中級電子設(shè)計-放大器

1、集成運算放大器集成運算放大器（簡稱運放）是一種高電壓放大倍數(shù)、高輸入電阻、低輸出電阻的直接耦合放大電路。它工作在放大區(qū)時，輸入和輸出呈線性關(guān)系，所以它又被稱為線性集成電路。集成運放的組成由四部分組成：偏置電路：由恒流源電路構(gòu)成，確定運放各級的靜態(tài)工作點；輸入級：由差放構(gòu)成，可減小零點漂移和抑制干擾；中間級：共射放大電路，用于電壓放大；輸出級：互補對稱電路，降低輸出電阻，提高帶載能力。第一頁，共58頁。第一頁，共58頁。2、集成運放的性能指標(biāo)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod：它是指集成運放在無外加反饋回路的情況下的差模電壓的放大倍數(shù)。最大輸出電壓Uop-p：它是指一定電壓下，集成運放的最大不失真輸出電壓的峰--峰值。差模輸入電阻rid：它的大小反映了集成運放輸入端向差模輸入信號源索取電流的大小。要求它愈大愈好。輸出電阻ro：它的大小反映了集成運放在小信號輸出時的負(fù)載能力。共模抑制比CMRR：它放映了集成運放對共模輸入信號的抑制能力，其定義同差動放大電路。CMRR越大越好。第二頁，共58頁。第二頁，共58頁。根據(jù)分析時理想運放的條件，得出兩個重要結(jié)論：

虛短路：V+=V-；虛開路：Ii=0注意在實際運算放大器的分析計算中，也采用這兩個條件分析。第三頁，共58頁。第三頁，共58頁。3、反相輸入放大器反相比例運算放大器電路輸出電壓與輸入電壓間的關(guān)系：VO=-（RF/F1）*Vi閉環(huán)放大倍數(shù)：AF=AV*F=VO/Vi=-RF/R1RF=R1時，放大器僅起反相作用，又稱反相器。運放正端有接入平衡電阻Rp，其目的是為了保持反相比例運算放大器電路的結(jié)構(gòu)對稱，因此運放的兩個輸入電路的電阻必須相等。平衡電阻(使輸入端對地的靜態(tài)電阻相等):RP=R1//RF。第四頁，共58頁。第四頁，共58頁。反向輸入放大器模型理想運放：虛短路：V+=V-；虛開路：Ii=0第五頁，共58頁。第五頁，共58頁。4、同相輸入放大器同相比例運算放大器電路，在理想條件下，Vo與Vi的關(guān)系是：Vo=（1+Rf/R1）*Vi輸入信號Vi經(jīng)平衡電阻Rp送到運放的同相輸入端，反饋通過Rf送回到反相輸入端以實現(xiàn)負(fù)反饋，若把差模輸入電壓看成是凈輸入電壓，則反饋電壓Vf加在R1兩端。同相輸入放大器實質(zhì)上是一個電壓取樣電壓求和的深負(fù)反饋電路。第六頁，共58頁。第六頁，共58頁。5、跟隨器第七頁，共58頁。第七頁，共58頁。6、差動放大器差動放大電路又叫差分電路，能有效地放大交流信號，而且能有效地減小由于電源波動和晶體管隨溫度變化多引起的零點漂移。常被用作多級放大器的前置級。第八頁，共58頁。第八頁，共58頁。7、減法電路（該電路也稱為差分電路）從結(jié)構(gòu)上看，它是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電路。根據(jù)虛短、虛斷和N、P點的KCL得：第九頁，共58頁。第九頁，共58頁。第十頁，共58頁。第十頁，共58頁。8、儀用放大器（高共模抑制比、高輸入電阻測量放大器）由三運放組成性能優(yōu)越的測量放大器，A1和A2組成雙端輸入/雙端輸出差動放大，由于信號從二個同相端輸入，使輸入阻抗高達(dá)10M以上。第二級又采用差動輸入，在運放參數(shù)和R3、R4嚴(yán)格對稱時，電路具有很高的共模抑制能力和低溫漂。第十一頁，共58頁。第十一頁，共58頁。9、求和電路（加法電路）第十二頁，共58頁。第十二頁，共58頁。10、積分電路第十三頁，共58頁。第十三頁，共58頁。11、微分電路第十四頁，共58頁。第十四頁，共58頁。12、比較器比較器是將兩個相差不是很小的電壓進行比較的系統(tǒng)。最簡單的比較器就是運算放大器。運算放大器在有深度負(fù)反饋的條件下，會在線性區(qū)工作，有著增益很大的放大特性，在計算時往往認(rèn)為它放大的倍數(shù)是無窮大。而在沒有反饋的條件下，運算放大器在線性區(qū)的輸入動態(tài)范圍很小，即兩個輸入電壓有一定差距就會使運算放大器達(dá)到飽和。如果同相端電壓較大，則輸出最大電壓，一般是+12V；如果反相端電壓較大，則輸出最小電壓，一般是-12V。這樣，就實現(xiàn)了電壓比較功能注意：在真正的電壓比較器還會增加一些外圍輔助電路，以加強性能。第十五頁，共58頁。第十五頁，共58頁。Ui從同相端輸入Ui從反相端輸入過零比較器正弦波變方波第十六頁，共58頁。第十六頁，共58頁。13、濾波器用來消除干擾雜訊的器件,將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到純凈的交流電。濾波器的種類很多，分類方法也不同。

