1、第三章 模拟系统中的基本电路模块,3.1 电源电路的设计3.1.1 引起稳压电源输出不稳定的主要原因 1、电网不稳；电网有高峰和低估 2、负载变化； 3、稳定电源本身不稳； 4、元件受周围因素影响；,3.1.2 稳压电源技术指标,1、稳压系数：绝对稳压系数K和相对稳压系数S，其中一般情况下是指相对稳压系数： K=Uo/Ui S=(Uo/Uo)/(Ui/Ui)2、纹波系数（） :在额定负载电流下，输出纹波电压的有效值与输出直流电压值之比。3、电压稳定度:负载电流范围内Ui/Uo，相对变化。4、电网调整率：输入电网电压由额定变化10%稳压电源输出的相对变化5、温度漂移 ：温度变化引起的输出变化6、
2、响应时间 ：负载电流突然变化，稳压电源从开始到达到新稳定输出需要的时间7、失真 输入正弦波输出不一定是正弦波,3.1.3 集成稳压电源,1、集成稳压电源原理:,1）78 系列三端固定集成稳压电源输出正电压的稳压电源 用 78/79系列三端稳压IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠 、方便 ，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压的正负，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。,2、典型集成稳压电源及应用,三端固定集成稳压器,CW7800 系列(正电源),CW790
3、0 系列(负电源),5 V/ 6 V/ 9 V/ 12 V/ 15 V/ 18 V/ 24 V,78、79 系列的型号命名（注意引脚顺序）,输出电流,78L / 79L 输出电流 100 mA,78M / 9M 输出电流 500 mA,78 / 79 输出电流 1.5 A,输出电压,例如：,CW7805 输出 5 V，最大电流 1.5 A,CW78M05 输出 5 V，最大电流 0.5 A,CW78L05 输出 5 V，最大电流 0.1 A,这是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。IC采用集成稳压器7805，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容，RL为负载电阻。当输出电较大时，7805应配
4、上散热板。,2）三端固定式负稳压电源79*系列,79XX系列集成压器是常用的固定负输出电压的三端集成稳压器，除输入电压和输出电压均为负值外，其他参数和特点与78XX系列集成稳压器相同。79XX系列集成稳压的三个引脚为：1脚为接地端，2脚为输入端，3脚为输出端。,3）三端稳压式可调电源,4）正负稳压输出电源,3. 1.4 开关直流稳压电源,1、开关直流稳压电源的基本原理,传统的线性串联型稳压电源，其调整管是连续地工作在线性放大状态；开关稳压电源，其调整管是断续地工作在导通和截止状态。,开关直流稳压电源的基本原理,它和普通串联反馈型稳压电源一样，都有连续工作的取样电路、误差放大器和基准电压。所不同
5、的是调整管工作在开头关状态，并且增加了脉冲发生器、L、C脉冲滤波器和续流二极管,2、开关直流稳压电源的特点,1）小型、薄型、轻量化 SMT表面贴装技术：一种现代的电路板组装技术，它实现了电子产品组装的小型化、高可靠性、高密度、低成本和生产自动化。目前，先进的电子产品特别是在计算机及通讯类电子产品组装中，已普遍采用表面贴装技术。 2）高效率3）产品更新快,3、实用电路举例,PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其
6、中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，PWM码是一种脉宽调制码，它的组成为9MS高电平和4MS低电平引导脉冲，16位系统识别码，8位数据正码和8位数据反码。,3.2 运算放大器电路,3.2.1 运算放大器基本特性1、常用运算放大器类型 （1）通用型 （2）精密型 （3）低噪声型 （4）高速型 （5）低电压、低功率型 （6）单电源型,2、运算放大器的基本参数,运算放大器的静态技术指标 1.输入失调电压：输入电压为零时，将输出电压除以电压增益，即为折算到输入端的失调电压。VIO是表征运放内部电路对称性的指标。 2.输入失调电流：在零输入时，差分输入级的
7、差分对管基极电流之差，用于表征差分级输入电流不对称的程度。 3.输入偏置电流：运放两个输入端偏置电流的平均值，用于衡量差分放大对管输入电流的大小。,4.输入失调电压温漂 ：在规定工作温度范围内，输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值。 5.输入失调电流温漂 ：在规定工作温度范围内，输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值。 6.最大差模输入电压 ：运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。 7.最大共模输入电压：在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能力。,运算放大器的动态技术
8、指标 1.开环差模电压放大倍数 (open loop voltage gain) ：运放在无外加反馈条件下，输出电压与输入电压的变化量之比。 2.差模输入电阻 (input resistance) ：输入差模信号时，运放的输入电阻。 3.共模抑制比 (common mode rejection ratio) ：与差分放大电路中的定义相同，是差模电压增益 与共模电压增益 之比，常用分贝数来表示。 KCMR=20lg(Avd / Avc ) (dB),运算放大器的动态技术指标 4.3dB带宽 (3dB band width) ：运算放大器的差模电压放大倍数 在高频段下降3dB所定义的带宽 。 5.
