[工学]模电第一章指导书.doc

《[工学]模电第一章指导书.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[工学]模电第一章指导书.doc（31页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第1章模拟电子电路设计1.1模拟电子系统组成概述电子电路通常分为模拟型、数字型及两者兼而有之的混合型等三种。无论哪种电子电路，它们都是能够完成某种任务的电子设备。一般将规模较小、功能相对单一的电子电路称为单元电路，实际应用中的电子系统则由若干单元电路构成。通常，一个电子系统由输入、信息处理、输出三大部分组成，用来实现对信号的变换、放大和传输。图1-1为电子系统组成框图。控制对象或负载输出电路信息处理输入电路现场信息图1-1电子系统组成框图 对于模拟电子系统，现场信息是一种连续变化的物理量或电信号。若现场信息是一种连续变化的非电物理量，则由专门的部件将其转换为电量，这种部件通常称为传感器，如话筒

2、、热敏元件、光热敏元件等等。输入电路的主要作用是与信号源的阻抗匹配并对信号进行适当的放大处理，输入电路的主要形式为由模拟集成芯片组成的运算放大器、由三极管及场效应管等分立元件组成的放大器等等。信息处理电路主要由各种有源滤波器，如低通、高通、带通及带阻滤波器等组成，以得到实际需要的某频率范围内的信号。输出电路的作用是对某频率范围内的电信号进行放大或者变换，使信号具有足够大的电压、电流或功率；输出电路通常由小信号共射级放大器、乙类及甲乙类功率放大器组成。控制对象或负载的作用是将输出电路传送的电量转换成其他形式的能量，以完成特定的功能，如喇叭、电铃、继电器、示波管、表头等等。1.2模拟电子电路设计方

3、法模拟电子电路常采用层次式设计方法进行系统设计。层次式设计方法的基本策略是将一个复杂的系统按功能分解成可以独立设计的子系统。子系统设计完成后，将各子系统拼接在一起完成整个系统的设计。这样，一个复杂的系统分解成子系统设计可大大降低设计的复杂程度，由于各子系统可以单独设计，各子系统的设计与修改只影响它本身，而又不会影响其它子系统。利用层次性可以将一个系统划分成若干个子系统，然后将子系统可以再分解成更小的子系统，重复这一过程，直至子系统的复杂性达到细节上可以理解的适当程度。实现层次式设计方法的重要技术途径是将其模块化，模块化是将一个系统划分成一系列子模块，对这些子模块的功能和物理界面给予明确的定义，

4、（即将一个系统划分为若干个规模不太大，功能单一的单元电路）。模块化可以帮助设计人员阐述或明确解决问题的方法，还可以在模块建立时检查其属性的正确性，因而使系统设计更加简单明了。另外，将一个系统设计划分为一系列已定义的模块还有助于进行集体之间共同设计，使设计工作能够并行展开，缩短设计时间。1.3模拟电子电路的设计步骤电子电路的设计方法，没有一成不变的规定步骤，它与设计者的知识、经验、兴趣密切相关，通常，电子电路一般的设计流程如图1-2所示。1课题分析根据设计任务的物理意义，从全局思考，进行充分地调查研究，弄清系统所要求的功能、性能指标，有没有能完成技术指标所要求功能的类似电路可供借鉴，针对实际情况

5、对课题的可行性做出判断。2方案设计按照系统总的要求，把电路划分为若干功能模块，从而得到系统方框图。每一个方框即为一个单元电路，按照系统性能指标要求，设计要求规划出各单元电路所要完成的任务，确定输入与输出的关系，决定单元电路的结构。方案设计为完成总的任务，由系统方框图到单元电路的具体结构应是多解的，在这个过程中要敢 于探索，勇于创新，争取方案设计合理、可电路设计靠、经济、功能齐全、技术先进，在此过程中，对方案要不断进行可行性和优缺点的分析，最后设计出一个完整的框图。3电路设计（单元电路设计） 器件设计电路设计即为按功能模块确定的单一电路设计。在该部分设计中，应详细拟定单元电路的组成、性能指标与前

