模拟电子设计技术

晶体管放大器设计阻容耦合共射放大器设计反馈类型静态工作点稳定原理基本关系式性能指标与测试（1）反馈基本常识正反馈负反馈串联反馈并联反馈电压反馈电流反馈（2）静态工作点自动调节原理与条件条件：I1>>IBQ工作点Q调节过程温度ICQVEQVBEIBQICQ（2）基本关系式基本的电流关系：IB+IC=IEVBQ恒定必要条件：I1>>IBQ硅管：I1＝（5～10）IBQ锗管：I1＝（10～20）IBQVBQ>>Vbe,取VBQ=(5~10)Vbe硅管VBQ=(3~5)V锗管VBQ=(1~3)V（2）基本关系式小信号放大器中，一般ICQ=0.5~2mA,VEQ=(0.2~0.5)VCCRB1、RB2、VCEQ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Ri：反应放大器本身消耗输入信号源功率的大小Ri>>Rs:获取较大电压Ri<<Rs:吸收较大电流Ri＝＝Rs:获取最大功率理论值:Ri=rbe//RB1//RB2实验测试Ri=（3）性能指标测试输出电阻Ro：反应放大器带复杂能力，越小，带负载能力越强，越好理论值:Ro=RC实验测试（3）性能指标测试通频带：BW=fH-fLfH:上限频率，受晶体管影响。fL: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：VCC=12V,RL=3K，Vi=10mV,RS=600欧。要求：Av>40,Ri>1K欧，Ro<3K欧，fL<100Hz,fh>100KHz第一步：选择电路形式和晶体管：8050，9013。β>AV,取β=60第二步：设置静态工作点,计算元件参数Ri(Ri=rbe)>1K,rbe=300+(1+β)26(mV)/lcQ(mA)ICQ<2.2mA,取1.5mA,rbe=1357欧VBQ取3V,RE=(VBQ-VBE)/ICQ=1.53k,取1.5K运算放大器的的基本特性3.1.1运运算放大大器的基本特特性开环增益:直接影响运运算精度和许许多特性指标标，Ao愈大愈好。。理想运算放放大器Ao为无穷大。。3.1.1运运算放大大器的基本特特性输入偏置电路路IIB:表示了运放放输入端正常常工作时需提提供的偏置电电流，它的的大小间接反反映了运放芯芯片的输入电电阻。IIB愈小，输输入电阻愈大大，芯片的温温漂和运算精精度愈高。理理想运放。输入失调电压压VIO:反映了运放放芯片本身输输入级差分对对管的对称程程度，所以当当VI=0时时，VO≠0。为了使，，等效在输入入端施加的补补偿电压（失失调补偿调零零电位器不起起作用时）即即为VIO。。愈小愈好好，理想运放放VIO=0。差模输入电阻阻rid:指的是输入端端加入差模信信号时，运放放芯片的输入入呈现的电阻阻。rid愈大，意味着着从信号源（（或前级电路路）提取的电电能愈小，对对信号源影响响愈小。也就就是rid对信号源而言言，就相当于于它的负载。。理想运放的的rid为无穷大。理想运放输出电阻ro。理想闭环电电路ro=0，ro表征征器件对负载载的驱动能力力。带宽BW，又称单位增增益带宽或增增益带宽积。。指的是当运运放的闭环增增益为1（即即0dB）时时的带宽。一一般增益与带带宽的乘积为为一常数，故故闭环增益愈愈高，实际运运放电路的带带宽愈小。运运放的BW主主要由芯片内内部的器件与与电路决定。。理想运放的的BW为无无穷大。供电电源:单极性，双极极性。理想运运放供电不受受限制。功耗PC：理想运放为零零共模抑制比CMRR：反应了芯片对对共模信号的的抑制能力输入噪声Vn：每个运放都有有内部寄生噪噪声，运放的的噪声是通过过在输出端测测量然后换算算到输入端的的.噪声是一个随随机交流信号号，包含全频频率段的频率率成分，而且且它是运放固固有的，无法法通过在输入入端加上相反反的电压来消消除。为了减减小模拟电路路的噪声，我我们通常能做做的有：1）选择噪声声较小的运放放。2）想想办法减小模模拟地的噪声声。3）使使用高PSRR的线性电电源管理芯片片单独为模拟拟电路供电，，以减小电源源上的噪声。。4）对信信号进行滤波波。