《模拟电路设计》PPT课件.ppt
《《模拟电路设计》PPT课件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《《模拟电路设计》PPT课件.ppt(92页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、第3章 模拟电路设计,第3章 模拟电路设计,3.1 运算放大器的基本特性3.2 放大器设计3.3 滤波器设计3.4 电源电路设计,3.1 运算放大器的基本特性,3.1.1 运算放大器的基本特性 开环增益直接影响运算精度和许多特性指标,Ao愈大愈好。理想运算放大器Ao为无穷大。输入偏置电路IIB,表示了运放输入端正常工作时需提供的偏置电流,它的大小间接反映了运放芯片的输入电阻。IIB愈小,输入电阻愈大,芯片的温漂和运算精度愈高。理想运放。输入失调电压VIO反映了运放芯片本身输入级差分对管的对称程度,所以当VI=0时,VO 0。为了使,等效在输入端施加的补偿电压(失调补偿调零电位器不起作用时)即为
2、VIO。愈小愈好,理想运放VIO=0。,运算放大器的基本特性,差模输入电阻rid指的是输入端加入差模信号时,运放芯片的输入呈现的电阻。rid愈大,意味着从信号源(或前级电路)提取的电能愈小,对信号源影响愈小。也就是rid对信号源而言,就相当于它的负载。理想运放的rid 为无穷大。理想运放输出电阻ro。理想闭环电路ro=0,ro表征器件对负载的驱动能力。,运算放大器的基本特性,带宽BW,又称单位增益带宽或增益带宽积。指的是当运放的闭环增益为1(即0dB)时的带宽。一般增益与带宽的乘积为一常数,故闭环增益愈高,实际运放电路的带宽愈小。运放的BW主要由芯片内部的器件与电路决定。理想运放的BW 为无穷
3、大。转速速率SR亦称“压摆率”,反映了运放对输入信号的响应速度,即输出信号对时间变化的斜率.,运算放大器的基本特性,2运算放大器的一个重要特性三“虚”虚断 虚地虚短,3.1.2几类常用的运放放大器,1.通用型运算放大器通常型运放电特性一般,但价格低廉,典型代表有LM741、LM124/224/324(单、双、四运放封装),其特性如表3.1.3和表3.1.2所示。其中单运放通常带有失调补偿调整端。此类运放常用于低价位电子产品 2.低失调、低漂移运算放大器此类运放的电性能比通用型的要高,特别是失调电压要小得多,其代表有OP07/OP27/OP37,它们都是单运放封装,其特性参阅表3.1.2。此类运
4、放常用在要求较高的电路。,几类常用的运放放大器,3.低输入偏压电流运算放大器此类运放芯片内部输入为MOS管,故很小,输入电阻很高。其代表有TL081/082/084、CA3140、AD594等。此类运放常用于高输入阻抗级。其中AD549由于超低的常用于微弱电流测量。4.斩波稳零型运算放大器ICL7650ICL7650采用大规模集成工艺,输入级使用了MOSFET,输入电阻达1012。电路采用斩波自动稳零及调制与解调(200Hz)等措施,使小至1V,温度漂移也很小,应用时无须失调调整,十分方便。特别适用于微弱信号放大。,几类常用的运放放大器,5.宽带运算放大器这一类运放以AD8011、CF357等
5、为代表,其BW100MHz,在放大高频率信号时必须使用它们。6.增益可编程运算放大器图3.1.4为通过引脚可编程增益的运放PG103。通过A1、A0两引脚的控制电平可使运放的增递分别为1、10、100。增益误差在G=10时为0.05%。失调电压的温度系数为2V/。它有8脚塑料DIP和SO-8两种封装形式。类似的还有AD8520等。,增益可编程运算放大器,3.2 放大器设计,3.2.1 负反馈电路 图3.2.2为基于运放的闭环负反馈电路的基本结构。它由开环增益为A0的运放,反馈网络组成。图中箭头代表信号流向。,理想闭环增益仅取决于反馈系数,与运放芯片、电源电压、温度、信号参数等因素无关。这就是闭
