周搞定系列之模电全集.ppt

一周搞定系列之 模电数电,主讲老师：刘志顺,源享科技 真诚奉献,本视频适合人群,1、对于初学者，和对硬件有些了解，但对 于应用却不知如何入手的人,2、适合一些偏软件的同学，对于硬件电路 却不是很清晰的。,硬件的重要性,1、搞开发设计不是像搞开发板那样，什么电路 都给你搭好了，然后再写程序，去控制它， 那么这种能力只能说你能玩好它。,2、项目开发是必须需要硬件支持的，如果你 连硬件都看不懂，就别说团队合作和软件设 计了。,一周搞定系列之C语言,一周搞定系列之电路基础,一周搞定系列之模电数电,一周搞定系列之51单片机,一周搞定系列之JAVA基础,一周搞定系列之ARM基础,公司正在推出,更多资源(视频、资料、程序)，源享科技会继续推出,更多学习资源发布,1、公司论坛,2、115网盘,掌握基本元器件的一些特性并会使用它们 掌握基本电路的组成并会搭建小部分模块电路，了解每个器件在电路中的功能 自己会设计一些简单的电路,视频目的,模电数电课程学习,1、要多实践，勤于动手,3、要有敢于去解决问题的恒心，要把问 题的出现当作财富。,2、要踏实，一个脚印一根钉，不可浮躁,4、要虚心向他人求教，相互多交流，从 别人的想法中加深对知识的理解,课程特点：,这是一门实践性很强的课程。,学习要求：,视频特点,1、主要包括理论介绍和应用,2、对于每个知识点都会通过 Multism仿真，进行测试 为以后的应用打好基础,重点,目 录,第一章 基本元器件介绍,第二章 基本电路的分析与验证,第三章 实际电路应用,具体个章内容介绍请看随视频一起下载的模数电大纲,主讲老师：刘志顺,源享科技 真诚奉献,一周搞定系列之 模电数电,第一章 基本元器件介绍,1、二极管,一、什么是二极管,定义：二极管就是半导体材料被封装之后，在PN结两端加上两个正负极引线制作而成。,一般二极管符号,二极管实物,特性：,单向导通性、伏安特性,怎么用？,一、二极管测试,1、电路图,总结:,1、电路中二极管导通之后，所分电压值为 0.7V。 2、发光二极管导通之后为 分压值 12v，电流范围为520mA 3、 二极管反相不导通，但是当所给的电压值超过它的反向击穿电压时，那么二极管 也将导通，（应用中要注意二极管的反向最大电压值，防止二极管烧坏） 4、当正向电压很小时，二极管不导通，当电压至少达到0.5V以上时，二极管才导通。,1.2.5 稳压二极管,一、什么是稳压二极管,(a)符号,DZ,能够稳定一定电压的二极管,二、实行稳压的条件,1、工作在反向击穿状态,2、反向电压应大于稳压电压,稳压电路,基本电路的稳压过程,稳压电路 的搭建：,需要多大 电阻呢？,1、稳压的基本电路 2、电流范围为48mA,总结：,1、稳压二极管的使用形式为稳压二极管和 电阻进行串联,2、稳压二极管要达到比较好的稳压效果，一 定要注意稳压电流的选取。,3、在电路应用中一定要注意串联电阻阻值 选择。,下面两种稳压电路的区别,（UZ3V）,整流二极管,1.特点 用于把交流电变成脉动直流电 2.那什么是交流变脉动直流呢？,开关二极管,它是电路上为进行“开”、“关”作用而特殊设计的二极管。它由导通变为截止或由截止变为导通所需的时间比一般二极管短,功能：,应用：,在电路中主要防止反向电流烧坏一 些精密器件起保护作用。,2、电容,电容的作用,旁路、去耦、滤波、和储能的作用。,什么是电容,它有两个电极板，和中间所夹的介质封装而 成，具有特定功能的电子器件。,1、旁路的作用,1、使输入电压均匀化，减小噪声对后级的影响。 2、进行储能，当外界信号变化过快时，及时进行电压的补偿。,2、去耦（退耦）电容作用,1、去耦电容和旁路电容的作用是差不多的，都有滤除干扰信号的作用，只是旁路电容针对的是输入信号，而去耦电容针对的是输出信号。 