模拟电子线路期末复习
半导体二极管及其应用
- PN结(P正N负)(不考)
- 二极管
- 工作原理、特性和参数
开启电压:(硅)0.7V / (锗)0.3V; - 大信号和小信号模型
大信号:理想模型(开启电压为0)、恒压降模型(有开启电压$U_{D(on)}$,等效于有个电源)、折线模型(有开启电压$U_{D(on)}$和电阻$r_{D(on)}$)
小信号:有二极管交流电阻$r_D=\frac{U_T}{I_{DQ}}$($U_T$一般取 $26mV$) - 晶体二极管和稳压管构成的基本电路的组成、工作原理及分析方法
稳压管:正向导通(也会给导通压降),反向稳压,会给稳压值
- 工作原理、特性和参数
场效应晶体管及其放大电路
- 场效应管(MOS场效应管,是电压控制电流)(场效应管的工作原理、特性和参数)
- 符号记忆:
- 箭头:N沟道向里(电流向负),P沟道向外(正出电流)
- 一条竖线(三个极):结型;四个极、竖线三段:增强型;两条竖线(四个极):耗尽型
- 在一侧的是G,另外一侧是D、S(、G)
- 转移特性$i_D=f(u_{GS})$
- $i_D>0$:N型;$i_D<0$:P型 (和箭头合起来记)
- 曲线分布:二、四象限:结型;一、三象限:增强型;一二、三四象限:耗尽型
(结型为基本,增强使$u_{GS}$由负变正,耗尽之后有所回落) - 与横坐标交点:结型、耗尽型 $u_p$;增强型 $u_r$
- 输出特性$i_D=f(u_{DS})$
1.
- 符号记忆:
- 场效应管的小信号模型
…
- 场效应管(MOS场效应管,是电压控制电流)(场效应管的工作原理、特性和参数)
双极型晶体管及其放大电路
三极管(BJT,是电流控制电流)((1)工作原理、参数)
三个电位,中间为b极,离b近的为e极,离b远的为c极;
$U_{be}=0.7V$为硅管,$0.3V$为锗管
(工作于放大区时)$u_c>u_b>u_e:NPN;u_c<u_b<u_e:PNP$;符号上b指向e为NPN,否则为PNP
$\beta=\frac{\Delta i_c}{\Delta i_b}$
三种工作状态:
- 放大状态:发射结正偏,集电结反偏
- 饱和状态:发射结、集电结均正偏
- 截止状态:发射结、集电结均反偏
三极管哪极接地就是共哪一极
三极管工作在放大区,内部条件:发射区掺杂浓度高,基区薄且掺杂浓度低,集电区面积大。外部条件:发射结正偏,集电结反偏。
温度影响:
待续(不考,去他妈的)
放大电路基础((1)三极管的特性、参数)
- 组成:三极管T(起放大作用)、偏置电路$R_b,V_{CC}$(使三极管工作于放大区,并提供能量)、集电极负载电阻$R_c$(将电流的变化转换为电压变化$u_{CE}=V_{CC}-I_CR_c$)、耦合电容$C_1,C_2$(隔直流通交流)
符号说明:均大写(如$I_B,I_C,U_{CE}$):直流信号;均小写(如$i_b,i_c,u_{ce}$):交流信号;仅下标大写(如$i_B,i_C,u_{CE}$):交直流信号 关系:$u_{CE}=V_{CC}-I_CR_c$、$u_{BE}=V_{CC}-I_BR_b$、$i_C=\beta i_B$ ...