6、后级间的关系，电路调试及仿真验PCB设计例如进行单元电路设计，如果是放大电路，应确定是采用分立元件电路（共射，共集电极）还是采用模拟集成电路（运算放大器，稳压器）；若采用分立元件电路，是采用场效应管还是采用双极三极管。在单结构设计元电路设计中，必须保证性能要求，而且不仅单元电路本身要合理，各单元电路之间也要相互匹配注意各部分的输入信号，输出信号之间的关系。 图1-2 电子系统设计流程4器件设计器件设计，是在单元电路的结构确定以后，根据单元电路的功能，确定具体元器件的选择及计算相应电路参数。元器件选择分为阻容元件的选择、分立元件的选择、模拟集成电路的选择等几部分。1）阻容元件的选择电阻器和电容器

7、的种类很多，不同的电路对电阻器和电容器的要求也不同。例如，对于低频放大器，电阻器常选；对功率放大器，电阻器选择电阻；对于电路中的退藕电容，常选择的瓷片电容；对整流滤波电路，常选用的铅电解电容；对于振荡器所用电容，常选用独石电容等。设计中要根据电路的要求选择性能和参数合适的阻容元件，并要注意功耗、容量、频率适用范围和耐压值是否满足要求。2）分立元件选择分立元件包括半导体二极管、三极管、场效应管、光电二极管等，应根据用途的不同，分别进行选择。例如，在选择二极管时，应注意是整流二极管还是稳压二极管等；在选择三极管时，应注意是NPN型还是PNP型管，是高频管还是低频管，是大功率管还是小功率管，同时还要

8、注意三极管的参数如集电极最大允许耗散功率、集电极最大允许电流、反向击穿电压、穿透电流、交流电流放大系数、特征频率、及截止频率等参数是否满足电路设计的要求。3）模拟集成芯片的选择在熟悉模拟集成芯片的功能，分类的基础上，合理的选择所用芯片，方便实现各功能模块的要求，并且应工作可靠，价格合理。例如，常用的模拟集成芯片有稳压器、运算放大器、定时器、振荡器、音频放大器等。集成芯片的型号，技术参数，特性应查阅有关手册。5电路仿真及调试在各功能模块中的单元电路设计及器件设计完成后，可利用电子设计自动化中的PsPice、Multism等应用软件对其进行仿真。这样既可检验电路设计及元器件选择是否合理，而且可以避

9、免在实际测试时用到大量测试设备及大量元器件，以提高设计效率，从而减小设计周期、提高质量及降低设计成本。调试分为单元电路调试和整机电路调试，而调试过程又分为调整和测试两部分调整是对电路参数进行修改，一般是对电路中的可调元器件，如电位器，电感器及电容等；测试则主要是对电路的各项技术指标和功能进行测量和试验，并将测量数据与设计性能指标进行比较，以确定电路是否达到要求。调整与测试是相互依赖、相互补充的。在实际工作中，二者是一项工作的两个方面调试是测试、调整、再测试、再调整的过程，直到实现电路设计指标。6PCB设计1.4 阻容藕合共射极单级放大电路设计阻容藕合共射极放大器为分压式电流串联负反馈偏置电路，

10、如图1-3 所示。因为射极接有直流反馈电阻，可以稳定静态工作点，故又称为电流反馈工作点稳定电路。该电路的静态工作点主要， ，及决定。若满足，当温度升高时，-，从而稳定了电路的工作点。从已学的知识可知，单级放大电路的基本要求是：放大倍数足够大，通频带足够宽，电路的温度稳定性好，所以在设计电路时，主要以上述三个指标为主要依据。通常，单级放大电路的输入信号在几毫伏至十几毫伏范围。+-+- 图1-3 射极偏置电路1.4.1 电路参数的选择1三极管及其主要参数的选择由于硅管晶体管的温度稳定性一般比锗管要好得多，所以在电路设计中，都以硅管为主。晶体管的选择原则是：（1）根据放大倍数的要求，选择值较大的管子

