湖南文理学院电气与信息工程学院自动化教研室 电 子 设 计 湖南文理学院电气与信息工程学院自动化教研室 主讲教师：王文虎

第三讲 模拟电路设计

知识点： 重点： 1、模拟电路的设计 2、集成运算放大电路的基本结构 3、运算放大电路的主要技术指标 4、运算放大电路的选择方法 5、理想运算放大器 6、基于集成运算放大器的基本电路 7、波形产生电路的设计 8、有源滤波器的设计 9、放大电路中的干扰和噪声及其抑制措施 10、直流稳压电源的设计 重点： 1、运算放大电路的选择方法 2、集成运放的应用特点 3、集成运放的应用领域

序言：集成电路 集成电路是指半导体集成电路，即以半导体材料为基片，将至少有一个是有源元件的两个以上元件和部分或全部互连线路集成在基片之中或基片之上，以执行某种电子功能的中间产品或最终产品。 Integrated Circuit, 通常简称IC，是指将很多微电子器件集成在芯片上的一种高级微电子器件。 通常使用硅为基础材料，在上面通过扩散或渗透技术形成N型和P型半导体及P－N结。实验室中也有以砷化镓(GaAs)为基材的芯片，性能远超硅芯片，但是不易量产，价格过高。将各种电路组件（如电晶体和电阻）聚集于矽晶体或半导体芯片上的装置。集成电路乃是以其所包含的电子组件数目来分类，缩写是IC。也称为chip。 集成电路三大类：模拟集成电路、数字集成电路、模拟数字混合集成电路。

一、模拟电路的设计 模拟电路设计的主要任务是设计电压放大器和功率放大器，且重点是电压放大器的设计，难点是微弱信号精密放大与高频信号放大。 集成运算放大器分：通用型运放和专用型运放。 其中： 通用型运放—直流性能较好、种类多、满足许多领域要求、便宜、用途广，分单运放、双运放、四运放； 专用型运放—性能技术指标特别，满足特殊应用场合，如低功耗型、高精度型、高输入阻抗型、高速宽带型、高压型、电流型、程控型、跨导型、斩波稳零型等。

二、集成运算放大器的基本结构 输入级 集成运算放大器(operational amplifier)是电压放大倍数很大、输入电阻很大、输出 电阻很小且用于模拟计算机中实现数学运算功能的多级直接耦合放大电路。 运算放大器的基本结构 输入级 中间级 输出级 偏置电路 电压放大级 偏置电路 输出级 差动输入级

运算放大器的习惯符号 同相输入端VP 反相输入端VN 输出端

三、运算放大器的主要技术指标 1、开环差模电压增益Aod—指运放在无外加反馈情况下的直流差模增益，单位dB。是决定运放精度的重要因素，理想运放Aod为∞ ，一般Aod约100 dB ，高的可达140 dB。定义式： 2、输入失调电压UIO—使输出电压为0时输入端所需要的补偿电压。表征了输 入级差分对管失配的程度，也反映了一定程度上温漂的大小。高质量运放UIO在1mV 以下。 3、输入失调电流IIO—是指输出电压为0时两个输入端偏置电流之差，反映了差分 对管输入电流不对称情况。高质量运放IIO低于1nA。

4、差模输入电阻rid—是差模输入电压UId与相应的输入电流IId的变化量之比， 用以衡量集成运放向信号源索取电流的大小。一般rid为几MΩ，场效应管输入级rid 可达106 MΩ。 5、共模抑制比KCMR——是开环差模电压增益与开环共模电压增益之比，单位dB。用以衡量集成运放抑制温漂的能力。定义式： 6、输入失调电压温漂—表示失调电压在规定工作范围内的温度系数，是衡量运放 温漂的重要指标。一般运放为10～20μV/˚C，高质量的低于0.5μV/˚C。 7、输入失调电流温漂—表示输入失调电流的温度系数，一般运放为几μA/˚C， 高质量的几十pA/˚C。

8、输入偏置电流IIB—是当输出电压为0时两个输入端偏置电流的平均值，是衡量差分对管输入电流绝对值大小的指标，取决于集成运放输入级静态集电极电流以及输入级放大管的β值。一般输入偏置电流愈大其失调电流愈大，BJT型运放IIB约1 μ A以下，FET型运放IIB在1nA以下。 9、最大共模输入电压UIcm—表示运放输入端所能承受的最大共模电压。 10、最大差模输入电压UIdm—表示运放反相输入端与同相输入端之间能承受的最大电压。超过限度会使输入级差分对管的某一个管子的发射结击穿。 11、－3dB带宽fH—表示Aod下降3dB时的频率，一般运放fH值在几kHz以下。 12、单位增益带宽BWG—指Aod降至0时的频率，即此时开环差模电压放大倍数为1。 13、转换速率SR—在额定负载下输入一个大幅度的阶跃信号时输出电压的最大变化率。

