高输入阻抗放大器课程设计

武汉理工大学 模拟电子技术基础 课程设计 课课程程设设计计任任务务书书 学生姓名 学生姓名 叶文岚 专业班级 专业班级 电信 1406 指导教师 指导教师 杨媛媛 工作单位 工作单位 信息工程学院 题题 目 目 高输入阻抗放大器设计 初始条件 初始条件 具备模拟电子电路的理论知识 具备模拟电路基本电路的设计能 力 具备模拟电路的基本调试手段 自选相关电子器件 可以使用 实验室仪器调试 要求完成的主要任务 要求完成的主要任务 包括课程设计工作量及其技术要求 以及 说明书撰写等具体要求 1 输入电压和输出电压函数关系为 100 oi vv 2 输入信号频率不大于 100HZ 3 在室温下 若信号源内阻在 100K 至 1M 变化时 信号源开 路电压为 50mv 100mv 时 放大器误差不大于 1 4 要求共模抑制比 60dB 5 设计电源 6 焊接 采用实验板完成 不得使用面包板 武汉理工大学 模拟电子技术基础 课程设计 4 安装调试并完成符合学校要求的设计说明书 时间安排 时间安排 十九周一周 其中 3 天硬件设计 2 天硬件调试 指导教师签名 指导教师签名 年年 月月 日日 系主任 或责任教师 签名 系主任 或责任教师 签名 年年 月月 日日 目录目录 一 摘要 1 二 相关理论知识 2 1 集成运算放大器 2 2 差分放大电路 2 3 镜像电流源 5 4 反向比例运算电路 5 5 电压串联负反馈 6 3 高输入阻抗放大器电路设计 8 1 基本方案的确定 8 2 电路图 9 武汉理工大学 模拟电子技术基础 课程设计 4 高输入阻抗放大电路仿真结果 10 5 直流稳压电源的设计 14 六 直流稳压电源电路仿真结果 15 七 实物焊接与调试 16 八 心得体会 17 九 参考文献 18 武汉理工大学 模拟电子技术基础 课程设计 1 一 摘要一 摘要 本次课程设计是基于模拟电子技术基础课程的高输入阻抗放大 器的设计 首先主要就集成放大器及其组成 反相比例运算电路 电压串联负反馈 镜像电流源和差分放大电路作了简要的分析 重 点介绍了高输入阻抗放大器电路的设计 理论分析 仿真与电路的 安装调试 本实验设计的高输入阻抗放大电路 能够接很高输入负载 在 输入信号频率小于 100HZ 的情况下 能实现电压放大倍数为 100 倍 的效果 且共模抑制比也可以达到 60dB 的要求 对于直流稳压电源的设计 通过变压 整流 滤波 稳压这四 个步骤 按照要求 选取合适的元器件设计电路 仿真与电路安装 调试 本实验设计的直流稳压电源 输出为正负电压 分别为 15V 15V 武汉理工大学 模拟电子技术基础 课程设计 2 武汉理工大学 模拟电子技术基础 课程设计 3 2 2 相关理论知识相关理论知识 1 1 集成运算放大器集成运算放大器 集成运算放大器简称集成运放 是一种模拟集成电路 集成运 放是一种高放大倍数 高输入电阻 低输出电阻的直接耦合放大电 路 一般由输入级 中间级 输出级 偏置电路四部分组成 输入级常常采用三极管和场效应管组成的差分放大电路 具有 高差模放大倍数和高输入电阻 同时获得尽可能低的零点漂移和尽 可能高的共模抑制比 其性能的好坏直接影响集成运算放大器的整 体性能 中间级由多极共射极或共源放大器组成 为集成运算放大 器提供高电压放大倍数 为了提高电压放大倍数 经常采用复合管 结构 使用恒流源作为集电极负载 输出级一般由电压跟随器或者 互补对称电压跟随器构成 具有较低的输出电阻和较强的带负载能 力 同时需要一个较宽的线性输出范围 输出级往往还具备有保护 电路的功能偏置电路为各级电路设置合适和稳定的静态工作点 往 往采用恒流源电路为三极管或场效应管的各电极提供合适的偏置电 流 2 2 差分放大电路差分放大电路 2 12 1 零点漂移零点漂移 实验研究发现 直接耦合放大器即使将输入端短路 输出电压并 不为零 而且这个不为零的电压会随时间作缓慢的 无规则的 持 武汉理工大学 模拟电子技术基础 课程设计 4 续的变动 这种现象称为零点漂移 简称零漂 产生这种现象的原 