（1）按所處理的信號分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。

（2）按所通過信號的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。低通濾波器：它允許信號中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲。高通濾波器：它允許信號中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量。帶通濾波器：它允許一定頻段的信號通過，抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲。帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號，允許該頻段以外的信號通過。

第十七頁，共58頁。第十七頁，共58頁。有源低通濾波器：f0=1/2πRC有源高通濾波器：f0=1/2πRC有源帶通濾波器組合濾波器第十八頁，共58頁。第十八頁，共58頁。（3）按所采用的元器件分為無源和有源濾波器兩種。

無源濾波器：僅由無源元件(R、L和C)組成的濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的。這類濾波器的優(yōu)點是：電路比較簡單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點是：通帶內(nèi)的信號有能量損耗，負(fù)載效應(yīng)比較明顯，使用電感元件時容易引起電磁感應(yīng)，當(dāng)電感L較大時濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。

有源濾波器：由無源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成運算放大器）組成。這類濾波器的優(yōu)點是：通帶內(nèi)的信號不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級相聯(lián)時相互影響很小，利用級聯(lián)的簡單方法很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不使用電感元件）；缺點是：通帶范圍受有源器件(如集成運算放大器）的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場合不適用。第十九頁，共58頁。第十九頁，共58頁。14、波形發(fā)生（振蕩器）能夠產(chǎn)生振蕩電流的電路叫做振蕩電路。一般由電阻、電感、電容等元件和電子器件所組成。由電感線圈l和電容器c相連而成的LC電路是最簡單的一種振蕩電路，其固有頻率為f=1/2πLC。振蕩電路也叫波形發(fā)生器，是沒有信號輸入，而有信號輸出的信號產(chǎn)生器，一般由放大電路和振蕩選頻電路組成。放大電路有三極管和運算放大電路振蕩、選頻電路一般由電阻、電容（即RC振蕩選頻電路），或者由電感組成的電路（即LC振蕩選頻電路）決定產(chǎn)生信號的頻率大小。第二十頁，共58頁。第二十頁，共58頁。方波產(chǎn)生過程第二十一頁，共58頁。第二十一頁，共58頁。作業(yè)第二十二頁，共58頁。第二十二頁，共58頁。練習(xí)第二十三頁，共58頁。第二十三頁，共58頁。數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路是將元器件和連線集成于同一半導(dǎo)體芯片上而制成的數(shù)字邏輯電路或系統(tǒng)。根據(jù)數(shù)字集成電路中包含的門電路或元、器件數(shù)量，可將數(shù)字集成電路分為小規(guī)模集成（SSI）電路、中規(guī)模集成MSI電路、大規(guī)模集成（LSI）電路、超大規(guī)模集成VLSI電路和特大規(guī)模集成（ULSI）電路。小規(guī)模集成電路包含的門電路在10個以內(nèi)，或元器件數(shù)不超過100個；中規(guī)模集成電路包含的門電路在10~100個之間，或元器件數(shù)在100~1000個之間；大規(guī)模集成電路包含的門電路在100個以上，或元器件數(shù)在1000~10000個之間；超大規(guī)模集成電路包含的門電路在１萬個以上；特大規(guī)模集成電路的門電路在10萬個以上。第二十四頁，共58頁。第二十四頁，共58頁。數(shù)字集成電路按電路結(jié)構(gòu)分：TTL和MOS兩大系列。TTL數(shù)字集成電路是利用電子和空穴兩種載流子導(dǎo)電的，所以又叫做雙極性電路。MOS數(shù)字集成電路是只用一種載流子導(dǎo)電的電路，其中用電子導(dǎo)電的稱為NMOS電路；用空穴導(dǎo)電的稱為PMOS電路；如果是用NMOS及PMOS復(fù)合起來組成的電路，則稱為CMOS電路。第二十五頁，共58頁。第二十五頁，共58頁。1、TTL電路（1）電源電壓范圍

