高精度線性放大器(lnut)最終版本

PAGEV遼寧工業(yè)大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)（論文）題目：高精度線性放大器院（系）：專(zhuān)業(yè)班級(jí)：學(xué)號(hào)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：（簽字）起止時(shí)間：2013.7.1—2013.7.13本科生課程設(shè)計(jì)（論文）

課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)院（系）：電子與信息工程學(xué)院教研室：電子信息教研室學(xué)號(hào)學(xué)生姓名專(zhuān)業(yè)班級(jí)課程設(shè)計(jì)題目高精度線性放大器課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)設(shè)計(jì)參數(shù)：1.設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)高精度線性放大器。2.線性失真度不大于0.5%3.放大倍數(shù)2000，輸入電阻2M，輸出電阻100設(shè)計(jì)要求：1.分析設(shè)計(jì)要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等，廣開(kāi)思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。2.確定合理的總體方案。對(duì)各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡(jiǎn)、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來(lái)源，敲定可行方案。3.設(shè)計(jì)各單元電路?？傮w方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個(gè)設(shè)計(jì)。4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號(hào)的流向，采用左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說(shuō)明。進(jìn)度計(jì)劃1、布置任務(wù)，查閱資料，理解掌握系統(tǒng)的控制要求。（1天）2、確定分析放大器方式，各參數(shù)及應(yīng)用。（2天）3、各種方案中進(jìn)行比較，確立合理的總體方案。（2天）4、設(shè)計(jì)各單元電路及總電路。（2天）5、對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，確定PID控制參數(shù)，分析系統(tǒng)性能。（2天）6、撰寫(xiě)、打印設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（1天）指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)平時(shí)：論文質(zhì)量：答辯：總成績(jī)：指導(dǎo)教師簽字：年月日注：成績(jī)：平時(shí)20%論文質(zhì)量60%答辯20%以百分制計(jì)算

摘要本文介紹一個(gè)將微小的、變化緩慢的直流或交流信號(hào)精確地放大10~5～10~6倍的線性放大器,具有溫漂小、精度高、線性好等特點(diǎn)。與調(diào)制型直流放大器相比其線路簡(jiǎn)單、調(diào)試容易、通用性好。該設(shè)計(jì)為人們的生活、生產(chǎn)帶來(lái)了極大的方便。而高精度運(yùn)放主要是指失調(diào)和噪音非常低，增益和共模抑制比非常高的運(yùn)算放大器，因?yàn)橹挥羞@樣，才能使放大器的等效輸入誤差的綜合值減小，達(dá)到高精度的目的。此次設(shè)計(jì)主要論述了放大器的輸入級(jí)，中間級(jí)，輸出級(jí)的電路設(shè)計(jì)及其具體計(jì)算。輸入級(jí)將輸入信號(hào)送人中間放大級(jí)。中間放大級(jí)將輸入信號(hào)放大并傳遞到輸出級(jí)。輸出電路將放大信號(hào)提供給負(fù)載。