电子电路仿真技术(精选12篇)
电子电路仿真技术 篇1
计算机技术和学科课程教学的有机整合,有利于提升教育技术水平,有助于教育事业的发展。课堂教学结合多媒体技术,可以提高课堂效率和激发学生的学习兴趣;计算机仿真技术的应用,能提高教学效果,特别是工科专业的教学效果和降低教学成本。常用的电子电路仿真软件有PSPICE、PROTEL和EWB等,其中EWB是一种功能强大的电路专用仿真软件,它被称为电子设计工作平台或虚拟电子实验室,英文全称为Electronics Workbench,该软件除了提供大量的元器件外,还配备了万用表、示波器、信号发生器等虚拟仪器,其特点是图形界面直接操作,易学、方便、真实,在电子电路教学中运用EWB作为教学的辅助工具,可取得事半功倍的效果。笔者根据多年的教学经验,现从3个方面谈谈EWB在教学中的应用。
1 EWB在专业理论教学中的应用
由于电子电路理论知识的深奥和抽象,对中职学生来说,学习上有一定的难度,因此,在理论教学中怎样把抽象、难以理解的电路知识变得形象、直观,是决定教学效果好坏的关键,而EWB软件在教学中的应用,就能起到化抽象为形象、化枯燥为生动的作用。比如共射极放大电路的教学,是电子线路课程的重点内容,它的基本概念和分析方法是学习其他内容的重要基础,下面笔者结合共射极放大电路,谈谈EWB在电路理论教学中的应用。
首先,用EWB软件在电脑界面上创建共射极放大电路,如图1所示,从元件库中选取所需的元件,按电路原理图进行连接,再设置电路各元件参数,电路图中基极电位器Rp的调节由键盘上的“R”键控制。开始仿真演示时,点击屏幕右上角的仿真开关,或者点击“Analysis”菜单的“Activate”项,进行仿真观察。
电路静态分析:用鼠标单击“Circuit”菜单中的“Schematic Options”,选定“Show nodes”(显示节点),把电路的节点标志显示在电路图上,然后,用鼠标单击“Analysis”(分析)菜单中的“DC operating point”项,EWB自动把电路中所有节点的电压及电流数值显示在“分析结果图”中,其中包括IB、IC和VCE。教师以仿真分析所得的数据为依据进一步分析电路,总结静态工作点的估算方法,具有更强的说服力。同时,教师可以通过EWB的参数改变功能,边演示边讲解电路静态工作点的调节方法。
电路动态分析可分为2个方面:电路功能和频率响应的分析。电路功能分析,用虚拟示波器观测电路输入和输出信号的波形、幅度和频率大小,示波器的连接方法如图1所示,用通道A观测输入信号,用通道B观测输出信号,测量结果如图2所示,根据仿真结果分析电路的放大和倒相作用。频率响应特性的分析,用鼠标单击“Analysis”(分析)菜单中的“AC Frequency”(交流频率分析)项打开相应的对话框,根据提示设置参数,并选定待分析的节点,本例选定信号输出点 (6) 为分析点,单击“Simulate”按钮,便可在“分析结果图”中显示已选节点的频率响应曲线。教师利用仿真所得的图形曲线,向学生介绍频率特性的相关概念,如FL、FH和BW等。
借助EWB软件,可以很方便地使学生直接看到静态工作点设置情况、放大电路对信号的放大作用和静态工作点改变对信号输出幅度和失真的影响。学生从虚拟示波器输出信号波形可以清楚地看到,静态工作点的大小不仅影响输出信号的幅度,还可看到设置偏高或偏低的静态工作点,会引起输出信号产生饱和失真或截止失真。从而让学生理解合理地选择放大电路参数,设置合理的静态工作点,能合理放大信号、消除输出信号失真。分析过程中信号波形的变化既准确又形象,通过仿真软件的演示,抽象的概念变得具体、直观,教师再因势利导进行分析讲解,学生就易于理解和掌握。
由此可见,在专业理论教学中借助EWB软件作为辅助工具,不仅可以化解难点,让学生在轻松、自然的氛围中掌握知识,提高教学效果,还能使学生了解正确使用仪器、设置元器件参数的方法和实验操作过程,以便日后独立进行实验时,能更容易掌握实验操作的方法。
2 EWB在实验教学中的应用
传统的实验教学,教师先讲解实验过程并演示操作,强调注意事项后才让学生进行实验操作。在课堂有限的时间内,教师通过实物电路进行演示,可能会因为线路插接件接触不良或元件损坏影响教学进程。用EWB仿真软件替代实物进行实验前的集中演示和讲解,甚至进行故障演示,并指导学生实际操作,可以做到省时、省材,如期完成教学任务,减轻教师工作压力,收到了良好的效果。
利用EWB提供的种类丰富、数量众多的元件和仪器,可以弥补实验室器材不足的窘境。电子电路实验教学中,一些受到实验器材的种类和数量限制难以完成的实验项目,可采用EWB软件进行虚拟实验,比如调谐放大器、数字秒表、抢答器和以555时基集成电路为核心的应用线路等实验项目,只要操作正确,EWB仿真实验结果与理论分析结果的误差极小,容易获得预期的结果。这样,既能弥补实验器材的不足,又可以避免仪器的损坏和材料的消耗,降低了教学成本。
当然,实验教学不仅培养学生理论联系实际的能力,同时,还得训练他们的动手操作能力,对那些设备和器材条件充足的实验项目,应该采用实物操作的教学模式完成,只有器材不足的实验项目才用EWB软件虚拟实验。实物操作过程中存在着灵活性、技能性和不可预见性的问题,学生在实物操作中可以积累经验和技术,碰到问题时才能迅速做出判断并处理。EWB仿真软件虽有其自身的优越性,在实验教学中作为一种辅助工具,只有与实物实验相结合,才能取得最佳的教学效果。
3 EWB在电路故障分析教学中的应用
中职电子专业的培养方向之一是学生应具备检测、调试和维修电子产品的技能,技能培养不仅要求学生掌握元器件的识读检测、测量仪器的使用和焊接技术等基础技能,还应学会对单元电路的故障分析、检测和排除等应用技能。在电路的故障分析教学中,常采用“假定法”假定某个元器件损坏,观察电路故障现象,分析故障原因,若教师根据电路的工作原理进行纯理论分析教学,教师讲得口干舌燥,学生却兴趣不高,效果不好。利用EWB的元件故障设置功能,对分析电路进行故障设置,学生能真实看到元件出现故障时的电路现象,增强感性认识和真实感,下面以串联型稳压电源电路为例简要介绍。
用EWB创建串联型稳压电源电路,设置各元件参数和控制键,如图3所示,调试电路使之性能指标正常,输出电压正常值调节为12.01 V。
在不考虑负载电路故障的情况下,直流稳压电源从输出电压上常有输出电压偏高、偏低和输出为零等3种现象,影响稳压电源电路输出电压偏低的因素有整流二极管断路、调整管Q1放大倍数下降、比较放大管Q4短路和稳压二极管D短路等多种原因。
利用EWB仿真技术对输出电压偏低现象进行故障分析教学,做到不破坏电路元件就能演示电路故障和处理电路故障的作用。EWB软件提供了Open(开路)、Short(短路)、Leak(漏电)3种故障设置,双击要设置故障的元件,在properties/fault对话框中可以设置所选元件故障。教学上先演示电路故障现象,例如,预先设置该电路稳压二极管D短路,使之表现输出电压偏低的故障现象,根据故障现象讲解检修步骤和检测方法:先测量Q1调整管发射极电压,发现输出电压为1.86 V,调整电压调节电位器RP1不起作用;再测量整流电路的输出电压值为24 V,说明整流电路及前面供电部分正常,可判断故障点在调整管控制电路部分;测量稳压二极管D的负极电压,发现为零,从而判断发生故障的元件为稳压二极管D。这个故障检修只是演示一个简单的检修过程,起抛砖引玉的作用,在实际应用中,存在更多的故障原因,有待于学生在学习中多训练,积累更多的经验去分析和解决。
本文只是简单地论述了EWB在电子电路教学中3个方面的应用,其优越性可见一斑,不仅如此,利用EWB软件的强大功能,在培养学生的创新能力和电路设计能力等方面也有着重要作用。
摘要:结合应用实例阐述EWB仿真技术在电子电路的理论教学、实验教学和故障分析教学等方面的辅助作用, 说明在电子电路教学中应用仿真技术具有很大的优越性。EWB作为一种先进的现代化教学工具, 应在电子电路教学中推广应用。
关键词:仿真技术,EWB软件,电子电路,理论教学,实验教学,电路故障分析
参考文献
[1]陈其纯.电子线路.高等教育出版社, 2006
[2]叶建波.EDA技术:Protel99SE&EWB5.0.清华大学出版社, 2005
[3]王庄英.谈EWB在电工电子专业教学中的应用.职业教育研究, 2005 (11)
电子电路仿真技术 篇2
电子信息系应用电子教研室
陆丽梅
摘要 随着科技的发展,电子技术的应用也越来越广,越来深入,传统的理论课堂教学临着着很大的挑战。但随着计算机技术的普及、EDA 技术的广泛应用,将EDA 技术引入电子技术课程教学,可以使电子技术的课堂教学紧跟时代的脚步。本文以电子技术课程中的“三极管放大器”电路的分析为例来说明EDA软件之一Proteus仿真软件在电子技术课程教学中的应用。
关键词 电子技术 Proteus仿真软件
“电子技术” 是电子信息、通信、计算机等专业一门重要的专业基础课程,随着电子技术和计算机的迅速发展,电子技术的应用越来越广泛,新器件、新电路和新技术不断的涌现,我们的课堂教学也将面临着着更大的挑战。将EDA(Electronic DesignAutomation电子设计自动化)技术引入电子技术课程教学, 可以使学生在掌握制作、检测技能的同时,通过EDA技术软件进行设计、仿真,理解所操作的技能的原理,增加学习的兴趣。同时可使课堂教学更生动、直观,达到让电子技术课程中一些基本理论和基本概念更加容易理解。
一 电子技术多媒体课件的特点
多媒体课件是以计算机为操作平台,运用多媒体技术将文字、声音、图象、动画和视频等集成于一体,使抽象的内容具体化、枯燥的内容趣味化。从而拓宽学生的知识视野,提高学生的学习兴趣,是现代教学发展的必然趋势。电子技术的研究对象主要半导体材料和器件(二极管、三极管、场效应管)及其基本电路、功率放大电路、集成运算放大器及其应用电路、负反馈放大电路、直流稳压电源等,其特点主要表现在:
(1)电子技术中基本单元电路、关键元件多,复杂;电路中的元件(器件)动作方式属于线性变化的电路,通常着重的是放大倍率、信噪比、工作频率等问题。如:直流稳压电源电路,放大器电路,报警电路,显示电路,振荡电路等都是可仿真电路。
(2)当图像信息和声音信息改变时,信号的波形也改变,即模拟信号待传播的信息包含在它的波形之中(信息变化规律直接反映在模拟信号的幅度、频率和相位的变化上),而这些都是比较抽象,看不到也感觉不到的。
二、电子电路仿真软件Proteus功能特点
1、Proteus电子电路仿真软件功能
Proteus仿真软件是可以对电子技术电路进行模拟仿真的工作台,具有较完善的各种元器件原理图库、元件封装图、常用测量、常用的分析仪器等。能进行电子电路设计仿真,并能对电子电路进行较详细的分析,包括静态分析、动态分析、时域分析、频域分析、噪声分析、失真分析和器件的线性与非线性分析, 还能进行离散付里叶分析、零极点分析等多种高级分析。Proteus不但是一个非常优秀的电子设计软件, 而且也是一个非常优秀的电子技术模拟实际训练软件,它几乎可以完成在实验室进行的所有电子技术的实验,并且和实际实验情况非常贴切,选用的元器件和仪器也和实际情况非常相近,一般会正确使用常规仪器的读者,都能较快地掌握软件所提供的虚拟仪器的使用方法。另外在实验设备和仪器不能满足某些实验课要求的情况下,用Proteus进行仿真实验不失为一种有效的补充方法。
2、Proteus电子电路仿真软件特点(1)直观的操作界面
由于Proteus软件是基于Windows 操作系统上的, 所以它的操作方法的其它基于Windows 环境下的软件操作方法一样,所见即所得,Proteus采用图形方式创建电路,所需要的元器件和测量仪器可直接从窗口中选取拖到电路图中,使用特别方便,而且元器件和仪器的图形与实物外形非常接近,仿真效果好,要用的元器件、仪器等,只要用鼠标点击,随时可以取来,完成参数设置,连接成电路,就可以启动运行,进行分析和测试。因此Proteus软件具有入门容易,学习轻松,结合实际,富有趣味的特点。使用者可以在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台,绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取;软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似,可以实时显示测量结果。
(2)丰富的元器件库
Proteus软件带有丰富的电路元件库,提供多种电路分析方法。Proteus提供了数千种虚拟电路元器件,包括信号源、基本元件、晶体管、集成电路、指示器件、控制器件等36大类,其中数字集成电路库中存放了最常用的各种TTL、CMOS数字集成电路,各元器件的参数均可随意设定,用户还可根据需要方便地扩充已有的元器件库。软件还可以容易的上网升级,使市场上新出的元件都能在Proteus中找到。
(3)兼容性强
作为设计工具,它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。能将设计
好的电路文件直接输出到常用的一些电子电路排版软件, 如protel、EWB、CAD等, 排出印刷电路板图,为实现电子电路的设计提供了很大的方便。
(4)齐全的测试仪器
Proteus提供了仿真实验EWB还是一个优秀的电子技术训练工具,利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验,仿真电路的实际运行情况,熟悉常用电子仪器使用方法。所需的虚拟仪器设备,包括函数信号发生器、示波器、数字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪等,利用这些虚拟仪器可多方位地观察仿真结果。Proteus提供了8种基本分析工具、6种扫描分析工具、2种系统分析工具,可对电子技术进行仿真分析,还可以对被仿真电路中的元器件设置各种故障进行分析。
(5)安装简单,易操作
Proteus是个免费软件,下载后安装不用一分钟,也不用激活等烦杂操作,安装后只需把密码钥匙复制到安装盘的目录下,如果是7.8版的只需升级破解码即可。这软件是原是我们电子系单片机的老师上课用,在2008年有老师开始将它使用于数字电路的教学中,本人于2011年开始将它应用于模拟电路中,并于这两年在电子系推行,包括没过电脑的退休老教师或和不会电脑仿真的老师都可以很快的学会操作,并应用本人设计的Proteus电路进行教学,教学效果显著。
三、在电子技术课堂教学中应用电子电路仿真软件Proteus
1、在电子技术教学中应用电子电路仿真软件Proteus的优点
电子技术是电子专业的一门骨干课程,其教学效果的好、坏,学生掌握的程度, 将直接影响后续各类相关专业课程的教学效果。目前,在电子技术课程教学中, 教师一般采用的教学方法是:先在课堂上给学生介绍理论知识,再引用使用的电路及实物加以论证,然后由学生通过做电子制作和检测加深对理论的理解。这种传统的教学方式,存在着以下的问题:一是大多数教师认为理论引导技能,所以只有传授理论知识到位了,制作及检测才有真实的意义,使学生觉得理论课堂枯燥乏味,觉得电子难学,从而对学习电子失去兴趣。二是理论分析通常都是一些繁琐的公式推导及一些孤立的计算数据,很难形成电路的特性曲线,缺乏直观性,更难对电路的参数进行分析及优化设计。三是学生在听理论课时,由于跟实际联系不上,对理论难以理解,甚至于不能理解,造成对电子技术“难学、抽象”的思想障碍,从而对学习失去兴趣。将Proteus引入电子技术教学,可以使教师在讲解理论或引导学生制作及检测的同时,利用Proteus软件进行仿真、演示,使学生消除“抽象感”,增加学习兴趣。使课堂教
学更加生动、直观,使电子技术课程中一些基本理论和基本概念更加容易理解,使电子的制作及检测具有更好的可操作性。
2、在电子技术课堂教学中应用Proteus电子电路仿真软件实例
下面以Proteus7.8版本为例通过“三极管放大器“分析为例,说明Proteus软件在电子技术课程教学中的应用效果。
打开Proteus,在电路工作区输入如下图1电路。其中正弦交流信号电压幅度设置为0.1V 频率设置为1kHz,如图连接示波器和电压表利用Proteus7.8进行仿真分析,(1).测试电路的功能
图1三极管放大器
如图1将电源、信号源、示波器探头接入电路,打开软件左下脚的播放按键,电路开始仿真如图1从图中可直观的看到,输入信号的波形,三极管基极的波形,三极管发射极波形、集电极的波形之间的关系,以及放大的电路的正常Ube、Uce电压值。(2).电路的故障现象及排除方法
Proteus软件的电路可操作性强,可以方便的调整电路的连接或元件的参数来观察电路出现的故障,并通过演示故障排除方法让学生很容易掌握实际的故障操作。
