【笔记篇】【硬件基础篇】模拟电子技术基础 (童诗白) 第10章 模拟电子电路读图

智嵌电子2025-12-28 22:51

模拟电子技术基础 童诗白

第10章 模拟电子电路读图

本章核心目标

本章旨在教会读者综合运用前9章的基本概念、基本电路和基本分析方法，掌握模拟电子电路的读图技巧，提升电路识别、性能评估和系统集成能力，为实际工程应用奠定基础。核心围绕"如何分析复杂模拟电路"展开，通过明确思路步骤、回顾基础内容、结合实例演练，实现从"零散知识"到"综合应用"的过渡。

10.1 读图的思路和步骤

读图的本质是对电路进行系统性分析，核心逻辑是"从整体到局部，再从局部到整体"，具体分为五个步骤，各步骤层层递进、相互关联：

一、了解用途

这是读图的首要步骤，直接决定分析方向。

  • 明确电路的应用场景（如放大、稳压、报警、测量等）和核心作用，能快速锁定电路的功能类型（如信号处理、波形产生、供电电源等）。
  • 已知使用场合可初步判断主要功能，甚至关键性能指标（如功率放大电路的最大输出功率、稳压电源的输出电压稳定性等）。

二、化整为零

将复杂电路分解为若干个具有独立功能的基本模块，分解原则以"可识别"为核心：

  • 分解数量取决于电路复杂度、读者对基本电路的掌握程度和读图经验。
  • 常见电路的分解规律：
    • 通用型集成运放：输入级、中间级、输出级、偏置电路。
    • 串联型稳压电源：调整管、基准电压电路、输出电压采样电路、比较放大电路、保护电路。
    • 正弦波振荡电路：放大电路、选频网络、正反馈网络、稳幅环节。
  • 信号处理电路：以"信号流通方向"为线索分解，如从输入到输出依次识别放大、滤波、比较等模块。

三、分析功能

对每个分解后的模块，逐一分析其工作原理和核心性能：

  • 首先识别模块类型（如放大电路、运算电路、电压比较器、滤波电路等）。
  • 定性分析性能特点：放大能力（增益大小）、输入/输出电阻、振荡频率、输出稳定性、滤波特性等。
  • 这一步是确定整个电路功能和性能的基础，需结合前9章的基本电路知识。

四、统观整体

将局部分析整合为整体认知：

  • 用框图表示每个模块，并用文字、表达式、波形等方式概括其功能。
  • 根据模块间的信号传递关系连接框图，形成整个电路的方框图。
  • 通过方框图直观判断各模块的配合逻辑，定性分析整个电路的核心功能和性能特点。

五、性能估算

对关键模块和整体电路进行定量计算，为电路调整、维修和改进提供依据：

  • 估算各模块的核心指标（如放大倍数、振荡频率、输出功率、稳压系数等）。
  • 明确每个模块对整体性能的影响权重，优先估算主要模块，次要模块可根据需求简化分析。
  • 注意：分析步骤可根据电路复杂度和读者水平灵活调整，无需严格遵循固定顺序。

