2016ti杯电子竞赛实用的2012年培训

2023/6/21模拟电路部分培训2023/6/22内容放大器设计1滤波器设计2直流稳压电源设计32023/6/23放大器设计部分基本原理以及基本电路设计电路注意事项实战分析2023/6/24放大器基本原理

运算放大器一般由4个部分组成，偏置电路，输入级，中间级，输出级，其中输入级一般是采用差动放大电路（抑制电源），中间级一般采用有源负载的共射负载电路（提高放大倍数），输出级一般采用互补对称输出级电路（提高电路驱动负载的能力）。2023/6/25OP运放分类按照功能/性能分类，模拟运算放大器一般可分为通用运放、低功耗运放、精密运放、高输入阻抗运放、高速运放、宽带运放、高压运放，另外还有一些特殊运放，例如电流运放、电压跟随器等等。实际上由于为了满足应用需要，运放种类极多。竞赛涉及的主要是：通用运放、输入阻抗运放、高速宽带运放和程控运放。2023/6/26放大电路分类反相运放特点：1.输入输出反相；2.降低输入阻抗；2023/6/27仿真实例增益调节可以采用可调电位器，但是范围不宜过大，实现困难；大幅度调节可以采用切换的方式以及T型网络方法，电阻R3和R4做成可调电位器。2023/6/28放大电路分类同相运放特点：输入电阻高，输出电阻小，带负载能力强2023/6/29关于平衡电阻对于高精度，小漂移的放大电路来说，平衡电阻必不可少。运放的输入端是差分电路，对于差分电路的两个输入端来说，如果偏置电阻不等，偏置电流带来的压差就会造成人为干扰信号，导致精度降低。2023/6/210仿真实例2023/6/211加减法器2023/6/212跟随器电压跟随器作用：为了匹配功率或者阻抗采用的方法。比如输入信号虽然幅度够，但是带负载能力差，为了能有效驱动负载，就得加一级跟随。这个跟随也用来隔离后级对前级造成的干扰。2023/6/213放大器设计的注意事项运放选型问题电压要稳定：参考电压、控制电压输入阻抗小：前级加跟随器器件在一点接地外部器件尽量靠近运放

2023/6/214运放选型问题根据设计要求高精度要求-低漂移运放音响放大-宽带高速运放积分电路-高阻抗运放2023/6/215供电问题

通常单电源供电的电压一般是5V，这时运放的输出电压摆幅会更低。因此，在单电源供电的电路中使用的运放基本上都是Rail－To－Rail的运放，这样就消除了丢失的动态范围。但同时需要注意器件参考手册是否输入输出都支持轨到轨。

2023/6/216单电源供电电路电容C1是一个低通滤波器，用来减少从电源上传来的噪声。单电源工作的运放需要外部提供一个虚地，通常情况下，这个电压是VCC/2，2023/6/217单电源供电2023/6/218Cin被用来阻止电路产生直流放大，这样电路就只会对交流产生放大作用。2023/6/219电阻选择一般的来说普通的应用中阻值在K欧级到100K欧级是比较合适的。高速的应用中阻值在100欧级到1K欧级，但他们会增大电源的消耗。在高的阻值的电阻精度差，并且会导致整体电路的抗干扰性能差。2023/6/220运放的消振问题输入级中间级增益高，即时很小的PN结电容也有可能带来很大的附加相移，如果累加打到180度，那么低频时是负反馈，在高频时就成为正反馈。负反馈越深，正反馈就越强。内补偿：一般来说容量大，造成运放高频增益下降。频带变窄。外补偿：灵活，根据增益高低选择补偿电容。2023/6/221运放调零问题输入为零，输出不为零。称之为失调。运放的调零端一般从集成电路的差分级负载处引入。外部管脚会有调零端。没有调零端的运放可以接外部调零电路。运放在使用前也应进行调零，判断芯片是否正常工作。2023/6/222宽带放大器设计2010年TI杯模拟电子系统专题邀请赛试题宽带放大器（A题）一、任务

设计制作一个5V单电源供电的宽带低噪声放大器，输出为50Ω阻性负载。二、要求

1．基本要求 （1）限定采用高速运算放大器OPA820ID作为第一级放大电路，THS3091D作为末级放大电路，利用DC-DC变换器TPS61087DRC为末级放大电路供电； （2）放大器电压增益≧40dB(100倍)，并尽量减小带内波动； （3）在最大增益下，放大器下限截止频率不高于20Hz，上限截止频率不低于5MHz； （4）在输出负载上，放大器最大不失真输出电压峰峰值≥10V。