如下图
2、图3调节电位器RV1可观察到波形的失真情况,同时得到失真时电压的特点。
图3截止失真
(3).电路的元件参数设置
为保证电路正常运行,元件参数的选择是很很重要的,如何选择元件呢选择的元件能不能让电路正常呢,可以通过仿真来验证。Proteus软件可以很方便的更改元件参数来观察电路的如下图4,是对下偏置电阻的参数的更改,可改变元件的型号、序号、参数值、封装等。
图4 元件参数的调整
四 小结
可见,在电子技术课程教学中,应用Proteus仿真软件进行理论分析及电路结构的模拟分析时,可以使抽象的理论形象化、复杂的电路实际化, 使枯燥的电路特性分析变得生动、形象、真实、可信,让学生在课堂中就能感受到实验才具有的测试效果,更好地把理论与实验
电子电路抗干扰技术研究 篇3
[关键词] 电子电路 抗干扰
一、干扰信号
在测控装置电路中出现的无用的信号称为噪声,当噪声使电路无法正常工作时,噪声就称为干扰。衡量噪声对有用信号的影响常用信噪比(S/N)来表示,它是指信号通道中有用信号功率PS和噪声功率PN之比或有用信号电压US与噪声电压UN之比。信噪比常用对数形式来表示,单位为分贝(dB) 。干扰信号可分为两大类型:传导型和辐射型。
二、抗干扰措施
干扰的形成必须同时具备三个因素,即干扰源、干扰途径和对噪声敏感性较高的接收器。抗干扰从这三个方面入手。
1、消除或抑制干扰源
噪声干扰来自于干扰源,只有仔细地分析其种类和形式,才能提出有效的抗干扰措施。
(1)机械干扰
机械干扰是指机械的振动或冲击使检测装置中的元件发生振动、变形,使连接导线发生位移,使仪表指针发生抖动等。对于机械干扰主要采取减震措施来解决,例如采用减震弹簧或减震橡皮垫等。
(2)热干扰
设备和元器件在工作时产生的热量所引起的温度波动,以及环境温度的变化等使电路参数发生变化,或产生附加的热电势等,从而影响检测装置的正常工作。
对于热干扰,工程上常采取下列防护措施:在电路中采用温度补偿元件和采用差分放大电路、电桥电路等对称平衡结构来抗干扰,在测控环境中尽量在恒温室内进行,还可采用热屏蔽,即用导热性能良好的金属材料做成防护罩,将某些对温度变化敏感的元器件和电路中的关键元器件或组件,甚至整台装置包围起来,以使罩内温度场均匀和恒定,有效地防止热电势的产生。
(3)光干扰
在测控装置中广泛使用着各种半导体元器件,由于半导体材料在光照作用下会激发空穴——电子对,使半导体元器件产生电势或引起阻值的变化,从而影响测控装置的正常工作。
为了防止光干扰,将半导体元器件封装在不透光的壳体内,对于具有光敏作用的元器件,尤其应注意光的屏蔽问题。
(4)湿度干扰
环境湿度增大会使绝缘体的绝缘电阻下降,漏电流增大;使电介质的介电常数增大,造成电容器的电容量增大;使电感线圈的Q值(品质因数)下降;使金属材料生锈等,势必影响测控装置的正常工作。
为此在设计、制造和使用时应考虑潮湿的防护与隔离问题。例如,电气元件和印刷电路板的浸漆、环氧树脂封灌和硅橡胶封灌等。
(5)化学干扰
对化学物品,如酸、碱、盐及腐蚀气体等,一方面通过其化学腐蚀作用损坏装置的元器件;另一方面与金属导体形成化学电势。因此,良好的密封和注意清洁,对测控装置是非常重要的防护化学干扰的措施。
(6)固有噪声干扰
在电路中,电子元件本身产生的、具有随机性、宽频带的噪声称为固有噪声[1]。最重要的固有噪声源是电阻热噪声、半导体散粒噪声和接触噪声。
电阻热噪声:任何电阻即使不与电源相接,在它的两端也有一定的噪声电压产生,这个噪声电压是由于电阻中的电子无规则的热运动引起的。
散粒噪声:在半导体中,载流子的随机扩散以及电子——空穴对随机发生及复合形成的噪声称为散粒噪声。从整体看,散粒噪声使流过半导体的电流产生随机性的涨落,干扰测量结果。减小半导体器件的电流,减小电路的带宽,能减小散粒噪声的影响。
接触噪声:接触噪声是由元器件之间的不完全接触,从而形成电导率的起伏而引起的,它发生在两个导体连接的地方,如开关、继电器触点、电阻、晶体管内部的不良接触等。接触噪声是低频电路中的主要噪声,减小流过触点的直流电流可减小接触噪声的影响。
2、破坏干扰途径
干扰必须通过一定的干扰途径侵入测控装置才会对测量结果造成影响。干扰途径有“路”和“场”两种形式。凡干扰源通过电路的形式作用于被干扰对象的,都属于“路”的干扰,如通过漏电阻、电源及接地线的公共阻抗等引入的干扰。凡干扰源通过电场、磁场的形式作用于被干扰对象的,都属于“场”的干扰,如通过分布电容、分布互感等引入的干扰。
(1)抑制以“路”形式侵入的干扰
1)通过泄漏电阻的干扰
元件支架、探头、接线柱、印刷电路以及电容器绝缘不良,使噪声源得以通过这些漏电阻作用于有关电路而造成的干扰称为泄漏电阻的干扰。被干扰点的等效阻抗越高,由泄漏而产生的干扰影响越大。
要消除由泄漏电阻引起干扰的一种办法是使用接地保护环,所谓接地保护环是在印刷电路板上,制做一个接地的环状印刷电路,将高输人阻抗的元件电路及单元包围在环的里面,由泄漏电阻引起的泄漏电流直接通过接地保护环流人地线而不影响被保护电路。
2)通过共阻抗耦合的干扰
共阻抗耦合的干扰是指当两个或两个以上的电路共同享有或使用一段公共的线路,而这段线路又具有一定的阻抗时,这个阻抗成为这两个电路的共阻抗,第二个电路的电流流过这个共阻抗所产生的压降就成为第一个电路的干扰电压。
3)经电源配电回路引入的干扰
交流供电配电线路在工业现场的分布相当于一个吸收各种干扰的网络,而且十分方便地以电路传导的形式传遍各处,并经检测装置的电源线进入仪器内部造成干扰。最明显的是电压突跳和交流电源波形畸变使工频的高次谐波经电源线进入仪器的前级电路。
对于以“路”的形式侵入的干扰,可采取诸如提高绝缘性能的方法以抑制泄漏电流的干扰途径;采用隔离变压器、光电继电器等切断干扰途径;采用滤波、选频、屏蔽等技术手段将干扰信号引开;对数字信号可采用整形、限幅等信号处理方法切断干扰途径;改变接地形式以消除共阻抗耦合干扰途径等。
(2)抑制以“场”形式侵入的干扰
对于“场”的形式侵入的干扰,一般采取各种屏蔽措施,如静电屏蔽、磁屏蔽、电场屏蔽等,也可以兼用对付“路”的某种措施。
通常,电磁感应用两种,一种是静电感应,一种是磁感应。由于静电感应是通过静电电容(C)构成的,故一般也称作C耦合。而磁感应是通过磁场相互感应(M)构成的,故一般也称作M耦合。为控制这两种耦合,通常采用静电屏蔽和电磁屏蔽。
1)静电感应与静电屏蔽
所谓静电感应,即当两条线路位于地线之上时,若相对于地线对半导体l加U1的电压,则导体2也将产生与U1成比例的电压U2。也就是说,由于导体之间必然存在静电电容,若设电容为C10、C12和C20,则电压U1就被C12和C20分为两部分,该被分开的电压就为U2,控制电压U2的就是静电感应电压。对付静电感应干扰的办法是静电屏蔽。屏蔽线就是利用这一原理的线路。屏蔽线的首要目的是静电屏蔽,但也可有效地用于控制M耦合。根据上述说明,显然在采用屏蔽线实现静电屏蔽时,屏蔽必须接地才能收到好的效果。
2)电磁感应与电磁屏蔽
所谓电磁感应,即回路与回路之间(也可说是指线圈与线圈之间,但传感器回路很少使用线圈,故回路大多为配线方面的问题)的电磁耦合。对付电磁感应干扰的办法是电磁屏蔽。
3、削弱接收电路对噪声干扰的敏感性
高输入阻抗的电路比低输人阻抗的电路易受干扰,模拟电路比数字电路抗干扰能力差等,这些都说明,对于被干扰对象来说存在着对干扰的敏感性问题。
在电路中采用选频措施就是削弱电路对全频带噪声的敏感性;在电路中采用负反馈就是削弱电子装置内部噪声源影响的有力措施;其它如对信号传输线采用双绞线、对输入电路采用对称结构等措施,都是削弱电子装置对噪声的敏感性。
4、接地技术
(1)地线的种类
接地起源于强电技术,它的本意是接大地,主要着眼于安全。这种地线也称为“保安地线”(Safe wire)。
1)模拟信号地线它是模拟信号的零信号电位公共线,因为模拟信号有时较弱、易受干扰,所以对模拟信号地线的面积、走向、连接有较高的要求。
2)数字信号地线它是数字信号的零电子公共线。由于数字信号处于脉冲工作状态,动态脉冲电流在接地阻抗上产生的压降往往成为微弱模拟信号的干扰源,为了避免数字信号的干扰,所以它应与模拟信号地线分别设置为宜。
3)信号源地线传感器可看作是测量装置的信号源,通常传感器装设在生产设备现场,而测量装置设在离现场一定距离的控制室内,从测量装置的角度看,可以认为传感器的地线就是信号源地线。它必须与测量装置进行适当的连接才能提高整个检测系统的抗干扰能力。
(2)一点接地原则
对于上述四种地线一般应分别设置,在电位需要连通时,也必须仔细选择合适的点,在一个地方相连,才能消除各地线之间的干扰。
1)单级电路的一点接地原则
现举单级选择放大器为例来说明单级电路的一点接地原则。
2)多级电路的一点接地原则
3)检测系统的一点接地原则
(3)屏蔽浮置技术
若测量装置电路与大地之间没有任何导电性的直流联系就称为浮置,采用干电池的万用表就是浮置的特例。
采用三重静电屏蔽的目的,一是不使电网的交流干扰电压引入测量装置内,二是使大地电位差产生的干扰电流无法流经信号线。
必须指出的是,浮置屏蔽是一种十分复杂的技术,在设计、安装检测系统时,必须注意不使屏蔽线外皮与测量装置的外壳短路;应尽量减小各不同类型屏蔽之间的分布电容及漏电;尽量保证电路对地的对称性等等,否则“浮置”的结果有时反而会引起意想不到的严重干扰。
5、滤波技术
滤波器(Filter)是抑制交流差模干扰的有效手段之一。下面分别介绍检测技术中常用的几种滤波电路。
(1)RC滤波器
当信号源为热电偶、应变片等信号变化缓慢的传感器时,利用小体积、低成本的无源RC滤波器将会对差模干扰有较好的抑制效果。应该注意的是,RC滤波器是以牺牲系统带宽为代价来减小差模干扰的[2]。
(2)直流电源滤波器
直流电源往往为几个电路所共用,为了避免通过电源内阻造成几个电路间互相干扰,应在每个电路的直流电源上加只LC滤波器。由于电解电容采用卷制工艺而含有一定的电感,在高频时阻抗反而增大,所以需要在电解电容旁边并联一个0.01uF左右的磁介电容,用来滤除高频噪声。
6、光电耦合技术
目前,检测系统越来越多地采用光电耦合器来提高系统的抗共模干扰能力。光电耦合器是一种电一光一电耦合gS件,它的输入量是电流,输出量也是电流,可是两者之间从电气上看却是绝缘的。发光二极管一般采用砷化镓红外发光二极管,而光敏元件可以是光敏二极管、光敏三极管、达林顿管,甚至可以是光敏晶闸管、光敏集成电路等,发光二极管与光敏元件的轴线对准并保持一定的间隙。
这样就实现了以光为媒介的电信号的传输。光电耦合器有如下特点:
(1)输人、输出回路绝缘电阻高(大于10~oQ)、耐压超过lkV;
(2)因为光的传输是单向的,所以输出信号不会反馈影响输入端:
(3)输入输出回路完全是隔离的,能很好地解决不同电位,不同逻辑电路之间的隔离和传输的矛盾。
从上述几个特点可以看出,使用光电耦合器能比较彻底地切断大地电位差形成的环路电流。近年来,线性光电耦合6S的性能不断提高,误差可以小于千分之几。
使用光电耦合的另一种办法是先将前置放大器的输出电压进行A/D转换,然后通过光电耦合器用数字脉冲的形式,把代表模拟信号的数字信号耦合到诸如计算机之类的数字处理系统去作数据处理,从而将模拟电路与数据处理电路隔离开来,有效地切断共模干扰的环路。在这种方式中,必须配置多路光电耦合器(视A/D转换器的位数而定),由于光电耦合器是工作在数字脉冲状态,所以可以采用廉价的光电耦合器件。
参考文献:
[1] 吴维宁.电力测控系统硬件抗干扰技术的研究.高电压技术.1997,23(4):86.
电子电路仿真技术 篇4
随着计算机技术的不断发展和应用,计算机技术和学科课程教学的结合也越来越紧密。许多课程利用多媒体和仿真技术实现教学,不但提高教学效果,还能降低教学成本。尤其近几年,随着普通高等院校学生规模的大量增加,实验场地、仪器设备、教学人员等限制愈加明显,计算机仿真技术应用在教学中的优势也愈加突出。在仿真软件下创建电路模型,元器件数量不受限制,参数更加精确,测量用虚拟仪器品种更多,使用数量同样不受限制,同时不必担心元件和仪器设备的损坏。
Multisim是加拿大图像交互技术公司推出的仿真工具,由于其强大的功能,形象生动的仿真效果,友好的界面,丰富的元件库和仪表库[1,2],在我国各级各类学校得到广泛的推广应用,尤其在电类专业的教学、仿真实验、电子电路设计等方面应用更加广泛。学生可以利用一台装有Multisim软件的电脑随时进行电路仿真和分析,检验调试电路,掌握工作原理,为理论教学和实现电路等工作做准备[3]。
1 仿真技术在现代电子电路教学中的应用
现代电子电路理论知识抽象,学生学习有很大难度,教学中如何将抽象、难以理解的电路知识变得形象和直观,是决定教学效果的关键。如果将电子电路和计算机仿真技术引入教学中,学生在接受理论知识的同时,可以观察电路功能和特性,从而加深理解,提高兴趣,还可以尝试对电路进行局部改进或简单设计,提高创新能力[4]。下面以调幅波电路为例介绍Multisim仿真软件在现代电子电路教学中的应用[5]。
假定调制信号是简谐振荡信号,频率为Ω,载波信号频率ωc,在单频调制[5,6]的情况下,双边带调幅波可表示为
利用Multisim软件创建双边带调幅电路如图1所示,其中A1是软件提供的模拟乘法器,V1是调制信号,频率1kHz,幅度有效值1V,V2是载波信号,频率20kHz,幅度有效值1V,4通道示波器XSC1用来观察载波信号、调制信号和调幅波波形。
电路图创建完成单击运行按钮,开始仿真,双击示波器图标出现图2所示仿真波形图,图中从上到下波形分别是载波、调制信号、调幅波,通过图2可以直观地看到调制结果。按照理论,双边带调幅将调幅波中的载频分量抑制掉,仅将上、下边带向外发送,其频谱图应该含有上边频(ωc+Ω)和下边频(ωc-Ω),而不含载波频率ωc。M u l t i s i m提供傅里叶分析功能[7],选择菜单命令SimulateAnalysesFourier Analysis,在弹出的对话框中设置参数后开始仿真,得到傅里叶分析结果如图3所示,调幅波含有上边频21kHz和下边频19kHz两个频率分量。
图2双边带调幅波波形图(参见下页)
图3双边带调幅波频谱图(参见下页)
将图2调幅波波形放大后仔细观察,发现调制信号过0点时出现倒相突变[5],如图4所示,由于双边带调幅波不包含载频分量,它的包迹变化不再在载波振幅上下变化,而是在横轴上下变化,当调制信号进入负半周,被调制的高频载波在调制信号负半周期间将被倒相180°,使高频波在调制信号过0点时出现倒相突变。
在仿真软件中改变调制信号和载波频率、幅度等参数,可以方便地观察结果。图1模拟乘法器A1输出端继续接入一个模拟乘法器和低通滤波器即可得到双边带相乘检波电路,利用Multisim仿真观察检波过程,发现检波是调幅的逆过程,其频谱与调幅正相反,把调幅波频谱不失真的由高频段搬至低频段,具体电路和仿真过程不再详述。
2 结束语
总之,将仿真软件应用到现代电子电路教学中,可以弥补实验仪器、元件数量、实验场地的不足,用虚拟仪器和元件建立各种电路,提高电路设计效率和设计质量,并能够反复多次进行实验,测试数据、曲线显示于一个设计窗口便于观察和分析。另外,由于虚拟仪器和元件基本没有干扰、误差等,得到的数据、曲线也比较准确和光滑。
同时我们也看到,仿真技术也存在一些缺点。较多地使用仿真技术,必定使学生对实际元件认知度降低,对实际电路的调试、故障排除能力降低[9]。因此,教学中仿真技术与实际实验必须有机地结合,才能激发学生创造性思维,使教学更加完善,获得更多实效。
参考文献
[1]王冠华,王伊娜.Multisim8电路设计及应用[M].北京:国防工业出版社,2006:102-130.
[2]聂典.Multisim10计算机仿真在电子电路设计中的应用[M].北京:电子工业出版社,2009:5-84.
[3]王廷才.基于Multisim的电路仿真分析与设计[J].计算机工程与设计,2004,25(4):654-656.
[4]郭映.Multisim10仿真软件在数字电路教学中的应用[J].计算机与现代化,2010(7):162-165.
[5]谢沅清.现代电子电路与技术[M].北京:中央广播电视大学出版社,2004:183-190.
[6]张肃文.高频电子线路(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2004:81-110.
[7]王新,彭建华.Multisim8在高频电路实验教学中的应用[J].中国电力教育,2010(21):126-128.
[8]从宏寿,李绍铭.Multisim在电子电路与单片机中的应用[M].北京:清华大学出版社,2008.
