高输入阻抗放大电路的设计仿真与实现.doc

武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计课程设计任务书学生姓名： 侯俊杰 专业班级： 电信101 指导教师： 孟哲 工作单位： 信息工程学院 题 目: 高输入阻抗放大电路的设计仿真与实现 初始条件： 可选元件：运算放大器，三极管，电阻、电位器、电容、二极管若干，直流电源Vcc= +12V，VEE= -12V，或自选元器件。可用仪器：示波器，万用表，直流稳压源，毫伏表等。要求完成的主要任务: （1）设计任务根据要求，完成对高输入阻抗放大电路的设计、装配与调试，鼓励自制稳压电源。（2）设计要求 电压增益=100，输入信号频率=60DB的要求。关键词：集成放大器 反相比例放大器 镜像电流源 差分放大电路 高输入阻抗放大电路 仿真 目录摘要.21、 集成运算放大器及其组成.42、高输入阻抗的原理.52.1.1零点漂移.52.1.2差模信号与共模信号.52.1.3共模抑制比.62.1.4差分放大电路的分析.62.2镜像恒流源.8 2.2.1电路特点.9 2.2.2电路分析.92.3反向比例电路.92.4电压串联负反馈.103、 高输入阻抗放大器的设计.113.1方案选择及分析.113.2电路设计.123.3仿真.143.4 PCB的制作.18 4、实物安装和调试.24.5、设计总结.26参考文献.27附录1.28附录2.29附录3.301、 集成运算放大器及其组成 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、 高输入阻抗放大电路的原理2.1差分放大电路2.1.1零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。 抑制零点漂移可以采用下列方法:1.利用直流负反馈稳定电路的静态工作点。2.采用温度特性较好的高性能器件。3.采用温度补偿方法利用热敏器件的参数随温度变化而变化的特性抵消电路随温度变化产生的影响。4.采用差分放大电路利用特性相同的对管,使他们的温度漂移互相抵消,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。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。2.1.2.差模信号与共模信号 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。2.1.3.共模抑制比共模抑制比CMRK是衡量差分放大器抑制共模信号能力的一项技术指标。我们通常定义为：有时用分贝数表示：电路的AVD越大， AVC越小， KCMR越大，电路性能越好。2.1.4.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。 图 1 差分放大原理图动态时分差模输入和共模输入两种状态。 (1)对差模输入信号的放大作用 当输入差模信号Vid时，差放两输入端信号大小相等、极性相反，Vi1=-Vi2=Vid/2。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=2Vod1=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Vic时，差放两输入端信号大小相等、极性相同，即Vi1=Vi2=Vic,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。 2.2镜像恒流源 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 镜像恒流源原理图2.2.1电路特点1、 T0与T1特性相同；即 UBE0= UBE1= UBE 1=0= Ic1= Ic0 IB1= IB0= IB 2、 R和T0共同构成T1的偏置电路； 3、T0管的c-b相连，使Ucb0=0，这是一个临界饱和状态，Ic=I的关系仍然存在。 2.2.2电路分析 即二者之间如同“镜像”般的关系这样， Ic1的大小即可由Ic1=IR=（Vcc-Ube）/R 来决定。这个电路有一个基准电流IR，由电路参数和管参数很容易确定，当找出IC1与基准电流IR的“镜像”关系后，很容易知道该电路提供出的偏流大小。2.3反向比例电路 图3 反向比例原理图图3所示为反向比例电路，从图中可以得： A=uo/ui=-R2/R1 R3=R1/R22.4电压串联负反馈 图4 电压串联负反馈电路图如图4为运放所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： Vd0，ii0则Vi=Vf =R1*Vo/（R1+Rf）闭环电压增益为：AVF=Vo/Vi=Vo/Vf=（R1+Rf）/R1=1+Rf/R13、高输入阻抗放大器的设计3.1方案选择及分析方案一：用晶体三极管组成多级放大器来实现。