10.2 基本电路和基本分析方法回顾

读图的前提是熟练掌握前9章的基本电路和分析方法，本节对核心内容进行系统梳理：

10.2.1 基本电路（按类型分类详解）

1. 基本放大电路
电路名称 所在章节 特点和典型功能 指标参数
共射放大 2.2 电压放大倍数大；适于小信号电压放大 A u A_u Au（电压放大倍数）、 R i R_i Ri（输入电阻）、 R o R_o Ro（输出电阻）、 f L f_L fL（下限频率）、 f H f_H fH（上限频率）、 f b f_b fb（通频带）
共集放大 2.5 R i R_i Ri 大、 R o R_o Ro 小；适于输入级、输出级、缓冲级 同共射放大电路指标
共基放大 2.5 f H f_H fH 高；适于宽频带放大电路 同共射放大电路指标
共源放大 2.6 $ A_u
共漏放大 2.6 R i R_i Ri 很大、 R o R_o Ro 较小；适于输入级、输出级 同共射放大电路指标
差分放大 3.3 双输入端、四种接法、温漂小；作集成运放输入级 A d A_d Ad（差模放大倍数）、 A c A_c Ac（共模放大倍数）、 K C M R K_{CMR} KCMR（共模抑制比）、 R i R_i Ri、 R o R_o Ro
互补输出 3.3 R o R_o Ro 小，双向跟随；作集成运放输出级、功率放大 A u A_u Au、 R o R_o Ro、 U C E S U_{CES} UCES（饱和管压降）
2. 电流源电路
电路名称 所在章节 特点和典型功能 指标参数
镜像电流源 3.3 恒流特性好；集成运放偏置电路、有源负载 输出电流表达式（ I O ≈ I R E F I_O \approx I_{REF} IO≈IREF）
多路电流源 3.3 可提供多路恒定电流；适用于多模块偏置 各支路输出电流表达式
3. 集成运放（典型型号）
电路名称 所在章节 特点和典型功能 指标参数
F007、C14573、LF153、LM324 3.4 A o d A_{od} Aod（开环差模增益）和 K C M R K_{CMR} KCMR 高、 r i d r_{id} rid（差模输入电阻）大，能放大缓慢信号；LM324 可单电压供电；用于放大、运算、波形产生、波形变换 A o d A_{od} Aod、 K C M R K_{CMR} KCMR、 r i d r_{id} rid、 U O S U_{OS} UOS（输入失调电压）、 d U O S d T \frac{dU_{OS}}{dT} dTdUOS（失调电压温漂）、 I O S I_{OS} IOS（输入失调电流）、 d I O S d T \frac{dI_{OS}}{dT} dTdIOS（失调电流温漂）、 f H f_H fH、 S R SR SR（转换速率）
4. 集成运放组成的运算电路
电路名称 所在章节 特点和典型功能 指标参数
反相比例 6.1 R i R_i Ri、 R o R_o Ro、共模信号均小；用于电压放大、电流-电压转换 比例系数（ A u = − R f R 1 A_u = -\frac{R_f}{R_1} Au=−R1Rf）、 R i R_i Ri、 R o R_o Ro
同相比例 6.1 R i R_i Ri 大、 R o R_o Ro 小、共模信号大；用于电压放大，电压跟随器可隔离 比例系数（ A u = 1 + R f R 1 A_u = 1+\frac{R_f}{R_1} Au=1+R1Rf）、 R i R_i Ri、 R o R_o Ro
加减运算 6.1 实现多个信号线性叠加；可求和、求差、差分放大 输出电压与输入电压的运算关系式（ u O = − R f R 1 u I 1 − R f R 2 u I 2 + ( 1 + R f R 1 / / R 2 ) R 4 R 3 + R 4 u I 3 u_O = -\frac{R_f}{R_1}u_{I1} - \frac{R_f}{R_2}u_{I2} + (1+\frac{R_f}{R_1//R_2})\frac{R_4}{R_3+R_4}u_{I3} uO=−R1RfuI1−R2RfuI2+(1+R1//R2Rf)R3+R4R4uI3 等）
积分运算 6.1 实现输入电压积分；正弦波移相90°、波形变换 运算关系式（ u O = − 1 R C ∫ u I d t u_O = -\frac{1}{RC}\int u_I dt uO=−RC1∫uIdt）
微分运算 6.1 反映输入信号变化速率；波形变换 运算关系式（ u O = − R C d u I d t u_O = -RC\frac{du_I}{dt} uO=−RCdtduI）
对数运算 6.1 实现输入电压对数/反对数运算；将乘除转为加减、信号范围缩放 运算关系式（ u O = − U T ln ⁡ u I I S R u_O = -U_T \ln\frac{u_I}{I_S R} uO=−UTlnISRuI）
指数运算 6.1 对数运算的逆运算；信号范围缩放 运算关系式（ u O = − I S R e u I U T u_O = -I_S R e^{\frac{u_I}{U_T}} uO=−ISReUTuI）
模拟乘法器 6.2 实现乘法运算；用于乘除、乘方开方、功率测量 运算关系式（ u O = k u X u Y u_O = k u_{X} u_{Y} uO=kuXuY， k k k 为乘法系数）
5. 有源滤波电路
电路名称 所在章节 特点和典型功能 指标参数
低通滤波（LPF） 6.3 通过低频信号，抑制高频信号；减小直流脉动、提高低频信噪比 A u ( s ) A_u(s) Au(s)（传递函数）、 A u p A_{up} Aup（通带放大倍数）、 f 0 f_0 f0（特征频率）、 f p f_p fp（截止频率）、幅频特性
高通滤波（HPF） 6.3 通过高频信号，抑制低频信号；减少放大电路漂移、提高高频信噪比 同低通滤波电路指标
带通滤波（BPF） 6.3 通过特定频率范围信号，抑制其他频率；筛选有用信号 同低通滤波电路指标，增加 Q Q Q 值（品质因数）
