放大电路范文
时间：2023-03-15 18:35:32
导语：如何才能写好一篇放大电路，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
例如助听器里的关键部件就是一个多级放大器。多级放大器有交流放大器和直流放大器。多级放大电路核心为三极管、场效应管，能够将一个微弱信号通过一个装置，得到一个波形相似不失真，但幅值却大很多的交流大信号的输出。
（来源：文章屋网 ）
篇2
通过差分放大电路牺牲一个放大管的放大作用，抵消直流的影响：
1、如果是交流放大电路，只要加一个隔直电容即可消除直流偏置。
2、如果是直流放大电路，则需要添加电压转移电路来消除直流偏置。
直流偏置是用来设定静态工作点的，电力系统中存在直流电流或电压成分的现象称为直流偏置。
（来源：文章屋网 ）
篇3
关键词：创设情境，电子电路教学，教学方法
《电子电路基础》是电子电工专业中一门综合性、实践性很强的专业基础课，而其中放大电路的分析又是重中之重。不少学生认为这门课难学，难掌握，缺乏兴趣，学不好这门课，更谈不上学生学习创新能力的培养。为此我们必须分析目前存在的问题，提出解决问题的思路或途径。。为顺应时代的要求，让学生能更好的理解教学内容及教学模式，以下结合自己在教学中的实际谈谈一些体会和认识。
教学理论和实践都表明，学生既是教育活动的对象，又是教育活动的主体，教学的成败，不仅取决于教师的教学手法，主要还取决于学生主体作用的发挥程度，取决于学生自身的努力，所以采取正确的教学方法才能在电子电路教学中培养学生的创新能力。①
一、 创设情境，激发兴趣
兴趣是人们积极认识事物和关心活动的一种心理倾向，是人们学习活动的动力机制。教育学家乌申斯基说过：“没有丝毫兴趣的强制学习，将会扼杀学生探求真理的欲望。”兴趣是学习的重要动力，也是最好的老师，所以在教学中以创设情境为主线，根据教材的特点、教学的方法和学生的具体学情，把学生引入一种与问题有关的情境中，让学生通过观察，不断积累丰富的感性认识，让学生在实践感受中逐步认知、发展，乃至创造，以提高学生学习电子的兴趣和素质。。②
《电子电路基础》是一门实践性很强的课程。教师可先从实际出发，用学生身边的事例引出本节课的内容，通过演示实验，激发学生的学习兴趣，使学生想参与进来，在愉快和谐的教学气氛中学习。如在“三极管的放大特性”的教学中，可先让学生进行音乐门铃的制作。在制作时先不接三极管，门铃只能发出很小的响声，此时教师向学生提出如何提高音量这一问题，使他们带着问题去学习。在介绍完了三极管的放大特性之后，再让学生在电路中接上三极管，由于三极管的放大作用使音量增加了许多，这样学生就产生了对三极管放大特性的感性认识，提高知识对学生的吸引力，使学生认识到所学知识随时都能得到应用，以激发他们的学习积极性。显然，教师要创设好问题情境，关键要从学生的学习兴趣出发，要从知识的形成过程出发，要贴近学生生活，要带有激励性和挑战性。只有这样，才能激发学生的好奇心和求知欲，促进学生的自主性学习，使学生的认知过程和情感过程统一起来。③
二、紧抓重点，有的放矢
“以学生的发展为本”是新课程理念的最高境界，电子电路学习的关键并不仅仅是让学生记住多少理论知识，更重要的是，要通过各种有效的方法和途径，使学生学会认识电子电路的方法，养成正确的思维习惯。
放大电路是电子电路学习的重中之重。放大电路一般不是单一的直流电路或交流电路，而是交、直流共存一个电路中。放大电路有静态和动态两种工作状态，有直流通路和交流通路，要搞清其中的直流分量和交流分量。三极管是非线性元件，放大电路是非线性电路，电路定量的应用有局限性，在分析计算方法上，更多地采用估算法和图解分析法，具有近似性。
对于教学重点的把握则应在熟悉教材、熟读教学大纲的基础上结合多年的教学实践确定。如在讲授分压式偏置电路的计算时，可对分压式偏置电路与基本放大电路进行类比，得到两者的电路形式和原理虽然有很大的不同，但对交流信号来说，两者几乎完全一致，从而直接得出分压式偏置电路的放大倍数Au、输入电阻Ri、输出电阻Ro的计算公式。教师在详细讲解后，需要布置大量的习题，让学生反复练习，加深对重点的掌握。
三、把握方法，拎清概念
放大电路变化复杂，学生学习有较大的困难。针对这种情况，教学中要采取精讲和启发引导相结合的方法，培养学生掌握关键的几个电路，教师要举一反三，由浅入深，由典型到一般，循序渐进地讲解。
有些知识点学生理解起来非常困难，这就需要教师多下工夫，多研究切实可行的办法。例如，在放大电路中的负反馈这一章中，很多学生对反馈的概念及反馈的形成感到模糊。为此，教师可以采用以下几种方法：
(1)概念法。本章的概念多，且抽象不易理解，主要原因是与我们平常所说的不一样。比如教材中“把反馈信号的全部或部分送到输入端”一句话，有些学生认为既然把全部信号反馈到输入端，那肯定没有输出，但实际上不是，主要是对“反馈”和“反馈信号”这两个概念不清楚。在讲课过程中，应注意反馈信号的特点，讲清概念之间的联系。上新课之前可采用提问、提示等手段，帮助学生回忆学过的概念。事实证明，概念掌握越清楚，理解起来越容易。④
(2)总结法。对反馈的判断历来是大多数学生的难点。教师在教学过程中总结出这样一套办法：反馈放大器多数是共发射极放大器，对共发射极放大电路，若反馈至发射极为串联反馈，若反馈到基极为并联反馈；从发射极向前级反馈为电流反馈，从集电极向前级反馈为电压反馈。这样，学生记忆理解起来比较容易。
四、善于总结，完善认知
总结过程是一个思考的过程，是对知识梳理和加工的过程。通过总结，让学生明确这一章节学了什么内容，应该掌握什么内容，与前面章节知识有什么联系和区别。《电子电路基础》中的各种基本放大电路、正弦波振荡电路、功率放大电路，各种复杂的电子电路，总是由多种简单的功能不同的电路组成的。通过总结，我们对各种电路的区别能不断加深印象，从而对各种复杂的电子电路能顺利划分成块，正确分析其电路原理。