9、单位增益带宽 (BWG)(unit gain band width)： 下降到1时所对应的频率，定义为单位增益带宽 。 6.转换速率 (压摆率)(slew rate)：反映运放对于快速变化的输入信号的响应能力。 7.等效输入噪声电压Vn(equivalent input noise voltage)：输入端短路时，输出端的噪声电压折算到输入端的数值。这一数值往往与一定的频带相对应。,3.2.2 集成运放的四个重要参数：,(1) 增益带宽积 （GBW),GBW=Avd . fH,其中 ，Avd为中频开环增益，fH为开环上限截止频率。,以uA741为例，Avd=100dB即100000倍。fH =
10、10Hz , GBW=10100000=1MHz 。即该运放的 fT =1MHz 。,Avd (dB),f,fH,fT,Avo,若运放在应用中接成闭环放大电路，其闭环放大电路的上限频率 fHF=GBW/AVF,Avd (dB),f,fH,fT,Avo,AVF,fHF,(2) 压摆率（转换速率）SR,压摆率SR表示运放所允许的输出电压Vo对时间变化率的最大值。,若输入一正弦波电压，运算放大器输出也应是一正弦波电压。,则：,若已知 V0m，则在输出不失真的情况下，输入信号的最高频率,对于uA741，若将连接成电压跟随器电路，若输入信号为Vin=2V， f=100KHz的正弦信号，其输出波形如何？,
11、+,-,vin,vo,为了要求输出不失真，则要求输入信号的应小于0.8V。,vin,vo,(3) 共模抑制比CMRR,该项指标表示了集成运放对共模信号（通常是干扰信号）的抑制能力。定义,Avd 为开环差模增益，Avc为开环共模增益。共模抑制比这一指标在微弱信号放大场合非常重要，以为在许多实际场合，存在着共模干扰信号。,假设某一放大器的差模输入信号Vidm为10uV，而放大器的输入端存在着10V的共模干扰信号。为了使输出信号的有用信号（差模分量）能明显的大于干扰信号，这时要求该运放应有多大的共模抑制比呢？,设该放大器的输出端的共模电压为Vocm ,则 Vocm=Vicm . Avc,则将其折合到
12、输入端的共模信号为： Vicm= Vocm/Avc,折合到输入端的误差电压为：,在上例中，若取输入有用信号为干扰信号的两倍，即：,则 运放的共模抑制比,要求运算放大器的共模抑制比大于120dB,(4)最大差模输入电压Uidmax 运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压,运放输入级对管将进入非线性区，而使运放的性能显著恶化，甚至造成损坏。根据工艺不同，Uidmax约为5V30V。最大共模输入电压Uicmax 在保证运放正常工作条件下，共模输入电压的允许范围。共模电压超过此值时，输入差分对管出现饱和，放大器失去共模抑制能,3.2.3 理想运放的工作特点及三种输入方式,1、理想运放的工作特
13、点开环差模增益（电压放大倍数）A0d=；差模输入电阻Rid；输出电阻R00；共模抑制比KCMR；上限截止频率fH；失调电压UIO、失调电流IIO和它们的温漂dUIO/dT、dIIO/dT均为零，且无任何内部噪声。,由于uo为有限值，Aod为无穷大，因而净输入电压,所谓 “虚短路”是指集成运放的两个输入端电位无穷接近，但又不是真正短路，通常简称为“虚短”。,因为净输入电压为零，输入电阻为无穷大，所以两个输入端的输入电流也均为零。,理想运放在线性工作区,1. 理想运放在线性工作区的特点,uP,uN,uO,iP,iN,这就是我们以后常用的“虚短路”,这就是我们以后常用的“虚断路”,2 运放三种基本输
