模拟与数字电子技术基础习题.ppt

主编李中发制作李中发2005年1月 电子技术 第1章半导体器件 学习要点 了解半导体的特性和导电方式 理解PN结的单向导电特性了解半导体二极管 三极管的结构理解二极管的工作原理 伏安特性和主要参数理解双极型三极管的放大作用 输入和输出特性曲线及主要参数了解MOS场效应管的伏安特性 主要参数及其与双极型三极管的性能比较 半导体 导电性能介于导体和绝缘体之间的物质 如硅 Si 锗 Ge 硅和锗是4价元素 原子的最外层轨道上有4个价电子 本征半导体 杂质半导体 N型半导体的多数载流子 少数载流子 P型半导体的多数载流子 少数载流子 无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的 对外不显电性 掺入的杂质元素的浓度越高 多数载流子的数量越多 少数载流子是热激发而产生的 其数量的多少决定于温度 理想二极管 正向电阻为零 正向导通时为短路特性 正向压降忽略不计 反向电阻为无穷大 反向截止时为开路特性 反向漏电流忽略不计 第1章小结 本章在介绍半导体基本知识的基础上 重点阐述了半导体二极管 双极型晶体管 BJT 和场效应晶体管 FET 的结构 工作原理 主要特性曲线和参数等 绝对零度时 本征半导体中没有载流子 温度高于绝对零度时 将发生本征激发 产生两种载流子 即自由电子和空穴 它们总是成对出现 称为电子空穴对 电子空穴对的浓度随温度的升高而增加 在固定温度下不变 2 杂质半导体有N型和P型两种 N型半导体中的多子为自由电子 P型半导体中的多子为空穴 多子由掺杂产生 其浓度由掺杂浓度决定 少数载流子由本征激发产生 其浓度与温度有关 这一点导致晶体管的很多参数与温度有关 产生热不稳定性 将P型和N型半导体紧密结合在一起 在它们的交界面处 发生两种形式载流子的运动 即多子的扩散运动和少子的漂移运动 它们达到动态平衡时 形成稳定的空间电荷区 即PN结 PN结的最主要特性就是单向导电性 4 二极管的伏安特性曲线分为正向和反向两个区域 当正向电压小于开启电压时 流过二极管的电流近似为0 随着 UD稍有增加 电流ID迅速增加 在特性的反向区 反向电流等于反向饱和电流 但当反向电压达到击穿电压值时 二极管发生反向击穿 击穿后 电流在很大范围内变化时 反向击穿电压几乎不变 利用这一特性可以制成硅稳压管 二极管是非线性元件 在分析含二极管的电路时 常用某种模型代替二极管 主要有开关模型 固定正向电压降模型 折线化模型和低频小信号模型 不同的应用场合应使用不同的模型 二极管的主要参数有最大整流电流IF 反向击穿电压UBR 最大反向工作电压URM 反向电流IR和正向压降UF等 7 双极型半导体晶体管 BJT 有两种载流子参与导电 属电流控制电流源器件 CCCS BJT有NPN和PNP两种结构类型 其工艺特点为 基区极薄且掺杂浓度低 发射区掺杂浓度高 集电区掺杂浓度低 晶体管的输出特性曲线可以分为饱和 截止 放大三个区域 双极型晶体管在放大 饱和截止区 有不同的发射结和集电极偏置 为保证晶体管工作在放大状态 应使其发射结正偏 集电结反偏 晶体管的参数主要分为直流参数 交流参数和极限参数三类 9 场效应管为电压控制电流源器件 VCCS 即用栅源电压来控制沟道宽度 改变漏极电流 场效应管为单极型器件 仅一种载流子 多子 导电 热稳定性优于BJT 场效应管有结型和绝缘栅型两种结构 每种又分为N沟道和P沟道两种 绝缘栅型场效应管 MOSFET 又分为增强型和耗尽型两种类型 10 场效应管的漏极特性曲线可分为可变电阻区 截止区和恒流区 在放大电路中 应使其工作在恒流区 场效应管的参数也分为直流参数 UGS th 或UGS off IDSS 交流参数 gm 和极限参数 IDM PDM 三类 跨导gm反映了场效应管的电压控制作用 第2章单级交流放大电路 理解共发射极单管放大电路的基本结构和工作原理掌握放大电路静态工作点的估算和微变等效电路的分析方法了解放大电路输入电阻和输出电阻的概念理解射极输出器的电路结构 性能特点及应用了解场效应管共源极放大电路的结构和性能特点 学习要点 放大电路的结构示意框图见下图 放大电路概念示意图 例1 测量三极管三个电极对地电位如图所示 试判断三极管的工作状态 三极管工作状态判断 例2 用数字电压表测得VB 4 5V VE 3 8V VC 8V 试判断三极管的工作状态 例2电路图 