高输入阻抗放大器专业课程设计.doc

课程设计任务书学生姓名： 叶文岚 专业班级： 电信1406 指引教师： 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：具备模仿电子电路理论知识；具备模仿电路基本电路设计能力；具备模仿电路基本调试手段；自选有关电子器件；可以使用实验室仪器调试。规定完毕重要任务：（涉及课程设计工作量及其技术规定，以及阐明书撰写等详细规定）1、输入电压和输出电压函数关系为：2、输入信号频率不不不大于100HZ3、在室温下，若信号源内阻在100K至1M变化时，信号源开路电压为50mv100mv时，放大器误差不不不大于14、规定共模抑制比60dB5、设计电源；6、焊接：采用实验板完毕，不得使用面包板。4、安装调试并完毕符合学校规定设计阐明书时间安排：十九周一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试指引教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录一、摘要 1二、有关理论知识 2 1、集成运算放大器 2 2、差分放大电路 2 3、镜像电流源 5 4、反向比例运算电路 5 5、电压串联负反馈 6三、 高输入阻抗放大器电路设计 8 1、基本方案拟定 8 2、电路图 9四、 高输入阻抗放大电路仿真成果 10五、 直流稳压电源设计 14六、直流稳压电源电路仿真成果 15七、实物焊接与调试 16八、心得体会 17九、参照文献 18一、摘要本次课程设计是基于模仿电子技术基本课程高输入阻抗放大器设计，一方面重要就集成放大器及其构成、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分析，重点简介了高输入阻抗放大器电路设计、理论分析、仿真与电路安装调试。本实验设计高输入阻抗放大电路，可以接很高输入负载，在输入信号频率不大于100HZ状况下，能实现电压放大倍数为100倍效果。且共模抑制比也可以达到=60dB规定对于直流稳压电源设计，通过变压、整流、滤波、稳压这四个环节，按照规定，选用适当元器件设计电路、仿真与电路安装调试。本实验设计直流稳压电源，输出为正负电压，分别为+15V、-15V。二、 有关理论知识1、 集成运算放大器集成运算放大器简称集成运放，是一种模仿集成电路。集成运放是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻直接耦合放大电路，普通由输入级、中间级、输出级、偏置电路四某些构成。输入级经常采用三极管和场效应管构成差分放大电路，具备高差模放大倍数和高输入电阻，同步获得尽量低零点漂移和尽量高共模抑制比，其性能好坏直接影响集成运算放大器整体性能。中间级由多极共射极或共源放大器构成，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，经常采用复合管构造，使用恒流源作为集电极负载。输出级普通由电压跟随器或者互补对称电压跟随器构成，具备较低输出电阻和较强带负载能力，同步需要一种较宽线性输出范畴。输出级往往还具备有保护电路功能偏置电路为各级电路设立适当和稳定静态工作点，往往采用恒流源电路为三极管或场效应管各电极提供适当偏置电流。2、 差分放大电路2.1零点漂移 实验研究发现，直接耦合放大器虽然将输入端短路，输出电压并不为零。并且这个不为零电压会随时间作缓慢、无规则、持续变动，这种现象称为零点漂移，简称零漂。产生这种现象因素在于直接耦合，当外界因素变化时输出电压随之变化。其中温度影响最大，因此有时把零漂也叫温漂。第一级零漂经第二级放大，再传给第三级，依次传递成果使外界参数微小变化，在输出端产生了较大零漂电压。这个变化电压与有用输出信号混在一起，严重时甚至会沉没有用信号，使放大器无法工作。由于在差分式电路中，温度变化、电源波动会使两管集电极电流、集电极电压产生相似方向变化，相称于在差分管两输入端加入共模信号。在抱负状况下，不会使得电路输出发生变化，从而达到抑制温漂、稳定电路性能目。由于差分放大器有很强抑制共模信号能力，零点漂移很小，特别适合伙多级直接耦合放大器输入级。2.2差模信号和共模信号 差模信号：把一对大小相等，极性相反信号叫做差模信号。电路中所加有用信号就是差模信号。 共模信号：把一对大小相等，极性相似信号叫做共模信号。