6、环负反馈运放大电路增益稳定性高,能有效改善波形失真、频率特性的根本原因。,3.2.2 基本放大电路,(1)反相输入放大电路,(2)同相输入放大电路,(3)差分输入放大电路,3.2.3 放大电路设计要点,1单双电源运算放大器的选择首先应根据输入信号的极性,选择单电源或双电源供电的运放。只有输入信号为单极性的正信号时才能使用单电源供电的运放。大多数运放均要求双电源供电才能正常工作,只有少数如LM324、LM358之类的运放允许单电源供电。2电源去耦 运放电源去耦是很有必要的,特别在系统总增益很高的前级电路,更是不可或缺。,放大电路设计要点,3弱信号放大的相关问题 从降低噪声,提高信噪比以利于弱信号
7、放大的角度出发,需注意以下各点:(1)选用低噪声的运算放大器(2)采用噪声极微的分立元件FET对管构成前置差分放大电路(3)闭环负反馈电路采用阻值较低的线绕电阻(4)利用选频、滤波等措施降低白噪声,放大电路设计要点,4宽带放大当信号频率较高或被放大的是脉冲信号时,采用高BW、高SR的运放显然是非常必要的。为获得足够的带宽,闭环增益不能设计得太高,一般应10。图3.1.2充分说明了带宽与闭环增益的矛盾。需要注意的是信号的带宽应明显低于闭环带宽。5放大器反馈回路电阻阻值的选择从减小热噪声的角度,反馈回路电阻的阻值要尽量小一些。但阻值过小会使反相输入放大电路的输入电阻降低。通常以千欧数量级采用较多。
8、,放大电路设计要点,6运算放大器的保护措施,图3.2.10 运放的保护电路,图3.2.11 运放输出电压限幅电路,放大电路设计要点,7失调电压的补偿由于失调电压的存在,使运放的零点不为零。LM741之类运放本身带有补偿端,可按图3.1.1(b)外接电位器W调整之。对于无调零端的运放可以采用图3.2.12电路来进行失调补偿。,图3.2.12 运放的外加调零电路,放大电路设计要点,8扩展输出电流与扩展输出电压 9注意运放的稳定性 10优良的工艺是放大器质量的保证,3.2.4 运算放大器的参数对放大器性能的影响,工程上设计一个放大器往往是以理想运放为依据,根据简化的公式进行。当设计一个精密放大或运算
9、电路时,实际运放参数的影响不可忽略。1开环增益A0 2CMRR的影响 3输入、输出电阻 4输入失调电压,3.2.5 放大电路辅助设计软件,美国Microchip公司的AmpLABTM运算放大器电路的辅助设计软件,可用于同相、反相和由二个运放构成的仪表放大器三种放大电路的设计。在选定放大电路类型后,只要输入相关参数,就可以自动获得设计好的电路,并可产出文本格式的SPICE 模型。该软件还可以提供一般的建议、不同工作温度时应考虑的事项以及可能遇到的陷阱。,放大电路辅助设计软件,电路的设计分三个步骤:(1)电路的选择与参数的设定(2)设计结果输出(3)设计技术信息,3.3 滤波器设计,3.3.1 滤
10、波器的基本特性 滤波器是一种频域变换电路。它能让指定频段的信号顺利通过,甚至还能放大,而对非指定频段的信号予以衰减。仅仅采用R、L、C元件组成的滤波器称无源滤波器,含有晶体管或运算放大器的称为有源滤波器,后者的储能元件只用电容器C。,图3.3.2 四种理想滤波器的频域与时域特性,3.3.2 FilterLab滤波器辅助设计工具,FilterLab2.0是美国Microchip公司推出的一款创新的滤波器免费下载软件。使用该软件避免了传统滤波器设计的繁琐计算。使设计大大简化。该软件所设计的滤波器具有:(1)巴特沃斯、贝塞尔、切比雪夫三种类型,其中贝塞尔只有LPF一类滤波器。(2)阶数18。(3)增
11、益110。(4)LPF、BPF、HPF三种类型。(5)有塞林凯和多重反馈二种电路形式。(6)通带截止频率(Passband frequency):0.1Hz1MHz。(7)品质因素Q:0.55.0(8)阻带衰减(Stopband Attenuation):10dB100dB,3.3.3 开关电容滤波器,1开关电容滤波的基本原理图3.3.13(a)的简单一阶LBP/滤波器,通带截止频率fp=1/2,=RC。与其特性相同的开关电容滤波器由MOS模拟开关,集成电容和运放OA组成,如图(b)所示。模拟开关S1、S2,电容C1模拟等效的电阻R。其阻值受模拟开关切换频率(时钟频率)fCLK和C1控制。图(
