低頻電子電路-第8章 電路分析和電路構(gòu)造案例分析

《低頻電子電路》----------人民郵電出版社普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材授課：曾浩8.3電流模與電壓模電路8.2比較指示器與集成運(yùn)放的大信號(hào)應(yīng)用8.1精密整流與集成運(yùn)放應(yīng)用第八章電路分析和電路構(gòu)造案例分析關(guān)注精密整流電路的基本工作原理8.4直流穩(wěn)壓電源與運(yùn)用關(guān)注比較器的基本工作原理關(guān)注電壓模與電流模電路的本質(zhì)關(guān)注線性直流穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)8.1精密整流與集成運(yùn)放應(yīng)用

1、二極管半波整流電路（a）電路（b）波形兩個(gè)缺陷：（1）因二極管死區(qū)電壓的存在，輸出為零的區(qū)間約大于輸入大于零的區(qū)間，即零點(diǎn)定位與輸入存在差異；（2）因二極管導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)的實(shí)際導(dǎo)通電壓模糊，電路輸出電壓的絕對值應(yīng)小于輸入電壓絕對值，其差值大小模糊不定,即導(dǎo)通期間輸出波形與輸入波形存在非線性轉(zhuǎn)換情況。

2、精密整流電路在vs>0時(shí)，電路只需極小電壓激勵(lì)就能通過集成運(yùn)放使二極管D1導(dǎo)通、D2截止，原電路簡化為圖8-1-2（a）；即電路輸出為零。

此時(shí)，在深度負(fù)反饋?zhàn)饔孟?，因反饋電阻為零，圖8-1-2(a)

vs>0時(shí)等效電路

圖8-1-1(c)精密半波整流電路在vs<0時(shí)，二極管D1截止、D2導(dǎo)通，簡化為圖8-1-2（b）；圖8-1-2(b)

vs<0時(shí)等效電路在深度負(fù)反饋?zhàn)饔孟?，通過R2重建輸出電壓，即:可見，無論輸入是否大于零，在整體上都可以理解為集成運(yùn)放與二極管串聯(lián)為整體非線性增益單元，反饋則由線性電阻構(gòu)成，因此輸出與輸入成比例。電路特點(diǎn)：（1）以輸入電壓是否大于零為依據(jù)，通過二極管單向?qū)щ娞匦詷?gòu)成的換路效果，實(shí)現(xiàn)并完成電路整流目的。（2）可以認(rèn)為，電路利用集成運(yùn)放與二極管串聯(lián)整體的高增益作為深負(fù)反饋放大電路結(jié)構(gòu)的增益單元，因此，二極管導(dǎo)通或截止期間的非線性影響，必將被深負(fù)反饋結(jié)構(gòu)減弱，即克服了二極管整流電路的缺點(diǎn)，也因此被稱為精密整流電路。整個(gè)電路在具有單個(gè)電路形式的同時(shí)，采用二極管單相導(dǎo)電原理，形成由輸入信號(hào)是否大于零決定的不同具體電路通路或電路空間；在各個(gè)電路空間又采用深負(fù)反饋的結(jié)構(gòu)，弱化了集成運(yùn)放和二極管串聯(lián)電路的非線性帶來的影響，從而提高了整流精度。8.2比較指示器與集成運(yùn)放的大信號(hào)應(yīng)用比較指示器常稱為比較器或檢測器，其電路的輸入信號(hào)通常為模擬信號(hào)，輸出則為高低電平的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，高低電平的不同表征了輸入信號(hào)特征的兩個(gè)明顯差異。8.2.1單限比較器單限電壓比較器是以輸入電壓是否大于參考電壓作為電路輸出高低電平指示依據(jù)的比較電路。電路利用圖8-2-1(a)所示的電壓型集成運(yùn)放特性，即兩輸入端壓差是否大于零，作為輸出正負(fù)信號(hào)的依據(jù)，又因集成運(yùn)放增益極大，因此兩輸入端壓差在大約10μV左右就可以使輸出極大或極小。圖8-2-1(a)電壓型集成運(yùn)放特性可以近似采用如圖8-2-1（b）、（c）所示電路實(shí)現(xiàn)單限電壓比較功能。其中，（b）圖的參考電壓VREF也可以稱為電路輸入門限，（c）圖可以認(rèn)為是（b）圖中參考電壓VREF等于零時(shí)的特例，（c）圖電路常稱為過零比較器。圖8-2-1(b)過零比較器圖8-2-1(c)單限比較器8.2.2遲滯比較器對于疊加有噪聲的波形,若采用上節(jié)的單限比較電路,往往會(huì)在參考電壓時(shí)出現(xiàn)輸出高低電平頻繁翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。為避免此情況出現(xiàn)，需要設(shè)計(jì)一種遲滯比較特性，該特性具有取值不同的兩個(gè)門限，即如圖8-2-2（a）所示的下門限電壓VL和上門限電壓VH。圖8-2-2(a)遲滯比較器數(shù)學(xué)特性圖8-2-2(b)磁滯比較器典型應(yīng)用波形遲滯電壓比較器與單限比較器的差異在于輸出高低電平的變化依據(jù)不再以輸入信號(hào)大小為絕對依據(jù)，而是要考慮輸入信號(hào)的變化方向，也就是說，輸入信號(hào)從小變大或是從大變小的輸出跳變門限是不同的。圖8-2-3(a)遲滯比較器原理圖(b)遲滯比較器典型電路圖中電路輸出反轉(zhuǎn)的真實(shí)參考電壓應(yīng)為運(yùn)放同相輸入端的電位V+，而非輸入的參考電壓VREF。VL跳變時(shí)：VH跳變時(shí)：

