高輸入阻抗放大電路的設計仿真與實現(xiàn)要點

1、課程設計任務書學生姓名： 專業(yè)班級： 電信1101班 指導教師： 工作單位： 信息工程學院 題 目: 高輸入阻抗放大電路的設計仿真與實現(xiàn) 初始條件： 可選元件：運算放大器，三極管，電阻、電位器、電容、二極管若干，直流電源Vcc= +12V，VEE= -12V，或自選元器件?？捎脙x器：示波器，萬用表，直流穩(wěn)壓源，毫伏表等。要求完成的主要任務: （1）設計任務根據(jù)要求，完成對高輸入阻抗放大電路的設計、裝配與調(diào)試，鼓勵自制穩(wěn)壓電源。（2）設計要求 電壓增益>=100，輸入信號頻率<100HZ,共模抑制比60dB； 選擇電路方案，完成對確定方案電路的設計； 利用Proteus或Multis

2、im仿真設計電路原理圖，確定電路元件參數(shù)、掌握電路工作原理并仿真實現(xiàn)系統(tǒng)功能； 安裝調(diào)試并按規(guī)范要求格式完成課程設計報告書； 選做：利用仿真軟件的PCB設計功能進行PCB設計。時間安排：1、 前半周，完成仿真設計調(diào)試；并制作實物。 2、 后半周，硬件調(diào)試，撰寫、提交課程設計報告，進行驗收和答辯。指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日 目錄摘要31. 電路方案選擇42. 高輸入阻抗放大電路設計52.1差分放大電路52.1.1零點漂移52.1.2差模信號與共模信號52.1.3.共模抑制比62.1.4差分放大電路的分析62.2鏡像恒流源7鏡像電流源電路特點8鏡像電流源電路分

3、析82.3同向比例放大電路82.4電壓串聯(lián)負反饋92.5電路原理設計圖103直流穩(wěn)壓電源的設計103.1理論分析103.2原理圖113.3直流穩(wěn)壓電源仿真結果114高輸入阻抗放大電路仿真125實物安裝和調(diào)試175.1布局焊接175.2調(diào)試方法175.3測試結果分析175.4實物展示186. PCB制作197個人總結23參考文獻24摘要 本課程設計是基于模擬電子技術基礎課程的高輸入阻抗放大器的設計，需要運用書中所學的模電知識。本設計主要有三部分構成，輸入級由場效應管組成的差分放大電路，中間級由共射極的偏置電路組成的放大電路，鏡像電流源提供穩(wěn)定的輸入電流。為了實現(xiàn)本次課程設計的要求，報告首先就集成

4、放大器及其組成、運算電路、電壓串聯(lián)負反饋、鏡像電流源和差分放大電路作了簡要的分析，重點介紹了高輸入阻抗放大器電路的設計、理論分析、proteus環(huán)境下的仿真與電路的安裝調(diào)試。本實驗設計的高輸入阻抗放大電路，能夠接很高輸入負載，在輸入信號頻率小于100HZ的情況下，能實現(xiàn)電壓放大倍數(shù)大于100倍的效果。而且利用場效應管組成的差分放大電路的共模抑制比也可以達到>=60dB的要求。關鍵詞：高輸入阻抗；放大；Proteus仿真；差分放大電路；鏡像電流源1電路方案選擇方案一：用晶體三極管組成多級放大器來實現(xiàn)。一個多級放大器總的電壓放大倍數(shù)等于各單級放大器的乘積。本實驗可以考慮用二級放大器來實現(xiàn)放大

5、倍數(shù)大于100的要求，第一級電路實現(xiàn)放大倍數(shù)15倍，第二級實現(xiàn)10倍的放大倍數(shù)，總放大倍數(shù)達到150，符合要求。而輸入阻抗等于第一級放大的輸入阻抗，為了實現(xiàn)高輸入阻抗的要求，可以選擇輸入阻抗高的射極偏置共射極放大電路作為第一級放大電路。理論上這種方案很容易實現(xiàn)，但是由于晶體三極管正常工作放大時候?qū)o態(tài)工作點的要求較高，靜態(tài)工作點設置不好就會引起失真，所以這種方案不用。方案二:用集成運算放大器實現(xiàn)。集成運算放大器簡稱集成運放，是一種模擬集成電路。集成運放是一種高放大倍數(shù)、高輸入電阻、低輸出電阻的直接耦合放大電路，一般由輸入級、中間級、輸出級、偏置電路四部分組成。輸入級常常采用三極管和場效應管組成

