模拟电子设计技术.pptx

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1、晶体管放大器设计晶体管放大器设计阻容耦合共射放大器设计阻容耦合共射放大器设计反响类型反响类型静态工作点稳定原理静态工作点稳定原理基本关系式基本关系式性能指标与测试性能指标与测试（1）反响基本常识）反响基本常识正反响正反响负反响负反响串联反响串联反响并联反响并联反响电压反响电压反响电流反响电流反响（2）静态工作点自动调节原理与条件）静态工作点自动调节原理与条件条件：条件：I1IBQ工作点工作点Q调节过程调节过程温度温度ICQVEQVBEIBQICQ（2）基本关系式）基本关系式基本的电流关系：基本的电流关系：IB+IC=IEVBQ恒定必要条件：恒定必要条件：I1IBQ硅管：硅管：I1（510）IB

2、Q锗管：锗管：I1（1020）IBQVBQVbe,取取VBQ=(510)Vbe硅管硅管VBQ=(35)V锗管锗管VBQ=(13)V（2）基本关系式）基本关系式小信号放大器中，一般小信号放大器中，一般ICQ=0.52mA,VEQ=(0.20.5)VCCRB1、RB2、VCEQ估算？估算？（3）性能指标测试）性能指标测试放大倍数、输入电阻、输出电阻、带宽放大倍数、输入电阻、输出电阻、带宽放大倍数放大倍数（3）性能指标测试）性能指标测试输入电阻输入电阻Ri：反响放大器本身消耗输：反响放大器本身消耗输入信号源功率的大小入信号源功率的大小RiRs:获取较大电压获取较大电压Ri40,Ri1K欧，欧，Ro3

3、K欧，欧，fL100KHz第一步：选择电路形式和晶体管：第一步：选择电路形式和晶体管：8050，9013。AAV V,取取=60第二步：设置静态工作点第二步：设置静态工作点,计算元件参数计算元件参数Ri(Ri=rbe)1K,rbe=300+(1+)26(mV)/lcQ(mA)ICQ100MHzBW100MHz，在放大高频率信号时必须使用它们。，在放大高频率信号时必须使用它们。6.6.增益可编程运算放大器增益可编程运算放大器图图3.1.43.1.4为通过引脚可编程增益的运放为通过引脚可编程增益的运放PG103PG103。通过。通过A A1 1、A A0 0两引脚的操作电平可使运放的增递分别为两引

4、脚的操作电平可使运放的增递分别为1 1、1010、100100。增益误差在增益误差在G=10G=10时为时为0.05%0.05%。失调电压的温度系数为。失调电压的温度系数为2V/2V/。它有。它有8 8脚塑料脚塑料DIPDIP和和SO-8SO-8两种封装形式。类似两种封装形式。类似的还有的还有AD8520AD8520等。等。增益可编程运算放大器增益可编程运算放大器 3.2 3.2 放大器设计放大器设计 3.2.1 3.2.1 负反响电路负反响电路 图图3.2.23.2.2为基于运放的闭环负反响电路的基本结构。它由开环为基于运放的闭环负反响电路的基本结构。它由开环增益为增益为A A0 0的运放，

5、反响网络组成。图中箭头代表信号流向。的运放，反响网络组成。图中箭头代表信号流向。理想闭环增益仅取决理想闭环增益仅取决于反响系数于反响系数，与运，与运放芯片、电源电压、放芯片、电源电压、温度、信号参数等因温度、信号参数等因素无关。这就是闭环素无关。这就是闭环负反响运放大电路增负反响运放大电路增益稳定性高，能有效益稳定性高，能有效改善波形失真、频率改善波形失真、频率特性的根本原因。特性的根本原因。3.2.2 3.2.2 基本放大电路基本放大电路 输入输出关系输入输出关系:输入电阻输入电阻:输出电阻输出电阻:(1)反向放大电路反向放大电路Ri=R1Ro=0（2 2）同相输入放大电路）同相输入放大电路

