模电

在电子电路中,电源、放大、振荡和调制电路被称为模拟电子电路,因为它们加工和处理的是连续变化的模拟信号。

1. 反馈

反馈是指把输出的变化通过某种方式送到输入端,作为输入的一部分。如果送回部分和原来的输入部分是相减的,就是负反馈。

2. 耦合

一个放大器通常有好几级,级与级之间的联系就称为耦合。放大器的级间耦合方式有三种:

①RC耦合(见图a): 优点是简单、成本低。但性能不是最佳。

② 变压器耦合(见图b):优点是阻抗匹配好、输出功率和效率高,但变压器制作比较麻烦。

③ 直接耦合(见图c): 优点是频带宽,可作直流放大器使用,但前后级工作有牵制,稳定性差,设计制作较麻烦。

3. 功率放大器

能把输入信号放大并向负载提供足够大的功率的放大器叫功率放大器。例如收音机的末级放大器就是功率放大器。

3.1 甲类单管功率放大器

负载电阻是低阻抗的扬声器,用变压器可以起阻抗变换作用,使负载得到较大的功率。

这个电路不管有没有输入信号,晶体管始终处于导通状态,静态电流比较大,困此集电极损耗较大,效率不高,大约只有 35 %。这种工作状态被称为甲类工作状态。这种电路一般用在功率不太大的场合,它的输入方式可以是变压器耦合也可以是 RC 耦合。

3.2 乙类推挽功率放大器

下图是常用的乙类推挽功率放大电路。

它由两个特性相同的晶体管组成对称电路,在没有输入信号时,每个管子都处于截止状态,静态电流几乎是零,只有在有信号输入时管子才导通,这种状态称为乙类工作状态。当输入信号是正弦波时,正半周时 VT1 导通 VT2 截止,负半周时 VT2 导通 VT1 截止。两个管子交替出现的电流在输出变压器中合成,使负载上得到纯正的正弦波。这种两管交替工作的形式叫做推挽电路。

3.3 OTL 功率放大器

目前广泛应用的无变压器乙类推挽放大器,简称 OTL 电路,是一种性能很好的功率放大器。为了易于说明,先介绍一个有输入变压器没有输出变压器的 OTL 电路,如下图所示。

4. 直流放大器

能够放大直流信号或变化很缓慢的信号的电路称为直流放大电路或直流放大器。测量和控制方面常用到这种放大器。

4.1 双管直耦放大器

直流放大器不能用 RC 耦合或变压器耦合,只能用直接耦合方式。下图是一个两级直耦放大器。直耦方式会带来前后级工作点的相互牵制,电路中在 VT2 的发射极加电阻 R E 以提高后级发射极电位来解决前后级的牵制。

直流放大器的另一个更重要的问题是零点漂移。所谓零点漂移是指放大器在没有输入信号时,由于工作点不稳定引起静 态电位缓慢地变化,这种变化被逐级放大,使输出端产生虚假信号。放大器级数越多,零点漂移越严重。所以这种双管直耦放大器只能用于要求不高的场合。

4.2 差分放大器

解决零点漂移的办法是采用差分放大器,下图是应用较广的射极耦合差分放大器。它使用双电源,其中 VT1 和 VT2 的特性相同,两组电阻数值也相同, R E 有负反馈作用。实际上这是一个桥形电路,两个 R C 和两个管子是四个桥臂,输出电压 V 0 从电桥的对角线上取出。没有输入信号时,因为 RC1=RC2 和两管特性相同,所以电桥是平衡的,输出是零。由于是接成桥形,零点漂移也很小。差分放大器有良好的稳定性,因此得到广泛的应用。

5. 集成运算放大器

集成运算放大器是一种把多级直流放大器做在一个集成片上,只要在外部接少量元件就能完成各种功能的器件。因为它早期是用在模拟计算机中做加法器、乘法器用的,所以叫做运算放大器

6. 振荡器

不需要外加信号就能自动地把直流电能转换成具有一定振幅和一定频率的交流信号的电路就称为振荡电路或振荡器。这种现象也叫做自激振荡。或者说,能够产生交流信号的电路就叫做振荡电路。

