中级电子设计-放大器

1、集成运算放大器集成运算放大器（简称运放）是一种高电压放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路。它工作在放大区时，输入和输出呈线性关系，所以它又被称为线性集成电路。集成运放的组成由四部分组成：偏置电路：由恒流源电路构成，确定运放各级的静态工作点；输入级：由差放构成，可减小零点漂移和抑制干扰；中间级：共射放大电路，用于电压放大；输出级：互补对称电路，降低输出电阻，提高带载能力。第一页，共58页。第一页，共58页。2、集成运放的性能指标开环差模电压放大倍数Aod：它是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压的放大倍数。最大输出电压Uop-p：它是指一定电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰--峰值。差模输入电阻rid：它的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小。要求它愈大愈好。输出电阻ro：它的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。共模抑制比CMRR：它放映了集成运放对共模输入信号的抑制能力，其定义同差动放大电路。CMRR越大越好。第二页，共58页。第二页，共58页。根据分析时理想运放的条件，得出两个重要结论：

虚短路：V+=V-；虚开路：Ii=0注意在实际运算放大器的分析计算中，也采用这两个条件分析。第三页，共58页。第三页，共58页。3、反相输入放大器反相比例运算放大器电路输出电压与输入电压间的关系：VO=-（RF/F1）*Vi闭环放大倍数：AF=AV*F=VO/Vi=-RF/R1RF=R1时，放大器仅起反相作用，又称反相器。运放正端有接入平衡电阻Rp，其目的是为了保持反相比例运算放大器电路的结构对称，因此运放的两个输入电路的电阻必须相等。平衡电阻(使输入端对地的静态电阻相等):RP=R1//RF。第四页，共58页。第四页，共58页。反向输入放大器模型理想运放：虚短路：V+=V-；虚开路：Ii=0第五页，共58页。第五页，共58页。4、同相输入放大器同相比例运算放大器电路，在理想条件下，Vo与Vi的关系是：Vo=（1+Rf/R1）*Vi输入信号Vi经平衡电阻Rp送到运放的同相输入端，反馈通过Rf送回到反相输入端以实现负反馈，若把差模输入电压看成是净输入电压，则反馈电压Vf加在R1两端。同相输入放大器实质上是一个电压取样电压求和的深负反馈电路。第六页，共58页。第六页，共58页。5、跟随器第七页，共58页。第七页，共58页。6、差动放大器差动放大电路又叫差分电路，能有效地放大交流信号，而且能有效地减小由于电源波动和晶体管随温度变化多引起的零点漂移。常被用作多级放大器的前置级。第八页，共58页。第八页，共58页。7、减法电路（该电路也称为差分电路）从结构上看，它是反相输入和同相输入相结合的放大电路。根据虚短、虚断和N、P点的KCL得：第九页，共58页。第九页，共58页。第十页，共58页。第十页，共58页。8、仪用放大器（高共模抑制比、高输入电阻测量放大器）由三运放组成性能优越的测量放大器，A1和A2组成双端输入/双端输出差动放大，由于信号从二个同相端输入，使输入阻抗高达10M以上。第二级又采用差动输入，在运放参数和R3、R4严格对称时，电路具有很高的共模抑制能力和低温漂。第十一页，共58页。第十一页，共58页。9、求和电路（加法电路）第十二页，共58页。第十二页，共58页。10、积分电路第十三页，共58页。第十三页，共58页。11、微分电路第十四页，共58页。第十四页，共58页。12、比较器比较器是将两个相差不是很小的电压进行比较的系统。最简单的比较器就是运算放大器。运算放大器在有深度负反馈的条件下，会在线性区工作，有着增益很大的放大特性，在计算时往往认为它放大的倍数是无穷大。而在没有反馈的条件下，运算放大器在线性区的输入动态范围很小，即两个输入电压有一定差距就会使运算放大器达到饱和。如果同相端电压较大，则输出最大电压，一般是+12V；如果反相端电压较大，则输出最小电压，一般是-12V。这样，就实现了电压比较功能注意：在真正的电压比较器还会增加一些外围辅助电路，以加强性能。第十五页，共58页。第十五页，共58页。Ui从同相端输入Ui从反相端输入过零比较器正弦波变方波第十六页，共58页。第十六页，共58页。13、滤波器用来消除干扰杂讯的器件,将输入或输出经过过滤而得到纯净的交流电。滤波器的种类很多，分类方法也不同。

