高输入阻抗放大电路的设计仿真与实现要点

1、武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书课程设计任务书学生姓名:专业班级:电信1101班11指导教师： 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100hz,共模抑制比方60db; 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计； 利用prot

2、eus或multisim 仿真设计电路原理图，确定电路元件参数、掌握电 路工作原理并仿真实现系统功能；安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书； 选做：利用仿真软件的pcbs计功能进行pcb®计。时间安排：1、前半周，完成仿真设计调试；并制作实物。2、后半周，硬件调试，撰写、提交课程设计报告，进行验收和答辩。指导教师签名：年月日系主任(或责任教师)签名：年月日目录摘要 31 .电路方案选择 42 .高输入阻抗放大电路设计 52.1 差分放大电路 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

3、源 72.2.1 镜像电流源电路特点 82.2.2 镜像电流源电路分析 82.3 同向比例放大电路 82.4 电压串联负反馈 92.5 电路原理设计图 103 .直流稳压电源的设计 103.1 理论分析 103.2 原理图 113.3 直流稳压电源仿真结果 114高输入阻抗放大电路仿真 125实物安装和调试 171.1 布局焊接 171.2 调试方法 171.3 测试结果分析 171.4 实物展示 186 . pcb 制作 197 .个人总结 23参考文献 24摘要本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，需要运用书中所学的模电知识。本设计主要有三部分构成，输入级由场效应管

4、组成的差分放大电路，中间级由共射极的偏置电路组成的放大电路， 镜像电流源提供稳定的输入电流。为了实 现本次课程设计的要求，报告首先就集成放大器及其组成、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、proteus环境下的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大于 100倍的效果。而且利用场效 应管组成的差分放大电路的共模抑制比也可以达到 >=60db的要求。关键词：高输入阻抗；放大；proteus仿真；差分放大电路；镜像电流源

5、1电路方案选择方案一：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 大于100的要求，第一级电路实现放大倍数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正常工作放大 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：用集成运算放大器实现。集成运算放大器简称集成运放，是一种模

6、 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。输出级一股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

7、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 ca3130e勺放大器，此放大器的输入阻抗高达 1.5x10 12欧姆，远远可以满足高输 入阻抗的要求，且ca3130儆大器的共,g抑制比为90db,也大于所要求的60db。 设计要求是放大倍数a>100倍，输入频率f<100hz,而根据芯片ca3130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

8、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。2高输入阻抗放大电路设计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。输出级一股由电压跟随

9、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。下 面就每部分电路做原理分析。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

10、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：利用直流负反馈，稳定电路的静态工作 点。采用温度特性较好的高性能器件。 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。 采用差分放 大电路，利用特性相同的对管，使它们的温度漂移互相抵消。本设计就是用差分放大电路达到效果，原理在于差分式电路中，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

11、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k-遑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：avd有时用分贝数表示:akcmr=201g-ldb ac电路的avdffi大，avc越小，kcmrg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

12、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

13、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=q可见，差放对共模输入信号具有很强的抑制能力。止匕外，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所小。图2镜像恒流源原理图2.2.1 镜像电流源电路特点(1)t。与 t1 特性相同；即 ube0=

14、 ube仁 ube 0 1=00=6 ic1= ic0 ib仁 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= b ib的关系仍然 存在。2.2.2 .电路分析22二 八 + 2/8=/京1+万=小1+/-2/ -/c1 0 + 2。 r可以看出二者之间如同“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，由电路参数和管参数很容易 确定，当找出ic1与基准电流的“镜像”关系后，很容易知道该电路提供出的偏 流大小。2.3 同向比例放大电路图3所示为同向比例

15、电路，从图中可以得：a=vo/vi=1+r2/ri2.4 电压串联负反馈rfvf ri|i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:vd= 0, ii =0则 vi=vf =r1*vo/ (r1+rf)闭环电压增益为：avf=vo/vi=v o/vf= (r1+rf) /r1=1+rf/r13直流稳压电源的设计3.1 理论分析ca3130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

16、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。可以分为固定式和可调式，按正负的输出电压还可分为cw31 cw337lm3m lm337其中317系列稳压器可以连续输出可调正电压，337系列则是可 调负

17、电压。它们的可调范围为1.2-37v,最大输出电流为1.5a。三端集成稳压器 还有78、79系列分别对应正电压输出和负电压输出。 79系列和78系列的外形 相似但是连接不同，79的1端接地，2端接负的输入，3端接输出。本次课程设 计我选择cw7815口 cw79155片组成电路，具体原理图如下图所示。3. 2原理图图6直流稳压电源原理图本d5zsd67ea3.3直流稳压电源的仿真结果当输入220m 50hz的交流电，cw7815勺3号脚输出电压为+15.0193v,cw7915 的输出是-15.0629v,仿真的结果满足要求，说明此稳压电路是可行的。直流稳 压电源的仿真图如下所示。武汉理工大学

18、模拟电子技术基础课程设计说明书图7直流稳压电源仿真图4高输入阻抗放大电路的仿真(1)把输入信号接在示波器的 a端，输出信号接在示波器的 b端，输入电压v=100mv,f=100hz时候，运行得到一组波形，仿真结果如下图所示。将timebas栏里面的scale 的参数设置为1ms/div,将channel a栏中的scale 的参数设置为0.1v/div,将channe旧栏中的参数设置为2v/div。从图中读出的 数据可以计算出电压的放大倍数，为了计算方便输入电压和输出电压都用幅值来 表示,v=100mv,v=10.2v,放大倍数 a= v v i=102>100，满足要求。(2)把输入信

