大连理工大学模拟电路课件

*
1.4.3 三极管的工作状态
1. 放大状态 在上面一部分中分析了三极管的放大原理。为了使三极管有放大能力，在输入回路加基极直流电源VBB，在输出回路加集电极直流电源VCC，且VCC大于VBB，使发射结正向偏置、集电结反向偏置。此时称三极管处于放大状态，条件是发射结正向偏置、集电结反向偏置。 2. 饱和状态 如果输出回路的集电极直流电源VCC小于输入回路的基极直流电源VBB，则发射结和集电结都是正向偏置。由于发射结和集电结都是正向偏置，在开始发射结和集电结上的势垒都变窄，使发射区和集电区的自由电子同时涌入基区，但是由于基区面积很小，且掺杂浓度很低，涌入到基区的电子中只有极少部分与空穴复合，形成基极电流IB，绝大部分扩散到基区的电子堆积在发射结和集电结附近，使发射结和集电结上的势垒加宽，阻止了发射区和集电区的自由电子进一步扩散到基区，由此可见，此时三极管没有放大能力。 此种状态称三极管处于饱和状态，条件是发射结和集电结都是正向偏置。 3. 截止状态 如果在输入回路的基极直流电源VBB小于发射结的开启电压，则发射结处于零偏置或反偏置。由于外加电压没有达到发射结的开启电压，使发射区的自由电子不能越过发射结达到基区，不能形成电流，从而发射极、集电极和基极的电流都很小，也就谈不上放大了。此时称三极管处于截止状态，条件是发射结零偏置或反偏置、集电结反向偏置。
*
1.3.3 二极管的等效电阻
直流等效电阻也称静态等效电阻。如图1-9所示，在二极管的两端加直流电压UQ、产生直流电流IQ，此时直流等效电阻RD定义为 交流等效电阻表示，在二极管直流工作点确定后，交流小信号作用于二极管所产生的交流电流与交流电压的关系。在直流工作点Q一定，在二极管加有交流电压u，产生交流电流i，交流等效电阻r定义为
*
例1-1 图10(a)是由理想二极管D组成的电路，理想二极管是指二极管的导通电压U为0、反向击穿电压U为，设电路的输入电压u如图10(b)所示，试画出输出uo的波形 解：由二极管的单向导电特性，输入信号正半周时二极管导通，负半周截止，故输出uo的波形如右图所示。

L2 － jMI1+
i2
14
2、Equivalent nductor with no magnetic coupling
0k1
k=1， 21 = 11 ， 12 = 22 ， perfectly coupled，
全耦合电感
6
(3) self-induced voltage and mutual voltage
In linear case, 1、 2 (magnetic flux links coil 1、2) is
1＝ 11 12 =L1i1 Mi2 2＝ 22 21 =L2i2 Mi1
电压和电流为关联参考方向时，有：
u1

d 1
dt

L1
di1 dt

M
di2 dt
u2

d 2
dt
M
di1 dt
L2
di2 dt
自感电压：恒为正
互感电压：可正可负
u3 (t )

L3
di3 dt
M
di1(t) dt
i1
1
+
M

i3 3 +
u1 L1
L3 u3
_
1’

_
3’
u1(t)

L1
di1 dt
M
di3 (t ) dt
U1 jL1I1 jMI3
10
如何确定同名端？ 1.5V
* *
听
*
*
*
V 话
电压表指针右偏，说明哪两个端子为同名端？ 反之指针左偏呢？
Chapter 7 MAGNETICALLY COUPLED CIRCUITS

已知R1 = 1 , R2 = R3 = 2 ，L = 2 H, US = 2 V。求换路后
的电流 iL (t)及电压uL (t)。
1S + R1 2
R2
iL +
解： iL (0)
= US
R1+R2
=0.67 A
US －
R3
uL
L
－
iL (∞) =0
τ=L/(R2+R3)= 0.5 s
iL (t)
f () f (0)
R
iC
+ C _uC
其中: RC
uC (∞) = US t
u c A e + US
起初S断开, uC (0) = 0 t=0时, S接通, uC =? iC =?
当t = 0时, uC (0) = 0
0 Ae0 Us ∴A = - US
t
uc U S (1 e )
二、 RC电路的零状态响应
t
uL=-U0 e
零状态响应
t
uC US (1 e )
t
iC=IS e
t
iL IS (1 e )
t
uL= US e
全响应
t
uC UC (U0 US )e
iC= USR-
U0
t
e
t
iL IS (I0 IS )e
t
uL=(US- U0) e
τ=RC
τ=
L R
2.5 一阶电路瞬态分析的三要素法
t
uCU0 e
t
uC US (1 e )
用除源等效法 将换路后电路 中的电源除去
求出从储能元 件(C 或 L)两端 看进去的等效电 阻R

