《模拟电路设计》PPT课件.ppt

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1、第3章 模拟电路设计,第3章 模拟电路设计,3.1 运算放大器的基本特性3.2 放大器设计3.3 滤波器设计3.4 电源电路设计,3.1 运算放大器的基本特性,3.1.1 运算放大器的基本特性 开环增益直接影响运算精度和许多特性指标，Ao愈大愈好。理想运算放大器Ao为无穷大。输入偏置电路IIB，表示了运放输入端正常工作时需提供的偏置电流，它的大小间接反映了运放芯片的输入电阻。IIB愈小，输入电阻愈大，芯片的温漂和运算精度愈高。理想运放。输入失调电压VIO反映了运放芯片本身输入级差分对管的对称程度，所以当VI=0时，VO 0。为了使，等效在输入端施加的补偿电压（失调补偿调零电位器不起作用时）即为

2、VIO。愈小愈好，理想运放VIO=0。,运算放大器的基本特性,差模输入电阻rid指的是输入端加入差模信号时，运放芯片的输入呈现的电阻。rid愈大，意味着从信号源（或前级电路）提取的电能愈小，对信号源影响愈小。也就是rid对信号源而言，就相当于它的负载。理想运放的rid 为无穷大。理想运放输出电阻ro。理想闭环电路ro=0，ro表征器件对负载的驱动能力。,运算放大器的基本特性,带宽BW，又称单位增益带宽或增益带宽积。指的是当运放的闭环增益为1（即0dB）时的带宽。一般增益与带宽的乘积为一常数，故闭环增益愈高，实际运放电路的带宽愈小。运放的BW主要由芯片内部的器件与电路决定。理想运放的BW 为无穷

3、大。转速速率SR亦称“压摆率”，反映了运放对输入信号的响应速度，即输出信号对时间变化的斜率.,运算放大器的基本特性,2运算放大器的一个重要特性三“虚”虚断 虚地虚短,3.1.2几类常用的运放放大器,1.通用型运算放大器通常型运放电特性一般，但价格低廉，典型代表有LM741、LM124/224/324（单、双、四运放封装），其特性如表3.1.3和表3.1.2所示。其中单运放通常带有失调补偿调整端。此类运放常用于低价位电子产品 2.低失调、低漂移运算放大器此类运放的电性能比通用型的要高，特别是失调电压要小得多，其代表有OP07/OP27/OP37，它们都是单运放封装，其特性参阅表3.1.2。此类运

4、放常用在要求较高的电路。,几类常用的运放放大器,3.低输入偏压电流运算放大器此类运放芯片内部输入为MOS管，故很小，输入电阻很高。其代表有TL081/082/084、CA3140、AD594等。此类运放常用于高输入阻抗级。其中AD549由于超低的常用于微弱电流测量。4.斩波稳零型运算放大器ICL7650ICL7650采用大规模集成工艺，输入级使用了MOSFET，输入电阻达1012。电路采用斩波自动稳零及调制与解调（200Hz）等措施，使小至1V，温度漂移也很小，应用时无须失调调整，十分方便。特别适用于微弱信号放大。,几类常用的运放放大器,5.宽带运算放大器这一类运放以AD8011、CF357等

5、为代表，其BW100MHz，在放大高频率信号时必须使用它们。6.增益可编程运算放大器图3.1.4为通过引脚可编程增益的运放PG103。通过A1、A0两引脚的控制电平可使运放的增递分别为1、10、100。增益误差在G=10时为0.05%。失调电压的温度系数为2V/。它有8脚塑料DIP和SO-8两种封装形式。类似的还有AD8520等。,增益可编程运算放大器,3.2 放大器设计,3.2.1 负反馈电路 图3.2.2为基于运放的闭环负反馈电路的基本结构。它由开环增益为A0的运放，反馈网络组成。图中箭头代表信号流向。,理想闭环增益仅取决于反馈系数，与运放芯片、电源电压、温度、信号参数等因素无关。这就是闭

6、环负反馈运放大电路增益稳定性高，能有效改善波形失真、频率特性的根本原因。,3.2.2 基本放大电路,（1）反相输入放大电路,（2）同相输入放大电路,（3）差分输入放大电路,3.2.3 放大电路设计要点,1单双电源运算放大器的选择首先应根据输入信号的极性，选择单电源或双电源供电的运放。只有输入信号为单极性的正信号时才能使用单电源供电的运放。大多数运放均要求双电源供电才能正常工作，只有少数如LM324、LM358之类的运放允许单电源供电。2电源去耦 运放电源去耦是很有必要的，特别在系统总增益很高的前级电路，更是不可或缺。,放大电路设计要点,3弱信号放大的相关问题 从降低噪声，提高信噪比以利于弱信号

