低频电子电路_08章(20120604)

《低频电子电路》----------人民邮电出版社21世纪高等院校信息与通信工程规划教材普通高等教育“十一五”国家级规划教材8.3电流模与电压模电路8.2比较指示器与集成运放的大信号应用8.1精密整流与集成运放应用第八章电路分析和电路构造案例分析关注精密整流电路的基本工作原理8.4直流稳压电源与运用关注比较器的基本工作原理关注电压模与电流模电路的本质关注线性直流稳压电源的结构第8章电路分析和电路构造案例分析8.1精密整流与集成运放应用1、二极管半波整流电路（a）电路（b）波形两个缺陷：（1）因二极管死区电压的存在，输出为零的区间约大于输入大于零的区间，即零点定位与输入存在差异；（2）因二极管导通时间内的实际导通电压模糊，电路输出电压的绝对值应小于输入电压绝对值，其差值大小模糊不定,即导通期间输出波形与输入波形存在非线性转换情况。第8章电路分析和电路构造案例分析2、精密整流电路00s-vRv在vs0时，电路只需极小电压激励就能通过集成运放使二极管D1导通、D2截止，原电路简化为图8-1-2（a）；即电路输出为零。此时，在深度负反馈作用下，因反馈电阻为零，图8-1-2(a)vs0时等效电路图8-1-1(c)精密半波整流电路第8章电路分析和电路构造案例分析在vs0时，二极管D1截止、D2导通，简化为图8-1-2（b）；图8-1-2(b)vs0时等效电路在深度负反馈作用下，通过R2重建输出电压，即:s2ovRRv可见，无论输入是否大于零，在整体上都可以理解为集成运放与二极管串联为整体非线性增益单元，反馈则由线性电阻构成，因此输出与输入成比例。第8章电路分析和电路构造案例分析电路特点：（1）以输入电压是否大于零为依据，通过二极管单向导电特性构成的换路效果，实现并完成电路整流目的。（2）可以认为，电路利用集成运放与二极管串联整体的高增益作为深负反馈放大电路结构的增益单元，因此，二极管导通或截止期间的非线性影响，必将被深负反馈结构减弱，即克服了二极管整流电路的缺点，也因此被称为精密整流电路。第8章电路分析和电路构造案例分析整个电路在具有单个电路形式的同时，采用二极管单相导电原理，形成由输入信号是否大于零决定的不同具体电路通路或电路空间；在各个电路空间又采用深负反馈的结构，弱化了集成运放和二极管串联电路的非线性带来的影响，从而提高了整流精度。第8章电路分析和电路构造案例分析8.2比较指示器与集成运放的大信号应用比较指示器常称为比较器或检测器，其电路的输入信号通常为模拟信号，输出则为高低电平的二进制数字信号，高低电平的不同表征了输入信号特征的两个明显差异。8.2.1单限比较器单限电压比较器是以输入电压是否大于参考电压作为电路输出高低电平指示依据的比较电路。电路利用图8-2-1(a)所示的电压型集成运放特性，即两输入端压差是否大于零，作为输出正负信号的依据，又因集成运放增益极大，因此两输入端压差在大约10μV左右就可以使输出极大或极小。图8-2-1(a)电压型集成运放特性第8章电路分析和电路构造案例分析可以近似采用如图8-2-1（b）、（c）所示电路实现单限电压比较功能。其中，（b）图的参考电压VREF也可以称为电路输入门限，（c）图可以认为是（b）图中参考电压VREF等于零时的特例，（c）图电路常称为过零比较器。图8-2-1(b)过零比较器图8-2-1(c)单限比较器第8章电路分析和电路构造案例分析8.2.2迟滞比较器对于叠加有噪声的波形,若采用上节的单限比较电路,往往会在参考电压时出现输出高低电平频繁翻转的现象。为避免此情况出现，需要设计一种迟滞比较特性，该特性具有取值不同的两个门限，即如图8-2-2（a）所示的下门限电压VL和上门限电压VH。图8-2-2(a)磁滞比较器数学特性第8章电路分析和电路构造案例分析图8-2-2(b)磁滞比较器典型应用波形迟滞电压比较器与单限比较器的差异在于输出高低电平的变化依据不再以输入信号大小为绝对依据，而是要考虑输入信号的变化方向，也就是说，输入信号从小变大或是从大变小的输出跳变门限是不同的。