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1、电子工程师必须掌握的20个模拟电路详细分析一、桥式整流电路1二极管的单向导电性：二极管的PN结加正向电压，处于导通状态；加反向电压，处于截止状态。伏安特性曲线;理想开关模型和恒压降模型：理想模型指的是在二极管正向偏置时,其管压降为0,而当其反向偏置时,认为它的电阻为无穷大,电流为零.就是截止。恒压降模型是说当二极管导通以后,其管压降为恒定值,硅管为0.7V，锗管0.5 V2桥式整流电流流向过程：当u 2是正半周期时，二极管Vd1和Vd2导通；而夺极管Vd3和Vd4截止，负载RL是的电流是自上而下流过负载，负载上得到了与u 2正半周期相同的电压；在u 2的负半周，u 2的实际极性是下正上负，二极
2、管Vd3和Vd4导通而Vd1和Vd2截止，负载RL上的电流仍是自上而下流过负载，负载上得到了与u 2正半周期相同的电压。3计算:Vo,Io,二极管反向电压Uo=0.9U2, Io=0.9U 2/RL,URM=2 U 2电子线路测量中，电压和电流是最基本的参量，对它们的测量是最基本的测量，其它的测量很多都以二者为基础。电压的定义是对电路结构中的两点来定义的，只有载流子在从一点到另一点的运动过程中的电势能发生变化时，两点之间的电压差才非零。所以电压对两点才有意义，对电压的测量一定是对两点的测量，一定是将电压表并联在电路中使用。 电流是对一个导体截面积分得到的，单位时间内流过这个面的载流子的电荷数的
3、度量被称为电流。从电路拓扑的角度看，电流是对电路结构中的一点来说的，即单位时间内通过这一点的电荷数的度量被称为电流。所以，电流对一点有意义，对电流的测量相当于观察这个点，对电流的测量一定是对一点的测量，对电流的测量一定是将电流表串联到电路中使用的。 电压有直流电压和交流电压两种。在所关心的测量时间内，直流电压表示两端电压恒定的高低关系，就是说其中一端对另外一端总是高的，或总是低的；交流电压表示两端电压时变的高低关系，就是说两端电压的高低关系是随时间不断变化的。当两点之间的电压保持恒定不变时，宏观上可以定义这两点之间的直流电压，只要一个值就可以完整地描述电压。而当两点间不能保持电压恒定不变时，从
4、宏观上对电压的描述有多种，分别描述它们不同方面的特性。下面只考虑用得最多的周期信号的描述。 峰峰值Vpp（Peak to Peak）。峰峰值是指一个周期内信号最高值和最低值之间差的值，就是最大和最小之间的范围。它描述了信号值的变化范围的大小。峰值Vp（Peak）。峰值是指一个周期内信号最高值或最低值到平均值之间差的值。一般来说，峰值对上下对称的信号才有定义。可以看到，峰值等于峰峰值的一半。 有效值/均方根值Vrms（Root Mean Square）。电压有效值：让恒定电压和交变电压分别加在阻值相等的电阻上，使它们在相同时间内产生的热量相等，就可以把该恒定电压的数值规定为这个交变电压的有效值。
5、周期信号计算方法：一个周期内对信号平方后积分，平均再开方，如公式2.1所示。有效值的意义是：在一个周期内做功的大小等于与该值相等的直流电压或电流所做功的大小。据有效值定义可列： =dx = 故得交流电的有效值： = 即：交流电的有效值 = 其峰值除以单相半波整流电路 单相半波整流：平均值= 0.45 U 有效值= 0.71 U (U为交流电的有效值)一、 单相全波整流电路单相全波整流：平均值= 0.9 U 有效值= U (U为交流电的有效值)二、 三相半波整流电路与三相全波整流 综上推导汇总如下：1、 单相交流电： 平均值= 0 有效值U = U （U为交流电的峰值电压）2、单相半波整流：平均
6、值= 0.45 U 有效值= 0.71 U (U为交流电的有效值)3、单相全波整流：平均值= 0.9 U 有效值= U (U为交流电的有效值)4、三相半波整流：平均值= 1.17 U 有效值=1.19 U (U为相电压的有效值)5、三相全波整流：平均值= 2.34 U 有效值= 1.68U (U为相电压的有效值)6、单/三相全波整流的平均值与单/三相半波整流的平均值之比 = 27、单/三相全波整流的有效值与单/三相半波整流的有效值之比 = 。一、故障分析问题：1、若有一个二极管内部短路，整流电路会出现什么现象？v1v2TRL+正半周短路短路短路短路 （让学生自己分析，锻炼学生对电路故障的分析能
7、力，用电路形象地得出结果。） 结论：一个二极管短路，变压器短路烧毁。 2、若有一个二极管虚焊（断路），整流电路会出现什么现象？+正半周v1v2TRL断路断路断路断路导通 结论：一个二极管断路或虚焊，变成半波整流电路。v1v2TRL接反+正半周接反接反接反3、若有一个二极管方向接反，整流电路会出现什么现象？结论：一个二极管接反，变压器短路烧毁。 （通过以上的故障分析培养学生的分析能力，同时提高学生的安全意识）二、实物展示几种常见的电桥电路的实物。波形名称波形图有效值平均值波形系数波峰系数正弦正弦半波正弦全波三角波锯形波方波脉冲波形系数：波形平均值和有效值的比值。(参考)精密全波整流电路设计图中精