7、放大的角度出发，需注意以下各点：（1）选用低噪声的运算放大器（2）采用噪声极微的分立元件FET对管构成前置差分放大电路（3）闭环负反馈电路采用阻值较低的线绕电阻（4）利用选频、滤波等措施降低白噪声,放大电路设计要点,4宽带放大当信号频率较高或被放大的是脉冲信号时，采用高BW、高SR的运放显然是非常必要的。为获得足够的带宽，闭环增益不能设计得太高，一般应10。图3.1.2充分说明了带宽与闭环增益的矛盾。需要注意的是信号的带宽应明显低于闭环带宽。5放大器反馈回路电阻阻值的选择从减小热噪声的角度，反馈回路电阻的阻值要尽量小一些。但阻值过小会使反相输入放大电路的输入电阻降低。通常以千欧数量级采用较多。

8、,放大电路设计要点,6运算放大器的保护措施,图3.2.10 运放的保护电路,图3.2.11 运放输出电压限幅电路,放大电路设计要点,7失调电压的补偿由于失调电压的存在，使运放的零点不为零。LM741之类运放本身带有补偿端，可按图3.1.1（b）外接电位器W调整之。对于无调零端的运放可以采用图3.2.12电路来进行失调补偿。,图3.2.12 运放的外加调零电路,放大电路设计要点,8扩展输出电流与扩展输出电压 9注意运放的稳定性 10优良的工艺是放大器质量的保证,3.2.4 运算放大器的参数对放大器性能的影响,工程上设计一个放大器往往是以理想运放为依据，根据简化的公式进行。当设计一个精密放大或运算

9、电路时，实际运放参数的影响不可忽略。1开环增益A0 2CMRR的影响 3输入、输出电阻 4输入失调电压,3.2.5 放大电路辅助设计软件,美国Microchip公司的AmpLABTM运算放大器电路的辅助设计软件，可用于同相、反相和由二个运放构成的仪表放大器三种放大电路的设计。在选定放大电路类型后，只要输入相关参数，就可以自动获得设计好的电路，并可产出文本格式的SPICE 模型。该软件还可以提供一般的建议、不同工作温度时应考虑的事项以及可能遇到的陷阱。,放大电路辅助设计软件,电路的设计分三个步骤：（1）电路的选择与参数的设定（2）设计结果输出（3）设计技术信息,3.3 滤波器设计,3.3.1 滤

10、波器的基本特性 滤波器是一种频域变换电路。它能让指定频段的信号顺利通过，甚至还能放大，而对非指定频段的信号予以衰减。仅仅采用R、L、C元件组成的滤波器称无源滤波器，含有晶体管或运算放大器的称为有源滤波器，后者的储能元件只用电容器C。,图3.3.2 四种理想滤波器的频域与时域特性,3.3.2 FilterLab滤波器辅助设计工具,FilterLab2.0是美国Microchip公司推出的一款创新的滤波器免费下载软件。使用该软件避免了传统滤波器设计的繁琐计算。使设计大大简化。该软件所设计的滤波器具有：（1）巴特沃斯、贝塞尔、切比雪夫三种类型，其中贝塞尔只有LPF一类滤波器。（2）阶数18。（3）增

11、益110。（4）LPF、BPF、HPF三种类型。（5）有塞林凯和多重反馈二种电路形式。（6）通带截止频率（Passband frequency）：0.1Hz1MHz。（7）品质因素Q：0.55.0（8）阻带衰减（Stopband Attenuation）：10dB100dB,3.3.3 开关电容滤波器,1开关电容滤波的基本原理图3.3.13（a）的简单一阶LBP/滤波器，通带截止频率fp=1/2，=RC。与其特性相同的开关电容滤波器由MOS模拟开关，集成电容和运放OA组成，如图（b）所示。模拟开关S1、S2，电容C1模拟等效的电阻R。其阻值受模拟开关切换频率（时钟频率）fCLK和C1控制。图（

