1、 0南京信息职业技术学院毕业设计(论文)说明书作者 # 学号 #系部 电子信息学院 专业 无线电（微波技术与器件） 题目 晶体管运算放大器的设计 指导教师 评阅教师 完成时间： 2011 年 4 月 28 日 1毕业设计(论文) 中文摘要题目：晶体管运算放大器的设计摘要：运算放大器（常简称为“运放” ）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中运算放大器的基本放大电路有四部分组成：输入级，偏置电路，中间级，输出级。其中：输入级：是决定运算放大器性能关键的一级，要求他的零
2、点漂移小，输入阻值高，所以都采用差分电路；偏置电路：对各级提供偏置电压，使各级具有适当的静态工作点；中间级：是将输入级输出地信号电压加以放大，一般由共射级放大电路构成；输出级：输出级直接与负载相连，所以这一级要有足够的电压放。本文将用晶体管等元器件完成一个非集成运放的设计。关键词：运算放大器 晶体管 非集成 设计 2毕业设计( 论文)外文摘要Title: Transistor amplifier design Abstract: Operational Amplifiers (often referred to as “op amp“) is a high magnification of t
3、he 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 amplifie
4、r 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 al
5、l 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 d
6、ischarge. This article will use transistors and other components to complete a non-integrated operational amplifier design. key words: non-integrated operational amplifier design transistor3引言 4第一章运算放大器的概述 51.1 运算放大器的结构 .51.2 运算放大器的参数 .61.3 运算放大器的应用 10第二章晶体管运放的设计 .152.1 设计目的 152.2 设计要求 162.3 晶体管的简介
7、162.4 晶体管运算放大器的设计 162.5 实验验证 19结论 .21致谢 .22参考文献 .234引言自 1963 年美国快捷公司推出第一个运算放大器以来，由于其性能优越，使用方便，使得工业上许许多多的测量技术有了突破性的发展。再加上它的价格低廉，很快的进入消费性的产品市场当中，所以到现在一直是线性电路的宠儿。所以我们有必要更透彻地了解运算放大器，因此也就要求我们掌握其内部的基本结构及工作原理，以便更好的应用运放为我们工作5第一章运算放大器的概述1.1 运算放大器的结构所有的运算放大器都可以分为输入级、中间级和输出级构成，如图 1 所示：图 1整个运放的增益主要由输入级提供，而输出级只是
8、一种互补推挽形式的跟随器，以提供一定的电流输出。虽然从使用的角度出发，我们并没有必要去了解运放内部的具体电路形式（而且不同型号的运放其内部电路形式也不相同） ，但是，其输入级和输出级是需要和外电路相连的，所以我们有必要了解运放的输入级和输出级的电路特点，以对其正确的外部使用提供依据。无一例外地，运放的输入级必定是差分放大器的电路形式（或者是双极型管，或者是场效应管） ，而输出级必定是互补推挽形式的射极跟随器（或者是场效应管的源极跟随器） 。之所以运放的输入级必定是差分放大器，是因为运算放大器本质上是一种直接耦合的高增益放大器，所以必然会带来直接耦合放大器的必然难题“零点漂移”问题，而差分放大器
9、的优越的共模抑制能力就成为运放输入级电路形式的首选。通俗的说，差分放大器的优越的共模抑制能力其实就是利用了电路结构上的对称性，从而将共模形式的漂移和扰动抵销掉。从图 1 中可以看到，运放的两个输入端是平衡的，或者说是完全对称的。运放的输出端之所以要采用互补推挽形式的跟随器，首先，采用跟随器的电路形式既是因为它能够提供一定的输出电流，同时也能够提供较低的输出阻抗；其次，之所以采用互补推挽的电路形式，是因为这样可以使得输出级既能够提供较大输出电流，同时又能够实现偏置电流比较小（接近于乙类放大器） ，这样有利于降低功耗。1.2 运算放大器的参数在 OPA 内部电路中，最影响其特性的大概就是输入及的结
