电子系统设计第三章

电子系统设计与实践第3章放大器,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,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,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,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,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，fL100kHz,3.2.1三极管放大器的设计,3.2分立元件放大器设计,（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)2.6716.26k。（7）R1=RB|VCC|/|VB|41k，R2=RB/(1|VCC/VB|)27k。（8）根据|VCC|/ICRB+RC+RCRL/(RC+RL)，得RC3.6k，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,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,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,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,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,如果没有特殊的要求，一般可选用通用性运放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,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。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,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,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,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,【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,电压放大倍数AV5/0.5=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,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=(VoVi)/RF=(50.5)/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,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：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。当Vi0.5V时，流过反馈电阻RF的电流IRF=IR1=Vi/R1=0.5V/3M167nA。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,那么，是否可以取第1组电阻值呢?可以从以下两方面分析当Vi=0.5V，Vo=5V时，流过RF的电流IRF=IR1=Vi/R1=0.5V/2k250A，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。R1、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,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,3.4集成放大器设计,3.4.1简单电压放大器设计,3.4.3单电源交流电压放大器,3.4集成放大器设计,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,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。,3.4集成放大器设计,3.4.5差动放大器,3.4集成放大器设计,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）,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。,【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：P2W，3%（1kHz正弦波）。,3.设计举例,3.4集成放大器设计,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,3.4集成放大器设计,3.4集成放大器设计,在高频放大电路中，调谐放大电路是一种最基本、最常见的单元电路。它是由调谐回路和半导体三极管相结合而构成，它的增益高，有明显的选频性能。小信号调谐放大电路通常在各种接收器和检测设备中作为高频放大器和中频放大器使用。,3.4集成放大器设计,仪用放大器是一种闭环增益组件，具有差分输入和相对参考端的单端输出。通常情况下，两个输入端阻抗平衡并且阻值很高，典型值109。与运算放大器的相同之处是，仪用放大器输出阻抗很低，通常仅有几毫欧；与运算放大器不同的之处是，运算放大器的闭环增益是由其反相输入端与输出端之间连接的外部电阻决定，而仪用放大器使用与输入端隔离的内部反馈电阻网络。,3.5仪用放大器,3.5.2AD526可编程仪用放大器,3.5仪用放大器,AD526是可通过软件对增益进行编程的单端输入的仪用放大器，器件本身所提供的增益是1、2、4、8、16等五档。它是一个完整的包括放大器、电阻网络和TTL数字逻辑电路的器件，使用时不需外加任何元件就可工作。,3.5.2AD526可编程仪用放大器,3.5仪用放大器,性能特点增益误差小：不大于0.01%（AV=1，2，4）。增益漂移小：不大于0.5106/（全温度范围内）。非线性小：不大于0.001%。失调电压低：不大于0.5mV。失调电压漂移小：典型值为3V/。器件编程增益：1，2，4，8，16。数字逻辑与TTL电平完全兼容。,3.5.2AD526可编程仪用放大器,3.5仪用放大器,3.5.2AD526可编程仪用放大器,3.5仪用放大器,远距离信号传输常因两地信号和电源的接地或者有其他共同回路而引入很强的干扰，严重时能使系统失效。此外，从安全考虑，也希望强电部分不要影响操作人员。因此需要有隔离的措施，即一方面要切断电路间的直接联系，另一方面又要保证信号能畅通。,3.6.1概述,3.6隔离放大器,3.6.2ISO130隔离放大器,3.6隔离放大器,ISO130是一个高共模抑制、低成本的光耦合型隔离放大器，具有很高的精度和抗干扰能力，可在恶劣环境下，获得满意的隔离效果，特别是在强噪声电机控制系统中更是如此。ISO130是一个模拟变数字、数字变模拟，中间通过光电耦合隔离的器件。它有高速的A/D、D/A转换单元，光电转换单元，也有双端输入（差动输入）和双端输出。,3.6.2ISO130隔离放大器,3.6隔离放大器,3.6.2ISO130隔离放大器典型应用,3.6隔离放大器,采样保持放大器（SHA）是用来对模拟输入信号进行采样，然后根据逻辑控制信号指令保持瞬态值的一种器件。这种器件实质上是以电容作为存储元件的模拟存储器。SHA最广泛的应用是数据采集。,3.7.1概述