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（論文）題目：高精度線性放大器院（系）：專業(yè)班級：學(xué)號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：（簽字）起止時間：2013.7.1—2013.7.13本科生課程設(shè)計（論文）

課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：電子與信息工程學(xué)院教研室：電子信息教研室學(xué)號學(xué)生姓名專業(yè)班級課程設(shè)計題目高精度線性放大器課程設(shè)計（論文）任務(wù)設(shè)計參數(shù)：1.設(shè)計并制作一臺高精度線性放大器。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)計要求：1.分析設(shè)計要求，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。對各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。3.設(shè)計各單元電路。總體方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個設(shè)計。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)出必要的說明。進(jìn)度計劃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)計各單元電路及總電路。（2天）5、對系統(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、打印設(shè)計說明書（1天）指導(dǎo)教師評語及成績平時：論文質(zhì)量：答辯：總成績：指導(dǎo)教師簽字：年月日注：成績：平時20%論文質(zhì)量60%答辯20%以百分制計算

摘要本文介紹一個將微小的、變化緩慢的直流或交流信號精確地放大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。與調(diào)制型直流放大器相比其線路簡單、調(diào)試容易、通用性好。該設(shè)計為人們的生活、生產(chǎn)帶來了極大的方便。而高精度運放主要是指失調(diào)和噪音非常低，增益和共模抑制比非常高的運算放大器，因為只有這樣，才能使放大器的等效輸入誤差的綜合值減小，達(dá)到高精度的目的。此次設(shè)計主要論述了放大器的輸入級，中間級，輸出級的電路設(shè)計及其具體計算。輸入級將輸入信號送人中間放大級。中間放大級將輸入信號放大并傳遞到輸出級。輸出電路將放大信號提供給負(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運放注意事項 11.3相關(guān)問題論述 2第2章高精度線性放大器方案設(shè)計 42.1設(shè)計參數(shù)及要求 42.2設(shè)計方案論證 42.3總體設(shè)計方案框圖及分析 5第3章各單元電路設(shè)計 63.1輸入電路設(shè)計及分析 63.2中間級放大電路設(shè)計及分析 73.3輸出級電路設(shè)計及分析 8第4章整體電路設(shè)計及仿真 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，各種電子產(chǎn)品的迅速發(fā)展，高精度放大器越來越受到人們的重視。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，現(xiàn)代集成電路特征尺寸越來越小，也導(dǎo)致集成電路產(chǎn)品的工作電壓及功耗越來越低，這樣待處理的信號越來越弱，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算放大器，因為只有這樣，才能使放大器的等效輸入誤差的綜合值減小，達(dá)到高精度的目的。為人們的生活、生產(chǎn)帶來了極大的方便。而且運用范疇很廣，其中高精度放大器可用于量測儀器、控制系統(tǒng)、自動測試設(shè)備等。在醫(yī)療領(lǐng)域中也有超音波、氣體分析、血壓計、診斷器等，此外汽車中的引擎管理、傳動系統(tǒng)管理等，也要用到高精度的運放。運放注意事項差動輸入級：使運放具有盡可能高的輸入電阻及共模抑制比。中間放大級：由多級直接耦合放大器組成，以獲得足夠高的電壓增益。輸出級：可使運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。在輸出過載時有自動保護(hù)作用以免損壞集成塊。輸出級一般為互補對稱推挽電路。偏置電路：為各級電路提供合適的靜態(tài)工作點。為使工作點穩(wěn)定，一般采用恒流源偏置電路。需要注意的問題（也有誤差產(chǎn)生的原因）：1)輸入信號選用交、直流量均可，但在選取信號的頻率和幅度時，應(yīng)考慮運放的頻響特性和輸出幅度的限制。2)調(diào)零。為提高運算精度，在運算前，應(yīng)首先對直流輸出電位進(jìn)行調(diào)零，即保證輸入為零時，輸出也為零。當(dāng)運放有外接調(diào)零端子時，可按組件要求接入調(diào)零電位器RW，調(diào)零時，將輸入端接地，調(diào)零端接入電位器RW，用直流電壓表測量輸出電壓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，要求對運算放大器的輸出端的直流電壓進(jìn)行去耦。例如，當(dāng)運放被用作基準(zhǔn)電壓的倒相或驅(qū)動一個動態(tài)負(fù)載時。在這種情況下，你也許在運放的輸出端直接連接旁路電容。不論哪種情況，容性負(fù)載都要對運放的性能有影響。補償措施：提高噪聲增益法環(huán)路外補償法環(huán)路內(nèi)補償供電電壓影響：雙電源供電固然很好，但現(xiàn)實中許多時候希望是單電源供電，這就遇到問題了。常規(guī)的解決方法是給輸入信號一個偏置電壓，這樣信號高于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，(不是簡單一信號輸入，一接地，比如IN+)，這時候要改成單電源供電，怎么加偏置電壓？直接加一偏置電壓？輸入信號的動態(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)會影響運算放大器的準(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。零漂問題：零漂：零漂，是零點漂移（Zerodrift）的簡稱，是指在直接耦合放大電路中，當(dāng)輸入端無信號時，輸出端的電壓偏離初始值而上下漂動的現(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)計采用差分放大電路。帶寬問題：運放的帶寬簡單來說就是用來衡量一個放大器能處理的信號的頻率范圍，帶寬越高，能處理的信號頻率越高，高頻特性就越好，否則信號就容易失真，不過這是針對小信號來說的，在大信號時一般用壓擺率（或者叫轉(zhuǎn)換速率）來衡量。