完全版电子技术基础(模拟部分)第五版课件

1.1信号1.3模拟信号和数字信号1.2信号的频谱1.4放大电路模型1.5放大电路的主要性能指标1.信号：信息的载体微音器输出的某一段信号的波形1.1信号2.电信号源的电路表达形式电压源等效电路电流源等效电路sssRiv1.1信号1.电信号的时域与频域表示A.正弦信号)sin()(0mθtωVtv000π2π2fT1.2信号的频谱时域1.电信号的时域与频域表示B.方波信号)5sin513sin31(sinπ22)(000SStωtωtωVVtvTπ20满足狄利克雷条件，展开成傅里叶级数2SV——直流分量其中π2SV——基波分量31π2SV——三次谐波分量1.2信号的频谱方波的时域表示2.信号的频谱B.方波信号)5sin513sin31(sinπ22)(000SStωtωtωVVtv频谱：将一个信号分解为正弦信号的集合，得到其正弦信号幅值和相位随角频率变化的分布，称为该信号的频谱。1.2信号的频谱幅度谱相位谱非周期信号包含了所有可能的频率成分（0≤）C.非周期信号傅里叶变换：通过快速傅里叶变换（FFT）可迅速求出非周期信号的频谱函数。离散频率函数周期信号连续频率函数非周期信号气温波形气温波形的频谱函数（示意图）1.2信号的频谱1.3模拟信号和数字信号处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。模拟信号：在时间和幅值上都是连续的信号。数字信号：在时间和幅值上都是离散的信号。1.4放大电路模型电压增益（电压放大倍数）iovvvA电流增益ioiiAi互阻增益)(ioiArv互导增益)S(ioviAg1.放大电路的符号及模拟信号放大——负载开路时的电压增益A.电压放大模型ovAiR——输入电阻oR——输出电阻由输出回路得LoLiooRRRAvvv则电压增益为iovvvALoLoRRRAv由此可见LRvA即负载的大小会影响增益的大小要想减小负载的影响，则希望…？（考虑改变放大电路的参数）LoRR理想情况0oR2.放大电路模型1.4放大电路模型另一方面，考虑到输入回路对信号源的衰减siRR理想情况有sisiivvRRR要想减小衰减，则希望…？iR1.4放大电路模型A.电压放大模型——负载短路时的电流增益B.电流放大模型siA由输出回路得LooisoRRRiAii则电流增益为ioiiAiLoosRRRAi由此可见LRiA要想减小负载的影响，则希望…？LoRR理想情况oR由输入回路得isssiRRRii要想减小对信号源的衰减，则希望…？siRR理想情况0iR1.4放大电路模型C.互阻放大模型（自学）输入输出回路没有公共端D.互导放大模型（自学）E.隔离放大电路模型1.4放大电路模型1.5放大电路的主要性能指标1.输入电阻ttiiRv1.5放大电路的主要性能指标2.输出电阻Ls,0ttoRvviR注意：输入、输出电阻为交流电阻1.5放大电路的主要性能指标3.增益反映放大电路在输入信号控制下，将供电电源能量转换为输出信号能量的能力。其中(dB)lg20vA电压增益四种增益iovvvAioiiAiioiArvioviAgiAA、v常用分贝（dB）表示。(dB)lg20iA电流增益(dB)lg10PA功率增益1.5放大电路的主要性能指标4.频率响应A.频率响应及带宽电压增益可表示为)j()j()j(ioVVAv在输入正弦信号情况下，输出随输入信号频率连续变化的稳态响应，称为放大电路的频率响应。)]()([)j()j(ioioVV或写为)()(vvAA其中称为幅频响应)j()j()(ioVVAv称为相频响应io)()()(该图称为波特图纵轴：dB横轴：对数坐标1.5放大电路的主要性能指标4.频率响应A.频率响应及带宽其中—上限频率—Hf普通音响系统放大电路的幅频响应—下限频率—Lf称为带宽LHffBWHLHfBWff时，当1.5放大电路的主要性能指标4.频率响应B.频率失真（线性失真）幅度失真：对不同频率的信号增益不同产生的失真。4.频率响应B.频率失真（线性失真）幅度失真：对不同频率的信号增益不同产生的失真。相位失真：对不同频率的信号相移不同产生的失真。1.5放大电路的主要性能指标5.非线性失真由元器件非线性特性引起的失真。非线性失真系数:end%100o122oVVkkVo1是输出电压信号基波分量的有效值，Vok是高次谐波分量的有效值，k为正整数。1.5放大电路的主要性能指标2.1集成电路运算放大器2.2理想运算放大器2.3基本线性运放电路2.4同相输入和反相输入放大电路的其他应用在半导体制造工艺的基础上，把整个电路中元器件制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，称为集成电路。简单来说，集成电路是把元器件和连接导线全部制作在一小块硅片上而成的电路。集成电路按其功能来分，有数字集成电路和模拟集成电路。模拟集成电路种类繁多，有运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模数和数模转换器、稳压电源和音像设备中常用的其他模拟集成电路等。§引言模拟集成电路的特点：•电阻值不能很大，精度较差，阻值一般在几十欧至几十千欧。需要大电阻时，通常用恒流源替代；•电容利用PN结结电容，一般不超过几十pF。需要大电容时，通常在集成电路外部连接。不能制电感，级与级之间用直接耦合；•二极管用三极管的发射结代。比如由NPN型三极管短路其中一个PN结构成。运算放大器外形图2.1集成电路运算放大器1.集成电路运算放大器的内部组成单元图2.1.1集成运算放大器的内部结构框图,,,,PNOVVvvv集成运算放大器是一种高电压增益，高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。运算放大器方框图1.输入级：均采用差动放大电路组成，可减小温度漂移的影响，提高整个电路共模抑制比。2.中间级：多采用有源负载的共射极放大电路，有源负载及复合管可提高电压增益。