高输入阻抗放大电路的设计仿真与实现要点(共24页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 电信1101班 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60dB； 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计； 利用Proteus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PCB设计功能进行PCB设计。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 日专心-专注-专业 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175.1布局焊接175.2调试方法175.3测试结果分析175.4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CA3130E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CA3130E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>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。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KCMR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镜像电流源电路特点（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 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 同向比例原理图图3所示为同向比例电路，从图中可以得： A=V0/Vi=1+R2/R1 2.4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/R12.5电路原理设计图 图5 电路原理图3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 CW317、CW337、 LM317、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和CW7915芯片组成电路，具体原理图如下图所示。32原理图图6 直流稳压电源原理图3.3直流稳压电源的仿真结果当输入220V、50Hz 的交流电，CW7815的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。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Vi=100mv,f=100HZ时候，运行得到一组波形,仿真结果如下图所示。图8仿真图将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 ChannelB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，Vi=100mv,V0=10.2V,放大倍数A= V0/ Vi=102>100,满足要求。（2）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=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 ChannelB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，Vi=100mv,V0=12V,放大倍数A= V0/ Vi=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=100HZ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,V0=5.1V,放大倍数A= V0/ 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。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 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,V0=6V,放大倍数A= V0/ Vi=120>100,满足要求（5）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=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 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Vi=100mv,频率f=100HZ，Vo=10.3v，放大倍数A= Vo/Vi=103输入Vi=100mv,频率f=5HZ，Vo=12.4v，放大倍数A= Vo/Vi=124输入Vi=50mv,频率f=100HZ，Vo=5.5v，放大倍数A= Vo/Vi=110输入Vi=50mv,频率f=5HZ，Vo=6.2v，放大倍数A= Vo/Vi=124输入Vi=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6 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，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 图17网络表的错误检查（4）PCB板绘制。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。（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12所示的PCB： 图18 PCB图（6）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材料清单表（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7个人总结考完复变函数以后我就投入到各种课程设计中去，虽然很累很忙，基本上每天都呆在寝室或者实验室搞课设报告，但是收获也很多，这也就是累并幸福着。课程设计是我这学期最忙的日子，因为没有设计经验，我只能自己一个人慢慢地摸索，慢慢积累经验，遇到不懂的就大家一起讨论，正是在不断的摸索与探讨中我才在实践中学到了很多东西。本次课程设计我们小组共有四人，我负责电路图的设计部分，刚开始拿到课设任务，我感觉无从下手，很迷茫，没有方向，但是经过认真思考和查阅资料后，我还是设计出了电路图，经过proteus仿真，结果达到了预期效果。我还有一个收获，遇到问题最好的办法就是请教别人，但是学会怎样去搜索资料也很重要。经过两周的模电课程设计，我学到了一些从课本上学不到的东西，我学会了怎样写设计报告，学会了怎样进行电路设计和电路仿真，学会了如何上网查找资料，学会了如何进行实物调试。我原先看见电路图就一头雾水，但是现在我能够自己动手设计一些简单的放大器， 并且实现电路的仿真与实物板的制作与调试，这种巨大变化着实令人吃惊。但是这种进步来之不易，因为这期间我遇到了很多的困难，发现了很多的问题，正是在解决问题的期间我才慢慢地熟悉了模拟电子技术基础的基础知识，才慢慢学会了如何去按照给定的参数值设计出合适的电路，并作出电路的实物并对电路进行调试。 参考文献1邱关源.电路.第五版.北京：高等教育出版社，20062吴友宇.模拟电子技术基础.第一版.北京：清华大学出版社，2009 3荣格等.运算放大器应用技术手册.北京：人民邮电出版社， 20094赵广林.Protel 99 SE电路设计与制版.北京：电子工业出版社，2005 5黄瑞祥.模拟电子技术基础.浙江：浙江大学出版社，2009