带阻滤波（BEF） 6.3 抑制特定频率范围信号，通过其他频率；抑制干扰 同带通滤波电路指标
6. 正弦波振荡电路
电路名称 所在章节 特点和典型功能 振荡频率公式
RC桥式振荡电路 7.1 输出波形好，频率可调；产生1Hz~1MHz正弦波 f 0 = 1 2 π R C f_0 = \frac{1}{2\pi RC} f0=2πRC1
变压器反馈式振荡电路 7.1 耦合不紧密；产生几kHz~几十MHz正弦波 f 0 ≈ 1 2 π L C f_0 \approx \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}} f0≈2πLC 1（ L L L、 C C C 为选频网络等效参数）
电感反馈式（电感三点式）振荡电路 7.1 耦合紧密、易振，波形含高次谐波；产生几kHz~几十MHz正弦波，频率可调 同变压器反馈式
电容反馈式（电容三点式）振荡电路 7.1 输出波形好；产生几kHz~几十MHz固定频率正弦波 同变压器反馈式
石英晶体振荡电路 7.1 频率稳定性极高；产生一百kHz~几百MHz固定频率正弦波 f 0 f_0 f0 等于石英晶体固有频率
7. 电压比较器
电路名称 所在章节 特点和典型功能 指标参数
单限比较器 7.2 仅一个阈值电压；基本开关电路 U O H U_{OH} UOH（输出高电平）、 U O L U_{OL} UOL（输出低电平）、 U T U_T UT（阈值电压）、电压传输特性
滞回比较器 7.2 正负向阈值不同，抗干扰强；抗干扰开关电路、非正弦波振荡电路组成部分 同单限比较器指标，增加上限阈值 U T + U_{T+} UT+ 和下限阈值 U T − U_{T-} UT−
窗口比较器 7.2 单一方向变化有两个阈值；判断信号幅值是否在阈值区间内 同单限比较器指标，增加两个阈值电压
8. 非正弦波发生电路
电路名称 所在章节 特点和典型功能 指标参数
矩形波发生电路 7.3 由RC回路和滞回比较器组成；产生脉冲信号 U O H U_{OH} UOH、 U O L U_{OL} UOL、 T T T（周期）、 f f f（频率）、波形
三角波发生电路 7.3 由积分电路和滞回比较器组成；产生三角波-方波；用于延时、定时、函数发生器 同矩形波电路指标
锯齿波发生电路 7.3 由积分电路和滞回比较器组成；产生锯齿波-矩形波；用于单向延时、定时 同矩形波电路指标
9. 波形变换电路
电路名称 所在章节 核心实现方式 功能
任意波→矩形波 7.2 利用电压比较器 将非规则波形转换为矩形波
方波→三角波 6.1 利用积分运算电路 将脉冲波形转换为线性变化波形
三角波→锯齿波 7.3 利用可变极性比例运算电路 改变三角波斜率，得到单向线性波形
三角波→正弦波 7.3 利用二极管折线法（改变比例系数） 将线性波形转换为正弦波
10. 信号转换电路
电路名称 所在章节 功能 转换关系式
电压/电流（V/I）转换 7.4 将输入电压转换为输出电流 i O = f ( u I ) i_O = f(u_I) iO=f(uI)（如 i O = u I R i_O = \frac{u_I}{R} iO=RuI）
交流/直流（AC/DC）转换 7.4 将交流电压整流为直流电压 u O = f ( u I ) u_O = f(u_I) uO=f(uI)（如整流滤波后 u O ≈ 1.2 U 2 u_O \approx 1.2U_2 uO≈1.2U2）
电压/频率（V/F）转换 7.4 将直流电压转换为频率成正比的脉冲/矩形波/三角波 T 0 = f ( u I ) T_0 = f(u_I) T0=f(uI) 或 f = f ( u I ) f = f(u_I) f=f(uI)
11. 功率放大电路
电路名称 所在章节 特点 指标参数
OTL电路 8.1 单电源供电，需输出电容，低频特性差 P o m P_{om} Pom（最大输出功率）、 η \eta η（转换效率）
OCL电路 8.2 双电源供电，低频特性好 同OTL电路指标
BTL电路 8.1 单电源供电，低频特性好，效率低于OCL 同OTL电路指标
12. 直流电源电路
电路名称 所在章节 特点和典型功能 指标参数
桥式整流电路 9.2 全波整流，效率高 U O ( A V ) U_{O(AV)} UO(AV)（输出平均电压）、 I O ( A V ) I_{O(AV)} IO(AV)（输出平均电流）、 S S S（稳压系数）
电容滤波电路 9.3 减小整流电压脉动；适用于小负载电流、负载变化小 U O ( A V ) U_{O(AV)} UO(AV)、 I O ( A V ) I_{O(AV)} IO(AV)
倍压整流电路 9.3 输出电压高于变压器二次电压；适用于高电压、小负载电流 U O ( A V ) U_{O(AV)} UO(AV)
电感滤波电路 9.3 减小输出电压脉动；适用于大负载电流 U O ( A V ) U_{O(AV)} UO(AV)、 I O ( A V ) I_{O(AV)} IO(AV)
稳压管稳压电路 9.4 电路简单，输出电压固定，输出电流范围小；小负载电流、固定电压稳压 U O U_O UO（输出电压）、 I O I_O IO（输出电流）
串联型稳压电路 9.5 输出电压稳定可调，输出电流范围大；通用型稳压电源 U O U_O UO、 I O I_O IO、 S S S、输出电阻 R o R_o Ro
W78xx系列三端稳压器 9.5 输出电压固定，内含保护电路；固定电压稳压电源 U O U_O UO（固定值，如W7812输出12V）、 I O I_O IO
W117系列三端稳压器 9.5 输出电压可调，内含保护电路；可调稳压电源基准 U R E F U_{REF} UREF（输出端与调整端电压，典型1.25V）、 I O I_O IO
开关型稳压电路 9.6 调整管工作在开关状态，转换效率高，无需电源变压器；输出电压调节范围小 U O U_O UO、 I O I_O IO、 η \eta η（转换效率）

