工程师应该掌握的20个模拟电路.docx
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工程师应该掌握的20个模拟电路
一、桥式整流电路
桥式整流器是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路，常用来将交流电转变为直流电。
桥式整流电路的工作原理如下：
e2为正半周时，对D1、D3加正向电压，Dl、D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。
电路中构成e2、D1、Rfz、D3通电回路，在Rfz上形成上正下负的半波整流电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。
电路中构成e2、D2Rfz、D4通电回路，同样在Rfz上形成上正下负的另外半波的整流电压。
工作原理
如此重复下去，结果在Rfz上便得到全波整流电压。
其波形图和全波整流波形图是一样的。
从图5-6中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电路小一半。
桥式整流是对二极管半波整流的一种改进。
半波整流利用二极管单向导通特性，在输入为标准正弦波的情况下，输出获得正弦波的正半部分，负半部分则损失掉。
桥式整流器利用四个二极管，两两对接。
输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。
桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。
桥式整流电路图
桥式整流是交流电转换成直流电的第一个步骤。
桥式整流器BRIDGERECTIFIERS，也叫做整流桥堆。
桥式整流器是由多只整流二极管作桥式连接，外用绝缘塑料封装而成，大功率桥式整流器在绝缘层外添加金属壳包封，增强散热。
桥式整流器品种多，性能优良，整流效率高，稳定性好，最大整流电流从0.5A到50A，最高反向峰值电压从50V到1000V。
二、电源滤波器
利用电感抑制高频电磁波，使用大容量电容抑制高频率脉冲。
是电流变的平滑和稳定。
电源滤波器是一种无源双向网络，它的一端是电源，另一端是负载。
电源滤波器的原理就是一种——阻抗失配网络：
电源滤波器输入、输出侧与电源和负载侧的阻抗失配越大，对电磁干扰的衰减就越有效。
简介：
电源滤波器就是对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电器设备。
电源滤波器的功能就是通过在电源线中接入电源滤波器，得到一个特定频率的电源信号，或消除一个特定频率后的电源信号。
利用电源滤波器的这个特性，可以将通过电源滤波器后的一个方波群或复合噪波，变成一个特定频率的正弦波。
工作原理
电源滤波器是一种无源双向网络，它的一端是电源，另一端是负载。
电源滤波器内部电路
电源滤波器的原理就是一种——阻抗适配网络：
电源滤波器输入、输出侧与电源和负载侧的阻抗失配越大，对电磁干扰的衰减就越有效。
性能测试
漏电流性能测试
泄漏电流是指在250VAC的电压下，相线和中线与滤波器外壳（地线）间流过的电流。
它主要取决于接地电容（共模电容）的取值。
较大的共模电容CY可以提高插入损耗，但却造成较大的漏电流。
泄漏电流的测试电路如图所示：
漏电流性能测试
耐压性能测试
为确保电源滤波器的性能以及设备和人身安全，必须进行耐压测试。
耐压测试是在极端工作条件下的测试。
若CX电容器的耐压性能欠佳，在出现峰值浪涌电压时，可能被击穿。
它的击穿虽然不危及人身安全，但会使滤波器功能丧失或性能下降。
CY电容器除了满足接地漏电流的要求外，还在电气和机械性能方面具有足够的安全余量，避免在极端恶劣的环境条件下出现击穿短路现象。
故线一地之间的耐压性能对保护人身安全有重要意义，一旦设备或装置的绝缘保护措施失效，可能导致人员伤亡
性能评定
