电子系统设计第三章

1TM四川大学电气信息学院医学信息工程系普通高等教育“十一五”国家级规划教材杨刚2009年春季《电子系统设计与实践》第3章放大器2TM2《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚放大器的设计，就是根据给定的技术指标，确定电路方案，选择电子器件，计算电路各元件参数。由于电子器件离散性以及环境、温度及其他条件的随机性，使理论与实验结果不符，需要在实验中反复调试、修正，直到满足指标要求。3.1放大器概述3TM3《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚在设计放大器时，就需要自己选择合适的电路元器件参数。对于分立元件放大器设计，一般按照放大管的简化模型（或称典型电路）进行设计。在完成初始的设计以后，就需要对设计电路进行分析，比较设计电路的性能参数与设计要求的性能参数的差别，通常设计并不满足要求，这就需要不断调整元件参数值。放大器通常由如下参数描述：输入电阻Ri，输出电阻Ro和电压放大倍数AVO。3.2.1三极管放大器的设计3.1放大器概述4TM4《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚设计三极管放大器需要确定三极管的参数，特别是电流放大系数，然后选择工作点和静态集电极电流IC。根据不同的三极管类型——NPN和PNP，VCC和IC分别确定为正或为负。3.2.1三极管放大器的设计3.2分立元件放大器设计5TM5《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚一旦工作点确定，就可以根据设计要求的放大倍数AV=VL/Vs或输入电阻Ri来确定相应的参数，1.设计要求为增益2.设计要求为输入电阻3.2.1三极管放大器的设计3.2分立元件放大器设计6TM6《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚3.设计举例设计一共射三极管放大器，已知条件：VCC=12V，RL=3k，Vi=10mV，RS=200。性能指标要求：电压放大倍|AV|≥40，fL100Hz，fH100kHz3.2.1三极管放大器的设计3.2分立元件放大器设计7TM7《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚（1）选择晶体管：（2）选择工作点：（3）计算VE=VCC/3=4V（5）VB=VE+VBE=4.7V（4）计算RE=VE/IC=2.67k（可适当取2.7k）。（6）RB=0.1(1+)RB=0.1×(1+60)×2.6716.26k。（7）R1=RB|VCC|/|VB|41k，R2=RB/(1|VCC/VB|)27k。（8）根据|VCC|/ICRB+RC+RCRL/(RC+RL)，得RC3.6k，适当取3k。3.2.1三极管放大器的设计3.2分立元件放大器设计8TM8《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚用于设计三极管放大器的公式同样适用于场效应管放大器，对于场放应管的漏极电流ID也可表达为交直流负载，即VDD/ID=Rdc+Rac。3.2.2场效应管放大器的设计9TM9《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚集成运算放大器（简称运放），它是一种高输入阻抗、低输出阻抗、高放大倍数且便于调试的优质放大器。集成运放内部电路通常由偏置电路、差动输入电路、中间放大电路、输出及过载保护电路组成。运放的开环放大倍数大；当它构成闭环负反馈放大电路时，其电压放大倍数只取决于外加电阻值的大小，与运放本身参数无关，安装调试十分简单。3.3集成运算放大器10TM10《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚在分析运放时，一般将它看成理想运放。我们认为，理想运放的开环放大倍数为无穷大（AVO=），输入偏置电流为零，输入电阻为无穷大（Ri=），输出电阻为零（Ro=0），失调电压和失调电流及温漂为零。不过在具体应用时，还需要考虑器件的实际参数。3.3集成运算放大器11TM11《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚1.通用型运放2.低失调低漂移运放3.高输入阻抗运放4.斩波稳零集成运放3.3.1常用运放的分类及其参数3.3集成运算放大器12TM12《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚①如果没有特殊的要求，一般可选用通用性运放②如果被放大信号源的输出阻抗很大，则可选用高输入阻抗的运算放大器组成放大电路。另外，像采样/保持电路、峰值检波、优质对数放大器和积分器以及生物信号放大及提取、测量放大器电路等，也需使用高输入阻抗集成运放。3.3.2集成运放的选择原则3.3集成运算放大器13TM13《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚③如果系统对放大电路要求低噪声、低漂移、高精度，则可选用高精度、低漂移的低噪声集成运放④对于视频信号放大、高速采样/保持、高频振荡及波形发生器、锁相环等场合，则应选用高速宽带集成运放。⑤对于需低功耗使用场合，如便携式仪表、遥感遥测等场合，可选用低功耗运放；对于需要高压输入输出场合，可选用高压运放。3.3集成运算放大器3.3.2集成运放的选择原则14TM14《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚1.失调补偿（1）简单的失调电流补偿电路（2）固定电阻进行偏流补偿的同相放大器（3）二极管偏流补偿电路（4）同相端调零电路（5）同相放大器的调零电路（6）差动放大器的调零电路3.3.3集成运放的应用技术3.3集成运算放大器15TM15《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚2.自激振荡的消除运算放大器是一个高放大倍数的多级放大器，虽然接成负反馈电路工作，但由于它在高频区所产生的附加相移，有可能使它从负反馈变成正反馈。这时如果负反馈深度较深，就会产生自激振荡。为使放大器能稳定地工作，就需外加一定的频率补偿网络，以消除自激振荡。3.3集成运算放大器16TM16《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚3.