一个振荡器必须包括三部分:放大器、正反馈电路和选频网络。放大器能对振荡器输入端所加的输入信号予以放大使输出信号保持恒定的数值。正反馈电路保证向振荡器输入端提供的反馈信号是相位相同的,只有这样才能使振荡维持下去。选频网络则只允许某个特定频率f0能通过,使振荡器产生单一频率的输出。

振荡器能不能振荡起来并维持稳定的输出是由以下两个条件决定的;一个是反馈电压Uf和输入电压 Ui要相等,这是振幅平衡条件。二是 Uf 和 Ui 必须相位相同,这是相位平衡条件,也就是说必须保证是正反馈。一般情况下,振幅平衡条件往往容易做到,所以在判断一个振荡电路能否振荡,主要是看它的相位平衡条件是否成立。

振荡器按振荡频率的高低可分成超低频( 20赫以下)、低频( 20赫~ 200千赫)、高频(200千赫~ 30兆赫)和超高频( 10兆赫~ 350兆赫)等几种。按振荡波形可分成正弦波振荡和非正弦波振荡两类。

正弦波振荡器按照选频网络所用的元件可以分成 LC 振荡器、 RC振荡器和石英晶体振荡器三种。石英晶体振荡器有很高的频率稳定度,只在要求很高的场合使用。在一般家用电器中,大量使用着各种 LC振荡器和 RC 振荡器。

6.1 LC振荡器

LC 振荡器的选频网络是LC 谐振电路。它们的振荡频率都比较高,常见电路有 3 种。

1) 变压器反馈 LC 振荡电路

图(a)是变压器反馈 LC 振荡电路。晶体管 VT 是共发射极放大器。变压器 T 的初级是起选频作用的 LC 谐振电路,变压器 T 的次级向放大器输入提供正反馈信号。接通电源时, LC 回路中出现微弱的瞬变电流,但是只有频率和回路谐振频率 f 0 相同的电流才能在回路两端产生较高的电压,这个电压通过变压器初次级 L1 、 L2 的耦合又送回到晶体管 V 的基极。从图(b)看到,只要接法没有错误,这个反馈信号电压是和输入信号电压相位相同的,也就是说,它是正反馈。因此电路的振荡迅速加强并最后稳定下来。

变压器反馈 LC 振荡电路的特点是:频率范围宽、容易起振,但频率稳定度不高。它的振荡频率是: f 0 =1/2π LC 。常用于产生几十千赫到几十兆赫的正弦波信号。

2) 电感三点式振荡电路

图(a)是另一种常用的电感三点式振荡电路。图中电感 L1 、 L2 和电容 C 组成起选频作用的谐振电路。从 L2 上取出反馈电压加到晶体管 VT 的基极。从图(b)看到,晶体管的输入电压和反馈电压是同相的,满足相位平衡条件的,因此电路能起振。由于晶体管的 3 个极是分别接在电感的 3 个点上的,因此被称为电感三点式振荡电路。

电感三点式振荡电路的特点是:频率范围宽、容易起振,但输出含有较多高次调波,波形较差。它的振荡频率是: f 0 =1/2π LC ,其中 L=L1 + L2 + 2M 。常用于产生几十兆赫以下的正弦波信号。

3) 电容三点式振荡电路

还有一种常用的振荡电路是电容三点式振荡电路,见图(a)。图中电感 L 和电容 C1 、 C2 组成起选频作用的谐振电路,从电容 C2 上取出反馈电压加到晶体管 VT 的基极。从图(b)看到,晶体管的输入电压和反馈电压同相,满足相位平衡条件,因此电路能起振。由于电路中晶体管的 3 个极分别接在电容 C1 、 C2 的 3 个点上,因此被称为电容三点式振荡电路。

电容三点式振荡电路的特点是:频率稳定度较高,输出波形好,频率可以高达 100 兆赫以上,但频率调节范围较小,因此适合于作固定频率的振荡器。它的振荡频率是: f 0 =1/2π LC ,其中 C= C 1 +C 2 。

