晶体管放大器设计,阻容耦合共射放大器设计,反响类型,静态工作点稳定原理,基本关系式,性能指标与测试,,,（1）反响基本常识,正反响,负反响,串联反响,并联反响,电压反响,电流反响,,,（2）静态工作点自动调节原理与条件,条件：I,1,>>I,BQ,工作点Q调节过程,温度,I,CQ,V,EQ,V,BE,I,BQ,I,CQ,,,（2）基本关系式,基本的电流关系：,I,B,+I,C,=I,E,V,BQ,恒定必要条件：I,1,>>I,BQ,硅管：I,1,＝（5～10）I,BQ,锗管：I,1,＝（10～20）I,BQ,V,BQ,>>V,be,,取V,BQ,=(5~10)V,be,硅管V,BQ,=(3~5)V,锗管V,BQ,=(1~3)V,,,（2）基本关系式,小信号放大器中，一般I,CQ,=0.5~2mA, V,EQ,=(0.2~0.5)V,CC,R,B1,、R,B2,、V,CEQ,估算？,,,（3）性能指标测试,放大倍数、输入电阻、输出电阻、带宽,放大倍数,,,（3）性能指标测试,输入电阻R,i,：反响放大器本身消耗输入信号源功率的大小,R,i,>>R,s,:获取较大电压,R,i,< f,L,:下限频率，受电路耦合电容和旁路电容的影响,工程计算：,,,设计实例分析,设计一个阻容耦合单级晶体管放大器，已知：,V,CC,=12V,R,L,=3K，V,i,=10mV,R,S,=600欧要求：,A,v,>40,R,i,>1K欧，R,o,<3K欧，f,L,<100Hz,f,h,>100KHz,第一步：选择电路形式和晶体管：8050，9013β>A,V,,取,β,=60,第二步：设置静态工作点,计算元件参数,R,i,(R,i,=r,be,)>1K,r,be,=300+(1+,β,)26(mV)/l,cQ,(mA),I,CQ,<2.2mA,取1.5mA,r,be,=1357欧,V,BQ,取3V,R,E,=(V,BQ,-V,BE,)/I,CQ,=1.53k,取1.5K,,,运算放大器的基本特性,3.1.1 运算放大器的基本特性,开环增益:直接影响运算精度和许多特性指标，,A,o愈大愈好理想运算放大器,A,o为无穷大3.1.1 运算放大器的基本特性,输入偏置电路I,IB,:表示了运放输入端正常工作时需提供的偏置电流 ，它的大小间接反映了运放芯片的输入电阻I,IB愈小，输入电阻愈大，芯片的温漂和运算精度愈高。 理想运放输入失调电压V,IO,:反映了运放芯片本身输入级差分对管的对称程度，所以当VI=0时，VO≠0为了使，等效在输入端施加的补偿电压（失调补偿调零电位器不起作用时）即为VIO 愈小愈好，理想运放VIO =0差模输入电阻,r,id,:指的是输入端参加差模信号时，运放芯片的输入呈现的电阻r,id,愈大，意味着从信号源（或前级电路）提取的电能愈小，对信号源影响愈小也就是,r,id,对信号源而言，就相当于它的负载理想运放的,r,id,为无穷大理想运放输出电阻ro理想闭环电路ro=0，ro表征器件对负载的驱动能力带宽BW，又称单位增益带宽或增益带宽积指的是当运放的闭环增益为1（即0dB）时的带宽一般增益与带宽的乘积为一常数，故闭环增益愈高，实际运放电路的带宽愈小运放的BW主要由芯片内部的器件与电路决定理想运放的BW 为无穷大供电电源:单极性，双极性理想运放供电不受限制功耗P,C,：理想运放为零,,,共模抑制比CMRR：反响了芯片对共模信号的抑制能力,输入噪声V,n,：,每个运放都有内部寄生噪声，运放的噪声是通过在输出端测量然后换算到输入端的,.,噪声是一个随机交流信号，包含全频率段的频率成分，而且它是运放固有的，无法通过在输入端加上相反的电压来消除。 为了减小模拟电路的噪声，我们通常能做的有： 1）选择噪声较小的运放 2）想方法减小模拟地的噪声 3）使用高PSRR的线性电源管理芯片单独为模拟电路供电，以减小电源上的噪声 4）对信号进行滤波 5）尽量使用10K以下阻值的电阻，因为电阻会引入热噪声，引入的热噪声大小与电阻值成正比电压噪声频谱密度,是指每平方根赫兹的有效(RMS) 噪声电压（通常单位为nV/ ）,,电源抑制比PSRR：,输入电源变化量(以伏为单位)与转换器输出变化量(以伏为单位)的比值，常用分贝表示,,,,运算放大器的基本特性,2．