保护电路（1）输入端保护电路（2）输出端保护电路3.3.3集成运放的应用技术3.3集成运算放大器17TM17《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚【例3-4-1】设某单元电路如图3.4.1所示，要求直流输入电压Vi=0.5V时，输出电压Vo=5V，误差不超过1%。试计算图中各电阻值。3.4.1简单电压放大器设计3.4集成放大器设计18TM18《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚电压放大倍数AV＝5/0.5=10，因此根据AVF=1+RF/R1，RF=9R1，R2=R1//RF。从理论上讲，R1、RF和R2可以取得很多组不同的阻值，例如：R1=2k，RF=18k，R2=1.8k；R1=2，RF=18，R2=1.8；R1=3M，RF=27M，R2=2.7M。3.4集成放大器设计3.4.1简单电压放大器设计19TM19《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚实际上不能取上面的第2组电阻值。其原因是：假定Vi=0.5V，Vo=5V，则流过RF的电流IRF=VRF/RF=(VoVi)/RF=(50.5)/18=0.25A=250mA。这个电流值超过集成运放A741的最大输出电流，放大电路不能正常工作。3.4集成放大器设计3.4.1简单电压放大器设计20TM20《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚如果选用第3组电阻值，显然不会造成运放输出负载过重，但存在以下问题：①阻值高达27M的电阻器不易生产、价格较贵，而且噪声大、稳定性差、精度低。②当Vi＝0.5V时，流过反馈电阻RF的电流IRF=IR1=Vi/R1=0.5V/3M167nA。将这个反馈电流与运放A741的输入失调电流（典型值为20nA，最大值为200nA）相比较可知，选用上述第3组电阻值是不合适的。3.4集成放大器设计3.4.1简单电压放大器设计21TM21《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚那么，是否可以取第1组电阻值呢?可以从以下两方面分析①当Vi=0.5V，Vo=5V时，流过RF的电流IRF=IR1=Vi/R1=0.5V/2k250A，它比集成运放A741的最大输出电流小得多，而又比输入偏置电流大1000倍以上。因此，这组电阻值能使电路正常工作。②R1、RF和R2的阻值分别为2k、18k和1.8k，在常用标称电阻值系列之内，且阻值适中。3.4集成放大器设计3.4.1简单电压放大器设计22TM22《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚因此我们可以选第1组电阻值，也可以根据货源等具体情况选用其他符合要求的电阻值。此外，根据对电压放大倍数的精度要求，R1、RF应选用误差小于0.5%的精密金属膜电阻器。R2的精度要求低，可采用廉价的碳膜电阻器。3.4集成放大器设计3.4.1简单电压放大器设计23TM23《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚3.4集成放大器设计3.4.1简单电压放大器设计24TM24《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚3.4.3单电源交流电压放大器3.4集成放大器设计25TM25《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚为简化电路，在放大单极性交流信号的应用中，可以采用单电源（正电源或负电源）供电，因此要求集成运放组成的交流放大器设计成单电源供电方式。3.4.3单电源交流电压放大器3.4集成放大器设计3.4.3单电源交流电压放大器26TM26《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚3.4.4前置放大器设计3.4集成放大器设计低频小信号不仅需要放大信号幅度，而且需要放大功率，因此放大电路由两部分组成：前置放大器和功率放大器。27TM27《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚3.4集成放大器设计28TM28《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚3.4.5差动放大器3.4集成放大器设计29TM29《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚3.4.6功率放大器设计3.4集成放大器设计1.负温度系数热敏电阻器（NTC）30TM30《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚3.4.6功率放大器设计3.4集成放大器设计1.负温度系数热敏电阻器（NTC）功率放大器的作用是给音响放大器的负载RL（扬声器）提供所需的输出功率。目前，功率放大器可谓五花八门，分立元件与集成电路并存，分立元件中又是半导体器件与真空管（又称电子管或俗称“胆”）并存。从输出方式看，有变压器输出、无变压器输出（OTL）、无电容器输出（OCL）、无变压器平衡输出（BTL）等；从工作方式分，则可分为甲类、甲乙类、乙类、丙类、E类等。31TM31《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚【例3-4-2】设计一功率放大器。已知条件：RL=8，Vi=200mV，+VCC=+12V，VEE=12V。性能指标要求：P≥2W，3%（1kHz正弦波）。3.设计举例3.4集成放大器设计32TM32《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚电子电路是由电子元件构成的。在通常情况下，电子元件以某种主要电特性的参数来表示，如线圈的电感量L、电容器的电容量C和电阻R等。除了主要电特性参数外，电路元件还有其他属于次要地位的参数，如电感线圈也存在着电阻和电容特性。对于电感线圈来讲，当它接入一个直流电路时，其作用相当于一个电阻；当它接入一个低频率的交流电路时，其作用相当于一个电阻与一个电感相串联；当它接入信号频率升高到某一频率范围的电路中时，其作用表现为纯电感特性；当电路中信号频率很高时，线圈中电容的作用变得十分突出，此时其作用相当于一个电阻和电容并联。3.4.7高频放大器设计3.4集成放大器设计33TM33《电子系统设计与实践》四川大学电气信息学院医学信息工程系杨刚3.4集成放