放大 3 放大电路微变等效电路 电压放大倍数 式中RL RC RL 当RL 开路 时 输入电阻 Ri 输入电阻Ri的大小决定了放大电路从信号源吸取电流 输入电流 的大小 为了减轻信号源的负担 总希望Ri越大越好 另外 较大的输入电阻Ri 也可以降低信号源内阻Rs的影响 使放大电路获得较高的输入电压 在上式中由于RB比rbe大得多 Ri近似等于rbe 在几百欧到几千欧 一般认为是较低的 并不理想 输出电阻 对负载而言 放大器的输出电阻Ro越小 负载电阻RL的变化对输出电压的影响就越小 表明放大器带负载能力越强 因此总希望Ro越小越好 上式中Ro在几千欧到几十千欧 一般认为是较大的 也不理想 例 图示电路 接CE 已知UCC 12V RB1 20k RB2 10k RC 3k RE 2k RL 3k 50 试估算静态工作点 并求电压放大倍数 输入电阻和输出电阻 解 1 用估算法计算静态工作点 2 求电压放大倍数 3 求输入电阻和输出电阻 例题 在图示放大电路中 已知UCC 12V RC 2k RE1 200 RE2 1 8K RB1 20k RB2 10k RL 3k 晶体管 50 UBE 0 6V 试求 1 静态工作点IB IC及UCE 2 画出微变等效电路 3 输入电阻ri r0及 2 微变等效电路如图 3 交流参数 例 图示电路 已知UCC 12V RB 200k RE 2k RL 3k RS 100 50 试估算静态工作点 并求电压放大倍数 输入电阻和输出电阻 解 1 用估算法计算静态工作点 动态分析的基本步骤 放大电路中频微变等效电路是在晶体管低频小信号模型的基础上 增加放大电路交流通路的相关元件而构成的 具体画法如下 1 先将晶体管的低频小信号模型画出 2 再将放大电路晶体管以外的交流通路的元件画出 3 在中频段 画的过程中将大容量的耦合电容 旁路电容器短路 将直流电源交流短路 现以能够稳定工作点的分压偏置共射放大电路为例进行讨论 电路见图 共射组态基本放大电路的动态分析 1 先进行静态分析 保证晶体管处于放大区 一 静态分析 共射组态交流基本放大电路 进行直流计算的目的是检验放大电路是否是处于放大状态 如果放大状态不正确 进行交流计算就没有意义 其次 在微变等效电路中有rbe 要计算rbe就必须知道IEQ ICQ 这也需要通过直流计算来获得 ICQ IBQ UCEQ VCC ICQRc IEQRe VCC ICQ Rc Re 分压偏置共射放大电路 共射放大电路交流微变等效电路 因放大电路的输入信号处于中频段 所以可以将大容量的耦合电容和旁路电容器短路 将直流电源交流短路 将晶体管的低频模型画出 再将共射放大电路交流通路的其他元件一一画出 二 动态分析 1 求放大电路中频电压放大倍数 在画出了放大电路的微变等效电路后 求解电压放大倍数就是一个解电路的问题 输出电压为 输入电压为 电压放大倍数为 共射放大电路求电压放大倍数 2 求放大电路的输入电阻 根据输入电阻的定义和微变等效电路有 若满足Rb1 Rb2 rbe 则Ri rbe 共射放大电路求输入电阻 根据输出电阻的定义 需要将信号源进行置零处理 也就是 将短路 但保留内阻 将负载电阻开路 同时在输出端加一个测试用信号源 3 求放大电路的输出电阻 共射放大电路求输出电阻 例2 5 有一基本放大电路如图所示 已知VCC 15V Rc 3k Rb1 390k Re1 100 Re2 1k RL 10k UBE 0 7V 99 耦合电容的容量足够大 试计算电路的中频电压放大倍数 输入电阻和输出电阻 解 例2 5电路图 解 静态计算如下 画微变等效电路 如图所示 可得电压增益 例2 5的微变等效电路 画微变等效电路 如图2 5 3所示 可得电压增益 旁路电容的断开 使电压放大倍数下降 其物理意义将在后面解释 电压放大倍数可近似等于是两电阻之比 因而电压放大倍数的稳定性提高 输出电阻 输入电阻 1 2 10 390 10 89k 共集组态放大电路如图所示 它的集电极负载电阻等于0 相当集电极交流接地 输入信号接基极 输出信号从发射极引出 所以 共集组态放大电路也称为射极输出器 共集组态放大电路 共集组态放大电路的偏置电阻往往只采用一个上偏置电阻 其原因是增大输入电阻 共集组态基本放大电路的动态分析 一 静态分析 静态工作点的计算原则与共射组态放大电路一样 先画出直流通路 基极电流 集电极极电流 管压降 