2．发挥部分 （1）在达到40dB电压增益的基础上，提高放大器上限截止频率，使之不低于10MHz； （2）尽可能降低放大器的输出噪声； （3）放大器输入为正弦波时，可测量并数字显示放大器输出电压的峰峰值和有效值，输出电压（峰峰值）测量范围为0.5～10V，测量相对误差小于5%； （4）其他。2023/6/223课题解析课题性质：信号处理课题主要任务：实现弱信号放大，放大器电压增益≧40dB(100倍)同时放大器具有较大带宽，20Hz---5MHz涉及知识点：电压放大器设计，频率特性，DC-DC升压变换器课题设计过程（1）分析题目指标，功能，基本部分和发挥部分（1）方案设计及论证（2）熟悉芯片特性及应用（3）确定电路图基本技能要求：电路的焊接制作，电子电路的抗干扰措施，常用仪器设备的操作和使用（万用表、信号源、示波器）；单片机应用。

2023/6/224方案论证基本部分：放大前置放大vi末级放大vo中间放大2023/6/225OPA842三级1000倍放大电路2023/6/226电源供电部分5V以及15V单电源供电2023/6/227加入数显部分通频带范围中有高低频部分。2023/6/228宽带运放设计抗干扰措施在进行高频小信号的放大的时候，频带比较宽，当电路工作于较高的频带时很容易引起自激等不良现象，因此要采取各种抗干扰措施。抗干扰主要措施如下：第一，在电路布线时应尽可能使数字电路部分与模拟电路部分隔离；第二，信号传输屏蔽，信号之间尽量用焊接法，减少用夹子夹或是插拔接头，信号传输使用同轴线，接头使用SMA接头；第三，整个系统除信号输入、输出接口外全部用金属外壳屏蔽。

2023/6/229SMA接头2023/6/230可调增益设计

AGC电路常用在接收机的中频或视频放大器中，其作用是当输入信号较强时，使放大器增益自动降低；当信号较弱时，又使其增益自动增高，从而保证在AGC作用范围内输出电压的均匀性，故AGC电路实质是一个负反馈电路。2023/6/231AGC可选方案方案一：采用电压负反馈放大电路，反馈电阻采用数字电位器（如：具有1024个滑动端位置的X9110、X9111等）改变电阻值的大小达到调节增益的目的，电路复杂，控制麻烦。方案二：利用DAC集成芯片（如：AD7520)构成的程控放大器，通过数字量改变调节增益。该电路对其基准电压及输入电压范围有要求，且带宽只有几kHz。方案三：采用BJT多级放大电路实现增益放大，对输出采用二极管检波产生反馈电压调节电路增益，实现AGC。该分立元件电路结构复杂、Q点难调，稳定性差，增益分级调节困难。方案四：采用可控增益放大器（如：AD603等）。其电压增益的大小由输入控制电压决定，该控制电压可由单片机最小系统产生。一级AD603放大电路可以提供90MHz以上带宽，11dB~31dB的增益调节，可以采用多级AD603放大电路级联，确保参数的实现。2023/6/232两级AD603和单片机构成的输出稳定AGC放大器2023/6/233电路制作要求要点：弱小信号的传输过程中干扰的存在；直流电源中的纹波的影响；数、模混合系统中的共地问题。弱小交流信号的传输应使用同轴电缆，对干扰信号具有屏蔽的作用；在电路中的直流电压输入端应加退耦电容，以消除电源电压纹波或传输带来的干扰信号；数、模电路混合使用时应遵循“一点共地“的原则。2023/6/234有源滤波器设计基本原理---频率特性（b）高通(a）低通（d）带阻(c)带通2023/6/235滤波器的用途

滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。

2023/6/236滤波器的主要技术指标（1）通带增益Avp

通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数，如图所示。性能良好的LPF通带内的幅频特性曲线是平坦的，阻带内的电压放大倍数基本为零。

（2）通带截止频率fp

其定义与放大电路的上限截止频率相同。见图自明。通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。

2023/6/237常见的滤波器电路（基本）一阶滤波器2023/6/238二阶滤波器2023/6/239二阶高通滤波器

(1)通带增益(2)传递函数2023/6/240带通滤波器带通滤波器是由低通RC环节和高通RC环节组合而成的。要将高通的下限截止频率设置的小于低通的上限截止频率。反之则为带阻滤波器。2023/6/241带通滤波性能参数通带增益通带宽度中心频率选择性