11、，但值太大，温度温度稳定不好，一般选管时应满足（2）根据放大器通频带的要求，使管子的截止频率要高于上限频率。一般取 对于小功率单管放大电路，通常用3DG系列的三极管或者9012、9013、8550、8050等三极管。 （3）最大管耗应满足 2确定静态工作点，计算集电极电阻当三极管选定之后，为确保达到的要求，还应选择合适的静态工作点。因为一定，当静态工作电流时，则。这里，仅介绍工作点的一般要求和计算的方法。对于小信号放大电路，一般容易满足动态范围的要求，工作点的选择应该兼顾电压放大倍数和噪声系数的要求。若静态电流已选定，在较大时，基本为定值，此时计算主要满足中频放大倍数的要求。图1-4为工作点稳

12、定电路的小信号模型等效电路，由1-4可以求出：+ _ + -vioiIbIbIbRb1Rb2 rbe rRe1RCRLv其中 可求得 所以： 图1-4射极偏置电路的小信号模型等效电路 由上二式可以看出，适当增大，可以提高的数值。但当增加到时，就不再有明显的提高。3.计算偏置电路电阻、（1）射极电阻的计算 射极电阻越大，负反馈越强，电路的温度稳定性越好。但过大又会使射极电位过高，管子的动态范围将变小。通常要求。一般取 =（35）V（硅管） =（13）V（锗管） （2）计算和从温度稳定性的角度来看，的值愈小，工作稳定性愈高，但是小，流过和直流电流加大，损耗会增大。另外，在应用硅管的条件下，温度不稳

13、定性主要是由于的变化引起，为了减小对的影响，又要求不能太小。通常偏置电流 =（510） （硅管）对于小信号放大器，一般取 =0.5mA2mA 这样， 1.4.2 设计举例 设计一个单级放大器，要求电压放大倍数50，在045的范围内能正常工作,已知输入电压=10mV(有效值),放大器的负载电阻，三极管采用3DG6，其=40。 电路的设计步骤如下：1.确定电路方案即确定电路是采用共射极、共集电极还是共基极组态、固定偏置电路还是射极偏置电路。 因环境温度有一定的变化，为使工作点稳定，采用射极偏置电路较合适，电路如图1-3所示。2. 选择电源电压 的选择应保证交流电压有足够的输出幅度，同时要考虑在满足

14、电压放大倍数的前提下使放大器不至于产生饱和失真。因硅管的饱和区在1V以下（即），为保证不产生饱和失真，要求三极管管压降。其中为输出交流电压的最大值。 由，得 因此，应满足下列条件：2 根据射极偏置电路的基本关系：（硅管），因为3DG6为硅管，故取 这样， 由于直流电源标准档级为5V，9V，12V，15V，18 V，按电源标准档级，取3. 选择基极电流 的选择原则主要考虑应不使放大器产生截止失真。 由于三极管的输入特性下面部分弯曲得很厉害，为了避免弯曲部分产生失真，最小基极电流不应小于10A（静态），故的选择应满足下列条件： 式中，为基极交流电流的最大值。为了求出，初步选取mA (为静态时的发射

15、极电流) 由 （适用范围 ）可算出。 由于 故得=10A 选，与初选值（mA）相符。4. 选择 由于要求的工作温度不是太高（45），故均可选取偏小一些。 硅管） 这样，取 ， 因为 5. 确定 而取标准电阻值 6. 选择 选择，一方面要满足的要求，另一方面要使工作点合适，使放大器不产生饱和失真。(1)先根据放大倍数的要求估算 因要求 故 因 因此得 (2)根据工作点的要求确定的大小由于在该电路中分为三部份，即=+,而上的电压降已选定为,故降落在三极管和上的电压为+=前已述及，要不产生饱和失真，须使而=则即可满足要求,取，这样便确定=K取标准电阻值7.交流电压放大倍数放大器的交流负载电阻（等校负

