初稿(晶體管運(yùn)算放大器設(shè)計(jì))

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)指導(dǎo)作者 電子信息學(xué)院系專業(yè)無(wú)線電(微波技術(shù)和設(shè)備)晶體管運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)教師評(píng)估教師竣工時(shí)間: 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)中文摘要題目:晶體管運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)摘要:運(yùn)算放大器(通常簡(jiǎn)稱“運(yùn)放”)是一種放大倍數(shù)很高的電路單元。在實(shí)際電路中，一些功能模塊通常與反饋網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。運(yùn)算放大器是從功能角度命名的電路單元，可以用分立器件實(shí)現(xiàn)，也可以用半導(dǎo)體芯片實(shí)現(xiàn)。運(yùn)算放大器的基本放大電路由四部分組成:輸入級(jí)、偏置電路、中間級(jí)和輸出級(jí)。其中:輸入級(jí):是決定運(yùn)算放大器性能的關(guān)鍵級(jí)，要求其零點(diǎn)漂移小，輸入電阻高，所以采用差分通道；偏置電路:為每一級(jí)提供偏置電壓，使每一級(jí)都有一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn)；中間級(jí)

2、:放大輸入級(jí)輸出的信號(hào)電壓；其通常是為共射共基放大器電路組成的。輸出級(jí):輸出級(jí)直接接負(fù)載，所以這個(gè)級(jí)要有足夠的電壓放電。本文將利用晶體管等元件來(lái)完成一個(gè)非集成運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞:非集成運(yùn)算放大器晶體管設(shè)計(jì)TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003461 引言4 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003462 第一章運(yùn)算放大器的概述5 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003463 1.1運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)5 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003464 1

3、.2運(yùn)算放大器的參數(shù)6 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003465 1.3運(yùn)算放大器的應(yīng)用10 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003466 第二章晶體管運(yùn)放的設(shè)計(jì)15 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003467 2.1設(shè)計(jì)目的15 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003468 2.2設(shè)計(jì)要求16 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003469 2.3晶體管的簡(jiǎn)介16 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003470 2.4晶體管

4、運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)16 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003475 2.5實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證19 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003477 結(jié)論21 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003478 致22 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003479 參考文獻(xiàn)23介紹自從1963年美國(guó)運(yùn)通公司推出第一臺(tái)運(yùn)算放大器以來(lái)，由于其優(yōu)越的性能和方便的使用，工業(yè)上的許多測(cè)量技術(shù)都取得了突破性的發(fā)展。再加上價(jià)格低廉，很快就進(jìn)入了消費(fèi)品市場(chǎng)，所以一直到現(xiàn)在都是線性電路的寵兒。因此，我們有必要對(duì)運(yùn)算放大器有

5、更透徹的了解，所以要求我們掌握它的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，以便更好地應(yīng)用運(yùn)算放大器為我們工作。第1章運(yùn)算放大器概述1.1運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)的所有運(yùn)算放大器都可以分為輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)，如圖1所示: HYPERLINK l 書簽1 圖1整個(gè)運(yùn)算放大器的增益主要由輸入級(jí)提供，而輸出級(jí)只是一個(gè)互補(bǔ)的推挽跟隨器，提供一定的電流輸出。雖然從使用的角度我們沒(méi)有必要知道運(yùn)算放大器的具體電路形式(而且不同類型的運(yùn)算放大器有不同的電路形式)，但是它的輸入級(jí)和輸出級(jí)都需要與外部電路相連，所以我們有必要知道運(yùn)算放大器的輸入級(jí)和輸出級(jí)的電路特性，為其正確的外部使用提供依據(jù)。無(wú)一例外，運(yùn)算放大器的輸入級(jí)必須是差分放大器的

