位顺序存储器 电路工作原理说明如下。 8位数据同时送到D0~D78个输入端,R/ 端同时接到8个顺序存储器的读/写控制 端,时钟控制信号CP、 端同时接到8个顺序存储器的动态移存器。 当R/ =0时,存储器执行写操作,8位数据从D0~D7端进入8个顺序存储器,在时钟 脉冲CP、 的控制下,8位数据同时逐位进入8个动态移存器。1024个时钟脉冲过后, 1024×8位数据就存入这个存储器。 当R/ =1时,存储器执行读操作,在时钟脉冲的控制下,存储器中的8位数据逐位输 出。1024个时钟脉冲过后,1 024×8 位数据全部被读出。 在不进行读、写操作时,使R/ =1,存储器输出的数据不断地反送到输入端进行刷 新。 16.2 随机存储器 tyw藏书 顺序存储器具有存入和取出数据的功能,但如果需要从中任取1位数据时,就需要先 将该数据右边的数据全部移出,然后才能取出该位数据,显然这样速度很慢,并且很麻 烦,随机存储器可以很好地解决这个问题。 随机存储器也有读/写功能,所以也叫可读/写存储器,简称RAM(Ramdom Access Memory)。随机存储器能存入数据(称为写数据),又可以将存储的数据取出(称为读 数据),在通电的情况下数据可以一直保存,断电后数据会消失。 16.2.1 随机存储器的结构与原理 tyw藏书 随机存储器(RAM)主要由存储矩阵、地址译码器、片选与读/写控制电路3个部分组 成,其结构如图16-5所示。 图16-5 RAM结构示意图 1.存储矩阵 RAM中有很多存储单元(由MOS管或触发器构成),每个存储单元能存储1位二进制 数(“1”或“0”),这些存储单元通常排列成矩阵,称之为存储矩阵。图 16-5 所示的每个 小方块都代表一个存储单元,它们排列成16行16列的矩形阵列,共有256个存储单元,可 以存储256×1个二进制数,即该RAM的容量为256×1位。 2.地址译码器 存储矩阵就像一幢大楼,大楼有多层,并且每层有多个房间,存储单元就像每个房 间。一个16行16列的存储矩阵就相当于一幢16层、每层有16个房间的大楼,每个房间可以 存储物品,为了存取物品方便,需要给每个房间进行地址编号,例如第8层第7个房间的地 址编号为0807,以后只要给出地址编号0807就可以找到这个房间,将物品存入或取出。 同样,存储矩阵中的每个存储单元都有地址编号,比如 15 行 0 列的存储单元的地址 编号为1500。不过存储单元地址编号都采用二进制表示, 15 行 0 列的存储单元的二进制 地址就是11110000,其中1111为行地址,0000为列地址。 地址译码器的功能就是根据输入的地址码选中相应的存储单元。在图16-5中,第15行 tyw藏书 0列存储单元的地址码是11110000,如果要选中该单元,可以将行地址1111和列地址0000 分别送到行、列地址译码器,即让A3A2A1A0=1111,A7A6A5A4=0000。 A3A2A1A0=1111经行地址译码后,从行线X15输出高电平,其他的行线都为低电平, 第15行的存储单元都被选中;A7A6A5A4=0000经列地址译码后,只有列线Y0输出高电 平,高电平送到门控管VT0、0VT′的G极,两个门控管导通,第0列存储单元被选中。同时 被行、列选中的只有第15行0列存储单元,可以对该单元进行读/写操作。 3.片选与读/写控制电路 有一些数字电路处理系统需要RAM的容量很大,一片RAM往往不能满足要求,通常 的做法是将多片RAM组合起来使用。系统在对RAM读/写时,每次只与其中的一片或几片 RAM发生联系。为了让一些RAM工作而让另一些RAM不工作,在每片RAM上加有控制 端,又称片选端 。 