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  • 运放放大倍数计算公式_运放选型速记指南
    2020-11-22 00:46:17

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    前言:

    运放号称三多:参数多,型号多,厂家多

    不知道大家有没有遇到这样的情况:

    当你针对一个具体功能去设计放大器、滤波器或者比较器的时候,不知道该选择什么样的运放。你去问主管或者师兄,他们往往告诉你说“哎,之前我们一直都用的XX公司的XX型号,你也用这个就足够了,不用再去选择了。”

    如果你问他为什么,答曰“之前也是这么设计的,你就用就行了”,或者就是“这个要综合考虑各项指标,比如失调电压,失调电流,放大倍数,转换速率,巴拉巴拉。去把这本书学一下就知道了。”为了赶工程,你只能带着满脑子疑问回到座位,调用原有的封装库进行电路设计。

    So,我写了这篇文章,尝试用尽量明了的表达为大家解读:如何快速选型运放。具体内容如下面图中三点所示:

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    1. 首先我们先回顾一下运放包含的重点参数,通过这些参数帮助我们更好的认识运放,将一个完整的运放拆解成参数的表现形式;
    2. 然后在实际应用下按照“四步走战略”去判断你的运放功能需求,采用先定性后量化的方式分析,根据量化的需求对应重点参数类型进行判断;
    3. 最后根据厂商列出的运放特点,选择“心仪”的运放的类型;

    一、重点参数回顾

    这里并不全部列出所有的运放内部参数,主要是帮助大家回顾最为常用的七个参数,也是后面要用来进行运放选型的内容(不求记住如何计算,大致上理解参数概念就可以)失调电压、失调电流、偏置电流、增益带宽积、共模抑制比、失调电压温漂、转换速度

    这些参数都会写在数据手册规格页,有些重点标明的参数还会写在数据手册首页

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    图0:参数

    1、失调电压Vos

    定义:将运放输入端接地,理想运放输出为零,但实际的运放输出不为零。将实际运放的输出电压除以增益所得到的等效输入电压称为失调电压。

    影响因素:温度(对应失调电压温漂)、电源波动(对应电源抑制比)

    影响结果:运算放大器输出结果同理论值存在偏差,并且由于受温度和电源波动的影响,此误差并不是固定值。注意:Vos为直流偏置,直接叠加在输出上,因此如果是交流信号不必过多担心该值,但是需要考虑是否叠加后超过供电电压导致信号失真。

    当图4中输出受到Vos影响时:Vout=(1+R2/R1)×(Vos+Vin)

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    图1:反向放大电路

    2、偏置电流IB

    定义:当运放输出直流电压为零时,运放两个输入端流进或者流出直流电流的平均值

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    图2偏置电流和失调电流示意图

    影响因素:制造工艺双极型工艺(即上述的标准硅工艺)的输入偏置电流在±10nA~1μA

    之间;场效应管做输入级,输入偏置电流一般低于1nA。

    影响结果:运算放大器输出结果同理论值存在偏差,参照图1,受偏置电流Ib影响得到的偏置电压为:VB=R1*R2/(R1+R2)*Ib

    对应得到的输出为:Vout=R1*R2/(R1+R2)*Ib+Vin。

    可以通过在同相端增加匹配电阻:R3= R1*R2/(R1+R2),实现误差消除。

    3、失调电流Ios

    定义:当运放输出直流电压为零时,运放两个输入端流进或者流出直流电流的差值

    影响因素:制造工艺,很难保证两个输入端口的偏置电流相等

    影响结果:同样在运放输出信号引入误差,如图一中计算受到失调电流影响的输出结果为

    Vout=(1+R2/R1)×(Ios*R2+Vin)

    4、增益带宽积GBP(Gain Band with Product)

    定义:在某频率下测量的开环电压增益与测量频率的乘积,GBP=FH*AM如图所示,其中频率为fH运放增益衰减为-3dB时带宽,ft时为单位增益带宽。

    影响因素:运放内容结电容的频率响应特性导致的。

    影响结果:该参数表明在设计过程中必须考虑放大增益倍数同信号频率之间的关系,高频信号增益大小受限,必须选用GBP参数较大的运放

    5、共模抑制比CMRR(Common Mode Rejection Ratio)

    定义:放大器对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数Auc之比,CMRR=Aud/Auc或者表示为CMR=20lg│Aud/Auc│(dB)。

    影响因素:电路对称性(失调电流等参数)、线性工作范围

    影响结果:这一参数是为了说明差分放大电路抑制共模信号及放大差模信号的能力,抑制共模输入的干扰信号提高信噪比。

    6、失调电压温漂αVOS

    定义:芯片承受温度范围内,输入失调电压的变化与温度变化的比值

    影响因素:温度

    影响结果:失调电压发生变化,导致运放输出受到干扰,如果是直流信号后面跟A/D,直接影响最后检测结果。

    7、转换速度SR(Slew Rate)

    定义:也称为压摆率,将一个大信号(包括阶跃信号)输入至运放输入端,运算放大器输出电压的上升速率,单位有通常有V/s,V/ms和V/μs。压摆率的数学定义:SR=2×pi×f×Vpk

    式中:f为最大频率,一般认为是带宽;Vpk是放大输出信号的最大峰峰值。

    影响结果:评价运放对信号变化速度的适应能力,是衡量运放在大幅度信号作用时工作速度的参数。当输入信号变化斜率的绝对值小于SR时,输出电压才按线性规律变化。

    二、归类选型

    看完常见的运放参数,大家其实心里面已经有一个初步的概念了,也大致知道如何确定一个运放的特性,那么下面帮大家对运放的要求进行归类,同时对照上面参数,帮助大家更好的去建立一个整体思维,按照顺序思考归类,更加方便记忆哦:

    1、输入信号类型

    问己:交流还是直流?差分还是单端?低频还是高频?

    判断:直流注意失调电流失调电压参数;差分输入判断是否选择仪表放大器;高频交流注意增益带宽积GBD转换速度SR

    2、精度要求

    算参:根据精度要求,重点计算失调电压偏置电流失调电流以及共模抑制比对精度影响,判断是否选用高阻运放或者是精密运放

    3、环境条件

    问己:温度极端否?温度变化剧烈否?电源波动严重否(用了DCDC或者模数分割没做好,这些坑我都踩过)?

    算参:看看运放温度量程;注意温漂参数影响;注意电源纹波抑制比PSRR参数(没列出来,可望文生义);

    4、其他要求

    1)通道数:如果是多级在确定其他指标前提下选用多通道运放;

    2)单/双电源:选轨对轨信号失真小,可满幅值输出;

    3)功率大小:高压或大电流选用专用功率运放;

    三、常用运放特点赏析

    参数和要求不知道大家能不能结合起来完成记忆,记不住的话就快快把本文收藏起来吧。

    下面又要加餐了,我在此按照厂商的排列方式列出了五种不同类型的运算放大器,并且把他们各自的特点明明白白的写出来啦,大家对照自己在第二章提出的要求按图索骥吧。

    1、通用运放

    高性价比:要求均不高的电路,或者仅对功耗、带宽等单一条件有要求。

    2、精密运放

    基操:低失调电压,小于1mV。

    其他:低温漂;低噪声;低功耗;宽带宽。

    3、高速运放

    基操:增益带宽积50MHz~8GHz(数据来源于TI)

    其他:低功耗、低噪声SNR。

    可选:高输入阻抗需求和全差分。

    4、音频运放

    基操:总谐波失真加噪声(THD+N,感兴趣童鞋可以自行了解);超低噪声(高保真);低功耗(高续航);小封装(毕竟耳机用)

    其他:汽车电子;通道数等等,价格较高

    5、功率运放(看负载)

    基操:高电压;高电流;小封装

    可选:通道数;带宽


    最后:

    再来跟着思维导图回顾一遍本文内容吧:

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    图3:运放选型速记思维导图

    回顾一下你之前做过的项目,你用的运放是什么类型的呢?欢迎在评论区回复我哦。

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  • 效应管的大体分类有就有四种,比前面的双极性晶体管(NPN和PNP)种类要多,但是是想通的,要多去理解与记忆。

    目录

    一、前言

    1.事先声明

    2.学习感悟

    二、正文

    1.场效应管简介

    2.绝缘栅场效应管

    (1)N沟道增强型MOSFET

    (2)N沟道耗尽型MOSFET

    3.结型场效应管

    (1)结构

    (2)工作原理

    (3)特性曲线

    4.场效应管的主要参数

    (1)直流参数

    (2)交流参数——一个重要的参数——跨导

    5.对以上场效应管作总结与对比分析

    (1)P沟道与N沟道的区别

    (2)比较

    (3)工作状态特点

    6.双极性晶体管和场效应管的比较

    7.场效应管基本放大电路

    (1)偏置形式

    (2)微变等效电路

    (3)静态指标

    (4)动态指标

    (5)共源基本放大电路

    (6)共漏基本放大电路

    (7)共栅基本放大电路

    (8)场效应管基本放大电路的总结与和双极性晶体管的比较


    一、前言

    1.事先声明

    • 以下参考哈工大模电教材,以下“教材”均指哈工大的教材
    • 红色表示重要的地方橙色表示次重要的地方棕色表示重要的概念名称

    2.学习感悟

    • 1.场效应管的种类多,比前面的双极性晶体管(NPN和PNP)种类要多,但是它们是相通的,特性有时往往差了“负号”。要多去理解与记忆。

    • 2.依旧需要明白场效应管自身材料特性、工作特点及曲线。有同学会想,明白场效应管原理有啥用?我记住它们的工作状态就行了。我并不这么认为,明白并记住原理,就能够辅助记忆管子的各种特性,尤其是在这么多种类型的情况下。
    • 3.建议自己推一遍基本放大电路的两种分析(静态分析和动态分析)、三种指标(电压放大倍数、输入电阻、输出电阻)。考察电路分析能力,考试肯定会考的。
    • 4.在画微变等效电路的时候一定一定要把交流电压源与输入电阻画上!虽然有时候结论是正确的,但是在一些情形中就错了!我当是没注意细节,在文中纠错了。一定要养成好习惯。

    二、正文

    1.场效应管简介

    (1)场效应管(FET)是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件,属于电压控制型器件;场效应管几乎依靠半导体中的一种载流子导电,故又称为单极性晶体管

    (2)场效应管按结构分为结型场效应管JFET、绝缘栅型场效应管IGFET;按参与导电的载流子,可分为P沟道场效应管N沟道场效应管

    (3)它有个与三极管显著不同的特点是:栅极为绝缘层,通过其电流为0,输入电阻特别大

    (4)看图可发现,场效应管是对称的。源极和漏极一般可以调换来用。

    2.绝缘栅场效应管

    增强型耗尽型两种,而每种又分N沟道和P沟道。

    以下是我推荐的视频。

    很直观的解释视频,可以先看这个

    (1)N沟道增强型MOSFET

    ①结构

    教材p112

    •  P型衬底为低掺杂P型半导体,其上有两个高掺杂N+区;
    • 分别有三个电极,栅极g,源极s,漏极d,类似于三极管的基极b,发射极e,集电极c;
    • 栅极和衬底相当于电容的两个极板,若加电压,会产生电场,对电子的移动有影响;
    • 栅极绝缘,故栅极电流几乎为0,栅源电阻{\color{Red} R_{GS}}很高;

    ②工作原理

    a.栅极电压U_{GS}对漏极电流I_{D}的控制作用

    教材p113 接线方式

    • U_{GS}=0V时,管子相当于两个PN结,无导电沟道。即使加漏源电压也不会产生电流。 
    • U_{DS}=0,U_{GS}>0时:可以看出会产生一个电场,这个电场使少子电子向上方移动,使多子空穴向下方移动(被排斥),会出现一部分的自由电子与空穴复合的现象,然后原先位置就会形成一薄层负离子耗尽层(还记得耗尽层吗?就是前面PN结讲的空间电荷区,只有离子而无空穴与自由电子)。而那些未被复合的自由电子跑到了栅极下方。
    • 当栅源电压不断增大时,自由电子会不断增多,到一定程度时(此时这个电压称为开启电压U_{GS(th)),耗尽层上方有足够的空间通过自由电子了,将漏极和源极沟通,产生能够导电通道,称为沟道。
    • 此时加漏源电压即可产生漏极电流。
    • 把这种称为增强型MOS管

    b.栅源电压U_{DS}对漏极电流I_{D}的影响(要求栅源电压大于开启电压


    • 先说明:在未加U_{DS}前,U_{GS}=U_{GD}
    • U_{DS}后,U_{GD}=U_{GS}-U_{DS}<U_{GS}。漏极电位高于P型衬底的电位,那么可以看做是PN结反偏了,而PN结反偏会怎么样?会使耗尽层变宽!
    • 而耗尽层变宽会阻碍自由电子的移动。此时,N沟道呈电阻特性,当u_{GS}不变时,{\color{Red} I_{D}}{\color{Red}U_{DS} }增加而增加,等效为一个恒定电阻;若此时u_{GS}改变,那么这个等效电阻会改变。此时这个状态称为可变电阻区

    • U_{DS}增加到某一个电压时,耗尽层太宽了,几乎要把自由电子的通道挤没了(但是自由电子还是能克服这个阻力移动),这个状态称为预夹断,这个电压U_{GD}=U_{GS(th)} (因为前面的栅源电压刚到达开启电压时会产生沟道,而加了栅漏电压后,到达开启电压则会刚好关断)。 
    • 这个状态的特点是:并不是不存在电流了,而是U_{DS}增加的部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力,即用于克服不断增加的沟道电阻。此时I_{D}不再随U_{DS}增加而增加,为恒流区I_{D}几乎仅由U_{GS}决定
    • 这个区域是我们用的最多的区域——恒流区,若要在这个区域工作,那么要求U_{GD}小于开启电压


    ③特性曲线

    根据以上分析,作出输出特性曲线转移特性曲线

    转移特性曲线是指:当漏源电压一定并处于恒流区时,栅源电压对漏极电流的影响

    教材p115 输出特性曲线

    教材p115 转移特性曲线

     转移特性曲线可用如下表达式描述:

    i_{D}=I_{DO}(\frac{u_{GS}}{U_{GS(th)}}-1)^{2}
    必背,考试要用

     其中I_{DO}u_{GS}=2U_{GS(th)}时对应的i_{D}

    (2)N沟道耗尽型MOSFET

    ①结构

    教材p116

    与增强型MOSFET最大区别就是栅极下方的二氧化硅绝缘层中加入适量的金属正离子,即使没有栅源电压,也会在栅极和衬底间形成电场,产生导电沟道。只要给漏源电压就会产生漏极电流。

    即:使用材料本身产生的金属正离子,因此称耗尽型

    ②工作原理

    与增强型基本一致,甚至更简单了。

    ③特性曲线

    教材p116

     其转移特性曲线可用以下表达式描述:

    i_{D}=I_{DSS}(\frac{u_{GS}}{U_{GS(off)}}-1)^{2}

     U_{GS(off)}是当漏极电流为0时的夹断电压,I_{DSS}是栅源电压为0时的电流

    3.结型场效应管

    这个原理理解起来比绝缘栅型场效应管要简单

    (1)结构

    教材p117
    • N沟道结型场效应管为例。一块N型半导体在两侧掺杂高浓度的P区。
    • 仍然是对称结构,源极和漏极可以调换使用。
    • 栅极电阻仍特别大,栅极电流近似为0。