运算放大器的一个重要特性—三“虚”,虚断,虚地,虚短,,,3.1.2几类常用的运放放大器,1. 通用型运算放大器,通常型运放电特性一般，但价格低廉，典型代表有LM741、LM124/224/324（单、双、四运放封装），其特性如表3.1.3和表3.1.2所示其中单运放通常带有失调补偿调整端此类运放常用于低价位电子产品,2. 低失调、低漂移运算放大器,此类运放的电性能比通用型的要高，特别是失调电压要小得多，其代表有OP07/OP27/OP37，它们都是单运放封装，其特性参阅表3.1.2此类运放常用在要求较高的电路。 几类常用的运放放大器,3. 低输入偏压电流运算放大器,此类运放芯片内部输入为MOS管，故很小，输入电阻很高其代表有TL081/082/084、CA3140、AD594等此类运放常用于高输入阻抗级其中AD549由于超低的常用于微弱电流测量,4. 斩波稳零型运算放大器ICL7650,ICL7650采用大规模集成工艺，输入级使用了MOSFET，输入电阻达10,12,Ω电路采用斩波自动稳零及调制与解调（200Hz）等措施，使小至1µV，温度漂移也很小，应用时无须失调调整，十分方便特别适用于微弱信号放大几类常用的运放放大器,5. 宽带运算放大器,这一类运放以AD8011、CF357等为代表，其BW>100MHz，在放大高频率信号时必须使用它们6. 增益可编程运算放大器,图3.1.4为通过引脚可编程增益的运放PG103通过A,1,、A,0,两引脚的操作电平可使运放的增递分别为1、10、100增益误差在G=10时为±0.05%失调电压的温度系数为2µV/℃它有8脚塑料DIP和SO-8两种封装形式类似的还有AD8520等增益可编程运算放大器,,,3.2 放大器设计,3.2.1 负反响电路,图3.2.2为基于运放的闭环负反响电路的基本结构。 它由开环增益为,A,0,的运放，反响网络组成图中箭头代表信号流向理想闭环增益仅取决于反响系数β，与运放芯片、电源电压、温度、信号参数等因素无关这就是闭环负反响运放大电路增益稳定性高，能有效改善波形失真、频率特性的根本原因3.2.2 基本放大电路,输入输出关系:,输入电阻:,输出电阻:,(1)反向放大电路,R,i,=R,1,R,o,=0,,,（2）同相输入放大电路,输入输出关系:,输入电阻:,输出电阻:,R,i,=,∞,R,o,=0,,,（3）差分输入放大电路,输入输出关系:,如何实现,U,o,=(U,i2,-U,i1,)K,?,R,1,=R,3,,R,2,=R,4,,,（3）差分输入放大电路,输入输出关系:,U,i1,U,i2,输入电阻无穷大,便携式电子产品中应用,,,（3）差分输入放大电路,输入输出关系:,R,1,=R,2,输入电阻无穷大,完成双极性到单极性放大.常用于仪表放大电路,,,（4）精密整流放大电路,U,i,大于零时,二极管导通情况:,D,2,导通,D,1,截止,U,i,小于零时,二极管导通情况:,D,1,导通,D,2,截止,如果:,,,（5）微分电路,反响电流设置在0.1~0.5mA,缺点:信号频率增加时,电容容抗减小,放大倍数增加.对高频噪声敏感.,有用微分电路,RC,1,=R,f,C,,,（6）积分电路,C,f,小于1uF,缺点:低频时,电容容抗很大,放大倍数增加.,有用积分电路,R>>10R,1,,,3.2.3 放大电路设计要点,1．单双电源运算放大器的选择,首先应根据输入信号的极性，选择单电源或双电源供电的运放。 只有输入信号为单极性的正信号时才能使用单电源供电的运放大多数运放均要求双电源供电才能正常工作，只有少数如LM324、LM358之类的运放允许单电源供电2．电源去耦,运放电源去耦是很有必要的，特别在系统总增益很高的前级电路，更是不可或缺放大电路设计要点,3．