模拟电路学习笔记讲解.docx
《模拟电路学习笔记讲解.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟电路学习笔记讲解.docx（40页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
模拟电路学习笔记讲解
模电（放大、电源电路）学习
OperationalAmplifier-----运算放大器；Simplified----简化的；Common---对应共模信号（C）；Difference---对应差模信号（D）；
>>TTL-------三极管-三极管逻辑电路；MOS-----金属-氧化物-半导体电路。
TTL电平：
输出高电平>2.4V,输出低电平<0.4V。
在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平是0.2V。
最小输入高电平和低电平：
输入高电平>=2.0V，输入低电平<=0.8V，噪声容限是0.4V。
CMOS电平：
1逻辑电平电压接近于电源电压，0逻辑电平接近于0V。
而且具有很宽的噪声容限。
>>EMC（ElectroMagneticCompatibility）电磁兼容性，包括EMI（interference）和EMS（susceptibility）,也就是电磁干扰和电磁抗干扰。
>>主要学习内容：
集成放大电路、差分放大电路、多级放大电路、功率放大电路。
----------总之就是多级的差分输入集成放大电路---多个集成运放组成的多级放大电路。
>>放大概念：
放大倍数为大于1、小于1或等于1都是放大。
>>“线与”----即线与逻辑，即两个输出端（包括两个以上）直接互连就可以实现“AND”的逻辑功能。
在总线传输等实际应用中需要多个门的输出端并联连接使用，而一般TTL门输出端并不能直接并接使用，否则这些门的输出管之间由于低阻抗形成很大的短路电流（灌电流），而烧坏器件。
在硬件上，可用集电极开路门（OC门）或三态门（TS门）来实现。
用OC门实现线与，应同时在输出端口应加一个上拉电阻。
>>电阻、电容测量方法：
测电阻、电容最终都是转换成电压并通过AD测量并找出电阻、电容与电压的函数关系，从而根据测得的电压值来计算电阻值或电容值。
1模拟电路类型：
（整流、滤波、稳压）、微分和积分、选频、电压比较、振荡、反馈、放大电路。
（1）电源类：
整流、滤波、稳压--由220V交流电得到稳压的直流电。
（2）微分和积分电路：
积分电路把方波转换为三角波或斜波（锯齿波）；微分电路把方波转换成尖脉冲波（波形变换）还具有滤波、延时、定时等作用。
（3）选频电路：
利用电路的谐振特性选取信号--类似滤波电路。
（4）电压比较电路：
比较两个输入电压的大小关系--放大倍数无穷大的运放。
（5）振荡电路：
包括RC、LC、石英晶体振荡（晶振）电路--为MCU提供时钟信号。
（6）反馈电路：
包括正反馈和负反馈电路。
（7）信号运算与处理电路：
包括比例运算、加减运算、微分积分运算、对数指数运算、模拟乘法器和滤波器电路。
（8）波形发生与信号转换：
包括振荡电路、电压比较器、非正弦波发生电路和U-I转换、精密整流、u-f转换电路（压控振荡器）。
（9）放大电路：
包括BJT放大、FET放大、运算放大（集成放大）、功率放大。
2重点学习电路：
各类放大电路及其相关电路（滤波、稳压、U-I转换等电路）。
学习方法：
先打好基础、不急于求成;首先熟悉基本集成放大电路-----定性分析----定量计算（任何学习都是相通的、由浅入深、循序渐进、脚踏实地、功到自然成）。
----------------
3熟悉集成放大电路：
偏置电路：
晶体管构成的放大器要做到不失真地将信号电压放大，就必须保证晶体管的发射结正偏、集电结反偏。
即应该设置它的静态工作点。
所谓工作点就是通过外部电路的设置使晶体管的基极、发射极和集电极处于所要求的电位（可根据计算获得）。