在图16-5所示的RAM中,进行写操作时,输入的数据D是经过三态门G3、G5进入存 储单元的;而在读操作时,存储器的数据是通过三态门G4送到数据线上。具体读/写操作 过程分析如下。 当片选端 =0时,它送到与门,取反后变为“1”,使G2、G1都开通(与门输入端的 小圆圈表示在输入端加非门,对输入信号取反),该RAM处于选中状态。若R/ =1,则 G2输出“0”,它使三态门G3、G5呈高阻态;而G1输出“1”,它使三态门G4导通,存储器执 行读操作,存储矩阵的数据可以通过门控管VT和三态门G4送往数据线。若R/ =0,则G1 输出“0”,它使三态门G4呈高阻态,而G2输出“1”,它使三态门G3、G5呈导通状态,存储 器执行写操作,数据线D上的数据通过G3、G5和门控管VT、VT′送到存储矩阵。 当片选端 =1时,它送到与门,取反后变为“0”,G2、G1都被封锁,三态门G3、 G4、G5都呈高阻态,数据线与存储器隔断,无法对该存储器进行读/写操作。即当片选端 =1时,该RAM处于未选中状态。 4.RAM的工作过程 如果要往 RAM 中的某存储单元存入或取出数据,首先将该单元的地址码送到行、列 地址译码器。例如将地址码A7A6A5A4A3A2A1A0=00001111送到行、列地址译码器,译码 后选中第15行0列存储单元,然后送片选信号到 端,让 =0,该存储器处于选中状 态,再送出读/写控制信号到R/ 端。若R/ =1,执行读操作,三态门G4处于导通状态, 选中的存储单元中的数据经位线、T0和G4输出到数据线上;若R/ =0,执行读操作,三 态门G3、G5导通,数据线上的数据经G3、G5和VT0、 中。 及位线存入选中的存储单元 16.2.2 存储单元 tyw藏书 存储器的记忆体是存储单元,根据工作原理不同,存储单元可分为静态存储单元和动 态存储单元。 1.静态存储单元 静态存储单元采用了触发器作为记忆单元,用静态存储单元构成的存储器称为静态存 储器。静态存储单元通常有两种:NMOS存储单元和CMOS存储单元。 (1)NMOS存储单元 NMOS存储单元如图16-6所示。 该存储单元采用了6只NMOS管,故称为6管NMOS存储单元,其中VT1、VT2、VT3、 VT4组成基本RS触发器,用来存储1位二进制数。VT5、VT6为行控制门管,受行线Xi的控 制,当Xi=1时,VT5、VT6导通,触发器的Q、 数据可以通过VT5、VT6送到位线,位线 上的数据也可以经VT5、VT6送到触发器;当Xi=0时,VT5、VT6截止,无法对触发器进行 读/写。VTj、 为列控制门管,当列线Yj=1时,VTj、 导通,数据线上的数据可以通 过VTj、 到达位线,因为VTj、 为列内各存储单元共用,故不计入存储单元的器件 数目。 图16-6 NMOS存储单元 NMOS存储单元的数据读/写过程分析如下。 如果要将数据D=1写入存储单元,首先让Xi=Yj=1(来自地址码),使VT5、VT6和 VTj、 都导通,数据D=1、 =0分别通过VTj、 送到位线,再经VT5、VT6送到触发 器, =0加到VT1的G极,VT1截止,D=1加到VT3的G极,VT3导通,触发器的Q=1、 =0,此单元就写入了数据“1”。 tyw藏书 如果要读出存储单元的数据,让Xi=Yj=1,VT5、VT6、VTj、 都导通,触发器的 Q=1、 =0分别通过VT5、VT6送到位线,再经VTj、 取过程。 送到数据线,从而完成数据的读 (2)CMOS存储单元 CMOS存储单元如图16-7所示。 图16-7 CMOS存储单元 CMOS存储单元与6管NMOS存储单元相似,只是将其中两只NMOS管换成PMOS管而 构成CMOS型基本RS触发器。CMOS存储单元工作过程与NMOS存储单元相同,这里不再 叙述。 