具有特定功能放大器研制毕业论文.doc

惠州学院 HUIZHOU UNIVERSITY 毕毕 业业 论论 文文（设设 计计） 中文题目：中文题目：具有特定功能的放大器的研制具有特定功能的放大器的研制 英文题目：英文题目：HasHas thethe specificspecific functionsfunctions ofof thethe developmentdevelopment ofof thethe amplifieramplifier 姓姓 名：名： 石晓磊石晓磊 学学 号：号： 080601126080601126 专业班级：专业班级： 电气信息工程电气信息工程 20082008 级（级（1 1）班）班 指导教师：指导教师： 李卫平李卫平 职职 称：称： 副教授副教授 提交日期：提交日期： 教务处制 摘摘 要要 放大器是应用广泛的基本模拟电路，主要用于小信号的放大，基本性能指标有 增益系数、输入电阻、输出电阻、通频带（带宽）等，依据不同的性能要求选用不 同的集成运放作为放大器件，不同的集成运放其增益带宽积为不同的常数，输入电 阻决定于第一级、输出电阻决定于最后一级。 对于实用的电压放大电路，通常要求其输入电阻大，以减小放大电路从信号源 索取的电流，使其获得尽可能的输入电压；输出电阻小，有足够强的带负载能力； 电压放大倍数大，即有足够的电压放大能力。而单管放大电路很难满足上述性能要 求。因此采用多级放大电路。多级放大电路有多种耦合方式，本设计采用阻容耦合。 另外如果放大级数过多的话会使其通频带变窄，放大电路的级数愈多，频带愈窄， 所以尽量不要采用过多级数的放大电路。 关键词关键词：放大器； 集成运放； 放大电路； 多级放大 Abstract Amplifier is widely used in basic analog circuits ,mainly used for small signal amplifier ,basic performance indicators are gain coefficient, input resistance, output resistance, passband (bandwidth), etc ,according to different types of performance requirements choose different integrated operational amplifier device put as, different integrated operational put its gain bandwidth for different constant product, input resistance in the first level, to output resistance decided in the last one. For practical voltage amplifier circuit, usually require its input resistance is big, to minimize amplifier circuit from the current source for, make its win as far as possible the input voltage; Output resistance small, have strong enough with load ability; Voltage magnification, namely have enough voltage amplifier ability. And single pipe amplifier circuit is hard to meet the performance requirements. So the multi-level amplifier circuit. Multi-level amplifier circuit has a variety of coupling way, this design USES the resistance and capacitance coupled. In