5）尽尽量使用10K以下阻值值的电阻，因因为电阻会引引入热噪声，，引入的热噪噪声大小与电电阻值成正比比。电压噪声频谱谱密度是指每平方根根赫兹的有效效(RMS)噪声电压压（通常单位位为nV/））电源抑制比PSRR：输入电源变化化量(以伏为为单位)与转转换器输出变变化量(以伏伏为单位)的的比值，常用用分贝表示运算放大器的的基本特性2．运算放大大器的一个重重要特性—三三“虚”虚断虚地虚短3.1.2几几类常用的运运放放大器1.通用型型运算放大器器通常型运放电电特性一般，，但价格低廉廉，典型代表表有LM741、LM124/224/324（单、双、、四运放封装装），其特性性如表3.1.3和表3.1.2所所示。其中单单运放通常带带有失调补偿偿调整端。此此类运放常用用于低价位电电子产品2.低失调调、低漂移运运算放大器此类运放的电电性能比通用用型的要高，，特别是失调调电压要小得得多，其代表表有OP07/OP27/OP37，它们都是是单运放封装装，其特性参参阅表3.1.2。此类类运放常用在在要求较高的的电路。几类常用的运运放放大器3.低输入入偏压电流运运算放大器此类运放芯片片内部输入为为MOS管，，故很小，输输入电阻很高高。其代表有有TL081/082/084、CA3140、AD594等。此类类运放常用于于高输入阻抗抗级。其中AD549由由于超低的常常用于微弱电电流测量。4.斩波稳稳零型运算放放大器ICL7650ICL7650采用大规规模集成工艺艺，输入级使使用了MOSFET，输输入电阻达1012Ω。电路采用用斩波自动稳稳零及调制与与解调（200Hz）等等措施，使小小至1µV，，温度漂移也也很小，应用用时无须失调调调整，十分分方便。特别别适用于微弱弱信号放大。。几类常用的运运放放大器5.宽带运运算放大器这一类运放以以AD8011、CF357等为代代表，其BW>100MHz，在放放大高频率信信号时必须使使用它们。6.增益可可编程运算放放大器图3.1.4为通过引脚脚可编程增益益的运放PG103。通通过A1、A0两引脚的控制制电平可使运运放的增递分分别为1、10、100。增益误差差在G=10时为±0.05%。失失调电压的温温度系数为2µV/℃。。它有8脚塑塑料DIP和和SO-8两两种封装形式式。类似的还还有AD8520等。增益可编程运运算放大器3.2放放大器设计3.2.1负负反馈电电路图3.2.2为基于运放放的闭环负反反馈电路的基基本结构。它它由开环增益益为A0的运放，反馈馈网络组成。。图中箭头代代表信号流向向。理想闭环环增益仅仅取决于于反馈系系数β，，与运放放芯片、、电源电电压、温温度、信信号参数数等因素素无关。。这就是是闭环负负反馈运运放大电电路增益益稳定性性高，能能有效改改善波形形失真、、频率特特性的根根本原因因。3.2.2基基本放放大电路路输入输出出关系:输入电阻阻:输出电阻阻:(1)反反向放大大电路Ri=R1Ro=0（2）同同相输入入放大电电路输入输出出关系:输入电阻阻:输出电阻阻:Ri=∞Ro=0（3）差差分输入入放大电电路输入输出出关系:如何实现现Uo=(Ui2-Ui1)K?R1=R3,R2=R4（3）差差分输入入放大电电路输入输出出关系:Ui1Ui2输入电阻阻无穷大大,便携携式电子子产品中中应用（3）差差分输入入放大电电路输入输出出关系:R1=R2输入电阻阻无穷大大,完成成双极性性到单极极性放大大.常用用于仪表表放大电电路（4）精精密整流流放大电电路Ui大于零时时,二极极管导通通情况:D2导通,D1截止Ui小于零时时,二极极管导通通情况:D1导通,D2截止如果:（5）微微分电路路反馈电流流设置在在0.1~0.5mA缺点:信信号频率率增加时时,电容容容抗减减小,放放大倍数数增加.对高频频噪声敏敏感.实用微分分电路RC1=RfC（6）积积分电路路Cf小于1uF缺点:低低频时,电容容容抗很大大,放大大倍数增增加.实用积分分电路R>>10R13.2.3放放大电电路设计计要点1．单双双电源运运算放大大器的选选择首先应根根据输入入信号的的极性，，选择单单电源或或双电源源供电的的运放。。只有输输入信号号为单极极性的正正信号时时才能使使用单电电源供电电的运放放。