6、電路形式(要么是雙極晶體管，要么是場(chǎng)效應(yīng)晶體管)，而輸出級(jí)必須是互補(bǔ)推挽式的射極跟隨器(或者是場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極跟隨器)。運(yùn)算放大器的輸入級(jí)之所以必須是差分放大器，是因?yàn)檫\(yùn)算放大器本質(zhì)上是直接耦合的高增益放大器，所以必然會(huì)帶來(lái)直接耦合放大器不可避免的問(wèn)題“零漂”，差分放大器優(yōu)越的共模抑制能力成為運(yùn)算放大器輸入級(jí)電路形式的首選。一般來(lái)說(shuō)，差分放大器優(yōu)越的共模抑制能力實(shí)際上是利用了電路結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，從而抵消了共模形式的漂移和干擾。從圖1可以看出，運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入是平衡的，或者說(shuō)完全對(duì)稱的。運(yùn)算放大器的輸出端之所以采用互補(bǔ)推挽形式的跟隨器，一是采用跟隨器的電路形式，因?yàn)樗芴峁┮欢ǖ妮敵鲭娏骱洼^

7、低的輸出阻抗。其次，采用互補(bǔ)推挽電路，因?yàn)樗梢允馆敵黾?jí)不僅提供更大的輸出電流，還可以實(shí)現(xiàn)更小的偏置電流(接近乙類放大器)，有利于降低功耗。1.2運(yùn)算放大器的參數(shù)在運(yùn)算放大器電路中，輸入和的結(jié)構(gòu)可能是影響其特性的最重要因素。例如，以下特征參數(shù)直接受其影響:共模輸入電阻(RINCM)該參數(shù)表示當(dāng)運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，輸入共模電壓與偏置電流變化的比值。直流共模抑制(CMRDC)該參數(shù)用于測(cè)量運(yùn)算放大器抑制作用于兩個(gè)輸入信號(hào)的DC信號(hào)的能力。CMRDC可以利用共模電壓范圍(CMVR)和與該范圍對(duì)應(yīng)的輸入失調(diào)電壓變化的峰峰值來(lái)計(jì)算:交流共模抑制(CMRAC)交流用于衡量運(yùn)算放大器抑制施加于兩個(gè)輸入

8、端的相同交流信號(hào)的能力，它是差模開環(huán)增益除以共模開環(huán)增益的函數(shù)。CMRAC通常定義在特定頻率和整個(gè)DC共模電壓范圍內(nèi):獲得產(chǎn)品(GBW)增益-帶寬積aol *是一個(gè)常數(shù)，它定義了開環(huán)增益與頻率的特性曲線中-20dB/ decade的區(qū)域。輸入偏置電流(IB)這個(gè)參數(shù)是指運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，流入流出的整個(gè)均勻電流。輸入偏置電流溫度漂移(TCIB)該參數(shù)表示溫度變化時(shí)輸入偏置電流的變化。TCIB通常用pA/ C表示.輸入失調(diào)電流(IOS)該參數(shù)指的是兩個(gè)輸入電流之差。輸入失調(diào)電流溫度漂移(TCIOS)該參數(shù)代表溫度變化時(shí)輸入失調(diào)電流的變化。TCIOS通常用pA/ C表示.差分輸入電阻(RIN

9、)該參數(shù)表示輸入電壓變化與相應(yīng)輸入電流變化的比值，電壓變化導(dǎo)致電流變化。當(dāng)一個(gè)輸入端測(cè)量時(shí)，另一個(gè)輸入端與固定共模電壓相連。輸出阻抗(ZO)該參數(shù)是指運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，整個(gè)輸出的等效小信號(hào)阻抗。輸出電壓擺動(dòng)(VO)此參數(shù)指的是在不箝位輸出信號(hào)的情況下可以實(shí)現(xiàn)的最大電壓擺幅的峰值。VO一般定義在特定的負(fù)載電阻和電源電壓下。功耗(Pd)是指器件在給定電源電壓下消耗的靜態(tài)功率，Pd通常是在空載條件下定義的。電源抑制比(PSRR)該參數(shù)用于測(cè)量運(yùn)算放大器在電源電壓變化時(shí)保持輸出恒定的能力。PSRR通常用電源電壓變化引起的輸入失調(diào)電壓變化來(lái)表示:回轉(zhuǎn)率(SR)該參數(shù)是指輸出電壓變化與該變化所需時(shí)

