模电实验报告

1、 IEIJING UHIVLRS F* Of *05it AHO a LE0M-MUN C*nOKS电了电路综合设计实验实验四指数运算电路的设计与实现实验报告学 院：信息与通信工程学院专业：通信工程班级：2010211113班内序号：7学号：10210379姓名：李想任课教师：崔岩松北京邮电大学时间：2012年3月28日噬昜信息与通信工程学院姓名：李想 学号：102103792011-2012学年第二学期实验四指数运算电路的设计与实现李想（北京邮电大学 信息与通信工程学院 北京100876）摘 要 指数运算电路是一种重要的电路组成部分。利用二极管的伏安特性实现的对数运算及指数运算，加以整合可以

2、实现乘方运算。该电路可应用于乘法、除 法、开方、调制、解调、放大等功能的电路中。从而在模拟运算、通信、测控、 电气测量等电子技术领域，具有较高的研究价值。Abstract: Exponentiation circuit is a sort of significant component in analog circuit.Volt-ampere characteristic of the diode can realize logarithm and exp onen tiati on, which can be integrated for involution. Exponentiati

3、on circuit is applied to multiplication, division, evolution, modulation demodulation and amplification. Therefore, exponentiation circuit has high research value in many field of electronic tech nique such as an alogue operati on, com muni cati on and measuri ng and con trol tech no logy.关键词 指数运算乘方

4、温度补偿Keywords: Exponentiation, Exponentiation, Temperature compensation实验目的1、了解对数放大器和反对数放大器的应用。2、掌握如何补偿温度对一些参数的影响的方法。3、进一步熟练掌握运算放大器的工作原理和基本特性以及二极管的指数特性。4、提高独立设计电路和验证实验的能力。实验任务1、基本要求：设计并实现一个指数运算电路，要求电路的输出输入满足指数运算关系？?= ?, K的大小由电路中元器件参数决定，本实验要求K=2或K=3，设计指标以及给定条件为：1) 电路的输入阻抗Ri 100KQ。2) 输入信号大小为015V。3）设计该电

5、路的电源电路（不要求实际搭建），用PROTEL软件绘制完 整的电路原理图（SCH）及印刷电路板图（PCB）。2、提高要求：自拟三、实验所用仪器1、函数信号发生器2、示波器3、晶体管毫伏表4、万用表5、直流稳压电源四、实验可选元件及介绍4.1集成运算放大器OP07Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。Op07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。引脚 如（图4-1）。Ofc&tNull 1lsOfflNul!2Invefting Inpur2cz了vcc十Non-inertng Input36Output46NC图4-1 Op07运算放大器管脚图4.2

6、 三极管 805028050是非常常见的NPN型晶体三极管，在各种放大电路中经常看到它,应用范围很广，主要用于高频放大。（图4-2）-3 -信息与通信工程学院姓名：李想 学号：102103792011-2012学年第二学期iJtMTTEJR2 BMC图4-2三极管8050 （TO-92封装）管脚图4.3电阻电容若干额外提供的精密电阻分别为：电阻精2K（2个）、电阻精15.7K（ 1个）、电阻精4.55K （1个）电阻精1K（ 2个）。五、实验原理5.1对数放大器和反对数放大器及温度补偿电路原理框图如（图5-1）所示30温度补偿电路温度补偿电路Ui1rFUo1Uo对数放大电路反对数放大电路图5-

7、1原理框图基本数学推导:?爲=?n ?6 ?-4 -信息与通信工程学院姓名：李想 学号：102103792011-2012学年第二学期?6 ?-# -信息与通信工程学院姓名：李想 学号：102103792011-2012学年第二学期?= ?= ?测？?n ?= ? ?两边取对数:?n ?= In 聖?调整相关参数使B = 1,即？?二?:。?6 ?-# -噬昜信息与通信工程学院姓名：李想 学号：102103792011-2012学年第二学期下面分别对对数放大器和反对数放大器及由其构成的指数运算电路加以详细阐述。5.2对数放大器利用二极管的PN结的指数型伏安特性，可实现对数运算。?其解析式表示法

