一文拿下模拟电路(下)

写在前面

由于篇幅原因,不得不将模拟电路分为上下两个篇章,其中上篇为基础篇,下篇为进阶篇,零基础小白若想要真正弄懂模拟电路,建议上下篇配合使用,此篇为下篇,上篇为《一文拿下模拟电路(上)》。

模拟电路进阶

理论进阶

用电信号进行开关控制

开关电路

开关电路是一种基本的电路,它可以控制电流或电压的流动或输出。简单来说,就是用电去控制负载电流或电压的输出。

用电去控制电是计算机工作的核心原理。

继电器,真空管和晶体管都是用来实现电信号开关控制的电子元件。

继电器

继电器是一种电气元件,它可以通过接受一个电信号来控制另一个电路中的电压或电流。

如上图,继电器的工作原理就是通电,线圈产生磁场,从而将金属开关吸起,断电,磁场消失,金属开关被放下。

给D、E通电,开关被吸起,由B->A变为B->C,反之开关被放下。

半导体

PN结原理详解

半导体是由掺了杂质(三价硼五价磷)的硅或锗所制成(硅制半导体导通压降为0.7V，锗制半导体导通压降为0.3V),根据所掺杂质的不同,又将半导体分为两个不同的类型:

• P型半导体(positive),硅中有三价硼，每个硼原子会有多的一个空穴产生,空穴带正电。
• N型半导体(negative),硅中有五价磷,每个磷原子会有多的一个电子,电子带负电。

如上图所示，P型半导体里面有很多的空穴和少量的自由电子(由于温度等因素,部分电子在热运动的作用下，挣脱共价键的束缚，成为了自由电子)，因此，空穴被称为多子，自由电子被称为少子，而N型半导体与之相反，自由电子被称为多子，空穴被称为少子。虽然两种半导体内部的电子，空穴数量各不相同，但是整体上来说，无论是P型还是N型，它们都是电中性，即本身不带电。

当P型半导体和N型半导体组合在一起的时候，N型半导体中的自由电子就会向P型移动(多子自发地从浓度高的地方向浓度低的地方移动——多子扩散运动)，从而填补P型中的正电空穴，P型半导体中原本 质子和电子的数量是平衡相等的，因此整体对外不带电，但是现在接收了来自N型半导体的自由电子，平衡被打破，接收了电子的那部分P型半导体，整体对外显负电(质子数<电子数)，同理，失去了自由电子的那部分N型半导体，整体对外显正电(质子数>电子数)。

有正电又有负电，因此形成了电场，即在P型半导体和N型半导体连接处形成一个由N到P方向的电场，这个电场就被称为空间电荷区，因此空间电荷区中的多子都被相互抵消了(自由电子填补了正电空穴)，即多子被消耗殆尽了，因此，该区域又被称为耗尽层。

耗尽层的出现，使得N型半导体这边剩余的正常部分的多子——自由电子，无法继续向P型移动，P型半导体再也接收不到来自N型的自由电子(多子的扩散运动被阻止)，从而整个空间电荷区的范围无法继续扩大。

耗尽层中的多子被抵消殆尽，并不意味着耗尽层中没有电子移动，P型半导体中的少子——自由电子，在电场的作用下，从P型移动到了N型，填补了N型中的少子——正电空穴，这就叫少子的漂移运动。

少子的数量是极少的，因此，进行漂移运动的自由电子也是极少的，从而产生的电流(漂移电流)是极小的，小到一般可以忽略不计。

当P型半导体接正极，N型半导体接负极时，这个PN结就形成了电场，该电场的方向与PN结内部的耗尽层电场方向相反，当外部电场大于耗尽层电场时，PN结导通，外部大电流从P型流向N型，换一个角度来说，负极流出大量电子进入N型半导体，从而使耗尽层的范围逐渐缩小，当耗尽层完全消失时，就意味着PN结导通。

当P型半导体接负极，N型半导体接正极时，负极流出的电子会填补P型中的多子——正电空穴，N型中的多子——自由电子会移动向正极，从而使耗尽层范围增大，PN结更加不导通，整个电路更不导通，电流截止。

电流并不会完全截止，此时还会有少子漂移运动形成微弱漂移电流，这种情况我们称之为漏电。

二极管

二极管是一种具有两个电极的半导体器件，能够允许电流仅在一个方向流动，并对反向电流提供阻抗。二极管的基本特性是“单向导电”，即在正向电压下导电，在反向电压下截止。二极管就是一个被封装起来的PN结，其中由P型半导体引出的电极叫阳极，由N型半导体引出的电极叫阴极。

正向导电：当二极管的阳极连接到正电压，阴极连接到负电压时，电流可以通过PN结流动，二极管导电。

反向截止： 当阳极连接到负电压，阴极连接到正电压时，PN结的反向电流非常小（理想情况下为零）。二极管处于截止状态，电流无法通过。

二极管性质：单向导电性
二极管参数：最大电流、正向压降(硅二极管的压降一般是0.7V)、反向耐压

在二极管正向导通后，突然加反向电流， 理想情况下，二极管应该立刻变为截止状态 但是实际上二极管并不会立即变为截止状态， 而是有一个反向电流，然后这个反向电流经过很小的一段时间后慢慢减小到0， 达到截止状态。

对于一般的二极管来说，反向电压也不能无止境的增加，当反向电压大到一定程度的时候，二极管就被反向击穿了，此时二极管就是永久的损坏，但是稳压二极管不会，它也会被反向击穿，但不会永久损坏，而是表现一种神奇的特性:当被击穿时，它的电压会稳定保持不变，因为这个特性，所以在实际的生活中，我们会将稳压二极管反接，目的就是获得这个稳定的电压。

三极管(核心器件)

三极管是一种具有三个电极的半导体器件，通常用于放大电流和控制信号，它可以把模拟电路的信号放大，还可以控制数字电路的导通和断开。三极管的三个电极分别为：基极（B）、集电极（C）和发射极（E）。三极管可以通过基极电流的微小变化来控制集电极和发射极之间的大电流，因此广泛用于放大和开关电路。

三极管分为两种主要类型：

NPN型三极管（NPN Transistor）

PNP型三极管（PNP Transistor）

三极管的工作原理基于半导体的PN结。通过控制基极电流，可以调节集电极和发射极之间的电流。具体工作方式如下：

注意:与二极管不同的是，三极管的三块半导体，它们各自的杂质(三价硼五价磷)掺杂浓度各不相同，从而整体表现出与二极管不同的性质(二极管的两块半导体，它们的杂质掺杂浓度相近)。

NPN三极管：  

NPN型三极管的基极(B) 接在P型半导体上，集电极(C) 与 发射极(E) 各接在一个N型半导体上，它们的杂质掺杂浓度大小如下图所示:

左边较窄区域掺杂了高浓度的5价磷，该区域与发射极(E) 相连，中间极窄的区域掺杂了3价硼，与基极(B) 相连，最后较宽的区域参杂低浓度的5价磷，连接集电极(C)。

当由集电极（C） 到发射极（E），直接通电时，电路被截止,但是，如果我们，在基极(B)，施加一个微小正电压，与发射极(E) 的负极形成回路，这个时候再在集电极(C) 施加一个大的正电压,这样整个三极管就导通了。

具体原理如下:

当基极(B) 接正极，与发射极(E) 的负极形成回路时，在电场的作用下，就会带动发射极(E) 中的多子——自由电子，向中间P型区域移动，但是由于发射极(E) 的参杂浓度很高，P型区域中的正电空穴数量相对较少,这就导致了大量电子因没有正电空穴，而被积聚在P型区域中(少量电子会向基极(B) 连接的正极移动，同时负极也会向发射极(E)源源不断的补充电子), 这时候，如果集电极(C) 被施加更大的正电压，即在外部形成一个更大的电场时，在其影响下，集电极(C) 与基极(B) 之间的耗尽层范围扩大，但是由于积聚的电子实在是太多，于是就发生了电子漂移现象，电子突破耗尽层，被挤到了集电极(C) ，从而流向外部的正极，这样就让三极管导通了。

此时电流关系为 Ic+Ib=Ie，这就理所当然了。

PNP三极管：  

PNP型三极管的基极(B) 接在N型半导体上，集电极(C) 与 发射极(E) 各接在一个P型半导体上，它们的杂质掺杂浓度大小如下图所示:

对于PNP型三极管而言，在发射极(E)，施加一个微小正电压，与基极(B) 的负极形成回路，这个时候再在发射极(E) 施加一个大的正电压,与集电极(C) 形成回路，这样整个三极管就导通了。

