1、. . . . 信息職業技術學院畢業設計(論文)說明書作者# 學號#系部 電子信息學院 專業 無線電（微波技術與器件）題目 晶體管運算放大器的設計指導教師評閱教師完成時間： 2011 年 4 月 28 日 畢業設計(論文)中文摘要題目：晶體管運算放大器的設計摘要：運算放大器（常簡稱為“運放”）是具有很高放大倍數的電路單元。在實際電路中，通常結合反饋網絡共同組成某種功能模塊。運放是一個從功能的角度命名的電路單元，可以由分立的器件實現，也可以實現在半導體芯片當中運算放大器的基本放大電路有四部分組成：輸入級，偏置電路，中間級，輸出級。其中：輸入級：是決定運算放大器性能關鍵的一級，要求他的零點漂移小，

2、輸入阻值高，所以都采用差分電路；偏置電路：對各級提供偏置電壓，使各級具有適當的靜態工作點；中間級：是將輸入級輸出地信號電壓加以放大，一般由共射級放大電路構成；輸出級：輸出級直接與負載相連，所以這一級要有足夠的電壓放。本文將用晶體管等元器件完成一個非集成運放的設計。關鍵詞：運算放大器 晶體管 非集成 設計畢業設計(論文)外文摘要Title:Transistor amplifier design Abstract: Operational Amplifiers (often referred to as "op amp") is a high magnification of

3、the circuit unit. In the actual circuit, usually with some kind of feedback network composed of functional modules together. Op amp is a name from a functional perspective, the circuit unit, can be realized by the discrete devices, semiconductor chips can also be achieved among the The basic amplifi

4、er circuit op amp has four parts: the input stage, bias circuit, the middle class, the output level. Of which: the input stage: the key is to determine the performance of an op amp, asking him to zero drift, high input resistance, so are differential circuit; bias circuit: bias voltage provided at a

5、ll levels, at all levels with the appropriate static operating point; the middle class: is the signal voltage of the input stage output to be amplified, usually by the common-emitter stage amplifier circuits; output level: output stage is connected directly to the load, so that a sufficient voltage

6、discharge. This article will use transistors and other components to complete a non-integrated operational amplifier design.key words: non-integrated operational amplifier design transistor引言4第一章運算放大器的概述51.1運算放大器的結構51.2運算放大器的參數61.3運算放大器的應用10第二章晶體管運放的設計152.1設計目的152.2設計要求162.3晶體管的簡介162.4晶體管運算放大器的設計162

7、.5實驗驗證19結論21致22參考文獻23引言自1963年美國快捷公司推出第一個運算放大器以來，由于其性能優越，使用方便，使得工業上許許多多的測量技術有了突破性的發展。再加上它的價格低廉，很快的進入消費性的產品市場當中，所以到現在一直是線性電路的寵兒。所以我們有必要更透徹地了解運算放大器，因此也就要求我們掌握其部的基本結構與工作原理，以便更好的應用運放為我們工作第一章運算放大器的概述1.1運算放大器的結構所有的運算放大器都可以分為輸入級、中間級和輸出級構成，如圖1所示：圖1整個運放的增益主要由輸入級提供，而輸出級只是一種互補推挽形式的跟隨器，以提供一定的電流輸出。雖然從使用的角度出發，我們并沒

8、有必要去了解運放部的具體電路形式（而且不同型號的運放其部電路形式也不一樣），但是，其輸入級和輸出級是需要和外電路相連的，所以我們有必要了解運放的輸入級和輸出級的電路特點，以對其正確的外部使用提供依據。無一例外地，運放的輸入級必定是差分放大器的電路形式（或者是雙極型管，或者是場效應管），而輸出級必定是互補推挽形式的射極跟隨器（或者是場效應管的源極跟隨器）。之所以運放的輸入級必定是差分放大器，是因為運算放大器本質上是一種直接耦合的高增益放大器，所以必然會帶來直接耦合放大器的必然難題“零點漂移”問題，而差分放大器的優越的共模抑制能力就成為運放輸入級電路形式的首選。通俗的說，差分放大器的優越的共模抑制