2、去耦电容一般比较大10uF或更大，旁路电容一般根据谐振频率是0.1uF或0.01uF。,3、滤波和储能,滤波作用 滤除杂波，大电容滤低频，小电容滤高频,储能作用 收集电荷 应用： 例如：给时钟芯片DS1302供电,3、电容在电路中连接问题,注意： 耐压值 防止短接,铝电解电容,瓷片电容,独石电容,常用电容极性判断： 铝电容：长脚为正极，短接为负极，或者电容上标有银色负号的一 边为负极，瓷片电容和独石电容无极性，但设备生产中也有工艺要求。,电容应用总结,1、电源上的电容作用一般是滤除电源电压的波动。 小电容滤高频，大电容滤低频，并且还提供一 定的电压储备，以备后续电路的需要,2、对于一些干扰性强的环境，电容的加入可以减 少很多电路控制上不必要的麻烦，在使用电容时， 还要注意耐压值和反接问题。,3、电容使用的取值大小可以参考别人的一些电路， 很多都是工程上的一些经验,第一章 基本元器件介绍,3、 晶体三极管,3、 晶体三极管,它是一种利用输入电流控制输出电流的电 流控制型器件。,三极管的结构图,什么是晶体三极管,由半导体组成具有三个电极的晶体管,放大状态、,模样和结构 怎样？,PNP,三极管的特点：,三种工作状态：,饱和状态、,截止状态,1、怎么让它工作在放大状态呢？,条件：发射结正偏，集电结反偏 （UBUE, UCUB）,2、怎么让它工作在截止状态呢？,条件：发射结反偏或两端电压为零,3、怎么让它工作在饱和状态呢？,条件：发射结和集电结均为正偏。,工作在各个状态 有什么特点呢？,在电路中怎么 去实现呢？,三极管各种状态的测试,总结：,放大状态：,IB=,1、IB一定时，IC的大小与UCE无关,饱和状态：,特点：,IB=IC,IE=(1+)IC,截止状态：,特点：,集电极和发射极之间相当于开路,工作状态：,IB=0，,IC=0，,IE=IB+IC=0；,特点：,工作状态：,2、IC的大小只受IB控制,IB和IC都很大，IC不受IB的控 制，UCE两端电压很小，相当于导线 ，工程上我们认为硅饱和导通的UCE的压降为0.3V，锗管为0.1V,三极管主要参数,1、共发射极电流放大系数,4. 集电极发射极间反向击穿电压V(BR)CEO,3. 集电极最大允许耗散功率PCM,2. 集电极最大允许电流ICM,三极管放大系数 一般为10100。,应用中一般取 3080为宜,那么一个实际 三极管参数到底 什么样呢？,第一章 基本元器件介绍,4、场效应管,什么是场效应管？,它是一种电压控电流的器件。它有三个电极 栅极（G）,漏极（D），源级（S）,绝缘栅型场效应管怎么用？,（特点：当UDS比较小时，ID随UGS的变化而变化）,（特点：ID不随UDS变化，只随UGS增大而增大）,（3）截止区,（特点：当UDS增大到一定值时，场效应管被 击穿，ID突然增大，如无限流措施， 管子将烧坏，在场效应管使用中一定 要注意，防止管子击穿）,特点：如果长时间工作在此区域，没有很好的散热措施，很可能由于功率较大，造成管子烧坏。所以在使用中也要注意。管子的散热和最大功率,可变电 阻区,截止区,击穿区,过损耗区,总结,（1）可变电阻区,（2）恒流区,（特点：UGS小于1.5V，ID=0，场效应管不导通）,（4）击穿区,（5）过损耗区,37,三极管特点,电流控制器件（基极电流控制晶体管导电能力）,输入阻抗不高,噪声高,场效应管特点,电压控制器件（用电压产生电场来控制器件的导电能力）,输入阻抗极高,噪声小,缺点速度慢,三极管和场效应管的比较,反应速度较快,结构分类,第一章 基本元器件介绍,5、光耦,什么是光耦？,光耦实现了 是一种“电光电”的转换。,光耦实物,光耦结构图,光耦器件怎么用呢？ 应用要注意什么？,光耦测试,第一章 基本元器件介绍,6、发声器件,发声器件的作用,作为电子讯响器，运用其发声特性，作为提示或播放等功能。