以儀用放大器組成放大電路，基本滿足設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：放大器;溫漂;高精度;通用性;線性度目錄TOC\o"1-3"\f\h\z第1章緒論 11.1高精度放大器概況 11.2運(yùn)放注意事項(xiàng) 11.3相關(guān)問(wèn)題論述 2第2章高精度線性放大器方案設(shè)計(jì) 42.1設(shè)計(jì)參數(shù)及要求 42.2設(shè)計(jì)方案論證 42.3總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析 5第3章各單元電路設(shè)計(jì) 63.1輸入電路設(shè)計(jì)及分析 63.2中間級(jí)放大電路設(shè)計(jì)及分析 73.3輸出級(jí)電路設(shè)計(jì)及分析 8第4章整體電路設(shè)計(jì)及仿真 94.1系統(tǒng)原理圖 94.2電路仿真及分析 11第5章課程設(shè)計(jì)總結(jié) 13附錄Ⅰ參考文獻(xiàn) 14附錄Ⅱ電路總圖 15附錄Ⅲ元器件清單 16PAGE16緒論高精度放大器概況近年來(lái)，各種電子產(chǎn)品的迅速發(fā)展，高精度放大器越來(lái)越受到人們的重視。高精度線性放大器是模擬電路中的一個(gè)基本重要模塊。其性能直接影響到電路及系統(tǒng)的整體性能。同時(shí)，現(xiàn)代集成電路特征尺寸越來(lái)越小，也導(dǎo)致集成電路產(chǎn)品的工作電壓及功耗越來(lái)越低，這樣待處理的信號(hào)越來(lái)越弱，這就要求有更高精度的放大器。而通用放大器顯然不能滿足這些要求。高精度運(yùn)放主要是指失調(diào)和噪音非常低，增益和共模抑制比非常高的運(yùn)算放大器，因?yàn)橹挥羞@樣，才能使放大器的等效輸入誤差的綜合值減小，達(dá)到高精度的目的。為人們的生活、生產(chǎn)帶來(lái)了極大的方便。而且運(yùn)用范疇很廣，其中高精度放大器可用于量測(cè)儀器、控制系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)試設(shè)備等。在醫(yī)療領(lǐng)域中也有超音波、氣體分析、血壓計(jì)、診斷器等，此外汽車(chē)中的引擎管理、傳動(dòng)系統(tǒng)管理等，也要用到高精度的運(yùn)放。運(yùn)放注意事項(xiàng)差動(dòng)輸入級(jí)：使運(yùn)放具有盡可能高的輸入電阻及共模抑制比。中間放大級(jí)：由多級(jí)直接耦合放大器組成，以獲得足夠高的電壓增益。輸出級(jí)：可使運(yùn)放具有一定幅度的輸出電壓、輸出電流和盡可能小的輸出電阻。在輸出過(guò)載時(shí)有自動(dòng)保護(hù)作用以免損壞集成塊。輸出級(jí)一般為互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)推挽電路。偏置電路：為各級(jí)電路提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。為使工作點(diǎn)穩(wěn)定，一般采用恒流源偏置電路。需要注意的問(wèn)題（也有誤差產(chǎn)生的原因）：1)輸入信號(hào)選用交、直流量均可，但在選取信號(hào)的頻率和幅度時(shí)，應(yīng)考慮運(yùn)放的頻響特性和輸出幅度的限制。2)調(diào)零。為提高運(yùn)算精度，在運(yùn)算前，應(yīng)首先對(duì)直流輸出電位進(jìn)行調(diào)零，即保證輸入為零時(shí)，輸出也為零。當(dāng)運(yùn)放有外接調(diào)零端子時(shí)，可按組件要求接入調(diào)零電位器RW，調(diào)零時(shí)，將輸入端接地，調(diào)零端接入電位器RW，用直流電壓表測(cè)量輸出電壓U0，細(xì)心調(diào)節(jié)RW，使U0為零（即失調(diào)電壓為零）。相關(guān)問(wèn)題論述容性負(fù)載：在大多數(shù)情況下，負(fù)載電容并非人為地所加電容。它常常是人們不希望的一種客觀存在，例如一段同軸電纜所表現(xiàn)出的電容效應(yīng)。但是在有些情況下，要求對(duì)運(yùn)算放大器的輸出端的直流電壓進(jìn)行去耦。例如，當(dāng)運(yùn)放被用作基準(zhǔn)電壓的倒相或驅(qū)動(dòng)一個(gè)動(dòng)態(tài)負(fù)載時(shí)。