基于OP07的程控放大器設(shè)計(jì)

1、 模擬電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)課題：程控放大器設(shè)計(jì)班 級(jí)：15級(jí)電子科學(xué)與技術(shù)姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)老師： 設(shè)計(jì)時(shí)間：2017年6月12日14日學(xué) 院：物理與信息工程學(xué)院程控放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要本文介紹了一種可數(shù)字程序控制增益的放大器。該電路由兩片OP07CP芯片組成兩級(jí)反相放大器，采用CD4051芯片作為增益切換開(kāi)關(guān)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)改變反饋電阻來(lái)達(dá)到改變電路的增益的目的，可適應(yīng)大范圍變化的模擬信號(hào)電平。文章首先對(duì)兩種系統(tǒng)方案進(jìn)行詳細(xì)介紹與優(yōu)劣對(duì)比， 接著概述了電路的設(shè)計(jì)過(guò)程及思路，然后又介紹了系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程與過(guò)程中遇到的問(wèn)題的解決。該系統(tǒng)可以很好的完成目標(biāo)要求，即增益范圍為10DB6

2、0DB，在40DB處有40KHZ的帶寬。關(guān)鍵詞程控放大器；運(yùn)算器放大器；增益The Design and Realization of Program-controlled AmplifierAbstractThis paper presents an amplifier with digitally controlled gain. The circuit consists of two OP07CP chip level two inverting amplifier using CD4051 chip as the gain switch, change the feedback res

3、istance by controlling the switch to change the gain of the circuit to adapt to changes in the scope of the analog signal level. This paper first introduces the two system schemes in detail, and compares the advantages and disadvantages, then summarizes the design process and ideas of the circuit, a

4、nd then introduces the debugging process of the system and the solutions to the problems encountered in the process. The system can achieve the target requirements very well, that is, the gain range is 10DB - 60DB, and there is 40KHZ bandwidth at 40DB. Key wordsProgram-controlled amplifier; operatio

5、nal Amplifier; gain目錄1 前言42.指標(biāo)要求63 總體方案設(shè)計(jì)63.1 方案一63.2 方案二83.3方案選擇9方案1具有如下優(yōu)缺點(diǎn)：9方案2具有如下優(yōu)缺點(diǎn)：94單元模塊設(shè)計(jì)114.1單元模塊功能介紹114.1.1 兩級(jí)放大114.2電路參數(shù)計(jì)算144.2.1放大參數(shù)計(jì)算144.2.2 第二級(jí)放大參數(shù)計(jì)算144.2.3元器件的選擇144.3各單元模塊連接155.1硬件調(diào)試165.1.1 調(diào)試內(nèi)容165.2.2 調(diào)試方法166. 系統(tǒng)功能和指標(biāo)參數(shù)176.1 功能176.2 指標(biāo)參數(shù)測(cè)試176.2.1測(cè)試方法176.3 實(shí)測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)要求的對(duì)比176.4波形記錄187設(shè)計(jì)總結(jié)

6、22【參考文獻(xiàn)】231 前言在這個(gè)數(shù)字電路高速發(fā)展的時(shí)代，許多模擬電路已被數(shù)字化，似乎數(shù)字將完全取代模擬，當(dāng)然，這是不可能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槭挛锏谋驹词菙?shù)字的，自然界的信息也是連續(xù)的模擬的，因此研究模擬電路也是十分有必要的。而本文介紹的程控增益放大器則巧妙的結(jié)合了數(shù)字電路和模擬電路，用數(shù)字控制模擬對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，這大大方便了對(duì)該電路的使用，而這也將成為一種趨勢(shì)。本文介紹的放大器可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行大范圍放大，而且在中頻段的線性性吻合的特別好。該電路最大限度的利用了OP07的優(yōu)點(diǎn)。在這個(gè)越來(lái)越重視數(shù)據(jù)的時(shí)代，程控增益放大器在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)和各種智能儀器儀表中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。2.指標(biāo)要求設(shè)計(jì)和

7、實(shí)現(xiàn)一程控放大器，增益在1060dB之間，以10dB步進(jìn)可調(diào)；當(dāng)增益為40dB時(shí)，3dB帶寬40kHz.電壓增益誤差10，最大輸出電壓10V。3 總體方案設(shè)計(jì)3.1 方案一圖3.1 儀表放大器框圖該方案是通過(guò)將信號(hào)輸入由三運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大器（如圖3.2）中，該電路的增益公式為 。第一級(jí)為由兩對(duì)稱同相放大器構(gòu)成的差分放大器，通過(guò)調(diào)整兩運(yùn)放間公用的反饋網(wǎng)絡(luò)電阻Rg的大小，從而達(dá)到改變第一級(jí)的增益，而第二級(jí)用的是一個(gè)減法電路。對(duì)加到放大器輸入端的共模電壓在RG兩端具有相同的電位，從而不會(huì)在RG上產(chǎn)生電流。由于沒(méi)有電流流過(guò)RG（也就無(wú)電流流過(guò)R1和R2），因此對(duì)于公模信號(hào)來(lái)說(shuō)放大器A1 和A2 將作