在PCB图中，元件的封装均来自于原理图的元件属 性设置。有时，发现PCB图中的元件不合适，可以从 原理图中修改后，再导出到PCB图中即可。但是，有 些封装，特别是专用接插件的封装在封装库中不容易 找到，所以必须自己建立元件的封装库。
18
封装库的建立和安装
封装库的建立
单击文件（file）->创建（new）->PCB库（PCB library） 就可以创建一个封装库。
14
布局和布线的注意事项 布线的一些快捷键
1. PT：布线 2. Ctrl+鼠标点击：高亮显示同一网络 3. Shift+空格：改变布线的线型 4. Ctrl+M：测量两点间的距离
注：Protel有自动布线功能，但是功能有限，需谨慎使用。 Protel自动布线
15
封装库的建立和安装
封装的概念：这里定义为元器件实际引脚尺寸。
电感：Trans *
三极管：PNP、NPN
电容：Cap *
二极管：Diode*
接口：Header*
16
封装库的建立和安装
封装的查找
和原理图元件的查找基 本相同。元件的搜索功能 支持模糊功能及元件名称 和注释双重查询。
封装库也可以通过已有 的PCB图来导出(见后面部 分)。
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封装库的建立和安装
建立新封装库的原因
缺点是，转印法制板时焊 覆接铜难度大（导热快）。
定位安装孔
焊盘
大面积覆铜（地线） 丝印层
7
PCB设计的基本操作 PCB设计的基本操作和原理图中基本相同的 部分有以下几个：
图纸操作：放大缩小方法和原理图相同（P＋、P－）。 元件操作：元件的旋转（空格）、镜像（X，Y）、移 动、属性的修改和原理图基本相同。 布线操作：与原理图基本相同，但是增加了许多更加 智能的功能。

IP =
UP |Z |
Il
+
U·L = U·P Z
IP Z
_
IP
=
380 36.1
=10.5A
Il = 3 ·IP = 18.2A
Z
cos =
R Z
= 0.8
3. P =3UP IP cos =9800W
4.6 触电防护
4.6 触电防护
二、保护接地和保护接零 1. 接地
M
接地线 接地体
一般要求接地电阻≤4Ω。
I·2 -I·3
I·1 I·L1
⑵若负载不对称
由于电源电压对称, 故负载的相电压对称,
但相电流和线电流不对称.
4.2 三相负载
★ 三角形联结只有三相三线制 ★ 三相负载的联结方式:
取决于电源电压和负载的额定电压, 原则上应 使负载的实际工作电压等于额定电压。 如: 某三相异步电动机,三相绕组的额定电压是220V,
相量图:
E·3
1200
1200
E·1
1200
E·2
相量表示 :
EE··1 2
= =
E ∠00 E ∠-1200
E·3 = E ∠-2400
波形图:
e
e1 e2 e3
t
相序为: L1 →L2 → L3
4.1 三相电源
一. 三相电源的星形联结
+
E·1
E·3 _ _
+
N
_
E·2 +
中性点 零点
(Y形联结)
4.3 三相电路的功率
1. 有功功率
2.无功功率
P= P1+ P2 + P3
Q= Q1+ Q2 + Q3

KMY
KMY KM△
KT KM KM△
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7.2.3 画出能分别在两地控制同一台电机起停的控制电路
SBstp2 SBstp1
SBst1, SBstp1为甲地按钮, SBst2, SBstp2为乙地按钮
SBst1 KM
SBst2
KM FR
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7.4.1两条皮带运输机分别由两台笼式电动机拖动,用一套起停 按钮控制它们的起停,为了避免物体堆积在运输机上,要求电
Q
KM
M 3~
SBstp
自锁环节
× ××
Q
SBst KM
M
KM
3~
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L1 L2 L3 Q
KM FR
M 3~
SBstP
FR
SBst
KM
KM
FR
FR
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L1 L2 L3 Q
KM
FR
M 3~
SBstP SBst KM FR
1. 保护环节 短路保护 过载保护 失压保护(欠压保护)
出出
接 口
设 备
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二、PLC的软件组成
●系统软件 ①系统管理程序 ②用户指令解释程序 ③标准程序模块和系统调用
●用户程序 编程语言有三种形式： 指令表(STL) 梯形图(LAD) 顺序流程图(SFC)
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三、PLC的工作原理
（以正反转控制电路为例）
Q
FU
偏心凸轮
复位按钮
发热元件
静触点 （螺钉）
弹簧片
杠杆
动触点
静触点
双金属片 3. 符号

