1、第三章 放大器,放大器的設計，就是根據(jù)給定的技術(shù)指標，確定電路方案，選擇電子器件，計算電路各元件參數(shù)。由于電子器件離散性以及環(huán)境、溫度及其他條件的隨機性，使理論與實驗結(jié)果不符，需要在實驗中反復調(diào)試、修正，直到滿足指標要求。,3.1 放大器概述,在設計放大器時，就需要自己選擇合適的電路元器件參數(shù)。對于分立元件放大器設計，一般按照放大管的簡化模型（或稱典型電路）進行設計。在完成初始的設計以后，就需要對設計電路進行分析，比較設計電路的性能參數(shù)與設計要求的性能參數(shù)的差別，通常設計并不滿足要求，這就需要不斷調(diào)整元件參數(shù)值。放大器通常由如下參數(shù)描述：輸入電阻Ri，輸出電阻Ro和電壓放大倍數(shù)AVO。,3.2

2、.1 三極管放大器的設計,3.1 放大器概述,設計三極管放大器需要確定三極管的參數(shù)，特別是電流放大系數(shù)，然后選擇工作點和靜態(tài)集電極電流IC。根據(jù)不同的三極管類型NPN和PNP，VCC和IC分別確定為正或為負。,3.2.1 三極管放大器的設計,3.2 分立元件放大器設計,一旦工作點確定，就可以根據(jù)設計要求的放大倍數(shù)AV=VL/Vs或輸入電阻Ri來確定相應的參數(shù)， 1. 設計要求為增益 2. 設計要求為輸入電阻,3.2.1 三極管放大器的設計,3.2 分立元件放大器設計,3. 設計舉例 設計一共射三極管放大器，已知條件：VCC=12V，RL=3k，Vi=10mV，RS=200。性能指標要求：電壓放

3、大倍|AV|40，fL100 kHz,3.2.1 三極管放大器的設計,3.2 分立元件放大器設計,（1）選擇晶體管： （2）選擇工作點： （3）計算VE=VCC/3=4 V （5）VB=VE+VBE=4.7V （4）計算RE= VE/IC=2.67k（可適當取2.7 k）。 （6）RB=0.1(1+)RB=0.1(1+60)2.6716.26 k。 （7）R1=RB|VCC|/|VB|41 k，R2=RB/(1|VCC/VB|)27 k。 （8）根據(jù)|VCC|/IC RB+RC+RCRL/(RC+RL)，得RC3.6 k，適當取3 k。,3.2.1 三極管放大器的設計,3.2 分立元件放大器設

4、計,用于設計三極管放大器的公式同樣適用于場效應管放大器，對于場放應管的漏極電流ID也可表達為交直流負載，即VDD/ID=Rdc+Rac。,3.2.2 場效應管放大器的設計,集成運算放大器（簡稱運放），它是一種高輸入阻抗、低輸出阻抗、高放大倍數(shù)且便于調(diào)試的優(yōu)質(zhì)放大器。集成運放內(nèi)部電路通常由偏置電路、差動輸入電路、中間放大電路、輸出及過載保護電路組成。運放的開環(huán)放大倍數(shù)大；當它構(gòu)成閉環(huán)負反饋放大電路時，其電壓放大倍數(shù)只取決于外加電阻值的大小，與運放本身參數(shù)無關，安裝調(diào)試十分簡單。,3.3 集成運算放大器,在分析運放時，一般將它看成理想運放。我們認為，理想運放的開環(huán)放大倍數(shù)為無窮大（AVO=），輸入

5、偏置電流為零，輸入電阻為無窮大（Ri=），輸出電阻為零（Ro=0），失調(diào)電壓和失調(diào)電流及溫漂為零。不過在具體應用時，還需要考慮器件的實際參數(shù)。,3.3 集成運算放大器,1. 通用型運放 2. 低失調(diào)低漂移運放 3. 高輸入阻抗運放 4. 斬波穩(wěn)零集成運放,3.3.1 常用運放的分類及其參數(shù),3.3 集成運算放大器, 如果沒有特殊的要求，一般可選用通用性運放 如果被放大信號源的輸出阻抗很大，則可選用高輸入阻抗的運算放大器組成放大電路。另外，像采樣/保持電路、峰值檢波、優(yōu)質(zhì)對數(shù)放大器和積分器以及生物信號放大及提取、測量放大器電路等，也需使用高輸入阻抗集成運放。,3.3.2 集成運放的選擇原則,3.

