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模拟电子论文

编号：

模拟电子技术

实训（论文）说明书

院（系）：

机电工程系

专业：

机电一体化

学生姓名：

学号：

指导教师：

2009年1月7日

摘要

模拟电子技术是一门研究对仿真信号进行处理的模拟电路的学科。

它以半导体二极管、半导体三极管和场效应管为关键电子器件，包括功率放大电路、运算放大电路、反馈放大电路、信号运算与处理电路、信号产生电路、电源稳压电路等研究方向

集成运算放大器,简称集成运放，是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路。

它的增益高，输入电阻大，输出电阻低，共模抑制比高，失调与飘移小，而且还具有输入电压为零时输出电压亦为零的特点，适用于正，负两种极性信号的输入和输出。

认识放大，放大倍数，输入电阻和输出电阻，下限频率、上限频率和通频带，差模信号和共模信号，差模放大倍数和共模放大倍数，共模抑制比，电压传输特性，理想运放，反馈，负反馈和正反馈，虚短和虚断。

了解反相、同相、差分比例运算电路，反相、同相求和运算电路，加减运算电路，积分运算电路和微分运算，电路单限比较器。

最后要懂得运算电路和电压比较器的识别方法，运算电路运算关系的分析方法，电压比较器电压输送特性的求解方法。

关键字：

、集成运算放大器模拟电子技术差分比例运算电路

目录

摘要……………………………………………………………………………………………………1

引言………………………………………………………………………………………………………4

第一章放大器的基础知识…………………………………………………………………4

1．1放大器的简述……………………………………………………………………………4

1．1．1放大器原理……………………………………………………………………4

1．2集成运放的基本知识及应用………………………………………………………5

1．2．1零点漂移…………………………………………………………………………5

1．2．2差动放大电路…………………………………………………………………5

1．2．3长尾式差动放大电路…………………………………………………………6

1．2．4集成运放的组成…………………………………………………………………7

1．2．5集成运放的性能指标…………………………………………………………7

1．2．6低频等效电路……………………………………………………………………7

1．2．7理想集成运放……………………………………………………………………7

1．2．8集成运放工作在线性区………………………………………………………8

1．2．9集成运放工作在非线性工作区………………………………………………8

1．2．10运放的供电……………………………………………………………………8

1．3三极管放大电路的基本原理………………………………………………………9

1．3．1三极管的结构和分类……………………………………………………………9

1．3．2三极管的电流放大作用………………………………………………………10

1．3．3三极管的放大原理……………………………………………………………10

1．3．4三极管的输入输出特性………………………………………………………10

第二章模拟设计原理及其工作…………………………………………………………11

2．1PCB板设计原理工作………………………………………………………………11

2.1.1做板简述…………………………………………………………………11

2.1.1.1化银板…………………………………………………………………12

2.1.1.2osp板…………………………………………………………………12

2.1.1.3化锡板…………………………………………………………………12

2.1.1.4化金板…………………………………………………………………12

2.1.1.5喷锡板…………………………………………………………………12

2.1.2PCB板制作要求…………………………………………………………12

2.1.2.1焊盘与孔径……………………………………………………………12

2.1.2.2敷铜……………………………………………………………………13

2．2三极管设计原理图及其工作原理……………………………………………13

2.2.1电源指示灯………………………………………………………………13

2.2.2同相比例运算放大器……………………………………………………14

2.2.3反向比例运算放大器……………………………………………………14

2．3三极管设计原理及其工作…………………………………………………15

2.3.1三极管简述………………………………………………………………15

2.3.2三极管放大原理图………………………………………………………16

2.3.3三极管放大PCB…………………………………………………………17

总结……………………………………………………………………………………………18

谢　辞……………………………………………………………………………………………19

参考文献………………………………………………………………………………………20

引言

放大是最基本的模拟信号处理功能，它是通过放大电路实现的，大多数模拟电子系统中都应用了不同类型的放大电路。

放大电路也是构成其他模拟电路，如：

滤波，振荡，稳压等功能电路的基本单元电路。

第一章放大器的基础知识

本章主要讲放大器的技术指标，集成运放的基本知识及应用，三极管放大电路的基本原理。

1．1放大器的技术指标

光纤放大器不但可对光信号进行直接放大，同时还具有实时、高增益、宽带、在线、低噪声、低损耗的全光放大功能，是新一代光纤通信系统中必不可少的关键器件；由于这项技术不仅解决了衰减对光网络传输速率与距离的限制，更重要的是它开创了1550nm频段的波分复用，从而将使超高速、超大容量、超长距离的波分复用（WDM）、密集波分复用（DWDM）、全光传输、光孤子传输等成为现实，是光纤通信发展史上的一个划时代的里程碑。