《模拟电子技术基础》电子教案 篇5
1、本课程教学目的:
本课程是电气信息类专业的主要技术基础课。其目的与任务是使学生掌握常用半导体器件和典型集成运放的特性与参数,掌握基本放大、负反馈放大、集成运放应用等低频电子线路的组成、工作原理、性能特点、基本分析方法和工程计算方法;使学生具有一定的实践技能和应用能力;培养学生分析问题和解决问题的能力,为后续课程和深入学习这方面的内容打好基础。
2、本课程教学要求:
1.掌握半导体器件的工作原理、外部特性、主要参数、等效电路、分析方法及应用原理。
2.掌握共射、共集、共基、差分、电流源、互补输出级六种基本电路的组成、工作原理、特点及分析,熟悉改进放大电路,理解多级放大电路的耦合方式及分析方法,理解场效应管放大电路的工作原理及分析方法,理解放大电路的频率特性概念及分析。
3.掌握反馈的基本概念和反馈类型的判断方法,理解负反馈对放大电路性能的影响,熟练掌握深度负反馈条件下闭环增益的近似估算,了解负反馈放大电路产生自激振荡的条件及其消除原则。
4.了解集成运算放大器的组成和典型电路,理解理想运放的概念,熟练掌握集成运放的线性和非线性应用原理及典型电路;掌握一般直流电源的组成,理解整流、滤波、稳压的工作原理,了解电路主要指标的估算。
3、使用的教材:
杨栓科编,《模拟电子技术基础》,高教出版社
主要参考书目:
康华光编,《电子技术基础》(模拟部分)第四版,高教出版社
童诗白编,《模拟电子技术基础》,高等教育出版社,张凤言编,《电子电路基础》第二版,高教出版社,谢嘉奎编,《电子线路》(线性部分)第四版,高教出版社,陈大钦编,《模拟电子技术基础
问答、例题、试题》,华中理工大学出版社,唐竞新编,《模拟电子技术基础解题指南》,清华大学出版社,孙肖子编,《电子线路辅导》,西安电子科技大学出版社,谢自美编,《电子线路
设计、实验、测试》(二),华中理工大学出版社,绪论
本章的教学目标和要求:
要求学生了解放大电路的基本知识;要求了解放大电路的分类及主要性能指标。
本章总体教学内容和学时安排:(采用多媒体教学)
§1-1 电子系统与信号
0.5
§1-2
放大电路的基本知识
0.5
本章重点:
放大电路的基本认识;放大电路的分类及主要性能指标。
本章教学方式:
课堂讲授
本章课时安排:
本章的具体内容:
1节
介绍本课程目的,教学参考书,本课程的特点以及在学习中应该注意的事项和学习方法;
介绍放大电路的基本认识;放大电路的分类及主要性能指标。
重点:
放大电路的分类及主要性能指标。
第1章 半导体二极管及其基本电路
本章的教学目标和要求:
要求学生了解半导体基础知识;理解PN结的结构与形成;熟练掌握普通二极管和稳压管的V-I特性曲线及其主要参数,熟练掌握普通二极管正向V-I特性的四种建模。
本章总体教学内容和学时安排:(采用多媒体教学)
§1-1 PN结
§1-2
半导体二极管
§1-3 半导体二极管的应用
§1-4 特殊二极管
本章重点:
PN结内部载流子的运动,PN结的特性,二极管的单向导电性、二极管的特性、参数、应用电路分析及稳压管的特性、参数及其特点。
本章难点:
PN结的形成原理,二极管的非线性伏安特性方程和曲线及其电路分析。
本章主要的切入点:
“管为路用”
从PN结是半导体器件的基础结构,PN结的形成原理入手,通过对器件的非线性伏安特性的描述,在分析电路时说明存在的问题,引出非线性问题线性化的必要性和可行性。
本章教学方式:
课堂讲授
本章课时安排:3
本章习题:
P26
1.1、1.2、1.7、1.9、1.12、1.13。
本章的具体内容:
2、3节
1、介绍本课程目的,教学参考书,本课程的特点以及在学习中应该注意的事项和学习方法;
2、讲解半导体基础知识,半导体,杂质半导体;
3、讲解PN结的特点,PN结的几个特性:单向导电性、伏安特性、温度特性、电容特性。
重点:
PN结的形成过程、PN结的单向导电性、伏安特性曲线的意义,伏安方程的应用。
4节
1、讲解半导体二极管结构和电路符号,基本特点,等效电路;
2、讲解稳压二极管工作原理,电路符号和特点,等效电路;
3、讲解典型限幅电路和稳压电路的分析。
重点:两种管子的电路符号和特点。
讲解课后习题,让学生更好地了解二极管基本电路及其分析方法。
【例1】电路如图(a)所示,已知,二极管导通电压。试画出uI与uO的波形,并标出幅值。
图(a)
【相关知识】
二极管的伏安特性及其工作状态的判定。
【解题思路】
首先根据电路中直流电源与交流信号的幅值关系判断二极管工作状态;当二极管的截止时,uO=uI;当二极管的导通时。
【解题过程】
由已知条件可知二极管的伏安特性如图所示,即开启电压Uon和导通电压均为0.7V。
由于二极管D1的阴极电位为+3V,而输入动态电压uI作用于D1的阳极,故只有当uI高于+3.7V时
D1才导通,且一旦D1导通,其阳极电位为3.7V,输出电压uO=+3.7V。由于D2的阳极电位为-3V,而uI作用于二极管D2的阴极,故只有当uI低于-3.7V时D2才导通,且一旦D2导通,其阴极电位即为-3.7V,输出电压uO=-3.7V。当uI在-3.7V到+3.7V之间时,两只管子均截止,故uO=uI。
uI和uO的波形如图(b)所示。
图(b)
【例1-8】
设本题图所示各电路中的二极管性能均为理想。试判断各电路中的二极管是导通还是截止,并求出A、B两点之间的电压UAB值。
【相关知识】
二极管的工作状态的判断方法。
【解题思路】
(1)首先分析二极管开路时,管子两端的电位差,从而判断二极管两端加的是正向电压还是反向电压。若是反向电压,则说明二极管处于截止状态;若是正向电压,但正向电压小于二极管的死区电压,则说明二极管仍然处于截止状态;只有当正向电压大于死区电压时,二极管才能导通。
(2)在用上述方法判断的过程中,若出现两个以上二极管承受大小不等的正向电压,则应判定承受正向电压较大者优先导通,其两端电压为正向导通电压,然后再用上述方法判断其它二极管的工作状态。
【解题过程】
在图电路中,当二极管开路时,由图可知二极管D1、D2两端的正向电压分别为
10V和25V。二极管D2两端的正向电压高于D1两端的正向电压,二极管D2优先导通。当二极管D2导通后,UAB=-15V,二极管
D1两端又为反向电压。故D1截止、D2导通。U
AB
=
-15V。
【例1-9】
硅稳压管稳压电路如图所示。其中硅稳压管DZ的稳定电压UZ=8V、动态电阻rZ可以忽略,UI=20V。试求:
(1)
UO、IO、I及IZ的值;
(2)
当UI降低为15V时的UO、IO、I及IZ值。
【相关知识】
稳压管稳压电路。
【解题思路】
根据题目给定条件判断稳压管的工作状态,计算输出电压及各支路电流值。
【解题过程】
(1)
由于
>UZ
稳压管工作于反向电击穿状态,电路具有稳压功能。故
UO
=
UZ
=
8V
IZ=
I-IO=6-4=2
mA
(2)
由于这时的<UZ
稳压管没有被击穿,稳压管处于截止状态。故
IZ
=
0
【例1-10】电路如图(a)所示。其中未经稳定的直流输入电压UI值可变,稳压管DZ采用2CW58型硅稳压二极管,在管子的稳压范围内,当IZ为5mA时,其端电压UZ为10V、为20Ω,且该管的IZM为26mA。
(1)
试求当该稳压管用图(b)所示模型等效时的UZ0值;
(2)
当UO
=10V时,UI
应为多大?
(3)
若UI在上面求得的数值基础上变化±10%,即从0.9UI变到1.1UI,问UO
将从多少变化到多少?相对于原来的10V,输出电压变化了百分之几?在这种条件下,IZ变化范围为多大?
(4)
若UI值上升到使IZ=IZM,而rZ值始终为20Ω,这时的UI和UO分别为多少?
(5)
若UI值在6~9V间可调,UO将怎样变化?
图
(a)
图
(b)
【相关知识】
稳压管的工作原理、参数及等效模型。
【解题思路】
根据稳压管的等效模型,画出等效电路,即可对电路进行分析。
【解题过程】
(1)
由稳压管等效电路知,(2)
(3)
设不变。当时
当时
(4)
(5)
由于U
I<UZ0,稳压管DZ没有被击穿,处于截止状态
故UO将随U
I在6~9
V之间变化
第2章 半导体三极管及放大电路基础
本章的教学目标和要求:
要求学生正确理解放大器的一些基本概念,掌握BJT的简化模型及其模型参数的求解方法,掌握BJT的偏置电路,及静态工作点的估算方法;掌握BJT的三种基本组态放大电路的组成,指标,特点及分析方法;理解放大器的频率响应的概念和描述,掌握放大器的低频、高频截止频率的估算,单管放大器的频率响应的分析,波特图的折线画法。
本章总体教学内容和学时安排:(采用多媒体与板书相结合的教学方式)
§2-1
半导体BJT
§2-2
共射极放大电路
§2-3
图解分析法
§2-4
小信号模型分析法
§2-5
放大电路的工作点稳定问题
§2-6
共集电极电路和共基极电路
§2-7
多级放大电路
§2-8
放大电路的频率响应
习题课
本章重点:
以共射极放大电路为例介绍基本放大电路的组成、工作原理、静态工作点的计算、性能指标计算。
频率响应的概述,波特图的定义;BJT的简化混合高频等效模型,单管共射放大器中频段、低频段、高频段的频率响应的分析和波特图的画法。
本章难点:
对放大概念的理解;等效模型的应用;对电路近似分析的把握。
本章主要的切入点:
通过易于理解的物理概念、作图的方法理解放大的概念;通过数学推导与物理意义的结合,加强对器件等效模型的理解;通过CB、CC、CS等基本电路的分析,强化工程分析的意识和分析问题的能力。
本章教学方式:
课堂讲授+仿真分析演示
本章课时安排:
本章习题:
P84
2.3、2.4、2.7、2.8、2.11、2.12、2.13、2.14、2.15、2.16、2.18、2.19、2.20。
本章的具体内容:5、6、7节:
介绍半导体BJT的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。
重点:BJT内部载流子的移动、电流的分配关系和特性曲线。8、9、10节:
介绍共射放大器组成原则,电路各元件的作用,介绍Q点定义及其合理设置的重要性,放大电路的工作原理,信号在放大电路各点的传输波形变化;放大电路组成原则。
重点:
强调对于各个基本概念的理解和掌握。11、12、13、14节:
对放大电路进行分析,介绍直流、交流通路的画法原则,并例举几个电路示范;
采用图解法对放大电路的Q点、电压放大倍数和失真情况进行分析,强调交、直流负载线的区别。
再对一个典型共射放大电路进行完整的动态参数分析,并对其分析结果进行详细分析和讨论,从而作为此部分的一个小结。
重点:
直流、交流通路的画法原则,典型共射放大电路进行完整的动态参数分析。
15、16节:
介绍三极管的小信号等效模型、并用小信号模型法分析基本放大电路的主要性能指标Av,Ri,Ro。
重点:建立小信号电路模型,将非线性问题线性化。
讲解课后习题,使学生熟悉用图解法和小信号模型法分析放大电路的方式方法。
讨论放大电路Q点的稳定性。从影响Q点稳定的因素入手,在固定偏流电路的基础上介绍分压偏置电路,并对其稳定静态工作点的原理进行详细分析。
对典型分压偏置共射放大器进行直流分析,强调直流分析中VCC的分割,工程近似法计算Q点;
重点:
对典型分压偏置共射放大器进行交直流分析。
17、18节:
简要介绍有稳Q能力的其它电路结构形式,介绍共集放大器(CC)的原理图、直流通路、交流通路、交直流分析,介绍其特点和典型应用;给出一个典型CC放大器和其分析结论由学生课外完成分析;
介绍共基放大器(CB),原理图,直流通路,交流通路,交直流分析,介绍其特点和典型应用;
给出一个典型CB放大器和其分析结论由学生课外完成分析。
结合一个简单综合性例题小结三组态的特点。
给出一个CE,CC,CB放大器比较对照表由学生课外完成分析。
重点:
共集放大器(CC)的交直流分析,共基放大器(CB)的交直流分析。
频率响应的概述,基本概念,三个频段的划分,引入RC高通电路模拟低频响应,RC低通电路模拟高频响应,它们的幅频响应,相频响应;的频率响应;波特图的定义;BJT的完整混合模型,简化高频等效模型,主要参数的推导;单管共射放大器中频段、低频段、高频段的频率响应的分析和波特图的画法。放大器增益带宽积的概念,影响因素,多级放大器的频率响应。以一个单管共射放大电路的分析为例题对以上内容做一个小结。
重点:
频率响应的基本概念,简化高频等效模型,主要参数的推导;单管共射放大器频率响应的分析。
讲解课后习题,并对本章内容作个简单的小结。
【例2-1】电路如图所示,晶体管的β=100,UBE=0.7
V,饱和管压降UCES=0.4
V;稳压管的稳定电压UZ=4V,正向导通电压UD=0.7
V,稳定电流IZ=5
mA,最大稳定电流IZM=25
mA。试问:
(1)当uI为0
V、1.5
V、25
V时uO各为多少?
(2)若Rc短路,将产生什么现象?
【相关知识】
晶体管工作状态的判断,稳压管是否工作在稳压状态的判断以及限流电阻的作用。
【解题思路】
(1)
根据uI的值判断晶体管的工作状态。
(2)
根据稳压管的工作状态判断uO的值。
【解题过程】
(1)当uI=0时,晶体管截止;稳压管的电流
在IZ和IZM之间,故uO=UZ=4
V。
当uI=15V时,晶体管导通,基极电流
假设晶体管工作在放大状态,则集电极电流
由于uO>UCES=0.4
V,说明假设成立,即晶体管工作在放大状态。
值得指出的是,虽然当uI为0
V和1.5
V时uO均为4
V,但是原因不同;前者因晶体管截止、稳压管工作在稳压区,且稳定电压为4
V,使uO=4
V;后者因晶体管工作在放大区使uO=4
V,此时稳压管因电流为零而截止。
当uI=2.5
V时,晶体管导通,基极电流
假设晶体管工作在放大状态,则集电极电流
在正电源供电的情况下,uO不可能小于零,故假设不成立,说明晶体管工作在饱和状态。
实际上,也可以假设晶体管工作在饱和状态,求出临界饱和时的基极电流为
IB=0.18
mA>IBS,说明假设成立,即晶体管工作在饱和状态。
(2)若Rc短路,电源电压将加在稳压管两端,使稳压管损坏。若稳压管烧断,则uO=VCC=12
V。
若稳压管烧成短路,则将电源短路;如果电源没有短路保护措施,则也将因输出电流过大而损坏。
【方法总结】
(1)
晶体管工作状态的判断:对于NPN型管,若uBE>Uon(开启电压),则处于导通状态;若同时满足UC≥UB>UE,则处于放大状态,IC=βIB;若此时基极电流
则处于饱和状态,式中ICS为集电极饱和电流,IBS是使管子临界饱和时的基极电流。(2)稳压管是否工作在稳压状态的判断:稳压管所流过的反向电流大于稳定电流IZ才工作在稳压区,反向电流小于最大稳定电流IZM才不会因功耗过大而损坏,因而在稳压管电路中限流电阻必不可少。图示电路中Rc既是晶体管的集电极电阻,又是稳压管的限流电阻。
【例2-2】电路如图所示,晶体管导通时UBE=0.7V,β=50。试分析uI为0V、1V、1.5V三种情况下T的工作状态及输出电压uO的值。
【相关知识】
晶体管的伏安特性。
【解题思路】
根据晶体管的管压降与,以及基极电流和集电极电流的特点,直接可以判别出管子的工作状态,算出输出电压。
【解题过程】
(1)当VBB=0时,T截止,uO=12V。
(2)当VBB=1V时,因为
μA
所以T处于放大状态。
(3)当VBB=3V时,因为
μA
所以T处于饱和状态。
【例2-3】试问图示各电路能否实现电压放大?若不能,请指出电路中的错误。图中各电容对交流可视为短路。
图(a)
图(b)
图(c)
图(d)
【相关知识】
放大电路的组成原理。
【解题思路】
放大电路的作用是把微弱的电信号不失真地放大到负载所需要的数值。即要求放大电路既要有一定的放大能力,又要不产生失真。因此,首先要检查电路中的晶体管(非线性器件)是否有合适的直流偏置,是否工作在放大状态(线性状态),其次检查信号源、放大器和负载之间的信号传递通道是否畅通,并具有电压放大的能力。
【解题过程】
图(a)电路不能实现电压放大。电路缺少集电极电阻,动态时电源相当于短路,输出端没有交流电压信号。
图(b)电路不能实现电压放大。电路中缺少基极偏置电阻,动态时电源相当于短路,输入交流电压信号也被短路。
图(c)
电路也不能实现电压放大。电路中晶体管发射结没有直流偏置电压,静态电流,放大电路工作在截止状态。
图(d)电路能实现小信号电压放大。为了保证输出信号不失真(截止、饱和),当输入信号为正时,应不足以使三极管饱和;当输入信号为负时,应不会使三极管截止。
【例2-4】单级放大电路如图所示,已知Vcc=15V,,此时调到,,,晶体管饱和压降UCES为1V,晶体管的结电容可以忽略。试求:
(1)静态工作点,:
(2)中频电压放大倍数、输出电阻、输入电阻;
(3)估计上限截止频率和下限截止频率;
(4)动态范围=?输入电压最大值Ui
p=?
(5)当输入电压的最大值大于Ui
p时将首先出现什么失真?
【相关知识】
(1)共射极放大电路。
(2)放大电路的频率特性。
【解题思路】
(1)根据直流通路可求得放大电路的静态工作点。
(2)根据交流通路可求得放大电路的、、。
(3)根据高频区、低频区的等效电路可分别求出和。
(4)根据静态工作点及交流负载线的斜率可求得动态范围,同时可判断电路出现失真的状况。
(5)根据电压放大倍数和动态范围可求出Ui
p。
【解题过程】
(1)采用估算法求解静态工作点。由图可知
故
(2)利用微变等效电路法,求解放大电路的动态指标。
(3)当电路中只有一个惯性环节时,电路的截止频率可以表示为,其中
为电容
所在回路的等效电阻。
在高频区,根据题意,晶体管的结电容可以忽略,影响电路上限截止频率的电容只有负载等效电容。故电路的上限截止频率为
在低频区,影响下限截止频率的电容有、和。可以分别考虑输入回路电容(、)和输出回路电容()的影响,再综合考虑它们共同作用时对电路下限截止频率的影响。
只考虑输出回路电容时
只考虑输入回路电容和时,为了简化计算,忽略偏置电阻及射极电阻的影响,把射极旁路电容折算到基极回路,则有
由于,所以电路的下限截止频率为
(4)
由于,即电路的最大不失真输出电压受截止失真的限制,故电路的动态范围
输入电压最大值
(5)
由上述分析可知,当输入电压的最大值大于U
ip时,电路将首先出现截止失真。
【例2-5】
图示放大电路为自举式射极输出器。在电路中,设,,晶体管的,各电容的容量足够大。试求:
(1)断开电容,求放大电路的输入电阻和输出电阻。
(2)接上电容,写出的表达式,并求出具体数值,再与(1)中的数值比较。
(3)接上电容,若通过增大来提高,那么的极限值等于多少?
图(a)
【解相关知识】
射极输出器、自举原理、密勒定理。
【解题思路】
根据放大电路的微变等效电路求放大电路的输入电阻。
【解题过程】
在分析电路的指标之前,先对自举式射极输出器的工作原理作一简要说明。在静态时,电容相
当于开路;在动态时,大电容相当于短路,点
E和点A的交流电位相等。由于点E的交流电位跟随输入信号(点B的交流电位)变化,所以两端的交流电位接近相等,流过的交流电流接近
于零。对交流信号来说,相当于一个很大的电阻,从而减小了、对电路输入电阻的影响。由于大电容C的存在,点A的交流电位会随着输入信号而自行举起,所以叫自举式射极输出器。
这种自举作用能够减小直流偏置电阻对电路输入电阻的影响,可以进一步提高射极输出器的输入电阻。
(1)在断开电容C后,电路的微变等效电路如图
(b)所示。图中
图(b)。
由图可以求出
可见,射极输出器的原来是很大的,但由于直流偏置电阻的并联,使减小了很多。
(2)接上自举电容后,用密勒定理把等效为两个电阻,一个是接在B点和地之间的,另一个是接在A(E)点和地之间的,其中是考虑了与、以及并联后的,如图(c)所示。
图(c)
由于,但小于1,所以是一个比大得多的负电阻,它与、、并联后,总的电阻仍为正。由于很大,它的并联效应可以忽略,从而使
此时
所以,自举式射极输出器的输入电阻
由于对的并联影响小得多,所以比没有自举电容时增大了。
(3)
通过增大以增大的极限情况为,即用自举电阻提高的结果,使
只取绝于从管子基极看进去的电阻,与偏置电阻几乎无关。
【例2-6】试判断图示各电路属于何种组态的放大电路,并说明输出电压相对输入电压的相位关系。
(a)
(b)
(c)(d)
【相关知识】
共集-共射,共射-共集,共集-共基组合放大电路。
【解题思路】
根据信号流向分析各个晶体管放大电路的组态及输出电压与输入电压的相位关系。
【解题过程】
图(a)所示电路第一级是共集电极放大电路,输出电压与输入电压同相;第二级是共射极放大电路,输出电压与输入电压反相。因此,整个电路是共集-共射组合电路,输出电压与输入电压反相。
图(b)所示电路第一级是共射极放大电路,输出电压与输入电压反相;第二级是共基极放大电路,输出电压与输入电压同相。因此,整个电路是共射-共基组合电路,输出电压与输入电压反相。
图(c)所示电路第一级是共集电极放大电路,输出电压与输入电压同相;第二级是共基极放大电
路,输出电压与输入电压同相。因此整个电路是共集-共基组合电路,输出电压与输入电压同相。
图(d)所示电路由于T1管集电极具有恒流特性,因而T1管是T2管的有源负载,所以T2管组成了有源负载的共射放大器,输出电压与输入电压反相。
【例2-7】
晶体管组成的共集-共射、共射-共集、共射-共基等几种组合放大电路各有其独特的优点,请你选择合适的组合放大电路,以满足如下所述不同应用场合的需求。
(1)电压测量放大器的输入级电路。
(2)输出电压受负载变化影响小的放大电路。
(3)负载为0.2kΩ,要求电压增益大于60dB的放大电路。
(4)输入信号频率较高的放大电路。
【相关知识】
共集-共射,共射-共集,共射-共基组合放大电路。
【解题思路】
根据三种组合放大电路的特点,选择满足应用需求的组合放大电路。三种组合放大电路的特点如下:
(1)共集-共射组合放大电路,不仅具有共集电极电路输入电阻大的特点,而且具有共射电路电压放大倍数大的特点;
(2)共射-共集组合放大电路,不仅具有共射电路电压放大倍数大的特点,而且具有共集电极电路输出电阻小的特点;
(3)共射-共基组合放大电路,共基极电路本身就有较好的高频特性,同时将输入电阻很小的共基极电路接在共射极电路之后,减小了共射极电路的电压放大倍数,使共射极接法的管子集电结电容效应减小,改善了放大电路的频率特性。因此,共射-共基组合放大电路在高频电路中获得了广泛的应用。该组合电路的电压放大倍数近似等于一般共射电路的电压放大倍数。
【解题过程】
(1)电压测量放大器的输入级既要有较大的输入电阻,又要有一定的电压放大能力,应采用共集-共射组合放大电路。
(2)输出电压受负载变化影响小的放大电路应具有较小的输出电阻,也要有一定的电压放大能力,应采用共射-共集组合放大电路。
(3)负载为0.2kΩ,电压增益大于60dB的放大电路应采用电压放大倍数大、输出电阻小的共射-共集组合电路,最好在输入级再增加一级具有高输入电阻的共集电极电路。
(4)输入信号频率较高时,应采用频率特性好的共射-共基组合放大电路。
第3章
场效应管放大电路
本章的教学目标和要求:
要求学生了解JFET、MOSFET的结构特点,理解其工作原理;掌握JFET、MOSFET的特性曲线及其主要参数,掌握BJT、JFET、MOSFET三者之间的差别;掌握FET的偏置电路,工作点估算方法,掌握FET的小信号跨导模型,掌握FET的共源和共漏电路的分析和特点。
本章总体教学内容和学时安排:(采用多媒体教学方式)
§3-1
结型场效应管
§3-2
金属-氧化物-半导体场效应管
§3-3
场效应管放大电路
习题课
本章重点:
各种场效应管的外特性及参数,场效应管放大电路的偏置电路及特点。
本章难点:
场效应管的工作原理以及静态工作点的计算。
本章教学方式:课堂讲授
本章课时安排:8
本章的具体内容:
19、20节:
介绍结型场效应管的工作原理、结型场效应管的特性曲线以及主要参数。
重点:对结型场效应管的特性曲线的理解。21、22、23节:
介绍MOS效应管的工作原理、MOS效应管的特性曲线以及主要参数。
重点:对MOS效应管的特性曲线的理解。24、25、26节:
FET放大电路的分类,Q点设置方法,两种偏置方法的特点,以及用图解法、计算法对电路进行分析。FET的小信号模型,并用它对共源、共漏放大器分析;加一习题课讲解习题并对本章作一小结。
重点:强调分析方法的掌握,以及电路结构、分析过程与BJT放大器的对比。
【例3-1】在图示电路中,已知场效应管的;问在下列三种情况,管子分别工作在那个区?
