基于運放的模電知識

1、一、運算放大器1、幾種類型的放大器輸入連同相端：同相放大器輸入連反相端：反相放大器單端多輸入并聯(lián)：求和放大器雙端都有輸入：差分放大器輸入到電容再到端口，輸出反饋經過電阻：微分器（90o相位滯后）輸入到電阻再到端口，輸出反饋經過電容：積分器（90o相位超前）2、負反饋開環(huán)增益a足夠大時，閉環(huán)增益A=1/若用電抗元件（如電容器）實現(xiàn)反饋網絡，一定會得到傳遞函數(shù)為H(jf)=1/(jf)的頻率選擇性電容，濾波器和振蕩器就屬于這一類。（PS：如果反饋只連一個電容，運放輸出會飽和，需要用一個小電阻并聯(lián)到電容兩端）A的靈敏度是a的1/1+T倍，與相同反饋能減少非線性失真反饋會放大干擾和噪聲，放大倍數(shù)是1/

2、，1/稱為噪聲增益如果輸入和反饋信號在不同的節(jié)點進入放大器，屬于輸入串聯(lián)型；如果輸入和反饋信號在同一個節(jié)點進入放大器，屬于輸入并聯(lián)型；如果反饋節(jié)點直接和輸出端相連，屬于輸出并聯(lián)型；如果用一個串聯(lián)電阻對負載電流進行取樣再接入反饋網絡，屬于輸出串聯(lián)型。無論是輸入還是輸出端，串聯(lián)拓撲提到高應端口的電阻，并聯(lián)拓撲降低相應端口的電阻。閉環(huán)端口電阻一般表達式R=r*(1+T)±1（r是在極限a0下計算出的開環(huán)電阻，對串聯(lián)拓撲用+1，并聯(lián)拓撲用-1。|T|會隨頻率增加而降低，所以串聯(lián)拓撲阻抗隨頻率增加而降低，呈容性；并聯(lián)相反，呈感性。）負反饋的得益源于足夠大的增益T，若要在好的a和好的rd和ro中

3、只選擇一個，選擇好的a，大的a能彌補rd和ro特性上的不足。3、運放的供電供電由兩層目的:一是給內部晶體管提供偏置，二是通過運放放過來又將電源給輸出負載網絡供電。為防止存在于電源線中干擾運放的交流聲，每塊IC片子的電源管腳都必須利用低感抗的電容器（0.1uf的陶瓷電容就足夠）對地旁路。這些解耦電容也有助于中和掉來自電源線和地線的非零電抗所形成的虛假反饋環(huán)路，另外接線頭一定要短以分布電感最小，電容器應裝在盡量靠近運放的管腳。4、差分放大電路差模分量vDM=v2-v1 共模分量vCM=(v2+v1)/2v1=vCM-vDM/2 v2=vCM+vDM/2當R3=R1，R4=R2時，差模輸入電阻Rid

4、=2R1，共模輸入電阻Ric=(R1+R2)/2電阻平衡時R4/R3=R2/R1，則vo=(R2/R1)(v2-v1)當電阻失配時R4/R3=(1-)R2/R1 ，vo=AdmvDM+AcmvCM Adm=R2R11-R1+2R2R1+R22 ， Acm=R2R1+R2共模抑制比:CMRRdm=20log10|Adm/Acm|20log10|(1+R2/R1)/|5、精密運算放大器 精密運算放大器一般指失調電壓低于1mV的運放并同時強調失調電壓隨溫度的變化漂移值要小于100mV。對于直流輸入信號，VOS和它的溫漂足夠小就行了，但對于交流輸入信號，我們還必須考慮運放的輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲，

