测控电路课程设计-运算放大器自稳零电路设计.doc

燕山大学 课课 程程 设设 计计 说说 明明 书书 题目：题目：运算放大器自稳零电路设计运算放大器自稳零电路设计 学院（系）：学院（系）： 年级专业：年级专业： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 教师职称：教师职称： 目录目录 摘要摘要.4 第一章第一章 引言引言 .4 第二章第二章 基本原理概述基本原理概述 .5 2.1 运算放大器简述.5 2.2 输入电压失调.6 2.3 输入失调电压的热漂移.7 2.4 自动调零和载波稳定.8 第三章第三章 参数设计及运算参数设计及运算 .9 3.1 结构设计.9 3.2 运算放大器自动校零电路的设计.9 3.2.1结构设计.9 3.2.2器件选择.11 3.2.3仿真结果.11 第四章第四章 误差分析误差分析 .14 第五章第五章 结论结论 .15 第六章第六章 心得体会心得体会 .15 文献文献.17 课程设计（论文）任务书课程设计（论文）任务书 院（系）：电气工程学院 基层教学单位： 仪器科学与工程系 学 号学生姓名专业（班级） 设计题目 运算放大器自稳零电路设计 设 计 技 术 参 数 设计能够消除运算放大器输入失调电压的电路，使运算放大器实现自稳零。 设 计 要 求 1、 完成题目的理论设计模型； 2、 完成电路的 multisim 仿真； 工 作 量 1、 完成一份设计说明书（其中包括理论设计的相关参数以及仿真结果） ； 2、 提交一份电路原理图； 工 作 计 划 第一周周一到周二，查阅资料； 第一周周三到周五，理论设计； 第二周周一到周三，计算机仿真； 第二周周四到周五，撰写设计说明书并答辩； 参 考 资 料 1、 基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计 2、 模拟电子技术： 3、 电路理论 4、 数字电子技术 指导教师签字 基层教学单位主任签字 说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。 2010 年 6 月 18 日 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 17 页 第 4 页 摘要摘要 本课程设计主要任务是设计能够消除运算放大器输入失调电压的电路， 使运算放大器实现自稳零。完成题目的理论设计模型，并且完成电路的 multisim 仿真。 关键字:运算放大器 输入失调 自稳零电路 第一章第一章 引言引言 我们知道从自然现象中获得的电信号基本都是模拟信号。而随着电子技 术的进步，对模拟技术的要求也越来越高。运算放大器的应用技术的重要自 然是不言而喻的。 在使用运算放大器进行实验或电路组装调试过程中，经常由于运算放大 器本身存在的“非理想”特性，出现实验结果与理论计算值出入较大或调试 结果与理论设计目标发生较大偏差。其主要原因之一是由于运算放大器本身 的结构和参数不能完全达到“理想”对称，而产生失调电压和失调电流。如 果采用的失调补偿措施不当，那么采用运算放大器设计电路的诸多优点就不 能得到充分体现。因此使用运算放大器前必须对其进行零点调节，消除输入 失调电压电流的影响，以满足电路性能要求。 为了确保零位输出， 常用的方法是通过在器件的调零端端外接电位器来 实现，但通过人工调节外接电位器而调零的方法存在许多弊病，为此本课程 设计采用零点自动调节的方法以消除运算放大器输入失调电压，使运算放大 器实现自稳零。 运算放大器自动完成零点调节，有如下的几个特点。从制作方面讲，通 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 17 页 第 5 页 过连接多个可变电位器对运算放大器进行零点调节，所需的人工增多造成运 算放大器制作使用的成本增高。从使用方面看，人工调节的电路的可靠性稳 定相对差一些，风吹、气温上升、输出增加、装置旋转等外界条件的变化都 将引起电路失调。对此，自动零点调节的方法有十分重要的意义。 第二章第二章 基本原理概述基本原理概述 2.1 运算放大器简述运算放大器简述 集成运算放大电路( 简称集成运放) 是一种基本的实用电路。 它被广泛 地运用于仪器、仪表、控制设备等电子线路中。尽管运算放大器的型号各异， 但各种不同型号的放大器的基本组成可分为三部分：输入级，第二级，输出 级。如图 2-1 所示 输入级中间级输出级 图 2-1 运算放大器基本组成框图 输入级:要求输入电阻高，差模放大倍数高抑制零点漂移和共模干扰信号 的能力强。输入级是由两对互相匹配的晶体管组成，构成差分放大电路和电 流镜像电路。 中间级：提供足够的电压放大增益和更宽的信号摆幅。同时有较高的输入 电阻，以减小对前级的影响。 输出级：一般由射级跟随器构成，与负载相接，用来提供较低的输出阻 抗并对第二级提供功率放大器的作用。 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 17 页 第 6 页 2.2 输入电压失调输入电压失调 对理想运算放大器，输出电压为零，输出电压也必然为零。然而，实 际运算放大器中前置的差动放大器并不一定完全对称，必须在输入端加上某 一直流电压后才能使输出为零，这一直流电压便称为输入失调电压。 