6、输入输出关系输入输出关系:输入电阻输入电阻:输出电阻输出电阻:Ri=Ro=0（3 3）差分输入放大电路）差分输入放大电路 输入输出关系输入输出关系:如何实现如何实现Uo=(Ui2-Ui1)K?R1=R3,R2=R4（3 3）差分输入放大电路）差分输入放大电路 输入输出关系输入输出关系:Ui1Ui2输入电阻无穷大输入电阻无穷大,便携式电子产品中应用便携式电子产品中应用（3 3）差分输入放大电路）差分输入放大电路 输入输出关系输入输出关系:R1=R2输入电阻无穷大输入电阻无穷大,完成双极性到单极性放大完成双极性到单极性放大.常用于仪表放大电常用于仪表放大电路路（4 4）精密整流放大电路）精密整流放

7、大电路 Ui大于零时大于零时,二极管导通情况二极管导通情况:D2导通导通,D1截止截止Ui小于零时小于零时,二极管导通情况二极管导通情况:D1导通导通,D2截止截止如果如果:（5 5）微分电路）微分电路 反响电流设置在反响电流设置在0.10.5mA缺点缺点:信号频率增加时信号频率增加时,电容容抗减小电容容抗减小,放大倍数增加放大倍数增加.对高频噪对高频噪声敏感声敏感.有用微分电路有用微分电路RC1=RfC（6 6）积分电路）积分电路 Cf小于小于1uF缺点缺点:低频时低频时,电容容抗很大电容容抗很大,放大倍数增加放大倍数增加.有用积分电路有用积分电路R10R13.2.3 3.2.3 放大电路设

8、计要点放大电路设计要点 1 1单双电源运算放大器的选择单双电源运算放大器的选择首首先先应应根根据据输输入入信信号号的的极极性性，选选择择单单电电源源或或双双电电源源供供电电的的运运放放。只只有有输输入入信信号号为为单单极极性性的的正正信信号号时时才才能能使使用用单单电电源源供供电电的的运运放放。大大多多数数运运放放均均要要求求双双电电源源供供电电才才能能正正常常工工作作，只只有有少少数数如如LM324LM324、LM358LM358之之类的运放允许单电源供电。类的运放允许单电源供电。2 2电源去耦电源去耦 运运放放电电源源去去耦耦是是很很有有必必要要的的，特特别别在在系系统统总总增增益益很很高

9、的前级电路，更是不可或缺。高的前级电路，更是不可或缺。放大电路设计要点放大电路设计要点3 3弱信号放大的相关问题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：号放大的角度出发，需注意以下各点：（1 1）选用低噪声的运算放大器）选用低噪声的运算放大器 （2 2）采用噪声极微的分立元件）采用噪声极微的分立元件FETFET对管构成前置对管构成前置差分放大电路差分放大电路（3 3）闭环负反响电路采用阻值较低的线绕电阻）闭环负反响电路采用阻值较低的线绕电阻 （4 4）利用选频、滤波等措施降低白噪声）利用选频、滤波等措施降低白噪声

10、放大电路设计要点放大电路设计要点4 4宽带放大宽带放大当当信信号号频频率率较较高高或或被被放放大大的的是是脉脉冲冲信信号号时时，采采用用高高BWBW、高高SRSR的的运运放放显显然然是是非非常常必必要要的的。为为获获得得足足够够的的带带宽宽，闭闭环环增增益益不不能能设设计计得得太太高高，一一般般应应1010。图图3.1.23.1.2充充分分说说明明了了带带宽宽与与闭闭环环增增益益的的矛矛盾盾。需需要要注注意意的的是是信信号号的的带宽应明显低于闭环带宽。带宽应明显低于闭环带宽。5 5放大器反响回路电阻阻值的选择放大器反响回路电阻阻值的选择从从减减小小热热噪噪声声的的角角度度，反反响响回回路路电电

11、阻阻的的阻阻值值要要尽尽量量小小一一些些。但但阻阻值值过过小小会会使使反反相相输输入入放放大大电电路路的的输输入入电电阻阻降低。通常以千欧数量级采用较多。降低。通常以千欧数量级采用较多。放大电路设计要点放大电路设计要点6 6运算放大器的保护措施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 放大电路设计要点放大电路设计要点7 7失调电压的补偿失调电压的补偿由于失调电压的存在，由于失调电压的存在，使运放的零点不为零。使运放的零点不为零。LM741LM741之类运放本身带有之类运放本身带有补偿端，可按图补偿端，可按图3.1.13.1.1（b b）外接电位

