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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,（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,（2）静态工作点自动调节原理与条件,条件：I1IBQ,工作点Q调节过程,VEQ,VBE,IBQ,ICQ,（2）基本关系式,基本的电流关系：,IB+IC=IE,VBQ恒定必要条件：I1IBQ,硅管：I1（510）IBQ,锗管：I1（1020）IBQ,VBQVbe,取VBQ=(510)Vbe,硅管VBQ=(35)V 锗管VBQ=(13)V,（2）基本关系式,小信号放大器中，一般ICQ=0.52mA, VEQ=(0.20.5)
2、VCC,RB1、RB2、VCEQ估算？,（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,（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,RiRs:获取较大电压,RiRs:吸收较大电流,RiRs:获取最大功率,理论值:Ri=,rbe/RB1/RB2,实验测试Ri=,（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,（3）性能指标测试,通频带：BW=fH-fL,fH: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：,设计实例分析,设计一个阻容耦合单级晶体管
3、放大器，已知： VCC=12V,RL=3K，Vi=10mV,RS=600欧。要求： Av40,Ri1K欧，Ro100KHz,第一步：选择电路形式和晶体管：8050，9013。AV,取=60,第二步：设置静态工作点,计算元件参数,Ri(Ri=rbe)1K,rbe=300+(1+ )26(mV)/lcQ(mA),ICQ2.2mA,取1.5mA,rbe=1357欧,VBQ取3V,RE=(VBQ-VBE)/ICQ=1.53k,取1.5K,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。,3.1.1 运算放大器的
4、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，VO0。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。,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
5、。,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,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
6、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。,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,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,3.1.2几类常用的
7、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。,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、CA31
8、40、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ICL7650 ICL7650采用大规模集成工艺，输入级使用了MOSFET，输入电阻达1012。电路采用斩波自动稳零及调制与解调（200Hz）等措施，使小至1V，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。,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BW100MHz，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
9、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2V/。它有8脚塑料DIP和SO-8两种封装形式。类似的还有AD8520等。,增益可编程运算放大器,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，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。,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
10、,Ri=R1,Ro=0,（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,（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,（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,（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,（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:,（5）微分电路,反馈电流设置在0.10.5mA,缺
11、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,（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,R10R1,3.2.3 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。,放大电路设计要点,3弱信号放大的相关问题 从降
12、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,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
13、路的输入电阻降低。通常以千欧数量级采用较多。,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,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,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,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
14、，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 2CMRR的影响 3输入、输出电阻 4输入失调电压,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。,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
15、（3）设计技术信息,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 。,图3.3.2 四种理想滤波器的频域与时域特性,3.3.2 FilterLab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
16、类型，其中贝塞尔只有LPF一类滤波器。 （2）阶数18。 （3）增益110。 （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（Passband frequency）：0.1Hz1MHz。 （7）品质因素Q：0.55.0 （8）阻带衰减（Stopband Attenuation）：10dB100dB,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=1/2 ， =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。,开关电容滤波的基本原理,