要使学生能顺利学好电子电路，需要教与学进行互动。这既要求我们培养学生正确的学习方法，又要求我们有合适的教学方法，好的教学方法还需要我们教师在教学过程中不断地探索和总结。。例如，基本放大电路、负反馈放大器、正弦振荡器和功率放大电路在教材的安排中，都是各自独立成一章。学生在学习过程中，习惯认为它们是相互独立的知识点，学起来感到内容多、繁、难，但是，如果把这四个电路进行概括比较，就可得出“基本放大电路是基础，是核心知识，其它电路都是在这个核心知识的基础上变化而来”这样一个关系。基本放大电路加负反馈网络组成负反馈放大器，两个放大电路之间加耦合器件组成多级放大器，基本放大电路加上选频及正反馈网络就组成正弦波振荡器等。学生自己把它们之间的关系用图表示出来，一目了然，学生就会感到不再难学，也增强了学习的自信心和学习兴趣。
放大电路分析的方法多种多样，教师要根据教学课程标准的要求和实际探究需要，灵活设计教学探究，在教学实践中大胆探索，选准切入点，走自己的路，从而全面提高技工学校电子课程的教学质量和水准。
参考文献：
①苗建宇，刘永昌.推进课程建设深化教学改革.高等理科教育.2005.
②刘重庆.职业教育心理学[M]. 江苏：江苏技术师范学院.1998
③陈晓黎.在实验教学中培养学生的综合能力.成都教育学院学报.2005.
④邵展图.电子电路基础(第三版)[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2003.
篇4
【关键词】耦合方式；零点漂移；差分放大电路
组成多级放大的每一个单级放大电路称为一级，级与级之间的连接称为级间耦合，不论采用何种耦合方式，多必须遵循两条原则：一是把前级的输出信号有效地传输到后一级的输入端；二是要求耦合后各级放大电路都有合适的静态工作点。
一、直接耦合放大电路
为了避免耦合电容对缓慢变化信号带来不良影响，可以把前级的输出端直接或通过电阻接到下级的输入端，这种连接方式称为直接耦合。直接耦合方式的放大电路既能放大交流信号，也能放大缓慢变化和直流信号。更重要的是，直接耦合方式便于集成化，实际的集成运算放大电路，一般都是直接耦合多级放大电路。但是，采用采用直接耦合方法引出了新的问题。首先，直接耦合使前后级之间存在着直流通路，造成各级工作互相影响，不能独立，使多级放大的分析、设计和调试工作比较麻烦；有时，把两个单管放大电路简单地直接耦合在一起还可能使电路不能正常工作。
二、零点漂移
直接耦合带来的第二个问题是零点漂移，这是直接耦合电路最突出的问题。从理论上说，输出电压应一直为零保持不变，但实际上，输出电压将离开零点，缓慢地发生不规则的变化，这种现象称为零点漂移。零点漂移的信号会在各级放大的电路间传递，经过多级放大后，在输出端成为较大的信号，如果有用信号较弱，存在零点漂移现象的直接耦合放大电路中，漂移电压和有效信号电压混杂在一起被逐级放大，在漂移现象严重的情况下，往往会使有效信号“淹没”，使放大电路不能正常工作。（1）产生零点漂移的主要原因：一是电源电压的波动，将造成输出电压漂移；二是电路元件的老化，也将造成输出电压的漂移；三是半导体器件随温度变化而产生变化，也将造成输出电压的漂移。前两个因素造成零点漂移较小，实践证明，温度变化是产生零点漂移的主要原因，也是最难克服的因素，这是由于半导体器件的导电性对温度非常敏感造成的。当环境温度变化时，将引起晶体管参数VBE、β、ICBO的变化，从而使放大电路的静态工作点发生变化，而且由于级间耦合采用直接耦合方式，这种变化将逐级放大和传递，最后导致输出端的电压发生漂移。直接耦合放大电路的级数愈多，放大倍数愈大，则零点漂移愈严重，并且在各级产生的零点漂移中，第l级产生零点漂移影响最大，因此，减小零点漂移，控制多级直接耦合放大电路中第一级的漂移是至关重要的问题。（2）为了抑制零点漂移，常用的措施有以下几种：第一，引入直流负反馈以稳定Q点来减小零点漂移；第二，利用热敏元件补偿放大管的零漂；第三，将两个参数对称的单管放大电路接成差分放大电路结构形式，使输出端的零点漂移互相抵消，在直接耦合放大电路中，这是最有效地抑制零点漂移方法。
三、差分放大电路
差分放大电路抑制零点漂移的原理。电路中电阻RE的主要作用是稳定电路的静态工作点，从而限制每个管子的漂移范围，进一步减小零点漂移。由于RE的电流负反馈作用，使每个管子的漂移又得到了一定程度的抑制，这样，输出端的漂移就进一步减小了。在UCC一定时，过大的RE会使集电极电流过小，会影响静态工作点和电压放大倍数。为此，接入负电源UEE来抵偿RE两端的直流压降，从而获得合适的静态工作点。由于差模信号使两管的集电极电流产生异向变化，只要电路的对称性足够好，两管电流一增一减，其变化量相等，通过RE中的电流就近于不变，不起负反馈作用，因此，RE基本上不影响差模信号的放大效果。RE能区别对待共模信号与差模信号，这正是所期望的。如果未设置共模反馈电阻RE，则较大的共模分量会使两管的工作点发生较大的偏移，甚至有可能进入非线性区而使放大电路工作失常。接用RE后，由于它对共模信号的负反馈作用，稳定了工作点，使它不进入非线性区，而RE又近乎与差模信号无关。这样，对差模信号的放大性能就不易受共模信号大小的影响。电位器Rp是调平衡用的，又称调零电位器。因为电路不会完全对称，当输入电压为零（把两输入端都接“地”）时，输出电压不一定等于零。这时可以通过调节Rp来改变两管的初始工作状态，从而使输出电压为零。但Rp对相位相反的信号将起负反馈作用，因此阻值不宜过大，一般Rp值取在几十欧到几百欧之间。综上所述，典型差动放大电路既可利用电路的对称性、采用双端输出的方式抑制零点漂移；又可利用发射极公共电阻RE的作用抑制每个三极管的零点漂移、稳定静态工作点。因此，这种典型差动放大电路即使是采用单端输出，其零点漂移也能得到有效地抑制，所以这种电路在多级集成放大电路中得到了广泛的应用。