5、在很多應用情況下輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲顯得更為重要一些。二、有源濾波器1、有源濾波器和無源濾波器比較一個有源濾波器只能在運放正常工作的范圍內起作用，運放的限制是隨頻率而滾降的開環(huán)增益，這個限制一般將有源濾波器應用局限到兆赫茲以下范圍，超出運放能達到的頻率之上，電感還是占優(yōu)勢，高頻濾波器仍然還是用無源RLC元件實現(xiàn)的。這些濾波器中，由于電感和電容隨工作頻率范圍上升而下降，所以電感尺寸和重量便于重置。2、傳遞函數(shù)電路穩(wěn)定的要求：全部極點必須位于s平面左半面。如果電路有一對復數(shù)極點，輸出是一個持續(xù)的振蕩。3、標準二階響應（根據(jù)傳函計算電容電阻值）低通：H(j)=H011-/02+(j/0)/Q高

6、通：H(j)=H0-/021-/02+(j/0)/Q帶通：H(j)=H0(j/0)/Q1-/02+(j/0)/Q帶阻：H(j)=H01-/021-/02+(j/0)/Q把傳遞函數(shù)化為標準形式，得出H0，0（單位增益頻率）和Q（Q=0/BW），根據(jù)三者設計要求的數(shù)值算出響應電容電阻值設計方法有等值元件設計法（將對稱元件值設為相等）和單位增益設計法（令H0=1），等值元件設計法的Q的靈敏度會隨著Q的增加而增加，所以它在高Q值時是無法接受的。相比較而言，單位增益設計法有更低的靈敏度。帶通響應可以通過對高通響應積分得到，低通可以由對帶通的積分得到4、級聯(lián)設計(1)考慮Q值：考慮高Q的節(jié)中可能存在信號箝

7、位，因此為了避免動態(tài)范圍的損失和濾波器精度的降低，可以把各節(jié)按Q值升高的順序級聯(lián)在一起。考慮高Q值模塊中任何落在諧振峰值處的噪聲都可能會被顯著放大，因此應將高Q部分放在級聯(lián)順序中的前列來減小噪聲。(2)考慮運放增益：噪聲方面考慮：第一級增益大有利于減小總體噪聲特性，這樣級連放大器噪聲就由第一級決定，后級放大器噪聲被第一級增益相除后變得可以忽略。頻域穩(wěn)定性方面考慮：如果第2級增益大，則代表第二級的輸出阻抗大，主極點由輸出級控制，這樣主極點變化可能很大，不好控制和補償；而如果第一級增益大，主極點在第一級，則可以在內部補償，保證頻域穩(wěn)定性。驅動能力方面考慮：由于第二級要考慮有效驅動負載（用功率放大器

8、），因此一般電流要大，而增益一般是跟電流成反比。因為第二級外接的負載應該是可變的，因此如果第二級增益大，一個外接的低阻抗負載有可能大大降低運放增益。因此如果第一級高增益，而第二級的增益不大，則負載變化對運放整體性能影響不大。(3)電氣性能相互匹配問題：關于單元電路之間電氣性能相互匹配的問題主要有：阻抗匹配、線性范圍匹配、負載能力匹配、高低電平匹配等。前兩個問題是模擬單元電路之間的匹配問題，最后一個問題是數(shù)字單元電路之間的匹配問題。而第三個問題(負載能力匹配)是兩種電路都必須考慮的問題。從提高放大倍數(shù)和帶負載能力考慮，希望后一級的輸入電阻要大，前一級的輸出電阻要小，但從改善頻率響應角度考慮，則要

9、求后一級的輸入電阻要小。對于線性范圍匹配問題，這涉及到前后級單元電路中信號的動態(tài)范圍。顯然，為保證信號不失真地放大則要求后一級單元電路的動態(tài)范圍大于前級。負載能力的匹配實際上是前一級單元電路能否正常驅動后一級的問題。這在各級之間均有，但特別突出的是在后一級單元電路中，因為末級電路往往需要驅動執(zhí)行機構。如果驅動能力不夠，則應增加一級功率驅動單元。在模擬電路里，如對驅動能力要求不高，可采用運放構成的電壓跟隨器，否則需采用功率集成電路，或互補對稱輸出電路。在數(shù)字電路里，則采用達林頓驅動器、單管射極跟隨器或單管反向器。電平匹配問題在數(shù)字電路中經常遇到。若高低電平不匹配，則不能保證正常的邏輯功能，為此，