10、构了。例如，下列几个特性参数就直接受其影响：6共模输进电阻(R INCM)该参数表示运算放大器工作在线性区时，输进共模电压范围与该范围内偏置电流的变化量之比。直流共模抑制(CMR DC)该参数用于衡量运算放大器对作用在两个输进真个相同直流信号的抑制能力。CMR DC可以用共模电压范围(CMVR)与该范围内对应的输进失调电压变化的峰峰值进行计算：交流共模抑制(CMR AC)CMRAC用于衡量运算放大器对作用在两个输进真个相同交流信号的抑制能力，是差模开环增益除以共模开环增益的函数。CMR AC通常定义在特定频率和整个直流共模电压范围：增益带宽积(GBW)增益带宽积 AOL * 是一个常量，定义在
11、开环增益随频率变化的特性曲线中以-20dB/十倍频程滚降的区域。7输进偏置电流(I B)该参数指运算放大器工作在线性区时流进输进真个均匀电流。输进偏置电流温漂(TC IB)该参数代表输进偏置电流在温度变化时产生的变化量。TC IB通常以 pA/C 为单位表示。输进失调电流(I OS)该参数是指流进两个输进真个电流之差。输进失调电流温漂(TC IOS)该参数代表输进失调电流在温度变化时产生的变化量。TC IOS通常以pA/C 为单位表示。差模输进电阻(R IN)该参数表示输进电压的变化量与相应的输进电流变化量之比，电压的变化导致电流的变化。在一个输进端丈量时，另一输进端接固定的共模电压。 输出阻
12、抗(Z O)该参数是指运算放大器工作在线性区时，输出真个内部等效小信号阻抗。8输出电压摆幅(V O)该参数是指输出信号不发生箝位的条件下能够达到的最大电压摆幅的峰峰值，V O一般定义在特定的负载电阻和电源电压下。功耗(P d)表示器件在给定电源电压下所消耗的静态功率，P d通常定义在空载情况下。电源抑制比(PSRR)该参数用来衡量在电源电压变化时运算放大器保持其输出不变的能力，PSRR 通常用电源电压变化时所导致的输进失调电压的变化量表示： 压摆率(SR)该参数是指输出电压的变化量与发生这个变化所需时间之比的最大值。SR 通常以 V/s 为单位表示，有时也分别表示成正向变化和负向变化。电源电流
13、(I CC、I DD)该参数是在指定电源电压下器件消耗的静态电流，这些参数通常定义在空载情况下。9单位增益带宽(BW)该参数指开环增益大于 1 时运算放大器的最大工作频率。输进失调电压(V OS)该参数表示使输出电压为零时需要在输进端作用的电压差。输进失调电压温漂(TC VOS)该参数指温度变化引起的输进失调电压的变化，通常以 V/C 为单位表示。输进电容(C IN)CIN表示运算放大器工作在线性区时任何一个输进真个等效电容(另一输进端接地)。输进电压范围(V IN)该参数指运算放大器正常工作(可获得预期结果)时，所答应的输进电压的范围，V IN通常定义在指定的电源电压下。输进电压噪声密度(e
14、 N)对于运算放大器，输进电压噪声可以看作是连接到任意一个输进真个串联噪声电压源，e N通常以 nV / (每根号赫兹纳伏 )为单位表示，定义在指定频率。输进电流噪声密度(i N)10对于运算放大器，输进电流噪声可以看作是两个噪声电流源，连接到每个输进端和公共端，通常以 pA / 为单位表示，定义在指定频率。1.3 运算放大器的应用1比例电路： 所谓的比例电路就是将输入信号按比例放大的电路，比例电路又分为反向比例电路、同相比例电路、差动比例电路。 （1） 反向比例电路： 反向比例电路如图 3 所示，输入信号加入反相输入端，有 图 3 反向比例电路电路图 图 4 同相比例电路电路图 ， 由基尔霍
15、夫定律知 ，输出电压 U0 与输入电压 Ui 称比例关系，方向相反，改变比例系数，即改变两个电阻的阻值就可以改变输出电压的值。反向比例电路对于运放的性能也有一定的性能要求，比如对输入信号的负载能力有一定的要求.。 （2） 同向比例电路（图 4）： 跟反向比例电路本质上差不多，除了同向接地的一段是反向输入端，由于是只要改变比例系数就能改变输出电压，且 Ui 与 U0 的方向相同，当然同向11比例电路也是有一定要求的，比如对集成运放的共模抑制比要求高. （3） 差动比例电路（图 5）： 输入信号分别加在反相输入端和同相输入端，具体的步骤和前两个差不多就不在推导，由此我们可以看出它实际完成的是：对输
