2023/6/21模擬電路部分培訓2023/6/22內容放大器設計1濾波器設計2直流穩壓電源設計32023/6/23放大器設計部分基本原理以及基本電路設計電路注意事項實戰分析2023/6/24放大器基本原理

運算放大器一般由4個部分組成，偏置電路，輸入級，中間級，輸出級，其中輸入級一般是采用差動放大電路（抑制電源），中間級一般采用有源負載的共射負載電路（提高放大倍數），輸出級一般采用互補對稱輸出級電路（提高電路驅動負載的能力）。2023/6/25OP運放分類按照功能/性能分類，模擬運算放大器一般可分為通用運放、低功耗運放、精密運放、高輸入阻抗運放、高速運放、寬帶運放、高壓運放，另外還有一些特殊運放，例如電流運放、電壓跟隨器等等。實際上由于為了滿足應用需要，運放種類極多。競賽涉及的主要是：通用運放、輸入阻抗運放、高速寬帶運放和程控運放。2023/6/26放大電路分類反相運放特點：1.輸入輸出反相；2.降低輸入阻抗；2023/6/27仿真實例增益調節可以采用可調電位器，但是范圍不宜過大，實現困難；大幅度調節可以采用切換的方式以及T型網絡方法，電阻R3和R4做成可調電位器。2023/6/28放大電路分類同相運放特點：輸入電阻高，輸出電阻小，帶負載能力強2023/6/29關于平衡電阻對于高精度，小漂移的放大電路來說，平衡電阻必不可少。運放的輸入端是差分電路，對于差分電路的兩個輸入端來說，如果偏置電阻不等，偏置電流帶來的壓差就會造成人為干擾信號，導致精度降低。2023/6/210仿真實例2023/6/211加減法器2023/6/212跟隨器電壓跟隨器作用：為了匹配功率或者阻抗采用的方法。比如輸入信號雖然幅度夠，但是帶負載能力差，為了能有效驅動負載，就得加一級跟隨。這個跟隨也用來隔離后級對前級造成的干擾。2023/6/213放大器設計的注意事項運放選型問題電壓要穩定：參考電壓、控制電壓輸入阻抗小：前級加跟隨器器件在一點接地外部器件盡量靠近運放

2023/6/214運放選型問題根據設計要求高精度要求-低漂移運放音響放大-寬帶高速運放積分電路-高阻抗運放2023/6/215供電問題

通常單電源供電的電壓一般是5V，這時運放的輸出電壓擺幅會更低。因此，在單電源供電的電路中使用的運放基本上都是Rail－To－Rail的運放，這樣就消除了丟失的動態范圍。但同時需要注意器件參考手冊是否輸入輸出都支持軌到軌。

2023/6/216單電源供電電路電容C1是一個低通濾波器，用來減少從電源上傳來的噪聲。單電源工作的運放需要外部提供一個虛地，通常情況下，這個電壓是VCC/2，2023/6/217單電源供電2023/6/218Cin被用來阻止電路產生直流放大，這樣電路就只會對交流產生放大作用。2023/6/219電阻選擇一般的來說普通的應用中阻值在K歐級到100K歐級是比較合適的。高速的應用中阻值在100歐級到1K歐級，但他們會增大電源的消耗。在高的阻值的電阻精度差，并且會導致整體電路的抗干擾性能差。2023/6/220運放的消振問題輸入級中間級增益高，即時很小的PN結電容也有可能帶來很大的附加相移，如果累加打到180度，那么低頻時是負反饋，在高頻時就成為正反饋。負反饋越深，正反饋就越強。內補償：一般來說容量大，造成運放高頻增益下降。頻帶變窄。外補償：靈活，根據增益高低選擇補償電容。2023/6/221運放調零問題輸入為零，輸出不為零。稱之為失調。運放的調零端一般從集成電路的差分級負載處引入。外部管腳會有調零端。沒有調零端的運放可以接外部調零電路。運放在使用前也應進行調零，判斷芯片是否正常工作。2023/6/222寬帶放大器設計2010年TI杯模擬電子系統專題邀請賽試題寬帶放大器（A題）一、任務

設計制作一個5V單電源供電的寬帶低噪聲放大器，輸出為50Ω阻性負載。二、要求

1．基本要求 （1）限定采用高速運算放大器OPA820ID作為第一級放大電路，THS3091D作為末級放大電路，利用DC-DC變換器TPS61087DRC為末級放大電路供電； （2）放大器電壓增益≧40dB(100倍)，并盡量減小帶內波動； （3）在最大增益下，放大器下限截止頻率不高于20Hz，上限截止頻率不低于5MHz； （4）在輸出負載上，放大器最大不失真輸出電壓峰峰值≥10V。