    (2)工作原理

    N沟道结型场效应管工作时,要让栅极和源极直接的PN结反偏,要加反偏电压u_{GS}与漏源电压u_{DS}

    教材p118

    ①栅源电压u_{GS}对漏极电流i_{D}的作用

    • 漏源不加电压,而加栅源电压(u_{GS}<0)时,由于PN结反偏,则耗尽层会变宽,向中间靠拢,则中间的N沟道变窄,栅源电压绝对值越大,则N沟道越窄。表现为电阻特性,即:栅源电压绝对值越大,则沟道电阻越大。当栅源电压绝对值大到一定程度,使得沟道被夹断时,这个电压称为夹断电压U_{GS(off)}

    ②漏源电压u_{DS}对漏极电流i_{D}的影响

    • 当栅源电压处于反偏与夹断中间时:u_{DS}从0开始增加。首先可以很容易地看出会产生漏极电流,自由电子能够在沟道处移动;此外,栅漏电压u_{GD}=u_{GS}-u_{DS}的绝对值随之减小。记住,u_{GS}是个负数,u_{DS}是个正数,u_{DS}增大,那么u_{GD}更“负”了,那么,PN结反偏更严重,则耗尽层更宽,显现为楔形的样子(即下图所示)。现在处于可变电阻区漏极电流随漏源电压增大而增大
    • u_{GD}=U_{GS(off)},中间的N沟道出现夹断点,此时称为预夹断。此时漏源电压再增大,增大的电压基本用于抵消不断增大的沟道电阻,此时,漏极电流基本不变,工作状态处于恒流区。

    (3)特性曲线

    根据以上分析作出N沟道结型场效应管的输出特性曲线与转移特性曲线。

    教材p119

    转移特性曲线与N沟道耗尽型场效应管一致,为

    i_{D}=I_{DSS}(\frac{u_{GS}}{U_{GS(off)}}-1)^{2}

    但是I_{DSS}不同

    4.场效应管的主要参数

    (1)直流参数

    开启电压U_{GS(th)}、夹断电压U_{GS(off)}、饱和漏极电流I_{DSS}、直流输入电阻R_GS

    (2)交流参数——一个重要的参数——低频跨导

    跨导是转移特性曲线某点斜率的倒数(必记,因为微变等效电路要用到)。

    增强型场效应管:g_{m}=\frac{2I_{DO}}{U_{GS(th)}}(\frac{u_{GS}}{U_{GS(th)}}-1)=\frac{2 \sqrt{I_{DO} \cdot I_{D}}}{U_{GS(th)}}

    结型场效应管和耗尽型场效应管:g_{m}=-\frac{2I_{DSS}}{U_{GS(off)}}(1-\frac{u_{GS}}{U_{GS(off)}})=\frac{-2 \sqrt{I_{DSS} \cdot I_{D}}}{U_{GS(off)}}

    5.对以上场效应管作总结与对比分析

    (1)P沟道与N沟道的区别

    我以增强型场效应管为例

     总的来说:

    • 相同点:接线方法一致;微变等效电路一致。
    • 不同点:使用的载流子不同;u_{GS},u_{GD},i_{D}都加个负号;微变等效电路的参数跨导不同。

    (2)比较

    教材p119-p120 这张总结的图,我表示很赞!

    (3)工作状态特点

    6.双极性晶体管和场效应管的比较

    教材p122

    7.场效应管基本放大电路

    (1)偏置形式

    • 场效应管有两种偏置形式:分压偏置自给偏压,简单地说就是直流电源是否给栅极一个正电位。
    • 除了增强型不能采用自给偏压(因为增强型需要栅源电压大于开启电压,必须要直流电源给正电位),其余都能使用自给偏压;所有管子都能用分压偏置。
    • 分压偏置连线比较简单;
    • 由于两种偏置形式的分析基本一致,下面我只完整分析共源基本放大电路的例子,其余均以分压偏置来分析。
    • 教材P124 分压偏置
    教材P125 自给偏压

    (2)微变等效电路

    教材 p125
    •  适用条件:小信号、低频与中频。
    •  特点:由于栅源电阻很大,故相当于开路;且栅源电压控制漏极电流
    • 由于r_{ds}一般为几十千欧到几百千欧,通常可以忽略

    (3)静态指标

    栅源电压U_{GSQ}

    漏极电流I_{DQ}

    漏源电压U_{DSQ}

    (4)动态指标

    电压放大倍数\dot {A_{u}}

    输入电阻R_{i}

    输出电阻R_{o}

    (5)共源基本放大电路

    教材P124 分压偏置
    分压偏置 分析

    教材P125 自给偏压

    微变等效电路纠错:必须要画出交流电压源\dot{U}_{i}与其内阻,R_{s}

    (6)共漏基本放大电路

    教材P128 R是接地的,但图中没画

    分析

    微变等效电路纠错:必须要画出交流电压源\dot{U}_{i}与其内阻,R_{s}

    (7)共栅基本放大电路

    教材P131

    分析

    微变等效电路纠错:必须要画出交流电压源\dot{U}_{i}与其内阻,R_{s}

    (8)场效应管基本放大电路的总结与和双极性晶体管的比较

    教材P132

    展开全文
  • 模拟电子技术基础复习知识点汇总——第三章双极型晶体管和场效应管放大器基础
    • 目录

      3.1放大器的基本概念

      3.1.1四种放大器及四种放大倍数定义

      3.1.2放大器模型及放大器主要指标

      3.2三种组态的放大电路

      3.3共发射极放大器分析

      3.3.1阻容耦合共发射极放大器电路结构

      3.3.2直流工作状态分析与计算

      3.3.3共射放大器的交流分析及主要指标估算

      3.4共集电极放大器

      3.4.1直流工作状态分析

      3.4.2交流指标计算

      3.5共基极放大器

      3.5.1直流工作状态分析

      3.5.2交流指标计算

      3.6三种组态放大器比较

      3.7关于非线性失真与输出动态范围的讨论

      3.7.1直流负载线与交流负载线

      3.7.2非线性失真与动态范围

      3.8场效应管放大器

      3.8.1偏置电路

      3.8.2场效应管放大器一般形式

      3.9放大器的级联

      3.9.1级间耦合方式及组合原则

      3.9.2多级放大器的性能指标计算

      3.10放大器的频率响应

      3.10.1频率特性与频率失真概念

      3.10.2低频区频率响应

      3.10.3负载电容CL对高频区响应的影响

      3.10.4晶体管的高频小信号模型及高频参数

      3.10.5共射放大器的高频响应

      3.10.6共集放大器及共基放大器的高频响应

      3.10.7场效应管放大器的高频响应

      3.10.8多级放大器的频率响应


    • 3.1放大器的基本概念

      • 电子技术中的放大是将微弱的变化信号放大成较大的电信号,以推动负载正常工作。放大电路放大的本质是能量的控制和转换;电子电路放大的基本特征是功率放大;放大的前提是不失真。

      • 3.1.1四种放大器及四种放大倍数定义

        • 由于放大器可等效为有源二端口网络,且输入量可分别取电压或电流,因此一共存在四种不同的组合与四种放大倍数。
        • 电压放大倍数:输出电压与输入电压之比

        • 电流放大倍数:输出电流与输入电流之比

        • 互阻放大倍数:输出电压与输入电流之比

        • 互导放大倍数:输出电流与输入电压之比

        • 3.1.2放大器模型及放大器主要指标

          • 1.放大器的主要指标

            • (1)电压放大倍数
            • (2)输入电阻Ri:放大器输入端看进去的等效电阻

            • (3)输出电阻Ro:放大器输出端看进去的等效电阻

            • (4)频率响应与带宽:由于实际放大器中存在电抗元件,因此放大倍数是关于频率的频率函数,定义频率下降使放大倍数数值为0.707倍时的信号频率为下限截止频率fL,频率上升使放大倍数数值达到0.707倍时的信号频率为上限截止频率fH。通频带(带宽)为上线截止频率减去下限截止频率。

