1、电工电子技术项目化教程任务目标任务目标学习目标：仪用放大电路的基本原理能力目标：仪用放大电路的设计任务分析任务分析随着电子技术的飞速发展，运算放大电路也得到广泛的应用。仪表放大器是一种精密差分电压放大器，它源于运算放大器,且优于运算放大器。仪表放大器把关键元件集成在放大器内部，其独特的结构使它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点,使其在数据采集、传感器信号放大、高速信号调节、医疗仪器和高档音响设备等方面倍受青睐。仪用放大器结构仪用放大器结构组成：它主要由两级差分放大器电路构成。其中，运放A1，A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路
2、的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。这样在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR要求不变情况下，可明显降低对电阻R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的条件下，如图电路的增益为：G=(1+2R1/Rg)Rf/R3。由公式可见，电路增益的调节可以通过改变Rg阻值实现。任务目标任务目标学习目标：程控增益放大器的基本原理能力目标：程控增益放大
3、器的设计任务分析任务分析在很多信号采集系统中,信号变化的幅度都比较大,如果采用单一的放大增益,那么放大以后的信号幅值有可能超过A/D 转换的量程,所以必须根据信号的变化相应调整放大器增益。在自动化程度要求较高的系统中,用手工切换电阻来改变放大器增益的方法是不可取的,这就希望能够在程序中用软件控制放大器的增益,或者放大器本身能够自动调整增益到合适的范围。在实际中，通常采用具有程控增益放大功能的集成芯片来完成。4.2.1 4.2.1 典型芯片典型芯片近年来,一些著名的模拟器件生产厂家,如AD(A nalog Device)公司、BB(BU RR-BROWN)公司等都推出了一系列具有程控增益功能的芯
4、片。这些芯片的性能优越,使用方法简单明了,只需很少的外围器件就能构成一个完美的程控增益放大器。任务目标任务目标学习目标：学习一阶有源和二阶有源低通、高通、带通和带阻滤波器电路的组成、特性和参数。能力目标：掌握二阶低通、高通、带通和带阻滤波器设计方法任务分析任务分析通过对有源滤波器有关概念的学习，根据用户需求设计出二阶有源低通、高通、带通和带阻滤波器电路。4.3.14.3.1有源滤波器有源滤波器1.1.概念概念有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。它是在运算放大器的基础上增加一些R、C等无源元件而构成的。通常有源滤波器分为：低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF
5、）、带阻滤波器（BEF）。它们的幅度频率特性曲线如图所示。滤波器也可以由无源的电抗性元件或晶体构成，称为无源滤波器或晶体滤波器。2.用途滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。滤波过程如图所示。4.3.24.3.2有源低通滤波器有源低通滤波器(LPF)(LPF)1 低通滤波器的主要技术指标1.通带增益Avp通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数，性能良好的LPF通带内的幅频特性曲线是平坦的，阻带内的电压放大倍数基本为零。2.通带截止频率fp其定义与放大电路的上限截止频率相同。通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性
6、越好。2 RC低通滤波器的频率特性1.频率特性的相关概念可以将RC低通滤波器看成一个双端口网络,双端口网络的示意图如图所示。该二端口网络的传递函数为：其中：()()jHje 转移函数的幅频0i()UU 转移函数的相频特性2.一阶无源RC低通滤波电路转移函数:令得：其幅频特性:c1RCw=3.简单一阶有源低通有源滤波器一阶有源低通滤波器的电路如图所示，其幅频特性见图中虚线为理想的情况，实线为实际的情况。特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。一阶低通滤波器的传递函数如下:其中 )(10pIOsAsVsVsAvRC104.简单二阶低通有源滤波器为了使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效
7、果，再加一节RC低通滤波环节，称为二阶有源滤波电路。它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。1.通带增益当 f=0,或频率很低时，各电容器可视为开路，通带内的增益为Avp=1+Rf/R2.二阶低通有源滤波器传递函数3.通带截止频率5.二阶压控型低通滤波器二阶压控型低通有源滤波器如图所示。其中的一个电容器C1原来是接地的，现在改接到输出端。显然C1的改接不影响通带增益。二阶压控型LPF的传递函数频率响应定义有源滤波器的品质因数 Q 值为 时，的电压放大倍数的模与通带增益之比)j(3pp)(-0vvffvAAA 2ppio)3(1sCRsCRAAsVsVsAvvvp-31vAQ 1fp+1=RRAv4.