上面 3 种振荡电路中的放大器都是用的共发射极电路。共发射极接法的振荡器增益较高,容易起振。也可以把振荡电路中的放大器接成共基极电路形式。共基极接法的振荡器振荡频率比较高,而且频率稳定性好。

6.2 RC 振荡器

RC 振荡器的选频网络是 RC 电路,它们的振荡频率比较低。常用的电路有两种。

1) RC 相移振荡电路

RC 相移振荡电路的特点是:电路简单、经济,但稳定性不高,而且调节不方便。一般都用作固定频率振荡器和要求不太高的场合。它的振荡频率是:当 3 节 RC 网络的参数相同时: f 0 = 1 2π 6RC 。频率一般为几十千赫。

2) RC 桥式振荡电路

RC 桥式振荡电路的性能比 RC 相移振荡电路好。它的稳定性高、非线性失真小,频率调节方便。它的振荡频率是:当 R1=R2=R 、 C1=C2=C 时 f 0 = 1 2πRC 。它的频率范围从 1 赫~ 1 兆赫。

7. 调幅和检波电路

广播和无线电通信是利用调制技术把低频声音信号加到高频信号上发射出去的。在接收机中还原的过程叫解调。其中低频信号叫做调制信号,高频信号则叫载波。常见的连续波调制方法有调幅和调频两种,对应的解调方法就叫检波和鉴频。

7.1 调幅电路

调幅是使载波信号的幅度随着调制信号的幅度变化,载波的频率和相位不变。能够完成调幅功能的电路就叫调幅电路或调幅器。

调幅是一个非线性频率变换过程,所以它的关键是必须使用二极管、三极管等非线性器件。根据调制过程在哪个回路里进行可以把三极管调幅电路分成集电极调幅、基极调幅和发射极调幅 3 种。下面举集电极调幅电路为例。

上图是集电极调幅电路,由高频载波振荡器产生的等幅载波经 T1 加到晶体管基极。低频调制信号则通过 T3 耦合到集电极中。 C1 、 C2 、 C3 是高频旁路电容, R1 、 R2 是偏置电阻。集电极的 LC 并联回路谐振在载波频率上。如果把三极管的静态工作点选在特性曲线的弯曲部分,三极管就是一个非线性器件。因为晶体管的集电极电流是随着调制电压变化的, 所以集电极中的 2 个信号就因非线性作用而实现了调幅。由于 LC 谐振回路是调谐在载波的基频上,因此在 T2 的次级就可得到调幅波输出。

7.2 检波电路

检波电路或检波器的作用是从调幅波中取出低频信号。它的工作过程正好和调幅相反。检波过程也是一个频率变换过程,也要使用非线性元器件。常用的有二极管和三极管。另外为了取出低频有用信号,还必须使用滤波器滤除高频分量,所以检波电路通常包含非线性元器件和滤波器两部分。下面举二极管检波器为例说明它的工作原理。

上图是一个二极管检波电路。 VD 是检波元件, C 和 R 是低通滤波器。当输入的已调波信号较大时,二极管 VD 是断续工作的。正半周时,二极管导通,对 C 充电;负半周和输入电压较小时,二极管截止, C 对 R 放电。在 R 两端得到的电压包含的频率成分很多,经过电容 C 滤除了高频部分,再经过隔直流电容 C0 的隔直流作用,在输出端就可得到还原的低频信号。

8. 调频和鉴频电路

调频是使载波频率随调制信号的幅度变化,而振幅则保持不变。鉴频则是从调频波中解调出原来的低频信号,它的过程和调频正好相反。

8.1 调频电路

能够完成调频功能的电路就叫调频器或调频电路。常用的调频方法是直接调频法,也就是用调制信号直接改变载波振荡器频率的方法。下图画出了它的大意,图中用一个可变电抗元件并联在谐振回路上。用低频调制信号控制可变电抗元件参数的变化,使载波振荡器的频率发生变化。