            • 采用分贝(dB)表示:

              • (5)总谐波失真系数(非线性失真系数)THD:输出波形中的谐波成分总量与基波成分之比。THD越大,非线性失真越严重。
    • 3.2三种组态的放大电路

    • 3.3共发射极放大器分析

      • 3.3.1阻容耦合共发射极放大器电路结构


        VBB为直流信号,ui为交流信号
      • 3.3.2直流工作状态分析与计算

        • 直流工作状态分析时利用放大电路的直流通路。直流通路中,电容视为开路,电感线圈视为短路,信号源视为短路并保留其内阻。
        • 1.直流工作点Q的主要参数(IBQ、ICQ、UCEQ)ui=0,可得静态工作点的表达式:


          主要通过KVL定理与晶体管的电流分配求得
        • 2.关于直流工作状态的讨论

          • (1)射极电阻RE的作用:引入RE后,发射结的电压为


            引入了直流负反馈,可以稳定工作点
          • (2)RC增大,放大器工作点将向饱和区移动。
          • (3)工作状态的判断
            • 发射结零偏或反偏,则工作在截止区
            • 若UCEQ大于饱和电压,则工作在放大区
            • 若UCEQ≤0,则工作在饱和区
      • 3.3.3共射放大器的交流分析及主要指标估算

        • 交流分析时应利用放大电路的交流通路。对于交流通路:大电容视为短路;无内阻的直流电源视为短路。

        • 1.电压放大倍数

        • 其中

        • 2.源电压放大倍数

        • 3.输入电阻

        • 4.输出电阻:令Us=0,RL开路时输出端的电阻

        • 5.开路电压放大倍数

    • 3.4共集电极放大器

      • 从基极输入,从发射极输出
      • 3.4.1直流工作状态分析

      • 3.4.2交流指标计算

        • 1.电压放大倍数


          说明输出信号跟随输入信号变化,所以共集放大器又称为射极跟随器或射极输出器
        • 2.输入电阻

        • 3.输出电阻(将Us短路,保留Rs,将RL开路)


          输出电阻很小,带负载能力强,放大倍数稳定
    • 3.5共基极放大器

    • 从发射极输入,从集电极输出
    • 3.5.1直流工作状态分析

    • 3.5.2交流指标计算

      • 1.电压放大倍数

      • 2.输出电阻

      • 3.输出电阻

    • 3.6三种组态放大器比较

      • (1)共射放大器信号从基极输入,从集电极输出,输入、输出信号反相。电压放大倍数大,输入电阻不大,。输出电阻较大,一般作为多级放大器的主放大器。
      • (2)共集放大器信号从基极输入,从发射极输出,输入、输出信号同相。电压放大倍数小,输入电阻很大,输出电阻很小,一般作为多级放大器的输入级、中间级、输出级。
      • (3)共基放大器信号从射级输入,从集电极输出,输入、输出信号同相。电压放大倍数大,因输入电阻太小,所以实际的源放大倍数很小。高频特性好。
    • 3.7关于非线性失真与输出动态范围的讨论

      • 3.7.1直流负载线与交流负载线

        • 1.直流负载线

        • 将直流负载线方程与输出特性方程绘制在一张图上,与给定IBQ的曲线相交的点为直流工作点Q,如下图所示。

        • 2.交流负载线:必通过Q点,斜率应为:

      • 3.7.2非线性失真与动态范围

        • 1.工作点设置正确,且信号不大——不产生非线性失真

        • 2.工作点设置过低,且信号较大——产生截止失真
        • 3.工作点设置过高,且信号较大——产生饱和失真


          判断失真类型以电流波形为准,电流波形底部失真为截止失真,顶部失真为饱和失真。对于NPN管组成的共射放大器,输入和输出反相,因此输出波形底部失真为饱和失真,顶部失真为截止失真。
        • 避免失真的方法:消除截止失真——增大基极电源VBB;消除饱和失真——增大基极电阻RB,减小集电极电阻RC,或采用放大倍数较小的管子。
        • 4.输出电压的动态范围:动态工作点不进入截止区和饱和区的最大有效输出电压峰峰值Uopp。
    • 3.8场效应管放大器

      • 3.8.1偏置电路

      • 自偏压电路、分压式电流负反馈偏置电路

        • 1.图解法求Q点:作出栅-源回路直流负载线与转移特性曲线交点即为Q点

        • 对于自偏压电路,输入回路直流负载线方程为

        • 对于分压式电流负反馈偏置电路,输入回路直流负载线方程为


          对于结型管,由于UGSQ可以为负值,所以两种偏置电路都可以,但是对于N沟道增强型MOS管,UGSQ为正值,所以不能采用自偏压。
        • 2.解析法求Q点:求联系方程
      • 3.8.2场效应管放大器一般形式

    • 3.9放大器的级联

      • 3.9.1级间耦合方式及组合原则

        • 1.级间耦合方式:阻容耦合、直接耦合、磁耦合、光电耦合。要确保各级放大器有合适的直流工作点,且使前级输出信号尽可能不衰减地传输到后级输入。

        • 阻容耦合:前后级互不影响,直流工作点可独立设计,但需要大电容,不利于集成
        • 直接耦合:前后级有影响,设计复杂,适合集成
        • 变压器耦合:直流工作点可独立设计,在功率放大器和高频电路有较多应用
        • 光耦合:适用于需要电气隔离且不共地地场合,适用于高压。
        • 2.多级放大器的组合原则
          (1)通常选用共射放大器作为主放大器
          (2)若要求输入电阻大,则采用共集放大器或共源、共漏放大器作输入极
          (3)若负载电阻很小,负载电容很大,则采用共集放大器作为输出级
      • 3.9.2多级放大器的性能指标计算

        • 1.总的电压放大倍数等于各级电压放大倍数的乘积
        • 2.一般输出电阻取决于输出级,输入电阻取决于输入级
    • 3.10放大器的频率响应

      • 3.10.1频率特性与频率失真概念

        • 1.频率失真
          • 振幅频率失真:基波与谐波在不同的频率下放大倍数不同产生的失真。
          • 相位频率失真 :不同频率信号延时不同导致相位关系产生变化引起的失真。
        • 2.线性失真与非线性失真
          • 线性失真由电抗元件引起。非线性失真由非线性元件引起。
        • 3.频率特性参数
          • 上限频率fH,下限频率fL,通频带BW,中频区增益AuI
          • 增益带宽积

      • 3.10.2低频区频率响应


        低频时,电容容抗不可忽略
        • 1.输入耦合电容C2的影响

        • 2.输入耦合电容C1的影响
          • 输入阻抗增大,Ui减小。
          • 时间常数

          • 下限角频率

        • 3.射极旁路电容CE的影响

        • 4.三个电容引入的总的下限频率的平方等于三个下限频率平方和

      • 3.10.3负载电容CL对高频区响应的影响


        在高频区,上文三个电容均可视为短路,频率升高,容抗减小,故输出电压减小。
        • 为改善高频响应,通常在输出端加一级共集电路作为隔离或缓冲。
      • 3.10.4晶体管的高频小信号模型及高频参数

        • 1.晶体管的高频小信号混合pi型等效电路
        • 发射结正向偏置,扩散电容成分大,集电结反向偏置,主要为势垒电容。


          β0为中低频区的β值。
        • 2.晶体管的高频参数
          • (1)共射短路电流放大系数及其上限频率

          • (2)特征频率:|β(jw)|下降到1所对应的频率

      •            

         

