低噪声、超低频功率放大器设计毕业论文(编辑修改稿)

低噪声、超低频功率放大器设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

重复频率低 ， 平均电流小。 无法直接像三极管、四极管模拟或开关放大器应用。 采用多单元轮流工作的方法可以有效提升工作频率 ； 采用正负双极性电源 ， 可降低板级电压 ； 采用每臂 2 只管子并联使用 ， 可保障阳极平均电流控制在合理范围 ； 采用内接交叉限幅二极管 ， 保障充氢闸流管板级及充放电电容电压安全工作 ， 又可使放大器更好地适应负载变化。 ( 4 ) 用固态晶体管为功率器件的开关放大器 随着半导体器件的发展 ， 尤其是电力电子器件的发展 ， 固态器件的耐压、电流以至工作频率均有增 加 ， 为固态大功率放大器提供了极好的条件 ，故近年来 ， 固态放大器有了长足的发展 ， 兆瓦级的放大器和加热设备都有产品出现。 前置放大器的 噪声 在设计低噪声前置放大器之前，我们必须仔细审视源自放大器的噪声，一般来说，运算放大器的噪声主要来自四个方面： 1. 热噪声 (Johnson)：由于电导体内电流的电子能量不规则波动产生的 基础知识介绍 10 具有宽带特性的热噪声，其电压均方根值的正方与带宽、电导体电阻及绝对温度有直接的关系。 对于电阻及晶体管 (例如双极及场效应晶体管 )来说，由于其电阻值并非为零，因此这类噪声影响不能忽视。 2. 闪烁噪声 (低频 )：由于晶体表面不断产生或整合载流子而产生的噪声。 在低频范围内，这类闪烁以低频噪声的形态出现，一旦进入高频范围，这些噪声便会变成 “白噪声 ”。 闪烁噪声大多集中在低频范围，对电阻器及半导体会造成干扰，而双极芯片所受的干扰比场效应晶体管大。 3. 射击噪声 (肖特基 )：肖特基噪声由半导体内具有粒子特性的电流载流子所产生，其电流的均方根值正方与芯片的平均偏压电流及带宽有直接的关系。 这种噪声具有宽带的特性。 4. 爆玉米噪声 (popcorn frequency)：半导体的表面若受到污染便会产生这种 噪声，其影响长达几毫秒至几秒，噪声产生的原因仍然未明，在正常情况下，并无一定的模式。 生产半导体时若采用较为洁净的工艺，会有助减少这类噪声。 此外，由于不同运算放大器的输入级采用不同的结构，因此晶体管结构上的差异令不同放大器的噪声量也大不相同。 下面是两个具体例子。 双极输入运算放大器的噪声：噪声电压主要由电阻的热噪声以及输入基极电流的高频区射击噪声所造成，低频噪声电平大小取决于流入电阻的输入晶体管基极电流产生的低频噪声；噪声电流主要由输入基极电流的射击噪声及电阻的低频噪声所产生。 基础知识介绍 11 表 CMOS 输入运算放大器的噪声：噪声电压主要由高频区通道电阻的热噪声及低频区的低频噪声所造成， CMOS 放大器的转角频率 (corner frequency)比双极放大器高，而宽带噪声也远比双极放大器高；噪声电流主要由输入门极漏电的射击噪声所产生， CMOS 放大器的噪声电流远比双极放大器低，但温度每升高 100 C，其 噪声电流便会增加约 40%。 低通 滤波器简介 低通 滤波器的介绍 滤波器是一种能使有用信号通过，滤除信号中的无用频率，即抑制无用信号的电子装置。 低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。 而低通滤波器又可以分为无源低通滤波器和有源低通滤波器。 无源低通滤波器仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成，而有源 滤波器 则 由 无源元件和有源元件（双极型管、单极性管、集成运放）共同组成。 有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。 低通滤波器是一个通过低频信 号而衰减或抑制高频信号的部件。 理想滤波器电路的频响在通带内应具有一定幅值和线性相移，而在阻带内其幅 供电电压 Spec@5V， TJ=25 C n@1KHz ni @1KHz 最低（ V） 最高（ V） 增益带宽积（ GBWF） 补偿电压（ Vos）（最高） nV/ zH p/ Hz LMV751 5MHz 1mV 1nV LMV721/2 10 MHz 3 mV 3 nV LMV771 MHz mV mV 基础知识介绍 12 值应为零。 但实际滤波器不能达到理想要求。 为了寻找最佳的近似理想特性，本文主要着眼于幅频响应，而不考虑相频响应。 一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。 滤波器的阶数越高 [6]，幅频特性衰减的速率越快，但 RC 网络节数越多，元件参数计算越繁琐，电路的调试越困难。 任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而成。 对于 n为偶数的高阶滤波 器，可以由 n/2 节二阶滤波器级联而成；而 n 为奇数的高阶滤波器可以由 (n1)/2 节二阶滤波器和一节一阶滤波器级联而成，因此一阶滤波器和二阶滤波器是高阶滤波器的基础。 一、 滤波器的性能参数 通带 截止频率 fp、 通带增益 Avp。 通带增益 Avp 通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数，性能良好的 LPF通带内的幅频特性曲线是平坦的，阻带内的电压放大倍数基本为零。 通带截止频率 fp 其定义与放大电路的上限截止频率相同，通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。 二、 简单一阶低通有源滤波器 一阶低通滤波器的电路，特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。 当 f = 0Hz 时，电容可视为开路 ， 一阶低通滤波器的传递函数 与 一 阶RC 低通环节的增益频率表达式差不多，只是缺少通带增益 Avp 这一项。 