8.2 鉴频电路

能够完成鉴频功能的电路叫鉴频器或鉴频电路,有时也叫频率检波器。鉴频的方法通常分二步,第一步先将等幅的调频波变成幅度随频率变化的调频 — 调幅波,第二步再用一般的检波器检出幅度变化,还原成低频信号。常用的鉴频器有相位鉴频器、比例鉴频器等。

来源:电子工程师笔记

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1、HC为COMS电平,HCT为TTL电平

2、LS输入开路为高电平,HC输入不允许开路,HC一般都要求有上下拉电阻来确定输入端无效时的电平。LS却没有这个要求

3、LS输出下拉强上拉弱,HC上拉下拉相同

4、工作电压:LS只能用5V,而HC一般为2V到6V

5、CMOS可以驱动TTL,但反过来是不行的。TTL电路驱动COMS电路时需要加上拉电阻,将2.4V~3.6V之间的电压上拉起来,让CMOS检测到高电平输入

6、驱动能力不同,LS一般高电平的驱动能力为5mA,低电平为20mA;而CMOS的高低电平均为5mA

7、RS232电平为+12V为逻辑负,-12为逻辑正

8、74系列为商用,54为军用

9、TTL高电平>2.4V,TTL低电平

10、OC门,即集电极开路门电路(为什么会有OC门?因为要实现“线与”逻辑),OD门,即漏极开路门电路,必须外界上拉电阻和电源才能将开关电平作为高低电平用。否则它一般只作为开关大电压和大电流负载,所以又叫做驱动门电路。并且只能吸收电流,必须外界上拉电阻和电源才才能对外输出电流

11、COMS的输入电流超过1mA,就有可能烧坏COMS

12、当接长信号传输线时,在COMS电路端接匹配电阻

13、在门电路输入端串联10K电阻后再输入低电平,输入端出呈现的是高电平而不是低电平

14、如果电路中出现3.3V的COMS电路去驱动5VCMOS电路的情况,如3.3V单片机去驱动74HC,这种情况有以下几种方法解决,最简单的就是直接将74HC换成74HCT的芯片,因为3.3VCMOS可以直接驱动5V的TTL电路;或者加电压转换芯片;还有就是把单片机的I/O口设为开漏,然后加上拉电阻到5V,这种情况下得根据实际情况调整电阻的大小,以保证信号的上升沿时间。

15、逻辑门输出为高电平时的负载电流(为拉电流),逻辑门输出为低电平时的负载电流(为灌电流)

16、由于漏级开路,所以后级电路必须接一上拉电阻,上拉电阻的电源电压就可以决定输出电平。这样漏极开路形式就可以连接不同电平的器件,用于电平转换。需要注意的一点:在上升沿的时候通过外部上拉无源电阻对负载进行充电,所以上升沿的时间可能不够迅速,尽量使用下降沿

17、几种电平转换方法:

(1)晶体管+上拉电阻法
就是一个双极型三极管或MOSFET,C/D极接一个上拉电阻到正电源,输入电平很灵活,输出电平大致就是正电源电平。

(2)OC/OD器件+上拉电阻法
跟1)类似。适用于器件输出刚好为OC/OD的场合。

(3)74xHCT系列芯片升压(3.3V→5V)
凡是输入与5VTTL电平兼容的5VCMOS器件都可以用作3.3V→5V电平转换。
——这是由于3.3VCMOS的电平刚好和5VTTL电平兼容(巧合),而CMOS的输出电平总是接近电源电平的。
廉价的选择如74xHCT(HCT/AHCT/VHCT/AHCT1G/VHCT1G/...)系列(那个字母T就表示TTL兼容)。

(4)超限输入降压法(5V→3.3V,3.3V→1.8V,...)
凡是允许输入电平超过电源的逻辑器件,都可以用作降低电平。
这里的"超限"是指超过电源,许多较古老的器件都不允许输入电压超过电源,但越来越多的新器件取消了这个限制(改变了输入级保护电路)。
例如,74AHC/VHC系列芯片,其datasheets明确注明"输入电压范围为0~5.5V",如果采用3.3V供电,就可以实现5V→3.3V电平转换。