电路中干扰信号、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衡量差动放大电路性能优劣，检查电路抑制共模信号能力和放大差模信号能力，提出了共模抑制比KCMR。 共模抑制比定义为： 有时用分贝数表达： 电路中AVD越大，AVC越小，KCMR越大，电路性能越好。2.4差分放大电路分析 如图1中，电阻Re是T1和T2两管公共射极电阻，或称射极耦合电阻，它事实上就是在工作点稳定电路中射极电阻，只是此处将两个电阻射极电阻合并成一种Re，因此经它作用是稳定静态工作点，对零漂做进一步仰制。电阻Re惯用等效内阻极大恒流源Io来代替，以便更有效地提高抑制零漂作用。 动态时分差模输入和共模输入两种状态。图1 差分放大电路原理图(1)对差模输入信号放大作用 当输入差模信号时，差放两输入端信号大小相等、极性相反，因而差动对管电流增量大小相等、极性相反，导致两输出端对地电压增量，即差模输出电压Vod1=-Vod2。此时双端输出电压Vo=Vod1-Vod2=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、极性相似，因而差动对管电流增量大小相等、极性相似，导致两输出端对地电压增量，即差模输出电压Voc1=Voc2，此时双端输出电压为Vo=Voc1-Voc2=0。可见，差放对共模输入信号具备很强抑制能力。此外，在电路对称条件下，差放具备很强抑制零点漂移及抑制噪声与干扰能力。3、 镜像电流源 电流源电路就是集成运放中最惯用偏置电路，它不但可觉得放大器提供稳定偏置电流，还可以作为放大器有源负载。这里就镜像电流源做一下简介。基本镜像电流源如图2所示。 图2 基本镜像电流源 T0与T1特性相似，即UBE0= UBE1= UBE，1=0=，Ic1= Ic0 IB1= IB0= IB； R和T0共同构成T1偏置电路； T0管c-b相连，使Ucb0=0，这是一种临界饱和状态，Ic=Ic关系依然存在。 4、反向比例运算电路图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、 电压串联负反馈图4 电压串联负反馈电路图 如图4为运放构成电压串联负反馈电路，运用虚短和虚断概念可以得知： 则： 闭环电压增益为：三、 高输入阻抗放大器电路设计1、基本方案拟定 依照高输入阻抗放大器高输入阻抗规定，咱们选用型号为CA3140E放大器，此放大器输入阻抗高达欧姆，远远可以满足高输入阻抗规定，且CA3140E放大器共模抑制比为90dB，也不不大于所规定60dB。设计规定是放大倍数A为100倍，输入频率f不不不大于100HZ，而依照芯片CA3140E特点，芯片输出电压值受到直流偏置电压影响，最大只能达到直流偏置电压值，因此在这里直流偏置电压设计是正负15V。由于放大器自身电压放大倍数达到了105，而设计规定电压放大倍数为100，可以引用电压串联负反馈，来调节电压放大倍数。运用虚短虚断概念可知： 则： 闭环电压增益为： 基本满足规定。2、 电路图图5 高输入阻抗放大器设计电路四、高输入阻抗放大电路仿真成果从图5中可以看出输入端接示波器B端，输出端接示波器A端。维持图5中电阻R3阻值100K不变，输入信号频率为f=100HZ，输入电压为V=50mV。运营程序得到一波形图，将Timebase栏里面scale参数设立为2ms/Div，将ChannelA栏中scale参数设立为2V/Div,将ChannelB栏中参数设立为50mV/Div。将T1时刻坐标定在波谷处，将T2时刻坐标定在波峰处，即可得到图6中波形。图6 输入输出波形图 从图6中T1和T2位置读出数据可以计算出电压放大倍数 AT1= AT2= 电压放大倍数误差不超过1%。 维持图5中电阻R3阻值100K不变，输入信号频率为f=100HZ，输入电压为V=100mV。运营程序得到一波形图，将Timebase栏里面scale参数设立为2ms/Div，将ChannelA栏中scale参数设立为5V/Div,将ChannelB栏中参数设立为100mV/Div。将T1时刻坐标定在波峰处，将T2时刻坐标定在波谷处，即可得到图7中波形。图7 输入输出波形图 从图7中T1和T2位置读出数据可以计算出电压放大倍数 AT1= AT2=电压放大倍数误差不超过1%。 将图5中电阻R3阻值改为1M，输入信号频率维持f=100HZ，输入电压为V=50mV。运营程序得到一波形图，将Timebase栏里面scale参数设立为2ms/Div，将ChannelA栏中scale参数设立为2V/Div,将ChannelB栏中参数设立为50mV/Div。