高輸入阻抗放大器課程設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 葉文嵐 專業(yè)班級(jí)： 電信1406 指導(dǎo)教師： 楊媛媛 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目： 高輸入阻抗放大器設(shè)計(jì)初始條件：具備模擬電子電路的理論知識(shí)；具備模擬電路基本電路的設(shè)計(jì)能力；具備模擬電路的基本調(diào)試手段；自選相關(guān)電子器件；可以使用實(shí)驗(yàn)室儀器調(diào)試。要求完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、輸入電壓和輸出電壓函數(shù)關(guān)系為：2、輸入信號(hào)頻率不大于100HZ3、在室溫下，若信號(hào)源內(nèi)阻在100K至1M變化時(shí)，信號(hào)源開路電壓為50mv100mv時(shí)，放大器誤差不大于14、要求共模抑制比60dB5、設(shè)計(jì)電源；6、焊接：采用實(shí)驗(yàn)板完成，不得使

2、用面包板。4、安裝調(diào)試并完成符合學(xué)校要求的設(shè)計(jì)說明書時(shí)間安排：十九周一周，其中3天硬件設(shè)計(jì)，2天硬件調(diào)試指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄一、摘要 1二、相關(guān)理論知識(shí) 2 1、集成運(yùn)算放大器 2 2、差分放大電路 2 3、鏡像電流源 5 4、反向比例運(yùn)算電路 5 5、電壓串聯(lián)負(fù)反饋 63、 高輸入阻抗放大器電路設(shè)計(jì) 8 1、基本方案的確定 8 2、電路圖 94、 高輸入阻抗放大電路仿真結(jié)果 105、 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) 14六、直流穩(wěn)壓電源電路仿真結(jié)果 15七、實(shí)物焊接與調(diào)試 16八、心得體會(huì) 17九、參考文獻(xiàn) 18一、摘要本次課程設(shè)計(jì)是基于模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課

3、程的高輸入阻抗放大器的設(shè)計(jì)，首先主要就集成放大器及其組成、反相比例運(yùn)算電路、電壓串聯(lián)負(fù)反饋、鏡像電流源和差分放大電路作了簡要的分析，重點(diǎn)介紹了高輸入阻抗放大器電路的設(shè)計(jì)、理論分析、仿真與電路的安裝調(diào)試。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的高輸入阻抗放大電路，能夠接很高輸入負(fù)載，在輸入信號(hào)頻率小于100HZ的情況下，能實(shí)現(xiàn)電壓放大倍數(shù)為100倍的效果。且共模抑制比也可以達(dá)到>=60dB的要求對(duì)于直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，通過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓這四個(gè)步驟，按照要求，選取合適的元器件設(shè)計(jì)電路、仿真與電路安裝調(diào)試。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源，輸出為正負(fù)電壓，分別為+15V、-15V。 2、 相關(guān)理論知識(shí)1、 集成

4、運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器簡稱集成運(yùn)放，是一種模擬集成電路。集成運(yùn)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(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)、偏置電路四部分組成。輸入級(jí)常常采用三極管和場效應(yīng)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(shí)獲得盡可能低的零點(diǎn)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(yùn)算放大器的整體性能。中間級(jí)由多極共射極或共源放大器組成，為集成運(yùn)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(fù)合管結(jié)構(gòu)，使用恒流源作為集電極負(fù)載。輸出級(jí)一般由電壓跟隨器或者互補(bǔ)對(duì)稱電壓跟隨器構(gòu)成，具有較低的輸出電阻和較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，同時(shí)需要一個(gè)較寬的

5、線性輸出范圍。輸出級(jí)往往還具備有保護(hù)電路的功能偏置電路為各級(jí)電路設(shè)置合適和穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)，往往采用恒流源電路為三極管或場效應(yīng)管的各電極提供合適的偏置電流。2、 差分放大電路2.1零點(diǎn)漂移 實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，直接耦合放大器即使將輸入端短路，輸出電壓并不為零。而且這個(gè)不為零的電壓會(huì)隨時(shí)間作緩慢的、無規(guī)則的、持續(xù)的變動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為零點(diǎn)漂移，簡稱零漂。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于直接耦合，當(dāng)外界因素變化時(shí)輸出電壓隨之變化。其中溫度的影響最大，所以有時(shí)把零漂也叫溫漂。第一級(jí)的零漂經(jīng)第二級(jí)放大，再傳給第三級(jí)，依次傳遞的結(jié)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(gè)變化的電壓與有用的輸出信號(hào)混在一起