12、b）中驱动两只模拟开关的时钟信号分别为A和/A，两者反相。C2为积分电容。,开关电容滤波的基本原理,在A的正半周，S1闭合、S2断开，电容C1被充电到，在（=1/fCLK）期间所积累的电荷Q=VixC1；平均输入电流ii=VixC1/Tc。其等效模拟电阻为Ri=Vi/ii=1/Cfclk在/A的正半周，S1断开、S2闭合，C1上的电荷将转移至C2。电路的等效时间常数为t=RiC2=C2/C1fCLK,开关电容滤波的基本原理,在集成芯片制造时，两个电容之比可视为两个电容的面积之比，其误差可控制在1%以内，从而保证了滤波器电参数的稳定性。fCLK可以很容易的改变，相对也比较容易得到等效的较大容量的

13、电容。当然，通过控制fCLK可以有效的控制滤波器的频率特性，如fp。当fCLK由晶振振荡器提供时，更是保证了滤波器电参数的稳定性和准确性。由于上述优点，加上结构简便，使用灵活，使其得到愈来愈广泛的应用，本身的发展也很迅速。,2引脚可编程的开关电容滤波器MAX263/264/267/268,图3.3.14为该系列滤波器的内部方框图。它由两个二阶开关电容滤波器，f0（中心频率）逻辑控制，品质因数Q逻辑控制，工作模式（MODE）处理，时钟二分频，时钟CMOS反相器及缓冲运算放大器（仅MAX267/268有）等部分组成。,内部功能方框图,两个二阶滤波器可以串接级联。信号输入端分别为INA和INB。做陷

14、波N（Notch Filter）、HBP、AP（全通）和BP、LP相应的输出端。M0、M1为工作模式选择端，仅MAX263/264有。五个引脚F0F4为fCLK/f0之比的编程端。七个引脚Q0Q6为两个滤波器各自品质因数值的编程端。外部时钟可用CLKA、CLKB引入，也可由CLKA、OSC、OUT外接石英晶振产生。MAX267/268内部还设有一个缓冲运放。该系列开关电容滤波器有如下特点：（1）MAX263/264可用做LPF、HPF、BPF、NF、APF。（2）MAX267/268只能用做BPF。（3）典型fCLK与f0的范围如表3.3.1所示，MAX267/268仅工作于模式1。,内部功能

15、方框图,（4）对于MAX263/267而言fclk/f0=(N+32)其中N为F0F4引脚电平对应的十进制数值。如F4F3F2F1F0=00011B，即N=3。（6）有相应滤波器设计软件（7）可以单电源或双电源5V供电。（8）器件封装如图3.3.15所示。类似的开关电容滤波器还有LINEAR公司的LTC1068系列芯片，它最多可实现8阶LPF、HPF、BPF、BEF。频率范围0.5Hz200kHz。也有相应FilterCAD支持。,3MAX263/264/267/268设计要点,（1）两个二阶滤波器级联，电路的总品质因素为Q2。（2）内部滤波器的Q值也是电路电压增益值，故二级级联，芯片总增益为

16、Q2。应用设计时必须注意到这一点。必要时输入端应加衰减器。（3）单电源供电，Qn、Fn低电平接地；双电源供电，Qn、Fn低电平接5V。,4开关电容滤波器应用实例,图3.3.16为以MAX268带通开关电容滤波器为核心而构成的具有自动跟踪输入信号频率的带通滤波电路。MAX268总的品质因素为4。fCLK/f050。采用5V电源供电。BPA和INB直连，两级二阶滤波器串联。缓冲放大器设计增益=1，可由10k予调电位器调整。,图3.3.16 由MAX268构成的锁相跟踪带通滤波器,4开关电容滤波器应用实例,输入信号在加入MAX268时进行了0.25倍衰减，以保证器件工作时不限幅。输入信号由OP27进

17、行限幅放大，经比较器LM311整形为方波。锁相环HC4046和计数器HC390组成了50倍频电路，使MAX268时钟信号的频率在整个测量范围内（20Hz20kHz）自动保持为输入信号频率的50倍，即MAX268的带通中心频率始终跟踪输入信号频率并保持相等。此电路有两个重要用途：一是可将方波脉冲变换为正弦波；二是电路的输出就是输入信号的基波，可用于进行失真度测量等。,3.4 电源电路设计,当前的电源可分为线性电源和开关电源两大类。前者电路中的有源器件处于线性工作状态，它的电路简单、纹波小、电路性能良好、对交流供电线路污染小、成本较低但效率低。后者又可分为AC-DC和DC-DC两种类型。它们的共同