addition if amplifier series too much words will make its passband narrow, amplifying circuit of the series, the narrow band, so try to not use too much amplifier circuit of the series. Keywords: amplifier; op-amp integrated ; amplifier circuit; multi-level amplifier 目目 录录 第 1 章 绪 论.1 1.1 具有特定功能放大器的背景和意义1 1.1.1 概述.1 1.1.2 放大器的发展历程.1 1.1.3 我国放大器的发展现状.1 1.1.4 放大器分类.2 1.1.5 放大器的发展趋势.4 1.1.6 放大器的制造工艺和电路设计.5 1.2 具有特定功能放大器的研制的主要方法和研究进展6 1.2.1 设计采用的方案分析.6 1.2.2 设计原理.6 1.2.3 放大器设计基本电路.7 1.2.4 研究的进度、步骤.8 1.3 具有特定功能放大器的研制的主要内容8 第 2 章 放大器设计原理及仿真结果9 2.1 设计原理图及说明 9 2.1.1 设计原理图.9 2.1.2 电路说明10 2.2 仿真结果及相关参数测试 .11 2.2.1 电路 1 的仿真结果11 2.2.2 电路 2 的仿真结果13 2.2.3 电路 3 的仿真结果14 第 3 章 硬件焊接测试.17 3.1 焊接电路板 .17 3.2 调试 .18 3.2.1 最后波形18 3.2.2 硬件测试所得参数22 结 论.23 致 谢.24 参考文献.25 附 录 硬件制作需要的元器件清单.26 完1 1 第 1 章 绪 论 1.1 具有特定功能放大器的背景和意义 1.1.1 概述 几乎现阶段每个完整的电子产品中都离不开放大器，而放大器性能的提高对电 子产品的功能起着重要的决定作用，说不清是放大器的发展决定了电子产品的发展 进程还是电子产品的发展需求推动了放大器的发展空间。程控放大器使用方便、性 能好，故可在数据采集系统、自动增益控制、动态范围扩展、远程仪表测试等方面 使用尤为适宜，程控增益调整比手工调整更优越。在使用放大器的场合中，往往希 望增益能够调整，以使波形显示更完美，数据采集更准确。而程控增益调整比手工 调整更优越，因此程控增益放大器得到广泛应用。 1.1.2 放大器的发展历程 放大器是一个技术已经相当成熟的领域，几十年来，人们为之付出了不懈的努 力，无论从线路技术还是元器件方面，乃至于思想认识上都取得了长足的进步。音 响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段。 1906 年美国人德福雷斯特发明了真空三极管，开创了人类电声技术的先河。 1927 年贝尔实验室发明了反馈技术后，使音响技术的发展进入了一个崭新的时代， 比较有代表性的如“威廉逊”放大器，较好的运用了负反馈技术，使得放大器的失 真度大大降低，至 50 年代电子管放大器的发展达到了一个高潮使其，各种电子管放 大器层出不穷。由于电子管放大器音色甜美、圆润，至今仍为发烧友所偏爱。 60 年代晶体管的出现，使广大音响爱好者进入了一个更为广阔的音响天地。晶 体管放大器具有细腻动人的音色、较低的失真、较宽的频响及动态范围等特点。 在 60 年代初，美国首先推出音响技术中的新成员集成电路，到了 70 年代初， 集成电路以其质优价廉、体积小、功能多等特点，逐步被音像界所认识。发展至今， 厚膜音响集成电路、运算放大器集成电路被广泛用于音响电路。 70 年代的中期，日本生产出第一只场效应功率管。由于场效应功率管同时具有 电子管醇厚、甜美的音色，以及动态范围达 90dB、THD0.01%(100Hz 时)的特点，很 快在音像界流行。现今的许多放大器中都采用了场效应管作为末级输出。 80 年代，数字功放成为了新一代的宠儿。 1.1.3 我国放大器的发展现状 新应用对运放提出诸如高速、低功放、高集成度等新的技术要求。为此，设计 人员不断探索新的设计方法，但只从设计着手不足以实现具有竞争力的产品，只有 配合适当的制造工艺和封装技术才能将不断优化产品性能，适应新的应用需求。