6、，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)蜎]有用信號(hào)，使放大器無法工作。由于在差分式電路中，溫度的變化、電源的波動(dòng)會(huì)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(dāng)于在差分管的兩輸入端加入共模信號(hào)。在理想情況下，不會(huì)使得電路輸出發(fā)生變化，從而達(dá)到抑制溫漂、穩(wěn)定電路性能的目的。由于差分放大器有很強(qiáng)的抑制共模信號(hào)的能力，零點(diǎn)漂移很小，特別適合作多級(jí)直接耦合放大器的輸入級(jí)。2.2差模信號(hào)和共模信號(hào) 差模信號(hào)：把一對(duì)大小相等，極性相反的信號(hào)叫做差模信號(hào)。電路中所加的有用信號(hào)就是差模信號(hào)。 共模信號(hào)：把一對(duì)大小相等，極性相同的信號(hào)叫做共模信號(hào)。電路中的干擾信號(hào)、零點(diǎn)漂移等都可視為共模信號(hào)。 2.3共模抑制比為了科

7、學(xué)地衡量差動(dòng)放大電路性能的優(yōu)劣，檢驗(yàn)電路抑制共模信號(hào)的能力和放大差模信號(hào)的能力，提出了共模抑制比KCMR。 共模抑制比定義為： 有時(shí)用分貝數(shù)表示： 電路中AVD越大，AVC越小，KCMR越大，電路性能越好。2.4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(shí)際上就是在工作點(diǎn)穩(wěn)定電路中的射極電阻，只是此處將兩個(gè)電阻的射極電阻合并成一個(gè)Re，所以經(jīng)它的作用是穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，對(duì)零漂做進(jìn)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。 動(dòng)態(tài)時(shí)分差模輸入和共模輸入兩種狀態(tài)。圖1 差分放大電路原理圖(1)對(duì)差模輸入信號(hào)的

8、放大作用    當(dāng)輸入差模信號(hào)時(shí)，差放兩輸入端信號(hào)大小相等、極性相反，因此差動(dòng)對(duì)管電流增量的大小相等、極性相反，導(dǎo)致兩輸出端對(duì)地的電壓增量，即差模輸出電壓Vod1=-Vod2。此時(shí)雙端輸出電壓Vo=Vod1-Vod2=Vod?？梢?，差放能有效地放大差模輸入信號(hào)。   (2)對(duì)共模輸入信號(hào)的抑制作用    當(dāng)輸入共模信號(hào)時(shí)，差放兩輸入端信號(hào)大小相等、極性相同，因此差動(dòng)對(duì)管電流增量的大小相等、極性相同，導(dǎo)致兩輸出端對(duì)地的電壓增量， 即差模輸出電壓Voc1=Voc2，此時(shí)雙端輸出的電壓為Vo=Voc1

9、-Voc2=0?？梢?，差放對(duì)共模輸入信號(hào)具有很強(qiáng)的抑制能力。 此外，在電路對(duì)稱的條件下，差放具有很強(qiáng)的抑制零點(diǎn)漂移及抑制噪聲與干擾的能力。3、 鏡像電流源 電流源電路就是集成運(yùn)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(fù)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 基本鏡像電流源 T0與T1特性相同，即UBE0= UBE1= UBE，1=0=，Ic1= Ic0 IB1= IB0= IB； R和T0共同構(gòu)成T1的偏置電路； T0管的c-b相連，使Ucb0=0，這是一個(gè)臨界飽和狀態(tài)，Ic=Ic的關(guān)系仍然存在。 4、反向比例運(yùn)算電