（1）按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。

（2）按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。

第十七页，共58页。第十七页，共58页。有源低通滤波器：f0=1/2πRC有源高通滤波器：f0=1/2πRC有源带通滤波器组合滤波器第十八页，共58页。第十八页，共58页。（3）按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。

无源滤波器：仅由无源元件(R、L和C)组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。

有源滤波器：由无源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成运算放大器）组成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件）；缺点是：通带范围受有源器件(如集成运算放大器）的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。第十九页，共58页。第十九页，共58页。14、波形发生（振荡器）能够产生振荡电流的电路叫做振荡电路。一般由电阻、电感、电容等元件和电子器件所组成。由电感线圈l和电容器c相连而成的LC电路是最简单的一种振荡电路，其固有频率为f=1/2πLC。振荡电路也叫波形发生器，是没有信号输入，而有信号输出的信号产生器，一般由放大电路和振荡选频电路组成。放大电路有三极管和运算放大电路振荡、选频电路一般由电阻、电容（即RC振荡选频电路），或者由电感组成的电路（即LC振荡选频电路）决定产生信号的频率大小。第二十页，共58页。第二十页，共58页。方波产生过程第二十一页，共58页。第二十一页，共58页。作业第二十二页，共58页。第二十二页，共58页。练习第二十三页，共58页。第二十三页，共58页。数字集成电路数字集成电路是将元器件和连线集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统。根据数字集成电路中包含的门电路或元、器件数量，可将数字集成电路分为小规模集成（SSI）电路、中规模集成MSI电路、大规模集成（LSI）电路、超大规模集成VLSI电路和特大规模集成（ULSI）电路。小规模集成电路包含的门电路在10个以内，或元器件数不超过100个；中规模集成电路包含的门电路在10~100个之间，或元器件数在100~1000个之间；大规模集成电路包含的门电路在100个以上，或元器件数在1000~10000个之间；超大规模集成电路包含的门电路在１万个以上；特大规模集成电路的门电路在10万个以上。第二十四页，共58页。第二十四页，共58页。数字集成电路按电路结构分：TTL和MOS两大系列。TTL数字集成电路是利用电子和空穴两种载流子导电的，所以又叫做双极性电路。MOS数字集成电路是只用一种载流子导电的电路，其中用电子导电的称为NMOS电路；用空穴导电的称为PMOS电路；如果是用NMOS及PMOS复合起来组成的电路，则称为CMOS电路。第二十五页，共58页。第二十五页，共58页。1、TTL电路（1）电源电压范围

TTL电路的工作电源电压范围很窄。S，LS，F系列为5V±5%；AS，ALS系列为5V±10%。（2）频率特性

TTL电路的工作频率比4000系列的高。标准TTL电路的工作频率小于35MHz；LS系列TTL电路的工作频率小于40MHz；ALS系列电路的工作频率小于70MHz；S系列电路的工作频率小于125MHz；AS系列电路的工作频率小于200MHz。（3）TTL电路的电压输出特性当工作电压为十5V时，输出高电平大于2.4V，输人高电平大于2.0V；输出低电平小于0.4V，输人低电平小于0.8V。第二十六页，共58页。第二十六页，共58页。（4）最小输出驱动电流标准TTL电路为16mA；LS－TTL电路为8mA；S－TTL电路为20mA；ALS－TfL电路为8mA；AS－TTL电路为20mA。大电流输出的TTL电路：标准TTL电路为48mA；LS－TTL电路为24mA；S－TTL电路为64mA；ALS－TTL电路为24/48mA；AS－TTL电路为48/64mA。对于同一功能编号的各系列TTL集成电路，它们的引脚排列与逻辑功能完全相同。比如，7404，74LS04，74A504，74F04，74ALS04等各集成电路的引脚图与逻辑功能完全一致，但它们在电路的速度和功耗方面存在着明显的差别。

