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1、晶體管放大器設計,阻容耦合共射放大器設計,反響類型,靜態(tài)工作點穩(wěn)定原理,基本關(guān)系式,性能指標與測試,,,（1）反響基本常識,正反響,負反響,串聯(lián)反響,并聯(lián)反響,電壓反響,電流反響,,,（2）靜態(tài)工作點自動調(diào)節(jié)原理與條件,條件：I,1,>>I,BQ,工作點Q調(diào)節(jié)過程,溫度,I,CQ,V,EQ,V,BE,I,BQ,I,CQ,,,（2）基本關(guān)系式,基本的電流關(guān)系：,I,B,+I,C,=I,E,V,BQ,恒定必要條件：I,1,>>I,BQ,硅管：I,1,＝（5～10）I,BQ,鍺管：I,1,＝（10～20）I,BQ,V,BQ,>>V,be,,取V,BQ,=(5~10)V,be,硅管V,BQ,=(3~5

2、)V,鍺管V,BQ,=(1~3)V,,,（2）基本關(guān)系式,小信號放大器中，一般I,CQ,=0.5~2mA, V,EQ,=(0.2~0.5)V,CC,R,B1,、R,B2,、V,CEQ,估算？,,,（3）性能指標測試,放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻、帶寬,放大倍數(shù),,,（3）性能指標測試,輸入電阻R,i,：反響放大器本身消耗輸入信號源功率的大小,R,i,>>R,s,:獲取較大電壓,R,i,<

3、帶負載能力越強，越好,理論值:R,o,=R,C,實驗測試,,,（3）性能指標測試,通頻帶：BW=f,H,-f,L,f,H,:上限頻率，受晶體管影響。,f,L,:下限頻率，受電路耦合電容和旁路電容的影響,工程計算：,,,設計實例分析,設計一個阻容耦合單級晶體管放大器，已知：,V,CC,=12V,R,L,=3K，V,i,=10mV,R,S,=600歐。要求：,A,v,>40,R,i,>1K歐，R,o,<3K歐，f,L,<100Hz,f,h,>100KHz,第一步：選擇電路形式和晶體管：8050，9013。,β>A,V,,取,β,=60,第二步：設置靜態(tài)工作點,計算元件參數(shù),R,i,(R,i,=r,

4、be,)>1K,r,be,=300+(1+,β,)26(mV)/l,cQ,(mA),I,CQ,<2.2mA,取1.5mA,r,be,=1357歐,V,BQ,取3V,R,E,=(V,BQ,-V,BE,)/I,CQ,=1.53k,取1.5K,,,運算放大器的基本特性,3.1.1 運算放大器的基本特性,開環(huán)增益:直接影響運算精度和許多特性指標，,A,o愈大愈好。理想運算放大器,A,o為無窮大。,,,3.1.1 運算放大器的基本特性,輸入偏置電路I,IB,:表示了運放輸入端正常工作時需提供的偏置電流 ，它的大小間接反映了運放芯片的輸入電阻。,I,IB愈小，輸入電阻愈大，芯片的溫漂和運算精度愈高。理

5、想運放。,輸入失調(diào)電壓V,IO,:反映了運放芯片本身輸入級差分對管的對稱程度，所以當VI=0時，VO≠0。為了使，等效在輸入端施加的補償電壓（失調(diào)補償調(diào)零電位器不起作用時）即為VIO 。愈小愈好，理想運放VIO =0。,,,差模輸入電阻,r,id,:指的是輸入端參加差模信號時，運放芯片的輸入呈現(xiàn)的電阻。,r,id,愈大，意味著從信號源（或前級電路）提取的電能愈小，對信號源影響愈小。也就是,r,id,對信號源而言，就相當于它的負載。理想運放的,r,id,為無窮大。,理想運放輸出電阻ro。理想閉環(huán)電路ro=0，ro表征器件對負載的驅(qū)動能力。,帶寬BW，又稱單位增益帶寬或增益帶寬積。指的是當運放的閉