参考文献
[1]谢广新．电子线路[M]．山东：石油大学出版社
篇5
所谓的转换效率是指功率放大电路的最大输出功率与电源提供的功率之比，而电源功率是指直流功率，即电源输出的平均电流与电压的积。
功率放大电路：是一种以输出较大功率为目的的放大电路。它一般直接驱动负载，带载能力要强。
在很多电子设备中，要求放大电路的输出级能够带动某种负载，例如驱动仪表，使指针偏转；驱动扬声器，使之发声；或驱动自动控制系统中的执行机构等。总之，要求放大电路有足够大的输出功率，这样的放大电路统称为功率放大电路。
（来源：文章屋网 ）
篇6
中图分类号:TN710-33文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)16-0008-02
Analysis of Negative Feedback Amplifier Circuit Based on Protel99se
XING Guo-quan
(Xianning College, Xianning 437100, China)
Abstract: The open-loop and closed-loop amplifier circuits are analyzed. The Protel 99se simulation software is used to analyze the static working section, transient charachteristic and AC small-signal. The analysis shows that the negative feedback amplifier circuit can improve the circuit stability, reduce the nonlinear distortion and broaden the transmission bands of the circuit; and that theProtel 99se can provide a mixed emulational function for the advanced analog-digital devices and simulate the circuit comprised of many elements such as TTL, CMOS, BJT, etc.
Keywords: Protel 99se; simulation software; negative feedback; closed-loop amplifier circuit
收稿日期:2010-03-24
基金项目:咸宁学院教研课题(J09125)
随着计算机技术的不断发展,教学手段将变得日益丰富和多样化,原来必须在实验室才能完成的实验及功能演示可以通过计算机在教室里面仿真出来,并可以映射在教室屏幕上。Protel 99 se具有丰富的仿真器件和齐全的仿真功能,使它能胜任大多数电路的仿真工作,构成一个方便、界面友好的用户环境;Protel 99 se的出现给电路分析提供了极大的方便[1-2]。
1 典型电路
图1为两级共射放大电路,图2为带有电压串联负反馈的两级共射放大电路,其反馈网络由R11,C6,R4组成,它可构成交流负反馈电路[3]。
2 静态工作点分析
由于采用的是交流负反馈,理论上分析加入反馈网络后电路的直流工作状态应该不变。在Protel 99 se平台上,选择Simulate下拉菜单,点击Run项,在*.sdf图下方点击Oprating Point就可显示图1和图2电路的静态工作点,发现两个电路的静态工作点是相同的,这与理论分析结果一致[4],如图3所示。
图1 开环放大电路
3 瞬态特性分析
设置信号源幅值为2 mV,频率为1 kHz,在*.sdf图下方点击Transient Analysis就可显示图1和图2电路的输入/输出波形图。从图4可看出,开环放大电路的输出波形存在明显的截止失真;从图5可看出,在输入信号幅值不变的情况下,加入负反馈后消除了非线性失真,并且从中可以算出闭环放大倍数为30,这与理论上分析的在深度负反馈的情况下闭环电路放大倍数ИAF≈1F=1+R11R4=31相吻合。图4和图5清晰地显示了信号传递过程VIc1b2VOУ南辔槐浠过程[5]。
图2 电压串联负反馈放大电路
图3 开环和闭环电路的静态工作点
图4 开环放大电路输入输出波形图
图5 电压串联负反馈放大电路输入输出波形图
4 参数扫描分析
在Simulate下拉菜单中setup选择Parameter Sweep项[6],选中反馈电阻R11,起始值选为1 kΩ,终值选为10 kΩ,步长选为3 kΩ进行分析,于是得到R11变化后的闭环输出信号波形,如图6所示。其中,vo_p01,vo_p03,vo_p06,vo_p08分别显示当R11=1 kΩ,4 kΩ,7 kΩ,10 kΩ闭环状态下输出信号波形图,其放大倍数分别为12.5,30,50,62.5。从中可以发现,随着R11的增大,反馈系数F=R4R4+R11越来越小,闭环系统渐渐退出深度负反馈状态,AF不再近似等于1/F。
图6 电压串联负反馈参数扫描图
5 交流小信号分析