(1),(2),(3),【相关知识】
场效应管的伏安特性。
【解题思路】
根据管子工作在不同区域的特点,判断管子的工作状态。
【解题过程】
(1)
因为
管子工作在截止区。
(2)
因为
管子工作在放大区。
(3)
因为
管子工作在可变电阻区。
【例3-2】
电路如图(a)示。其中,,场效应管的输出特性如图(b)
所示。试求电路的静态工作点、和之值。
图(a)
图(b)
【相关知识】
结型场效应管及其外特性,自给偏压电路,放大电路的直流通路、解析法、图解法。
【解题思路】
根据放大电路的直流通路,利用解析法或图解法可求得电路的静态工作点。
【解题过程】
由场效应管的输出特性可知管子的,由式
及
得
与双极型晶体管放大电路类似,分析场效应管放大电路的静态工作点,也有两种方法,解析法和图解法
【另一种解法】
(1)在输出特性曲线上,根据输出回路直流负载线方程
作直流负载线MN,如图(d)所示。MN与不同的输出特性曲线有不同的交点。Q点应该在MN上。
图(c)
图(d)
(2)由交点对应的、值在~坐标上作曲线,称为~控制特性,如图
(c)所示。
(3)在控制特性上,根据输入回路直流负载线方程
代入,可作出输入回路直流负载线。该负载线过原点,其斜率为,与控制特性曲线的 交点即为静态工作点。由此可得,(4)根据,在输出回路直流负载线上可求得工作点,再由点可得。
【例3-3】
两个场效应管的转移特性曲线分别如图
(a)、(b)所示,分别确定这两个场效应管的类型,并求其主要参数(开启电压或夹断电压,低频跨导)。测试时电流iD的参考方向为从漏极D到源极S。
(a)
(b)
【相关知识】
(1)场效应管的转移特性。
(2)场效应管的电参数。
【解题思路】
根据场效应管的转移特性确定其开启电压或夹断电压,及在某一工作点处的跨导。
【解题过程】
(a)图曲线所示的是P沟道增强型MOS管的转移特性曲线。其开启电压UGS(th)=-2V,IDQ=
-1mA
在工作点(UGS=-5V,ID=-2.25mA)处,跨导
(b)图曲线所示的是N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线,其夹断电压,在工作点(UGS=-2V,ID=1mA)处,跨导
第4章
集成运算放大器
本章的教学目标和要求:
要求学生了解差分式放大低电路的基本概念,简单差分式放大电路的组成、工作原理,差分放大电路静态工作点与主要性能指标的计算;了解集成运放电路的组成及特点;了解集成运放的主要参数和性能指标;理解理想运放的概念,掌握理想运放的线性工作区的特点,运放在线性工作区的典型应用;掌握理想运放的非线性工作区的特点,运放在非线性工作区的典型应用。
本章总体教学内容和学时安排:(采用多媒体教学)
§4-1
集成运放概述
§4-2
集成运放中的基本单元电路
§4-3 通用集成运放
§4-4 运放的主要参数几简化低频等效电路
本章重点:
差分式放大电路的组成、工作原理,差分放大电路静态工作点与主要性能指标的计算;零点漂移现象;差动放大器对差模信号的放大作用和对共模信号的抑制作用;半电路分析方法。
电流源电路的结构和工作原理、特点;
直接耦合互补输出级电路的结构原理、特点,交越失真的概念;
本章难点:
对差模信号共模信号的理解,对任意信号单端输入、单端输出差动放大器的分析;多级放大器前后级之间的相互影响。
本章教学方式:课堂讲授
本章课时安排:6
本章习题:
P144
4.1、4.2、4.3、4.5、4.6、4.10、4.11、4.12、4.13、4.19、4.20。
本章的具体内容:27、28、29节:
介绍集成电路运算放大器中的几种电流源形式;介绍引入直接耦合放大电路的产生零点漂移的原因,零点漂移的抑制方法;直接耦合放大电路的直流分析。任意信号的差模共模分解,典型差分放大器的结构,对共模差模信号的不同响应。
重点:
产生零点漂移的原因,零点漂移的抑制方法;典型差分放大器的原理。30、31、32节:
差分放大器对差模信号的放大作用的详细分析,共模抑制比的概念。差放的四种典型接法,并对几种结构的交流特性做分析。简要介绍改进型差放的改进原理。
介绍集成电路运算放大器的内部结构、工作原理、主要参数和性能指标。
重点:共模抑制比,差放的四种典型接法和集成运放的工作原理。
【例4-1】三个两级放大电路如下图所示,已知图中所有晶体管的β均为100,rbe均为1
kΩ,所有电容均为10
μF,VCC均相同。
填空:
(1)填入共射放大电路、共基放大电路等电路名称。
图(a)的第一级为_________,第二级为_________;
图(b)的第一级为_________,第二级为_________;
图(c)的第一级为_________,第二级为_________。
(2)三个电路中输入电阻最大的电路是_________,最小的电路是_________;输出电阻最大的电路是_________,最小的电路是_________;电压放大倍数数值最大的电路是_________;低频特性最好的电路是_________;若能调节Q点,则最大不失真输出电压最大的电路是_________;输出电压与输入电压同相的电路是_________。
【相关知识】
晶体管放大电路三种接法的性能特点,多级放大电路不同耦合方式及其特点,多级放大电路动态参数与组成它的各级电路的关系。
【解题思路】
(1)通过信号的流通方向,观察输入信号作用于晶体管和场效应管的哪一极以及从哪一极输出的信号作用于负载,判断多级放大电路中各级电路属于哪种基本放大电路。
(2)根据各种晶体管基本放大电路的参数特点,以及单级放大电路连接成多级后相互间参数的影响,分析各多级放大电路参数的特点。
【解题过程】
(1)在电路(a)中,T1为第一级的放大管,信号作用于其发射极,又从集电极输出,作用于负载(即第二级电路),故第一级是共基放大电路;T2和T3组成的复合管为第二级的放大管,第一级的输出信号作用于T2的基极,又从复合管的发射极输出,故第二级是共集放大电路。
在电路(b)中,T1和T2为第一级的放大管,构成差分放大电路,信号作用于T1和T2的基极,又从T2的集电极输出,作用于负载(即第二级电路),是双端输入单端输出形式,故第一级是(共射)差分放大电路;T3为第二级的放大管,第一级的输出信号作用于T3的基极,又从其发射极输出,故第二级是共集放大电路。
在电路(c)中,第一级是典型的Q点稳定电路,信号作用于T1的基极,又从集电极输出,作用于负载(即第二级电路),故为共射放大电路;T2为第二级的放大管,第一级的输出信号作用于T
2的基极,又从其集电极输出,故第二级是共射放大电路。
应当特别指出,电路(c)中T3和三个电阻(8.2
kΩ、1.8
kΩ、1
kΩ)组成的电路构成电流源,等效成T2的集电极负载,理想情况下等效电阻趋于无穷大。电流源的特征是其输入回路没有动态信号的作用。要特别注意电路(c)的第二级电路与互补输出级的区别。
(2)比较三个电路的输入回路,电路(a)的输入级为共基电路,它的e−b间等效电阻为rbe/(1+β),Ri小于rbe/(1+β);电路(b)的输入级为差分电路,Ri大于2rbe;电路(c)输入级为共射电路,Ri是rbe与10
kΩ、3.3
kΩ电阻并联,Ri不可能小于rbe/(1+β);因此,输入电阻最小的电路为(a),最大的电路为(b)。
电路(c)的输出端接T2和T3的集电极,对于具有理想输出特性的晶体管,它们对“地”看进去的等效电阻均为无穷大,故电路(c)的输出电阻最大。比较电路(a)和电路(b),虽然它们的输出级均为射极输出器,但前者的信号源内阻为3.3
kΩ,后者的信号源内阻为10
kΩ;且由于前者采用复合管作放大管,从射极回路看进去的等效电阻表达式中有1/(1+β)2,而后者从射极回路看进去的等效电阻表达式中仅为有1/(1+β),故电路(a)的输出电阻最小。
由于电路(c)采用两级共射放大电路,且第二级的电压放大倍数数值趋于无穷大,而电路(a)和(b)均只有第一级有电压放大作用,故电压放大倍数数值最大的电路是(c)。
由于只有电路(b)采用直接耦合方式,故其低频特性最好。
由于只有电路(b)采用±VCC两路电源供电,若Q点可调节,则其最大不失真输出电压的峰值可接近VCC,故最大不失真输出电压最大的电路是(b)。
由于共射电路的输出电压与输入电压反相,共集和共基电路的输出电压与输入电压同相,可以逐级判断相位关系,从而得出各电路输出电压与输入电压的相位关系。电路(a)和(b)中两级电路的输出电压与输入电压均同相,故两个电路的输出电压与输入电压均同相。电路(c)中两级电路的输出电压与输入电压均反相,故整个电路的输出电压与输入电压也同相。
综上所述,答案为(1)共基放大电路,共集放大电路;差分放大电路,共集放大电路;共射放大电路,共射放大电路;(2)(b),(a);(c),(a);(c);(b);(b);(a),(b),(c)。
【例4-2】电路如图所示。已知,,。时。
(1)试说明和、和、以及分别组成什么电路?
(2)若要求上电压的极性为上正下负,则输入电压的极性如何?
(3)写出差模电压放大倍数的表达式,并求其值。
【相关知识】
(1)差分放大电路。
(2)多级放大电路。
(3)电流源电路。
【解题过程】
根据差分放大电路、多级放大电路的分析方法分析电路。
【解题过程】
(1)、管组成恒流源电路,作和管的漏极有源电阻,、管组成差分放大电路,并且恒流源作源极有源电阻。管组成共射极放大电路,并起到电平转化作用,使整个放大
电路能达到零输入时零输出。管组成射极输出器,降低电路的输出电阻,提高带载能力,这
里恒流源作为管的射极有源电阻。
(2)为了获得题目所要求的输出电压的极性,则必须使基极电压极性为正,基极电压极性为负,也就是管的栅极电压极性应为正,而管的栅极电压极性应为负。
(3)整个放大电路可分输入级(差分放大电路)、中间级(共射放大电路)和输出级(射极输出器)。
对于输入级(差分放大电路),由于恒流源作漏极负载电阻,使单端输出具有与双端输出相同的放大倍数。所以
式中,漏极负载电阻,而
为管的等效电阻。为管组成的共射放大电路的输入电阻。
由于恒流源的。所以:
管组成的共射放大电路的电压放大倍数
由于管组成的射极输出器的输入电阻,所以:
管组成的射极输出器的电压放大倍数
则总的差模电压放大倍数的表达式为
其值为
【例4-3】下图所示为简化的集成运放电路,输入级具有理想对称性。选择正确答案填入空内。
(1)该电路输入级采用了__________。
A.共集−共射接法
B.共集−共基接法
C.共射−共基接法
(2)输入级采用上述接法是为了__________。
A.展宽频带
B.增大输入电阻
C.增大电流放大系数
(3)T5和T6作为T3和T4的有源负载是为了__________。
A.增大输入电阻
B.抑制温漂
C.增大差模放大倍数
(4)该电路的中间级采用__________。
A.共射电路
B.共基电路
C.共集电路
(5)中间级的放大管为__________。
A.T7
B.T8
C.T7和T8组成的复合管
(6)该电路的输出级采用__________。
A.共射电路
B.共基电路
C.互补输出级
(7)D1和D2的作用是为了消除输出级的__________。
A.交越失真
B.饱和失真
C.截止失真
(8)输出电压uO与uI1的相位关系为__________。
A.反相
B.同相
C.不可知
【相关知识】
集成运放电路(输入级,中间级,互补输出级),基本放大电路的接法及性能指标,有源负载,差模放大倍数,复合管。
【解题思路】
(1)用基本的读图方法对放大电路进行分块,分析出输入级、中间级和输出级电路。
(2)分析各级电路的基本接法及性能特点。
【解题过程】
(1)输入信号作用于T1和T2管的基极,并从它们的发射极输出分别作用于T3和T4管的发射极,又从T3和T4管的集电极输出作用于第二级,故为共集−共基接法。
(2)上述接法可以展宽频带。
为什么不是增大输入电阻呢?因为共基接法的输入电阻很小,即T1和T2管等效的发射极电阻很小,所以输入电阻的增大很受限。因为共基接法不放大电流,所以不能增大电流放大系数。
(3)T5和T6作为T3和T4的有源负载是为了增大差模放大倍数。利用镜像电流源作有源负载,可使单端输出差分放大电路的差模放大倍数增大到近似等于双端输出时的差模放大倍数。
(4)为了完成“主放大器”的功能,中间级采用共射放大电路。
(5)由于第一级的输出信号作用于T7的基极以及T7和T8的连接方式,说明T7和T8组成的复合管为中间级的放大管。
(6)T9和T10的基极相连作为输入端,发射极相连作为输出端,故输出级为互补输出级。
(7)D1和D2的作用是为了消除输出级的交越失真。
(8)若在输入端uI1加“+”、uI2加“-”的差模信号,则T2的共集接法使其发射极(即T4的发射极)电位为“-”,T4的共基接法使其集电极(即T7的基极)电位也为“-”;以T7、T8构成的复合管为放大管的共射放大电路输出与输入反相,它们的集电极电位为“+”;互补输出级的输出与输入同相,输出电压为“+”;故uI1一端为同相输入端,uI2一端为反相输入端。
综上所述,答案为(1)B,(2)A,(3)C,(4)A,(5)C,(6)C,(7)A,(8)B。
第5章
反馈和负反馈放大电路
本章的教学目标和要求:
要求学生理解反馈的基本概念,掌握四种反馈类型;掌握实际反馈放大器的类型和极性的判断;掌握负反馈对放大电路的影响;掌握在深度负反馈条件下的计算;了解负反馈放大器的稳定性。
本章总体教学内容和学时安排:(采用多媒体教学)
§5-1
反馈的基本概念及类型
§5-2
负反馈对放大电路性能的影响
§5-3 负反馈放大电路的分析及近似计算
§5-4 负反馈放大电路的自激振荡几消除
本章重点:
反馈的基本概念;反馈类型的判断;负反馈对放大器性能的影响;在深度负反馈条件下放大器增益的估算。
本章难点:
反馈的基本概念;反馈类型的判断;自给振荡条件及消除振荡的措施
本章主要的切入点:为改善放大器的性能,引入负反馈的概念,通过方块图理解负反馈放大器的组成;通过方框图理解负反馈放大器的四种组态;定性理解负反馈对放大器的性能的理解;根据深度负反馈条件,估算放大器的增益。
本章教学方式:课堂讲授
本章课时安排:12
本章习题:
P183
5.3、5.4、5.5、5.8、5.9、5.10、5.11、5.13。
本章的具体内容:33、34、35、36节:
反馈的基本概念,反馈放大器的组成,工作原理,反馈的判断(有无、正负、交流直流),结合对运放和分离元件放大器反馈电路的分析介绍。
四种基本反馈方式的划分,典型结构的分析,结合例题判断反馈组态。
重点:
反馈的基本概念,反馈组态判断。37、38、39、40、41节:
反馈的引入对放大电路性能的影响,增益带宽积,负反馈引入的原则;
负反馈放大器的结构,特点,一般表达式的分析和推导。
在深度负反馈条件,在深度负反馈条件下负反馈放大器的性能分析,例题2个;
四种基本反馈在深度负反馈条件下放大器不同增益的表达式;
重点:
反馈的引入对放大电路性能的影响,负反馈引入的原则;一般表达式的分析和理解。42、43、44节:
负反馈放大器的稳定性分析:负反馈放大器自激振荡产生的原因和条件,负反馈放大器的稳定性的定性分析和判断,负反馈放大器自激振荡的消除方法。
重点:
负反馈放大器自激振荡产生的原因和条件,负反馈放大器的稳定性的判断,负反馈放大器自激振荡的消除方法。
【例5-1】在括号内填入“√”或“×”,表明下列说法是否正确。
(1)若从放大电路的输出回路有通路引回其输入回路,则说明电路引入了反馈。
(2)若放大电路的放大倍数为“+”,则引入的反馈一定是正反馈,若放大电路的放大倍数为“−”,则引入的反馈一定是负反馈。
(3)直接耦合放大电路引入的反馈为直流反馈,阻容耦合放大电路引入的反馈为交流反馈。
(4)既然电压负反馈可以稳定输出电压,即负载上的电压,那么它也就稳定了负载电流。
(5)放大电路的净输入电压等于输入电压与反馈电压之差,说明电路引入了串联负反馈;净输入电流等于输入电流与反馈电流之差,说明电路引入了并联负反馈。
(6)将负反馈放大电路的反馈断开,就得到电路方框图中的基本放大电路。
(7)反馈网络是由影响反馈系数的所有的元件组成的网络。
(8)阻容耦合放大电路的耦合电容、旁路电容越多,引入负反馈后,越容易产生低频振荡。
【相关知识】
反馈的有关概念,包括什么是反馈、直流反馈和交流反馈、电压负反馈和电流负反馈、串联负反馈和并联负反馈、负反馈放大电路的方框图、放大电路的稳定性
【解题思路】
正确理解反馈的相关概念,根据这些概念判断各题的正误。
【解题过程】
(1)通常,称将输出量引回并影响净输入量的电流通路为反馈通路。反馈是指输出量通过一定的方式“回授”,影响净输入量。因而只要输出回路与输入回路之间有反馈通路,就说明电路引入了反馈,而反馈通路不一定将放大电路的输出端和输入端相连接。例如,在下图所示反馈放大电路中,R2构成反馈通路,但它并没有把输出端和输入端连接起来。故本题说法正确。