共集组态放大电路的直流通路 下左图所示的共集组态放大电路的微变等效电路如下右图所示 1 中频电压放大倍数的求解 微变等效电路 二 动态分析 共集组态放大电路 式中R L Re RL 式中 由于 rbe 所以 电压增益近似等于1 由此可解出电压放大倍数表达式 根据微变等效电路可列如下方程 2 输入电阻 基极电流 输入电阻 根据电阻归算的原理 Ri是从放大电路输入端看进去的输入电阻 是从基极看进去的输入电阻 所以 所以 输入电阻 共集组态放大电路的输入电阻比共射组态基本放大电路要大 为了减少偏置电阻并联对总输入电阻下降的影响 所以共集组态放大电路经常只使用一个上偏置电阻 这个上偏置电阻一般可以用到几百千欧以上 3 输出电阻 求 求 基极电流 求输出电阻 根据输出电阻的定义 需要将信号源进行置零处理 也就是 将短路 但保留内阻 将负载电阻开路 同时在输出端加一个测试用信号源 于是 所以 输出电阻相当两个电阻的并联 一个是Re 另一个是基极回路的等效电阻归算到发射极回路的电阻 求输出电阻 4 共集组态放大电路的特点 由以上分析可知 共集组态放大电路的基本特点 共集放大电路只能放大电流 电压放大倍数小于且接近等于1 输出电压的相位与输入电压的相位相同 输出电压的波形和输入电压的波形一样 故又名射极跟随器 3 共集电极基本放大电路的输入电阻高 输出电阻低 具有阻抗变换的特点 有较强的带负载能力 常用于多级放大电路的输入级和输出极 以及功率放大电路 第3章集成运算放大器和模拟乘法器单元电路 内容提要 本章的重点是分析组成运算放大器和模拟乘法器的基本单元电路 包括差分放大电路和互补功率输出电路 对多级放大电路的有关问题以及运算放大器的参数等内容也做了介绍 3 1集成运算放大器的基本结构 1 什么是集成电路 利用集成电路的制造工艺 将电子元器件 场效应管 双极型晶体管 二极管 电阻和小容量电容等 和连线制作在同一片半导体芯片上 构成具有特定功能的电路 称为集成电路 2 集成电路的分类 模拟集成电路 运算放大器 功率放大器 模拟乘法器 模拟锁相环 模拟稳压电源等 数字集成电路 模拟数字混合集成电路 3 模拟集成电路的特点 1 集成电路体积小 功耗小 2 易于制造相对精度高的器件 容易保证电路中元件的对称性 5 在一些场合用有源器件代替无源器件 6 级间采用直接耦合方式 7 集成电路的可靠性高于分立元件构成的电子电路 3 电路中的电阻元件由半导体的体电阻构成 4 可以利用PN结的电容效应制造小容量的电容元件 集成运算放大器是一个高增益直接耦合放大电路 方框图如图所示 运算放大器方框图 集成运算放大器一般由三级组成 输入级是差分放大电路 中间级是高增益放大电路 输出级是互补推挽电路 除此以外还有一些辅助环节 例如偏置电流源 电位偏移电路等 4 集成运算放大器的基本结构 多级放大电路的耦合方式 多级放大电路的级与级之间 信号源与放大电路之间 放大电路与负载之间的连接均称为耦合 常见的耦合方式可以分为直接耦合 电抗性元件耦合和光电耦合 对耦合电路有两点要求 一是要保证放大电路对通频带内信号的有效传输 二是要保证各放大级的正常工作 不能破坏各放大级的工作点 耦合方式 直接耦合 电抗性元件耦合 电容耦合 电抗性元件耦合 变压器耦合 光电耦合 将前一级的输出端直接接到后一级的输入端 或者级间通过电阻连接的耦合方式 称为直接耦合方式 直接耦合放大电路各级的静态工作点互相影响 将基本放大电路去掉耦合电容 前后级直接连接 直接耦合放大电路 集电极电位随着放大级数的增加而逐级提高 1 直接耦合 两级阻容耦合放大电路 将放大器前级的输出端通过电容接到后级的输入端 称为阻容耦合 图为两级阻容耦合放大电路 第一级为共射放大电路 第二级为共集放大电路 2 阻容耦合 变压器耦合的共射放大电路 将放大电路前级的输出端经变压器接到后级的输入端或负载上 称为变压器耦合 变压器耦合可以实现阻抗变换 达到阻抗匹配 使负载上获得足够大的功率输出 3 变压器耦合 变压器耦合 级与级之间的工作点互相独立 可以通过变压器传输交流信号 光电耦合放大电路 光电耦合是以光为媒介来实现电信号的传输 因其抗干扰能力强而得到越来越广泛的应用 图为光电耦合电路 将发光元件 发光二极管 与光敏元件 光电三极管 相互绝缘地组合在一起 发光元件为输入回路 将电能转换为光能 光敏元件为输出回路 将光能再转换为电能 4 光电耦合 5 耦合方式的比较 