EMI电源滤波器在使用时考虑最多的是额定电压及电流值、耐压性能、漏电流三项，而其中最主要的评定性能为滤波器的插入损耗性能。
EMI电源滤波器对干扰噪声的抑制能力用插入损耗I．L．（InsertionLoss）来衡量。
插入损耗定义为：
没有滤波器接入时，从噪声源传输到负载的功率P1和接入滤波器后，从噪声源传输到负载的功率P2之比，用dB（分贝）表示。
性能评定
频域测试
1.插入损耗的标准测试 在标准测量法中规定，在50Ω～75之间的任一阻值的系统内测试它的插入损耗特性。
2.插入损耗的加载测试 在EMI滤波器产品中，由于使用不合适的材料，共模扼流圈不可能保证完全对称会导致磁环的饱和，同时寄插入损耗的标准测试
生差模电感也可能产生磁环的饱和，使得滤波器的实际使用情况与厂家提供数据有很大差距，因此必须对滤波器采用加载测试。
3.EMI滤波器的时域测试 一般地，对于EMI电源滤波器我们只关心它的常规性能及频域抑制性能。
而对于EMI信号线滤波器，由于传输线本身就会产生一定的电磁干扰，所以测试信号必然会产生一定的衰减。
这时，我们就要对其进行时域传输性能上的测试。
使用50kHz的方波对电容值为8000pF的滤波插针进行滤波，发现其时域的上升沿和下降沿有明显的变化。
频域上，经过滤波后，方波信号的高频分量被滤除。
对于通过同一滤波插针，方波的频率越高，其谐波信号被滤波插针衰减的将会越大，则方波的波形上升及下降时间将会越长。
同样，对于同样的频率波形，通过滤波插针，其滤波容值越大，方波上升时间趋缓的程度越大。
4.EMI滤波器插损自动测试系统设计 近年来，随着EMC测试的内容日趋复杂，测试工作量急剧增加，对测试设备在功能、性能、测试速度、测试准确度等方面的要求也日益提高。
在这种情况下，传统的人工测试已经很难满足要求，再加上现在的国家标准（GB）和国家军用标准（GJB）均要求电磁兼容的检测必须自动进行，并且对数据后处理有严格的要求。
因此，发展EMC自动测试成为必然之路。
本文所建立的自动测试系统使用了虚拟仪器技术，基于安装
1、电源滤波器的不能存在电磁耦合路径
①、电源输入线过长； ②、电源滤波器的输入线和输出线靠的过近。
此两种都是不正确的安装方式，问题的本质在于，滤波器的输入端电线和它的输出端电线之间存在有明显的电磁耦合路径。
这样一来，存在于滤波器某一端的EMI信号会逃脱滤波器对它的抑制，不经过滤波器的衰减而直接耦合到滤波器的另一端去。
因此滤波器输入与输出先需有效分开。
另外，如上述两种把电源滤波器都是安装在设备屏蔽的内部，设备内部电路及元件上的EMI信号会因辐射在滤波器的（电源）端引线上生成EMI信号而直接耦合到设备外面去，使设备屏蔽丧失对内部元件和电路产生的EMI辐射的抑制。
当然，如果滤波器（电源）上存在有EMI信号，也会因辐射而耦合到设备内部的元件和电路上，从而破坏滤波器和屏蔽对EMI信号的抑制作用。
2、不能将线缆困扎在一块
一般来说，在电子设备或系统内安装电源滤波器时要注意的是，在捆扎设备电缆时，千万不能把滤波器（电源）端和（负载）端的电线捆扎在一起，因为这无疑加剧了滤波器输入输出端之间的电磁耦合，严重破坏了滤波器和设备屏蔽对EMI信号的抑制能力。
3、要尽量避免使用长接地线
电源滤波器输出端连接变频器或电机的接线长度不超过30厘米为宜。
因为过长的接地线意味着大大增加接地电感和电阻，它会严重破坏滤波器的共模抑制能力。
较好方法是，用金属螺钉与星形弹簧垫圈把滤波器的屏蔽牢牢地固定在设备电源入口处的机壳上。
4、电源滤波器输入线、输出线必须拉开距离
电源滤波器输入线、输出线必须拉开距离，切忌并行，以免降低滤波器效能；
5、电源滤波器外壳与机箱壳必须良好接触
变频器专用滤波器金属壳与机箱壳必须保证良好面接触，并将接地线接好；
6、电源滤波器的连接线宜选用双绞线
电源滤波器的输入、输出连接线以选用屏蔽双绞线为佳，它可有效消除部分高频干扰信号；
电源滤波器的工作原理：
要了解电源滤波器的构造原理，首先需要了解电磁噪声的特性。
任何电源线上高频传导骚扰信号，均可用差模和共模干扰信号来描述。