10、必須增加電平轉換電路。尤其是CMOS集成電路與TTL集成電路之間的連接，當兩者的工作電源不同時 (如CMOS為+15V，TTL為+5V），此時兩者之間必須加電平轉換電路。5、直接設計對于高Q值模塊來說，一個元件微小的變化（容差、熱漂移和老化）都會導致整個級聯(lián)電路的響應發(fā)生顯著變化，而雙端終結的梯形RLC濾波器對元件變化的靈敏度是最低的。三、晶體管（三極管和場效應管）1、三極管放大區(qū)：發(fā)射極e正偏，集電極c反偏IC=IB，IE=IC+IB=(1+)IB飽和區(qū)：發(fā)射極和集電極都正偏，vCE為飽和壓降，iC與iB無關，IC<IB截止區(qū)：發(fā)射極和集電極都反偏，三極直接近似斷開。這些狀態(tài)之間的轉換

11、，可以通過輸入電壓或者相應的輸入電流來控制：在放大狀態(tài)時，隨著輸入電流的增大，當輸出電流在負載電阻上的壓降等于電源電壓時，則電源電壓就完全降落在負載電阻上，于是集電結就變成為0偏壓，并進而變?yōu)檎珘杭从煞糯鬆顟B(tài)轉變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)。當輸入電壓反偏時，則發(fā)射結和集電結都成為了反偏，沒有電流通過，即為截止狀態(tài)。共射極電路：基級輸入，集電極輸出。多級放大電路的中間級。共集電極電路（射極跟隨器）：基級輸入，射極輸出。輸入級、輸出級或緩沖器。共基級電路：射極輸入，集電極輸出。高頻或寬頻帶電路及恒流源電路。2、場效應管共源級電路：柵極輸入，漏極輸出。電壓增益大，輸入電壓與輸出電壓反相，輸入電阻高，輸入電容大，輸

12、出電阻主要由負載電阻決定。共漏極電路：柵極輸入，源級輸出。電壓增益小于1但接近1，輸入電壓與輸出電壓同相，輸入電阻高而輸入電容小，輸出電阻小，可作阻抗變化器用。共柵極電路：源級輸入，漏極輸出。電壓增益大，輸入電壓與輸出電壓同相，輸入電阻小，輸入電容小，輸出電阻大。3、達林頓管達林頓管就是兩個三極管接在一起，極性只認前面的三極管。具體接法有四種：NPN+NPN，PNP+PNP，NPN+PNP，PNP+NPN，NPN+NPN的同極性接法：B1為B，C1C2為C，E1B2接在一起，那么E2為E。這里也說一下異極性接法。以NPN+PNP為例。設前一三極管T1的三極為C1B1E1，后一三極管T2的三極為

13、C2B2E2。達林頓管的接法應為：C1B2應接一起，E1C2應接一起。等效三極管CBE的管腳，C=E2,B=B1，E=E1(即C2）。等效三極管極性，與前一三極管相同。即為NPN型。達林頓管一般用于驅動大功率的負載：用于大功率開關電路、電機調速、逆變電路。驅動小型繼電器驅動LED智能顯示屏4、推挽對在功率放大器電路中大量采用推挽放大器電路，這種電路中用兩只三極管構成一級放大器電路，兩只三極管分別放大輸入信號的正半周和負半周，即用一只三極管放大信號的正半周，用另一只三極管放大信號的負半周，兩只三極管輸出的半周信號在放大器負載上合并后得到一個完整周期的輸出信號。推挽放大器電路中，一只三極管工作在導

