第四章医用电子学

1、 第四章第四章 医用电子学医用电子学 林林 敏敏 QQ:一节第一节 基本元器件基本元器件 电阻电阻限制回路中的电流限制回路中的电流 电容电容储存电能储存电能 电感电感 晶体管晶体管 场效应管场效应管 运算放大器运算放大器3一、一、 电阻电阻 主要参数标称阻值及其误差额定功率应略大于实际负荷功率电阻R1、 R2串联，其串联等效电阻21RRR电阻R1、 R2并联，其并联等效电阻2121RRRRR电阻两端电压和流过电阻的电流同相位。4二、二、 电容电容容抗容抗：电容在电路中表现出的阻力性质；与信号频率有关，频率越高，容抗越小。cfXC21电容串联，总容量减小；电容并联，总容

2、量增加。理想电容不消耗功率。通过电容电流的相位超前电容两端电压90。5三、三、 电感电感感抗感抗：电感在电路中表现出的阻力性质；与信号频率有关，频率越高，感抗越大。LfXL2常见具有电感性质的元件：线圈、变压器、电磁铁。6四、晶体管四、晶体管（一）半导体的导电特性本征半导体晶体结构、纯净；导电能力弱。型半导体：空穴是多数载流子。杂质半导体型半导体：自由电子是多数载流子。7四、晶体管四、晶体管（二）结型半导体与型结合，在交界面，区中的空穴和区中的自由电子复合，形成既无空穴也无自由电子的耗尽层（空间电荷区）。当多数载流子的扩散运动与少数载流子的漂移运动达到动态平衡时，即形成了结。观看动画“结的形成

3、”。8四、晶体管四、晶体管（二）结在结两端外加正偏电压，结导通；在结两端外加反偏电压，结截止。结具有单向导电性。结具有单向导电性。观看动画“结的单向导电性”。9四、晶体管四、晶体管（三）二极管由结构成。（四）稳压管特殊二极管。正向特性正向特性Uth死区死区电压电压反向特性反向特性ISU (BR)反向击穿反向击穿OuD /ViD /mA导通电压硅：0.7;锗：0.2。10NNP发射极发射极 E基极基极 B集电极集电极 C发射结发射结集电结集电结 基区基区 发射区发射区 集电区集电区emitterbasecollectorNPN 型型PPNEBCPNP 型型ECBECB四、晶体管四、晶体管11三极

4、管通过小的基极电流控制并得到大的集电极电流，即三极管具有电流放大作用。BCIIBCII CI一般是mA级，而 一般是 A级。 BI 反映了三极管的放大能力。BCEIII四、晶体管四、晶体管12iC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 43211. 截止区： IB 0 ，IC 0条件：两个结反偏2. 放大区：BCII3. 饱和区：条件：两个结正偏特点：IC IB放大区放大区截止区截止区饱饱和和区区条件：发射结正偏 集电结反偏特点：水平、等间隔四、晶体管四、晶体管13六、运算放大器六、运算放大器+VCCVEEuuouu+ 同相端输入电压u-

5、反相端输入电压1) ) u+ u( (虚短虚短) )2) ) i+ i 0 ( (虚断虚断) )理想运放的线性特性：运放的电压放大倍数：UUUAou14第二节共发射极放大电路第二节共发射极放大电路的基本分析、计算方法的基本分析、计算方法一、单管电路直流工作点、电压放大倍数的计算+VCCRcC1C2RL+Rb+ui + uo 共发射极单管放大电路直流通路+VCC-RCRB+ UBEQ +UCEQ IBQICQIEQ15+VCC-RCRB+ UBEQ +UCEQ IBQICQIEQ（一）直流工作点（静态工作点）的计算BQCQCCQCCCEQBBEQCCBQBEQIIRIVURUVIVU)(7 .

