高输入阻抗放大电路的设计仿真与实现要点(共24页).doc

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1、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=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

2、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

3、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

4、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A100倍，输入频率f100,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

5、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=120100,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

6、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=102100,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

7、都用幅值来表示，Vi=50mv,V0=6V,放大倍数A= V0/ Vi=120100,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f100HZ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

8、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

9、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

10、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、Bott

11、om-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

12、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

13、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

14、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

15、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