因在于直接耦合 当外界因素变化时输出电压随之变化 其中温度 的影响最大 所以有时把零漂也叫温漂 第一级的零漂经第二级放 大 再传给第三级 依次传递的结果使外界参数的微小变化 在输 出端产生了较大的零漂电压 这个变化的电压与有用的输出信号混 在一起 严重时甚至会淹没有用信号 使放大器无法工作 由于在差分式电路中 温度的变化 电源的波动会使两管的集 电极电流 集电极电压产生相同方向的变化 相当于在差分管的两 输入端加入共模信号 在理想情况下 不会使得电路输出发生变化 从而达到抑制温漂 稳定电路性能的目的 由于差分放大器有很强 的抑制共模信号的能力 零点漂移很小 特别适合作多级直接耦合 放大器的输入级 2 22 2 差模信号和共模信号差模信号和共模信号 差模信号 把一对大小相等 极性相反的信号叫做差模信号 电路中所加的有用信号就是差模信号 共模信号 把一对大小相等 极性相同的信号叫做共模信号 电路中的干扰信号 零点漂移等都可视为共模信号 2 32 3 共模抑制比共模抑制比 为了科学地衡量差动放大电路性能的优劣 检验电路抑制共模 信号的能力和放大差模信号的能力 提出了共模抑制比 KCMR 武汉理工大学 模拟电子技术基础 课程设计 5 共模抑制比定义为 有时用分贝数表示 电路中 AVD越大 AVC越小 KCMR越大 电路性能越好 2 42 4 差分放大电路的分析差分放大电路的分析 如图 1 中 电阻 Re 是 T1 和 T2 两管的公共射极电阻 或称射极 耦合电阻 它实际上就是在工作点稳定电路中的射极电阻 只是此 处将两个电阻的射极电阻合并成一个 Re 所以经它的作用是稳定静 态工作点 对零漂做进一步的仰制 电阻 Re 常用等效内阻极大的恒 流源 Io 来代替 以便更有效地提高抑制零漂的作用 动态时分差模输入和共模输入两种状态 VC VD CMR A A K dB A A K VC VD CMRlg20 武汉理工大学 模拟电子技术基础 课程设计 6 图 1 差分放大电路原理图 1 对差模输入信号的放大作用 当输入差模信号时 差放两输入端信号大小相等 极性相反 因此差动对管电流增量的大小相等 极性相反 导致两输出端对地 的电压增量 即差模输出电压 Vod1 Vod2 此时双端输出电压 Vo Vod1 Vod2 Vod 可见 差放能有效地放大差模输入信号 2 对共模输入信号的抑制作用 当输入共模信号时 差放两输入端信号大小相等 极性相同 因此差动对管电流增量的大小相等 极性相同 导致两输出端对地 的电压增量 即差模输出电压 Voc1 Voc2 此时双端输出的电压为 Vo Voc1 Voc2 0 可见 差放对共模输入信号具有很强的抑制能力 此外 在电路对称的条件下 差放具有很强的抑制零点漂移及 抑制噪声与干扰的能力 3 3 镜像电流源镜像电流源 武汉理工大学 模拟电子技术基础 课程设计 7 电流源电路就是集成运放中最常用的偏置电路 它不仅可以为 放大器提供稳定的偏置电流 还可以作为放大器的有源负载 这里 就镜像电流源做一下介绍 基本镜像电流源如图 2 所示 图 2 基本镜像电流源 T0 与 T1 特性相同 即 UBE0 UBE1 UBE 1 0 Ic1 Ic0 IB1 IB0 IB R 和 T0 共同构成 T1 的偏置电路 T0 管的 c b 相连 使 Ucb0 0 这是一个临界饱和状态 Ic Ic 的关系仍然存在 4 4 反向比例运算电路 反向比例运算电路 武汉理工大学 模拟电子技术基础 课程设计 8 图 3 反向比例运算电路图 如图 3 所示为反向比例运算电路图 可知 213 1 2 RRR R R U U A i O 4 4 电压串联负反馈电压串联负反馈 图 4 电压串联负反馈电路图 如图 4 为运放组成的电压串联负反馈电路 利用虚短和虚断的 概念可以得知 oiVid 0 武汉理工大学 模拟电子技术基础 课程设计 9 则 o f fiV RR R VV 1 1 闭环电压增益为 1 1 1 R R R RR V V V V A f f f i o i o VF 武汉理工大学 