14、通、放大狀態(tài)時，另一只三極管處于截止狀態(tài)，當輸入信號變化到另一個半周后，原先導通、放大的三極管進入截止，而原先截止的三極管進入導通、放大狀態(tài)，兩只三極管在不斷地交替導通放大和截止變化，所以稱為推挽放大器。推拉式輸出級既提高電路的負載能力，又提高開關速度。四、運放的穩(wěn)定性分析1、開環(huán)響應和閉環(huán)響應增益開環(huán)a(if)=a0/(1+jf/fb) ft = a0fbf<<fb a(if)=a0 (0o)f=fb a(if)=a0 /2 (-45o)f>>fb a(if)= ft/f (-90o)閉環(huán)A(if)=A0/(1+jf/fB) ft = a0fB2、增益帶寬積GBP具有

15、主極點補償?shù)倪\算放大器也被稱為恒定GBP運算放大器，其增益帶寬積GBP=a*f=ft為常數(shù)。ft=gm1/2Cc3、單級運放增益與主極點單級運放增益A= gm* Rout，gm受制于很多因數(shù)，一半提高增益的辦法是提高Rout；極點P= 1/(Rout* C);采用米勒補償?shù)膬杉夁\放，主極點P1=Rout1* K *Cc在第一級的輸出（K為米勒系數(shù)，K=a2）。4、暫態(tài)響應上升時間tR=0.35/ft轉換速率SR=Vom*2ft=IA/Cc=2IAft/gm1有極限，在高頻條件下工作，必須將保持在足夠低的水平，以避免轉換速率的失真。全功率帶寬FPB=SR/ Vsat是運放能夠產生具有最大可能幅度

16、的無失真交流輸出時的最大頻率。在轉換速率極限期間，因為輸入級飽和會使開環(huán)增益急劇下降，電路對輸入中的任何高頻分量都會不敏感，此期間反相電路虛地條件不成立提高SR的三種方法：高ft也傾向于具有高SR，降低Cc可以增加ft，這在無補償運算放大器中尤為有用。用更低的Cc補償SR的常用方法有：輸入滯后和前饋補償。降低輸入級跨導gm1補償SR，在相仿的偏置條件下，F(xiàn)ET的跨導遠遠低于BJT的跨導。由此能說明兩條采用JFET輸入級的理由：一是能夠實現(xiàn)非常低的輸入偏置和失調電流，二是可以提高轉換速率。增加IA來增加SR，這在可編程運算放大器中尤為重要，可以通過外部電流ISET來設置它的內部工作電流。5、增益

17、裕度和相位裕度增益裕度GM=20log(1/|T(jf-180o)|)指|T(jf-180o)|變成”1”導致不穩(wěn)定前可被增加的分貝數(shù)。相位裕度m=180o+ T(jfx)指T(jfx)變成-180o導致不穩(wěn)定前可被降低的度數(shù)。6、級聯(lián)運放的穩(wěn)定性運放穩(wěn)定的要求是第二個極點P2= Rout2* CLeff遠離P1。如果A2= gm2* Rout2增大，即Rout2增大，P2= Rout2* CLeff減小，P2靠近P1，相位裕度在變小；如果A1= gm1* Rout1增大，即Rout1增大，P1=Rout2*CLeff減小，P2遠離P1，相位裕度在變大。因此第一級運放增益一般比第二級大。五、噪

18、聲分析1、噪聲組成噪聲通常包括器件的固有噪聲和外部噪聲，固有噪聲包括：熱噪聲、散彈噪聲和低頻噪聲（1/f噪聲）等，外部的噪聲通常指電源噪聲、空間耦合干擾等。集成電路的噪聲由：白噪聲（熱噪聲是白噪聲的一種）和1/f噪聲（也稱閃爍噪聲或接觸噪聲）混合而成，低頻時1/f噪聲起主要作用，高頻時白噪聲起主要作用，且頻帶越寬，噪聲越大，因此為減小噪聲，必須將頻率寬度嚴格限制在能夠符合要求的最小寬度上?？捎迷肼曄嗲卸ɡ砼袛嘧钪饕脑肼暋ｉW爍噪聲在直流電流情況下才存在，熱噪聲在沒有直流電流情況下也能存在。2、噪聲的消除適當選擇晶體管可以使由差分輸入對產生的噪聲最小。當要求大外部電阻時，F(xiàn)ET輸入運算放大器是一