零点漂移 输入电压为零 而直接耦合放大电路静态工作点的输出电压随时间缓慢变化的现象 称为零点漂移 下左图为零点漂移的测试电路 下右图为零点漂移的时间曲线 零点漂移的特点是缓慢变化 无规则 且趋向一个方向变化 零点漂移的测试电路 输出电压的漂移 一 零点漂移现象 温度变化 电源电压波动 元器件老化都将引起零点漂移 其中由温度变化所引起的晶体管特性参数的变化是产生零点漂移的主要原因 如反向饱和电流ICBO和电流放大系数 等 因而也称零点漂移为温度漂移 简称温漂 直接耦合放大电路静态工作点的电压随时间缓慢变化的现象 也称为时漂 二 零点漂移现象产生的原因 温度漂移 V C 是在输入端短路时 把输出端的温漂电压折合到输入端 得到等效输入漂移电压与温度变化量之比来表示 即 因晶体管存在死区 若输入信号小于开启电压 则晶体管不导通 所以乙类互补输出电路在输入信号正 负半周交替过零处 因晶体管存在死区 导致集电极电流为0 从而形成的非线性失真 称为交越失真 见图 uo 交越失真 死区 交越失真及其消除 交越失真示波器波形图 为消除交越失真 可给晶体管稍稍加一点偏置 使之处于微导通状态 消除死区 即工作在甲乙类工作状态 只要一加入信号 晶体管立刻导通 输入信号 输出信号 为消除交越失真 使晶体管处于微导通状态 消除死区 即工作在甲乙类 只要一加入信号 晶体管立刻导通 甲乙类互补输出极放大电路 因为二极管的正向压降与发射结的死区电压差不多 用二极管提供偏置可消除交越失真 晶体管的导通角稍大于 这种甲乙类互补功率放大电路 见图 小结 本章重点讨论构成集成运算放大器和模拟乘法器的单元电路 差分放大电路和互补输出级的工作原理及分析方法 以及构成多级放大电路的耦合方式 并介绍了集成运放和模拟乘法器的参数 类型及其选用原则 1 多级放大电路有阻容耦合 变压器耦合 直接耦合和光电耦合四种耦合方式 耦合电路必须保证信号的传输和放大级的正常工作 由于制造上的原因 在集成运算放大器和模拟乘法器中采用的是直接耦合方式 直接耦合多级放大电路存在零点漂移现象 其成因主要是半导体器件的参数随温度的变化而变化 抑制零点漂移的有效措施是采用差分放大电路作为多级放大电路的输入级 2 差分放大电路利用晶体管和电路参数的对称性和发射极电阻来抑制温度漂移 分析时将输入信号等效为差模信号和共模信号的叠加 分别计算其差模放大倍数和共模放大倍数 二者之比为共模抑制比 KCMR KCMR越高 抑制零漂和温漂的能力越强 3 差分放大电路的分析分静态 差模动态和共模动态三种情况进行 静态计算的原则同基本放大电路 差模动态根据电路的输入 输出方式不同而有所差别 因为单端输入可以等效成双端输入 所以双入双出与单入双出的电压增益表达式相同 而双入单出与单入单出的电压增益的表达式相同 共模动态分析主要解决共模抑制比的计算 双端输出共模输出电压按0计算 单端输出则需要根据共模等效电路计算 差模动态和共模动态的计算依据是微变等效电路 4 为使集成运算放大器有较大的动态输出范围和较强的带负载能力 其输出级通常采用互补输出电路 其实质为两个射级跟随器的组合 5 晶体管工作在乙类状态可提高效率 而为减小交越失真 常为其提供很小的静态电流 构成甲乙类功放 因为功放电路的输出信号较大 分析时一般采用图解法 理想情况下 OCL功放的最高效率为78 5 第4章负反馈放大电路 内容提要 本章介绍反馈的概念 反馈放大电路中信号的传输 反馈的基本方程式 反馈的各种组态 不同组态的反馈对放大电路性能的影响 深度负反馈条件下的增益计算以及负反馈放大电路的自激等问题 在放大电路中信号的传输是从输入端到输出端 这个方向称为正向传输 反馈就是将输出信号取出一部分或全部 通过反馈网络的反向传输 再送回到放大电路的输入回路 与原输入信号相加或相减后再作用到放大电路的输入端 反馈的示意图见图 反馈概念方框图 反向传输 反馈的概念 图中是输入信号 是反馈信号 是净输入信号 是输出信号 无反馈时输入信号直接加到放大电路的输入端 加入反馈以后 输入信号与反馈信号相加或相减以后 得到净输入信号 再加到放大电路的输入端 反向传输 上式取加号是正反馈 取负号是负反馈 反馈概念方框图 为了简化分析 工程上往往仅考虑放大电路的正向传输信号 忽略放大电路内部的反向传输 放大电路的反向传输信号很小 一般在10 4量级 同时也忽略了反馈网络的正向传输 因为放大电路的输出信号往往大于输入信号 