os V 如图 2-2 所示，在理想或无失调电压的运算放大器的一个输出端上串接 一个微小的电压源，这样就可以模仿一个实际运算放大器。 os V 式 2-1() oposn Va vVv 为了使输出为零，需使 式 2-20 posn vVv 即 式 2-3 npos vvV Vp-Vn Vo VOH VOL Vos (a) 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 17 页 第 7 页 - + VN VP VO Vos 实际运算放大器 理想运算放大器 (b) 图 2-2 具有输入失调电压的放大器的 VTC 和电路模型 2.3 输入失调电压的热漂移输入失调电压的热漂移 输入失调电压与温度有关，可用温度系数 式 2-4() os os V TC V T 来表征这个特征。式中是绝度温度，以开尔文计算，以微伏每摄T () os TC V 氏度计。普通放大器的值一般在 5uV/的数量级。热漂移是由固有 () os TC V 的失配以及输入级两部分之间的温度梯度引起的。由于在输入级采用了很好 的匹配和热跟踪技术，可以使运算放大器具有更低的热漂移。 利用式 2-5 可以预估运放的值 os V 式中是 25是的值。 (25) os V os V 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 17 页 第 8 页 2.4 自动调零和载波稳定自动调零和载波稳定 在一个特定的环境和工作条件下,片上微调课将置零，如条件改变 os V 也随之改变。为满足高精密应用中的严格要求，可采用特别的技术以进一 os V 步有效地降低输入失调。两种常见的方法为自动调零(AZ)技术和斩波稳定(CS)技 术。 AZ 技术是一种采样技术，对失调信号进行采样，然后从含有噪声的信 号中减去这些采样值，可得无失调的信号。 CS 技术是一种调制技术，它将 输入信号调制到一个更高的频率，这里没有失调或噪声，然后将放大后的信 号解调到基带，从而去除了失调和低频噪声。将这两种技术应用到输入失调 电压的调零方面，可收到很好的效果。 自动调零（或自动稳零）是一种动态地抵消失调电压和失调电压漂移的 技术，它可以周期性地对输入失调电压进行自动补偿，特别适合于 CMOS os V 工艺实现，制造成的 CMOS 集成运放，可以将校零前 mV 量级的输入失调电压 下降到 uV 量级，将失调电压漂移降低到 nV/级。动态抵消失调的另一 os V 优点是可降低低频噪声。 自动稳零运算放大器的基本指导思想是：如果能将运放两个输入端短路 时或加共模输入信号时的输出电压( 误差电压)先用电容器寄存起来( 简称采 样) ，再与运放正常工作时的输出电压相减(简称校零)，则可有效地减小失 调电压、失调电流及温度变化和电源电压波动所引起的漂移，也可有效地抑 制共模信号。 在精密仪表电路中，常要求有高精度、低噪声、低偏流、低失调电压、 低漂移和高共模抑制比的放大电路。 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 17 页 第 9 页 第三章第三章 参数设计及运算参数设计及运算 3.1 结构设计结构设计 本课程设计主要目的为设计能够消除运算放大器输入失调电压的电路， 使运算放大器实现自稳零。其电路结构框图如图 3-1 所示： 输入 输出 调零放大器 主放大器 图 3-1 自动校零电路结构图 电路的主体部分为两个放大器，二者互相配合从而达到对主放大器(即被 校正放大器)的调零目的。 3.2 运算放大器自动校零电路的设计运算放大器自动校零电路的设计 3.2.1 结构设计结构设计 图 3-2 是一个具有动态校零功能的斩波器，图中 A、B 为联动开关（A 位 于位置“1”时则开关 B 位于位置“3” ） ，通常是由电子开关或相应的驱动电 路完成开关动作。当开关 A 位于位置“1”时，电路处于工作状态，信号由输 入端 V1 加上，并经 A1 放大（A1 为反相比例运算电路）输出。此时 A2的输入 端因为开关 B 接至“3”而断开，所有 A2不引入反馈。当开关 A、B 分别置于 “2”和“4”时，电路为自动校零状态。此时 A1的输入端接地，若存在失调 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 17 页 第 10 页 电压，则 VOUT1不为 0，即 VOUT1为 A2的输入电压，经 A2反相积分和 R3、R4适 当分压后实现自动调零。其工作过程简述如下： R1 10k R2 1M R3 100 R4 100k R5 100k C1 1uF U1A LM324AD 3 2 11 4 1 J1 Key = A J2 Key = B VCC 15V VCC 15V VEE 1V 4 U2A LM324AD 3 2 11 4 1 VEE 1V 1 2 V1 2mV 3 XSC1 A B Ext Trig + + _ _ + _ 5 0 图 3-2 自动校零放大电路仿真图 若 A1的反相输入端的失调电压为正值 Vi1，则 VOUT1必为负值，经 A2反相 积分后，其输出电压 Vo2必为正值，经 R3、R4适当分压后在 A1的同相输入端 引入一个正电压，用以抵消 Vi1 从而实现自动调零。 实现的办法主要有交替校零和斩波校零。下面以交替校零为例： 交替校零的工作过程分成自动检测与存储、自动校零与放大两个过程交 替进行。 