18、特点是电路较复杂、效率高（可达80%以上）、允许输入电压变化的范围宽（如AC-DC开关电源，AC供电范围可达85V260V）、成本较高、纹波较大、对交流供电线路干扰大。,3.4.1 模拟线性稳压电源设计,1稳压电源的技术指标（1）稳压系数SV稳压系数SV是描述在负载固定的情况下，输入电压变动对输出电压的影响：工程上常指定电网电压变化10%做输入电压的相对变化量。此时SV即为输出电压的相对变化量。这个指标有时又称为“电压调整率”。,稳压电源的技术指标,（2）负载调整率SI工程上常用在输入电压固定的情况下，负载电流Io从零变化到最大额定性时所引起输出电压的变化来衡量：它有时又称为电流调整率。实际上

19、它就是稳压电路的动态内阻ro。,稳压电源的技术指标,（3）纹波抑制比纹波抑制比的定义为：式中Vnpp和Vmpp分别为稳压电路输入和输出纹波电压的峰值。反映了输出直流电压中的交流成份。有时直接用纹波电压的峰-峰值标志。,稳压电源的技术指标,（4）效率 效率反映了稳压电路的电能损耗情况:式中P0和Pi分别为稳压电路的输出与输入直流功率。对于电池供电的便携式电子系统，电源的效率至为重要。（5）温度系数表征输出电压随温度的漂移情况：,2三端集成线性稳压电路设计,（1）常用三端集成稳压器7800系列三端固定正电压输出的线性集成稳压器、7900系列三端固定负电压输出的线性集成稳压器以及LM117/217/

20、317系列三端可调正输出线性集成稳压器、LM137/I37/337系列三端可调负输出的线性集成稳压器，具有以下特点：三个引出端，无需外接元件（固定输出器件）。芯片内部设有过热保护、限流保护和调整管安全工作区保护。性能优良的稳压系数、负载调整率和纹波抑制比，完全能满足一般电子系统的要求。最低输入输出电压差值为2V，最高值不超过2.5V。输出电压的容差为2%和4%。,图3.4.1给出了7800系列、7900三端系列、LM117/217/317系列、LM137/237/337系列三端集成稳压器的封装及引脚图。,几种三端集成稳压器的应用电路,图3.4.2为上述几种三端集成稳压器的应用电路。图（a）为7

21、800系列典型应用。0.33F电容在器件距滤波电路较远时使用，可改善纹波和瞬间输入过压。0.1F电容可改善负载的瞬态响应。一般情况下，这两个电容可以不用。,几种三端集成稳压器的应用电路,图（b）为7900系列三端负输出电压稳压器的典型应用电路。图（c）为7800系列稳压器利用NPN型功率管扩流的电路。图（d）为7800系列稳压器的稳流应用，此时输出电流I0V0/R，V0为稳压器标称输出电压。图（e）为正、负极性输出的稳压电路。图（f）为LM117可调整正电压输出稳压器的典型电路，其输出电压,Iadj为调整端输出电流，通常1A。,（2）三端集成稳压电路设计,现以图3.4.3的典型应用电路，说明其

22、设计过程。,三端集成稳压电路设计,设需要稳压电源的输出电压V0=5V5%，考虑到一般数字器件电源电压的容差为10%，故这一设定是合适的。最大输出电流I0=0.4A，纹波电压68db，在V0=5V时，纹波电压应小于2mV（纹波抑制比RR=20lg(Vn/Vo)，Vn为纹波电压）。其次应确定7805的最低入端电压Vi。由于三端集成稳压器输入-输出间的压差Vdo=ViV0必须2V。考虑到留有一定余量，Vdo取为3V，Vi8V。Vi取决于电源变压器次级绕组的电压V2(rms)、整流电路的形式、整流元件压降以及滤波电容C1的容量，并且还会随负载而起落。,三端集成稳压电路设计,滤波电容C1容量主要由电压调

23、整率、纹波要求和负载来决定。在采用桥式等全波整流电路时，C1可按下式取值：或式中T为交流电周期，这里T=20ms。等效最小RL为V0/I0=12.5，故C1(24004000)F。这里取C1=3300F/16V。,三端集成稳压电路设计,Vi在负载开路时为，但由于单电容滤波其负载特性非常软，即随负载加重，Vi下降很显著，通常Vi=(0.91.2)V2若取Vi=1.0V2，则V2max=8V。由于一般电子系统电源电压的容许范围为10%，故在V1=198V也要保证V28V，所以V2取9V是合理的。必需注意到在V1=242V时，V29.9V。这一情况在下面讨论三端稳压器功耗时有意义的。,三端集成稳压电