所以反馈网络的正向传输一般远小于反向传输 放大电路无反馈称为开环 放大电路有反馈称为闭环 即放大电路和反馈网络构成一个环路 见图 反向传输 正向传输 开环 闭环 反馈概念方框图 根据反馈放大电路方框图 可以推导出反馈放大电路开环与闭环放大倍数之间的数学关系式 即反馈放大电路的一般表达式 基本方程式 见图 放大电路的开环放大倍数 反馈网络的反馈系数 放大电路的闭环放大倍数 反馈概念方框图 以上几个量都采用了复数表示 因为要考虑实际电路的相移 由于 式中 称为环路增益 称为反馈深度 根据反馈基本方程式 用上式分母大小 即反馈深度的大小来确定放大电路的工作状态 当 1时 称为负反馈 当 称为正反馈 当 0时 放大电路自激 即在深度负反馈条件下 闭环放大倍数近似等于反馈系数的倒数 深度负反馈条件下 由 1 可得 环路增益是指放大电路和反馈网络所形成环路的增益 当 1时 称为深度负反馈 与 1相当 于是闭环放大倍数 如果反馈网络是由电阻 电容等无源元件构成 其稳定性优于有源器件 因此深度负反馈时的放大倍数稳定性好 与有源器件的参数基本无关 这说明在深度负反馈条件下 即 输入信号近似等于反馈信号 净输入近似为 第4章负反馈放大电路HIT2013 03 反馈信号只有交流成分时为交流反馈 反馈信号只有直流成分时为直流反馈 既有交流成分又有直流成分时为交直流反馈 反馈组态的判断 反馈信号与输入信号加在放大电路输入回路的同一个电极 则为并联反馈 反之 加在放大电路输入回路的两个电极 则为串联反馈 对于运算放大器来说 反馈信号与输入信号同时加在同相输入端或反相输入端 则为并联反馈 一个加在同相输入端一个加在反相输入端则为串联反馈 对于晶体管来说 反馈信号与输入信号同时加在输入晶体管的基极或发射极 则为并联反馈 一个加在基极一个加在发射极则为串联反馈 并联反馈和串联反馈 此时反馈信号与输入信号是电流相加减的关系 此时反馈信号与输入信号是电压相加减的关系 一 串联反馈和并联反馈 对于串联反馈 在放大电路的输入端有 对于并联联反馈 在放大电路的输入端有 图中是输入信号 是反馈信号 是净输入信号 是输出信号 加入反馈以后 输入信号与反馈信号相加或相减以后 得到净输入信号 再加到放大电路的输入端 反馈概念方框图 负反馈 加入反馈后 净输入信号 Xi Xi 输出幅度增加 二 正反馈和负反馈 1 正反馈和负反馈的定义 瞬时极性法就是在放大电路的输入端 假设一个输入信号对地的瞬时极性 瞬时电压增加可用 或 表示 瞬时电压下降可用 或 表示 2 正反馈和负反馈的判断法 按信号正向传输方向依次判断放大电路中相关点的瞬时极性 直至反馈网络与放大电路相连接的输出端 或放大电路中间取出反馈信号处 再沿反馈网络反向传输 判断出信号的瞬时极性 直至放大电路的输入端 确定反馈信号的瞬时极性 根据输入信号和反馈信号的瞬时极性判断 如果反馈信号的瞬时极性使净输入减小 则为负反馈 反之为正反馈 正反馈和负反馈采用瞬时极性法判断 例 判断图示电路的反馈极性 解 设基极输入信号ui的瞬时极性为正 则发射极反馈信号uf的瞬时极性亦为正 发射结上实际得到的信号ube 净输入信号 与没有反馈时相比减小了 即反馈信号削弱了输入信号的作用 故可确定为负反馈 例 判断图示电路的反馈极性 解 设输入信号ui瞬时极性为正 则输出信号uo的瞬时极性为负 经RF返送回同相输入端 反馈信号uf的瞬时极性为负 净输入信号ud与没有反馈时相比增大了 即反馈信号增强了输入信号的作用 故可确定为正反馈 例 判断图示电路的反馈极性 解 设输入信号ui瞬时极性为正 则输出信号uo的瞬时极性为正 经RF返送回反相输入端 反馈信号uf的瞬时极性为正 净输入信号ud与没有反馈时相比减小了 即反馈信号削弱了输入信号的作用 故可确定为负反馈 根据反馈网络与基本放大电路在输入端的连接方式 可分为串联反馈和并联反馈 串联反馈的反馈信号和输入信号以电压串联方式叠加 ud ui uf 以得到基本放大电路的输入电压ud 并联反馈的反馈信号和输入信号以电流并联方式叠加 id ii if 以得到基本放大电路的输入电流ii 串联反馈和并联反馈可以根据电路结构判别 当反馈信号和输入信号接在放大电路的同一点 另一点往往是接地点 时 一般可判定为并联反馈 而接在放大电路的不同点时 一般可判定为串联反馈 综合以上两种情况 可构成电压串联 电压并联 电流串联和电流并联4种不同类型的负反馈放大电路 