模拟电子技术基础 课程设计 10 3 3 高输入阻抗放大器电路设计高输入阻抗放大器电路设计 1 1 基本方案的确定 基本方案的确定 根据高输入阻抗放大器的高输入阻抗要求 我们选取型号为 CA3140E 的放大器 此放大器的输入阻抗高达欧姆 远远 可以满足高输入阻抗的要求 且 CA3140E 放大器的共模抑制比为 90dB 也大于所要求的 60dB 设计要求是放大倍数 A 为 100 倍 输 入频率 f 不大于 100HZ 而根据芯片 CA3140E 的特点 芯片输出电 压的值受到直流偏置电压的影响 最大只能达到直流偏置电压的值 所以在这里直流偏置电压设计的是正负 15V 由于放大器本身的电 压放大倍数达到了 105 而设计要求电压放大倍数为 100 可以引用 电压串联负反馈 来调节电压放大倍数 利用虚短虚断的概念可知 0 013 iiVV 则 0 43 3 3V RR R VVRi 12 105 1 武汉理工大学 模拟电子技术基础 课程设计 11 闭环电压增益为 1001011 3 4 3 43 R R R RR V V V V A f o i o VF 基本满足要求 2 2 电路图电路图 图 5 高输入阻抗放大器设计电路 武汉理工大学 模拟电子技术基础 课程设计 12 四 高输入阻抗放大电路仿真结果四 高输入阻抗放大电路仿真结果 从图 5 中可以看出输入端接示波器的 B 端 输出端接示波器的 A 端 维持图 5 中的电阻 R3 的阻值 100K 不变 输入信号的频率为 f 100HZ 输入电压为 V 50mV 运行程序得到一波形图 将 Timebase 栏里面的 scale 的参数设置为 2ms Div 将 Channel A 栏 中的 scale 的参数设置为 2V Div 将 Channel B 栏中的参数设置为 50mV Div 将 T1 时刻的坐标定在波谷处 将 T2 时刻的坐标定在波 峰处 即可得到图 6 中的波形 图 6 输入输出波形图 武汉理工大学 模拟电子技术基础 课程设计 13 从图 6 中 T1 和 T2 位置读出的数据可以计算出电压的放大倍数 AT1 AT2 电压放大倍数误差不超过 1 维持图 5 中的电阻 R3 的阻值 100K 不变 输入信号的频率为 f 100HZ 输入电压为 V 100mV 运行程序得到一波形图 将 Timebase 栏里面的 scale 的参数设置为 2ms Div 将 Channel A 栏 中的 scale 的参数设置为 5V Div 将 Channel B 栏中的参数设置为 100mV Div 将 T1 时刻的坐标定在波峰处 将 T2 时刻的坐标定在波 谷处 即可得到图 7 中的波形 960 100 050000 0 048 5 962 100 049999 0 048 5 武汉理工大学 模拟电子技术基础 课程设计 14 图 7 输入输出波形图 从图 7 中 T1 和 T2 位置读出的数据可以计算出电压的放大倍数 AT1 AT2 电压放大倍数误差不超过 1 将图 5 中的电阻 R3 的阻值改为 1M 输入信号的频率维持 f 100HZ 输入电压为 V 50mV 运行程序得到一波形图 将 Timebase 栏里面的 scale 的参数设置为 2ms Div 将 Channel A 栏 中的 scale 的参数设置为 2V Div 将 Channel B 栏中的参数设置为 970 100 100000 0 097 10 972 100 099998 0 097 10 武汉理工大学 模拟电子技术基础 课程设计 15 50mV Div 将 T1 时刻的坐标定在波峰处 将 T2 时刻的坐标定在波 谷处 即可得到图 8 中的波形 图 8 输入输出波形图 从图 8 中 T1 和 T2 位置读出的数据可以计算出电压的放大倍 数 AT1 AT2 电压放大倍数误差不超过 1 将图 5 中的电阻 R3 的阻值改为 1M 输入信号的频率维持 967 100 049640 0 012 5 971 100 049658 0 014 5 武汉理工大学 