与 NMOS 存储单元相比,CMOS 存储单元具有功耗极小的特点,在降低电源电压的 情况下还能保存数据,因此用CMOS存储单元构成的存储器在主电源断电的情况下,可以 用电池供电,从而弥补随机存储器数据因断电而丢失的缺点。 2.动态存储单元 动态存储单元采用了 MOS 管的栅电容(分布电容)来存储数据。用动态存储单元构 成的存储器称为动态存储器。动态存储单元通常有两种:3管存储单元和单管存储单元。 (1)3管存储单元 3管存储单元如图16-8所示。 tyw藏书 图16-8 3管存储单元 图16-8中点画线框内部分是动态存储单元,它只利用VT2管的栅电容C来存储数据。 VT4、 VT6、VT5、VTj是该列各个存储单元的公用电路,与G1、G2供该行公用。下 面从预充、读数据、写数据和刷新几方面来讲该电路的工作原理。 ①预充。在对存储单元读/写前要进行预充,VT4、 是该列的预充管。在对存储单 元读/写前,将预充脉冲CP送到VT4、 的G极,两管导通,电源分别经VT4、 对 读、写位线上的分布电容C0、电容 充电,预充脉冲过后,在电容C0、电容 上保持高 电平。 ② 读数据。预充后用地址码选中该单元,即让 Xi=Yj=1,让读/写控制端 R=1。 Xi=1、R=1 使G1输出高电平“1”,它送到VT3的G极,VT3导通,同时Yj=1使VTj也导通。 若电容C上已存了“1”,则会使VT2导通,电容C0经VT3、VT2放电,读位线降为低电 平“0”,它使VT6截止,电容 无法通过VT5、VT6放电,故写位线上保持为“1”,写位线 上的“1”通过VTj输出到数据线D上,从而完成了读“1”的过程。 若电容C上已存了“0”,则VT2截止,电容C0无法通过VT3、VT2放电,读位线保持高 电平“1”,它使VT6导通,电容 通过VT5、VT6放电,故写位线降为低电平“0”,写位线 tyw藏书 上的“0”通过VTj输出到数据线D上,从而完成了读“0”的过程。 从上面的分析过程可以看出,电容C上的数据先反相传递到读位线上,然后读位线数 据反相后传到写位线上,经两次反相后传递到写位线上的数据与电容C上的数据一致,该 数据再送到数据线D上。 ③ 写数据。在需要往存储单元写入数据时,让Xi=Yj=1、W=1,这样写行线上 为“1”,VT1、VTj导通,数据D就可以通过VTj、写位线和VT1送到电容C上保存。 ④ 刷新。由于栅电容不能长时间(约 20ms)保存数据,时间一长保存的数据就会丢 失,为了能让数据长时间保存,就要对其不断刷新。 在刷新时,让Yj=0,隔断数据线与存储单元的联系,然后让读控制端R和写控制端W 交替为“1”,即让存储单元不断进行读/写操作,先进行读操作将数据读到写位线上,再进 行写操作,将写位线上的数据重新写入电容C中。这样每进行一次读/写操作,电容C上的 数据就被刷新了一次。 为了防止动态存储单元中的数据消失,一般要求在 20ms 内将整个动态存储器芯片内 所有的存储单元重新刷新一遍。为了减少刷新的次数,通常每次刷新存储矩阵中的一行。 (2)单管存储单元 单管NMOS动态存储单元如图16-9所示。 图16-9 单管NMOS动态存储单元 图16-9省略了读/写控制电路,图中点画线框内的电容C为数据存储电容,VT1、VT2 为行、列门控管,C0为位线上的分布电容,能暂存位线上的数据。 当Xi=Yj=1时,VT1、VT2导通,在进行写操作时,数据线上的数据D经VT2、VT1送到 电容C上存储,在进行读操作时,电容C上的数据经VT1、VT2送到数据线上。由于电容C 不能长时间保存数据,所以也要进行刷新。 单管存储单元采用的元器件少,故集成度高,并且功耗低,所以大容量的动态存储器 的存储单元大多采用单管构成。 