6、0直流通路16（二）电压放大倍数的计算RCR+ui +uo RLibicrberbe:基极与发射极之间的电阻；)()(26)1(300)(mAImVrEQbe beLcbebLcciourRRriRRiUUA)/()/( 17uCE/ViC/mA41O23iB=10 A20304050505Q直流负载线直流负载线UCEQ交流负载线交流负载线二、图解分析法二、图解分析法+VCC-RCRB+ UBEQ +UCEQ IBQICQIEQRCR+ui +uo RLibicrbe取两点(VCC , 0, 0, )作直流负载线；以 为斜率，过Q点作 交流负载线。CCCRVL1R 18第三节第三节 常用放大器

7、的分析计算方法常用放大器的分析计算方法 一、微变等效电路法一、微变等效电路法三极管电路三极管电路可当成双口可当成双口网络来分析网络来分析从输入端口看进去，相当于电阻从输入端口看进去，相当于电阻 r rbebe从输出端口看进去为一个从输出端口看进去为一个受受 i ib b 控制的电流源控制的电流源 ic = ib+uce+ube ibicCBErbe Eibic ib+ube +uce BC)()(26)1(300)(mAImVrEQbe 19一、微变等效电路法一、微变等效电路法+VCCRcC1C2RL+Rb+ui + uo 单管共发射极放大电路的微变等效电路+uo RbRLrbe Eibic

8、ibBCRc+ui 20二、多级放大电路的分析和计算二、多级放大电路的分析和计算Au1第一级第一级Au2第二级第二级Au1末末 级级uiuo1RLRSuousuo2ui2uinii输入级输入级中间级中间级输出级输出级RiRoiouuAu nuuuuuuuuioi3o32i2oi1o. = Au1Au2 Aun总输入电阻是第一级放大电路的输入电阻；总输出电阻是最后一级放大电路的输出电阻。总电压放大倍数：21三、波特图三、波特图是对数频率特性曲线。幅频特性：横坐标为频率（Hz）、纵坐标为电压放大倍数的对数 （dB);相频特性：横坐标为频率（Hz）、纵坐标是相角 。uAlg20 22四、差动放大电路

9、的原理四、差动放大电路的原理 及主要性能指标及主要性能指标V1VCCV2VEERCRCREEui1ui2uo共模信号：共模信号：两个输入端信号幅值和相位都相同；差模信号：差模信号：两个输入端信号幅值相等、相位相反；差动放大电路具有抑制共模干扰信号、放大差模信号的能力。用共模抑制比共模抑制比来表征此种能力。cduuAACMRR 23第四节第四节 放大电路中的反馈放大电路中的反馈1. 反馈 将电路的输出量(电压或电流)的部分或全 部，通过一定的元件，以一定的方式回送到输入回 路并影响输入量(电压或电流)和输出量的过程。2. 信号的两种流向正向传输：输入 输出反向传输：输出 输入 开环 闭环输入 输

10、出 放大电路 反馈网络24Aidxoxix+比较比较环节环节基本放大电路基本放大电路fxF反馈网络反馈网络一、负反馈和正反馈的概念一、负反馈和正反馈的概念正反馈 反馈使净输入电量增加，从而使输出量增大。负反馈 反馈使净输入电量减小，从而使输出量减小。 xi 输入信号输入信号( (ii 或或 ui ) ) xi 输入信号输入信号( (ii 或或 ui ) ) xid 净输入信号净输入信号( (iid 或或 uid) ) xo 输出信号输出信号( (io 或或 uo ) ) xf 反馈信号反馈信号( (if 或或 uf ) )25二、四种负反馈组态和特性二、四种负反馈组态和特性u 判断串联反馈/并

11、联反馈看放大电路的输入端，若反馈信号与放大电路的信号输入端直接相连，则为并联反馈；反之，为串联反馈。u 判断电压反馈/电流反馈看放大电路的输出端，若反馈信号与放大电路的输出端直接相连，则为电压反馈；反之，为电流反馈。26uo 经 Rf 与 R1 分压反馈到输入回路，故有反馈。反馈使净输入电压 uid 减小，为负反馈。Rf 直接与输出端相连，故为电压反馈。Rf 没有与信号输入端直接相连，故为串联反馈。电压串联电压串联负负反馈反馈 27Rf 为输入回路和输出回路的公共电阻，故有反馈。反馈使净输入电压 uid 减小，为负反馈。反馈信号并未直接与输出端相连，故为电流反馈。反馈信号并未与信号输入端相连，