(2)正、负反馈决定于反馈的结果是使放大电路的净输入量或输出量的变化增大了还是减小了,若增大则为正反馈,否则为负反馈;与放大电路放大倍数的极性无关。换言之,无论放大倍数的符号是“+”还是“−”,放大电路均可引入正反馈,也可引入负反馈。故本题说法错误。
(3)直流反馈是放大电路直流通路中的反馈,交流反馈是放大电路交流通路中的反馈,与放大电路的耦合方式无直接关系。本题说法错误。
(4)电压负反馈稳定输出电压,是指在输出端负载变化时输出电压变化很小,因而若负载变化则其电流会随之变化。故本题说法错误。
(5)根据串联负反馈和并联负反馈的定义,本题说法正确。
(6)本题说法错误。负反馈放大电路方框图中的基本放大电路需满足两个条件,一是断开反馈,二是考虑反馈网络对放大电路的负载效应。虽然本课程并不要求利用方框图求解负反馈放大电路,但是应正确理解方框图的组成。
(7)反馈网络包含所有影响反馈系数的元件组成反馈网络。例如,在上图所示电路中,反馈网络由R1、R2和R4组成,而不仅仅是R2。故本题说法正确。
(8)在低频段,阻容耦合负反馈放大电路由于耦合电容、旁路电容的存在而产生附加相移,若满足了自激振荡的条件,则产生低频振荡。根据自激振荡的相位条件,在放大电路中有三个或三个以上耦合电容、旁路电容,引入负反馈后就有可能产生低频振荡,而且电容数量越多越容易产生自激振荡。故本题说法正确。
综上所述,答案为:(1)√,(2)×,(3)×,(4)×,(5)√,(6)×,(7)√,(8)√
【例5-2】
电路如图所示,图中耦合电容器和射极旁路电容器的容量足够大,在中频范围内,它们的容抗近似为零。试判断电路中反馈的极性和类型(说明各电路中的反馈是正、负、直流、交流、电压、电流、串联、并联反馈)。
【相关知识】
反馈放大电路。
【解题思路】
根据反馈的判断方法判断电路中反馈的极性和类型。
【解题过程】
图示放大电路输出与输入之间没有反馈,第一级也没有反馈,第二级放大电路有两条反馈支路。一条反馈支路是,另一条反馈支路是和串联支路。支路有旁路电容,所以它是本级直流反馈,可以稳定第二级电路的静态工作点。和串联支路接在第二级放大电路的输出(集电极)和输入之间(基极),由于的“隔直”作用,该反馈是交流反馈。
和串联支路交流反馈极性的判断:
当给第二级放大电路加上对地极性为♁的信号时,输出电压极性为㊀,由于电容对交流信号可认为短路,所以反馈信号极性也为㊀,因而反馈信号削弱输入信号的作用,该反馈为负反馈。判断过程如图所示。
负反馈组态的判断:
若令输出电压信号等于零,从输出端返送到输入电路的信号等于零,即反馈信号与输出电压信号成正比,那么该反馈是电压反馈;反馈信号与输入信号以电流的形式在基极叠加,所以它是并联反馈。
总结上述判别可知,图示电路中和串联支路构成交流电压并联负反馈。
【例5-3】试判断图示各电路中是否引入了反馈;若引入了反馈,则判断是正反馈还是负反馈,是直流反馈还是交流反馈;若引入了交流负反馈,则判断是哪种组态的负反馈。设图中所有电容对交流信号均可视为短路。
【相关知识】
分立元件放大电路(双极型管放大电路和单极型管放大电路)各种接法的极性判断,反馈的判断方法,包括判断是否引入了反馈、判断反馈的正负、判断直流反馈和交流反馈、判断交流负反馈的四种组态。
【解题思路】
(1)根据反馈的定义,判断电路中是否存在反馈通路,从而判断是否引入了反馈。
(2)若引入了反馈,利用瞬时极性法判断反馈的正负。
(3)根据直流反馈和交流反馈的定义,判断引入的反馈属于哪种反馈。
(4)根据交流反馈四种组态的判断方法,判断引入的反馈属于哪种组态。
【解题过程】
在图(a)电路中,Rf将输出回路与输入回路连接起来,故电路引入了反馈;且反馈既存在于直流通路又存在于交流通路,故电路引入了直流反馈和交流反馈。利用瞬时极性法,在规定输入电压瞬时极性时,可得到放大管基极、集电极电位的瞬时极性以及输入电流、反馈电流的方向,如图(e)所示。晶体管的基极电流等于输入电流与反馈电流之差,故电路引入了负反馈,且为并联负反馈。当输出电压为零(即输出端短路)时,Rf将并联在T的b−e之间,如图(e)中虚线所示;此时尽管Rf中有电流,但这个电流是uI作用的结果,输出电压作用所得的反馈电流为零,故电路引入了电压负反馈。综上所述,电路引入了直流负反馈和交流电压并联负反馈。
在图(b)电路中,R1将输出回路与输入回路连接起来,故电路引入了反馈;且反馈既存在于直流通路又存在于交流通路,故电路引入了直流反馈和交流反馈。利用瞬时极性法,在规定输入电压瞬时极性时,可得到放大管各极电位的瞬时极性以及输入电流、反馈电流方向,如图(f)所示。由于反馈减小了T1管的射极电流,故电路引入了并联负反馈。令输出电压为零,由于T2管的集电极电流(为输出电流)仅受控于它的基极电流,且R1、R2对其分流关系没变,反馈电流依然存在,故电路引入了电流负反馈。综上所述,该电路引入了直流负反馈和交流电流并联负反馈。
在图(c)电路中,R4在直流通路和交流通路中均将输出回路与输入回路连接起来,故电路引入了直流反馈和交流反馈。按u
I的假设方向,可得电路中各点的瞬时极性,如图(g)所示。输出电压uO作用于R4、R1,在R1上产生的电压就是反馈电压uF,它使得差分管的净输入电压减小,故电路引入了串联负反馈。由于uF取自于uO,电路引入了电压负反馈。综上所述,电路引入了直流负反馈和交流电压串联负反馈。
根据上述分析方法,图(d)电路的瞬时极性如图(h)所示。电路引入了直流负反馈和交流电流串联负反馈。
从图(c)和(d)电路可知,它们的输出电流均为输出级放大管的集电极电流,而不是负载电流。
【方法总结】
分立元件放大电路反馈的判断与集成运放负反馈放大电路相比有其特殊性。电路的净输入电压往往指输入级放大管输入回路所加的电压(如晶体管的b−e或e−b间的电压、场效应管的g−s或s−g间的电压),净输入电流往往指输入级放大管的基极电流或射极电流。在电流负反馈放大电路中,输出电流往往指输出级晶体管的集电极电流、发射极电流或场效应管的漏极电流、源极电流。
【常见错误】
在分立元件电流负反馈放大电路中,认为输出电流是负载RL上的电流。
【例5-4】某一负反馈放大电路的开环电压放大倍数,反馈系数。试问:
(1)闭环电压放大倍数为多少?
(2)如果发生20%的变化,则的相对变化为多少?
【相关知识】
(1)相对变化率
(2)闭环增益的一般表示式
【解题思路】
当已知的相对变化率来计算的相对变化率时,应根据的相对变化率的大小采用不同的方法。当的相对变化率较小时,可对求导推出与的关系式后再计算。当的相对变化率较大时,应通过计算出后再计算。
【解题过程】
(1)闭环电压放大倍数
(2)当变化20%,那么,则的相对变化为
当变化-20%,那么
则的相对变化为
【常见错误】
本例中已有20%的变化,的相对变化率较大,应通过计算出后再计算。
【例5-5】电路如图所示,试合理连线,引入合适组态的反馈,分别满足下列要求。
(1)减小放大电路从信号源索取的电流,并增强带负载能力;
(2)减小放大电路从信号源索取的电流,稳定输出电流。
【相关知识】
双极型管放大电路和单极型管放大电路各种接法的分析及其极性分析,反馈的基本概念,负反馈对放大电路性能的影响,放大电路中引入负反馈的一般原则。
【解题思路】
(1)分析图中两个放大电路的基本接法。
(2)设定两个放大电路输入端的极性为正,分别判断两个放大电路其它输入端和输出端的极性。
(3)根据要求引入合适的负反馈。
【解题过程】
图示电路的第一级为差分放大电路,输入电压uI对“地”为“+”时差分管T1的集电极(即④)电位为“−”,T2的集电极(即⑤)电位为“+”。第二级为共射放大电路,若T3管基极(即⑥)的瞬时极性为“+”,则其集电极(即⑧)电位为“−”,发射极(即⑦)电位为“+”;若反之,则⑧的电位为“+”,⑦的电位为“−”。
(1)减小放大电路从信号源索取的电流,即增大输入电阻;增强带负载能力,即减小输出电阻;故应引入电压串联负反馈。
因为要引入电压负反馈,所以应从⑧引出反馈;因为要引入串联负反馈,以减小差分管的净输入电压,所以应将反馈引回到③,故而应把电阻Rf接在③、⑧之间。Rb2上获得的电压为反馈电压,极性应为上“+”下“−”,即③的电位为“+”。因而要求在输入电压对“地”为“+”时⑧的电位为“+”,由此可推导出⑥的电位为“−”,需将⑥接到④。
结论是,需将③接⑨、⑩接⑧、⑥接④。
(2)减小放大电路从信号源索取的电流,即增大输入电阻;稳定输出电流,即增大输出电阻;故应引入电流串联负反馈。
根据上述分析,Rf的一端应接在③上;由于需引入电流负反馈,Rf的另一端应接在⑦上。为了引入负反馈,要求⑦的电位为“+”,由此可推导出⑥的电位为“+”,需将⑥接到⑤。
结论是,需将③接⑨、⑩接⑦、⑥接⑤。
【方法总结】
(1)减小放大电路从信号源索取的电流,即增大输入电阻,应引入串联负反馈。
(2)增强带负载能力,即减小输出电阻,应引入电压负反馈;稳定输出电压,即减小输出电阻,应引入电压负反馈。
(3)稳定输出电流,即增大输出电阻,应引入电流负反馈。
【常见错误】
在引入反馈时只注意保证引入的反馈组态正确,但没有保证引入的反馈为负反馈。
第6、7章
信号的运算与处理电路
本章的教学目标和要求:
要求学生理解掌握理想运放的虚短与虚断的特点,熟练掌握比例、加法、减法、微分、积分等几种基本理想运算电路的工作原理及应用;掌握实际运放的误差分析;理解对数和反对数运算电路以及模拟乘法器的基本概念及应用,有源滤波器的基本概念及一阶、二阶有源滤波器电路分析,单门限、双门限电压比较器电路分析。
本章的总体教学内容:(采用多媒体教学)
§6-1
基本运算电路
§6-2
对数和反对数运算电路
§6-3
模拟乘法器及其应用
§6-4
集成运放使用中的几个问题
§7-1
电子系统概述
§7-2
信号检测系统中的放大电路
§7-3
有源滤波电路
§7-4
电压比较器
习题课
本章重点:
理想运放线性应用的规律分析、基本运算电路分析、模拟乘法器的基本概念及应用、有源滤波器、电压比较器的基本概念、双门限电压比较器电路分析。
本章难点:
正确判断运放的工作区,并灵活运用所在区的特点分析电路的功能。
本章主要的切入点:
通过引入理想运放的概念,建立虚短与虚断的概念和零子模型电路;围绕理想运放的两个工作区各自的特点,分析比例、求和、,从而掌握运放应用电路的一般分析方法。
本章教学方式:课堂讲授
本章课时安排:8
本章习题:P203
P233
6.1、6.9、6.10、6.11、6.13、6.14、6.16、7.3、7.13、7.20、7.21、7.22。
45、46节:
运用虚短与虚断概念分析反相比例、同相比例、加法、减法、积分和微分运算电路的工作原理;对实际运算电路的误差进行分析。
重点:基本运算电路的工作原理。47、48、49节:
运用虚短与虚断概念分析对数和反对数运算电路的工作原理。介绍模拟乘法器的工作原理及应用。
重点:
模拟乘法器的工作原理。
习题课:应用基本运算放大电路进行电路分析及计算。50、51、52节:
滤波器的概念,分类,频带特性,对用运放构成的简单高通、低通滤波器电路进行分析。电压比较器的概念,分类,应用
重点:
有源高通、低通滤波器电路的分析;电压比较器的分析方法、原理及应用。
【例6-1】如图所示的理想运放电路,可输出对“地”对称的输出电压和。设。
(1)试求/。
(2)若电源电压用15V,电路能否正常工作?
【相关知识】
(1)运放特性。
(2)反相输入比例运算电路。
【解题思路】
分析各运放组成哪种单元电路,根据各单元电路输出与输入关系,推导出总的输出电压的关系式。
【解题过程】
(1)由图可知,运放A1和A2分别组成反相输入比例运算电路。故
(2)
若电源电压用15V,那么,运放的最大输出电压,当时。运放A1和A2的输出电压均小于电源电压,这说明两个运放都工作在线性区,故电路能正常工作。
【例6-2】电路如图所示,设运放均有理想的特性,写出输出电压与输入电压、的关系式。
【相关知识】
运放组成的运算电路。
【解题思路】
分析各运放组成哪种单元电路,根据各单元电路输出与输入关系,推导出总的输出电压的关系式。
【解题过程】
由图可知,运放A1、A2组成电压跟随器。,运放A4组成反相输入比例运算电路
运放A3组成差分比例运算电路
运放A3组成差分比例运算电路
以上各式联立求解得:
【例6-3】理想运放电路如图所示,试求输出电压与输入电压的关系式。
【相关知识】
加法器、减法器。
【解题思路】
由图可知,本电路为多输入的减法运算电路,利用叠加原理求解比较方便。
【解题过程】
当时
当时
利用叠加原理可求得上式中,运放同相输入端电压
于是得输出电压
【例7-1】现有有源滤波电路如下:
A、高通滤波器
B、低通滤波器
C、带通滤波器
D、带阻滤波器
选择合适答案填入空内。
(1)为避免50Hz电网电压的干扰进入放大器,应选用。
(2)已知输入信号的频率为1~2kHz,为了防止干扰信号的混入,应选用。
(3)为获得输入电压中的低频信号,应选用。
(4)为获得输入电压中的低频信号,应选用。
(5)输入信号频率趋于零时输出电压幅值趋于零的电路为。
(6)输入信号频率趋于无穷大时输出电压幅值趋于零的电路为。
(7)输入信号频率趋于零和无穷大时输出电压幅值趋于零的电路为。
(8)输入信号频率趋于零和无穷大时电压放大倍数为通带放大倍数的电路为。
【相关知识】
四种有源滤波电路的基本特性及其用途。
【解题思路】
根据四种有源滤波电路的基本特性及其用途来选择填入。
【解题过程】
根据表7.1.3可知
答案为(1)D,(2)C,(3)B,(4)A,(5)A、C,(6)B、C,(7)C,(8)D。
【例7-2】已知由理想运放组成的三个电路的电压传输特性及它们的输入电压uI的波形如图所示。
(1)分别说明三个电路的名称;
(2)画出uO1~uO3的波形。
【相关知识】
单限比较器、滞回比较器和窗口比较器电压传输特性的特征。
【解题思路】
(1)根据电压传输特性判断所对应的电压比较器的类型。
(2)电压传输特性及电压比较器的类型画出输出电压的波形。
【解题过程】
(1)图(a)说明电路只有一个阈值电压UT(=2
V),且uI<UT时uO1
=
UOL
=-0.7
V,uI>UT时uO1
=UOH=6
V;故该电路为单限比较器。
图(b)所示电压传输特性的两个阈值电压UT1=2
V、UT2=4
V,有回差。uI<UT1时uO2=
UOH
=+6
V,uI>UT2时uO2=
UOL
=-6
V,UT1<uI<UT2时uO决定于uI从哪儿变化而来;说明电路为滞回比较器。
图(c)所示电压传输特性的两个阈值电压UT1=1
V、UT2=3
V,由于uI<UT1和uI>UT2时uO3=
UOL=-6
V,UT1<uI<UT2时uO1=
UOH
=+6
V,故该电路为窗口比较器。
答案是具有如图(a)、(b)、(c)所示电压传输特性的三个电路分别为单限比较器、滞回比较器和窗口比较器。
(2)根据题目给出的电压传输特性和上述分析,可画出uO1~uO3的波形,如图(e)所示。
应当特别提醒的是,在uI<4
V之前的任何变化,滞回比较器的输出电压uO2
都保持不变,且在uI=4
V时uO2从高电平跃变为低电平,直至uI=2
V时uO2才从低电平跃变为高电平。
【方法总结】
根据滞回比较器电压传输特性画输出电压波形时,当输入电压单方向变化(即从小逐渐变大,或从大逐渐变小)经过两个阈值时,输出电压只跳变一次。例如本题中,当uI从小逐渐变大时,只有经过阈值电压UT2=4
V时输出电压才跳变;而当uI从大逐渐变小时,只有经过阈值电压UT1=2
V时输出电压才跳变。
【常见错误】
认为只要uI变化经过阈值电压UT1=2
V或UT2=4
V时输出电压就跳变。
图(e)
第8章 信号发生器
本章的教学目标和要求:
要求学生理解掌握正弦波信号产生电路的基本概念,RC串联、LC并联正弦信号产生电路的组成、振荡条件判断、振荡频率计算;掌握理想运放非线性应用的分析规律,方波产生电路组成及工作原理。
本章的总体教学内容:(采用多媒体教学)
§8-1
正弦波信号发生器
§8-2
非正弦波信号发生器
本章重点:
正弦波振荡电路的振荡条件及比较器的基本原理。
本章难点:
振荡条件的判别
本章教学方式:课堂讲授
本章课时安排:4
本章习题:
P259
8.1、8.2、9.2.3、8.4、8.5、8.7、8.8、8.9、8.10、8.1253、54节:
介绍正弦波发生器的工作原理,组成结构,产生正弦波振荡的条件;
重点:
正弦波发生器的工作原理。
55、56节:
典型的RC桥式电路的结构及其工作原理;电容三点式、电感三点式振荡电路的结构及工作原理,振荡条件的判别;石英晶体振荡电路的工作原来。
重点:
RC、LC振荡电路的工作原理。
方波、锯齿波产生电路的工作原理。
【例8-1】图(a)所示电路是没有画完整的正弦波振荡器。
(1)完成各节点的连接;
(2)选择电阻的阻值;
(3)计算电路的振荡频率;
(4)若用热敏电阻(的特性如图(b)所示)代替反馈电阻,当(有效值)多大时该电路出现稳定的正弦波振荡?此时输出电压有多大?