TTL電路的工作電源電壓范圍很窄。S，LS，F(xiàn)系列為5V±5%；AS，ALS系列為5V±10%。（2）頻率特性

TTL電路的工作頻率比4000系列的高。標(biāo)準(zhǔn)TTL電路的工作頻率小于35MHz；LS系列TTL電路的工作頻率小于40MHz；ALS系列電路的工作頻率小于70MHz；S系列電路的工作頻率小于125MHz；AS系列電路的工作頻率小于200MHz。（3）TTL電路的電壓輸出特性當(dāng)工作電壓為十5V時，輸出高電平大于2.4V，輸人高電平大于2.0V；輸出低電平小于0.4V，輸人低電平小于0.8V。第二十六頁，共58頁。第二十六頁，共58頁。（4）最小輸出驅(qū)動電流標(biāo)準(zhǔn)TTL電路為16mA；LS－TTL電路為8mA；S－TTL電路為20mA；ALS－TfL電路為8mA；AS－TTL電路為20mA。大電流輸出的TTL電路：標(biāo)準(zhǔn)TTL電路為48mA；LS－TTL電路為24mA；S－TTL電路為64mA；ALS－TTL電路為24/48mA；AS－TTL電路為48/64mA。對于同一功能編號的各系列TTL集成電路，它們的引腳排列與邏輯功能完全相同。比如，7404，74LS04，74A504，74F04，74ALS04等各集成電路的引腳圖與邏輯功能完全一致，但它們在電路的速度和功耗方面存在著明顯的差別。

數(shù)字集成電路引腳分布（7400為例）第二十七頁，共58頁。第二十七頁，共58頁。2、CMOS電路（1）電源電壓范圍：集成電路的工作電源電壓范圍為3~18V，74HC系列為2~6V。（2）功耗：當(dāng)電源電壓VDD=5V時，CMOS電路的靜態(tài)功耗分別是：門電路類為2.5~5μW；緩沖器和觸發(fā)器類為5~20μW；中規(guī)模集成電路類為25~100μW，（3）輸人阻抗：CMOS電路的輸入阻抗只取決于輸人端保護二極管的漏電流，因此輸人阻抗極高，可達(dá)108~1011Ω以上。所以，CMOS電路幾乎不消耗驅(qū)動電路的功率。（4）抗干擾能力:電源電壓允許范圍大，因此它們輸出高低電平擺幅也大，抗干擾能力就強，其噪聲容限最大值為45%VDD保證值可達(dá)30%VDD，電源電壓越高，噪聲容限值越大。（5）邏輯擺幅:CMOS電路輸出的邏輯高電平“1”非常接近電源電壓VDD;邏輯低電平“0”接近電源Vss，空載時，輸出高電平VOH=VCC-0.05V，輸出低電平VOL=0.05V。第二十八頁，共58頁。第二十八頁，共58頁。高電平（邏輯1——理論5/3.3V）低電平（邏輯0——理論0V）高阻態(tài)（三態(tài)——斷開）第二十九頁，共58頁。第二十九頁，共58頁。標(biāo)準(zhǔn)TTL電平發(fā)送端高電平：>2.4V低電平：<0.4V接收端高電平：>2.0V低電平：<0.8V特點噪聲容限小負(fù)載能力弱第三十頁，共58頁。第三十頁，共58頁。標(biāo)準(zhǔn)CMOS電平發(fā)送端高電平：>0.9Vdd低電平：<0.1Vdd接收端高電平：>0.7Vdd低電平：<0.3Vdd特點噪聲容限大負(fù)載能力強第三十一頁，共58頁。第三十一頁，共58頁。集成電路命名1、國標(biāo)集成電路的型號命名方法

