初稿(晶體管運算放大器設計)

1、 畢業(yè)設計(論文)指導作者 電子信息學院系專業(yè)無線電(微波技術和設備)晶體管運算放大器的設計教師評估教師竣工時間: 畢業(yè)設計(論文)中文摘要題目:晶體管運算放大器的設計摘要:運算放大器(通常簡稱“運放”)是一種放大倍數(shù)很高的電路單元。在實際電路中，一些功能模塊通常與反饋網(wǎng)絡相結合。運算放大器是從功能角度命名的電路單元，可以用分立器件實現(xiàn)，也可以用半導體芯片實現(xiàn)。運算放大器的基本放大電路由四部分組成:輸入級、偏置電路、中間級和輸出級。其中:輸入級:是決定運算放大器性能的關鍵級，要求其零點漂移小，輸入電阻高，所以采用差分通道；偏置電路:為每一級提供偏置電壓，使每一級都有一個合適的靜態(tài)工作點；中間級

2、:放大輸入級輸出的信號電壓；其通常是為共射共基放大器電路組成的。輸出級:輸出級直接接負載，所以這個級要有足夠的電壓放電。本文將利用晶體管等元件來完成一個非集成運算放大器的設計。關鍵詞:非集成運算放大器晶體管設計TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003461 引言4 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003462 第一章運算放大器的概述5 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003463 1.1運算放大器的結構5 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003464 1

3、.2運算放大器的參數(shù)6 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003465 1.3運算放大器的應用10 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003466 第二章晶體管運放的設計15 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003467 2.1設計目的15 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003468 2.2設計要求16 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003469 2.3晶體管的簡介16 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003470 2.4晶體管

4、運算放大器的設計16 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003475 2.5實驗驗證19 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003477 結論21 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003478 致22 HYPERLINK l _RefHeading_Toc294003479 參考文獻23介紹自從1963年美國運通公司推出第一臺運算放大器以來，由于其優(yōu)越的性能和方便的使用，工業(yè)上的許多測量技術都取得了突破性的發(fā)展。再加上價格低廉，很快就進入了消費品市場，所以一直到現(xiàn)在都是線性電路的寵兒。因此，我們有必要對運算放大器有

5、更透徹的了解，所以要求我們掌握它的基本結構和工作原理，以便更好地應用運算放大器為我們工作。第1章運算放大器概述1.1運算放大器的結構的所有運算放大器都可以分為輸入級、中間級和輸出級，如圖1所示: HYPERLINK l 書簽1 圖1整個運算放大器的增益主要由輸入級提供，而輸出級只是一個互補的推挽跟隨器，提供一定的電流輸出。雖然從使用的角度我們沒有必要知道運算放大器的具體電路形式(而且不同類型的運算放大器有不同的電路形式)，但是它的輸入級和輸出級都需要與外部電路相連，所以我們有必要知道運算放大器的輸入級和輸出級的電路特性，為其正確的外部使用提供依據(jù)。無一例外，運算放大器的輸入級必須是差分放大器的

6、電路形式(要么是雙極晶體管，要么是場效應晶體管)，而輸出級必須是互補推挽式的射極跟隨器(或者是場效應晶體管的源極跟隨器)。運算放大器的輸入級之所以必須是差分放大器，是因為運算放大器本質(zhì)上是直接耦合的高增益放大器，所以必然會帶來直接耦合放大器不可避免的問題“零漂”，差分放大器優(yōu)越的共模抑制能力成為運算放大器輸入級電路形式的首選。一般來說，差分放大器優(yōu)越的共模抑制能力實際上是利用了電路結構的對稱性，從而抵消了共模形式的漂移和干擾。從圖1可以看出，運算放大器的兩個輸入是平衡的，或者說完全對稱的。運算放大器的輸出端之所以采用互補推挽形式的跟隨器，一是采用跟隨器的電路形式，因為它能提供一定的輸出電流和較

7、低的輸出阻抗。其次，采用互補推挽電路，因為它可以使輸出級不僅提供更大的輸出電流，還可以實現(xiàn)更小的偏置電流(接近乙類放大器)，有利于降低功耗。1.2運算放大器的參數(shù)在運算放大器電路中，輸入和的結構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)表示當運算放大器工作在線性區(qū)時，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)用于測量運算放大器抑制作用于兩個輸入信號的DC信號的能力。CMRDC可以利用共模電壓范圍(CMVR)和與該范圍對應的輸入失調(diào)電壓變化的峰峰值來計算:交流共模抑制(CMRAC)交流用于衡量運算放大器抑制施加于兩個輸入

8、端的相同交流信號的能力，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DC共模電壓范圍內(nèi):獲得產(chǎn)品(GBW)增益-帶寬積aol *是一個常數(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)這個參數(shù)是指運算放大器工作在線性區(qū)時，流入流出的整個均勻電流。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輸入電流變化的比值，電壓變化導致電流變化。當一個輸入端測量時，另一個輸入端與固定共模電壓相連。輸出阻抗(ZO)該參數(shù)是指運算放大器工作在線性區(qū)時，整個輸出的等效小信號阻抗。輸出電壓擺動(VO)此參數(shù)指的是在不箝位輸出信號的情況下可以實現(xiàn)的最大電壓擺幅的峰值。VO一般定義在特定的負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)用于測量運算放大器在電源電壓變化時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

