模拟电路基础

模拟电路基础主讲庄涛中波发射理论多媒体课件学习目的本课通过对常见模拟电路及其系统的原理分析，获得模拟电子技术方面的基础知识和基本技能，为深入学习电子技术及其在专业中的应用打下基础。1.整流、滤波和稳压电路2.三极管放大电路3.场效应放大电路4.集成运算放大电路5.音频功率放大电路6.负反馈放大电路7.自动增益控制电路8.自动频率控制电路9.锁相环电路10.串并联谐振电路本节课程内容及学习目的本节主要内容整流、滤波和稳压电路整流电路种类：整流电路有半波整流、全波整流、桥式整流、三相全波整流、十二相整流等。整流电路概念：整流电路：将工频交流电转为具有直流成分的脉动直流电的电路。1.半波整流电路：半波整流利用二极管单向导通特性，在输入为标准正弦波的情况下，输出获得正弦波的正半部分，负半部分则损失掉。一般在要求不高的整流电路或高频整流电路里使用。电路里输整流输出电压为输入交流电压的0.45倍，即：VO=0.45V2半波整流电路整流前后波形对比电路2.全波整流电路：在全波整流中利用了交流电的两个半波，这就提高了整流器的效率，并使整流波变得平滑。因此在整流电路中广泛应用。电路里输整流输出电压为输入交流电压的0.9倍，即：VO=0.9V2桥式整流电路全波整流电路3.桥式整流电路：桥式整流器利用四个二极管，两两对接。输入正弦波的正半部分时两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。电路里输整流输出电压为输入交流电压的0.9倍，即：VO=0.9V2u2负半周时电流通路u2正半周时电流通路桥式整流电路工作原理图4.三相全波整流电路：当负载功率比较大或由于其它原因要求多相整流时，三相整流电路就被提了出来。在三相全波整流电路中，三相中的每一相都会单独形成半波整流电路，其整流出的三个电压半波在时间上依次叠加，纹波比较小。V1RLuLV6V3V4V2iLWVUu+––N共阳极组共阴极组L1L2L3TV5+工作原理：在每一瞬间，根据优先导通原则，共阴极组中阳极电位最高的二极管导通；共阳极组中阴极电位最低的二极管导通。4.十二相全波整流电路：十二相整流器电路是由△/△接法和△/Y接法两个三相桥式整流电路叠加而成的。对负载而言，两组整流臂相串联。十二相整流器的工作原理与三相桥式整流器基本相同，工作中总有四个整流管串联导电。十二相全波整流电路大幅度降低了电压的纹波系数，简化了滤波电路，不仅可以获得优质的直流电压输出，而且由于滤波元件的容量和数量都大为减少，有效地降低了供电瞬间产生的瞬态高压，大大降低了负载各元件由于瞬态高压而造成损坏的几率。十二相整流电路滤波电路的概念：滤波电路：将脉动直流电中的交流成分滤除，减少交流成分的电路称为滤波电路。滤波的方法一般采用无源元件电容或电感，利用其对电压、电流的储能特性达到滤波的目的。1.电容滤波电路：电容滤波电路是使用最多也是最简单的滤波电路。其结构为在整流电路的输出端并联一较大容量的电解电容，利用电容对电压的充放电作用使输出电压趋于平滑。该形式电路多用于小功率电源电路中。电容滤波电路电容滤波电路原理：①v2为正半周，且v2vC时，VD1、VD3管导通，v2向C充电。②直到v2vC时，VD1、VD3管截止，C上电压通过负载放电。③同理，v2负半周-v2vC时，VD2、VD4管导通，v2向C充电。④直到-v2vC时，VD2、VD4管截止，C上电压通过负载放电。⑤如此不断地充放电，维持着输出电压的锯齿状波动。滤波输出电压：2O2.1VV即输出的直流电是滤波前交流的1.2倍。u2tuot无滤波电容时的波形加入滤波电容时的波形2.电感滤波电路：在整流电路的输出端接上一个电感，利用其限制电流变化的特点，能使通过整流管的电流平滑。电感滤波适用于负载电流较大的场合。当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压:Uo(AV)≈0.9U2电容滤波电路原理：对于直流分量XL=0相当于短路,电压大部分降在RL上；对谐波分量，f越高，XL越大,电压大部分降在XL上。