电子工程师必知：20个模拟电路(参考答案以及详细分析)

电子工程师必须掌握的电子工程师必须掌握的 2020 个模拟电路详细分析个模拟电路详细分析 一、一、桥式整流电路桥式整流电路 1 二极管的单向导电性：二极管的 PN 结加正向电压，处于导通状态；加反向电 压，处于截止状态。 伏安特性曲线; 理想开关模型和恒压降模型： 理想模型指的是在二极管正向偏置时,其管压降为 0,而当其反向偏置时,认为它 的电阻为无穷大,电流为零.就是截止。恒压降模型是说当二极管导通以后,其管 压降为恒定值,硅管为 0.7V，锗管 0.5 V 2 桥式整流电流流向过程： 当 u 2 是正半周期时，二极管 Vd1 和 Vd2 导通；而夺极管 Vd3 和 Vd4 截止，负载 RL是的电流是自上而下流过负载，负载上得到了与 u 2 正半周期相同的电压；在 u 2 的负半周，u 2 的实际极性是下正上负，二极管 Vd3 和 Vd4 导通而 Vd1 和 Vd2 截止，负载 RL上的电流仍是自上而下流过负载，负载上得到了与 u 2 正半周期 相同的电压。 3 计算:Vo,Io,二极管反向电压 Uo=0.9U2, Io=0.9U 2/RL,URM=2 U2 二. .电源滤波器电源滤波器 1 电源滤波的过程分析：电源滤波是在负载 RL两端并联一只较大容量的电容器。 由于电容两端电压不能突变，因而负载两端的电压也不会突变，使输出电压得以 平滑，达到滤波的目的。 波形形成过程：输出端接负载 RL时，当电源供电时，向负载提供电流的同时也 向电容 C 充电，充电时间常数为充=（RiRLC）RiC,一般 Ri RL,忽略 Ri 压 降的影响，电容上电压将随 u 2 迅速上升，当t=t1时，有 u 2=u 0,此后 u 2 低于 u 0，所有二极管截止，这时电容 C 通过 RL放电，放电时间常数为 RLC，放 电时间慢，u 0 变化平缓。当t=t2时，u 2=u 0, t2后 u 2 又变化到比 u 0 大，又开始充电过程，u 0 迅速上升。t=t3时有 u 2=u 0，t3后，电容通 过 RL放电。如此反复，周期性充放电。由于电容 C 的储能作用，RL上的电压波动 大大减小了。电容滤波适合于电流变化不大的场合。LC 滤波电路适用于电流较 大，要求电压脉动较小的场合。 2 计算:滤波电容的容量和耐压值选择 电容滤波整流电路输出电压 Uo 在2U 20.9U2之间，输出电压的平均值取决于 放电时间常数的大小。 电容容量 RLC（35）T/2 其中 T 为交流电源电压的周期。实际中，经常进一步 近似为 Uo1.2U2整流管的最大反向峰值电压 URM=2U 2，每个二极管的平均电 流是负载电流的一半。 三三. .信号滤波器信号滤波器 1 信号滤波器的作用:把输入信号中不需要的信号成分衰减到足够小的程度，但 同时必须让有用信号顺利通过。 与电源滤波器的区别和相同点：两者区别为：信号滤波器用来过滤信号，其通带 是一定的频率范围，而电源滤波器则是用来滤除交流成分，使直流通过，从而保 持输出电压稳定；交流电源则是只允许某一特定的频率通过。 相同点：都是用电路的幅频特性来工作。 2LC 串联和并联电路的阻抗计算:串联时， 电路阻抗为 Z=R+j(XL-XC)=R+j(L-1/ C)并联时电路阻抗为 Z=1/jC(R+jL)=考滤到实际中，常 有 RL,所以有 Z 幅频关系和相频关系曲线： 3 画出通频带曲线： 计算谐振频率：fo=1/2LC 四四. .微分电路和积分电路微分电路和积分电路 1 电路的作用：积分电路： 1.延迟、定时、时钟 2.低通滤波 3.改变相角（减） 积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波，还可将锯齿波转换为抛物波。 微分电路： 1.提取脉冲前沿 2.高通滤波 3.改变相角（加） 微分电路是积分电路的逆运算， 波形变换。 微分电路可把矩形波转换为尖脉冲波。 与滤波器的区别和相同点：原理相同，应用场合不同。 2 微分和积分电路电压变化过程分析, 在图 4-17 所示电路中，激励源 为一矩形脉冲信号，响应是从电阻两 端取出的电压，即，电路时间常数小于脉冲信号的脉宽，通常取。 