三、 简单二阶低通有源滤波器 为了使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效果，再加一节 RC 低通滤波环节，称为二阶有源滤波电路。 它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。 基础知识介绍 13 有源滤波器的设计 有源滤波器的设计，就是根据所给定的指标要求，确定滤波器的阶数 n，选择具体的电路形式，算出电路中各元件的具体数值 ，安装电路和调试，使设计的滤波器满足指标要求，具体步骤如下： （ 1）根据阻带衰减速率要求，确定滤波器的阶数 n。 （ 2）选择具体的电路形式。 （ 3）根据电路的传递函数和归一化滤波器传递函数的分母多项式，建立起系数的方程组。 （ 4）解方程组求出电路中元件的具体数值。 （ 5）安装电路并进行调试，使电路的性能满足指标要求。 芯片 及软件介绍 14 3 芯片及软件介绍 UA741 集成运放简介 图 UA741管脚图 UA741管脚图为图。 UA741芯片是 高增益运算放大器， 常 用于军事，工业和商业应用。 741型运算放大器具有广泛的模拟应用。 宽范围的共模电压和无阻塞功能可用于电压跟随器。 高增益和宽范围的工作电压特点在积分器、加法器和一般反馈应用中能使电路具有优良性能。 此外，它还具有如下特点： （ 1）无频率补偿要求；（ 2）短路保护；（ 3）失调电压调零；（ 4）大的共模、 差模电压范围；（ 5）低功耗。 第 2管脚是负输入端； 第 3管脚是同相端输入端； 第 4和第 7管脚分别为负直流源和正直流源输入端； 第 6管脚为输出端；第 8管脚是悬空端； 第 1管脚和第 5管脚是 为提高运算精度。 741 型运算放大器的典型性能参数如表。 芯片 及软件介绍 15 表 T=25oC， U+= +15V， U+= 15V 参数名称 测试条件 最小 典型 最大 单位 输入失调电压 Rs≤ 10kΩ mV 输入失调电流 20 200 nA 输入偏置电流 80 500 nA 输入电阻 MΩ 输入电容 pF 大信号电压增益 RL≥ 2 kΩ， UO≥177。 10V 50k 200k 输出电阻 75 Ω 输出短路电流 25 mA 电源电流 mA 功耗 50 85 mW 转换速率 RL≥ 2kΩ 共模抑制比 Rs≤ 10kΩ， UCM=177。 12V 70 90 dB 增益带宽乘积 1 MHz 在运算前，应首先对直流输出电位进行调零，即保证输入为零时，输出也为零。 当运放有外接调零端子时，可按组件要 求接入调零电位器，调零时，将输入端接地，调零端接入电位器，用直流电压表测量输出电压 Uo，细心调节 调零电位器 ，使 Uo为零（即失调电压为零）。 如果一个运放如不能调零，大致有如下原因： （ 1） 组件正常，接线有错误。 （ 2） 组件正常，但负反馈不够强，为此可将 其 短路，观察是否能调零。 （ 3） 组件正常，但由于它所允许的共模输入电压太低，可能出现自锁现象，因而不能调零。 为此可将电源断开后，再重新接通，如能恢复正常，则属于这种情况。 （ 4） 组件正常，但电路有自激现象，应进行消振。 芯片 及软件介绍 16 （ 5） 组件内部损坏，应更换好的集成块。 NE5532 集成运放简介 图 NE5532 集成运放管脚图 NE5532 是高性能低噪声双运放，它具有较好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号与 电源 带宽。 用作音频放大时音色温暖，保真度高，在上世纪九十年代初的 音响 界被发 烧友们誉为 “运放之皇 ”。 （ 1）小信号带宽： 10MHz； （ 2）输出驱动能力： 600Ω， 10V； （ 3）输入噪声电压： 5nV/√HZ（典型值） ； （ 4） DC 电压增益： 50000； （ 5） AC 电压增益： 10KHz 时 2200； （ 6）电源带宽： 140KHz； （ 7）转换速率： 9V/μS； （ 8）大电源电压范围： 177。 3 ～ 177。 20V。 NE5532 极限参数： 芯片 及软件介绍 17 电源电压： Vs …………………… 177。 22V 输入电压： VIN …………………… 177。 V 电源 V 差分输入电压： VDIFF ………………… … 177。 5V 工作温度范围： TA …………………… 0 ℃ ～ 70℃ 存贮温度： TSTG …………………… 65℃ ～ 150℃ 结温： Tj …………………… 150 ℃ 功耗（ 5532FE） ： PD …………………… 1000mW 引线温度（焊接， 10S） …………………… 300 ℃ 直流电气参数：如表 所示。 交流电气参数：如表 所示。 表 直流电气参数（若无特别说明， Vs=177。 15V TA=25℃ ） 参数名称 测试条件 SE5532/5532A NE5532/5532A 单位 最小值 典型值 最大值 最小值 典型值 最大值 失调电压 VOS (△ VOS/△ T) 过温 2 4 mV 3 5 mV 5 5 μV/℃ 失调电流 IB (△ IOS/△ T) 过温 100 10 150 nA 200 200 nA 200 200 PA/℃ 输入电流 IB (△ IB/△ T) 过温 200 400 200 800 nA 700 1000 nA 芯片 及软件介绍 18 5 5 mA/℃ 电源电流 ICC 过温 8 16 mA 13 mA 共模输入范围VCM 177。 12 177。 13 177。 12 177。 13 V 共模抑制比CMRR 80 100 70 100 dB 电源抑制比PSRR 10 10 100 μV/V 大信号电压增益 AVOL RL≥2KΩ,Vo=177。 10V 50 25 100 V/mV 过温 25 15 V/mV RL≥600Ω,Vo=177。 10V 40 15 50 V/mV 过温 20 10 V/mV 输出摆动电压VOUT RL≥600Ω 177。 12 177。 13 V 过温 177。 10 177。 12。