- 特性曲线 ((4)图解分析法+(7)分析直流工作点与放大器非线性失真的关系 )
直流负载的静态工作点过高,会接近饱和区引起饱和失真(底部失真);工作点过低,会接近截止区导致截止失真(顶部失真)。(如下图,蓝色线即为直流负载线,失真是指$U_{CEQ}$的底部/顶部失真)
$R_c$决定交流负载线的斜率,$R_b$决定 $Q$ 点在交流负载线的上下位置($u_{BE}=V_{CC}-I_BR_b$可以影响$I_B$,而$i_C=\beta i_B$就影响了$Q$点的位置)。
- 组成:三极管T(起放大作用)、偏置电路$R_b,V_{CC}$(使三极管工作于放大区,并提供能量)、集电极负载电阻$R_c$(将电流的变化转换为电压变化$u_{CE}=V_{CC}-I_CR_c$)、耦合电容$C_1,C_2$(隔直流通交流)
(3)三种基本组态放大器的电路组成、工作原理以及主要的性能特点
共射 共基 共集 电流、电压均放大 电压放大、无电流放大 电流放大、无电压放大 $u_i$与$u_o$反相 $u_i$与$u_o$同相 $u_i$与$u_o$同相 (4)等效电路分析法 + (5)计算放大器的增益、输入输出阻抗
- 解题步骤:
- 静态分析:画直流通路,电容视为断路,电感视为短路 (2)直流模型
- 求静态工作点Q:$I_{BQ},I_{CQ},U_{CEQ}$
- 画微变等效电路,电容、直流电源(正负极相接)视为短路 (2)交流小信号电路模型
- 求动态参数 $A_u=\frac{u_o}{u_i},R_i,R_o$
- 解题步骤:
三极管的微变等效模型:
其中,$r_{be}=r_{bb}’+(1+\beta)\frac{U_T}{I_{EQ}}$,其中,若题目未给出,则一般来说$r_{bb}’=200\Omega,U_T=26mV$,并且常用:$I_{EQ}\approx I_{CQ}$-
- 三种耦合方式:阻容耦合、直接耦合、变压器耦合
- 电压增益:$20\lg A_{u}(\mathrm{dB})$,总电压增益$=20\lg A_{u1}+20\lg A_{u2}+\cdots$
多级放大电路比单机放大电路电压增益提高,通频带变窄($f_L>$任一单级放大电路的$f_L$(下限截止频率),$f_H<$任一单级放大电路的$f_H$(上限截止频率))
频率响应
- (1)频率响应的概念
放大倍数$A_u=\frac{A_u(f)}{\varphi(f)}$,其中$A_u(f)$为幅频响应,是电压放大倍数的模与信号频率的关系;$\varphi(f)$为相频响应,是放大电路的输出电压与输入电压的相位差与信号频率的关系。上表为频率与放大倍数之间的关系, $BW$ 被称为通频带,$A_{um}$被称为中频电压放大倍数或中频增益。当频率上升到上限截止频率时,放大倍数下降到0.7倍,或下降了3dB,放大倍数的相位与中频时相比,附加相移约为45度。 影响放大电路频率特性的主要因素: (1) 低频区: 隔直耦合电容、 旁路电容, 阻抗增大, 使信号衰减, 增益下降。 (2) 中频区: 忽略所有电容的影响, 视隔直电容旁路电容为交流短路, 视极间电容和杂 散电容为交流开路。 (3) 高频区: 并接的极间电容和杂散电容容抗减小, 对信号分流, 增益下降。 (也就是耦合电容和旁路电容的存在)
有源滤波器的主要元件是:电容和电感(运放工作在非线性区)(似乎不考) - 失真类型的判断
首先判断高频/低频失真:遇到一个信号,如果为单一频率的信号则不存在频率失真问题;如果有多个频率分量,首先通过$\omega = 2\pi f$ 计算出频率 $f$,然后通过与$f_L,f_H$比较得知是否失真,大于$f_H$的为高频失真,小于$f_L$的为低频失真。
然后判断线性失真:题目会告诉你不失真的动态范围$U_{opp}$,用中频增益×信号峰峰值与此比较,然后二选一写:“信号幅度较小,为xxx,经放大后峰峰值为xxx,故不会出现非线性失真”或者“由于输入信号幅度较大,为xxx,经xx倍放大后峰峰值为xxx,故输出信号将产生严重的非线性失真(波形出现限幅状态)” - (2)放大器的低频、中频和高频等效电路