16、载电阻）= 故，可满足要求。8.选择电容 、选取30F的电容，取50F的电容，可以很好的满足隔直和旁路作用1.4.3放大器性能指标和测试方法三极管放大器的主要性能指标看电压放大倍数，输入电阻与输出电阻及通频带1 电压放大倍数电压放大倍数的计算式= 其中 0.1mA（为信号源内阻），则放大器从信号源能获取较大的电压；若，则放大器从信号源获取较大的信号电流；若=，则放大器从信号源获取最大功率。输入电阻的测试电路如图1-5 所示。通常，输入电阻的测量用串联电阻法，即在信号源输出与放大器输入端之间，串联一个已知的电阻R，（一般以选择R的值接近为宜）在输出波形不失真的情况下，用晶体管毫伏表或示波器，分别

17、测量出与值，这样=式中，信号源的输出电压阻值。3，输出电阻 计算公式 式中， 为三极管输出电阻。放大器输出电阻的大小反映了它带负载的能力，越小，带负载能力越强。当时，放大器可等效为一个恒压源，放大器的输出电阻测量方法如图1-6 所示所示。在输出不失真的情况下，首先测量未接入放大器时（即负载开路时）的输出电压值，然后接入再测量放大器负载上的电压的值则4频率特性的测量定性的比较放大器通频带用方波测试法，将频率可变的周期性方波信号加入放大器的输入端，在输出端接入示波器以观测输出波形，当方波信号频率在中频区时，输出脉冲波形失真不甚显著；当方波信号频率向低频方向改变时，输出波形将产生平顶降落，如图1-7

18、(a) 所示，若开始出现此现象时频率越低，则表示放大器的下限频率也越低，同理,若示波信号的频率向高的方向改变，则输出波形上升时间增加，产生前沿失真，如图5(b)所示，开始产生前沿失真的频率越高，则表示放大器的上限频率也越高。当放大器的通频带很宽时，可以观察到即使在中频区，也可能产生前沿失真，又出现平顶降落，如图1-7(b) 所示。1.5 射极跟随器电路设计 射极跟随器是晶体管共集电极放大电路。因为它是电压串联负反馈，所以输入电阻较高，输出电阻较低，工作比较稳定，输入与输出之间，具有良好的电压跟随作用。用它作输入级可以获得较高的输入电阻；用它作输出级，由于输出电阻较低，可以提高电路的带负载能力；

19、作中间级又可以起到隔离和匹配作用，因而在电子线路中应用十分广泛。图1-8(a)为典型的跟随器电路，电路的交流通路如图1-8(b)所示。 图1-8(b) 射极跟随器的交流通路 图1-8(a) 射极跟随器 1.5.1电路分析与元件参数计算 在设计其中的元件参数时，主要应考虑输出电压的跟随范围。当已知负载电阻和输出电压（有效值）时，设计步骤如下：1估算晶体管之间电压变化范围。 其中表示输出电压的峰-峰值，为三极管的饱和压降。2确定交流负载线，求、 作出三极管输出特性见图1-9，其中画斜线部分为饱和区和超过最大管耗区。 过作直流负载线，与纵轴相交的点对应；在横轴找B点，使；作交流负载线，使静态工作点Q

20、满足以下条件： 其中 解以上二式，可求得： Q图1-9 输出特性 由上式可知，当给定之后，要加大跟随范围，即增加，则应提高，减少。但增加受晶体管极限参数的限制。当减少时，静态管耗将增加。 为了选取合适的比值，可以计算出不同的所对应的、和。经过计算表明：如果负载的功率一定，取较大的，可以减少管耗，但要提高。相反，取较小的，可以降低，但增加。 综合以上各种情况，可按以下关系取值： （输出电压幅值） （输出电流幅值）这种情况下，管子的管耗为： 3计算偏置电阻假定已选好三极管的值，则 ，所以可得： 4计算藕合电容和 为了保证放大电路在下限频率时，的容抗仍然很小，一般要求： 和一样，当频率很低时也影响下

21、限频率，按上述方法： 5选择三极管 三极管参值应满足： 1.5.2设计举例 设计一个射极跟随器（共集电极电路），要求在045的范围内能正常工作,已知输出电压(有效值),放大器的负载电阻， 1确定偏置电路 射极跟随器的偏置电路常用的有两种：具有上、下偏置电阻的分电式电路和具有上偏置电阻的电路。前者具有较好的温度稳定性。由设计要求，选用具有上、下偏置电阻的分电式电路。电路如图1-10所示。 图1-10 射极跟随器（共集电极电路）2估算三极管之间的电压变化范围 由设计要求， 因此，三极管之间的电压变化范围为： 由于中、小功率三极管的饱和压降，取 这样 3确定直流电源电压 由1.5.1所述，其中，为输