弱信号放大的相关问题,,从降低噪声，提高信噪比以利于弱信号放大的角度出发，需注意以下各点：,（1）选用低噪声的运算放大器,（2）采用噪声极微的分立元件FET对管构成前置差分放大电路,（3）闭环负反响电路采用阻值较低的线绕电阻,（4）利用选频、滤波等措施降低白噪声,,,,放大电路设计要点,4．宽带放大,当信号频率较高或被放大的是脉冲信号时，采用高BW、高SR的运放显然是非常必要的为获得足够的带宽，闭环增益不能设计得太高，一般应<10图3.1.2充分说明了带宽与闭环增益的矛盾需要注意的是信号的带宽应明显低于闭环带宽5．放大器反响回路电阻阻值的选择,从减小热噪声的角度，反响回路电阻的阻值要尽量小一些但阻值过小会使反相输入放大电路的输入电阻降低通常以千欧数量级采用较多放大电路设计要点,6．运算放大器的保护措施,图,3.2.10,运放的保护电路,,图,3.2.11,运放输出电压限幅电路,,,,放大电路设计要点,7．失调电压的补偿,由于失调电压的存在，使运放的零点不为零。 LM741之类运放本身带有补偿端，可按图3.1.1（b）外接电位器W调整之对于无调零端的运放可以采用图3.2.12电路来进行失调补偿图,3.2.12,运放的外加调零电路,,,放大电路设计要点,8．扩展输出电流与扩展输出电压,9．注意运放的稳定性,10．优良的工艺是放大器质量的保证,,,3.2.4 运算放大器的参数对放大器性能的影响,工程上设计一个放大器往往是以理想运放为依据，根据简化的公式进行当设计一个精密放大或运算电路时，实际运放参数的影响不可忽略1．开环增益A,0,,2．CMRR的影响,3．输入、输出电阻,4．输入失调电压,,,,3.2.5 放大电路辅助设计软件,Microchip公司的AmpLAB,TM,运算放大器电路的辅助设计软件，可用于同相、反相和由二个运放构成的仪表放大器三种放大电路的设计在选定放大电路类型后，只要输入相关参数，就可以自动获得设计好的电路，并可产出文本格式的SPICE 模型该软件还可以提供一般的建议、不同工作温度时应考虑的事项以及可能遇到的陷阱放大电路辅助设计软件,电路的设计分三个步骤：,（1）电路的选择与参数的设定,（2）设计结果输出,（3）设计技术信息,,,3.3 滤波器设计,3.3.1 滤波器的基本特性,,滤波器是一种频域变换电路。 它能让指定频段的信号顺利通过，甚至还能放大，而对非指定频段的信号予以衰减仅仅采用R、L、C元件组成的滤波器称无源滤波器，含有晶体管或运算放大器的称为有源滤波器，后者的储能元件只用电容器C 图3.3.2 四种理想滤波器的频域与时域特性,,,3.3.2 FilterLab滤波器辅助设计工具,FilterLab2.0是 Microchip公司推出的一款创新的滤波器免费下载软件使用该软件防止了传统滤波器设计的繁琐计算使设计大大简化该软件所设计的滤波器具有：,（1）巴特沃斯、贝塞尔、切比雪夫三种类型，其中贝塞尔只有LPF一类滤波器2）阶数1~83）增益1~104）LPF、BPF、HPF三种类型5）有塞林凯和多重反响二种电路形式6）通带截止频率（Passband frequency）：0.1Hz~1MHz7）品质因素Q：0.5~5.0,（8）阻带衰减（Stopband Attenuation）：10dB~100dB,,,3.3.3 开关电容滤波器,1．开关电容滤波的基本原理,图3.3.13（a）的简单一阶LBP/滤波器，通带截止频率fp=1/2πτ ， τ =RC与其特性相同的开关电容滤波器由,MOS,模拟开关，集成电容和运放OA组成，如图（b）所示。 