一个多级放大器总的电压放大倍数等于各单级放大器的乘积，本实验可以考虑用二级放大器来实现放大倍数100的要求，第一级实现放大倍数15倍，第二级实现10倍的放大倍数，总放大倍数达到150，符合要求。而输入阻抗等于第一级放大的输入阻抗，为了实现高输入阻抗的要求，可以选择输入阻抗高的射极偏置共射极放大电路作为第一级放大电路。理论上这种方案很容易实现，但是由于晶体三极管放大时候对静态工作点的要求较高，静态工作点设置不好就会引起失真，所以这种方案不用。方案二:用运算放大器实现。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。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CA3130的放大器，此放大器的输入阻抗高达1.5x1012欧姆，远远可以满足高输入阻抗的要求，且CA3130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A100倍，输入频率f1,此反馈为深度负反馈）利用虚短和虚断的概念可以得知：Vi=Vf=R1*Vo/（R1+R2+RV1） 则Avf=1+（R2+RV1）/R1放大倍数的范围为121到131，基本满足要求。3.2电路设计 图5 电路原理图 如图5所示即为原理图，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CA3130的放大器，此放大器的输入阻抗高达12105.1，远远可以满足高输入阻抗的要求，且CA3130放大器的共模抑制比为90dB，也大于所要求的60dB。图中R2为设计的信号源内阻，因为设计要求我们信号源开路电压为50mv到100mv,而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510，而设计要求电压放大倍数为100，所以我们引用了电压串联负反馈，来调节电压放大倍数（令A=510,由于1+AF1,此反馈为深度负反馈）3.3仿真3.3.1输入信号频率f=5HZ，输入电压V=50mV仿真图从图中可以看出输入端接示波器的A端，输出端接示波器的B端。输入信号的频率为f=5HZ，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50ms/Div，将Channel A栏中的scale的参数设置为50mV/Div,将Channel B栏中的参数设置为1V/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Av=(1*6)/(0.05*1)=120图6 50mv,5hz仿真图图中Timebase选项的Scale中20ms/Div表示图中每格表示20ms，算出图中曲线的一个周期所占的格子数，用格子数乘以20ms就可以得出输出波与输入波的周期与频率，如图T=10*20ms=0.2s f=1/T=50hz3.3.2输入信号频率f=100HZ，输入电压V=50mV仿真图从图中可以看出输入端接示波器的A端，输出端接示波器的B端。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50mV/Div,将Channel B栏中的参数设置为1V/Div。将T1时刻的坐标定在波峰出,将T2时刻的坐标定在波谷处 从图中T1和T2位置读出的数据可以计算出电压的放大倍数Av=(1*5)/(0.05)=100图7 50mV 100hz仿真图图中Timebase选项的Scale中2ms/Div表示图中每格表示2ms，算出图中曲线的一个周期所占的格子数，用格子数乘以2ms就可以得出输出波与输入波的周期与频率，如图T=2*5ms=0.01s f=1/T=100hz3.3.3输入信号频率f=5HZ，输入电压V=100mV仿真图从图中可以看出输入端接示波器的A端，输出端接示波器的B端。输入信号的频率为f=5HZ，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20ms/Div,将Channel A栏中的scale的参数设置为0.1V/Div,将Channel B栏中的参数设置为2V/Div。将T1时刻的坐标定在波峰出,将T2时刻的坐标定在波谷处 从图中T1和T2位置读出的数据可以计算出电压的放大倍数Av=(2*6)/(0.1*1)=120图8 100mV 5hz仿真图图中Timebase选项的Scale中20ms/Div表示图中每格表示20ms，算出图中曲线的一个周期所占的格子数，用格子数乘以20ms就可以得出输出波与输入波的周期与频率，如图T=20*10ms=0.2s f=1/T=5hz3.3.4输入信号频率f=100HZ，输入电压V=100mV仿真图从图中可以看出输入端接示波器的A端，输出端接示波器的B端。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20ms/Div,将Channel A栏中的scale的参数设置为0.1V/Div,将Channel B栏中的参数设置为2V/Div。