12、故为串联反馈。电流串联负反馈电流串联负反馈 28Rf 为输入回路和输出回路的公共电阻，故有反馈。反馈使净输入电流 iid 减小，为负反馈。反馈信号直接与输出端相连，故为电压反馈。反馈信号直接与输入端相连，故为并联反馈。电压并联电压并联负负反馈反馈 29Rf 介于输入回路和输出回路，故有反馈。反馈使净输入电流 iid 减小，为负反馈。反馈信号并未直接与输出端相连，故为电流反馈。反馈信号直接与输入端相连 ，故为并联反馈。电流并联电流并联负负反馈反馈 30三、深度负反馈的计算三、深度负反馈的计算1. 深度负反馈的特点：深度负反馈的特点：0id fi xxx时时当当 11 AF为深度负反馈放大电路。此

13、时FAFAAFAAf11 ofiofxxFxxA ,反馈信号近似等于输入信号，反馈信号近似等于输入信号，净输入信号近似为零。净输入信号近似为零。AidxoxixfxF31三、深度负反馈的计算三、深度负反馈的计算对深度负反馈放大电路可得重要结论：基本放大电路的两输入端满足“虚短虚短”、“虚断虚断”。0 ii虚断虚断 0 uu虚短虚短1f1iffiofRRRiRiuuAu 32第五节第五节 运放电路运放电路一、常用运放电路一、常用运放电路0 ii虚断虚断F 1 ii 0 uu虚地虚地fFORiu1f11fFiofRRRiRiuuAuR2 = R1 / R f（一）反相比例运算电路（一）反相比例运算

14、电路平衡电阻平衡电阻Rif输入电阻Rif = R133（二）同相比例运算电路（二）同相比例运算电路 I uuuF 1 ii ，fIO1IRuuRuI1fO)1(uRRu1ff1RRAuAuf = 1电压跟随器电压跟随器当当 R1 = ，Rf = 0 时，时，34（三）差动比例运算电路（三）差动比例运算电路f1fI1f11ORRRuRRRuuf1fI2RRRuu uuo = Rf /R1( uI2 uI1 )112RRuuuAfIIou 取取 R1 = R 1； Rf = R f35（四）积分电路（四）积分电路1I1Rui tuCiddoF=)0(d1oIf1CutuCRu 当当 uI = UI

15、 时，时，f1IoCRtUu 设设 uC(0) = 0 时间常数时间常数 = R1Cf36二、求和电路二、求和电路 （一）（一） 反相输入求和电路反相输入求和电路iF i1 + i22I21I1fORuRuRu)(2I21I1fORuRuRu0 ii 0 uu若若 Rf = R1= R2 则则 uO = (uI1+ uI2)37（二）（二） 加减求和电路加减求和电路1R1FR2Iu 4R3R2Rou1ou1A2A1Iu3Iu2FR1R2R331222111iFiFiFoURRURRURRU 38三、电压比较器三、电压比较器8uIuO过零电压比较器过零电压比较器OuIuOuI 0UOmax UO

16、max39第六节第六节 波形发生电路波形发生电路一、正弦波发生电路放大器放大器反馈网络反馈网络UiAuFuUoUfRL微弱的电扰动中，某一频微弱的电扰动中，某一频率成分通过正反馈逐渐放率成分通过正反馈逐渐放大，则产生正弦振荡。大，则产生正弦振荡。基本结构：放大电路正反馈网络产生振荡的2个必要条件：幅值条件本次输入信号的幅值大于上一次。相位条件反馈信号和输入信号是同相位的。40要得到单一频率的正弦波，还需要有选频网络选频网络。据此，可分类如下：正弦波振荡电路RC 振荡电路；LC 振荡电路；石英晶体振荡电路。一、正弦波发生电路41(一）一） RC振荡电路振荡电路RCoUiURCoUiUf 低f 高