10、路圖3 反向比例運(yùn)算電路圖 如圖3所示為反向比例運(yùn)算電路圖，可知：4、 電壓串聯(lián)負(fù)反饋圖4 電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路圖 如圖4為運(yùn)放組成的電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，利用虛短和虛斷的概念可以得知： 則： 閉環(huán)電壓增益為：3、 高輸入阻抗放大器電路設(shè)計(jì)1、基本方案的確定 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(hào)為CA3140E的放大器，此放大器的輸入阻抗高達(dá)歐姆，遠(yuǎn)遠(yuǎn)可以滿足高輸入阻抗的要求，且CA3140E放大器的共模抑制比為90dB，也大于所要求的60dB。設(shè)計(jì)要求是放大倍數(shù)A為100倍，輸入頻率f不大于100HZ，而根據(jù)芯片CA3140E的特點(diǎn)，芯片輸出電壓的值受到直流偏置電壓的影響，最大只能

11、達(dá)到直流偏置電壓的值，所以在這里直流偏置電壓設(shè)計(jì)的是正負(fù)15V。由于放大器本身的電壓放大倍數(shù)達(dá)到了105，而設(shè)計(jì)要求電壓放大倍數(shù)為100，可以引用電壓串聯(lián)負(fù)反饋，來調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)。利用虛短虛斷的概念可知： 則： 閉環(huán)電壓增益為： 基本滿足要求。2、 電路圖圖5 高輸入阻抗放大器設(shè)計(jì)電路四、高輸入阻抗放大電路仿真結(jié)果從圖5中可以看出輸入端接示波器的B端，輸出端接示波器的A端。維持圖5中的電阻R3的阻值100K不變，輸入信號(hào)的頻率為f=100HZ，輸入電壓為V=50mV。運(yùn)行程序得到一波形圖，將Timebase欄里面的scale的參數(shù)設(shè)置為2ms/Div，將Channel A欄中的sc

12、ale的參數(shù)設(shè)置為2V/Div,將Channel B欄中的參數(shù)設(shè)置為50mV/Div。將T1時(shí)刻的坐標(biāo)定在波谷處，將T2時(shí)刻的坐標(biāo)定在波峰處，即可得到圖6中的波形。圖6 輸入輸出波形圖 從圖6中T1和T2位置讀出的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出電壓的放大倍數(shù)  AT1= AT2= 電壓放大倍數(shù)誤差不超過1%。 維持圖5中的電阻R3的阻值100K不變，輸入信號(hào)的頻率為f=100HZ，輸入電壓為V=100mV。運(yùn)行程序得到一波形圖，將Timebase欄里面的scale的參數(shù)設(shè)置為2ms/Div，將Channel A欄中的scale的參數(shù)設(shè)置為5V/Div,將Channel 

13、B欄中的參數(shù)設(shè)置為100mV/Div。將T1時(shí)刻的坐標(biāo)定在波峰處，將T2時(shí)刻的坐標(biāo)定在波谷處，即可得到圖7中的波形。圖7 輸入輸出波形圖 從圖7中T1和T2位置讀出的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出電壓的放大倍數(shù)  AT1= AT2=電壓放大倍數(shù)誤差不超過1%。 將圖5中的電阻R3的阻值改為1M，輸入信號(hào)的頻率維持f=100HZ，輸入電壓為V=50mV。運(yùn)行程序得到一波形圖，將Timebase欄里面的scale的參數(shù)設(shè)置為2ms/Div，將Channel A欄中的scale的參數(shù)設(shè)置為2V/Div,將Channel B欄中的參數(shù)設(shè)置為50mV/Div。將T1時(shí)刻的坐標(biāo)定在波峰處，將