10、間之比的最大值。SR通常用V/s表示，有時分別表示為正變化和負變化。當前(國際電算中心，國際直撥電話)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時運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是指任何一個運算放大器工作在線性區(qū)時輸入整個等效電容(另一個輸入接地)。輸入電壓范圍(VIN)該參數(shù)是指運算放大器正常工作時所承諾的輸入電壓范圍(可以得到預

11、期的結果)。VIN通常在額定電源電壓下定義。輸入電壓噪聲密度(en)對于運算放大器，輸入電壓噪聲可視為連接到輸入整個串聯(lián)噪聲的任何電壓源。eN通常用nV/(每根號，赫茲，Nav)表示，并在特定頻率下定義。輸入電流噪聲密度(iN)對于運算放大器來說，輸入電流噪聲可以看作是兩個噪聲電流源，分別接在每個輸入端和公共端，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運算放大器的應用1.比例電路:所謂比例電路，就是按比例放大輸入信號的電路。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)，即改變兩個電阻的阻值，就可以改變輸出電壓的值。比例電路對運算放大器的性能也有一定的性能要求。比如對輸入信號的負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，它由因此可以通過改變比例系數(shù)來改變輸出電壓，Ui的方向與U0的方向相同。當然也有同向比例回路。某些要求，如集成運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際完成的是:兩個輸入信號的差分運算

13、。2.和差電路:和差電路也是一種應用廣泛的電路。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。通過改變某一電路的輸入電阻來改變該電路的比例關系，而不影響其他電路的比例關系，是非常方便的。然而，同相求和電路并未得到廣泛應用，主要是因為其調(diào)節(jié)能力不如反相求和電路，并且其共模輸入信號很大。(2)和差電路:其電路圖如圖8所示。該電路的

14、功能是對反相的Ui1和Ui2求和，并對同相的Ui3和Ui4求和。求和，然后進行疊加得到和差結果，圖8和差電路電路圖由于這種電路采用了集成運算放大器，其電阻計算和電路調(diào)整都不方便，所以我們經(jīng)常采用兩級集成運算。組成和差分電路。其電路圖如圖9所示。圖9由次級集成運算放大器組成的和差電路電路圖它的后級對前級沒有影響(采用理想的集成運算放大器)，計算非常方便。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，可以實現(xiàn)積分運算，產(chǎn)生三角波形等。積分操作是將輸出電壓與輸入電壓進行積分。它利用電容器的充放電來實現(xiàn)積分運算

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算，其輸出電壓與輸入電壓有微分關系。如圖11所示:圖10積分電路電路圖圖11微分電路電路圖4.對數(shù)和指數(shù)運算電路:對數(shù)電路使用二極管，二極管最重要的特性是單向?qū)?。在電路中，電流只能從二極管的陽極流入，從陰極流出。對數(shù)和指數(shù)電路就是利用這個特性實現(xiàn)的。(1)對數(shù)運算電路:對數(shù)運算電路的輸出電壓是輸入電壓的對數(shù)函數(shù)。我們用二極管代替反比電路中的射頻。也就是說，形成了對數(shù)運算電路。如圖12的電路圖所示。圖12對數(shù)運算電路的電路圖圖13指數(shù)運算電路的電路圖其實可以用三

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)運算電路:指數(shù)運算電路和對數(shù)運算電路的區(qū)別只是二極管和電阻的位置不同。指數(shù)運算電路是對數(shù)運算的逆運算，指數(shù)運算電路的二極管(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算放大器的設計2.1設計目的透徹理解運算放大器的結構，進一步掌握運算放大器的基本原理，以便更好地應用。2.2設計要求電源電壓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。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)的關系仍然成立。2.4晶體管運算放大器的設計下圖是一個由晶體管組成的簡單運算放大器。一般集成運算放大器都是由這個單元電路組成的。NI為正向輸入端，INV為反向輸入端。電源端和GND之間的兩個電容通常稱為“旁路電容”，用于降低高頻時的電源阻抗。下面我們來詳細分析一下這個運放電路。運算放大器電路由以下兩級組成:初級

18、:差分放大器電路(Q1，Q2，Q3)級別2:接地發(fā)射極放大器電路(Q4、Q5)Q3和Q5分別構成橫流電路。恒流電路Q3和Q5分別形成一個橫流電路，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，計算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無關，而是由等式(1.5)決定，并且?guī)缀跬耆cF和VCE無關。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，初級差分放大器電路圖(1)是初級差分放大器電路的等效電路。為簡單起見，假設Q2的集電極接一個阻值等于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。當差

20、分輸入電壓為零時，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中的一個或兩個發(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)初級差分放大器電路(2)的集電極電流相對于差分輸入電壓的特性圖1.8 PNP晶體管差分放大器二、第二級發(fā)射極接地放大電路如圖1.9所示，圖1.4中的Q5充當6mA恒流電路。在實際應用電路中，負載電阻RL連接在OUT端和GND之間，然后反饋電阻連接在OUT端和INV端之間以施加負反饋。圖1.9第二個發(fā)射器的接地電路在這種狀態(tài)下，當輸入電壓為零時，輸出電壓VO也近似為零，并且流過負載電阻器的電流實際上為

21、零。此時，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負載電阻器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實驗驗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R1和R2反饋到反向輸入端。此時，分壓比R1/(R1+R2)稱為反饋率。一般來說，如果運算放大器的輸出反饋到反向輸入，就會得到負反饋。負反饋后的電壓增益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