,发声器件的介绍,图1,图2,图1为喇叭，无极性器件（没有正负之分），无源蜂鸣器（内部没有振荡源），所以直流不能驱动，需要2KHZ5KHZ的方波才能使其发出声响。,图2为蜂鸣器，有极性（长脚为正，短接为负），有源蜂鸣器（内部含有 震荡源），当给予1.5V15V的电压后，就会发出声响。,第一章 基本元器件介绍,7、继电器,什么是继电器？,它是一种“自动开关”，通过低电压、小电流去 控制高电压、大电流。,1、常开触点,2、常闭触点,继电器术语,（用在开关速度要求不高的场合）,应用：,继电器实物分析,1,2,3,4,5,6,引脚图,实物图,驱动电压5V,DC：30V,3A AC：220V,3A,在使用中一定要注意这些参数， 既要达到一定的驱动电压，也要防 止器件烧毁。,1、驱动电压,2、可以承受的控制信号量值,注意：,继电器测试电路,第一章 基本元器件介绍,8、数码管,什么是数码管？,实物图,示意图,共阴结构图,共阳结构图,通过控制不同的LED点亮来显示所需要的字符，（如1F）,数码管实验电路,第一章 基本元器件介绍,9、瞬态电压抑制器 （TVS）,什么是瞬态电压抑制器,直插式,贴片式,它具体有什么样的作用呢？,1、加在信号和电源线上，能防止微处理器，人体 静电、交流浪涌或噪声，导致处理器的失灵。,它是一种二极管形式的高效能的保护器 件，防止瞬态高能量时冲击时，保护精密器件 免受各种浪涌脉冲的损坏。,2、能释放超过10000V，60A以上的脉冲，并能持 续10ms，而一般的TTL器件，遇到30ms的10V脉 冲时，便会导致损坏，所以利用TVS是既可以防止 器件损坏，也可以防止总线之间开关引起的干扰。,3、将TVS放置在信号线和地之间，能避免数据及 控制总线受到不必要噪声的影响。,典型应用电路,第二章 基本电路验证与分析,1、基本放大电路,基本放大器的电路是什么样子呢？,各部分有 什么作用呢？,1、为电路供能 2、为电路提供 合适的 静态工作点,为电路提供合 适的静态电流,把放大的电流 信号，转换为 电压信号,C1和C2为隔 直通交作用,2、对于三极管放大电路的设计，基极电阻取值Rb一般为 几十到几百千欧。集电极电阻Rc一般为几千到几十千欧。,各器件的取值范围怎样呢？,1、三极管放大电路是小信号的放大，常用器件最大通过 的电流也只有几百毫安，所以输入信号不能太大,3、C1、C2作为隔直通交的电容，取值一般为 几微法到几十微法,那么实际应用要注意什么呢？,uce为什么会被反相呢？,uBE=UBEQ+ui,iB=IBQ+ib,iC=ICQ+ic,uCE=Vcc-iCRC,uCE=Vcc-(ICQ+ic)RC=UCEQ+(-icRC),uCE=UCEQ+uce,分析：,总基极电压,总基极电流,总集电极电流,总的uCE,化简,又由,那么,uo=uce=-icRC,出现这些情况的原因是什么呢？,交流负载线,t,0,0,交流负载线,t,0,截止失真,饱和失真,饱和区,放大区,截止区,怎么取好Q值？,Q值也就是（静态工作点）它与那些因素有关呢？,当电路没有加入信号源时，直流电源VCC为电路提供的静态值，它包括IB 、 IC 、 UCE,UCE=VCC-ICRC,要取好IB 、 IC 、 UCE我们要控制好哪些参数呢？,条件：,与RB的关系,增大RB,Q点下移,减小RB,Q点上移。,问题：,UCE=VCC-ICRC,与VCC的关系,升高VCC,平行右上移,减小VCC,平行左下移,问题：,条件：,UCE=VCC-ICRC,改变 Rc，保持 Rb，VCC ， 不变；,直流负载线斜率改变，则 Q 点向饱和区移近。,与RC的关系,条件：,问题：,增大 Rc ，,UCE=VCC-ICRC,这种电路的不足,如图所示，温度对三极管的影响。