四、运算放大器的选择方法——高性价比 从满足电气性能上考虑： 1、若无特殊要求，选用通用型运放（若电路中包含多个运放，应优先选用多运放芯片）；如：LM101、LM124、LM148、LM224、LM324、LM747、μA741、 μA748、 μP151等 2、对于低能源系统可选用低功耗集成运放，一般在mW级别，可电池供电；这类运放多为MOS型运放，如μPC153、 μPC253、 ICL7641、CA3708等。 3、在精密测量（如微弱信号检测、精密模拟计算、仪表放大器、高增益直流放大等）放大电路中要求温漂小、噪声低，可选用低漂移低噪声运放，如OP07、OP09、OP11、OP27、OP37、 μA725、MAX7650等。 4、若系统要求具有高输入阻抗（如采样/保持电路、积分器、峰值检波、测量放大器）可选用高阻抗集成运放（输入电阻在10～106MΩ，偏置电流pA数量级，输入级采用JFET、MOSFET），如μA711 、μA774、LF351/347/441/442/444、OP15/16/17 。 5、若系统工作频率要求很高（如高速采样保持、精密比较器、A/D、D/A、高频振荡及信号发生器、锁相环电路）可选用高速及宽带集成运放（转换速率高、频率特性好、单位增益带宽达10MHz即具有高的带宽），如μA751 /772、LM318、MC1520等 。 6、若系统要求高输出电压（如大功率输出电路的电压放大、高电压幅值的信号发生器等）可选用高压型运放（注：考虑必要的保护），如：LM143、MC1536、BG315等。 7、如跨导运放、程控运放、电流型运放等视实际情况而定。

五、理想运算放大器 理想运放的技术指标 所谓理想运放就是将集成运放的各项技术指标理想化，即：Aod、 rid、 KCMR、fH 均为∞；ro、IIB、UIO、IIO均为0等。 －VCC+0.5 VCC－0.5 VO VP －VN 理想特性 实际特性 电压传输特性曲线

理想运放工作在线性区时的特点 理想运放工作在非线性区时的特点 集成运放工作在线性区，输出电压与其两个输入端电压呈线性放大关系，即： uo=Aod(uP-uN) (1)理想运放的差模输入电压等于0——“虚短”，即uP=uN ； (2)理想运放的输入电流等于0——“虚断”，即iP=iN=0； 理想运放工作在非线性区时的特点 集成运放的工作信号超出了线性放大范围，则会不随输入电压线性增长而饱和。 (1)极限输出，即uP>uN时uO=Vcc; uP<uN时uO=Vss; (2)理想运放的输入电流等于0——“虚断” ，即iP=iN=0 ；

RI=R+RID//[Rf/(1+KAuo)] 六、基于集成运算放大器的基本电路 (一)反相比例放大器的特点与设计要点 典型电路如图所示。电路特性如表所示。 主要闭环特性 理想运放 实际运放 闭环增益 Af=－Rf/R Af＝ －Rf/R(1+1/KAuo) 输入电阻 RI=R(反相端虚地) RI=R+RID//[Rf/(1+KAuo)] 输出电阻 ROC=0 ROC=RO/(1+KAUO)

(二)同相比例放大器的特点与设计要点 典型电路如图所示。电路特性如表所示。 主要闭环特性 理想运放 实际运放 闭环增益 Af=1＋Rf/R1 Af＝ (1＋Rf/R1)/(1+1/KAuo) 输入电阻 RI= ∞ RI=RID(1+KAuo) 输出电阻 ROC=0 ROC=RO/(1+KAUO)

(三)差分输入比例放大器的特性与设计 典型电路如图所示。 在差分放大电路中，电阻匹配十分重要，此时差分电路的共模抑制比由运放本身的共模抑制比和外部电阻失配而形成的共模抑制比两部分组成。 实际中，单运放差分电路常用于运算精度要求不高的场合，为提高性能，常采用双运放或多运放组合的差分放大电路。

