程控增益放大器.doc

本科生课程设计（论文）

辽 宁 工 业 大 学

模拟电子技术基础 课程设计（论文）

题目：程控增益放大器

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指导教师： （签字）
起止时间：2013.7.1—2013.7.12

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课程设计（论文）任务及评语
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课程设计题目
程控增益放大器
课程设计（论文）任务
设计任务：
1.设计并制作放大倍数由数码控制程控增益放大器。
2.电压放大倍数N由拨码开关控制，1≤N≤99。
3.vo电压绝对值在1—10V范围，输入电阻Ri≥8MΩ，输出电阻Ro≤20Ω
设计要求：
1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。
2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。
3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。
4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。

指导教师评语及成绩

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注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

摘要
本文设计是程控增益放大器。说明了程控增益放大器的结构和功能及其主要的特点。最后举出了实用电路。
放大器是应用最广泛的一类电子线路。它的功能是将输入信号进行不失真地放大。在广播，通信，自动控制，电子测量等各种电子设备中，放大器是必不可少的组成部分。在各类电子仪器和设备所采用的电子线路中，集成运算放大器是应用最普遍的模拟电子器件。集成运放配上不同的反馈网络和采用不同的反馈方式，就可以构成功能和特性完全不同的各种集成运放电子电路，简称运放电路。这些运放电路是各种电子电路中的最基本的组成环节。
本系统能够实现增益由程序控制，能够满足各项技术指标，测量准确，工作可靠，性能价格比较高。
关键词：运算放大器；多路转换开关；程控；增益放大

目录
第1章 程控增益放大器方案论证 1
1.1程控增益放大器的意义 1
1.2程控增益放大器的设计要求和技术指标 1
1.2.1设计要求： 1
1.2.2技术指标 2
1.3总体设计方案 2
第2章 程控增益放大器各单元电路设计 4
2.1模拟开关 4
2.2集成电路运算放大器设计 4
2.2.1集成电路运算放大器中的电流源 4
2.2.2偏置电路 5
2.2.3输入级 6
2.2.4中间级 7
2.2.5输出级 7
2.3反馈电阻网络 7
2.4增益调整电路设计 8
第3章 程控增益放大器整体电路设计 9
3.1整体电路图及工作原理 9
3.2电路参数计算与选择 10
3.3电路仿真结果 10
第4章 设计总结 13
参考文献 14
附录I 总体电路图 15
附录II 元器件清单 16

18
第1章 程控增益放大器方案论证
1.1程控增益放大器的意义
程控增益放大器是一种放大倍数由程序控制的放大器符号PGA，在多通道多参数空间一个测量放大器，多通道放大器的信号的大小并不相同，都是放大至A/D交换器输入要求的标准是电压，因此对各个通路要求测量放大器的增益也不同。放大器的交流是由数字信号控制的反馈电阻完成的，这种电路结构简单成本低使其幅度程控增益放大器(PGA)主要用于对幅度较小信号进行增益控制，达到ADC转化器所工作的要求。利用拨码开关的数码代替电位器刻度，具有线性度好、精度高、直观，可直接或间接取代一般线性电位器或多圈线性电位器。在电子仪器仪表设备、工业自动化控制，稳压、恒流、供电、机电保护、电动机保护、温控、湿度、压力、重量等自动控制中达到数字设定的目的。放大器的增益的变化是由数字信号控制其反馈电阻完成的。
1.2程控增益放大器的设计要求和技术指标
1.2.1设计要求：
1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。
2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。
3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。
4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。