10.2.2 基本分析方法（9种核心方法，含公式）

一、小信号情况下的等效电路法
  • 核心逻辑：用半导体管（晶体管、场效应管）的低频小信号等效模型，替换放大电路交流通路中的管子，得到交流等效电路。
  • 适用场景：小信号放大电路的动态分析（中频范围，忽略电容影响）。
  • 分析指标：估算电压放大倍数 A u A_u Au、输入电阻 R i R_i Ri、输出电阻 R o R_o Ro。
  • 关键步骤：
    1. 画出放大电路的交流通路（电容短路、直流电源短路）。
    2. 代入半导体管小信号模型（晶体管h参数模型、场效应管g参数模型）。
    3. 用电路分析方法（基尔霍夫定律）计算指标。
二、频率响应的求解方法
  • 核心逻辑：分析电路对不同频率信号的放大能力，得到幅频特性和相频特性。
  • 适用场景：所有放大电路、滤波电路的频率特性分析。
  • 关键步骤：
    1. 分频段（低频段、中频段、高频段）画出等效电路：
      • 低频段：考虑耦合电容、旁路电容的影响（容抗不可忽略）。
      • 中频段：电容视为短路，半导体管模型忽略极间电容。
      • 高频段：考虑半导体管极间电容（或等效电容）的影响，耦合/旁路电容视为短路。
    2. 求解截止频率：
      • 下限频率 f L f_L fL：由耦合电容、旁路电容所在回路的时间常数 τ = R C \tau = RC τ=RC 决定， f L = 1 2 π τ f_L = \frac{1}{2\pi\tau} fL=2πτ1（多个电容时，取起主导作用的电容计算）。
      • 上限频率 f H f_H fH：由极间电容所在回路的时间常数 τ = R ′ C ′ \tau = R'C' τ=R′C′ 决定， f H = 1 2 π τ f_H = \frac{1}{2\pi\tau} fH=2πτ1。
    3. 写出电压放大倍数表达式 A u ( j f ) = A u m ( 1 − j f L f ) ( 1 + j f f H ) A_u(jf) = \frac{A_{um}}{(1-j\frac{f_L}{f})(1+j\frac{f}{f_H})} Au(jf)=(1−jffL)(1+jfHf)Aum（单极点近似）。
    4. 绘制波特图（折线化幅频特性和相频特性）。
三、反馈的判断方法和深度负反馈条件下放大倍数的求解方法
1. 反馈的判断方法
  • 有无反馈判断：电路中是否存在"输出信号→输入回路"的反馈通路（如电阻、电容、变压器等）。
  • 交直流反馈判断：
    • 直流反馈：反馈通路仅传递直流信号（反馈元件为电阻，电容开路）。
    • 交流反馈：反馈通路仅传递交流信号（反馈元件含电容，电阻短路）。
  • 反馈极性判断（瞬时极性法）：
    1. 假设输入信号瞬时极性（如 u I u_I uI 为"+"）。
    2. 沿放大通路推导输出信号瞬时极性 u O u_O uO。
    3. 沿反馈通路推导反馈信号瞬时极性 u F u_F uF（或 i F i_F iF）。
    4. 若 u F u_F uF 削弱输入信号作用（使净输入 u I d = u I − u F u_{Id}=u_I-u_F uId=uI−uF 减小），为负反馈；反之则为正反馈。
  • 交流负反馈组态判断：
    • 电压反馈/电流反馈：短路输出端（ u O = 0 u_O=0 uO=0），若反馈消失，为电压反馈；否则为电流反馈。
    • 串联反馈/并联反馈：反馈信号与输入信号在输入回路以电压形式叠加（ u I d = u I − u F u_{Id}=u_I-u_F uId=uI−uF），为串联反馈；以电流形式叠加（ i I d = i I − i F i_{Id}=i_I-i_F iId=iI−iF），为并联反馈。
2. 深度负反馈条件下放大倍数的求解
  • 深度负反馈条件： 1 + A F ≫ 1 1+A_F \gg 1 1+AF≫1（ A A A 为开环增益， F F F 为反馈系数），此时 A ˙ f = A ˙ 1 + A ˙ F ˙ ≈ 1 F ˙ \dot{A}_f = \frac{\dot{A}}{1+\dot{A}\dot{F}} \approx \frac{1}{\dot{F}} A˙f=1+A˙F˙A˙≈F˙1。
  • 两种求解方法：
    1. 基于 A ˙ f ≈ 1 F ˙ \dot{A}_f \approx \frac{1}{\dot{F}} A˙f≈F˙1：适用于所有深度负反馈电路，需先求反馈系数 F ˙ = X ˙ F X ˙ O \dot{F} = \frac{\dot{X}_F}{\dot{X}_O} F˙=X˙OX˙F（ X X X 为电压或电流）。
    2. 基于理想运放"虚短"和"虚断"：仅适用于集成运放组成的负反馈电路。
      • 虚短： u + = u − u_+ = u_- u+=u−（净输入电压为0）。
      • 虚断： i + = i − = 0 i_+ = i_- = 0 i+=i−=0（净输入电流为0）。
四、集成运放应用电路的识别方法
  • 核心逻辑：根据反馈性质判断电路功能：
    1. 引入负反馈：构成运算电路（比例、积分、微分等）或有源滤波电路。
      • 例外：同相比例电路+RC串并联选频网络→RC桥式正弦波振荡电路（正反馈主导）。
    2. 开环或仅引入正反馈：构成电压比较器。
      • 扩展：电压比较器+RC延迟环节→矩形波发生电路；电压比较器+积分电路→三角波/锯齿波发生电路。
五、运算电路运算关系的求解方法
  • 核心依据：深度负反馈下的"虚短"（ u + = u − u_+ = u_- u+=u−）和"虚断"（ i + = i − = 0 i_+ = i_- = 0 i+=i−=0）。
  • 关键步骤：
    1. 确定输入信号类型（单输入、多输入）。
    2. 对反相输入端或同相输入端列节点电流方程（利用虚断，流入节点电流之和为0）。
    3. 利用虚短关系（ u + = u − u_+ = u_- u+=u−）简化方程，推导输出电压 u O u_O uO 与输入电压 u I u_I uI 的运算关系式。
    4. 多输入信号时，可结合叠加定理分别计算每个输入信号的输出贡献，再求和。
六、电压比较器电压传输特性的分析方法
  • 电压传输特性三要素：输出高电平 U O H U_{OH} UOH、输出低电平 U O L U_{OL} UOL、阈值电压 U T U_T UT、跃变方向。
  • 分析步骤：
    1. 求输出高低电平：由限幅电路（如二极管限幅、稳压管限幅）或集成运放最大输出电压决定。
    2. 求阈值电压 U T U_T UT：令集成运放同相端与反相端电位相等（ u + = u − u_+ = u_- u+=u−），解方程得到 u I = U T u_I = U_T uI=UT。
    3. 确定跃变方向：
      • 输入信号作用于反相端： u I > U T u_I > U_T uI>UT 时， u O = U O L u_O = U_{OL} uO=UOL； u I < U T u_I < U_T uI<UT 时， u O = U O H u_O = U_{OH} uO=UOH。