综上所述,动态存储单元比静态存储单元所用的元器件少,集成度可以做得更高,在 相同容量的情况下,由动态存储单元构成的动态存储器成本更低,但它需要刷新,不如静 态存储器使用方便,且存取速度慢。 tyw藏书 16.2.3 存储器容量的扩展 tyw藏书 在一些数字电路系统中,经常需要存取大量的数据,一片随机存储器(RAM)往往 不够用,这时就要进行存储容量扩展。存储容量扩展通常有两种方式:一是字长扩展,二 是字数扩展。 1.字长扩展 存储器内部存储数据都是以存数单元进行的,例如 Intel 2114 型存储器内部有 1 024 个存数单元,每个存数单元能存4个二进制数。所谓字长是指存储器的每个存数单元存取 二进制数的位数。 Intel 2114 型存储器能存取 1 024个4位二进制数,其字长为4 位。如果需要存储器能存 取1 024个8 位二进制数,也就是说需要进行字长扩展,可以将两片2114并联起来。用两片 1 024×4位 RAM组成的 1 024×8 位 RAM电路如图 16-10 所示。 图16-10 用两片1 024×4位RAM接成的1 024×8位RAM电路 将RAM1的4位数据线作为高4位数据线D7D6D5D4,而将RAM2的4位数据线作为低4位 数据线D3D2D1D0;将两片RAM的10位地址线A9~A0和控制端(R/ 、 )都分别并联 起来。 在进行读/写操作时,让R/ =0或R/ =1, =0,两片RAM都同时工作,从地址线 A9~A0输入地址信号,同时选中RAM1和RAM2中的某个单元,然后通过数据线 D7D6D5D4将高4位数写入RAM1选中的单元,或从该单元将高4位数读出,而通过数据线 D3D2D1D0将低4位数据存入RAM2选中的单元中,或从该单元将低4位数读出。 当 =1时,两片RAM被封锁,无法对它们进行读/写操作。 2.字数扩展 字数扩展是指扩展存数单元的个数。例如 Intel 2114型存储器能存储 1 024个4位二进 制数,如果需要存储4 096个4 位二进制数,那么就要进行字数的扩展,采用4片 Intel 2114 型 RAM来扩展。用 4 片 1 024×4 位 RAM组成的 4 096×4 位 RAM电路如图 16-11 所示。 tyw藏书 图16-11 用4片1 024×4位RAM组成的4 096×4位RAM电路 在该电路中,将4片RAM的10位地址线A9~A0、控制端R/ 和4位数据线D3D2D1D0 都分别并联起来。由于4片RAM组成的存储器字长仍为4位,但存数单元增加了4倍,而10 位地址码的寻址只有2 10 =1 024 个,所以需要再增加两根地址线,才能实现 4 096(即 2 12 )个单元的寻址。Intel 2114只有10根地址线,无法再增加地址线,解决的方法是将两 根地址线接到2线-4线译码器,再把译码器的4个输出端分别接到4片RAM的 端。 在读/写操作时(由R/ 端控制),若A11A10=00,经译码器译码后,从Y0端输 出“0”,它送到RAM1的 端,RAM1工作,因为译码器的Y3、Y2、Y1端均为“1”,它们分 别送到RAM4、RAM3、RAM2的 端,这3个RAM都不工作。此时12位地址线A11~A0只 可以选中 RAM1内部 1 024 个单元中的任意一个,它的地址范围是 000000000000~ 001111111111(A11A10=00)。 当A11A10=01时,译码器Y1端输出“0”,RAM2工作,12位地址线A11~A0只可以选中 RAM2内部 1 024 个单元中的任意一个,它的地址范围是 010000000000~011111111111。 当A11A10=10时,译码器Y2端输出“0”,RAM3工作,12位地址线A11~A0只可以选中 RAM3内部 1 024 个单元中的任意一个,其地址范围是 100000000000~101111111111。 