令，則:

VL跳變時(shí)：VH跳變時(shí)：即在范圍內(nèi)，電路的輸出仍維持原輸出不變。8.3電流模與電壓模電路（a）射極放大器（b）共發(fā)——共基放大器圖8-3-1電壓模與電流模認(rèn)識(shí)分析晶體管β很大，并處于小信號(hào)運(yùn)用時(shí)，電壓增益均近似為：在5.2節(jié)的例5-2-1和例5-2-3的上限截止頻率分析的對比中，我們發(fā)現(xiàn)圖（b）的上限截止頻率遠(yuǎn)大于圖（a）。圖（a）的T1輸出端口電壓模變量，具有電壓vo1變化大，端口阻抗大的特點(diǎn)。使得T1輸出端口的等效電容沖放電效應(yīng)大，因此，由該電容引起的電路上限截止頻率較低。圖（b）的T1輸出端口電流模變量，具有電流io1變化大，電壓vo1變化小，端口阻抗小的特點(diǎn)。該特點(diǎn)使得T1輸出端口的等效電容沖放電效應(yīng)減弱，有效提升了影響總上限截止頻率的關(guān)鍵第一級(jí)的上限截止頻率。（a）射極放大器（b）共發(fā)——共基放大器8.3.1跨導(dǎo)運(yùn)算放大器圖中信號(hào)輸入端的“-”、“+”分別代表反相輸入端和同相輸入端；IB為電路內(nèi)部控制增益的偏置電流，其原理與晶體管基射級(jí)電阻受偏置電流控制相同。該運(yùn)放具有輸入、輸出阻抗均較大，電路上限截止頻率高，輸出信號(hào)電流由兩輸入電壓差決定，其增益較小（可以不采用深負(fù)反饋的應(yīng)用結(jié)構(gòu)），應(yīng)用時(shí)確保接入較小負(fù)載阻抗等特點(diǎn)。圖8-3-2跨導(dǎo)運(yùn)算放大器電路符號(hào)跨導(dǎo)運(yùn)算放大器可以看成是輸入電壓信號(hào),輸出電流響應(yīng)的專用集成增益器件，簡記為OTA（OperationalTansconductanceAmplifier），電路符號(hào)如圖8-3-2所示。圖8-3-3OTA典型應(yīng)用電路(a)反相加法器圖8-3-3OTA典型應(yīng)用電路(b)阻抗變換器（回轉(zhuǎn)器）

8.3.2跨導(dǎo)線性環(huán)

圖8-3-4典型的跨導(dǎo)線性環(huán)電路由PN結(jié)構(gòu)成環(huán)路的跨導(dǎo)線性環(huán)路具有順時(shí)針PN結(jié)的電流乘積等于逆時(shí)針PN結(jié)的電流乘積。8.4直流穩(wěn)壓電源與運(yùn)用8.4.1直流穩(wěn)壓電源的類型及特點(diǎn)類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)線性直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)簡單；穩(wěn)壓性能好；紋波?。还ぷ骺煽抗β兽D(zhuǎn)換率低；體積較大開關(guān)穩(wěn)壓電源效率高；體積小動(dòng)態(tài)性能差；電路復(fù)雜；成本高；帶來大量諧波8.4.2線性直流穩(wěn)壓電源