图 4-17 微分电路图 因为 t0 时，而在 t = 0 时， 突变到，且在 0rbe,RLrbe,则 Rirbe 输出电阻 Ro=Uo/IoUs=0=Rc 源电压放大倍数 Aus,定义为输出电压 Uo 与信号源电压 Us 的比值，即 Aus=AuRi/(Rs+Ri)若满足 RiRs,则 AusAu 若旁路电容 CE开路时的情况，旁路电容 CE开路，发射极接有电阻 RE，此时直流 通路不变，静态点不变，Ui=Ibrbe+(1+)IbRE,Uo 仍为-IbRL,电压放大倍数将变 为 Au=Uo/Ui=-RL/rbe+(1+)RE, 对比知放大倍数减小了，因为 RE的自动调节作 用，使得输出随输入变化受到抑制，导致 Au 减小。当(1+)RErbe,则有 Au -RL/RE,与此同时，从 b 极看去的输入电阻 RL（不包括 Rb1Rb2）变为 RL=Ui/Ib=rbe+(1+)RE,即射极电阻 RE 折合到基极支路应扩大(1+)倍，因此， 放大器的输入电阻 Ri=Rb1Rb2Ri，输入电阻明显增大了。 七七. .共集电极放大电路共集电极放大电路( (射极跟随电路射极跟随电路) ) 1 元器件的作用：R2 为反馈电阻，能稳定静态工作点。 电路的用途,：常作为多级放大电路的输入电路的输入级、输出级、中间缓冲级， 功率放大电路中，常作推挽输出级。 电压放大倍数： Uo=Ie(ReRL)=(1+)IbReUi=Ibrbe+Uo=Ibrbe+(1+) IbRe Au=(1+)Re/rbe+(1+)Re 输入输出的信号电压相位关系：输出电压与输入电压同相。 交流和直流等效电路图： 电路的输入和输出阻抗特点：输入电阻高，输出电阻低。 2 电流串联负反馈过程分析：在输入电压 Ui 一定时，某种原因（如负载电阻变 小）使输出电流 Io 增大，则反馈信号 Uf 增大，从而使运放的净输入信号 Ud 减 小，使输出电压 Uo 减小，使 Io 减小，从而抑制了 Io 的增大。过程可表示为： RLIoUfUdUoIo 电流负反馈放大具有恒流源的性质。 负反馈对电路参数的影响： 提高放大倍数的稳定性， 稳定输出电流， 展宽通频带， 减小非线性失真抑制干扰噪声，串联负反馈使输入电阻增大，电流负反馈使输出 电阻增大。 3静 态 工 作 点 的 计 算 ： UB RB2UCC/RB1+RB2ICQ IEQ=UB-UBEQ/REIBQ=ICQ/ ,UCEQ=UCC-ICQRe 电压放大倍数的计算： Uo=Ie(ReRL)=(1+)IbReUi=Ibrbe+Uo=Ibrbe+(1+) IbRe Au=(1+)Re/rbe+(1+)Re 八八. .电路反馈框图电路反馈框图 1 反馈的概念：将放大电路输出量（电压或电流）的一部分或全部通过某些元件 或网络（称为反馈网络） ，反向送回到输入回路，来影响原输入量（电压或电流） 的过程称为反馈。 正负反馈及其判断方法：当输入量不变时，若输入量比没有反馈时变大了，即反 馈信号加强了净输入信号，这种情况称为正反馈；反之，若输出量比没有反馈时 变小了，即反馈信号削弱了净输入信号，这种情况称为负反馈。通常采用“瞬时 极性法”判断。方法如下：首先创定输入信号为某一瞬时极性（一般设对地极性 为正） ，然后再根据各级输入、输出之间的相位关系（对分立元件放大器有共射 反相，共集、共基同相；对集成运放有，Uo 与 U-反相、与 U+同相）依次推断其 他有关各点瞬时输入信号作用所呈现的瞬时极性（用+或表示升高，-或表示 降低） ；并确定从输出回路到输入回路的反馈信号的瞬时极性；最后判断反馈信 号的作用是加强了还是削弱了净输入信号。使净输入信号加强的为正反馈，若是 削弱则为负反馈。 电流反馈和电压反馈及其判断方法：若反馈是对输出电压采样则称为电压反馈， 若反馈是对输出电流采样，则称为电流反馈。电压反馈的反馈信号与输出电压成 正比，电流反馈的反馈信号与输出电流成正比。常用方法负载电阻短路法（亦称 输出短路法） 。方法是假设奖负载电阻 RL短路，也就是使输出电压为零。此时若 原来是电压反馈，则反馈信号一定随输出信号电压为零而消失；若电路中仍然有 反馈存在，则原来的反馈是应该是电流反馈。 