      • 3.10.5共射放大器的高频响应

        • 1.密勒等效定理以及高频等效电路的单向化模型

        • 2.共射放大器的高频小信号等效电路

          • 对Cb'e利用密勒等效定理得到以下电路

          • 其中CM为

          • 各项高频特性参数如下图所示

          • 中频区源电压放大倍数为

        • 为提高总的上限频率,必须减小输入回路时间常数 ,要求rbb‘小,Cb’e小。
        • 信号源内阻尽量小
        • 集电极负载电阻较小
        • 要减小负载电容CL及分布电容
      • 3.10.6共集放大器及共基放大器的高频响应

        • 1.共集放大器的高频响应
          • Cb'c不存在密勒倍增效应,对高频影响很小
          • Cb'e的密勒等效电容远小于本身,对高频响应影响很小
          • 共集放大器的高频响应很好,理论上上限频率可以接近特征频率
        • 2.共基放大器的高频响应
          • 极间电容均不存在密勒倍增效应
          • 承受容性负载的能力较差,CL影响高频响应。
      • 3.10.7场效应管放大器的高频响应

      • 对Cgd应用密勒等效作单向化处理,可得以下单向化模型

      • 对应的高频表达式为

    • 3.10.8多级放大器的频率响应

      • 总增益为各级增益乘积
      • 对数幅频特性为各级对数幅频特性之和
      • 总相移等于各级相移之和
      • 总上限频率比任何一级的上限频率都要低,下限频率比任何一级都要高。

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  • 但是这个仪用放大器是不被推荐的,因为第一个运放的放大倍数小于一,所以他可能是不稳定的,而且Vin -上的信号要花费比Vin +上的信号更多的时间才能到达输出端。 这节非常深入地介绍了用运放组成的有源滤波器。在...

    原文链接:运算放大器基本电路大全

    原文作者:电子工程专辑

    引言

    我们经常看到很多非常经典的运算放大器应用图集,但是这些应用都建立在双电源的基础上,很多时候,电路的设计者必须用单电源供电,但是他们不知道该如何将双电源的电路转换成单电源电路。

    在设计单电源电路时需要比双电源电路更加小心,设计者必须要完全理解这篇文章中所述的内容。

    1.1 电源供电和单电源供电

    所有的运算放大器都有两个电源引脚,一般在资料中,它们的标识是VCC+和VCC-,但是有些时候它们的标识是VCC+和GND。这是因为有些数据手册的作者企图将这种标识的差异作为单电源运放和双电源运放的区别。但是,这并不是说他们就一定要那样使用――他们可能可以工作在其他的电压下。在运放不是按默认电压供电的时候,需要参考运放的数据手册,特别是绝对最大供电电压和电压摆动说明。

    绝大多数的模拟电路设计者都知道怎么在双电源电压的条件下使用运算放大器,比如图一左边的那个电路,一个双电源是由一个正电源和一个相等电压的负电源组成。一般是正负15V,正负12V和正负5V也是经常使用的。输入电压和输出电压都是参考地给出的,还包括正负电压的摆动幅度极限Vom以及最大输出摆幅。

    单电源供电的电路(图一中右)运放的电源脚连接到正电源和地。正电源引脚接到VCC+,地或者VCC-引脚连接到GND。将正电压分成一半后的电压作为虚地接到运放的输入引脚上,这时运放的输出电压也是该虚地电压,运放的输出电压以虚地为中心,摆幅在Vom 之内。有一些新的运放有两个不同的最高输出电压和最低输出电压。这种运放的数据手册中会特别分别指明Voh 和Vol 。需要特别注意的是有不少的设计者会很随意的用虚地来参考输入电压和输出电压,但在大部分应用中,输入和输出是参考电源地的,所以设计者必须在输入和输出的地方加入隔直电容,用来隔离虚地和地之间的直流电压。(参见1.3节)

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    通常单电源供电的电压一般是5V,这时运放的输出电压摆幅会更低。另外现在运放的供电电压也可以是3V 也或者会更低。出于这个原因在单电源供电的电路中使用的运放基本上都是Rail-To-Rail 的运放,这样就消除了丢失的动态范围。需要特别指出的是输入和输出不一定都能够承受Rail-To-Rail 的电压。虽然器件被指明是轨至轨(Rail-To-Rail)的,如果运放的输出或者输入不支持轨至轨,接近输入或者接近输出电压极限的电压可能会使运放的功能退化,所以需要仔细的参考数据手册是否输入和输出是否都是轨至轨。这样才能保证系统的功能不会退化,这是设计者的义务。

    1.2 虚地

    单电源工作的运放需要外部提供一个虚地,通常情况下,这个电压是VCC/2,图二的电路可以用来产生VCC/2的电压,但是他会降低系统的低频特性。

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    R1 和R2 是等值的,通过电源允许的消耗和允许的噪声来选择,电容C1 是一个低通滤波器,用来减少从电源上传来的噪声。在有些应用中可以忽略缓冲运放。

    在下文中,有一些电路的虚地必须要由两个电阻产生,但是其实这并不是完美的方法。在这些例子中,电阻值都大于100K,当这种情况发生时,电路图中均有注明。

    1. 3 交流耦合

    虚地是大于电源地的直流电平,这是一个小的、局部的地电平,这样就产生了一个电势问题:输入和输出电压一般都是参考电源地的,如果直接将信号源的输出接到运放的输入端,这将会产生不可接受的直流偏移。如果发生这样的事情,运放将不能正确的响应输入电压,因为这将使信号超出运放允许的输入或者输出范围。

    解决这个问题的方法将信号源和运放之间用交流耦合。使用这种方法,输入和输出器件就都可以参考系统地,并且运放电路可以参考虚地。当不止一个运放被使用时,如果碰到以下条件级间的耦合电容就不是一定要使用:第一级运放的参考地是虚地第二级运放的参考第也是虚地这两级运放的每一级都没有增益。任何直流偏置在任何一级中都将被乘以增益,并且可能使得电路超出它的正常工作电压范围。

    如果有任何疑问,装配一台有耦合电容的原型,然后每次取走其中的一个,观察电工作是否正常。除非输入和输出都是参考虚地的,否则这里就必须要有耦合电容来隔离信号源和运放输入以及运放输出和负载。一个好的解决办法是断开输入和输出,然后在所有运放的两个输入脚和运放的输出脚上检查直流电压。所有的电压都必须非常接近虚地的电压,如果不是,前级的输出就就必须要用电容做隔离。(或者电路有问题)

    1. 4 组合运放电路

    在一些应用中,组合运放可以用来节省成本和板上的空间,但是不可避免的引起相互之间的耦合,可以影响到滤波、直流偏置、噪声和其他电路特性。设计者通常从独立的功能原型开始设计,比如放大、直流偏置、滤波等等。在对每个单元模块进行校验后将他们联合起来。除非特别说明,否则本文中的所有滤波器单元的增益都是 1。

    1. 5 选择电阻和电容的值

    每一个刚开始做模拟设计的人都想知道如何选择元件的参数。电阻是应该用1 欧的还是应该用1 兆欧的?一般的来说普通的应用中阻值在K 欧级到100K 欧级是比较合适的。高速的应用中阻值在100 欧级到1K 欧级,但他们会增大电源的消耗。便携设计中阻值在1 兆级到10 兆欧级,但是他们将增大系统的噪声。用来选择调整电路参数的电阻电容值的基本方程在每张图中都已经给出。如果做滤波器,电阻的精度要选择1% E -96系列(参看附录A)。一但电阻值的数量级确定了,选择标准的E-12系列电容。

    用E-24系列电容用来做参数的调整,但是应该尽量不用。用来做电路参数调整的电容不应该用5%的,应该用1%。

    2.1 放大

    放大电路有两个基本类型:同相放大器和反相放大器。他们的交流耦合版本如图三所示。对于交流电路,反向的意思是相角被移动180度。这种电路采用了耦合电容 ――Cin 。Cin被用来阻止电路产生直流放大,这样电路就只会对交流产生放大作用。如果在直流电路中,Cin被省略,那么就必须对直流放大进行计算。