6、3 集成運算放大器, 如果系統(tǒng)對放大電路要求低噪聲、低漂移、高精度，則可選用高精度、低漂移的低噪聲集成運放 對于視頻信號放大、高速采樣/保持、高頻振蕩及波形發(fā)生器、鎖相環(huán)等場合，則應選用高速寬帶集成運放。 對于需低功耗使用場合，如便攜式儀表、遙感遙測等場合，可選用低功耗運放；對于需要高壓輸入輸出場合，可選用高壓運放。,3.3 集成運算放大器,3.3.2 集成運放的選擇原則,1. 失調(diào)補償 （1）簡單的失調(diào)電流補償電路 （2）固定電阻進行偏流補償?shù)耐喾糯笃?（3）二極管偏流補償電路 （4）同相端調(diào)零電路 （5）同相放大器的調(diào)零電路 （6）差動放大器的調(diào)零電路,3.3.3 集成運放的應用技術(shù),3

7、.3 集成運算放大器,失調(diào)補償，也稱零點補償。 一般，直流信號放大電路需要調(diào)零；交流信號放大，受影響小，不需要調(diào)零； 失調(diào)電壓，通過改變同相輸入端的電位器Rp來消除。,2. 自激振蕩的消除 運算放大器是一個高放大倍數(shù)的多級放大器，雖然接成負反饋電路工作，但由于它在高頻區(qū)所產(chǎn)生的附加相移，有可能使它從負反饋變成正反饋。這時如果負反饋深度較深，就會產(chǎn)生自激振蕩。為使放大器能穩(wěn)定地工作，就需外加一定的頻率補償網(wǎng)絡，以消除自激振蕩。,3.3 集成運算放大器,選擇消振網(wǎng)絡元件參數(shù)的瞬態(tài)法： 在運算放大器的輸入端加入一定頻率的矩形波信號，用示波器觀察輸出端的波形。,3. 保護電路 （1）輸入端保護電路 （

8、2）輸出端保護電路,3.3.3 集成運放的應用技術(shù),3.3 集成運算放大器,差模電壓保護（雙端）：圖a； 共模電壓保護（單端）：圖b、圖c； 深度負反饋放大電路，虛短虛斷的理想等效； 虛斷，輸入端要承受高壓；,說明：1、圖3.3.19輸出過壓保護； 2、VT1和VT2有恒流區(qū)，起到過流的限流保護作用； 3、a圖R2（510歐）起到短路限流保護作用；b圖輸出端為場效應管恒流源限流；,電路錯誤：運放的輸出端沒有短路限流電阻。,注意：調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的電位器不能直接接在輸出端的位置， 運放的輸出端必須有限流電阻進行短路保護。,C1、C2濾波， 消除瞬態(tài)脈沖電壓； VT1、VT2，都是 場效應管， 工作在

9、恒流區(qū)；,【例3-4-1】設某單元電路如圖3.4.1所示，要求直流輸入電壓Vi=0.5V時，輸出電壓Vo=5V，誤差不超過1%。試計算圖中各電阻值。,3.4.1 簡單電壓放大器設計,3.4 集成放大器設計,電壓放大倍數(shù)AV5/0.5=10，因此根據(jù)AVF=1+RF/R1，RF=9R1，R2=R1/RF。從理論上講，R1、RF和R2可以取得很多組不同的阻值 ，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 集成放大器設計,3.4.1 簡單電壓放大器設計,實際上不能取上面的第2組電阻值。其原因是：假定Vi