因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。LC–型滤波电路RC–型滤波电路在电容滤波后再接一级RC滤波电路。在电容滤波后面再接L-C型滤波电路。LC–型滤波电路输出电压的脉动系数比只有LC滤波时更小，波形更加平滑。其它改善滤波特性的方法L-C型滤波电路在电感滤波后面再接一电容。稳压电路的概念：稳压电路：对整流滤波后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压，使直流电路在电网波动、负载变化、温度变化等因素影响下保证输出电压稳定。线性串联型稳压电源的工作电流较大，输出电压可连续调节，稳压性能优越。稳压二极管稳压电路常用稳压路及特点电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。效率较高，目前用的也比较多，但因学时有限，这里不做介绍。线性稳压电路固定三端稳压电路开关稳压电路将串联稳压电源和保护电路集成在一起就是集成稳压器。1.稳压二极管稳压电路：它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳压的，由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。（稳压二极管在使用时一定要串入限流电阻，不能使它的功耗超过规定值，否则会造成损坏）。（1）输入电压VI的增加，必然引起VO的增加，即VZ增加，从而使IZ增加，IR增加，使VR增加，从而使输出电压VO减小。这一稳压过程可概括如下：这里减小。这一稳压过程可概括如下：VI↑→VO↑→VZ↑→IZ↑→IR↑→VR↑→VO↓二极管稳压电路工作原理：(2)当负载电流IL的增加，必然引起IR的增加，即VR增加，从而使VZ=VO减小，IZ减小。IZ的减小必然使IR减小，VR减小，从而使输出电压VO增加。这一稳压过程可概括如下：IL↑→IR↑→VR↑→VZ↓电容滤波电路2.线性稳压电路：线性串联型稳压电源的工作电流较大，输出电压一般可连续调节，稳压性能优越。目前这种稳压电源已经制成单片集成电路，广泛应用在各种电子仪器和电子电路之中。线性串联型稳压电源的缺点是损耗较大，效率低。线性稳压电路工作原理：1．输入电压变化，负载电流保：输入电压VI的增加，必然会使输出电压VO有所增加，输出电压经过取样电路取出一部分信号Vf与基准源电压VREF比较，获得误差信号ΔV。误差信号经放大后，用VO1去控制调整管的管压降VCE增加，从而抵消输入电压增加的影响。VI↑→VO↑→Vf↑→VO1↓→VCE↑→VO3.开关稳压电路：开关型稳压电源效率可达90%以上，造价低，体积小。现在开关型稳压电源已经比较成熟，广泛应用于各种电子电路之中。开关型稳压电源的缺点是纹波较大，用于小信号放大电路时，还应采用第二级稳压措施。构成：开关电源由调整管、滤波电路、比较器、三角波发生器、比较放大器和基准源等部分构成。开关型稳压电源原理：图中三角波发生器通过比较器产生一个方波VB，去控制调整管的通断。调整管导通时，向电感充电。当调整管截止时，必须给电感中的电流提供一个泄放通路。续流续流二极管D即可起到这个作用，有利于保护调整管。根据电路图的接线，当三角波的幅度小于比较放大器的输出时，比较器输出高电平，对应调整管的导通时间为Ton；反之输出为低电平，对应调整管的截止时间Toff。为了稳定输出电压，应按电压负反馈方式引入反馈，以确定基准源和比较放大器的连线。设输出电压增加，FVO增加，比较放大器的输出Vf减小，比较器方波输出的Toff增加，调整管导通时间减小，输出电压下降。起到了稳压作用。可以通过改变比较器输出方波的宽度（占空比）来控制输出电压值。这种控制方式称为脉冲宽度调制(PWM)。1．调整管工作在开关状态，功耗大大降低，电源效率大为提高；2．调整管在开关状态下工作，为得到直流输出，必须在输出端加滤波器;3．可通过脉冲宽度的控制方便地改变输出电压值；4．在许多场合可以省去电源变压器；5．由于开关频率较高，滤波电容和滤波电感的体积可大大减小开关型稳压电源的特点：4.