模拟电路备课笔记

11绪论1.1信号电子系统：由若干相互联接、相互作用的基本电路组成的具有特定功能的电路整体。图1.1.1电子系统组成框图信号源的等效：(a)戴维宁等效(b)诺顿等效图1.1.2信号源的等效1.2信号的频谱周期信号：只要满足狄利克雷条件都可以展开成傅里叶级数。许多周期信号的频谱都由直流分量、基波分量以及无穷多项高次谐波分量所组成。非周期信号：运用傅里叶变换可将表达为一连续频率函数形式的频谱。可以用FFT将非周期时间函数信号的频谱函数迅速求出。1.3模拟信号和数字信号按时间和幅值的连续性和离散性把信号分为4类：时间连续、数值连续信号：模拟信号时间离散、数值连续信号：取样信号时间离散、数值离散信号：A/D输出，数字信号（只存在高低两种电平，分别代表二元编码中的1和0）时间连续、数值离散信号：D/A输出1.4放大电路模型1．模拟信号放大放大：最基本的模拟信号处理功能构成其他功能模拟电路（滤波、振荡、稳压等）的基本单元电路。放大含义：放大电信号（将微弱的电信号增强到人们所需要的数值）+信号不失真（放大后信号波形与放大前基本相同）2放大的本质：通过输入信号的控制，使放大电路能将直流能源的能量转化为较大的输出能量，去推动负载。2．放大电路模型放大电路四种类型：图1.4.1放大电路的表示电压放大电路ivovAvvA为电压增益电流放大电路iioiAiiA为电流增益互阻放大电路iroiAvrA为互阻增益互导放大电路igovAigA为互导增益电压放大电路模型：图1.4.2电压放大电路模型voA为输出开路（LR）时的电压增益。oLLivooRRRvAvoLLvoiovRRRAvvAisisiRRRvv电压放大电路适用场合：信号源内阻Rs较小且负载电阻RL较大。许多工业控制设备及医疗设备，采用隔离放大。输入和输出之间有无公共参考点对内容讨论没有影响。电流放大电路模型：图1.4.3电流放大电路模型isA为输出短路（RL=0）的电流增益。3oLoiisoRRRiAioLoisioiRRRAiiAisssiRRRii电流放大电路适用场合：信号源内阻Rs较大而负载电阻RL较小。互阻放大和互导放大电路模型：(a)互阻放大(b)互导放大图1.4.4互阻放大和互导放大电路模型roA称为输出开路时的互阻增益，gsA称为输出短路的互导增益。四种电路模型相互之间可以实现任意转换。1.5放大电路的主要性能指标主要性能指标：输入电阻、输出电阻、增益、频率响应和非线性失真。其他指标：最大输出功率、效率、信号噪声比、抗干扰能力。1．输入电阻：iiiivR输入电阻Ri的大小决定了放大电路从信号吸取信号幅值的大小。输入为电压信号的放大电路（电压放大和互导放大），Ri愈大，则放大电路输入端的iv值愈大。输入为电流信号的放大电路（电流放大和互阻放大），Ri愈小，注入放大电路的输入电流ii愈大。可假定在输入端外加一测试电压tv，计算或测量电流ti，则ttiivR图1.5.1输入电阻测试2．输出电阻Ro：决定它带负载的能力。4输出为电压信号的放大电路（电压放大和互阻放大），Ro愈小，负载电阻RL对输出电压ov影响愈小。多用于信号的前置放大和中间级放大。输出为电流信号的放大电路（电流放大和互导放大），Ro愈大，负载电阻RL对输出电流oi的影响愈小。通常用于电子系统的输出级。图1.5.2输出电阻测试在信号源短路（sv=0，保留Rs）和负载开路的条件下，0svttoivR放大电路的输入电阻和输出电阻不是直流电阻，而是在线性运用情况下的交流电阻。3．增益：对数增益，基本单位为B（贝尔，Bel），十分之一单位dB（分贝）。电压增益=20lg|vA|dB电流增益=20lg|iA|dB功率增益=10lgpAdB功率与电压（或电流）的平方成比例对数方式表达放大电路增益的优点：当用对数坐标表达增益随频率变化的曲线时，可大大扩大增益变化范围计算多级放大电路的总增益时，可将乘法化为加法进行运算4．频率响应及带宽放大电路的频率响应：在输入正弦信号情况下，输出随频率连续变化的稳态响应。)