16、入两信号的差运算。 2和差电路： 和差电路也是一种运用比较广泛的电路，这里就举三个电路：反向求和电路，同向求和电路，和差电路。 （1） 反向求和电路与同向求和电路： 两者差别只在于输入信号加入了反相输入端与同相输入端的差别，反向求和电路如图 6，同向求和电路如图 7。图 5 差动比例电路电路图图 6 反向求和电路图12图 7 同相求和电路电路图 虽然两者比较类似，但还是有区别的，反向求和电路的特点与反相比例电路相同。它可十分方便的某一电路的输入电阻，来改变电路的比例关系，而不影响其它路的比例关系。而同向求和电路的应用不是很广泛，主要由于它的调节不如反相求和电路，而且它的共模输入信号大。 （2）
17、 和差电路： 它的电路图如图 8 所示。此电路的功能是对 Ui1、Ui2 进行反相求和，对Ui3、Ui4 进行同相求和，然后进行的叠加即得和差结果，图 8 和差电路电路图 由于该电路用一只集成运放，它的电阻计算和电路调整均不方便，因此我们常用二级集成运放组成和差电路。它的电路图如图 9 所示13图 9 二级集成运放组成的和差电路电路图 它的后级对前级没有影响（采用的是理想的集成运放），它的计算十分方便。 3积分和微分电路： 以上用到的元件基本上都是电阻元件，如果其中端的电阻换成电容，那么结果就会变成积分电路和微分电路。 （1） 积分电路： 如图 10 所示的电路，它可实现积分运算及产生三角波形
18、等。积分运算是：输出电压与输入电压呈积分关系。它是利用电容的充放电来实现积分运算，如果电路输入的电压波形是方形，则产生三角波形输出。 （2） 微分电路： 微分电路与积分电路的区别只是电阻和电容位置互换。微分是积分的逆运算，它的输出电压与输入电压呈微分关系。电路图如图 11 所示：图 10 积分电路电路图 图 11 微分电路电路图 144对数和指数运算电路： 对数电路使用了二极管，二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出，正是利用这个特性而实现了对数和指数电路。 （1） 对数运算电路： 对数运算电路输出电压与输入电压呈对数函数。我们把反相比例电路中 Rf
19、 用二极管代替即组成了对数运算电路。电路图如图 12 所示。图 12 对数运算电路电路图 图 13 指数运算电路电路图 其实也可以用三极管代替二极管，原理是一样的，除了要多连接一条线路。 （2） 指数运算电路： 指数运算电路与对数运算电路差别仅仅只是把二极管和电阻互相位置，指数运算电路是对数运算的逆运算,将指数运算电路的二极管(三级管)与电阻 R 对换即可。电路图如 13 所示 15第二章晶体管运放的设计2.1 设计目的透彻了解运放的内部结构，进一步掌握运放的基本原理，从而将其更好的应用2.2 设计要求电源电压15V输出阻抗 8输入电压 20mv放大倍数 102.3 晶体管的简介倘若在 NPN
20、 型晶体管的基极与发射极间施加正电压，而在集电极与发射极间供以正电压，就会有如图 1.3（a）所示流向的电流流通。而且发射极电流 IE、集电极电流 IC、积极电流 IB、间的关系如下IE=IC+IB (1.3)集电极电流与基极电流成比例关系IC=hFEIB (1.4)该比例常数叫做“直流电流放大倍数”。基极发射极间电压 VBE与积极电流 IB之间有如图 1.3（b）所示的关系。PNP型晶体管，虽然电压与电流的方位和 NPN 型晶体管完全相反，但是式（1.3）与式（1.4）及图 1.3（b）所示的关系仍然成立。162.4 晶体管运算放大器的设计下图是由晶体管组成的简易型运算放大器，一般的集成运放
21、都由这一单元电路构成NI 是正向输入端子，INV 则为反向输入端子。电源端子至 GND 间的两个电容器是用以降低高频率下的电源阻抗俗称“旁路电容器”下面我们来具体分析此运放电路。该运放电路由以下两级构成：初级：差动放大电路（Q 1、Q2、Q3）二级：发射极接地放大电路(Q4、Q5)其中 Q3、Q5 分别构成横流电路17恒流电路Q3 与 Q5 分别构成横流电路，如图 1.7。恒流电路指电压虽有变化，但仍经常流有一定电流的电流源(图（2）)。即使各集电极-发射极间电压 VCE有所变化，但 Q3 与 Q5 的各集电极电流仍分别保持一定值。（1）恒流电路 （2）恒流源图 1.7 恒流电路与等效电路下面