19、号接在示波器的a端，输出信号接在示波器的b端，输入电压v=100mv,f=5hz时候，运行得到一组波形，仿真结果如下图所示。图9仿真图将timebas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channe旧栏中的参数设置为2v/div。从图中 读出的数据可以计算出电压的放大倍数，为了计算方便输入电压和输出电压都用 幅值来表示，v=100mv,v=12v,放大彳数a= v0/ v i=120>100,满足要求。(3)把输入信号接在示波器的 a端，输出信号接在示波器的b端，输入电压vi=50mv,f=100h

20、z时候，运行得到一组波形，仿真结果如下图所示。图10仿真图将timebas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channelb栏中的参数设置为1v/div。从图中读出的数 据可以计算出电压的放大倍数，为了计算方便输入电压和输出电压都用幅值来表示，vi=50mv,vo=5.1v,放大倍数 a= v。/ vi=102>100满足要求(4)把输入信号接在示波器的 a端，输出信号接在示波器的 b端，输入电压 vi=50mv,f=5hz时候，运行得到一组波形，仿真结果如下图所示。网； oscillokop?chmui

21、el cpoaroanlevelqj rearshorizohtalchamirelbchannel dpowonacdc gnd offautoo«i«-shl皿pcrsitichlsource血图11仿真图将timebas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50mv/div,将channe旧栏中的参数设置为1v/div。从图中 读出的数据可以计算出电压的放大倍数，为了计算方便输入电压和输出电压都用 幅值来表示，v=50mv,v=6v,放大倍数a= v v i=120>100，满足要求(5)把输入

22、信号接在示波器的 a端，输出信号接在示波器的b端，输入电压v=150mv,f=100hz时候，运行得到一组波形，仿真结果如下图所示。图12仿真图很明显输出波形产生了明显的失真， 说明输入电压变大时，输出波形会失真, 这和运算放大器ca3130的特性有关，ca3130的输出电压最大只能达到偏置电 压大小，本实验即最大输出电压为15v。此高输入阻抗放大电路在输入电压较小 的时候，在f<100hz的情况下，可以实现放大倍数大于 100倍的目标。5实物安装和调试5.1 布局焊接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。图13

23、布局图5.2 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100mv,频率为100hz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。5.3 测试结果分析输入 v=100mv,频率 f=100hz, vo=10.3v ,放大倍数 a= vo/vi=103输入 v=100mv,频率 f=5hz, vo=12.4v ,放大倍数 a= vo/vi=124输入 v=50mv,频率 f=100hz, vo=5.5v ,放大倍数 a= vo/vi=110输入 v=50mv,频率 f=5hz

24、, v0=6.2v ,放大倍数 a= vo/vi=124输入v=150mv,频率f=100hz,波形产生明显失真。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。5.4 实物展示图14实物图246 pcb制作(1)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

25、，即进入sch设计系统，同时系统 界面变为sch的设计界面，如图9所示：图15新建sch文件的界面(2)绘制好原理图之后，选择 tools1单下的erc4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佥查，直至完全正确为止，如下图10:图16常规电气检查表(3)创建网络表，在确认网络表如图11没有错误之后，生成pcb文件,入舛专人;主蹿阿空表网络表iths operation brings the schematic design data into the pcb workspace using a netlist

26、nie. if you are loading a netlist for the first time neurst macros are created ftx the entire netlist. llfyou are forw5fd annohling your design netlist macros are created for each design change you can modify, add and delete netlist macros to include or omit particular design changes. note: componen

27、ts are matched by designator only.网络表文和文精丽"net缝电葡殳fcb.ddb)浏览国|r删除不在网络表中的元件) r电新封装如3。二作用错误状态网络表没有改变高级回执行区) 取邕© | 帮助图17网络表的错误检查(4) pcbk绘制。选择file/new/pcb生成一个后缀为pcb的文件。pcbfe分为 彳艮多层， 主要有 top-layer、 bottom-layer 、 mechanical、 top overlay、 keep-out-layer 和 multi-layer 。按步骤设置pcbfe的mechanical物理边界以及

28、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pcbfe的物理边界，最后在禁止布线层(keep-out layer)上面划定电器边界。(5)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艮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双，然后pcb艮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/autoplacement

29、/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12所示的pcb图18 pcb图(6)生成pc喷后，执行菜单命令【report/ bill ofmaterial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材料清单表模电课设dd

30、b |文精明sch |文精明eec |文精明het |文精明feb闽 文精明, bom|rwa b c d e' g ft1元件值兀件标号2axialo 312kr33axialo 310。r24axial0.310kr15dipsca3130ui6sip2io.1pfc11sip2例bt28sip215vbt19vr51k1r也！101112131415161716192021(7)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电路板信息报表憎电昂设fcb.adhl mnus.nt. | h情明.：svh|京格用erc | k横町het |定情中.fe |文精第i京横明 ref |jl,fill日口七七05.1#工 t0户口"lf- x- 1 -v1 kibm'ipou. t.