图(a)
图(b)
【相关知识】
RC正弦波振荡器。
【解题思路】
根据RC正弦波振荡器的组成和工作原理对题目分析、求解。
【解题过程】
(1)在本题图中,当时,RC串—并联选频网络的相移为零,为了满足相位条件,放大器的相移也应为零,所以结点应与相连接;为了减少非线性失真,放大电路引入负反馈,结点
应与相连接。
(2)为了满足电路自行起振的条件,由于正反馈网络(选频网络)的反馈系数等于1/3(时),所以电路放大倍数应大于等于3,即。故应选则大于的电阻。
(3)电路的振荡频率
(4)由图(b)可知,当,即当电路出现稳定的正弦波振荡时,此时输出电压的有效值
【例8-2】试判断图(a)所示电路是否有可能产生振荡。若不可能产生振荡,请指出电路中的错误,画出一种正确的电路,写出电路振荡频率表达式。
【相关知识】
LC型正弦波振荡器。
【解题思路】
(1)
从相位平衡条件分析电路能否产生振荡。
(2)
LC电路的振荡频率,L、C分别为谐振电路的等效电感和电容。
【解题过程】
图(a)电路中的选频网络由电容C和电感L(变压器的等效电感)组成;晶体管T及其直流偏置电路构成基本放大电路;变压器副边电压反馈到晶体管的基极,构成闭环系统统;本电路利用晶体管的非线性特性稳幅。静态时,电容开路、电感短路,从电路结构来看,本电路可使晶体管工作在放大状态,若参数选择合理,可使本电路有合适的静态工作点。动态时,射极旁路电容和基极耦合电容短路,集电极的LC并联网络谐振,其等效阻抗呈阻性,构成共射极放大电路。利用瞬时极性法判断相位条件:首先断开反馈信号(变压器副边与晶体管基极之间),给晶体管基极接入对地极性为的输入信号,则集电极对地的输出信号极性为㊀,即变压器同名端极性为㊀,反馈信号对地极性也为㊀。反馈信号输入信号极性相反,不可能产生振荡。若要电路满足相位平衡条件,只要对调变压器副边绕组接线,使反馈信号对地极性为即可。改正后的电路如图(c)所示。本电路振荡频率的表达式为
图(c)
图
(d)
图(b)电路中的选频网络由电容C1、C2和电感L组成;晶体管T是放大元件,但直流偏置不合适;电容C1两端电压可作为反馈信号,但放大电路的输出信号(晶体管集电极信号)没有传递到选频网络。本电路不可能产生振荡。首先修改放大电路的直流偏置电路:为了设置合理的偏置电路,选频网络与晶体管的基极连接时要加隔直电容,晶体管的偏置电路有两种选择,一种是固定基极偏置电阻的共射电路,另一种是分压式偏置的共射电路。选用静态工作点比较稳定的电路(分压式偏置电路)比较合理。修改交流信号通路:把选频网络的接地点移到C1和C2之间,并把原电路图中的节点2连接到晶体管T的集电极。修改后的电路如图(d)所示。然后再判断相位条件:在图(d)电路中,断开反馈信号(选频网络与晶体管基极之间),给晶体管基极接入对地极性为的输入信号,集电极输出信号对地极性为㊀(共射放大电路),当LC选频网络发生并联谐振时,LC网络的等效阻抗呈阻性,反馈信号(电容C1两端电压)对地极性为。反馈信号与输入信号极性相同,表明,修改后的电路能满足相位平衡条件,电路有可能产生振荡。本电路振荡频率的表达式为
第9章
功率放大电路
本章的教学目标和要求:
要求学生了解功率放大电路的基本概念和特点;掌握乙类双电源互补对称功率放大电路的组成、工作原理及性能指标的计算;掌握甲乙类互补对称功率放大电路OCL和OTL的组成、工作原理及性能指标的计算。
本章总体教学内容和学时安排:(采用多媒体教学方式)
§9-1
功率放大电路的特点及分类
§9-2
互补推挽功率放大电路
本章重点:
乙类、甲乙类互补对称功率放大电路的输出功率和效率的计算。
本章难点:
功率放大电路的工作原理及计算分析。
本章教学方式:课堂讲授
本章课时安排:4
本章的具体内容:
57、58节:
介绍结型场效应管的工作原理、结型场效应管的特性曲线以及主要参数。
重点:对结型场效应管的特性曲线的理解。
59、60节:
介绍MOS效应管的工作原理、MOS效应管的特性曲线以及主要参数。
重点:对MOS效应管的特性曲线的理解。
FET放大电路的分类,Q点设置方法,两种偏置方法的特点,以及用图解法、计算法对电路进行分析。FET的小信号模型,并用它对共源、共漏放大器分析;加一习题课讲解习题并对本章作一小结。
重点:强调分析方法的掌握,以及电路结构、分析过程与BJT放大器的对比。
【例9-1】单电源互补功率放大电路如图所示。设功率管、的特性完全对称,管子的饱和压降,发射结正向压降,,并且电容器和的容量足够大。
(1)静态时,A点的电位、电容器C两端压降和输入端信号中的直流分量分别为多大?
(2)动态时,若输出电压仍有交越失真,应该增大还是减小?
(3)试确定电路的最大输出功率、能量转换效率,及此时需要的输入激励电流的值;
(4)如果二极管D开路,将会出现什么后果?
【相关知识】
甲乙类互补推挽功放电路的工作原理。
【解题思路】
(1)为了使单电源互补推挽功放电路输出信号正负两个半周的幅值对称,静态时,A点的电位应等于电源电压的一半,由此可推算电容器C两端压降和输入端信号中的直流分量的大小。
(2)分析产生交越失真的原因,讨论的作用。
(3)确定输出电压最大值,求解最大输出功率、能量转换效率及此时需要的输入激励电流的值。
(4)断开二极管,分析电路可能出现的状况。
【解题过程】
(1)
静态时,调整电阻、和,保证功率管和处于微导通状态,使A点电位等于电源电压的一半,即。此时耦合电容C被充电,电容C两端的电压;输入信号中的直流分量的大小,应保证输入信号接通后不影响放大电路的直流工作点,即。
(2)
电路中设置电位器和二极管D的目的是为功率管提供合适的静态偏置,从而减小互补推挽电路的交越失真。若接通交流信号后输出电压仍有交越失真,说明偏置电压不够大,适当增大电位器的值之后,交越失真将会减小。
(3)
功率管饱和时,输出电压的幅值达到最大值,则电路的最大输出功率
此功放电路的能量转换效率最大
当输出电压的幅值达最大值时,功率管基极电流的瞬时值应为
(4)当D开路时,原电路中由电位器和二极管D给功率管和提供微导通的作用消失。、、和的发射结及将构成直流通路,有可能使和管完全导通。若和的值较小时,将会出现,从而使功放管烧坏。
【例9-2】在图示的电路中,已知运放性能理想,其最大的输出电流、电压幅值分别为15mA和15V。设晶体管和的性能完全相同,=60。试问:
(1)该电路采用什么方法来减小交越失真?请简述理由。
(2)如负载分别为20、10时,其最大不失真输出功率分别为多大?
【相关知识】
(1)乙类互补推挽功放。
(2)运算放大器。
(3)电压并联负反馈。
【解题思路】
(1)推导晶体管和即将导通时,管子发射结两端电压与输入电压关系,并由此分析电路减小交越失真的措施。
(2)根据运放输出电流和输出电压的最大值,确定功放电路输出电流和输出电压的最大值。在不同负载条件下,分析电路最大不失真输出功率是受输出电流的限制还是受输出电压的限制,从而可求出其最大不失真输出功率。
【解题过程】
(1)当输入信号小到还不足以使晶体管和导通时,电路中还没有形成负反馈。此时由电路图可列出以下关系式
与
和死区电压的关系为
当时,和未导通;
当时,和导通。
由于运放的很大,即使非常小时,或也会导通,与未加运放的乙类推挽功放电路相比,输入电压的不灵敏区减小了,从而减小了电路的交越失真。
(2)由图可知,功放电路最大的输出电流幅值为
最大的输出电压幅值为
当时,因为,那么,受输出电压的限制,电路的最大输出功率为
当时,因为,受输出电流的限制,电路的最大输出功率为
【例9-3】图示为三种功率放大电路。已知图中所有晶体管的电流放大系数、饱和管压降的数值等参数完全相同,导通时b-e间电压可忽略不计;电源电压VCC和负载电阻RL均相等。填空:
(1)分别将各电路的名称(OCL、OTL或BTL)填入空内,图(a)所示为_______电路,图(b)所示为_______电路,图(c)所示为_______电路。
(2)静态时,晶体管发射极电位uE为零的电路为有_______。
(3)在输入正弦波信号的正半周,图(a)中导通的晶体管是_______,图(b)中导通的晶体管是_______,图(c)中导通的晶体管是_______。
(4)负载电阻RL获得的最大输出功率最大的电路为_______。
(5)效率最低的电路为_______。
【相关知识】
常用功率放大电路(OCL、OTL或BTL)。
【解题思路】
(1)根据三种功率放大电路(OCL、OTL或BTL)的结构特点来选择相应的电路填空。
(2)功率放大电路采用双电源供电时,其晶体管发射极电位uE为零。
(3)根据三种功率放大电路(OCL、OTL或BTL)的基本工作原理来选择相应的晶体管填空。
(4)分析三种功率放大电路的最大不失真输出电压,从而选出输出功率最大的电路。
(5)根据三种功率放大电路的最大输出功率以及功放管消耗的能量大小来确定效率最低的电路。
【解题过程】
(1)答案为OTL、OCL、BTL。
(2)由于图(a)和(c)所示电路是单电源供电,为使电路的最大不失真输出电压最大,静态应设置晶体管发射极电位为VCC/2。因此,只有图(b)所示的OCL电路在静态时晶体管发射极电位为零。因此答案为OCL。
(3)根据电路的工作原理,图(a)和(b)所示电路中的两只管子在输入为正弦波信号时应交替导通,图(c)所示电路中的四只管子在输入为正弦波信号时应两对管子(T1和T4、T2和T3)交替导通。
因此答案为T1,T1,T1和T4。
(4)在三个电路中,哪个电路的最大不失真输出电压最大,哪个电路的负载电阻RL获得的最大输出功率就最大。三个电路最大不失真输出电压的峰值分别为,(5)根据(3)、(4)中的分析可知,三个电路中只有BTL电路在正弦波信号的正、负半周均有两只功放管的消耗能量,损耗最大,故转换效率最低。因而答案为(c)。
第10章 直流稳压电源
本章的教学目标和要求:
要求学生掌握直流电源的组成,各部分的作用,了解稳压电源的发展趋势和典型的元件。
本章总体教学内容和学时安排:(采用多媒体教学)
§10-1 概述
§10-2 单相整流及电容滤波电路
§10-3 串联反馈型线性稳压电路
习题课,复习
本章重点:
直流电源的组成及各部分的作用;单相桥式整流电路、电容滤波、稳压管稳压的工作原理。
本章难点:
滤波电路的定量计算。
本章主要的切入点:
从前几章电子电路对直流电源的要求,简略说明直流电源的任务,进而说明直流电源的组成。
本章教学方式:课堂讲授
本章课时安排:4
本章习题:
P299
10.1、10.3、10.6、10.13、10.10、10.1761、62节:
直流电源的组成框图,各个部分的作用,主要参数,对器件的选择的要求。介绍半波整流电路,分析典型的单相桥式整流电路。介绍滤波、稳压部分的典型结构。重点:
单相桥式整流电路的工作原理。
63、64节
典型稳压电源电路的工作原理:简介串联反馈式稳压电路和串联开关式稳压电路的工作原理;介绍常用的三端集成稳压器件78XX和79XX系列。
重点:
串联反馈式稳压电路的工作原理。
习题课,讲解本章节的重难点习题,传授解题技巧;对本课程做总结性回顾。
【例10-1】在某一具有电容滤波的桥式整流电路中,设交流电源的频率为1000HZ,整流二极管正向压降为0.7V,变压器的内阻为2。要求直流输出电流IO=100mA,输出直流电压UO=12V,试计算:
(1)估算变压器副边电压有效值U2。
(2)选择整流二极管的参数值。
(3)选择滤波电容器的电容值。
【相关知识】
电容滤波的桥式整流电路。
【解题思路】
(1)根据估算变压器副边电压有效值U2。
(2)根据电路中流过二极管的电流及二极管承受的最高反压电压选择整流二极管。
(3)根据及电容器的耐压选择滤波电容器。
【解题过程】
(1)
由可得。
(2)
流过二极管的电流
二极管承受的反压为
选2CP33型二极管,其参数为URM=25V,IDM=500mA。
(3)
由,可得
取,那么
选C=22μF,耐压25V的电解电容。
【例10-2】串联型稳压电路如图所示。已知稳压管的稳定电压,负载。
(1)
标出运算放大器A的同相和反相输入端。
(2)
试求输出电压的调整范围。
(3)
为了使调整管的,试求输入电压的值。
【相关知识】
串联型稳压电路。
【解题思路】
(1)
运算放大器的同相和反相输入端的连接要保证电路引入电压负反馈。
(2)
根据确定输出电压的调整范围。
(3)
由,并考虑到电网电压有波动,确定输入电压的值。
【解题过程】
(1)
由于串联型稳压电路实际上是电压串联负反馈电路。为了实现负反馈,取样网络(反馈网络)应接到运放的反相输入端,基准电压应接到运放的同相输入端。所以,运放A的上端为反相输入端(–),下端为同相端(+)。
(2)
根据串联型稳压电路的稳压原理,由图可知
式中,为可变电阻滑动触头以下部分的电阻。
当时,最小
当时,最大
因此,输出电压的可调范围为。
(3)由于
当时,为保证,输入电压
若考虑到电网电压有波动时,也能保证,那么,实际应用中,输入电压应取。
【常见的错误】
容易忽视电网电压有波动。
【例10-3】图中画出了两个用三端集成稳压器组成的电路,已知静态电流IQ=2mA。
(1)写出图(a)中电流IO的表达式,并算出其具体数值;
(2)写出图(b)中电压UO的表达式,并算出当R2=0.51k时的具体数值;
(3)说明这两个电路分别具有什么功能?
图(a)
图(b)
【相关知识】
三端集成稳压器。
【解题思路】
(4)
写出图(a)电路输出电流与稳压器输出电压的表达式。
(5)写出图(b)电路输出电压与稳压器输出电压的表达式。
(6)由表达式分析各电路的功能。
【解题过程】
(1)
(2)
电子电路仿真技术 篇6
关键词:EWB仿真软件维修电工高技能人才技术培训
一、引言
EWB(Electronic Workbench)仿真软件是加拿大Interactive Image Technologies公司于20世纪八十年代末、九十年代初推出的一种EDA(电子设计自动化)软件,常称为电子设计工作平台或者“虚拟电子工作台”。EWB软件强大的电子电路仿真功能,使它特别适合于普通高校、高职高专等多类学校电工电子类课程的教学和实验应用。
高技能人才是企业人力资源的宝贵财富,维修电工高技能人才对保障企业电气设备的正常运行和开展电气技术改造,发挥着一线技术工人的核心骨干作用。维修电工是一个理论与技能并重的技术工种,目前维修电工高技能人才大多工作经验丰富、动手能力强、肯干好学,但其电工电子技术理论往往相对薄弱,影响了技能水平的提高。而电路和电子技术理论的抽象性,又常常会成为他们进一步学习和掌握电工电子技术的绊脚石。
在企业维修电工高技能人才的电工电子技术培训中,笔者应用EWB仿真软件辅助教学,摆脱了工人技术培训的传统模式,解决了电气技术工人培训中存在的培训单位经费不足、实验条件差、学员工学时间矛盾突出等问题,提高了学员的学习兴趣,增强了他们对各类电路的感性认识,在培训中充分发挥出学员的主观能动性,获得良好的技术培训效果。
二、EWB 电路仿真软件的特点
在众多的电路仿真软件中,EWB软件是最容易学会的,它具有以下特点:
(1)EWB软件提供了一个十分易于获得的、模拟的电工电子实验平台。只要有计算机和EWB软件,在计算机屏幕上就可以利用软件,采用图形的方式组建电路,仿真电路的运行情况,进行相关的电路测量和分析,因而便于学员随时随地进行电工电子技术的学习。
(2)EWB软件的图形界面非常直观,虚拟元器件和仪器仪表等都可以直接从窗口图形中调出,十分便于操作,更有利于学员对软件的学习和掌握。
(3)EWB软件具有内容丰富的电路元器件库和性能优良、使用简便的仪器仪表库,还提供了多种电路分析方法,学员可以采用比真实实验室中更加灵活的方式安全地进行多种电路实验。
(4)EWB软件提供的各种虚拟仪器仪表控制面板的外形与实物相似、仪器仪表的操作方法与实际相仿、测试结果的显示方式也与实际调试基本相同,学员可以掌握正确测量方法和提高使用仪器的能力,并获得实时测量结果。
三、EWB软件在培训中的应用
针对维修电工高技能人才与在校学生不同的实际现状,笔者在培训中主要将EWB软件应用于以下几个方面:
(1)电路基本特性的仿真分析
各种电路特性的分析计算,往往需要掌握相关的电路原理和计算公式,这对于长期从事生产一线进行电气维修的技术工人来说,有时会比较困难,而采用EWB软件进行各种电路的仿真分析,利用软件提供的各种仪器仪表可以直观地获得各种所需的工作电压波形和电压、电流、频率、周期等数据,则有利于他们对电路特性的理解和掌握。
例如,利用EWB软件提供的波特图仪,学员可以分析各种电路的幅度频率特性和相位频率特性。图一所示为用波特图仪来测量RC串并联电路的频率特性。从波特图仪上,可以直观地、方便地读取该电路的谐振频率等重要电路参数。
(2)电路工作原理及元器件故障的仿真分析
对于较复杂电子电路,采用EWB软件提供的双踪电子示波器、数字万用表等仪器仪表,学员可以直接测量相关工作电压波形和电压、电流值。培训中,学员通过调整电路参数,观察电路的各种状态,还可以帮助其分析和理解电子电路的工作原理。
图二所示为用双踪电子示波器来测量一个由集成运算放大器为核心组成的锯齿波发生器电路的工作电压波形。如果改变图中RP的电阻值和C的电容量,则可以在双踪电子示波器上观察到矩形脉冲波和锯齿波频率的变化。
使用EWB软件,学员还可以方便地将图中电路的某个元器件人为地分别设置为开路、短路、漏电三种故障状态,即可模拟故障时电路的工作状况,通过测量该状况下电路的波形或相关的电压(电流)值,来掌握各元器件对电路工作的影响,加深对电路及其原理的理解。
(3)查询通用型集成电路的功能和引脚排列
在排除电子线路板故障时,往往需要对某个通用型集成电路等元器件的好坏进行判别时,这需要知道该集成电路及外部引脚的功能,但由于工作在生产一线的维修电工大多没有集成电路手册,因此常常无法下手。这时,学员可以利用EWB软件的元器件库和帮助文件来进行查询。图三所示为CMOS通用数字集成电路CD4001及其外部引脚功能的查询。
(4)逻辑电路的分析和设计
逻辑转换仪是EWB软件所特有的虚拟仪器,它可用来完成真值表、逻辑表达式和逻辑电路三者之间的相互转换。学员可以利用逻辑转换仪,来进行组合逻辑电路的分析和设计。例如,将一个逻辑电路按要求与逻辑转换仪连接后,进行电路→真值表和真值表→最简逻辑表达式的两次转换操作,即可得到该电路的最简逻辑表达式,实现了电路的逻辑分析;将一个根据逻辑设计要求编写出的真值表,填入逻辑转换仪面板中的真值表区,进行真值表→最简逻辑表达式和逻辑表达式→电路的两次转换操作,即可得出其最简逻辑表达式和逻辑电路图,完成了逻辑电路的设计。图四所示为一个三人表决逻辑的电路设计。
四、EWB软件在维修电工高技能人才技术培训中应用的优越性
1、便利性
一般而言,学员无论身处培训或工作单位还是在家里,只要有电子计算机,基本上就能满足使用EWB软件的硬件条件。如果使用EWB5.0绿色版本,则不需安装即可使用,而且软件占用内存空间较小(仅约为16MB),因此仅使用普通的闪存盘便可随身携带。学员使用EWB软件时,遇到软件的使用问题或者是电路上的技术问题,也可以用闪存盘随时将其保存,以便于向老师请教。因此,EWB软件的学习和使用极为方便。
2、廉价和安全性
电工电子技术是实用性很强的应用技术,在培训教学过程中学员必须进行大量的实验。通常进行电工电子实验时,首先要注意的问题就是人身和设备的安全问题,而利用EWB进行仿真实验时,由于它是利用计算机进行仿真,不需要购买也不需要接触真正的元器件、仪器仪表和电源等设备,因此,EWB软件使学习和实验过程既低成本又十分安全。
3、直观和高效性
应用EWB软件去进行仿真实验,一方面由于许多元器件工作状态与实物相似,如指示灯亮与灭,数码管的数字显示变化过程等,因此实验过程非常直观和生动,易于提高学员的学习兴趣;另一方面由于不必事先準备各种元器件和实验用的仪器仪表,学员要做的工作仅仅是用鼠标去设计连接实验电路,可以把主要的精力都用在做仿真实验上面,省下大量的准备和实验时间。因此,应用EWB软件可以提高学员电工电子技术的学习兴趣和学习效率。
4、实用性
在实际工作中,企业生产设备的电气故障,如果是电子控制板的故障,则往往仅仅是某些或某个电路元器件出现了问题,而分析某元器件出现故障时对电路产生什么影响,以前只能通过实际电气测量的数据,从理论上进行分析和判断,而学员使用EWB软件则可以将某些电子电路中电阻或电容等元器件出现开路、短路、漏电时可能对电路造成什么影响,用实验的方法直观地仿真出来,便于进行电路故障的分析,也解决了某些实际故障不便或无法进行测量的问题。因此,EWB软件还可以仿真学员在工作中遇到的某些实际问题。
五、 结束语
实践证明,在维修电工高技能人才技术培训中,应用EWB仿真软件辅助教学,十分有助于学员电工电子技术水平的提高,学员反响很好。实际上,对广大维修电工高技能人才而言,EWB仿真软件不仅是帮助他们学习和掌握电工电子技术的一种有效辅助手段,而且是解决他们自学过程中所面临的许多现实难题的一剂良方。
参考文献:
[1]王连英主编.电子电路EWB仿真实验(21世纪高校规划教材).南昌:江西高校出版社,2005,7.