当A11A10=11时,译码器Y3端输出“0”,RAM4工作,12位地址线A11~A0只可以选中 RAM4内部 1 024 个单元中的任意一个,其地址范围是 110000000000~111111111111。 各片RAM的地址分配见表16-1。 表16-1 各片RAM的地址分配 tyw藏书 16.3 只读存储器 tyw藏书 顺序存储器和随机存储器能写入或读出数据,但断电后数据会丢失,而在很多数字电 路系统中,常需要长期保存一些信息,如固定的程序、数字函数、常数和一些字符,这就 要用到只读存储器。只读存储器简称 ROM,它是一种能长期保存信息的存储器。这种存 储器具有断电后信息仍可继续保存的特点,在正常工作时只可读取数据,而不能写入数 据。 只读存储器的种类很多,根据信息的写入方式分,有固定只读存储器(固定 ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可改写只读存储器(EPROM)和电可改写只读 存储器(EEPROM);根据构成的器件分,有二极管ROM、双极型三极管ROM和MOS管 ROM。 16.3.1 固定只读存储器(ROM) tyw藏书 固定ROM是指在生产时就将信息固化在存储器中,用户不能更改其中信息的存储 器。 1.二极管固定ROM 二极管固定ROM如图16-12所示,它由存储矩阵、地址译码器和输出电路组成。 图16-12 二极管固定ROM 这里的地址译码器采用 2 线-4 线译码器,输入接两根地址线,输出为 4 根字选线 W0 ~W3。存储矩阵由4根字选线W0~W3和4根位线Y0~Y3再加上一些二极管构成,字选线 与位线的交叉点代表一个存储单元,它们共有4×4=16个交叉点,即有16个存储单元,能 存储4个 4 位二进制数,交叉处有二极管的单元表示存储数据为“1”,无二极管的单元表示 存储数据为“0”。输出电路由4个三态门构成,三态门的导通受使能端 的控制, =0时 三态门导通。 如果需要从ROM中读取数据,可以让 =0,并送地址码到地址译码器的A1A0端, 例如A1A0=00,经地址译码后从字选线W0输出“1”,与字选线W0相连的两个二极管导通, 位线Y3、Y2得到“1”,因为字选线 W1~W3均为低电平,故与这些字选线相连的二极管都 截止,相应的位线为“0”,4条位线Y3~Y0的数据为1100,这4位数据经4个三态门输出到 数据线D3~D0上。即当输入的地址A1A0=00时,输出数据D3D2D1D0=1100。 当输入的地址A1A0=01时,输出数据D3D2D1D0=0010; 当输入的地址A1A0=10时,输出数据D3D2D1D0=1010; tyw藏书 当输入的地址A1A0=11时,输出数据D3D2D1D0=1101。 为了画图方便,通常在存储矩阵中有二极管的交叉点用“码点”表示,而省略二极管, 这样就得到了存储矩阵的简化图,如图16-12(b)所示。 2.MOS管固定ROM MOS管固定ROM如图16-13所示。从图中可以看出,MOS管固定ROM与二极管固定 ROM大部分是相同的,不同之处主要是用NMOS管取代二极管。 在读数据时,可以让 =0,当A1A0=00时,经地址译码后从字选线W0输出“1”,与 字选线W0相连的两个MOS管导通,位线Y3、Y2得到低电平“0”,因为字选线W1~W3均为 低电平,故与这些字选线相连的MOS管都截止,相应的位线为“1”,4条位线Y3~Y0的数 据为0011,数据0011经4个三态门输出并反相送到数据线D3~D0上,输出数据 D3D2D1D0=1100。 