将T1时刻坐标定在波峰处，将T2时刻坐标定在波谷处，即可得到图8中波形。 图8 输入输出波形图 从图8中T1和T2位置读出数据可以计算出电压放大倍数 AT1= AT2= 电压放大倍数误差不超过1%。 将图5中电阻R3阻值改为1M，输入信号频率维持f=100HZ，输入电压为V=100mV。运营程序得到一波形图，将Timebase栏里面scale参数设立为2ms/Div，将ChannelA栏中scale参数设立为5V/Div,将ChannelB栏中参数设立为100mV/Div。将T1时刻坐标定在波峰处，将T2时刻坐标定在波谷处，即可得到图9中波形。图9 输入输出波形图 从图9中T1和T2位置读出数据可以计算出电压放大倍数 AT1= AT2= 电压放大倍数误差不超过1%。五、直流稳压电源设计 CA3140芯片直流偏置电压是+15v和-15v，按照课程设计规定，自制一种稳压电源。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某些构成。输入220V、50Hz交流电通过电源变压器变为咱们需要电压，在通过整流电路将交流电压变为脉动直流电压。由于次脉动直流电压具有较大纹波成分，必要通过滤波电路加以滤波，从而得到平滑直流电压。但此电压还是会由于电网电压波动、负载和温度变化而变化。因而在通过整流、滤波电路之后，还要接上稳压电路保证输出稳定直流电压。由于输出地直流电压会随着稳压电路波动、负载和温度发生变化而变化，因此，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是三端稳压器。本次课程设计我选取LM7815和LM7915芯片构成电路，原理图如图10。 图10 直流稳压电源电路图六、直流稳压电源电路仿真成果 当输入220V、50Hz交流电，LM78153号脚输出电压为+15.514V，LM7915输出是-15.628V，仿真成果满足规定，阐明此稳压电路是可行。直流稳压电源仿真图如图11，图12.图11 输出为+15V图12 输出为-15V七、实物焊接与调试 1、焊接一方面对电路图上需要元器件进行采购。采购完毕后，在稿纸上大体规划各个元器件位置布局，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正弦交流电压，在示波器上观测输出波形，看波形有无失真，并记录下输出电压大小八、心得体会这次模仿电子技术基本课程设计是咱们在进入大学后接到第一种课程设计任务。通过了一种学期模电理论知识和模电实验实践，咱们对模仿电子技术这门课程已经历了从陌生到熟悉过程。但尽管如此，在第一次看到咱们组课程设计题目和规定期，我还是感到了一丝迷茫无法将课本中知识一下子转换成实际电路规定。但是通过对课本上有关章节查阅，特别是第六章和第十一章，再加上询问教师、成员，和关于资料浏览后，我终于捋清了思路，设计出了电路图。与此同步，我也第一次接触到了Multisim这个仿真软件，通过半天磕磕碰碰把它操作摸索清晰，将我设计电路图仿真了出来，成果达到了预期目的。那一刻好像所有付出都得到了回报，让我在紧张忙碌几天设计准备中终于尝到了一点成功味道。通过这次课程设计，我深深地体会到“纸上学来终觉浅，绝知此事要躬行”道理，只学习课本上知识、通过纸面考试意义并不大，知识技术要能应用起来才干体现出它价值。在思考能力和动手能力方面，我也有了出乎意料进步。从刚开始时一头雾水，到日后自己设计修改电路图、做出仿真和实物、调试发现问题并解决，我从一种课设小白也慢慢进化成略懂一二新手了。同步也要感谢我成员予以了我诸多协助。我最大感触就是：不懂就要问，问教师、问同窗、问资料，只有在学中问，在问中学，才干得到自己想要。九、 参照文献1吴友宇.模仿电子电路.北京：科学出版社，2黄瑞祥.模仿电子技术基本.浙江：浙江大学出版社，3刘岚、叶庆云等.电路分析.北京：科学出版社，4荣格等.运算放大器应用技术手册.北京：人民邮电出版社，5Multisim电子电路仿真教程.西安：西安电子科技大学出版社，本科生课程设计成绩评估表姓 名叶文岚性 别女专业、班级电信1406班课程设计题目：高输入阻抗放大器课程设计答辩或质疑记录：1、 直流稳压电源所用稳压器型号是什么？答：LM7815，LM79152、 直流稳压电源整流器作用是什么？答：过滤交流电，将交流信号转化为脉动直流信号。3、 高输入阻抗放大器放大倍数是多少？答：实际数值为101倍，约等于规定中100倍。成绩评估根据：最后评估成绩（以优、良、中、及格、不及格评估） 指引教师签字： 年 月 日