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跟着大师一起学习模拟电路

作者:时间:2018-11-09来源:网络收藏

  紫色的圆形是相加器,结合紫色的“+”、“-”符号,表示其输出 Y=(+I)+(-X)=I-X ,在实际电路中用电阻就可以实现;

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201811/394101.htm

  方框F是反馈器件,表示从输出O取出信号,并将其与F相乘,得到 X ,所以 X=0*F ,这里 F<1 (这个部分在实际电路中可以用电阻实现);

  三角形表示的放大器A,主要用三极管构成,满足 O=A*Y ,且A的放大倍数不稳定,很容易受干扰。



  可以列出方程组:



  解得整个电路的放大倍数:



  如果设计电路让放大倍数A非常大,同时F不至于很小,则



  符号">>"表示远大于

  根据近似的思想,上述整个电路放大倍数:



  由于反馈器件可由电阻实现,普通电阻的阻值不容易受外界干扰,因此F的值很稳定,于是整个电路的放大倍数就很稳定。我们成功的通过负反馈解决了三极管的放大倍数稳定性问题。

  可以看到这里的反馈部分和放大部分构成了一个环形,所以将整个电路的放大倍数称为环路增益,或者闭环增益;而把增加反馈之前,电路的放大倍数A称为开环增益。由于是负反馈,虽然电路增益稳定性提高了,但也有代价:

  由于

于是A>>1/F,即开环增益远大于闭环增益,也就是放大器增益大大降低。但总的来说,为了稳定性,这样做是值得的。


  5.

  在上面的电路中,为了实际制造出开环增益A很大的放大器,往往要用多级三极管放大电路串联的方式设计。由于这种高增益放大器的需求很常见,于是历史上有人就把它们做成一个成品电路板模块,要用的时候直接当成一个元件用就行了,非常方便。这就是最初的,简称运放。

  集成电路的发展,使得大量晶体管元器件集成在一个小芯片上成为可能,于是就有了今天十分常用的集成

  “运算放大器”由于最初用于模拟计算机上进行数学运算而得名。尽管现在广泛使用的数字计算机不再用运放进行计算操作,但名称还是保留了下来。而今天,运放在中发挥着十分重要的作用,也成为模电课程的重点之一。

  6.运放的虚短虚断特性

  通常运放有两个输入端U+和U−,一个输出端Uo,它们之间满足



  运放开环增益A常常高达几十万~几百万,但运放的输出电压受电源电压限制,不能超出电源电压。于是运放的输入-输出关系类似下图形状。

  图中横轴是

,纵轴是U。


  在中间那一段直线区域,运放在正常放大状态,称为线性区,满足

  Uo=A∗(U+−U−)

  而当输入的绝对值稍大一点时,输出就会受到电源限制,不再满足上述关系式,Uo的值通常比电源电压范围略小(注意运放可以用双电源,即电源电压范围可以在一个负值和一个正值之间),称为非线性区。

  轨对轨运放的输出可以达到电源电压,有兴趣可以自行在网上搜索学习。

  当运放工作在线性区时,Uo的值很有限,但是A很大,所以U+−U−=UoA≈0

  即U+≈U−

  此时运放正负输入端电压几乎相等,就像短路了一样,称为虚短。所以只有当运放工作在放大区才会有“虚短”的特点,而非运放自身固有属性。

  另一方面,由于运放内部结构特性,其输入阻抗很大。

  输入阻抗可以简单理解为 输入阻抗 = 输入端电压 / 输入端电流

  输入阻抗大,意味着运放输入端只需很小的电流就能正常工作。正因为如此,运放才能用于一些微弱电流的检测,比如人体的脑电波、肌电波,其最高电压值只有几mV,电流值也非常小。

  运放这一特性被称为虚断,也就是输入端和断路一样,几乎没有电流流入。

  与虚短不同,虚断是运放自身固有属性,不会随着电路的不同而改变。

 7.运放的非理想特性

  运放由三极管构成,显然和三极管一样,也会有很多不理想的特性。前面讲的都是理想运放的特点。而实际运放,它不会完全满足虚短虚断特性,正常工作时输入端需要电流流入,这个电流便被称作输入偏置电流。同样运放还有输入偏置电压、输入失调电压、输入失调电流等非理想参数。

  这些非理想特性,比如输入偏置电流虽然很小,但有时候却会对电路造成很大影响,导致电路无法工作。因此则需要通过一些手段减小这些因素造成的影响。在实际应用中,运放的非理想特性是一个非常重要的问题。运放非理想特性的消除有很多方法,这里不做介绍。

  8.其他内容

  模电课程的核心就是三极管和运放。围绕这些器件,讲解多种电路,包括:

  ●放大电路的计算分析、多级放大电路、放大器的频率特性、反馈的思想;

  ●功率放大电路;

  ●比较器、振荡器、积分器、微分器、波形发生等;

  ●信号运算处理;

  ●滤波器;

  ●集成稳压电源电路等。

  9.运放和三极管的比较

  在实际设计电路时,运放比三极管用的相对会多一些。因为运放的很多特性比三极管要优秀,电路设计简单,而且往往运放的成本并不高。很多时候用三极管和运放实现同样的效果,使用运放的成本反而更低。因为运放是将大量晶体管集成在一块的,平均每个晶体管的制造成本非常低。

  例如一个常规音频前级放大器,一个通用运放就能搞定,成本可能是0.2元,而用三极管实现同样的效果,可能需要10个甚至更多三极管,成本或许要0.5元,并且设计时所花费的人力成本远比运放方案高。

  当然三极管也有其优势。在一些非常简单的电路中,并不严格要求放大倍数的稳定性,一两个三极管就能完成任务,往往会用三极管以节省成本。另外在一些比较极端的条件下,比如工作在高频率、大功率的环境下(例如射频信号发射电路),设计良好的三极管电路的性能会比运放效果好很多,或者成本低很多,甚至有些情况下只有直接使用晶体管才能完成,这时就需要使用三极管来搭建电路了。

  10.结尾

  模电课程的介绍到此为止。但是我想说的是,是一门非常复杂的学科,涉及的知识远不止书上的那些。书上都是按照工作原理大致介绍,简化了很多难以理解但实际中必须考虑的问题,因此实际电路和书上的差距非常之大。比如模电书中用运放搭建的三角波发生器,用于实际电路十有八九不能工作。不过实际电路的主要原理和书中描述是一致的。因此设计往往需要大量的经验,有很多东西甚至难以解释无法计算得出。


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