大多多数运放放均要求求双电源源供电才才能正常常工作，，只有少少数如LM324、LM358之类类的运放放允许单单电源供供电。2．电源源去耦运放电源源去耦是是很有必必要的，，特别在在系统总总增益很很高的前前级电路路，更是是不可或或缺。放大电路路设计要要点3．弱信信号放大大的相关关问题从降低噪噪声，提提高信噪噪比以利利于弱信信号放大大的角度度出发，，需注意意以下各各点：（1）选选用低噪噪声的运运算放大大器（2）采采用噪声声极微的的分立元元件FET对管管构成前前置差分分放大电电路（3）闭闭环负反反馈电路路采用阻阻值较低低的线绕绕电阻（4）利利用选频频、滤波波等措施施降低白白噪声放大电路路设计要要点4．宽带带放大当信号频频率较高高或被放放大的是是脉冲信信号时，，采用高高BW、、高SR的运放放显然是是非常必必要的。。为获得得足够的的带宽，，闭环增增益不能能设计得得太高，，一般应应<10。图3.1.2充分分说明了了带宽与与闭环增增益的矛矛盾。需需要注意意的是信信号的带带宽应明明显低于于闭环带带宽。5．放大大器反馈馈回路电电阻阻值值的选择择从减小热热噪声的的角度，，反馈回回路电阻阻的阻值值要尽量量小一些些。但阻阻值过小小会使反反相输入入放大电电路的输输入电阻阻降低。。通常以以千欧数数量级采采用较多多。放大电路路设计要要点6．运算算放大器器的保护护措施图3.2.10运放的保保护电路路图3.2.11运放输出出电压限限幅电路路放大电路路设计要要点7．失调调电压的的补偿由于失调调电压的的存在，，使运放放的零点点不为零零。LM741之类运运放本身身带有补补偿端，，可按图图3.1.1（（b）外外接电位位器W调调整之。。对于无无调零端端的运放放可以采采用图3.2.12电电路来进进行失调调补偿。。图3.2.12运放的外外加调零零电路放大电路路设计要要点8．扩展展输出电电流与扩扩展输出出电压9．注意意运放的的稳定性性10．优优良的工工艺是放放大器质质量的保保证3.2.4运运算放放大器的的参数对对放大器器性能的的影响工程上设设计一个个放大器器往往是是以理想想运放为为依据，，根据简简化的公公式进行行。当设设计一个个精密放放大或运运算电路路时，实实际运放放参数的的影响不不可忽略略。1．开环环增益A02．CMRR的的影响3．输入入、输出出电阻4．输入入失调电电压3.2.5放放大电电路辅助助设计软软件美国Microchip公司司的AmpLABTM运算放大大器电路路的辅助助设计软软件，可可用于同同相、反反相和由由二个运运放构成成的仪表表放大器器三种放放大电路路的设计计。在选选定放大大电路类类型后，，只要输输入相关关参数，，就可以以自动获获得设计计好的电电路，并并可产出出文本格格式的SPICE模模型。该该软件还还可以提提供一般般的建议议、不同同工作温温度时应应考虑的的事项以以及可能能遇到的的陷阱。。放大电路路辅助设设计软件件电路的设设计分三三个步骤骤：（1）电电路的选选择与参参数的设设定（2）设设计结果果输出（3）设设计技术术信息3.3滤滤波波器设计计3.3.1滤滤波器器的基本本特性滤波器是是一种频频域变换换电路。。它能让让指定频频段的信信号顺利利通过，，甚至还还能放大大，而对对非指定定频段的的信号予予以衰减减。仅仅采用用R、L、C元元件组成成的滤波波器称无无源滤波波器，含含有晶体体管或运运算放大大器的称称为有源源滤波器器，后者者的储能能元件只只用电容容器C。。图3.3.2四四种种理想滤滤波器的的频域与与时域特特性3.3.2FilterLab滤波器器辅助设设计工具具FilterLab2.0是是美国Microchip公公司推出出的一款款创新的的滤波器器免费下下载软件件。使用用该软件件避免了了传统滤滤波器设设计的繁繁琐计算算。使设设计大大大简化。。该软件所所设计的的滤波器器具有：：（1）巴巴特沃斯斯、贝塞塞尔、切切比雪夫夫三种类类型，其其中贝塞塞尔只有有LPF一类滤滤波器。。（2）阶阶数1~8。（3）增增益1~10。。（4）LPF、、BPF、HPF三种种类型。。（5）有有塞林凯凯和多重重反馈二二种电路路形式。。（6）通通带截止止频率（（Passbandfrequency）：0.1Hz~1MHz。