17、428CR1RfRiUoUCRfU(一）一） RC振荡电路振荡电路取;1RR RCf 210则振荡频率电压放大倍数311RRAfu 满足起振的幅度条件。43(二）二） LC振荡电路振荡电路在LC回路中，当对于某一频率的感抗和容抗正好相等时，回路产生谐振，此频率为谐谐振频率振频率。LC振荡电路就是用LC谐振回路作为选频网络，与放大电路组成的适合高频振荡的振荡电路。L LC C+VCCVRERB1RB2C CE EC CB B 变压器反馈式振荡电路：容易起振，谐振频率LCf 210 44(三）石英晶体振荡电路三）石英晶体振荡电路石英晶体具有压电效应。形变形变形变形变机械振动机械振动压电谐振压电谐振

18、外加交变电压的频率等于晶体固有频率时，机械振动幅度急剧加大的现象。45石英晶体的固有频率由外形决定，一旦加工定型后，几乎不受外界环境因素的影响。石英晶体振荡器的输出频率具有高度的稳定性。+VCCVRERB1RB2C CE EC C3 3C C1 1C C2 2RC46二、非正弦波发生电路二、非正弦波发生电路（一）矩形波发生电路 UZ uO uCtUT+UT-UZR1C8R2R3 UZuOR 滞回比较器滞回比较器 振荡周期振荡周期212ZTRRRUU 212ZTRRRUU )21ln(212RRRCT 47（二）三角波发生电路（二）三角波发生电路 1R5R4R3R2Rou1ouC u1A2AZV

19、ooURRRURRRU2121211 1210RUURUUioo 由过零比较器和积分器构成。t1ouZU ZU 2Tou1oU 1oU t 1R5R4R3R2Rou1ouC u1A2AZV起始时， 对电容C充电， 线性降低， 也逐渐降低。 ,1ZoUU oU U,1ZoUU U当 低于零时，过零比较器翻转， 也变为负值。此时，对电容进行反向充电， 线性升高， 也逐渐升高。oU U U,1ZoUU oU当 高于零时，过零比较器又翻转， 也变为正值。此时，又对电容进行充电，使 线性升高。 U U2414RCRRT （三）锯齿波发生电路ou1ou u 1R4RWR3R2RC1A2AZVt1ouZU

20、ZU 2T1Tou1oU 1oU tT调节 可得到不同的锯齿波波形。WR212RCRRTW 50第七节第七节 功率放大电路功率放大电路功率放大电路与电压放大电路的主要区别是：功放不仅要输出足够高的电压，还要输出足够大的电流。一、功率放大电路的特点对功放的主要要求：根据负载要求，提供足够的输出功率；具有较高的效率（静态电流尽可能小）；尽量减小失真。功放的三种状态甲类甲类( ( 2 ) ) tiCO Icm 2 ICQ tiCO Icm 2 ICQ乙类乙类( ( ) ) tiCO Icm ICQ2 甲乙类甲乙类( ( 2 ) )QuCE iCO tiCO QQ乙类工作状态失真大，静态电流为零乙类工

21、作状态失真大，静态电流为零 ，管耗小，效率高，管耗小，效率高。甲乙类工作状态失真大，甲乙类工作状态失真大， 静态电流小静态电流小 ，管耗小，效率较高。，管耗小，效率较高。甲类工作状态失真小，静态电流大，管耗大，效率低。甲类工作状态失真小，静态电流大，管耗大，效率低。52电路特点：静态电流为零，属于乙类放大乙类放大，效率高；三极管从截止转入放大的过渡期会产生交越交越失真失真。输入信号幅度越小，失真越明显。交越失真交越失真53二、二、OTL 功率放大电路功率放大电路RLR1+VCCVT1VD1uoui+CVD2R2RVT22CCV主要优点：单电源供电。最大输出功率：LCComomomRVIUP28

22、122 输出最大功率时效率：%5 .784 VomPP54三、三、OCL 功率放大电路功率放大电路RLR1+VCCVT1VD1uouiVD2R2RVT22CCV-VCC主要特点：正负双电源供电，省略了输出电容C。最大输出功率：LCComomomRVIUP22122 输出最大功率时效率：%5 .784 VomPP55第八节第八节 直流电源直流电源简单直流电源一般由变压器、整流电路、滤波变压器、整流电路、滤波电路电路组成。变压器变压器将电网的交流电压变换成所需大小的交流电压；整流电路整流电路将正负交替的正弦交流电压整流成单方向的脉动直流电压；滤波电路滤波电路由电容、电感等储能元件构成，能将单方向脉