6、的差分放大電路，具有高差模放大倍數(shù)和高輸入電阻，同時獲得盡可能低的零點漂移和盡可能高的共模抑制比，其性能的好壞直接影響集成運算放大器的整體性能。中間級由多極共射極或共源放大器組成，為集成運算放大器提供高電壓放大倍數(shù)。為了提高電壓放大倍數(shù)，經(jīng)常采用復合管結構，使用恒流源作為集電極負載。輸出級一般由電壓跟隨器或者互補對稱電壓跟隨器構成，具有較低的輸出電阻和較強的帶負載能力，同時需要一個較寬的線性輸出范圍。輸出級往往還具備有保護電路的功能偏置電路為各級電路設置合適和穩(wěn)定的靜態(tài)工作點，往往采用恒流源電路為三極管或場效應管的各電極提供合適的偏置電流。根據(jù)高輸入阻抗放大器的高輸入阻抗要求，我們選取型號為C

7、A3130E的放大器，此放大器的輸入阻抗高達1.5x1012歐姆，遠遠可以滿足高輸入阻抗的要求，且CA3130E放大器的共模抑制比為90dB，也大于所要求的60dB。設計要求是放大倍數(shù)A>100倍，輸入頻率f<100HZ，而根據(jù)芯片CA3130的特點，芯片輸出電壓的值受到直流偏置電壓的影響，最大只能達到直流偏置電壓的值，所以在這里直流偏置電壓設計的是正負15V。由于放大器本身的電壓放大倍數(shù)達到了105，而設計要求電壓放大倍數(shù)為100，可以引用電壓串聯(lián)負反饋，來調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)。2高輸入阻抗放大電路設計 集成運放是一種高放大倍數(shù)、高輸入電阻、低輸出電阻的直接耦合放大電路，一般由輸入級

8、、中間級、輸出級、偏置電路四部分組成。輸入級常常采用三極管和場效應管組成的差分放大電路，具有高差模放大倍數(shù)和高輸入電阻，同時獲得盡可能低的零點漂移和盡可能高的共模抑制比，其性能的好壞直接影響集成運算放大器的整體性能。中間級由多極共射極或共源放大器組成，為集成運算放大器提供高電壓放大倍數(shù)。為了提高電壓放大倍數(shù)，經(jīng)常采用復合管結構，使用恒流源作為集電極負載。輸出級一般由電壓跟隨器或者互補對稱電壓跟隨器構成，具有較低的輸出電阻和較強的帶負載能力，同時需要一個較寬的線性輸出范圍。下面就每部分電路做原理分析。2.1.差分放大電路2.1.1零點漂移實驗研究發(fā)現(xiàn)，直接耦合放大器即使將輸入端短路，輸出電壓并不

9、為零。而且這個不為零的電壓會隨時間作緩慢的、無規(guī)則的、持續(xù)的變動，這種現(xiàn)象稱為零點漂移，簡稱零漂。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于直接耦合，當外界因素變化時輸出電壓隨之變化。其中溫度的影響最大，所以有時把零漂也叫溫漂。第一級的零漂經(jīng)第二級放大，再傳給第三級，依次傳遞的結果使外界參數(shù)的微小變化，在輸出端產(chǎn)生了較大的零漂電壓。這個變化的電壓與有用的輸出信號混在一起，嚴重時甚至會淹沒有用信號，使放大器無法工作。 抑制零點漂移可以采用下列方法：利用直流負反饋，穩(wěn)定電路的靜態(tài)工作點。采用溫度特性較好的高性能器件。采用溫度補償方法，利用熱敏器件的參數(shù)隨溫度變化而變化的特性，抵消電路隨溫度變化產(chǎn)生的影響。采用差分放大

10、電路，利用特性相同的對管，使它們的溫度漂移互相抵消。本設計就是用差分放大電路達到效果，原理在于差分式電路中，溫度的變化、電源的波動會使兩管的集電極電流、集電極電壓產(chǎn)生相同方向的變化，相當于在差分管的兩輸入端加入共模信號。由于差分放大器有很強的抑制共模信號的能力，零點漂移很小，特別適合作多級直接耦合放大器的輸入級。差模信號與共模信號 差模信號：把一對大小相等，極性相反的信號叫做差模信號。電路中所加的有用信號就是差模信號。 共模信號：把一對大小相等，極性相同的信號叫做共模信號。電路中的干擾信號、零點漂移等都可視為共模信號2.1.3.共模抑制比共模抑制比KCMR是衡量差分放大器抑制共模信號能力的一項