PNP型半导体导通的具体原理与上面NPN型半导体类似,只不过自由电子换成了正电空穴而已，这里就不再赘述了。

如上图所示，PNP型半导体与NPN型半导体在画法上的区别就是箭头的指向不同，箭头的方向即是电流的方向，电流只能从P型流向N型。

场效应管(MOS管)

MOS管，全称金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），是一种利用电场控制电流的三端半导体器件（三极管是利用基极电流来控制电流），其只需要一种半导体即可，利用其中的多子进行导电，与三极管一样，场效应管也分为三个极，分别是栅极(G),源极(S),漏极(D),通过改变栅极（Gate）电压来控制源极（Source）和漏极（Drain）之间的电流,而根据半导体类型，又可以进一步细分为n沟道和p沟道，即半导体类型为N型和P型，如下图所示：

所谓的沟道，就是导电的那部分半导体形成的通路。

根据导电时，沟道是形成还是消失，又分为增强型和耗尽型，如上图，如果栅极(G) 旁边的竖线为实线，则表示在导电时，沟道逐渐形成，该MOS管为增强型，反之，如果竖线为虚线，则表示在导电时，沟道逐渐消失，该MOS管则为耗尽型。

根据导电实现的过程不同，又细分为两种:结型场效应管和绝缘栅型场效应管。

结型场效应管:

结型场效应管就是一种 耗尽型 场效应管，如下图所示:

如上图所示，两边嵌有P型半导体，中间是一块N型半导体(真正导电的部分只有中间那块半导体，即沟道)，两边各自形成一个PN结，当源极(S) 的电压高于栅极(G) 时，在电场的作用下，两边的PN结各自的耗尽层会逐渐加厚，直到将中间的沟道夹断(沟道消失)，耗尽层像闸门一样，两边抵拢，使得漏极(D) 和源极(S) 之间的不再导通。

当漏极(D) 和源极(S) 之间没有电压差时，在栅极(G) 上接负极，在源极(S) 上接略高于负极的电压，则两边的耗尽层以相同的速度，稳步地加厚，在这个过程中，沟道越来越小，整个场效应管的电阻越来越大，漏极(D) 和源极(S) 之间的电流越来越小，直到完全截止，如下图所示:

当漏极(D) 和源极(S) 之间存在电压差，栅极(G) 上接负极，即Vd>Vs>Vg时，因为漏极(D) 与 栅极(G) 之间存在的电压差要大于源极(S) 与 栅极(G) 之间的存在的电压差，上半部分的耗尽层相较于下半部分，加厚的速度会更快，最终形成类似"窗帘"的效果，如下图所示:

当上面刚夹断，下面还未夹断的那一瞬间，叫预夹断(如上图右上角)，当下面也夹断时，就叫完全夹断，也叫彻底截止。在预夹断到彻底截止的过程中，流经沟道的电流(D到S)，由栅极(G) 和 源极(S) 之间的电压差决定，此时，电流大小是恒定的。

在预夹断到完全截止期间，漏极(D) 与栅极(G) 之间的电压差一方面可以推动电子强行挤过已经夹断的部分，另一方面，其电压差越大，会让耗尽层上半部分夹的更紧，最后，两种效应相互抵消，这就是为什么此时电流仅由栅极(G)和源极(S)之间的电压差决定的原因。

当耗尽层上半部分还未关闭时，流经沟道的电流与漏极(D) 与 源极(S) 之间的电压差成正比，正比曲线的斜率由 源极(S) 和 栅极(G) 之间的 电压差决定， 电压差越大，斜率越大。

当 完全截止时，整个结型场效应管就不会再由电流流过了。

绝缘栅型场效应管:

绝缘栅型场效应管既有增强型，也有耗尽型，但最常用的，也是我们下面要重点介绍的是 增强型绝缘栅型场效应管。

如上图所示,这是一个n沟道增强型绝缘栅型场效应管，使用了两块N型半导体嵌入P型半导体当中，三个半导体分别各自外贴一个金属板，引出场效应管的三个电极，其中P型半导体为漏极(G),两块N型半导体为源极(S) 和 漏极(D)，与金属板接触的表面，添加了二氧化硅(SiO2)作为绝缘层，同时，P型半导体下部分还有一个B引脚，该引脚通常与源极(S) 相连，这样就导致源极(S) 对应的PN结短路。

一般来说，漏极(D) 接电源正极，源极(S) 接电源负极(B引脚因此也相当于接入了负极)，栅极(G) 接一个相对小的正电压，负极同样接在源极(S) 上，通过小的正电压形成的电场，吸引P型半导体中的少子——自由电子(负极也会源源不断地向P型半导体补充自由电子)，因为绝缘层(SiO2)的存在，导致电子被阻挡，从而只能积聚在两个N型半导体之间的那块P型区域中，随着电子积聚的越来越多，该区域自由电子反而成为了多子，这个时候，在外部大电场的作用下，漏极(D)和源极(S)各自对应的半导体的PN结逐渐消失，此时相当于两块N型半导体通过中间那块P型区域连在了一起，这样整个n沟道增强型绝缘栅型场效应管就导通了。Vgs就是导通压降,因为源极(S)与衬底(B)相连,所以Vgs就是Vgb,即想要形成沟道,栅极和衬底之间最低的电位差。

一般我们使用集成芯片驱动MOS管：低端驱动芯片：TC4420、TC4421、TC4422

输入与输出

如上图所示，电路的输入输出共分为6种，其中输出分为开漏输出(OD)，推挽输出(PP)，高阻态三种类型，输入分为浮空输入(FLOATING)，下拉输入(IPD)，上拉输入(IPU) 三种类型。

输出

推挽输出

如上图所示，推挽输出上下各有一个MOS管，分别为P沟道型和N沟道型(也可以是上下两个三极管，PNP型和NPN型)，这两个MOS管(或三极管)是串联在一起的，但是同一时间只能有一个管子导通，输出端就在这两个管子的中间，即上图的Vout，当上面管子导通，下面管子截止时(无论是MOS管还是三极管导通压降都非常小，因此这里选择忽略不计)，输出端输出Vcc(芯片的供电电压)，电流从芯片内部流出，这种情况就被称为推，当上面管子截止，下面管子导通时，输出端输出低电平，外部电流流入芯片，这种情况就被称为挽。

如何去控制是推还是挽，取决于输出控制端输出的电流大小。

推挽输出为什么不支持线与:

如上图所示，当两个推挽的MOS管均是推状态或者均是挽状态时，Vout输出正常，但是当两个推挽的MOS管是一个推状态，一个挽状态时，Vout就会被短路，这是不被允许的。

开漏输出

如上图所示，开漏输出内部就一个MOS管，当MOS管导通时，输出端Vout输出低电平，当MOS管截止时，因为Vout另一边也是接地，所以此时Vout仍然输出低电平，这意味着无论MOS管是否导通，Vout都输出低电平，这是不对的，因此我们对电路做了些改变。

如上图所示，外接一个上拉电阻，当MOS管截止时，Vout输出高电平，该电平的大小取决于外部电源，可以与芯片供电电压相等，也可以不等。

补充:

开集输出，就是将开漏输出的MOS管换成三极管，如下图所示:

开漏输出为什么支持线与:

如上图所示，只有两个开漏的MOS管均为截止状态时，Vout才会输出Vdd，否则Vout输出低电平。

高阻态

高阻态就是指芯片的输出既不是高电平，也不是低电平，而是一种阻值非常大的状态，相当于开路。

输入

如果输入引脚没有输入或者悬空，那么它一般就是高阻态，输入状态未知，因此为了让输入引脚在没有输入或悬空时，有确定的输入状态，就需要加上下拉电阻。

上下拉电阻越大，我们称为弱上拉或弱下拉，静态电流越小，上下拉电阻越小，我们称为强上拉或强下拉，静态电流越大。

上拉输入

输入引脚通过电阻接到电源正极，使该引脚在没有输入或悬空时，默认高电平输入。

如上图所示，芯片内部已经设置好了上拉，如果没有设置，就需要在外部自己来设置。

下拉输入

输入引脚通过电阻接地，使该引脚在没有输入或悬空时，默认低电平输入。

如上图所示，芯片内部已经设置好了下拉，如果没有设置，就需要在外部自己来设置。

电路分析

等效电路

在实际开发中，电路图往往会比较复杂和抽象，为了便于对该电路进行分析，我们常常会将复杂电路进行简化，替换成相对简单的电路，这个替换后的电路就被称为原电路的等效电路。

等效电路的规则如下:

1. 两个串联的电阻R1和R2，可以等效为一个电阻，阻值为R1+R2。

2. 两个并联的电阻R1和R2,可以等效为一个电阻，阻值为R1//R2。

R1//R2= R1* R2/(R1+R2)

