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2.2 单元电路的看图方法

在讲单元电路看图方法之前,我们先来了解什么是单元电路?简单地说,单元电路是指具有某项功能、相对独立的电路部分,例如,放大电路、振荡电路、滤波电路等。如果把元器件比作细胞,那么单元电路就是器官,电路图的整体功能是通过各个不同功能的单元电路有机组合而实现的。

2.2.1 单元电路的作用与功能

分析单元电路首先应了解该单元电路的作用与功能,这从整机电路方框图中很容易搞清楚。单元电路种类众多,可分为放大电路、振荡电路、滤波电路、调制与解调电路和电源电路等类型,它们各自具有独特的作用与功能。

(1)放大电路

放大电路的作用是对输入信号进行放大,常见的放大电路有电压放大器、电流放大器、功率放大器等。电压跟随器是电压放大倍数等于1的放大电路,其作用是阻抗变换和缓冲。

(2)振荡电路

振荡电路的作用是产生信号电压,包括正弦波振荡器和其他波形振荡器。

(3)有源滤波电路

有源滤波电路的作用是限制通过信号的频率,包括低通有源滤波器、高通有源滤波器、带通有源滤波器和带阻有源滤波器。

(4)调制与解调电路

调制电路的作用是将信号电压调制到载频上,调制方法包括调幅、调频和调相。解调电路的作用是从已调载频中解调出信号电压,检波电路和鉴频电路都属于解调电路。

(5)电源电路

电源电路的作用是为其他电路提供工作电源或实现电源转换。常见的电源电路有整流电路、滤波电路、稳压电路、恒流电路和电源变换电路等,它们具有不同的作用与功能。如整流滤波电路的作用是将交流电变换为直流电,稳压电路的作用是提供稳定的工作电压,恒流电路的作用是提供恒定的电流,逆变电路的作用是将直流电变换为交流电,直流变换电路的作用是将一种直流电变换为另一种直流电等。

2.2.2 输入信号与输出信号之间的关系

除了振荡器等信号产生电路外,一般单元电路都有信号输入端和信号输出端,单元电路按照其既定的作用与功能,对输入信号进行处理、加工或变换,然后输出。

特定的单元电路,其输出信号与输入信号之间存在特定的函数关系。弄清楚输入信号与输出信号的关系,对于分析单元电路十分重要,特别是许多由专门集成电路构成的单元电路,更是只能从输入信号与输出信号的关系上来加以分析。

几类主要的单元电路的输入信号与输出信号之间具有以下的特定关系。

(1)放大电路的输入输出关系

放大电路的输出信号幅度是输入信号幅度的若干倍,其他特征不变。其中,同相放大器输出信号与输入信号相位相同,反相放大器输出信号与输入信号相位相反,如图2-19所示。电压跟随器可理解为放大倍数A=1的放大器。衰减器可理解为放大倍数为负数的放大器。

图2-19 放大电路的输入输出关系

(2)滤波电路的输入输出关系

滤波电路的输入信号中只有符合要求的特定频率部分能够到达输出端,不符合的部分则被滤除。例如,高通滤波器只允许频率高于转折频率fo的信号通过,低通滤波器只允许频率低于转折频率fo的信号通过,带通滤波器只允许频率处于高低转折频率f2f1之间的信号通过,带阻滤波器只允许频率低于低端转折频率f1或高于高端转折频率f2的信号通过,如图2-20所示。

图2-20 滤波电路的输入输出关系

(3)调制与解调电路的输入输出关系

调制电路一般具有两个输入端和一个输出端,两个输入信号分别是调制信号和载频信号,输出信号是含有输入调制信号信息的载频信号。调制方式主要有调幅、调频、调相等,如图2-21(a)所示为调幅电路示意图,图2-21(b)所示为调频电路示意图。

图2-21 调制电路的输入输出关系

解调电路则正好相反,输入的是含有调制信号信息的载频信号,输出的是调制信号,载频已被滤除。

(4)信号发生电路

信号发生电路一般没有输入端,而只有输出端,向外提供特定的输出信号。有些信号发生电路具有控制端,用以对振荡信号进行参数调节或振荡控制。

2.2.3 常见单元电路的结构特点

很多常见的单元电路,例如,放大电路、振荡电路、电压跟随器、电压比较器、有源滤波器等,往往具有特定的电路结构。掌握常见的单元电路的结构特点,对于看图识图会有很大的帮助。

(1)放大电路的结构特点

放大电路的结构特点是具有一个输入端和一个输出端,在输入端与输出端之间是晶体管或集成运放等放大器件,如图2-22所示。有些放大器具有负反馈。如果输出信号是由晶体管发射极引出,则是射极跟随器电路。

图2-22 放大电路的结构

(2)振荡电路的结构特点

振荡电路的结构特点是没有对外的电路输入端,晶体管或集成运放的输出端与输入端之间接有一个具有选频功能的正反馈网络,将输出信号的一部分正反馈到输入端以形成振荡。

如图2-23(a)所示为晶体管振荡器,晶体管VT的集电极输出信号,由变压器T倒相后正反馈到其基极,T的初级线圈L1与C2组成选频回路,决定电路的振荡频率。

图2-23 振荡电路的结构

如图2-23(b)所示为集成运放振荡器,在集成运放IC的输出端与同相输入端之间,接有R1、C1、R2、C2组成的桥式选频反馈回路,IC输出信号的一部分经桥式选频回路反馈到其输入端,振荡频率由组成选频回路的R1、C1、R2、C2的值决定。

(3)差动放大器的结构特点

差动放大器的结构特点是具有两个输入端(正输入端和负输入端)和一个输出端,如图2-24所示。集成运放IC的输出端与反相输入端之间接有一反馈电阻R3,使IC工作于线性放大状态,输出信号是两个输入信号差值的A倍(A=)。

图2-24 差动放大器的结构

(4)滤波电路的结构特点

滤波电路的结构特点是含有电容器或电感器等具有频率函数的元件,有源滤波器还含有晶体管或集成运放等有源器件,在有源器件的输出端与输入端之间接有反馈元件。由于电感器比较笨重,有源滤波器通常采用电容器作为滤波元件,如图2-25所示。

图2-25 有源滤波电路的结构

高通滤波器电路中电容器接在信号通路,如图2-25(a)所示,低通滤波器电路中电容器接在旁路或负反馈回路,如图2-25(b)所示,带通滤波器在信号通路和负反馈回路中都有电容器,如图2-25(c)所示。

2.2.4 等效电路法分析

放大电路、振荡电路、有源滤波器等单元电路,都包括交流回路和直流回路,并且互相交织在一起,有些元器件只在一个回路中起作用,有些元器件在两个回路中都起作用。为了更方便更清晰地分析单元电路,可以分别画出交流等效电路和直流等效电路。

(1)交流等效电路

交流回路是单元电路处理交流信号的通路。对于交流信号而言,电路中的耦合电容和旁路电容都视为短路;电源对交流的阻抗很小,且电源两端并接有大容量的滤波电容,也视为短路,这样便可绘出其交流等效电路。例如,如图2-26(a)所示晶体管放大器电路,按照上述方法绘出的交流等效电路如图2-26(b)所示。

图2-26 等效电路

(2)直流等效电路

直流回路为单元电路提供正常工作所必须的电源条件。对于直流而言,电路图中所有电容均视为开路,很容易即可绘出其直流等效电路。如图2-26(a)所示晶体管放大器电路的直流等效电路,如图2-26(c)所示直流回路为晶体管VT提供直流工作电源和合适的静态工作点。