电子电路仿真技术 篇7
1 电子仿真技术在理论教学中的应用
随着电子技术的飞速发展, 电工教学中的理论教学是必不可少的。但是, 电工教学注重的是学生实践能力的培养, 为此, 理论知识的学习都是在为实践的开展提供基础和前提条件。并且理论教学的目的也是为实践教学的开展提供依据, 也为学生未来在工作岗位中工作提供了理论基础。但是, 如今很多中职教育中, 教师一旦讲述理论知识, 学生就会感到枯燥, 因为学生普遍存在基础知识差的现状, 面对复杂的电工理论会更难以理解。对于教师来说也产生了非常大的困扰。
随着计算机技术的飞速发展, 仿真虚拟技术逐渐出现在人们面前。将仿真软件技术配置到实验课堂中, 在讲述理论知识的过程中, 能够借助计算机做出多媒体演示, 演示的内容可以有很多方面, 比如, 复杂线路的操作流程、注意事项等都可以直观的呈现在多媒体屏幕上, 也可以运用多媒体展示电路的搭建过程、参数的设置等多方面内容。虚拟实验能够将实验结果直接呈现在显示屏幕上, 使理论化的知识变得更加生动、直观和具体, 降低了理论知识的抽象性。
比如, 在电路放大中, 静态工作点的选择要体现出合理效果, 能够充分体现出放大器基本性能。如果设置的不合理就会出现程序上的失误和失真, 理论课程的设置也可以运用仿真技术构建出来。因为在理论课堂上, 学生往往会对一些公式或者是图像了解不够深入, 并对教师的讲解吸收较少, 为此, 导致了学生对基本的放大电路知识掌握的不够明确。但是应用仿真软件可以做出EWB演示, 给予学生一种非常直观的感觉。学习效果也能得到提高。
2 电子仿真技术在实践教学中的应用
通过上面的论述可以知道, 电子仿真技术能够以实验的方式引入到理论课堂中, 使学生能够以实验的方式展开对理论知识的学习。而电子仿真技术最为重要的作用是能够开展教学实验, 而电子电工教学最重要的也是实践能力的培养, 为此, 该技术的重要性得以体现。此外, 传统方式的实验课程危险性较大, 学生鉴于理论知识的认知不足并缺少安全开展实验方面的知识, 为此, 教师在组织学生做实验过程中, 会有所担忧, 如果学生较多, 将更容易突发安全事故;还有一方面, 鉴于教学经费的限制, 很多中职院校中都缺少实验工具或者实验场地, 为了节省经费, 学校则会终止很多实验。
而应用虚拟仿真技术可以避免上述问题的出现。只要中职院校中具备计算机, 就可以在计算机房模拟各项实验, 大大减少了安全问题的发生。这种虚拟形式的教学实验, 可以使每一位学生都能加入到实验操作中来, 对各种电路进行设计和仿真处理, 发挥自己的创新思维对电路进行合理构建。提高了学生的动手操作能力, 锻炼了思维, 使教学效果得以大幅度改善。
比如, 在数字化的电路实践课程中, 学生可以应用仿真软件转换器开展实验, 该转换器能够实现逻辑电表与阈值表之间的转换, 还可以实现逻辑表达方式的转换。学生可以借助这一功能对逻辑电路进行设计。此外, 在实训项目的开展过程中, 可以应用仿真技术, 对电路进行设计, 可以有效降低电路元件的损耗, 不同的电路元件都可以实现相互的转换和利用, 使实验成本得以降低。再比如, 在做滤波实验中, 应用仿真技术开展实验过程为:在仪表中调节好示波器, 仪表中的A通道为数值的输入端口, B通道为数值的输出端口, 再将仪器接入到仿真电源中, 在示波器中可以看到整流后的效果, 也可以改变电路中的电容参数以及波形。通过仿真仪器设备的使用可以使仿真实验的开展更有效果, 让学生能够对实验有深刻了解, 比如, 实验操作步骤、实验结果以及实验注意事项等, 在对具体的实物进行操作时, 可以大大提高实验效率。
虽然仿真实验有非常多的优点, 但是在实践中不能完全借助仿真技术, 可以在实物实验基础上融入适当的仿真技术实验, 使仿真技术的功能得以充分发挥。
3 结语
仿真技术在电工教学中应用的较为广泛, 可以大大提高教学效果和学习效果。首先, 通过应用仿真教学能够使学生的学习兴趣得以激发, 学生能够更容易理解教学中的难点。仿真技术在课堂中被广泛应用以后, 对实验实施了动态演示, 将复杂的内容变得简单, 提高了学生的自主学习能力。其次, 仿真教学的开展, 可以提高资源的利用率, 弥补了中职院校中设备不足的现状, 可以通过模拟形式开展一些安全性低、不易操作的实验。但是, 高校和学生要正确认知该技术, 并要将其作为一种辅助教学手段, 不能对其产生多度依赖, 最重要的还是要提高学生的实际动手操作能力。
参考文献
[1]钟建明.试论电子仿真技术在高级维修电工技能鉴定中的应用[J].都市家教 (下半月) , 2010 (6) .
[2]廉亚囡.Proteus仿真技术在《电工电子技术》任务教学中的运用[J].计算机光盘软件与应用, 2014 (3) .
[3]刘辉, 王新辉, 谢明华等.电工、电子与信息类专业高教自考实践环节考核的探索[J].长沙大学学报, 2010, 24 (2) .
[4]李小兰.Multisim仿真技术在"电工电子技术"教学中的应用[J].中国轻工教育, 2010 (2) .
电子电路仿真技术 篇8
为了更深入、更及时地反应微电子技术领域的最新动态及科学研究成果, 推动我国信息技术产业的发展, 《电子技术应用》杂志将从2015年开始开设"微电子技术"栏目, 现特面向国内外相关领域专家学者、科学研究人员、工程技术人员征集相关领域稿件。具体信息及相关要求如下:
(1) 稿件内容:介绍微电子科学与技术的发展动态和最新进展, 包括微电子器件与电路的基础理论、设计技术、制造工艺、测试与组装技术;可靠性技术、集成电路应用技术。
(2) 稿件要求:字数3 000~5 000, 格式包括中英文题名, 作者及署名单位, 中英文摘要、关键词, 文后附参考文献及作者简介。文中图表需清晰, 图表中的英文请译成中文。文章需具有创新性且未在其他期刊公开发表过。具体规范请登录《电子技术应用》网站下载投稿模板。
(3) 投稿方式:请登录电子技术应用网China AET (http://www.chinaaet.com/) , 投稿页面中选择“微电子技术”栏目投稿, 按要求提交。
关于电子电路故障检测技术研究 篇9
电子设备最常见的故障分为许多种,不过这些故障都是直接作用在电子设备当中的电子硬件设施之上,一般是由于电流和电压两者的作用所产生的电子电路的故障问题,甚至直接损坏电子设备使其变得瘫痪。所以要想保证电子设备的正常运行就必须选择最适合的故障检测方法来检测出设备的具体故障,并在对其进行全面的检修处理,这样才能保证电子电路的正常运行,防止相同的故障再次发生。
1 电子电路故障产生的原因
电子电路产生故障的原因有很多既可能是由于其内部自身原因也可能是因为外界干扰的原因,从而引起引起各种电子设备故障问题,然而这些故障所产生的原因复杂多样,不过要真正的概括起来就可以将其分为内部原因和外部原因两种,以下将针对这两种原因进行概括,(1)电子电路故障的外部原因,有外在环境干扰而出现的电子电路故障的情况比常见少见,通常都是因为一些不够专业的人员因为没有一些专业的人员来严格的按照规范标准的经过进行相关准确的操作。同时还受到了电子电路护养制度的影响作用,很多电子零件几乎都是长期处于一些温热、潮湿,还有粉尘较多的环境当中,在这种环境当中电子电路的零件就很容易出现生锈和腐蚀的情况,再加上其他的地昂贵电子电路防雷措施不够完善,导致在雷雨天气设备很容易出现故障问题。
(2)电力电路故障产生的内部原因,电子电路故障产生的内部原因就相对较多了,很多电子电路经过长时间的使用和运行,其内部的许多元件或者线路零件等都可能由于陈旧老化等,出现一系列的故障问题,这些故障问题当中,最常见的就是电子设备的晶体管击穿和电阻值发生改变,还有其电容出现漏电现象等,而且在电子电路工作运行过程中也非常有可能出现零件松动,连接线断裂以及接触不良等情况,这些情况的出现都将直接导致系统故障的产生。也有一部分的原因是由于相关的维修人员在进行维修工作当中,一些电子元件的安装不符合规格,同时也很容易因为维修人员的一时疏忽而出现接错线路的情况,最终将直接导致故障问题的产生。
2 电子电路故障检测技术和方法
2.1 参数测试检测法
参数测试检测发需要通过一些专门的检测仪器来进行检测,同时还应当充分的结合自身较强的专业理论知识来对电子电力当中出现的故障问题进行检测和判断。比如在检测电路当中的连线及焊点是否出现断路情况时,就需要对其中供电系统和集成块直流工作状态以及半导体三级管,还有线路当中的电阻值等进行检测,如果所获得的检测值和正常值相比过大时,就必须做好严密的分析工作,以此来找出其中的故障。而与之相关的通电测试法,则是在某种带点的情况下,通过相关的测试仪器来测量其中电路当中各个位置点的电压或者是支路电流等,并通过对这些支路电流的分析来真正的找出其故障所在的位置。
2.2 直接观察检测法
直接观察检测法,也被称作感官判断或者是观察感知法等,主要是指观察者在不借助相关检测设备的基础上,单纯的凭借自身所拥有的多种感官来对电子电路当中出现的故障进行检查、判断和分析并借此来找出故障发生的准确位置,判断出故障发生的主要类型,并根据这类故障类型来采取相应的维修措施,这样才能保证电子设备当中的电子零件能够真正的保持着正常的运行状态来运行。直接观察法真正实施起来主要包括对电子设备的通电前后的观察工作,(1)通电前的观察工作主要是对电子电路当中的元件配置以及接线是否有误等进行检查。(2)通电后所要进行的观察则是对元件是否出现烧焦和异味的情况进行判断,就比如电路当中是否冒出黑烟、元件的颜色是否产生变化等等。直接观察检测法,操作起来简单便捷,同时判断起来也非常的准确,所以可以将其当作处理电子故障的基础性环节,这样才能有效的故障。
2.3 跟踪信号检测法
信号跟踪法是指在电子电路的输入端添加一定的幅度和一定频率的信号,使用示波器来根据信号的前级和后级去观察波形以及幅值的有效变化情况,如果这其中的某一级出现异常的话,那么其所具有的故障就在这相应的级别之上。在真正进行检查的同时,就需要从输出级向输入级实行倒退处理。同时还应当明确的指出,在其中的反馈环当中,只要其中一个元器件出现故障时,则通常整个回路当中都会存在一定的故障情况。所以找寻故障的方式就需要优先将反馈回路断开,以此来促使相关的系统形成一个开环的系统,并在此基础上输入信号,最后根据信号跟踪的方式来找出故障的位置。
2.4 电压电流测试法
正常检测程序在对电子设备进行设备检修的过程当中,通常需要对电路的电流以及电压等参数进行测试和测量。如果其中的电路电压不大,则较为适合测量那些电子仪器设备当中的相关电压值,并以此来和正常的工作电压值来作出比较,并以此来判断出故障发生的具体情况,而当电路运行不稳定时,就可以通过电流来判断短路故障的准确位置。这种检测的方式较为复杂,所以就需要灵活的来运用相关的知识来对其作出判断。另外,也可以通过对电流和电压同时测量的方式来判断故障发生的情况。比如,所测试的电流数值正常时则表示主电路为通路,而当其电压的数值化为零时,那么产生故障的原因就很可能是因为电压表方面出现电气短路的情况。能够对电子电路故障测试的检测技术有很多,以上都是集中常用的,还有对比测试法、替换法、补偿法以及短路法等都能够有效的测试出电子电路的故障。
3 结语
电子电路仿真技术 篇10
1《计算机电子电路技术》课程内容介绍
《计算机电子电路技术》是一门理论和实践相结合的课程。主要内容包括电路的基本概念、基本定律和基本分析方法,电阻电路、动态电路和正弦稳态交流电路的分析,放大器分析基础,负反馈放大器,集成运算放大器原理及其应用,波形放大电路和功率放大器等。
2 在教学中的应用研究
由于《计算机电子电路技术》这门学科的复杂性,涉及到很多的数学分析和物理分析,教学内容对学生来说抽象难懂,很多基本电路都要进行静态和动态分析,如静态工作点分析、交流分析、失真分析等等。利用计算机的电子设计自动化EDA(Electronic DesignAutomation)软件辅助教学,很好地解决了这个问题,用计算机仿真模拟演示,创设电路情景,有助于学生对基本电路工作原理和概念的理解,加强理论联系实际。用Multisim软件来提高教学质量和教学效率,作为教学工具已成为必然。传统的一本书、一支粉笔教师讲到底的课堂教学模式已经满足不了现代化教学的需要,在《计算机电子电路技术》教学中利用计算机的电子设计自动化EDA软件教学,已成为一种必然的趋势。
2.1 用软件教学创设教学情景,引导学生自主学习
由于《计算机电子电路技术》是一门理论和实践相结合的课程,传统的理论课教学中,教学内容(如实际的电路,电路的输入、输出电压波形等)难以直观形象地表述,所以教学过程中对于教学情景的创设是十分困难的。
用Multisim软件仿真实际电路解决了上述问题,它就像一个真正的实验工作室台,把一些语言文字难以表述或难以理解的变化过程,随时以图形、表格及曲线显示出来,而且还可以根据教学需要随时修改电路和参数,让学生即时观察输出效果,从而使学生加深对电路工作原理的理解。
例1放大器静态工作点的设置
放大器静态工作点设置不合理将影响放大器的正常工作,如果设置不合适会使波形出现严重失真。在电路分析中,静态工作点的分析是其它分析的基础,静态工作点的分析非常重要。但在以往的教学中教师采用传统的授课方式,教师在黑板上讲,学生被动地接受,由于知识抽象,学生对静态工作点的理解始终是不得要领,认识模糊,没有认识到设置静态工作点的重要性。教学中运用Multisim创建电路,通过改变基极偏置电阻的大小,让学生亲眼见识,设置不同的偏置电阻,放大器输出波形的情况,从而加深放大器偏置电阻设置合理性的理解。
为了直观说明静态工作点对放大电路的工作影响,创建如图1的仿真电路,共发射极放大电路。
通过改变Rb电阻的大小,对比观察输入、输出波形,很容易得出偏置电阻的大小对输出波形的影响。当Rb值为680kΩ时,输出波形如图2所示,输出波形正常;当Rb过小,Rb=300kΩ时,输出波形如图3所示,出现饱和失真;当Rb过大,Rb=100MΩ时,输出波形如图4所示,出现截止失真。通过演示,加深了对基极偏置电阻设置不合理的印象。
学生通过输出波形的比较,得出结论静态工作点设置非常重要,进而会进一步探讨,那么怎样设置静态工作点呢?通过对放大电路静态工作点的估算,得出公式:wdl05tif,所以影响静态工作点的主要因素有VCC、β、Rb、RC,在这四个因素中,一般直流电源、三极管确定后VCC、β不易改变,Rb是这四个因素中最主要因素,一般可认为IBQ与Rb成反比。若Rb过小,则IBQ、ICQ过大,静态工作点过高,该工作点将出现在晶体管输出特性曲线饱和区,容易造成饱和失真,如图3所示;Rb过大,则IBQ、ICQ过小,静态工作点过低,该工作点将出现在在输出特性曲线截止区,容易造成截止失真,如图4所示;Rb合适大小,则IBQ、ICQ合适,静态工作点设置合适,该工作点将出现在输出特性曲线的放大区,输出波形正常,如图2所示。
应用软件进行教学,呈现出一种全新的教学方式,能将抽象枯燥的知识变得生动形象,使课堂上很难完成的演示实验进入了课堂教学,快速准确地仿真演示静态工作点设置不合理的各种情况,不失真、截止失真和饱和失真波形生动形象,创设的丰富教学情景调动了学生各种感观,引导学生主动探讨问题,学生学习兴趣也调动了起来,有利于学生对知识的意义构建。学生自己通过给偏置电阻Rb赋不同值来观看放大电路的输入、输出波形并分析原因,学生很容易理解静态工作点合理设置的重要性,同时对放大电路工作原理也加深了理解。
2.2 利用软件加强演示实验教学效果,引导学生进入探究式学习
传统的课堂教学模式是黑板加粉笔,由老师书写、画图、讲解,学生听讲、想象、理解。在教学中经常要对电路的特性曲线、输入、输出波形等进行分析,通常这些分析要通过教师手工画图来完成,不仅效率低,而且精确度也差。碰到电路较复杂时,学生难免会失去耐心,分散注意力,影响听课效果。现在利用Multisim软件,先在计算机上做仿真实验,可以清晰快捷地再现实验的现象、参数、波形和曲线,观察“实验结果”,同时教师指导学生积极思考为什么会有这样的结果,然后带着问题听老师讲解电路原理。这样,学生由被动接受知识转为主动探求,教学效果有着明显的不同。由于Multisim是在计算机屏幕上模拟真实实验室的工作台,把实验室与课堂有机地融为一体,不仅能够直观、快捷地展示教学内容,而且还可以减轻教师教学的负担,提高教学的效率。
例2反相器电路
如图5所示,这是使用运放uA741构建的一个反相器,要求分析其幅频特性和相频特性。
利用软件自动生成曲线,省去了传统教学中绘图的烦琐,而且手工绘图也达不到这样的精度。单击Simulate菜单中的Analysis命令下AC Analysis命令,在交流分析对话框中设置扫描起始频率为1Hz,终止频率10MHz,节点5为输出节点,分析结果如图6所示,由图知:电路的截止频率约为690KHz。
通过仿真实验得出的结论,比以往教学中教师在黑板上讲课的效果好得多,画电路、波形图、特性曲线省时省力,学生直观感受了“真实”实验环境,在上课的同时见识了实践模型,有助于对知识的理解。
3 结论
Multisim是EDA技术发展的产物。利用Multisim软件来辅助教学,是《计算机电子电路技术》教学的必然趋势。学习和研究它将有利于我们在实践工作中不断总结探索,解决传统教学中存在的弊病,弥补实验器材的不足,提高教学效率和质量,减轻教师负担,提高学生对电子技术的兴趣,拓宽学生的视野,培养学生的创新能力。
利用软件教学,可以促进教学内容的呈现方式、学生的学习方式、教师的教学方式和师生互动方式的变革,为学生创造多样化的学习环境。同时借助多媒体获取学习的资源,能使学生逐步形成独立思考、主动探索的思维习惯,使学生在学习理论的同时,又能见习实践的模型,增强学生对电路的感性认识,培养了学生学习的能力。
参考文献
[1]江晓安.计算机电子电路技术[M].西安电子科技大学出版社,2007.
