初稿(晶体管运算放大器设计)

1、 毕业设计(论文)指导作者 电子信息学院系专业无线电(微波技术和设备)晶体管运算放大器的设计教师评估教师竣工时间: 毕业设计(论文)中文摘要题目:晶体管运算放大器的设计摘要:运算放大器(通常简称“运放”)是一种放大倍数很高的电路单元。在实际电路中，一些功能模块通常与反馈网络相结合。运算放大器是从功能角度命名的电路单元，可以用分立器件实现，也可以用半导体芯片实现。运算放大器的基本放大电路由四部分组成:输入级、偏置电路、中间级和输出级。其中:输入级:是决定运算放大器性能的关键级，要求其零点漂移小，输入电阻高，所以采用差分通道；偏置电路:为每一级提供偏置电压，使每一级都有一个合适的静态工作点；中间级

2、:放大输入级输出的信号电压；其通常是为共射共基放大器电路组成的。输出级:输出级直接接负载，所以这个级要有足够的电压放电。本文将利用晶体管等元件来完成一个非集成运算放大器的设计。关键词:非集成运算放大器晶体管设计TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003461 引言4 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003462 第一章运算放大器的概述5 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003463 1.1运算放大器的结构5 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003464 1

3、.2运算放大器的参数6 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003465 1.3运算放大器的应用10 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003466 第二章晶体管运放的设计15 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003467 2.1设计目的15 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003468 2.2设计要求16 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003469 2.3晶体管的简介16 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003470 2.4晶体管

4、运算放大器的设计16 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003475 2.5实验验证19 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003477 结论21 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003478 致22 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003479 参考文献23介绍自从1963年美国运通公司推出第一台运算放大器以来，由于其优越的性能和方便的使用，工业上的许多测量技术都取得了突破性的发展。再加上价格低廉，很快就进入了消费品市场，所以一直到现在都是线性电路的宠儿。因此，我们有必要对运算放大器有

5、更透彻的了解，所以要求我们掌握它的基本结构和工作原理，以便更好地应用运算放大器为我们工作。第1章运算放大器概述1.1运算放大器的结构的所有运算放大器都可以分为输入级、中间级和输出级，如图1所示: HYPERLINK l 书签1 图1整个运算放大器的增益主要由输入级提供，而输出级只是一个互补的推挽跟随器，提供一定的电流输出。虽然从使用的角度我们没有必要知道运算放大器的具体电路形式(而且不同类型的运算放大器有不同的电路形式)，但是它的输入级和输出级都需要与外部电路相连，所以我们有必要知道运算放大器的输入级和输出级的电路特性，为其正确的外部使用提供依据。无一例外，运算放大器的输入级必须是差分放大器的

6、电路形式(要么是双极晶体管，要么是场效应晶体管)，而输出级必须是互补推挽式的射极跟随器(或者是场效应晶体管的源极跟随器)。运算放大器的输入级之所以必须是差分放大器，是因为运算放大器本质上是直接耦合的高增益放大器，所以必然会带来直接耦合放大器不可避免的问题“零漂”，差分放大器优越的共模抑制能力成为运算放大器输入级电路形式的首选。一般来说，差分放大器优越的共模抑制能力实际上是利用了电路结构的对称性，从而抵消了共模形式的漂移和干扰。从图1可以看出，运算放大器的两个输入是平衡的，或者说完全对称的。运算放大器的输出端之所以采用互补推挽形式的跟随器，一是采用跟随器的电路形式，因为它能提供一定的输出电流和较

7、低的输出阻抗。其次，采用互补推挽电路，因为它可以使输出级不仅提供更大的输出电流，还可以实现更小的偏置电流(接近乙类放大器)，有利于降低功耗。1.2运算放大器的参数在运算放大器电路中，输入和的结构可能是影响其特性的最重要因素。例如，以下特征参数直接受其影响:共模输入电阻(RINCM)该参数表示当运算放大器工作在线性区时，输入共模电压与偏置电流变化的比值。直流共模抑制(CMRDC)该参数用于测量运算放大器抑制作用于两个输入信号的DC信号的能力。CMRDC可以利用共模电压范围(CMVR)和与该范围对应的输入失调电压变化的峰峰值来计算:交流共模抑制(CMRAC)交流用于衡量运算放大器抑制施加于两个输入