比如說一個放大器的放大倍數(shù)為n倍，但并不是說對所有輸入信號的放大能力都是n倍，當(dāng)信號頻率增大時，放大能力就會下降，當(dāng)輸出信號下降到原來輸出的0.707倍時，也就是根號2分之一，或者叫減小了3dB，這時候信號的頻率就叫做運放的帶寬。當(dāng)輸出信號幅度很小在0.1VP-P以下時，主要考慮單位帶寬積的影響。當(dāng)輸出信號幅度很大時，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)計電路時要同時滿足增益帶寬和功率帶寬。高精度線性放大器方案設(shè)計設(shè)計參數(shù)及要求設(shè)計參數(shù)：1．設(shè)計并制作一臺高精度線性放大器。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)計要求：1.分析設(shè)計要求，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。對各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。3.設(shè)計各單元電路?？傮w方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個設(shè)計。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)出必要的說明。設(shè)計方案論證1.采用高精度OP07放大器組成電橋差動放大器利用一個放大器將雙端輸入信號轉(zhuǎn)變成單端輸出然后通過電阻與下一級反相比例放大器進(jìn)行耦合放大主要通過后以級的比例放大器獲得，此電路的的特點是實現(xiàn)起來對結(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，且無法抑制放大器本身的零漂及共模信號產(chǎn)生，雖然電路簡單，元器件少，但未能完成設(shè)計，故舍棄。2.采用比較通用的儀用放大器，它是由運放A1，A2按組成第一級差分放大器。運放A3組成第二級差分放大器。在第一級中V1，V2分別加到A1，A2的同相端R1和兩個R2組成的反饋網(wǎng)絡(luò)，引用了負(fù)反饋，兩運放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擇電阻既可以實現(xiàn)放大倍數(shù)的改變，并且可以將R1用一個適當(dāng)?shù)碾娢黄鞔?，通過調(diào)節(jié)電位器即可實現(xiàn)對放大倍數(shù)的控制綜上：高精度線性放大器設(shè)計有很多種，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自第一級放大，因而第一級采用了差分式輸入的方式，就能有效地提高整個電路的共模抑制比，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央妷航档汀Ｕ鲗⒔涣麟娮兂蔀橹绷麟?。濾波電路將帶有紋波的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷骸D2.1方案框圖總體方案分為四部分，輸入級、中間放大級、輸出級、偏置電路。輸入級將輸入信號送人中間放大級。中間放大級將輸入信號放大并傳遞到輸出級。輸出電路將放大信號提供給負(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)計輸入電路設(shè)計及分析放大器輸入電路圖及其分析：圖3.1輸入級電路分析：由電路圖可知，輸入級電路采用差分式放大電路。差分放大電路利用電路參數(shù)的對稱性和負(fù)反饋作用，有效地穩(wěn)定靜態(tài)工作點，以放大差模信號抑制共模信號為顯著特征。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。又由于電路完全對稱，故原件參數(shù)對稱。T1，T2參數(shù)相同；R7=R8；R1=R6。中間級放大電路設(shè)計及分析放大器中間級電路圖及其分析：圖3.2中間級電路圖分析：電路圖可知，中間級放大電路采用二級放大電路，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)點是提高增益的穩(wěn)定性，維持輸出信號的恒定；減小非線性失真；抑制反饋環(huán)內(nèi)噪聲，擴展頻帶。輸出級電路設(shè)計及分析放大器輸出級電路圖及其分析：圖3.3輸出級電路分析：由電路圖可知，輸出及電路采用射極跟隨器。其特點為輸入阻抗高，輸出阻抗低，因而從信號源索取的電流小而且?guī)ж?fù)載能力強，所以常用于多級放大電路的輸入級和輸出級。射極跟隨器雖然沒有電壓放大能力，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。且射極跟隨器的電壓放大倍數(shù)小于近于1，且為正值,輸入信號與輸出信號相位相同,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)載對輸出信號的影響，保證輸出信號額穩(wěn)定性和精度。整體電路設(shè)計及仿真系統(tǒng)原理圖高精度線性放大器原理圖:圖4.1整體電路圖輸入級為差分放大電路，將輸入信號送入中間級放大電路中極具放大電路采用集成運放二級放大，將放大信號送入輸出級，有輸出級將放大信號送入到負(fù)載。系統(tǒng)原理綜述及分析：輸入級電路：輸入級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。該級電路對信號的放大增益為1，整個電路的輸入電阻達(dá)到2MΩ。該級電路的輸入電阻參數(shù)計算如下：β1=100Ri=2*[rbe1+(1+β1)*R1]≈2*R1*β1=2MΩ中間級電路：中放級采用集成運放二次放大，電路運放均采用電壓串聯(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輸出級電路：輸出級采用BJT共射極電路輸出，該電路對輸入信號的放大增益近似為1。該級電路主要調(diào)整其參數(shù)滿足輸出電阻等于100Ω的設(shè)計指標(biāo)，該電路的具體參數(shù)計算如下：Rc’=Rs//R15Ro=Re//[(Rc’+rbe)/(1+β)]由于中放級放大電路采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋，所以中放級電路輸出電阻較小，若中放級輸出電阻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，其放大倍數(shù)、輸入電阻等都會發(fā)生變化，對同頻率的正弦信號，當(dāng)輸入信號幅度不同時，放大倍數(shù)會不同；原因之二是：放大電路中的電感元件（包括變壓器）、電容元件對不同頻率的信號會產(chǎn)生不同的阻抗和相移，當(dāng)輸入信號是非正弦波時，該輸入信號可以分解成若干個不同頻率的正弦信號，而這些信號通過含有電感、電容的電路時，電路對分解出的這些頻率的反映是不同的，通過放大電路后，它們再合成起來后，與原來信號的波形會產(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輸入信號圖4.3輸出信號信號增益的計算：Av=19.944kv/10v≈2000.基