3.两个并联的电容C1和C2，可以等效为一个电容，容抗为C1+C2。

4. 两个串联的电容C1和C2，可以等效为一个电容，容抗为C1//C2。

C1//C2= C1* C2/(C1+C2)

5.两个串联的电感L1和L2，可以等效为一个电感，感抗为L1+L2。

6. 两个并联的电感L1和L2，可以等效为一个电感，感抗为L1//L2

L1//L2= L1* L2/(L1+L2)

7. 电压源:输出恒定的电压，电流源:输出恒定的电流,如下图所示，两个电路是相互等效的:

判断两个电路是否等效，主要看以下两点:

• 当输出端什么都不接时，输出端的电压是多少。
• 从输出端向电路里面看去，其电路内部的电阻是多少。

如果两个电路以上的两点，均相等，则说明它们是等效的。

可以利用以上方法来确定指定电路的等效电路

上图中，左边的电路，在输出端什么都不接时，输出的电压是U，右边电路，其电流源与电阻R形成一个回路，电阻R下方接地，因此上方的电压就是整个电阻的分压，而输出端又是电阻上方一点的延伸，因此要想输出端电压为U，那么电阻R的分压就是U，整个回路中的电流就是I=U/R，而这个回路恰恰满足。

当我们在算电路的电阻时，电流源等效为断路，电压源等效为导线。

第一点满足后，我们再看第二点，左边电路，将电压源等效为导线后，整个电路的电阻就是R，右边电路，将电流源等效为断路后，整个电路的电阻也是R，因此第二点满足。

综上所述，两个电路是等效的。

8. 多个电压源串联，如果正极均在同一个方向，则等效为U=U1+U2+U3+……,若其中有正极在反方向的(设U2反向)，则等效为U=U1-U2+U3+……。
9. 多个电流源并联，如果电流方向相同，等效电流就累加，如果电流方向相反，等效电流就相减。

注意:多个不同电流源串联和多个不同电压源并联，这两种情况本身就不合理，这里不作讨论。

电路分析必须遵循的定理

• 戴维宁定理: 任何一个复杂的电路都可以等效为一个电压源和一个电阻器串联。
• 诺顿定理: 任何一个复杂的电路都可以等效为一个电流源和一个电阻器并联。
• 基尔霍夫定律:对于电路中的任意一个节点,流入节点的电流之和必等于流出该节点的电流之和。
• 以上三个定理都是用来帮助我们进行电路分析的,用于简化要分析的问题或者检查电路中可能出现的问题,电路等效必须要遵循以上三个定理。

直流通路与交流通路

所谓直流通路和交流通路，就是当电路中又有直流又有交流时(如上面的三极管放大电路)，将直流部分和交流部分分开，只看直流部分，就叫直流通路，只看交流部分，就叫交流通路。

直流通路的规则如下:

• 将电路中的交流电源等效为导线并接地，电容等效为断路,电感等效为短路。

交流通路的规则如下:

• 将电路中的直流电源等效为导线并接地，电容等效为一根导线，电感不动。

• 将电路中电位不变的点 等效为接地。

三极管共射极电路:

其对应的直流通路:

其对应的交流通路:

三极管的等效

受控电流源:流过自己的电流受控于别的地方的电流值或电压值。

三极管直流通路等效:

如上图所示，直流通路要将整个三极管分为输入和输出两个部分来考虑，输入部分，基极(B) 到发射极(E) 之间有一个压降，大约0.7v，即电压需大于0.7v，此处才能导通,因此这个部分，我们可以用一个反向的电源(电压0.7V)来等效，输出部分，集电极(C) 到发射极(E) 之间的电流为Ic=βIb，即流经其的电流Ic大小由Ib控制，因此这个部分，我们用一个受控电流源来等效。

如上图所示，右边就是一个受控电流源，电阻的作用是为了限制电流过大，二极管的作用是为了控制电流的方向，左边是一个0.7V的反向电压Uon，只有大于了0.7v，左边才会导通。

三极管交流通路等效:

当三极管传入交流信号时，三极管必须处于放大状态，那么这个时候在基极(B) 到发射极(E) 之间就是默认导通的，因此就不用再等效为反向电压，因为PN结本身就是半导体材料，有一定阻抗，所以将其等效为一个电阻Rbe，而右边部分，依旧等效为一个受控电流源。

如上图所示，这便是三极管交流通路等效，该等效只适用于放大电路输入为低频小信号的情况，其中，电阻Rbe≈Rbb+β* Ut/IcQ。

如上图所示，将三极管内部进行拆分，分为多个电阻，其中基极(B) 到发射极(E) 这部分被被分为了三个电阻，分别是Rbb,Rbb′,Re,电阻Rbb 为中间半导体材料本身自带的阻抗，Rbb′为基极(B) 到发射极(E) 之间的PN结的自带阻抗,Re为下部分半导体材料本身自带阻抗，因为发射极区的载流子非常多，从而使得Re阻值非常的小，小到可以忽略不计，因此Rbe≈Rbb+Rbb′，其中Rbb′=β* Ut/IcQ，Ut为固定值26mV,IcQ 为三极管直流通路放大状态时的静态工作的Ic电流，β为三极管放大的倍数。

常见基础电路

交流电的实现

日常生活中,我们家中插座的电流就是220V，50Hz的交流电。与直流电不同的是，交流电是没有正负极之分的，只有火线和零线之分。

如上图,零线相当于负极，永远都是0V,而火线就是交变电压，其上面的电压随时间以正弦波的形式变化，即电压一会儿为正，一会儿为负，每秒钟变化50次，也就是50赫兹。

整流电路

所谓整流电路，就是可以将交流电转换成直流电的电路。那么如何实现？咱们可以利用二极管的单向导电性来达到该目的。

如上图,当电池正接时,电流通过二极管D1和D4，点亮LED灯,当电池反接时,电流通过二极管D2和D3,点亮LED灯,也就是说无论电池正接还反接，电流都会流向LED的正极，并从LED负极流出。电池的正反接就相当于是交流电，这电路就将交流电转化成了直流电。下面我们整理简化一下该电路，就成了下面这个样子。

上图又叫整流桥电路，因为中间那个菱形部分像一个立交桥一样，一个专门用来调整电流方向的立交桥。

三极管开关电路(数字电路)

三极管开关电路就是利用三极管的截止状态和饱和状态(输出最大电流)来对用电器进行逻辑1或0的开关状态控制。

如上图所示，当集电极(C) 断开时，基极(B) 的微小电流(控制电流)就会进入主电路，从而微弱地点亮LED，这就叫漏电，这是错误的，为了避免这种现象，我们通常将电路中的用电器放在集电极(C) 端，这样即使集电极(C) 端断开，也不会漏电。

对于PNP型半导体是同样的道理，为了防止漏电,必须将用电器放在集电极(C) 端。

开关电路:

所谓关状态，就是将基极电流断开，开状态，就是将基极的控制电流接入，该控制电流必须是最大的控制电流，以此保证三极管处于饱和状态，如何得到最大控制电流? 通常是接一个4.7千欧的电阻。

一般我们会在开关电路中添加各种触发元器件:

按键控制:

干簧管控制(磁控开关电路):

按键延时控制:

光敏夜灯电路(光敏电阻光照越强，阻值越小):

热敏电阻电路和电位器电路:

以热敏电阻电路为例,温度升高,热敏电阻阻值降低，LED灯亮，温度降低,热敏电阻升高,LED灯熄灭。

三极管放大电路(模拟电路)

三极管放大电路就是利用三极管放大状态(电流随基极控制电流变化而变化) 来将信号放大，比如对麦克风等传感器进行线性波形的模拟放大。

如上图所示,将微小电流接入三极管A的基极(B) 中,从而得到大电流，将得到的大电流接入新的三极管B的基极(B) 中,得到了更大的电流,这就是三极管的放大作用，三极管的不断嵌套从而不断地放大电流，这种电路就叫三极管放大电路。

当放大倍数(灵敏度) 过大时，即使没有微小电流，电路中的LED依旧被点亮。

如上图所示，如果无微小电流，10千欧的电阻会保证LED熄灭，因为人体中有微弱的生物电流，所以该电路的微小电流部分，我们可以用手指触摸来替代，这就是电笔的工作原理。

数字信号放大

所谓数字信号，其只有两个水平波形(两种状态)，没有其他波形。

两种状态，一上一下，分别代表逻辑1和0，这就是数字信号。

如上文的微电流感应电路，其中的微小电流只有两种状态:有电流或无电流,相当于逻辑1或0,因此从本质上讲，微小电流就是数字信号，微电流感应电路就是 对数字信号的放大。