8、3.3.3有源高通滤波器有源高通滤波器高通滤波器和低通滤波器具有对偶关系。电路结构对偶，只要将LPF中的RC互换位置，便得到HPF。传递函数：其中：2pp2)()3(1)(=)(sCRsCRAAsCRsAvvv4.3.4.4 有源带通滤波器有源带通滤波器(BPF)(BPF)和带阻滤波器和带阻滤波器(BEF)(BEF)有源带通滤波器有源带阻滤波器带通滤波器是由低通RC环节和高通RC环节组合而成的。要将高通的下限截止频率设置的小于低通的上限截止频率。反之则为带阻滤波器。要想获得好的滤波特性，一般需要较高的阶数。滤波器的设计计算十分麻烦，需要时可借助于工程计算曲线和有关计算机辅助设计软件。例题4-2
9、2如图下中：要求二阶压控型LPF的f0=400Hz,Q值为0.7，试求电路中的电阻、电容值。解：根据f 0 ，选取C再求R。1.C的容量不易超过。因大容量的电容器体积大，价格高，应尽量避免使用。取C=0.1F,1KR 0V T1导通，T2截止 iL=iE1;ui 信号的最长周期，其效果相当于电压为+VCC/2和-VCC/2的OCL电路。计算时将OCL公式中的VCC用VCC/2代替即可。任务目标任务目标学习目标：学习正弦波振荡条件；学习三点式LC振荡电路的种类和判定条件；学习RC桥式振荡电路的组成、频率计算方法能力目标：能够完成正弦波信号发生器的设计任务分析任务分析根据设计题目要求，分析工作原理
10、，选择所需的电子元器件，画出电路组成框图，完成电路各部分的指标分配，计算各单元电路的参数和确定各元件的参数值，了解主要元器件的功能及相互之间的控制关系和数据传输。4.5.14.5.1振荡产生的条件振荡产生的条件振荡器产生的信号是“自激”的，通常称为自激振荡器。（1）自激振荡的形成1自激振荡的现象通过扩音系统中的自激现象，感受放大器自激的效果，示意图见图。2正弦波振荡电路的组成正弦波振荡电路由放大器、反馈电路、选频网络和稳幅电路等部分组成，具体组成见图。1）放大电路2）反馈网络3）选频网络4）稳幅电路由于电路通电的瞬间，电路将产生微小的噪声或扰动信号电路对频率为f0的正弦波产生正反馈过程，则输出
11、信号uouf（ui）uo。于是uo越来越大，由于管子的非线性特性，当uo的幅值增大到一定程度时，放大倍数将减小（稳幅）电路达到动态平衡。4.5.24.5.2常用振荡电路常用振荡电路正弦波振荡电路按反馈网络性质分类可分为两大类：lRC振荡电路 由电阻、电容元件和放大电路组成 的振荡电路；lLC振荡电路（含石英晶体振荡电路）是由电感、电容元件和放大电路组成的振荡电路；（1）.RC桥式振荡电路1RC网络的选频特性将电阻R1与电容C1串联、电阻R2与电容C2并联所组成的网络称为RC串并联选频网络，如图所示。通常选取R1=R2=R，C1=C2=C。1）谐振频率f0取决于选频网络R、C元件的数值，计算公式
12、为：f0=2）当输入信号的频率f=f0时，输出电压uo幅度最大为1/3。其输出信号与输入信号之间的相移F=0。3）在ff0，输出电压幅度很快衰减，其存在一定的相移。所以RC串并联网络具有选频特性。C21R2RC桥式正弦波振荡电路1）电路组成由R1 C1和R2 C2构成具有选频作用的正反馈支路。由同相输入运放构成的放大器，二者构成了正反馈放大器。2）振荡原理相位条件 同相放大器的输入与输出信号相位差为0，RC串并联选频网络的移相也为0，满足正弦波振荡的相位平衡条件。幅度条件 f=f0时，RC选频网络反馈系数F=1/3。同相放大器的放大倍数只要R3和R4的取值满足R42R3时，A3，振荡电路就满足