[2]康华光.电子技术基础[M].高等教育出版社,2008.
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电子商务中的电子印章技术初探 篇11
[关键词] 电子印章 干扰 扩散 不可逆 模糊化 无用序列
一、概述
在信息产业高速发展的中国,互联网正在改变着人们的工作和生活,人们每时每刻都可以感受到信息技术对传统行为和习惯的冲击。计算机和互联网使人和人之间的沟通与协作变得比以往任何时候都要轻松和迅捷,信息可以传递到远远超过你想象的地方,突破国界也不在话下。而在中国,截至2003年年底,我国网民人数已达到八千万,居世界第二位,计算机达到三千万台,信息技术已经具备了突破和扩展现实世界的条件了。网络上的现实世界渐渐浮现。在这种条件之下,电子政务、电子商务和电子社区开始并肩闯进了人们的视野。
电子政务和电子商务利用互联网来传递信息固然快捷方便,但是人们如何才能判定合同或公文是谁发的呢?是否被第三者修改过了呢?这一点对社会信用的基础尤为重要。在传统的政府公文以及民间商业往来中,人们通常的做法是相关人员在文件或书信上亲笔签名或印章。它们起到认证、核准、生效的作用。事实上,手写签名和印章都是可以被伪造的,而且除手写签名的仿造还具有一定难度外,印章的仿造已经变成一件小学生都可以轻而易举完成的事情了。因此,替代传统印章的电子印章应运而生了。电子印章通过先进的加密技术和Web服务,使得印章的伪造和仿冒变得极为困难。
二、特点
电子印章已经从很多方面与传统印章划清了界限。它不再千篇一律,针对每一个文档甚或多媒体文件,它都会对应一个电子印章。它同时使用了多种加密技术,并且加密过程是不可逆的,因此要想仿造电子印章是极为困难的。它通过Web服务来提供电子印章的生成和验证,实现了黑匣子,从而保证了算法的保密和安全。它还具有较强的鲁棒性,即在文档经过某种改动后,比如在传输、JPEG压缩、滤波,图像的几何变换如平移、伸缩、旋转、剪裁等处理下,数字印章不会被破坏。下文我们将逐步探讨电子印章的这些特点,并阐述一些独特的实现思想。
三、技术分析及实现思想
我们首先对需要附加电子印章的文档进行取样,取样得来的信息用来确定文档的内容和一些其他的信息,然后对取样得来的信息进行加密,并生成电子印章——一串字母和数字组成的固定长度的字符。电子印章的生成和验证都在印章管理部门提供的Web服务内实现。
1.取样
我们要在印章中保存文档的相关信息以确定该印章是针对该文件有效的,所以需要对文档进行取样。
取样的原则是提取全部重要信息、抽取部分二进制码。重要信息包括:文档的大小(字节数)、文档生成时间、最后修改时间、所属人等;抽取的二进制码是为了提高电子印章被仿造的难度,按照一定规则,如斐波纳奇数列、质数列、某一数字(例如2)的幂值列等,及其这类数列的任意组合。这些规则是保密的,并且可以由印章管理部门随意组合并被封装在Web服务内,这样既达到了获取文档关键信息以防止被其他文档冒用印章,又可以大大减小取样的信息量,使生成的电子印章限制在一定长度范围内。
在得到取样的信息以后,我们还要利用一些现有的摘要算法,然后再对取样信息和摘要算法结果进行组合,来增强电子印章对文档的确认能力。比较常见的摘要算法有MD5、SHA-2以及DES等,并且随着加密技术的不断进步,可以不断吸收先进的摘要算法,为我所用。
在得到了摘要算法结果和根据自主规则取样的信息以后,我们就可以凭借这些信息完全确定这个文档和根据这些信息生成的电子印章是否对应了。
然后我们就可以根据这些信息进行加密,以生成印章。
2.加密
传统的加密方式都是利用了计算的高速运算性能,对要加密的信息进行多次移位和替换以达到干扰和扩散的目的。但是计算机是以高速和精确为基准的运算机器,随着计算机主频速率的提高,128位、256位甚至512位加密都只是时间游戏,破解是迟早的事情。下面对加密的算法提出了一些新的思路,希望起到抛砖引玉的作用。
既然计算机是以精确运算为基准的运算机器,那我们就要在由原始信息到生成的电子印章之间的运算过程中故意出现一些误差,令计算机无法发现从信息到印章的道路,实现印章生成过程的保密,这里称之为模糊化。
模糊化的简单原理就是在不出现大的偏差的前提下,主动放弃数据的微小部分。
为了防止模糊化之后生成的电子印章与某些文档(比如绝大部分内容与之相似的文档)生成的电子印章出现偶然的相同(概率很小,而且下面的无用序列也可以防止这种情况的出现),我们要对信息进行放大。对信息进行一定程度的放大以后,我们就可以排除相似文档出现相同印章情况的出现了。
这里建议采用非线性的放大算法(如平方、立方等),也可以是印章管理部门定制的特定的放大算法。
在经过非线性放大以后,我们就可以使用模糊化来混淆破解过程的跟踪和穷举了。最简单的模糊化的例子就是现实生活中的四舍五入:四舍五入以后,你是无法依据结果数值来推断原始数值的。印章管理部门依据自己设定的特定规则来进行放大算法结果的模糊化运算。这样得到的加密后的信息是无法被推断还原的,因此电子印章的生成过程是不可逆的,印章和文档不存在任何意义上的相等,只是相似。
3.生成
文档的信息经过取样和加密,最终将要生成印章,追加在电子文档上。为了保证电子印章有较强的鲁棒性,建议使用数字和字母组合作为电子印章的表现形式,并且要把容易混淆的字母和数字剔除,如2和Z、1和i、8和B、0和O等。
将加密后的信息根据特定的转换规则,转换为字母数字列,就成为了电子印章。
4.验证
由于电子印章的生成过程不可逆,所以电子印章的验证过程就是根据需要验证的文档重新生成一个印章,由于算法保密但不变,两次生成的印章相同即可判定原印章有效。验证的过程同样封装在印章管理部门的Web服务上,实现算法的黑匣子。
四、一点补充
从取样、加密到电子印章的生成,每一步都有特定规则在发挥着作用,就是为了提高电子印章的安全性。还有一些可行的方法,简单但却很有效:
加密的增强。信息经过了放大和模糊化以后,就提高了安全性,能够在一定程度上有效防止被跟踪和穷举,我们还可以采用不同的规则进行多次放大和模糊化,这样安全性就可以大大提高了。
无用序列。在平地上,你站到的只是很小一块土地,你没站到的地方就可以说没用么?在万丈悬崖边上,也给你足够你站的一小块地方,你却未必敢站在上面。无用的东西也可以有用,我们在生成的电子印章上,按照特定规则加入无用的随机序列,就可以大大提高电子印章的熵值,提高破解的难度。
关键信息保留。在电子印章中,可以把关键的信息如文档发布人、发布时间等用明文的形式记录下来,这样可以起到关键的法律作用。
客户端。针对一些较大的多媒体文档,把整个文档上传取样会浪费带宽,而我们只需要取样一小部分信息,因此可以给用户提供一个下载的客户端,客户端来生成摘要信息和取样重要信息(以及一些无用信息)上传给Web服务即可。
五、展望
加密技术在不断发展,Web服务渐成主流,我们要不断地吸收新的技术、新的思路,融合自己的思想,做出有自身特色的电子印章。科技不断进步,如同逆水行舟,不进则退。面对高速发展的科技和世界,我们只有不断努力,不断提高科技水平,才能够在信息技术时代为经济发展保驾护航、推波助澜。
摩尔定律至今仍推动着信息产业的车轮飞速前进。1981年,比尔·盖茨说“640K对任何人来说都足够了(“640k ought to be enough for anybody.”, Bill Gates)”。今天,512M内存、120G硬盘已成主流。爆炸式的增长,这样的说法决不夸张。
面对这样的世界,我们不敢稍有懈怠。
电子电路仿真技术 篇12
1 仿真动画设置及仪表工具的使用
1.1 仿真动画设置
在Proteus ISIS仿真软件中,点击菜单“系统”选中 “ 设置动画选项…[1]” 命令, 进入如图1 所示“Animated Circuits Configuration(动画设置)”对话框。在Animation Options区域下,在原有默认的基础上再选中“Show Wire Current with Arrows?(用箭头显示导线中电流的流向?)”选项,然后点击“OK”。这样设置后,仿真时既可在电压(或电流)探针上显示电压(或电流)值、在引脚上显示逻辑状态,还可用箭头显示导线中电流的流向,根据这些指示,可方便进行电子电路分析。
1.2 调用虚拟仪器和测量工具
Proteus ISIS仿真软件的仪器工具栏[1]如图2所示。
(1)放置虚拟仪器
点击图2仪器工具栏中的“虚拟仪器”按钮,选择OSCILLOSCOPE(四踪示波器),将鼠标移到原理图编辑区,左键点击即放置了一个四踪示波器。示波器既可观察被测信号的波形,又可测量被测信号的周期、幅值及某一时刻被测信号的大小、方向。
(2)放置电压探针
点击图2仪器工具栏中的“电压探针”按钮,在电路中需要测量电位值的导线上点击一下即在此处放置了一个电压探针。电压探针可观察被测点电位值的大小、正负(表示电压方向)及变化。
1.3 帧进调试
Proteus ISIS仿真软件的仿真进程控制工具栏[1]如图3所示。在仿真时采用帧进调试的方式可以清楚地观察每一步被测点电位值的变化及此时每根导线中电流的流向。
2 三极管无稳态多谐振荡电路
用Proteus ISIS仿真软件绘制的由三极管无稳态多谐振荡电路构成的闪烁彩灯电路如图4所示,为了方便电路分析,放置了4个电压探针,从左向右依次观测的是4个电位值即Q1的集电极(也是R1(2)探针处)电位VC1、Q2的基极(也是C1(-)探针处)电位VB2、Q1的基极(也是R6(2)探针处)电位VB1、Q2的集电极(也是R3(2)探针处)电位VC2,由于2只三极管的发射极均接地,因此从左向右依次观测的也是4个电压值即Q1的集电极-发射极极间电压UCE1、Q2的发射结电压UBE2、Q1的发射结电压UBE1、Q2的集电极-发射极极间电压UCE2,并由其值的正负表示电压的方向;放置了1个四踪示波器,因电路结构对称,只需用示波器的A、B通道分别观测UCE2、UBE2的波形。该三极管无稳态多谐振荡电路驱动2组LED(每组2只,共4只LED,颜色分别为红绿黄兰),使2组LED不断地交替闪亮。该闪烁彩灯电路夜间使用更为绚丽、极富动感。其工作原理如下。
2.1 电源接通瞬间
三极管无稳态多谐振荡电路的2只三极管的发射结均加上了正向电压本都应导通,但由于元器件存在差异,会有1只三极管先导通,假设Q1先饱和导通,则Q1集电极和发射极间相当于开关合上(三极管饱和导通时集电极和发射极的极间饱和电压UCES很小,一般认为UCES≈0V[2]),Q1集电极(C1左端)电位约为0V,故接在Q1集电极的LED1-LED2组点亮,同时由于换路瞬间电容两端的电压不能突变[3],使得电容C1右端(Q2基极)电位也被拉到约为0V,因此Q2截止,Q2集电极和发射极间相当于开关断开,故接在Q2集电极的LED3-LED4组熄灭。
2.2 对C1、C2首次充电
由于此时Q1饱和导通、Q2截止,电路中的电流流向如图5所示,具体工作过程为:
(1)电源对C2正向充电(充电路径为电源→LED3LED4→R3R4→C2→Q1基极→Q1发射极→地),C2于短时间内完成充电,C2右端(Q2集电极)电位高于左端(Q1基极)电位。
(2)电源对C1反向充电(充电路径为电源→R→C1→Q1集电极→Q1发射极→地),Q2的基极电位逐渐升高,当超过Q2发射结饱和导通压降(约0.7V时,Q2由截止状态变为饱和导通状态,则Q2集电极和发射极间相当于开关合上,Q2集电极电位下降到约为0V,LED3-LED4组点亮。与此同时,由于换路瞬间电容两端的电压不能突变[3],换路前C2右端(Q2集电极)电位高于左端(Q1基极)电位,则换路瞬间C2右端(Q2集电极)电位仍高于左端(Q1基极)电位,而Q2的集电极电位已下降到约为0V,则Q1基极电位降低到0V以下,为负电位值,所以Q1由饱和导通变为截止,Q1集电极和发射极间相当于开关断开,LED1-LED2组熄灭。
2.3 C1反向放电再正向充电、C2正向放电再反向充电
由于此时Q2饱和导通、Q1截止,电路中的电流流向如图6所示,具体工作过程为:
图6 Q2饱和导通、Q1截止时的电流流向
(参见下页)
(1)C1反向放电(放电路径为电源→LED1LED2→R1R2→C1→Q2集电极→Q2发射极→地),很快放电完毕,接着电源对C1正向充电(充电路径为电源→LED1LED2→R1R2→C1→Q2基极→Q2发射极→地),C1于短时间内完成充电,C1左端(Q1集电极)电位高于右端(Q2基极)电位。
(2)C2正向放电(放电路径为电源→R6→C2→Q2集电极→Q2发射极→地),很快放电完毕,接着电源对C2反向充电(充电路径为电源→R6→C2→Q2集电极→Q2发射极→地),Q1的基极电位逐渐升高,当超过Q1发射结饱和导通压降(约0.7V)时,Q1由截止状态变为饱和导通状态,则Q1集电极和发射极间相当于开关合上,Q1集电极电位下降到约为0V,LED1-LED2组点亮。与此同时,由于换路瞬间电容两端的电压不能突变[3],换路前C1左端(Q1集电极)电位高于右端(Q2基极)电位,则换路瞬间C1左端(Q1集电极)电位仍高于右端(Q2基极)电位,而Q1的集电极电位已下降到约为0V,则Q2基极电位降低到0V以下,为负电位值,所以Q2由饱和导通变为截止,Q2集电极和发射极间相当于开关断开,LED3-LED4组熄灭。
2.4 C2反向放电再正向充电、C1正向放电再反向充电
由于此时Q1饱和导通、Q2截止,电路中的电流流向如图5所示,具体工作过程为:
(1)C2反向放电(放电路径为电源→LED3LED4→R3R4→C2→Q1基极→Q1发射极→地),很快放电完毕,接着电源对C2正向充电(充电路径为电源→LED3LED4→R3R4→C2→Q1基极→Q1发射极→地),C2于短时间内完成充电,C2右端(Q2集电极)电位高于左端(Q1基极)电位。
(2)C1正向放电(放电路径为电源→R5→C1→Q2集电极→Q2发射极→地),很快放电完毕,接着电源对C1反向充电)充电路径为电源→R5→C1→Q1集电极→Q1发射极→地),Q2的基极电位逐渐升高,当超过Q2发射结饱和导通压降(约0.7V)时,Q2由截止状态变为饱和导通状态,则Q2集电极和发射极间相当于开关合上,Q2集电极电位下降到约为0V,LED3-LED4组点亮。与此同时,由于换路瞬间电容两端的电压不能突变[3],换路前C2右端(Q2集电极)电位高于左端(Q1基极)电位,则换路瞬间C2右端(Q2集电极)电位仍高于左端(Q1基极)电位,而Q2的集电极电位已下降到约为0V,则Q1基极电位降低到0V以下,为负电位值,所以Q1由饱和导通变为截止, Q 1 集电极和发射极间相当于开关断开,LED1-LED2组熄灭。
2.5 循环
电路按照上述2.3、2.4过程循环,2组4只LED交替闪亮,达到流动显示的效果。
R5=R6=R,C1=C2=C,估算电路的振荡周期T=T1+T2=0.693RC+0.693RC=1.386RC,频率f=1/T。
根据电路参数估算该电路的振荡周期T=1.4s,频率f =0.7Hz。
3 仿真与实际测试结果
利用Proteus ISIS仿真软件运行仿真,效果如图7所示。观察到两组发光二极管交替闪亮,示波器显示UCE2、UBE2稳定后的波形,通过放置指针测量波形,UCE2的值约在0.05V~4.25V之间变化,UBE2的值约在-3.5V~0.7V之间变化;振荡周期约为1.3s,与估算值较为接近。采用帧进调试观察电压探针的变化显示,UCE1、UCE2的值约在0.04V~4.25V之间变化,UBE1、UBE2的值约在-3.5V~0.7V之间变化。
用多孔板实际电路制作后通电观察,两组发光二极管交替闪亮,用数字万用表测量UCE1、UCE2的值约在0.06V~3.42V之间变化,UBE1、UBE2的值约在-2.61V~0.69V之间变化,与仿真时的规律相同且数值接近,有偏差是由于仿真元件与实际元件存在差异所致,如Proteus ISIS仿真软件中没有“9013”三极管,用“NPN”三极管修改型号得到。用数字示波器实测波形形状与仿真相同,振荡周期约为1.3s。
由此可见,电路实际的工作状况与根据仿真分析时的情况相吻合。
4 结论
三极管无稳态多谐振荡电路的输出在两个暂态之间交替变换,不会固定在某一稳定状态,输出波形似近方波。由此实例证实,借助Proteus ISIS仿真软件分析电路的工作原理既准确又快捷,切实提高了电子电路分析的效率,该仿真的方法可推广运用于其他电子电路的分析。
参考文献
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