目 前运放产品主要采用 CMOS/双级、BiCMOS 等工艺制造。许多运算放大器系列都提供 单通道、双通道和四通道三种封装形式，从而为设计提供了最大的灵活性。各种新 型封装的电路板占位面积正在日益缩小。单通道运算放大器可采用 SOT23 封装以及 结构相似但外形更小巧的 SC70 封装，双通道器件有 SOT23-8 封装，采用 WCSP 芯片 2 级封装的运算放大器的占位面积更小。此外，领先半导体厂商还在不断研发新的工 艺和封装技术以进一步提升运放产品的性能。 设计人员一直在寻求更好的性能，对于电池驱动系统，这通常表现在低功耗方 面；而在工业、医疗和感测应用领域，精度和噪声性能又成为关键指标，在某些情 况下这就驱使采用更小的几何工艺。 对于蜂窝电话和便携式多媒体应用，要求放大器具有小巧的物理尺寸；兼容低 电压；待机状态下具有最低的功耗；抑制电源噪声，尤其对蜂窝电话而言；具有高 效率，能提高电池使用寿命。这些特性上的需求需要采用先进的亚微米 CMOS 或 BiCMOS 工艺技术以及先进的封装技术上，例如倒桩芯片。 而对于 DVD 和其他视频应用，带有非常平直的 30MHz 带宽的高速放大器可用于 高清数字电视；在视频放大器中集成重构的滤波器，可以滤除来自视频数模转换器 的噪声；多输入/输出视频放大器支持不同格式的视频信号，这就需要采用双极或 BiCMOS 工艺技术。 对于 DSL 应用而言，快速、高电压处理很关键。目前 TI 正以新的工艺技术扩展 在该领域的能力以满足未来的需要。TI 已推出高输出电流、高增益带宽的双运算放 大器 OPA2614。该器件具有低输入电压噪声和低谐波失真等特性，可为差动配置的 DSL 驱动器解决方案提供动态范围。 1.1.4 放大器分类 按功放中功放管的导电方式不同，可以分为甲类功放（又称 A 类） 、乙类功放 （又称 B 类） 、甲乙类功放（又称 AB 类）和丁类功放（又称 D 类） 。 A 类功放输出级中两个（或两组）晶体管永远处于导电状态，也就是说不管有 无讯号输入它们都保持传导电流，并使这两个电流等于交流电的峰值，这时交流在 最大讯号情况下流入负载。当无讯号时，两个晶体管各流通等量的电流，因此在输 出中心点上没有不平衡的电流或电压，故无电流输入扬声器。当讯号趋向正极，线 路上方的输出晶体管容许流入较多的电流，下方的输出晶体管则相对减少电流，由 于电流开始不平衡，于是流入扬声器而且推动扬声器发声。A 类功放的工作方式具 有最佳的线性，每个输出晶体管均放大讯号全波，完全不存在交越失真 （SwitchingDistortion） ，即使不施用负反馈，它的开环路失真仍十分低，因此被 称为是声音最理想的放大线路设计。但这种设计有利有弊，A 类功放放最大的缺点 是效率低，因为无讯号时仍有满电流流入，电能全部转为高热量。当讯号电平增加 时，有些功率可进入负载，但许多仍转变为热量。 A 类功放是重播音乐的理想选择，它能提供非常平滑的音质，音色圆润温暖， 高音透明开扬，这些优点足以补偿它的缺点。A 类功率功放发热量惊人，为了有效 处理散热问题，A 类功放必须采用大型散热器。因为它的效率低，供电器一定要能 提供充足的电流。一部 25W 的 A 类功放供电器的能力至少够 100 瓦 AB 类功放使用。 所以 A 类机的体积和重量都比 AB 类大，这让制造成本增加，售价也较贵。一般而言， A 类功放的售价约为同等功率 AB 类功放机的两倍或更多。 乙类功放（B 类功放）放大的工作方式是当无讯号输入时，输出晶体管不导电， 所以不消耗功率。当有讯号时，每对输出管各放大一半波形，彼此一开一关轮流工 作完成一个全波放大，在两个输出晶体管轮换工作时便发生交越失真，因此形成非 线性。纯 B 类功放较少，因为在讯号非常低时失真十分严重，所以交越失真令声音 变得粗糙。乙类功放的效率平均约为 75%，产生的热量较甲类机低，容许使用较小 3 的散热器。 与前两类功放相比，AB 类功放可以说在性能上的妥协。AB 类功放通常有两个偏 压，在无讯号时也有少量电流通过输出晶体管。它在讯号小时用 A 类工作模式，获 得最佳线性，当讯号提高到某一电平时自动转为 B 类工作模式以获得较高的效率。 