3.输出级：互补对称功放。4.偏置电路：用以供给各级直流偏置电流，由各种电流源电路组成。▷表示信号从左(输入端)向右(输出端)传输的方向。vNvPvOvNvPvO集成运算放大器的符号vN或v–：反相输入端，信号从此端输入(vP=0)，输出信号和输入信号反相。vP或v+：同相输入端，信号从此端输入(vN=0)，输出信号和输入信号同相。vO：输出端。图2.1.2运算放大器的代表符号（a）国家标准规定的符号（b）国内外常用符号2.运算放大器的电路模型图2.1.3运算放大器的电路模型通常：开环电压增益Avo的105（很高）输入电阻ri106Ω（很大）输出电阻ro100Ω（很小）vO＝Avo(vP－vN)（V－＜vO＜V＋）注意输入输出的相位关系2.运算放大器的电路模型当Avo(vP－vN)V＋时vO＝V＋当Avo(vP－vN)V-时vO＝V-电压传输特性vO＝f(vP－vN)线性范围内vO＝Avo(vP－vN)Avo——斜率电路模型中的输出电压不可能超越正负电源的电压值输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系，即)(odONPuuAu集成运放的工作区域线性区域：Aod为差模开环放大倍数非线性区域：输出电压只有两种可能的情况：+UOM或-UOMUOM为输出电压的饱和电压。uOuP-uN+UOM-UOM例2.2.1电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益Avo=2×105,输入电阻ri=0.6MΩ，电源电压V+=+12V,V-=-12V。(1)试求当vo=±Vom=±12V时输入电压的最小幅值vP-vN=?输入电流ii=?(2)画出传输特性曲线vo=f(vP-vN)。说明运放的两个区域。图2.1.3运算放大器的电路模型例2.2.1电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益Avo=2×105,输入电阻ri=0.6MΩ，电源电压V+=+12V,V-=-12V。(1)试求当vo=±Vom=±12V时输入电压的最小幅值vP-vN=?输入电流ii=?图2.1.3运算放大器的电路模型解：由/PNOvovvvA当vo=±Vom=±12V时512/(210)60VAPNvv()/iPNiivvr660/(0.610)A100pA例2.2.1电路如图2.1.3所示，运放的开环电压增益Avo=2×105,输入电阻ri=0.6MΩ，电源电压V+=+12V,V-=-12V。(2)画出传输特性曲线vo=f(vP-vN)。说明运放的两个区域。解：取a点（+60μV,+12V），b点（-60μV,-12V），连接a、b两点得ab线段，其斜率Avo=2×105,∣vP-vN∣60μV时，电路工作在线性区；∣vP-vN∣60μV，则运放进入非线性区。运放的电压传输特性如图所示。Avo=2×105(+60μV,+12V)(-60μV,-12V)2.2理想运算放大器1.vo的饱和极限值等于运放的电源电压V＋和V－2.运放的开环电压增益很高若（vP－vN）＞0则vO=+Vom=V＋若（vP－vN）＜0则vO=–Vom=V－3.若V－vOV＋则（vP－vN）04.输入电阻ri的阻值很高使iP≈0、iN≈05.输出电阻很小，ro≈0理想：ri≈∞ro≈0Avo→∞vo＝Avo(vp－vn)图2.2.1运放的简化电路模型三、理想运放的非线性工作区+UOMuOu+uOUOM理想特性图7.1.3集成运放的电压传输特性工程上理想运放的参数1.差模电压放大倍数Avd=，实际上Avd≥80dB即可。2.差模输入电阻Rid=，实际上Rid比输入端外电路的电阻大2～3个量级即可。3.输出电阻Ro=0，实际上Ro比输入端外电路的电阻小1～2个量级即可。(1)虚短（vp≈vn，或vid＝vp－vn≈0）由于运放的电压放大倍数很大，一般都在80dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10V～14V。因此运放的差模输入电压不足1mV，两输入端近似等电位，相当于“短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。理想运算放大器的特性(2)虚断（ip＝-in＝(vp－vn)/ri≈0）由于运放的差模输入电阻很大，一般都在1M以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1A，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。“虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。理想运放工作在线性区的几个重要法则：V–V+–+VoIi+Ii－(2)Ii+=Ii－=0虚断(1)V+=V–虚短Ii-－＋∞＋V-V+Ii+Vo∵集成运放工作在线性区时有：()oodVAVVodA又∵0oodVVVA即VVidr0BI∴输入偏流虚短和虚断理想运放工作在非线性区的特点：(2)Ii+=Ii－=0虚断仍然成立(1)只要输入电压V+与V–不相等，输出电压就饱和。即有：oomoomVVVVVVVV对理想运算放大器，V+=V-是正负两种饱和状态的转换点。V–V+–+VoIi+Ii－综上所述，在分析具体的集成运放应用电路时，可将集成运放按理想运放对待，根据理想运放分别工作在线性区或者非线性区的特点来分析电路的工作原理。一般来说集成运放引入深度负反馈时，工作在线性区；集成运放引入正反馈或开环状态时，工作在非线性区。2.3基本线性运放电路2.3.1同相放大电路2.3.2反相放大电路2.3.1同相放大电路（a）电路图（b）小信号电路模型图2.3.1同相放大电路1.基本电路2.3.1同相放大电路2.负反馈的基本概念反馈：将放大电路输出量，通过某种方式送回到输入回路的过程。瞬