11、技術指標。我們通常定義為：有時用分貝數(shù)表示：電路的AVD越大， AVC越小， KCMR越大，電路性能越好。差分放大電路的分析如圖1中，電阻Re是T1和T2兩管的公共射極電阻，或稱射極耦合電阻，它實際上就是在工作點穩(wěn)定電路中的射極電阻，只是此處將兩個電阻的射極電阻合并成一個Re，所以經(jīng)它的作用是穩(wěn)定靜態(tài)工作點，對零漂做進一步的仰制。電阻Re常用等效內(nèi)阻極大的恒流源Io來代替，以便更有效地提高抑制零漂的作用。 圖 1 差分放大原理圖動態(tài)時分差模輸入和共模輸入兩種狀態(tài)。 (1)對差模輸入信號的放大作用 當輸入差模信號Vid時，差放兩輸入端信號大小相等、極性相反，Vi1=-Vi2=Vid/2。因此差動

12、對管電流增量的大小相等、極性相反，導致兩輸出端對地的電壓增量，即差模輸出電壓Vod1=-Vod2。此時雙端輸出電壓Vo=Vod1-Vod2=2Vod1=Vod?？梢?，差放能有效地放大差模輸入信號。 (2)對共模輸入信號的抑制作用 當輸入共模信號Vic時，差放兩輸入端信號大小相等、極性相同，即Vi1=Vi2=Vic,因此差動對管電流增量的大小相等、極性相同，導致兩輸出端對地的電壓增量， 即差模輸出電壓Voc1=Voc2，此時雙端輸出的電壓為Vo=Voc1-Voc2=0?？梢姡罘艑材］斎胄盘柧哂泻軓姷囊种颇芰?。 此外，在電路對稱的條件下，差放具有很強的抑制零點漂移及抑制噪聲與干擾的能力。 2.

13、2.鏡像恒流源 電流源電路就是集成運放中最常用的偏置電路，它不僅可以為放大器提供穩(wěn)定的偏置電流，還可以作為放大器的有源負載。這里就鏡像電流源做一下介紹?；剧R像電流源如圖2所示。 圖2 鏡像恒流源原理圖鏡像電流源電路特點（1）T0與T1特性相同；即 UBE0= UBE1= UBE 1=0= Ic1= Ic0 IB1= IB0= IB （2）R和T0共同構成T1的偏置電路； （3）T0管的c-b相連，使Ucb0=0，這是一個臨界飽和狀態(tài)，Ic=I的關系仍然存在。 2.2.2.電路分析 可以看出二者之間如同“鏡像”般的關系這樣， Ic1的大小即可由Ic1=IR=（Vcc-Ube）/R 來決定。這個

14、電路有一個基準電流，由電路參數(shù)和管參數(shù)很容易確定，當找出IC1與基準電流的“鏡像”關系后，很容易知道該電路提供出的偏流大小。2.3同向比例放大電路圖3 同向比例原理圖圖3所示為同向比例電路，從圖中可以得： A=V0/Vi=1+R2/R1 2.4電壓串聯(lián)負反饋 圖4 電壓串聯(lián)負反饋電路圖如圖4為運放所組成的電壓串聯(lián)負反饋電路，利用虛短和虛斷的概念可以得知： Vd0，ii0則Vi=Vf =R1*Vo/（R1+Rf）閉環(huán)電壓增益為：AVF=Vo/Vi=Vo/Vf=（R1+Rf）/R1=1+Rf/R12.5電路原理設計圖 圖5 電路原理圖3直流穩(wěn)壓電源的設計3.1 理論分析 CA3130芯片的直流偏置

15、電壓是+15v和-15v，按照課程設計的要求，自制一個穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源有電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分構成。輸入 220V、50Hz 的交流電通過電源變壓器變?yōu)槲覀冃枰碾妷?，在?jīng)過整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動的直流電壓。因為次脈動的直流電壓含有較大的紋波成分， 必須經(jīng)過濾波電路加以濾波，從而得到平滑的直流電壓。但此電壓還是會因為電網(wǎng)電壓的波動、負載和溫度的變化而變化。因此在經(jīng)過整流、濾波電路之后，還要接上穩(wěn)壓電路 保證輸出穩(wěn)定的直流電壓。由于輸出地直流電壓會隨著穩(wěn)壓電路的波動、負載和溫度發(fā)生變化而變化，所以，為了維持輸出直流電壓穩(wěn)定不變， 還要加上穩(wěn)壓電路。集成穩(wěn)壓器在使