22、出电压幅值（即最大值） 取 由于直流电源标准档级为5V，9V，12V，15V等，取。 4确定三极管及发射极电阻 由1.5.1所述，其中，为输出电流幅值（即最大值） 取，因为 所以，其中 得到 取 由1.5.1所述， 常用小功率三极管均能满足此要求，选NPN硅管9013，其为100。5计算偏置电阻和由于偏置电路采用分电式电路，由1.4.1所述，对于硅管，一般取：， 取，因为，所以 取标称值而所以这样 6计算藕合电容和为了保证放大电路在下限频率时，的容抗仍然很小，一般要求： ，其中 设放大器限频率，取，取和一样，当频率很低时也影响下限频率，按上述方法： ，1.7功率放大电路设计，1.7.1低频功率

23、放大器的设计原则 模拟信号经过电压放大之后，一般还要进行功率放大再去推动执行机构工作。功率放大器就是完成功率放大任务的电路。因为它所研究的主要矛盾是输出功率问题，所以在电路的分析方法和设计方法上，同电压放大器是有区别的。本节仅扼要介绍功率放大器的设计原则。功率放大器设计主要考虑的是三个指标，即：输出功率、效率和非线性失真。1. 输出功率要足够大功率放大器的基本任务是放大信号功率，所以它最主要的技术指标也就是保证向负载输出足够大的信号功率。为此，要求晶体管必须提供尽可能大的电压和电流，它经常要在接近三极管的极限状态下工作。这样，设计功率放大器时，首先要根据输出功率的大小，选择合适的晶体管，以保证

24、在大功率输出下管子能正常工作。选择晶体管时，通常考虑的极限参数应满足以下条件：（1） 集电极和发射极之间的击穿电压，要大于管子之间工作电压的最大值，并留有一定的余量，即： （2） 集电极最大允许电流，要大于管子实际工作的最大电流，即： （3） 集电极允许的耗散功率，要大于集电极功率损耗的最大值，即： 以上三条是分析管子能否正常工作和设计电路的基本条件。2. 效率要高实质上功率放大器并不是把小的输入功率放大成大的输出功率。而是通过晶体管的电流控制作用，把电源供给的直流，转换成交流输出功率，输送给负载。因此，在电路中，就存在一个转换效率问题。如果能把电源供给的直流功率较多地变成交流输出，则电路的效

25、率就高，反之，电路的效率就低。为了定量的计算这一转换效率的大小，通常用 表示： 其中 为晶体管交流输出功率 为直流电源供给的功率直流电源供给的功率，一部分转换成交流输出功率 ，其余部分实际上是以发热的形式消耗掉了，所以我们把这部分功率叫损耗功率，或简称为功耗。显然，电源供给功率一定时，为提高功率放大器的输出功率，效率越高越好，所以，减小功耗，提高放大器的效率是设计功率放大器时主要考虑的问题之一。3. 非线性失真要小功率放大器的晶体管工作在大信号状态，而管子输入和输出特性曲线都存在着非线性，所以不可避免的会产生非线性失真。例如，图1-15给出三极管的输入特性曲线。从输入特性来看，由于在较大范围内

26、变化，当时， ，当时， 。因为特性曲线为非线性，所以。 还应指出，在现代低频功率放大器中，普遍利用负反馈来减少非线性失真。所以对非线性失真进行严格的定量分析是不必要的，只要了解失真产生的原因和减少失真的方法就可以了，一般非线性失真的指标是靠测量才能得到的。1.7.2 低频功率放大器的种类和特点 按三极管工作状态，低频功率放大器分为甲类、乙类和甲乙类。所谓甲类是指在整个输入信号周期内三极管一直是导通的，它的集电极总有电流流过；乙类是指在输入信号的半个周期内，三极管导通，另半个周期三极管截止；而甲乙类是介于甲类和乙类之间，三极管导通时间大于半个周期，小于一个周期。 按电路形式分为有变压器藕合功率放