8、端的相同交流信号的能力，它是差模开环增益除以共模开环增益的函数。CMRAC通常定义在特定频率和整个DC共模电压范围内:获得产品(GBW)增益-带宽积aol *是一个常数，它定义了开环增益与频率的特性曲线中-20dB/ decade的区域。输入偏置电流(IB)这个参数是指运算放大器工作在线性区时，流入流出的整个均匀电流。输入偏置电流温度漂移(TCIB)该参数表示温度变化时输入偏置电流的变化。TCIB通常用pA/ C表示.输入失调电流(IOS)该参数指的是两个输入电流之差。输入失调电流温度漂移(TCIOS)该参数代表温度变化时输入失调电流的变化。TCIOS通常用pA/ C表示.差分输入电阻(RIN

9、)该参数表示输入电压变化与相应输入电流变化的比值，电压变化导致电流变化。当一个输入端测量时，另一个输入端与固定共模电压相连。输出阻抗(ZO)该参数是指运算放大器工作在线性区时，整个输出的等效小信号阻抗。输出电压摆动(VO)此参数指的是在不箝位输出信号的情况下可以实现的最大电压摆幅的峰值。VO一般定义在特定的负载电阻和电源电压下。功耗(Pd)是指器件在给定电源电压下消耗的静态功率，Pd通常是在空载条件下定义的。电源抑制比(PSRR)该参数用于测量运算放大器在电源电压变化时保持输出恒定的能力。PSRR通常用电源电压变化引起的输入失调电压变化来表示:回转率(SR)该参数是指输出电压变化与该变化所需时

10、间之比的最大值。SR通常用V/s表示，有时分别表示为正变化和负变化。当前(国际电算中心，国际直拨电话)该参数是器件在额定电源电压下消耗的静态电流。这些参数通常是在空载条件下定义的。单位增益带宽(BW)此参数指开环增益大于1时运算放大器的最大工作频率。输入失调电压(VOS)该参数表示输出电压为零时需要作用在输入端的电压差。输入失调电压温度漂移(TCVOS)该参数是指温度变化引起的输入失调电压的变化，通常用V/C单位表示。输入电容(CIN)IN是指任何一个运算放大器工作在线性区时输入整个等效电容(另一个输入接地)。输入电压范围(VIN)该参数是指运算放大器正常工作时所承诺的输入电压范围(可以得到预

11、期的结果)。VIN通常在额定电源电压下定义。输入电压噪声密度(en)对于运算放大器，输入电压噪声可视为连接到输入整个串联噪声的任何电压源。eN通常用nV/(每根号，赫兹，Nav)表示，并在特定频率下定义。输入电流噪声密度(iN)对于运算放大器来说，输入电流噪声可以看作是两个噪声电流源，分别接在每个输入端和公共端，通常用pA/表示，并在规定的频率下定义。C共模抑制比1.3运算放大器的应用1.比例电路:所谓比例电路，就是按比例放大输入信号的电路。比例回路分为反比例回路和同比例回路相位比例电路，微分比例电路。(1)反比例电路:比例电路如图3所示。输入信号被加到反相输入端，有图3反比例电路电路图图4同