24、路设计,整流管D的平均整流电流即ID（AV）(0.71)A，可取为ID（AV）=1A。整流管D承受的反向电压峰值为由表2.3.1二极管电特性表中可以看出1N4001已满足电路要求。当然也可以选用1A，反向电压50V的整流桥，如KBP01G（）。,三端集成稳压电路设计,变压器T的次级功率P2=itv2I0V2max=4W。变压器的初级功率 P1=P2/为变压器的效率，它和变压器的功率、变压器的铁芯材料（硅钢片、冷轧薄钢带）以及磁路（E形、C形、环形）密切相关。变压器的与功率的大致关系如表3.4.5所示。,三端集成稳压电路设计,若选用环形变压器，可取80%，则P1=5W变压器的功率P为P1与P2的

25、平均值，即PC=4.5W。最方便的是选购市场定型的系列电源变压器，这些变压器次级电压值与三端集成稳压输出电压V0的对应关系如表3.4.6所示。表3.4.6 市售成品系列变压器规格,三端集成稳压电路设计,这里我们选用价格较低的E型5W9V的变压器。图3.4.3中的Dprt为保护二极管。当负载很轻或开路的情况下，当断开电源时，如果C4的洩放慢于C1，则可能出现V0Vi，这有可能导致集成稳压器损坏，利用Dprt的箱位作用可以防止这一点。图3.4.4给出了一种常见的利用7800与7900系列集成稳压器构成的正、负双极性输出的稳压电路。,图3.4.4 正负双极性输出稳压电路,3低压差稳压器,图3.4.7

26、为LDO的典型框图,低压差稳压器,可以看出它也是一种由误差放大器OA，能隙基准电源D（VR=1.25V），输出电压电阻取样，PMOS调整管以及一些辅助电路构成的串联式稳压器。其中/EN/SHDN为使能/关闭控制，低电平有效。/FAULT为故障检测输出端。如需要外部调整V0，则在ADJ端接取样电阻，固定V0则无此端。有的还有/MR（手动复位）和为MCU提供复位信号的/RESET端。,LDO应用设计要点,（1）不同公司LDO的同功能引脚，名称不一致。如/EN与/SHDN（SHULTDOWN），ADJ与FB、SET功能一样。（2）某些LDO（如MSK5021）设有/FAULT故障检测输出。这是一个集

27、电极开路输出端，当输出电压和正常值相比，降低了6%或以下时，/FAULT=0。它可以驱动一只LED以指示电路状态。（3）/EN的高电平视器件而有所不同，有的规定为2V，但多数情况下接Vi即可认为是高电平。（4）LDO为外部数字器件提供的/RESET信号，必须通过V0经上拉电阻上拉，以保证正常的高电平。（5）LDO的入端和出端电容的容量通常在14.7F之间，这两个电容宜采用低ESR（等效串联电阻）的CT4型多层陶瓷（独石）电容器，并且组装时应尽量靠近器件。,LDO应用设计要点,（6）输出电流大的器件（如LP38842），尽管PD较小，亦应考虑其和散热。（7）器件手册所给的是有一定条件的。各厂家测

28、试条件并不一致，故给出的只是一个参考值。（8）当需要通过外接MOSFET驱动大电流负载时，应选用内部具有升压（Booster）的LDO（如MIC5158），以便为MOSFET提供足够幅度的栅极驱动电压。（9）当LDO直接用于电池供电电子设备时，首先应该明确系统的供电电压和最大电流。如以80C51F为核心的某数字系统，采用LED数码显示器，电源电压为3.3V，总电流150mA。其次了解电池的基本特性。当前多数便携式电子产品为镍镉、镍氢或锂可充电电池。这三种电池的标称电压Vs、充满电后的最大电压Vm如表3.4.8所示。,表3.4.8 镍镉、镍氢、锂电池参数,LDO应用设计要点,电路要求所选串接的N

29、节电池的标称电压NVsVdo+V0。可见N=3。然后应考试电池充满后的最高电压NVm。Vdo(min)=300mV。由三种电池的性能可见3Vm(max)=5.25V。由此可见，应选一款输入电压范围在3.65.25V，Vdo100mA的LDO。LTC3035就是一款满足上述要求的芯片。相应的电路如图3.4.9（a）所示。,（10）LDO的另一常用方法是做开关电源的后置稳压电路，以降低开关电源的纹波电压，如图3.4.9（b）所示。此外LDO还可用做大电流开关，用以构成充电器、UPS等。,3.4.2 数控稳压电源设计,1权电阻网络数控稳压电源 图3.4.10是一种由取样电阻R1、R2，基准电压电源V