27、大器和无变压器藕合功率放大器。 在甲类功率放大器中，如果将负载电阻直接串在集电极电路中，由于三极管静态电流流过负载而消耗功率，使集电极效率很低，一般，所以，甲类功率放大器通常采用变压器藕合方式，这时效率最高可达50%，通常使用于高频小信号放大器中。在乙类功率放大器中，因为三极管只在输入信号半个周期内导通并起放大作用，所以必须用二个管子推挽工作，才能保证在负载上得到完整的波形。但在乙类功放存在交越失真。为了克服交越失真，采用甲乙类功率放大器，在低频功放中，最常用的电路是输出无变压器互补对称电路（OTL电路）和无输出电容互补对称电路(OCL电路)。1.7.3 OTL功率放大器电路组成和工作原理 单

28、电源OTL功率放大器电路如图1-16所示，其中组成的电路为驱动级，管接成NPN共射极放大电路，、为直流偏置电阻。和分别为参数对称的NPN和PNP三极管，接成互补对称输出电路。 无输入信号时，管的静态集电极电流在小电阻两端产生压降，为和提供一个正向偏置电压，使它们有一个小的静态工作电流，以便和处于甲乙类工作状态，两端并联一个电容，以使和两点交流等电位。调整，使工作点合适，使得，这样，。此时电容上充有电荷，电压为。 当加输入信号时，和的基极交流电位相等，因、发射极接有大电容，电压基本保持在，当处在正半周时，因，这样导通、截止，有电流流过负载；当为负半周时，截止、导通，有电流流过负载，和方向相反，这

29、样负载上得到完整的输出波形。1.7.4 OTL功率放大器设计 设计一个OTL功率放大器，要求输出功率，负载电阻，电路如图1-16所示。 电路的设计步骤如下：1 确定电源电压根据输出功率要求， 因为输出电压的幅值近似等于电源电压的一半，即所以 得到 考虑到、上的压降和、的饱和压降（、单管的饱和压降通常小于），取电源电压，2 选取、是射极电流的反馈电阻，主要用来稳定静态工作点，因它们与负载串联，取态大会使功耗增加，一般取 本例取。3 选择功率管、 、极限参数应满足： 考虑到功率管静态电流，实际损耗要大一些，一般取，本设计取。 则 、极限参数为： ，取 ，取 ，取根据以为上参数，选择为 ？ 为？选择

30、的管子。4 选取、及（1） 确定由于、管取，所以流入、的基极电流因为、组成的电路均为共集电极电路，要使静态时稳定，则，取由1.7.3节所述，静态时， 所以， 取标称值。（2） 确定 的作用是使、微导通，即使、处于甲乙类工作状态，因此，只要使，则、处于微导通状态，取，由于前已取，所以 ，取标称值。（3） 确定管的射极电阻愈大，负反馈愈强，电路的温度稳定性愈好，但过大又会使极电位过高，所以确定主要从稳定性考虑。一般取，因为管为硅管，故，取，所以得到： ，取。5 选取管及其偏置电阻及因为管组成的电路为工作点稳定电路，选管的，则按照偏置电阻的原则： ，取 由于，由1.4.2节所述流过偏置电阻及的电流选

31、取原则，取 这样，得到所以，取标称值的电位器。三极管的最大反向电压应满足：，取三极管的最大功耗应满足：取 1.8函数发生器设计1.8.1 正弦波振荡器1工作原理基本正弦波振荡器如图1-17所示，它由运算放大器、决定电压放大倍数的电阻、及正反馈选频网络、组成。其中电阻、构成负反馈支路，其反馈组态为电压串联负反馈，它的主要作用是稳定电路的电压放大倍数、振荡幅值，并使输出电阻下降，以提高电路的带负载能力。由于串联型负反馈增加了电路的输入电阻，故减小了放大电路对串并联网络性能的影响，这样就减小了输出波形的失真。为了减小运算放大器输入失调电压，提高共模抑制比以及减小电源功耗，通常电阻选用1范围的金属膜电