2 带负反馈电路的放大增益： 净输入信号 Xid=Xi-Xf, 开环增益为 A=Xo/Xid, 反 馈系数为 F=Xf/Xo。闭环增益 Af=Xo/Xi负反馈放大电路增益表达式为 Af=A/1+AF 3 负反馈对电路的放大增益,通频带,增益的稳定性,失真,输入和输出电阻的影 响：提高闭环放大倍数的稳定性，提高（1+AF）倍。展宽通频带，上限 fHf增加 1+AmF 倍，下限 fLf减小 1/1+AmF 倍。减小非线性失真和抑制干扰、噪声。对输 入电阻的影响：串联负反馈使输入电阻增大 1+AF 倍，并联负反馈使输入电阻减 小 1/1+AF 倍；对输出电阻的影响：电压负反馈使输出电阻减小 1/1+AF 倍，电流 负反馈使输出电阻增大 1+AF 倍。 九九. .二极管稳压电路二极管稳压电路 1 稳压二极管的特性曲线： 2 稳压二极管应用注意事项：稳压二极管工作在反向击穿状态，外接电源电压应 保证管子反偏，其大小应不低于反向击穿电压。 3 稳压过程分析：当电流的增量Iz 很大时（IzminIC，所以 fP与 fs 非常接近，当 ffs 时，LC 支路呈现感性；当 ffP时，Co 支路起主要作用，电路 又呈现容性。 并联型石英晶体振荡电路，晶体在电路中起一个电感作用，它与 C1，C2 组成电 容反馈式振荡电路。fo=1/2LC(Co+C)/(+Co+C)1/2LC*1+C/Co+C式 中 C=（C1*C2）/（C1+C2） 二十二十. .功率放大电路功率放大电路 1 乙类功率放大器的工作过程:两只晶体管轮流工作，一只晶体管在输入信号正 半周期导通，另一只晶体管在输入信号负半周期导通，这样两管交替工作，犹如 一推一挽，在负载上合成完整的信号波形。选择两个特性一致的管子，使之都工 作在乙类状态，组成乙类互补对称功放，其中一个工作在正弦信号正半周，另一 个管子工作在正弦信号负半周。在负载上得到一个完整的正弦波。 交越失真:三极管输入特性曲线有一段死区，而且死区附近非线性又比较严重， 两管的静态工作点取在晶体管输入特性曲线的截止点上，没有基极偏流。当输入 信号小于开启电压时，两管都截止，两管电流均为零，无输出信号；在刚在大于 开启电压的很小范围内，两管集电极电流变化很慢，输出信号非线性严重。这种 乙类推挽放大器特有的失真称为交越失真。 2 复合三极管的复合规则：1）复合管的极性取决于第一只三极管。 2）输出功率有大小取决于输出管。 3）若两管的电流放大系数为12，则复合管的电流放大系数=1*2。 4）同型复合管和异型复合管发射结等效电阻差别很大，异型复合管发射结 等效电阻就是第一只三极管的等效电阻。 3甲乙类功率放大器的工作原理分析:分别给两只晶体管的发射结加适当的正 向基极偏压，让两只晶体管各有一个较小的电流 ICQ流过。经常采用三极管，两 电阻组成的 UBE倍压电路为两管提供所需偏压。 自举过程分析: 甲类功率放大器的特点:输出信号失真较小，效率低于 50% 甲乙类功率放大器的特点:有效克服乙类放大电路的失真问题，且能量转换效率 也较高，目前使用较广泛。 附录一、稳压电源制作电路附录一、稳压电源制作电路 一、技术说明：输入交流电压220vV 0.5A。 输出电压5V 和连续可调电压1.5V30V/1.5A 两组直流。 二、制作说明： 1、成品用金属盒或者塑料盒包装成产品。 2、电压表V、电流表A 和调节电压用的电位器Rw 安装在包装盒 的面板上。 3、电源变压器固定在包装盒的底座上，电路板固定在包装盒的 底座上。 4、电压调节的三端稳压集成块7805 和317 加装散热器。 5、直流电源输出导线长短不一。 附录二、时钟闹铃控制电路附录二、时钟闹铃控制电路 制作制作 说明：1、共阳极四位一体12引脚数码管引脚号是：将数码管的 数字面朝向观察者，左下角是第1脚，逆时针方向依次是2、3、4、5、 6、7、8、9、10、11、12 脚。 2、如果是单个的数码管或两位一体 的数码管，先测出数字显示段控制引脚和公共控制引脚，再将四个数 码管的相同的段控制引脚用导线并联连接在一起后 （每位数码管共八 段即八根连接导线），连接在电阻R5R13 上，公共控制引脚分别连 接到三极管Q1 到Q4 的发射极上。