普通机 10 瓦的 AB 类功放大约在 5 瓦以内用 A 类工作，由于聆听音乐时所需要的功 率只有几瓦，因此 AB 类功放在大部分时间是用 A 类功放工作模式，只在出现音乐瞬 态强音时才转为 B 类。这种设计可以获得优良的音质并提高效率减少热量，是一种 颇为合乎逻辑的设计。有些 AB 类功放将偏流调得甚高，令其在更宽的功率范围内以 A 类工作，使声音接近纯 A 类机，但产生的热量亦相对增加。 在低频功率放大器中，有一种称为丁类的功率放大器，此类放大器又叫开关型 功率放大器，现在又有人称它为数字功率放大器（我认为有炒作的嫌疑） 。它利用晶 体管的高速开关特性和低的饱和压降的特点，其效率很高，理论上可达 100，实际 可达 90。此电路不需要严格的对称，也不需要复杂的直流偏置和负反馈，使稳定性 大大提高。用同样的功耗的管子可得到比甲乙类放大器高 4 倍功率的输出。脉冲发 生器产生占空系数 50 的矩型波，然后用音频信号对这矩型波信号进行脉冲宽度调制 （PDM） ，得到脉宽与信号幅度成正比的调制脉冲信号，此信号送到由开关管所组成 的功率放大器进行脉冲功率放大，输出的信号再经过一个低通滤波器进行解调，得 到音频信号推动扬声器发声。 脉冲信号的频率可根据失真度要求而定，频 率越高失真越小，当脉冲频率与音频频率的最高之比为 10：1 时失真度约 2。 按功放输出级放大元件的数量，可以分为单端放大器和推挽放大器。 功放的输出级由一只放大元件（或多只元件但并联成一组）完成对信号正负两 个半周的放大。单端放大机器只能采取甲类工作状态。 甲类单端放大器可以说是音响放大器中最早出现的工作模式，特点在于线路架 构简单，放大波型完整，以一个正弦波输入可以获得一整个正弦波输出，以音响系 统来说极为理想。但这类放大器同样面对着输出功率与效率极低的问题，难以应付 日益大食的喇叭组合，再加上原件的损耗速度也相当厉害，所以在出现有推挽放大 器之后就长期处于半兴不衰的地步了。 单端放大器的输出级由一只放大元件（或多只元件但并联成一组）完成对信号 正负两个半周的放大。单端放大机器只能采取甲类工作状态。 推挽放大器的输 出级有两个“臂” （两组放大元件） ，一个“臂”的电流增加时，另一个“臂”的电 流则减小，二者的状态轮流转换。对负载而言，好像是一个“臂”在推，一个“臂” 在拉，共同完成电流输出任务。尽管甲类放大器可以采用推挽式放大，但更常见的 是用推挽放大构成乙类或甲乙类放大器。 当输出高电平时，也就是下级负载门输入高电平时，输出端的电流将是下级门 从本级电源经 VT3 拉出。这样一来，输出高低电平时，VT3 一路和 VT5 一路将交替 工作，从而减低了功耗，提高了每个管的承受能力。又由于不论走哪一路，管子导 通电阻都很小，使 RC 常数很小，转变速度很快。因此，推拉式输出级既提高电路的 负载能力，又提高开关速度。供你参考。 如果输出级的有两个三极管，始终处于一个导通、一个截止的状态，也就是两 个三级管推挽相连，这样的电路结构称为推拉式电路或图腾柱（Totem- pole）输出 电路。当输出低电平时，也就是下级负载门输入低电平时，输出端的电流将是下级 门灌入 VT5。如图 1.1. 4 图 1.1 按功能不同，可以前置放大器（又称前级） 、功率放大器（又称后级）与合并式 放大器。 功率放大器简称功放，用于增强信号功率以驱动音箱发声的一种电子装置。不 带信号源选择、音量控制等附属功能的功率放大器称为后级。 前置放大器是功放之前的预放大和控制部分，用于增强信号的电压幅度，提供 输入信号选择，音调调整和音量控制等功能。前置放大器也称为前级。 将前置放大和功率放大两部份安装在同一个机箱内的放大器称为合并式放大器， 我们家中常见的功放机一般都是合并式的。 按用途不同，可以分为 AV 功放，Hi-Fi 功放。 AV 功放是专门为家庭影院用途而设计的放大器，一般都具有 4 个以上的声道数 以及环绕解码功能，且带有一个显示屏。该类功放以真实萦绕环境声效让观众体验 影院效果为主要目的。 Hi-Fi 功放是为高保真地重现音乐的本来面目而设计的放大器，一般为两声道 设计，而且没有显示屏。 1.1.5 放大器的发展趋势 实际上，选择放大器在今天是一个相当复杂的事情。其部分原因在于，系统设 5 计要求的多样性，以及电路配置的多重性，不同的放大器产品根据应用领域的不同 需要在性能上进行折衷。