32、阻，电容选用1000的独石电容。为了有利于振荡器起振并保持输出电压幅值稳定，常采用如图1-18所示电路。图中，、的作用是当电路刚开始起振时，的幅值很小，、相当于开路，等效电阻较大，这时较大，有利于迅速起振；当振荡建立起来后，二极管、导通，将减小，随之下降（），输出电压的幅值趋于稳定。振荡器的振荡频率，在合理选择运放和、参数的情况下，可以得到不同的振荡频率。正弦波振荡器的振荡频率通常小于。2设计举例设计一个振荡频率为的正弦波振荡器（1）确定电路形式及运算放大器由于采用正弦波振荡器，且振荡频率为，故选用带宽一般的运算放大器，这里，选用型运放。（2）确定选频网络参数由于正弦叔振荡器的振荡频率为，这样

33、，首先选择电容，电容选用独石电容，容量选择为；然后电阻，由于振荡频率为已知，故电阻(3)确定反馈网络电阻R及串并联选频网络反馈系数因为串并联选频网络的反馈系数当时， 由于振荡器起振条件为，而，故时，电路可以起振。由图1-18，电路的闭环电压增益，选，而故，得到，取。为了便于起振，在与运放输出端之间再串联一个电阻，取，并在二端并联两个二极管，二极管选用开关二极管，为了减小振荡频率的误差，将用精密可调电位器代替这样，得到如图1-18所示的正弦波振荡器。1.8.2 方波三角波正弦波函数发生器函数发生器能自动产生正弦波、三角波、方波、锯齿波、阶梯波等电压波形，电路使用的器件可以是分立元件，也可以是集成

34、电路（如单片集成电路函数发生器ICL8038）另外，还可以采用数字频率合成的方法用单片机实现。产生正弦波、方波、三角波的方案有很多种，可以先产生正弦波，然后通过整形电路将其变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；还可以先产生三角波方波，再将三角波变换成正弦波。本设计首先产生方波与三角波，然后将三角波变换成正弦波的电路设计方法，该方法组成的函数发生器框图如图1-19所示。1.方波三角波产生电路工作原理方波三角波产生电路如图1-20所示，其工作原理为：（1） 若断开A点，运放、及组成滞回电压比较器。其中为平衡电阻，其作用是减小共模输入电压；称为加速电容，其作用是加速比较器的翻转；运放的反相输入端

35、接基准电压，即=0，同相输入端接输入电压（由输出端电压引入）。由工作于非线性区运放的特点（运放工作于非线性区时，若,=），的输出的高电平近似等于正电源电压，的低电平近似等于负电源电压-。当，由叠加原理，式中为的正向峰值电压，为运算放大器的正向阀值电压，为运放的正向饱和电压，在数值上近似等于正电源电压。令，得当时，式中为的负向峰值电压，为运算放大器的负向阀值电压，为运放的负向饱和电压，在数值上近似等于负电源电压。令，得=回差电压=当时，= 运放的电压传输特性如图1-21所示。（2） 将A点断开后，运放、及组成反相积分器，电路如图1-20所示。因为 所以 则 上式等式两边积分，得又因为而（）将代入

36、得由于 故当时当时由此可见，当积分器输入方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形如图1-22所示。（3） A点闭合，即比较器与积分器首尾相边，形成闭环电路，则自动产生方波三角波三角波的幅度方波三角波的频率（由图1-22，输出电压从所需要的时间为振荡周期的一半，而积分电路输出电压的变化量为2，由式，而，故这样，所以三角波的频率）2三角波正弦波变换电路 图1-23为三角波正弦波变换电路。其中，调节三角波的幅值，调整电路的对称性，电阻用来减少差分电路的线性区，、为隔直电容，为滤波电容，以消除谐波分量，改善输出波形。三角波正弦波变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的饱和与截止特性进行