14、入方式,1)反相输入方式,理想运算放大器有三种基本连接方式。利用这三种基本工作方式，可进行模拟信号之间的运算。,2)同相输入方式,3)差分输入方式,在实用电路中，为了防止低频信号增益过大，常在电容上并联一个电阻加以限制。,3.积分运算电路,3.2.4集成运放的单电源应用,采用单电源对集成这算放大器供电的常用方法是，把集成运算放大器两输入端电位抬高（且通常抬高至电源电压的一半，即 Ecc/2），抬高后的这个电位就相当于双电源供电时的“地”电位，因此在静态工作时，输出端的电位也将等于两输入端的静态电位，即Ecc/2。缺点：在无信号输入时，损耗较大 .,集成运放的单电源应用,在一些交流信号放大电路中
15、，可以采用电源偏置电路，将静态直流输出电压降为电源电压的一半，采用单电源工作，但输入和输出信号都需要加交流耦合电容，利用单电源供电的反相放大器如图1(a)所示，其运放输出波形如图1(b)所示。一般来说，R2R32RF.该电路的增益AvfRFR1。R2R3时，静态直流电压Vo(DC)12Vcc。,测量放大器：数据放大器、仪表放大器。主要特点：输入阻抗高、输出阻抗低，失调及零 漂很小，放大倍数精确可调，具有差动输入、单端输出，共模抑制比很高。应用：共模电压背景下对缓变微弱的差值信号进行放大。如生物信号等。,3.2.5测量放大电路,1.三运算放大器测量电路(高阻抗差动放大器）,AD522集成数据采集
16、放大器可以在环境恶劣的工作条件下进行高精度的数据采集。它线性好,并具有高共模抑制比、低电压漂移和低噪声的优点,适用于大多数12位数据采集系统。AD522通常用于电阻传感器（电热调节器、应变仪等）构成的桥式传感器放大器以及过程控制、仪器仪表、信息处理和医疗仪器等方面。,2、单片集成测量放大器（美国AD公司）,该电路可在低电压、高阻抗、大噪声的环境中获得最佳性能。需要正确的屏蔽和接地。在电路中,信号地和AD522直接连接,从而形成了输入放大器的偏置电流回路 。,1、矩形波产生电路 在迟滞比较器的基础上，增加一个由R、C组成的积分电路，将输出电压经R 、C反馈到集成运放的反相端。,3.3 信号产生电
17、路,方波产生电路,1. 电路组成和输出波形,积分电路,滞回比较器,2. 振荡频率,设Rwa Rwc,占空比可调的方波发生电路或称矩形波发生电路,矩形波产生电路TL082构成的简单的矩形波发生电路,该电路为矩形波和方波发生电路，波形的高低电平时间可独立设定，振荡频率由高低电平时间共同确 定。电路中用二极管对决定电容C充放电时间的电阻进行切换，用可变电阻R1和R2调整矩形波高低电平时间。电阻网络RA作为运放的反馈电路和电容C的充放电电路。由运放输出的电压经56k和47k电阻分压作为基准电压与电容C上电压进行比较而产生振荡。若用可变电阻RA(图b)代替图(a)中的电阻网络RA，电路成为方波产生电路，
18、并且振荡频率可由RA进行改变。若用二极管和可变电阻RA(图c)代替图(a)中的电阻网络RA，电路成为矩形波产生电路。由于充电和放电电阻之和恒定，故电路振荡频率也恒定，可变电阻RA仅用来改变波形的占空比 。,2.正弦波产生电路,由图可见，串并联网络中的R1、C1和R2、C2以及负反馈支路中的RF和R正好组成一个电桥的四个臂，因此这种电路又称为文氏电桥振荡电路。,电路由三部分组成：放大器A部分；RC串并联网络：形成正反馈；二只电阻构成了负反馈支路：稳定振荡幅度。,基本RC桥式振荡电路,用示波器观察振荡电路的输出波形,若输出无波形或输出波形出现明显失真，应调节Rp，使输出Vo为一失真较小的稳定正弦波