在目前实用化的光纤放大器中主要有掺铒光纤放大器（EDFA）、半导体光放大器（SOA）和光纤拉曼放大器（FRA）等，其中掺铒光纤放大器以其优越的性能现已广泛应用于长距离、大容量、高速率的光纤通信系统、接入网、光纤CATV网、军用系统（雷达多路数据复接、数据传输、制导等）等领域，作为功率放大器、中继放大器和前置放大器。

　　光纤放大器一般都由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成。

目前光纤放大器主要有掺铒光纤放大器、半导体光放大器和光纤拉曼放大器三种，根据其在光纤网络中的应用，光纤放大器主要有三种不同的用途：

在发射机侧用作功率放大器以提高发射机的功率；在接收机之前作光预放大器以极大地提高光接收机的灵敏度；在光纤传输线路中作中继放大器以补偿光纤传输损耗，延长传输距离。

1．1．1能把输入讯号的电压或功率放大的装置，由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成。

用在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。

原理:

　高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。

1．2集成运放的基本知识及应用

     运算放大器（简称“运放”）的作用是调节和放大模拟信号。

常见的应用包括数字示波器和自动测试装置、视频和图像计算机板卡、医疗仪器、电视广播设备、航行器用显示器和航空运输控制系统、汽车传感器、计算机工作站和无线基站。

1．2．1：

零点漂移

零点漂移可描述为：

输入电压为零，输出电压偏离零值的变化。

零点漂移是怎样形成的：

运算放大器均是采用直接耦合的方式，我们知道直接耦合式放大电路的各级的Q点是相互影响的，由于各级的放大作用，第一级的微弱变化，会使输出级产生很大的变化。

当输入短路时（由于一些原因使输入级的Q点发生微弱变化象：

温度），输出将随时间缓慢变化，这样就形成了零点漂移。

产生零漂的原因是：

晶体三极管的参数受温度的影响。

解决零漂最有效的措施是：

采用差动电路。

1．2．2：

差动放大电路

1、差动放大电路的基本形式

基本形式对电路的要求是：

两个电路的参数完全对称两个管子的温度特性也完全对称。

它的工作原理是：

当输入信号Ui=0时，则两管的电流相等，两管的集点极电位也相等，所以输出电压Uo=UC1-UC2=0。

温度上升时，两管电流均增加，则集电极电位均下降，由于它们处于同一温度环境，因此两管的电流和电压变化量均相等，其输出电压仍然为零。

它的放大作用（输入信号有两种类型）

（1）共模信号及共模电压的放大倍数Auc

共模信号---在差动放大管T1和T2的基极接入幅度相等、极性相同的信号。

共模信号的作用，对两管的作用是同向的，将引起两管电流同量的增加，集电极电位也同量减小，因此两管集电极输出共模电压Uoc为零。

因此：

。

于是差动电路对称时，对共模信号的抑制能力强

（2）差模信号及差模电压放大倍数Aud

差模信号---在差动放大管T1和T2的基极分别加入幅度相等而极性相反的信号。

差模信号的作用，由于信号的极性相反，因此T1管集电极电压下降，T2管的集电极电压上升，且二者的变化量的绝对值相等，因此：

此时的两管基极的信号为：

所以：

，由此我们可以看出差动电路的差模电压放大倍数等于单管电压的放大倍数。

基本差动电路存在如下问题：

电路难于绝对对称，因此输出仍然存在零漂；管子没有采取消除零漂的措施，有时会使电路失去放大能力；它要对地输出，此时的零漂与单管放大电路一样。

为此我们要学习另一种差动放大电路------长尾式差动放大电路

1．2．3：

长尾式差动放大电路

它又被称为射极耦合差动放大电路，如右图所示：

图中的两个管子通过射极电阻Re和Uee耦合。

集成运放一些指标

（1）静态工作点

静态时，输入短路，由于流过电阻Re的电流为IE1和IE2之和，且电路对称，IE1=IE2，

因此：

（2）对共模信号的抑制作用

在这里我们只学习共模信号对长尾电路中的Re的作用。

由于是同向变化的，因此流过Re的共模信号电流是Ie1+Ie2=2Ie，对每一管来说，可视为在射极接入电阻为2Re。

它的共模放大倍数为：

（用第二章学的方法求得）

由此式我们可以看出Re的接入，使每管的共模放大倍数下降了很多（对零漂具有很强的抑制作用）

（3）对差模信号的放大作用

差模信号引起两管电流的反向变化（一管电流上升，一管电流下降），流过射极电阻Re的差模电流为Ie1-Ie2，由于电路对称，所以流过Re的差模电流为零，Re上的差模信号电压也为零，因此射极视为地电位，此处“地”称为“虚地”。