()()(jVjVjAioV)()(jAAVV幅频响应：AV（ω）表示电压增益的模与角频率之间的关系。相频响应：（ω）表示放大电路输出与输入正弦电压信号的相位差与角频率之间的关系。图1.5.3放大电路的幅频响应5中频区：幅频响应中间平坦的一段。半功率点：输入信号幅值保持不变，增益下降3dB的频率点(其输出功率约等于中频区输出功率的一半)。放大电路的带宽：幅频响应的高、低两个半功率点间的频率差，BW=fH—fLfH为上限频率，fL下限频率。直流（直接耦合）放大电路下限频率为零。(a)幅度失真(b)相位失真图1.5.4频率失真幅度失真：放大电路对不同频率的信号增益不同相位失真：放大电路对不同频率的信号产生的相移不同。幅度失真和相位失真总称为频率失真，属于线性失真（线性电抗元件引起）。5．非线性失真：放大电器件的非线性特性引起（饱和失真、截止失真）。向放大电路输入标准的正弦波信号，可以测定输出信号的非线线失真。非线性失真系数：%100122okokVV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。62运算放大器2.1集成电路运算放大器2.1.1内部组成单元图2.1.1集成电路运算放大器内部结构框图集成电路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。输入级：由BJT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路，利用对称性提高整个电路的共模抑制比。两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。电压放大级：提高电压增益，由一级或多级放大电路组成。输出级：由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。偏置电路：为各级提供合适的工作电流。辅助环节：电平移动电路、过载保护电路以及高频补偿环节等。2.1.2电路模型电路符号传输特性2.2理想运算放大器1.voA，ir，0or2.非线性区：npvv时，VVom；npvv时，VVom3.线性区：npvv虚短，0npii虚断2.3基本线性运放电路2.3.1同相放大电路图2.3.1同相输入电路电压串联负反馈放大电路npivvv，11Rviiif，ifffovRRiRRv)1()(11iR，0oR7特点：npivvv，运放存在共模输入信号，要求运放有较高的共模抑制比。特殊应用：电压跟随器2.3.2反相放大电路图2.3.2反相放大电路电压并联负反馈放大电路。0npvv虚地，11Rviiif，ifffovRRiRv11RRi，0oR特点：0npvv，运放两个输入端没有共模输入信号，对运放的共模抑制比没有特殊要求。2.4同相和反相放大电路的其它应用2.4.1求差电路图2.4.1差分式求差电路图2.4.2反相求和式减法电路1.差分式减法电路114232314)1(iiovRRvRRRRRv若取1423RRRR，)(1214iiovvRRv2．反相求和式减法电路1111ifovRRv，若11RRf，则11iovv)()(21222122iifiofovvRRvvRRv2.4.2仪用放大器82.4.3求和电路图2.4.3反相加法电路)(113223iiovRRvRRv2.4.4积分和微分电路1.积分电路图2.4.4积分电路RviI，dtvRCdtRvCvvIIco11假设输入信号Iv是阶跃信号，且电容初始电压为零，则tRCVvIo输出电压与时间成线性关系。ov达到运放输出电压最大值omV，运放进入饱和状态，ov保持不变。积分误差：集成运放IOVIBIIOI，可选用输入级为FET的BiFET运放。9积分电容器的漏电流，可选用泄漏电阻大的电容器，如薄膜电容、聚苯乙烯电容器。积分器可用作显示器的扫描电路或将方波转换为三角波等。2.微分电路图2.4.5微分电路图2.4.6微分电路波形dtdvRCiRvIo输入电压为阶跃信号时，考虑到信号源总存在内阻，在t=0时，输出电压仍为一个有限值。