负反馈的类型及其判别 1 电压串联负反馈 设ui瞬时极性为正 则uo的瞬时极性为正 经RF返送回反相输入端 uf的瞬时极性为正 ud与没有反馈时相比减小了 即反馈信号削弱了输入信号的作用 故为负反馈 将输出端交流短路 RF直接接地 反馈电压uf 0 即反馈信号消失 故为电压反馈 ui加在集成运算放大器的同相输入端和地之间 而uf加在集成运算放大器的反相输入端和地之间 不在同一点 故为串联反馈 ui uf 2 电压并联负反馈 设ui ii 瞬时极性为正 则uo的瞬时极性为负 if的方向与图示参考方向相同 即if瞬时极性为正 id与没有反馈时相比减小了 即反馈信号削弱了输入信号的作用 故为负反馈 将输出端交流短路 RF直接接地 反馈电流if 0 即反馈信号消失 故为电压反馈 ii加在集成运算放大器的反相输入端和地之间 而if也加在集成运算放大器的反相输入端和地之间 在同一点 故为并联反馈 ii if 3 电流串联负反馈 设ui瞬时极性为正 则uo的瞬时极性为正 经RF返送回反相输入端 uf的瞬时极性为正 ud与没有反馈时相比减小了 即反馈信号削弱了输入信号的作用 故为负反馈 将输出端交流短路 尽管uo 0 但io仍随输入信号而改变 在R上仍有反馈电压uf产生 故可判定不是电压反馈 而是电流反馈 ui加在集成运算放大器的同相输入端和地之间 而uf加在集成运算放大器的反相输入端和地之间 不在同一点 故为串联反馈 ui uf 设ui ii 瞬时极性为正 则uo的瞬时极性为负 if的方向与图示参考方向相同 即if瞬时极性为正 id与没有反馈时相比减小了 即反馈信号削弱了输入信号的作用 故为负反馈 4 电流并联负反馈 将输出端交流短路 尽管uo 0 但io仍随输入信号而改变 在R上仍有反馈电压uf产生 故可判定不是电压反馈 而是电流反馈 ii加在集成运算放大器的反相输入端和地之间 而if也加在集成运算放大器的反相输入端和地之间 在同一点 故为并联反馈 ii if 4 改变输入电阻 对于串联负反馈 由于反馈网络和输入回路串联 总输入电阻为基本放大电路本身的输入电阻与反馈网络的等效电阻两部分串联相加 故可使放大电路的输入电阻增大 对于并联负反馈 由于反馈网络和输入回路并联 总输入电阻为基本放大电路本身的输入电阻与反馈网络的等效电阻两部分并联 故可使放大电路的输入电阻减小 5 改变输出电阻 对于电压负反馈 由于反馈信号正比于输出电压 反馈的作用是使输出电压趋于稳定 使其受负载变动的影响减小 即使放大电路的输出特性接近理想电压源特性 故而使输出电阻减小 对于电流负反馈 由于反馈信号正比于输出电流 反馈的作用是使输出电流趋于稳定 使其受负载变动的影响减小 即使放大电路的输出特性接近理想电流源特性 故而使输出电阻增大 小结 1 反馈是为了改善放大电路性能而采取的一种技术措施 将输出信号的一部分或全部返回到放大电路的输入端 这就是反馈信号 反馈信号与输入信号相减 得到小于原输入信号的净输入信号 2 闭环增益与开环增益 反馈系数之间的关系称为反馈基本方程式 它是研究反馈放大电路的基础 由 大于1 小于1和等于0 可以确定放大电路是负反馈 正反馈和自激三种状态 称为反馈深度 而称为环路增益 3 反馈分正反馈 负反馈 电压反馈 电流反馈 串联反馈 并联反馈 直流反馈 交流反馈等形式 仅对负反馈而言 可以确定四种反馈组态 即电压串联负反馈 电压并联负反馈 电流串联负反馈和电流并联负反馈 4 是什么组态的负反馈就可以稳定该种组态的增益 提高增益的稳定性 5 电压负反馈可以稳定输出电压 降低放大电路的输出电阻 电流负反馈可以稳定输出电流 提高放大电路的输出电阻 提高或降低的倍数都是 1 AF 倍 6 串联负反馈可以提高放大电路的输入电阻 并联负反馈可以降低放大电路的输入电阻 提高或降低的倍数都是 1 AF 倍 7 负反馈可以降低反馈环内产生的非线性失真 噪声 8 负反馈可以扩展放大电路的通频带 因为负反馈可以降低放大电路的增益 但对于放大电路中的RC电路不产生影响 也就是说波特图中的低端和高端幅频特性的斜率不变 这样负反馈深度加大 中频段的增益下降 与低端 高端幅频特性相交的下限和上限截止频率分别向低端和高端扩展移动 使幅频特性曲线围起来的面积基本不变 即增益带宽积基本不变 9 本章讨论负反馈电路 不考虑正向传输通道的反向传输 不考虑反馈传输通道的正向传输 也不考虑反馈网络对放大电路的影响 