因此差模信号时，Re不产生影响。

由于Re对差模信号不产生影响，故双端输出的差模放大倍数仍为单管放大倍数：

（4）共模抑制比（CMRR）

我们一般用共模抑制比来衡量差动放大电路性能的优劣。

CMRR定义如下：

它的值越大，表明电路对共模信号的抑制能力越好。

有时还用对数的形式表示共模抑制比，即：

，其中为差模增益。

CMR的单位为：

分贝（dB）

（5）一般输入信号情况

如果差动电路的输入信号，即不是共模也不是差模信号时：

我们要把输入信号分解为一对共模信号和一对差模信号，它们共同作用在差动电路的输入端。

1．2．4：

集成运放的组成它由四部分组成：

1、偏置电路；

2、输入级：

为了抑制零漂，采用差动放大电路

3、中间级：

为了提高放大倍数，一般采用有源负载的共射放大电路。

4、输出级：

为了提高电路驱动负载的能力，一般采用互补对称输出级电路

1．2．5：

集成运放的性能指标

1、开环差模电压放大倍数Aod

它是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压的放大倍数。

2、最大输出电压Uop-p

它是指一定电压下，集成运放的最大不失真输出电压的峰--峰值。

3、差模输入电阻rid

它的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小。

要求它愈大愈好。

4、输出电阻rO

它的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力。

5、共模抑制比CMRR

它放映了集成运放对共模输入信号的抑制能力，其定义同差动放大电路。

CMRR越大越好。

1．2．6：

低频等效电路

在电路中集成运放作为一个完整的独立的器件来对待。

于是在分析、计算时我们用等效电路来代替集成运放。

由于集成运放主要用于频率不高的场合，因此我们只学习低频率时的等效电路。

右图所示为集成运放的符号，它有两个输入端和一个输出端。

其中：

标有的为同相输入端（输出电压的相位与该输入电压的相位相同）标有的为反相输入端（输出电压的相位与该输入电压的相位相反）

1．2．7：

理想集成运放

一般我们是把集成运放视为理想的（将集成运放的各项技术指标理想化）开环电压放大倍数：

输入电阻：

输入偏置电流：

共模抑制比：

输出电阻：

-3dB带宽：

无干扰无噪声失调电压、失调电流及它们的温漂均为零

1．2．8：

集成运放工作在线性区的特性

当集成运放工作在线性放大区时的条件是：

（1）

（2）

注：

（1）即:

同相输入端与反相输入端的电位相等，但不是短路。

我们把满足这个条件称为"虚短"

（2）即:

理想运放的输入电阻为∞,因此集成运放输入端不取电流。

我们在计算电路时，只要是线性应用，均可以应用以上的两个结论，因此我们要掌握好！

当集成运放工作在线性区时，它的输入、输出的关系式为：

1．2．9：

集成运放工作在非线性工作区

当集成运放工作在非线性区时的条件是：

集成运放在非线性工作区内一般是开环运用或加正反馈。

它的输入输出关系是：

它的输出电压有两种形态：

（1）当时，

（2）当时，

它的输入电流仍为零（因为）即：

集成运放工作在不同区域时，近似条件不同，我们在分析集成运放时，应先判断它工作在什麽区域，然后再用上述公式对集成运放进行分析、计算。

1．2．10运放的供电

第一款单片运放正常工作所需的电源电压范围为±15V。

如今，由于电路速度的提高和采用低功率电源（如电池）供电，运放的电源正在向低电压方向发展。

尽管运放的电压规格通常被指定为对称的两极电压（如±15V），但是这些电压却不一定要求是对称电压或两极电压。

对运放而言，只要输入端被偏置在有源区域内（即在共模电压范围内），那么±15V的电源就相当于+30V/0V电源，或者+20V/–10V电源。

运放没有接地引脚，除非在单电源供电应用中把负电压轨接地。

运放电路的任何器件都不需要接地。

高速电路的输入电压摆幅小于低速器件。

器件的速度越高，其几何形状就越小，这意味着击穿电压就越低。

由于击穿电压较低，器件就必须工作在较低电源电压下。

如今，运放的击穿电压一般为±7V左右，因此高速运放的电源电压一般为±5V，它们也能工作在+5V的单电源电压下。

对通用运放来说，电源电压可以低至+1.8V。

这类运放由单电源供电，但这不一定意味必须采用低电源电压。

单电源电压和低电压这两个术语是两个相关而独立的概念。

1．3三极管放大电路的基本原理

三极管是电流放大器件，有三个极，分别叫做集电极C，基极B，发射极E。

分成NPN和PNP两种。

我们仅以NPN三极管的共发射极放大电路为例来说明一下三极管放大电路的基本原理。

1．3．1三极管的结构和分类

其共同特征就是具有三个电极，这就是“三极管”简称的来历。

通俗来讲，三极管内部为由P型半导体和N型半导体组成的三层结构，根据分层次序分为NPN型和PNP型两大类。

上述三层结构即为三极管的三个区,中间比较薄的一层为基区，另外两层同为N型或P型，其中尺寸相对较小、多数载流子浓度相对较高的一层为发射区，另一层则为集电区。

三极管的这种内部结构特点，是三极管能够起放大作用的内部条件。

三个区各自引出三个电极，分别为基极（b）、发射极（e）和集电极（c）。

如图b所示，三层结构可以形成两个PN结，分别称为发射结和集电结。

三极管符号中的箭头方向就是表示发射结的方向。

三极管内部结构中有两个具有单向导电性的PN结，因此当然可以用作开关元件，但同时三极管还是一个放大元件，正是它的出现促使了电子技术的飞跃发展。

1．3．2三极管的电流放大作用

直流电压源Vcc应大于Vbb，从而使电路满足放大的外部条件：

发射结正向偏置，集电极反向偏置。

改变可调电阻Rb，基极电流IB，集电极电流Ic和发射极电流IE都会发生变化，由测量结果可以得出以下结论：

（1）IE＝IB＋IC

（2）IC≈IB×?

（3）△IC≈△IB×?

由上可见，三极管是一种具有电流放大作用的模拟器件。

1．3．3三极管的放大原理

以下用NPN三极管为例说明其内部载流子运动规律和电流放大

原理，

1、发射区向基区扩散电子：

由于发射结处于正向偏置，发射区的多数载流子（自由电子）不断扩散到基区，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流IE。

2、电子在基区扩散和复合：

由于基区很薄，其多数载流子（空穴）浓度很低，所以从发射极扩散过来的电子只有很少部分可以和基区空穴复合，形成比较小的基极电流IB，而剩下的绝大部分电子都能扩散到集电结边缘。

3、集电区收集从发射区扩散过来的电子：

由于集电结反向偏置，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子拉入集电区，从而形成较大的集电极电流IC。

1．3．4三极管的输入输出特性

三极管的输入特性是指当集-射极电压UCE为常数时，基极电流IB与基-射极电压UBE之间的关系曲线。

对硅管而言，当UCE超过1V时，集电结已经达到足够反偏，可以把从发射区扩散到基区的电子中的绝大部分拉入集电区。

如果此时再增大UCE，只要UBE保持不变（从发射区发射到基区的电子数就一定），IB也就基本不变。

就是说，当UCE超过1V后的输入特性曲线基本上是重合的。

由图可见，和二极管的伏安特性一样，三极管的输入特性也有一段死区，只有当UBE大于死区电压时，三极管才会出现基极电流IB。

通常硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。

在正常工作情况下，NPN型硅管的发射结电压UBE为0.6～0.7V，PNP型锗管的发射结电压UBE为-0.2～-0.3V。

三极管的输出特性是指当基极电流IB一定时，集电极电流IC与集-射极电压UCE之间的关系曲线。

在不同的IB下，可得出不同的曲线，所以三极管的输出特性是一组曲线。

通常把输出特性曲线分为三个工作区：

1、放大区：

输出特性曲线的近于水平部分是放大区。

在放大区,IC＝IB×?

由于在不同IB下电流放大系数近似相等，所以放大区也称为线性区。

三级管要工作在放大区，发射结必须处于正向偏置，集电结则应处于反向偏置，对硅管而言应使UBE>0，UBC<0。

2、截止区：

IB＝0的曲线以下的区域称为截止区。

实际上，对NPN硅管而言，当UBE＜0.5V时即已开始截止，但是为了使三极管可靠截止，常使UBE≤0V，此时发射结和集电结均处于反向偏置。

3、饱和区：

输出特性曲线的陡直部分是饱和区，此时IB的变化对IC的影响较小，放大区的?