三极管对数字信号的放大很简单，就是设置一个阈值，当电流大于这个阈值，就是逻辑1，LED点亮，当电流小于这个阈值时，就是逻辑0，LED熄灭。我们可以通过调整三极管电路的放大倍数(灵敏度)，来调整阈值的大小。

如上图所示，当电路对数字信号进行放大时，只会放大高于阈值的部分，而低于阈值部分则保持不变。

模拟信号放大

相对于数字信号放大，模拟信号的放大往往更加复杂，其具有多种波形，这里以正弦波为例，我们对它的放大，就是要保证它的波形不变，振幅增大。

一般常见的放大内容就是音频，而音频可以简化地理解为正弦波。

在三极管的截止状态与饱和状态之间，存在着第三种状态——放大状态(电流随基极控制电流变化而变化)

如上图所示，此时三极管已经处于了放大状态(LED微弱的点亮)，这个时候，再在基极(B) 传入正弦波，这就使得三极管的电流最终呈现出放大后的正弦波形式。

放大电路的分类

共发射极放大电路(CE)

所谓 共发射极放大电路 就是指整个电路输入输出共用一个发射极(E)。

如上图所示，左边部分为输入，向三极管基极(B) 输入电流，与发射极(E) 一起构成一个输入回路，而右边部分与发射极(E) 构成了输出回路，输出放大后的电压和电流(输出引脚为"+")

注意:上图中的右边，是一个直流电源+交流电源，如果交流电源输出的是-0.2V~+0.2V的正弦波电压，加上2V直流电源，最后就形成了2.2V~1.8V的正弦波电压，在这个过程中，相当于电压波形向上方平移了2个单位，这就是直流电源的作用，即上下平移交流电波形。

输入的电压波形与输出的电压波形相反? 如上图所示，在输出引脚上方还有个电阻Rc，当电流Ic增大时，Rc上分得的电压也会增大，而Vcc又是一个输出固定电压的直流电源，所以，Rc上电压越大，输出电压越小，即Vout=Vcc-Vrc。

在实际的生活中，出于成本的考虑，不可能输入输出各弄一个电压，一般都是共用输出的直流电源，如下图所示:

通过Vcc和电阻Rb2来调节基极输入的直流电，这个直流电使得三极管始终处于放大状态，所有要放大的交流电(u1) 都要叠加上这个直流电才能进行，即使没有交流电，该放大电路依然在工作，即放大输入的直流电，这个直流电电压具体的值就叫该电路的静态工作点，静态工作点的设置又叫偏置，工作点对应产生的电流叫偏置电流。

共射极放大电路的两种耦合方式:

耦合:将信号传入某个电路当中

上图中，电阻Rb1的作用是为了防止 交流电为0V时，三极管被短路(当交流电为0v时，如果没有电阻Rb1，那么u1上下电位就相等了，上面相当于直接接地，此时，直流电不会流向基极(B)，从而导致三极管直接截止，使得最后放大出来的波形在0V和0V附近失真)，这也被叫作是电阻的直接耦合。

如上图所示，可以将电阻Rb1替换成一个电容C1，电容通直流，阻交流，即使u1为0V,直流电也过不去，这就被叫作电容的阻容耦合。

上图输出的地方也加了个电容C2，它是为了过滤掉放大后的偏置电流，只输出放大后的交流电。

共集电极放大电路(CC)

所谓 共集电极放大电路 就是指整个电路输入输出共用一个集电极(C)。

如上图所示，输入电压为Ui，输出电压为U0,输入级为基极(B),输出级为发射极(E),因此整个电路输入输出共用一个集电极(C)。

共集电极放大电路的特点:

共集电极放大电路的特点为:输入电阻很大，输出电阻很小。输入电阻大，就可以尽可能的将要放大的电压都采集进来，输出电阻小，就可以将放大后的电流尽可能的输出，而不会被放大电路本身给消耗，因此，可以说共集电极放大电路放大的不是电压，而是电流，因为该电路电压放大倍数β≈1，电压基本无变化，所以又被叫作 射极跟随器 (因为发射极为输出级)或 电压跟随器(跟随输入端电压去输出)。

共集电极放大电路的用途:

共射极放大电路 的放大倍数β受到 输入信号源的内阻和 输出负载的影响，随它们变化而变化，如果想要放大倍数β稳定，这个时候就需要共集电极放大电路，其一般用来做阻抗匹配，与共射极放大电路配合使用，放在输入信号源和输出负载与共射极放大电路之间，将共射极放大电路隔开，从而消除输入信号源的内阻和 输出负载对其放大倍数β的影响，保证放大倍数的稳定。

共基极放大电路(CB)

所谓 共基极放大电路 就是指整个电路输入输出共用一个基极(B)。

如上图所示，输入电压为Ui，输出电压为U0，整个电路输入输出共用一个基极(B)。

三种放大电路的区别

频带:信号频率波动的范围。

1. 共发射极放大电路:既能放大电流，也能放大电压(主要放大电压，电流只能放大一点点)，输入电阻的大小在三种电路中居中，输出电阻较大，频带较窄，常作为低频电压放大电路的单元电路。
2. 共集电极放大电路:只能放大电流，不能放大电压，输入电阻的大小在三种电路中最大，输出电阻最小，并且具有电压跟随的特点，常用于电压放大电路的输入输出级，在功率放大的电路中也常采用射极输出的形式。
3. 共基极放大电路:只能放大电压，不能放大电流，输入电阻小，电压放大倍数，输出电阻与共射极放大电路一致，并且具有电流跟随的特点，是三种电路中高频特性最好的电路，常作为宽频带放大电路。

平时一般就用共发射极放大电路，如果输入信号的频率特别低或者特别高，就采用共基极放大电路，毕竟它的频带宽，能覆盖到对应的信号频率。

负反馈电阻和旁路

在三极管共射极放大电路中，如果在发射极上添加一个电阻，那么这个电阻就叫负反馈电阻，如下图所示:

电阻Re在发射极上面，流经其的电流是Ic，设电阻Rb2与Rb1之间的点为B点，B点的电压与电阻Re的电压的差至少要大于0.7v(这是PN结导通的最小电压),且PN结本身是有电阻性的，因此这里可以将其等效的看作是一个电阻。

因为电流 Ic=βIb，当外部环境因素发生改变时，三极管的放大倍数β也跟着发生改变，从而导致Ic发生改变，假设β增大，那么Ic就增大，因为电阻Re一端接地，另一端电压就会随着Ic增大而增大，但是B点的电压未变，这就导致B点与电阻Re之间的压差减小，即PN结分得的电压减小，PN结阻值不变，流经其的电流Ib减小，Ib减小，Ic也会跟着减小，简单一句话就是 因为Ic增大，所以Ic减小，β减小是同样的原理,这里就不赘述了。造成以上现象的原因就是因为电阻Re的存在，这也就是它为什么要被叫作负反馈电阻，其主要的目的是为了保证放大后的输出稳定。

在电阻Re旁边并联一个电容Ce，此时这个电容对于交流电来说就叫旁路(提供了另一条路)，如下图所示：

电阻Re对于直流电和交流电均有阻碍作用，为了防止放大后电压被电阻Re损耗，所以才会设置电容旁路，电容通交流阻直流，交流电就不会在流经电阻Re，也就不会再被损耗。

放大信号的失真

电压在经过放大后，由于电路的性能和环境的干扰，导致波形发生了变化，缺失了一部分，那么这就叫失真。在实际开发中，100% 不失真是不存在的，因此我们实际上会允许波形存在部分失真。

除了环境和电路性能的影响外，静态工作点设置的不合理也会导致失真，其可以分为截止失真和饱和失真两种情况。

截止失真:

当静态工作点设置太低，导致交流电叠加后的电压进入了三极管的截止区，即电压<0.7V,放大后的波形，其中顶部被削平了，如下图所示:

因为输入电压与输出电压波形相反(原因见上文)，所以，当输入电压波形逐渐下降，进入截止区时，输出电压的波形正处于上升阶段，因此，截止失真是顶部削平。

饱和失真:

当静态工作点设置太高，导致交流电叠加后的电压进入了三极管的饱和区，即三极管彻底导通,放大后的波形，其中底部被削平了，如下图所示:

同样地，因为输入电压与输出电压波形相反，所以，当输入电压波形逐渐上升，进入饱和区时，输出电压的波形正处于下降阶段，因此，饱和失真是底部削平。

当输入的交流电信号太强，如正弦波的振幅太大，叠加直流电后，上面部分进入三极管截止区，下面部分进入三极管饱和区，这样就导致放大后的电压上下均失真。

三极管音频放大电路

如上图所示，1兆欧电阻的作用就是让三极管始终处于放大状态，10千欧电阻的作用就是利用分流原理，为麦克风供电，电容的作用就是阻止为麦克风供电的直流电影响三极管的放大状态。