1.2.2技术指标
1.电压放大倍数N由拨码开关控制，1<=N<=99。
2.输出电压绝对值在1—10V范围。
3.输入电阻 Ri>=8MΩ。
4.输出电阻Ro<=20Ω。
1.3总体设计方案
一 方案论证
程控增益放大器并不多见，需要采用其它方法来实现，通常有三种方法：
1) 放大器+多路转换开关+MCS-51单片机
第一种方法采用MCS-51单片机及其扩展，多路转换开关，数控增益放大器等构成了实用性较强的硬件电路。放大器是应用最广泛的一类电子线路。它的功能是将输入信号进行不失真地放大。在广播，通信，自动控制，电子测量等各种电子设备中，放大器是必不可少的组成部分。在各类电子仪器和设备所采用的电子线路中，集成运算放大器是应用最普遍的模拟电子器件。集成运放配上不同的反馈网络和采用不同的反馈方式，就可以构成功能和特性完全不同的各种集成运放电子电路，简称运放电路。这些运放电路是各种电子电路中的最基本的组成环节。
本系统能够实现增益由程序控制，能够满足各项技术指标，测量准确，工作可靠，性能价格比较高。
2）运放+模拟开关+电阻网络
第二种方法利用模拟开关切换电阻反馈网络，从而改变放大电路的闭环增益。此种方法所需元器件较多，电路庞大。虽然精度受到限制，但是较易实现。
3）运放+数字电位器。
第三种方案采用固态数字电位器来控制放大电路的增益，线路较为简单。但现有的数字电位器分辨率有限，常见的有32、64抽头，少数可达1024抽头，因而构成的放大器精度有限，无法满足10位甚至12位数据采集系统的要求。
本设计采用方案2。
二 总体设计方案框图及分析
根据放大倍数以步距1在1～100范围内变化的要求，可用3位拨码开关对D/A置数来设置放大倍数，并用模拟开关控制增益。该方案电路简单，使用者必须根据增益在哪一挡来换算放大倍数，且只能实现预置数功能。总体框图如图1.1所示。
模拟开关
电阻网络
运算放大器

图1.1 程控增益放大器框图
第2章 程控增益放大器各单元电路设计
2.1模拟开关
如图2.1所示为模拟开关部分，由DSWPK_10来控制反馈电阻网络。从而控制增益。

图2.1 模拟开关

2.2集成电路运算放大器设计
集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路输入级：通常由双输入差分放大电路构成。主要作用是提高抑制共模信号能力，提高输入电阻。
中间级：带恒流源负载和复合管的差放和共射电路组成的高增益的电压放大级，主要作用是提高电压增益。
输出级：采用互补对称功放或射极输出器组成，主要是降低输出电阻，提高带负载能力。
2.2.1集成电路运算放大器中的电流源
1．基本电流源
分压式射极偏置电路为基本电流源电路。当三级管工作在放大区，由于射极电流仅由两分压电阻决定，因此当负载发生变化（也即集电极电阻发生变化），输出电流（即集电极电流）保持不变，体现了恒流特性。
2．有源负载
由于电流源具有直流电阻小而交流电阻大的特点，因此在模拟集成电路中，常把它作为负载使用，称为有源负载。
3．电流源的应用
（1）为集成运放各级提供稳定的偏置电流；
（2）作为各放大级的有源负载，提高电压增益。

图2.2集成电路运算放大器原理图

2.2.2偏置电路
偏置电路的作用是向各级放大电路提供合适的偏置电流，决定各级的静态工作点。F007的偏置电路由T8～T13组成。基准电流由T12、R5、T11，和电源EC（15V）、EE（- 15V）决定：
Ir=（Ec+Ee-Ube11-UBE12）÷R5
T10、T11和R4组成微电流源电路，提供输入级所要求的微小而又十分稳定的偏置电流，并提供T9所需的集电极电流，即IC10＝IC9 ＋2IB3；T8与T9 组成镜像恒流源电路，提供T1、T2的集电极电流，即IC1＋IC2＝IC9，T12与T13组成镜像恒流源电路，提供中间级T16、T17的静态工作电流，并充当其有源负载。
2.2.3输入级
输入级对集成运放的多项技术指标起着决定性的作用。它的电路形式几乎都采用各种各样的差动放大电路，以发挥集成电路制造工艺上的优势。UPC277C的输入级电路是由T1～T7组成的带有恒流源及有源负载的差动放大电路。有源负载是由T5，T6、T7及R1、R2、R3组成的改进型镜象恒流源电路。用它作差动放大电路的有源负载，不仅可以提高电压放大倍数，还能在保持电压放大倍数不变的条件下，将双端输出转化为单端输出。
T1～T4组成共集一共基型差动放大电路。其中，T1、T2接成共集电极形式，可以提高电路的输入阻抗，同时由于UC1＝UC2 = EC - UBE8，因而共模信号正向界限接近EC，即提高了共模信号的输入范围；T3、T4，组成共基极电路，具有较好的频率特性，同时输还能完成电位移动功能，使输入级出的直流电位低于输入直流电位，这样后级就可直接接NPN型管；由于PNP型管的发射结击穿电压很高，这种差动放大电路的差模输入电压也很高，可达30V以上，此外，共基极电路输入电阻较小，而输出电阻较大，有利于接有源负载，并起到将负载与NPN管隔离开的作用。

