小信號(hào)放大電路的探究畢業(yè)論文

1、師大學(xué)中北學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）（ 2013 屆）題 目： 小信號(hào)放大電路的探究 專 業(yè)： 電子信息工程 姓 名： XXXX 學(xué) 號(hào)： XXXX 指導(dǎo)教師： 王興和 職 稱： 教授 填寫日期：2013-04-30師大學(xué)中北學(xué)院教務(wù)處 制摘 要目前，小信號(hào)放大電路的應(yīng)用極其廣泛，小到音箱、收音機(jī)等民用行業(yè)，大到衛(wèi)星、火箭等軍用行業(yè)。它不僅使我們的日常生活更加豐富多彩，而且對(duì)經(jīng)濟(jì)、國(guó)防等做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。然而小信號(hào)有它自身的缺陷，由于它本身的能量較小，容易被噪聲淹沒或受到外界的干擾，而且對(duì)小信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)的難處主要在高性能運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器性能的優(yōu)劣決定該電路的性能。與國(guó)外相比國(guó)對(duì)

2、運(yùn)算放大器的研究比較落后，導(dǎo)致對(duì)小信號(hào)放大電路的研究處于落后狀態(tài)。基于OPA842ID，本設(shè)計(jì)介紹了小信號(hào)放大電路的探究與設(shè)計(jì)。該電路由五個(gè)OPA842ID組成的輸入級(jí)差分放大電路、中間級(jí)電壓放大電路和輸出級(jí)功率放大電路完成對(duì)小信號(hào)的采集、電壓放大和功率放大。同時(shí)有效的抑制或消除電路的溫漂和共模信號(hào)，使放大后的信號(hào)失真度較小。設(shè)計(jì)好后的電路，使用Multisim電路仿真軟件對(duì)其進(jìn)行仿真。通過施加正弦小電壓信號(hào)，從電路的靜態(tài)工作點(diǎn)分析，交流分析等方面仿真，得出電路的電壓增益、帶寬等仿真結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了電路理論設(shè)計(jì)的正確性和可行性。關(guān)鍵詞：小信號(hào) 放大電路 OPA842ID MultisimAb

3、stractCurrently, the application of the small signal circuit is extremely wide, small to speakers, radios and other civilian industry, large to satellites, rockets and other military industry. It not only makes our daily life more colorful, but also made an indelible contribution to the economic, de

4、fense and others. However, the small-signal has its own flaws, because of itself smaller energy, it is easy to drown by the noise or interference by outside. And the main difficulty of small signal amplification circuit design is high-performance operational amplifier. The pros and cons of the opera

5、tional amplifier performance determine the performance of the circuit.Compared with foreign countries, the domestic operational amplifier is relatively backward, lead to the study of the small-signal amplifier circuit in a backward state.Based on OPA842ID，this design introduces a small signal amplif

6、ication circuit of inquiry and design. The circuit is composed by five OPA842ID input level differential amplifier circuit, the intermediate stage voltage amplifying circuit and the output stage power amplifying circuit to complete the acquisition of the small signal, the voltage amplification and p

7、ower amplification. At the same time, it effectively suppresses or eliminates the temperature drift of the circuit and the common-mode signal, making the amplified signal distortion smaller. After completed the circuit design,using Multisim circuit simulation software to simulate. By applying a sinu

8、soidal voltage signal，from the quiescent operating point of the circuit analysis, AC analysis and so on to simulation, to draw the simulation results of the voltage gain, bandwidth, etc, further validate the correctness and feasibility of the circuit theory design.Key words：Small Signal Amplifier ci

9、rcuit OPA842ID Multisim目 錄第一章緒論51.1本課題的背景與意義51.2本課題的主要研究容5第二章小信號(hào)放大電路的系統(tǒng)方案62.1系統(tǒng)方案介紹62.2系統(tǒng)框圖62.3相關(guān)子模塊的方案論證62.3.1輸入級(jí)差分放大電路62.3.2中間級(jí)電壓放大電路72.3.3輸出級(jí)功率放大電路8第三章常見的問題與解決方法93.1電源電壓波動(dòng)93.1.1電源電壓波動(dòng)對(duì)電路的影響93.1.2解決方法103.2溫度變化對(duì)電路中各元器件的影響與解決方法103.2.1溫度對(duì)電阻阻值的影響與解決方法103.2.2溫度對(duì)運(yùn)放參數(shù)與特性的影響與解決方法123.3運(yùn)放輸入偏置電流對(duì)電路的影響與解決方法13