10、=0.5V，Vo=5V，則流過RF的電流IRF=VRF/RF=(VoVi)/RF=(50.5)/18=0.25A=250mA。這個電流值超過集成運放A741的最大輸出電流，放大電路不能正常工作。,3.4 集成放大器設計,3.4.1 簡單電壓放大器設計,如果選用第3組電阻值，顯然不會造成運放輸出負載過重，但存在以下問題： 阻值高達27 M的電阻器不易生產(chǎn)、價格較貴，而且噪聲大、穩(wěn)定性差、精度低。 當Vi0.5V時，流過反饋電阻RF的電流IRF=IR1=Vi/R1=0.5V/3M167nA。將這個反饋電流與運放A741的輸入失調(diào)電流（典型值為20nA，最大值為200nA）相比較可知，選用上述第3組

11、電阻值是不合適的。,3.4 集成放大器設計,3.4.1 簡單電壓放大器設計,那么，是否可以取第1組電阻值呢?可以從以下兩方面分析 當Vi=0.5V，Vo=5V時，流過RF的電流IRF=IR1=Vi/R1=0.5V/2k250A，它比集成運放A741的最大輸出電流小得多，而又比輸入偏置電流大1000倍以上。因此，這組電阻值能使電路正常工作。 R1、RF和R2的阻值分別為2k、18k和1.8k，在常用標稱電阻值系列之內(nèi)，且阻值適中。,3.4 集成放大器設計,3.4.1 簡單電壓放大器設計,因此我們可以選第1組電阻值，也可以根據(jù)貨源等具體情況選用其他符合要求的電阻值。此外，根據(jù)對電壓放大倍數(shù)的精度要

12、求，R1、RF應選用誤差小于0.5%的精密金屬膜電阻器。R2的精度要求低，可采用廉價的碳膜電阻器。,3.4 集成放大器設計,3.4.1 簡單電壓放大器設計,3.4 集成放大器設計,3.4.2 交流電壓放大器設計,負反饋自舉電路， 可提升輸入阻抗；,R1（用于調(diào)零）； R1不能太小，也不能太大，避免引入噪聲； R1取幾十千歐；,3.4.3 單電源交流電壓放大器,3.4 集成放大器設計,R2R3用于靜態(tài)工作點的設置，一般取R2=R3；,為簡化電路，在放大單極性交流信號的應用中，可以采用單電源（正電源或負電源）供電，因此要求集成運放組成的交流放大器設計成單電源供電方式。,3.4.3 單電源交流電壓放

13、大器,3.4 集成放大器設計,3.4.3 單電源交流電壓放大器,3.4.4 前置放大器設計,3.4 集成放大器設計,低頻小信號不僅需要放大信號幅度，而且需要放大功率，因此放大電路由兩部分組成：前置放大器和功率放大器。,3.4 集成放大器設計,3.4.5 差動放大器,3.4 集成放大器設計,3.4.6 功率放大器設計,3.4 集成放大器設計,1. 負溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）,3.4.6 功率放大器設計,3.4 集成放大器設計,1. 負溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）,功率放大器的作用是給音響放大器的負載RL（揚聲器）提供所需的輸出功率。目前，功率放大器可謂五花八門，分立元件與集成電路并存，分立元

14、件中又是半導體器件與真空管（又稱電子管或俗稱“膽”）并存。從輸出方式看，有變壓器輸出、無變壓器輸出（OTL）、無電容器輸出（OCL）、無變壓器平衡輸出（BTL）等；從工作方式分，則可分為甲類、甲乙類、乙類、丙類、E類等。,【例3-4-2】設計一功率放大器。已知條件：RL=8，Vi=200mV，+VCC=+12V，VEE=12V。性能指標要求：P2W，3%（1kHz正弦波）。,3. 設計舉例,3.4 集成放大器設計,電子電路是由電子元件構(gòu)成的。在通常情況下，電子元件以某種主要電特性的參數(shù)來表示，如線圈的電感量L、電容器的電容量C和電阻R等。除了主要電特性參數(shù)外，電路元件還有其他屬于次要地位的參數(shù)