(5)专用电平转换芯片
最著名的就是164245,不仅可以用作升压/降压,而且允许两边电源不同步。这是最通用的电平转换方案,但是也是很昂贵的(俺前不久买还是¥45/片,虽是零售,也贵的吓人),因此若非必要,最好用前两个方案。

(6)电阻分压法
最简单的降低电平的方法。5V电平,经1.6k+3.3k电阻分压,就是3.3V。

(7)限流电阻法

18、无极性电容和有极性电容:前者的封装基本为0805,0603。后者用的最多为铝电解电容,好一点的钽电容

19、PQFP(PlasticQuadFlatPackage,塑料四边引出扁平封装),
BGA(BallGridArrayPackage,球栅阵列封装),
PGA(PinGridArrayPackage,针栅阵列封装),
PLCC(PlasticLeadedChipCarrier,塑料有引线芯片载体),
SOP(SmallOutlinePackage,小尺寸封装),
TOSP(ThinSmallOutlinePackage,薄小外形封装),
SOIC(SmallOutlineIntegratedCircuitPackage,小外形集成电路封装)

集成电路常见的封装形式:
QFP(quadflatpackage)四面有鸥翼型脚(封装)
BGA(ballgridarray)球栅阵列(封装)
PLCC(plasticleadedchipcarrier)四边有内勾型脚(封装)
SOJ(smalloutlinejunction)两边有内勾型脚(封装)
SOIC(smalloutlineintegratedcircuit)两面有鸥翼型脚(封装)

20、屏蔽线对静电有很强的抑制作用,双绞线对电磁感应也有一定的抑制效果

21、模拟信号采样抗干扰技术:可以采用具有差动输入的测量放大器,采用屏蔽双胶线传输测量信号,或将电压信号改变为电流信号,以及采用阻容滤波等技术

22、闲置不用的IC管脚不要悬空以避免干扰引入。不用的运算放大器正输入端接地,负输入端接输出。单片机不用的I/O口定义成输出。单片机上有一个以上电源、接地端,每个都要接上,不要悬空

23、电阻阻值色环表示法:普通的色环电阻器用4环表示,精密电阻器用5环表示

24、电阻的作用为分流、限流、分压、偏置、滤波(与电容器组合使用)和阻抗匹配等

25、电容的作用:隔直流,旁路,耦合,滤波,补偿,充放电,储能等

26、一般电容的数字表示法单位为pF,电解电容一般为uF

27、电容器的主要性能指标:电容器的容量(即储存电荷的容量),耐压值(指在额定温度范围内电容能长时间可靠工作的最大直流电压或最大交流电压的有效值)耐温值(表示电容所能承受的最高工作温度。).

28、电感器的作用:滤波,陷波,振荡,储存磁能等

29、电感器的分类:空芯电感和磁芯电感.磁芯电感又可称为铁芯电感和铜芯电感等

30、半导体二极管的分类a按材质分:硅二极管和锗二极管;b按用途分:整流二极管,检波二极管,稳压二极管,发光二极管,光电二极管,变容二极管。

31、场效应管是电压控制元件,而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下,应选用场效应管;而在信号电压较低,又允许从信号源取较多电流的条件下,应选用晶体管

32、Socket是一种插座封装形式,是一种矩型的插座;Slot是一种插槽封装形式,是一种长方形的插槽

33、晶振的测量方法:用万用表RX10K档测量石英晶体振荡器的正,反向电阻值.正常时应为无穷大。若测得石英晶体振荡器有一定的阻值或为零,则说明该石英晶体振荡器已漏电或击穿损坏

34、IO口输出高电平时,驱动能力最低,对外显示为推电流;IO口输出低电平时,驱动能力最大,对外显示为拉电流

35、外围集成数字驱动电路如果驱动的是感性负载,必须加限流电阻或钳住二极管

36、9013提供的驱动电流有300mA

37、输出数据应该锁存(外围速度跟不上,所以需要锁存),输入数据应该有三态缓冲(加入了高阻状态,不至于对内部的数据总线产生影响)