10、3.4電路負(fù)載特性與解決方法14第四章小信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)164.1信號(hào)的采集164.1.1電壓放大倍數(shù)Av1164.1.2帶寬分析174.2信號(hào)的放大184.2.1電壓放大倍數(shù)Av2184.2.2帶寬分析184.3信號(hào)的功率放大194.3.1電壓放大倍數(shù)Av3194.3.2帶寬分析204.4系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算214.4.1電壓放大倍數(shù)Av214.4.2帶寬分析21第五章電路元器件的排布與電源線和地線的處理225.1制作成品可能遇到問題225.2電路元器件的排布225.3電源線和地線的處理22結(jié)束語23參考文獻(xiàn)24致25附錄26附錄一系統(tǒng)電路圖26附錄二系統(tǒng)帶寬測(cè)量圖27附錄三 OPA842I

11、D相關(guān)參數(shù)28附錄四系統(tǒng)PCB印刷板29附錄五系統(tǒng)焊接電路元器件清單30第一章 緒論1.1本課題的背景與意義近年來，隨著高性能集成運(yùn)算放大器技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得放大電路的應(yīng)用非常廣泛，尤其是小信號(hào)放大電路的應(yīng)用。它涉與的行業(yè)很廣泛，小到音箱、收音機(jī)等民用行業(yè)，大到衛(wèi)星、火箭等軍用行業(yè)。小信號(hào)放大電路在實(shí)際應(yīng)用中意義十分重大，通常我們需要對(duì)小信號(hào)的波形、頻率等參數(shù)進(jìn)行分析。然而現(xiàn)有的設(shè)備很難觀測(cè)這些小信號(hào)的參數(shù)，這要求我們必須對(duì)小信號(hào)的幅值進(jìn)行放大以便于我們對(duì)其進(jìn)行研究。1.2本課題的主要研究容本課題主要研究小信號(hào)放大電路的帶寬、信噪比、增益、輸入輸出阻抗等參數(shù)。其中，小信號(hào)的幅值為10uV10

12、0uV, 帶寬為02.2MHz，增益在90db左右,性噪比為9:1，輸入電阻趨于無窮，輸出電阻趨于零。根據(jù)研究容，本文介紹了基于OPA842ID高單位增益帶寬芯片的小信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)與制作。該電路在實(shí)際應(yīng)用中還會(huì)遇到如下幾個(gè)問題：(1)環(huán)境溫度的變化、電源電壓波動(dòng)等對(duì)電路的影響。（2）要求輸出信號(hào)有個(gè)較大的幅值與電路有個(gè)較大的帶寬。（3）要求負(fù)載功率的變化對(duì)電路的輸出幾乎沒有影響。通過相應(yīng)的技術(shù)處理，設(shè)計(jì)出符合要求的小信號(hào)放大電路。第二章 小信號(hào)放大電路的系統(tǒng)方案2.1系統(tǒng)方案介紹整個(gè)電路組要有三個(gè)部分組成：(1)輸入級(jí)采用差分放大電路來抑制電路的零漂和溫漂，同時(shí)也提高了電路的共模抑制比。（

13、2）中間級(jí)采用電壓放大電路來確保電路輸出電壓幅值足夠大。（3）輸出級(jí)采用電壓跟隨器（功率放大電路）來確保電路輸出功率足夠大。整個(gè)電路的工作流程是：（1）輸入級(jí)差分放大電路完成對(duì)信號(hào)的采集和放大。由于差分放大電路采用了兩個(gè)一樣參數(shù)的運(yùn)算放大器，所以該電路有較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)、溫漂和零漂的能力。（2）中間級(jí)電壓放大電路實(shí)現(xiàn)對(duì)前級(jí)輸出信號(hào)的電壓進(jìn)行放大以滿足對(duì)信號(hào)幅度的要求。（3）輸出級(jí)功率放大電路放大中間級(jí)放大電路輸出信號(hào)的功率來滿足不同功率負(fù)載的要求。通過這三級(jí)電路的串聯(lián)實(shí)現(xiàn)對(duì)小信號(hào)的采集、放大和提高其帶負(fù)載能力，來滿足實(shí)際的需求。2.2系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖如圖2-2-1所示。通過框圖，可以清晰的看

14、到系統(tǒng)有前級(jí)差分放大、負(fù)反饋放大和功率放大三部分構(gòu)成。前級(jí)差分放大OPA842ID負(fù)反饋放大OPA842ID功率放大信號(hào)輸出圖2-2-1 系統(tǒng)框圖小信號(hào)輸入2.3相關(guān)子模塊的方案論證2.3.1輸入級(jí)差分放大電路方案一：在電子市場(chǎng)上直接買高單位增益帶寬的集成運(yùn)算放大芯片（如OPA842ID）。直接用集成運(yùn)算放大芯片的優(yōu)點(diǎn)是省去了焊接和調(diào)試電路的過程且該電路具有較強(qiáng)的抑制零漂、溫漂和共模信號(hào)的能力，電路的帶寬也比較大。方案二：可以自己利用電阻，電容，三極管等分立電子元器件，參照集成運(yùn)算放大器的工作原理，試著焊接電路，調(diào)試，反復(fù)嘗試，直到能夠滿足要求為止。該方案的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)降低了畢業(yè)設(shè)計(jì)的成本，缺點(diǎn)