30、r，运放OA和调整管T构成的可数控稳压电源。其中R n为电阻网络。,1权电阻网络数控稳压电源,这个电路是典型的串联稳压电路。电压并联负反馈保证了电路的稳压性能。电路的输出电压,图（b）为实际的电阻网络，为获得1%的分辨率将Vr分为两个，电路中使用了8421的权电阻网络与相应的数控开关，使得,式中Dna和Dnb分别为个位和十分数字值。若取，R1=8R，则可获得，步进为0.1V的稳压输出。这种电路可以用手动通过继电器或模拟开关进行数字设定。其缺点是要用五种精密电阻来保证输出量的精度。输出电流取决于调整管的选择与散热。为提高环路增益，改善稳压效果，T可采用达林顿管，但需注意抑制环路的自激。,2DAC

31、/DCP数控稳压电源,图3.4.11是由DAC/DCP，取样电阻R1、R2，运放OA和调整管T的另一种数控稳压电路。,图（a）电路的输出电压,DAC/DCP数控稳压电源,如果采用n位的DAC，则式中为DAC的基准电压，Dn为设定数。如果采用DCP，则式中K为DCP的分压系数。该电路V0的分辨率由DAC或DCP决定。若采用0832等8位的DAC，且R2=R1，Vr=2.5V，则V0的设定范围为05V，而步进约为0.02V。注意：由于Dnmax2n1，所以Vomax的准确值为4.98V。,DAC/DCP数控稳压电源,图3.4.11（b）给出了一种实用电路。DAC、OA、T3、T2、T1以及反馈电阻

32、R1、Rf（DAC内部反馈电阻，对于0832而言，15Ks）构成一个负反馈环路。其中T3为共基极放大电路，330p为频率补偿电容。该电路的输出电压若R1=Rf，Vr=-5V，则V0的数字设定范围为04.98V，步进仍为0.02V。为保证零点的准确，OP27可加入失调补偿电路。,3借助于三端线性集成稳压器的数控稳压电源,图3.4.12是一种由7800三端稳压器、运放OA和DAC/DCP构成的数控稳压电路。该电路的输出电压,式中VS为7800稳压器的标称输出电压。若采用7805，DAC的，则可获得05V的数字设定范围。该电路开可环控制，稳压、过流保护、过热保护等匀由7800线性稳压器承担。,上述三

33、种电路，在输出电压很低时，调整器件的功耗必须予以充分考虑。,3.4.4 开关稳压电源,1开关稳压电源的基本原理 图3.4.13（a）是一种降压（Buck）型开关稳压电源的原理电路。图中Vi为直流输入电压，T为开关管，L为储能电感，C为滤波电容，Vr为基准电源，R1、R2为输出电压的取样电阻。误差放大器OA将误差电压放大，通过调制器控制T的通断时间，达到闭环稳定输出电压的目的。图中D为续流二极管。开关管T导通时间Ton与导通时间Ton、关断时Toff之和的比称为占空比（Duty Ratio）,式中Tc=TonToff，就是控制方波的周期，fc=1/Tc为控制方波的频率。,图3.4.13 降压型开

34、关电源原理图,开关管截止时PC=0，导通饱和时Pc=VsatIs，Vsat为数值相当小的饱和压降，IS为饱和电流。T管的功耗远较线性运用小。而储能电感L和平滑电容等电感元件，至少理想情况下不消耗电能，这就保证开关电源的高效率。,降压型开关电源原理,图3.4.13（b）为这种降压型电源的简化拓扑结构。在Ton期间，T管饱和，D截止，相应的电路如图3.4.14（a）所示。此期间储能电感L充电，储存磁能。如果这段时间Vi、V0以及Vsat保持不变，则电感两端的电压亦不变，此时电感L中的电流增益,T管截止时，其等效电路如图（b）所示。图中Vf为续流二极管D的正向压降。换路后，L中的电流不能瞬变,但将逐

35、渐减小，从而使L两端电压vL反向，D导通。,工作波形,图3.4.15给出了相应的工作波形。这种工作方式，始终大于零，故称为“连续导通模式”（CCM）。,图3.4.16 Boost和Buck-Boost电路,图3.4.16是开关电源的另二种拓扑结构。图（a）为升压（Boost）型电路，它的输出电压由于D1，故VoVi，也就是说输出电压可高于或等于输入电压，其值亦可由D调整。,Boost和Buck-Boost电路,图3.4.16（b）为升降（Buck-Boost反极性）型拓扑结构，其输出电压,该电路的V0与Vi反极性。,2AC-DC单片开关电源,AC-DC单片开关电源的核心是单片开关电源集成电路。