12、器）外接电位器W W调整之。对于无调零端调整之。对于无调零端的运放可以采用图的运放可以采用图3.2.123.2.12电路来进行失调电路来进行失调补偿。补偿。图3.2.12 运放的外加调零电路放大电路设计要点放大电路设计要点8 8扩展输出电流与扩展输出电压扩展输出电流与扩展输出电压 9 9注意运放的稳定性注意运放的稳定性 1010优良的工艺是放大器质量的保证优良的工艺是放大器质量的保证 3.2.4 3.2.4 运算放大器的参数对放大器性能的影响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。当设计一为依据，根

13、据简化的公式进行。当设计一个精密放大或运算电路时，实际运放参数个精密放大或运算电路时，实际运放参数的影响不可忽略。的影响不可忽略。1 1开环增益开环增益A A0 0 2 2CMRRCMRR的影响的影响 3 3输入、输出电阻输入、输出电阻 4 4输入失调电压输入失调电压 3.2.5 3.2.5 放大电路辅助设计软件放大电路辅助设计软件 Microchip Microchip公司的公司的AmpLABAmpLABTMTM运算放大器电运算放大器电路的辅助设计软件，可用于同相、反相和路的辅助设计软件，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由二个运放构成的仪表放大器三种放大电路的设计。在选

14、定放大电路类型后，只要路的设计。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电路，并可产出文本格式的SPICE SPICE 模型。模型。该软件还可以提供一般的建议、不同工作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。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放大电路辅助设计软件电路的设计分三个步骤：电路的设计分三个步骤：（1 1）电路的选择与参数的设定）电路的选择与参数的设定 （2 2）设计结果输出）设计结果输出 （3 3）设计技术信息）设计技术信息 3.3 3.3 滤波

15、器设计滤波器设计 3.3.1 3.3.1 滤波器的基本特性滤波器的基本特性 滤滤波波器器是是一一种种频频域域变变换换电电路路。它它能能让让指指定定频频段段的的信信号号顺顺利利通通过过，甚甚至至还还能能放放大大，而对非指定频段的信号予以衰减。而对非指定频段的信号予以衰减。仅仅仅仅采采用用R R、L L、C C元元件件组组成成的的滤滤波波器器称称无无源源滤滤波波器器，含含有有晶晶体体管管或或运运算算放放大大器器的的称称为为有有源源滤滤波波器器，后后者者的的储储能能元元件件只只用用电容器电容器C C。图图3.3.2 3.3.2 四种理想滤波器的频域与时域特性四种理想滤波器的频域与时域特性 3.3.2

16、 FilterLab3.3.2 FilterLab滤波器辅助设计工具滤波器辅助设计工具 FilterLab2.0FilterLab2.0是是 MicrochipMicrochip公公司司推推出出的的一一款款创创新新的的滤滤波波器器免免费费下下载载软软件件。使使用用该该软软件件防防止止了了传传统统滤滤波波器器设设计计的的繁繁琐计算。使设计大大简化。琐计算。使设计大大简化。该软件所设计的滤波器具有：该软件所设计的滤波器具有：（1 1）巴巴特特沃沃斯斯、贝贝塞塞尔尔、切切比比雪雪夫夫三三种种类类型型，其其中中贝贝塞塞尔尔只只有有LPFLPF一类滤波器。一类滤波器。（2 2）阶数）阶数1818。（3

17、3）增益）增益110110。（4 4）LPFLPF、BPFBPF、HPFHPF三种类型。三种类型。（5 5）有塞林凯和多重反响二种电路形式。）有塞林凯和多重反响二种电路形式。（6 6）通带截止频率（）通带截止频率（Passband frequencyPassband frequency）：）：0.1Hz1MHz0.1Hz1MHz。（7 7）品质因素）品质因素Q Q：0.55.00.55.0（8 8）阻带衰减（）阻带衰减（Stopband AttenuationStopband Attenuation）：）：10dB100dB10dB100dB3.3.3 3.3.3 开关电容滤波器开关电容滤波器