15、是自己焊接的電路，性能沒有集成運(yùn)算放大器的性能好，且工作量大、易出錯(cuò)。綜合考慮后，最后采用方案一，來解決差分放大電路，如圖2-3-1所示。V+V-V1+V1-Vo1圖2-3-1 差分放大電路Vo2.3.2中間級(jí)電壓放大電路方案一：用高單位增益帶寬的集成運(yùn)算放大芯片（如OPA842ID）連接一個(gè)反相電壓放大電路。該電路的優(yōu)點(diǎn)是易于設(shè)計(jì)一個(gè)符合放大倍數(shù)要求的電路且電路的帶寬較大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。方案二：可以自己利用電阻，電容，三極管等分立電子元器件，參照反相電壓放大電路的工作原理，試著焊接電路，調(diào)試，反復(fù)嘗試，直到能夠滿足要求為止。該方案的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)降低了畢業(yè)設(shè)計(jì)的成本，缺點(diǎn)是自己搭的電路，性能沒有集成

16、運(yùn)算放大器搭成的反相電壓放大電路的性能好，且工作量大、易出錯(cuò)。綜合考慮后，最后采用方案一，來解決中間級(jí)電壓放大電路，如圖2-3-2所示。Vo1Vo2圖2-3-2 中間級(jí)電壓放大電路2.3.3輸出級(jí)功率放大電路方案一：用高單位增益帶寬的集成運(yùn)算放大芯片（如OPA842ID）連接一個(gè)電壓跟隨器。該電路的優(yōu)點(diǎn)是易于設(shè)計(jì)一個(gè)符合輸出功率要求的電路且電路的帶寬較大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。方案二：可以自己利用電阻，電容，三極管等分立電子元器件，參照射極電壓跟隨電路的工作原理，試著焊接電路，調(diào)試，反復(fù)嘗試，直到能夠滿足要求為止。該方案的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)降低了畢業(yè)設(shè)計(jì)的成本，缺點(diǎn)是自己搭的電路，性能沒有集成運(yùn)算放大器焊接成電壓

17、跟隨電路的性能好，且工作量大、易出錯(cuò)。綜合考慮后，最后采用方案一，來解決輸出級(jí)功率放大電路，如圖2-3-3所示。Vo2Vo3圖2-3-3 輸出級(jí)功率放大電路Vo2第三章 常見的問題與解決方法3.1電源電壓波動(dòng)3.1.1電源電壓波動(dòng)對(duì)電路的影響理想直流電壓源的電壓為一個(gè)恒定的值，但在實(shí)際這種情況是不存在的。它們或多或少受環(huán)境的溫度、各元器件間的相互干擾等因素影響。在對(duì)電源電壓要求較高的電路中會(huì)造成重大影響。圖3-1-1 受干擾的波形電源電壓波動(dòng)主要有兩個(gè)方面：一方面，穩(wěn)壓電源中混有50 Hz、100 Hz 等交流分量。因?yàn)槎鄶?shù)直流電壓源是利用50Hz 的交流電源經(jīng)整流濾波后獲得的,若直流電壓源中

18、的濾波器濾波不良, 則將會(huì)有50 Hz、100 Hz 等交流分量, 以與它們的相應(yīng)諧波信號(hào)進(jìn)入放大器的輸入端, 這些信號(hào)經(jīng)放大器放大后, 混雜在正常信號(hào)的輸出中, 會(huì)使放大器產(chǎn)生所謂“交流噪聲”干擾，如圖3-1-1所示。另一方面，直流電壓源的穩(wěn)壓性較差, 帶負(fù)載能力不高, 導(dǎo)致輸出直流電壓不穩(wěn)定的現(xiàn)象。假設(shè)某一時(shí)刻電源的VCC=5.5V、VDD=-4.5V，如圖3-1-2所示。該電路的VCC和VDD都有0.5V的波動(dòng)(理想情況VCC、VDD為5V、-5V)，一般情況下，它會(huì)把(5.5-4.5)/2=0.5V看做自己的地，也就是說實(shí)際出來的波形會(huì)和對(duì)稱電源出來的波形相差0.5V左右（即波形會(huì)上移