这些外部电路就称为偏置电路（可理解为，设置PN结正、反偏的电路），偏置电路向晶体管提供的电流就称为偏置电流，也可表述为为各级放大电路设置合适的静态工作点的电路。
输入电阻：
（从输入端看进去的等效电阻）和输出电阻（将输出等效成有内阻的电压源，内阻就是输出电阻）-----输出电阻越小、负载能力越强。
通频带：
只对有限频率范围内的信号进行放大。
衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。
由于电容、电感及放大管PN结的电容效应，使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移。
静态工作点（Q点）：
输入信号为零时，电路处于直流工作状态，这些电流、电压的数值可用BJT特性曲线上一个确定的点表示，该点习惯上称为静态工作点Q，设置静态工作点的目的就是要保证在被放大的交流信号加入电路时，不论是正半周还是负半周都能满足发射结正向偏置，集电结反向偏置的三极管放大状态（信号的整个周期内保证晶体管始终工作在放大区！
）。
可以通过改变电路参数来改变静态工作点，这就可以设置静态工作点。
饱和失真：
就是输入信号的正半周期超过了三极管的放大能力，造成失真，对应的就是输出波形底部失真，此时三极管就会处于饱和状态，解决饱和失真的方法就是调低静态工作电流Ib（增大Rb）----因为当Vbe接近最大时、Ib太大以至于IC不能增加，即输出电压不能继续减小----所以需要限制Ib的大小。
截止失真：
当输入的波形是负半周时，快到谷值时，三极管就会处于截止状态，那么此时的输出就不再随输入变化了，即输出得到的正半周正弦波波形就没有峰值了，此时BJT处在截止区域，如同工作在断开区域-----解决方法是增加偏置电压。
---输出与输入反相
晶体管：
有三个工作区：
饱和区、截止区和线性放大区。
对于共发射极的基本放大电路，其输入波形正好与输出波形反相，就是相位相差180度，当输入为正弦波正半周期时，应该输出正弦波负半周期。
耦合：
是指两个或两个以上的电路元件或电网络的输入与输出之间存在紧密配合与相互影响，并通过相互作用从一侧向另一侧传输能量的现象-----阻容耦合：
放大器级与级之间通过电容相连；直接耦合：
放大器级与级之间不通过任何元件直接相连的。
功率放大电路----分立元件构成
1功率放大电路的要求：
<1输出功率尽可能大:
即在电源电压一定的情况下，最大不失真输出电压最大。
<2效率尽可能高:
即电路损耗的直流功率尽可能小，静态时功放管的集电极电流近似为0。
2按晶体管的工作方式或状态：
<1.甲类方式：
晶体管在信号的整个周期内均处于导通状态
<2.乙类方式：
晶体管仅在信号的半个周期处于导通状态
<3.甲乙类方式：
晶体管在信号的多半个周期处于导通状态
----------工作状态是由偏置电路决定的或实现的（偏置电压与Q点不同）。
3按照电路的组成或结构：
<1.变压器耦合乙类推挽：
单电源供电，笨重，效率低，低频特性差。
<2.OTL电路：
单电源供电、输出端为电容耦合，低频特性差。
<3.OCL电路：
正负双电源供电、输出端为直接耦合，效率高，低频特性好。
<4.BTL电路：
单电源供电，低频特性好；双端输入双端输出---对称的OTL或OCL电路推挽（读音为wan）工作。
集成运算放大电路
集成运算放大电路：
简称集成运放，是一个高性能的直接耦合多级放大电路。
因首先用于信号的运算，故而得名------可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。
1集成运放的符号：
特点：
电压放大倍数高、输入电阻大、输出电阻小、共模抑制比高、抗干扰能力强、可靠性高、体积小、耗电少。
差分放大电路：
把两个输入端的电压差以固定增益放大，将一个输入端接地即可得到单端输入放大器，分为双端输入双端输出、双入单出、单入双出、单入单出四种类型。