12、b)中驱动两只模拟开关的时钟信号分别为A和/A,两者反相。C2为积分电容。,开关电容滤波的基本原理,在A的正半周,S1闭合、S2断开,电容C1被充电到,在(=1/fCLK)期间所积累的电荷Q=VixC1;平均输入电流ii=VixC1/Tc。其等效模拟电阻为Ri=Vi/ii=1/Cfclk在/A的正半周,S1断开、S2闭合,C1上的电荷将转移至C2。电路的等效时间常数为t=RiC2=C2/C1fCLK,开关电容滤波的基本原理,在集成芯片制造时,两个电容之比可视为两个电容的面积之比,其误差可控制在1%以内,从而保证了滤波器电参数的稳定性。fCLK可以很容易的改变,相对也比较容易得到等效的较大容量的
13、电容。当然,通过控制fCLK可以有效的控制滤波器的频率特性,如fp。当fCLK由晶振振荡器提供时,更是保证了滤波器电参数的稳定性和准确性。由于上述优点,加上结构简便,使用灵活,使其得到愈来愈广泛的应用,本身的发展也很迅速。,2引脚可编程的开关电容滤波器MAX263/264/267/268,图3.3.14为该系列滤波器的内部方框图。它由两个二阶开关电容滤波器,f0(中心频率)逻辑控制,品质因数Q逻辑控制,工作模式(MODE)处理,时钟二分频,时钟CMOS反相器及缓冲运算放大器(仅MAX267/268有)等部分组成。,内部功能方框图,两个二阶滤波器可以串接级联。信号输入端分别为INA和INB。做陷
14、波N(Notch Filter)、HBP、AP(全通)和BP、LP相应的输出端。M0、M1为工作模式选择端,仅MAX263/264有。五个引脚F0F4为fCLK/f0之比的编程端。七个引脚Q0Q6为两个滤波器各自品质因数值的编程端。外部时钟可用CLKA、CLKB引入,也可由CLKA、OSC、OUT外接石英晶振产生。MAX267/268内部还设有一个缓冲运放。该系列开关电容滤波器有如下特点:(1)MAX263/264可用做LPF、HPF、BPF、NF、APF。(2)MAX267/268只能用做BPF。(3)典型fCLK与f0的范围如表3.3.1所示,MAX267/268仅工作于模式1。,内部功能
15、方框图,(4)对于MAX263/267而言fclk/f0=(N+32)其中N为F0F4引脚电平对应的十进制数值。如F4F3F2F1F0=00011B,即N=3。(6)有相应滤波器设计软件(7)可以单电源或双电源5V供电。(8)器件封装如图3.3.15所示。类似的开关电容滤波器还有LINEAR公司的LTC1068系列芯片,它最多可实现8阶LPF、HPF、BPF、BEF。频率范围0.5Hz200kHz。也有相应FilterCAD支持。,3MAX263/264/267/268设计要点,(1)两个二阶滤波器级联,电路的总品质因素为Q2。(2)内部滤波器的Q值也是电路电压增益值,故二级级联,芯片总增益为
16、Q2。应用设计时必须注意到这一点。必要时输入端应加衰减器。(3)单电源供电,Qn、Fn低电平接地;双电源供电,Qn、Fn低电平接5V。,4开关电容滤波器应用实例,图3.3.16为以MAX268带通开关电容滤波器为核心而构成的具有自动跟踪输入信号频率的带通滤波电路。MAX268总的品质因素为4。fCLK/f050。采用5V电源供电。BPA和INB直连,两级二阶滤波器串联。缓冲放大器设计增益=1,可由10k予调电位器调整。,图3.3.16 由MAX268构成的锁相跟踪带通滤波器,4开关电容滤波器应用实例,输入信号在加入MAX268时进行了0.25倍衰减,以保证器件工作时不限幅。输入信号由OP27进
17、行限幅放大,经比较器LM311整形为方波。锁相环HC4046和计数器HC390组成了50倍频电路,使MAX268时钟信号的频率在整个测量范围内(20Hz20kHz)自动保持为输入信号频率的50倍,即MAX268的带通中心频率始终跟踪输入信号频率并保持相等。此电路有两个重要用途:一是可将方波脉冲变换为正弦波;二是电路的输出就是输入信号的基波,可用于进行失真度测量等。,3.4 电源电路设计,当前的电源可分为线性电源和开关电源两大类。前者电路中的有源器件处于线性工作状态,它的电路简单、纹波小、电路性能良好、对交流供电线路污染小、成本较低但效率低。后者又可分为AC-DC和DC-DC两种类型。它们的共同