19、）。若每一級(jí)放大電路都產(chǎn)生了0.5V左右的誤差，則對(duì)于多級(jí)放大電路來說就產(chǎn)生了很大的誤差。這樣容易導(dǎo)致運(yùn)放輸出達(dá)到飽和而產(chǎn)生失真，如圖3-1-3所示?？梢婋娫措妷旱姆€(wěn)定對(duì)電路的重要性。圖3-1-3 失真波形圖3-1-2 電源電壓波動(dòng)輸出輸入3.1.2解決方法對(duì)于電源電壓中混有50 Hz、100 Hz 等交流分量的這種情況，我們一般在電源和地線之間串聯(lián)一個(gè)容值較大的電容（一般為100nF）來解決電源電壓波動(dòng)問題。如圖3-1-4所示。因?yàn)殡娙萦懈糁绷魍ń涣鞯淖饔茫?dāng)電源電壓中有交流分量時(shí)，電容器就會(huì)把交流成分濾掉，只剩下穩(wěn)定的直流分量。而對(duì)于輸出直流電壓不穩(wěn)定的這種現(xiàn)象，可以換一個(gè)穩(wěn)壓性較好, 帶

20、負(fù)載能力較高的直流穩(wěn)壓電源來解決這一問題。 圖3-1-4 加濾波電容的電路輸入輸出3.2溫度變化對(duì)電路中各元器件的影響與解決方法隨著電路工作產(chǎn)生的熱量和環(huán)境溫度的變化，電路中的各元器件參數(shù)和特性會(huì)發(fā)生變化（如電阻、運(yùn)放等）。下面將具體說明溫度變化對(duì)其參數(shù)的影響。3.2.1溫度對(duì)電阻阻值的影響與解決方法首先，將了解一下電阻的溫度系數(shù)()，它表示表示電阻當(dāng)溫度改變1度時(shí)，電阻值的相對(duì)變化，單位為ppm/（ppm-百萬分之一）。普通電阻的溫度系數(shù)為100200ppm，而精密電阻的溫度系數(shù)小于20ppm。讓我們看看電阻阻值變化對(duì)電路的影響。對(duì)于多級(jí)放大電路來說，電阻阻值的變化對(duì)前級(jí)放大電路的影響比較大

21、，而對(duì)后級(jí)放大電路的影響比較小。因?yàn)槿羟凹?jí)放大電路的輸出電壓誤差為V，經(jīng)過多級(jí)放大后誤差變?yōu)锳vV（其中Av為多級(jí)放大電路的電壓增益）。如圖3-2-1所示，由運(yùn)放的虛短、虛斷特性可得： (3.2.1)由式(3.2.1)可知 (3.2.2)(3.2.3)圖3-2-1 前級(jí)差分放大電路V+V-V1+V1-再由式(3.2.2)、(3.2.3)式可知 (3.2.4)由于溫度變化會(huì)使得R1、R2、R3的阻值發(fā)生變化，即式(3.2.4)中會(huì)產(chǎn)生誤差為V（其中V為溫度變化前后之差）的輸出電壓。即使V很小，但經(jīng)過多級(jí)放大后會(huì)有一個(gè)較大的誤差。錯(cuò)誤正確圖3-2-2 電阻焊接方式因此，要根據(jù)不同的電路選擇不同的電

22、阻與正確的焊接方式，這樣可以減少溫度對(duì)電路的影響。一般來說，選擇散熱性能較好且阻值精度較高的電阻（如金屬膜電阻）作為前級(jí)放大電路的電阻，還要選擇正確的焊接方式，如圖3-2-2所示兩種焊接方式。顯然電阻因溫度差產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)，對(duì)于精密放大電路，需要考慮溫度場(chǎng)的影響。3.2.2溫度對(duì)運(yùn)放參數(shù)與特性的影響與解決方法由于溫度變化引起輸出電壓產(chǎn)生Vo（或電流Io）的漂移，通常把溫度升高1輸出漂移折合到輸入端的等效漂移電壓（或電流）作為溫漂指標(biāo)。集成運(yùn)放的溫度漂移是漂移的主要來源，而它又是由輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流隨溫度的漂移所引起的，故常用下面方式表示：【1】 輸入失調(diào)電壓溫漂這是指在規(guī)定溫度圍VIO

23、的溫度系數(shù)，也是衡量電路溫漂的重要指標(biāo)。不能用外接調(diào)零裝置的辦法來補(bǔ)償。高質(zhì)量的放大器常選用低溫漂的器件來組成，一般約為±(1020)uV/。其值小于2uV/為低溫漂運(yùn)放。2輸入失調(diào)電流溫漂這是指在規(guī)定溫度圍IIO的溫度系數(shù)，也是對(duì)放大電路電流漂移的度量。同樣不能用外接調(diào)零裝置來補(bǔ)償。高質(zhì)量的運(yùn)放每度幾個(gè)pA。以上參數(shù)均是在標(biāo)稱電源電壓、室溫、零共模輸入電壓條件下定義的。對(duì)于高精度運(yùn)放來說這些誤差可忽略不計(jì)，但對(duì)于前級(jí)放大電路來說這些誤差經(jīng)過多級(jí)放大后會(huì)很大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)無法使用。下面將引入一種差分電路即兩個(gè)參數(shù)完全一樣的運(yùn)放組成的對(duì)稱電路和一個(gè)雙端輸入單端輸出的差分放大電路