即不考虑所谓负载效应 简化后有利于对反馈放大电路的分析 产生的误差也比较小 10 负反馈加入不当会引起放大电路的自激 自激条件是 它又分为幅度条件和相位条件 第5章集成运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 内容提要 本章主要介绍集成运算放大器和模拟乘法器的线性应用电路 主要包括比例运算电路 求和运算电路 微分和积分电路 对数和指数运算电路 乘法 除法和开方运算电路 以及电压电流变换 有源滤波 有效值电路等多种应用电路 理想运算放大器 在分析和设计运放应用电路时 常将其近似为理想运算放大器 理想运算放大器的条件如下 1 开环差模电压放大倍数Aod 2 差模输入电阻Rid 输出电阻Ro 0 3 输入偏置电流IB1 IB2 0A 4 失调电压UIO 失调电流IIO 失调电压温漂 失调电流温漂均为零 5 共模抑制比 6 无内部干扰和噪声 7 通频带无穷大 理想运放符号 Uom Uom 实际集成运放的电压传输特性 非线性区 线性放大区uO Aod uP uN Aod差模放大倍数 非线性区 0 饱和区 饱和区 将实际运放理想化带来的误差很小 在一般的工程计算中是允许的 理想运放的符号如下左图所示 方框中的 代表开环差模电压放大倍数为无穷大 实际运放的电压传输特性见下图 实际运放的电压传输特性曲线的线性区有一定的斜率 由于差模放大倍数很大 线性区很陡 可近似视为垂直 就变成理想运放了 Uom Uom 理想运放的电压传输特性 0 理想运放符号 线性放大区Aod 饱和区 饱和区 本章讨论的集成运放的线性应用电路就是工作在电压传输特性的线性区 因为线性区很陡 要保证运放工作在线性区 必须加入负反馈 使电路处于闭环状态 用反馈信号来压制输入信号 以免净输入过大 使运放进入非线性区 理想运放的电压传输特性曲线见下图 理想运放工作在线性区时存在两个重要特性 即 虚短 和 虚断 一 虚短 运放工作在线性区时 有下列关系式 因为理想运放的开环电压放大倍数为Aod 而uo为有限值 所以 uId 0V或u u 可见 在运放的线性工作区 运算放大器同相输入端与反相输入端的电位差近似为零 几乎相等 就象 短路 一样 压差为零 当然这不是真正的短路 而是一种近似 故称这种现象为 虚短 虚短和虚断 二 虚断 由于理想运放的输入电阻Rid 故流入运放同相和反相输入端的电流都可以视为近似为零 就象开路一样 当然运放的输入端不能真正开路 只是因流入运放的电流远小于外电路的电流 故近似看作断路 这一特性称为 虚断 运放在线性区工作才有 虚短 的特性 虚断 则可以在全部区域存在 运用 虚短 和 虚断 的特性 可以大大简化运放应用电路的分析 一定要注意 虚短 的使用条件 要保证运放工作在线性区 因为运放的开环增益十分大 必须加入负反馈 使电路处于闭环状态 用反馈信号来压制输入信号 以免净输入过大 使运放进入非线性区 就失去了 虚短 的特性 例在如图所示电路中 已知R1 100k Rf1 200k Rf2 200k Rf3 1k 求 1 闭环电压放大倍数Auf 输入电阻ri及平衡电阻R2 2 如果改用图4 1的电路 要想保持闭环电压放大倍数和输入电阻不变 反馈电阻Rf应该多大 解 1 闭环电压放大倍数为 例在图示电路中 已知R1 100k Rf 200k ui 1V 求输出电压uo 并说明输入级的作用 例在图示电路中 已知R1 100k Rf 200k R2 100k R3 200k ui 1V 求输出电压uo 例 求图示电路中uo与ui1 ui2的关系 解 电路由第一级的反相器和第二级的加法运算电路级联而成 例 求图示电路中uo与ui1 ui2的关系 解 电路由第一级的同相比例运算电路和第二级的减法运算电路级联而成 例 求图示电路中uo与ui1和ui2的关系 例在图示的电路中 1 写出输出电压uo与输入电压ui的运算关系 2 若输入电压ui 1V 电容器两端的初始电压uC 0V 求输出电压uo变为0V所需要的时间 电子系统的正常运行离不开稳定的直流电源 除了采用太阳能电池或化学电池作电源外 多数电路的直流电源是由电网的交流电转换来的 从交流电一直变换到稳定的直流电的方框图如图所示 图从交流电变换成直流电的方框图 减小纹波 稳定直流 第7章直流电源 第7章 直流电源HIT2013 03 整流电路 