起隔直作用。为了减小传递信号的电压损失，Cl、C2应 选得足够大，一般为几微法至几十微法，通常采用电解
电容器。
共发射极放大电路的实用电路
RB
C1 +
+
Rs
us+－
ui －
RC
+UCC C2
+
V
+
RL uo
－
2 共发射极基本放大电路的静态分析
静态是指无交流信号输入时，电路中的电流、电压都 不变的状态，静态时三极管各极电流和电压值称为静 态工作点Q（主要指IBQ、ICQ和UCEQ）。静态分析主要 是确定放大电路中的静态值IBQ、ICQ和UCEQ。
③输出电阻
B
Ib
Ic C I +
Rs
RB rbe
RC
U
Ib
－
E
Ro 的计算方法是：信号源U s 短路，断开负载 RL ，在输 出端加电压U ，求出由U 产生的电流 I ，则输出电阻 Ro 为：
Ro
U I
RC
对于负载而言，放大器的输出电阻Ro越小，负载电阻RL的 变化对输出电压的影响就越小，表明放大器带负载能力越
反相输入端
Δ
A
u－
－
uo
+
u+
+
同相输入端
2 集成运算放大器的主要参数及种类
1、集成运放的主要参数
（1）差模开环电压放大倍数 Ado。指集成运放本身（无外加反馈回路）的
差模电 压放大 倍数， 即
Ado
uo u u
。 它体 现了集 成运放 的电压 放大能 力， 一
般在 104～107 之间。Ado 越大，电路越稳定，运算精度也越高。

多晶硅 FOX P- 衬底 n阱
n+ S/D注入
N 阱CMOS 工艺步骤
多晶硅 FOX P- 衬底 n阱 n- S/D LDD注入
多晶硅
LDD扩散 FOX n阱 P- 衬底 形成n沟道LDD晶体管和p沟道LDD晶体管
N 阱CMOS 工艺步骤
n+扩散 p+扩散 FOX P- 衬底 n阱 BPSG
金属1 CVD氧化 FOX n阱 P- 衬底
利用PLL得到精确的控制电压
PLL可得到精确的频率。 PLL的频率和振荡器(VCO)的特征时间常数成反比。~C/Gm 低通滤波器中的电路和VCO的电路是匹配的。
磁盘驱动器中的模块电路（2）
模数转换器(ADC)
6位ADC， 由VCO提供采样时钟。采样频率由数字时钟恢复电路控制。 偏移控制：采集63个比较器的失调电压，反馈到输入端，抵消由 此引起的失真。
模拟信号 模拟信号的采样信号
一般概念（续）
什么是模拟集成电路设计？ 特定模拟电路、或系统 的功能和性能 设计 选择合适的集成电路 工艺 成功的设计结果
模拟集成电路设计步骤
电路设计
物理版图设计 根据工艺版图设计规则设计器件、器件之间的互联 电源和时钟线的分布 与外部的连接 电路测试 电路制备后对电路功能和性能参数的测试验证 产品开发
层次设计
结构 开关电容电路、*VCO和PLL、 *A/D D/A、
复杂电路
运算放大器、带隙基准、*比较器
简单电路
单级放大器、差动放大器、电路偏置、电流镜电路
器件
CMOS工艺、器件物理、器件Spice参数、 *版图设计、*电路模拟
模拟集成电路设计步骤
设计要求描述 设计定义 电路设计 与设计指标比较 执行设计 仿真 物理层设计 物理层设计 物理层验证 提取寄生参数 芯片设计 测试和产品开发 芯片制造 测试和验证 产品生产 与设计指标比较

2.3.4 电压传输特性
运放工作在线性区时，Uo＝Aod ( UP－UN)，由于开环 电压放大倍数Aod很高，输入很小的信号也足以使输出电压 饱和，另外干扰信号也会使输出难于稳定。所以，要使运算 放大器稳定工作在线性区，必须引入深度负反馈。
2.4 电路中的负反馈
若引回的信号削弱了输入信号，就称为负反馈。若引 回的信号增强了输入信号，就称为正反馈。
大连理工大学,机械工程 学院,机械电子学第二章
模拟电子
2020/11/15
大连理工大学,机械工程学院,机械电 子学第二章模拟电子
2.1 基本半导体元件
2.1.1 半导体的基本知识
本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。 最多的半导体是硅和锗。
➢ 受外界热和光的作用
➢ 往纯净的半导体中掺 入某些杂质
2.5.7 单运放的加减运算电路
R1
R5
ui1
ui2
R2
ui3
R3
_
uo
+
+
ui4
R4
R6
虚开路 虚短路 虚开路
单运放的加减运算电路的特例：差动放大器
R2
ui1 R1
ui2 R1
_ +
+
R2
uo 解出：
2.5.8 双运放的加减运算电路
ui1 R1
RF1
ui2
R2
+ +
R3
-
uo1
R4
RF2
ui3
G（控制极）
N2
K（阴极）
A G
K 符号
A
A
P1
N1 G
P2 N2
K
P
NN G