24、，如圖3-2-3所示。V+V-V1+V1-Vo圖3-2-3 三運(yùn)放儀表放大電路Vo下面將分析一下電路的工作原理1 靜態(tài)分析當(dāng)沒有輸入信號(hào)電壓，即V+=V-=0時(shí)，由于電路完全對(duì)稱，V1+=V1-=0得到Vo=0。由此可知，輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出信號(hào)Vo也為零。2動(dòng)態(tài)分析（1）輸入信號(hào)為差模信號(hào)Vid當(dāng)在電路的兩個(gè)輸入端各加一個(gè)大小相等，極性相反的信號(hào)電壓，即時(shí)，V1+上升V1-下降，所以差模輸出信號(hào)電壓，即可知，這就是差模信號(hào)。這種輸入方式稱為差模輸入。（2）輸入信號(hào)為共模信號(hào)Vic在差分式放大電路中，無論是溫度變化，還是電源電壓的波動(dòng)都會(huì)引起運(yùn)放的輸出電壓一樣的變化（因?yàn)檫\(yùn)放參數(shù)一樣），其效果

25、相當(dāng)于在兩個(gè)輸入端加入了共模信號(hào)Vic。兩個(gè)輸出端的共模電壓一樣，即V1+=V1-。又因?yàn)椋暂敵鲭妷篤o=0。（3）輸入信號(hào)為差模信號(hào)Vid和共模信號(hào)Vic的疊加當(dāng)輸入信號(hào)電壓,時(shí),可知輸出電壓為：(3.2.5)即雙端輸入單端輸出差分電路只放大差模信號(hào)，而抑制共模信號(hào)。通過對(duì)圖3-2-3所示的放大電路的工作原理的探究和分析，現(xiàn)在可以理解它是怎樣解決溫漂的問題了。該電路用共模放大倍數(shù)Avc（）來衡量差分放大電路抑制漂移或者干擾信號(hào)的能力。Avc越小，表示電路抑制漂移或者干擾信號(hào)（主要是溫漂）的能力越強(qiáng)。因?yàn)闇囟茸兓瘯r(shí)，運(yùn)放的輸入失調(diào)電流和輸入失調(diào)電壓會(huì)發(fā)生變化，對(duì)電路產(chǎn)生一定的影響。而現(xiàn)在采

26、用圖3-2-3所示的放大電路，由電路的對(duì)稱性可知Voc0（理想情況下Voc=0），也可得到Avc0（理想情況下Avc=0）。溫度的變化對(duì)電路的輸出幾乎沒有影響，有效的抑制了電路的溫漂。根據(jù)這一原理，該電路可以用來抑制溫度等外界因素的變化對(duì)電路性能的影響。由于這個(gè)緣故。該電路常用來作為放大電路的輸入級(jí)，它對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力。較好的改善了整個(gè)電路性能。3.3運(yùn)放輸入偏置電流對(duì)電路的影響與解決方法BJT集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端是差分對(duì)管的基極，因此兩個(gè)輸入端總需要一定的輸入偏置電流IBN和IBP。輸入偏置電流是指集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流的平均值，如圖3-3-1所示。偏置電流為，輸入偏置電流的大

27、小，在電路外接電阻確定之后，主要取決于運(yùn)放差分輸入級(jí)BJT的性能，當(dāng)它的值太小時(shí)，將引起偏置電流的增加。從使用角度來看，偏置電流愈小，由于信號(hào)源阻變化引起的輸出電壓變化也愈小，故它是是重要的技術(shù)指標(biāo)，以BJT為輸入級(jí)運(yùn)放一般為10nA1uA;采用MOSFET輸入級(jí)的運(yùn)放IIB在pA數(shù)量級(jí)。圖3-3-1 輸入偏置電流(b)接偏置電阻(a)未接偏置電阻圖3-3-2ViViVnVnVpVpVoVo一般來說，在接地端加一個(gè)偏置電阻（R3=R1/R2），如圖3-3-2（b）所示。該電阻的作用是消除輸入偏置電流IIB引起的輸入誤差電壓。因?yàn)槿舨唤悠秒娮瑁纾╝）圖。當(dāng)Vi=0時(shí)，輸入偏置電流IIB存在，

28、所以Vn0、Vp=0，即Vid=Vp-Vn0可得到Vo0。而（b）圖接偏置電阻R3，當(dāng)Vi=0時(shí),即使輸入偏置電流IIB存在使得Vn0、Vp0，但由于Vp=Vn，即Vid=Vp-Vn=0可得到Vo=0。3.4電路負(fù)載特性與解決方法電路的負(fù)載特性是電路的一個(gè)重要的參數(shù)，從負(fù)載特性曲線圖中可以知道電路的性能與用途。電路的帶載是指確定某一輸出（某個(gè)元件看作負(fù)載），能夠滿足此元件工作要求的能力（如電壓、電流）稱為帶載能力。普通的放大電路的帶負(fù)載能力有限，這嚴(yán)重阻礙其通用性。一般來說，解決這一問題的方法是在輸出端接一個(gè)功率放大電路（電壓跟隨器）。下面讓我們來看看它是怎樣解決通用性這一問題的。圖3-4-1