,交流负载线,0,温度升高前的输出特性曲线和静态工作点,温度升高后的输出特性曲线和静态工作点,ICB0增加，造成ICQ增加,增加,IBQ增加,这种电路虽然结构简单，但是最大的缺点是静态工作 点不稳定，当环境温度变化，电源电压波动，或者更换 三极管时，都会使原来的静态工作点改变，严重时会使 放大器不能工作。,总结：,1、分压偏置电路，它的静态工作点，与三极管本身 的参数无关，它只取决于外接电路的UCC和 RB1、 RB2、 RE,2、射极电容C作为旁路电容，通交隔直，提高输出级的放大倍数的作用，因为在交流电路分析中，如果RE被引入电路是要增加电源的功耗。当加入RE时，输出的信号有一部分消耗到了RE上，现在，加入了C1，那么对于交流电，这完全是被短路了，所以不会影响输出。,3、这种电路在工程上经常用到，大家一定要熟练掌 握。,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，与输入信号叠加，就称为反馈。,引回的信号削弱了输入信号。 引回的信号增强了输入信号。,1、 反馈的定义,负反馈：,正反馈：,负反馈对放大性能的影响,在深度负反馈条件下，即1+AF1时，,此时，闭环放大倍数仅取决于反馈系数F，而与开环放大倍数A无关。通常反馈网络仅由电阻构成，反馈系数F十分稳定。所以，闭环放大倍数必然是相当稳定的，诸如温度变化、参数改变、电源电压波动等明显影响开环放大倍数的因素，都不会对闭环放大倍数产生多大影响。,如某放大器的开环放大倍数A=1000，由于外界因素（如温度、电源波动、更换元件等）使其波动变化值为10%，若反馈系数F=0.009，则闭环放大倍数=1000/(1+10000.009)=100。此时波动10%，变化量只为1，可见放大倍数的稳定性大大提高了。即用降低放大倍数的代价换取提高放大倍数的稳定性。,负反馈的作用： 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。,负反馈作用举例：,无负反馈时产生正半周大负半周小的失真。,引入负反馈后，失真了的信号经反馈网络又送回到输入端，与输入信号反相叠加，得到的净输入信号为正半周小而负半周大。这样正好弥补了放大器的缺陷，使输出信号比较接近于正弦波。,例二：,放大量和反馈量成倒数关系，电路将产生自激，去除信号源也将产生信号的输出,放大量过大，输出信号将不断增加，如果无及时的限制措施，信号将出现严重失真,此时反馈量过大，信号将不断衰减，直到消失,下面对AF进行讨论(正反馈),当|AF|=1时，,当|AF|1时，,当|AF|1时，,第二章 基本电路验证与分析,2、电源电路,集成稳压电源设计,它个各部分组 成是什么？,1、整流二极管的选择 UZMAX=2UO （这里的Uo为变压器副线圈输出的有效值）,选择应该是反相电压大于UZMAX的为整流管。,2、电容C1的选择 选择耐压值大于1.1 2UO 大约为1.55倍的UO,3、变压器的选择,应该选择变压电压大于稳压块电压，电流大于需要的输出 电流的变压器。,对于器件的选择我们再总结一下：,（经过电容输出的电压为1.2UO）,73,4、C3作为旁路电容，滤除输入线上窜入的干扰信号，防止自激， 选择电容大小一般是0.3uF。 C2和C4作为耦合电容，滤除输出线上的干扰，和自激，以及 对输出线上电压的突变，提供储能的作用。,5、稳压块,(1)LM7805的引脚及功能 Input:电压输入端,其输瑞入电压范围为 735V。 Ground:电源地端。 Output:电压输出端,典型值为5V。 最大电流:1.5A。,74,Ground:电源地端。 Input:电压输入端,其输人电压范围为- 14.5 -35V。 Output:电压输出端,典型值为-12V。 最大电流:1.5A。,Adjust:调节端。 Output:电压输出端,可输出1.2537V可调的 电压。 