模擬電子設(shè)計技術(shù)

晶體管放大器設(shè)計阻容耦合共射放大器設(shè)計反饋類型靜態(tài)工作點穩(wěn)定原理基本關(guān)系式性能指標(biāo)與測試（1）反饋基本常識正反饋負(fù)反饋串聯(lián)反饋并聯(lián)反饋電壓反饋電流反饋（2）靜態(tài)工作點自動調(diào)節(jié)原理與條件條件：I1>>IBQ工作點Q調(diào)節(jié)過程溫度ICQVEQVBEIBQICQ（2）基本關(guān)系式基本的電流關(guān)系：IB+IC=IEVBQ恒定必要條件：I1>>IBQ硅管：I1＝（5～10）IBQ鍺管：I1＝（10～20）IBQVBQ>>Vbe,取VBQ=(5~10)Vbe硅管VBQ=(3~5)V鍺管VBQ=(1~3)V（2）基本關(guān)系式小信號放大器中，一般ICQ=0.5~2mA,VEQ=(0.2~0.5)VCCRB1、RB2、VCEQ估算？（3）性能指標(biāo)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(biāo)測試輸入電阻Ri：反應(yīng)放大器本身消耗輸入信號源功率的大小Ri>>Rs:獲取較大電壓Ri<<Rs:吸收較大電流Ri＝＝Rs:獲取最大功率理論值:Ri=rbe//RB1//RB2實驗測試Ri=（3）性能指標(biāo)測試輸出電阻Ro：反應(yīng)放大器帶復(fù)雜能力，越小，帶負(fù)載能力越強，越好理論值:Ro=RC實驗測試（3）性能指標(biāo)測試通頻帶：BW=fH-fLfH:上限頻率，受晶體管影響。fL:下限頻率，受電路耦合電容和旁路電容的影響工程計算：設(shè)計實例分析設(shè)計一個阻容耦合單級晶體管放大器，已知：VCC=12V,RL=3K，Vi=10mV,RS=600歐。要求：Av>40,Ri>1K歐，Ro<3K歐，fL<100Hz,fh>100KHz第一步：選擇電路形式和晶體管：8050，9013。β>AV,取β=60第二步：設(shè)置靜態(tài)工作點,計算元件參數(shù)Ri(Ri=rbe)>1K,rbe=300+(1+β)26(mV)/lcQ(mA)ICQ<2.2mA,取1.5mA,rbe=1357歐VBQ取3V,RE=(VBQ-VBE)/ICQ=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(biāo)，Ao愈大愈好。理想運算放大器Ao為無窮大。3.1.1運算放大器的基本特性

輸入偏置電路IIB: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。IIB愈小，輸入電阻愈大，芯片的溫漂和運算精度愈高。理想運放。

輸入失調(diào)電壓VIO:反映了運放芯片本身輸入級差分對管的對稱程度，所以當(dāng)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rid:指的是輸入端加入差模信號時，運放芯片的輸入呈現(xiàn)的電阻。rid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rid對信號源而言，就相當(dāng)于它的負(fù)載。理想運放的rid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(fù)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(dāng)運放的閉環(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PC：理想運放為零共模抑制比CMRR：反應(yīng)了芯片對共模信號的抑制能力輸入噪聲Vn：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）想辦法減小模擬地的噪聲。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、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測量。4.斬波穩(wěn)零型運算放大器ICL7650ICL7650采用大規(guī)模集成工藝，輸入級使用了MOSFET，輸入電阻達1012Ω。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(yīng)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A1、A0兩引腳的控制電平可使運放的增遞分別為1、10、100。增益誤差在G=10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(shè)計3.2.1負(fù)反饋電路圖3.2.2為基于運放的閉環(huán)負(fù)反饋電路的基本結(jié)構(gòu)。它由開環(huán)增益為A0的運放，反饋網(wǎng)絡(luò)組成。圖中箭頭代表信號流向。