29、 戴維南等效電路首先，讓我們了解一下其基本電路，如圖3-1-3所示。它的基本電路很簡(jiǎn)單，理想情況是輸入電阻Ri、輸出電阻Ro0、電壓放大倍數(shù)Av=1。但實(shí)際情況是輸入電阻Ri一般為兆歐級(jí)別、輸出電阻Ro一般只有幾個(gè)歐姆甚至更小、電壓放大倍數(shù)Av略小于1。由戴維南定理可知，該電路可等效為一個(gè)電壓源和電阻串聯(lián)的單口網(wǎng)絡(luò),如圖3-4-1所示。下面不妨設(shè)R0分別為10、20畫出該電路的負(fù)載特性曲線，如圖3-4-2所示。（a）R0=10（b）R0=20圖3-4-2 不同內(nèi)阻的負(fù)載特性曲線從圖3-4-2中可以看到，當(dāng)R0=10時(shí)獲得的功率較大。因?yàn)樵摰刃щ娐返淖栎^小，在串聯(lián)的情況下消耗的功率較小，從而使得

30、負(fù)載獲得更多的功率。正是因?yàn)檫@些特性，可以將電壓跟隨器看做是一個(gè)理想電壓源和一個(gè)阻值較小的電阻的串聯(lián)。由于阻很小決定其負(fù)載可獲得更多的功率，這樣有效的解決了電路帶負(fù)載能力不足的問題。同時(shí)，又因?yàn)殡妷焊S器的輸入電阻較大，所以對(duì)前級(jí)影響很小，起到隔離的作用。第四章 小信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)4.1信號(hào)的采集V+V-V1+V1-Vo1圖4-1-1 雙端輸入單端輸出放大電路Vo信號(hào)的采集是整個(gè)電路的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，采集到的信號(hào)的好壞決定其是否可用。下面將看看信號(hào)的采集電路（輸入級(jí)差分放大電路），如圖4-1-1所示。該電路是用兩級(jí)差分放大電路構(gòu)成，第一級(jí)為雙端輸入雙端輸出差分放大電路，第二級(jí)為雙端輸入單端輸出

31、差分放大電路，兩者構(gòu)成雙端輸入單端輸出差分放大電路。該電路通過兩級(jí)差分放大電路有效的抑制了共模信號(hào)（具有較高的共模抑制比）和溫漂給電路點(diǎn)來的影響，可以采集到質(zhì)量較好的差模信號(hào)。4.1.1電壓放大倍數(shù)Av1因?yàn)檫\(yùn)放處于線性放大區(qū)，由運(yùn)放的虛短、虛斷特性和式（3.2.4）可知(4.1.1)(4.1.2)所以。4.1.2帶寬分析圖4-1-2 電路帶寬測(cè)量圖所謂的帶寬就是能使電路正常工作的頻率圍，它是影響電路通用性的重要因數(shù)之一。一個(gè)帶寬較大的電路通用性就越強(qiáng)，反之則越弱。一般定義,增益下降到3dB（增益約為原來放大倍數(shù)的0.707倍）處對(duì)應(yīng)的上下限截止頻率fH、fL之差，即BW=fH-fL。又因?yàn)閒

32、HfL，所以BWfH。下面將通過Multisim這個(gè)仿真軟件的波特測(cè)試儀測(cè)量圖4-1-1所示電路的幅頻響應(yīng)曲線來確定該電路的帶寬。電路帶寬測(cè)量的連接方式如圖4-1-2所示，測(cè)量數(shù)據(jù)如圖4-1-3所示?？芍撾娐返膸捈s為2.93MHz。圖4-1-3 前級(jí)放大電路的幅頻響應(yīng)曲線4.2信號(hào)的放大該電路的作用主要是完成高倍的電壓信號(hào)放大作用，由于前級(jí)電路輸出信號(hào)達(dá)不到幅值要求，需要采用一級(jí)電壓放大電路以滿足對(duì)信號(hào)的幅值要求。下面將看看信號(hào)的放大電路（中間級(jí)電壓放大電路），如圖4-2-1所示。該電路是用運(yùn)放組成的反相放大電路，可有效的解決信號(hào)幅值達(dá)不到要求的問題。Vo1Vo2圖4-2-1 中間級(jí)電壓放

