电子线路教案6、8.doc

一、LC并联电路 如图6.1.1所示为 LC 并联电路。R为并联电路损耗电阻。1阻抗频率特性 LC 并联电路的阻抗频率特性如图6.1.2(a)所示。它表示了LC并联电路的阻抗Z与信号频率之间的变化关系。当=时，LC 并联电路发生谐振，阻抗最大。当时，电路失谐，阻抗很小。因此，称为谐振频率，又称固有频率，即图6.1.1LC并联电路 可见，元件 L、C取定值时，谐振频率是一个常数。2相位频率特性 LC 并联电路的相位频率特性如图6.1.2(b)所示。它表示了LC并联电路两端电压v和流进并联电路电流i之间的相位角之差 与信号频率之间的变化关系。 当= 时，= 0，电路呈纯阻性； 当 0，电路呈感性； 当 时， 0，电路呈容性； 可见，LC并联电路随信号频率的变化呈现不同的性质。 图6.1.2LC并联电路的频率特性 （a）阻抗频率特性（b）相位频率特性3选频特性 阻频特性和相频特性统称为LC并联电路的频率特性。它说明了LC并联电路具有区别不同频率信号的能力，即具有选频特性。LC 电路的阻频特性与 Q 值的关系如图6.1.3所示。 品质因数为 它表征了LC并联电路选频特性的好坏。图6.1.3阻频特性与Q值关系实验和理论证明： R越小，Q值越大，曲线越尖锐，电路选频能力越强； R越大，Q值越小，曲线越平坦，电路选频能力越差。 LC并联电路的Q值，一般在几十到一二百之间。 4选频放大器 选频放大器电路如图 6.1.4(a)所示。电路特点是利用LC并联电路作为负载，因此放大电路具有选频放大能力。 工作原理：当信号频率等于谐振频率时，即= ，放大器输出电压最大；放大倍数最大，如图6.1.4(b)所示。这种表示选频放大器的放大倍数与信号频率关系的曲线，称为调谐放大器的谐振曲线。图6.1.4选频放大器原理 （a）电路（b）谐振曲线 6.1.2两种基本调谐放大电路一、单回路调谐放大器 单回路调谐放大器如图6.1.5所示。 工作原理：输入信号经通过和送到晶体管的b、e极之间，放大后的信号经LC谐振电路选频由耦合输出。 电感抽头和变压器的作用是减少外界对谐振回路的影响，保证有高的Q值。图6.1.5单回路调谐放大器单回路调谐放大器的通频带和选择性取决于谐振曲线，它与理想的矩形谐振曲线比相差甚远，因此这种电路只能用于通频带和选择性要求不高的场合。 电路优点：调整方便、工作稳定； 缺点：失真大。二、双回路调谐放大器 双回路调谐放大器如图6.1.6所示。电路特点是集电极负载采用两个谐振回路，利用它们之间的耦合强弱来改善通频带和选择性。 1互感耦合 互感耦合的双回路调谐放大器如图6.1.6(a)所示。电路特点是双调谐回路依靠互感实现耦合。调节、之间的距离或磁心的位置，改变耦合程度，从而改善通频带和选择性。 工作原理：假定和调谐在信号频率上，输入信号通过送到V时，集电极信号电流经产生并联谐振。此时，由于互感耦合，中的电流在回路电感的抽头处产生很大的输出电压。 2电容耦合 电容耦合的双回路调谐放大器如图6.1.6(b)所示。电路特点是通过外接电容实现两个调谐回路之间的耦合，改变的大小就可改变耦合程度，从而改善通频带和选择性。图6.1.6双回路调谐放大器 （a）互感耦合（b）电容耦合3选择性和通频带与耦合程度的关系： 双回路调谐的谐振曲线如如图6.1.7所示。 (1) 弱耦合时，谐振曲线出现单峰； (2) 强耦合时，谐振曲线出现双峰，中心频率处下凹的程度与耦合强度成正比； (3) 临界耦合时，谐振曲线也呈单峰，但中心频率处曲线较平坦。 可见，谐振曲线在临界耦合时，与理想的矩形谐振曲线很接近。 结论，双回路调谐放大器有较好的通频带和选择性，所以应用广泛。图6.1.7双回路调谐的谐振曲线 （a）耦合较弱 （b）耦合适当（c）耦合较强6.2.1自激振荡工作原理 一、LC回路中的自由振荡 如图 6.2.1(a) 所示电路中。