高输入阻抗放大器课程设计

1、课程设计任务书学生姓名：叶文岚专业班级：电信1406指导教师：杨媛媛工作单位：信息工程学院题目高输入阻抗放大器设计初始条件：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：（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：Vo 100vi2、输入信号频率不大于100HZ3、在室温下，若信号源内阻在 100K Q至1M Q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60dB5、设计电源；6、焊接：采

2、用实验板完成，不得使用面包板。4、安装调试并完成符合学校要求的设计说明书时间安排：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：年 月 日系主任（或责任教师）签名：年月日目录一、摘要1二、相关理论知识21、集成运算放大器22、差分放大电路23、镜像电流源54、反向比例运算电路55、电压串联负反馈6三、高输入阻抗放大器电路设计81、基本方案的确定82、电路图9四、高输入阻抗放大电路仿真结果10五、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

3、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。二、相关理论知识1、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

4、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

5、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、差分放大电路2.1 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

6、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。2.2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。2.3共模抑制比为了科学地

7、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4mr共模抑制比定义为：Kcmr有时用分贝数表示：Kcmr ZOIgADdB电路中Avd越大，Ave越小，KcmR越大，电路性能越好。2.4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10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。VCC:-T-ibv-E

8、i b ,. iIOT100ktlTn lOOkfl011I-Iri IdIiIi-Q2L :1H| : VEE .W 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V0d1=-Vod2。此时双端输出电压V0=V0d1-Vd2=Vdo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 V)c1

9、二VC2，此时双端输出的电压为VO=Wci-Vbc2=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、镜像电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基本镜像电流源TO 与 T1 特性相同，即 UBeo= UBei= UBe, B i=p 0= p, Ic 1= Ic 0 I bi=I B0= I B；R和TO共同构成T1的偏置电路；TO 管的c-b相连，使Ueo=O,这是一个临

10、界饱和状态，Ic= p Ic的关系仍然存在4、反向比例运算电路LiFRtUl J1+olh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:4、电压串联负反馈八 UOR2UiRiR3 Ri / R2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：Vd 0,ii o 则：RiVi VfVoRi Rf闭环电压增益为:AvfVoViVoViRiRf,Rf1 RfRi三、高输入阻抗放大器电路设计1、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1.5 1012阻抗高达欧姆，远远可以满足高输入阻抗的要求，且CA31

11、40E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勺特点，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：闭环电压增益为：八 Vo VoAvf Vi VfR3R4R3101 100R3V3 V10,ii0则：ViVR3R3 /cV 0R3 R4基本满足要求。2、电路图vccT 仙二R

12、3C2HF470pFCA3130EU1KFGl1P0KQ：_VE-*15V- mAw JOOkQFt2 JkQ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维持图5中的电阻R3的阻值100KQ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输入输出波形图从

13、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0.0500005.0480.049999100.962电压放大倍数误差不超过1%维持图5中的电阻R3的阻值100KQ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。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10.

14、0970.1000000.099998100.972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1MQ,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。示液證XSC1S3反向 as 门IT2-T1匚卫匸外触发币时间通道丿通道申2.053s5.012 V49.640 mV1053 s-5.014

15、V,E53 mV5.026 ms-1D.027V-99.293 mV2 V/&W50（nV）ivlifiA通道目时基标度：ims/OivX轴位移（榆：Q丫釉位移（格0麵回ssiq 丫釉位移格）：0边曙：国国囚而屈 水平:单次正常II鬲F天图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5.0120.0496405.0140.049658100.971超过1%示渡器-XSCl丨S3反向T1 世 g)时间通道丄通道申2a273s10-.096 V99.mVJ? 5 *2.267 s-10.097 -99.593 mVT2-T1-5.026 ms-20.193 V-199.

16、992 mV时基标度：2ms/DivX轴位移（格）：0 丽T涼加丽I両適道A通道日劇度;5 忖燮蹬：100 mVivY釉位移（格0Y釉位移格）：0触发 边和国闰（XI三BCt|水平：0Vrs茨i正常h自动无匚厕外触茂电压放大倍数误差不将图5中的电阻R3的阻值改为1MQ,输入信号的频率维持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

17、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T1 =100.96610.0960.09999410.0970.099998电压放大倍数误差不超过 1%。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

18、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。XW17* :.CE.U I. U . I -茁.! -:工：U2- B . S._ I -UMTSISCT 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

19、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12.万用吹R比15.5 4 V图12输出为-15V图11输出为+15V七、实物焊接与调试1、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、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

20、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