模拟电子设计技术1

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模拟电子设计技术[1]（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模拟电子设计技术[1]（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模拟电子设计技术[1]（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模拟电子设计技术[1]（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？模拟电子设计技术[1]（3）性能指标测试放大倍数、输入电阻、输出电阻、带宽放大倍数模拟电子设计技术[1]（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=模拟电子设计技术[1]（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实验测试模拟电子设计技术[1]（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：模拟电子设计技术[1]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模拟电子设计技术[1]模拟电子设计技术[1]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，Ao愈大愈好。理想运算放大器Ao为无穷大。模拟电子设计技术[1]3.1.1运算放大器的基本特性

输入偏置电路IIB: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。IIB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VIO: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。模拟电子设计技术[1]

差模输入电阻rid:指的是输入端加入差模信号时，运放芯片的输入呈现的电阻。rid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rid对信号源而言，就相当于它的负载。理想运放的rid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PC：理想运放为零模拟电子设计技术[1]共模抑制比CMRR：反应了芯片对共模信号的抑制能力输入噪声Vn：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）想办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。模拟电子设计技术[1]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

模拟电子设计技术[1]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”虚断虚地虚短模拟电子设计技术[1]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。模拟电子设计技术[1]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ICL7650ICL7650采用大规模集成工艺，输入级使用了MOSFET，输入电阻达1012Ω。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。

模拟电子设计技术[1]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A1、A0两引脚的控制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。

模拟电子设计技术[1]增益可编程运算放大器模拟电子设计技术[1]3.2放大器设计3.2.1负反馈电路图3.2.2为基于运放的闭环负反馈电路的基本结构。它由开环增益为A0的运放，反馈网络组成。图中箭头代表信号流向。

理想闭环增益仅取决于反馈系数β，与运放芯片、电源电压、温度、信号参数等因素无关。这就是闭环负反馈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。

模拟电子设计技术[1]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Ri=R1Ro=0模拟电子设计技术[1]（2）同相输入放大电路输入输出关系:输入电阻:输出电阻:Ri=∞Ro=0模拟电子设计技术[1]（3）差分输入放大电路输入输出关系:如何实现Uo=(Ui2-Ui1)K?R1=R3,R2=R4模拟电子设计技术[1]（3）差分输入放大电路输入输出关系:Ui1Ui2输入电阻无穷大,便携式电子产品中应用模拟电子设计技术[1]（3）差分输入放大电路输入输出关系:R1=R2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模拟电子设计技术[1]（4）精密整流放大电路Ui大于零时,二极管导通情况:D2导通,D1截止Ui小于零时,二极管导通情况:D1导通,D2截止如果:模拟电子设计技术[1]（5）微分电路反馈电流设置在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.实用微分电路RC1=RfC模拟电子设计技术[1]（6）积分电路Cf小于1uF缺点:低频时,电容容抗很大,放大倍数增加.实用积分电路R>>10R1模拟电子设计技术[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。

模拟电子设计技术[1]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）闭环负反馈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

模拟电子设计技术[1]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．放大器反馈回路电阻阻值的选择从减小热噪声的角度，反馈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。

模拟电子设计技术[1]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

模拟电子设计技术[1]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模拟电子设计技术[1]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模拟电子设计技术[1]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A0

2．CMRR的影响3．输入、输出电阻4．输入失调电压

模拟电子设计技术[1]3.2.5放大电路辅助设计软件美国Microchip公司的AmpLABTM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。模拟电子设计技术[1]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）设计技术信息模拟电子设计技术[1]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。模拟电子设计技术[1]图3.3.2四种理想滤波器的频域与时域特性模拟电子设计技术[1]3.3.2FilterLab滤波器辅助设计工具FilterLab2.0是美国Microchip公司推出的一款创新的滤波器免费下载软件。使用该软件避免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1~8。（3）增益1~10。（4）LPF、BPF、HPF三种类型。（5）有塞林凯和多重反馈二种电路形式。（6）通带截止频率（Passbandfrequency）：0.1Hz~1MHz。（7）品质因素Q：0.5~5.0（8）阻带衰减（StopbandAttenuation）：10dB~100dB模拟电子设计技术[1]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S1、S2，电容C1模拟等效的电阻R。其阻值受模拟开关切换频率（时钟频率）fCLK和C1控制。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。C2为积分电容。

模拟电子设计技术[1]开关电容滤波的基本原理在A的正半周，S1闭合、S2断开，电容C1被充电到，在（=1/fCLK）期间所积累的电荷Q=VixC1；平均输入电流ii=VixC1/Tc。其等效模拟电阻为Ri=Vi/ii=1/Cfclk在/A的正半周，S1断开、S2闭合，C1上的电荷将转移至C2。电路的等效时间常数为t=RiC2=C2/C1fCLK模拟电子设计技术[1]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，其误差可控制在1%以内，从而保证了滤波器电参数的稳定性。fCLK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，通过控制fCLK可以有效的控制滤波器的频率特性，如fp。当fCLK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，本身的发展也很迅速。模拟电子设计技术[1]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，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，时钟二分频，时钟CMOS反相器及缓冲运算放大器（仅MAX267/268有）等部分组成。模拟电子设计技术[1]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INA和INB。做陷波N（NotchFilter）、HBP、AP（全通）和BP、LP相应的输出端。M0、M1为工作模式选择端，仅MAX263/264有。五个引脚F0~F4为fCLK/f0之比的编程端。七个引脚Q0~Q6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、APF。（2）MAX267/268只能用做BPF。（3）典型fCLK与f0的范围如表3.3.1所示，MAX267/268仅工作于模式1。模拟电子设计技术[1]内部功能方框图（4）对于MAX263/267而言fclk/f0=(N+32)其中N为F0~F4引脚电平对应的十进制数值。如F4F3F2F1F0=00011B，即N=3。（6）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