18、 1 1开关电容滤波的基本原理开关电容滤波的基本原理图图3.3.133.3.13（a a）的简单一阶）的简单一阶LBP/LBP/滤波器，通带截止频率滤波器，通带截止频率fp=1/2 fp=1/2，=RC =RC。与其特性相同的开关电容滤波器由。与其特性相同的开关电容滤波器由MOSMOS模拟开关，集成电容和运放模拟开关，集成电容和运放OAOA组成，如图（组成，如图（b b）所示。模拟开关）所示。模拟开关S S1 1、S S2 2，电容，电容C C1 1模拟等效的电阻模拟等效的电阻R R。其阻值受模拟开关切换频率。其阻值受模拟开关切换频率（时钟频率）（时钟频率）f fCLKCLK和和C C1 1操

19、作。图（操作。图（b b）中驱动两只模拟开关的时钟）中驱动两只模拟开关的时钟信号分别为信号分别为A A和和/A/A，两者反相。，两者反相。C C2 2为积分电容。为积分电容。开关电容滤波的基本原理开关电容滤波的基本原理在在A A的的正正半半周周，S S1 1闭闭合合、S S2 2断断开开，电电容容C C1 1被被充充电电到到，在在（=1/=1/f fCLKCLK）期间所积累的电荷）期间所积累的电荷Q=VixC1Q=VixC1；平均输入电流平均输入电流i ii i=V=Vi ixC1/TxC1/Tc c 。其等效模拟电阻为。其等效模拟电阻为R Ri i=V=Vi i/i/ii i=1/Cf=1/

20、Cfclkclk在在/A/A的正半周，的正半周，S S1 1断开、断开、S S2 2闭合，闭合，C C1 1上的电荷将转移至上的电荷将转移至C C2 2。电路的等效时间常数为电路的等效时间常数为t=Rt=Ri iC2=C2/C1fC2=C2/C1fCLKCLK开关电容滤波的基本原理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，其误差可操作在容的面积之比，其误差可操作在1%1%以内，从而保以内，从而保证了滤波器电参数的稳定性。证了滤波器电参数的稳定性。f fCLKCLK可以很容易的改变可以很容易的改变 ，相对也比较容易得到

21、，相对也比较容易得到等效的较大容量的电容。当然，通过操作等效的较大容量的电容。当然，通过操作f fCLKCLK可以可以有效的操作滤波器的频率特性，如有效的操作滤波器的频率特性，如f fp p 。当当f fCLKCLK由晶振振荡器提供时，更是保证了滤波器电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，构简便，使用灵活，使其得到愈来愈广泛的应用，本身的开展也很迅速。本身的开展也很迅速。2 2引脚可编程的开关电容滤波器引脚可编程的开关电容滤波器MAX263/264/267/268

22、MAX263/264/267/268 图图3.3.143.3.14为该系列滤波器的内部方框图。它由两个二阶开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，关电容滤波器，f f0 0（中心频率）逻辑操作，品质因数（中心频率）逻辑操作，品质因数Q Q逻逻辑操作，工作模式（辑操作，工作模式（MODEMODE）处理，时钟二分频，时钟）处理，时钟二分频，时钟CMOSCMOS反相器及缓冲运算放大器（仅反相器及缓冲运算放大器（仅MAX267/268MAX267/268有）等局部组成。有）等局部组成。内部功能方框图内部功能方框图两两个个二二阶阶滤滤波波器器可可以以串串接接级级联联。信信号号输输入入端

23、端分分别别为为ININA A和和ININB B。做做陷陷波波N N（Notch Notch FilterFilter）、HBPHBP、APAP（全全通通）和和BPBP、LPLP相相 应应 的的 输输 出出 端端。M M0 0、M M1 1为为 工工 作作 模模 式式 选选 择择 端端，仅仅MAX263/264MAX263/264有有。五五个个引引脚脚F F0 0FF4 4为为f fCLKCLK/f f0 0之之比比的的编编程程端端。七七个个引引脚脚Q Q0 0QQ6 6为为两两个个滤滤波波器器各各自自品品质质因因数数值值的的编编程程端端。外外部部时时钟钟可可用用CLKACLKA、CLKBCLK

24、B引引入入，也也可可由由CLKACLKA、OSCOSC、OUTOUT外外接接石石英晶振产生。英晶振产生。MAX267/268MAX267/268内部还设有一个缓冲运放。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：该系列开关电容滤波器有如下特点：（1 1）MAX263/264MAX263/264可用做可用做LPFLPF、HPFHPF、BPFBPF、NFNF、APFAPF。（2 2）MAX267/268MAX267/268只能用做只能用做BPFBPF。（3 3）典典型型f fCLKCLK与与f f0 0的的范范围围如如表表3.3.13.3.1所所示示，MAX267/268MAX267/