对共模信号有很强的抑制能力，放大差模信号，可以稳定Q点，因此差分放大电路一般做放大电路的输入级，可以抑制由外界条件的变化给电路带来的影响（如温度影响）可以直接检测任意两点间的电压，可以稳定增益----比较精确（总之是放大差模信号、抑制共模信号）。
2差模（d）与共模（c）：
-----差分放大电路的概念。
共模信号：
大小相等，极性相同----温度变化所引起的噪声或干扰信号。
差模信号：
大小相等，极性相反----有用的输入信号或检测到的信号。
共模抑制比KCMR=Ad/Ac：
综合考察差分放大电路放大差模信号的能力和抑制共模信号的能力-------理想时为无穷大（Ac为共模放大倍数----理想时为0，Ad为差模放大倍数）。
总之：
共模信号为噪声或干扰信号、差模信号为有用信号。
3理想运放：
“虚断”i－=i+=0------适用于理想运放工作在线性和饱和时！
“虚短”u+=u-------只适用于理想运放闭环线性应用时！
开环电压增益Aud=∞；输入阻抗ri=∞；输出阻抗ro=0；带宽fBW=∞。
>>运放要工作在线性区，必须引入深度负反馈。
4线性应用：
比例、加法、减法、乘法、除法、积分、微分、对数、指数等模拟运算电路。
5同相与反相输入端：
U-对应的端子为“-”，当输入U-单独加于该端子时，输出电压与输入电压U-反相，故称它为反相输入端。
U+对应的端子为“＋”当输入U+单独由该端加入时，输出电压与U同相，故称它为同相输入端。
同相放大器、反相放大器：
输入端的极性和输出端是同一极性的就是同相放大器（输入信号从同相输入端输入），输入端的极性和输出端是相反极性的就是反相放大器（输入信号从反相输入端输入）。
同相放大器、反相放大器对比：
同相放大电路:
优点在于有足够大的输入阻抗，对于输出阻抗很大的电路比较适用。
缺点在于放大电路没有虚地，抗干扰能力相对较差，另外一个小缺点是放大倍数只能大于1。
反向放大电路:
优点是同相端接地，反相端虚地，抗干扰能力强
缺点是输入阻抗很小，不适用于前级电路输出阻抗很大的场合
6集成运放的组成：
一般由4个部分组成，偏置电路，输入级，中间级，输出级。
输入级：
又称前置级，输入电阻大、差模放大倍数大、共模放大倍数小、输入端耐压高，并完成电平转换（即对“地”输出），多采用差分放大电路。
中间级：
主放大器，它所采取的一切措施都是为了增大放大倍数，多采用共射放大电路。
输出级：
功率级，多采用准互补输出级，输出电阻小、最大不失真输出电压高。
偏置电路：
为各级放大电路设置合适的静态工作点。
采用电流源电路。
集成运放组成的放大电路
研究问题：
（1）运算电路：
运算电路的输出电压是输入电压某种运算的结果，如加、减、乘、除、乘方、开方、积分、微分、对数、指数等。
（2）描述方法：
运算关系式uO＝f（uI）。
（3）分析方法：
“虚短”和“虚断”是基本出发点。
1比例运算电路：
ComponentWizard.；平、0；0000
同相输入----------输入输出的电压符号相同。
反相输入----------输入输出的电压符号相反。
电压跟随器-------输出端与反相输入端直接连接（或通过电阻连接），使得输出电压与同相输入电压相等。
电压跟随器作用是做缓冲级或隔离级（承上启下），提高输入阻抗、降低输出阻抗，可以降低损耗、提高带负载能力。
单端输入放大电路：
根据公式调整Rf与R的关系即可实现不同的放大倍数。
2加减运算电路：
反相求和：
多个信号从反相输入端输入。
同相求和：
多个信号从同相输入端输入--输入电路相同时运算结果正好相反。
加减运算：
即同相求和与反相求和相结合的电路---同相输入端与反相输入端都有输入。
双输入差分放大：
即同相输入端与反相输入端都有一个输入信号。
3积分与微分电路：
有源滤波电路
1基本的有源滤波电路----低通滤波电路
无源滤波电路的滤波参数随负载变化；有源滤波电路的滤波参数不随负载变化，可放大。
