11.2 基本电路和基本分析方法

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#嵌入式硬件 #硬件工程

第11章模拟电子电路读图专栏收录该内容

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博客围绕嵌入式硬件展开，介绍基本电路及多种基本分析方法，如小信号等效电路法、频率响应求解法、反馈判断法等，还涉及集成运放应用电路识别、运算关系求解、电压比较器特性分析等内容，为嵌入式硬件电路分析提供指导。

一、基本电路

电路类型	电路名称	特点和典型功能	指标参数或功能描述方法

基本放大电路
	共射放大	$∣A˙∣\|\dot A\|$ 大；适用于小信号电压放大	$A˙u\dot A_u$ 、 $R_i$ 、 $R_o$ 、 $f_L$ 、 $f_H$ 、 $f_{bw}$
	共集放大	$R_i$ 大、 $R_o$ 小；适于作输入级、输出级，缓冲级
	共基放大	$f_H$ 高；适于作宽频带放大电路
	共源放大	$∣A˙∣\|\dot A\|$ 较大， $R_i$ 很大；适于小信号电压放大
	共漏放大	$R_i$ 很大、 $R_o$ 较小；适于作输入级、输出级
	差分放大	有两个输入端、四种接法、温漂小；作集成运放输入级	$A_d$ 、 $A_c$ 、 $K_{CMR}$ 、 $R_i$ 、 $R_o$
	互补输出	$R_o$ 小，双向跟随；做集成运放输出级、功率放大	$A˙u\dot A_u$ 、 $R_o$ 、 $U_{om}$
电流源电路	镜像	具有良好的恒流特性；集成运放的偏置电路、有源负载	输出电流表达式
	微
	多路
集成运放	FM007 LM324	$A_{od}$ 和 $K_{CMR}$ 高、 $r_{id}$ 大，能放大变化缓慢的信号，LM324 可单电压供电；可用于放大、运算、波形发生、波形变换	$A_{od}$ 、 $K_{CMR}$ 、 $r_{id}$ 、 $U_{OS}$ 和 $T\textrm d\,U_{OS}/\textrm d\,T$ 、 $I_{OS}$ 和 $T\textrm d\,I_{OS}/\textrm d\, T$ 、 $f_H$ 、 $SR$
由集成运放组成的运算电路	反向比例	$R_i$ 、 $R_o$ 、共模信号均小；可用于电压放大、电流 - 电压转换	比例系数、 $R_i$
	同相比例	$R_i$ 大、 $R_o$ 小、共模信号大；可用于电压放大，电压跟随器可用于电压跟随和隔离	比例系数、 $R_i$
	加减	实现多个信号的线性叠加；可用于求和、求差、差分放大电路	用运算关系式表达输出电压和输入电压之间的函数关系
	积分	实现对输入电压的积分；正弦波移相 90°、波形变换
	微分	实现对输入电压的微分；反映输入信号的变化速率
	模拟乘法器	实现乘法运算；用于乘法器、除法器、乘方和开放运算、功率测量
	对数	实现输入电压的对数和反对数运算；可用于将乘除运算变为加减运算、将信号范围扩大或缩小
	指数	实现输入电压的对数和反对数运算；可用于将乘除运算变为加减运算、将信号范围扩大或缩小
有源滤波电路	低通	通过低频信号，抑制高频信号；减少直流信号的脉动，提高低频信号的信噪比	$A_{u}(s)$ 、 $A_{up}$ 、 $f_0$ 、 $f_p$ 幅频特性
	高通	通过高频信号，抑制低频信号；减少放大电路的漂移成分，提高高频信号的信噪比
	带通	通过一定频率范围的信号，抑制其它频率的信号；从混入干扰、噪声和多频信号中选出有用信号
	带阻	抑制一定频率范围的信号，通过其它频率的信号；抑制干扰、噪声和无用信号的通过
正弦波振荡电路	$RC$ 桥式	输出波形好，振荡频率可调范围宽；用于产生几 1 Hz ~ 1 MHz 的正弦波	$f0=12πRCf_0=\displaystyle\frac{1}{2πRC}$
	变压器反馈式	放大电路和反馈网络耦合不紧密；用于产生几 kHz ~ 几十 MHz 的正弦波	$f0≈12πLCf_0\approx\displaystyle\frac{1}{2π\sqrt {LC}}$ ( $L$ 和 $C$ 分别为选频网络中等效电感和电容)
	电感反馈式	放大电路和反馈网络耦合紧密，易振，输出波形含高次谐波；用于产生几 kHz ~ 几十 MHz 的正弦波，改变选频网络的电容容量可得较宽的振荡频率范围
	电容反馈式	输出波形好；用于产生几 kHz ~ 几十 MHz 固定频率的正弦波
	石英晶体	振荡频率非常稳定；用于产生一百 kHz ~ 几百 MHz 的固定频率正弦波	$f_0$ 等于石英晶体的固有频率
电压比较器	单限	只有一个阈值电压；作为基本开关电路	$U_{OH}$ 、 $U_{OL}$ 、 $U_T$ 电压传输特性
	滞回	输入电压正负方向变化的阈值电压不同，具有抗干扰能力；用于作抗干扰开关电路、作为非正弦波振荡电路的基本组成部分之一
	窗口	输入电压单一方向变化时有两个阈值电压；判断信号电压幅值是否在两个阈值之间或之外
非正弦波发生电路	矩形波	由 $RC$ 回路和滞回比较器组成；产生脉冲信号	$U_{OH}$ 、 $U_{OL}$ 、 $T (f)$ 波形分析
	三角波	由积分运算电路和滞回比较器组成，产生三角波 - 方波电压；用于延时和定时，函数发生器的基本组成部分之一
	锯齿波	由积分运算电路和滞回比较器组成，产生锯齿波 - 矩形波电压；用于单方向的延时和定时
波形变换电路	任意波变为矩形波	利用比较器	输入、输出波形
	方波变为三角波	利用积分器
	三角波变为锯齿波	利用可变极性的比例运算电路
	三角波变为正弦波	利用二极管使比例系数改变，实现折线化
信号转换电路	电压/电流	将输入电压转换成输出电流	$iO=f(uI)i_{\scriptscriptstyle O}=f(u_{\scriptscriptstyle I})$
	交流/直流	将输入交流电压整流为直流电压	$uO=f(uI)u_{\scriptscriptstyle O}=f(u_{\scriptscriptstyle I})$
	电压/频率	将输入直流电压转换成频率与之幅值成正比的脉冲（或三角波、矩形波）	$TO=f(uI)T_O=f(u_{\scriptscriptstyle I})$ 或 $f=f(uI)f=f(u_{\scriptscriptstyle I})$
功率放大电路	OTL	单电源供电，需加输出电容，低频特性差	$P_{om}$ 、 $η$
	OCL	双电源供电，低频特性好
	BTL	单电源供电，低频特性好，效率比 OCL 电路低
直流电源	桥式整流电路	将交流电源进行全波整流，整流效率高	$P_{om}$ 、 $η$
	电容滤波电路	减小整流电压的脉动；用于负载电流较小且变化也较小的情况	$U_{O(AV)}$ 、 $I_{O(AV)}$ 、 $S$
	倍压整流电路	输出电压平均值高于变压器副边电压有效值；用于高输出电压小负载电流的情况	$U_{O(AV)}$
	电感滤波电路	减小输出电压的脉动；用于负载电流较大的情况	$U_{O(AV)}$ 、 $I_{O(AV)}$
	稳压管稳压电路	电路简单，输出电压等于稳压管的稳定电压，输出电流变化范围小；作为小负载电流且输出电压固定的稳压电源	$U_O$ 、 $I_O$
	串联型稳压电路	调整管工作在放大状态，输出电压稳定且可调、输出电流范围大；作为通用型的稳压电源
	W78xx	输出电压稳定、内含多种保护电路；作为输出电压为固定值的稳压电源
	W117	输出电压稳定、内含多种保护电路；作为输出电压可调的稳压电源的基准电压源
	开关型稳压电路	调整管工作在开关状态，转换效率高，可不用电源变压器；作为输出电压调节范围很小的稳压电源

