1、模擬電子技術電子教案 V1.0微電子電路分析與設計Ch15模擬電子技術2微電子電路分析與設計第1章 半導體材料和二極管第2章 二極管電路第3章 場效應晶體管第4章 基本FET放大器第5章 雙極型晶體管第6章 基本的BJT放大器第7章 頻率響應第8章 輸出級和功率放大器第9章 理想運算放大器及運放電路第10章 集成電路偏置技術和有源負載第11章 差分放大器和多級放大器第12章 反饋及其穩定性第13章 運算放大器電路第14章 運算放大器電路的非理想效應第15章 集成電路的應用和設計第2部分 模擬電子技術第1部分 半導體器件及其基本應用后面基本按順序講授！序言23多級放大電路組成及模電發展線索輸入級

2、Ri中間放大級AV 輸出級Ro 共集、共射共射、共基共集第3、4章 場效應管第11章差分放大電路2個信號相減第8章 功率放大電路直接耦合零漂RiRL特別小第10章 電流源第13、14章 集成運算放大器性能改善第12章 反饋技術、方法第9、15章運算放大器應用 各種功能電路穩定Q電路4但是 3個問題？1. 差模電壓增益AVO 2105 (106dB)2. 輸入失調電壓溫漂VIO / T 20V/C3. 3dB帶寬 fH 7HzVO / T AVOVIO/T = 4V/C最大輸出電壓VOPP 14V（Vom）易引起頻率失真最大輸入電壓:如何使用？線性范圍小+-引言：負反饋放大電路集成運放性能很理想

3、的差分放大電路負反饋可擴展頻帶51. 應用分類按功能分類按工作區域分類放大 信號傳遞，AV、AI、AR(V/I)、AG(I/V)運算 處理 濾波、峰值、有效值、絕對值、限幅比較 判斷電壓大小（第7章）信號產生 正弦、方波、三角波（第7章）線性應用 負反饋非線性應用 電壓比較器 集成運放應用概述負反饋開環或正反饋6Chapter 15Applications and Design of Integrated Circuits 15.1 Active Filters 負反饋：同相比例頻率響應15.2 Oscillators 正反饋帶通(正反饋振蕩,負反饋穩幅)15.3 Schmitt Trigge

4、r Circuits 開環或正反饋計劃4學時15.5 Integrated Circuit Power Amplifiers 15.6 Voltage Regulators 負反饋：同相比例(串聯-并聯)15.4 Nonsinusoidal Oscillators and Timing Circuits 負反饋正反饋綜合：施密特RC積分或反相積分電路715.2 Oscillators15.2.1 Basic Principles for Oscillation15.2.2 Phase-Shift Oscillation (了解)15.2.3 Wien-Bridge Oscillation (掌

5、握)15.2.4 Additional Oscillation Configurations LCRC自激振蕩：12.9.1 The Stability Problem振蕩器功能：能自動輸出一定頻率的正弦波。(沒有輸入信號)中頻區負反饋 高頻區正反饋放大器電路要求線性，故必須防止振蕩補償方法振蕩器電路要利用自激振蕩為使振蕩更容易產生，需要構成正反饋；當振幅達到要求時，又需要負反饋穩定振幅。(矛盾)815.2.1 Basic Principles for Oscillation負反饋放大器正反饋結構振蕩器結構比較環節：閉環頻率響應：振蕩條件環路增益：特點：閉合環路 (無Vi )怎么分析？按12.