Input:电压输入端,其输人电压最大值为40V,78/79系列的基本应用电路,(2)LM7912的引脚及功能,(3)LM317的引脚及功能,最大电流:1.5A。,75,设计一个输出3 12正负可调电源,题目：,76,1、正常工作时，输出端和调整端间的电压VREF固定为1.25V。,对于调节范围为312V的LM317的连接问题,2、要使稳压块正常工作，必须保证输出端和调整端间的电流大于3.5mA。 所以，如果取电流为6mA,那么 R1MAX=1.25V/6mA=208, 因此,Rl可选用200的普通碳膜电阻,3、若输出电压取12V,根据公式 VO=1.25(1+R2/R1)V, R2=1720。 因此,R2可选用2k的精密绕线电位器。,77,上述电路分析总结：,1、在电路应用中要注意器件的选择问题。,2、电路中的地，不是0V，是公共端，电压的输出 是压差决定的，所以要注意共地问题,UXX: 为W78XX固定输出电压 UO= UXX + UZ,扩压的电路,IO= I2 + IC,扩流的电路,当 IO较小时，UR较小，T截止 ，IC=0。,当 IO IOM时，UR较大，T导通 ，IO=IOM + IC,R 可由功率管 T的UBE和稳压器的IOM确定, 即R UBE /IOM 。,提高输出电压和扩流电路,79,扩流扩压电路测试,扩流电路,扩压电路,80,开关电源,特点：,由于稳压调整管工作在线性区，因此管耗很 大，电源效率为原来的（4060）。而开关 管让稳压调整管工作在开关状态，所以电源效率 高（ 8090），稳压宽，滤波效果好，在电 子设备产品中被广泛应用。,81,原理分析,第二章 基本电路验证与分析,3、集成运算放大器,什么是集成运算放大器？,集成运算放大器的特点,集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。,高增益、,A uo 高: 80dB140dB rid 高: 105 1011 ro 低: 几十 几百 KCMRR高: 70dB130dB,这些优点怎样表现在参数上？,高可靠性、,低成本、,小尺寸,运算放大器的特点介绍,工作在线性区,（1）理想运放两输入端电位相等（虚短）, uo=Audui=Aud(uPuN), uPuN=uo/Aud=0, uP=uN,（2）理想运放输入电流等于零（虚断）, 理想的Rid= , iP=iN=0,工作在非线性区的特点,输出只有两种可能 +Uo(sat) 或 Uo(sat),当 u+ u 时， uo = + Uo(sat) u+ u 时， uo = Uo(sat),1. 反相比例运算原理,3、电压放大倍数的计算,由于i1 if ，联立公式得：,2、满足虚短,1、由于反馈电阻的存在工作在线性区,i+= i = 0（输入电阻无穷大）, u = u+ = 0,那么，,满足虚断,结论： 1、通过式子我们可以看到，反相比例运算放大器的电压输出 与原方向相反，输入电压为正时，输出为负压。输入为负时， 输出为正。,2、当R1=RF时，电压的放大倍数为-1，如果电路要检测 负压，可以通过此电路完成,2. 同相比例原理,那么，, 虚断，i+= i = 0 ，, 虚短 ， u= u+= ui ，, i1 if,1、由于反馈电阻的存在工作在线性区,由此可得：,反相加法电路原理, 虚短 u- = u+= 0,平衡电阻： R2= Ri1 / Ri2 / RF, 虚断，i = 0, ii1+ ii2 = if,减法运算电路原理,由虚短可得：,由虚断可得：,当 R1 = R2 = R3 = RF,当 R1 = R2 ，R3 = RF,常用做测量 放大电路,当 R1=R3，R2=RF,（1）双极性电压变单极性电路,分析,1、第一级采用电压跟谁器形式，那么它对前一级和后一级影响小,带入公式可得,（2）单极性电压变双极性电路,仪表放大器电路,积分运算电路,由虚短及虚断性质可得：,若输入信号电压为直流，那么：,i1 = if,三角波发生器,微分运算电路,i1 = if,由虚短及虚断性质可得：,分为低通滤波、高通滤波、带通滤波、带阻滤波。