- (3)晶体管频率参数、共射电路频率响应
- (1)频率响应的概念
集成运算放大电路
-
运放的参数:
两个输入端:同相输入端$u_+$,反相输入端$u_-$,一个输出端$u_o$,开环放大倍数 $A_{od}$运放工作的两个区域
线性区:$u_o = A_{od}(u_+-u_-)$ ,输出电压随输入电压线性变化
非线性区:输出只有两种可能:$u_+>u_-\rightarrow u_o=+u_{OM}$、$u_+<u_-\rightarrow u_o=-u_{OM}$
集成运放的内部电路
- 输入级: 常采用差动放大电路→抑制零点漂移
- 中间级: 共射放大电路→提高电压放大倍数
- 输出级: 互补对称输出级电路→提高带负载能力
- 偏置电路: 电流源电路→提供静态偏置电流
工作区域:
- 线性工作区:引入负反馈(满足虚短$u_+=u_-$和虚短$i_+=i_-\approx 0$)
- 非线性工作区:引入正反馈或开环
集成运放的应用:工作在线性区的有:集成运算电路、滤波电路;工作在非线性区的有:电压比较器
-
接法 输入电阻 输出电阻 差模放大倍数 共模放大倍数 单入单出&双入单出 $R_i=2(R_b+r_{be})$ $R_o=R_c$ $Au_d=-\frac{\beta(R_C//R_L)}{2(R_b+r_{be})}$ 只有在恒流源电路中共模放大倍数才为0 单入双出&双入双出 $R_i=2(R_b+r_{be})$ $R_o=2R_c$ $Au_d=-\frac{\beta(R_C//{R_L\over 2})}{2(R_b+r_{be})}$ 0
-
反馈
(1)负反馈的概念
反馈: 将输出量(输出电压或输出电流) 的一部分或全部通过一定的电路形式作用到输
入回路, 用来影响其输入量(放大电路的输入电压或输入电流) 的措施。 放大电路无反馈时
又称为开环, 有反馈时又称为闭环。
按照反馈信号的极性来分,净输入量减小的是负反馈,净输入量增加的是正反馈。-
对于三极管,如果输出和反馈在一个点上,那么就是电压反馈,否则是电流反馈。
反馈回来如果和输入是在一个点,那么就是并联反馈;如果不在一个点,就是串联反馈。对于一个功放,如果和输出$u_o$在一个点(也就是把$u_o$反馈回去了),那就是电压反馈;如果先通过一个电阻再反馈回去,那就是电流反馈。
如果反馈回去没和输入直接相接(比如输入接$+$而反馈到了$-$),那就是串联反馈;否则就是并联反馈。四种基本组态:…
瞬时极性法
首先假设为正相$u_{id}=u_+-u_-$,然后根据两个值的正负判断其与输入的关系决定是否为负反馈反馈系数$F=\frac{u_f}{u_o}$等于反馈回去的值占输出的量
(3)会分析负反馈对放大电路性能的影响
直流负反馈: 稳定静态工作点
电压负反馈: 减小$R_o$ , 提高带负载能力, 稳定输出电压
电流负反馈: 增大$R_o$ ,稳定输出电流
串联负反馈: 增大$R_i$ , 减小电路向信号源索取的电流
并联负反馈: 减小 $R_i$(4)会计算深度负反馈放大器的性能指标
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, 与有源器件的参数基本无关。 一般反馈网络是无源元件构成的, 其稳定性优于有源器件, 因此深度负反馈时的放大倍数比较稳定。
$A_f=\frac{A}{1+AF}$,当 $1+AF>>1$ 时,则 $A_f\approx {1\over F}$
并联负反馈条件下,$i_i\approx i_f$(反馈电流);
串联负反馈条件下,$u_i\approx u_f$(反馈电压)
集成运算放大器的应用
