模拟电路总结
作图:Visio作图:Visio。
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一、半导体器件
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- 1.1 半导体的特性
导电性能介于导体和绝缘体之间。如:硅(Si)、锗(Ge)- 1.1.1 本征半导体
纯净的、不含杂质的半导体- 温度敏感:T=0K时,绝缘;温度升高时,载流子(自由电子、空穴)指数增加
- 在一定温度下,电子-空穴对的产生与复合达到动态平衡
- 1.1.2 杂质半导体
在本征半导体中掺入某种特定的杂质- N型(Negative,电子型):电子导电,为多数载流子,杂质原子为施主原子
- P型(Positive,空穴型):空穴接受,为多数载流子,杂质原子为受主原子
- 多子浓度主要取决于渗入杂质浓度,少子浓度主要取决于温度
- 总体:电中性
- 1.1.1 本征半导体
- 1.2 半导体二极管
- 1.2.1 PN结及其单向导电性
- 多子扩散形成内电场(位于中间)阻碍扩散,但利于少子漂移,最终扩散运动与漂移运动达到动态平衡,PN结中总电流为零。
- 正向偏置:外电场削弱了内电场有利于扩散运动,不利于漂移运动。正向导通,正向等效电阻较小。
- 反向偏置:外电场增强了内电场有利于漂移运动,不利于扩散运动。一定温度下, E 超过某一值后 I 饱和,称为反向饱和电流IS(mA级,少子产生,温度敏感)。
- PN结具有单向导电性:正向导通,反向截止。
- 1.2.2 二极管的伏安特性
- 正向特性:当正向电压超过死区电压(硅0.5,锗0.1)后,二极管导通(导通压降:硅0.7,锗0.2),电流与电压关系近似指数关系。
- 反向特性:反偏时,反向电流值很小,反向电阻很大,反向电压超过UBR则被击穿。
- 1.2.3 二极管的主要参数
- 最大整流电流IF
- 最高反向工作电压UR:通常为击穿电压UBR的一半
- 反向电流IR:通常希望愈小愈好,受温度的影响很大
- 最高工作频率fM:结电容愈大,则二极管允许的最高工作频率愈低
- 一定的电容效应:当加在二极管上的电压发生变化时,PN结中储存的电荷量变化
- 1.2.5 稳压管
- rz=ΔU/ΔI很小,有稳压特性,工作在反向击穿区
- 注意事项:必须工作在反向击穿区;应与负载RL并联;必须限制流过稳压管的电流IZ
- 1.2.1 PN结及其单向导电性
- 1.3 双极型三极管
- 1.3.1 三极管的结构
- 三个区:发射区(杂质浓度很高)、基区(杂质浓度低且很薄)、集电区(与基区接触面积较大)
- 三个电极:发射极e、基极b、集电极c
- 两个PN结:发射结、集电结
- 1.3.2 三极管的放大作用和载流子的运动
- 发射:发射区大量电子向基区发射
- 复合和扩散:电子在基区中复合扩散
- 收集:将扩散过来的电子收集到集电极
- 形成反向饱和电流ICBO
- 共基直流电流放大系数α=IC/IE
- 共射直流电流放大系数β=IC/IB
- 1.3.3 三极管的特性曲线
- 输入特性
- 1.3.1 三极管的结构
- 1.1 半导体的特性
作图:Visio
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- 输出特性
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作图:Visio
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- 截止区:发射结、集电结反偏
- 放大区:发射结正偏、集电结反偏
- 饱和区:发射结、集电结正偏
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二、放大电路的基本原理
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- 2.1 放大的概念
- 放大作用:小能量对大能量的控制作用
- 放大的对象:变化量
- 放大电路的核心元件:双极型三极管和场效应管
- 2.2 放大电路的主要技术指标
- 电压放大倍数 A˙u=U˙0U˙i
- 电流放大倍数 A˙i=I˙0I˙i
- 最大输出幅度:有效值,以Uom(或Iom )表示
- 输入电阻:越大越好
- 输出电阻:越小越好
- 通频带:当Au大于0.707Aum时的频率范围
- 最大输出功率Pom
- 效率 η=PomPV
- 2.3 放大电路的基本分析方法
- 直流通路:静态分析,电容相当于开路,电感相当于短路
- 交流通路:动态分析,电容和理想电压源相当于短路,电感和理想电流源相当于开路
- 静态工作点的近似估算
- 2.1 放大的概念
IBQ=VCC−UBEQRbICQ≈βIBQUCEQ=VCC−ICQRc
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- 图解法
- 静态、动态、放大倍数
- 步骤:画输出回路的直流负载线,得到ICQ和 UCEQ,画交流负载线,求电压放大倍数
- 应用1:截止UCE波形顶部失真,饱和UCE波形出现底部失真
- 应用2:估算最大输出幅度
- 应用3:分析电路参数对静态工作点的影响
- 微变等效电路法
- 适用条件:微小交流工作信号,三极管工作在线性区
- 解决问题:处理三极管的非线性问题
- 三极管的简化的h参数微变等效电路
- 图解法
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作图:Multism