      • 输入信号作用于同相端： u I > U T u_I > U_T uI>UT 时， u O = U O H u_O = U_{OH} uO=UOH； u I < U T u_I < U_T uI<UT 时， u O = U O L u_O = U_{OL} uO=UOL。
    4. 绘制电压传输特性曲线（横坐标为 u I u_I uI，纵坐标为 u O u_O uO）。
七、波形发生电路的判振方法
1. 正弦波振荡电路判振
  • 振荡条件：相位平衡条件（正反馈，环路总相移 φ A + φ F = 2 n π \varphi_A + \varphi_F = 2n\pi φA+φF=2nπ， n n n 为整数）+ 幅值条件（ ∣ A F ∣ ≥ 1 |A_F| \geq 1 ∣AF∣≥1）。
  • 判振步骤：
    1. 检查电路组成：是否包含放大电路、选频网络、正反馈网络、稳幅环节。
    2. 判断放大电路是否能正常工作（是否设置合适静态工作点，避免截止或饱和）。
    3. 用瞬时极性法判断相位平衡条件：
      • 假设输入信号瞬时极性，推导反馈信号极性，若反馈信号增强输入信号，满足相位条件。
    4. 判断幅值条件：通常通过稳幅环节（如热敏电阻、二极管）使 ∣ A F ∣ = 1 |A_F| = 1 ∣AF∣=1，确保振荡稳定。
2. 非正弦波振荡电路判振
  • 核心组成：电压比较器（产生跃变）+ 延时电路（RC电路或积分电路，实现状态转换）。
  • 判振步骤：
    1. 假设比较器输出为某一状态（如 U O H U_{OH} UOH）。
    2. 分析延时电路输出电位变化，当变化到阈值电压时，比较器输出翻转（变为 U O L U_{OL} UOL）。
    3. 重复步骤2，若输出状态能自动循环翻转，说明电路能振荡；否则不能振荡。
八、功率放大电路最大输出功率和转换效率的分析方法
1. 最大输出功率 P o m P_{om} Pom
  • 定义：负载上获得的最大不失真交流功率。
  • 计算公式：
    • OCL电路（双电源）： P o m = U o m a x 2 2 R L P_{om} = \frac{U_{omax}^2}{2R_L} Pom=2RLUomax2，其中 U o m a x ≈ V C C − U C E S U_{omax} \approx V_{CC} - U_{CES} Uomax≈VCC−UCES（ V C C V_{CC} VCC 为电源电压， U C E S U_{CES} UCES 为饱和管压降）。
    • OTL电路（单电源）： P o m = U o m a x 2 2 R L P_{om} = \frac{U_{omax}^2}{2R_L} Pom=2RLUomax2，其中 U o m a x ≈ V C C 2 − U C E S U_{omax} \approx \frac{V_{CC}}{2} - U_{CES} Uomax≈2VCC−UCES。
2. 转换效率 η \eta η
  • 定义：最大输出功率与电源提供的平均功率之比。
  • 计算公式：
    • 乙类OCL电路（理想情况， U C E S = 0 U_{CES}=0 UCES=0）： η m a x = π 4 ≈ 78.5 % \eta_{max} = \frac{\pi}{4} \approx 78.5\% ηmax=4π≈78.5%。
    • 实际电路： η = P o m P V \eta = \frac{P_{om}}{P_V} η=PVPom，其中 P V P_V PV 为电源平均功率（OCL电路 P V = 2 V C C U o m a x π R L P_V = \frac{2V_{CC}U_{omax}}{\pi R_L} PV=πRL2VCCUomax）。
九、直流电源的分析方法
  • 核心逻辑：按"整流→滤波→稳压"三级链路分析，分别求解各环节指标，再整合整体性能。
1. 整流电路分析
  • 桥式整流电路（全波）：
    • 输出平均电压 U O ( A V ) = 0.9 U 2 U_{O(AV)} = 0.9U_2 UO(AV)=0.9U2（ U 2 U_2 U2 为变压器二次电压有效值）。
    • 输出平均电流 I O ( A V ) = U O ( A V ) R L I_{O(AV)} = \frac{U_{O(AV)}}{R_L} IO(AV)=RLUO(AV)。
    • 整流二极管电流 I D ( A V ) = 1 2 I O ( A V ) I_{D(AV)} = \frac{1}{2}I_{O(AV)} ID(AV)=21IO(AV)，反向电压 U R W M = 2 U 2 U_{RWM} = \sqrt{2}U_2 URWM=2 U2。
2. 滤波电路分析
  • 电容滤波电路（负载开路）： U O ( A V ) = 2 U 2 U_{O(AV)} = \sqrt{2}U_2 UO(AV)=2 U2。
  • 电容滤波电路（带负载， R L C ≥ ( 3 ∼ 5 ) T 2 R_LC \geq (3\sim5)\frac{T}{2} RLC≥(3∼5)2T， T T T 为交流信号周期）： U O ( A V ) ≈ 1.2 U 2 U_{O(AV)} \approx 1.2U_2 UO(AV)≈1.2U2。
  • 电感滤波电路： U O ( A V ) = 0.9 U 2 U_{O(AV)} = 0.9U_2 UO(AV)=0.9U2，输出电流脉动小，适用于大负载电流。
3. 稳压电路分析
  • 稳压管稳压电路：
    • 输出电压 U O = U Z U_O = U_Z UO=UZ（ U Z U_Z UZ 为稳压管稳定电压）。
    • 稳压系数 S = Δ U O / U O Δ U I / U I S = \frac{\Delta U_O / U_O}{\Delta U_I / U_I} S=ΔUI/UIΔUO/UO（反映输入电压变化对输出的影响）。
  • 串联型稳压电路：
    • 输出电压可调公式 U O = U R E F ( 1 + R 2 R 1 ) U_O = U_{REF}(1+\frac{R_2}{R_1}) UO=UREF(1+R1R2)（取样电阻 R 1 R_1 R1、 R 2 R_2 R2，基准电压 U R E F U_{REF} UREF）。
    • 分析稳压原理：输入电压或负载变化→ U O U_O UO 变化→取样电压 U F U_F UF 变化→比较放大→调整管压降 U C E U_{CE} UCE 变化→ U O U_O UO 稳定。
  • 三端稳压器（W78xx、W117）：
    • W78xx：固定输出电压 U O = U x x U_O = U_{xx} UO=Uxx（如W7805输出5V）。
    • W117：可调输出电压 U O = 1.25 ( 1 + R 2 R 1 ) U_O = 1.25(1+\frac{R_2}{R_1}) UO=1.25(1+R1R2)， I A D J ≈ 0 I_{ADJ} \approx 0 IADJ≈0（调整端电流可忽略）。