三端稳压器电路概念：运用集成工艺，将串联型稳压电路的取样电路、基准电压、比较放大电路、保护电路及调整管等全部制作在一块硅上，引出输入、输出和公共三个端子，称为三端式集成稳压器。电路中的符号为：类型：三端稳压器可分为78系列三端稳压器输出固定的正电压，79系列三端稳压器输出固定的负电压。W317是三端可调正输出集成稳压器。优点：体积小、重量轻、可靠性高，而且安装、调试十分方便。三端稳压实物及符号三端稳压应用电路图示电路可提供15V电压的稳压电源。两个24V的电源变压器二次电压分别提供给两个格式整流器，两个1000F电容器分别为两个桥式整流电路的滤波电容。输出电压可调的稳压电路输出负电压的三端稳压电路输出正电压的三端稳压电路三极管放大电路只要给电路中的三极管外加合适的电源电压，就会产生电流Ib、Ic和Ie，这时很小的Ib就可以控制比它大上百倍的Ic。显然Ic不是由三极管产生的，而是由电源电压在Ic的控制下提供的，这就是三极管的能量转换作用（即三极管的放大作用）。如右图所示。三极管放大的概念：电流放大作用示意图uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共发射极共集电极共基极晶体管电路的三种连接方式：输入耦合电容发射极负反馈电阻旁路电容集电极负载电阻输出耦合电容基极偏置电阻共射极放大电路电路组成：C1：输入耦合电容，起隔直流作用；Rb1、Rb2：基极偏置电阻，为基极提供偏置电压；Re：射极偏置电阻（直流负反馈）；Ce：射极旁路电容Rc：集电极偏置电阻，具有把集输出电极电流ie转化成集电极电压EC输出；C2：输出耦合电容，具有隔离作用，使放大器与负载之间直流隔离，而交流耦合。共射极放大电路是三极管放大电路最常用的一种放大形式，在放大电路中，输入信号ui经过C1耦合加至三极管b、e极后，各极电压、电流大小均在直流量的基础上，叠加了一个随ui变化而变化的交流量，这时电路处于交流状态或动态工作状态（放大状态），简称为动态。测试实验：在放大电路的输入端送入f=1kHz，幅度适当的正弦信号，输出端用示波器观察输出电压波形。实验示意如图所示。三极管放大电路主要性能指标：（1）电压放大倍数：是指放大电路输出电压有效值和输入电压有效值之比；（2）电流放大倍数：是指放大电路输出电流有效值和输入电流有效值之比；（3）功率放大倍数：是指放大电路输出功率有效值和输入功率有效值之比。三极管放大电路三种工作状态：（1）放大状态：发射极正偏集电极反偏,三极管处于放大状态；（2）截止状态：发射极正偏集电极正偏工作在饱和区;（3）饱和状态：发射极反偏集电极反偏工作在截止区。多级直接耦合放大电路特点：(1)可以放大交流和缓慢变化的直流信号；(2)便于集成化。(3)各级静态工作点互相影响；基极和集电极电位会随着级数增加而上升；Rc1Rb1+VCC+T1+iUOURc2Rb2T2两个单管放大电路简单的直接耦合C1RC1Rb1+VCCC2RL++T1+iUoU+Rc2Rb2C3T2+特点：1.静态工作点相互独立，在分立元件电路中广泛使用。在集成电路中无法制造大容量电容，不便于集成化。2.无法放大直流及变化缓慢的信号多级阻容耦合放大电路阻容耦合放大电路反馈的定义：凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部引回到输入端，与输入信号迭加，就称为反馈。若引回的信号削弱了输入信号，就称为负反馈。若引回的信号增强了输入信号，就称为正反馈。负反馈放大电路这里所说的信号一般是指交流信号，所以判断正负反馈，就要判断反馈信号与输入信号的相位关系，同相是正反馈，反相是负反馈。放大器输出输入取+加强输入信号正反馈用于振荡器取-削弱输入信号负反馈用于放大器反馈网络±叠加反馈信号实际被放大信号负反馈的作用：反馈电路是基本放大器和反馈网络组成的闭环电路。在电路中起稳定静态工作点；稳定放大倍数；改善输入电阻和输出电阻；扩展通频带，改善输出信号波形的作用。交流反馈：反馈只对交流信号起作用。直流反馈：反馈只对直流信号起作用。在起反馈作用的电阻两端并