改变电路中V1和V2的设置,在Simulate下拉菜单setup中选择AC Small Signal Analysis项,在*.sdf图中就显示出开环和闭环电路的AC Analysis图。对比图7和图8可以发现,闭环电路电压放大倍数明显减小,电路的通频带变宽,特别是高频部分显著拓宽[7]。
图7 开环放大电路输出信号频率曲线
图8 电压串联负反馈放大电路输出信号频率曲线
6 结 语
通过以上的各项分析,借助于Protel 99 se的仿真软件,则不需购买电子元器件,也不需要示波器、毫伏表、信号源等实验仪器,就可以分析负反馈放大电路的多项性能指标,同时显示出了负反馈对放大电路性能的改善,比如负反馈可以减小非线性失真,降低放大倍数,扩展频带;还可以很方便地进行参数扫描分析,从而获得反馈电阻不同情况下的输出信号波形和闭环电压放大倍数。
Protel 99 se功能强大,还可进行直流扫描分析、温度扫描分析、噪声分析、传递函数分析,蒙特卡罗分析[8]。在实验过程中所能观看的现象和测量的数据都能用Protel 99 se仿真实现。
参考文献
[1]邢国泉.基于Prote1 99 se触发器电路的仿真教学[J].咸宁学院学报,2009,29(3):71-74.
[2]邢国泉.基于Prote1 99 se逻辑门电路的仿真教学[J].赤峰学院学报:自然科学版,2009,25(8):26-27.
[3]康华光,陈大钦,张林.电子技术基础(模拟部分)[M].5版.北京:高等教育出版社,2005.
[4]夏路易.电路原理图与电路板设计教程Prote1 99 se[M].北京:北京希望电子出版社,2002.
[5]梁恩主,梁恩维.Protel 99 se电路设计与仿真应用[M].北京:清华大学出版社,2000.
[6]清源计算机工作室.Protel 99 se电路设计与仿真[M].北京:机械工业出版社,2002.
篇7
1、抑制温漂，抑制共模信号，一般作为输入级，解决了直接耦合放大电路变成实用电路最大的问题。
2、使输入为零时输出为零，减少能量损失。
3、输出灵活，使输出信号的方向可以控制。
篇8
关键词:音频功放; 放大器; 模拟CMOS; 电路仿真
中图分类号:TN43文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)08-0016-03
CMOS Circuit Design of Audio Power Amplifier
WAN Wei
(Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)
Abstract: The simulation and design of a bridge connecting audio power amplifier is completed. The main sections of audio power amplifier are two audio op-amps connected with a bridge. Least possible external components are used to provide high-quality output power without any output coupling capacitance, bootstrap capacitance and buffer network. The Cadence Spectre simulation tools are applied for circuit simulation,the circuit indexes such as power supply to voltage rejection ratio, frequency response characteristics and total harmonic distortion are up to the requirement. The audio power amplifier has a good application prospect in the market.
Key words:audio power amplifier; amplifier; analog CMOS; circuit simulation
0 引 言
随着集成技术的迅猛发展,体积小巧的便携通信设备有了更加广阔的市场前景。但是对于应用于这些便携式设备中的音频功率放大器芯片则有更加严格的要求。便携式设备体积小,由电池供电,所以要求音频功率放大器芯片有尽可能少的设备,尽量低的功耗。此外,对于通信设备而言,在频率217 Hz时会产生CDMA噪声,所以音频功率放大器必须也有较强的电源抑制比(PSRR)。本文中的音频功率放大器就是为了使用尽可能少的外部组件提供高质量的输出功率而专门设计的,它不需要外接自举电容和耦合电容,所以非常适合于移动电话或其他低压设备。
1 电路结构设计
众所周知,AB类功放有比A类功放更高的效率,比B类放大器更低的交越失真。是现在音频功率放大器市场上的主力军。输出运放是整个电路的核心,它的性能直接影响着整个芯片的各性能参数。
1.1 运放结构的选择[1]
本文中运用两个AB类输出的运放组成桥式结构,如图1所示。第一个放大器的增益可由外部设置,而第二个放大器的增益是内部固定的单位增益。第一个放大器的闭环增益由Rf和RI的比值来确定,第二个放大器的增益由内部两个20 kΩ的电阻固定。图1中可以看出,第一个放大器的输出作为第二个放大器的输入,这样使得两个放大器的输出在幅值上是相等的,而相位上相差180°。因此,整个电路的差分增益为:
И
AVD=2(Rf/RI)
И
图1 桥式连接的功放结构