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- 其中,rbe: rbe≈rbb′+(1+β)26IEQ
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- 2.4 静态工作点的稳定问题
- 温度升高,饱和失真,除了外界温度可控,还要改善电路结构
- 分压式静态工作点稳定电路
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- 2.5 三极管放大电路的三种基本组态
- 共射、共集、共基指的是UI、UO公共端
- 共射电路:Au和Ai 均较大, Ri 和 Ro较适中,被广泛用作低频放大电路的输入级输出级和中间级
- 共集电路:特点是电压跟随, Ai较大, Ri 很高, Ro 很低,被用作输入级输出级或隔离用的中间级
- 共基电路:突出特点是Ri很低, 频率特性好, 用于宽频带放大器。输出电阻高, 可用作恒流源
- 2.6 多级放大电路
- 耦合方式:阻容耦合、直接耦合(稳压管等解决方法)、变压器耦合
- 电压放大倍数 A˙u=A˙u1⋅A˙u2…….A˙un
- 输入电阻和输出电阻:注意,射极输出器参数与前后有关(RL1=Ri2,Rs2=Ro1)
- 2.5 三极管放大电路的三种基本组态
三、放大电路的频率响应
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- 3.1 频率响应的一般概念
- 幅频特性和相频特性
- 下限频率、上限频率和通频带
- 幅频失真、相频失真
- 波特图
- 高通电路和低通电路
- 3.2 三极管的频率参数
- 共射截止频率 :|β|值下降到0.707β0
- 特征频率:|β| 值下降到1
- 共基截止频率:|α| 值下降为0.707α0
- 3.3 单管共射放大电路的频率响应
- 定性分析
- 中频段:电压放大倍数基本与频率无关
- 低频段:隔直电容构成RC高通电路,电压放大倍数将降低
- 高频段:极间电容构成RC低通电路,电压放大倍数将降低
- 三极管的混合П型等效电路
- 阻容耦合单管共射放大电路的频率响应
- 定性分析
- 3.1 频率响应的一般概念
Aus˙≈Ausm˙(1−jfL/f)(1+jf/fH)
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- 直接耦合单管共射放大电路的频率响应
- 3.4 多级放大电路的频率响应
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四、功率放大电路
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- 4.1 功率放大电路的主要特点
- 功率放大器:根据负载要求,提供足够的输出功率;具有较高的效率
- 最大输出功率
- 4.1 功率放大电路的主要特点
共射接法下 P om=Ucem2⋅Icm2=12UcemIcm
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- 效率 η=popv
- 4.2 互补对称式功率放大电路
- 4.2.1 电路组成和工作原理
- OTL乙类互补对称电路(交越失真)
- OTL甲乙类互补对称电路:R 、VD1和VD2为两管提供了静态基极电流IB1和IB2
- OCL甲乙类互补对称电路:省去了大电容,既改善了低频响应,又有利于实现集成化
- 4.2.2 互补对称电路主要参数的估算
- OCL互补对称电路
- 最大输出功率 Pom=12U2cemRL=12(VCC−UCES)2RL
- 效率 η=pompv≈π4=78.5%
- 集电极最大允许电流 Icm=VCC−UCESRL≈VCCRL
- 集电极最大允许反向电压 UCE1=2VCC−|UCES2|≈2VCC
- 集电极最大允许耗散功率:PCM> 0.2 Pom
- OTL互补对称电路
- Vcc减半即可
- 4.2.1 电路组成和工作原理
- 4.3 采用复合管的互补对称式放大电路
- 4.3.1 复合管的接法及其β和rbe
- 4.3.2 复合管组成的互补对称放大电路
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五、集成运算放大电路
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- 5.1集成放大电路的特点
理解:反相输入端,同相输入端与输出端
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- 5.2 集成运放的主要技术指标
- 开环差模电压增益 Aod:理想情况下希望Aod为无穷大
- 输入失调电压UIo:为了使输出电压为零,在输入端所需要加的补偿电压
- 输入失调电流IIO:当输出电压等于零时,两个输入端偏置电流之差
- 输入偏置电流IIB:当输出电压等于零时,两个输入端偏置电流的平均值
- 差模输入电阻rid:衡量集成运放向信号源索取电流的大小
- 共模抑制比KCMR:抑制温漂的能力
- KCMR=|Ad||AC| ,即差模放大倍数/共模放大倍数
- KCMR越大,说明差放分辨差模信号的能力越强,而抑制共模信号的能力越强
- 最大共模输入电压UIcm
- 最大差模输入电压 UIdm
- 5.3 集成运放的基本组成部分
- 偏置电路
- 镜像电流源
- 比例电流源
- 微电流源
- 差分放大输入级
- 基本形式差分放大电路
- 偏置电路
- 5.2 集成运放的主要技术指标