(四)积分运算放大电路（有源积分器） 典型电路如图所示。

（五）仪表放大器（精密放大器） 1、仪表放大器的三个特点 （1）具有高的输入电阻；输入电阻越大，无论信号源的内阻如何变化，放大误差会越小。 具有内阻信号源的放大倍数： （2）具有高的共模抑制比；一般差模信号小，共模信号大，必须有效抑制共模信号。 （3）足够的放大倍数；对弱小的差模信号进行放大。

2、仪表放大器的基本电路 电路图如右图所示。 则： 可见，电路放大差模信号，抑制共模信号，差模放大倍数越大，共模抑制比越高。

（六）电荷放大器 Rf的作用是防止Cf长时间充电导致运放饱和，V1、V2防止电容性传感器过载输出。 利用积分运算电路将电容性传感器的电荷量转换成电压输出量。 如右图所示。 图中： Rf的作用是防止Cf长时间充电导致运放饱和，V1、V2防止电容性传感器过载输出。 电容性传感器可等效为因存储电荷而产生的电动势 ut 与一个输出电容 Ct 的串联。 有： 则：

七、波形产生电路的设计 在测量、自动控制、计算技术、无线电通信和遥控、遥测等技术领域中，广泛用到各种各样的波形发生器。常用波形产生电路是正弦波发生器和矩形波发生器（多谐振荡器）两大类，且经过适当波形变换可得到各种不同波形输出。 常用集成振荡器有： E1648能组成振荡频率小于223MHz的振荡器； 5G8038能输出低频正弦波、方波、三角波信号； 555/556能灵活组成数百KHz以内的多谐振荡器；等。 分立元件振荡器设计要点 (1)合理选择有源器件—可选用集成宽带放大器、有足够输出电压幅度和负载特性； (2)确定振荡器电路形式—低频段选用RC振荡器、高频段选用LC振荡器； (3)确定元件参数值

RC超前移相网络（RC高通电路） RC串并联网络振荡器 RC滞后移相网络（RC低通电路）

电感反馈式（电感三点式）振荡电路 BJT型变压器反馈式振荡电路图 电容反馈式（电容三点式）振荡电路

八、有源滤波器的设计 滤波器在通信、测量和控制系统中有着广泛的应用，一个理想的滤波器应在要求的频带（通带）内具有均匀而稳定的增益，而在通带以外则具有无穷大的衰减。 滤波器种类：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。 用集成运放和RC网络组成有源滤波器，具有许多独特优点。 (1)免除了电感元件固有的非线性特性、磁场屏蔽、损耗、体积、重量大等； (2)能提供一定的信号增益和缓冲作用（运放高增益、高输入电阻、低输出电阻）； 滤波器的设计任务就是根据给定技术指标，选定电路形式和确定元器件。其中技术指标主要是通带和阻带以及相应带宽。 一阶滤波器电路简单，但带外传输系数衰减缓慢，一般在对带外衰减特性要求不高的场合选用；当要求带通滤波器的通带较宽时，可采用低通滤波器和高通滤波器合成（比单纯带通滤波器要好）。

(一)滤波含义及分类 ①低通滤波器 —— 低频信号能顺利通过而高频信号不能通过的滤波器； 通带 阻带 （1）滤波 —— 就是使指定频率范围内的信号顺利通过而其它频率的信号加以抑止 或使之急剧衰减。 实现滤波功能的装置或电路称为滤波器。 （2）根据滤波器的工作频率范围分为： ①低通滤波器 —— 低频信号能顺利通过而高频信号不能通过的滤波器； 通带 阻带 习惯上： 允许信号通过的频率范围称为通带，即 ＜ 为通带； 不允许信号通过的频率范围称为阻带，即 ＞ 为阻带； 通带与阻带的界限频率称为截止频率，即截止频率为 ；

滤波器的品质因素又称滤波器的截止特性参数，取决于f0附近的频率特性，按照f0附近频率特性的不同，低通滤波器分：巴特沃思、切比雪夫、贝塞尔三种类型。 切比雪夫滤波器 巴特沃思滤波器 贝塞尔滤波器 切比雪夫滤波器：在f0附近的截止特性最好，曲线的衰减斜率最陡峭； 巴特沃思滤波器：在f0附近的幅频特性曲线呈单调减，幅频特性无峰值； 贝塞尔滤波器：过渡特性较好。