16、用中普遍使用的是三端穩(wěn)壓器。可以分為固定式和可調(diào)式，按正負的輸出電壓還可分為 CW317、CW337、 LM317、LM337。其中317系列穩(wěn)壓器可以連續(xù)輸出可調(diào)正電壓，337系列則是可調(diào)負電壓。它們的可調(diào)范圍為1.2-37V，最大輸出電流為1.5A。三端集成穩(wěn)壓器還有78、79系列分別對應正電壓輸出和負電壓輸出。79系列和78系列的外形相似但是連接不同，79 的1端接地，2端接負的輸入，3端接輸出。本次課程設計我選擇CW7815和CW7915芯片組成電路，具體原理圖如下圖所示。32原理圖圖6 直流穩(wěn)壓電源原理圖3.3直流穩(wěn)壓電源的仿真結果當輸入220V、50Hz 的交流電，CW7815的3

17、號腳輸出電壓為+15.0193V,CW7915的輸出是-15.0629V，仿真的結果滿足要求，說明此穩(wěn)壓電路是可行的。直流穩(wěn)壓電源的仿真圖如下所示。圖7直流穩(wěn)壓電源仿真圖4高輸入阻抗放大電路的仿真（1）把輸入信號接在示波器的A端，輸出信號接在示波器的B端，輸入電壓Vi=100mv,f=100HZ時候，運行得到一組波形,仿真結果如下圖所示。圖8仿真圖將Timebas欄里面的 scale的參數(shù)設置為1ms/Div，將 Channel A 欄中的 scale 的參數(shù)設置為0.1V/Div,將 ChannelB欄中的參數(shù)設置為2V/Div。從圖中讀出的數(shù)據(jù)可以計算出電壓的放大倍數(shù),為了計算方便輸入電壓

18、和輸出電壓都用幅值來表示，Vi=100mv,V0=10.2V,放大倍數(shù)A= V0/ Vi=102>100,滿足要求。（2）把輸入信號接在示波器的A端，輸出信號接在示波器的B端，輸入電壓Vi=100mv,f=5HZ時候，運行得到一組波形,仿真結果如下圖所示。圖9仿真圖將Timebas欄里面的 scale的參數(shù)設置為20ms/Div，將 Channel A 欄中的 scale 的參數(shù)設置為0.1V/Div,將 ChannelB欄中的參數(shù)設置為2V/Div。從圖中讀出的數(shù)據(jù)可以計算出電壓的放大倍數(shù),為了計算方便輸入電壓和輸出電壓都用幅值來表示，Vi=100mv,V0=12V,放大倍數(shù)A= V0

19、/ Vi=120>100,滿足要求。（3）把輸入信號接在示波器的A端，輸出信號接在示波器的B端，輸入電壓Vi=50mv,f=100HZ時候，運行得到一組波形,仿真結果如下圖所示。圖10 仿真圖將Timebas欄里面的 scale的參數(shù)設置為2ms/Div，將 Channel A 欄中的 scale 的參數(shù)設置為50mV/Div,將 ChannelB欄中的參數(shù)設置為1V/Div。從圖中讀出的數(shù)據(jù)可以計算出電壓的放大倍數(shù),為了計算方便輸入電壓和輸出電壓都用幅值來表示，Vi=50mv,V0=5.1V,放大倍數(shù)A= V0/ Vi=102>100,滿足要求（4）把輸入信號接在示波器的A端，輸

20、出信號接在示波器的B端，輸入電壓Vi=50mv,f=5HZ時候，運行得到一組波形,仿真結果如下圖所示。圖11 仿真圖將Timebas欄里面的 scale的參數(shù)設置為20ms/Div，將 Channel A 欄中的 scale 的參數(shù)設置為50mV/Div,將 ChannelB欄中的參數(shù)設置為1V/Div。從圖中讀出的數(shù)據(jù)可以計算出電壓的放大倍數(shù),為了計算方便輸入電壓和輸出電壓都用幅值來表示，Vi=50mv,V0=6V,放大倍數(shù)A= V0/ Vi=120>100,滿足要求（5）把輸入信號接在示波器的A端，輸出信號接在示波器的B端，輸入電壓Vi=150mv,f=100HZ時候，運行得到一組波