    在高频电路中,不要违反运放的带宽限制,这是非常重要的。实际应用中,一级放大电路的增益通常是100倍(40dB),再高的放大倍数将引起电路的振荡,除非在布板的时候就非常注意。如果要得到一个放大倍数比较的大放大器,用两个等增益的运放或者多个等增益运放比用一个运放的效果要好的多。

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    2.2 衰减

    传统的用运算放大器组成的反相衰减器如图四所示。

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    在电路中R2要小于R1。这种方法是不被推荐的,因为很多运放是不适宜工作在放大倍数小于1倍的情况下。正确的方法是用图五的电路。

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    在表一中的一套规格化的R3 的阻值可以用作产生不同等级的衰减。对于表中没有的阻值,可以用以下的公式计算

    R3=(Vo/Vin)/(2-2(Vo/Vin))

    如果表中有值,按以下方法处理:

    为Rf和Rin在1K到100K之间选择一个值,该值作为基础值。

    将Rin 除以二得到RinA 和RinB。

    将基础值分别乘以1 或者2 就得到了Rf、Rin1 和Rin2,如图五中所示。

    在表中给R3 选择一个合适的比例因子,然后将他乘以基础值。

    比如,如果Rf是20K,RinA和RinB都是10K,那么用12.1K的电阻就可以得到-3dB的衰减。

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    图六中同相的衰减器可以用作电压衰减和同相缓冲器使用。

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    2.3 加法器

    图七是一个反相加法器,他是一个基本的音频混合器。但是该电路的很少用于真正的音频混合器。因为这会逼近运放的工作极限,实际上我们推荐用提高电源电压的办法来提高动态范围。

    同相加法器是可以实现的,但是是不被推荐的。因为信号源的阻抗将会影响电路的增益。

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    2.4 减法器

    就像加法器一样,图八是一个减法器。一个通常的应用就是用于去除立体声磁带中的原唱而留下伴音(在录制时两通道中的原唱电平是一样的,但是伴音是略有不同的)。

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    2.5 模拟电感

    图九的电路是一个对电容进行反向操作的电路,它用来模拟电感。电感会抵制电流的变化,所以当一个直流电平加到电感上时电流的上升是一个缓慢的过程,并且电感中电阻上的压降就显得尤为重要。

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    电感会更加容易的让低频通过它,它的特性正好和电容相反,一个理想的电感是没有电阻的,它可以让直流电没有任何限制的通过,对频率是无穷大的信号有无穷大的阻抗。

    如果直流电压突然通过电阻R1 加到运放的反相输入端上的时候,运放的输出将不会有任何的变化,因为这个电压同过电容C1 也同样加到了正相输出端上,运放的输出端表现出了很高的阻抗,就像一个真正的电感一样。

    随着电容C1 不断的通过电阻R2 进行充电,R2上电压不断下降,运放通过电阻R1汲取电流。随着电容不断的充电,最后运放的两个输入脚和输出脚上的电压最终趋向于虚地(Vcc/2)。

    当电容C1 完全被充满时,电阻R1 限制了流过的电流,这就表现出一个串连在电感中电阻。这个串连的电阻就限制了电感的Q 值。真正电感的直流电阻一般会比模拟的电感小的多。这有一些模拟电感的限制:

    电感的一段连接在虚地上;

    模拟电感的Q值无法做的很高,取决于串连的电阻R1;

    模拟电感并不像真正的电感一样可以储存能量,真正的电感由于磁场的作用可以引起很高的反相尖峰电压,但是模拟电感的电压受限于运放输出电压的摆幅,所以响应的脉冲受限于电压的摆幅。

    2.6 仪用放大器

    仪用放大器用于需要对小电平信号直流信号进行放大的场合,他是由减法器拓扑而来的。仪用放大器利用了同相输入端高阻抗的优势。基本的仪用放大器如图十所示。

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    这个电路是基本的仪用放大电路,其他的仪用放大器也如图中所示,这里的输入端也使用了单电源供电。这个电路实际上是一个单电源的应变仪。这个电路的缺点是需要完全相等的电阻,否则这个电路的共模抑制比将会很低。

    图十中的电路可以简单的去掉三个电阻,就像图十一中的电路。

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    这个电路的增益非常好计算。但是这个电路也有一个缺点:那就是电路中的两个电阻必须一起更换,而且他们必须是等值的。另外还有一个缺点,第一级的运放没有产生任何有用的增益。

    另外用两个运放也可以组成仪用放大器,就像图十二所示。

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    但是这个仪用放大器是不被推荐的,因为第一个运放的放大倍数小于一,所以他可能是不稳定的,而且Vin -上的信号要花费比Vin +上的信号更多的时间才能到达输出端。

    这节非常深入地介绍了用运放组成的有源滤波器。在很多情况中,为了阻挡由于虚地引起的直流电平,在运放的输入端串入了电容。这个电容实际上是一个高通滤波器,在某种意义上说,像这样的单电源运放电路都有这样的电容。设计者必须确定这个电容的容量必须要比电路中的其他电容器的容量大100 倍以上。这样才可以保证电路的幅频特性不会受到这个输入电容的影响。如果这个滤波器同时还有放大作用,这个电容的容量最好是电路中其他电容容量的1000 倍以上。如果输入的信号早就包含了VCC/2 的直流偏置,这个电容就可以省略。

    这些电路的输出都包含了VCC/2 的直流偏置,如果电路是最后一级,那么就必须串入输出电容。

    这里有一个有关滤波器设计的协定,这里的滤波器均采用单电源供电的运放组成。滤波器的实现很简单,但是以下几点设计者必须注意:

    1. 滤波器的拐点(中心)频率

    2. 滤波器电路的增益

    3. 带通滤波器和带阻滤波器的的Q值

    4. 低通和高通滤波器的类型(Butterworth 、Chebyshev、Bessell)

    不幸的是要得到一个完全理想的滤波器是无法用一个运放组成的。即使可能,由于各个元件之间的负杂互感而导致设计者要用非常复杂的计算才能完成滤波器的设计。通常对波形的控制要求越复杂就意味者需要更多的运放,这将根据设计者可以接受的最大畸变来决定。或者可以通过几次实验而最终确定下来。如果设计者希望用最少的元件来实现滤波器,那么就别无选择,只能使用传统的滤波器,通过计算就可以得到了。

    3.1 一阶滤波器

    一阶滤波器是最简单的电路,他们有20dB 每倍频的幅频特性

    3.1.1 低通滤波器

    典型的低通滤波器如图十三所示。

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    3.1.2 高通滤波器

    典型的高通滤波器如图十四所示。

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    3.1.3 文氏滤波器

    文氏滤波器对所有的频率都有相同的增益,但是它可以改变信号的相角,同时也用来做相角修正电路。图十五中的电路对频率是F 的信号有90 度的相移,对直流的相移是0度,对高频的相移是180度。

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    3.2 二阶滤波器

    二阶滤波电路一般用他们的发明者命名。他们中的少数几个至今还在使用。有一些二阶滤波器的拓扑结构可以组成低通、高通、带通、带阻滤波器,有些则不行。这里没有列出所有的滤波器拓扑结构,只是将那些容易实现和便于调整的列了出来。

    二阶滤波器有40dB 每倍频的幅频特性。

    通常的同一个拓扑结构组成的带通和带阻滤波器使用相同的元件来调整他们的Q 值,而且他们使滤波器在Butterworth 和Chebyshev 滤波器之间变化。必须要知道只有Butterworth 滤波器可以准确的计算出拐点频率,Chebyshev 和Bessell滤波器只能在Butterworth 滤波器的基础上做一些微调。