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- 长尾式差分放大电路:接地端换为经电阻Re接-V_EE。其中,Re通过引入共模负反馈降低单管零点漂移,提高共模抑制比。-V_EE补偿Re上的直流压降,提供静态基极电流
- 恒流源式差分放大电路
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- 差分输入/单端输入、双端输出
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Ad=−β(Rc//RL2)R+rbeRid=2(R+rbe)Ro=2Rc
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- 差分输入/单端输入、单端输出
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Ad=−12β(Rc//RL)R+rbeRid=2(R+rbe)Ro=Rc
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- 中间级
- 要求有较高的电压增益和输入电阻,向输出级提供较大的推动电流,实现差分与单端信号间的转换
- 有源负载、复合管
- 输出级
- 提供足够的输出功率以满足负载的需要
- 互补对称电路、过载保护电路
- 中间级
- 5.4 集成运放的典型电路
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六、放大电路中的反馈
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- 6.1 反馈的基本概念
- 正反馈和负反馈
- 正反馈:引入的反馈信号增强了外加输入信号的作用,从而使放大电路的放大倍数提高
- 负反馈:引入的反馈信号削弱了外加输入信号的作 用,从而使放大电路的放大倍数降低
- 判断方法:瞬时极性法
- 直流反馈和交流反馈
- 电压反馈和电流反馈
- 串联反馈和并联反馈
- 串联反馈:反馈信号与输入信号在输入回路中以电压形式求和
- 并联反馈:反馈信号与输入信号在输入回路中以电流形式求和
- 正反馈和负反馈
- 6.2 负反馈的四种组态和反馈的一般表达式
- 电压串联负反馈、电压并联负反馈、电流串联负反馈、电流并联负反馈
- 6.1 反馈的基本概念
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- 一般表达式
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A˙f=X˙0X˙i=A˙1+A˙F˙
式中, A˙f 为闭环放大倍数, 1+A˙F˙ 为反馈深度, A˙F˙ 为回路增益, F˙ 为反馈系数, A˙ 为开环放大倍数
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- 6.3 负反馈对放大电路性能的影响
- 提高放大倍数的稳定性
- 减小非线性失真和抑制干扰
- 展宽频带
- 改变输入电阻和输出电阻
- 输入电阻:串联负反馈使输入电阻增大、并联负反馈使输入电阻减小
- 输出电阻:电压负反馈使输出电阻减小,电流负反馈使输出电阻增大
- 6.4 负反馈放大电路的分析计算
- 倒数关系:利用关式 A˙f≈1/F˙ 估算闭环电压放大倍教
- 虚短、虚地:利用关式 X˙f≈X˙i 估算闭环电压放大倍教
- 6.3 负反馈对放大电路性能的影响
七、模拟信号运算电路
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- 7.1 理想运放的概念
- 7.1.1 什么是理想运放
- 7.1.2 理想运放工作在线性区时的特点:虚短、虚断
- 7.1.3 理想运放工作在非线性区时的特点
- 输出电压uo = + UOPP,当 u+> u- ;uo= - UOPP,当 u+ < u-
- 输入电流等于零(虚断)
- 7.2 比例运算电路
- 7.2.1 反相比例运算电路
- 7.1 理想运放的概念
Auf=uouI=−RFR1 ,输入电阻 Rif=R1
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- 7.2.2 同相比例运算电路Auf=u0uI=1+RFR1
- 7.2.3 差分比例运算电路 Auf=u0ui−ui′=−RFR1
- 7.2.4 实用电路举例
- 7.3 求和电路
- 7.3.1 反相输入求和电路u0=−RFR(ui1+ui2+ui3)
- 7.3.2 同相输入求和电路
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u0=(1+RFR1)u−=(1+RFR1)u+=(1+RFR1)(R+R1′uI1+R+R2′uI2+R+R3′uI3)
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- 7.4 积分电路
- 输出 u0=−1RC∫uidt
- 应用:波形变换、移相
- 7.4 积分电路
八、信号处理电路
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- 8.1 有源滤波器
- 8.1.1 滤波电路的作用和分类
- 8.1.2 低通滤波器
- 8.1.3 高通滤波器
- 8.2 电压比较器
- 8.2.1 过零比较器
- 8.1 有源滤波器
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- 8.2.2 单限比较器