21、形,仿真結果如下圖所示。圖12 仿真圖很明顯輸出波形產(chǎn)生了明顯的失真，說明輸入電壓變大時，輸出波形會失真，這和運算放大器CA3130的特性有關，CA3130的輸出電壓最大只能達到偏置電壓大小，本實驗即最大輸出電壓為15V。此高輸入阻抗放大電路在輸入電壓較小的時候，在f<100HZ的情況下，可以實現(xiàn)放大倍數(shù)大于100倍的目標。5 實物安裝和調(diào)試5.1 布局焊接按照電路原理圖先在草稿紙上畫好元器件焊接布局圖，要做到布局合理科學，不交叉，檢查無誤后，按照布局圖進行焊接和布線。圖13 布局圖5.2調(diào)試方法7號管腳加15V直流偏置電壓，4號管腳加-15V直流偏置電壓，連接好地線，開始電路板調(diào)試。輸

22、入正弦交流電壓，第一次輸入電壓100mv,頻率為100HZ的交流電壓，在示波器上觀察輸出波形，看波形有沒有失真，并記錄下輸出電壓的大小。5.3 測試結果分析輸入Vi=100mv,頻率f=100HZ，Vo=10.3v，放大倍數(shù)A= Vo/Vi=103輸入Vi=100mv,頻率f=5HZ，Vo=12.4v，放大倍數(shù)A= Vo/Vi=124輸入Vi=50mv,頻率f=100HZ，Vo=5.5v，放大倍數(shù)A= Vo/Vi=110輸入Vi=50mv,頻率f=5HZ，Vo=6.2v，放大倍數(shù)A= Vo/Vi=124輸入Vi=150mv,頻率f=100HZ，波形產(chǎn)生明顯失真。測試時波形穩(wěn)定，測試結果和仿真結

23、果相差不大，滿足了設計要求，在輸入信號不大（有效電壓<100mv），輸入信號頻率小于100HZ都能實現(xiàn)超過100倍的放大，并且輸入信號越小，輸入頻率越低，放大效果越好。5.4實物展示圖14 實物圖6 PCB制作（1）打開protel 99 SE ,用菜單File/New新建一設計，命名，選擇文件路徑，然后進入Protel 99 SE的標準界面，進入Documents目錄，用File/New 命令，系統(tǒng)彈出文件類型的對話框，我們選擇SCH圖標，即進入SCH設計系統(tǒng)，同時系統(tǒng)界面變?yōu)镾CH的設計界面，如圖9所示： 圖15 新建sch文件的界面（2）繪制好原理圖之后，選擇TOOLS菜單下的ER

24、C選項，彈出對話框，直接點擊ok即可， 如果有問題就會坐標標注元件的位置，返回電路原理圖，改正錯誤的元件屬性，在進行ERC檢查，直至完全正確為止，如下圖10： 圖16常規(guī)電氣檢查表 （3）創(chuàng)建網(wǎng)絡表，在確認網(wǎng)絡表如圖11沒有錯誤之后，生成Pcb文件 圖17網(wǎng)絡表的錯誤檢查（4）PCB板繪制。選擇File/New/PCB生成一個后綴為Pcb的文件。PCB板分為很多層，主要有Top-Layer、Bottom-Layer、Mechanical、Top Overlay、Keep-Out-layer和Multi-Layer。按步驟設置PCB板的Mechanical物理邊界以及Keep-Out Layer

25、電氣邊界。先執(zhí)行Design/Board Sharp/Redefine Board Sharp命令，此時光變變成十字形。然后在Mechanical層面上劃定PCB板的物理邊界，最后在禁止布線層（Keep-Out Layer）上面劃定電器邊界。（5）加載網(wǎng)絡表后，使用系統(tǒng)的Cluster模式進行自動布局后，得到啟示，然后按照原理圖自己重新布局。網(wǎng)絡表加載完成之后，PCB根據(jù)網(wǎng)絡表產(chǎn)生預拉線，在屏幕上會出現(xiàn)排列整齊的所有元件以及設置過的PCB板，然后PCB根據(jù)預拉線一條一條變?yōu)殂~膜走線。選定所有的元件拖至PCB板上，執(zhí)行Tools/Auto Placement/Auto Placer/Cluster Placer命令，Protel開始自動排版。 布局好之后，選中 ALL Route-all選項，彈出對話框，點擊Aoute all,便開始自動布線，完成后點擊ok即可，布線完成后，得到如圖12所示的PCB： 圖18 PCB圖（6）生成PCB板后，執(zhí)行菜單命令【REPORT】/【BILL OF MATERIAL】出現(xiàn)新的對話框選擇“project”點擊下一步，其他默認直到倒數(shù)第二步將Protel Format、CSV Format、Client Spreadsheet全部選中點擊下一步和Fi