18、特点是电路较复杂、效率高(可达80%以上)、允许输入电压变化的范围宽(如AC-DC开关电源,AC供电范围可达85V260V)、成本较高、纹波较大、对交流供电线路干扰大。,3.4.1 模拟线性稳压电源设计,1稳压电源的技术指标(1)稳压系数SV稳压系数SV是描述在负载固定的情况下,输入电压变动对输出电压的影响:工程上常指定电网电压变化10%做输入电压的相对变化量。此时SV即为输出电压的相对变化量。这个指标有时又称为“电压调整率”。,稳压电源的技术指标,(2)负载调整率SI工程上常用在输入电压固定的情况下,负载电流Io从零变化到最大额定性时所引起输出电压的变化来衡量:它有时又称为电流调整率。实际上
19、它就是稳压电路的动态内阻ro。,稳压电源的技术指标,(3)纹波抑制比纹波抑制比的定义为:式中Vnpp和Vmpp分别为稳压电路输入和输出纹波电压的峰值。反映了输出直流电压中的交流成份。有时直接用纹波电压的峰-峰值标志。,稳压电源的技术指标,(4)效率 效率反映了稳压电路的电能损耗情况:式中P0和Pi分别为稳压电路的输出与输入直流功率。对于电池供电的便携式电子系统,电源的效率至为重要。(5)温度系数表征输出电压随温度的漂移情况:,2三端集成线性稳压电路设计,(1)常用三端集成稳压器7800系列三端固定正电压输出的线性集成稳压器、7900系列三端固定负电压输出的线性集成稳压器以及LM117/217/
20、317系列三端可调正输出线性集成稳压器、LM137/I37/337系列三端可调负输出的线性集成稳压器,具有以下特点:三个引出端,无需外接元件(固定输出器件)。芯片内部设有过热保护、限流保护和调整管安全工作区保护。性能优良的稳压系数、负载调整率和纹波抑制比,完全能满足一般电子系统的要求。最低输入输出电压差值为2V,最高值不超过2.5V。输出电压的容差为2%和4%。,图3.4.1给出了7800系列、7900三端系列、LM117/217/317系列、LM137/237/337系列三端集成稳压器的封装及引脚图。,几种三端集成稳压器的应用电路,图3.4.2为上述几种三端集成稳压器的应用电路。图(a)为7
21、800系列典型应用。0.33F电容在器件距滤波电路较远时使用,可改善纹波和瞬间输入过压。0.1F电容可改善负载的瞬态响应。一般情况下,这两个电容可以不用。,几种三端集成稳压器的应用电路,图(b)为7900系列三端负输出电压稳压器的典型应用电路。图(c)为7800系列稳压器利用NPN型功率管扩流的电路。图(d)为7800系列稳压器的稳流应用,此时输出电流I0V0/R,V0为稳压器标称输出电压。图(e)为正、负极性输出的稳压电路。图(f)为LM117可调整正电压输出稳压器的典型电路,其输出电压,Iadj为调整端输出电流,通常1A。,(2)三端集成稳压电路设计,现以图3.4.3的典型应用电路,说明其
22、设计过程。,三端集成稳压电路设计,设需要稳压电源的输出电压V0=5V5%,考虑到一般数字器件电源电压的容差为10%,故这一设定是合适的。最大输出电流I0=0.4A,纹波电压68db,在V0=5V时,纹波电压应小于2mV(纹波抑制比RR=20lg(Vn/Vo),Vn为纹波电压)。其次应确定7805的最低入端电压Vi。由于三端集成稳压器输入-输出间的压差Vdo=ViV0必须2V。考虑到留有一定余量,Vdo取为3V,Vi8V。Vi取决于电源变压器次级绕组的电压V2(rms)、整流电路的形式、整流元件压降以及滤波电容C1的容量,并且还会随负载而起落。,三端集成稳压电路设计,滤波电容C1容量主要由电压调
23、整率、纹波要求和负载来决定。在采用桥式等全波整流电路时,C1可按下式取值:或式中T为交流电周期,这里T=20ms。等效最小RL为V0/I0=12.5,故C1(24004000)F。这里取C1=3300F/16V。,三端集成稳压电路设计,Vi在负载开路时为,但由于单电容滤波其负载特性非常软,即随负载加重,Vi下降很显著,通常Vi=(0.91.2)V2若取Vi=1.0V2,则V2max=8V。由于一般电子系统电源电压的容许范围为10%,故在V1=198V也要保证V28V,所以V2取9V是合理的。必需注意到在V1=242V时,V29.9V。这一情况在下面讨论三端稳压器功耗时有意义的。,三端集成稳压电
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 模拟电路设计 模拟 电路设计 PPT 课件
链接地址:https://www.31ppt.com/p-5536873.html