不再适用于饱和区。

在饱和区，UCE＜UBE，发射结和集电结均处于正向偏置。

第二章模拟设计原理及其工作

2.1.1做板简述

2.1.1.1化银板

真空包装前后之存放条件:

温度<300C,相对湿度<60%.真空包装后寿命半年～一年.化银板储存超过六个月时,通常拆封后即可组装,但为了避免板材储藏湿气造成爆板,可以烘烤方式来去除板内湿气,烘烤条件为1200C,1小时.（最长时间不要超过2小时）,使用乾净清洁之专用烤箱,且化银板最上下一面需先以铝箔纸覆盖,以避免银面氧化或有介电质吸附污染.

2.1.1.2osp板

真空包装前后之存放条件:

温度20~300C,相对湿度<50%.真空包装后寿命3个月～一年.储存时间超过六个月时,通常拆封后即可组装,但为了避免板材储藏湿气造成爆板,可以烘烤方式来去除板内湿气,烘烤条件为110~1200C,1小时.（最长时间不要超过1.5小时）.

2.1.1.3化锡板

真空包装前后之存放条件:

温度<250C,相对湿度<65%.真空包装后寿命一年.成品后一般不可以烘烤.一次IR后2天内要使用完毕.

2.1.1.4化金板

真空包装前后之存放条件:

温度<300C,相对湿度<60%.真空包装后寿命半年.储存时间超过六个月时,通常拆封后即可组装,但为了避免板材储藏湿气造成爆板,可以烘烤方式来去除板内湿气,烘烤条件为1200C,1小时.（最长时间不要超过2小时）.

2.1.1.5喷锡板

真空包装前后之存放条件:

温度<250C,相对湿度<60%.真空包装后寿命一年.储存时间超过六个月时,通常拆封后即可组装,但为了避免板材储藏湿气造成爆板,可以烘烤方式来去除板内湿气,烘烤条件为1200C,1小时.（最长时间不要超过1.5小时）.

2.1.2PCB板制作要求

2.1.2.1焊盘与孔径

在保证布线最小间距不违反设计的电气间距的情况下,焊盘的设计应较大,以保证足够的环宽。

一般焊盘的内孔要比元器件的引线直径稍微大一点,设计过大,容易在焊接中形成虚焊。

焊盘外径D一般不小于（d+1.2）mm,其中d为焊盘内孔径,对于一些密度比较大的PCB,焊盘的最小值可以取（d+1.0）mm。

焊盘的形状通常设置为圆形,但是对于DIP封装的集成电路的焊盘最好采用跑道形,这样可以在有限的空间内增大焊盘的面积,有利于集成电路的焊接。

布线与焊盘的连接应平滑过渡,即当布线进入圆焊盘的宽度较圆焊盘的直径小时,应采用补泪滴设计。

需要注意的是,焊盘内孔径d的大小是不同的,应当根据实际元器件引线直径的大小加以考虑,如元件孔、安装孔和槽孔等。

而焊盘的孔距也要根据实际元器件的安装方式进行考虑,如电阻、二极管、管状电容器等元件有“立式”、“卧式”两种安装方式,这两种方式的孔距是不同的。

此外,焊盘孔距的设计还要考虑元器件之间的最小间隙要求,特别是特殊元器件之间的间隙需要由焊盘间的孔距来保证。

在高频PCB中,还要尽量减少过孔的数量,这样既可减少分布电容,又能增加PCB的机械强度。

总之,在高频PCB的设计中,焊盘及其形状、孔径与孔距的设计既要考虑其特殊性,又要满足生产工艺的要求。

采用规范化的设计,既可降低产品成本,又可在保证产品质量的同时提高生产的效率。

2.1.2.2敷铜

敷铜的主要目的是提高电路的抗干扰能力,同时对于PCB散热和PCB的强度有很大好处,敷铜接地又能起到屏蔽的作用。

但是不能使用大面积条状铜箔,因为在PCB的使用中时间太长时会产生较大热量,此时条状铜箔容易发生膨胀和脱落现象,因此,在敷铜时最好采用栅格状铜箔,并将此栅格与电路的接地网络连通,这样栅格将会有较好的屏蔽效果,栅格网的尺寸由所要重点屏蔽的干扰频率而定。

在完成布线、焊盘和过孔的设计后,应执行DRC（设计规则检查）。

在检查结果中详细列出了所设计的图与所定义的规则之间的差异,可查出不符合要求的网络。

但是,首先应在布线前对DRC进行参数设定才可运行DRC,即执行ToolsDesignRuleCheck命令。

2.2.集成运算放