3、用40 脚的集成块插座焊接在电 路板上，集成块AT89C51 写入程序后插入到集成块插座上。4、自己 设计控制程序或用黄有全老师的程序。5、时钟控制输出由继电器执 行，控制启动时间到时，继电器得电，开关k1 闭合去控制相应设备 启动；控制停止时间到时，继电器断电，开关k1 断开去控制相应设 备停止。具体控制对象由制作者确定，如电灯、电饭煲等等。 说明：本图为数码管是二位一体的共阴极时的电路图。将每个二 位一体的数码管的16脚和11脚共四个引脚（对应四个数字的a 段） 连 接在一起后接到电阻R5 的右端。数码管中数字的其余各段 （b,c,d,e,f,g,dp）连接方法依此类推。其他注意事项见四位共阳极 LED 的时钟闹钟控制器制作的说明。 时钟-闹钟-时间控制器 调节方法 一、功能： 时钟显示小时、分钟；可调时钟控制输出；三次可 调闹铃。 二、调节方法：各种参数调节设定方法： 第一步：按“功能”键，选择功能1，进入调节状态； 第二步：重复按“参数”键，选择要调节的参数代码（左第一、 二位）从0 开始依次循 环增加1、2、3、E、F、10 再回到0。 第三步：按“增加”键或“减少”键，相应代码项目（如代码1 表 示调节的对象是时钟 显示的小时值）的参数值在其取值范围内（例如显示时间的小时 取值范围是00 23）循环增加或减少1。左边一位或两位显示参数代码，右边三 位或两位显示 参数值。重复第二、三步，设置完所需参数。 第三步：按“功能”键，显示代码“0”结束调节参数状态，进 入时钟闹钟控制器的正常 使用状态。 三、参数代码及其取值范围如下表。 说明：1、设定时钟控制的小时起点为24，则关闭该路时钟控制输出。 2、设定闹铃的小时为24，则关闭该闹铃。 工程师应该掌握的20 个模拟电路 长沙民政学院电子信息工程系 黄有全高级工程师 第 12 页 附录三、广告彩灯制作附录三、广告彩灯制作 说明： 1、每个8050 三极管可以驱动十二个到二十四个发光二极管。 如 果Q1、Q2 改成9013， 则驱动的发光二极管数量减半。只有相同发光电压(不同颜色的 发光电压一般不同)的发光二 极管才可以并联使用。可以将发光二极管接成需要的图案，表达 设计者的意图。 2、彩灯闪烁的周期是：T=0.7(R1+R3)C2+0.7(R2+R4)C1 根据闪烁快慢要求选 择R1,R2,R3,R4,C1,C2 的参数。调节电位器R1、R2 的大小，可 以改变闪烁速度。 3、电压过高会烧坏发光二极管。工作电压从3v 开始调大，当提 供的电源电压高于5v 后 应当串入一个2.227 欧姆的电阻作为限流电阻， 以免烧坏发光 二极管。 附录四：可控硅交流调压器制作附录四：可控硅交流调压器制作 可控硅是一种新型的半导体器件，它具有体积小、重量轻、效率 高、寿命长、动作快以 及使用方便等优点，目前交流调压器多采用可控硅调压器。这里 介绍一台电路简单、装置容 易、控制方便的可控硅交流调压器，这可用作家用电器的调压装 置，进行控制。图中RL 是负 载 （照明灯， 电风扇、 电熨斗等） 这台调压器的输出功率达100W， 一般家用电器都能使用。 1、电路原理：电路图如下 可控硅交流调压器由可控整流电路和触发电路两部分组成， 其电 路原里图如下图所示。 从图中可知，二极管D1D4 组成桥式整流电路，双基极二极管 T1 构成张弛振荡器作为可控 硅的同步触发电路。当调压器接上市电后，220V 交流电通过负 载电阻RL 经二极管D1D4 整 流，在可控硅SCR 的A、K 两端形成一个脉动直流电压，该电压 由电阻R1 降压后作为触发电 路的直流电源。在交流电的正半周时，整流电压通过R4、W1 对 电容C 充电。当充电电压Uc 达到单结晶体管T1 管的峰值电压Up 时，单结晶体管T1 由截止 变为导通，于是电容C 通过 T1 管的e、b1 结和R2 迅速放电，结果在R2 上获得一个尖脉冲。 这个脉冲作为控制信号送到 可控硅SCR 的控制极， 使可控硅导通。可控硅导通后的管压降 很低，一般小于1V，所以张 弛振荡器停止工作。当交流电通过零点时，可控硅自关断。当交 流电在负半周时，电容C 又 从新充电如此周而复始，便可调整负载RL 上的功率了。 