9、能力其實就是利用了電路結構上的對稱性，從而將共模形式的漂移和擾動抵銷掉。從圖1中可以看到，運放的兩個輸入端是平衡的，或者說是完全對稱的。運放的輸出端之所以要采用互補推挽形式的跟隨器，首先，采用跟隨器的電路形式既是因為它能夠提供一定的輸出電流，同時也能夠提供較低的輸出阻抗；其次，之所以采用互補推挽的電路形式，是因為這樣可以使得輸出級既能夠提供較大輸出電流，同時又能夠實現偏置電流比較小（接近于乙類放大器），這樣有利于降低功耗。1.2運算放大器的參數 在OPA部電路中，最影響其特性的大概就是輸入與的結構了。例如，下列幾個特性參數就直接受其影響：共模輸進電阻(RINCM)該參數表示運算放大器工作在線性

10、區時，輸進共模電壓圍與該圍偏置電流的變化量之比。直流共模抑制(CMRDC)該參數用于衡量運算放大器對作用在兩個輸進真個一樣直流信號的抑制能力。CMRDC可以用共模電壓圍(CMVR)與該圍對應的輸進失調電壓變化的峰峰值進行計算：交流共模抑制(CMRAC)CMRAC用于衡量運算放大器對作用在兩個輸進真個一樣交流信號的抑制能力，是差模開環增益除以共模開環增益的函數。CMRAC通常定義在特定頻率和整個直流共模電壓圍：增益帶寬積(GBW)增益帶寬積AOL * 是一個常量，定義在開環增益隨頻率變化的特性曲線中以-20dB/十倍頻程滾降的區域。輸進偏置電流(IB)該參數指運算放大器工作在線性區時流進輸進真個

11、均勻電流。輸進偏置電流溫漂(TCIB)該參數代表輸進偏置電流在溫度變化時產生的變化量。TCIB通常以pA/°C為單位表示。輸進失調電流(IOS)該參數是指流進兩個輸進真個電流之差。輸進失調電流溫漂(TCIOS)該參數代表輸進失調電流在溫度變化時產生的變化量。TCIOS通常以pA/°C為單位表示。差模輸進電阻(RIN)該參數表示輸進電壓的變化量與相應的輸進電流變化量之比，電壓的變化導致電流的變化。在一個輸進端丈量時，另一輸進端接固定的共模電壓。 輸出阻抗(ZO)該參數是指運算放大器工作在線性區時，輸出真個部等效小信號阻抗。輸出電壓擺幅(VO)該參數是指輸出信號不發生箝位的條件

12、下能夠達到的最大電壓擺幅的峰峰值，VO一般定義在特定的負載電阻和電源電壓下。功耗(Pd)表示器件在給定電源電壓下所消耗的靜態功率，Pd通常定義在空載情況下。電源抑制比(PSRR)該參數用來衡量在電源電壓變化時運算放大器保持其輸出不變的能力，PSRR通常用電源電壓變化時所導致的輸進失調電壓的變化量表示： 壓擺率(SR)該參數是指輸出電壓的變化量與發生這個變化所需時間之比的最大值。SR通常以V/s為單位表示，有時也分別表示成正向變化和負向變化。電源電流(ICC、IDD)該參數是在指定電源電壓下器件消耗的靜態電流，這些參數通常定義在空載情況下。單位增益帶寬(BW)該參數指開環增益大于1時運算放大器的

13、最大工作頻率。輸進失調電壓(VOS)該參數表示使輸出電壓為零時需要在輸進端作用的電壓差。輸進失調電壓溫漂(TCVOS)該參數指溫度變化引起的輸進失調電壓的變化，通常以V/°C為單位表示。輸進電容(CIN)CIN表示運算放大器工作在線性區時任何一個輸進真個等效電容(另一輸進端接地)。輸進電壓圍(VIN)該參數指運算放大器正常工作(可獲得預期結果)時，所答應的輸進電壓的圍，VIN通常定義在指定的電源電壓下。輸進電壓噪聲密度(eN)對于運算放大器，輸進電壓噪聲可以看作是連接到任意一個輸進真個串聯噪聲電壓源，eN通常以nV / (每根號赫茲納伏)為單位表示，定義在指定頻率。輸進電流噪聲密度(