圖8-4-1串聯(lián)型線性直流穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)框圖電源變壓器：實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，其一將電網(wǎng)供給的220V交流電壓v1變換為符合整流電路需要的交流電壓

v2；其二使電源與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)電氣隔離，可有效的保護(hù)電氣設(shè)備。整流電路：利用二極管單向?qū)щ娦詫?shí)現(xiàn)將變壓器次級(jí)交流電壓v2整流為單向脈動(dòng)的含直流分量的電壓vR的轉(zhuǎn)換功能。圖8-4-1串聯(lián)型線性直流穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)框圖濾波電路：實(shí)現(xiàn)將脈動(dòng)電壓vR變換為平滑的直流電壓vF的功能，該直流電壓易受電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化的影響；穩(wěn)壓電路：利用穩(wěn)壓元件或負(fù)反饋控制電路等措施實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出直流電壓VO的功能。1.單相整流電路⑴單相全波整流電路(a)電路圖(b)工作波形圖8-4-2單相全波整流電路

⑵單相橋式整流電路

圖8-4-3（a）中四只整流二極管D1～D4接成電橋的形式，故有橋式整流電路之稱。圖8-4-3單相橋式整流電路在v2的正半周，電流從變壓器副邊線圈的上端流出，只能經(jīng)過二極管D1流向RL，再由二極管D3流回變壓器，其電流通路如圖8-4-3（b）中虛線箭頭表示?？梢姡珼1、D3正向?qū)?，D2、D4反偏截止，在負(fù)載RL上產(chǎn)生極性為上正下負(fù)的輸出電壓VO。圖8-4-3單相橋式整流電路在V2的負(fù)半周，其電流通路如圖8-4-3（c）中虛線箭頭所示，電流從變壓器副邊線圈的下端流出，只能經(jīng)過二極管D2流向RL，再由二極管D4流回變壓器?？梢?，D1、D3反偏截止，D2、D4正向?qū)?，電流流過RL時(shí)產(chǎn)生的電壓極性仍是上正下負(fù)，與正半周時(shí)相同。由此可見，橋式整流電路中的四個(gè)二極管被分為兩組，根據(jù)變壓器副邊電壓的極性不同分別導(dǎo)通，在負(fù)載上產(chǎn)生一個(gè)單方向的脈動(dòng)電壓。根據(jù)負(fù)載RL上輸出電壓的極性，可簡化橋式整流電路如圖8-4-3（d）所示，其中二極管的方向表示輸出電壓的極性為上正下負(fù)，其工作波形如圖8-4-4。圖8-4-4單相橋式整流電路工作波形圖8-4-3單相橋式整流電路2.濾波電路

(a)電容濾波電路(b)電感濾波電路

(c)г型濾波電路(d)π型濾波電路圖8-4-6常見的各種濾波電路

3.穩(wěn)壓電路

⑴穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

圖8-4-7穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單缺點(diǎn)：穩(wěn)壓管反向飽和電流IZ的調(diào)節(jié)范圍僅僅幾十mA，這大大限制了負(fù)載電流IO的變化范圍；輸出電壓VO=VZ，因此受到穩(wěn)壓管性能的影響，輸出電壓受制于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓的波動(dòng)；限流電阻R將以耗能形式消耗輸入的多余能量。⑵串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路

(a)原理框圖(b)電路結(jié)構(gòu)圖8-4-8串聯(lián)型穩(wěn)壓電路及原理框圖VO↑→VF=FVO↑→VREF-

VF↓→VB↓IC↓→VCE↑→VO↓調(diào)整管T連接成電壓跟隨器。從反饋放大電路的角度來看，這種電路屬于電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。當(dāng)反饋越深時(shí)，調(diào)整作用越強(qiáng)，輸出電壓VO也越穩(wěn)定。圖8-4-9串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源⑶三端集成穩(wěn)壓器

圖8-4-10串聯(lián)型穩(wěn)壓電路及原理框圖①典型電路結(jié)構(gòu)圖8-4-11三端穩(wěn)壓器接線圖正常工作時(shí)，輸入VI與輸出電壓VO之差應(yīng)大于2～3V。電路中接入電容C1、C2實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償，可防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激振蕩，并抑制電路引入的高頻干擾。C3是電解電容，以減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。二級(jí)管D是保護(hù)二極管，當(dāng)輸入端意外短路時(shí)，給輸出電容器C3提供一個(gè)放電通路，防止C3兩端電壓作用于集成電路內(nèi)部調(diào)整管的be結(jié)，造成be結(jié)擊穿而損壞。②輸出電壓的擴(kuò)展圖8-4-12輸出電壓擴(kuò)展電路

③輸出電流的擴(kuò)展圖8-4-13輸出電流擴(kuò)展電路