8、：？字？?（？?- 1）其中：?反向饱和电流，与外加电压无关，硅管 ？莊小于锗管?热电压，？?= -?,室温下，？=26mv?当加到PN结上的电压大于100mv是，? 1，?伏安特性可简化为：？色?%? ?= ?lng?实用时，常把晶体管的基极与集电极短路，接成二极管形式，则可增加 集电极电流动态运用范围。引入运算放大器，利用运算放大器反向端的虚地特性，则可把PN结上的电压电流关系转化为电路的输入输出电压关系，分别形成对数放大器和饭对数放大器。对数放大器如下（图 5-2）所示：晶体管集电极电流为：?= ?= -?= -? ? ?= -?ln 薯?钾?？图5-2对数放大原理图其中，？?发射结反向

9、饱和电流输出电压幅度不能超过0.7V，且? 0,保证晶体管处于导通状态从式 中可以看出输入输出呈对数关系，其中 ？?，？?都是温度的函数，其运算精 度受温度影响大，故需加温度补偿电路。如(图 5-3)所示：图5-3温度补偿电路图中：A1，T1组成基本运算电路。A2，T2组成温度补偿电路T1,T2两管的集电极电流分别为:?1?1 Q ? Q?5?2 ？?如 ?8?1?仟？?ln?1?2?汙?ln- ?2T2的基极电位为:? = -?什?2- -?(l n?1- l n?2)?1?2?4忽略T2的基极电流，？?= 厂？?，则 ?3+?4?3?3?1 ?2?(1 +) ?-(1 +) ?ln ( X

10、)?4?4 v ?2 唸?1选择T1，T2两管参数对称，？?尸？?2贝U?3R8 ?4 ?仙(?5X?这样，利用T1，T2两管特性的一致性，可将？?的影响消除R4选用具? (1 + ?3?-(1 + ?有正的温度系数的热敏电阻，可补偿温度对 ？?的影响。5.3反对数放大器将电阻R与晶体管位置互换，就构成了基本的反对数运算电路，如（图&4）所示：图5-4反对数运算电路空由二极管的特性可知：？?= ?= ?= - ?卫？?= -?= -?即实现了反对数运算同对数运算电路一样，为了消除温度对运算精度的影响，也要进行温度补偿。值得指出的是，对数放大器和反对数放大器的二极管，必须工作在正向偏压下，因此输

11、入信号只能是单极性的。5.4指数运算电路如（图&5）所示。A1、A2、T1、T2构成具有温度补偿的对数运算电路，其运算关系已经进行了详细推导。可知：?3R8 ?1 心-（1 +） ?ln （X- -?1?4 - ?5 ?-9 -噬昜信息与通信工程学院姓名：李想 学号：102103792011-2012学年第二学期-10 -噬昜信息与通信工程学院姓名：李想 学号：102103792011-2012学年第二学期A3、A4、T3、T4构成具有温度补偿的反对数运算电路，其运算关系如下：?= -?4+ ?E3?陛?=務 ?BE4?=-?？?12?= -?ln （穿 X竽?4 ?同样，T3、T4选用特性一

12、致的三极管，贝=-?ln （?x丝）? ?2? = -?ln C忽略T3基极电流，贝U:?= - ?1+?2(1 + ?5 % 石? 要实现？?= ?，取 一=1， = 1，?= 15? R12=R15=100K，R6=R9=1.5M。所以，?= ?R1?3+?4其中，齐 X-?4-，取 R1=R4=1K, R2=4.55K , R3=15.7K。则K=3.009 3, ?= ?。为了滤去高频成分，最终电路图如（图 5-5）所示。六、PCB版图Q3 R5 RQ Clftio A3Cal丄 /Ca2 R13 A4A2QU C5T3T1R R2 R4 R1图6-1 PCB版图-11 -噬昜信息与通