6、環(huán)增益為1（即0dB）時的帶寬。一般增益與帶寬的乘積為一常數(shù)，故閉環(huán)增益愈高，實際運放電路的帶寬愈小。運放的BW主要由芯片內(nèi)部的器件與電路決定。理想運放的BW 為無窮大。,供電電源:單極性，雙極性。理想運放供電不受限制。,功耗P,C,：理想運放為零,,,共模抑制比CMRR：反響了芯片對共模信號的抑制能力,輸入噪聲V,n,：,每個運放都有內(nèi)部寄生噪聲，運放的噪聲是通過在輸出端測量然后換算到輸入端的,.,噪聲是一個隨機交流信號，包含全頻率段的頻率成分，而且它是運放固有的，無法通過在輸入端加上相反的電壓來消除。為了減小模擬電路的噪聲，我們通常能做的有： 1）選擇噪聲較小的運放。 2）想方法減小模擬地

7、的噪聲。 3）使用高PSRR的線性電源管理芯片單獨為模擬電路供電，以減小電源上的噪聲。 4）對信號進行濾波。 5）盡量使用10K以下阻值的電阻，因為電阻會引入熱噪聲，引入的熱噪聲大小與電阻值成正比。,,,電壓噪聲頻譜密度,是指每平方根赫茲的有效(RMS) 噪聲電壓（通常單位為nV/ ）,,電源抑制比PSRR：,輸入電源變化量(以伏為單位)與轉(zhuǎn)換器輸出變化量(以伏為單位)的比值，常用分貝表示,,,,運算放大器的基本特性,2．運算放大器的一個重要特性—三“虛”,虛斷,虛地,虛短,,,3.1.2幾類常用的運放放大器,1. 通用型運算放大器,通常型運放電特性一般，但價格低廉，典型代表有LM741

8、、LM124/224/324（單、雙、四運放封裝），其特性如表3.1.3和表3.1.2所示。其中單運放通常帶有失調(diào)補償調(diào)整端。此類運放常用于低價位電子產(chǎn)品,2. 低失調(diào)、低漂移運算放大器,此類運放的電性能比通用型的要高，特別是失調(diào)電壓要小得多，其代表有OP07/OP27/OP37，它們都是單運放封裝，其特性參閱表3.1.2。此類運放常用在要求較高的電路。,,,幾類常用的運放放大器,3. 低輸入偏壓電流運算放大器,此類運放芯片內(nèi)部輸入為MOS管，故很小，輸入電阻很高。其代表有TL081/082/084、CA3140、AD594等。此類運放常用于高輸入阻抗級。其中AD549由于超低的常用于微弱電流

9、測量,。,4. 斬波穩(wěn)零型運算放大器ICL7650,ICL7650采用大規(guī)模集成工藝，輸入級使用了MOSFET，輸入電阻達10,12,Ω。電路采用斬波自動穩(wěn)零及調(diào)制與解調(diào)（200Hz）等措施，使小至1μV，溫度漂移也很小，應用時無須失調(diào)調(diào)整，十分方便。特別適用于微弱信號放大。,,,,幾類常用的運放放大器,5. 寬帶運算放大器,這一類運放以AD8011、CF357等為代表，其BW>100MHz，在放大高頻率信號時必須使用它們。,6. 增益可編程運算放大器,圖3.1.4為通過引腳可編程增益的運放PG103。通過A,1,、A,0,兩引腳的操作電平可使運放的增遞分別為1、10、100。增益誤差在G=1

10、0時為±0.05%。失調(diào)電壓的溫度系數(shù)為2μV/℃。它有8腳塑料DIP和SO-8兩種封裝形式。類似的還有AD8520等。,,,,增益可編程運算放大器,,,3.2 放大器設計,3.2.1 負反響電路,圖3.2.2為基于運放的閉環(huán)負反響電路的基本結(jié)構(gòu)。它由開環(huán)增益為,A,0,的運放，反響網(wǎng)絡組成。圖中箭頭代表信號流向。,,理想閉環(huán)增益僅取決于反響系數(shù)β，與運放芯片、電源電壓、溫度、信號參數(shù)等因素無關(guān)。這就是閉環(huán)負反響運放大電路增益穩(wěn)定性高，能有效改善波形失真、頻率特性的根本原因。,,,,3.2.2 基本放大電路,輸入輸出關(guān)系:,輸入電阻:,輸出電阻:,(1)反向放大電路,R,i,=R,1,R