6、8節求環路增益：若Vfb=Vt，則.振蕩可維持幾個問題？ 如何自行建立振蕩（起振）？ 如何保證輸出信號頻率？應有選頻網絡(帶通)： RC、LC 3個振蕩條件本質上相同！(1) 振蕩條件環路增益=1（包含比較環節）9(2) 振蕩器電路組成15.2.1 Basic Principles for Oscillation(1) 振蕩條件振蕩器結構 反饋網絡 (構成正反饋) 選頻網絡 (無源、帶通濾波) 放大電路 (可能有負反饋) 穩幅環節 (自動調節環路增益)保證只在單一頻率0處滿足振蕩條件； 可以由RC(低頻)或LC(高頻)元件構成； 可以設置在反饋網絡或放大電路中。起振 (輸出幅值=0或較小)時：

7、保證環路增益|T(j )|1； 起振原因：噪聲、干擾或電源接通時的階躍(均含豐富的諧波)。穩幅(輸出幅值較大)時：調節環路增益|T(j )|1； 隨著輸出幅值的增大，應自動調節|T(j )|； 最后在|T(j )|1時達到平衡。 如何自行建立振蕩(起振)？ 如何保證輸出信號頻率？1015.2.2 Phase-Shift Oscillation (了解)A. Structure電壓跟隨器0反相比例180辨認電路，定性判斷： 總相移 = 0 相位平衡條件？B. OperatingLoop gainviTo satisfy T(j)=1：At this freq.一般分析方法舉例3個運放總相移=18

8、0，則3個RC電路需產生180相移1115.2.3 Wien-Bridge Oscillation (掌握)(1) 電路組成特點：電橋、雙反饋初步分析： 滿足相位平衡條件？ 滿足振幅平衡條件？(+)(+)(+)(+)串聯-并聯負反饋(電壓串聯)(+)？(+)vt關鍵：RC串并聯網絡的頻率響應 選頻特性 ？構成正反饋？初步結論：12(2) RC串并聯選頻網絡的選頻特性即分析反饋系數的頻率響應15.2.3 Wien-Bridge Oscillation (掌握)1315.2.3 Wien-Bridge Oscillation (掌握)(2) RC串并聯選頻網絡的選頻特性相移 = 0 V14(3)

9、振蕩電路工作原理 滿足相位平衡條件？ 滿足振幅平衡條件？(+)(+)(+)(+)此時若則電路可以輸出正弦波，頻率為（頻率低于 1 MHz）15.2.3 Wien-Bridge Oscillation (掌握)只對f0有0構成正反饋15(4) 穩幅措施穩幅原理：起振時：AV 3穩幅采用非線性元件 熱敏電阻 場效應管 二極管 熱敏電阻15.2.3 Wien-Bridge Oscillation (掌握)16 二極管穩幅原理設D開路，則AVFV 1，有利于起振！計算D導通條件（求開路電壓）：D才導通 試定性說明當R2不慎短路時輸出電壓vO的波形； 試定性說明當R2不慎斷開時輸出電壓vO的波形(并標明

10、振幅)。(4) 穩幅措施15.2.3 Wien-Bridge Oscillation (掌握)17采用非線性元件4. 穩幅措施場效應管（JFET）穩幅原理穩幅整流濾波T 壓控電阻可變電阻區，斜率隨vGS不同而變化選頻網絡同相比例放大1815.2 Oscillators15.2.1 Basic Principles for Oscillation15.2.2 Phase-Shift Oscillation (了解)15.2.3 Wien-Bridge Oscillation (掌握)15.2.4 Additional Oscillation Configurations LCRC自激振蕩：12.

11、9.1 The Stability Problem振蕩器功能：能自動輸出一定頻率的正弦波。(沒有輸入信號)中頻區負反饋 高頻區正反饋放大器電路要求線性，故必須防止振蕩補償方法振蕩器電路要利用自激振蕩為使振蕩更容易產生，需要構成正反饋；當振幅達到要求時，又需要負反饋穩定振幅。(矛盾)19Chapter 15Applications and Design of Integrated Circuits 15.1 Active Filters 負反饋：同相比例頻率響應15.2 Oscillators 正反饋帶通(正反饋振蕩,負反饋穩幅)15.3 Schmitt Trigger Circuits 開環或

12、正反饋計劃4學時15.5 Integrated Circuit Power Amplifiers 15.6 Voltage Regulators 負反饋：同相比例(串聯-并聯)15.4 Nonsinusoidal Oscillators and Timing Circuits 負反饋正反饋綜合：施密特RC積分或反相積分電路2015.3 Schmitt Trigger Circuits15.3.1 Comparator15.3.3 Additional Schmitt Trigger Configurations15.3.2 Basic Inverting Schmitt Trigger15.3