无源滤波电路可用于高电压大电流，如直流电源中的滤波电路；有源滤波电路是信号处理电路，其输出电压和电流的大小受有源元件自身参数和供电电源的限制。
2高通、带通、带阻有源滤波器：
有源滤波电路：
需要有电源输入，需要提供额定的电压，由有源元件（运放）和无源元件（L/R/C）组成-----主要是有源RC滤波。
无源滤波电路：
仅由无源元件（L/R/C）组成，无电源输入，主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波（倒L、LC、RC）。
u-i转换电路
1输出电流与输入电压成正比---电压控制电流。
2负载不接地。
3-------如何判断输出的是电流还是电压：
输入决定输出电流的大小、与负载无关，则输出的是电流；输入决定输出电压的大小、与负载无关，则输出的是电压-----特定功能的电路可以输出确定的电流或电压----U-I转换电路输出的是电流，电流的大小与负载无关，只与输入电压有关。
>>实际应用：
电阻法测大电阻时，输入电流大小由待测电阻决定,待测电阻在1M-25M之间，放大电路中的电阻对电流的影响可以忽略不计，因此该放大电路的输入信号可以看成是电流信号。
I-V转换电路
1、把输出的电流转换成电压-------通过AD测出电压值并找出对应关系。
2、I-V变换典型电路：
（1）I-V变换电路其实就是运算放大器构成的---仍然是虚短虚断。
（2）称之为I-V变换的关键是输入的电流信号稳定---或者说输入的是电流信号（电阻法中测量的大电阻很大，因此放大电路中的小电阻几乎不影响电流的大小----输入的是电流信号）。
（3）运放的同相输入端通过小电阻接地是关键-----同相与反相输入端的电压为0，通过两次反相并放大，电流信号转换为正的电压信号-----具体的过程是：
正电压地负电压地正电压输入到AD。
（4）第一个运放是I-V变换（不应该有R1---或者把R1看成恒流源的内阻），第二个是典型的放大电路。
端口输出结构及特点
1推挽式输出
原理：
两个三极管轮流导通工作，信号的正半周T1导通、T2截止；负半周T2导通、T1截止，如下图所示：
输出方式对比：
推挽输出：
可以输出高,低电平,连接数字器件；推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管导通的时候另一个截止-------相当于强上拉和强下拉，即上拉电阻与下拉电阻换成两个开关—上拉下拉开关，输出高电平时，上拉开关开、下拉开关关----上拉电阻为0；输出低电平时上拉开关关、下拉开关开----下拉电阻为0；
开漏输出：
输出端相当于三极管的集电极（漏极）。
要得到高电平状态需要上拉电阻才行。
适合于做电流型的驱动,其吸收电流的能力相对强（一般20mA以内）。
2OC门与线与结构：
OC门------集电极开路门；线与---如下图，Y1与Y2有一个为低则Y为低。
线与：
如下图所示，如果Y1、Y2有一个为低电平（输出端两个三极管有一个导通），则电路导通，上拉电阻把输出端电阻拉低---输出Y为低，也就是实现逻辑与的功能。
如上面左图，OC门是必须接上拉电阻的，否则无法输出高电平。
对比以上左右两图：
左图：
有上拉电阻，T5导通输出低电平，T5截止时输出高电平---两种状态，51单片机的P1、P2、P3即为有上拉的情况，可以输出高低电平。
右图：
无上拉电阻，T导通输出低电平，T截止时为高阻态---也是两种状态，
51单片机的P0即为没有上拉的情况，因此必须外接上拉电阻。
（1）上拉电阻：
上拉电阻并非是把电阻拉高，恰恰相反，上拉电阻只具有把电压拉低的作用（电阻分压），上拉电阻R相当于输出的内阻，如果R太小可能导致电流太大而烧毁电路，如果R太大可能导致输出电压太低（负载电阻小的时候）从而使得原本输出的高电平变为低电平----因此选择上拉电阻很重要，接负载时也要格外注意对电路的保护和负载对输出电压的影响。
（2）举例说明选择上拉电阻：