是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电 滤波电路 是将脉动直流中的交流成分尽可能滤除 减少交流成分 增加直流成分 稳压电路 对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压 电源变压器 将电网交流电压变换成符合需要的交流电压值 经过整流后可获得所需的直流电压 第7章门电路与逻辑代数 学习要点了解数字电路的特点以及数制和编码的概念掌握与门 或门 与非门 异或门的逻辑符号 逻辑功能和表示方法了解TTL和CMOS门电路的特点以及三态门的概念掌握逻辑代数的基本运算法则 基本公式 基本定理和化简方法能够熟练地运用真值表 逻辑表达式 波形图和逻辑图表示逻辑函数 基本定理 例某逻辑函数的真值表如表所示 试用其他4种方法表示该逻辑函数 解逻辑表达式 逻辑图 波形图 卡诺图 例某逻辑函数的逻辑图如图所示 试用其他4种方法表示该逻辑函数 解 写逻辑表达式 列真值表 画波形图 画卡诺图 例将如下所示函数用卡诺图表示并化简 1 画卡诺图 2 画圈合并 3 相加 例 用卡诺图化简函数 C AB 例用卡诺图化简函数 AB 多余项 第8章组合逻辑电路 学习要点掌握组合逻辑电路的分析方法与设计方法掌握利用二进制译码器和数据选择器进行逻辑设计的方法理解加法器 编码器 译码器等中规模集成电路的工作原理和逻辑功能了解加法器 编码器 译码器等中规模集成电路的使用方法 逻辑图 逻辑表达式 1 1 最简与或表达式 化简 2 2 从输入到输出逐级写出 例1 分析图示组合逻辑电路的逻辑功能 最简与或表达式 3 真值表 3 4 电路的逻辑功能 当输入A B C中有2个或3个为1时 输出F为1 否则输出F为0 所以 这个电路实际上是一种3人表决用的组合逻辑电路 只要有2票或3票同意 表决就通过 4 逻辑图 逻辑表达式 例2 分析图示的逻辑电路 并用与非门改进设计 最简与或表达式 真值表 用与非门实现 电路的输出F只与输入A B有关 而与输入C无关 F和A B的逻辑关系为 A B中只要一个为0 F 1 A B全为1时 F 0 所以F和A B的逻辑关系为与非运算的关系 电路的逻辑功能 逻辑图 逻辑表达式 最简与或表达式 例3 分析图示组合逻辑电路的逻辑功能 真值表 电路的逻辑功能 由真值表可知 当3个输入变量A B C取值一致时 输出F 1 否则输出F 0 所以这个电路可以判断3个输入变量的取值是否一致 故称为判一致电路 逻辑图 逻辑表达式 例4 分析图示组合逻辑电路的逻辑功能 最简与或表达式 真值表 电路的逻辑功能 由真值表可知 当3个输入变量A B C表示的二进制数小于或等于2时 F1 1 当这个二进制数在4和6之间时 F2 1 而当这个二进制数等于3或等于7时F1和F2都为1 因此 这个逻辑电路可以用来判别输入的3位二进制数数值的范围 8 1 2组合逻辑电路的设计 真值表 电路功能描述 例5 设计一个楼上 楼下开关的控制逻辑电路来控制楼梯上的电灯 使之在上楼前 用楼下开关打开电灯 上楼后 用楼上开关关灭电灯 或者在下楼前 用楼上开关打开电灯 下楼后 用楼下开关关灭电灯 设楼上开关为A 楼下开关为B 灯泡为F 并设开关A B掷向上方时为1 掷向下方时为0 灯亮时F为1 灯灭时F为0 根据逻辑要求列出真值表 1 穷举法 1 实际电路图 2 逻辑表达式或卡诺图 最简与或表达式 化简 3 2 已为最简与或表达式 4 逻辑变换 5 逻辑电路图 用与非门实现 用同或门实现 真值表 电路功能描述 例6 用与非门设计一个交通报警控制电路 交通信号灯有红 绿 黄3种 3种灯分别单独工作或黄 绿灯同时工作时属正常情况 其他情况均属故障 出现故障时输出报警信号 设红 绿 黄灯分别用A B C表示 灯亮时其值为1 灯灭时其值为0 输出报警信号用F表示 灯正常工作时其值为0 灯出现故障时其值为1 根据逻辑要求列出真值表 1 穷举法 1 2 逻辑表达式 最简与或表达式 化简 3 2 4 逻辑变换 3 4 5 逻辑电路图 5 例7 旅客列车按发车的优先级别依次分为特快 直快和普客3种 若有多列列车同时发出发车的请求 则只允许其中优先级别最高的列车发车 试设计一个优先发车的排队逻辑电路 真值表 电路功能描述 1 穷举法 1 设输入变量为A B C 分别代表特快 直快和普客3种列车 有发车请求时其值为1 无发车请求时其值为0 输出发车信号分别用F1 F2