19、。,右图为桥T形RC振荡器，电路中C1=C2=CRC串并联网络构成正弦振荡电路的正反馈 ；R3和R4、3.3K构成电路中的负反馈 。,3.三角波产生电路如图(a)所示，将方波电压作为积分运算电路的输入，在积分运算电路的输出就得到三角波电压，波形如图（b）所示,其虚线左边为同相输入滞回比较器，右边为积分运算电路。滞回比较器输出为方波，经积分运算电路后变换为三角波，调节电路中R1、R2、R3的阻值和C的容量，可以改变振荡频率。而调节R1和R2的阻值，可以改变三角波的幅值。,4.各种信号发生器, I01,当 Q = 0，S 断开，,C 充电 (I01) 至 2/3VCC,Q = 1,当 Q = 1，
20、S 闭合，,C 放电 (I02 -I01) 至 1/3VCC,Q = 0,当 I02 = 2I01，引脚 9 输出方波，引脚 3 输出三角波；,当 I02 2I01，引脚 9 输出矩形波，引脚 3 输出锯齿波。,1. 原理,2. 应用,调占空比和正弦波失真,图中的8038 为函数发生器专用IC，它具有3 种波形输出，分别正弦波、方波和三角波，8038的第10脚外接定时电容，该电容的容值决定了输出波形的频率，电路中的定时电容从C1至C8决定了信号频率的十个倍频程，从500F开始，依次减小十倍，直到5500pF，频率范围相应地从0.05Hz0.5 Hz5Hz50Hz500Hz5kHz50kHz50
21、0kHz，如果C8取250pF，频率可达1MHz。图中的V1、R7、R8构成缓冲放大器，R9 为电位器，用于改变输出波形的幅值。,滤波器是一种能使有用信号通过，滤除信号中无用频率，即抑制无用信号的电子装置。,有 源 滤 波 电路滤波器的用途,3.4信号处理电路,有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。它是在运算放大器的基础上增加一些R、C等无源元件而构成的。 低通滤波器（LPF） 高通滤波器（HPF） 带通滤波器（BPF） 带阻滤波器（BEF）,有源滤波电路的分类,一阶有源滤波器,电路特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。,2.传递函数,当 f = 0时，电容视为开路，通带内的增益
22、为,1.通带增益,3.幅频响应,一阶LPF的幅频特性曲线,简单二阶低通有源滤波器,为了使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效果，再加一节RC低通滤波环节，称为二阶有源滤波电路。它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。,二阶LPF,二阶LPF的幅频特性曲线,（1）通带增益 当 f = 0, 或频率很低时，各电容视为开路，通带内的增益为,（2）传递函数,通常有C1=C2=C，联立求解以上三式，可得滤波器的传递函数,(3)通带截止频率 将s换成 j，令 ,可得,解得截止频率,当 时，上式分母的模,二阶压控型低通有源滤波器中的一个电容器C1原来是接地的，现在改接到输出端。显然C1的改接不影响通带增
23、益。,二阶压控型LPF,二阶压控型低通滤波器,二阶压控型LPF的幅频特性,2.二阶压控型LPF的传递函数,上式表明，该滤波器的通带增益应小于3，才能保障电路稳定工作。,N节点的电流方程：,联立求解以上三式，可得LPF的传递函数,3.频率响应 由传递函数可以写出频率响应的表达式,当 时，上式可以化简为,定义有源滤波器的品质因数Q值为 时的电压放大倍数的模与通带增益之比,二阶反相型低通有源滤波器,二阶反相型LPF是在反相比例积分器的输入端再加一节RC低通电路而构成。,反相型二阶LFP,改进型反馈反相二阶LFP,由图,传递函数为,频率响应为,N节点的电流方程,以上各式中,二阶压控型HPF,有源高通滤