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- 8.2.3 滞回比较器
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- 8.2.4 双限比较器
- 8.2.5 集成电压比较器
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九、波形发生电路
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- 9.1 正弦波振荡电路的分析方法
- 9.1.1 产生正弦波振荡的条件:幅度平衡条件、相位平衡条件
- 9.1 正弦波振荡电路的分析方法
A˙F˙=1
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- 9.1.2 正弦波振荡电路的组成
- 放大电路:实现能量控制
- 选频网络:确定电路的振荡频率
- 正反馈网络:使输入信号等于反馈信号
- 稳幅电路:使输出信号幅值稳定
- 9.1.3 正弦振荡电路的分析步骤
- 检查电路是否具备正弦波振荡的基本组成部分,并检查放大电路的静态工作点是否能保证电路工作在放大状态
- 分析电路是否满足自激振荡条件
- 估算振荡频率和起振条件
- 9.1.2 正弦波振荡电路的组成
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根据 |A˙F˙|>1 估算起振条件,根据 φA+φF=±2nπ 估算振荡频率,即 f=f0
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- 9.2 RC正弦波振荡电路
- 9.2.1 RC串并联网络振荡电路
- 振荡频率 f0=12πRC
- 起振条件 |A˙F˙|>1|F˙|=13|A˙|>3
- 振荡电路中的负反馈
- 9.2.2 其他形式的RC振荡电路
- 9.2.1 RC串并联网络振荡电路
- 9.3 LC正弦波振荡电路
- 9.3.1 LC并联电路的选频特性 f0≈12πLC
- .3.2 变压器反馈式振荡电路
- 9.3.3 电感三点式振荡电路
- 9.3.4 电容三点式振荡电路
- 9.3.5 改进型电容三点式振荡电路
- 9.2 RC正弦波振荡电路
十、直流电源
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- 10.1 直流电源的组成:电源变压器、整流电路、滤波器和稳压电路
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- 10.2 单相整流电路
- 10.2.1 单相半波整流电路
- 10.2.2 单相桥式整流电路
- 10.2.3 整流电路的主要参数
- 输出直流电压 UO(AV)
- 脉动系数 S
- 二极管正向平均电流 ID(AV)
- 二极管最大反向峰值电压 URM
- 10.3 滤波电路
- 10.3.1 电容滤波电路
- 10.2 单相整流电路
在桥式整流情况下 RLC≥(3∼5)T2
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- 10.4 硅稳压管稳压电路
- 10.4.1 稳压电路的主要指标
- 内阻 RO:Ro ≈ rZ
- 稳压系数 Sr=ΔU0/U0ΔUI/UI≈rZR⋅UIUO
- 10.4.2 硅稳压管稳压电路的组成和工作原理
- 10.4.1 稳压电路的主要指标
- 10.4 硅稳压管稳压电路
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- 10.4.3 稳压电路中限流电阻的选择
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R>UImax−UZIZmax+ILminR<UImin−UZIZmin+ILmax
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- 10.5 串联型直流稳压电路
- 10.5.1 电路组成和工作原理
- 10.5 串联型直流稳压电路
电路组成
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- 10.5.2 输出电压的调节范围
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UOmax=R1+R2+R3R3UZUOmin=R1+R2+R3R2+R3UZ
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- 10.5.3 调整管的选择
- 集电极最大允许电流 ICM≥ ILmax + IR
- 最大允许反向电压 U(BR)CEO≥UImax′=1.1×2U2
- 集电极最大耗散功率 PCM≥(UImax−UOmin)×ICmax≈(1.1×1.2U2−UOmin)×ICmax
- UCE= ( 3 ~ 8 ) V
- UI = UOmax + ( 3 ~8 ) V
- UI ≈ 1. 2 U2
- 变压器副边线圈电压 U2≈1.1×UI1.2
- 10.5.4 稳压电路的过载保护
- 10.5.3 调整管的选择
- 10.6 集成稳压器
- 10.6.1 三端集成稳压器的组成
- 10.6.2 三端集成稳压器的主要参数
- 10.6.3 三端集成稳压器的应用
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