设输入端每端口不大于100uA,设输出口驱动电流约500uA，标准工作电压是5V，输入口的高低电平门限为0.8V（低于此值为低电平）；2V（高电平门限值）。
确定上拉电阻最小值：
上拉电阻分压为500uAx8.4K=4.2即选大于8.4K时输出端能下拉至0.8V以下，此为最小阻值，再小就拉不下来了。
如果输出口驱动电流较大，则阻值可减小，保证下拉时能低于0.8V即可。
确定上拉电阻最大值：
当输出高电平时，忽略管子的漏电流，两输入口需200uA（两个100uA之和），上拉电阻分压为200uAx15K=3V------即上拉电阻压降为3V，输出口可达到2V，此阻值为最大阻值，再大就拉不到2V了，因此选10K可用。
（3）上拉下拉定义：
>>上拉就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平！
电阻同时起限流作用！
下拉同理！
>>上拉是对器件注入电流，下拉是输出电流。
>>弱强只是上拉电阻的阻值不同，没有什么严格区分--阻值大的为弱上拉，小的为强上拉。
>>推挽式结构为最强上拉和最强下拉------输出为高时上面开关通，相当于上拉电阻为0；输出为低时下面开关通，相当于下拉电阻为0（两个开关不能同时通，否则会烧毁）。
（4）OC门符号：
3三态输出门（TS门）
组成：
包括两个反相器和一个二极管，以及典型的TTL与非门电路。
如下图所示虚框内为反相器和二极管，剩余的为TTL与非门电路。
三态是针对输出端而言。
普通的TTL与非门其输出极的两个晶体管T4、T5始终保持一个导通，另一个截止的推拉状态。
T4导通，T5截止，输出高电平Y=1；T4截止，T5导通，输出低电平，Y=0。
三态门除了上述两种状态外，又出现了T4、T5同时截止的第三种状态。
因为晶体管截止时c、e之间是无穷大阻抗，输出端Y对地、对电源（vcc）阻抗无穷大。
因此这第三种状态也称高阻状态。
高阻分析：
如下图，EN为0时T1导通T2截止；二极管D导通T4截止；
T2截止T5截止，所以T4、T5都截止。
端口使能EN：
使端口处在高低电平状态，或处在高阻状态。
用途：
可以构造总线结构，各个端口处在同一条总线上，通过使能信号EN使任何时候仅有一个被使能，其他处在截止状态即可；
TS门符号：
C为高电平使能
C为低电平使能
4IC输出端口保护电路：
引脚之间往往通过二极管相连，但并非一致，要根据具体型号的IC来测试其好坏-----最好的方法是对比法：
用好的IC与待测IC对比测试。
放大电路中的反馈
1、反馈：
放大电路输出量的一部分或全部通过一定的方式引回到输入回路，影响输入----反馈电路框图如下：
2、正反馈和负反馈：
从反馈的结果来判断，凡反馈的结果使输出量的变化减小的为负反馈，否则为正反馈；或者凡反馈的结果使净输入量减小的为负反馈，否则为正反馈。
直流反馈和交流反馈：
直流通路中存在的反馈称为直流反馈，交流通路中存在的反馈称为交流反馈。
局部反馈和级间反馈：
只对多级放大电路中某一级起反馈作用的称为局部反馈，将多级放大电路的输出量引回到其输入级的输入回路的称为级间反馈。
电压反馈与电流反馈：
将输出电压的一部分或全部引回到输入回路来影响净输入量的为电压反馈
------反馈量与输出电压成比例。
将输出电流的一部分或全部引回到输入回路来影响净输入量的为电流反馈
------反馈量与输出电流成比例。
串联反馈和并联反馈：
描述放大电路和反馈网络在输入端的连接方式，即输入量、反馈量、净输入量的叠加关系。
------电压相减ud=ui–uf对应串联反馈；电流相减id=ii–if对应并联反馈。
------因为电压串联才会相加减；电流并联才会相加减。
3、四种反馈组态：
如何判断反馈组态：
分别判断反馈是电压反馈还是电流反馈；反馈是串联反馈还是并联反馈。
具体反馈电路举例：
（1）电压串联负反馈电路（左）和电压并联负反馈电路（右）：
>>反馈量UF与UO成正比反馈量iF与UO成正比
>>UD=UI–UF（电压相减）iN=iI–iF（电流相减）