,滤波器的理想特性和实际滤波器特性,有源滤波电路,模拟开关,采样存储 电容,控制信号,模拟输入信号,电压跟随器,1. 电路,采样保持电路,采样保持电路，多用于模一数转换电路（A/D）之前。由于A/D 转换需要一定的时间，所以在进行A/D 转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足A/D 转换电路的需要。,信号测试电路,1、二极管的作用,2、观察二极管正接时输出波形，当二极管 反接时的输出波形,电压比较器,理想运放工作在非线性区的特点：,当 u+ u 时， uo = +Uo (sat) u+ u 时， uo = Uo (sat),饱和区,条件： 没有负反馈回路,电压比较器电路设计,1、此电路为过零比较器，因为和负向端比较是零电位， 如果负相端是其他电压查看输出波形情况,文氏桥震荡电路,1、特点,1、当R1=R2，C1=C2时，正反馈量 最大为原来的1/3。,所以，起振条件为,A为放大,倍数， 由同相比例放大器公式：,所以起振时，RF2R1,当电路稳定后，需要RF=2R1，否则，幅 值将不断增加。,2、震荡频率为,文氏桥电路设计测试,1、题目 设计一个1KHZ的 正弦波信号。,分析：,1、输出电压较小时，由于没 达到二极管的启动电压，所以二极管不导通，电压放大很快。,2、当达到二极管的启动电压时，R5不再起作用，所以，R5的大小决定了启动速度,3、R3决定了输出的幅值，它会在R3和R5以及二极管之间，寻找到一个平衡点，使信号达到稳定,功率放大器,第二章 基本电路验证与分析,功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。 特点： 输出信号电压大； 输出信号电流大； 放大电路的输出电阻与负载匹配。,电压放大器与功率放大器的区别： 电压放大不失真地提高输入信号的幅度， 以驱动后面的功率放大级，通常工作在小信号状态。 功率放大信号不失真或轻度失真的条件下 提高输出功率，通常工作在大信号状态。,那么什么是功率放大器？,功率放大电路中三极管的三种工作模式,甲类：Q点适中，信号在整个周期内都能通过。效率50,甲乙类：Q点接近截止区，导通大于半个周期，效率介于甲类和乙类之间,乙类：Q点在截止区，半个周期导通，效率78,那么为什么甲类工作效率低乙类工作效率高?,甲类工作电路,乙类工作电路,功率放大器内部的两种结构电路,OTL电路,OCL电路,LM386集成功率放大器的应用,输出电容(OTL),频率补偿，抵消电 感高频的不良影响防止自激等,调节电压放大倍数,第二章 基本电路验证与分析,555定时器及应用,低电平 触发端,高电平 触发端,电压 控制端,复位端 低电平有效,放电端,4.516V,它是一种应用方便的中规模集成电路, 广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。 因为它是3个5K电阻分压，所以被叫做555定时器,什么是555定时器？,0,0,1,555定时器的工作原理,2VCC/3,VCC/3,0,0,0,1,1,2VCC/3,VCC/3,1,0,0,1,1,1,1,0,2VCC/3,VCC/3,1,1,1,0,0,由555定时器构成的多谐振荡器,Uo=0,Uo=1,保持区,TH,TR,GND,DIS,VO,VCC,RD,VCO,滤除高频干扰信号,第一个暂稳态的脉冲宽度tp1，即 uc从VCC/3充电上升到2VCC/3所需的时间：,第二个暂稳态的脉冲宽度tp2， 即uc从2VCC/3放电下