13、.4 Schmitt Trigger with Limiters2115.3.1 Comparator 特點：開環，運放工作在非線性狀態下 工作原理：邏輯1邏輯0輸出電壓處于過渡區域。靈敏度或比較誤差(可忽略)常見電路 門限電壓Vth (Crossover voltage) 輸出vO翻轉時對應的臨界輸入電壓2215.3.1 Comparator 同相比較器 反相比較器 同相過零比較器 (Zero-Crossing Detector) 反相過零比較器分析任務及方法 求傳輸特性 方向 輸出電平VOH 、VOL 門限電壓Vth (Crossover voltage)同相和反相Vom (運放線性范圍=

14、VCC-VCES )Vom= VCC (忽略飽和壓降)Vom= VZ ( 穩壓電路) 輸出vO翻轉時對應的臨界輸入電壓當vP vN 時狀態翻轉，此瞬間可用虛短、虛斷常見電路23分析舉例1 設運放是理想的， 且VREF= -1V, VZ= 5V，試求門限電壓Vth ，畫出傳輸特性解: 求門限電壓Vth 利用虛短、虛斷畫傳輸特性由穩壓管電路，得：VO= VZ= 5V。 vI反相端 反相電壓比較器24比較器的應用 基本應用 判斷電壓大小，如安全監控等 獲取周期T 過零比較器 波形整形15.3.1 Comparator25 波形整形比較器的應用錯誤動作單門限比較器雖然有電路簡單、靈敏度高等特點，但其抗

15、干擾能力差。應為高電平15.3.1 Comparator26 特點：正反饋，顯然在非線性狀態，輸出只有2種狀態 工作原理： vI與vF的關系為：vI最大（vI +6V）vI居中（-6V vI +6V）vI最小（vI vF時vO vO = VZRC反向充電vC vF = -FVZ當vC vF時vO 周而復始，形成振蕩 2. 工作原理35 3. 波形4. 計算周期問題：能否調整占空比，產生矩形波？ 7.7.1 矩形波產生電路36 5. 占空比可變的矩形波產生電路問題：能否同時產生方波和三角波？end 7.7.1 矩形波產生電路377.7 非正弦波產生電路三角波產生電路 電路組成 用積分運算電路可將

16、方波變為三角波反相遲滯比較器RC積分反相積分電路同相遲滯比較器 分析方法：比較器輸出只有兩個暫態。設輸出為某一暫態，看是否能自動翻轉為另一暫態，并能再回到原暫態。不能振蕩！應更換為38三角波產生電路 1. 電路組成 反相積分電路反相遲滯比較器反相積分電路同相遲滯比較器習題9.4.9不能振蕩！可以振蕩！39習題9.4.9畫出vO1、vO2的波形。求振蕩頻率；反相積分電路同相遲滯比較器習題38、3940tvO20vO10t習題9.4.9求振蕩頻率；畫出vO1、vO的波形。 如何調整三角波的幅值和頻率？41Chapter 15Applications and Design of Integrated

17、 Circuits 15.1 Active Filters 負反饋：同相比例頻率響應15.2 Oscillators 正反饋帶通(正反饋振蕩,負反饋穩幅)15.3 Schmitt Trigger Circuits 開環或正反饋計劃4學時15.5 Integrated Circuit Power Amplifiers 15.6 Voltage Regulators 負反饋：同相比例(串聯-并聯)15.4 Nonsinusoidal Oscillators and Timing Circuits 負反饋正反饋綜合：施密特RC積分或反相積分電路4215.6 Voltage Regulators15.