当开关 S 合至 “1” 时，电热器被充电，其电压为，开关由 “1” 合至 “2” 时，电容便能通过电感线圈 L 构成放电回路。电容器在放电过程中将其储存的电场能变成电感线圈的磁场能，然后，电感线圈又向电容器 C 充电，把磁场能转换为电场能。这个过程称为电振荡。 自由振荡电容通过电感充放电，电路进行电能和磁能的转换过程。 阻尼振荡因损耗等效电阻R将电能转换成热能而消耗的减幅振荡，如图6.2.1(b)所示。 等幅振荡利用电源对电容充电，补充电容对电感放电的振荡过程，如图6.2.1(c)所示。这种等幅正弦波振荡的频率称为LC回路的固有频率，即 (6.2.1)图6.2.1LC回路中的电振荡 （a）原理图（b）阻尼振荡波形（c）等幅振荡波形二、自激振荡的条件 振荡电路如图6.2.2所示。 振荡条件：相位平衡条件和振幅平衡条件。 1相位平衡条件 反馈信号的相位与输入信号相位相同，即为正反馈，相位差是180的偶数倍，即 (6.2.2) 其中，为与的相位差，n是整数。、的相互关系参见图6.2.3。 2振幅平衡条件 反馈信号幅度与原输入信号幅度相等。即 = 1(6.2.3)图6.2.2变调谐放大器为振荡器 三、自激振荡建立过程 自激振荡器：在图6.2.2中，去掉信号源，把开关S和“2”点相连所组成的电路。图6.2.3自激振荡器方框图 自激振荡建立过程：电路接通电源瞬间，输入端产生瞬间扰动信号，振荡管V产生集电极电流，因具有跳变性，它包含着丰富的交流谐波。经 LC 并联电路选出频率为的信号，由输出端输出，同时通过反馈电路回送到输入端，经过放大、选频、正反馈、再放大不断地循环过程，将振荡由弱到强的建立起来。当信号幅度进入管子非线性区域后，放大器的放大倍数降低到 = 1时，振幅不再增加，自动维持等幅振荡，如图6.2.4所示。图6.2.4振荡的建立过程 6.2.2LC振荡器 一、变压器耦合式 LC 振荡器电路特点：用变压器耦合方式把反馈信号送到输入端。常用的有以下两种。 1共发射极变压器耦合LC振荡器 (1) 电路结构 电路结构如图6.2.6(a)所示，图中V为振荡放大管，电阻、是偏置电阻，为稳定工作点发射器负反馈电阻，、为旁路电容，LC并联回路为选频振荡回路，为反馈线圈，为振荡信号输出端，电位器和电容组成反馈量控制电路。图6.2.6共发射极变压器耦合振荡器 （a）电路（b）交流通路 (2) 工作原理 图 6.2.6(a) 的交流通路如图6.2.6(b)所示。对频率f = 的信号，LC选频振荡回路呈纯阻性，此时和反相，即=180o。输出电压再通过反馈线圈，使4端为正电位，即与的=180o。于是，保证了正反馈，满足了相位条件。如果电路具有足够大的放大倍数，满足振幅条件，电路就能振荡。调节可改变输出幅度。 2共基极变压器耦合LC振荡器(1) 电路结构 电路结构如图6.2.7(a)所示。图中V为振荡放大管，电阻、是偏置电阻、为稳定工作点发射极负反馈电阻，为基极旁路电容，为隔直耦合电容，为反馈线圈，L与C串联组成选频振荡电路。 (2) 工作原理 图 6.2.7（a）的交流通路如图6.2.6(b)所示。接通电源瞬间，LC回路振荡电压加到管子基射之间，形成输入电压，经 V 放大后，输出信号经反馈线圈与L之间的互感耦合反馈到管子基射之间，若的反馈极性正确且满足振幅平衡条件,电路产生振荡。图6.2.7共基极变压器耦合振荡电 （a）电路（b）交流通路 综上分析，变压器反馈电路的反馈强度，可通过与之间的距离来调节。变压器耦合振荡电路的振荡频率为 (6.2.4) 若调节L、C，可改变振荡频率。动画： 变压器反馈式 LC 振荡器二、三点式LC振荡电路 电路特点：LC振荡回路三个端点与晶体管三个电极相连。 1电感三点式振荡器 电路如图6.2.8(a)所示，其交流通路如图6.2.8(b)所示。