（7）品品质因素素Q：0.5~5.0（8）阻阻带衰减减（StopbandAttenuation）：10dB~100dB3.3.3开开关电电容滤波波器1．开关关电容滤滤波的基基本原理理图3.3.13（a））的简单单一阶LBP/滤波器器，通带带截止频频率fp=1/2πττ，ττ=RC。。与其特特性相同同的开关关电容滤滤波器由由MOS模拟开关关，集成成电容和和运放OA组成成，如图图（b））所示。。模拟开开关S1、S2，电容C1模拟等效效的电阻阻R。其阻值值受模拟拟开关切切换频率率（时钟钟频率））fCLK和C1控制。图图（b））中驱动动两只模模拟开关关的时钟钟信号分分别为A和/A，两者者反相。。C2为积分电电容。开关电容容滤波的的基本原原理在A的正正半周，，S1闭合、S2断开，电电容C1被充电到到，在（（=1/fCLK）期间所所积累的的电荷Q=VixC1；平均输入入电流ii=VixC1/Tc。其等效效模拟电电阻为Ri=Vi/ii=1/Cfclk在/A的的正半周周，S1断开、S2闭合，C1上的电荷荷将转移移至C2。电路的等等效时间间常数为为t=RiC2=C2/C1fCLK开关电容容滤波的的基本原原理在集成芯芯片制造造时，两两个电容容之比可可视为两两个电容容的面积积之比，，其误差差可控制制在1%以内，，从而保保证了滤滤波器电电参数的的稳定性性。fCLK可以很容易的的改变τ，，相对也比较较容易得到等等效的较大容容量的电容。。当然，通过过控制fCLK可以有效的控控制滤波器的的频率特性，，如fp。当fCLK由晶振振荡器器提供时，更更是保证了滤滤波器电参数数的稳定性和和准确性。由由于上述优点点，加上结构构简便，使用用灵活，使其其得到愈来愈愈广泛的应用用，本身的发发展也很迅速速。2．引脚可编编程的开关电电容滤波器MAX263/264/267/268图3.3.14为该系列列滤波器的内内部方框图。。它由两个二二阶开关电容容滤波器，f0（中心频率））逻辑控制，，品质因数Q逻辑控制，，工作模式（（MODE））处理，时钟钟二分频，时时钟CMOS反相器及缓缓冲运算放大大器（仅MAX267/268有））等部分组成成。内部功能方框框图两个二阶滤波波器可以串接接级联。信号号输入端分别别为INA和INB。做陷波N（（NotchFilter）、HBP、AP（全通）和和BP、LP相应的输出出端。M0、M1为工作模式选选择端，仅MAX263/264有有。五个引脚脚F0~F4为fCLK/f0之比的编程端端。七个引脚脚Q0~Q6为两个滤波器器各自品质因因数值的编程程端。外部时时钟可用CLKA、CLKB引入，，也可由CLKA、OSC、OUT外接石英晶晶振产生。MAX267/268内内部还设有一一个缓冲运放放。该系列开关电电容滤波器有有如下特点：：（1）MAX263/264可用做做LPF、HPF、BPF、NF、、APF。（2）MAX267/268只能用用做BPF。。（3）典型fCLK与f0的范围如表3.3.1所所示，MAX267/268仅工作作于模式1。。内部功能方框框图（4）对于MAX263/267而而言fclk/f0=(N+32)其中N为F0~F4引脚电电平对对应的的十进进制数数值。。如F4F3F2F1F0=00011B，即即N=3。。（6））有相相应滤滤波器器设计计软件件（7））可以以单电电源或或双电电源±±5V供电电。（8））器件件封装装如图图3.3.15所示示。类似的的开关关电容容滤波波器还还有LINEAR公公司的的LTC1068系系列芯芯片，，它最最多可可实现现8阶阶LPF、、HPF、、BPF、、BEF。。频率率范围围0.5Hz~200kHz。也也有相相应FilterCAD支持持。3．MAX263/264/267/268设设计要要点（1））两个个二阶阶滤波波器级级联，，电路路的总总品质质因素素为Q2。（2））内部部滤波波器的的Q值也是是电路路电压压增益益值，，故二二级级级联，，芯片片总增增益为为Q2。应用用设计计时必必须注注意到到这一一点。。必要要时输输入端端应加加衰减减器。。（3））单电电源供供电，，Qn、Fn低电平