18、6.1 Basic Regulator Description15.6.3 Simple Series-Pass Regulator15.6.2 Output Resistance and Load Regulation15.6.4 Positive Voltage RegulatorVoltageRegulatorRLIOV+(VI)+VO+定義：可以為負載提供穩定電壓，VO與IO、VI大小無關。恒壓源不穩定直流電壓穩定直流電壓 Line regulation Output resistance Load regulation VO(NL) is zero-load, VO(FL) is f

19、ull-load15.6.215.6.1三端子器件二端口4315.6.1 Basic Regulator Description15.6.3 Simple Series-Pass RegulatorVoltageRegulatorRLIOV+(VI)+VO+ 為負載提供的穩定電壓VO與IO、VI大小無關，只受內部電路控制。穩壓器的基本電路框圖 four parts構成串聯-并聯負反饋(即同相比例)V+V+不穩定穩定(1) 電路結構2.2 Zener Diode串聯-并聯負反饋同相比例電路共集電流放大運放擴流電路(2) 調節原理(3) 計算=VOV+當做電源處理達林頓對(復合管)44(1) 電路

20、結構(2) 調節原理(3) 計算15.6.1 Basic Regulator Description15.6.3 Simple Series-Pass Regulator根據深度負反饋下的近似估算方法，由虛短法則有 必須說明：要想使調整管起到調整作用，必須使之工作在放大狀態，應滿足如下條件：VI VO + VCES也稱為線性穩壓電路。 45例題直流穩壓電源電路如圖11.2.2所示。 (1) 說明整流電路、濾波電路、調整管、基準電壓電路、比較放大電路、采樣電路等部分各由哪些元件組成。(2) 標出集成運放的同相輸入端和反相輸入端。 (3) 寫出輸出電壓的表達式。(2) 為了使電路引入負反饋，集成運

21、放的輸入端應為上“”下“”。 (3) 由集成運放兩輸入端的虛短關系VP VN，可得 當R2滑動端移到上端時 當R2動端置下端時 4615.6.4 Positive Voltage RegulatorVoltageRegulatorRLIOV+(VI)+VO+不穩定穩定三端集成穩壓器的外形圖 固定式穩壓電路 (有電壓可調產品)78系列輸出為正電壓79系列輸出為負電壓 輸出電壓 有5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V七個檔次，型號后面的兩個數宇表示輸出電壓值。 輸出電流分三個檔次:1A（78）、0.5A（78M）0.1A（78L）47(1) 基本應用電路正電壓穩壓器負電壓穩壓器輸入、輸

22、出電壓差大于23V；且最大輸入電壓小于35V。 15.6.4 Positive Voltage Regulator(2) 正、負輸出穩壓電路48(3) 輸出電壓可調電路 當所需電壓值沒有對應的三端穩壓器時，可利用三端穩壓器加少量元件構成輸出電壓可調的穩壓電路。 圖示電路為730V可調穩壓電源。 由三端穩壓器的性能特點可知：V32 = V3 V2 =5V 集成運放接成電壓跟隨器，所以 15.6.4 Positive Voltage Regulator49Chapter 15Applications and Design of Integrated Circuits 15.1 Active Fil

23、ters 負反饋：同相比例頻率響應15.2 Oscillators 正反饋帶通(正反饋振蕩,負反饋穩幅)15.3 Schmitt Trigger Circuits 開環或正反饋計劃4學時15.5 Integrated Circuit Power Amplifiers 15.6 Voltage Regulators 負反饋：同相比例(串聯-并聯)15.4 Nonsinusoidal Oscillators and Timing Circuits 負反饋正反饋綜合：施密特RC積分或反相積分電路5015.1 Active Filters15.1.1 Active Network Design15.1

24、.3 Two-Pole Low-Pass Butterworth Filter15.1.2 General Two-Pole Active Filter15.1.4 Two-Pole High-Pass Butterworth Filter15.1.5 Higher-order Butterworth Filters15.1.6 Switched-Capacitor Filter有源濾波器是運放很重要的一種應用電路。（ 負反饋：同相比例頻率響應）濾波是指除去頻譜中不需要的頻率成分。能傳輸輸入信號中所需要的頻率成分，而濾去不需要的頻率部分。本章的討論僅對濾波器設計理論加以簡單的介紹。基本要求掌握

