实用电路讲座

1. 实用电路讲座 电子信息工程学院 孙强

2. 集成运放电路 • 运算电路 1.反相输入求和电路 当              时，输出等于两输入反相之和。

3. 对运放同相输入端的电位可用叠加原理求得： 而 由此可得  式中，。 当 时              • 同相输入求和电路

4. 指数运算电路 • 对数运算电路

5. 电压电流转换电路 电压-电流和电流-电压变换器广泛应用于放大电路和传感器的连接处

6. (a) (b) 由图（a）可知 所以输出电流与输入电压成比例。   对图（b）电路， R1和R2构成电流并联负反馈； R3 、R4和RL构成电压串联正反馈。由图可得 可解得：

7. 波形产生电路 • RC 桥式正弦波振荡电路 图中 R 1 ， R f 和集成运放组成基本放大器， RC 串并联选频网络组成反馈网络将输出信号的一部分正反馈到输入端。可以证明；满足振荡器相位条件的输出频率为 f 0 =1/2 π RC ，而振幅条件为 R f ≥ 2R 1 。故该电路输出正弦波频率为

8. 方波电压只有高电平和低电平两种状态。左图图是一个基本的方波形成电路，它由反相输入的滞回比较器和 RC 电路组成。 RC 回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过 RC 充放实现输出高低电平的自动转换。 图中滞回比较器的输出电压 u o = ± U Z ，阈值电压为 ± U T = • 方波形成电路

9. 当输出电压为高电平 +U Z 时，同相输入端电位 u p =+U T 。输出电压 u o 通过 R 3 向电容 C 正向充电，如图中实线箭头所示。随着时间上升，电容电压即运放反相输入电压不断上升。当该电压稍大于 +U T 时，集成运放输出电压迅速变为低电平－ U Z ，同时同相输入端电位 u p 从 +U T 跃变为－ U T 。随后，电容器通过 R 3 放电，如图中虚线所示。随着放电不断进行，电容电压即反相输入端电压不断下降。当该电压一旦稍小于－ U T 时，输出电压便以－ U Z 跃变到＋ U Z ，电容又开始被正向充电。新的一轮变化又开始，电路周而复始地变化，自激振荡产生方波输出。左图是电容电压和输出电压的变化波形：

10. 锯齿波形成电路 锯齿波产生电路可以由三角波产生电路演变而成。下面是一个三角波形成电路： 左图中虚线左边为一同相输入滞回比较器，右边为积分运算电路。滞回比较器的输出 u o1 只有高电平和低电平两种状态。当 u o1 为高电平时，该电压通 R 3 对电容器 C 充电，积分器输出电压 u o 线性下降；当 u o1 为低电平时，电容器 C 通 R 3 放电，积分器的输出电压线性上升。

11. 两电压的波形图如下所示 由左图可见，积分器的输出电压uo便是一个三角波。如果改变积分器的正向和反向积分的时间常数，使两者不等，那么积分器输出电压uo上升和下降的斜率便不同，这样就可得到一个锯齿波电压。

12. 在积分器的R3和电容器C充放电回路中加入一对二极管和一个电位器RW ，调节电位器RW，便可使积分器的正，反向积分的时间常数不等，从而得到不同的锯齿波。其电路图和相应的波形图如下所示：

13. 由图可见，当滞回比较器输出为高电平时，充电回路为R3，D1，RW上部和电容器 C ；当滞回比较器输出为低电平时，放电回路为电容器C，RW下部，D2和R3。只要RW的上，下部电阻不等，充放电时间常数就不同，积分器输出uo便是一个锯齿波电压。     通过分析计算，可得以下公式：     下降时间 T1=2R1* R3*C/R 2 上升时间 T2=2R1*(R3+RW)C/R 2 振荡周期 T=2R1*(2R3+RW)C/R 2

14. 有源滤波器设计 • 二阶LPF的电路图如图（a）所示，幅频特性曲线如图(b)所示 (a) (b)

15. （1）通带增益 当f = 0时，各电容器可视为开路，通带内的增益为 (2）二阶低通有源滤器传递函数 通常有 ，联立求解以上三式，可得滤波器的传递函数 (3)通带截止频率 将s换成jω，令 可得 解得截止频率： 与理想的二阶波特图相比，在超过 以后，幅频特性以40 dB/dec的速率下降，比一阶的下降快。但在通带截止频率 之间幅频特性下降的还不够快。 当 时，上式分母的模