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反相比例运算放大器:$u_o=-\frac{R_f}{R_1}u_I$ 同相比例运算放大器:$u_o=\left(1+\frac{R_f}{R_1}\right)u_I$ (均通过$i_R=i_F$求出) 差分比例运算电路(减法运算电路):利用叠加定理,先令其中一个输入为0,计算$u_o'$,再令另一个输入为0,计算$u_o''$,最终 $u_o=u_o'+u_o''$ 当上面右图中 $R_f=0||R_1\rightarrow\infty$ 时,电路被称为“电压跟随器”
上图为积分电路,$u_o=-\frac{1}{RC}\int u_i\mathrm{dt}$(图像为积分后取负) (电容上的电压:$u_C=\frac{1}{C}\int i_C \mathrm{dt}$,电容上的电流:$i_C=C\frac{du_C}{dt}$)
上图为微分电路,$u_o=-RC\frac{du_i}{dt}$ 对于积分电路,输入方波,输出为三角波(负的);输入正弦波,输出为余弦波(负的)
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常用的电压比较器:单门限比较器、迟滞比较器、窗口比较器
单门限比较器:
传输特性曲线中,$u_o$的值只会取稳压管$u_z$的最大值和最小值。如图,$u_R>u_i$时,$u_o=U_{OH}=+x\mathrm V$,$u_R<u_i$时,$u_o=U_{OL}=-x\mathrm V$ ,据此画出 $u_o-u_i$ 的电压传输特性曲线即可。
迟滞比较器(是引入了正反馈的电压比较器,由于回差的存在,所以提高了抗干扰能力):
门限电压:上限域值$u_{TH}=\frac{R_2}{R_1+R_2}U_{OH}$,下限域值:$u_{TL}=\frac{R_2}{R_1+R_2}U_{OL}$,回差电压$\Delta u_{TH}=u_{TH}-u_{TL}$,特性曲线画为旋转的形式。
- 功率放大电路
- (1)功率放大电路的特点、分类及工作状态(静态工作点,导通角)
- 分类:甲类(导通角360度),乙类(180度),甲乙类($180^\circ<\theta<360^\circ$)
- 乙类互补对称功率放大电路中, 当电压较小时, 存在一段【死区】, 形成【交越失真】。而甲乙类就是为了消除交越失真,在乙类基础上增加两个二极管使微导通。
- (1)功率放大电路的特点、分类及工作状态(静态工作点,导通角)
- 甲类管耗大,效率低。乙类管耗小,效率高(OTL:无输出变压器的功率放大电路;OCL:无输出电容的功率放大电路)。
- (2)OCL(较多)、OTL电路各项性能指标的计算以及极限参数的计算,包括输出功率,最大输出功率,电源提供的功率,转换效率和最大管耗的参数计算
最大输出功率$P_{om}=\frac{U_{om}^2}{R_L}$,效率$\eta = \frac{P_{om}}{P_V}=\frac{\pi}{4}{V_{CC}-|U_{CES}|\over V_{CC}}$,$U_{om}$为电压的有效值,一般为$V_{CC}-|U_{CES}|\over \sqrt 2$,电源提供的功率:$P_V={2\over \pi}{V_{CC}(V_{CC}-U_{CES})\over R_L}$,总管耗:$P_{Tm}=P_V-P_{om}$,三极管的最大耗散功率:$P_{CM}>0.2P_{om}$,每个管子的耐压值$|u_{BR(CEO)}|>2V_{CC}$
当题目中已知输入电压有效值的情况下,输出功率$P_o=\cdots=\frac{U_{o}^2}{R_L}=\frac{U_{i}^2}{R_L}$,电源提供的功率 $P_E(就是P_V)=2U_{CC}I_{c(av)}={2\over\pi}{U_{CC}}I_{cm}={2\sqrt2U_o\over \pi R_L}U_{CC}$ - (3)甲类功率放大电路各项性能指标的计算
直流稳压电源
- 直流稳压电路由 变压器、整流电路(交流变直流)、滤波电路(减小交流分量)、稳压电路 四部分组成
- 串联反馈式稳压电路主要由 调整管(与负载串联,工作在线性区,利用其管压降来调整输出电压)、采样电路、基准电压电路、比较放大电路 组成。
- 集成稳压电路