2．發揮部分 （1）在達到40dB電壓增益的基礎上，提高放大器上限截止頻率，使之不低于10MHz； （2）盡可能降低放大器的輸出噪聲； （3）放大器輸入為正弦波時，可測量并數字顯示放大器輸出電壓的峰峰值和有效值，輸出電壓（峰峰值）測量范圍為0.5～10V，測量相對誤差小于5%； （4）其他。2023/6/223課題解析課題性質：信號處理課題主要任務：實現弱信號放大，放大器電壓增益≧40dB(100倍)同時放大器具有較大帶寬，20Hz---5MHz涉及知識點：電壓放大器設計，頻率特性，DC-DC升壓變換器課題設計過程（1）分析題目指標，功能，基本部分和發揮部分（1）方案設計及論證（2）熟悉芯片特性及應用（3）確定電路圖基本技能要求：電路的焊接制作，電子電路的抗干擾措施，常用儀器設備的操作和使用（萬用表、信號源、示波器）；單片機應用。

2023/6/224方案論證基本部分：放大前置放大vi末級放大vo中間放大2023/6/225OPA842三級1000倍放大電路2023/6/226電源供電部分5V以及15V單電源供電2023/6/227加入數顯部分通頻帶范圍中有高低頻部分。2023/6/228寬帶運放設計抗干擾措施在進行高頻小信號的放大的時候，頻帶比較寬，當電路工作于較高的頻帶時很容易引起自激等不良現象，因此要采取各種抗干擾措施。抗干擾主要措施如下：第一，在電路布線時應盡可能使數字電路部分與模擬電路部分隔離；第二，信號傳輸屏蔽，信號之間盡量用焊接法，減少用夾子夾或是插拔接頭，信號傳輸使用同軸線，接頭使用SMA接頭；第三，整個系統除信號輸入、輸出接口外全部用金屬外殼屏蔽。

2023/6/229SMA接頭2023/6/230可調增益設計

AGC電路常用在接收機的中頻或視頻放大器中，其作用是當輸入信號較強時，使放大器增益自動降低；當信號較弱時，又使其增益自動增高，從而保證在AGC作用范圍內輸出電壓的均勻性，故AGC電路實質是一個負反饋電路。2023/6/231AGC可選方案方案一：采用電壓負反饋放大電路，反饋電阻采用數字電位器（如：具有1024個滑動端位置的X9110、X9111等）改變電阻值的大小達到調節增益的目的，電路復雜，控制麻煩。方案二：利用DAC集成芯片（如：AD7520)構成的程控放大器，通過數字量改變調節增益。該電路對其基準電壓及輸入電壓范圍有要求，且帶寬只有幾kHz。方案三：采用BJT多級放大電路實現增益放大，對輸出采用二極管檢波產生反饋電壓調節電路增益，實現AGC。該分立元件電路結構復雜、Q點難調，穩定性差，增益分級調節困難。方案四：采用可控增益放大器（如：AD603等）。其電壓增益的大小由輸入控制電壓決定，該控制電壓可由單片機最小系統產生。一級AD603放大電路可以提供90MHz以上帶寬，11dB~31dB的增益調節，可以采用多級AD603放大電路級聯，確保參數的實現。2023/6/232兩級AD603和單片機構成的輸出穩定AGC放大器2023/6/233電路制作要求要點：弱小信號的傳輸過程中干擾的存在；直流電源中的紋波的影響；數、模混合系統中的共地問題。弱小交流信號的傳輸應使用同軸電纜，對干擾信號具有屏蔽的作用；在電路中的直流電壓輸入端應加退耦電容，以消除電源電壓紋波或傳輸帶來的干擾信號；數、模電路混合使用時應遵循“一點共地“的原則。2023/6/234有源濾波器設計基本原理---頻率特性（b）高通(a）低通（d）帶阻(c)帶通2023/6/235濾波器的用途

濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率成分，例如，有一個較低頻率的信號，其中包含一些較高頻率成分的干擾。

2023/6/236濾波器的主要技術指標（1）通帶增益Avp

通帶增益是指濾波器在通頻帶內的電壓放大倍數，如圖所示。性能良好的LPF通帶內的幅頻特性曲線是平坦的，阻帶內的電壓放大倍數基本為零。

（2）通帶截止頻率fp

其定義與放大電路的上限截止頻率相同。見圖自明。通帶與阻帶之間稱為過渡帶，過渡帶越窄，說明濾波器的選擇性越好。

2023/6/237常見的濾波器電路（基本）一階濾波器2023/6/238二階濾波器2023/6/239二階高通濾波器

(1)通帶增益(2)傳遞函數2023/6/240帶通濾波器帶通濾波器是由低通RC環節和高通RC環節組合而成的。要將高通的下限截止頻率設置的小于低通的上限截止頻率。反之則為帶阻濾波器。2023/6/241帶通濾波性能參數通帶增益通帶寬度中心頻率選擇性

