模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第4版） 課件 第8、9章 直流穩(wěn)壓電源、電流模式電路基礎(chǔ)

第八章模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第4版)直流穩(wěn)壓電源“十二五”普通高等教育本科國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材01直流穩(wěn)壓電源的組成直流穩(wěn)壓電源的組成一般小功率(1kW以下)直流穩(wěn)壓電源的組成如圖8-1所示，它由以下四個(gè)部分組成。直流穩(wěn)壓電源的組成電源變壓器：電網(wǎng)提供50Hz,220V(或380V)的交流電壓。在一般情況下，電子設(shè)備所需的直流電壓的數(shù)值與電網(wǎng)電壓的有效值相差較大，因此需要通過(guò)電源變壓器降壓后，再對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行處理。直流穩(wěn)壓電源的組成整流電路：整流電路將正負(fù)交替的正弦交流電壓轉(zhuǎn)換為單一方向的脈動(dòng)電壓，但是這種脈動(dòng)的電壓含有很大的交流分量，與穩(wěn)定的直流電壓相差還很遠(yuǎn)。直流穩(wěn)壓電源的組成濾波電路：濾波電路利用儲(chǔ)能元件濾掉單向脈動(dòng)電壓中的脈動(dòng)成分，輸出較為平滑的直流電壓。對(duì)于穩(wěn)定性要求不高的電子電路，整流、濾波后的直流電壓可以直接作為供電電壓源。但是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或者負(fù)載變化時(shí)，濾波器輸出的直流電壓的幅值也會(huì)隨之變化，在要求穩(wěn)定性較高的電子設(shè)備中，這種情況是不符合要求的。直流穩(wěn)壓電源的組成穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的作用是使輸出的直流電壓在電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)能保持穩(wěn)定，并具有足夠高的穩(wěn)定度。02整流電路整流電路整流電路的作用是將正弦交流電壓轉(zhuǎn)換為單向脈動(dòng)電壓。利用二極管的單向?qū)щ娦钥梢詫?shí)現(xiàn)這一功能，因此二極管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。在小功率直流電源中，常用的整流電路有單相半波、單相橋式和倍壓整流電路等。整流電路1.單相半波整流電路2.單相橋式整流電路(1)輸出直流電壓(輸出電壓平均值)UO(AV)(2)二極管正向平均電流ID(AV)(3)整流輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)S(4)二極管承受的最大反向電壓UR整流電路整流電路03濾波電路濾波電路電容濾波電路在整流電路的輸出端即負(fù)載電阻兩端并聯(lián)一個(gè)電容即可構(gòu)成電容濾波電路，如圖8-6所示。濾波電路電容濾波電路1.濾波原理濾波電路電容濾波電路2.整流管的導(dǎo)通角及濾波電容的選擇濾波電路3.輸出電壓平均值Uo(Avj及脈動(dòng)系數(shù)S電容濾波電路濾波電路4.輸出特性(外特性)電容濾波電路濾波電路電感濾波電路電容濾波電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、直流輸出電壓高、紋波小等優(yōu)點(diǎn)。但是在大電流負(fù)載情況下，整流二極管的沖激電流很大，而且如果負(fù)載電阻R,很小，則勢(shì)必要求電容器的容量很大，這就使得整流管和電容器的選擇很不經(jīng)濟(jì)，甚至難于實(shí)現(xiàn)。濾波電路電感濾波電路濾波電路電感濾波電路電感濾波的優(yōu)點(diǎn)是整流管的導(dǎo)通角大(0=xm),峰值電流小，輸出電壓受負(fù)載電流的影響較小(外特性硬)。缺點(diǎn)是輸出直流電壓低，鐵心線圈的體積大、笨重，容易引起電磁干擾。電感濾波一般適用于低電壓、大電流的場(chǎng)合。濾波電路為了進(jìn)一步改善濾波效果，可以采用復(fù)式濾波電路。