14、iN)對于運算放大器，輸進電流噪聲可以看作是兩個噪聲電流源，連接到每個輸進端和公共端，通常以pA / 為單位表示，定義在指定頻率。1.3運算放大器的應用 1比例電路： 所謂的比例電路就是將輸入信號按比例放大的電路，比例電路又分為反向比例電路、同相比例電路、差動比例電路。 （1） 反向比例電路： 反向比例電路如圖3所示，輸入信號加入反相輸入端，有 圖3 反向比例電路電路圖 圖4 同相比例電路電路圖 ， 由基爾霍夫定律知 ，輸出電壓U0與輸入電壓Ui稱比例關系，方向相反，改變比例系數，即改變兩個電阻的阻值就可以改變輸出電壓的值。反向比例電路對于運放的性能也有一定的性能要求，比如對輸入信號的負載能力

15、有一定的要求.。 （2） 同向比例電路（圖4）： 跟反向比例電路本質上差不多，除了同向接地的一段是反向輸入端，由于是只要改變比例系數就能改變輸出電壓，且Ui與U0的方向一樣，當然同向比例電路也是有一定要求的，比如對集成運放的共模抑制比要求高. （3） 差動比例電路（圖5）： 輸入信號分別加在反相輸入端和同相輸入端，具體的步驟和前兩個差不多就不在推導，由此我們可以看出它實際完成的是：對輸入兩信號的差運算。 2和差電路： 和差電路也是一種運用比較廣泛的電路，這里就舉三個電路：反向求和電路，同向求和電路，和差電路。 （1） 反向求和電路與同向求和電路： 兩者差別只在于輸入信號加入了反相輸入端與同相輸

16、入端的差別，反向求和電路如圖6，同向求和電路如圖7。 圖5 差動比例電路電路圖 圖6 反向求和電路圖圖7 同相求和電路電路圖 雖然兩者比較類似，但還是有區別的，反向求和電路的特點與反相比例電路一樣。它可十分方便的某一電路的輸入電阻，來改變電路的比例關系，而不影響其它路的比例關系。而同向求和電路的應用不是很廣泛，主要由于它的調節不如反相求和電路，而且它的共模輸入信號大。 （2） 和差電路： 它的電路圖如圖8所示。此電路的功能是對Ui1、Ui2進行反相求和，對Ui3、Ui4進行同相求和，然后進行的疊加即得和差結果，圖8 和差電路電路圖 由于該電路用一只集成運放，它的電阻計算和電路調整均不方便，因此

17、我們常用二級集成運放組成和差電路。它的電路圖如圖9所示圖9 二級集成運放組成的和差電路電路圖 它的后級對前級沒有影響（采用的是理想的集成運放），它的計算十分方便。 3積分和微分電路： 以上用到的元件基本上都是電阻元件，如果其中端的電阻換成電容，那么結果就會變成積分電路和微分電路。 （1） 積分電路： 如圖10所示的電路，它可實現積分運算與產生三角波形等。積分運算是：輸出電壓與輸入電壓呈積分關系。它是利用電容的充放電來實現積分運算，如果電路輸入的電壓波形是方形，則產生三角波形輸出。 （2） 微分電路： 微分電路與積分電路的區別只是電阻和電容位置互換。微分是積分的逆運算，它的輸出電壓與輸入電壓呈微

18、分關系。電路圖如圖11所示：圖10 積分電路電路圖 圖11 微分電路電路圖 4對數和指數運算電路： 對數電路使用了二極管，二極管最重要的特性就是單方向導電性。在電路中，電流只能從二極管的正極流入，負極流出，正是利用這個特性而實現了對數和指數電路。 （1） 對數運算電路： 對數運算電路輸出電壓與輸入電壓呈對數函數。我們把反相比例電路中Rf用二極管代替即組成了對數運算電路。電路圖如圖12所示。圖12 對數運算電路電路圖 圖13 指數運算電路電路圖 其實也可以用三極管代替二極管，原理是一樣的，除了要多連接一條線路。 （2） 指數運算電路： 指數運算電路與對數運算電路差別僅僅只是把二極管和電阻互相位置

19、，指數運算電路是對數運算的逆運算,將指數運算電路的二極管(三級管)與電阻R對換即可。電路圖如13所示 第二章晶體管運放的設計2.1設計目的 透徹了解運放的部結構，進一步掌握運放的基本原理，從而將其更好的應用2.2設計要求電源電壓±15V輸出阻抗8輸入電壓20mv放大倍數102.3晶體管的簡介倘若在NPN型晶體管的基極與發射極間施加正電壓，而在集電極與發射極間供以正電壓，就會有如圖1.3（a）所示流向的電流流通。而且發射極電流IE、集電極電流IC、積極電流IB、間的關系如下 IE=IC+IB (1.3) 集電極電流與基極電流成比例關系 IC=hFEIB (1.4) 該比例常數叫做“直流