桥式结构的工作不同于经典的单端输出而负载另一端接地的放大器结构。和单端结构的放大器相比,桥式结构的设计有其独特的优点。它可以差动驱动负载,因此在工作电压一定的情况下输出电压的摆幅可以加倍。在相同条件下,输出功率是单端结构的4倍。桥式结构和单端结构相比还有另外一个优点[2]。由于是差分输出,VO1和VO2偏置在1/2VDD,因此在负载上没有直流电压。这样就不需要输出耦合电容,而在单电源供电单端输出的放大器中这个电容是必须的,没有输出耦合电容,负载上1/2VDD的偏置可以导致集成电路内部的功耗和可能的响度损失[3]。鉴于以上的种种优点,这里选择的电路结构为,由两个AB类输出运放组成的桥式连接放大器结构。
1.2 放大器电路结构
放大器电路图如图2所示。放大器第一级为折叠共源共栅结构,这种结构改善了两级运算放大器的共模输入范围以及电源噪声抑制特性[4]。它可以看做是一个差分跨导级与电流级级联再紧跟一个Cascode电流镜负载的结构。第二级为AB类推挽式输出,这种输出可以高效地利用电源电压和电源电流。和一般共源共栅放大器所不同的是,在输出端加入了M11,M12,M13,M14四个管子,使单端输出变成了双端输出。这四个管子与偏置电路、第二级的推挽式输出电路共同组成了两个跨导线性环[5]。
跨导线性环是一个通过非线性电路提供线性关系的电路。图2中M21,M13,M23,M24和M22,M12,M25,M26各组成了一个跨导线性环,容易得出:
И
VGS21+VGS13=VGS23+VGS24
又由于:
И
VGS21-VT=IDS21KW/L
于是有:
И
IDS21(W/L)21+IDS13(W/L)13=IDS23(W/L)23+IDS24(W/L)24
И
图2 放大器内部结构图
结果得到了一个与晶体管尺寸有关的电流表达式,由式中可以看出,输出功率管M21的静态电流由M13,M21,M23,M24的宽长比与电流决定,与输入信号无关[6]。因此,预先设定好四个管子的宽长比,给M13,M23,M24以固定的电流,输出功率管的静态电流就被确定下来了。但是运放中加入四个MOS管是否不会影响运放的其他性能。从信号通路的角度看,晶体管M11,M12,M13,M14中只流过直流电流,没有交流电流从中通过,它们屏蔽了交流行为,对来自第一级的电流表现为一个无穷大的交流阻抗[7]。这四个MOS管设置了输出功率管的静态电流,但是对于第一级的增益、带宽均不起作用。所以放大器的增益仍然为:
AV1=gM1{[(gM9+gMB9)rO9rO7(rO1||rO5)]∥
[(gM15+gMB15)rO15rO17rO19]}
AV2=(gM21+gM22)rO21rO22
使用跨导线性环的目的是当一个输出晶体管流过大电流时,防止另一个输出晶体管关断。实际上,当M21流过一个大的输出电流时,M22就有可能被关断。在流过大的输出电流的情况下,至少要保证M22上能流过一个最小的电流,这样就可以减少交越失真并且提高速度[8]。
对于这样的多极点两级运放来说,在输出端电阻和电容串联做米勒补偿[9],以增大相位裕度,提高稳定性。通过频率补偿,两个主极点分别为:
И
p1=-1RA[CA+(1+AV2)C]
p2=-gM/CL
И
式中:RA是从M9漏端到地的总阻抗;CA是M9漏端到地的总寄生电容;CL是输出端的总电容。p1是第一级放大器的输出端产生的极点,米勒补偿后离原点最近,成为主极点;p2是输出端产生的极点,米勒补偿后离原点较远。同时由于电阻和电容形成了通路,产生一个零点:
И
z=1/[C(1/gM-R)]
适当调节R,使z=p2,可使零点与第二主极点相互抵消,增加了系统的稳定性[10]。
2 仿真结果及分析
仿真性能参数如表1所示。用Cadence Spectre进行仿真,使用了华润尚华0.5 μm的N阱CMOS工艺模型,模拟环境是VDD=5 V,T=27 ℃典型条件。
表1 仿真性能参数
GainPhasePSRR(217 Hz)THDPO
62 dB0.1%1 W
在5 V单电源下驱动8 Ω负载,对于1 kHz,4 V峰-峰值的正弦波激励,仿真得到负载上的电压基波幅度为3.91 V。此时电源消耗的平均功率为3.15 W,功率放大器的效率为60.7%。总谐波失真为0.098%。总体上THD和效率随输入电压变大而增加。放大器频域响应如图3所示。
图3 频域响应仿真图
3 结 语
该设计的AB类输出功率放大器电路,采用折叠式共源共栅结构,功率管推挽式输出, 同时利用外部电流源供电,采用低压共源共栅电流镜结构的偏置电路。仿真结构表明该运放具有高增益,低输入失调电压,低THD等特点,同时具有良好的频率特性,较低的静态功耗, 满足一块高性能的AB类音频功放芯片的要求。
参考文献
[1]\毕查德•拉扎维. Design of analog CMOS integrated circuit[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 2003.
[2]\ Willy Sansen M C. 模拟集成电路设计精粹[M]. 北京: 清华大学出版社, 2008.
[3]曹政新, 熊绍珍. 一种新的超低THD低功耗CMOS音频功率放大器[J]. 半导体学报, 2006, 27(9): 1552-1556.
[4]李鸿基, 龚敏. 音频功放芯片中AB类输出运放的设计[J]. 现代电子技术, 2007,30(20): 192-194.
[5]何卫东, 蒋亚东. 新型桥式连接音频功率放大器设计[J]. 传感技术学报, 2006, 19(5): 1585-1587.
[6]汪少康, 吴金. 一种BTL低静态功耗CMOS音频功率放大器的设计[J]. 电子器件, 2008, 31(2): 472-475.