当有声音经过麦克风时，麦克风的阻值就会发生变化，从而产生类似正弦波形式的交流电，因为电容阻直流，通交流，所以该正弦交流电能够正常地到达基极(B)，得到三极管的放大。

多级放大电路

耦合:将信号传入某个电路当中

多级放大电路就是将多个三极管嵌套在一起，实现逐级放大的效果。

多个三极管之间可以选择直接耦合(即三极管之间直接连在一起)，阻容耦合(即三极管之间通过电容相连)，变压器耦合(即三极管之间通过变压器相连)，光电耦合(即三极管之间通过发光源和光敏电阻相连)。

如上图，从右往左分别为三极管1和三极管2，三极管2，由于1兆欧电阻原因，可以始终处于放大状态，而放大后的电流就接入到了三极管1的基极(B) 中(因为串联电流相等，所以线接到三极管上面，还是下面都一样)，由于10千欧的电阻，所以使三极管1也始终处于放大状态，三极管2放大后的电流由三极管1再次放大，最终流向LED。

在上面的基础上，我们对音频放大电路进行升级:

如上图所示，10千欧电阻限流，防止电流过大，当有声音时，LED变亮。电容被交流电充电，当声音消失时，电容开始给三极管1放电，LED随时间逐渐变暗。

当电容放电时，为了防止电流倒流进三极管2中，我们会做以下改进:

放大电路的反馈

在电路中，将输出量(电流或者电压)的一部分或全部引回输入端，再次作为输入进入放大电路，再次放大，这就叫做反馈。

如上图所示，输入量进入基本放大电路后，输出量的一部分会通过反馈网络回到输入端，与输入量合在一起，形成净输入量，再次进入基本放大电路。

反馈分为正反馈和负反馈两种类型，正反馈就是随着反馈量越多，净输入量越大，输出量越大。负反馈就是通过反馈网络输出反相的信号去抑制净输入量的变化，使得其稳定，从而使得输出量稳定。

负反馈

在实际生活中，我们用的更多的是负反馈，通过负反馈来控制输出的稳定，尽可能地防止其失真，而负反馈又被分为直流反馈(反馈量中只有直流)和交流反馈(反馈量中只有交流)。

电路中是否引入了反馈?，主要是看反馈网络的输出量能否影响基本放大电路的输入。

反馈极性的判断(是正反馈还是负反馈)? 假设输入端电压上升，看通过反馈网络反馈回来的反馈量，是正还是负(先有输入量变化，才会有反馈量发生变化，两者不同步，判断是在输入端已经发生变化的基础上进行的)，正就表示是正反馈，负就表示是负反馈，净输入量增加，就是正反馈，净输入量减小，就是负反馈。

运放电路的净输入量为 同相输入端和反相输入端的差值。

负反馈放大电路的四种基本组态:

1. 电压反馈:即从输出端取部分电压进入反馈网络。

2. 电流反馈:即从输出端取部分电流进入反馈网络。

如何判断是电流反馈还是电压反馈? 将输出端短路(输出端有正负极就用导线连接起来，如果只有一个引脚，就接地)，此时如果电路没有反馈了，则表示这是电压反馈，否则这是电流反馈。

3. 并联反馈:即反馈回来的反馈量与输入量是并联关系。
4. 串联反馈:即反馈回来的反馈量与输入量是串联关系。

如何判断是并联反馈还是串联反馈? 主要是看电路图，如果从反馈网络引出来的导线与信号源输入到基本放大电路的地方不在同一个点，那么这就是串联反馈，否则是并联反馈。

负反馈放大电路的相关参数:

如上图所示，Xi为输入量,Xiˊ为净输入量,Xo为输出量,Xf为反馈量,所以就有Xiˊ=Xi-Xf，只看基本放大电路而不管反馈网络部分，其对应的放大倍数A=Xo/Xiˊ,该放大倍数也被称为开环增益或开环放大倍数，反馈量占输出量的比重被称为反馈系数，即F=Xf/Xo,整个负反馈电路对应的反馈放大倍数 Af=Xo/Xi,其也被称为闭环增益或闭环放大倍数，环路放大倍数就是基本放大电路的放大倍数乘上反馈系数，即AF=Xf/Xiˊ。

由上面的这些公式可知，在负反馈中，Xiˊ=Xi-Xf，所以有Af=Xo/Xi=(Xiˊ x A)/(Xiˊ+Xf)=A/(1+AF)，A一般是非常大的，F通常小于1，因此，AF略小于A，远大于1，此时就叫深度负反馈，Af=A/(1+AF)≈A/AF=1/F = Xo/Xf。

由上面可得，在深度负反馈中，Af=Xo/Xi≈Xo/Xf，即Xi≈Xf，输入量约等于反馈量，因为此时Xiˊ=Xi-Xf，所以Xiˊ≈0，即净输入量为0。

以上闭环增益Af≈1/F为理想状态下的值,在实际生活中，我们要考虑电源内阻Rs和负载Rl对闭环增益Af的影响:

1. 电压串联: F=Uf/Uo,Af≈1/F,电压串联,说明输出端取的是部分电压，即输出端输出的是电压Uo,又因为是串联，所以想要与输入量进行叠加,反馈量只能是电压Uf。

2. 电压并联: F=If/Uo,Af≈(1/F)x(1/Rs),电压并联,说明输出端取的是部分电压，即输出端输出的是电压Uo,又因为是并联，所以想要与输入量进行叠加,反馈量只能是电流If。

3. 电流串联: F=Uf/Io,Af≈(1/F)xRl,电流串联,说明输出端取的是部分电流，即输出端输出的是电流Io,又因为是串联，所以想要与输入量进行叠加,反馈量只能是电压Uf。

4. 电流并联: F=If/Io,Af≈(1/F)x(Rl/Rs),电流并联,说明输出端取的是部分电流，即输出端输出的是电流Io,又因为是并联，所以想要与输入量进行叠加,反馈量只能是电流If。

5. 关于上面4种Af的解释如下:

   假设反馈网络反馈回来的是电流If,并与输入量叠加，则说明输入量也是电流，此时输入电流Ii=If，而输入电流的大小会受到电源内阻Rs(输入端的电阻)的影响，所以If也会受到电源内阻Rs的影响，因此在If后面要乘上Rs，同样地，如果输出端输出的是电流Io，其也要受到输出端的输出负载Rl的影响,所以在Io后面要乘上Rl，如果反馈量是电压Uf或输出的是电压Uo，则它们不会受到各自电阻的影响，因此不需要乘上各自对应的电阻。

集成运算放大电路

运算放大器的画法:

运放电路的净输入量为 同相输入端和反相输入端的差值。

运算放大电路的内部结构:

如上图所示，运放电路的内部结构可以分为4个部分:输入级，偏置电路，中间级，输出级。

1. 偏置电路:为每一级提供稳定的工作电流，让它们能够正常稳定的工作。
2. 输入级: 一般采用差分放大电路(见下文)。
3. 中间级: 采用三极管多级放大电路或者复合管放大电路(三极管+MOS管)。
4. 输出级:一般采用推挽输出。

差分放大电路

零点漂移: 普通的三极管放大电路中，由于半导体材料受到温度的影响，导致其对应的放大倍数β，跟着发生改变。

三极管发生零点漂移，使得电路中原本已经设置好的电阻，电流都不再匹配，输出电压发生变化，需要重新设置，这就很不方便。

为了解决上述零点漂移的问题，就需要引出差分放大电路，该电路的思想是 用两个参数相同的三极管，分别测量它们各自的输出电压，这两个电压会随着零点漂移而发生改变，因为两个三极管完全相同，因此在同一个环境下，它们的变化也是完全相同的，这也意味着，两个三极管输出电压之差是不会改变的，而这个输出电压之差，就是差分放大电路的最终输出。

如上图所示，这是一个经典的 差分放大电路，其中，ui1与ui2为输入，u0为输出，我们也可以将三极管下面的电阻Re1与Re2合在一起，形成长尾式差分放大电路，如下图所示:

共模信号:大小相等、极性（相位）相同的一对信号。

差模信号:大小相等、极性（相位）相反的一对信号。

如上图所示，Vcc与-Vee是电源提供的，稳定不变，当Ui1与Ui2输入一对共模信号时，共模信号增大，从而使Ic1与Ic2同步增大，流经电阻Re的电流增大，电阻Re分得的电压增多，因为-Vee是不变的，所以Re上方的电压增大，因此 两端的输入信号与该点的压差就会减小，Ib1与Ib2跟着减小，从而Ic1与Ic2减小，总的来说，电阻Re就是一个负反馈电阻。