第8章电路分析和电路构造案例分析图8-2-3(a)迟滞比较器原理图(b)迟滞比较器典型电路图中电路输出反转的真实参考电压应为运放同相输入端的电位V+，而非输入的参考电压VREF。VL跳变时：Omin22REF2o22REF2-VRRRVRRRVRRRVRRRVffffffVH跳变时：Omax22REF2o22REF2-VRRRVRRRVRRRVRRRVffffff第8章电路分析和电路构造案例分析令，则:REF0VVL跳变时：2Omin20fRVVRRVH跳变时：2Omax20fRVVRR即在范围内，电路的输出仍维持原输出不变。Omax22Omin22VRRRvVRRRfsf第8章电路分析和电路构造案例分析8.3电流模与电压模电路（a）射极放大器（b）共发——共基放大器图8-3-1电压模与电流模认识分析晶体管β很大，并处于小信号运用时，电压增益均近似为：1vbeLrRA在5.2节的例5-2-1和例5-2-3的上限截止频率分析的对比中，我们发现图（b）的上限截止频率远大于图（a）。第8章电路分析和电路构造案例分析图（a）的T1输出端口电压模变量，具有电压vo1变化大，端口阻抗大的特点。使得T1输出端口的等效电容冲放电效应大，因此，由该电容引起的电路上限截止频率较低。图（b）的T1输出端口电流模变量，具有电流io1变化大，电压vo1变化小，端口阻抗小的特点。该特点使得T1输出端口的等效电容冲放电效应减弱，有效提升了影响总上限截止频率的关键第一级的上限截止频率。（a）射极放大器（b）共发——共基放大器第8章电路分析和电路构造案例分析8.3.1跨导运算放大器图中信号输入端的“-”、“+”分别代表反相输入端和同相输入端；IB为电路内部控制增益的偏置电流，其原理与晶体管基射级电阻受偏置电流控制相同。该运放具有输入、输出阻抗均较大，电路上限截止频率高，输出信号电流由两输入电压差决定，其增益较小（可以不采用深负反馈的应用结构），应用时确保接入较小负载阻抗等特点。图8-3-2跨导运算放大器电路符号跨导运算放大器可以看成是输入电压信号,输出电流响应的专用集成增益器件，简记为OTA（OperationalTansconductanceAmplifier），电路符号如图8-3-2所示。第8章电路分析和电路构造案例分析图8-3-3OTA典型应用电路(a)反相加法器LmmLRvGvGRiiv2i21i12o1oo第8章电路分析和电路构造案例分析图8-3-3OTA典型应用电路(b)阻抗变换器（回转器）LmmLmmLmmRGGRvGGvRiGvvGvivivR12i12i1o2io2io2iiii1第8章电路分析和电路构造案例分析8.3.2跨导线性环图8-3-4典型的跨导线性环电路4321vvvvTVveIi/sslnIiVvTs4s3s2s1lnlnlnlnIiVIiVIiVIiVTTTT4321iiii由PN结构成环路的跨导线性环路具有顺时针PN结的电流乘积等于逆时针PN结的电流乘积。第8章电路分析和电路构造案例分析8.4直流稳压电源与运用8.4.1直流稳压电源的类型及特点类型优点缺点线性直流稳压电源结构简单；稳压性能好；纹波小；工作可靠功率转换率低；体积较大开关稳压电源效率高；体积小动态性能差；电路复杂；成本高；带来大量谐波第8章电路分析和电路构造案例分析8.4.2线性直流稳压电源图8-4-1串联型线性直流稳压电源的结构框图电源变压器：实现两个功能，其一将电网供给的220V交流电压v1变换为符合整流电路需要的交流电压v2；其二使电源与电网实现电气隔离，可有效的保护电气设备。整流电路：利用二极管单向导电性实现将变压器次级交流电压v2整流为单向脉动的含直流分量的电压vR的转换功能。第8章电路分析和电路构造案例分析图8-4-1串联型线性直流稳压电源的结构框图滤波电路：实现将脉动电压vR变换为平滑的直流电压vF的功能，该直流电压易受电网电压波动、负载和温度变化的影响；稳压电路：利用稳压元件或负反馈控制电路等措施实现稳定输出直流电压VO的功能。