復(fù)式濾波電路的基本元件仍然是電容和電感，利用它們對(duì)直流量和交流量呈現(xiàn)不同阻抗的特點(diǎn)，將之合理地接入電路就可以達(dá)到濾波的目的復(fù)式濾波電路濾波電路復(fù)式濾波電路濾波電路電容濾波電路不同的濾波電路具有不同的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合，現(xiàn)將各種濾波電路的性能列于表8-2中，以便讀者進(jìn)行比較。濾波電路電容濾波電路04倍壓整流電路倍壓整流電路利用電容的儲(chǔ)能作用以及二極管的整流、引導(dǎo)作用，將較低的直流電壓分別存儲(chǔ)在多個(gè)電容器上，從而獲得幾倍于變壓器副邊電壓的輸出電壓，稱為倍壓整流電路。倍壓整流電路1.二倍壓整流電路倍壓整流電路2.多倍壓整流電路倍壓整流電路電感濾波電路電感濾波的優(yōu)點(diǎn)是整流管的導(dǎo)通角大(0=xm),峰值電流小，輸出電壓受負(fù)載電流的影響較小(外特性硬)。缺點(diǎn)是輸出直流電壓低，鐵心線圈的體積大、笨重，容易引起電磁干擾。電感濾波一般適用于低電壓、大電流的場(chǎng)合。05線性穩(wěn)壓電路線性穩(wěn)壓電路所謂線性穩(wěn)壓電路，是指調(diào)整管工作在線性放大區(qū)的穩(wěn)壓電路；而開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路中調(diào)整管工作在開(kāi)、關(guān)兩種狀態(tài)。線性穩(wěn)壓器具有穩(wěn)定性好、輸出電壓紋波小、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，適合在穩(wěn)定性要求較高或小功率的場(chǎng)合下使用，如無(wú)線電設(shè)備、測(cè)量?jī)x器、醫(yī)療器械等。線性穩(wěn)壓電路1.穩(wěn)壓系數(shù)SV;2.輸出電阻RO;3.溫度系數(shù)ST;4.紋波電壓。穩(wěn)壓電路的質(zhì)量指標(biāo)線性穩(wěn)壓電路線性穩(wěn)壓電路有串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種。串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路是在輸入電壓和負(fù)載之間串聯(lián)一個(gè)調(diào)整管，所以叫做串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，是目前使用最多的線性穩(wěn)壓電路。串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路線性穩(wěn)壓電路三端集成穩(wěn)壓器按照性能和用途不同，可以分成兩大類，一類輸出電壓是固定的，稱為固定輸出三端穩(wěn)壓器；另一類輸出電壓是可調(diào)的，稱為可調(diào)輸出三端穩(wěn)壓器。其基本原理相同，均采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。集成線性穩(wěn)壓電路線性穩(wěn)壓電路線性穩(wěn)壓電路有串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種。串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路是在輸入電壓和負(fù)載之間串聯(lián)一個(gè)調(diào)整管，所以叫做串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，是目前使用最多的線性穩(wěn)壓電路。串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路06開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路1.開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路的特點(diǎn)和分類；2.串聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路；(1)電路組成；(2)PWM控制器的工作原理；(3)換能電路的工作原理；開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路4.穩(wěn)壓過(guò)程；5.