37、变换。（1）差动式放大电路的转输特性转输特性是指差分放大器在差模信号输入下，集电极电流随输入电压的变化规律，即，差分放大器传输特性曲线如图1-24所示。 当差模信号时，两管集电极电流相等，（为恒定电流）称点为静态工作点； 当增加时，增加，减少，如果的值较小（通常在以内），随而线性地增加， 随而线性地减小，的关系不变，称的这一变化范围为线性放大区。 当增加较大时（超过时），管的工作点趋近于饱和区，而管的工作点趋近于截止区，这时的增加和的减少都逐渐缓慢，随作非线性变化，称的这一变化范围为非线性放大区，若增大射极电阻，可加强电流负反馈，扩展线性区，缩小非线性区。如在图1-23所示电路中，在利用来调整

38、两射级电阻的电流负反馈作用自动调整两管电流的大小从而扩展了传输特性的线性范围，其缺点是传输特性的斜率变小，导致放大电路的放大倍数降低。 若再继续增加（超过时），管饱和，而管截止，不再随变化，称的这一变化范围为限幅区。（2）三角波正弦波变换的定量分析如前所述，三角波正弦波变换的原理是利用差分对管的饱和与截止特性进行变换的，当的变化范围逐渐扩大时，微变等效电路不再适用，而是要从三极管发射结结电压与发射极电流之间的基本关系来求出。即(当时)式中，为温度的电压当量，当室温为时，则再由将此二式联立求解，可得： ，如果为三角波， 当时，当时，式中，为三角波的幅度，为三角波的周期。得到 当时， 当时，这样，

39、或的曲线近似于正弦波，则差分放大器的输出电压亦近似于正弦波。 为使输出波形更接近正弦波，要求： 使特性曲线尽可能对称，线性区尽可能窄； 三角波的幅值应接近晶体管的截止电压值。1.8.3设计举例设计一个方波三角波正弦波函数发生器性能要求 频率范围 ，输出电压 方波24V，三角波8V，正弦波1V波形特性 方波30S，三角波2，正弦波5设计步骤：（1）确定电路形式及元件型号方式1，采用前述二级运放及差动电路组成的函数发生器，其中运放为方波产生器，运放为三角波产生电路，差动电路产生正弦波；方式2，采用555定时器产生方波，经运放产生三角波，然后用差动电路产生正弦波；方式3，采用专用芯片ICL8038产

40、生方波，三角波，正弦波。本例采用方式1组成函数发生器，方波及三角波发生器采用集成运放，正弦波产生电路采用单入单出差动放大电路，各部份电路电源，-。电路如图1-25所示。（2）计算元件参数由前所述电路的工作原理所得结论，对于由组成的方波发生器和为输出电压最大值，即=由设计题意，输出即三角波峰峰值，则=4V，其中为三角波最大值，将式变换，得到由于、组成的运放工作于线性区，工作于线性的运放电阻取值一般大于，这样，由于，若取，则取，取可调电阻，平衡电阻由于，可调电阻已选定，因而三角波频率这样，故 当时，取， 。当时，取，及取值不变，平衡电阻取。 三角波正弦波电路的参数选择原则是：隔直电容、要取得大，因

41、为输出频率很低，取，若含高次谐波成分较多，则一般为几十皮法至。与并联，以减少差分电路的线性区，差分电路的工作点可通过观测传输特性曲线、调整及电阻来确定。1.9集成直流稳压电源设计1.9.1直流稳压电源的基本组成直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本电路如图1-26所示。1直流稳压电源各部分电路的作用（1） 电源变压器 电源变压器的作用是将电网的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压。（2）整流电路利用具有单向导电性能的整流元件如二极管等，将交流电转换成单向脉动直流电的电路称为整流电路。在图1-25所示电路中，整流二极管D1D4组成单相桥式整流电路。（3）电容滤波电路整流电路可以将交流电转换为直流电，但脉动较大，在某些应用中如电镀、蓄电池充电等可直接使用脉动直流电源。但许多电子设备需要平稳的直流电源。这种电源中的整流电路后面还需加滤波电路将交流成分滤除，以得到比较平滑的输出电压。滤波通常是利用电容或电感的能量存储功能来实现的。（4）稳压电路 调整管与负载电阻相串联，组成串联式稳压电路。