8、為單位增益跟隨器而工作。因此，共模信號(hào)將以單位增益通過(guò)輸入緩沖器，而差分電壓將按1（2 RF/RG）的增益系數(shù)被放大。這也就意味著該電路的第一級(jí)共模抑制比是1（2 RF/RG）。第二級(jí)普通減法電路，如果能做到R4=R6,R3=R5那么也可以引入極高的CMRR但是由于電阻阻值存在誤差，而這一電路要求電阻對(duì)R4 /R6和R3 /R5的比值匹配得非常精密，否則，每個(gè)輸入端的增益會(huì)有差異，直接影響共模抑制。例如，當(dāng)增益等于 1 時(shí)，所有電阻值必須相等，在這些電阻器中只要有一只電 阻 值 有 0.1% 失 配 ， 其CMRR便 下 降 到 66 dB（2000:1）。同樣，如果源阻抗有 100 的不平衡

9、將使CMRR下降 6 dB。 因此靠這一級(jí)提高CMRR明顯是靠不住的。 圖3.23.2 方案二圖3.3 兩級(jí)反相放大器框圖該方案將交流信號(hào)經(jīng)過(guò)兩級(jí)反相放大，可通過(guò)改變反饋電阻的阻值來(lái)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，其原理圖以及增益公式如圖3.4所示。該電路較為簡(jiǎn)單，其增益公式也比較簡(jiǎn)單，他的共模抑制必須依靠運(yùn)放的內(nèi)部差分放大器，由于經(jīng)過(guò)兩次反向，因此其輸出的信號(hào)將與輸入的同相位。 圖3.4 3.3方案選擇方案1具有如下優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：具有極高的CMRR，通過(guò)調(diào)節(jié)RG也足以完成10DB-60DB的增益范圍。缺點(diǎn)：該電路第一級(jí)為同相放大器，放大倍數(shù)必須是1以上，而課程設(shè)計(jì)的放大倍數(shù)必須是3.1到1000倍，因此第二級(jí)

10、放大倍數(shù)不可能超過(guò)3.1，這意味著第一級(jí)放大器將承受最大為330倍的增益。而0P07的GBP只有0.6M，說(shuō)明當(dāng)放大倍數(shù)為100時(shí)，第一級(jí)將放大33倍，這樣的話其最大3DB帶寬上限頻率只有18.8M，而題目要求達(dá)到當(dāng)增益為40dB時(shí)，3dB帶寬40kHz.所以這個(gè)電路明顯達(dá)不到這個(gè)要求。方案2具有如下優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，兩個(gè)輸入端電壓相等并等于零，故沒(méi)有共模輸入信號(hào)，從而對(duì)運(yùn)放的共模抑制沒(méi)有要求；且該形式的電路增益調(diào)節(jié)十分方便，增益可以在0以下，這是同相放大做不到的。而該系統(tǒng)可以完成所有指標(biāo)要求，甚至超過(guò)。        缺點(diǎn)：深度負(fù)反饋條件

11、下，輸入電阻為R1，輸入電阻不能達(dá)到理想情況。這里選擇優(yōu)點(diǎn)更多且更方便調(diào)節(jié)的方案2。4單元模塊設(shè)計(jì)4.1單元模塊功能介紹4.1.1 兩級(jí)放大圖4.1.1 兩級(jí)放大放大部分采用了反相放大電路，輸入部分串入耦合電容可以除去直流量，它的抗干擾能力強(qiáng)，在輸入級(jí)正是要有這個(gè)特點(diǎn)，能夠有效抑制噪聲；通過(guò)調(diào)節(jié)反饋網(wǎng)絡(luò)的阻值可方便的改變放大倍數(shù)，電路結(jié)構(gòu)也很簡(jiǎn)單。4.1.2 程控部分圖 程控部分通過(guò)控制撥碼開(kāi)關(guān)輸入三位的二進(jìn)制代碼，可以使模擬開(kāi)關(guān)選擇不同的檔位，來(lái)選擇不同的電阻連接到電路中，如上圖所示，其中A1與A2分別與上個(gè)模塊中的對(duì)應(yīng)A1,A2連接。4.1.3 電源退耦部分電源退偶，可將電源上的噪聲電壓引

12、入到地平面，讓電源電壓保持在一個(gè)穩(wěn)定的值，這樣系統(tǒng)才可能穩(wěn)定工作。用一個(gè)大電容并聯(lián)一個(gè)小電容，并且在布局時(shí)盡量將電容放在運(yùn)放電源引腳旁。4.2電路參數(shù)計(jì)算4.2.1放大參數(shù)計(jì)算放大倍數(shù)計(jì)算表達(dá)式：A=Rf1/R1，選定R1為1，第二級(jí)放大10倍，則根據(jù)計(jì)算式可得如下表格：3.1621031.62100316.2100010dB20dB30dB40dB50dB60dBRf10.3162K1K3.162K10K31.62K100K4.2.2 第二級(jí)放大參數(shù)計(jì)算放大倍數(shù)計(jì)算表達(dá)式：A=Rf2/R2，選定R2為1，則Rf2=10。4.2.3元器件的選擇運(yùn)放OP07CP2個(gè)模擬開(kāi)關(guān)CD4051BE1個(gè)撥