二、基本分析方法

1、小信号情况下的等效电路法

用半导体在低频小信号作用下的等效电路取代放大电路交流通路中的管子，便可得到放大电路的交流等效电路，由此可估算放大倍数、输出电阻、输出电阻。

2、频率响应的求解方法

首先画出适于信号频率 $0∼∞0\sim\infty$ 的等效电路，求出电路的上、下限频率，然后写出电压放大倍数的表达式，最后画出波特图，通常可画折线化波特图。
在放大电路中，某个电容所确定的截止频率决定于其所在回路的时间常数 $τ\tau$ ，而求解 $τ\tau$ 的关键是正确求出它所在回路的等效电阻，截止频率等于 $12πτ\displaystyle\frac{1}{2π\tau}$ 。

3、反馈的判断方法

电子电路中总是引入这样或那样的反馈，以适应不同场合下的应用。例如，在实用放大电路中引入不同组态的交流负反馈以改善其各性能，在电压比较器中引入正反馈以获得滞回特性，等等。正确判断电路中所引入的反馈是读懂电路的基础。
反馈的判断方法包括有无反馈、直流反馈和交流反馈、反馈极性（利用瞬时极性法）的判断，以及交流负反馈反馈组态（电压串联、电压并联、电流串联、电流并联）的判断。

4、集成运放应用电路的识别方法

根据集成运放应用电路中引入反馈的性质，可以判断电路的基本功能。集成运放若引入负反馈，则构成运算电路或有源滤波电路；利用同相比例运算电路和 $RC$ 串并联网络又可构成正弦波振荡电路。若集成运放处于开环或仅引入正反馈，则构成电压比较器；利用电压比较器和积分运算电路又可构成波形发生电路。因而在识别集成运放应用电路时，可根据下面的基本思路：

在这里插入图片描述

5、运算电路运算关系的求解方法

在运算电路中都引入了深度负反馈，可以认为集成运放的净输入电压为零（即虚短），净输入电流也为零（虚断）。以 “虚短” 和 “虚断” 为基础，利用节点电流法和叠加原理（适于多个输入信号的情况）即可求出输出与输入的运算关系式。

6、电压比较器电压传输特性的分析方法

根据电压比较器的限幅电路求出输出高电平和低电平，令集成运放同相输入端和反相输入端电位相等求出（输入电压）阈值电压，根据输入电压作用于集成运放的同相输入端和反相输入端来确定输出电压在输入电压过阈值电压时的跃变方向，即得到电压比较器的电压传输特性。

7、波形发生电路的判断方法

对于正弦波振荡，首先应观察电路是否存在正弦波振荡电路的基本组成部分，放大电路能否正常工作，进而利用瞬时极性法判断电路是否符合正弦波振荡电路的相位条件，然后看其是否有可能满足正弦波振荡的幅值条件。同时满足两个条件，电路才能产生振荡。
对于非正弦波振荡，首先观察电路是有电压比较器和延时电路（ $RC$ 电路或积分电路），然后假设比较器输出为某一状态（低电平或高电平），分析电路是否能稳定，若比较器的两个输出状态可以自动地相互转换，则说明电路能够产生非正弦波振荡，否则不振。