图6.2.8电感三点式振荡器 （a）电路图（b）交流通路相位条件：当线圈1端电位为“+”时，3端电位为“-”，此时2端电位低于1端而高于3端，即与反相，经倒相放大后，形成正反馈，即满足相位条件。 振幅条件：适当选择与的比值。使，满足振幅条件。电路就能振荡。 由于反馈电压取自两端，故改变线圈抽头位置，可调节振荡器的输出幅度。越大，反馈越强，振荡输出越大，反之，越小，反馈越小，不易起振。 电路振荡频率为 (6.2.5) 其中M是与之间的互感系数。 优点：振荡频率很高，一般可达到几十兆赫。 缺点：波形失真较大。 2电容三点式振荡器 电容三点式振荡器电路如图6.2.9(a)所示，其交流通路如图6.2.9(b)所示。 相位条件：当线圈1端电位为“+”时，3端电位为“-”。此电压经、分压后，2端电位低于1端而高于3端，即与反相，经V倒相放大后，使1端获“+”电位，形成正反馈，满足相位条件。 振幅条件：适当地选择、的数值，使电路具有足够大的放大倍数，电路可产生振荡。 电路振荡频率为 (6.2.6) 而 电路特点：频率较高，可达100 MHz以上。 优点：输出波形好。 缺点：调节频率不方便。图6.2.9电容三点式振荡器 （a）电路图（b）交流通路 6.2.3石英晶体振荡器一、石英晶体的基本特性及其等效电路 1压电效应 石英晶体谐振器如图6.2.11所示。它是在晶片的两个对面上喷涂一对金属极板，引出两个电极，加以封装所构成。图6.2.11石英晶体谐振器结构示意图 压电效应：晶片在电压产生的机械压力下，其表面电荷的极性随机械拉力而改变的一种现象。如图6.2.12(a)所示。 压电谐振：外加交变电压的频率等于晶体固有频率时，回路发生串联谐振，电流振幅最大的一种现象。产生压电谐振时的振荡频率称晶体谐振器的振荡频率，图6.2.12(b)所示。图6.2.12压电效应和谐振现象 （a）压电效应（b）谐振现象2符号和等效电路 石英晶体振荡器的符号如图6.2.13(a)所示，当晶体不振动时，可用静态电容来等效，一般约为几个皮法到几十皮法；当晶体振动时，机械振动的惯性可用电感L来等效，一般为H；晶片的弹性可用电容C来等效，一般为pF；晶片振动时的损耗用R来等效，阻值约为。由可知，品质因数Q很大，可达。加之晶体的固有频率只与晶片的几何尺寸有关，其精度高而稳定。所以，采用石英晶体谐振器组成振荡电路，可获得很高的频率稳定度。其等效电路如图6.2.13(b)所示，它有两个谐振频率。 (1) 当L、C、R支路串联谐振时，等效电路的阻抗最小，串联谐振频率为 (6.2.8) (2) 当等效电路并联谐振时，并联谐振频率为 (6.2.9) 由于C ，因此和两个频率非常接近。 图6.2.13(c)为石英晶体谐振器的电抗-频率特性，在和之间为感性，在此区域之外为容性。图6.2.13石英晶体谐振器 （a）符号（b）等效电路（c）电抗频率特性（设R0）6.2.4集成运放 LC 振荡器一、用集成运算放大器组成的振荡电路 用集成运算放大器组成的振荡电路如图6.2.16所示。L和C构成选频网络与电阻组成正反馈支路；和组成负反馈支路。当电源接通后，集成运放输出信号经选频网络选出频率为 的信号，从同相端输入，形成正反馈。输出端可输出频率较高的正弦波振荡信号，其信号幅度由电位器调节。 图6.2.16集成运放LC正弦波振荡器 1判断题(1) 正弦波振荡器中，如没有选频网络，就不能引起自激振荡。正确 错误 (2) 在多级放大器中，级间常常接有去耦滤波电路，用以防止电源内阻的耦合作用引起的自激振荡。 正确 错误 (3) 放大器具有正反馈特性时，电路必然产生自激振荡。正确 错误 (4) 任何“电扰动”，如接通直流电源、电源电压波动、电路参数变化等，都能供给振荡器作为自激的初始信号。 