②高通滤波 —— 高频信号能顺利通过而低频信号不能通过的滤波器； 通带 阻带 即： ＞ 为通带； ＜ 为阻带； 为截止频率； 高通滤波电路与低通滤波电路具有对偶性，即将低通滤波电路中电阻与电容交换位置，就得到相对应的高通滤波电路。

③带通滤波 —— 频率在某一频带内的信号能通过而在此之外的均不能通过的滤波器； 通带 阻带 即： ＜ ＜ 为通带； 及 ＜ ＞ 为阻带； 、 为截止频率；

LPF HPF 将低通滤波器与高通滤波器串联，即可达到带通滤波器。框图如下图所示。 为低通滤波电路的截止频率 为高通滤波电路的截止频率 则通带为：

④带阻滤波 —— 频率在某一频带内的信号不能通过而在此之外的均能通过的滤波器； 通带 阻带 即： ＜ ＜ 为阻带； ＜ 及 ＞ 为通带； 、 为截止频率；

将低通滤波器与高通滤波器串联，也可以实现带阻滤波器，即要求低通滤波电路的截止频率 小于高通滤波电路的截止频率 。则阻带为 。 实际中一般将输入电压同时作用于低通滤波器和高通滤波器，将滤波器输出的电压线性求和，即得带阻滤波器。 LPF HPF Σ

⑤全通滤波电路 所谓全通就是在全频率范围内输出与输入的电压值恒等，但相位有00～1800的差别。 如下图所示一阶全通滤波电路。 时域分析： 其中 当f=f0时φ＝900；当f→∞时φ＝00；当f→0时φ＝1800。

（二）滤波器的幅频特性 通带 过渡带 阻带 通带幅频特性 图中：过渡带越窄，滤波特性越好，同时，电路的选择性越好。 分析滤波电路，实际上就是求解电路的频率特性，并求解通带增益AVm以及截至频率fp,另外就是过渡带的斜率。

九、放大电路中的干扰和噪声及其抑制措施 1、干扰的来源及抑制措施 高压电网 放大电路 电源线 电焊机 磁耦合 雷 电 传输线电容 对于微弱信号的放大，干扰与噪声的影响不容忽视。 1、干扰的来源及抑制措施 高压电网 电焊机 雷 电 无线电发射装置 电磁波、尖峰脉冲 电源线 磁耦合 传输线电容 放大电路 一般措施 远离干扰源 金属屏蔽罩 在电源引入电路中并联10～30μF钽电容和0.01～0.1 μF的独石电容 合适的有源滤波电路

2、噪声的来源及抑制措施 三种噪声 热噪声 散弹噪声 闪烁噪声（1/f 噪声） 半导体三极管中就存在这三种噪声 电阻中仅存在热噪声和闪烁噪声 其中： 热噪声：在电子电路中因电子无序的热运动而产生的噪声。 散弹噪声：因单位时间内通过PN结的载流子数目的随机变化而产生的噪声。 闪烁噪声：频谱集中在低频段且与频率成反比的噪声，又称1/f 噪声。 一般措施 选用金属膜电阻，且避免使用大阻值电阻，以减少电阻噪声； 尽量采用低噪声集成运放，以减少放大电路的噪声； 在信号频率范围已知时，引入有源滤波电路；

十、直流稳压电源的设计 电源是电子电路和电子系统中不可缺少的重要组成部分。按工作方式有连续调整式和开关调整式两大类，开关式稳压电源具有效率高、大电流、输出低压等特点而广泛应用。 (一)小功率整流电路

(二)硅稳压管电路 指导思想：利用硅稳压管反向击穿时的伏安特性来实现，将稳压管与负载并联且在一定条件下保持输出电压的基本稳定。所以，稳压管稳压电路属于并联式稳压电路。 稳压管稳压性能取决于其动态内阻的大小，且动态内阻愈小，稳压性能愈好。一般稳压管动态内阻约几欧姆至几十欧姆。

(三)串联反馈型连续调整式稳压电源 电路由四个环节所组成： (1)调整环节—通过调整管集电极与发射极之间的电压来抵消输出电压的变化； (2)比较放大环节—把输出电压的微小变化进行放大后控制调整管达到稳压目的； (3)基准环节—提供稳定直流电压作为比较放大器的基准，尽量选用零温度系数稳压管； (4)取样环节—电阻分压器；

考勤测评题三 1、集成运算放大器的四个基本组成部分是什么？ 2、试描述理想运放工作在线性区和非线性区时的特点。 3、试指出串联反馈型连续调整稳压电路的四个环节。