2023/6/242文氏滤波器文氏滤波器对所有的频率都有相同的增益，但是它可以改变信号的相角，同时也用来做相角修正电路。

对频率是F的信号有90度的相移，对直流的相移是0度，对高频的相移是180度。

2023/6/243

Sallen－Key滤波器

一种流行的、广泛应用的二阶滤波器。他的成本很低，仅需要一个运放和四个无源器件组成。单位增益的电路，改变Sallen－Key滤波器的增益同时就改变了滤波器的幅频特性和类型。实际上Sallen－Key滤波器就是增益为1的Butterworth滤波器。

2023/6/244双运放滤波2023/6/245滤波器设计步骤及注意点1.滤波器的特殊频率截止频率，中心频率2.滤波器电路的增益3.带通滤波器和带阻滤波器的的Q值4.低通和高通滤波器的类型(Butterworth、Chebyshev、Bessell)2023/6/246电源变压器:将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。整流电路:将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。滤波电路:将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。稳压电路:清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压uo的稳定。直流稳压电源设计—基本原理整流电路滤波电路稳压电路u1u2u3u4uo2023/6/247整流电路u1u2TD3D2D1D4RLuo组成：由四个二极管组成桥路RLD1D3D2D4u2uou2uo2023/6/248u2>0时D1,D4导通D2,D3截止电流通路:a

D1RLD4bu2<0时D2,D3导通D1,D4截止电流通路:bD2RLD4au2D3D2D1D4RLuoab整流输出电压平均值：

Uo=0.9U2负载电流平均值:Io=Uo/RL=0.9U2/RL

二极管平均电流：ID=Io/2二极管最大反向电压：DRM22UU=u2uD2,uD3uD1,uD4uo整流电路2023/6/249集成硅整流桥：u2uo+

–

~+~-

+–2023/6/250整流电路的主要参数

1.整流输出电压的平均值uo20t2.脉动系数Ｓ整流输出电压的基波峰值Uo1M与Uo平均值之比。S越小越好。3.二极管平均电流与反向峰值电压oDII21=2023/6/251滤波电路滤波电路的结构特点:

电容与负载RL并联，或电感与负载RL串联。交流电压脉动直流电压整流滤波直流电压RLLRLC2023/6/252RL未接入时(忽略整流电路内阻)u2tuot设t1时刻接通电源t1整流电路为电容充电充电结束没有电容时的输出波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCuc2023/6/253RL接入（且RLC较大）时(忽略整流电路内阻)u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCu2tuot无滤波电容时的波形加入滤波电容时的波形2023/6/254一般取)105(TCRτL-³=(T:电源电压的周期)近似估算:Uo=1.2U2Io=Uo/RL(b)流过二极管瞬时电流很大RLC越大Uo越高负载电流的平均值越大;

整流管导电时间越短iD的峰值电流越大电容滤波电路的特点(a)输出电压平均值Uo与时间常数RLC有关RLC愈大电容器放电愈慢Uo(平均值)愈大(c)二极管承受的最高反向电压2023/6/255稳压电路稳压电路的作用:交流电压脉动直流电压整流滤波有波纹的直流电压稳压直流电压2023/6/256稳压电源类型:常用电路稳压管稳压电路开关型稳压电路线性稳压电路常用稳压电路(小功率设备)电路最简单，但是带负载能力差，一般只提供基准电压，不作为电源使用。效率较高，目前用的也比较多。2023/6/257类型：按调整管与负载的接法分并联型稳压电路串联型稳压电路按调整管的工作状态分线性稳压电路开关稳压电路线性集成稳压电路分三端固定输出三端可调输出2023/6/258稳压电路的主要性能指标一、特性指标二、质量指标1.输入电压及其变化范围2.输出电压及其可调范围3.额定输出电流及过流保护电流1.稳压系数

Sr稳压系数、电压调整率、电流调整率、输出电阻、温度系数、纹波电压及纹波抑制比2023/6/2592.电压调整率SU或定义为：负载电流和温度不变，输入电压变化10%时输出电压的变化量。3.电流调整率SI当输入电压和温度不变，输出电流从0变化到最大时输出电压的相对变化量。4.输出电阻Ro或定义为：恒温且输入电压不变，负载电流变化10%时引起的输出电压变化量。2023/6/2605.温度系数ST6.纹波电压及纹波抑制比Sinp纹波电压：叠加在直流输出电压上的交流电压，通常用