11、,o,=0,,,（2）同相輸入放大電路,輸入輸出關(guān)系:,輸入電阻:,輸出電阻:,R,i,=,∞,R,o,=0,,,（3）差分輸入放大電路,輸入輸出關(guān)系:,如何實現(xiàn),U,o,=(U,i2,-U,i1,)K,?,R,1,=R,3,,R,2,=R,4,,,（3）差分輸入放大電路,輸入輸出關(guān)系:,U,i1,U,i2,輸入電阻無窮大,便攜式電子產(chǎn)品中應用,,,（3）差分輸入放大電路,輸入輸出關(guān)系:,R,1,=R,2,輸入電阻無窮大,完成雙極性到單極性放大.常用于儀表放大電路,,,（4）精密整流放大電路,U,i,大于零時,二極管導通情況:,D,2,導通,D,1,截止,U,i,小于零時,二極管導通情況:,D

12、,1,導通,D,2,截止,如果:,,,（5）微分電路,反響電流設置在0.1~0.5mA,缺點:信號頻率增加時,電容容抗減小,放大倍數(shù)增加.對高頻噪聲敏感.,有用微分電路,RC,1,=R,f,C,,,（6）積分電路,C,f,小于1uF,缺點:低頻時,電容容抗很大,放大倍數(shù)增加.,有用積分電路,R>>10R,1,,,3.2.3 放大電路設計要點,1．單雙電源運算放大器的選擇,首先應根據(jù)輸入信號的極性，選擇單電源或雙電源供電的運放。只有輸入信號為單極性的正信號時才能使用單電源供電的運放。大多數(shù)運放均要求雙電源供電才能正常工作，只有少數(shù)如LM324、LM358之類的運放允許單電源供電。,2．電源去耦

13、,運放電源去耦是很有必要的，特別在系統(tǒng)總增益很高的前級電路，更是不可或缺。,,,,放大電路設計要點,3．弱信號放大的相關(guān)問題,,從降低噪聲，提高信噪比以利于弱信號放大的角度出發(fā)，需注意以下各點：,（1）選用低噪聲的運算放大器,（2）采用噪聲極微的分立元件FET對管構(gòu)成前置差分放大電路,（3）閉環(huán)負反響電路采用阻值較低的線繞電阻,（4）利用選頻、濾波等措施降低白噪聲,,,,放大電路設計要點,4．寬帶放大,當信號頻率較高或被放大的是脈沖信號時，采用高BW、高SR的運放顯然是非常必要的。為獲得足夠的帶寬，閉環(huán)增益不能設計得太高，一般應<10。圖3.1.2充分說明了帶寬與閉環(huán)增益的矛盾。需要注意的是信

14、號的帶寬應明顯低于閉環(huán)帶寬。,5．放大器反響回路電阻阻值的選擇,從減小熱噪聲的角度，反響回路電阻的阻值要盡量小一些。但阻值過小會使反相輸入放大電路的輸入電阻降低。通常以千歐數(shù)量級采用較多。,,,,放大電路設計要點,6．運算放大器的保護措施,圖,3.2.10,運放的保護電路,,圖,3.2.11,運放輸出電壓限幅電路,,,,放大電路設計要點,7．失調(diào)電壓的補償,由于失調(diào)電壓的存在，使運放的零點不為零。LM741之類運放本身帶有補償端，可按圖3.1.1（b）外接電位器W調(diào)整之。對于無調(diào)零端的運放可以采用圖3.2.12電路來進行失調(diào)補償。,,圖,3.2.12,運放的外加調(diào)零電路,,,放大電路設計要點,