并聯(lián)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路；6.集成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器及其應(yīng)用；感謝觀看模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第4版)“十二五”普通高等教育本科國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材第九章模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第4版)電流模式電路基礎(chǔ)“十二五”普通高等教育本科國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材01電流模式電路的一般概念電流模式電路的一般概念1.引言在電子電路中，尤其是在模擬電子電路中，人們長(zhǎng)久以來(lái)習(xí)慣于采用電壓而不是電流作為信號(hào)變量，并通過(guò)處理電壓信號(hào)來(lái)決定電路的功能。依此促成了大量電壓信號(hào)處理電路或稱電壓模式(簡(jiǎn)稱電壓模)電路的誕生和發(fā)展。自從1965年第一片商用電壓模式集成運(yùn)算放大器問(wèn)世以來(lái)，更加確定了以電壓模運(yùn)算放大器為標(biāo)準(zhǔn)部件的模擬集成電路在模擬信號(hào)處理中的主宰地位。電流模式電路的一般概念2.什么是電流模電路電路中的電壓信號(hào)和電流信號(hào)總是彼此關(guān)聯(lián)、相互作用的，任何處理電流信號(hào)的電路必然會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部電壓信號(hào)的擺幅。但是，作為電流模電路，電路的功能取決于電流信號(hào)的處理結(jié)果，而那些內(nèi)部電壓信號(hào)擺幅應(yīng)盡量減小，因?yàn)樗鼈儗?duì)電路的功能不起決定性作用。相反，當(dāng)選用電壓而不是電流作為電路中的信號(hào)變量，并通過(guò)處理電壓信號(hào)決定電路的功能時(shí)，稱為電壓模電路。電流模式電路的一般概念3.電流模電路的特點(diǎn)(1)阻抗水平有別；(2)速度高，頻帶寬；(3)電源電壓低，功耗小；(4)非線性失真??；(5)采用跨導(dǎo)線性原理簡(jiǎn)化電路運(yùn)算；(6)動(dòng)態(tài)范圍大；02跨導(dǎo)線性的基本概念跨導(dǎo)線性的基本概念跨導(dǎo)線性環(huán)路1.跨導(dǎo)線性環(huán)路(TranslinearLoop,TL)由正偏的發(fā)射結(jié)或二極管PN結(jié)組成的閉合環(huán)路，當(dāng)其中順時(shí)針?lè)较虻恼Y(jié)數(shù)等于反時(shí)針?lè)较虻恼Y(jié)數(shù)時(shí)，這種環(huán)路稱為跨導(dǎo)線性環(huán)路，如圖9-1所示。跨導(dǎo)線性的基本概念跨導(dǎo)線性環(huán)路跨導(dǎo)線性的基本概念跨導(dǎo)線性環(huán)路2.跨導(dǎo)線性原理利用圖9-1(a)可推導(dǎo)出跨導(dǎo)線性環(huán)路中各晶體管電流間的約束關(guān)系，因?yàn)榭鐚?dǎo)線性環(huán)路中的各BJT管必須處在正偏放大區(qū)，所以環(huán)路中第j個(gè)晶體管集電極電流的傳輸方程可表示為電流模式電路的一般概念由TL構(gòu)成的電流模電路1.甲乙類互補(bǔ)推挽輸出極電路電流模式電路的一般概念由TL構(gòu)成的電流模電路2.TL電流增益單元及多級(jí)電流放大器(1)Gilbert電流增益單元電流模式電路的一般概念由TL構(gòu)成的電流模電路(2)多級(jí)電流增益電流模式電路的一般概念由TL構(gòu)成的電流模電路3.TL模擬乘法器單元(1)一象限乘除法器(2)兩象限乘除法器電流模式電路的一般概念由TL構(gòu)成的電流模電路(3)四象限TL乘法器03電流傳輸器電流傳輸器電流傳輸器端口特性1.第一代電流傳輸器(CCI)Smith和Sedra在1968年提出的第一代電流傳輸器是接地的三端口網(wǎng)絡(luò)，即四端器件，其電路符號(hào)如圖9-12所示。電流傳輸器電流傳輸器端口特性電流傳輸器電流傳輸器端口特性2.