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 17 页 第 11 页 在自动检测与存储过程中，电路处于采样阶段，电路接好之后，开关 A 接至“2”开关 B 接至“4”的瞬间，C 和 R3R4 构成的分压器上电压为 0，A1 的输出电压为-Avd*Vio。这个电压会通过反馈电阻 R5 向 C 放电，从而将运放 A1 的误差电压寄存在电容器 C 和 R3R4 构成的分压器上；到稳态时，C 和 R3R4 构成的分压器上的电压近似等于 Vio，此时运放 A1 输出趋向于 0。 在自动校零和放大过程中，在 A1 正相输入端加入输入信号 V1，则 式 3-1 11 () ovdcos VAVVV 而 Vc 基本等于 Vio，所以 Vo=Avd*V1。即将采样阶段寄存在电容器 CR3R4 构成的分压器上的误差电压与放大器 A1 正常工作时所产生的误差电压 相互抵消，进而消除了失调及其漂移和共模信号对放大器 A1 输出的影响， 3.2.2 器件选择器件选择 图中所示电路采用了 OPA2111 低噪声双运放芯片，其偏流极低，建立时 间极短，噪声很小，经自动调零可使失调电压低于 5uV,零漂小于等于 0.028uV/,折算到输入端其零电位调节速率为小于等于 2uV/s,若适当减小 积分电容 C，还可提高零电位调节速度。 电路中采用的集成芯片 OPA2111 为介质隔离的场效应管（FET）的输入结 构，因而其输入电阻很高，为此在放大电路的输入线上应采用屏蔽措施，以 减小交流干扰，通常在输入端的印制板上设置屏蔽环。 3.2.3 仿真结果仿真结果 第一阶段为自动检测与存储过程，电路处于采样阶段，电路接好之后， 将开关 A 接至“2”开关 B 接至“4”由上述分析过程可知,到稳态时，C 和 R3R4构成的分压器上的电压近似等于 Vio，此时运放 A1 输出趋向于 0。仿真 电路如图所示: 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 17 页 第 12 页 R1 10k R2 1M R3 10k R4 100k R5 100k C1 1uF J1 Key = A J2 Key = B VCC 15V VCC 15V VEE -15V VEE -15V U1A OPA2111BM 3 2 4 8 1 U2A OPA2111BM 3 2 4 8 1 4 1 2 V1 2mV 3 XMM1 0 图 3-3 自动检测与存储过程仿真电路图 仿真结果如下图所示: 图 3-4 自动检测与存储过程仿真结果图 第二阶段为自动校零和放大过程，在 A1 正相输入端加入输入信号 V1,得 仿真电路图如下: 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 17 页 第 13 页 R1 10k R2 1M R3 10k R4 100k R5 10k C1 1uF J1 Key = A J2 Key = B VCC 15V VCC 15V VEE -15V VEE -15V U1A OPA2111BM 3 2 4 8 1 U2A OPA2111BM 3 2 4 8 1 4 1 2 V1 2mV 3 6 XSC1 A B Ext Trig + + _ _ + _ 0 5 图 3-5 自动校零和放大过程仿真电路图 仿真结果如下图所示: 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 17 页 第 14 页 图 3-6 自动校零和放大过程仿真结果图 第四章第四章 误差分析误差分析 本实验过程中难免会有误差的存在，主要为所运用的元器件的误差。 实际运用中与理论结果存在一定差距,但在误差允许范围内。在自动校零 与放大过程中，由于自动检测与存储过程输出结果为 0，其输出或者从另一 方面来看，由于受到电子开关自动切换知识的限制，及对模拟开关认识不足， 仿真时电子开关是手动而不是自动的，这样即使在自动检测和存储过程中有 失调电压的存在，当开关切换至自动校零和放大过程时，电容 C 和两个电阻 所构成的分压器上存储的电压初始值即为 0，导致即使有输入失调电压也无 法用软件模拟。 燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书 共 17 页 第 15 页 综上所述，由于仿真时放大器的影响，输入失调电压不存在；受软件限 制，无法模拟自动检测与存储和自动校零与放大两个过程的综合模拟。 第五章第五章 结论结论 本课程设计完成了设计能够消除运算放大器输入失调电压的电路，使运 算放大器实现自稳零的目的。电路具有方便，输入阻抗高，可靠性高，抗干 扰性能强等优点。在工程实践中可得到了很好的应用。 第六章第六章 心得体会心得体会 两周的测控电路课程设计到今天已经接近尾声了，回顾这段时间的设计 过程收获很多。 我们小组有两个人,这期间我们互相配合，合理安排时间，有步骤的完 成课设任务。这不仅是一个学习的过程，更是一次挑战自我与战胜自我的旅 程。 经过本次课程设计我们更好的巩固并加强了专业知识的理解与运用.作 为一名检测专业的学生，基本的设计电路和仿真结果的技能，是必备的。而 此次课程设计给我们提供了一次进一步熟悉工具软件的机会。对于这门课的 掌握则从初期的