差模干扰在两传输导线之间流动，属于对称性干扰;共模干扰在传输导线与地（地线、接地机壳）之间传输，属于非对称性干扰。
所以电源滤波器进行滤波需要从差模和共模两方面入手。
电源滤波器的典型结构如图1所示：
体环上的一对线圈，电感量约为几毫亨（mH）。
对于共模干扰电流，两个线圈产生的磁场是同方向的，共模扼流圈表现出较大的阻抗，从而起到衰减干扰信号的作用;而对于差模信号（在这里是低频电源电流），两个线圈产生的磁场抵消，所以不影响电路的电源传输功能。
在实际运用中电源滤波器并非是一个理想的低通滤波器。
电源滤波器的实际频率特性是:
在低频时插入损耗很小，可以让电源频率信号（电流）几乎无衰减的通过。
对于理想低通滤波器，在截止频率以后随着频率的升高插入损耗应该无限制的增加。
但实际上，插入损耗升高到一定值后就不再增加，在相当一段频率范围内维持在该值附近振荡，而当频率进一步升高时插入损耗反而随频率下降。
产生这种情况的原因是构成滤波器的电感器件和电容器件存在分布参数。
在选用滤波器时，了解所选滤波器的截止频率至关重要。
三、信号滤波器
滤波是信号处理中的一个重要概念。
滤波分经典滤波和现代滤波。
经典滤波的概念，是根据富立叶分析和变换提出的一个工程概念。
根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。
换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。
只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路。
实际上，任何一个电子系统都具有自己的频带宽度（对信号最高频率的限制），频率特性反映出了电子系统的这个基本特点。
而滤波器，则是根据电路参数对电路频带宽度的影响而设计出来的工程应用电路。
用模拟电子电路对模拟信号进行滤波，其基本原理就是利用电路的频率特性实现对信号中频率成分的选择。
根据频率滤波时，是把信号看成是由不同频率正弦波叠加而成的模拟信号，通过选择不同的频率成分来实现信号滤波。
当允许信号中较高频率的成分通过滤波器时，这种滤波器叫做高通滤波器。
当允许信号中较低频率的成分通过滤波器时，这种滤波器叫做低通滤波器。
当只允许信号中某个频率范围内的成分通过滤波器时，这种滤波器叫做带通滤波器。
理想滤波器的行为特性通常用幅度-频率特性图描述，也叫做滤波器电路的幅频特性。
理想滤波器的幅频特性如图所示。
图中，w1和w2叫做滤波器的截止频率。
滤波器频率响应特性的幅频特性图
对于滤波器，增益幅度不为零的频率范围叫做通频带，简称通带，增益幅度为零的频率范围叫做阻带。
例如对于LP，从-w1当w1之间，叫做LP的通带，其他频率部分叫做阻带。
通带所表示的是能够通过滤波器而不会产生衰减的信号频率成分，阻带所表示的是被滤波器衰减掉的信号频率成分。
通带内信号所获得的增益，叫做通带增益，阻带中信号所得到的衰减，叫做阻带衰减。
在工程实际中，一般使用dB作为滤波器的幅度增益单位。
低通滤波器
低通滤波器的基本电路特点是，只允许低于截止频率的信号通过。
（1）一阶低通Butterworth滤波电路
下图a和b是用运算放大器设计的两种一阶Butterworth滤波电路的电路。
图a是反相输入一阶低通滤波器，实际上就是一个积分电路，其分析方法与一阶积分电路相同。
基本滤波电路演示
图b是同相输入的一阶低通滤波器。
根据给定的电路图可以得到
对滤波器来说，更关心的是正弦稳态是的行为特性，利用拉氏变换与富氏变换的关系，有
下图是上式RC=2时的幅频特性和相频特性波特图。
RC=2时一阶Butterworth低通滤波器的频率响应特性
（2）二阶低通Butterworth滤波电路
下图是用运算放大器设计的二阶低通Butterworth滤波电路。
二阶Butterworth低通滤波电路
直接采用频域分析方法得到
其中k=1+R1/R2。
令Q=1/（3-k），w0=1/RC，则可以写成