[7]张金柱. 功率放大器的输出级电路设计与应用[J]. 山西电子技术, 2008(3): 30-31,68.
[8]HUIJSING J H. 运算放大器理论与设计\. 北京: 清华大学出版社, 2006.
篇9
关键词：锁相放大器、相敏检波器、互相关性
中图分类号：TN722 文献标识码：A
微弱信号检测是一门新兴的技术学科，它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点和相关性，检测被噪声淹没的微弱信号。由于其在微弱信号检测方面的优越性能，在科学研究的各个领域得到广泛的应用。锁定放大器利用信号的周期性和噪声的随机性的差别，通过互相关运算，相同频率并且相同相位的信号可以顺利通过，相同频率但是不同相位的信号，会有很大的衰减作用，从而能比被测信号强100dB的干扰信号中几乎准确无误地检测出目的信号。锁相放大器相当于高Q值带通滤波器，等效带通滤波器的Q值一般可以达到107 左右，而且能够自动地将中心频率跟踪和保持在测量频率上。锁相放大器最为合适测量深埋在噪声中的有用信号，常用于检测伴随强背景噪声的微弱信号，有抗干扰能力强、性能好、灵活性高等优点。
1 锁相放大器原理
1.1 锁相放大器原理
锁相放大器利用了噪声与目的信号之间在性质上的差别，目的信号的频谱是很窄的，而白噪声的频谱却有着宽阔的频谱，白噪声的频谱虽然包括了目的信号的频谱，但是，白噪声的频谱幅度却很小。如果我们用窄带带通滤波器滤除目的信号外的频谱，这样噪声对目的信号的干扰就会很小，从而就可以准确的测出目的信号的幅度和相位。为了更加精确的测量被噪声所掩埋的目的信号，应该将带通滤波器的频带宽度变的更加窄。如果将频带宽度缩小到1/n，那么噪声就会减小到1/，如果目的信号大小不改变，则信噪比会改善为1/。减小带宽就意味着提高电路的Q值，但是，带通滤波器的带宽不可能做到很小，也就是说Q值不可能做到非常大。一般的滤波器所能够达到的Q值大约在100 左右，这是由于组成滤波器的元件的精确度和稳定性是有限的，太高的Q值电路往往是不稳定的，在制作上是很困难的。但是锁相放大器利用噪声与目的信号之间在性质上的差别，却可以使Q 提高到约为107，而且能够自动地将中心频率跟踪和保持在测量频率上，这是窄带带通滤波器是无法做到的。
将被测信号和参考信号（方波）进行乘法运算，方波通过傅里叶展开为R（t），相乘后得到u（t），u（t）包括相乘信号的和频与差频信号。由于被测信号和参考信号频率相同，其中差频信号会有为直流信号。而和频信号和其他的差频信号通过后面的低通滤波器滤除，只剩下直流信号，输出为 。
单通道的锁相放大器（如图1）包括信号通道、移相电路、相敏检测器（ PSD） 、低通滤波器（LPF）。由于一般的模拟乘法器电路，在线性度和温度稳定性等性能不是很好，所以，在实际的锁相放大器中，通常会采用开关元件来代替模拟乘法器。单通道的锁相放大器在测量中会出现许多问题，参考信号和目的信号的相位差必须为0°，否则是不能很好地测量被测信号的大小。所以就需要把参照信号与目的信号的相位差调节到0°，然后再输入到相敏检测器。为了能够正确地测量出目的信号的大小，移相电路是单通道的锁相放大器中必不可少的电路。并且在测量中很难判断电路是否已经准确的调节相位差为0°，这对测试的结果的准确性产生很大的影响。
1.2 双通道锁相放大器原理
为了克服单通道锁相放大器的缺点，在经过对单通道锁相放大器的改进，双通道锁相放大器可以使得参考信号和目的信号的相位差不必为0°，电路同样能很好地测量被测信号的大小。这样在测量时就不必调节参考信号和目的信号的相位差了，为测量带来了便利，并且测量结果更加精确。
双通道锁相放大器的工作原理结构如图2所示，包括信号通道、参考通道、相敏检测器（ PSD） 、低通滤波器（LPF）、矢量运算以及直流放大器。
信号通道：主要是对被测信号进行预滤波和交流放大等处理，伴有噪声的输入信号放大，并经选频放大对噪声进行初步处理，提高了信号的信噪比。
参考通道：提供一个与输入信号频率相同的方波，并对该方波移相0o 和90o，作为相敏检波器的输入。
相敏检波器：对被测信号和参考信号进行乘法运算，并得到和频与差频信号。由于被测信号和参考信号频率相同，差频信号为直流信号。通过后面的低通滤波器后就只剩下直流信号。
低通滤波器：滤出直流信号以及滤除噪声信号，提高输出直流信号的信噪比，从而实现提取噪声中的微弱信号。低通滤波器的带宽决定了锁相放大器的等效带宽，滤波器的截止频率越低，则等效带宽则越宽。但是截止频率越低，反应时间也会越长，这会使得测量时需要等待的时间变长，这是我们所不希望的，所以需要合理设置低通滤波器的截止频率。
直流放大器：将直流信号放大处理，得到适合AD采集的信号，以提高信号的信噪比。
锁相放大器用于检测淹没在噪声中的微弱信号，把相对于满量程信号输入所能够允许的噪声的大小叫做动态余量。动态余量（dB）= ，由此可见，降低AC放大器的增益，提高DC放大器的增益，能够提高动态余量。但是增大DC放大器的增益，PSD中的直流飘移就会被放大，这对于输出的直流稳定性是不利的。PSD的直流稳定性主要受温度的影响。所以动态余量与PSD的直流稳定性呈反比，合理设置AC放大器与DC放大器的增益，确保必要的动态余量。
2 双通道锁相放大器电路的设计
2.1 前置放大器电路（如图3）