25、低通、高通、帶通和帶阻濾波的特點及應用掌握有源濾波電路的分析方法 ( 頻率響應分析 ) Basic Concepts Classifications First-Order Active了解二階濾波電路的組成規律及性能特點掌握一階有源濾波電路和簡單的二階 Basic Concepts5115.1.1 Active Network Design Basic Concepts Classifications 濾波器是一種選頻電路，它是一種能使有用頻率信號通過，而同時抑制(或大大衰減)無用頻率信號的電子裝置。 例如：RC低通電路濾波器的用途舉例 First-Order Active52 Classi

26、fications15.1.1 Active Network Design Basic Concepts First-Order Active 無源與有源 按幅頻特性分類無源濾波器(Passive Filters)： 由R、L、C 等無源元件組成； 缺點：嚴重的負載效應。有源濾波器(Active filters)： RC無源濾波器 + 放大器(運放)。特性描述 通常用幅頻響應來表征 通帶 能夠通過的信號頻率范圍阻帶 受阻或衰減的信號頻率范圍截止頻率 通帶和阻帶的界限頻率 53 按幅頻特性分類 Classifications15.1.1 Active Network Design Basic C

27、oncepts First-Order ActiveH LLow-pass filter (LPF)High-pass filter (HPF)Band-pass filter (BPF)Band-reject filter (BRF) 分析任務 確定類型 確定通帶增益A0 確定阻帶(過渡帶)衰減速率求頻率響應，獲取性能指標 通帶截止頻率f0 確定阻帶增益54 First-Order Active Classifications15.1.1 Active Network Design Basic Concepts 一階低通有源濾波器RC低通同相比例RC高通同相比例 一階高通有源濾波器性能指標：

28、 截止頻率=f0、通帶增益=A0 阻帶(過渡帶)衰減速率=20dB/十倍頻 5515.1.2 General Two-Pole Active Filter15.1.3 Two-Pole Low-Pass Butterworth Filter15.1.4 Two-Pole High-Pass Butterworth Filter15.1.5 Higher-order Butterworth Filters(1) 高階濾波的一般規律 電路組成： 二階可以由一階串聯一階構成 四階可以由二階串聯二階構成(2) 高階濾波的性能改善General Two-Pole Active FilterButterw

29、orth Filter 傳遞函數的一般形式56分析舉例1設圖中的集成運放均為理想運放。試分析： 1. 集成運放A1和電阻R3、R4構成什么電路？ 2. 推導該電路的傳遞函數 3. 作出對數幅頻響應曲線（波特圖）4. 該電路的通頻帶BW=？，中頻增益Avm=？ 一階低通有源濾波器二階低通？二階高通？二階帶通？57(1) 高階濾波的一般規律Two-Pole High-Pass FilterTwo-Pole Band-Pass FilterTwo-Pole Band-Reject Filter 電路組成： 二階可以由一階串聯一階構成 四階可以由二階串聯二階構成Two-Pole Low-Pass Fi

30、lter 傳遞函數的一般形式 帶阻濾波電路組成： 二階可以由一階并聯一階構成 四階可以由二階并聯二階構成58(1) 高階濾波的一般規律 電路組成： 二階可以由一階串聯一階構成 四階可以由二階串聯二階構成 傳遞函數的一般形式Two-Pole Band-Pass FilterTwo-Pole Band-Reject Filter低通高通加法電路可由低通和高通并聯得到，必須滿足實現帶阻濾波器的其他方法59(1) 高階濾波的一般規律 電路組成： 二階可以由一階串聯一階構成 四階可以由二階串聯二階構成 傳遞函數的一般形式Two-Pole Band-Pass FilterTwo-Pole Band-Rej