（1）國標(biāo)（GB3431—82）集成電路的型號命名由五部分組成，各部分的含義如下：

第一部分用字母“C”表示該集成電路為中國制造，符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

第二部分用字母表示集成電路類型。

第三部分用數(shù)字表示集成電路系列和代號。

第四部分用字母表示電路溫度范圍。

第五部分用字母表示電路的封裝形式。第三十二頁，共58頁。第三十二頁，共58頁。第三十三頁，共58頁。第三十三頁，共58頁。（2）國標(biāo)（GB3430—89）集成電路型號命名由五部分組成，各部分的含義如下：

第一部分用字母“C”表示該集成電路為中國制造，符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

第二部分用字母表示集成電路的類型。

第三部分用數(shù)字或數(shù)字與字母混合表示集成電路的系列和品種代號。

第四部分用字母表示電路的工作溫度范圍。

第五部分用字母表示集成電路的封裝形式。第三十四頁，共58頁。第三十四頁，共58頁。第三十五頁，共58頁。第三十五頁，共58頁。TTL和COMS芯片（74LS00和74HC00）第三十六頁，共58頁。第三十六頁，共58頁。3.4傳感器傳感器（英文名稱：transducer/sensor）是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。光敏傳感器——視覺聲敏傳感器——聽覺氣敏傳感器——嗅覺化學(xué)傳感器——味覺壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺敏感元件的分類：物理類，基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應(yīng)?；瘜W(xué)類，基于化學(xué)反應(yīng)的原理。生物類，基于酶、抗體、和激素等分子識別功能。第三十七頁，共58頁。第三十七頁，共58頁。通常據(jù)其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。電阻式傳感器是將被測量，如位移、形變、力、加速度、濕度、溫度等這些物理量轉(zhuǎn)換式成電阻值這樣的一種器件。主要有電阻應(yīng)變式、壓阻式、熱電阻、熱敏、氣敏、濕敏等電阻式傳感器件。光敏電阻熱敏電阻壓力傳感器第三十八頁，共58頁。第三十八頁，共58頁。加速度傳感器溫濕度傳感器熱釋電紅外傳感器煙霧傳感器溫度傳感器超聲波傳感器金屬檢測傳感器壓力水位傳感器霍爾傳感器攝像頭陀螺儀芯片第三十九頁，共58頁。第三十九頁，共58頁。習(xí)題1.三極管

三極管結(jié)構(gòu)

三極管工作條件

共發(fā)射極直流放大倍數(shù)

三極管工作狀態(tài)

三極管三種電路接法

第四十頁，共58頁。第四十頁，共58頁。2.集成電路

反相輸入放大器接法，輸入輸出電壓關(guān)系---反相器

同相輸入放大器接法，輸入輸出電壓關(guān)系---跟隨器

減法電路，加法電路

比較器

第四十一頁，共58頁。第四十一頁，共58頁。

電阻色環(huán)識別：棕綠紅金第一位：１第二位：５第三位：×１０２第四位：誤差為±５％即電阻值為１５×１００＝１５００歐

五環(huán)電阻識別：黃紫紅橙棕

前三位數(shù)是４７２第四位表示×１０３第五位誤差為±１％即電阻值為４７２×１０００＝４７２千歐標(biāo)稱電感量及偏差為22uH±5%

紅紅黑金標(biāo)稱電感量及偏差為1.0uH±10%

棕黑金銀第四十二頁，共58頁。第四十二頁，共58頁。第四章電子線路4.1歐姆定律拓展使用1、電流導(dǎo)體中的自由電子在電場力的作用下做有規(guī)則的定向運動就形成了電流。電流（current）是表示電流強弱的物理量，通常用字母I表示，單位安培，符號A。電流的大小稱為電流強度（簡稱電流），指單位時間內(nèi)通過導(dǎo)線某一截面的電荷量，每秒通過1庫侖的電量稱為1「安培」（A）。安培是國際單位制中所有電性的基本單位。常用的單位有千安（kA）毫安（mA）、微安(μA)。1A=1000mA=1000000μA電學(xué)上規(guī)定：正電荷定向流動的方向為電流方向。電流形成條件：（1）存在自由電荷；（2）存在電壓；（3）有閉合回路。第四十三頁，共58頁。第四十三頁，共58頁。2、電壓電壓（voltage），也稱作電勢差或電位差，是衡量單位電荷在靜電場中由于電勢不同所產(chǎn)生的能量差的物理量。其大小等于單位正電荷因受電場力作用從A點移動到B點所作的功，電壓的方向規(guī)定為從高電位指向低電位的方向。電壓的國際單位制為伏特(V)，常用的單位還有毫伏(mV)、微伏(μV)、千伏(kV)等。1V=1000mV=1000000μV第四十四頁，共58頁。第四十四頁，共58頁。3、電路