进行放大器设计的工程师在不断推动技术发展，而在可预 见的未来，这种趋势还将继续演进。目前，ADI 等制造公司，正在将新的工艺技术、 新的封装技术，以及新的制造能力进行结合，制造今天许多挑战性应用所需的“完 美”型放大器。每一种应用都是一个不同技术指标的组合体，所以其使用的放大器 数量也将不断增加才能满足其要求。与原来的运算放大器相比，今天的产品扩展了 带宽、降低了电源|稳压器电压、减小了功耗电流、节省了 PCB 面积而且降低了成本。 随着对信噪比(SNR)要求的增加，以及实际信号处理在家用电器和工业设备中得到越 来越广泛的应用，这种趋势还将继续发展。 1.1.6 放大器的制造工艺和电路设计 让我们对需要外部补偿和外部失调调整元件的放大器(比如 LM709)做一简单的 历史性回顾。这些产品中的大多数，都是采用双极型工艺在两英寸晶圆上制造而成； 它们仅提供双列直插(DIP)封装和 TO-99 金属圆壳封装，并且其主要应用领域是工业 仪器|仪表仪表；其低功耗特性意味着从15 V 电源中吸取几毫安(mA)电流；制造 商给出的技术指标只强调其直流（DC）参数；这些产品合格率低，但是价格很高。 在当今的精密放大器领域，微弱信号设计工程师关注一些重要因素，例如低电 源电流、低失调电压、低噪声、低偏置电流等。最新放大器采用创新设计和工艺， 能够提供不断超越用户期望的性能。设计工程师使用电路和产品测试技术(例如自稳 零、Digitrim 数字微调、熔丝熔断和激光微调电阻器等方法)，促进优化每一项技 术指标，从而设计出几项具体参数接近理想指标的放大器。像 AD8628 这样的放大器， 已经将其失调电压指标优化到几微伏(V)。 制造商在工艺技术的各个方面都取得了重大进步。这些进步允许放大器设计工 程师充分发挥每种工艺的性能和功能。CMOS 工艺已经从先进技术(受到数字微处理 器推动)的进步中获益，模拟放大器设计工程师们也早利用其获得了低成本下的高性 能。过去，超高性能放大器产品都需要利用双极型工艺进行设计；现在，模拟放大 器设计工程师能够克服 CMOS 工艺电压噪声较高的缺点，兼备低噪声和超低偏置电流 (可能来自氧化物绝缘栅极)。为达到这一目的，ADI 公司已经开发了专有的 iCMOS 工业 CMOS 工艺，并于不久前推出了具有最低噪声(4.5 nV/Hz)的 CMOS 放大器 AD8651，和拥有超低电源电流(每放大器 1 微安)的 AD8500。 但是，目前许多高性能运算放大器仍然使用双极型工艺，因为这种工艺可以提 供明显的模拟设计优势，而且几乎不需要进行性能折衷。各种新的工业双极型工艺， 例如 ADI 公司的 iPolar 沟道隔离工艺技术，通过先进的制造工艺和结型场效应管 (JFET)等器件，显著减小了管芯尺寸。这些在制造工艺上的新进展，允许放大器设 计工程师开发出具有无与伦比性能参数的产品。其中一个例子是 AD8599，它将宽带 噪声减小到几乎测不到的程度(1 nV/Hz)。 在高速放大器领域，超快速制造工艺(ultra-fast processes)允许 ADA4899-1 等器件具有 310 V/s 的转换速率和 250 MHz 的带宽。 虽然管芯尺寸在不断减小，但与此同时放大器性能却在尽一切可能进行提高， 这就使得我们能够能放大器封装尺寸缩小到令人难以置信的程度，缩小到甚至裸眼 观察不到的水平。 对于那些需要采用 AA 电池(5 号电池)或镍金属氢化物(NiMH)电池供电的应用而 言，尺寸和功耗都是首要关注的问题。现在，放大器的工作电源电压已经降低到 6 1.8 V，并且仍然在减小。当完全需要精密、低电压工作和低功耗时，AD8500(1A 电源电流)是最佳选择。只需单节电池供电，精密放大器就能工作。为了节省功耗， 许多放大器产品还需要智能关断电路。 将其它功能与放大器集成在一起也可以降低系统误差。例如，AD8555 可为传感 器信号调理应用提供许多前所未有的优势，例如增益调整、失调调整和故障检测电 路。集成度的进一步增加可以包括线性度校正、频率成形或其它功能，以便开发更 多完整的解决方案。 制造工艺和设计趋势将继续为用户提供更低价格、更小封装且提高指标的器件， R-R 性能和功耗等现存问题，将继续得到改进，而放大器则会更接近于其“理想” 状态。 