8、密全波整流电路的名称,纯属本人命的名,只是为了区分;除非特殊说明,增益均按1设计.图1是最经典的电路,优点是可以在电阻R5上并联滤波电容.电阻匹配关系为R1=R2,R4=R5=2R3;可以通过更改R5来调节增益图2优点是匹配电阻少,只要求R1=R2图3的优点是输入高阻抗,匹配电阻要求R1=R2,R4=2R3图4的匹配电阻全部相等,还可以通过改变电阻R1来改变增益.缺点是在输入信号的负半周,A1的负反馈由两路构成,其中一路是R5,另一路是由运放A2复合构成,也有复合运放的缺点.图5 和 图6 要求R1=2R2=2R3,增益为1/2,缺点是:当输入信号正半周时,输出阻抗比较高,可以在输出增加增益为
9、2的同相放大器隔离.另外一个缺点是正半周和负半周的输入阻抗不相等,要求输入信号的内阻忽略不计图7正半周,D2通,增益=1+(R2+R3)/R1;负半周增益=-R3/R2;要求正负半周增益的绝对值相等,例如增益取2,可以选R1=30K,R2=10K,R3=20K图8的电阻匹配关系为R1=R2图9要求R1=R2,R4可以用来调节增益,增益等于1+R4/R2;如果R4=0,增益等于1;缺点是正负半波的输入阻抗不相等,要求输入信号的内阻要小,否则输出波形不对称.图10是利用单电源运放的跟随器的特性设计的,单电源的跟随器,当输入信号大于0时,输出为跟随器;当输入信号小于0的时候,输出为0.使用时要小心单
10、电源运放在信号很小时的非线性.而且,单电源跟随器在负信号输入时也有非线性.图7,8,9三种电路,当运放A1输出为正时,A1的负反馈是通过二极管D2和运放A2构成的复合放大器构成的,由于两个运放的复合(乘积)作用,可能环路的增益太高,容易产生振荡. 精密全波电路还有一些没有录入,比如高阻抗型还有一种把A2的同相输入端接到A1的反相输入端的,其实和这个高阻抗型的原理一样,就没有专门收录,其它采用A1的输出只接一个二极管的也没有收录,因为在这个二极管截止时,A1处于开环状态.结论: 虽然这里的精密全波电路达十种,仔细分析,发现优秀的并不多,确切的说只有3种,就是前面的3种. 图1的经典电路虽然匹配电
11、阻多,但是完全可以用6个等值电阻R实现,其中电阻R3可以用两个R并联.可以通过R5调节增益,增益可以大于1,也可以小于1.最具有优势的是可以在R5上并电容滤波. 图2的电路的优势是匹配电阻少,只要一对匹配电阻就可以了. 图3的优势在于高输入阻抗. 其它几种,有的在D2导通的半周内,通过A2的复合实现A1的负反馈,对有些运放会出现自激. 有的两个半波的输入阻抗不相等,对信号源要求较高. 两个单运放型虽然可以实现整流的目的,但是输入输出特性都很差.需要输入输出都加跟随器或同相放大器隔离. 各个电路都有其设计特色,希望我们能从其电路的巧妙设计中,吸取有用的.例如单电源全波电路的设计,复合反馈电路的设
12、计,都是很有用的设计思想和方法,如果能把各个图的电路原理分析并且推导每个公式,会有受益的.问题： 为什么 整流后的电压取的是波形的平均值而不是有效值？2014-12-22二.电源滤波器1电源滤波的过程分析：电源滤波是在负载RL两端并联一只较大容量的电容器。由于电容两端电压不能突变，因而负载两端的电压也不会突变，使输出电压得以平滑，达到滤波的目的。波形形成过程：输出端接负载RL时，当电源供电时，向负载提供电流的同时也向电容C充电，充电时间常数为充=（RiRLC）RiC,一般RiRL,忽略Ri压降的影响，电容上电压将随u 2迅速上升，当t=t1时，有u 2=u 0,此后u 2低于u 0，所有二极管
13、截止，这时电容C通过RL放电，放电时间常数为RLC，放电时间慢，u 0变化平缓。当t=t2时，u 2=u 0, t2后u 2又变化到比u 0大，又开始充电过程，u 0迅速上升。t=t3时有u 2=u 0，t3后，电容通过RL放电。如此反复，周期性充放电。由于电容C的储能作用，RL上的电压波动大大减小了。电容滤波适合于电流变化不大的场合。LC滤波电路适用于电流较大，要求电压脉动较小的场合。2计算:滤波电容的容量和耐压值选择电容滤波整流电路输出电压Uo在2U 20.9U 2之间，输出电压的平均值取决于放电时间常数的大小。电容容量RLC（35）T/2其中T为交流电源电压的周期。实际中，经常进一步近似
14、为Uo1.2U2整流管的最大反向峰值电压URM=2U 2，每个二极管的平均电流是负载电流的一半。电源滤波电路整流电路的输出电压不是纯粹的直流，从示波器观察整流电路的输出，与直流相差很大，波形中 含有较大的脉动成分，称为纹波。为获得比较理想的直流电压，需要利用具有储能作用的电抗性元件（如电容、电感）组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的 脉动成分以获得直流电压。常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波(包括倒L型、LC滤波、LC型滤波和RC型滤 波等)。有源滤波的主要形式是有源RC滤波，也被称作电子滤波器。直流电中的脉动成分的大小用脉动系数来表示，此值越大，则滤波器的滤波效果越差。脉动系数(S)=输出电压交流分量的基波最大值输出电压的直流分量半波整流输出电压的脉动系数为S=157，全波整流和桥式整流的输出电压的脉动系数SO67。对于全波和桥式整流电路采用C型滤波电路 后，其脉动系数S=1(4(RLCT-1)。(T为整流输出的直流脉动电压的周期。)电阻滤波电路RC-型滤波电路，实质上是在电容滤波的基础上再加一级RC滤波电路组成的。如