24、波器,由此绘出的频率响应特性曲线,(2)传递函数,结论：当 时，幅频特性曲线的斜率 为+40 dB/dec； 当 3时，电路自激。,二阶压控型HPF 频率响应,有源带通滤波器(BPF) 和带阻滤波器(BEF),二阶压控型BPF,二阶压控型BEF,带通滤波器是由低通RC环节和高通RC环节组合而成的。要将高通的下限截止频率设置为小于低通的上限截止频率。反之则为带阻滤波器。 要想获得好的滤波特性，一般需要较高的阶数。滤波器的设计计算十分麻烦，需要时可借助于工程计算曲线和有关计算机辅助设计软件。,有源带通滤波器(BPF) 和带阻滤波器(BEF),1.有源滤波电路：实质是“选频”，即允许一部分频率的信号
25、顺利通过，另一部分的频率信号被急剧衰减。,如图所示为有源低通滤波电路。该电路的截止频率fc=10kHz。电路中，R1与R2之比和C1与C2之比可以是各种值。该电路采用R1=R2和C1=2C2。采用C1=C2和R1=2R2也可以。,该电路由3个运算放大器和阻容元件组成，其主要特点是可以同时获得高通、低通和带通3种滤波特性。此外，只要改变图中Cf、Rf的数值，就可以在宽范围内任意确定通带特性，并且电路增益、Q值均可独立设定而不会相互影响。该电路简单、易调且稳定。,电压-频率转换电路的功能是将输入直流电压转换成频率与其数值成正比的输出电压，故也称电压控制振荡电路（VCO），简称压控振荡电路。 如果任
26、何一个物理量通过传感器转换成电信号后，以预处理变换为合适的电压信号，然后去控制压控振荡电路，再用压控振荡电路的输出驱动计数器，使之在一定时间间隔内记录矩形波个数，并用数码显示，那么可以得到该物理量的数字式测量仪表。 电压-频率转换电路是一种模-数转换电路，它应用于模-数转换、调频、遥控遥测等各种设备。,电压-频率转换电路,一、由集成运放构成的电压-频率转换电路,1.电荷平衡式电路 :如图所示为电荷平衡式电压-频率转换电路的原理框图。电路组成：积分器和滞回比较器，S为电子开关，受输出电压Uo的控制。 设UiT2，振荡周期TT1。UI数值愈大，T1愈小，振荡频率f愈高，因此实现了电压-频率转换，或
27、者说实现了压控振荡。 电荷平衡式电路：电流源I对电容C在很短时间内放电的电荷量等于Ii在较长时间内充电的电荷量。,2.复位式电路,电路组成： 复位式电压-频率转换电路的原理框图如图所示，电路由积分器和单限比较器组成，S为模拟电路开关，可由三极管或场效应管组成。,工作原理： 设输出电压Uo为高电平UoH时S断开，Uo为低电平UoL时S闭合。当电源接通后，由于电容C上电压为零，即Uo1=0，使Uo=UoH，S断开，积分器对Ui积分，Uo1逐渐减小；一旦Uo1过基准电压UREF，Uo将从UoH跃变为UoL，导致S闭合，使C迅速放电至零，即Uo1=0，从而Uo将从UoL跃变为UoH，；S又断开，重复上
28、述过程，电路产生自激振荡，波形如图（b）所示。Ui愈大，Uo1从零变化到UREF所需时间愈短，振荡频率也就愈高。,2.电压-频率、频率-电压变换电路,TD650电压频率转换过程,如图所示为实现电压-电流转换的基本原理电路。由于电路引入负反馈，uN=uP=0，负载电流,il与Ui成线性关系。由于负载没有接地点，因而不适用于某些应用场合。,电压/电流转换电路 电压/电流转换即V/I转换，是将输入的电压信号转换成满足一定关系的电流信号，转换后的电流相当一个输出可调的恒流源，其输出电流应能够保持稳定而不会随负载的变化而变化。,如图所示为电流-电压转换电路。在理想运放条件下，输入电阻Ri为无穷大，因而iF=iS，故输出电压 Rs比Ri大得愈多，转换精度愈高。,