10、間之比的最大值。SR通常用V/s表示，有時(shí)分別表示為正變化和負(fù)變化。當(dāng)前(國(guó)際電算中心，國(guó)際直撥電話)該參數(shù)是器件在額定電源電壓下消耗的靜態(tài)電流。這些參數(shù)通常是在空載條件下定義的。單位增益帶寬(BW)此參數(shù)指開環(huán)增益大于1時(shí)運(yùn)算放大器的最大工作頻率。輸入失調(diào)電壓(VOS)該參數(shù)表示輸出電壓為零時(shí)需要作用在輸入端的電壓差。輸入失調(diào)電壓溫度漂移(TCVOS)該參數(shù)是指溫度變化引起的輸入失調(diào)電壓的變化，通常用V/C單位表示。輸入電容(CIN)IN是指任何一個(gè)運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)輸入整個(gè)等效電容(另一個(gè)輸入接地)。輸入電壓范圍(VIN)該參數(shù)是指運(yùn)算放大器正常工作時(shí)所承諾的輸入電壓范圍(可以得到預(yù)

11、期的結(jié)果)。VIN通常在額定電源電壓下定義。輸入電壓噪聲密度(en)對(duì)于運(yùn)算放大器，輸入電壓噪聲可視為連接到輸入整個(gè)串聯(lián)噪聲的任何電壓源。eN通常用nV/(每根號(hào)，赫茲，Nav)表示，并在特定頻率下定義。輸入電流噪聲密度(iN)對(duì)于運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō)，輸入電流噪聲可以看作是兩個(gè)噪聲電流源，分別接在每個(gè)輸入端和公共端，通常用pA/表示，并在規(guī)定的頻率下定義。C共模抑制比1.3運(yùn)算放大器的應(yīng)用1.比例電路:所謂比例電路，就是按比例放大輸入信號(hào)的電路。比例回路分為反比例回路和同比例回路相位比例電路，微分比例電路。(1)反比例電路:比例電路如圖3所示。輸入信號(hào)被加到反相輸入端，有圖3反比例電路電路圖圖4同

12、相比例電路電路圖,根據(jù)基爾霍夫定律，輸出電壓U0與輸入電壓Ui成正比，方向相反。改變比例系數(shù)，即改變兩個(gè)電阻的阻值，就可以改變輸出電壓的值。比例電路對(duì)運(yùn)算放大器的性能也有一定的性能要求。比如對(duì)輸入信號(hào)的負(fù)載能力有一定的要求。(2)同向比例電路(圖4):它本質(zhì)上類似于反向比例電路，除了同向接地的部分是反向輸入端，它由因此可以通過(guò)改變比例系數(shù)來(lái)改變輸出電壓，Ui的方向與U0的方向相同。當(dāng)然也有同向比例回路。某些要求，如集成運(yùn)算放大器更高的共模抑制比。(3)微分比例電路(圖5):輸入信號(hào)分別施加在反相輸入端和同相輸入端，具體步驟和前兩者幾乎相同，所以我們可以看到它實(shí)際完成的是:兩個(gè)輸入信號(hào)的差分運(yùn)算

13、。2.和差電路:和差電路也是一種應(yīng)用廣泛的電路。這里有三種電路:反向求和電路和同向求和電路。電路，和差電路。(1)反向求和電路和同向求和電路:兩者的區(qū)別是輸入信號(hào)加上反相輸入端和同相輸入端的差值。反相求和電路如圖6所示，反相求和電路如圖7所示。圖5微分比例電路電路圖圖6反向求和電路圖圖7同相和電路電路圖雖然相似，但又不一樣。反求和電路的特性與反比例電路的特性相同。通過(guò)改變某一電路的輸入電阻來(lái)改變?cè)撾娐返谋壤P(guān)系，而不影響其他電路的比例關(guān)系，是非常方便的。然而，同相求和電路并未得到廣泛應(yīng)用，主要是因?yàn)槠湔{(diào)節(jié)能力不如反相求和電路，并且其共模輸入信號(hào)很大。(2)和差電路:其電路圖如圖8所示。該電路的