其中k相当于同相放大器的电压放大倍数，叫做滤波器的通带增益，Q叫做品质因数，w0叫做特征角频率。
下图是二阶低通滤波器在RC=2时的波特图，其中图a是Q>0.707时的效果，图b是Q=0.707时的效果，图c是Q<0.707时的效果。
（a）Q>0.707
（b）Q=0.707
（c）Q<0.707
二阶低通滤波器在RC=2时的波特图
从图中可以看出，当Q>0.707或Q<0.707时，通带边沿处会出现比较大的不平坦现象。
因此，品质因数表明了滤波器通带的状态。
一般要求Q=0.707。
由此可以得到
这就是二阶Butterworth滤波器电压增益得计算0.707公式。
令Q=0.707，得
0.414R2=0.707R1
通常把最大增益倍所对应的信号频率叫做截止频率，这时滤波器具有3dB的衰减。
利用滤波器幅频特性的概念，可以得到截止频率w0=w=1/RC，即
f=1/2pRC
高通滤波器的特点是，只允许高于截止频率的信号通过。
下图是二阶Butterworth高通滤波器电路的理想物理模型。
直接采用频域分析方法，并令k=1+R1/R2，Q=1/（3-k），w0=1/RC，则可以得到二阶Butterworth高通滤波电路的传递函数为
二阶Butterworth高通滤波电路演示
高通滤波器
考虑正弦稳态条件下，s=jw，得
二阶BButterworth高通滤波器在频率响应特性与低通滤波器相似，当Q>0.707或Q<0.707时，通带边沿处会出现不平坦现象。
有关根据品质因数Q计算电路电阻参数R1和R2的方法与二阶低通滤波器的计算相同。
同样，利用滤波器幅频特性的概念，可以得到截止频率w0=w=1/RC，即f=1/2pRC
四、微分和积分电路
微分电路可把矩形波转换为尖脉冲波，此电路的输出波形只反映输入波形的突变部分，即只有输入波形发生突变的瞬间才有输出。
而对恒定部分则没有输出。
输出的尖脉冲波形的宽度与R*C有关（即电路的时间常数），R*C越小，尖脉冲波形越尖，反之则宽。
此电路的R*C必须远远少于输入波形的宽度，否则就失去了波形变换的作用，变为一般的RC耦合电路了，一般R*C少于或等于输入波形宽度的1/10就可以了。
电路结构如图J-1，积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波，还可将锯齿波转换为抛物波。
电路原理很简单，都是基于电容的冲放电原理，这里就不详细说了，这里要提的是电路的时间常数R*C，构成积分电路的条件是电路的时间常数必须要大于或等于10倍于输入波形的宽度。
输出信号与输入信号的积分成正比的电路，称为积分电路。
一、微分电路
输出信号与输入信号的微分成正比的电路，称为微分电路。
原理：
从图一得：
Uo=Ric=RC（duc/dt）,因Ui=Uc+Uo,当，t=to时，Uc=0,所以Uo=Uio随后C充电，因RC≤Tk,充电很快，可以认为Uc≈Ui，则有：
Uo=RC（duc/dt）=RC（dui/dt）---------------------式一
这就是输出Uo正比于输入Ui的微分（dui/dt）
RC电路的微分条件：
RC≤Tk
图一、微分电路
二、积分电路
输出信号与输入信号的积分成正比的电路，称为积分电路。
原理：
从图2得，Uo=Uc=（1/C）∫icdt,因Ui=UR+Uo,当t=to时，Uc=Oo.随后C充电，由于RC≥Tk,充电很慢，所以认为Ui=UR=Ric,即ic=Ui/R,故
Uo=（1/c）∫icdt=（1/RC）∫icdt
这就是输出Uo正比于输入Ui的积分（∫icdt）
RC电路的积分条件：
RC≥Tk
图2、积分电路
微分电路
电路结构如图W-1，微分电路可把矩形波转换为尖脉冲波，此电路的输出波形只反映输入波形的突变部分，即只有输入波形发生突变的瞬间才有输出。
而对恒定部分则没有输出。
输出的尖脉冲波形的宽度与R*C有关（即电路的时间常数），R*C越小，尖脉冲波形越尖，反之则宽。
此电路的R*C必须远远少于输入波形的宽度，否则就失去了波形变换的作用，变为一般的RC耦合电路了，一般R*C少于或等于输入波形宽度的1/10就可以了。