前置放大器采用低噪声、低温漂的放大电路以提高信噪比，通过两级放大实现1000多倍的放大。由于输入信号的等效电阻的变化很大，为尽可能获取小信号，这就必须放大器有很大的输入电阻，所以第一级采用同相放大。
2.2 滤波电路（如图4）
为抑制噪声提高信噪比，在信号通道增加50Hz的陷波电路以及低通滤波器。如果电源中工频的干扰没有处理好，造成的影响会比较大，利用低通滤波器来抑制噪声带宽，并且对电源进行去耦处理，使得稳定性大大的提高。
2.3 相敏检波器以及低通滤波器电路（如图5）
相敏检波器是锁相放大器的核心，为检测出噪声中的微弱信号，要求PSD必须具有比较宽的动态范围。一般的模拟乘法器电路，由于输出的直流漂移，无法实现宽的动态范围，所以采用了开关式的乘法器作为相敏检波器。低通滤波器用于滤出直流分量，与时间相关的分量不能通过，输出与输入的幅度成正比关系。
2.4 直流放大器以及矢量运算
由于PSD输出直流比较小，不便于ADC的采样，同时为增大信噪比所以在后面采用DC放大器。由于DC放大器的增益较大，PSD的直流漂移也会被放大，同时考虑到动态余量，所以AC放大器与DC放大器的增益要合理分配，才能确保一定的动态余量。由于输出的直流分量X、Y只是输入信号的两个分量，还需经过矢量运算电路计算。矢量运算电路由AD采样，通过MSP430单片机计算出输入信号的幅度和相位并在液晶上显示。
3 测试结果分析
通过测试，所有测量结果的误差都控制在了5%以内， 而且随着输入信号幅度的增大测量误差会进一步减小。输入信号频率范围为100Hz～10KHz，可以从比被测信号强80dB以上的干扰信号中检测出目的信号。
4 结束语
篇10
（曲阜远东职业技术学院，山东曲阜273115）
摘要：从电路的稳定性和可靠性出发，设计一款用于白光LED驱动电路中的误差放大器。结合DC/DC升压式变换器的工作原理，在无锡上华（CSMC）的标准0.5 μm两层多晶硅、三层金属CMOS工艺下，采用比较简单的两级运放电路。通过Spectre软件进行仿真验证，在2.5 V 的电源电压下，得到开环增益为54.87 dB，共模抑制比为70.98 dB，电源电压抑制比为63.15 dB。该设计与传统的设计方法相比，减小了芯片的面积，同时基本达到设计指标。
关键词 ：LED驱动电路；误差放大电路；两级运放；仿真验证
中图分类号：TN72?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）18?0155?03
0 引言
随着手机智能化的迅速发展，白光LED 作为手机背光源，其驱动电路的设计就显得尤为重要。误差放大器是驱动LED 电路中一个重要的模块，其性能的好坏直接影响着驱动电路输出的稳定性和精度。误差放大器就是将反馈电压与基准电压的差值放大，输出误差放大值到PWM比较器的输入值。
目前，主要常用的运算放大器包括套筒式共源?共栅运放、折叠式共源?共栅运放和简单的两级运放，前两者运放电路复杂，电路稳定性差，输出电阻大，导致电路驱动能力和速度的下降[1]。误差放大器用于检测LED电流的反馈电压，由于输出端纹波电压的存在，误差放大器增益不需太高，一般取50～80 dB 即可。再者，本误差放大器的电源电压为2.5 V，若采用共源共栅放大器，将存在过驱动电压不足，晶体管无法工作在饱和区的问题。因此需要对其误差放大器进行重新设计验证。
1 基本性能参数
误差放大器主要的性能参数有7点：
（1）增益Av。运放的开环增益Av 直接影响反馈系统的精度，进而影响电路的输出精度。在理想情况下，运放具有无限大的差模电压增益、无限大的输入阻抗和零输出阻抗，但是在实际中，由于受各种参数的影响，开环增益大于等于60 dB 就能满足需求[2]。
（2）单位增益带宽GB。单位增益带宽GB 是运放开环增益为1时的频率。计算公式为：
一个闭环系统-3 dB 带宽等于该闭环系统的运放的单位增益带宽，必须满足以下两个条件：反馈网络中不含频率分量；单位增益带宽频率内只有1个极点[3]。
（3）相位裕值PM。相位裕度主要是衡量负反馈系统稳定性的一个重要指标。它是指运算放大器增益幅度为1时的相位，与-180°相位的差值。经研究发现，相位裕度至少要45°，最好是60°。
（4）建立时间。建立时间（Settling Time）表示从跳变开始到输出稳定的时间，主要反映运放的反应速度。增大单位增益带宽，可以缩小建立时间。由上文可知，增大单位增益带宽就等于增大了负反馈系统的-3 dB带宽，可以根据芯片建立时间的要求，设计芯片的单位增益宽度[4]。
（5）转换速率SR。转换速率定义为最大输出电压变化的速率，转速的计算公式为：
由式（2）可以看出，其性能取决于运放的尾电流Iss和负载电容C 的值。如果要求误差放大器的转换速率大，其尾电流必将变大。
（6）共模抑制比。共模抑制（CMRR）比表示误差放大器抑制共模信号放大差分信号的能力，其定义为放大电路差模信号的电压增益Avd 与共模信号的电压增益Avc 之比的绝对值，计算公式为：
由式（3）可见，差模信号的电压增益Avd 越大，共模信号的电压增益Avc 越小，则共模抑制比CMRR越大，放大电路的性能越好。在理想情况下，共模抑制比CMRR为无穷大。
（7）电源抑制比。实际使用中，电源经常有噪声存在，电源抑制比（PSRR）正是表征抵制电源噪声的能力，定义为运放输入到输出的增益与电源到输出的增益之比，其计算公式为：