模拟电子技术基础 课程设计 16 f 100HZ 输入电压为 V 100mV 运行程序得到一波形图 将 Timebase 栏里面的 scale 的参数设置为 2ms Div 将 Channel A 栏 中的 scale 的参数设置为 5V Div 将 Channel B 栏中的参数设置为 100mV Div 将 T1 时刻的坐标定在波峰处 将 T2 时刻的坐标定在波 谷处 即可得到图 9 中的波形 图 9 输入输出波形图 从图 9 中 T1 和 T2 位置读出的数据可以计算出电压的放大倍数 AT1 966 100 099994 0 096 10 武汉理工大学 模拟电子技术基础 课程设计 17 AT2 电压放大倍数误差不超过 1 972 100 099998 0 097 10 武汉理工大学 模拟电子技术基础 课程设计 18 五 直流稳压电源的设计五 直流稳压电源的设计 CA3140 芯片的直流偏置电压是 15v 和 15v 按照课程设计的要 求 自制一个稳压电源 直流稳压电源有电源变压器 整流电路 滤波电路和稳压电路四部分构成 输入 220V 50Hz 的交流电通过 电源变压器变为我们需要的电压 在经过整流电路将交流电压变为 脉动的直流电压 因为次脉动的直流电压含有较大的纹波成分 必 须经过滤波电路加以滤波 从而得到平滑的直流电压 但此电压还 是会因为电网电压的波动 负载和温度的变化而变化 因此在经过 整流 滤波电路之后 还要接上稳压电路 保证输出稳定的直流电压 由于输出地直流电压会随着稳压电路的波动 负载和温度发生变化 而变化 所以 为了维持输出直流电压稳定不变 还要加上稳压电 路 集成稳压器在使用中普遍使用的是三端稳压器 本次课程设计 我选择 LM7815 和 LM7915 芯片组成电路 原理图如图 10 图 10 直流稳压电源电路图 武汉理工大学 模拟电子技术基础 课程设计 19 六 直流稳压电源电路仿真结果六 直流稳压电源电路仿真结果 当输入 220V 50Hz 的交流电 LM7815 的 3 号脚输出电压为 15 514V LM7915 的输出是 15 628V 仿真的结果满足要求 说明 此稳压电路是可行的 直流稳压电源的仿真图如图 11 图 12 图 11 输出为 15V 图 12 输出为 15V 武汉理工大学 模拟电子技术基础 课程设计 20 七 实物焊接与调试七 实物焊接与调试 1 1 焊接 焊接 首先对电路图上需要的元器件进行采购 采购完毕后 在稿纸 上大致规划各个元器件的位置布局 检查无误后开始焊接 焊接时 注意各焊点各导线不交叉 避免短路现象 实物如图 13 所示 图 13 高输入阻抗放大器和直流稳压电源实物图 2 2 调试调试 CA3140 芯片的 7 号管脚加 15V 直流偏置电压 4 号管脚加 15V 直流偏置电压 连接好地线 开始电路板调试 输入电压为 100mv 频率为 100HZ 的正弦交流电压 在示波器上观察输出波形 看波形 有没有失真 并记录下输出电压的大小 武汉理工大学 模拟电子技术基础 课程设计 21 八 心得体会八 心得体会 这次模拟电子技术基础课程设计是我们在进入大学后接到的第 一个课程设计任务 经过了一个学期的模电理论知识和模电实验的 实践 我们对模拟电子技术这门课程已经历了从陌生到熟悉的过程 但尽管如此 在第一次看到我们组的课程设计题目和要求时 我还 是感到了一丝迷茫 无法将课本中的知识一下子转换成实际电路 的要求 但是经过对课本上相关章节的查阅 尤其是第六章和第十一章 再加上询问老师 组员 和有关资料的浏览后 我终于捋清了思绪 设计出了电路图 与此同时 我也第一次接触到了 Multisim 这个仿 真软件 通过半天的磕磕碰碰把它的操作摸索清楚 将我设计的电 路图仿真了出来 结果达到了预期目标 那一刻仿佛所有的付出都 得到了回报 让我在紧张忙碌的几天设计准备中终于尝到了一点成 功的味道 通过这次课程设计 我深深地体会到 纸上学来终觉浅 绝知 此事要躬行 的道理 只学习书本上的知识 通过纸面考试意义并 不大 知识技术要能应用起来才