16. 有源高通滤波器(HPF) 二阶压控型有源高通滤波器的电路图如13.12图所示 二阶压控型HPF 二阶压控型HPF频率特性

17. （1）通带增益 (2)传递函数 （3）频率响应 令 ， ，则可得出频响表达式 由此绘出的频率响应特性曲线如上图所示 结论：当 时，幅频特性曲线的斜率为+40 dB/dec； 当 ≥3时，电路自激。

18. MOS模拟集成电路 • MOS单极放大器 E/E型NMOS单极放大器 常 用 的 电 路 形 式 E/D型NMOS单极放大器 CMOS单极放大器 推挽式CMOS单极放大器

19. IO G1 D1 + + N2 rds1 Ui RL2 UO + gm1Ugs1 N1 + UO - - Ui S1 - - RL2 E/E型NMOS单极放大器 UDD ro 电压增益

20.  E/E型NMOS单极放大器 通常rds1>>RL2 其中 当两管K’、ID相等时

21. 结论：  E/E型NMOS单极放大器 电压增益 2<<1时 很高，一般可达1010 输入电阻 输出电阻

22. IO G1 D1 + + N2 rds1 Ui RL2 UO + gm1Ugs1 N1 + UO - - Ui S1 - - RL2 E/D型NMOS单极放大器 UDD ro 电压增益

23.  E/D型NMOS单极放大器（续） 与E/E型比较 由此可见：AUD比AUE大一个数量级，约为几十倍。是重要的NMOS放大器

24. 结论： 电压增益 很高，一般可达1010 输入电阻 输出电阻 • 电压增益约为几十倍，是主要的NMOS放大器

25. IO G1 D1D2 + + D1 rds1 Ui rds2 UO gm1Ugs1 G1 S1 - - S1 S2 G2 S2 G2 D2 CMOS有源负载放大器 UDD EG UO Ui ro - USS 电压增益

26. 特点： gds比gmb2、gm 小1~2个数量级  CMOS有源负载放大器 电压增益 很高，一般可达1010 输入电阻 输出电阻 1. 增益高 --几百倍乃至上千倍 2. 可在较低的电流下工作，有利于降低功耗 3. 输出电阻比E/E型和E/D型高

27. G1 G2 D1 D2 + + gm1Ugs1 D1 rds1 rds2 Ui UO gm1Ugs1 G1 - Ui S1 - S1 S2 S2 G2 D2 CMOS互补放大器 UDD ro=rds1//rds2 Id2 UO Id1 由图可看出 Ugs1=Ugs2=Ui 如gm1=gm2=gm ro - USS 电压增益

28. 特点：  CMOS互补放大器 电压增益 输出电阻 1. 增益高 --是CMOS有源负载放大器的2倍 2. 输出电阻与CMOS有源负载放大器相同 存在问题： 级联存在电平匹配困难，因此一般作输出级

29. MOS管开关电容电路 时钟信号 MOS开关电容电路 = MOS模拟开关 + MOS电容 电荷的存储与转移 SC等效电阻电路 SC积分电路 SC电路 + 运算放大器 SC滤波电路 ***

30.  C T1    C + + + + T2 T2 T1 U2 U1 U2 U1 - - - - MOS管开关电容电路  SC等效电阻电路 分 类 并联型： 开关或电容并接在不同臂上 串联型： 开关或电容串接在同一臂上

31. 通 止  1 2 T1 T2   TC C + + U2 U1 - - 止 通 MOS管开关电容电路 和是同频，同幅 相位相反 并联型SC等效电阻电路  当为高电平时, 电容上存储的电荷量为 Q1=CU1 当为低电平时, 电容上存储的电荷量为 Q2=CU2 在一个周期TC内， 由C从1端传送2端的电荷量: Q =C(U1-U2)

32. MOS管开关电容电路 并联型SC等效电阻电路 在一个周期TC内， 由C从1端传送到2端的电荷量: Q =C(U1-U2) 在一个周期TC内， 由C从1端传送到2端的平均电流: 1，2端的等效电阻为 R

33.  1 2 R 2 1 T1 T2  C + + + + U1 U2 U2 U1 和的频率 - - - - R MOS管开关电容电路 并联型SC等效电阻电路 注意： 用SC等效电阻代替常规电阻必须满足两个条件 1. 采样频率fC比信号的最高频率fS要高得多， 即fC>>fS 2. 1端和2端的电压不受开关闭合的影响