    我们通常用的带通和带阻滤波器有非常高的Q 值。如果需要实现一个很宽的带通或者带阻滤波器就需要用高通滤波器和低通滤波器串连起来。对于带通滤波器的通过特性将是这两个滤波器的交叠部分,对于带阻滤波器的通过特性将是这两个滤波器的不重叠部分。 这里没有介绍反相 Chebyshev 和 Elliptic 滤波器,因为他们已经不属于电路集需要介绍的范围了。

    不是所有的滤波器都可以产生我们所设想的结果――比如说滤波器在阻带的最后衰减幅度在多反馈滤波器中的会比在Sallen-Key 滤波器中的大。由于这些特性超出了电路图集的介绍范围,请大家到教科书上去寻找每种电路各自的优缺点。不过这里介绍的电路在不是很特殊的情况下使用,其结果都是可以接受的。

    3.2.1 Sallen-Key滤波器

    Sallen-Key 滤波器是一种流行的、广泛应用的二阶滤波器。他的成本很低,仅需要一个运放和四个无源器件组成。但是换成Butterworth 或Chebyshev 滤波器就不可能这么容易的调整了。请设计者参看参考条目【1】和参考条目【2】,那里介绍了各种拓扑的细节。 这个电路是一个单位增益的电路,改变Sallen-Key 滤波器的增益同时就改变了滤波器的幅频特性和类型。实际上Sallen-Key 滤波器就是增益为1的Butterworth 滤波器。

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    3.2.2 多反馈滤波器

    多反馈滤波器是一种通用,低成本以及容易实现的滤波器。不幸的是,设计时的计算有些复杂,在这里不作深入的介绍。请参看参考条目【1】中的对多反馈滤波器的细节介绍。如果需要的是一个单位增益的Butterworth 滤波器,那么这里的电路就可以给出一个近似的结果。

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    3.2.3 双T滤波器

    双T 滤波器既可以用一个运放也可仪用两个运放实现。他是建立在三个电阻和三个电容组成的无源网络上的。这六个元件的匹配是临界的,但幸运的是这仍是一个常容易的过程,这个网络可以用同一值的电阻和同一值的电容组成。用图中的公式就可以同时的将R3 和C3 计算出来。应该尽量选用同一批的元件,他们有非常相近的特性。

    3.2.3.1 单运放实现

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    如果用参数非常接近的元件组成带通滤波器,就很容易发生振荡。接到虚地的电阻最好在E-96 1%系列中选择,这样就可以破坏振荡条件。

    3.2.3.2 双运放实现

    典型的双运放如图20到图22所示

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    运算放大器(Operational Amplifier,简称OP、OPA、OPAMP)是一种直流耦合﹐差模(差动模式)输入、通常为单端输出(Differential-in, single-ended output)的高增益(gain)电压放大器,因为刚开始主要用于加法,乘法等运算电路中,因而得名。一个理想的运算放大器必须具备下列特性:无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。最基本的运算放大器如图1-1。一个运算放大器模组一般包括一个正输入端(OP_P)、一个负输入端(OP_N)和一个输出端(OP_O)。

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    通常使用运算放大器时,会将其输出端与其反相输入端(inverting input node)连接,形成一负反馈(negative feedback)组态。原因是运算放大器的电压增益非常大,范围从数百至数万倍不等,使用负反馈方可保证电路的稳定运作。但是这并不代表运算放大器不能连接成正回馈(positive feedback),相反地,在很多需要产生震荡讯号的系统中,正回馈组态的运算放大器是很常见的组成元件。

    开环回路

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    开环回路运算放大器如图1-2。当一个理想运算放大器采用开回路的方式工作时,其输出与输入电压的关系式如下:

    Vout = ( V+ -V-) * Aog

    其中Aog代表运算放大器的开环回路差动增益(open-loop differential gai由于运算放大器的开环回路增益非常高,因此就算输入端的差动讯号很小,仍然会让输出讯号「饱和」(saturation),导致非线性的失真出现。

    闭环负反馈

    将运算放大器的反向输入端与输出端连接起来,放大器电路就处在负反馈组态的状况,此时通常可以将电路简单地称为闭环放大器。闭环放大器依据输入讯号进入放大器的端点,又可分为反相(inverting)放大器与非反相(non-inverting)放大器两种。

    反相闭环放大器如图1-3。假设这个闭环放大器使用理想的运算放大器,则因为其开环增益为无限大,所以运算放大器的两输入端为虚接地(virtual ground),其输出与输入电压的关系式如下:

    Vout = -(Rf / Rin) * Vin

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    非反相闭环放大器如图1-4。假设这个闭环放大器使用理想的运算放大器,则因为其开环增益为无限大,所以运算放大器的两输入端电压差几乎为零,其输出与输入电压的关系式如下: Vout = ((R2 / R1) + 1) * Vin

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    闭环正回馈

    将运算放大器的正向输入端与输出端连接起来,放大器电路就处在正回馈的状况,由于正回馈组态工作于一极不稳定的状态,多应用于需要产生震荡讯号的应用中。

    理想运放和理想运放条件

    在分析和综合运放应用电路时,大多数情况下,可以将集成运放看成一个理想运算放大器。理想运放顾名思义是将集成运放的各项技术指标理想化。由于实际运放的技术指标比较接近理想运放,因此由理想化带来的误差非常小,在一般的工程计算中可以忽略。

    理想运放各项技术指标具体如下:

    1.开环差模电压放大倍数Aod = ∞;

    2.输入电阻Rid = ∞;输出电阻Rod =0

    3.输入偏置电流IB1=IB2=0 ;

    4.失调电压UIO、失调电流IIO 、失调电压温漂

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    、失调电流温漂均为零;

    5.共模抑制比CMRR = ∞;;

    6.-3dB带宽fH = ∞ ;

    7.无内部干扰和噪声。

    实际运放的参数达到如下水平即可以按理想运放对待:

    电压放大倍数达到104~105倍;输入电阻达到105Ω;输出电阻小于几百欧姆;

    外电路中的电流远大于偏置电流;失调电压、失调电流及其温漂很小,造成电路的漂移在允许范围之内,电路的稳定性符合要求即可;输入最小信号时,有一定信噪比,共模抑制比大于等于60dB;带宽符合电路带宽要求即可。

    运算放大器中的虚短和虚断含意

    理想运放工作在线性区时可以得出二条重要的结论:

    虚短

    因为理想运放的电压放大倍数很大,而运放工作在线性区,是一个线性放大电路,输出电压不超出线性范围(即有限值),所以,运算放大器同相输入端与反相输入端的电位十分接近相等。在运放供电电压为±15V时,输出的最大值一般在10~13V。所以运放两输入端的电压差,在1mV以下,近似两输入端短路。这一特性称为虚短,显然这不是真正的短路,只是分析电路时在允许误差范围之内的合理近似。

    虚断

    由于运放的输入电阻一般都在几百千欧以上,流入运放同相输入端和反相输入端中的电流十分微小,比外电路中的电流小几个数量级,流入运放的电流往往可以忽略,这相当运放的输入端开路,这一特性称为虚断。显然,运放的输入端不能真正开路。

    运用“虚短”、“虚断”这两个概念,在分析运放线性应用电路时,可以简化应用电路的分析过程。运算放大器构成的运算电路均要求输入与输出之间满足一定的函数关系,因此均可应用这两条结论。如果运放不在线性区工作,也就没有“虚短”、“虚断”的特性。如果测量运放两输入端的电位,达到几毫伏以上,往往该运放不在线性区工作,或者已经损坏。