20、電流放大倍數”。 基極發射極間電壓VBE與積極電流IB之間有如圖1.3（b）所示的關系。PNP型晶體管，雖然電壓與電流的方位和NPN型晶體管完全相反，但是式（1.3）與式（1.4）與圖1.3（b）所示的關系仍然成立。2.4晶體管運算放大器的設計 下圖是由晶體管組成的簡易型運算放大器，一般的集成運放都由這一單元電路構成 NI是正向輸入端子，INV則為反向輸入端子。電源端子至GND間的兩個電容器是用以降低高頻率下的電源阻抗俗稱“旁路電容器” 下面我們來具體分析此運放電路。該運放電路由以下兩級構成： 初級：差動放大電路（Q1、Q2、Q3） 二級：發射極接地放大電路(Q4、Q5) 其中Q3、Q5分別構

21、成橫流電路 恒流電路 Q3與Q5分別構成橫流電路，如圖1.7。恒流電路指電壓雖有變化，但仍經常流有一定電流的電流源(圖（2）)。即使各集電極-發射極間電壓VCE有所變化，但Q3與Q5的各集電極電流仍分別保持一定值。 （1）恒流電路 （2）恒流源 圖1.7 恒流電路與等效電路 下面計算Q3的集電極電流。 先求Q3的發射極電流IE3為:IE3=(2-VEB3)/R2其中，VF為二極管IS1588的正向電壓；VEB3 為Q3的發射極-基極間電壓。 常溫下VF與VEB3約為0.6V，故 IE3=0.4mA (1.6)而且，從式（1.3）與式（1.4）可求得IC3=hFEIE3/(1+hFE) (1.7

22、)hFE/(1+hFE)一般稱為“基極接地（正向）電流放大倍數F”。 晶體管Q3的hFE/一般都在70以上，因而F接近1，Q3的集電極電流大致與發射極電流相等。發射極電流與集電極-發射極間電壓VCE無關，而由式（1.5）決定，還有幾乎完全不依存于F與VCE。從而，Q3的集電極電流等于發射極電流，而可視為0.4mA的恒流源。一、初級差動放大電路 如下圖，圖（1）是初級差動放大電路的等效電路。為說明簡單起見，假定在Q2的集電極接一個與R3電阻值相等的電阻，又假定Q1與Q2的特性一樣。 在圖（1）中V1V2為差動輸入電壓。當差動輸入電壓為零時,Q1的集電極電流IC1與Q2的集電極電流IC2數值一樣（

23、約為0.2mA）。在此倘若V1、V2的一方或者雙方發生變化，譬如有正的差動輸入電壓出現的話，則發生如圖（2）所示那樣IC1減少、IC2增加的現象。 (1)初級差動放大電路 （2）集電極電流對于差動輸入電壓的特性 圖1.8 PNP型晶體管差動放大器二、第二級發射極接地放大電路 如圖1.9，圖1.4中的Q5是作為6mA的恒流電路發揮其作用。實際的應用電路，OUT端子至GND間有負載電阻RL接入，進而在OUT 端子至INV端子間為施加負反饋而接入反饋電阻。圖1.9 第二級發射極接地電路 在該狀態下，當輸入電壓為零的時候，輸出電壓VO也約略為零，流過負載電阻的電流事實上為零。此時依據基爾霍夫法則，Q4

24、的集電極電流將成為與橫流電路的電流相等的6mA。 倘若在此施加正的差動輸入電壓，則如上所述，Q1的集電極電流將減少，因而第二級的Q4的基極電流減少，Q4的集電極電流呈比例隨之減少，而且與該減少量大小相等的正電流將成為帶正性的輸出電流IO流經負載電阻RL，產生正的輸出電壓VO，即 IO=IC4 （1.8） (IC4為Q4的集電極電流的增量)VO=IORL2.5實驗驗證 下圖是正向放大器的電路圖 圖1.10 正向放大器 輸入電壓Vs施加于正向輸入端子上。通過R1與R2把輸出電壓VO予以分壓反饋到反向輸入端子。此時的分壓比R1/(R1+R2)叫做反饋率。一般把運算放大器的輸出反饋到反向輸入的話，就會得到負反饋 負反饋后的電壓增益Vo/Vs叫做閉環增益A