工艺和封装技术的不断进步，能够在更小的封装内继续提高集成度，从而增加 功能并提高性能。放大器还要集成其它功能，当然，这也会是在非常小的封装内。 各种封装材料的进步，还有望实现集成度更高的参数所规定的技术指标。 未来提供的放大器产品，也应该更易于设计到系统中。而制造商们，也将把更 多的精力集中在放大器的设计五金|工具上。传统的 PSPICE 模型将被更为精准的模 型所取代，后者包括了更多的放大器参数。附加的工具有助于分析放大器的稳定性、 DC 误差和 AC 误差。设计工程师使用 SPICE 模型模拟已选放大器的通用性能，从而 可以选择元件、快速配置电路、施加信号并且在网上评估放大器的通用性能。现在 用户可以使用在线参数评估工具，快速有效地完成实时仿真，并且检测出各种参数 和体系结构中存在的潜在问题。制造商将开发出用于网站的向导工具，为设计工程 师的问题提供每天 24 小时在线的专家指导。 1.2 具有特定功能放大器的研制的主要方法和研究进展 1.2.1 设计采用的方案分析 由于晶体三极管放大电路以及场效应管放大电路本身要求较高且比较复杂，电 路的参数也难算，而集成运放的电路用一定的生产工艺将晶体管，场效应管，二极 管，电阻，电容以及他们之间的连线所组成的整个电路集成在一块半导体基片上， 封装在一个管壳内，构成一个完整的具有一定功能的器件。它具有高放大倍数，高 输入电阻，低输出电阻等多方面的优良性能，且其参数比较容易算，所以这次设计 的放大器用的都是集成运算放大器。 1.2.2 设计原理 基于课题中对同频带的要求则需要采用多级放大，并采用电阻与电容的串并联 设计一个滤波器，用以达到课题的要求。在课题 3 中要求增益可调，我们可采用 DAC0832 数模转换芯片或者组合开关来调节。 由于是放大电路的设计，所以为达到目的在此可用两种方案：正相比例运算电 路和反相比例运算电路。但由于正向比例运算电路共模输入并不为零，在工程应用 上基本不采用，所以此设计采用反向比例运算放大电路。滤波器参数的确定:由公式 和课题的要求可确定滤波器中 R 和 C 的参数。RCf2/1 7 1.2.3 放大器设计基本电路 基本正相放大电路。如图 1.2. R1 1.0k R2 1.0k U1 UA741CD 3 2 4 7 6 51 VCC 5V VCC VEE -5V VEE 1 V1 120 Vrms 60 Hz 0 3 2 0 图 1.2 该电路的电压增益为 Av=R1+R2/R2 （1.1） 且其输入电阻 Ri 趋向无穷大，输出电阻 Ro 趋向于零。 基本反相放大电路。如图 1.3. R1 1.0k R2 1.0k U1 UA741CD 3 2 4 7 6 51 VCC 5V VCC VEE -5V VEE 1 V1 120 Vrms 60 Hz 0 2 4 0 图 1.3 该电路的电压增益为 Av=R1/R2 （1.2） 且其输入电阻 Ri=R2,这个特点可用于要求输入电阻为订值的电路。 仪用放大电路。如图 1.4. R1 1.0k R2 1.0k VCC 5V VEE -5V V1 120 Vrms 60 Hz 0 U1A LM324AD 3 2 11 4 1 R3 1.0k R4 1.0k R5 1.0k R6 1.0k R7 1.0k VCC VEE 1 3 U2A LM324AD 3 2 11 4 1 U3A LM324AD 3 2 11 4 1 2 4 56 78 0 VCC 5V VCC VCC 5V VCC VEE -5V VEE VEE -5V VEE 9 图 1.4 该电路的电压增益为 Av=Av1*Av2=(R1+R2+R3/R1)*(-R6/R4) （1.3） 8 该电路可大大提升共模抑制比。 带通滤波电路。如图 1.5 R1 1.0k R2 1.0k C1 1.0uF C2 1.0uF 1 0 32 图 1.5 该电路电阻 R1 和电容 C1 组成低通滤波电路，控制 fH，有 fH=1/(2*3.14*R1*C1) （1.4） 电容 C2 和电阻 R2 组成高通滤波电路，控制 fL，有 fL=1/(2*3.14*R2*C2)。 （1.5） 1.2.4 研究的进度、步骤 第一阶段 2011 年 12 月-2012 年 2 月 资料准备阶段 大量阅读与该课题有关的资料及相关的论文，酝酿课题实施方案及相关措施 第二阶段 2012 年 3 月-2012 年 4 月中旬 初稿写作 根据开题报告及指导教师对课题内容、完成形式的要求得到相应的资料及结果。 及时听取导师的意见，完善方案措施；继续开展研究；争取有一定的成果并完成初 稿接受检查。 第三阶段 2012 年 4 月中旬 根据导师对初稿的评定结果进行改进，以利于论文的继续进行。 第四阶段 2012 年 4 月下旬-2012 年 5 月定稿 完成毕业论文的写作并交导师评阅，根据导师提出的要求进行修改，以完善论 文的攥写。 1.3 具有特定功能放大器的研制的主要内容 按要求完成原理设计并通过软件仿真部分： （1）输入为 100mV 的正弦信号，负载电阻 1K，放大器的性能参数为：增益 40dB 输入电阻 50、输出电阻10、通频带范围 300Hz4000Hz。 （2）输入为 0.5mV 的正弦信号，负载电阻 1K，设计放大器的性能参数为： 增益 80dB、输入电阻200K、输出电阻50、通频带范围 20Hz400KHz。 （3）输入为 10mV 的正弦信号，负载电阻 1K，设计放大器的性能参数为： 增益 60dB、输入电阻 10K、输出电阻20、通频带范围 500Hz10KHz，要求 9 增益可调，调节步进 10dB。 软件仿真部分元器件不限，只要元器件库中有即可，但需要注意合理选取。 第 2 章 放大器设计原理及仿真结果 2.1 设计原理图及说明 2.1.1 设计原理图 课题 1 的电路原理图。如图 2.1. 图 2.1 课题 2 的电路原理图。如图 2.2. 10 图 2.2 课题 3 的电路原理图。如图 2.3. 图 2.3 2.1.2 电路说明 三个电路都采用阻容耦合的方式决定高低截止频率构成设计要求的通频带。电 11 路、采用电压串联负反馈，反相输入，电路采用电压并联负反馈，反相输入。 电路一根据要求输入为 100mV 的正弦信号，负载电阻 1K，增益 40dB、输入电阻 50、输出电阻10、通频带范围 300Hz4000Hz 该电路第一级采用反相比例运 算电路，控制电路的 Ri=50，然后再经两级放大反相和提高放大倍数，使增益达 40dB ，输出电阻为很小，根据带宽的要求确定低通电阻 R4=5K,高通电阻 R10=40 K 根据上面提到的公式可以算出 C1 的值为 10nF，C2 的值为 10nF。 因为电路 2 根据要求输入为 0.5mV 的正弦信号，负载电阻 1K，增益 80dB 即 放大 10000 倍、输入电阻200K、输出电阻50、通频带范围 20Hz400KHz 由于该电路属小信号放大电路，且要求其增益比较高、带宽比较大。题中的输入信 号只有 0.5mv，是一个非常小的信号，极易受到外界噪声的干扰，因此在电路的输 入端采用 op 运放组成的差分放大电路，能够有效地抑制共模增益，提高电路的抗干 扰能力 400KHz。所以电路第一级采用仪用放大电路，该放大电路可大大提升电路 的共模抑制比达到设计要求。然后再经两级放大反相和提高放大倍数，使增益达 80dB ，输出电阻为很小，根据带宽的要求确定低通电阻 R5=200,高通电阻 R10=2.8K 根据上面提到的公式可以算出 C1 的值为 50uF，C2 的值为 100pF， 。 电路 3 中根据要求输入为 10mV 的正弦信号，负载电阻 1K，增益 60dB、输 入电阻 10K、输出电阻20、通频带范围 500Hz10KHz，要求增益可调，调节 步进 10dB。 该电路第一级采用反相比例运算电路，控制电路的 Ri=50，然后再经三级放 大反相和提高放大倍数，输出电阻为很小，根据带宽的要求确定低通电阻 R3=2.7K,高通电阻 R10=2K 根据上面提到的公式可以算出 C1 的值为 100nF，C2 的值为 10nF。并且该电路采用一个 2 端开关 J4 和一个 6 端开关 J3 实现步进 10dB。 当 J4 的 19 节点导通时，J3 依次接节点 9，11，14，15 实现增益依次为 10dB，20dB，30dB，40dB 的步进，然后 J4 换 10 节点导通 J3 依次接节点 2，17 实 现增益依次为 50dB，60dB，由此可实现增益步进 10dB。 