    重要指标

    输入失调电压UIO

    一个理想的集成运放,当输入电压为零时,输出电压也应为零(不加调零装置)。但实际上集成运放的差分输入级很难做到完全对称,通常在输入电压为零时,存在一定的输出电压。输入失调电压是指为了使输出电压为零而在输入端加的补偿电压。实际上是指输入电压为零时,将输出电压除以电压放大倍数,折算到输入端的数值称为输入失调电压,即UIO的大小反应了运放的对称程度和电位配合情况。UIO越小越好,其量级在2mV~20mV之间,超低失调和低漂移运放的UIO一般在1μV~20μV之间 输入失调电流IIO

    当输出电压为零时,差分输入级的差分对管基极的静态电流之差称为输入失调电流IIO,即

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    由于信号源内阻的存在,IIO的变化会引起输入电压的变化,使运放输出电压不为零。IIO愈小,输入级差分对管的对称程度越好,一般约为1nA~0.1μA。 输入偏置电流IIB

    集成运放输出电压为零时,运放两个输入端静态偏置电流的平均值定义为输入偏置电流,即

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    从使用角度来看,偏置电流小好,由于信号源内阻变化引起的输出电压变化也愈小,故输入偏置电流是重要的技术指标。一般IIB约为1nA~0.1μA。

    输入失调电压温漂△UIO/△T

    输入失调电压温漂是指在规定工作温度范围内,输入失调电压随温度的变化量与温度变化量的比值。它是衡量电路温漂的重要指标,不能用外接调零装置的办法来补偿。输入失调电压温漂越小越好。一般的运放的输入失调电压温漂在±1mV/℃~±20mV/℃之间。

    输入失调电流温漂 △IIO/△T

    在规定工作温度范围内,输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值称为输入失调电流温漂。输入失调电流温漂是放大电路电流漂移的量度,不能用外接调零装置来补偿。高质量的运放每度几个pA。

    最大差模输入电压Uidmax

    最大差模输入电压Uidmax是指运放两输入端能承受的最大差模输入电压。超过此电压,运放输入级对管将进入非线性区,而使运放的性能显著恶化,甚至造成损坏。根据工艺不同,Uidmax约为±5V~±30V。

    最大共模输入电压Uicmax

    最大共模输入电压Uicmax是指在保证运放正常工作条件下,运放所能承受的最大共模输入电压。共模电压超过此值时,输入差分对管的工作点进入非线性区,放大器失去共模抑制能力,共模抑制比显著下降。

    最大共模输入电压Uicmax定义为,标称电源电压下将运放接成电压跟随器时,使输出电压产生1%跟随误差的共模输入电压值;或定义为 下降6dB时所加的共模输入电压值。

    开环差模电压放大倍数Aud是指集成运放工作在线性区、接入规定的负载,输出电压的变化量与运放输入端口处的输入电压的变化量之比。运放的Aud在60~120dB之间。不同功能的运放,Aud相差悬殊。

    差模输入电阻Rid是指输入差模信号时运放的输入电阻。Rid越大,对信号源的影响越小,运放的输入电阻Rid一般都在几百千欧以上。

    运放共模抑制比KCMR的定义与差分放大电路中的定义相同,是差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比,常用分贝数来表示。不同功能的运放,KCMR也不相同,有的在60~70dB之间,有的高达180dB。KCMR越大,对共模干扰抑制能力越强。

    开环带宽BW

    开环带宽又称-3dB带宽,是指运算放大器的差模电压放大倍数Aud在高频段下降3dB所对应的频率fH。

    单位增益带宽BWG是指信号频率增加,使Aud下降到1时所对应的频率fT,即Aud为0dB时的信号频率fT。它是集成运放的重要参数。741型运放的 fT=7Hz,是比较低的。

    转换速率SR (压摆率)

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    转换速率SR

    是指放大电路在电压放大倍数等于1的条件下,输入大信号(例如阶跃信号)时,放大电路输出电压对时间的最大变化速率,见图7-1-1。它反映了运放对于快速变化的输入信号的响应能力。转换速率SR的表达式为

    转换速率SR是在大信号和高频信号工作时的一项重要指标,目前一般通用型运放压摆率在1~10V/μs左右。

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    单位增益带宽BWG (fT)

    共模抑制比KCMR

    差模输入电阻

    开环差模电压放大倍数Aud

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    开环带宽:

    开环带宽定义为,将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端,从运放的输出端测得开环电压增益从运放的直流增益下降3db(或是相当于运放的直流增益的0.707)所对应的信号频率。这用于很小信号处理。

    单位增益带宽GB:

    单位增益带宽定义为,运放的闭环增益为1倍条件下,将一个恒幅正弦小信号输入到运放的输入端,从运放的输出端测得闭环电 压增益下降3db(或是相当于运放输入信号的0.707)所对应的信号频率。单位增益带宽是一个很重要的指标,对于正弦小信号放大时,单位增益带宽等于输 入信号频率与该频率下的最大增益的乘积,换句话说,就是当知道要处理的信号频率和信号需要的增以后,可以计算出单位增益带宽,用以选择合适的运放。这用于 小信号处理中运放选型。

    转换速率(也称为压摆率)SR:

    运放转换速率定义为,运放接成闭环条件下,将一个大信号(含阶跃信号)输入到运放的输入端,从运放的输出 端测得运放的输出上升速率。由于在转换期间,运放的输入级处于开关状态,所以运放的反馈回路不起作用,也就是转换速率与闭环增益无关。转换速率对于大信号 处理是一个很重要的指标,对于一般运放转换速率SR<=10V/μs,高速运放的转换速率SR>10V/μs。目前的高速运放最高转换速率 SR达到6000V/μs。这用于大信号处理中运放选型。

    全功率带宽BW:

    全功率带宽定义为,在额定的负载时,运放的闭环增益为1倍条件下,将一个恒幅正弦大信号输入到运放的输入端,使运放输出 幅度达到最大(允许一定失真)的信号频率。这个频率受到运放转换速率的限制。近似地,全功率带宽=转换速率/2πVop(Vop是运放的峰值输出幅度)。 全功率带宽是一个很重要的指标,用于大信号处理中运放选型。

    建立时间:

    建立时间定义为,在额定的负载时,运放的闭环增益为1倍条件下,将一个阶跃大信号输入到运放的输入端,使运放输出由0增加到某 一给定值的所需要的时间。由于是阶跃大信号输入,输出信号达到给定值后会出现一定抖动,这个抖动时间称为稳定时间。稳定时间+上升时间=建立时间。对于不 同的输出精度,稳定时间有较大差别,精度越高,稳定时间越长。建立时间是一个很重要的指标,用于大信号处理中运放选型。

    等效输入噪声电压:

    等效输入噪声电压定义为,屏蔽良好、无信号输入的的运放,在其输出端产生的任何交流无规则的干扰电压。这个噪声电压折算到运放输入端时,就称为运放输入噪声电压(有时也用噪声电流表示)。对于宽带噪声,普通运放的输入噪声电压有效值约10~20μV。

    差模输入阻抗(也称为输入阻抗):

    差模输入阻抗定义为,运放工作在线性区时,两输入端的电压变化量与对应的输入端电流变化量的比值。差模输 入阻抗包括输入电阻和输入电容,在低频时仅指输入电阻。一般产品也仅仅给出输入电阻。采用双极型晶体管做输入级的运放的输入电阻不大于10兆欧;场效应管 做输入级的运放的输入电阻一般大于109欧。

    共模输入阻抗:

    共模输入阻抗定义为,运放工作在输入信号时(即运放两输入端输入同一个信号),共模输入电压的变化量与对应的输入电流变化量之比。在低频情况下,它表现为共模电阻。通常,运放的共模输入阻抗比差模输入阻抗高很多,典型值在108欧以上。

    输出阻抗:

    输出阻抗定义为,运放工作在线性区时,在运放的输出端加信号电压,这个电压变化量与对应的电流变化量的比值。在低频时仅指运放的输出电阻。这个参数在开环测试。

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