13、信工程学院姓名：李想 学号：102103792011-2012学年第二学期七、调试及故障分析7.1静态检查图7-1电路连接完成-12 -噬昜信息与通信工程学院姓名：李想 学号：102103792011-2012学年第二学期连接电路过程中检查连线与面包板的接触，以及元器件的好坏。连接完 毕按照书中电路图检查是否有连接错误。（图7-1）线路规则：黑线接地，蓝线-15V，黄线+15V，橙色与白色线为电路间 连线。红色线为输出。7.2连线检查待确认仪器良好后，连通电路检查输入输出波形，发现存在很大失真（图7-2）。检查电路并无连接错误。ACHI +0.02 V? H0【A L J V,V-# -噬昜信

14、息与通信工程学院姓名：李想 学号：102103792011-2012学年第二学期-# -噬昜信息与通信工程学院姓名：李想 学号：102103792011-2012学年第二学期图7-2严重失真的波形-# -噬昜信息与通信工程学院姓名：李想 学号：102103792011-2012学年第二学期于是，在逐级检查后，发现第四级有比较严重的高频自激震荡（频率在 几十kHz左右）。将放大器第三脚通过小电容接地，有明显改善。但是还是 有高频分量难以去除。在将第二脚以小电容接地后，高频分量消除，得到正 常的指数波形。（原理图中Ca1与Ca2）7.3指数放大检查电路连通后，检查指数放大次数，发现只有 2次左右。

15、检查电路无故障 之后，分析故障原因应为晶体管品质差异。在更换了 T3晶体管后，放大波 形稳定在三次范围内。7.4温度影响由于T3对指数次数的敏感。测试 T3的温度特性。发现在T3被冷却之 后，输出波形次数明显降低。在 T3恢复室温后，输出波形次数恢复三次。八、实际输出波形与测试8.1指数测试测试条件：995.36kHz锯齿波输入峰峰值2V直流分量1V输出电压8V如（图8-1）所示?= ?图8-1指数测试8.2李萨如图测试条件：173.17Hz正弦波 输入峰峰值2V直流分量1V 李萨如图是标准的三次函数 与输入直线交于（1,1）点如（图 8-2）所示，?= ?图8-2李萨如图8.3输入信号频率范

16、围经过测试，在250Hz以下，指数运算准确，李萨如图中图像吻合。 250-1000HZ范围内，指数运算准确，李萨如图中图像上行下行有相移。九、课程收获在本次课程中，我学习按照电子系统的设计方法与流程设计与安装我的 电子系统一一指数运算电路。在设计安装之前，我首先查阅资料学习有关指数运算电路的设计方法与 功能，在进行了详细的公式推导、元件选择过程之后，我开始安装我的电子 系统。在安装的过程中，我一边安装一边用笔标记安装过的线路，以保证线路 连接不重复，也没有遗漏，设计上方两排为 +15V与-15V，下放两排为GND 与输入输出端。在使用连线的时候，我使用黑线接地，蓝线-15V，黄线+15V, 橙

17、色与白色线为电路间连线。红色线为输出。尽量将相近功能使用一种颜色 的连线，主要是为了便于调试。在安装电阻电容的时候，我事先进行了比较 好的电路设计，以保证电阻电容安装位置的精确。最终安装完成的面包板整 齐明了，便于使用与检查。在连接元件的时候，首先使用万能表检查元件是 否能正常工作，以保证元件的完好。在进行测试的时候，首先要熟练掌握原理图以及电路原理，再出现故障 的时候能够冷静分析出故障的原因，并进行正确的调试。比如A4出现较大的自激震荡时，将A4单独隔离出来发现与前三级没有关系，并且前几级的 输入波形并无问题，从而确定是A4与T4的问题导致震荡，根据自激震荡的 频率选择合适的电容进行滤波，最后得到了稳定、合理的波形。在测试的时候，对每个元件的作用都要掌握，在固定位置增加或减少电 容、电阻会对电路造成什么影响都有了了解。如此在进行电路的调试时，出 现不正常的波形、指数次数运算问题、温度影响等问题时能够迅速判断问题 出现的位置，从而迅速解决问题。-15 -噬昜信息与通信工程学院姓名：李想 学号：1021037920