14、T2時(shí)刻的坐標(biāo)定在波谷處，即可得到圖8中的波形。      圖8 輸入輸出波形圖 從圖8中T1和T2位置讀出的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出電壓的放大倍數(shù) AT1= AT2= 電壓放大倍數(shù)誤差不超過1%。 將圖5中的電阻R3的阻值改為1M，輸入信號(hào)的頻率維持f=100HZ，輸入電壓為V=100mV。運(yùn)行程序得到一波形圖，將Timebase欄里面的scale的參數(shù)設(shè)置為2ms/Div，將Channel A欄中的scale的參數(shù)設(shè)置為5V/Div,將Channel B欄中的參數(shù)設(shè)置為100mV/Div。將T1時(shí)刻的坐標(biāo)定在波峰處，將T2時(shí)刻的坐

15、標(biāo)定在波谷處，即可得到圖9中的波形。圖9 輸入輸出波形圖 從圖9中T1和T2位置讀出的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出電壓的放大倍數(shù) AT1= AT2= 電壓放大倍數(shù)誤差不超過1%。五、直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) CA3140芯片的直流偏置電壓是+15v和-15v，按照課程設(shè)計(jì)的要求，自制一個(gè)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(gòu)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(dòng)的直流電壓。因?yàn)榇蚊}動(dòng)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(huì)因?yàn)殡娋W(wǎng)

16、電壓的波動(dòng)、負(fù)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(huì)隨著穩(wěn)壓電路的波動(dòng)、負(fù)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)壓器在使用中普遍使用的是三端穩(wěn)壓器。本次課程設(shè)計(jì)我選擇LM7815和LM7915芯片組成電路，原理圖如圖10。 圖10 直流穩(wěn)壓電源電路圖六、直流穩(wěn)壓電源電路仿真結(jié)果 當(dāng)輸入220V、50Hz 的交流電，LM7815的3號(hào)腳輸出電壓為+15.514V，LM7915的輸出是-15.628V，仿真的結(jié)果滿足要求，說明此穩(wěn)壓電路是可行的。

17、直流穩(wěn)壓電源的仿真圖如圖11，圖12.圖11 輸出為+15V圖12 輸出為-15V七、實(shí)物焊接與調(diào)試 1、焊接首先對(duì)電路圖上需要的元器件進(jìn)行采購。采購?fù)戤吅?，在稿紙上大致?guī)劃各個(gè)元器件的位置布局，檢查無誤后開始焊接。焊接時(shí)注意各焊點(diǎn)各導(dǎo)線不交叉，避免短路現(xiàn)象。實(shí)物如圖13所示。圖13 高輸入阻抗放大器和直流穩(wěn)壓電源實(shí)物圖2、 調(diào)試CA3140芯片的7號(hào)管腳加15V直流偏置電壓，4號(hào)管腳加-15V直流偏置電壓，連接好地線，開始電路板調(diào)試。輸入電壓為100mv,頻率為100HZ的正弦交流電壓，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八、心得體會(huì)這次模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)是

18、我們?cè)谶M(jìn)入大學(xué)后接到的第一個(gè)課程設(shè)計(jì)任務(wù)。經(jīng)過了一個(gè)學(xué)期的模電理論知識(shí)和模電實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐，我們對(duì)模擬電子技術(shù)這門課程已經(jīng)歷了從陌生到熟悉的過程。但盡管如此，在第一次看到我們組的課程設(shè)計(jì)題目和要求時(shí)，我還是感到了一絲迷茫無法將課本中的知識(shí)一下子轉(zhuǎn)換成實(shí)際電路的要求。但是經(jīng)過對(duì)課本上相關(guān)章節(jié)的查閱，尤其是第六章和第十一章，再加上詢問老師、組員，和有關(guān)資料的瀏覽后，我終于捋清了思緒，設(shè)計(jì)出了電路圖。與此同時(shí)，我也第一次接觸到了Multisim這個(gè)仿真軟件，通過半天的磕磕碰碰把它的操作摸索清楚，將我設(shè)計(jì)的電路圖仿真了出來，結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。那一刻仿佛所有的付出都得到了回報(bào)，讓我在緊張忙碌的幾天設(shè)計(jì)準(zhǔn)備中終于嘗到了一點(diǎn)成功的味道。通過這次課程設(shè)計(jì)，我深深地體會(huì)到“紙上學(xué)來終覺淺，絕知此事要躬行”