式中Vdd = 0 和Vin = 0 分别指的是电源电压和输入电压的交流小信号为零。
2 误差放大器的设计
2.1 设计目标及参数
根据设计目标，可以大概确定MOS 的宽长比和补偿电容C1 的大小：
（1）要满足相位裕度60°，米勒补偿电容C1 取值应满足：C1 > 0.22CL ，CL 为负载电容值，取C1 = 2 pF ；
（2）此误差放大器由两级运放组成，第1级运放尾电流IM2 为：IM2 = SR·C1 ；第2 级运放尾电流IM5 为：IM5 = SR ? CL ；
（3） 计算M3 管和M4 管的宽长比，gM4 = GB ? C1 ，W L = g2M4 (2K4 ID1)，MOS管M3和M4宽长比相等；
（4）确定M1 管和N1 管的宽长比，以确定电流偏置电路所能给两级运放提供的偏置电压；
（5）由输入共模范围最小值CCMR=-1.5 V，计算出N2管和N3管的宽长比[5]；
（6）一般情况下为得到合理的相位裕度，gN4/CL>2.2 GB ，近似可以得到MOS管N4的宽长比；
（7）检查电路功耗：
2.2 设计方案
本文设计的误差放大器由两级运放组成[6]：第1 级运放由M3，M4，N2，N3 组成单端差分放大电路，其中M3，M4组成差分输入对，N2，N3组成NMOS电流镜；第2级运放由M5，N4 组成的共源放大电路。M1 和N1 构成电流偏置电路，通过M2和M5为运放提供偏置，如图1所示。
电路中米勒补偿电容C1的作用是用来改善运放的频率响应和相位裕度特性[7]。
3 仿真验证
（1）增益和相位。图2 是电源电压为2.5 V 时，误差放大器增益和相位仿真结果，从仿真结果波形可以看出，开环增益在频率小于10 kHz时为54.87 dB，在10 kHz以后，运放增益随着频率的增大而下降。单位增益带宽为8.684 MHz，相位裕度为60°，满足设计要求[8]。
（2） 共模抑制比。图3 是误差放大器在-25～100 ℃范围的共模抑制比仿真结果，从仿真结果中可以看出，温度在-25 ℃时，共模抑制比最小，但同时在低频时仍可以达到64.77 dB。在常温下，误差放大器的共模抑制比为70.98 dB，满足设计要求。
（3）电源抑制比。图4是误差放大器在-25～100 ℃范围的电源抑制比仿真结果，从图中可以看出，在此温度范围内，低频电源电压抑制比最小为62.83 dB，但电源抑制比也大于60 dB，满足设计要求。
（4）建立时间。图5 是在-25～100 ℃温度范围内对阶跃小信号的响应曲线，借助Calculator中settlinTime函数计算建立时间，将1 ns时的输出电压作为初始值，190 ns时的输出电压作为结束值，容差范围为2%，可得建立时间[9]为0.278 μs。
（5）转换速率。图6 是常温下输出电压的时域响应曲线，借助Calculator中slewRate函数计算转换速率，可得误差放大器的转换速率为0.793 V/μs。
4 结论
本文通过比较套筒式共源?共栅运放、折叠式共源?共栅运放和简单的两级运放的优缺点，选择结构较为简单的两级运放作为本芯片的误差放大器作为白光LED驱动电路误差放大器。本文根据设计参数要求，设计出一种误差放大电路，通过Spectre软件进行仿真，验证了设计电路的合理性，为成品的白光LED 驱动电路中误差放大器的设计提供了一种新的参考[10]。
参考文献
[1] 华成英，童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2003.
[2] 齐盛.PWM串联型白光LED驱动芯片的研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2010.
[3] 王帆，孙义和，胡俊材，等.一种DC?DC升压转换器中的误差放大器的设计[J].微电子学与计算机，2008（4）：76?79.
[4] 王松林，洪益文，来新泉，等.一种新颖的具有带隙结构的误差放大器设计[J].电子器件，2008（3）：838?842.
[5] 张承，唐宁，邓玉清.一种基于PWM 的CMOS误差放大器的设计[J].电子设计工程，2011（3）：38?41.
[6] 张宇，赵智超，吴铁峰.一种用于PWM控制器的误差放大器设计[J].数字技术与应用，2013（6）：38?42.
[7] ADRIANA B G. A low ? supply ? voltage CMOS sub ? bandgap reference [J]. IEEE Transactions on Circuits & Systems II?Ex?press Briefs，2008，55（7）：609?613.
[8] 赵少敏，韩雨衡，张国俊，等.一种基于降压DC?DC转换器的高性能误差放大器设计[J].电子元件与材料，2015（1）：1001?1004.
[9] LEE C S，KO H H，KIM K S. Integrated current?mode DC?DCboost converter with high?performance control circuit [J]. Ana?log Integrated Circuits & Signal Processing，2014，80（1）：105?112.