13、碼開(kāi)關(guān)六腳1個(gè)電位器（）2031個(gè)2046個(gè)電阻1K、10K各5個(gè)電容103、104各5個(gè)4.3各單元模塊連接圖4.3 單元模塊連接第一級(jí)放大與程控部分相結(jié)合，便為可控增益的反相放大器，其放大倍數(shù)可通過(guò)程控電阻選擇電路，第二級(jí)放大倍數(shù)定為10倍左右。5.1硬件調(diào)試5.1.1 調(diào)試內(nèi)容(1) 調(diào)節(jié)第二級(jí)放大倍數(shù)為10倍；(2) 調(diào)第一級(jí)各個(gè)檔次放大倍數(shù)使總的放大倍數(shù)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。(3) 調(diào)試40DB處的帶寬，如果帶寬不夠適當(dāng)調(diào)整耦合電容的大小。5.2.2 調(diào)試方法（1） 將10KHZ,100mv交流小信號(hào)（無(wú)偏置）直接輸入到二級(jí)放大器Vi2處，輸出接到示波器，調(diào)整二級(jí)放大反饋電阻，使輸出為1v且

14、不失真；（2） 將撥碼開(kāi)關(guān)撥到1檔（=000），輸入10KHZ 10mv正弦信號(hào)，輸出接示波器，調(diào)整第一級(jí)放大反饋電阻，使得輸出VPP約為31.62mv；（3） 將撥碼開(kāi)關(guān)撥到2檔（=001），調(diào)整反饋電阻大小，使得輸出VPP為100mv；（4） 將撥碼開(kāi)關(guān)撥到3檔（=010），調(diào)整反饋電阻，使得使得輸出VPP為316.2mv；（5） 將撥碼開(kāi)關(guān)撥到4檔（=011），調(diào)整第一級(jí)放大反饋電阻使得輸出VPP為1v；（6） 將撥碼開(kāi)關(guān)撥到5檔（=100），調(diào)整反饋電阻，使得使得輸出VPP為3.16v且不失真；（7） 撥碼關(guān)撥到第6檔（=101），調(diào)整第一級(jí)放大反饋電阻，輸出應(yīng)為VPP=10v；（8）

15、 在第4檔即100倍處，將頻率上升至50KHZ，輸出VPP應(yīng)不低于707mv且波形無(wú)失真。調(diào)試完畢。6. 系統(tǒng)功能和指標(biāo)參數(shù)6.1 功能系統(tǒng)可通過(guò)數(shù)字信號(hào)輸入控制放大器的增益大小，實(shí)現(xiàn)從10dB到60dB的增益,以10dB步進(jìn)可調(diào)，總共六檔切換，且在40DB的增益處有40KHZ以上的帶寬。6.2 指標(biāo)參數(shù)測(cè)試6.2.1測(cè)試方法將10mv交流小信號(hào)輸入到放大器第一級(jí)的反相輸入端，然后將輸出接到示波器，撥動(dòng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)調(diào)到對(duì)應(yīng)檔位（15檔，即=000101），觀察示波器的波形峰峰值。6.3 實(shí)測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)要求的對(duì)比輸入正弦信號(hào)：10mv 10KHZ檔位123456輸出31.6mv96.8mv312mv

16、1.07V3.16V9.92V實(shí)際增益3.169.6831.210731699210dB19.72DB29.88DB40.55DB49.99DB59.93DB放大倍數(shù) 3.1621031.62100316.21000增益10dB20dB30dB40dB50dB60dB增益誤差01.4%0.4%1.37%0.02%0.11%輸入正弦信號(hào)：10mv 50KHZ輸出 728mv放大倍數(shù)72.8增益 37.24DB分析該級(jí)放大應(yīng)為40DB，40HZ帶寬下最小不能低于37DB即下降范圍在3DB以內(nèi) 6.4波形記錄10DB增益 10mv 10KHZ輸入 20DB增益 10mv 10KHZ輸入30DB增益 10mv 10KHZ輸入 40DB增益 10mv 10KHZ輸入 40DB增益 10mv 30KHZ輸入 40DB增益 10mv 50KHZ輸入50DB增益 10mv 10KHZ輸入60DB增益 10mv 10KHZ輸入7設(shè)計(jì)總結(jié) 通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)，我收獲良多。首先是學(xué)會(huì)了查看芯片手冊(cè)，了解了OP07和CD4017的各種參數(shù)，并懂得了在調(diào)試的時(shí)候應(yīng)時(shí)刻注意那些相關(guān)的參數(shù)，做到心中有數(shù)，不至于調(diào)試的時(shí)候盲目不知所措。在查看完芯片手冊(cè)之后，再來(lái)看課題要求，并根據(jù)要求確定方案，設(shè)計(jì)出符合條件的電路。 而調(diào)試運(yùn)放也有許多技巧，例如當(dāng)電路設(shè)計(jì)完