正确 错误 (5) 外界电磁场及交流电网中的交流信号不会影响放大器的正常工作。正确 错误 (6) 在具有选频回路的正弦波振荡器中，即使正反馈极强，也能产生单一频率的振荡。正确 错误(7) 稳定振荡器中晶体三极管的静态工作点，有利于提高频率稳定度。正确 错误(8) 振荡器的负载变动将影响振荡频率稳定性。 正确 错误2选择题 (1) 在正弦波振荡器中，放大器的主要作用是（）。 A 保证振荡器满足振幅平衡条件，能持续输出振荡信号 B保证电路满足相位平衡条件 C 把外界的影响减弱(2) 正弦波振荡器中正反馈网络的作用是（）。 A 保证电路满足振幅平衡条件 B提高放大器的放大倍数，使输出信号足够大 C 使某一频率的信号在放大器工作时满足相位平衡条件而产生自激振荡(3) 正弦波振荡器中，选频网络的主要作用是（）。 A使振荡器产生一个单一频率的正弦波 B使振荡器输出较大的信号 C使振荡器有丰富的频率成分 (4) 电容三点式 LC 正弦波振荡器与电感三点式LC 正弦波振荡器比较，其优点是（）。 A电路组成简单 B输出波形较好 C容易调节振荡频(5) 电感三点式 LC 正弦波振荡器与电容三点式LC 振荡器比较，其优点是（ ）。 A输出幅度较大 B输出波形较好 C易于起振，频率调节方便(6) 在电子设备的电路中，常把弱信号放大部分屏蔽起来，其目的是（ ）。 A使放大倍数不受外界影响 B防止能量过多损耗 C防止外来干扰引起自激现象3填空题(1) 要使电路产生稳定的振荡，必须满足 和 两个条件。(2) 所谓振荡器的振幅平衡条件，指的是输出端反馈到输入端的电压幅度，必须或 输入电压的幅度。(3) 根据选频网络和反馈电路结构的不同，LC正弦波振荡器的三种基本形式为 、 和。 (4) 振荡器电路的输入信号来自。(5) 晶体管振荡器是一种无需外界信号激励便能产生振荡信号输出的 放大器。 (6) 外界空间电磁场的干扰也是放大器产生自激的原因之一，通常采用 措施减少这种干扰。(7) 通常振荡器的频率稳定度用频率变化的 量来表示，写成表达式为 。1判断题 (1)为了使变压器耦合的单管功率放大器有足够的输出功率，允许功放三极管工作在极限状态。 正确 错误 (2)当输入信号为零时，则输出功率也为零，电源供给电路的功率最小，这时单管功率放大器的效率最高。 正确 错误 (3)推挽功率放大器输入交流信号时，总有一只功放三极管是截止的，所以输出波形必然失真。 正确 错误 (4)单管功率放大器的静态电流较推挽功率放大器大得多，可见甲类单管功率放大器电路的效率比乙类推挽功率放大器高。 正确 错误 (5)在推挽功率放大器电路中，只要两只晶体管具有合适的偏置电流，就可消除交越失真。 正确 错误 (6)甲类功率放大器一般采用变压器耦合而不采用电容耦合，以便于提高电压放大倍数。2选择题 ( 1)设甲类单管变压器耦合功率放大器静态集电极电流为、电源电压为，则输出最大功率为（）。 A B C(2)乙类推挽功率放大电路的理想最大效率为（）。 A 50% B 60% C78%(3)甲类单管功率放大电路结构简单，但最大的缺点是（）。 A效率低 B有交越失真 C易产生自激(4)某变压器耦合的功率放大器中，已知晶体三极管的输出电阻为，扬声器的电阻为，若要达到阻抗匹配的目的，则输出变压器的匝数比 n 是（）。 A4 B3 C2(5)OTL 功放电路是用大容量电容器作输出电容，去掉了输出变压器，但仍存在的缺点是（ ）。 A交越失真 B耗电量太大 C输出端呈现电感效应大，对不同频率的信号会产生不同相移，输出信号有附加失真(6)OCL 功率放大电路采用的电源是（ ）。 A取极性为正的直流电源 B取极性为负的直流电源 C取两个电压大小相等且极性相反的正、负直流电源3填空题 (1)功率放大器按工作点在交流负载线上的位置分类有： 类功放、 类功放和类功放电路。 (2)功率放大器以输出终端特点分类有：功放、 功放和功放电路 。 (3)甲乙类推挽功放电路与乙类功放电路比较，前者加了偏置电路向功放管提供少量以减少 失真。 (4)功率放大器主要用作 以供给负载 信号。(5)为了保证功率放大器中功率放大三极管的使用安全，既要选用 、 足够大的晶体三极管，还应注意。(6)为了避免输出变压器给功放电路带来的不便和失真，出现了 功放电路；为了避免输出电容引起的失真，又出现了 功放电路。(7)集成功率放大器具有 小、 轻、可靠和 方便的优点。(8)使用集成功放电路，主要应了解它的特性和 线路。8.1概述直流稳压电源：当电网电压或负载发生变化时，能基本保持输出电压不变的电源装置。 一、并联型稳压电路 电路结构特点是调整元件与负载并联，如图8.1.1(a)所示。故称并联型稳压电路。稳压过程是通过调整元件的电流调整作用实现的。 并联型硅稳压管稳压电路如图8.1.2所示，稳压管V为电流调整元件，R为限流电阻。图8.1.1两种稳压类型 （a）并联型（b）串联型 稳压原理： 设恒定，。 电路优点是结构简单，调试方便；缺点是输出电流较小、输出电压固定，稳压性能较差。因此，只适用于小型电子设备。 二、串联型稳压电路 电路结构特点是调整元件与负载串联，如图8.1.1(b)所示。故称串联型稳压电路。这种电路的稳压过程是通过调整元件的电压调整作用实现的。电路优点是输出电流较大，输出电压稳定性高，而且可以调节。因此应用比较广泛。图8.1.2硅稳压管稳压电路 8.2.1简单串联型稳压电源一、简单串联型稳压电源 电路如图8.2.1所示。图中为调整管，工作在放大区，起电压调整作用；为硅稳压管，稳定管的基极电压，提供稳压电路的基准电压；既是的限流电阻，又是管的偏置电阻；为管的发射极电阻；为外接负载。 稳压过程简述如下： 当。 因负载电流由管子供给，所以与并联型稳压电路相比，可以供给较大的负载电流。但该电路对输出电压微小变化量反映迟钝，稳压效果不好，只能用在要求不高的电源中。图8.2.1简单的串联型晶体管稳压电源 8.2.2带有放大环节的串联型稳压电源一、电路结构 电路如图8.2.2所示。为调整管，起电压调整作用；是比较放大管，与集电极电阻组成比较放大器；是稳压管，与限流电阻组成基准电源，为发射极提供基准电压；、和组成采样电路，取出一部分输出电压变化量加到管的基极，与发射极基准电压进行比较，其差值电压经过放大后，送到调整管的基极，控制调整管的工作。图8.2.2带有放大环节的串联稳压电源二、稳压过程 设恒定，当 三、输出电压调节范围 由图8.2.2可知 即(8.2.1) 当的滑动臂移到最上端时，达到最小值。即 (8.2.2) 当的滑动臂移到最下端时，达到最大值。即 (8.2.3) 则输出电压的调节范围为 以上各式中的约为0.6 0.8 V。 综上所述，带有放大环节的串联型晶体管稳压电路，一般由四部分组成，即采样电路、基准电压、比较放大电路和调整元件，如图8.2.3所示。 电路的优点是输出电流较大，输出电压可调；缺点是电源效率低，大功率电源需设散热装置。 图8.2.3带有放大环节的串联型稳压电路框图 8.3技术指标一、特性指标 表明稳压电源工作特性的参数。 例如：允许输入的电压，输出电压及可调范围，输出电流等。 二、质量指标 衡量稳压电源性能优劣的参数。 1稳压系数 指负载不变时，稳压电路输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比。即 它表明稳压电源克服电网电压变化的能力。 2输出电阻 指输入电压不变时，输出电压变化量与输出电流变化量之比。即 它表明稳压电源克服负载电阻变化的能力。 3电压调整率 指额定负载不变时，电网电压变化10%，输出电压相对变化量。即 4电流调整率 指电网电压不变时，输出电流从零到最大值变化时，输出电压的相对变化量。