33、大電路4.2.1電壓放大倍數(shù)Av2因?yàn)檫\(yùn)放處于線性放大區(qū)，由運(yùn)放的虛短、虛斷特性可知Vo2=-30Vo1,所以。4.2.2帶寬分析圖4-2-2 電路帶寬測(cè)量圖由于第一節(jié)對(duì)帶寬進(jìn)行了說明這里將不重復(fù)敘述。下面將通過Multisim這個(gè)仿真軟件的波特測(cè)試儀測(cè)量圖4-2-1所示電路的幅頻響應(yīng)曲線來確定該電路的帶寬。電路帶寬測(cè)量的連接方式如圖4-2-2所示，測(cè)量數(shù)據(jù)如圖4-2-3所示?？芍撾娐返膸捈s為4.88MHz。圖4-2-3 中間級(jí)電壓放大電路的幅頻響應(yīng)曲線4.3信號(hào)的功率放大Vo2Vo3圖4-3-1 輸出級(jí)功率放大電路Vo2由于電路的輸出電阻較大，只能驅(qū)動(dòng)小負(fù)載,而對(duì)于大負(fù)載無能為力。一般來

34、說，要在電路輸出端加一個(gè)功率放大電路（電壓跟隨器）以提高電路的輸出功率，如圖4-3-1所示。該電路是用運(yùn)放組成的同相放大電路，可有效的解決輸出信號(hào)功率不足的問題。4.3.1電壓放大倍數(shù)Av3因?yàn)檫\(yùn)放處于線性放大區(qū)，由運(yùn)放的虛短、虛斷特性可知,所以。4.3.2帶寬分析由于第一節(jié)對(duì)帶寬進(jìn)行了說明這里將不重復(fù)敘述。下面將通過Multisim這個(gè)仿真軟件的波特測(cè)試儀測(cè)量圖4-3-1所示電路的幅頻響應(yīng)曲線來確定該電路的帶寬。電路帶寬測(cè)量的連接方式如圖4-3-2所示，測(cè)量數(shù)據(jù)如圖4-3-3所示?？芍撾娐返膸捈s為330MHz。圖4-3-2 電路帶寬測(cè)量圖圖4-3-3 輸出級(jí)功率放大電路的幅頻響應(yīng)曲線4.

35、4系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的計(jì)算以上各節(jié)已對(duì)電路各個(gè)模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)和相關(guān)的計(jì)算?，F(xiàn)在要對(duì)其進(jìn)行連接和計(jì)算，連接圖見附錄一所示。該電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻小電壓信號(hào)(幅值為10uV100uV)進(jìn)行放大，帶寬為02.2MHz，增益在90db左右。下面將對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行計(jì)算可測(cè)量。4.4.1電壓放大倍數(shù)Av前幾節(jié)已對(duì)各個(gè)模塊的參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算可直接利用計(jì)算結(jié)果。（約為90dB）。4.4.2帶寬分析由于第一節(jié)對(duì)帶寬進(jìn)行了說明這里將不重復(fù)敘述。下面將通過Multisim這個(gè)仿真軟件的波特測(cè)試儀測(cè)量系統(tǒng)電路（見附錄一）的幅頻響應(yīng)曲線來確定該電路的帶寬。電路帶寬測(cè)量的連接方式見附錄二所示，測(cè)量數(shù)據(jù)如圖4-4-1所示?？芍撾娐返膸?/p>

36、寬約為2.2M。圖4-4-1 小信號(hào)放大電路的幅頻響應(yīng)曲線第五章 電路元器件的排布與電源線和地線的處理5.1制作成品可能遇到問題完成對(duì)電路的相關(guān)設(shè)計(jì)只是一個(gè)基礎(chǔ)，要想制作出成品還有很多現(xiàn)實(shí)的問題要考慮，例如元器件的排布（干擾、散熱等）、電源線、信號(hào)線、地線等。下面兩節(jié)將具體探究其相關(guān)問題并提出相關(guān)的解決方法。5.2電路元器件的排布因?yàn)樾‰妷盒盘?hào)本身的能量較小容易被噪聲所淹沒，所以小電壓信號(hào)最容易受到干擾，常見的干擾有：1、來自空間的干擾（輻射）多由電磁感應(yīng)引起，電磁感應(yīng)的結(jié)果是電壓。2、對(duì)于線路的干擾（傳導(dǎo)），由于電壓信號(hào)的阻較小，易疊加；3、一些線路自身的干擾（熱電勢(shì)、接觸電勢(shì)）多以電壓形式

37、出現(xiàn)。因此，合理的元器件排布對(duì)制作一個(gè)合格的成品至關(guān)重要。下面我們將探討一下常見的元器件排布。我們一般以運(yùn)算放大器等集成器件為中心向四周排布，將產(chǎn)生相互干擾的器件隔離或加大它們之間的距離以減小或消除干擾；變壓器、功耗管等器件放在電路板的邊緣，因?yàn)檫@些器件在工作期間所消耗的電能，除了有用功外，大部分轉(zhuǎn)化成熱量散發(fā)。這些器件產(chǎn)生的熱量，會(huì)使設(shè)備部溫度迅速上升，如果不與時(shí)將該熱量散發(fā)，設(shè)備會(huì)繼續(xù)升溫，器件就會(huì)因過熱失效，從而導(dǎo)致設(shè)備的可靠性將下降。以上是對(duì)常用元器件的排布做了簡(jiǎn)要的探究，探究出了一般的排布規(guī)律，這樣排布不僅可以減小或消除干擾，而且還有利于電路的美觀。5.3電源線和地線的處理在制作成品