数字集成电路引脚分布（7400为例）第二十七页，共58页。第二十七页，共58页。2、CMOS电路（1）电源电压范围：集成电路的工作电源电压范围为3~18V，74HC系列为2~6V。（2）功耗：当电源电压VDD=5V时，CMOS电路的静态功耗分别是：门电路类为2.5~5μW；缓冲器和触发器类为5~20μW；中规模集成电路类为25~100μW，（3）输人阻抗：CMOS电路的输入阻抗只取决于输人端保护二极管的漏电流，因此输人阻抗极高，可达108~1011Ω以上。所以，CMOS电路几乎不消耗驱动电路的功率。（4）抗干扰能力:电源电压允许范围大，因此它们输出高低电平摆幅也大，抗干扰能力就强，其噪声容限最大值为45%VDD保证值可达30%VDD，电源电压越高，噪声容限值越大。（5）逻辑摆幅:CMOS电路输出的逻辑高电平“1”非常接近电源电压VDD;逻辑低电平“0”接近电源Vss，空载时，输出高电平VOH=VCC-0.05V，输出低电平VOL=0.05V。第二十八页，共58页。第二十八页，共58页。高电平（逻辑1——理论5/3.3V）低电平（逻辑0——理论0V）高阻态（三态——断开）第二十九页，共58页。第二十九页，共58页。标准TTL电平发送端高电平：>2.4V低电平：<0.4V接收端高电平：>2.0V低电平：<0.8V特点噪声容限小负载能力弱第三十页，共58页。第三十页，共58页。标准CMOS电平发送端高电平：>0.9Vdd低电平：<0.1Vdd接收端高电平：>0.7Vdd低电平：<0.3Vdd特点噪声容限大负载能力强第三十一页，共58页。第三十一页，共58页。集成电路命名1、国标集成电路的型号命名方法

（1）国标（GB3431—82）集成电路的型号命名由五部分组成，各部分的含义如下：

第一部分用字母“C”表示该集成电路为中国制造，符合国家标准。

第二部分用字母表示集成电路类型。

第三部分用数字表示集成电路系列和代号。

第四部分用字母表示电路温度范围。

第五部分用字母表示电路的封装形式。第三十二页，共58页。第三十二页，共58页。第三十三页，共58页。第三十三页，共58页。（2）国标（GB3430—89）集成电路型号命名由五部分组成，各部分的含义如下：

第一部分用字母“C”表示该集成电路为中国制造，符合国家标准。

第二部分用字母表示集成电路的类型。

第三部分用数字或数字与字母混合表示集成电路的系列和品种代号。

第四部分用字母表示电路的工作温度范围。

第五部分用字母表示集成电路的封装形式。第三十四页，共58页。第三十四页，共58页。第三十五页，共58页。第三十五页，共58页。TTL和COMS芯片（74LS00和74HC00）第三十六页，共58页。第三十六页，共58页。3.4传感器传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。光敏传感器——视觉声敏传感器——听觉气敏传感器——嗅觉化学传感器——味觉压敏、温敏、流体传感器——触觉敏感元件的分类：物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。化学类，基于化学反应的原理。生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。第三十七页，共58页。第三十七页，共58页。通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。光敏电阻热敏电阻压力传感器第三十八页，共58页。第三十八页，共58页。加速度传感器温湿度传感器热释电红外传感器烟雾传感器温度传感器超声波传感器金属检测传感器压力水位传感器霍尔传感器摄像头陀螺仪芯片第三十九页，共58页。第三十九页，共58页。习题1.三极管