即 一般常用稳压系数和输出电阻这两个主要指标。其数值越小，电路稳压性能越好。8.4.1三端固定式集成稳压器一、三端固定式集成稳压器 这类产品的封装形式有金属壳封装和塑料壳封装，如图 8.4.1(a) 所示。它们都有三个管脚，分别是输入端、输出端和公共端，因此称为三端式稳压器。1CW7800系列是三端固定电压输出的集成稳压器。输出电压有 5 V、6 V、9 V、12 V、15 V、18 V、24 V等档次。 例如：CW7805表示输出电压为正5 V。此系列最大输出电流为1.5 A。同类产品：CW78M00系列(0.5 A)；CW78L00 系列(0.1 A)；CW78T00系列(3 A)和CW78H00系列(5 A)。 CW7800系列的管脚如图8.4.1所示，不同类型，不同封装形式的三端集成稳压器的引脚排列不同，使用时请查阅手册。 2CW7900系列是三端固定负压输出的集成稳压器。在输出电压档次、电流档次等方面与78系列相同。管脚如图8.4.1(b) 所示，引脚排列请查阅手册。图8.4.1三端固定集成稳压器外壳形状 （a）金属壳封装（b）塑料壳封装 3基本应用：电路如图8.4.2见示。三端式稳压器组成应用电路的最大特点是结构简单，外围元件少。电路中，电容抑制高频干扰，用来改善暂态响应，并具有消振作用。图8.4.2CW7812集成稳压器应用电路4三端固定稳压器的功能扩展 （1）扩流电路 如图8.4.3（a）所示，把两个参数完全相同的CW7800系列的集成块并联，则最大输出电流可扩展为1.5 A2。 （2）输出电压可调电路 如图8.4.3(b)所示。设稳压器输出电压，即，而，得 解得 可见，调节之值，即可调的值。 （3）电压极性变换电路 CW7800系列稳压器，按图8.4.3（c）所示方法连接可输出负电压；CW7900系列稳压器按图8.4.3（d）所示方法连接可输出正电压。图8.4.3稳压器应用的扩展 8.4.2三端可调式集成稳压器一、三端可调式集成稳压器 三端可调式稳压器的外形和管脚的编号与三端固定式稳压器相同，可参见图8.4.1。但管脚功能却不同，如： CW317三端可调式正压输出稳压器，其引脚排列：1脚为调整端，2脚为输入端，3脚为输出端。 CW337三端可调式负压输出稳压器，其引脚排列：1脚为调整端，2脚为输出端，3脚为输入端。 CW317和CW337的基本应用电路如图8.4.4所示。应用特点是外接两个电阻(和)就可得到所需的输出电压。为了使电路正常工作，一般输出电流不小于5 mA。输入电压范围在3 40 V之间，输出电压可调范围为1.25 37 V，器件最大输出电流约1.5 A。图8.4.4三端可调式稳压器应用电路 （a）CW317的应用电路（b）CW337的应用电路8.5开关型稳压电路简介一、工作特点 调整管交替工作在截止状态或饱和状态，即开关状态。在截止状态时功耗等于零，在饱和状态时管压降很小，功耗不大，因此电路效率高。 二、电路组成 简单的串联开关型稳压电路如图8.5.1所示。其组成为：采样电路(、)；比较放大管()；基准电压(、)；开关复合调整管(、)；振荡电路(、)。其中，的集电极与基极相连，的集电极通过、与的基极相连。可见，当饱和导通时，、是截止的，当截止时，、饱和导通。三、工作原理 设开始时，饱和导通，由于的较低，不足以使、导通；的就向充电，随着的充电导致的基极电位逐步升高，最终截止；当截止后，增大，逐步使、转入饱和导通状态。这时通过、放电，放电时间取决于基极电位的高低，基极电位越高，放电越快。的放电导致基极电位的下降，使转入饱和导通，而、又转入截止状态。这样，和、就自动反复轮流导通和截止。图8.5.1串联开关型稳压电路 四、稳压过程 当输出电压由于某种原因偏高时，经采样电路使基极电位升高，增大，放电速度增加，使截止时