12、相比例电路电路图,根据基尔霍夫定律，输出电压U0与输入电压Ui成正比，方向相反。改变比例系数，即改变两个电阻的阻值，就可以改变输出电压的值。比例电路对运算放大器的性能也有一定的性能要求。比如对输入信号的负载能力有一定的要求。(2)同向比例电路(图4):它本质上类似于反向比例电路，除了同向接地的部分是反向输入端，它由因此可以通过改变比例系数来改变输出电压，Ui的方向与U0的方向相同。当然也有同向比例回路。某些要求，如集成运算放大器更高的共模抑制比。(3)微分比例电路(图5):输入信号分别施加在反相输入端和同相输入端，具体步骤和前两者几乎相同，所以我们可以看到它实际完成的是:两个输入信号的差分运算

13、。2.和差电路:和差电路也是一种应用广泛的电路。这里有三种电路:反向求和电路和同向求和电路。电路，和差电路。(1)反向求和电路和同向求和电路:两者的区别是输入信号加上反相输入端和同相输入端的差值。反相求和电路如图6所示，反相求和电路如图7所示。图5微分比例电路电路图图6反向求和电路图图7同相和电路电路图虽然相似，但又不一样。反求和电路的特性与反比例电路的特性相同。通过改变某一电路的输入电阻来改变该电路的比例关系，而不影响其他电路的比例关系，是非常方便的。然而，同相求和电路并未得到广泛应用，主要是因为其调节能力不如反相求和电路，并且其共模输入信号很大。(2)和差电路:其电路图如图8所示。该电路的

14、功能是对反相的Ui1和Ui2求和，并对同相的Ui3和Ui4求和。求和，然后进行叠加得到和差结果，图8和差电路电路图由于这种电路采用了集成运算放大器，其电阻计算和电路调整都不方便，所以我们经常采用两级集成运算。组成和差分电路。其电路图如图9所示。图9由次级集成运算放大器组成的和差电路电路图它的后级对前级没有影响(采用理想的集成运算放大器)，计算非常方便。3.积分和差分电路:上面用的元件基本都是电阻元件。如果把中间的电阻换成电容，结果就是积分电路和微分电路。(1)积分电路:如图10电路所示，可以实现积分运算，产生三角波形等。积分操作是将输出电压与输入电压进行积分。它利用电容器的充放电来实现积分运算

15、。如果电路输入的电压波形是方波，将产生三角波输出。(2)差动电路:差分电路和积分电路的区别在于电阻和电容的位置互换。它是微分积分的逆运算，其输出电压与输入电压有微分关系。如图11所示:图10积分电路电路图图11微分电路电路图4.对数和指数运算电路:对数电路使用二极管，二极管最重要的特性是单向导通。在电路中，电流只能从二极管的阳极流入，从阴极流出。对数和指数电路就是利用这个特性实现的。(1)对数运算电路:对数运算电路的输出电压是输入电压的对数函数。我们用二极管代替反比电路中的射频。也就是说，形成了对数运算电路。如图12的电路图所示。图12对数运算电路的电路图图13指数运算电路的电路图其实可以用三

16、极管代替二极管。原理是一样的，只是要多接一条线。(2)指数运算电路:指数运算电路和对数运算电路的区别只是二极管和电阻的位置不同。指数运算电路是对数运算的逆运算，指数运算电路的二极管(二极管)和电阻R可以互换。如电路图13所示第二章是晶体管运算放大器的设计2.1设计目的透彻理解运算放大器的结构，进一步掌握运算放大器的基本原理，以便更好地应用。2.2设计要求电源电压15V输出阻抗8输入电压20mv放大10倍2.3晶体管简介如果在NPN晶体管的基极和发射极之间施加正电压，在集电极和发射极之间施加正电压，电流将如图1.3(a)所示流动。此外，发射极电流IE、集电极电流IC和有效电流IB之间的关系如下I

17、E=IC+IB (1.3)集电极电流与基极电流成正比。IC=hFEIB (1.4)这个比例常数称为“DC电流放大系数”。发射极间电压VBE和有功电流IB之间的关系如图1.3(b)所示。PNP型晶体管，虽然电压和电流方向与NPN型晶体管完全相反，但公式(1.3)和(1.4)与图1.3(b)的关系仍然成立。2.4晶体管运算放大器的设计下图是一个由晶体管组成的简单运算放大器。一般集成运算放大器都是由这个单元电路组成的。NI为正向输入端，INV为反向输入端。电源端和GND之间的两个电容通常称为“旁路电容”，用于降低高频时的电源阻抗。下面我们来详细分析一下这个运放电路。运算放大器电路由以下两级组成:初级