三极管结构

三极管工作条件

共发射极直流放大倍数

三极管工作状态

三极管三种电路接法

第四十页，共58页。第四十页，共58页。2.集成电路

反相输入放大器接法，输入输出电压关系---反相器

同相输入放大器接法，输入输出电压关系---跟随器

减法电路，加法电路

比较器

第四十一页，共58页。第四十一页，共58页。

电阻色环识别：棕绿红金第一位：１第二位：５第三位：×１０２第四位：误差为±５％即电阻值为１５×１００＝１５００欧

五环电阻识别：黄紫红橙棕

前三位数是４７２第四位表示×１０３第五位误差为±１％即电阻值为４７２×１０００＝４７２千欧标称电感量及偏差为22uH±5%

红红黑金标称电感量及偏差为1.0uH±10%

棕黑金银第四十二页，共58页。第四十二页，共58页。第四章电子线路4.1欧姆定律拓展使用1、电流导体中的自由电子在电场力的作用下做有规则的定向运动就形成了电流。电流（current）是表示电流强弱的物理量，通常用字母I表示，单位安培，符号A。电流的大小称为电流强度（简称电流），指单位时间内通过导线某一截面的电荷量，每秒通过1库仑的电量称为1「安培」（A）。安培是国际单位制中所有电性的基本单位。常用的单位有千安（kA）毫安（mA）、微安(μA)。1A=1000mA=1000000μA电学上规定：正电荷定向流动的方向为电流方向。电流形成条件：（1）存在自由电荷；（2）存在电压；（3）有闭合回路。第四十三页，共58页。第四十三页，共58页。2、电压电压（voltage），也称作电势差或电位差，是衡量单位电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差的物理量。其大小等于单位正电荷因受电场力作用从A点移动到B点所作的功，电压的方向规定为从高电位指向低电位的方向。电压的国际单位制为伏特(V)，常用的单位还有毫伏(mV)、微伏(μV)、千伏(kV)等。1V=1000mV=1000000μV第四十四页，共58页。第四十四页，共58页。3、电路

(1)电路组成由金属导线和电气以及电子部件组成的导电回路，称其为电路。电路组成：主要由电源、中间环节、负载构成。如下图家庭电路组成所示。

a.电源(source)：提供能量或信号（电池、发电机、信号发生器）；

b.负载(load)：将电能转化为其它形式的能量，或对信号进行处理（电阻、电容、晶体管）；

c.中间环节（intermediate）：一般由导线、开关等构成，将电源与负载接成通路（传输线）；第四十五页，共58页。第四十五页，共58页。家庭电路组成第四十六页，共58页。第四十六页，共58页。(2)电路模型由理想元件及其组合代表实际电路元件，与实际电路具有基本相同的电磁性质，称其为电路模型。电路模型是由理想电路元件构成的。电路模型是实际电路抽象而成，它近似地反映实际电路的电气特性。电路模型构建第四十七页，共58页。第四十七页，共58页。(3)电路综合通过对电路模型的分析计算来预测实际电路的特性，从而改进实际电路的电气特性和设计出新的电路。第四十八页，共58页。第四十八页，共58页。电路的基本规律1、欧姆定律在同一电路中，通过导体的电流跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻阻值成反比，这就是欧姆定律，基本公式是I=U/R。物理学界将电阻的单位命名为欧姆，以符号“Ω”表示。第四十九页，共58页。第四十九页，共58页。2、基尔霍夫定律基尔霍夫定律是电路理论中最基本也是最重要的定律之一。它概括了电路中电流和电压分别遵循的基本规律。它包括基尔霍夫电流定律（KCL）和基尔霍夫电压定律（KVL）。(1)支路：a.每个元件就是一条支路。b.串联的元件我们视它为一条支路。c.流入等于流出的电流的支路。(2)节点：a.支路与支路的连接点。b.两条以上的支路的连接点。c.广义节点（任意闭合面）。(3)回路：a.闭合的支路。b.闭合节点的集合。(4)网孔：a.其内部不包含任何支路的回路。b.网孔一定是回路，但回路不一定是网孔。第五十页，共58页。第五十页，共58页。基尔霍夫电流定律（KCL）:该定律又称节点电流定律，其内容是电路中任一个节点上，在任一时刻，流入节点的电流之和等于流出节点的电流之和。(物理基础:电荷守恒，电流连续性。)i1－i2＋i3－i4=0第五十一页，共58页。第五十一页，共58页。基尔霍夫电压定律（KVL）:在任何一个闭合回路中，各段电阻上的电压降的代数和等于电动势的代数和，即∑IR=∑E；从一点出发绕回路一周回到该点时，各段电压的代数和恒等于零，即∑U=0。–U1－US1+U2＋U3+U4＋US2＝0第五十二页，共58页。第五十二页，共58页。3、叠加定理在线性电路中，任一支路的电流（