以上就说明，差分放大电路对于共模信号有抑制作用。

理想情况下，Ac= △Uoc/△Uic趋近于0，其中，Ac为共模放大倍数，△Uoc为两边输入是共模信号时，差分放大电路的两边输出电压之差，△Uic为两边共模信号的输入量(信号相加)。

当Ui1与Ui2输入一对差模信号(大小相等，相位相反)时，比如Ui1>Ui2,这个时候，Ic1>Ic2,在电阻Re上方,I=Ic1+Ic2，当两个差模信号发生变化时(两个信号一个增大一个减小)，它们变化的绝对值相等，方向相反，即△Ui1=-△Ui2，△Ic1=-△Ic2，这也就意味着电阻Re上方的电流是不会改变的，电阻Re分得的电压是不会发生改变的。

以上就说明，差分放大电路对于差模信号没有抑制作用。

Ad= △Uod/△Uid,其中，Ad为差模放大倍数，△Uod为两边输入是差模信号时，差分放大电路的两边输出电压之差，△Uid为两边差模信号的输入量(信号相加)。

共模抑制比 :

共模抑制比就是指电路对共模信号的抑制能力，抑制比越大，抑制能力越强，其计算公式为:Kcmr = |Ad/Ac| ,当Kcmr-> ∞时，对共模信号的抑制也是无穷的，即没有共模信号的输出，只有差模信号的输出。

差分放大电路的四种接法:

1. 双端输入，双端输出:

如上图所示,差分放大电路的两个输入端接入了一个交流电源，两个输出端接入了一个电阻Rl，同时，可以将4V的交流电源分为两个2V的交流电源(便于后面的交流通路分析),如下图所示:

将两个2v交流电源之间设置为0V接地(整体来看，依然是4V),那么，Ui1就是 +2V,Ui2就是 -2V,最后输出也是一正一负，因此在电阻Rl中，一定有个点的电位为0v，将它设出来，同时E点电位不变，也可以将其设置为0v,最后将该差分放大电路转换成对应的交流通路(该概念见下文)，如下图所示:

通过以上交流通路，可以计算出对应的共模抑制比Ad，输入电阻Ri，输出电阻Ro，分别为: Ad=△Uod/△Uid=(2βx△Ibx(Rc//Rl))/(2△Ibx(Rb+rbe)),Ri=2x(Rb+rbe),Ro=2Rc (输出电阻不考虑外部负载Rl)。

2. 双端输入，单端输出:

如上图所示,差分放大电路的两个输入端接入了一个交流电源，只有一个输出端，接入一个电阻Rl，另一端接地，电路其余部分不变动，和上面的规则相同，最后得到该电路的交流通路，如下:

根据上图，同样地可以可以计算出对应的共模抑制比Ad，输入电阻Ri，输出电阻Ro，这里就不再赘述了。

在实际生活中，差分放大电路一般采用双端输入，单端输出，这样做，虽然会让整体电路的共模抑制比减小，但是在该种接法下，当三极管发生故障截止时，流经电阻Rl的电流相对不会太大，能够很好地保护电阻Rl，防止其被烧毁。

3. 单端输入，双端输出:

如上图所示,差分放大电路的一个输入端接入了一个交流电源，另一个输入端接地，两个输出端接了一个电阻。由于该接法的特点，我们可以将电路等效为如下:

交流电源Ui拆分为两个Ui/2的小交流电源，另外一个输出端也是两个Ui/2的小交流电源，只不过一正一负，相互抵消，整体为0V。图中上面一对信号，大小相同，极性相同，是一对共模信号，值为Ui/2,下面一对信号，大小相同，极性相反，是一对差模信号，值为Ui/2,因此，该电路输入时，既有差模信号又有共模信号,在分析电路时，将二者分开来看，分别按照 双端输入双端输出 来计算对应的参数。

4. 单端输入，单端输出:

该种接法，就是一个输入端接入交流电源，其对应的输出端接入电阻，电阻另一边接地，另一个输入端接地，其没有对应的输出端，这种接法导致输入端接地的那个三极管始终处于截止状态，这样在分析电路时，其输入我们按照单端输入的方式进行分析，其输出我们按照单端输出的方式分析。

差分放大电路的改进:

电阻Re作为 差分放大电路的 负反馈电阻，其阻值越大，越能抑制共模信号，但是 如果阻值过大，又会分走大量电压，导致三极管分得的电压无法导通，因此我们为了解决这个问题，对电路做了如下改进:

如上图所示，负反馈电阻的位置被替换为了一个独立电流源，其好处是电流源内阻无限大，且输出电流大小稳定，不受外部电压影响，这就保证了整个电路能够很好的抑制共模信号，同时，两个三极管的电流Ic1与Ic2之和稳定，对应的电压之和稳定，我们在独立电流源上方加了一个可调电阻Rw，用来调节两个三极管各自流下了的电流。

直接耦合互补输出级放大电路

耦合:将信号传入某个电路当中

互补输出指的是一对输出信号，这两个信号总是处于相反的逻辑状态

如上图所示，上下共有两个三极管，分别是NPN型和PNP型，它们各自集电极(C) 上的电压大小对称相等，分别为+Vcc和-Vcc,如果ui输入一个正弦波信号，那么该信号的上半部分由上面的三极管放大，下半部分由下面的三极管放大。

以上电路当ui的电压在-0.7V~+0.7V时，上下三极管均截止，此时无法再放大输入信号ui，因此输出信号就会出现失真，这就叫交越失真，如下图所示:

为了避免交越失真，可以对电路进行如下改进:

如上图所示,+Vcc与-Vcc相互配合，为各自的基极(B) 提供直流电，使三极管始终处于放大状态。

当输入信号处于上半周时，信号增大，两个二极管中间的点的电位升高，从而上方的点电位升高，上方基极(B) 分得的电压增多，当输入信号处于下半周时，下方的三极管会出现同样的现象，通过这种方式，使得上下三极管的 基极(B)电压变化与输入信号一致，从而最终实现放大输入信号。

在实际生活中，我们很难找到与三极管导通压降相匹配的二极管，因此，我们用以下电路来替代两个二极管的作用:

如上图所示，该电路通过电阻R3和R4来调节IB电流，使得b1与b2之间的电压范围能够被控制，这个电路就叫Ube倍增电路，用该电路来替代原来电路中的二极管，平衡上下两个三极管，如下图所示:

镜像电流源

镜像电流源又叫电流镜，它可以保证两端输出的电流一致，其常常作为恒流电源来使用，即该电源流出的电流大小是恒定的，不会随着电路上负载的变化而变化。如上图所示，左边叫作源像，右边叫作镜像，两边的三极管均是NPN型三极管，且各种参数完全相同，在源像上方接一个Vcc电源，电源的电流会有一部分流向源像三极管的基极(B)，还会有一部分流向镜像三极管的基极(B)，因为两个三极管的参数相同，所以它们各自基极(B) 电流相同，从而使它们最终放大的电流相同，即源像跟镜像最终输出的电流相同。

将镜像的输出作为输出端，这样就得到了一个恒流电源，该电源输出的电流大小，只跟源像上的Vcc电源有关，与电路上其他负载无关。

上述的 镜像电流源是最基础的款式，在此基础上会有各种各样的延伸和拓展，但是最终，它们各自实现的原理都是大同小异的。

运放中的虚短和虚断

如上图所示,在集成运算放大电路(运放电路)中,有一个同相输入端和一个反相输入端,以及一个输出端，所谓同相与反相都是相对于输出信号而言的，与输出信号方向相同，被称为同相，反之，被称为反相。整个运算放大器配合负反馈网络可以看作是一个巨大的负反馈电路,这就是运放电路,同相输入端与反相输入端的差就是净输入量,而这个净输入量与输出端的关系就如下图所示:

上图中,纵坐标为输出电压Uout,横坐标为同相与反相的电压差(Up-Un),由此可见，只要差值稍稍过大,整个运放电路的输出就会进入饱和区,因此我们需要负反馈来时刻控制,保证差值始终在线性区域内,如下图所示:

运放电路在工作时，整体会处于深度负反馈,这时净输入量约等于0,即Up≈Un,这个差值我们可以忽略不计,同相输入端的电压与反相输入端的电压近乎相等,好像有人拿一根导线将两个输入端连接起来,从而使它们短路了一样,这就叫虚短,即Up=Un。