34.  通 止 C T1  + + T2 U2 U1 - - 止 通 MOS管开关电容电路 串联型SC等效电阻电路 R 当为高电平时, 电容上存储的电荷量为 Q1=C（U1-U2） 当为低电平时, 电容将存储的电荷泄放悼 Q2=0 在一个周期TC内， 由C从1端传送2端的电荷量: Q =C(U1-U2)

35.   - R Ui Ui + T1 T2 Uo C C2 1 R= fCC1 MOS管开关电容电路  SC积分器 SC等效电阻代替R 可知： fC一定，AUf(j)只与C1和C2比值有关，而与它们的绝对值无关。

36. AU(dB) R 2 1 C  + + Ui UC - - MOS管开关电容电路  SC低通滤波器 RC低通滤波 -20dB/十倍频 o 式中o=1/R1C 低频截止频率

37. Rf - R2 + Uo Ui C R1 MOS管开关电容电路  SC低通滤波器 有源一阶低通滤波 如图中的所有电阻用SC等效电阻代替

38.     - Cf C2   + Uo Ui C1 C 低频截止频率 —— o=fCC1/C 电压增益与低频截止频率都只与电容比有关

39. 555 时基电路及其应用 集成时基电路又称为集成定时器或555 电路，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，应用十分广泛。外加电阻、电容等元件可以构成多谐振荡器，单稳电路，施密特触发器等。

40. 555 定时器的内部框图及引脚排列

41. 1．555 定时器的工作原理 定时器内部由比较器、分压电路、RS 触发器及放电三极管等组成。分压电路由三个5K 的电阻构成，分别给1 A 和2 A 提供参考电平2/3 UDD和1/3 U DD。1 A 和2 A 的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。。当输入信号自6 脚输入大于2/3 UDD时，触发器复位，3 脚输出为低电平，放电管T 导通；当输入信号自2 脚输入并低于1/3 UDD时，触发器置位，3 脚输出高电平，放电管截止。4 脚是复位端，当4 脚接入低电平时，则U0=0；正常工作时4 接为高电平。5 脚为控制端，平时输入2/3 UDD作为比较器的参考电平，当5 脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制。如果不在5 脚外加电压通常接0.01μF 电容到地起滤波作用，以消除外来的干扰，确保参考电平的稳定。

42. 555 定时器的功能表

43. 典型应用 • 构成单稳态触发器

44. 电路如图 所示，接通电源→电容C 充电（至2/3 DD U ）→RS 触发器置0→ U o =0，T 导通，C 放电，此时电路处于稳定状态。当2 加入i V ＜1/3 UDD 时，RS 触发器置1，输出o U =1，使T 截止。电容C 开始充电，按指数规律上升，当电容C 充电到2/3 UDD 时， 1 C 翻转，使输出U o =0。此时T 又重新导通，C 很快放电，暂稳态结束，恢复稳态，为下一个触发脉冲的到来作好准备。其中输出U o脉冲的持续时间W t =1.1RC,一般取R=1kΩ--10MΩ，C＞1000PF。

45. 多谐振荡器 多谐振荡器的电路图和波形图

46. 电路由555 定时器和外接元件 R 1、 R 2、C 构成多谐振荡器，脚2 和脚6 直接相连。电路无稳态，仅存在两个暂稳态，亦不需外加触发信号，即可产生振荡。电源接通后， U DD通过电阻 R 1、 R 2向电容C 充电。当电容上电Uc =2/3 U DD时，阀值输入端⑥受到触发，比较器C1 翻转，输出电压U o =0，同时放电管T 导通，电容C 通过R2 放电；当电容上电压U c =1/3 U DD ，比较器 A 2工作，输出电压U o变为高电平。C 放电终止、又重新开始充电，周而复始，形成振荡。电容C 在1/3 UDD ～2/3 U DD之间充电和放电，其波形图见图3。555 电路要求 R 1、R 2与均应大于或等于1kΩ，使 R 1＋ R 2应小于或等于3.3MΩ。

47. 施密特触发器 施密特触发器 电压传输特性

48. 电路如图 所示， U s为正弦波，经D 半波整流到555 定时器的2 脚和6 脚，当Ui 上升到2/3 U DD时， U o从1→0； U i下降到1/3 U DD时，Uo 又从0→1。电路的电压传输特性如图 所示。 回差电压： ΔU =1/3 DD