理想閉環(huán)增益僅取決于反饋系數(shù)β，與運放芯片、電源電壓、溫度、信號參數(shù)等因素?zé)o關(guān)。這就是閉環(huán)負(fù)反饋運放大電路增益穩(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Ri=R1Ro=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:Ri=∞Ro=0（3）差分輸入放大電路輸入輸出關(guān)系:如何實現(xiàn)Uo=(Ui2-Ui1)K?R1=R3,R2=R4（3）差分輸入放大電路輸入輸出關(guān)系:Ui1Ui2輸入電阻無窮大,便攜式電子產(chǎn)品中應(yīng)用（3）差分輸入放大電路輸入輸出關(guān)系:R1=R2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Ui大于零時,二極管導(dǎo)通情況:D2導(dǎo)通,D1截止Ui小于零時,二極管導(dǎo)通情況:D1導(dǎo)通,D2截止如果:（5）微分電路反饋電流設(shè)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.實用微分電路RC1=RfC（6）積分電路Cf小于1uF缺點:低頻時,電容容抗很大,放大倍數(shù)增加.實用積分電路R>>10R13.2.3放大電路設(shè)計要點1．單雙電源運算放大器的選擇首先應(yīng)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(shè)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(fù)反饋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(shè)計要點4．寬帶放大當(dāng)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(shè)計得太高，一般應(yīng)<10。圖3.1.2充分說明了帶寬與閉環(huán)增益的矛盾。需要注意的是信號的帶寬應(yīng)明顯低于閉環(huán)帶寬。5．放大器反饋回路電阻阻值的選擇從減小熱噪聲的角度，反饋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(shè)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(shè)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(shè)計要點8．?dāng)U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(shè)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(dāng)設(shè)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A0

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(shè)計軟件美國Microchip公司的AmpLABTM運算放大器電路的輔助設(shè)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(shè)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(shè)計好的電路，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(yīng)考慮的事項以及可能遇到的陷阱。放大電路輔助設(shè)計軟件電路的設(shè)計分三個步驟：（1）電路的選擇與參數(shù)的設(shè)定（2）設(shè)計結(jié)果輸出（3）設(shè)計技術(shù)信息3.3濾波器設(shè)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3.3.2FilterLab濾波器輔助設(shè)計工具FilterLab2.0是美國Microchip公司推出的一款創(chuàng)新的濾波器免費下載軟件。使用該軟件避免了傳統(tǒng)濾波器設(shè)計的繁瑣計算。使設(shè)計大大簡化。該軟件所設(shè)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）有塞林凱和多重反饋二種電路形式。（6）通帶截止頻率（Passbandfrequency）：0.1Hz~1MHz。（7）品質(zhì)因素Q：0.5~5.0（8）阻帶衰減（StopbandAttenuation）：10dB~100dB3.3.3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)S1、S2，電容C1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）fCLK和C1控制。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。C2為積分電容。

開關(guān)電容濾波的基本原理在A的正半周，S1閉合、S2斷開，電容C1被充電到，在（=1/fCLK）期間所積累的電荷Q=VixC1；平均輸入電流ii=VixC1/Tc。其等效模擬電阻為Ri=Vi/ii=1/Cfclk在/A的正半周，S1斷開、S2閉合，C1上的電荷將轉(zhuǎn)移至C2。電路的等效時間常數(shù)為t=RiC2=C2/C1fCLK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，其誤差可控制在1%以內(nèi)，從而保證了濾波器電參數(shù)的穩(wěn)定性。fCLK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(dāng)然，通過控制fCLK可以有效的控制濾波器的頻率特性，如fp。當(dāng)fCLK由晶振振蕩器提供時，更是保證了濾波器電參數(shù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)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(yīng)用，本身的發(fā)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，f0（中心頻率）邏輯控制，品質(zhì)因數(shù)Q邏輯控制，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）等部分組成。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INA和INB。做陷波N（NotchFilter）、HBP、AP（全通）和BP、LP相應(yīng)的輸出端。M0、M1為工作模式選擇端，僅MAX263/264有。五個引腳F0~F4為fCLK/f0之比的編程端。七個引腳Q0~Q6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(shè)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fCLK與f0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（4）對于MAX263/267而言fclk/f0=(N+32)其中N為F0~F4引腳電平對應(yīng)的十進制數(shù)值。如F4F3F2F1F0=00011B，即N=3。（6）有相應(yīng)濾波器設(shè)計軟件（7）可以單電源或雙電源±5V供電。（8）器件封裝如圖3.