22、计算 Q3 的集电极电流。先求 Q3 的发射极电流 IE3为:IE3=(2-VEB3)/R2其中，V F为二极管 IS1588 的正向电压；V EB3 为 Q3 的发射极-基极间电压。常温下 VF与 VEB3约为 0.6V，故IE3=0.4mA (1.6)而且，从式（1.3）与式（1.4）可求得 IC3=hFEIE3/(1+hFE) (1.7)hFE/(1+hFE)一般称为“基极接地（正向）电流放大倍数 F”。晶体管 Q3 的 hFE/一般都在 70 以上，因而 F接近 1，Q3 的集电极电流大致与发射极电流相等。发射极电流与集电极-发射极间电压 VCE无关，而由式（1.5）决定，还有几乎完全
23、不依存于 F与 VCE。从而，Q3 的集电极电流等于发射极电流，而可视为 0.4mA 的恒流源。一、初级差动放大电路如下图，图（1）是初级差动放大电路的等效电路。为说明简单起见，假定在Q2 的集电极接一个与 R3 电阻值相等的电阻，又假定 Q1 与 Q2 的特性相同。在图（1）中 V1V2 为差动输入电压。当差动输入电压为零时,Q1 的集电极电流 IC1与 Q2 的集电极电流 IC2数值相同（约为 0.2mA） 。在此倘若 V1、V2 的一方或者双方发生变化，譬如有正的差动输入电压出现的话，则发生如图（2）所示那样 IC1减少、I C2增加的现象。18(1)初级差动放大电路 （2）集电极电流对
24、于差动输入电压的特性图 1.8 PNP 型晶体管差动放大器二、第二级发射极接地放大电路如图 1.9，图 1.4 中的 Q5 是作为 6mA 的恒流电路发挥其作用。实际的应用电路，OUT 端子至 GND 间有负载电阻 RL接入，进而在 OUT 端子至 INV 端子间为施加负反馈而接入反馈电阻。图 1.9 第二级发射极接地电路在该状态下，当输入电压为零的时候，输出电压 VO也约略为零，流过负载电阻的电流事实上为零。此时依据基尔霍夫法则，Q4 的集电极电流将成为与横流电路的电流相等的 6mA。倘若在此施加正的差动输入电压，则如上所述，Q1 的集电极电流将减少，因而第二级的 Q4 的基极电流减少，Q4
25、 的集电极电流呈比例随之减少，而且与该减少量大小相等的正电流将成为带正性的输出电流 IO流经负载电阻 RL，产生正的输出电压 VO，即IO=IC4 （1.8）(I C4为 Q4 的集电极电流的增量)VO=IORL192.5 实验验证下图是正向放大器的电路图图 1.10 正向放大器输入电压 Vs 施加于正向输入端子上。通过 R1 与 R2 把输出电压 VO予以分压反馈到反向输入端子。此时的分压比 R1/(R1+R2)叫做反馈率 。一般把运算放大器的输出反馈到反向输入的话，就会得到负反馈负反馈后的电压增益 Vo/Vs 叫做闭环增益 ACLS有以下方程VNI =VsVI=V OVO =A(VNIVI
26、)可得ACLS=A/(1+A) （1.10）其中，V NI为正向输入电压；V I为反向输入电压；A 为开环增益； 为反馈率= R1/(R1+R2)式（1.10）表示正向放大器的增益按 1/反馈量衰减。当环路增益 A 远大于 1 时，闭环增益则渐进与 1/ 。则正向放大器的闭环增益ACLS 1/ =（R1+R2 ）/R1按图 1.10 的电路所示，因 R1=1k 、R2=10k ，所以 ACLS等于 11。20即 A CLS = 20lg11 = 20.8(dB)结论信息家电、手机、PDA、网络等新兴应用的兴起，为运算放大器提供了活跃的舞台，使其成为了电子界的宠儿。运算放大器历经数十年的发展，从
27、早期的真空管演变为现在的集成电路，近年来消费电子、通讯、网络等应用领域的发展对运放产品也提出新的技术要求，更低功耗、更小封装以及良好的匹配性能都变得十分重要。为此，设计人员在设计方法上加创新，制造工艺与封装技术的进步也为提升运放性能提供了一定的保证。在多方因素推动下，下一代运算放大器正朝着速度更快、集成度更高、价格更低的方向发展。因此掌握并应用好运算放大器将对我们未来的工作和生活带来很大的帮助。本文通过设计晶体管运算放大器更加深入的了解了运放的工作原理。拿到课题之初我真无从下手，后来经过多方查阅资料和老师的指导，我才逐渐了解运放，因此论文有很多不足之处，望老师原谅21致谢在论文完成之际，首先要衷心的感谢指导老师这两个月来在学习上给予我无微不至的指导和关心，在整个论文的选题和撰写过程中，至始至终都给予我悉心的指导，使论文得以顺利完成。另外，还要感谢所有给予我帮助的同学，以及我的父母在我上大学期间给予的支持和鼓励。22参考文献1黑田 彻， 电子元器件应用技术 ，北京，科学出版社， 2005 年2彭军， 运算放大器及其应用 ，北京，科学出版社，2008 年3蔡锦福， 运算放大器原理与应用 ，北京，科学出版社，2005 年