图16-13 MOS管固定ROM 当输入的地址A1A0=01时,输出数据D3D2D1D0=0010; 当输入的地址A1A0=10时,输出数据D3D2D1D0=1010; 当输入的地址A1A0=11时,输出数据D3D2D1D0=1101。 16.3.2 可编程只读存储器(PROM) tyw藏书 固定 ROM 存储的信息是固化的,用户不能更改,这对大量需要固定信息的数字电路 系统是适合的。但是在开发数字电路系统新产品时,人们经常需要将自己设计的信息内容 写入 ROM,固定ROM对此是无能为力的。遇到这种情况时可采用一种具有可写功能的 ROM——可编程只读存储器来实现。 可编程只读存储器英文缩写为PROM(Programmable Read Only Memory),在出厂 时,它是一种空白 ROM(存储单元全为“1”或“0”),用户可以根据需要写入信息,写入 信息后就不能再更改,也就是说PROM只能写一次。 PROM 的组成结构与固定 ROM 相似,只是在存储单元中的器件(二极管、三极管或 MOS 管)上接有镍铬或多晶硅熔丝,在写入数据时通过大电流将相应单元中的熔丝熔 断,从而将写入的数据固化下来。下面以双极型三极管构成的PROM为例来说明,图1614所示为其中的存储单元。 图16-14 三极管PROM存储单元 这种PROM在存储单元的三极管发射极串接了一个熔丝,当字选线Wi=1时,该单元处 于选中状态,三极管导通,电源通过三极管、熔丝加到位线Yj,Yj=1,如果要写入数 据“0”,只要提高电源VDD电压,在三极管导通时有很大的电流流过熔丝,熔丝断开,位 线Yj=0,从而完成了写入数据“0”。 tyw藏书 如果有的单元不需要写“0”,则不选中该单元,该字选线为“0”,相应的三极管截止, 熔丝不会熔断。写入数据完成后,只要将高电压电源换回到正常电源,三极管再导通时, 由于电流小,不会熔断熔丝。 16.3.3 可改写只读存储器(EPROM) tyw藏书 PROM是依靠熔断熔丝来写入数据的,但熔丝熔断后是不能恢复的,也就说PROM写 入数据后就不能再更改,这不能满足设计时需要反复修改存储内容的需要。为了解决这个 问题,又生产出可改写只读存储器。 可改写只读存储器的英文缩写为EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory),它具有可写入数据,并且可以将写入的数据擦除,再重新写入数据的特点。 EPROM的结构与固定ROM基本相同,不同之处在于它用一种叠层栅MOS管替代存储 单元中普通的MOS管。叠层栅MOS管的结构及构成的存储单元如图16-15所示。 tyw藏书 图16-15 叠层栅MOS管的结构及构成的存储单元 图16-15(a)所示为叠层栅MOS管的结构示意图,它有两个栅极(G极),上面的栅 极与普通的栅极作用相同,称之为选择栅极,下面的栅极被包围在二氧化硅(SiO2)绝缘 层中,处于悬浮状态,称为浮置栅极。在 EPROM 写入数据前,片内所有的存储单元中的 叠层栅 MOS 管的浮置栅极内无电荷,这种情况下的叠层栅MOS管与普通的NMOS管一 样。 在没有写入数据时,如果选中某存储单元,该单元的字选线Wi为高电平“1”时,叠层 栅MOS管处于导通状态,位线Yj为低电平“0”,再经三态门反相后,在数据线得到“1”。即 没写入数据时,存储单元存储数据为“1”。 当往存储单元写入数据时,需要给叠层栅MOS管的漏极(D极)、源极(S极)之间 加很高的电压(例如+25V,它由VDD经NMOS管VT1送来),然后给字选线Wi送高幅度的 正脉冲(例如宽度为50ms、幅度为25V的脉冲),叠层栅MOS管漏极、源极之间有沟道形 成而导通,由于选择栅极电压很高,它产生很大的吸引力,沟道中的一部分电子被吸引而 穿过二氧化硅薄层到达浮置栅极,浮置栅极带负电,由于浮置栅极被二氧化硅绝缘层包 围,它上面的电子很难放掉,没有外界电压作用时可以长期保存(10年以上)。