在這種情況下，你也許在運(yùn)放的輸出端直接連接旁路電容。不論哪種情況，容性負(fù)載都要對(duì)運(yùn)放的性能有影響。補(bǔ)償措施：提高噪聲增益法環(huán)路外補(bǔ)償法環(huán)路內(nèi)補(bǔ)償供電電壓影響：雙電源供電固然很好，但現(xiàn)實(shí)中許多時(shí)候希望是單電源供電，這就遇到問(wèn)題了。常規(guī)的解決方法是給輸入信號(hào)一個(gè)偏置電壓，這樣信號(hào)高于0V，正負(fù)周都能被放大。如果遇到一雙電源供電的電路，IN+,IN-都有相應(yīng)的設(shè)計(jì)，(不是簡(jiǎn)單一信號(hào)輸入，一接地，比如IN+)，這時(shí)候要改成單電源供電，怎么加偏置電壓？直接加一偏置電壓？輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)電壓范圍、系統(tǒng)整體供電電壓大小以及輸出要求才可決定，但不同電源的不同電源抑制比(PSRR)會(huì)影響運(yùn)算放大器的準(zhǔn)確性，其中以采用電池供電的系統(tǒng)所受影響最大。此外，功耗大小也與內(nèi)部電路的靜態(tài)電流及供電電壓有直接的關(guān)系。零漂問(wèn)題：零漂：零漂，是零點(diǎn)漂移（Zerodrift）的簡(jiǎn)稱(chēng)，是指在直接耦合放大電路中，當(dāng)輸入端無(wú)信號(hào)時(shí)，輸出端的電壓偏離初始值而上下漂動(dòng)的現(xiàn)象。零漂是由于溫度的變化、電源電壓的不穩(wěn)定等原因造成的。差分放大電路要有良好的電壓放大倍數(shù)。跟共模抑制比。即可以有效抑制零漂，滿足電路要求，故本設(shè)計(jì)采用差分放大電路。帶寬問(wèn)題：運(yùn)放的帶寬簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是用來(lái)衡量一個(gè)放大器能處理的信號(hào)的頻率范圍，帶寬越高，能處理的信號(hào)頻率越高，高頻特性就越好，否則信號(hào)就容易失真，不過(guò)這是針對(duì)小信號(hào)來(lái)說(shuō)的，在大信號(hào)時(shí)一般用壓擺率（或者叫轉(zhuǎn)換速率）來(lái)衡量。比如說(shuō)一個(gè)放大器的放大倍數(shù)為n倍，但并不是說(shuō)對(duì)所有輸入信號(hào)的放大能力都是n倍，當(dāng)信號(hào)頻率增大時(shí)，放大能力就會(huì)下降，當(dāng)輸出信號(hào)下降到原來(lái)輸出的0.707倍時(shí)，也就是根號(hào)2分之一，或者叫減小了3dB，這時(shí)候信號(hào)的頻率就叫做運(yùn)放的帶寬。當(dāng)輸出信號(hào)幅度很小在0.1VP-P以下時(shí)，主要考慮單位帶寬積的影響。當(dāng)輸出信號(hào)幅度很大時(shí)，主要考慮轉(zhuǎn)速速率Sr的影響。在這種情況下要算功率帶寬，F(xiàn)PBW=Sr/2πVp-p。也就是在設(shè)計(jì)電路時(shí)要同時(shí)滿足增益帶寬和功率帶寬。高精度線性放大器方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)參數(shù)及要求設(shè)計(jì)參數(shù)：1．設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)高精度線性放大器。2．線性失真度不大于0.5%3．放大倍數(shù)2000，輸入電阻2M，輸出電阻100設(shè)計(jì)要求：1.分析設(shè)計(jì)要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等，廣開(kāi)思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。2.確定合理的總體方案。對(duì)各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡(jiǎn)、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來(lái)源，敲定可行方案。3.設(shè)計(jì)各單元電路。