10.3 读图举例（4个典型案例，按步骤详解）

10.3.1 低频功率放大电路（最大输出功率7W）

一、电路组成

核心器件：集成运放A（LF356N）、晶体管 T 1 T_1 T1~ T 6 T_6 T6（ T 1 T_1 T1、 T 3 T_3 T3：2SC1815； T 2 T_2 T2、 T 5 T_5 T5：2SA1015； T 4 T_4 T4：2SD525； T 6 T_6 T6：2SB595）， T 4 T_4 T4、 T 6 T_6 T6 需安装散热器。

二、化整为零
  1. 前置放大级：集成运放A，负责小信号放大。
  2. 功率输出级： T 3 T_3 T3与 T 4 T_4 T4、 T 5 T_5 T5与 T 6 T_6 T6分别组成NPN型、PNP型复合管，构成互补输出级，降低输出电阻、提高带负载能力。
  3. 过流保护电路： T 1 T_1 T1、 T 2 T_2 T2、 R 7 R_7 R7、 R 8 R_8 R8，当输出电流过大时， R 7 R_7 R7、 R 8 R_8 R8 上的压降使 T 1 T_1 T1、 T 2 T_2 T2 导通，为功放管分流。
  4. 反馈网络： R 2 R_2 R2 将输出端与A的反相输入端连接，构成电压并联负反馈。
  5. 辅助电路：
    • C 2 C_2 C2：相位补偿电容，消除自激振荡。
    • R 3 R_3 R3、 D 1 D_1 D1~ D 3 D_3 D3、 R 4 R_4 R4：偏置电路，消除交越失真。
    • C 3 C_3 C3、 C 4 C_4 C4：旁路电容，使 T 3 T_3 T3、 T 5 T_5 T5 基极动态电位相等。
    • R 5 R_5 R5、 R 6 R_6 R6：泄漏电阻，减小 T 4 T_4 T4、 T 6 T_6 T6 的穿透电流。
三、分析功能
1. 最大输出功率 P o m P_{om} Pom
  • 最大不失真输出电压幅值： U o m a x = R L R 8 + R L ( V C C − U C E S ) U_{omax} = \frac{R_L}{R_8 + R_L}(V_{CC} - U_{CES}) Uomax=R8+RLRL(VCC−UCES)，其中 U C E S U_{CES} UCES 为 T 4 T_4 T4（或 T 6 T_6 T6）的饱和管压降。
  • 最大输出功率： P o m = U o m a x 2 2 R L P_{om} = \frac{U_{omax}^2}{2R_L} Pom=2RLUomax2。
  • 实例计算（ U C E S = 3 V U_{CES}=3V UCES=3V， R L = 10 Ω R_L=10\Omega RL=10Ω， V C C = 15 V V_{CC}=15V VCC=15V， R 8 = 0.5 Ω R_8=0.5\Omega R8=0.5Ω）：
    U o m a x = 10 10 + 0.5 × ( 15 − 3 ) ≈ 11.43 V U_{omax} = \frac{10}{10+0.5} \times (15-3) \approx 11.43V Uomax=10+0.510×(15−3)≈11.43V
    P o m = 11.43 2 2 × 10 ≈ 6.53 W P_{om} = \frac{11.43^2}{2 \times 10} \approx 6.53W Pom=2×1011.432≈6.53W
2. 转换效率 η \eta η
  • 忽略静态损耗时： η = π 4 ⋅ U o m a x V C C \eta = \frac{\pi}{4} \cdot \frac{U_{omax}}{V_{CC}} η=4π⋅VCCUomax。
  • 实例计算： η ≈ π 4 × 11.43 15 ≈ 59.8 % \eta \approx \frac{\pi}{4} \times \frac{11.43}{15} \approx 59.8\% η≈4π×1511.43≈59.8%。
3. 过流保护电流 I o m a x I_{omax} Iomax
  • 保护电流： I o m a x = U B E R 7 ≈ 0.7 V 0.5 Ω = 1.4 A I_{omax} = \frac{U_{BE}}{R_7} \approx \frac{0.7V}{0.5\Omega} = 1.4A Iomax=R7UBE≈0.5Ω0.7V=1.4A（ U B E U_{BE} UBE 为 T 1 T_1 T1、 T 2 T_2 T2 的发射结电压，典型0.7V）。
4. 电压放大倍数（深度负反馈）
  • 电压并联负反馈放大倍数： A u f ≈ − R 2 R 1 A_{uf} \approx -\frac{R_2}{R_1} Auf≈−R1R2（实例中 R 2 = 100 k Ω R_2=100k\Omega R2=100kΩ， R 1 = 10 k Ω R_1=10k\Omega R1=10kΩ，故 A u f ≈ − 10 A_{uf} \approx -10 Auf≈−10）。
  • 最大输出功率对应的输入电压有效值： U I = U o m a x 2 ∣ A u f ∣ U_I = \frac{U_{omax}}{\sqrt{2}|A_{uf}|} UI=2 ∣Auf∣Uomax。
四、统观整体
  • 方框图：输入信号→前置放大（A）→互补输出级（ T 3 T_3 T3~ T 6 T_6 T6）→负载 R L R_L RL；过流保护电路监测输出电流，反馈网络稳定放大倍数、减小失真。
  • 核心功能：将小信号放大为大功率信号，驱动低频负载（如扬声器），具备过流保护和交越失真抑制能力。

10.3.2 火灾报警电路

一、电路组成

核心器件：两个集成运放 A 1 A_1 A1、 A 2 A_2 A2，温度传感器（产生 u I 1 u_{I1} uI1、 u I 2 u_{I2} uI2），晶体管T，发光二极管（LED），蜂鸣器。

二、了解用途
  • 正常状态（无火情）： u I 1 = u I 2 u_{I1}=u_{I2} uI1=uI2，LED不亮，蜂鸣器不响。
  • 火情状态：金属板安装的传感器温度升高快， u I 1 > u I 2 u_{I1} > u_{I2} uI1>uI2，差值达到阈值时，LED发光、蜂鸣器鸣叫。
三、化整为零
  1. 差分放大级（ A 1 A_1 A1）：引入负反馈，构成双端输入比例运算电路，实现 u I 1 − u I 2 u_{I1}-u_{I2} uI1−uI2 的放大。
  2. 电压比较级（ A 2 A_2 A2）：开环工作，构成单限比较器，判断差分放大输出是否超过阈值。
  3. 声光报警驱动级：晶体管T、LED、蜂鸣器，将比较器输出的高低电平转换为声光信号。
四、分析功能
1. 差分放大级输出 u O 1 u_{O1} uO1
  • 运算关系式： u O 1 = R 2 R 1 ( u I 1 − u I 2 ) u_{O1} = \frac{R_2}{R_1}(u_{I1} - u_{I2}) uO1=R1R2(uI1−uI2)， R 2 R 1 \frac{R_2}{R_1} R1R2 为差分放大倍数。
2. 单限比较器阈值电压 U T U_T UT
  • 阈值电压： U T = R 4 R 3 + R 4 V C C U_T = \frac{R_4}{R_3 + R_4}V_{CC} UT=R3+R4R4VCC（由 R 3 R_3 R3、 R 4 R_4 R4 分压决定）。
  • 电压传输特性：
    • 当 u O 1 < U T u_{O1} < U_T uO1<UT 时， u O 2 = U O L u_{O2} = U_{OL} uO2=UOL（低电平）。
    • 当 u O 1 > U T u_{O1} > U_T uO1>UT 时， u O 2 = U O H u_{O2} = U_{OH} uO2=UOH（高电平）。
3. 声光报警驱动
  • LED电流： I D = U O H − U D R 5 I_D = \frac{U_{OH} - U_D}{R_5} ID=R5UOH−UD（ U D U_D UD 为LED导通电压，典型1.8~2.2V）。
  • 晶体管基极电流： I B = U O H − U B E R 6 I_B = \frac{U_{OH} - U_{BE}}{R_6} IB=R6UOH−UBE（ U B E U_{BE} UBE 为晶体管发射结电压，典型0.7V）。
  • 蜂鸣器电流（晶体管饱和时）： I C = β I B I_C = \beta I_B IC=βIB（ β \beta β 为晶体管电流放大系数），需满足 I C ≤ V C C − U C E S R L I_C \leq \frac{V_{CC} - U_{CES}}{R_L} IC≤RLVCC−UCES（ U C E S U_{CES} UCES 为饱和管压降， R L R_L RL 为蜂鸣器等效电阻）。
五、统观整体
  • 方框图：温度传感器（ u I 1 u_{I1} uI1、 u I 2 u_{I2} uI2）→差分放大（ A 1 A_1 A1）→单限比较（ A 2 A_2 A2）→声光报警（LED+蜂鸣器）。
  • 核心功能：通过两个温度传感器的差值信号检测火情，实现声光报警，抗干扰能力强。