2.2 仿真结果及相关参数测试 在仿真软件中，连接好原理图及标明相关元器件型号，引入信号源，用示波器 观察输出波形，并记录相关参数，若有问题，测认真分析原理图，及时修改。 2.2.1 电路 1 的仿真结果 电路 1 的幅频响应,。如图 2.4. 12 图 2.4 电路 1 的相频响应.如图 2.5. 图 2.5 电路 1 的波形图.如图 2.6. 13 图 2.6 实验测得参数： 截止频率点增益：300hz:36.974db 4000hz:36.873db 最大增益值:39.784db. 输入电阻 Ri= 70.7mv/1.412mA=50.07 （2.1） 输出电阻 Ro=(Vo/Vl-1)*Rl=(5.766v/5.653v-1)*100020 （2.2） 2.2.2 电路 2 的仿真结果 电路 2 的相频响应。如图 2.7. 图 2.7 电路 2 的幅频响应。如图 2.8 图 2.8 电路 2 的波形图。如图 2.9 14 图 2.9 实验测得参数： 截止频率点增益：20hz:76.933db，400khz:76.953dB， 增益最大值:80.14db 输入电阻 Ri=354uV/1.482nA239k （2.3） 输出电阻 Ro50 共模抑制比 KCMR84/0.05=1680 （2.4 ） 2.2.3 电路 3 的仿真结果 电路 3 仿真后增益为 10dB 波形及波特图。如图 2.10. 15 图 2.10 增益增加 10dB 变为 20dB 波形及波特图如图 2.11. 图 2.11 增益增加 10dB 变为 30dB 波形及波特图如图 2.12 图 2.12 16 增益增加 10dB 变为 40dB 波形及波特图如图 2.13. 图 2.13 增益增加 10dB 变为 50dB 波形及波特图如图 2.14. 图 2.14 增益增加 10dB 变为 60dB 波形及波特图如图 2.15. 17 图 2.15 试验测得参数。见下表 2.1. 表 2.1 试验测得参数表 输入电阻 Ri= 7.07mV/706.718nA10k （2.5） 输出电阻 Ro=(Vo/Vl-1)*Rl=(510.02nV/502.26nV-1)*100015.45 （2.6） 第第 3 章章 硬件焊接测试硬件焊接测试 3.1 焊接电路板 根据电路 3 焊接好的电路板。如图 3.1. 增益/dB 测试参数 102030405060 高频截止点增益 (10KHZ)/dB 6.98617.12827.27137.16647.38657.002 低频截止点增益 (500HZ)/dB 6.75116.78426.75836.65746.90056.677 增益最大值/dB10.04720.07930.04439.94450.19159.978 18 图 3.1 3.2 调试 3.2.1 最后波形 使用信号发生器调试出 10mV 输出信号的波形。如图 3.2. 19 图 3.2 节点开关全部关闭时的波形。如图 3.3 图 3.3 打开开关 1 和开关 3，得到增益为 10dB 的波形。如图 3.4. 20 图 3.4 打开开关 1 和开关 4，得到增益增加 10dB 变为 20dB 的波形图。如图 3.5. 图 3.5 打开开关 1 和开关 5，得到增益增加 10dB 变为 30dB 的波形图。如图 3.6. 21 图 3.6 打开开关 1 和开关 6，得到增益增加 10dB 变为 40dB 的波形图。如图 3.7. 图 3.7 打开开关 2 和开关 7，得到增益增加 10dB 变为 50dB 的波形图。如图 3.8. 22 图 3.8 打开开关 2 和开关 8，得到增益增加 10dB 变为 60dB 的波形图。如图 3.9. 图 3.9 23 3.2.2 硬件测试所得参数 表 3.1 硬件测试所得参数表 输入电阻 Ri10.8k （3.1） 输出电阻 Ro17.23 （3.2） 结 论 在本次软件仿真和硬件制作中，我对集成运放和电路的焊接有了更深刻的认识， 当在仿真过程中出现仿真结果和课题要求不一致时，首先别认为是软件有问题，而 应该去认真检查一下电路是否有线漏接，或者电路本来就设计错误。在此时就要利 用万用表或者波特仪去检查电路那一部分没接好。在硬件测试中，要细心把元器