31、ect Filter可由低通和高通并聯得到且滿足可由低通和高通串聯得到且6015.1.2 General Two-Pole Active Filter15.1.3 Two-Pole Low-Pass Butterworth Filter15.1.4 Two-Pole High-Pass Butterworth Filter15.1.5 Higher-order Butterworth Filters(1) 高階濾波的一般規律 電路組成：帶阻-并聯 二階可以由一階串聯一階構成 四階可以由二階串聯二階構成(2) 高階濾波的性能改善General Two-Pole Active FilterButt

32、erworth Filter 傳遞函數的一般形式帶通？61Butterworth Filter(2) 高階濾波的性能改善General Two-Pole Active FilterTwo-Pole Low-Pass Butterworth Filter在fH附近引入正反饋典型結構簡單結構1簡單結構2可減小負載效應62(2) 高階濾波的性能改善在fH附近引入正反饋典型結構簡單結構1簡單結構2可減小負載效應為特征角頻率 稱為等效品質因素 通帶截止頻率？ 等效品質因素？ 6315.1.2 General Two-Pole Active Filter15.1.3 Two-Pole Low-Pass B

33、utterworth Filter15.1.4 Two-Pole High-Pass Butterworth Filter15.1.5 Higher-order Butterworth Filters(1) 高階濾波的一般規律 電路組成：帶阻-并聯 二階可以由一階串聯一階構成 四階可以由二階串聯二階構成(2) 高階濾波的性能改善General Two-Pole Active FilterButterworth Filter 傳遞函數的一般形式帶通？64幾種常用的高階濾波電路 巴特沃斯(Butterworth)濾波電路 在通帶中具有最平幅度特性，但從通帶到阻帶衰減較慢 特點是通頻帶的頻率響應曲線

34、最平滑。這種濾波器最先由英國工程師斯替芬巴特沃斯（Stephen Butterworth）在1930年發表在英國無線電工程期刊的一篇論文中提出的 切比雪夫(Chebyshev)濾波電路 能迅速衰減，但允許通帶中有一定紋波 切比雪夫濾波器，是在通帶或阻帶上頻率響應幅度等波紋波動的濾波器。切比雪夫濾波器來自切比雪夫分布，以“切比雪夫”命名，是用以紀念俄羅斯數學家巴夫尼提列波維其切比雪夫。65幾種常用的高階濾波電路著重于相頻響應，其相移與頻率基本成正比，可得失真較小的波形是具有最大平坦的群延遲（線性相位響應）的線性過濾器。貝賽爾濾波器常用在音頻天橋系統中。模擬貝賽爾濾波器描繪為幾乎橫跨整個通頻帶的恒

35、定的群延遲，因而在通頻帶上保持了被過濾的信號波形。濾波器的名字來自于Friedrich貝賽爾，一位德國數學家（17841846），他發展了濾波器的數學理論基礎。 貝塞爾(Bessel)濾波電路 是在通帶和阻帶等波紋的一種濾波器。橢圓濾波器相比其他類型的濾波器，在階數相同的條件下有著最小的通帶和阻帶波動。它在通帶和阻帶的波動相同，這一點區別于在通帶和阻帶都平坦的巴特沃斯濾波器，以及通帶平坦、阻帶等波紋或是阻帶平坦、通帶等波紋的切比雪夫濾波器。 橢圓濾波器（Elliptic filter）又稱考爾濾波器（Cauer filter）66基本要求掌握低通、高通、帶通和帶阻有源濾波電路的幅頻響應特點 了

36、解一階、二階濾波電路的頻率特性(頻率響應分析) 掌握單門限和遲滯電壓比較器工作原理，會畫電壓傳輸特性掌握產生正弦波振蕩的相位平衡條件、幅值平衡條件 掌握RC串并聯橋式正弦波振蕩電路的工作原理、起振條件、穩幅原理，以及振蕩頻率的計算 正確理解方波產生電路和鋸齒波產生電路的工作原理Chapter 15Applications and Design of Integrated Circuits 6715.1.2 General Two-Pole Active Filter二階可以由一階串聯一階構成簡單結構1簡單結構2引入正反饋典型結構6815.1 Active Filters15.1.1 Active Network Design15.1.2 General Two-P