13、振荡的幅度平衡条件AF1。341RRA3）振荡频率通常情况下选取R1=R2=R，C1=C2=C，则振荡频率为：f0=3RC振荡电路的稳幅如图所示是利用二极管的非线性特性自动完成稳幅的。C21R当振荡电路输出幅值增大时，流过二极管的电流增大使二极管的动态电阻减小、同相放大器的负反馈得到加强，放大器的增益下降，从而使输出电压稳定。还可以将电阻R4选用负温度系数热敏电阻，当输出电压升高时，通过负反馈电阻R4的电流增大，即温度升高，R4阻值减小，负反馈增强，输出幅度下降，从而实现稳幅。稳幅的过程可以用仿真软件进行验证，仿真界面见图。4.输出频率的调整通过调整R或/和C来调整频率。具体电路图见图。K：双
14、联波段开关，切换R，用于粗调振荡频率。C：双联可调电容，改变C，用于细调振荡频率。【例4-3】在图8-7所示电路中，已知电容的取值分别为0.02F、0.2F、2F和20F，电阻R=100，电位器RW=20k。试求f0的调节范围。解：由于所以f0的最小值为f0的最大值为综合得到f0的调节范围为0.79Hz79.6kHz0w12fRRC0min36wmaxmax11Hz0.79Hz2210020 1020 10fRRC0max6wminmin11Hz79.6kHz2()2100 0.02 10fRRC电路评价：RC桥式振荡电路的频率调节方便，波形失真度小，频率调节范围宽，适用于所需正弦波振荡频率较
15、低的场合。当振荡频率较高时，应选用LC正弦波振荡电路。2.LC正弦波振荡电路RC振荡电路产生的频率一般在1MHz以下，要产生更高频率的正弦波，则可采用LC正弦波振荡电路。LC正弦波振荡电路最高可产生1000MHz以上的正弦波。由于普通运算放大器的频率上限不高，而高速集成运放价格较高，所以LC正弦波振荡电路一般采用分立元件。LC正弦波振荡电路的选频网络为LC反馈网络。LC振荡电路分为变压器反馈式LC振荡电路、电感三点式LC振荡电路、电容三点式LC振荡电路。LC三点式振荡电路实际上就是将电路中三极管的3个电极分别接到谐振回路的3个端点上，三点式电路的交流通路的一般形式如图所示。1.三点式振荡电路的
16、相位平衡条件在图8-8中，用X1、X2、X3分别表示谐振回路的3个电抗元件。电感三点式X1、X2都是感抗，电容三点式X1、X2都是容抗。可以证明，三点式振荡电路的相位平衡条件判断法则如下所述。由于放大器的输出电压Uo,与输入电压 Ui 反相，因而要满足起振的相位条件，必须要求 Uf(即为 Ui)与 Uo反相。根据上式可见，X1与X2应为同性质电抗，而X3就必须是异性电抗，才能满足回路所有电抗总和为零的要求。这就是三点式电路的组成法则。综上所述，三点式振荡器的相位条件判断法则为：lX1与X2为同性电抗元件，或者说，与发射极相连接的为同性电抗lX3与X1、X2互为异性电抗，或者说，不与发射极相连接
17、的为异性电抗。2电感三点式振荡电路1）电路组成Rb1、Rb2和Re为偏置电阻。L1、L2和C组成了选频网络，反馈电压取自L2两端。Cb为耦合电容，Ce为旁路电容。由于电感的三个引出端分别与三极管的三个电极相连，所以称为电感三点式振荡电路。电感三点式振荡电路，就是与发射极相连接两个电抗元件同为电感，另一个电抗元件为电容。即X1与X2为电感，X3为电容。2）振荡频率 电路的振荡频率等于LC并联电路的谐振频率，即 式中，L=L1L22M，其中M是L1与L2之间的互感系数。3）电路评价：电感三点式振荡电路结构简单，容易起振，改变绕组抽头的位置，可调节振荡电路的输出幅度。采用可变电容C可获得较宽的频率调