36、经过几十年的发展，已经成为一种高集成度、最简外围电路、高性能价格比的器件。它是目前中、小功率开关电源的首选品种，在笔记本电脑、彩色电视机、仪器仪表、摄象机、通信设备等产品中获得广泛应用。,（1）TOPSwitch-系列单片AC-DC开关电源,图3.4.18为TOPSwitch-内部方框图。它由功率MOSFET、100kHz主振荡器、PWM产生器、控制电路、R和C组成的低通滤波器、热保护电路、关断/重启动控制等多个部件组成。图3.4.19为TOPSwitch-典型应用电路。输入交流电压由桥式整流变换为脉动直流电。整流元件D的，平均整流电流则由输出功率及电路效率决定。常用的为1N4007。,（2）

37、Tiny Switch系列微型单片电源,TinySwitch系列（TNY253/254/255/256）是一种四端小功率微型开关电源集成电路。图3.4.20为DIP封装的引脚图。其中D为漏极，S为源极，BP为旁路端、与S间接0.1F电容，EN为使能端、开路时器件工作在连续导通模式（CCM），输出功率最大，EN一般由光电耦合器驱动。EN端流出的电流IEN=50A时，器件内MOSFET不工作。IEN40A时，MOSFET工作于开关状态，IEN对地的短路值为40A。,图3.4.21 TinySwitch内部结构方框图,它含有MOSFET、振荡器、5.8V稳压器、使能检测、上电/掉电功能电路以及过流、

38、过热保护电路等。,图3.4.22 采用TNY254P构成的手机恒流充电电路,它能对6V的镍氢电池进行恒流充电。恒流电流为0.56A。当接上已耗掉部分或全部电能的电池进行充电时，此时充电电流I00.56A。I0R40.84V，VT导通，光电耦合器LED电流IF，使TNY254P的IEN，从而相当于控制PWM的D，使V0，I0下降，保持I0的恒定值。该电路为隔离式输出，其中C7为完全电容。,（3）LinkSwitch-TN系列单片开关电源,LinkSwitch-TN(LNK304/305/306)系列的单片开关电源集成电路不需要使用高频变压器，仅外接15个元件就可以构成非隔离式、节能型开关电源。它

39、是一种四端器件：D为漏极，S为源极，BP为旁路端，FB（Feedbock）为反馈端。输入电压可为固定式（230V15%）或宽范围式（85265V）。开关频率66kHz。工作模式式为连续（CCM），不连续（MDCM）两种。可设计成降压型或反极性型。,LinkSwitch-TN系列单片开关电源,图3.4.23（b）为一种+12V120mA宽电压输入的电路，它可以成功的取代图（a）所示性能比较差的电容降压式稳压电路。,3DC-DC开关稳压器,对于电池供电的电子产品的电源，采用LDO固然是一种办法，但是它存在两个问题：第一，Vi必须大于Vo，不能升压，也不能产生反极性的电压；第二，当Vi大于V0较多时

40、，LDO的效率仍然不高。要解决这两个问题，就必须使用DC-DC变换器了。DC-DC开关稳压器或称DC-DC变换器（Convertor），在稳压的原理上和AC-DC开关电源是相同的。不同之处，仅在于它没有对交流电的整流、滤波环节。它主要用在电池供电的便携式电子产品中。在这种消费类产品风靡全球的情况下，DC-DC变换器应用之广也就可想而知了。,图3.4.24 MAX1846反极性升降DC-DC变换器的应用电路,图3.4.25 MAX1953降压型DC-DC变换器应用电路,图3.4.26 TPS6122xPW同步升压型DC-DC,图3.4.26为TPS6122xPW同步升压型，效率可达95%的DC-

41、DC变换器应用电路。这种变换器适用于23节碱性电池、2节镍镉或镍氢电池、12节锂电池供电。,TPS6122xPW同步升压型DC-DC,其中LBI是为检测电池欠压而设置的欠压比较器输入端，比较器的参考电压Vr=0.5V。LBO为欠压比较器的输出（OD）。LDOIN为内部LDO的输入端，通常接到主回路VOUT端。FB为主回路输出电压调整的反馈信号端，输出电压由取样电阻R3、R6决定。其中R6一般应小于200k，R3可由下式计算：,TPS6122xPW同步升压型DC-DC,LDO输出电压由取样电阻R4、R5决定：,电池欠压的阀值由R1、R2决定,式中为电池的欠压值。,TPS6122xPW同步升压型D