2、元器件选择 调压器的调节电位器选用阻值为470K 的WH114-1 型合成碳膜 电位器，这种电位器可以 直接焊在电路板上，电阻除R1 要用功率为1W 的金属膜电阻外， 其余的都用功率为1/8W 的碳 膜电阻。D1D4 选用反向击穿电压大于300V、最大整流电流大 于0.3A 的硅整流二极管,如 2CZ21B、 2CZ83E、 2DP3B 等。 SCR 选用正向与反向电压大于300V、 额定平均电流大于1A 的可 控硅整流器件，如国产3CT 系列。 附录五、电源欠压过压报警保护器附录五、电源欠压过压报警保护器 一、 名称：电源欠压过压报警保护器 二、 功能：当电压低于180V 或高于250V 时，可进行声光报警。 当外接交流接触器时，可 切断电源，保护用电设备。 三、 电路图： 四、 原理说明： 输入电源电压正常时，Y1A 输出高电平，Y1B 输出低电平，发光 二极管LED 及 振荡发声电路Y1C、Y1D 和喇叭不工作，控制部件J1 也不工作。 当电压高于250V 或 低于180V 时，Y1B 输出高电平，发光二极管亮，振荡发声电路 工作，发出鸣叫声， 控制寄电器J1 闭合，当J1 的常开触点外接交流接触器时，就可 控制主电路断开电源。 五、 调试方法： 第一步当输入电源电压为250V 时， 调节W1 使得Y1A 输出刚好由 低电平转为高电平， 第二步当输入电压为180V 时调节W2 使得Y1B 的输出由高电平 转为低电平。 六、 元件表 名称型号规格数量名称型号规格数量 集成块74LS001电阻68K1 三极管9013110K1 二极管1N400151K1 发光二极管1 微调电位器47k2 三端稳压块 7805 0.5A1 电容47uF/50v1 7812 0.5A110uF/25v1 变压器220v/15V 0.5A12700pF1 插头220v1导线花线1m 直流寄电器12v/0.5A 1 万用电路板小1块 集成块插座14 脚 1 附录五、音频功率放大电路制作附录五、音频功率放大电路制作 TDA2030A 带音调18W2 功放板 一、 TDA2030A 是SGS 公司生产的单声道功放IC， 该IC 体积小巧， 输出功率大， 静态电流 小（50mA 以下）；动态电流大（能承受3.5A 的电流）；负载能 力强，既可带动4-16的扬 声器，某些场合又可带动2甚至1.6的低阻负载；音色中规中 举，无明显个性，特别适合 制作输出功率中等的高保真功放。 TDA2030A 采用5 脚TO-220 塑封结构。IC 内部设有完善的保护 电路。 TDA2030A 可以单电源或双电源工作，本功放板采用双电源。 TDA2030A 主要参数： 工作电压：622V 静态电流：50mA 输出功率：18W，当V=16V，RL=4时 谐波失真：0.05%，当f=15kHz，RL=8时 闭环增益：26dB，当f=1kHz 时 开环增益：80dB，当f=1kHz 时 频响范围：4014000Hz 二、电路原理： TDA2030A 功放板由一个高低音分别控制的衰减式音调控制电路 和TDA2030A 放大电路以 及电源供电电路三大部分组成， 音调部分采用的是高低音分别控 制的衰减式音调电路，其中 工程师应该掌握的20 个模拟电路 长沙民政学院电子信息工程系 黄有全高级工程师 第 16 页 的R02，R03，C02，C01，W02 组成低音控制电路；C03，C04，W03 组成高音控制电路；R04 为 隔离电阻，W01 为音量控制器，调节放大器的音量大小，C05 为 隔直电容，防止后级的TDA2030A 直流电位对前级音调电路的影响。放大电路主要采用TDA2030A， 由TDA2030A，R08，R09，C066 等组成，电路的放大倍数由R08 与R09 的比值决定，C06 用于稳 定TDA2030A 的第4 脚直流零 电位的漂移，但是对音质有一定的影响，C07，R10 的作用是防 止放大器产生低频自激。本放 大器的负载阻抗为416。 三、 TDA2030A 功放板的电源电路如下图所示，为了保证功放板 的音质，电源变压器的 输出功率不得低于60W，输出电压为2*15V，滤波电容采用2 个 3300UF/25V 电解电容并联， 正负电源共用4