19、個較好的選擇，這是因為FET輸入運算放大器的噪聲電流比BJT輸入運放的噪聲電流電平低幾個數(shù)量級，至少在室溫附近是這樣。但FET具有更高的電壓噪聲，因為它的gm更低。對于MOSFET來說，1/f噪聲也是一個重要因素?？墒褂么竺娣e器件降低1/f分量。另外，p溝道元件比n溝道元件具有更小的1/f噪聲。噪聲源信號類型成因降低的方法50Hz周期信號電源線太靠近運放；PSRR或CMRR過低；電源變壓器初次極容性耦合注意電源線走線；屏蔽變壓器；單點接地；電池供電1000Hz紋波周期信號全波整流電路產生；電源輸出紋波過大；PSRR或CMRR過低降低紋波；運放供電的RC去耦；電池供電開關電源周期性的高頻尖峰開關

20、電源輸出濾波不良；開關電源電路布局與布線不合理；運放PSRR過低減小電源輸出紋波；優(yōu)化布線與布局；運放供電的RC去耦無線廣播噪聲廣播聲半導體的非線性引起的檢波效應限制電路帶寬；輸入屏蔽PCB板污染隨機低頻噪聲PCB或插件被污染保證工藝流程潔凈機械震動隨機噪聲<100Hz連接器松動保證連接器的可靠連接繼電器或開關電弧高頻寬帶噪聲開關元件接近放大器輸入端濾除高頻分量，屏蔽，防止形成地環(huán)；RC電弧吸收電路六、施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)電路是一種波形整形電路，當任何波形的信號進入電路時，輸出在正、負飽和之間跳動，產生方波或脈波輸出。不同于比較器，施密特觸發(fā)電路有兩個臨界電壓且形成一個滯后區(qū)，可以防止

21、在滯后范圍內之噪聲干擾電路的正常工作（一般比較器只有一個作比較的臨界電壓，若輸入端有噪聲來回多次穿越臨界電壓時，輸出端即受到干擾，其正負狀態(tài)產生不正常轉換）。如遙控接收線路，傳感器輸入電路都會用到它整形。上臨界電壓VTH 下臨界電壓VTL滯后寬度（電壓）VH VTL<噪聲<VTH輸入端信號I 上升到比VTH 大時，觸發(fā)電路使O 轉態(tài)輸入端信號I 下降到比VTL 小時，觸發(fā)電路使O 轉態(tài)上、下臨界電壓差VH =VTH -VTL噪聲在容許的滯后寬度范圍內，O 維持穩(wěn)定狀態(tài)1、反相施密特觸發(fā)器VTH=R1R1+R2VOH VTL=R1R1+R2VOL2、同相施密特觸發(fā)器VTH=-R1R2VOH VTL=-R1R2VOL七、555定時器555定時器可工作在三種工作模式下：單穩(wěn)態(tài)模式：在此模式下，555功能為單次觸發(fā)。應用范圍包括定時器，脈沖丟失檢測，反彈跳開關，輕觸開關，分頻器，電容測量，脈沖寬度調制（PWM）等。（單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。在未加觸發(fā)信號之前，觸發(fā)器處于穩(wěn)定狀態(tài)，經觸發(fā)后，觸發(fā)器由穩(wěn)定狀態(tài)翻轉為暫穩(wěn)狀態(tài)，暫穩(wěn)狀態(tài)保持一段時間后，又會自動翻轉回原來的穩(wěn)定狀態(tài)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一般用于延時和脈沖整形電路。）此時，調制VTH可以改變T，輸出脈沖頻率與輸入相同，脈沖寬度受VTH調制，這種調制方式稱為脈寬調制（PWM）。無穩(wěn)態(tài)模式：在此模式下，555以振蕩