名盛汽车电子发表于2005-11-1021:
32:
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积分电路
电路结构如图J-1，积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波，还可将锯齿波转换为抛物波。
电路原理很简单，都是基于电容的冲放电原理，这里就不详细说了，这里要提的是电路的时间常数R*C，构成积分电路的条件是电路的时间常数必须要大于或等于10倍于输入波形的宽度。
名盛汽车电子发表于2005-11-1021:
37:
00
限幅电路
图X是一个限幅电路，在输入端没信号输入时由于二极管D反向连接，所以输出电压为零。
当有脉冲信号输入时，如果这个脉冲的幅度足以电压源E时，D就导通，这样电路将输出脉冲的最大值限制在E+0.6上（0.6是D的正向导通压降），也即E+0.6是此限幅器的门限电压。
积分电路和微分电路的特点
1:
积分电路可以使输入方波转换成三角波或者斜波
微分电路可以使使输入方波转换成尖脉冲波
2:
积分电路电阻串联在主电路中，电容在干路中
微分则相反
3：
积分电路的时间常数t要大于或者等于10倍输入脉冲宽度
微分电路的时间常数t要小于或者等于1/10倍的输入脉冲宽度
4：
积分电路输入和输出成积分关系
微分电路输入和输出成微分关系
微分电路可把矩形波转换为尖脉冲波，此电路的输出波形只反映输入波形的突变部分，即只有输入波形发生突变的瞬间才有输出。
而对恒定部分则没有输出。
输出的尖脉冲波形的宽度与R*C有关（即电路的时间常数），R*C越小，尖脉冲波形越尖，反之则宽。
此电路的R*C必须远远少于输入波形的宽度，否则就失去了波形变换的作用，变为一般的RC耦合电路了，一般R*C少于或等于输入波形宽度的1/10就可以了。
积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波,还可将锯齿波转换为抛物波。
电路原理很简单,都是基于电容的冲放电原理,这里就不详细说了,这里要提的是电路的时间常数R*C,构成积分电路的条件是电路的时间常数必须要大于
积分电路能将方波转换成三角波。
积分电路具有延迟作用。
积分电路还有移相作用。
积分电路的应用很广，它是模拟电子计算机的基本组成单元。
在控制和测量系统中也常常用到积分电路。
此外，积分电路还可用于延时和定时。
在各种波形（矩形波、锯齿波等）发生电路中，积分电路也是重要的组成部分。
使输出电压与输入电压的时间变化率成比例的电路。
微分电路主要用于脉冲电路、模拟计算机和测量仪器中。
最简单的微分电路由电容器C和电阻器R组成（图1a）。
若输入ui（t）是一个理想的方波（图1b），则理想的微分电路输出u0（t）是图1c的δ函数波：
在t=0和t=T时（相当于方波的前沿和后沿时刻）,ui（t）的导数分别为正无穷大和负无穷大；在0＜t＜T时间内，其导数等于零。
微分电路的工作过程是：
如RC的乘积，即时间常数很小，在t=0+即方波跳变时,电容器C被迅速充电,其端电压
，这时电阻器R两端的输出电压为
即输出电压与输入电压的时间导数成比例关系。
实用微分电路的输出波形和理想微分电路的不同。
即使输入是理想的方波,在方波正跳变时,其输出电压幅度不可能是无穷大,也不会超过输入方波电压幅度E。
在0＜t＜T的时间内,也不完全等于零,而是如图1d的窄脉冲波形那样,其幅度随时间t的增加逐渐减到零。
同理,在输入方波的后沿附近,输出u0（t）是一个负的窄脉冲。
这种RC微分电路的输出电压近似地反映输入方波前后沿的时间变化率，常用来提取蕴含在脉冲前沿和后沿中的信息。
实际的微分电路也可用电阻器R和电感器L来构成（图2）。
有时也可用RC和运算放大器构成较复杂的微分电路，但实际应用很少。
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