14、功能是對(duì)反相的Ui1和Ui2求和，并對(duì)同相的Ui3和Ui4求和。求和，然后進(jìn)行疊加得到和差結(jié)果，圖8和差電路電路圖由于這種電路采用了集成運(yùn)算放大器，其電阻計(jì)算和電路調(diào)整都不方便，所以我們經(jīng)常采用兩級(jí)集成運(yùn)算。組成和差分電路。其電路圖如圖9所示。圖9由次級(jí)集成運(yùn)算放大器組成的和差電路電路圖它的后級(jí)對(duì)前級(jí)沒(méi)有影響(采用理想的集成運(yùn)算放大器)，計(jì)算非常方便。3.積分和差分電路:上面用的元件基本都是電阻元件。如果把中間的電阻換成電容，結(jié)果就是積分電路和微分電路。(1)積分電路:如圖10電路所示，可以實(shí)現(xiàn)積分運(yùn)算，產(chǎn)生三角波形等。積分操作是將輸出電壓與輸入電壓進(jìn)行積分。它利用電容器的充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)積分運(yùn)算

15、。如果電路輸入的電壓波形是方波，將產(chǎn)生三角波輸出。(2)差動(dòng)電路:差分電路和積分電路的區(qū)別在于電阻和電容的位置互換。它是微分積分的逆運(yùn)算，其輸出電壓與輸入電壓有微分關(guān)系。如圖11所示:圖10積分電路電路圖圖11微分電路電路圖4.對(duì)數(shù)和指數(shù)運(yùn)算電路:對(duì)數(shù)電路使用二極管，二極管最重要的特性是單向?qū)āＴ陔娐分?，電流只能從二極管的陽(yáng)極流入，從陰極流出。對(duì)數(shù)和指數(shù)電路就是利用這個(gè)特性實(shí)現(xiàn)的。(1)對(duì)數(shù)運(yùn)算電路:對(duì)數(shù)運(yùn)算電路的輸出電壓是輸入電壓的對(duì)數(shù)函數(shù)。我們用二極管代替反比電路中的射頻。也就是說(shuō)，形成了對(duì)數(shù)運(yùn)算電路。如圖12的電路圖所示。圖12對(duì)數(shù)運(yùn)算電路的電路圖圖13指數(shù)運(yùn)算電路的電路圖其實(shí)可以用三

16、極管代替二極管。原理是一樣的，只是要多接一條線。(2)指數(shù)運(yùn)算電路:指數(shù)運(yùn)算電路和對(duì)數(shù)運(yùn)算電路的區(qū)別只是二極管和電阻的位置不同。指數(shù)運(yùn)算電路是對(duì)數(shù)運(yùn)算的逆運(yùn)算，指數(shù)運(yùn)算電路的二極管(二極管)和電阻R可以互換。如電路圖13所示第二章是晶體管運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)目的透徹理解運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步掌握運(yùn)算放大器的基本原理，以便更好地應(yīng)用。2.2設(shè)計(jì)要求電源電壓15V輸出阻抗8輸入電壓20mv放大10倍2.3晶體管簡(jiǎn)介如果在NPN晶體管的基極和發(fā)射極之間施加正電壓，在集電極和發(fā)射極之間施加正電壓，電流將如圖1.3(a)所示流動(dòng)。此外，發(fā)射極電流IE、集電極電流IC和有效電流IB之間的關(guān)系如下I

17、E=IC+IB (1.3)集電極電流與基極電流成正比。IC=hFEIB (1.4)這個(gè)比例常數(shù)稱為“DC電流放大系數(shù)”。發(fā)射極間電壓VBE和有功電流IB之間的關(guān)系如圖1.3(b)所示。PNP型晶體管，雖然電壓和電流方向與NPN型晶體管完全相反，但公式(1.3)和(1.4)與圖1.3(b)的關(guān)系仍然成立。2.4晶體管運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)下圖是一個(gè)由晶體管組成的簡(jiǎn)單運(yùn)算放大器。一般集成運(yùn)算放大器都是由這個(gè)單元電路組成的。NI為正向輸入端，INV為反向輸入端。電源端和GND之間的兩個(gè)電容通常稱為“旁路電容”，用于降低高頻時(shí)的電源阻抗。下面我們來(lái)詳細(xì)分析一下這個(gè)運(yùn)放電路。運(yùn)算放大器電路由以下兩級(jí)組成:初級(jí)