第二代電流傳輸器(CCⅡ)為增加電流傳輸器的通用性，Smith和Sedra在1970年對(duì)CCI的特性加以改進(jìn)，提出了沒(méi)有電流流入Y端口的第二代電流傳輸器，其電路符號(hào)如圖9-14所示。電流傳輸器電流傳輸器端口特性電流傳輸器電流傳輸器端口特性3.改進(jìn)的第二代電流傳輸器(1)雙輸出端CCⅡ(DOCCⅡ)；(2)差動(dòng)電壓輸入CCⅡ(DVCCⅡ)。電流傳輸器電流傳輸器基本應(yīng)用此外，由于電流傳輸器(CCⅡ)具有高阻抗(電壓)輸入端口和低阻抗(電流)輸入端口，所以用電流傳輸器既可以方便地構(gòu)成電壓模應(yīng)用電路，也可以方便地構(gòu)成電流模應(yīng)用電路。電流傳輸器電流傳輸器基本應(yīng)用1.有源網(wǎng)絡(luò)元件的模擬(1)四種受控源的模擬；電流傳輸器電流傳輸器基本應(yīng)用(2)負(fù)阻抗變換器由CCⅡ構(gòu)成的負(fù)阻抗變換器如圖9-19所示。其中圖(a)是接地式，圖(b)是浮地式。電流傳輸器電流傳輸器基本應(yīng)用2.模擬信號(hào)運(yùn)算電路(1)電流放大器；(2)電流微分器；(3)電流積分器；(4)電流加法器；(5)電壓放大器；(6)電壓積分器；(7)電壓加法器；04跨導(dǎo)運(yùn)算放大器跨導(dǎo)運(yùn)算放大器概述跨導(dǎo)放大器的輸入信號(hào)是電壓，輸出信號(hào)是電流，增益叫跨導(dǎo)，用G.表示。集成跨導(dǎo)放大器可分為兩種，一種是跨導(dǎo)運(yùn)算放大器(OperationalTransconductanceAmplifier,OTA);另一種是跨導(dǎo)器(Transconductor)?？鐚?dǎo)運(yùn)算放大器OTA的基本概念OTA是一種雙極型集成工藝制作的通用標(biāo)準(zhǔn)部件，其電路符號(hào)如圖9-28所示，它有兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端，一個(gè)控制端?？鐚?dǎo)運(yùn)算放大器OTA的基本概念以上通過(guò)對(duì)OTA基本概念的介紹可看出，與常規(guī)的電壓型(電壓輸出/電壓輸入)運(yùn)算放大器比較，OTA具有下列性能特點(diǎn)；①輸入電壓控制輸出電流，開(kāi)環(huán)增益是以S為單位的跨導(dǎo)；②增加了一個(gè)控制端，改變控制電流(即偏置電流In)可對(duì)開(kāi)環(huán)增益Gm進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)；③它還具有電流模電路的特點(diǎn)，如頻帶寬，高頻性能好等?？鐚?dǎo)運(yùn)算放大器雙極型集成OTA1.雙極型OTA結(jié)構(gòu)框圖跨導(dǎo)運(yùn)算放大器雙極型集成OTA2.基本型OTA電路(1)電路組成;(2)傳輸特性分析;跨導(dǎo)運(yùn)算放大器OTA電路的應(yīng)用原理1.增益可控電壓放大器跨導(dǎo)運(yùn)算放大器OTA電路的應(yīng)用原理2.模擬電阻在集成電路中，常用有源器件實(shí)現(xiàn)的模擬電阻代替無(wú)源電阻，既可以節(jié)省芯片面積，又可以改善電路性能。用OTA可以方便地設(shè)計(jì)一端接地或兩端都浮地的模擬電阻，其優(yōu)點(diǎn)是模擬電阻的值連續(xù)可調(diào)，高頻性能好?？鐚?dǎo)運(yùn)算放大器OTA電路的應(yīng)用原理3.回轉(zhuǎn)器回轉(zhuǎn)器的基本性能是實(shí)現(xiàn)阻抗倒置，即從其一端視入的阻抗等于另一端所接阻抗的倒數(shù)乘以常數(shù)。利用回轉(zhuǎn)器的阻抗倒置作用，可以借助電容來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬電感，這在集成電路的設(shè)計(jì)中很有實(shí)用價(jià)值?？鐚?dǎo)運(yùn)算放大器雙極型集成OTA4.模擬可變電容器電容可以用集成工藝制作，但是集成可變電容仍然比較麻煩。利用OTA回轉(zhuǎn)器的阻抗倒置作用和阻抗可調(diào)節(jié)特性，對(duì)一個(gè)已知電容進(jìn)行兩次回轉(zhuǎn)，則可以實(shí)現(xiàn)電容值的連續(xù)調(diào)節(jié)?？鐚?dǎo)運(yùn)算放大器雙極型集成OTA5.加法器將多個(gè)OTA的輸出端并聯(lián)，使它們的輸出電流相加并在一個(gè)負(fù)載電阻