10.3.3 自动增益控制电路

一、电路组成

核心器件：模拟乘法器、集成运放 A 1 A_1 A1~ A 4 A_4 A4、电阻、电容、二极管 D 1 D_1 D1~ D 2 D_2 D2。

二、了解用途
  • 输入为正弦波，当输入幅值变化时，电路自动调整增益，使输出电压幅值基本不变（稳幅功能）。
三、化整为零
  1. 乘法运算级：模拟乘法器，输入为 u I u_I uI（信号）和 u O 4 u_{O4} uO4（控制电压），输出 u O 1 = k u I u O 4 u_{O1}=ku_Iu_{O4} uO1=kuIuO4（ k k k 为乘法系数）。
  2. 主放大级（ A 1 A_1 A1）：同相比例运算电路，输出 u O = ( 1 + R 2 R 1 ) u O 1 u_O = (1+\frac{R_2}{R_1})u_{O1} uO=(1+R1R2)uO1，为电路总输出。
  3. 精密整流级（ A 2 A_2 A2）：由 A 2 A_2 A2、 R 3 R_3 R3、 R 4 R_4 R4、 D 1 D_1 D1、 D 2 D_2 D2 组成半波整流电路，将交流输出 u O u_O uO 转换为单向脉动直流 u O 2 u_{O2} uO2。
  4. 低通滤波级（ A 3 A_3 A3）：由 A 3 A_3 A3、 R 5 R_5 R5、 C C C 组成低通滤波电路，滤除脉动成分，输出直流电压 U O 3 U_{O3} UO3（正比于 u O u_O uO 幅值）。
  5. 差分比较级（ A 4 A_4 A4）：由 A 4 A_4 A4、 R 6 R_6 R6、 R 7 R_7 R7 组成差分放大电路，输出 u O 4 = R 7 R 6 ( U R E F − U O 3 ) u_{O4} = \frac{R_7}{R_6}(U_{REF} - U_{O3}) uO4=R6R7(UREF−UO3)（ U R E F U_{REF} UREF 为基准电压）。
四、分析功能
1. 各环节运算关系
  • 乘法器： u O 1 = k u I u O 4 u_{O1} = ku_Iu_{O4} uO1=kuIuO4。
  • 主放大： u O = ( 1 + R 2 R 1 ) u O 1 = k ( 1 + R 2 R 1 ) u I u O 4 u_O = (1+\frac{R_2}{R_1})u_{O1} = k(1+\frac{R_2}{R_1})u_Iu_{O4} uO=(1+R1R2)uO1=k(1+R1R2)uIuO4。
  • 精密整流（ R 3 = R 4 R_3=R_4 R3=R4）： u O 2 = { 0 u O > 0 − u O u O < 0 u_{O2} = \begin{cases}0 & u_O>0 \\ -u_O & u_O<0\end{cases} uO2={0−uOuO>0uO<0。
  • 低通滤波： A u = U O 3 U O 2 = 1 1 + j f f H A_u = \frac{U_{O3}}{U_{O2}} = \frac{1}{1+j\frac{f}{f_H}} Au=UO2UO3=1+jfHf1（ f H = 1 2 π R 5 C f_H = \frac{1}{2\pi R_5C} fH=2πR5C1）， U O 3 U_{O3} UO3 正比于 u O u_O uO 幅值。
  • 差分比较： u O 4 = A u 4 ( U R E F − U O 3 ) u_{O4} = A_{u4}(U_{REF} - U_{O3}) uO4=Au4(UREF−UO3)（ A u 4 = R 7 R 6 A_{u4} = \frac{R_7}{R_6} Au4=R6R7）。
2. 自动增益控制原理
  • 当 u I u_I uI 幅值增大→ u O u_O uO 幅值增大→ U O 3 U_{O3} UO3 增大→ U R E F − U O 3 U_{REF}-U_{O3} UREF−UO3 减小→ u O 4 u_{O4} uO4 减小→乘法器输出 u O 1 u_{O1} uO1 减小→ u O u_O uO 幅值减小（稳幅）。
  • 当 u I u_I uI 幅值减小→上述过程反向， u O u_O uO 幅值增大，维持稳定。
五、统观整体
  • 方框图： u I u_I uI→乘法器→主放大（ A 1 A_1 A1）→ u O u_O uO； u O u_O uO→精密整流（ A 2 A_2 A2）→低通滤波（ A 3 A_3 A3）→差分比较（ A 4 A_4 A4）→ u O 4 u_{O4} uO4（反馈至乘法器）。
  • 核心功能：通过闭环反馈自动调整乘法器的控制电压，稳定输出幅值，适用于输入信号幅值波动的场景。

10.3.4 电容测量电路（DT890C型数字多用表）

一、电路组成

核心器件：集成运放 A 1 A_1 A1~ A 4 A_4 A4（ A 1 A_1 A1、 A 2 A_2 A2：TL062； A 3 A_3 A3、 A 4 A_4 A4：LM358），电阻、电容、二极管 D 9 D_9 D9~ D 12 D_{12} D12，被测电容 C X C_X CX。