15、，如電感線圈也存在著電阻和電容特性。對于電感線圈來講，當它接入一個直流電路時，其作用相當于一個電阻；當它接入一個低頻率的交流電路時，其作用相當于一個電阻與一個電感相串聯(lián)；當它接入信號頻率升高到某一頻率范圍的電路中時，其作用表現(xiàn)為純電感特性；當電路中信號頻率很高時，線圈中電容的作用變得十分突出，此時其作用相當于一個電阻和電容并聯(lián)。,3.4.7 高頻放大器設計,3.4 集成放大器設計,3.4 集成放大器設計,3.4 集成放大器設計,在高頻放大電路中，調(diào)諧放大電路是一種最基本、最常見的單元電路。它是由調(diào)諧回路和半導體三極管相結(jié)合而構(gòu)成，它的增益高，有明顯的選頻性能。小信號調(diào)諧放大電路通常在各種接收器

16、和檢測設備中作為高頻放大器和中頻放大器使用。,3.4 集成放大器設計,儀用放大器是一種閉環(huán)增益組件，具有差分輸入和相對參考端的單端輸出。通常情況下，兩個輸入端阻抗平衡并且阻值很高，典型值109 。與運算放大器的相同之處是，儀用放大器輸出阻抗很低，通常僅有幾毫歐；與運算放大器不同的之處是，運算放大器的閉環(huán)增益是由其反相輸入端與輸出端之間連接的外部電阻決定，而儀用放大器使用與輸入端隔離的內(nèi)部反饋電阻網(wǎng)絡。,3.5 儀用放大器,3.5.2 AD526可編程儀用放大器,3.5 儀用放大器,AD526是可通過軟件對增益進行編程的單端輸入的儀用放大器，器件本身所提供的增 益是1、2、4、8、16等五檔。它

17、是一個完整的包括放大器、電阻網(wǎng)絡和TTL數(shù)字邏輯電路的器件，使用時不需外加任何元件就可工作。,3.5.2 AD526可編程儀用放大器,3.5 儀用放大器,性能特點 增益誤差?。翰淮笥?.01%（AV=1，2，4）。 增益漂移小：不大于0.5106/（全溫度范圍內(nèi)）。 非線性小：不大于0.001%。 失調(diào)電壓低：不大于0.5mV。 失調(diào)電壓漂移?。旱湫椭禐?V/。 器件編程增益：1，2，4，8，16。 數(shù)字邏輯與TTL電平完全兼容。,3.5.2 AD526可編程儀用放大器,3.5 儀用放大器,3.5.2 AD526可編程儀用放大器,3.5 儀用放大器,遠距離信號傳輸常因兩地信號和電源的接地或者有

18、其他共同回路而引入很強的干擾，嚴重時能使系統(tǒng)失效。此外，從安全考慮，也希望強電部分不要影響操作人員。因此需要有隔離的措施，即一方面要切斷電路間的直接聯(lián)系，另一方面又要保證信號能暢通。,3.6.1 概述,3.6 隔離放大器,3.6.2 ISO130隔離放大器,3.6 隔離放大器,ISO130是一個高共模抑制、低成本的光耦合型隔離放大器，具有很高的精度和抗干擾能力，可在惡劣環(huán)境下，獲得滿意的隔離效果，特別是在強噪聲電機控制系統(tǒng)中更是如此。 ISO130是一個模擬變數(shù)字、數(shù)字變模擬，中間通過光電耦合隔離的器件。它有高速的A/D、D/A轉(zhuǎn)換單元，光電轉(zhuǎn)換單元，也有雙端輸入（差動輸入）和雙端輸出。,3.6.2 ISO130隔離放大器,3.6 隔離放大器,3.6.2 ISO130隔離放大器典型應用,3.6 隔離放大器,采樣保持放大器（SHA）是用來對模擬輸入信號進行采樣，然后根據(jù)邏輯控制信號指令保持瞬態(tài)值的一種器件。這種器件實質(zhì)上是以電容作為存儲元件的模擬存儲器。SHA最廣泛的應