25、268仅仅工工作作于于模模式式1 1。内部功能方框图内部功能方框图（4 4）对于）对于MAX263/267MAX263/267而言而言fclk/f0=(N+32)fclk/f0=(N+32)其中其中N N为为F F0 0FF4 4引脚电平对应的十进制数值。如引脚电平对应的十进制数值。如F F4 4F F3 3F F2 2F F1 1F F0 0=00011B=00011B，即，即N=3N=3。（6 6）有相应滤波器设计软件）有相应滤波器设计软件（7 7）可以单电源或双电源）可以单电源或双电源5V5V供电。供电。（8 8）器件封装如图）器件封装如图3.3.153.3.15所示。所示。类似的开关电

26、容滤波器还有类似的开关电容滤波器还有LINEARLINEAR公司的公司的LTC1068LTC1068系列系列芯片，它最多可实现芯片，它最多可实现8 8阶阶LPFLPF、HPFHPF、BPFBPF、BEFBEF。频率范。频率范围围0.5Hz200kHz0.5Hz200kHz。也有相应。也有相应FilterCADFilterCAD支持。支持。3 3MAX263/264/267/268MAX263/264/267/268设计要点设计要点（1 1）两个二阶滤波器级联，电路的总品质因素为）两个二阶滤波器级联，电路的总品质因素为Q Q2 2。（2 2）内内部部滤滤波波器器的的Q Q值值也也是是电电路路电电

27、压压增增益益值值，故故二二级级级级联联，芯芯片片总总增增益益为为Q Q2 2。应应用用设设计计时时必必须须注注意意到到这这一一点点。必必要要时时输入端应加衰减器。输入端应加衰减器。（3 3）单单电电源源供供电电，Q Qn n、F Fn n低低电电平平接接地地；双双电电源源供供电电，Q Qn n、F Fn n低电平接低电平接5V5V。4 4开关电容滤波器应用实例开关电容滤波器应用实例图图3.3.163.3.16为以为以MAX268MAX268带通开关电容滤波器为核心带通开关电容滤波器为核心而构成的具有自动跟踪输入信号频率的带通滤波而构成的具有自动跟踪输入信号频率的带通滤波电路。电路。MAX268

28、MAX268总的品质因素为总的品质因素为4 4。f fCLKCLK/f f0 05050。采用采用5V5V电源供电。电源供电。BPABPA和和INBINB直连，两级二阶滤波器串联。直连，两级二阶滤波器串联。缓冲放大器设计增益缓冲放大器设计增益=1=1，可由，可由10k10k予调电位器调予调电位器调整。整。图图3.3.16 3.3.16 由由MAX268MAX268构成的锁相跟踪带通滤波器构成的锁相跟踪带通滤波器 4 4开关电容滤波器应用实例开关电容滤波器应用实例 输输入入信信号号在在参参加加MAX268MAX268时时进进行行了了0.250.25倍倍衰衰减减，以以保证器件工作时不限幅。保证器件

29、工作时不限幅。输输入入信信号号由由OP27OP27进进行行限限幅幅放放大大，经经比比较较器器LM311LM311整整形形为为方方波波。锁锁相相环环HC4046HC4046和和计计数数器器HC390HC390组组成成了了5050倍倍频频电电路路，使使MAX268MAX268时时钟钟信信号号的的频频率率在在整整个个测测量量范范围围内内（20Hz20kHz20Hz20kHz）自自动动保保持持为为输输入入信信号号频频率率的的5050倍倍，即即MAX268MAX268的的带带通通中中心心频频率率始始终终跟跟踪踪输输入入信号频率并保持相等。信号频率并保持相等。此此电电路路有有两两个个重重要要用用途途：一一是是可可将将方方波波脉脉冲冲变变换换为为正正弦弦波波；二二是是电电路路的的输输出出就就是是输输入入信信号号的的基基波波，可用于进行失真度测量等。可用于进行失真度测量等。谢谢观看/欢送下载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