将T1时刻的坐标定在波峰出,将T2时刻的坐标定在波谷处 从图中T1和T2位置读出的数据可以计算出电压的放大倍数Av=(2*5)/(0.1*1)=100图9 100mV 100hz仿真图图中Timebase选项的Scale中1ms/Div表示图中每格表示1ms，算出图中曲线的一个周期所占的格子数，用格子数乘以1ms就可以得出输出波与输入波的周期与频率，如图T=1*10ms=0.01s f=1/T=100hz3.3.4输入信号频率f=100HZ，输入电压V=150mV仿真图从图中可以看出输入端接示波器的A端，输出端接示波器的B端。输入信号的频率为f=100HZ，输入电压为V=150mV。图10 150mV 100hz仿真图波形产生明显失真。3.4 PCB板的制作打开protel 99 SE ,用菜单File/New新建一设计，命名，选择文件路径，然后进入Protel 99 SE的标准界面，进入Documents目录，用File/New 命令，系统弹出文件类型的对话框，我们选择SCH图标，即进入SCH设计系统，同时系统界面变为SCH的设计界面，如图10所示： 图11新建sch文件的界面绘制好原理图之后，选择TOOLS菜单下的ERC选项，弹出对话框，直接点击ok即可， 如果有问题就会坐标标注元件的位置，返回电路原理图，改正错误的元件属性，在进行ERC检查，直至完全正确为止，如下图11： 图12常规电气检查表 创建网络表，在确认网络表如图12没有错误之后，生成Pcb文件 图13 网络表的错误检查生成网络表之后，就进入了PCB板绘制的阶段。选择File/New/PCB生成一个后缀为Pcb的文件。PCB板分为很多层，主要有Top-Layer、Bottom-Layer、Mechanical、Top Overlay、Keep-Out-layer和Multi-Layer。按步骤设置PCB板的Mechanical物理边界以及Keep-Out Layer电气边界。先执行Design/Board Sharp/Redefine Board Sharp命令，此时光变变成十字形。然后在Mechanical层面上划定PCB板的物理边界，最后在禁止布线层（Keep-Out Layer）上面划定电器边界。加载网络表后，使用系统的Cluster模式进行自动布局后，得到启示，然后按照原理图自己重新布局。网络表加载完成之后，PCB根据网络表产生预拉线，在屏幕上会出现排列整齐的所有元件以及设置过的PCB板，然后PCB根据预拉线一条一条变为铜膜走线。选定所有的元件拖至PCB板上，执行Tools/Auto Placement/Auto Placer/Cluster Placer命令，Protel开始自动排版。 布局好之后，选中 ALL Route-all选项，弹出对话框，点击Aoute all,便开始自动布线，完成后点击ok即可，布线完成后，得到如图13所示的PCB： 图14 PCB图生成PCB板后，执行菜单命令【REPORT】/【BILL OF MATERIAL】出现新的对话框选择“project”点击下一步，其他默认直到倒数第二步将Protel Format、CSV Format、Client Spreadsheet全部选中点击下一步和Finish就生成了材料清单。表1元件清单生成电路板信息报表打开PCB设计文件，选择Report/Board Information命令弹出对话框，一直单击默认值到如图所示的界面后单击全部，如图22,最后形成的电路板信息报表如图23所示。表2电路板信息报表4、实物安装和调试4.1按照电路原理图先在草稿纸上画好元器件焊接布局图，要做到布局合理科学，不交叉，检查无误后，按照布局图进行焊接和布线。4.2调试方法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。输入正弦交流电压，第一次输入电压50mv,频率为5HZ的交流电压，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。输入Vi=0.1v,频率f=5HZ，Vo=12v，放大倍数A=Vo/Vi=120。输入Vi=5v,频率f=100HZ，Vo=0.05v，放大倍数A=Vo/Vi=100输入Vi=12v,频率f=5HZ，Vo=0.1v，放大倍数A=Vo/Vi=120。输入Vi=10v,频率f=100HZ，Vo=0.1v，放大倍数A=Vo/Vi=100.输入Vi=150mv,频率f=100HZ，波形产生明显失真。4.3测试结果分析测试时波形稳定，测试结果和仿真结果相差不大，满足了设计要求，在输入信号不大（有效电压100mv），输入信号频率小于100HZ都能实现超过100倍的放大，并且输入信号越小，输入频率越低，放大效果越好。4.4实物展示图15 布局图图16电焊图图17成品图5、设计总结本次模电设计主要是考虑到综合能力，不能仅仅通过模电某一章的内容做出来，就差分放大而言，在书本的第六章，恒流源在第六章，电压串联负反馈在第七章，三极管的放大及调试在第三章，场效应管的选择在第