模拟开关S,1,、S,2,，电容C,1,模拟等效的电阻,R,其阻值受模拟开关切换频率（时钟频率）,f,CLK,和,C,1,操作图（b）中驱动两只模拟开关的时钟信号分别为A和/A，两者反相C,2,为积分电容开关电容滤波的基本原理,在A的正半周，,S,1,闭合、,S,2,断开，电容,C,1,被充电到，在（=1/,f,CLK,）期间所积累的电荷Q=VixC1；,平均输入电流i,i,= V,i,xC1/T,c,其等效模拟电阻为,R,i,=V,i,/i,i,=1/Cf,clk,在/A的正半周，,S,1,断开、,S,2,闭合，,C,1,上的电荷将转移至,C,2,电路的等效时间常数为t=R,i,C2=C2/C1f,CLK,,,开关电容滤波的基本原理,在集成芯片制造时，两个电容之比可视为两个电容的面积之比，其误差可操作在1%以内，从而保证了滤波器电参数的稳定性f,CLK,可以很容易的改变τ ，相对也比较容易得到等效的较大容量的电容当然，通过操作f,CLK,可以有效的操作滤波器的频率特性，如f,p,当f,CLK,由晶振振荡器提供时，更是保证了滤波器电参数的稳定性和准确性由于上述优点，加上结构简便，使用灵活，使其得到愈来愈广泛的应用，本身的开展也很迅速。 2．引脚可编程的开关电容滤波器MAX263/264/267/268,图3.3.14为该系列滤波器的内部方框图它由两个二阶开关电容滤波器，,f,0,（中心频率）逻辑操作，品质因数Q逻辑操作，工作模式（MODE）处理，时钟二分频，时钟CMOS反相器及缓冲运算放大器（仅MAX267/268有）等局部组成内部功能方框图,两个二阶滤波器可以串接级联信号输入端分别为IN,A,和IN,B,做陷波N（Notch Filter）、HBP、AP（全通）和BP、LP相应的输出端M,0,、M,1,为工作模式选择端，仅MAX263/264有五个引脚F,0,~F,4,为,f,CLK,/,f,0,之比的编程端七个引脚Q,0,~Q,6,为两个滤波器各自品质因数值的编程端外部时钟可用CLKA、CLKB引入，也可由CLKA、OSC、OUT外接石英晶振产生MAX267/268内部还设有一个缓冲运放该系列开关电容滤波器有如下特点：,（1）MAX263/264可用做LPF、HPF、BPF、NF、APF2）MAX267/268只能用做BPF3）典型,f,CLK,与,f,0,的范围如表3.3.1所示，MAX267/268仅工作于模式1。 内部功能方框图,（4）对于MAX263/267而言,fclk/f0=(N+32),其中N为F,0,~F,4,引脚电平对应的十进制数值如F,4,F,3,F,2,F,1,F,0,=00011B，即N=36）有相应滤波器设计软件,（7）可以单电源或双电源±5V供电8）器件封装如图3.3.15所示类似的开关电容滤波器还有LINEAR公司的LTC1068系列芯片，它最多可实现8阶LPF、HPF、BPF、BEF频率范围0.5Hz~200kHz也有相应FilterCAD支持3．MAX263/264/267/268设计要点,（1）两个二阶滤波器级联，电路的总品质因素为,Q,2,2）内部滤波器的,Q,值也是电路电压增益值，故二级级联，芯片总增益为,Q,2,应用设计时必须注意到这一点必要时输入端应加衰减器3）单电源供电，,Q,n,、,F,n,低电平接地；双电源供电，,Q,n,、,F,n,低电平接－5V4．开关电容滤波器应用实例,图3.3.16为以MAX268带通开关电容滤波器为核心而构成的具有自动跟踪输入信号频率的带通滤波电路MAX268总的品质因素为4f,CLK,/,f,0,≈50采用±5V电源供电BPA和INB直连，两级二阶滤波器串联。 缓冲放大器设计增益=1，可由10kΩ予调电位器调整图3.3.16 由MAX268构成的锁相跟踪带通滤波器,,,4．开关电容滤波器应用实例,输入信号在参加MAX268时进行了0.25倍衰减，以保证器件工作时不限幅输入信号由OP27进行限幅放大，经比较器LM311整形为方波锁相环HC4046和计数器HC390组成了50倍频电路，使MAX268时钟信号的频率在整个测量范围内（20Hz~20kHz）自动保持为输入信号频率的50倍，即MAX268的带通中心频率始终跟踪输入信号频率并保持相等此电路有两个重要用途：一是可将方波脉冲变换为正弦波；二是电路的输出就是输入信号的基波，可用于进行失真度测量等谢谢观看,/,欢送下载,BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES. 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