18、节范围，工作频率一般可达几十千赫至几十兆赫。但波形较差，其频率稳定性也不高，通常用于对波形要求不高的设备中，如接收机的本机振荡电路等。LCfo213电容三点式振荡电路1）电路组成选频网络由电感L、电容C1、C2组成，选频网络中的“1”端通过输出耦合电容Cc接集电极，“2”端通过旁路电容Ce接发射极，“3”端通过耦合电容Cb接基极。由于电容的三个端子分别与三极管VT的三个电极相连，故称为电容三点式振荡电路。电容三点式振荡器，就是与发射极相连接的两个电抗元件同为电容，另一个电抗元件为电感。即X1、X2为电容，X3为电感。电路如图所示。适当选择C1和C2的数值，就能满足幅度平衡条件，电路起振。2）振
19、荡频率f0 由于总电容C是C1、C2串联得到的，即 C=C1C2/（C1C2），所以振荡频率为 振荡频率由LC回路谐振频率确定，电路的振荡频率为式中，C=C1C2/（C1C2）0121212fC CLCC3）电路评价：电容三点式振荡电路的结构简单，输出波形较好，振荡频率较高，可达100MHz以上。调节C1或C2可以改变振荡频率，但同时会影响起振条件，因此，这种电路适用于产生固定频率的振荡。实用中改变频率的办法是在电感L两端并联一个可变电容，用来微调频率。3.3.石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路通过实物认识石英谐振器，石英谐振器的结构和图形符号如图所示。（1）石英晶体的压电效应如果在石英晶片两个
20、极板间加一个交变电压（电场），晶片就会产生与该交变电压频率相似的机械振动。而晶片的机械振动，又会在其两个电极之间产生一个交变电场，这种现象称为压电效应。（2）石英晶体的等效电路石英晶体的压电谐振等效电路如图8-12（a）所示，图8-12（b）是其电抗-频率特性曲线。由等效电路可知，石英晶体有两个谐振频率：R、L、C串联支路发生谐振时的串联谐振频率fs和R、L、C串联支路与C0组成的并联回路发生谐振时的并联谐振频率fp。当忽略损耗电阻R时，有00012121CCfCCCCLfLCfsPs如图8-12（b）所示石英晶体电抗特性曲线可知，当f=fs时，阻抗为0，相当于短路；当f=fp时，电路为电阻性
21、，阻抗很高；fsffp时，等效为电感性；当f在fs与fp之外，电路则呈电容性。（3）石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路的电路类型有两种，分别为：并联型石英晶体振荡电路（见图8-13）和 串联型石英晶体振荡电路（见图8-14）。并联型晶体振荡器实际上是用一个石英晶体代替了电容三点式电路中的电感。石英晶体谐振器在电路中虽然作为电感元件使用，但它的振荡频率主要取决于石英晶体的振荡频率，这时因为石英晶体的等效电容C远小于电容C1和C2，所以C1和C2对f0的影响是非常小的。振荡频率为：0s001122ffLCC CCLCCC上式表明：振荡频率与C1和C2的关系不大，基本上由fs决定，因此振荡频率稳定度高。串联型晶体振荡电路是利用石英晶体谐振器来连接反馈回路和放大电路，石英晶体谐振器在电路中相当于短路线。当电路的振荡频率与石英晶体的谐振频率fs相等时，石英晶体呈电阻性，而且阻抗最小，放大电路的正反馈最强，相移为零，满足振荡的相位平衡条件，输出正弦波信号。当电路的振荡频率不等于石英晶体的谐振频率fs时，石英晶体阻抗增大，且相移不为零，不满足振荡条件，电路不振荡。