38、布線的過程中，電源線和地線的處理是十分重要的，因?yàn)樵谡麄€(gè)過程中既使其它布線完成的都很好，但是由于電源線、 地線的考慮不周到而引起的干擾，會(huì)使產(chǎn)品的性能下降，有時(shí)甚至影響到產(chǎn)品的成功率，所以對(duì)電源線、 地線的布線要認(rèn)真對(duì)待，把電源線、地線所產(chǎn)生的噪音干擾降到最低限度，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。電源線和地線的布線規(guī)則如下： 1、在電源、地線之間加上去耦電容； 2、盡量加寬電源線、地線寬度，最好是地線比電源線寬。一般來說，它們的關(guān)系是：地線電源線信號(hào)線，通常信號(hào)線寬為：0.20.3mm，最細(xì)寬度可達(dá)0.050.07mm,電源線為1.22.5 mm。對(duì)于關(guān)鍵的信號(hào)線要采取最佳措施，如盡量減小它的長(zhǎng)度，輸入線與

39、輸出線之間要明顯地分開；模擬電路與數(shù)字電路之間地線的處理，一般將模擬電路、數(shù)字電路分別共接一個(gè)地，這樣可有效的減少或消除二者之間的相互干擾，同時(shí)也可以簡(jiǎn)化、美化電路。以上是對(duì)常規(guī)電路的電源線、地線的排布做了簡(jiǎn)要的探究，探究出了一般的排布規(guī)律，這樣排布有利于減小或消除排線不當(dāng)而造成的干擾。結(jié)束語為期一個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)即將結(jié)束，在這期間我經(jīng)歷了從選題、相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)、相關(guān)資料的查找、分析課題、電路的設(shè)計(jì)到學(xué)習(xí)軟件、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)與書寫畢業(yè)論文的過程。從一開始課題的選定、整體方案的確定，到最終電路功能的實(shí)現(xiàn)，中間經(jīng)歷了很多困難，在王老師指導(dǎo)下和自己努力專研下，終于有所收獲。在前期的理論學(xué)習(xí)中，我在圖書館

40、查閱相關(guān)書籍，認(rèn)真學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。當(dāng)遇到不懂的問題時(shí)，我首先會(huì)通過上網(wǎng)查閱的方式努力自己解決。如果實(shí)在無法解決，我會(huì)向同學(xué)或老師請(qǐng)教。這樣做的主要目的是培養(yǎng)自己的獨(dú)立思考、解決問題的能力。當(dāng)理論學(xué)習(xí)完畢后，就是進(jìn)行相關(guān)的電路設(shè)計(jì)了。我沒有一上來就進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)，而是對(duì)在電路設(shè)計(jì)中可能遇到的相關(guān)問題進(jìn)行了具體的探究，例如怎樣減少或消除電路的溫漂；怎樣解決電路輸出功率不足；怎樣解決元器件的相互干擾（即元器件的排布）等問題。本課題介紹了基于OPA842ID的小信號(hào)放大電路的探究和設(shè)計(jì)，主要目的是把微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行無失真的放大傳輸。對(duì)小信號(hào)放大電路的要求有：一、要有足夠的增益，才能將小信號(hào)放大到容易處

41、理的圍；二、電路本身的噪聲要低，這是因?yàn)樾⌒盘?hào)本身比較微弱，容易被噪聲所淹沒，或者受到外界干擾，而不能辨識(shí)，所以要盡量減小噪聲干擾；三、要有合適的輸入、輸出阻抗，才能最大限度的提取到輸入源的信號(hào)，并提高帶負(fù)載的能力。根據(jù)上述的要求，經(jīng)過我反復(fù)對(duì)硬件電路的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，終于設(shè)計(jì)出滿足要求的電路。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我明白做出一個(gè)符合要求的設(shè)計(jì)不僅要學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，而且更要有信心和耐心。只有具備了這些素質(zhì)才能高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)的完成畢業(yè)論文。參考文獻(xiàn)1康華光主編. 電子技術(shù)基礎(chǔ).模擬部分.第五版. ：高等教育， 20052嘉奎主編. 電子線路.線性部分.第四版. ：高等教育， 19993王遠(yuǎn)主編. 模擬電子技術(shù).第二版, ：機(jī)械工業(yè)，19944農(nóng)承斌,京主編. 模擬集成電子技術(shù)基