總體方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個(gè)設(shè)計(jì)。4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號(hào)的流向，采用左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說(shuō)明。設(shè)計(jì)方案論證1.采用高精度OP07放大器組成電橋差動(dòng)放大器利用一個(gè)放大器將雙端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)變成單端輸出然后通過(guò)電阻與下一級(jí)反相比例放大器進(jìn)行耦合放大主要通過(guò)后以級(jí)的比例放大器獲得，此電路的的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)起來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)要求不高，但是其輸出阻抗低，共模抑制比，失調(diào)電壓和失調(diào)電流等參數(shù)亦受到放大器本身性能限制不易進(jìn)一步提高，且無(wú)法抑制放大器本身的零漂及共模信號(hào)產(chǎn)生，雖然電路簡(jiǎn)單，元器件少，但未能完成設(shè)計(jì)，故舍棄。2.采用比較通用的儀用放大器，它是由運(yùn)放A1，A2按組成第一級(jí)差分放大器。運(yùn)放A3組成第二級(jí)差分放大器。在第一級(jí)中V1，V2分別加到A1，A2的同相端R1和兩個(gè)R2組成的反饋網(wǎng)絡(luò)，引用了負(fù)反饋，兩運(yùn)放A1，A2的兩輸入端形成虛短和虛斷，可以得到電路的電壓增益，適當(dāng)?shù)倪x擇電阻既可以實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的改變，并且可以將R1用一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娢黄鞔?，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)放大倍數(shù)的控制綜上：高精度線性放大器設(shè)計(jì)有很多種，我選擇的是第二種方案的合理改造，仍然采用差分式輸入的方式，能有效的提高抑制比，電路零漂的影響主要來(lái)自第一級(jí)放大，因而第一級(jí)采用了差分式輸入的方式，就能有效地提高整個(gè)電路的共模抑制比，可以達(dá)到減小線性失真、增大精度的目的?？傮w設(shè)計(jì)方案框圖及分析分析：變壓器將市電變?yōu)檎魉桦妷海央妷航档?。整流將交流電變成為直流電。濾波電路將帶有紋波的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷?。圖2.1方案框圖總體方案分為四部分，輸入級(jí)、中間放大級(jí)、輸出級(jí)、偏置電路。輸入級(jí)將輸入信號(hào)送人中間放大級(jí)。中間放大級(jí)將輸入信號(hào)放大并傳遞到輸出級(jí)。輸出電路將放大信號(hào)提供給負(fù)載。電源為電路提供穩(wěn)定直流偏置，確保電路穩(wěn)定工作。如圖。各單元電路設(shè)計(jì)輸入電路設(shè)計(jì)及分析放大器輸入電路圖及其分析：圖3.1輸入級(jí)電路分析：由電路圖可知，輸入級(jí)電路采用差分式放大電路。差分放大電路利用電路參數(shù)的對(duì)稱(chēng)性和負(fù)反饋?zhàn)饔?，有效地穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，以放大差模信號(hào)抑制共模信號(hào)為顯著特征。此外，在電路對(duì)稱(chēng)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。又由于電路完全對(duì)稱(chēng)，故原件參數(shù)對(duì)稱(chēng)。T1，T2參數(shù)相同；R7=R8；R1=R6。中間級(jí)放大電路設(shè)計(jì)及分析放大器中間級(jí)電路圖及其分析：圖3.2中間級(jí)電路圖分析：電路圖可知，中間級(jí)放大電路采用二級(jí)放大電路，其中采用典型的同相比例放大接法，反饋方式是電壓串聯(lián)負(fù)反饋。