23、动直流电压中的脉动成分滤掉，得到较平滑的直流电压。滤波滤波整流整流稳压稳压变压变压交流交流电源电源负负载载OtuOtuOtuOtuOtu220 V单向单向脉动电压脉动电压合适的合适的交流电压交流电压滤滤 波波稳稳 压压组成组成框图框图一、整流电路一、整流电路（一）单相半波整流电路（一）单相半波整流电路)sin(222tUu tO 2 3 u222U tO 2 3 uO22U 0 2O)(d)sin(221ttUU 245. 0U tO 2 3 iD= iO tO 2 3 uD22U 2RM2UU L2OD45. 0RUII RL220 V+ uu2iD+ uD（二）单相全波整流电路（二）单相全

24、波整流电路220 V+ uRLu2iD1+ uD1+ uD2iD2 uO tO 2 3 22Uu2 tO 2 3 22U tO 2 3 iO29 . 0 UUo 2RM22UU L2O9 . 0RUI 变压器需要两组绕组，二极管承受的最大反向电压较大。V3RLV4V2V1u1u2+uo ioRLV4V3V2V1u2u1（三）单相桥式整流（三）单相桥式整流输入正半周输入正半周输入负半周输入负半周 tO tO tO tO 2 3 2 3 Im 2 2 3 3 uOu2uDiD= iO22U22UU2+uo 参数估算参数估算1) ) 整流输出电压平均值整流输出电压平均值)(d)sin(21 0 Ot

25、tUU 229 . 022UU 2) ) 二极管平均电流二极管平均电流LOOD221RUII L245. 0RU 3) ) 二极管最大反向压二极管最大反向压2RM2UU to to to to 2 3 2 3 Im 2 2 3 3 uOu2uDiD = iO22U22UU261（四）倍压整流电路（四）倍压整流电路 220 VRLu2iD11C2C iD2倍压整流电路不仅可将交流电整流成直流电，而且能得到高出变压器次级电压若干倍的直流电压（倍压）。二、滤波电路二、滤波电路io + uo= uc RLV1V4V3V2+u V 导通时给导通时给 C 充电，充电，V 截止时截止时 C 向向 RL 放电

26、放电；滤波后滤波后 uo 的波形变得平缓，平均值提高。的波形变得平缓，平均值提高。电容电容充电充电电容电容放电放电C（一）电容滤波电（一）电容滤波电路路O tuO 2 22U通常取通常取 UO = 1.2U22)53(LTCR RL = 为获得良好滤波效果，一般取：为获得良好滤波效果，一般取：( (T 为输入交流电压的周期为输入交流电压的周期) )输出电压平均值UO的大小与电容C及负载R有关。当C的容量一定时，R越大，电容放电速度越慢，输出电压就越平滑， UO 就越大。（二）（二）RC-RC-型滤波电路型滤波电路 Iu1C2CRLR ouRC滤波与电容滤波相比，滤波效果更好。65（三）（三）L

27、C-LC-型滤波电路型滤波电路 Iu1C2CLLR ou电感可以储存和释放磁场能，具有稳定电流的作用，所以LC-型滤波电路的各种性能都优于RC-型滤波电路。io +uo RLV1V4V3V2+u L（四）电感滤波电路（四）电感滤波电路当电流变大时电感储存磁场能量，当电流变小时电感释放磁场能量，即电感具有阻止电流变化的特性，可以使脉动电流变得平滑，起到滤波作用。67（五）（五）LCLC滤波电路滤波电路 IuCLR ouL在电感滤波基础上，再加一级电容滤波，构成LC滤波电路。68三、三端集成稳压器件三、三端集成稳压器件CW7800 系列系列( (正电源正电源) ) CW7900 系列系列( (负电