18、:差分放大器電路(Q1，Q2，Q3)級(jí)別2:接地發(fā)射極放大器電路(Q4、Q5)Q3和Q5分別構(gòu)成橫流電路。恒流電路Q3和Q5分別形成一個(gè)橫流電路，如圖1.7所示。恒流電路指的是電流恒定的電流源，盡管電壓會(huì)發(fā)生變化(圖2)。即使集電極和發(fā)射極之間的電壓VCE改變，Q3和Q5的集電極電流仍然保持一定值。(1)恒流電路(2)恒流源圖1.7恒流電路和等效電路接下來(lái)，計(jì)算Q3的集電極電流。首先求出Q3的發(fā)射極電流IE3，為:IE3=(2-VEB3)/R2其中VF為二極管IS1588的直流電壓；VEB3是Q3的發(fā)射極-基極電壓。在室溫下，VF和VEB3約為0.6V，因此IE3 = 0.4mA毫安(1.6)

19、此外，從等式(1.3)和(1.4)可以獲得ic3 = hfie3/(1+hfe) (1.7)。HFE/(1+hFE)一般稱為“基極接地(正向)電流放大系數(shù)F”。一般情況下，晶體管Q3的hFE/在70以上，所以F接近1，Q3的集電極電流大致等于發(fā)射極電流。發(fā)射極電流與集電極-發(fā)射極電壓VCE無(wú)關(guān)，而是由等式(1.5)決定，并且?guī)缀跬耆cF和VCE無(wú)關(guān)。因此，Q3的集電極電流等于發(fā)射極電流，可視為0.4mA的恒流源。首先，初級(jí)差分放大器電路圖(1)是初級(jí)差分放大器電路的等效電路。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)Q2的集電極接一個(gè)阻值等于R3的電阻，Q1和Q2的特性相同。在圖(1)中，V1-V2是差分輸入電壓。當(dāng)差

20、分輸入電壓為零時(shí)，Q1的集電極電流IC1與Q2的集電極電流IC2相同(約0.2mA)。這里，如果V1和V2中的一個(gè)或兩個(gè)發(fā)生變化，例如正差分輸入電壓，則IC1下降，IC2上升，如圖(2)所示。(1)初級(jí)差分放大器電路(2)的集電極電流相對(duì)于差分輸入電壓的特性圖1.8 PNP晶體管差分放大器二、第二級(jí)發(fā)射極接地放大電路如圖1.9所示，圖1.4中的Q5充當(dāng)6mA恒流電路。在實(shí)際應(yīng)用電路中，負(fù)載電阻RL連接在OUT端和GND之間，然后反饋電阻連接在OUT端和INV端之間以施加負(fù)反饋。圖1.9第二個(gè)發(fā)射器的接地電路在這種狀態(tài)下，當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，輸出電壓VO也近似為零，并且流過(guò)負(fù)載電阻器的電流實(shí)際上為

21、零。此時(shí)，根據(jù)基爾霍夫定律，Q4的集電極電流將為6mA，等于橫流電路的電流。如上所述，如果在這里施加正差分輸入電壓，則Q1的集電極電流將減小，因此第二級(jí)Q4的基極電流將減小，并且Q4的集電極電流將成比例地減小，并且等于該減小的正電流將變成流過(guò)負(fù)載電阻器RL的正輸出電流IO，從而產(chǎn)生正輸出電壓VO，即IO=IC4(1.8)(IC4是Q4的集電極電流增量)VO=IORL2.5實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證下圖是前置放大器的電路圖。圖1.10前置放大器輸入電壓Vs被施加到正輸入端。輸出電壓VO被分壓并通過(guò)R1和R2反饋到反向輸入端。此時(shí)，分壓比R1/(R1+R2)稱為反饋率。一般來(lái)說(shuō)，如果運(yùn)算放大器的輸出反饋到反向輸入，就會(huì)得到負(fù)反饋。負(fù)反饋后的電壓增益Vo/Vs稱為閉環(huán)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是正向輸入電壓；VI為反向輸入電壓；a是開環(huán)增益；是反饋率= R1/(R1+R2)等式(1.1