(1)電路組成由金屬導(dǎo)線和電氣以及電子部件組成的導(dǎo)電回路，稱其為電路。電路組成：主要由電源、中間環(huán)節(jié)、負(fù)載構(gòu)成。如下圖家庭電路組成所示。

a.電源(source)：提供能量或信號（電池、發(fā)電機、信號發(fā)生器）；

b.負(fù)載(load)：將電能轉(zhuǎn)化為其它形式的能量，或?qū)π盘栠M行處理（電阻、電容、晶體管）；

c.中間環(huán)節(jié)（intermediate）：一般由導(dǎo)線、開關(guān)等構(gòu)成，將電源與負(fù)載接成通路（傳輸線）；第四十五頁，共58頁。第四十五頁，共58頁。家庭電路組成第四十六頁，共58頁。第四十六頁，共58頁。(2)電路模型由理想元件及其組合代表實際電路元件，與實際電路具有基本相同的電磁性質(zhì)，稱其為電路模型。電路模型是由理想電路元件構(gòu)成的。電路模型是實際電路抽象而成，它近似地反映實際電路的電氣特性。電路模型構(gòu)建第四十七頁，共58頁。第四十七頁，共58頁。(3)電路綜合通過對電路模型的分析計算來預(yù)測實際電路的特性，從而改進實際電路的電氣特性和設(shè)計出新的電路。第四十八頁，共58頁。第四十八頁，共58頁。電路的基本規(guī)律1、歐姆定律在同一電路中，通過導(dǎo)體的電流跟導(dǎo)體兩端的電壓成正比，跟導(dǎo)體的電阻阻值成反比，這就是歐姆定律，基本公式是I=U/R。物理學(xué)界將電阻的單位命名為歐姆，以符號“Ω”表示。第四十九頁，共58頁。第四十九頁，共58頁。2、基爾霍夫定律基爾霍夫定律是電路理論中最基本也是最重要的定律之一。它概括了電路中電流和電壓分別遵循的基本規(guī)律。它包括基爾霍夫電流定律（KCL）和基爾霍夫電壓定律（KVL）。(1)支路：a.每個元件就是一條支路。b.串聯(lián)的元件我們視它為一條支路。c.流入等于流出的電流的支路。(2)節(jié)點：a.支路與支路的連接點。b.兩條以上的支路的連接點。c.廣義節(jié)點（任意閉合面）。(3)回路：a.閉合的支路。b.閉合節(jié)點的集合。(4)網(wǎng)孔：a.其內(nèi)部不包含任何支路的回路。b.網(wǎng)孔一定是回路，但回路不一定是網(wǎng)孔。第五十頁，共58頁。第五十頁，共58頁。基爾霍夫電流定律（KCL）:該定律又稱節(jié)點電流定律，其內(nèi)容是電路中任一個節(jié)點上，在任一時刻，流入節(jié)點的電流之和等于流出節(jié)點的電流之和。(物理基礎(chǔ):電荷守恒，電流連續(xù)性。)i1－i2＋i3－i4=0第五十一頁，共58頁。第五十一頁，共58頁?；鶢柣舴螂妷憾桑↘VL）:在任何一個閉合回路中，各段電阻上的電壓降的代數(shù)和等于電動勢的代數(shù)和，即∑IR=∑E；從一點出發(fā)繞回路一周回到該點時，各段電壓的代數(shù)和恒等于零，即∑U=0。–U1－US1+U2＋U3+U4＋US2＝0第五十二頁，共58頁。第五十二頁，共58頁。3、疊加定理在線性電路中，任一支路的電流（