28、源负电源) )5 V/ 6 V/ 9 V/ 12 V/ 15 V/ 18 V/ 24 V输出电流输出电流78L / 79L 输出电流输出电流 100 mA78M / 9M 输出电流输出电流 500 mA78 / 79 输出电流输出电流 1.5 A输出电压输出电压例如：例如：CW7805 输出输出 5 V，最大电流，最大电流 1.5 ACW78M05 输出输出 5 V，最大电流，最大电流 0.5 ACW78L05 输出输出 5 V，最大电流，最大电流 0.1 A封装封装CW78051 2 3UIUOGNDCW79051 2 3UIUOGND符号符号CW7800+213CW790013_2_塑料封

29、装塑料封装金属封装金属封装312三、三端集成稳压器件三、三端集成稳压器件开关调整管脉冲调制比较放大基准电压滤波电路采样电路IUOU四、开关型稳压电路四、开关型稳压电路优点：工作在截至和饱和状态，效率高(80% 90%)体积小、重量轻稳压范围宽对电网要求不高缺点：电路复杂电路复杂对电子设备干扰较大输出电压含较大纹波五、可控硅五、可控硅u可控硅（SCR）又称晶闸管，分单向和双向两种。u单向可控硅像一个受控导通的二极管，当阳极和阴极间加有正电压，由控制极的控制信号触发导通。u可控硅一旦导通，控制极就失去作用，要使可控硅关断必须使导通电流小于一定的数值。u双向可控硅相当于两个单向可控硅反向并联，可以双

30、向导通，并具有公共的控制极。单向SCR双向SCR72第九节第九节 常用门电路和触发器常用门电路和触发器一、常用门电路的逻辑功能一、常用门电路的逻辑功能（一） 与门 决定某一事件的所有条件都具备时，该事件才发生。决定某一事件的所有条件都具备时，该事件才发生。11 1YA B00 000 101 0若有若有 0 出出 0；若全；若全 1 出出 1 逻辑表达式逻辑表达式 Y = A B 或或 Y = AB73（二）或门 决定某一事件的诸条件中，只要有一个决定某一事件的诸条件中，只要有一个或一个以上具备时，该事件就发生。或一个以上具备时，该事件就发生。若有若有 1 出出 1若全若全 0 出出 0 00

31、 011 1YA B10 111 0逻辑表达式逻辑表达式 Y = A + B 74（三）（三） 非门非门决定某一事件的条件满足时，决定某一事件的条件满足时，事件不发生；反之事件发生事件不发生；反之事件发生。AY0110Y = A 非非门门( (NOT gate) ) 又称又称“反相器反相器” 与非与非门门( (NAND) )先与后非先与后非若有若有 0 出出 1若全若全 1 出出 010 001 1YA B10 111 001 1或非门或非门 ( NOR )先或后非先或后非若有若有 1 出出 0若全若全 0 出出 110 0YA B00 101 0异或逻辑异或逻辑 ( (Exclusive O

32、R) )若相异出若相异出 1若相同出若相同出 000 001 1YA B10 111 076二、常用触发器的性能基本特性基本特性 ( (1) )有两个稳定状态有两个稳定状态( (简称稳态简称稳态) )，正好用来表示逻辑正好用来表示逻辑 0 和和 1。( (2) )在输入信号作用下，触发器的两个稳定状态可相互转换在输入信号作用下，触发器的两个稳定状态可相互转换 ( (称为状态的翻转称为状态的翻转) )。输入信号消失后，新状态可长期输入信号消失后，新状态可长期 保持下来，因此具有记忆功能，可存储二进制信息。保持下来，因此具有记忆功能，可存储二进制信息。 一个触发器可存储一个触发器可存储 1 位二进制数码位二进制数码RS触发器触发器JK触发器触发器D触发器触发器QQSDRDSRnnRQSQ1QQJ CP KnnnQKQJQ1DQn1第十节 脉冲产生和整形电路 常用的有施密特触发器和单稳态触发器。常用的有施密特触发器和单稳态触发器。 获取脉冲信获取脉冲信号的方法号的方法 脉冲信号产生与脉冲