42、C-DC,升压变换器正常工作需要两个储能器件，一个是电源输入端的储能电感L，一个是输出端的储能电容。通过L的最高峰值电流取决于负载、电源电压VBAT和输出电压V0。其最大峰值电流可估算为,L的电感量直接影响IL的纹波。一般情况下，取纹波电流。L可以这样选取：,式中f为开关频率。,TPS6122xPW同步升压型DC-DC,输出端电容与输出的纹波直接相关：,式中为输出纹波。若设计Io=250mA，V0=3.3V，VBAT=1.8V，f=600kHz，V=10mV，则Cmin=18.9uF，取C为22F.,需要指出的是引起输出纹波的另一重要原因是该电容ESR上的纹波：VESR=IORESR,若22F

43、钽电容的RESR=80m，则VESR=20mV。此时输出端的总纹波电压约为30mV。,小 结,1理想运算放大器的开环增益A0=，输入失调电压VIO和编置电流IIB均为0，带宽无限，共模抑制比CMRR=0。理想运放线性应用最重要的特征是“虚短”，“虚地”是反相输入“虚短”的特殊情况。“虚短”是分析、设计电路最重要的概念。2实际运算放大器对应用电路的影响表现在：A0影响运算精度；VIO影响输出的零点漂移；IIB影响输入电阻；带宽BW影响高频特性；CMRR影响信噪比。3以集成运放为核心而构成的放大器本质上是一个闭环负反馈回路。负反馈深度直接影响闭环增益、输入输出电阻、频率和波形失真、信噪比等。4运放

44、构成的放大器常用的有同相输入、反相输入和差分输入三种型式。其中同相输入的输入电阻远较反相输入高。,小 结,5放大器可使用AmpLAB计算机辅助设计软件进行设计。6常用有源滤波器分为低通、高通、带通、带阻、全通等五种。常见滤波器拓扑又分可为巴特沃斯、贝塞尔和切比雪夫三种。根据对滤波器的特征的要求，电路一般可设计为18阶。7滤波器可使用FilterLab计算机辅助设计软件进行设计。8引脚可编程的开关电容滤波器，可编程品质因数Q、中心频率与时钟频率之比。选不同的芯片，可实现低通、高通、带通、带阻和全通功能。9三端线性稳压集成电路是构成线性稳压电路最常用的芯片。它所需外围元件很少，电路简单，稳压（电压

45、调整、电流调整）效果良好，纹波也较低。但效率低，并且要充分考虑散热。,小 结,10LDO低压差稳压集成电路最大的特点是输入-输出压差很小，从而可提高效率、减少能耗。11开关电源分升压、降压和反极性（升、降压）三种基本形式。有连续和不连续二种工作方式。12AC-DC开关电源最大的优点是输入电压范围宽、效率高，但纹波较大，电磁干扰（EMI）也大。利用集成度高的单片开关电源芯片实现AC-DC，电路简单、性能优良。13大量电池供电的电子产品，必须使用DC-DC变换器做为电源，以提供不同的供电电压，并保证高效率、低能耗。,设计练习,1为了调试电路方便，拟制做一个能利用6F22型层叠电池（数字万用表电池V

46、=9V）供电，由LM336-5基准电压器件（自行查阅相关资料）稳压，输出电阻100，用电位器可调整的输出电压为05V的电路。注意：LM336-5的输出电压虽制造时经过激光校准，仍可能有1%的容差。2AD590是一款电流源型的温度传感器，供电电压518V，输出电流灵敏度为1A/K。试为其设计一个前置电路，要求电路输出电压在时为0，在100时为2V。3正弦信号频率范围0.1Hz1MHz，峰-峰值10mV，请为此信号设计一个放大器，要求输出电压峰-峰值为1V。4试利用运放为第2题前置级后设计一个截止频率为2Hz的低通滤波器，要求增益为2.5。,设计练习,5试利用引脚可编程的开关电容滤波器为有失真的工频信号设计一个输出基波的滤波器，信号峰-峰值范围为02V。9试利用三端线性稳压集成芯片设计一个输出电压030V，输出电流0.5A；输出电压可用电位器调整的稳压电源。10试为某种采用四节一号碱性干电池（1.5V）供电的电子设备设计一个稳压电源，要求输出电压为5V，输出电流为0.lA。且当电池电压跌落到5.5V时，用LED报警。11试用DC-DC变换器为上题设计相应电路。12试用DC-DC变换器设计一个数控稳压电路，要求，I0=0.5A，纹波电压50mV。数控输出电压步长0.1V。,