15、8．擴展輸出電流與擴展輸出電壓,9．注意運放的穩(wěn)定性,10．優(yōu)良的工藝是放大器質(zhì)量的保證,,,3.2.4 運算放大器的參數(shù)對放大器性能的影響,工程上設計一個放大器往往是以理想運放為依據(jù)，根據(jù)簡化的公式進行。當設計一個精密放大或運算電路時，實際運放參數(shù)的影響不可忽略。,,1．開環(huán)增益A,0,,2．CMRR的影響,3．輸入、輸出電阻,4．輸入失調(diào)電壓,,,,3.2.5 放大電路輔助設計軟件,Microchip公司的AmpLAB,TM,運算放大器電路的輔助設計軟件，可用于同相、反相和由二個運放構(gòu)成的儀表放大器三種放大電路的設計。在選定放大電路類型后，只要輸入相關(guān)參數(shù)，就可以自動獲得設計好的電路，

16、并可產(chǎn)出文本格式的SPICE 模型。該軟件還可以提供一般的建議、不同工作溫度時應考慮的事項以及可能遇到的陷阱。,,,放大電路輔助設計軟件,電路的設計分三個步驟：,（1）電路的選擇與參數(shù)的設定,（2）設計結(jié)果輸出,（3）設計技術(shù)信息,,,3.3 濾波器設計,3.3.1 濾波器的基本特性,,濾波器是一種頻域變換電路。它能讓指定頻段的信號順利通過，甚至還能放大，而對非指定頻段的信號予以衰減。,僅僅采用R、L、C元件組成的濾波器稱無源濾波器，含有晶體管或運算放大器的稱為有源濾波器，后者的儲能元件只用電容器C 。,,,圖3.3.2 四種理想濾波器的頻域與時域特性,,,3.3.2 FilterLa

17、b濾波器輔助設計工具,FilterLab2.0是 Microchip公司推出的一款創(chuàng)新的濾波器免費下載軟件。使用該軟件防止了傳統(tǒng)濾波器設計的繁瑣計算。使設計大大簡化。,該軟件所設計的濾波器具有：,（1）巴特沃斯、貝塞爾、切比雪夫三種類型，其中貝塞爾只有LPF一類濾波器。,（2）階數(shù)1~8。,（3）增益1~10。,（4）LPF、BPF、HPF三種類型。,（5）有塞林凱和多重反響二種電路形式。,（6）通帶截止頻率（Passband frequency）：0.1Hz~1MHz。,（7）品質(zhì)因素Q：0.5~5.0,（8）阻帶衰減（Stopband Attenuation）：10dB~100dB,,

18、,3.3.3 開關(guān)電容濾波器,1．開關(guān)電容濾波的基本原理,圖3.3.13（a）的簡單一階LBP/濾波器，通帶截止頻率fp=1/2πτ ， τ =RC。與其特性相同的開關(guān)電容濾波器由,MOS,模擬開關(guān)，集成電容和運放OA組成，如圖（b）所示。模擬開關(guān)S,1,、S,2,，電容C,1,模擬等效的電阻,R,。其阻值受模擬開關(guān)切換頻率（時鐘頻率）,f,CLK,和,C,1,操作。圖（b）中驅(qū)動兩只模擬開關(guān)的時鐘信號分別為A和/A，兩者反相。,C,2,為積分電容。,,,,開關(guān)電容濾波的基本原理,在A的正半周，,S,1,閉合、,S,2,斷開，電容,C,1,被充電到，在（=1/,f,CLK,）期間所積累的電荷

19、Q=VixC1；,平均輸入電流i,i,= V,i,xC1/T,c,。其等效模擬電阻為,R,i,=V,i,/i,i,=1/Cf,clk,在/A的正半周，,S,1,斷開、,S,2,閉合，,C,1,上的電荷將轉(zhuǎn)移至,C,2,。,電路的等效時間常數(shù)為t=R,i,C2=C2/C1f,CLK,,,開關(guān)電容濾波的基本原理,在集成芯片制造時，兩個電容之比可視為兩個電容的面積之比，其誤差可操作在1%以內(nèi)，從而保證了濾波器電參數(shù)的穩(wěn)定性。,f,CLK,可以很容易的改變τ ，相對也比較容易得到等效的較大容量的電容。當然，通過操作f,CLK,可以有效的操作濾波器的頻率特性，如f,p,。,當f,CLK,由晶振振蕩器提供