（2）电流串联负反馈电路（左）和电流并联负反馈电路（右）：
结论：
区分电压与电流反馈------电压反馈Uo接负载后直接接地，电流反馈Uo接负载再接电阻后接地-----电压反馈的反馈量与电压成正比----但反馈量可以为电流；电流反馈的反馈量与电流成正比----但反馈量可以为电压。
区分并联与串联反馈------串联反馈同相与反向输入端都不直接接地，反馈量不反馈到输入端---反馈到另一端；并联反馈同相与反向输入端有一端接地（若加电阻则是为了限流），反馈量反馈到输入端。
>>反馈量UF与IO成正比反馈量iF与IO成正比
>>UD=UI–UF（电压相减）iN=iI–iF（电流相减）
4、负反馈放大电路的自激振荡：
产生条件：
放大电路的级数越多，耦合电容、旁路电容越多，引入的负反馈越深，产生自激振荡的可能性越大。
消除自激振荡的方法（滞后补偿方法）：
（1）简单滞后补偿：
---C为补偿电容
（2）密勒补偿：
C为补偿电容；C’为虚拟电容
（3）RC滞后补偿：
总结：
滞后补偿法消振均以频带变窄为代价，RC滞后补偿较简单电容补偿使频带的变化小些。
为使消振后频带变化更小，可考虑采用超前补偿的方法。
放大电路的稳定性
1使用示波器观察放大电路输入端与输出端的两个信号，从而通过对比两个信号判断放大电路的作用。
2放大电路中输入端及输入输出间的电阻决定放大倍数；电容的作用是滤波----使输入信号稳定。
电路分析与设计
（通用方法）
1集成运放所组成电路的分析：
（1）电路分成两部分：
差分输入端和输出端共三个引脚作为一部分---放大部分；其他作为另一部分（包括电源、地）----辅助部分。
（2）观察输入信号是从同相输入还是从反相输入。
（3）所接的电路结构判断是放大电路、跟随器或有源滤波电路。
（4）对于放大电路，根据所接的电阻计算出电路的放大倍数。
（5）有反馈的判断反馈的形式或属于哪种反馈组态。
（6）根据技术手册确定辅助部分的电路设计方法。
2集成运放所组成电路的计算：
（1）放大电路是有源器件，必须加载好所有的电源和地。
（2）按照理想运放的放大倍数选择电阻的大小，然后根据实验数据，对比设计要求，对电阻进行微调，最终达到设计要求即可。
（3）可以使用电位器---可变电阻调节放大倍数：
可以实现精确放大，还可以在出现漂移后把数据校准。
3放大器技术指标
G---功率增益（单位是db）；工作频率范围----F；增益平坦度---最大增益与最小增益之差，对应放大器的稳定性；饱和输出功率---最大输出功率，达到饱和后加大输入功率不会增大输出功率；
4放大器辅助部分---电源部分（包括地和参考电压）
或者接V+、V-、REF；或者接V+、V-，都属于电源、地和参考电压部分。
5集成运算放大器引脚总结
普通运放：
输入输出部分和电源部分，输入输出间电阻决定放大倍数。
特殊运放：
还包括调增益电阻------如AD620（输入输出间不接电阻）。
6集成运放反馈：
>>同相与反相输入端一端接地，另一端接输入的情况是并联反馈的情况。
>>同相与反相输入端两端都接输入的情况是串联反馈的情况。
7集成运放电容作用与选择：
>>正反电源与地端口的电容是滤波电容--------容量比较大（0.1uF）。
>>与输入与输出端的电阻并联的电容是去耦电容----电容比较小（22pF）。
8模拟电路中的计算工作：
（1）电路设计中不可能单靠计算就确定电阻值、电容值、电流值及其他量的大小。
（2）但是必须会计算----会在理想情况下计算，会计算是为了更好地深入明白原理，可以进行大体的估算。
（3）电路中电阻值、电容值、电流值等的确定靠估算与实际验证和调整，另外主要靠经验积累。
AD620
AD620是低成本、低功耗、高精密度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至10000，采用8脚SOIC封装或DIP封装，尺寸小于分立电路设计；适合数据采集
升级会员 