当高电压 改成正常电压后,由于浮置栅极上负电荷的影响,选择栅极电压加+5V 的电压无法使漏 极、源极之间形成沟道,即在普通情况下,叠层栅MOS管选择栅极即使加高电平也无法 导通,位线Yj=1,经三态门反相后,在数据线D上得到“0”,从而完成往存储单元写“0”的 过程。 如果要擦除EPROM存储的信息,可以采用紫外线来照射。让紫外线照射EPROM上的 tyw藏书 透明石英玻璃窗口(照射时间为15~20min),这样EPROM内部各存储单元中的叠层栅 MOS管的浮置栅极上的电子获得足够的能量,又会穿过二氧化硅薄层回到衬底中,叠层 栅 MOS 管又相当于普通的MOS管,存储单元存储数据又变为“1”,从而完成了信息的擦 除。 16.3.4 电可改写只读存储器(EEPROM) tyw藏书 可改写只读存储器(EPROM)擦除信息时需要用到紫外线,另外在擦除时整个存储 信息都会消失,这仍会造成操作不方便。因此后来人们又开发出一种更先进的存储器—— 电可改写只读存储器。 电可改写只读存储器的英文缩写为EEPROM(或E2PROM),它的结构与EPROM很 相似,不同之处在于 EEPROM 的叠层栅MOS 管的浮置栅极上增加了一个隧道管,在电压 的控制下,浮置栅极上的电子可以通过隧道管放掉,而不用紫外线,即 EEPROM的写入 和擦除数据都由电压来完成。 EEPROM的特点是既能写入数据,又可以将写入的数据擦除,擦除数据时只需要用普 通的电压就可以完成,并且能一字节(8位二进制数称为一字节)一字节地独立擦除数 据。EEPROM擦除数据的时间很短,一般整片擦除时间约为10ms,每个存储单元可以改 写的次数为几万次或几百万次以上,存储的数据可以保存10年以上,这些优点使它得到了 越来越广泛的应用。 图书在版编目(CIP)数据 tyw藏书 电子工程师自学速成.提高篇/蔡杏山主编.--北京:人民邮电出版社,2014.1 ISBN 978-7-115-33195-3 Ⅰ.①电… Ⅱ.①蔡… Ⅲ.①电子技术 Ⅳ.①TN 中国版本图书馆CIP数据核字(2013)第221392号 内容提要 “电子工程师自学速成”丛书分为“入门篇”、“提高篇”和“设计篇”共3本。本书为“提高 篇”,包括模拟电路和数字电路两大部分,模拟电路部分的内容有电路分析基础、放大电 路、放大器、谐振电路、滤波电路、振荡器、调制电路、解调电路、变频电路、反馈控制 电路、电源电路和晶闸管电路,数字电路部分的内容有数字电路基础、门电路、数制、编 码、逻辑代数、组合逻辑电路、时序逻辑电路、脉冲电路、D/A 转换器、A/D转换器和半 导体存储器。 本书具有基础起点低、内容由浅入深、语言通俗易懂、结构安排符合学习认知规律的 特点。本书适合作为电子工程师用于提高的自学图书,也适合用作职业学校和社会培训机 构的电子电路教材。 ◆主编 蔡杏山 责任编辑 张鹏 责任印制 彭志环 焦志炜 ◆人民邮电出版社出版发行  北京市丰台区成寿寺路11号 邮编 100164  电子邮件 315@ptpress.com.cn 网址 http://www.ptpress.com.cn 北 京隆昌伟业印刷有限公司印刷 ◆开本:787×1092 1/16 印张:17.75 字数:475千字  2014年1月第1版 印数:1-000册  2014年1月北京第1次印刷 定价:45.00元 读者服务热线:(010)81055410 印装质量热线:(010)81055316 反盗版热线:(010)81055315 广告经营许可证:京崇工商广字第0021号

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