20、時，更是保證了濾波器電參數(shù)的穩(wěn)定性和準確性。由于上述優(yōu)點，加上結(jié)構(gòu)簡便，使用靈活，使其得到愈來愈廣泛的應用，本身的開展也很迅速。,,,2．引腳可編程的開關(guān)電容濾波器MAX263/264/267/268,圖3.3.14為該系列濾波器的內(nèi)部方框圖。它由兩個二階開關(guān)電容濾波器，,f,0,（中心頻率）邏輯操作，品質(zhì)因數(shù)Q邏輯操作，工作模式（MODE）處理，時鐘二分頻，時鐘CMOS反相器及緩沖運算放大器（僅MAX267/268有）等局部組成。,,,內(nèi)部功能方框圖,兩個二階濾波器可以串接級聯(lián)。信號輸入端分別為IN,A,和IN,B,。做陷波N（Notch Filter）、HBP、AP（全通）和BP、LP相應

21、的輸出端。M,0,、M,1,為工作模式選擇端，僅MAX263/264有。五個引腳F,0,~F,4,為,f,CLK,/,f,0,之比的編程端。七個引腳Q,0,~Q,6,為兩個濾波器各自品質(zhì)因數(shù)值的編程端。外部時鐘可用CLKA、CLKB引入，也可由CLKA、OSC、OUT外接石英晶振產(chǎn)生。MAX267/268內(nèi)部還設有一個緩沖運放。,該系列開關(guān)電容濾波器有如下特點：,（1）MAX263/264可用做LPF、HPF、BPF、NF、APF。,（2）MAX267/268只能用做BPF。,（3）典型,f,CLK,與,f,0,的范圍如表3.3.1所示，MAX267/268僅工作于模式1。,,,內(nèi)部功能方框圖

22、,（4）對于MAX263/267而言,fclk/f0=(N+32),其中N為F,0,~F,4,引腳電平對應的十進制數(shù)值。如F,4,F,3,F,2,F,1,F,0,=00011B，即N=3。,（6）有相應濾波器設計軟件,（7）可以單電源或雙電源±5V供電。,（8）器件封裝如圖3.3.15所示。,類似的開關(guān)電容濾波器還有LINEAR公司的LTC1068系列芯片，它最多可實現(xiàn)8階LPF、HPF、BPF、BEF。頻率范圍0.5Hz~200kHz。也有相應FilterCAD支持。,,,,3．MAX263/264/267/268設計要點,（1）兩個二階濾波器級聯(lián)，電路的總品質(zhì)因素為,Q,2,。,（2）內(nèi)部

23、濾波器的,Q,值也是電路電壓增益值，故二級級聯(lián)，芯片總增益為,Q,2,。應用設計時必須注意到這一點。必要時輸入端應加衰減器。,（3）單電源供電，,Q,n,、,F,n,低電平接地；雙電源供電，,Q,n,、,F,n,低電平接－5V。,,,,4．開關(guān)電容濾波器應用實例,圖3.3.16為以MAX268帶通開關(guān)電容濾波器為核心而構(gòu)成的具有自動跟蹤輸入信號頻率的帶通濾波電路。,MAX268總的品質(zhì)因素為4。,f,CLK,/,f,0,≈50。,采用±5V電源供電。,BPA和INB直連，兩級二階濾波器串聯(lián)。,緩沖放大器設計增益=1，可由10kΩ予調(diào)電位器調(diào)整。,,,,圖3.3.16 由MAX268構(gòu)成的鎖相

24、跟蹤帶通濾波器,,,4．開關(guān)電容濾波器應用實例,輸入信號在參加MAX268時進行了0.25倍衰減，以保證器件工作時不限幅。,輸入信號由OP27進行限幅放大，經(jīng)比較器LM311整形為方波。鎖相環(huán)HC4046和計數(shù)器HC390組成了50倍頻電路，使MAX268時鐘信號的頻率在整個測量范圍內(nèi)（20Hz~20kHz）自動保持為輸入信號頻率的50倍，即MAX268的帶通中心頻率始終跟蹤輸入信號頻率并保持相等。,此電路有兩個重要用途：一是可將方波脈沖變換為正弦波；二是電路的輸出就是輸入信號的基波，可用于進行失真度測量等。,,,,謝謝觀看,/,歡送下載,BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES. BY FAITH I BY FAITH,