第8章电路分析和电路构造案例分析1.单相整流电路⑴单相全波整流电路(a)电路图(b)工作波形图8-4-2单相全波整流电路第8章电路分析和电路构造案例分析⑵单相桥式整流电路图8-4-3（a）中四只整流二极管D1～D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。图8-4-3单相桥式整流电路在v2的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管D1流向RL，再由二极管D3流回变压器，其电流通路如图8-4-3（b）中虚线箭头表示。可见，D1、D3正向导通，D2、D4反偏截止，在负载RL上产生极性为上正下负的输出电压VO。第8章电路分析和电路构造案例分析图8-4-3单相桥式整流电路在V2的负半周，其电流通路如图8-4-3（c）中虚线箭头所示，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管D2流向RL，再由二极管D4流回变压器。可见，D1、D3反偏截止，D2、D4正向导通，电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。第8章电路分析和电路构造案例分析由此可见，桥式整流电路中的四个二极管被分为两组，根据变压器副边电压的极性不同分别导通，在负载上产生一个单方向的脉动电压。根据负载RL上输出电压的极性，可简化桥式整流电路如图8-4-3（d）所示，其中二极管的方向表示输出电压的极性为上正下负，其工作波形如图8-4-4。图8-4-4单相桥式整流电路工作波形图8-4-3单相桥式整流电路第8章电路分析和电路构造案例分析2.滤波电路(a)电容滤波电路(b)电感滤波电路(c)г型滤波电路(d)π型滤波电路图8-4-6常见的各种滤波电路第8章电路分析和电路构造案例分析3.稳压电路⑴稳压管稳压电路图8-4-7稳压管稳压电路优点：结构简单缺点：(a)稳压管反向饱和电流IZ的调节范围仅仅几十mA，这大大限制了负载电流IO的变化范围；(b)输出电压VO=VZ，因此受到稳压管性能的影响，输出电压受制于稳压管的稳定电压的波动；(c)限流电阻R将以耗能形式消耗输入的多余能量。第8章电路分析和电路构造案例分析⑵串联型线性稳压电路图8-4-8串联型稳压电路及原理框图VO↑→VF=kfVO↑→（VREF-VF）↓→VB↓IC↓→VCE↑→VO↓第8章电路分析和电路构造案例分析稳压的反馈控制原理分析调整管T连接成电压跟随器。从反馈放大电路的角度来看，这种电路属于电压串联负反馈电路。当反馈越深时，调整作用越强，输出电压VO也越稳定。图8-4-9串联型直流稳压电源第8章电路分析和电路构造案例分析⑶三端集成稳压器图8-4-10串联型稳压电路及原理框图第8章电路分析和电路构造案例分析①典型电路结构图8-4-11三端稳压器接线图正常工作时，输入VI与输出电压VO之差应大于2～3V。电路中接入电容C1、C2实现频率补偿，可防止稳压器产生高频自激振荡，并抑制电路引入的高频干扰。C3是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。二级管D是保护二极管，当输入端意外短路时，给输出电容器C3提供一个放电通路，防止C3两端电压作用于集成电路内部调整管的be结，造成be结击穿而损坏。第8章电路分析和电路构造案例分析②输出电压的扩展0QI12II21(1)ORVVVR12(1)ORVVR图8-4-12输出电压扩展电路第8章电路分析和电路构造案例分析②输出电流的扩展第8章电路分析和电路构造案例分析图8-4-13输出电流扩展电路(a)第8章电路分析和电路构造案例分析图8-4-13输出电流扩展电路(b)8.4.3开关型稳压电源1.串联型开关稳压电路8-4-14串联型开关稳压电路组成框图第8章电路分析和电路构造案例分析图8-4-15串联型开关稳压电路的电压、电流波形第8章电路分析和电路构造案例分析