38、8位并行输出口(必须带有锁存功能):74LS377,74LS273.8位并行输入口(必须是三态门):74LS373,74LS244

39、串行口扩展并行口,并行输入口:74LS165。并行输出口:74LS164

40、键盘工作方式有三种:
① 编程扫描方式
② 定时扫描方式
③ 中断方式。
还可以专门设计一个IO口用来进行双功能键的设计(上档键和下档键)

41、对于TTL负载,主要应考虑直流负载特性,因为TTL的电流大,分布电容小。对于MOS型负载,主要应考虑交流负载特性,因为MOS型负载的输入电流小,主要考虑分布电容

42、特别注意总线负载平衡的概念

43、上拉电阻的好处:
① 提高信号电平
② 提高总线的抗电磁干扰能力(电磁信号通过DB进入CPU)
③ 抑制静电干扰(CMOS芯片)
④ 反射波干扰(长远距离传输)

44、稳压时,采用两级集成稳压芯片稳压效果更好

45、传输线的阻抗匹配:
① 终端并联阻抗匹配(高电平下降)
② 始端串联匹配(低电平抬高)
③ 终端并联隔直流匹配(RC串联接地)
④ 终端接钳位二极管

46、接地分两种:外壳接地(真正的接地)和工作接地(浮地)

47、在单片机中地的种类:数字地,模拟地,功率地(电流大,地线粗),信号地,交流地,屏蔽地

48、一点接地:低频电路(1MHZ以下)。多点接地:高频电路(10MHZ以上)

49、交流地与信号地不能公用,数字地和模拟地最好分开,然后在一点相连

50、揩振回路:可以选用云母、高频陶瓷电容,隔直流:可以选用纸介、涤纶、云母、电解、陶瓷等电容,滤波:可以选用电解电容,旁路:可以选用涤纶、纸介、陶瓷、电解等电容

51、二极管应用电路

(1)限幅电路---利用二极管单向导电性和导通后两端电压基本不变的特点组成,将信号限定在某一范围中变化,分为单限幅和双限幅电路。多用于信号处理电路中。

(2)箝位电路---将输出电压箝位在一定数值上。

(3)开关电路---利用二极管单向导电性以接通和断开电路,广泛用于数字电路中。

(4)整流电路---利用二极管单向导电性,将交流信号变为直流信号,广泛用于直流稳压电源中。

(5)低电压稳压电路---利用二极管导通后两端电压基本不变的特点,采用几只二极管串联,获得3V以下输出电压

52、高频旁路电容一般比较小,根据谐振频率一般是0.1u,0.01u等,而去耦合电容一般比较大,是10uF或者更大

53、上拉电阻总结:

① 当TTL电路驱动COMS电路时,如果TTL电路输出的高电平低于COMS电路的最低高电平(一般为3.5V),这时就需要在TTL的输出端接上拉电阻,以提高输出高电平的值。

② OC门电路必须加上拉电阻,才能使用。

③ 为加大输出引脚的驱动能力,有的单片机管脚上也常使用上拉电阻。

④ 在COMS芯片上,为了防止静电造成损坏,不用的管脚不能悬空,一般接上拉电阻产生降低输入阻抗,提供泄荷通路。

⑤ 芯片的管脚加上拉电阻来提高输出电平,从而提高芯片输入信号的噪声容限增强抗干扰能力。

⑥ 提高总线的抗电磁干扰能力。管脚悬空就比较容易接受外界的电磁干扰。

⑦ 长线传输中电阻不匹配容易引起反射波干扰,加上下拉电阻是电阻匹配,有效的抑制反射波干扰。

从节约功耗及芯片的灌电流能力考虑应当足够大;电阻大,电流小。

从确保足够的驱动电流考虑应当足够小;电阻小,电流大。

54、上拉就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平!电阻同时起限流作用!下拉同理!

55、旁路电容:产生一个交流分路,从而消去进入易感区的那些不需要的能量。

去耦电容:提供一个局部的直流电源给有源器件,以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地(他的取值大约为旁路电容的1/100到1/1000

来源:网络、电子工程师笔记

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