无论是同相输入端还是反相输入端,理想情况下,它们都是没有电流流入和流出的,因为运放的输入是一个差分放大电路,为了达到理想的共模抑制比,该电路一定会有恒定电流源，而恒定电流源的内阻无穷大，也就意味着运放的输入内阻无穷大，所以其几乎不会有电流流进流出,好像断开了一样,这就叫虚断。

综上所述,在运放电路中,虚短意味着Up=Un,虚断意味着运放电路没有电流流入流出,也就是说输入电流Ii=反馈电流If,这两个概念能够让我们更方便地分析整个运放电路,计算闭环放大倍数Af。

运放中的运算

运算放大器为什么叫"运算"?这是因为该电路能够利用自身的特性和其他外围电路对输入的电压信号进行各种各样的运算处理。

如上图所示,当Up-Un的值稍稍大点或稍稍小点,运放的输出就会进入正负饱和区,中间线性区的范围十分狭窄,且其斜率等于运放电路的开环增益。

当我们使用运算放大器做运算时，只需要使用线性区,饱和区是供比较器使用的。

运算放大器可做的运算有 比例运算(放缩),加减运算,积分运算,微分运算,对数运算,指数运算…………

比例运算(放缩)

比例运算是运算放大器的一个基本功能,它就是将输入信号进行放大和缩小，然后进行输出,其中又进一步细分为反相比例运算电路和反相比例运算电路。

反相比例运算电路:

如上图所示,反相比例运算电路就是将运算器的反相输入端作为输入。

正相比例运算电路:

如上图所示,同相比例运算电路就是将运算器的同相输入端作为输入。

求和与加减运算

求和运算:

与比例运算类似,求和运算电路也有同相求和运算和反相求和运算两种情况,其本质就是在同一个输入端输入几个信号,通过电阻隔离开,然后经过运放的特性进行反馈放大,从输出端进行输出,如下图所示:

叠加定理:当电路中有多个输入时,它们各自对输出的影响是相对独立的,因此可以将它们一一拆开,进行单独的分析,最后将所有输入对输出的影响叠加(相加)在一起，就是它们对输出的共同影响。

加减运算:

加减运算电路就是运算放大器同相输入端和反相输入端均有输入，最终输入就是两个输入端的电压之差,如下图所示:

在分析上面的电路时,可以将同相输入端与反相输入端的情况拆开,分别进行单独的分析，最后再将它们叠加起来,就是最后的结果,其中在进行反相输入相关的分析时,可以考虑运放的虚短和虚断，在进行同相相关输入的分析时,可以考虑基尔霍夫定律结合运算放大器的一些特性来辅助分析。

微积分运算

积分运算:

如上图所示,在积分运算电路中,其反馈网络是由电容构成，这与前面由电阻构成的反馈网络有所不同。设电容的电压为Uc,由于运放的虚短和虚断，则有Up=Un,Ir=Ic,因为Up=0V,所以Un=0V,又因为刚开始Ic在给电容充电,所以电容的两块极板是左正右负,其中输出电压Uo一定是大于0的,因此就有Uc=-Uo。

电容的电压Uc是由两端极板之间的电荷量浓度差所形成的,电荷量q=I * t,q=C* Uc,因为在上面的电路中,输入电压Ui是不断变化的,所以电流Ir=Ic也是不断变化的,因此电荷量q的计算就要涉及到高等数学中的积分,如下图所示:

如上图所示,C为电容,Uo=-Uc=-1/C * ∫Ic* dt=-1/C * ∫(Ui/R)* dt=-1/RC * ∫Ui* dt,这就是输入电压Ui与输出电压Uo之间的关系。 在实际使用中,为了防止电流Ic过大,把电容很快充满，从而使反馈网络断掉,通常我们会在电容旁边并联一个阻值很大的电容Rf,以此来保证即使电容充满,反馈网络依然存在。

方波信号转变成三角波信号:

利用积分运算电路可以将方波信号转变成三角波信号,如下图所示:

因为在积分运算电路中,Uo=-1/RC * ∫Ui* dt,所以当输入是一个稳定的阶跃信号时,输出会逐渐增大(因为Uo就等于上面的面积S),直到进入饱和区。

进一步可知,当输入一个稳定的方波信号时,输出是一个三角波信号,如下图所示:

由图中可得,改变输入方波的占空比,从而可以影响输出三角波的倾角,甚至变成锯齿波(红色波形的峰值不等于黑色波形的峰值)。

占空比: 高电平占整个信号周期的比例。

理想情况下,因为输入电压不变,所以三角波的幅值也不会改变,为了适应方波占空比的变化,电路会自我调整波形的斜率。

将输出的三角波再次作为输入,传入积分运算电路中,最后得到的将是一个正弦波,将正弦波再次传入,将得到余弦波。

微分运算:

如上图所示,在微分运算电路中,反馈网络是由电阻构成,但是其输入端却接入了一个电容,设电容的电压为Uc,由于运放的虚短和虚断，则有Up=Un,Ir=Ic,因为Up=0,所以Un=0,又因为Ui直接向电容充电,所以Ui=Uc,Uo=-Ir* R,由电荷量的积分形式可知:Ui=1/C * ∫Ic* dt,所以,Ui=1/C * ∫Ic* dt=-1/RC * ∫Uo* dt,Uo=-RC*(dui/dt)。

Uo=-RC*(dui/dt),其中-RC为固定值,dui/dt为斜率,在实际生活中,方波是不会瞬间就从0到高电平的,它实际上是有一个到高电平的过程,这个过程的波形就是一根斜线,该斜线的斜率就是dui/dt,在高电平时,波形为水平直线,斜率为0,但是由于电容的存在,输出不会瞬间变为0,而是会逐渐降低,最终输出就形成了上图中的第二个波形。

三角波信号转变成方波信号:

将三角波信号作为输入,传入微分运算电路,将会输出方波信号,三角波的斜率持续稳定,经过微分后,转变成方波的高低电平。

模拟乘法器

如上图所示,这是一个乘法器,输入为Ux和Uy,输出为Uo,Uo=K * Ux * Uy,其中K为乘积系数,又叫乘积增益,其值为+0.1V或-0.1V。

乘法器内部实现较复杂,这里因为篇幅的原因,就不再细说。

除法运算

如上图所示,除法器就是在反馈网络中添加乘法器,通过运放的虚短和虚断和乘法器的特性对该电路进行分析，最终得到Uo=-R2/(K* R1)* (u11* /u12),其中u11就是输入电压。

综上所述,电路输入输出之间的关系是一个加法形式，那么该电路就是加法运算电路,积分形式,该电路就是积分运算电路,以此类推,这里就不再叙述了。

滤波电路

在实际生活中,一个信号可能是由很多不同频率的正弦波叠加起来的,滤波电路就是将信号中我们不需要的波形给去掉,这种不需要的波形又被叫作噪声。

滤波电路分为以下四种类型:

• 低通滤波:给定一个频率,低于这个频率的信号正常通过,高于这个频率的信号被过滤掉。
• 高通滤波:给定一个频率,高于这个频率的信号正常通过,低于这个频率的信号被过滤掉。
• 带通滤波:给定两个不同的频率,在这两个频率之间的信号正常通过,其余频率信号被过滤。
• 带阻滤波:给定两个不同的频率,在这两个频率之间的信号被过滤,其余频率信号正常通过。

所谓无源滤波电路,就是使用一个电阻或电容来构成电路,没有反馈网络。

有源滤波电路就是在电路中加上了运放以及反馈网络,能够实时的去调整它这个滤波的效果。

如上图所示,这是一个简单的无源低通滤波电路,输入电压为Ui,输出电压为Uo,其中Uo也是电容分得的电压,电容中存在容抗,容抗与电压的频率有关,频率越高,电容容抗越低,分得的电压越少,输出电压Uo就越小,反之输出电压Uo越大,因此,当低频信号通过该电路时,大部分电压能正常输出(电路中电阻还有分走部分电压),而高频信号通过该电路时,只有少部分电压能够正常输出,当某一个频率的信号通过该电路时,几乎没有信号输出,那么该频率就叫截止频率。

无源高通滤波电路就是将上面电路中的电阻两边的电压进行输出。

如上图所示,在无源低通滤波电路的输出端接入一个运放电路,就形成了有源低通滤波电路。

电压跟随器: 输入输出的电压基本不变,即电路放大倍数β≈1,其主要作用如下:

1. 保持电压稳定
2. 隔离滤波电路

上图中的运放电路就是一个典型的电压跟随器,运放电路的特点是 输入电阻很大,输出电阻很小,输入电阻很大,与电容并联,基本不会改变电容上的分压,输出电阻很小,保证输出的电流足够大,能够带动后面的负载。

电压比较器电路

电压比较器的基础知识

电压比较器的电路符号和运算放大器的电路符号一模一样,以下是电压比较器的电压传输特性:

如上图所示,Up为同相输入端的输入电压,Un为反相输入端的输入电压,Uoh为输出电压的高值(比电源电压略低),Uol为输出电压的低值(比电源电压略高),Ut为跳变的阈值(这里Ut=0),当Up-Uo>Ut时,输出电压为高值,当Up-Uo<Ut时,输出电压为低值。

比较器使用规则(Ut=0):

1. 输入端+ 电压>输入端- 电压，则输出端输出高值(比电源正极电压略低)。
2. 输入端+ 电压<输入端- 电压，则输出端输出低值(比电源负极电压略高)。
3. 输入端+ 电压=输入端- 电压，则输出端保持原来的输出。

相等电压状态在现实中极不稳定，应避免两输入电压相等的情况。

比较器电路原理图画法:

通常，我们会把电源正负极给省略，得到更加简化的版本:

电压比较器与运算放大器的区别?