随着电容器的充电，输出电压将逐渐地衰减，最后趋近于零。当输入电压为tvisin时，则输出电压tRCvocos。输出幅度将随频率的增加而线性地增加。说明微分电路对高频噪声特别敏感，故它的抗干扰能力差。改进型的微分电路：R1起限流作用，R2和C2并联起相位补偿作用。应用：自动控制系统PID调节器。2.5对数和指数电路1.对数运算电路图2.5.1对数运算电路10利用半导体PN结伏安特性，可以实现对数运算。常将BJT的集电极与基极短路，接成二极管形式，则在很宽范围（A101039～Ci），Ci与BEv有较精确的对数关系。CiiRviTBETBEVvESVvESCeIeIii//E)1(ESTiTBEoIVRvVvvlnln输出电压幅度不能超过0.7V，且0iv，以保证晶体管处于导通状态。2.指数运算电路图2.5.2指数运算电路BEivvTBETBEVvESVvESeIeIi//E)1(TiVvESEoeRIRiiRv/0iv。为了消除温度对运算电路产生的误差，也需要采用温度补偿。2.6乘除运算电路2.6.1变跨导式模拟乘法器图2.6.1变跨导式二象限模拟乘法器图2.6.2双平衡式四象限乘法电路图2.6.3乘法器符号11TEETEEmViVig22/，RviYEEYXTLCXLCmXebLCXbeLCovvRVRRvRRgvrRRvrRRv22||)2||()2||()2||('缺点：Yv小时误差大，0Yv，为二象限乘法器。2.6.2模拟乘法器的应用图2.6.4除法运算电路图2.6.5开平方电路1.除法运算电路11RviX，22iRv，22XovKvv2112XXovvKRRv02Xv时，才能保证运算放大器处于负反馈工作状态，而1Xv可正可负，属二象限除法器。2.开平方电路iviRv2，22oKvvKvvio当0iv时，才能实现平方根运算。123半导体二极管及其基本电路3.1半导体的基本知识3.1.1半导体材料1．半导体：导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。2．常用的半导体材料有：元素半导体，如硅（Si）、锗（Ge）等；化合物半导体，如砷化镓（GaAs）等；掺杂半导体，如硼（B）、磷（P）、锢（In）和锑（Sb）等。3．半导体的特点：导电能力介于导体与绝缘体之间受外界光和热的刺激时，导电能力会产生显著变化。在纯净半导体中，加入微量的杂质，导电能力急剧增强。3.1.2半导体的共价键结构Si、Ge是四价元素，最外层原子轨道上有四个价电子，邻近原子之间由共价键联结，具有晶体结构。3.1.3本征半导体、空穴及其导电作用1．本征半导体：一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。2．本征激发：T=0K以上，价电子就会获得足够的随机热振动能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子。3．空穴：本征激发价电子成为自由电子后，共价键上留下的空位。空穴是一个带正电的粒子，其电量与电子相等，符号相反，在外加电场作用下，可以自由地在晶体中运动，和自由电子一样可以参加导电。邻近价电子就可填补到这个空位上，而在这个电子原来的位置上又留下新的空位，使共价键中出现一定的电荷迁移。空穴的移动方向和电子移动的方向是相反的。空穴也是一种载流子，这种载流子的运动，是人们根据共价键中出现空穴的移动而虚拟出来的。本征半导体中的自由电子和空穴数相等。3.1.4杂质半导体1．P型半导体：在硅（或锗）的晶体内掺入少量三价元素杂质，如硼、铟，它与周围硅原子组成共价键时，因缺少一个电子，在晶体中便产生一个空穴。P型半导体中多数载流子是空穴，少数载流子是电子（本征激发产生）。当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有可能填补这个空位，使硼原子成为不能移动的负离子，而