二、了解用途
  • 采用容抗法测量电容量，测量范围2nF~20μF（五量程），准确度±2.5%，分辨率1pF（TSC7106 A/D转换器）。
  • 核心原理：400Hz正弦波作用于 C X C_X CX，容抗 X C X X_{C_X} XCX 转换为交流电压，经AC/DC转换和A/D转换后，液晶显示测量值。
三、化整为零
  1. 正弦波振荡级（ A 1 A_1 A1）：文氏桥振荡电路，产生400Hz正弦波。
  2. 缓冲放大级（ A 2 A_2 A2）：反相比例运算电路，起缓冲、隔离作用，调节校准电位器 R W 1 R_{W1} RW1 可改变比例系数。
  3. C/ACV转换级（ A 3 A_3 A3）：将被测电容 C X C_X CX 的容抗转换为交流电压 u O 3 u_{O3} uO3。
  4. 带通滤波级（ A 4 A_4 A4）：仅允许400Hz信号通过，滤除干扰。
四、分析功能
1. 文氏桥振荡电路（ A 1 A_1 A1）
  • 振荡频率公式： f 0 = 1 2 π R 11 R 12 C 8 C 9 f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{R_{11}R_{12}C_8C_9}} f0=2πR11R12C8C9 1。
  • 实例参数（ R 11 = R 12 = 39.2 k Ω R_{11}=R_{12}=39.2k\Omega R11=R12=39.2kΩ， C 8 = C 9 = 0.01 μ F C_8=C_9=0.01\mu F C8=C9=0.01μF）：
    f 0 = 1 2 π × 39.2 × 10 3 × 0.01 × 10 − 6 ≈ 400 H z f_0 = \frac{1}{2\pi \times 39.2 \times 10^3 \times 0.01 \times 10^{-6}} \approx 400Hz f0=2π×39.2×103×0.01×10−61≈400Hz
2. 反相比例运算电路（ A 2 A_2 A2）
  • 比例系数： A u = − R 15 + R W 1 R 65 A_u = -\frac{R_{15}+R_{W1}}{R_{65}} Au=−R65R15+RW1， R W 1 R_{W1} RW1 用于校准电容挡。
3. C/ACV转换电路（ A 3 A_3 A3）
  • 容抗： X C X = 1 j 2 π f C X X_{C_X} = \frac{1}{j2\pi f C_X} XCX=j2πfCX1（ f = 400 H z f=400Hz f=400Hz）。
  • 电压放大倍数： A ˙ u 3 = U ˙ O 3 U ˙ O 2 = − R f X C X = − j 2 π f R f C X \dot{A}{u3} = \frac{\dot{U}{O3}}{\dot{U}{O2}} = -\frac{R_f}{X{C_X}} = -j2\pi f R_f C_X A˙u3=U˙O2U˙O3=−XCXRf=−j2πfRfCX，其模为 ∣ A ˙ u 3 ∣ = 2 π f R f C X |\dot{A}_{u3}| = 2\pi f R_f C_X ∣A˙u3∣=2πfRfCX。
  • 输出电压有效值： U O 3 = ∣ A ˙ u 3 ∣ U O 2 = 2 π f R f C X U O 2 U_{O3} = |\dot{A}{u3}| U{O2} = 2\pi f R_f C_X U_{O2} UO3=∣A˙u3∣UO2=2πfRfCXUO2（ U O 3 U_{O3} UO3 与 C X C_X CX 成正比）。
  • 量程与反馈电阻 R f R_f Rf 关系（五量程）：
电容量程 R f R_f Rf 组成 R f R_f Rf 阻值
20μF R 16 R_{16} R16 100Ω
2μF R 16 + R 30 R_{16}+R_{30} R16+R30 1kΩ
200nF R 16 + R 30 + R 29 R_{16}+R_{30}+R_{29} R16+R30+R29 10kΩ
20nF R 16 + R 30 + R 29 + R 28 R_{16}+R_{30}+R_{29}+R_{28} R16+R30+R29+R28 100kΩ
2000pF R 16 + R 30 + R 29 + R 28 + R 27 R_{16}+R_{30}+R_{29}+R_{28}+R_{27} R16+R30+R29+R28+R27 1MΩ
  • 设计特点：电容量每增大10倍， R f R_f Rf 减小10倍，使各量程转换系数最大值相等，限制A/D转换器最大输入电压（200mV）。
4. 带通滤波电路（ A 4 A_4 A4）
  • 中心频率公式： f 0 = 1 2 π C 10 1 R 18 ( 1 R 17 + 1 R 19 ) f_0 = \frac{1}{2\pi C_{10}} \sqrt{\frac{1}{R_{18}}(\frac{1}{R_{17}}+\frac{1}{R_{19}})} f0=2πC101R181(R171+R191) 。
  • 实例参数（ C 10 = 0.01 μ F C_{10}=0.01\mu F C10=0.01μF， R 17 = 76.8 k Ω R_{17}=76.8k\Omega R17=76.8kΩ， R 18 = 168 k Ω R_{18}=168k\Omega R18=168kΩ， R 19 = 11 k Ω R_{19}=11k\Omega R19=11kΩ）： f 0 ≈ 400 H z f_0 \approx 400Hz f0≈400Hz，仅允许400Hz信号通过。
5. 保护器件作用
  • D 9 D_9 D9、 D 10 D_{10} D10：限制 A 2 A_2 A2 输出电压幅值。
  • D 11 D_{11} D11、 D 12 D_{12} D12：限制 A 3 A_3 A3 净输入电压幅值，保护运放；误操作时为 C X C_X CX 提供放电回路。
五、统观整体
  • 方框图：文氏桥振荡（400Hz）→缓冲放大（ A 2 A_2 A2）→ C X C_X CX→C/ACV转换（ A 3 A_3 A3）→带通滤波（ A 4 A_4 A4）→AC/DC转换→A/D转换→液晶显示。
  • 核心功能：将被测电容的容抗转换为正比于电容量的交流电压，经滤波和模数转换后实现数字显示，测量精度高、无需手动调零。

本章小结

核心要点

  1. 读图核心步骤：了解用途→化整为零→分析功能→统观整体→性能估算，需灵活应用，无需拘泥固定顺序。
  2. 读图基础：熟练掌握前9章的基本电路（放大、运算、滤波、振荡、稳压等）和基本分析方法（小信号等效电路法、反馈判断、运算关系求解等）。
  3. 关键能力：电路分解能力（识别基本模块）、功能分析能力（定性+定量）、系统整合能力（从局部到整体）。

注意事项

  1. 结合电路用途分析，尤其是不熟悉的领域，"了解用途"是关键前提。
  2. 化整为零以"可识别"为原则，需不断积累基本电路知识和读图经验。
  3. 实用电路中器件符号、画法可能与教材不同，可先转换为习惯形式再分析。
  4. 复杂电路的定量分析建议借助电子电路CAD软件（如Multisim）。
  5. 需查阅元器件手册或厂家资料，了解集成芯片、晶体管等的具体参数和功能。

最终目标

通过读图训练，提升电路识别、性能评估和系统集成能力，为电子电路的实际工程应用（设计、维修、改进）提供支撑。

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