1. 在电压传输特性曲线中,运算放大器工作于线性区,而电压比较器工作于非线性区。

2. 运算放大器在电路中需要外接负反馈,来保证其始终工作在线性区。

3. 电压比较器不需要外接反馈网络或者只能接入正反馈网络,保证其始终工作在饱和区。

4. 电压比较器与运算放大器内部结构极其相似,只是运算放大器内部多了些配合外部负反馈的电路,且运算放大器是推挽输出,而电压比较器是开漏输出。

在实际生活中,我们常常使用电压比较器来采集模拟信号,并将其转变成数字信号进行输出。

比较器的接法:一个输入端接入输入电压Ui,另一个输入端接入参考电压,即Ut。

电压比较器电路的分类

• 单限比较器:就是上面的普通比较器,只有一个Ut(跳变的阈值),十分灵敏,速度快。
• 滞回比较器:有两个受输出控制的Ut,输入电压Ui的值逐渐减小时有一个Ut值,跳变过后,输入电压Ui的值如果开始增大,就会有另一个Ut值,同样地,跳变后,Ut值会变为之前的那个值。

如上图所示,图中Ui为输入电压,Ut1与Ut2之间的差值叫作回差。

• 窗口比较器: 该比较器同样有两个Ut值,当输入电压Ui的大小在这个两个Ut值之间,该比较器输出电平低值,反之输出电平高值。

矩形波发生电路

矩形波发生电路的作用是在没有外部输入信号的前提下,稳定地产生矩形波信号(方波是矩形波的特殊情况),该电路是其他其他非正弦波发生电路的基础。

前面提到的电压比较器，刚好就是矩形波发生电路的重要组成部分。

如上图所示,中间非红色部分是一个滞回比较器,设该滞回比较器的跳变阈值为±Ut,整个电路的初始状态为 Uo=+Ut,跳变阈值为+Ut。

电路开始工作时,Uo向电容C充电,Un逐渐增大,此时电路输出的是高电平,当Un=+Ut时,电路输出发生跳变,开始输出低电平,这个时候，电容C开始放电,Un逐渐降低,当Un=-Uz时,电路的输出会再次跳变为高电平,如此循环往复,输出矩形波信号。

正弦波振荡电路

正弦波振荡电路的作用是在没有外部输入信号的前提下,稳定地产生正弦波信号。

在正弦波振荡电路中,在起振时,信号可能会非常的小,因此需要放大电路将信号放大,同时需要正反馈网络,将信号不断叠加,保证信号能够不断放大，最终达到最大(达到电源电压),因为信号中可能有噪声,因此还需要有选频网络(频率范围很小的带通滤波电路),将我们需要的那个单一频率的正弦波信号给筛选出来,保证输出的正弦波信号频率稳定或者只在很小的范围波动。

RC正弦波振荡电路

如上图所示,红框部分便是一个选频网络,即一个带通滤波电路,当我们在给整个电路上电(起振)的一瞬间,电路中所有元器件的电压都会从0开始突变,在这个突变的过程中,会产生很多不同频率的信号,对于这些信号,我们通过选频网络进行过滤,找到符合频率要求的信号,将该信号通过正反馈网络不断地循环放大叠加,最后达到最大(达到电源电压),上图中的下面部分是一个限幅电路,主要是让信号达到最大后,能够稳定保持最大状态。

选频网络:

如上图所示,这就是一个上面RC振荡电路的选频网络,其本质就是一个带通滤波电路,当有高频信号进入电路时,因为电容的容抗跟信号频率成反比,所有此时上面的电容与电阻相比,可以近似地等效为一根导线,同样地,下面的电容因为容抗小,相当于把并联电阻给短路了,此时整个电路就被等效为了一个低通滤波电路,当有低频信号进入电路时,整个电路又被等效为了一个高通滤波电路,因此只有指定频率的信号才能通过该电路。

同时要注意的是,上述带通滤波电路在RC振荡电路中,不仅是选频网络,还要担任正反馈网络的角色,整个电路如果想要起振,就必须满足|AF|>1,其中A为放大电路的放大倍数,F为正反馈网络的反馈系数,当信号达到最大时,必须满足|AF|=1,以满足输出信号的稳定。

限幅电路:

如上图蓝框所示,这是一个限幅电路,目的是为了限制输出信号的最大幅值,保证信号稳定。其实现的原理如下: 假设下面的两个并联二极管的导通压降均为3V,当0V<输出信号<3V时,限幅电路不通,正常输出,当输出信号>3V时,限幅电路导通,电流从下面的二极管流入,此时,反相输入端的电位不再是0,根据运放的特性,输出信号会被即时地拉回到3V以下,从而保证输出的信号最大不会超过+3V,由此可见,限幅电路还担任着负反馈网络的角色,当输出信号<-3V时,电流从上面的二极管流出,输出信号会被即时地提升到-3V以上,从而保证输出的信号最小不会低于-3V。

RC振荡电路又被称为文氏桥振荡电路

LRC正弦波振荡电路

LRC 振荡电路是由电阻R,电容C,电感L组成的一种基本振荡电路,可以产生正弦波信号。

振荡电路主要用于周期性变化的电信号。

LRC振荡电路的频率由电容C和电感L来决定的,可以通过调节电感L与电容C的值来控制输出信号的频率。

LRC振荡电路原理:首先,打开开关,给电感器充电,将电能转换成磁能存储起来,电容器阻直流电,因此不通。电感器充好之后,断开开关,然后电感线圈将磁能转换成电能并释放出来,释放的电能给电容器充电,电容器充满后,又会放电给电感器充电，如此循环往复,其中,电流的方向在不断地改变,这便是交流电信号,理论上是一个正弦波信号。

理论上最终输出的是持续稳定的正弦波信号,但实际上,能量会通过热量的形式扩散出去,因此实际的输出信号波形如下:

如果电路中拥有正反馈网络,信号衰减的时间会被延长。

将上述电路即LRC正弦波振荡电路中的电阻去掉,就是十分经典的LC正弦波振荡电路。

石英晶体正弦波振荡电路

将二氧化硅(SiO2)晶体的两个表面抛光和涂敷银层,并作为两个极引出引脚,加以封装,就构成了石英晶体谐振器,简称石英晶体。

石英晶体的特点:

• 石英晶体具有非常稳定的固有频率。
• 对于振荡频率稳定性要求高的电路,应该选用石英晶体作为选频网络。

在石英晶体的两个引脚上加上振荡电压时,它会产生一定频率的机械变形,而这种变形产生的振动又会产生新的振荡电压,这就叫压电效应。

一般情况下,机械振动的振幅非常小,产生新的振荡电压也会非常小,但是当最初传入的振荡电压的频率为某一特定频率时,机械振动的振幅骤然增大,产生共振,称之为压电振荡,而这个频率就是石英晶体的固有频率,也被称为谐振频率。

如上图所示,石英晶体可以等效为电容,电阻,电感混合串并联,通过改变晶体引脚的电压频率,从而影响石英晶体的特性,设两引脚电压频率为f,其规律如下:

• 当f<fs时,石英晶体呈现一种电容特性
• 当f=fs时,石英晶体呈现一种电阻特性
• 当fs<f<fp时,石英晶体呈现一种电感特性
• 当f=fp时,石英晶体呈现一种电阻特性
• 当f>fp时,石英晶体呈现一种电容特性

在实际生活中,我们在石英晶体的两个引脚处施加微小的振荡电压,晶体本身振动产生新的振荡电压,经过电路放大,正反馈,从而使石英晶体本身呈现出不同的特性,并稳定地产生指定频率的信号,这种电路就叫石英晶体正弦波振荡电路。