2023/6/242文氏濾波器文氏濾波器對所有的頻率都有相同的增益，但是它可以改變信號的相角，同時也用來做相角修正電路。

對頻率是F的信號有90度的相移，對直流的相移是0度，對高頻的相移是180度。

2023/6/243

Sallen－Key濾波器

一種流行的、廣泛應用的二階濾波器。他的成本很低，僅需要一個運放和四個無源器件組成。單位增益的電路，改變Sallen－Key濾波器的增益同時就改變了濾波器的幅頻特性和類型。實際上Sallen－Key濾波器就是增益為1的Butterworth濾波器。

2023/6/244雙運放濾波2023/6/245濾波器設計步驟及注意點1.濾波器的特殊頻率截止頻率，中心頻率2.濾波器電路的增益3.帶通濾波器和帶阻濾波器的的Q值4.低通和高通濾波器的類型(Butterworth、Chebyshev、Bessell)2023/6/246電源變壓器:將交流電網電壓u1變為合適的交流電壓u2。整流電路:將交流電壓u2變為脈動的直流電壓u3。濾波電路:將脈動直流電壓u3轉變為平滑的直流電壓u4。穩壓電路:清除電網波動及負載變化的影響,保持輸出電壓uo的穩定。直流穩壓電源設計—基本原理整流電路濾波電路穩壓電路u1u2u3u4uo2023/6/247整流電路u1u2TD3D2D1D4RLuo組成：由四個二極管組成橋路RLD1D3D2D4u2uou2uo2023/6/248u2>0時D1,D4導通D2,D3截止電流通路:a

D1RLD4bu2<0時D2,D3導通D1,D4截止電流通路:bD2RLD4au2D3D2D1D4RLuoab整流輸出電壓平均值：

Uo=0.9U2負載電流平均值:Io=Uo/RL=0.9U2/RL

二極管平均電流：ID=Io/2二極管最大反向電壓：DRM22UU=u2uD2,uD3uD1,uD4uo整流電路2023/6/249集成硅整流橋：u2uo+

–

~+~-

+–2023/6/250整流電路的主要參數

1.整流輸出電壓的平均值uo20t2.脈動系數Ｓ整流輸出電壓的基波峰值Uo1M與Uo平均值之比。S越小越好。3.二極管平均電流與反向峰值電壓oDII21=2023/6/251濾波電路濾波電路的結構特點:

電容與負載RL并聯，或電感與負載RL串聯。交流電壓脈動直流電壓整流濾波直流電壓RLLRLC2023/6/252RL未接入時(忽略整流電路內阻)u2tuot設t1時刻接通電源t1整流電路為電容充電充電結束沒有電容時的輸出波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCuc2023/6/253RL接入（且RLC較大）時(忽略整流電路內阻)u1u2u1bD4D2D1D3RLuoSCu2tuot無濾波電容時的波形加入濾波電容時的波形2023/6/254一般取)105(TCRτL-3=(T:電源電壓的周期)近似估算:Uo=1.2U2Io=Uo/RL(b)流過二極管瞬時電流很大RLC越大Uo越高負載電流的平均值越大;

整流管導電時間越短iD的峰值電流越大電容濾波電路的特點(a)輸出電壓平均值Uo與時間常數RLC有關RLC愈大電容器放電愈慢Uo(平均值)愈大(c)二極管承受的最高反向電壓2023/6/255穩壓電路穩壓電路的作用:交流電壓脈動直流電壓整流濾波有波紋的直流電壓穩壓直流電壓2023/6/256穩壓電源類型:常用電路穩壓管穩壓電路開關型穩壓電路線性穩壓電路常用穩壓電路(小功率設備)電路最簡單，但是帶負載能力差，一般只提供基準電壓，不作為電源使用。效率較高，目前用的也比較多。2023/6/257類型：按調整管與負載的接法分并聯型穩壓電路串聯型穩壓電路按調整管的工作狀態分線性穩壓電路開關穩壓電路線性集成穩壓電路分三端固定輸出三端可調輸出2023/6/258穩壓電路的主要性能指標一、特性指標二、質量指標1.輸入電壓及其變化范圍2.輸出電壓及其可調范圍3.額定輸出電流及過流保護電流1.穩壓系數

Sr穩壓系數、電壓調整率、電流調整率、輸出電阻、溫度系數、紋波電壓及紋波抑制比2023/6/2592.電壓調整率SU或定義為：負載電流和溫度不變，輸入電壓變化10%時輸出電壓的變化量。3.電流調整率SI當輸入電壓和溫度不變，輸出電流從0變化到最大時輸出電壓的相對變化量。4.輸出電阻Ro或定義為：恒溫且輸入電壓不變，負載電流變化10%時引起的輸出電壓變化量。2023/6/2605.溫度系數ST6.紋波電壓及紋波抑制比Sinp紋波電壓：疊加在直流輸出電壓上的交流電壓，通常用