18、:差分放大器电路(Q1，Q2，Q3)级别2:接地发射极放大器电路(Q4、Q5)Q3和Q5分别构成横流电路。恒流电路Q3和Q5分别形成一个横流电路，如图1.7所示。恒流电路指的是电流恒定的电流源，尽管电压会发生变化(图2)。即使集电极和发射极之间的电压VCE改变，Q3和Q5的集电极电流仍然保持一定值。(1)恒流电路(2)恒流源图1.7恒流电路和等效电路接下来，计算Q3的集电极电流。首先求出Q3的发射极电流IE3，为:IE3=(2-VEB3)/R2其中VF为二极管IS1588的直流电压；VEB3是Q3的发射极-基极电压。在室温下，VF和VEB3约为0.6V，因此IE3 = 0.4mA毫安(1.6)

19、此外，从等式(1.3)和(1.4)可以获得ic3 = hfie3/(1+hfe) (1.7)。HFE/(1+hFE)一般称为“基极接地(正向)电流放大系数F”。一般情况下，晶体管Q3的hFE/在70以上，所以F接近1，Q3的集电极电流大致等于发射极电流。发射极电流与集电极-发射极电压VCE无关，而是由等式(1.5)决定，并且几乎完全与F和VCE无关。因此，Q3的集电极电流等于发射极电流，可视为0.4mA的恒流源。首先，初级差分放大器电路图(1)是初级差分放大器电路的等效电路。为简单起见，假设Q2的集电极接一个阻值等于R3的电阻，Q1和Q2的特性相同。在图(1)中，V1-V2是差分输入电压。当差

20、分输入电压为零时，Q1的集电极电流IC1与Q2的集电极电流IC2相同(约0.2mA)。这里，如果V1和V2中的一个或两个发生变化，例如正差分输入电压，则IC1下降，IC2上升，如图(2)所示。(1)初级差分放大器电路(2)的集电极电流相对于差分输入电压的特性图1.8 PNP晶体管差分放大器二、第二级发射极接地放大电路如图1.9所示，图1.4中的Q5充当6mA恒流电路。在实际应用电路中，负载电阻RL连接在OUT端和GND之间，然后反馈电阻连接在OUT端和INV端之间以施加负反馈。图1.9第二个发射器的接地电路在这种状态下，当输入电压为零时，输出电压VO也近似为零，并且流过负载电阻器的电流实际上为

21、零。此时，根据基尔霍夫定律，Q4的集电极电流将为6mA，等于横流电路的电流。如上所述，如果在这里施加正差分输入电压，则Q1的集电极电流将减小，因此第二级Q4的基极电流将减小，并且Q4的集电极电流将成比例地减小，并且等于该减小的正电流将变成流过负载电阻器RL的正输出电流IO，从而产生正输出电压VO，即IO=IC4(1.8)(IC4是Q4的集电极电流增量)VO=IORL2.5实验验证下图是前置放大器的电路图。图1.10前置放大器输入电压Vs被施加到正输入端。输出电压VO被分压并通过R1和R2反馈到反向输入端。此时，分压比R1/(R1+R2)称为反馈率。一般来说，如果运算放大器的输出反馈到反向输入，就会得到负反馈。负反馈后的电压增益Vo/Vs称为闭环增益ACLS。有以下等式VNI =VsVI=VOVO = A(VNI六)可用性ACLS=A/(1+A) (1.10)其中，VNI是正向输入电压；VI为反向输入电压；a是开环增益；是反馈率= R1/(R1+R2)等式(1.1