其優(yōu)點(diǎn)是提高增益的穩(wěn)定性，維持輸出信號(hào)的恒定；減小非線性失真；抑制反饋環(huán)內(nèi)噪聲，擴(kuò)展頻帶。輸出級(jí)電路設(shè)計(jì)及分析放大器輸出級(jí)電路圖及其分析：圖3.3輸出級(jí)電路分析：由電路圖可知，輸出及電路采用射極跟隨器。其特點(diǎn)為輸入阻抗高，輸出阻抗低，因而從信號(hào)源索取的電流小而且?guī)ж?fù)載能力強(qiáng)，所以常用于多級(jí)放大電路的輸入級(jí)和輸出級(jí)。射極跟隨器雖然沒(méi)有電壓放大能力，但由于電路深度負(fù)反饋的作用，具有工作穩(wěn)定、頻響寬、輸入電阻大和輸出電阻小等突出優(yōu)點(diǎn)。且射極跟隨器的電壓放大倍數(shù)小于近于1，且為正值,輸入信號(hào)與輸出信號(hào)相位相同,這是深度電壓負(fù)反饋的結(jié)果。它的射極電流仍比基流大(1＋β)倍，所以它還具有一定的電流和功率放大作用。并且與該電路直接與負(fù)載連接，能減少負(fù)載對(duì)輸出信號(hào)的影響，保證輸出信號(hào)額穩(wěn)定性和精度。整體電路設(shè)計(jì)及仿真系統(tǒng)原理圖高精度線性放大器原理圖:圖4.1整體電路圖輸入級(jí)為差分放大電路，將輸入信號(hào)送入中間級(jí)放大電路中極具放大電路采用集成運(yùn)放二級(jí)放大，將放大信號(hào)送入輸出級(jí)，有輸出級(jí)將放大信號(hào)送入到負(fù)載。系統(tǒng)原理綜述及分析：輸入級(jí)電路：輸入級(jí)的差分電路是單端輸入單端輸出，它的電壓增益與雙端輸入、單端輸出的情形完全相同。該級(jí)電路對(duì)信號(hào)的放大增益為1，整個(gè)電路的輸入電阻達(dá)到2MΩ。該級(jí)電路的輸入電阻參數(shù)計(jì)算如下：β1=100Ri=2*[rbe1+(1+β1)*R1]≈2*R1*β1=2MΩ中間級(jí)電路：中放級(jí)采用集成運(yùn)放二次放大，電路運(yùn)放均采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋連接組態(tài)。R12＝100kΩ,R5=10Ω,R13=R14=100Ω,放大增益計(jì)算如下：Av1=1+R12/R5≈R12/R5=10k/10=1000Av2=1+R14/R13=1+100/100=2Av=Av1*Av2=1000*2=2000輸出級(jí)電路：輸出級(jí)采用BJT共射極電路輸出，該電路對(duì)輸入信號(hào)的放大增益近似為1。該級(jí)電路主要調(diào)整其參數(shù)滿足輸出電阻等于100Ω的設(shè)計(jì)指標(biāo)，該電路的具體參數(shù)計(jì)算如下：Rc’=Rs//R15Ro=Re//[(Rc’+rbe)/(1+β)]由于中放級(jí)放大電路采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋，所以中放級(jí)電路輸出電阻較小，若中放級(jí)輸出電阻Rs＝5kΩ，R15＝500kΩ，β＝50，rbe＝1k則：Rc’=Rs//R15=Rs*R15/(Rs+R15)=5kΩRo≈(rbe+Rc’)/β=120Ω誤差分析：原因之一是：放大電路中的三極管是非線性元件，當(dāng)其工作電流變化時(shí)，其放大倍數(shù)、輸入電阻等都會(huì)發(fā)生變化，對(duì)同頻率的正弦信號(hào)，當(dāng)輸入信號(hào)幅度不同時(shí)，放大倍數(shù)會(huì)不同；原因之二是：放大電路中的電感元件（包括變壓器）、電容元件對(duì)不同頻率的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生不同的阻抗和相移，當(dāng)輸入信號(hào)是非正弦波時(shí)，該輸入信號(hào)可以分解成若干個(gè)不同頻率的正弦信號(hào)，而這些信號(hào)通過(guò)含有電感、電容的電路時(shí)，電路對(duì)分解出的這些頻率的反映是不同的，通過(guò)放大電路后，它們?cè)俸铣善饋?lái)后，與原來(lái)信號(hào)的波形會(huì)產(chǎn)生很大的變化。只有這樣，才能使放大器的等效輸入誤差的綜合值減小，達(dá)到高精度目的。電路仿真及分析圖4.2輸入信號(hào)圖4.3輸出信號(hào)信號(hào)增益的計(jì)算：Av=19.944kv/10v≈2000.基