图2.3集成电路符号

2.2.4中间级
中间级电路的主要任务是提供足够大的电压放大倍数，并向输出级提供较大的推动电流，有时还要完成双端输出变单端输出，电位移动等功能。UPC277C的中间级是由复合管T16、T17和电阻R6组成的共发射极放大电路，T12、T13组成的镜象恒流源作为它的有源负载，因而可以获得很高的电压放大倍数。R6起电流负反馈作用可以改善放大特性。
2.2.5输出级
输出级的作用是向负载输出足够大的电流，要求它的输出电阻要小，并应有过载保护措施。输出级大都采用互补对称输出级，两管轮流工作，且每个管于导电时均使电路工作在射极输出状态，故带负载能力较强。UPC277C输出级采用的就是由T14和复合管T18、T19组成的互补对称电路。R7、R8和T15组成电压并联负反馈偏置电路，使T15的c、e两端具有恒压特性，为互补管提供合适而稳定的偏压，以消除文越失真。
D1、D2和R9、R10组成过载保护电路，正常工作时，R9、R10上的压降较小，D1、D2均处于截止状态，即保护电路处于断开状态，一旦因某种原因而过载，T14及复合管的电流超过了额定值，则R9、R10上的压降明显增大，D1、D2将导通，从而对T14和T15的基极电流进行分流，限制了输出电流的增加，保护了输出管。
集成运放的新产品不断出现，它们的性能更加优越，除通用型集成运放外，还出现了一些专用集成运放。
集成运放作为一个有源放大器件应用于实际电路时，常用图Z0608所示符号表示。-它有两个输入端、一个输出端。大箭头表示信号传输方向。当信号从反相端输入时，输出电压与输入电压成反相关系，当信号从同相端输入时，输出电压与输入电压同相。
2.3反馈电阻网络
反馈电阻网络是由拨码开关电阻网络组成的可调式反馈电阻网络，1,2端口接放大部分的1,2端口联入反馈网络中。

图2.4反馈电阻网络

2.4增益调整电路设计
+利用拨码开关接通通道改变一个状态，从而反馈电阻改变一次，相应的电压增益改变一次数值。1,2接线柱接反馈网络。Vo为输出端

图2.5 增益调整电路
第3章 程控增益放大器整体电路设计返回

3.1整体电路图及工作原理
电源电路为了保证足够的电源供应，我们制作了一个有±5V、±12V、±15V、0~30V可调的电压源。Vo为输出端。

图3.1程控增益放大器整体电路

拨码开关输入3位10进制数1－999时，输出为20Ω，实际上是3个位上的电阻器并联，相当于1个560kΩ的电位器，共有10×10×10=1000种组合的阻值，在一般情况下，完全可以取代在模拟电路中广泛使用的无级调节的电位器。这种用法不需任何外部调整元件件就能可靠地工作。但为了保证效果更好，应该在正、负电源供电端连接一个1μF的旁路钽电容到模拟地，且应尽可能靠近放大器的电源引脚，并按图中所示点接地。使输入级输出的直流电位低于输入直流电位，这样后级就可直接接NPN型管；由于PNP型管的发射结击穿电压很高，这种差动放大电路的差模输入电压也很高，可达30V以上，此外，共基极电路输入电阻较小，而输出电阻较大，有利于接有源负载，并起到将负载与NPN管隔离开的作用。集成电路运算放大器偏置电路的作用是向各级放大电路提供合适的偏置电流，决定各级的静态工作点  输出级的作用是向负载输出足够大的电流，要求它的输出电阻要小，并应有过载保护措施。输出级大都采用互补对称输出级，两管轮流工作，且每个管于导电时均使电路工作在射极输出状态，故带负载能力较强。该电路是利用接通通道改变一个状态，从而反馈电阻改变一次，相应的电压增益改变一次数值。
3.2电路参数计算与选择
电路增益Au=1+Rf/Rx只要算出相应的即可，例：Rx等于20M与25M的并联，即Rx=11.1.相应的Au=1+100/11.1=10.01.在输出电压为1—10v之间求出相应的相应的放大倍数在1—99之间，根据相应的拨码开关计算出输入电阻与输出电阻的适当值即Ri≥8M,Ro≤20.所以，增益公式G=20㏒Au得到所要调整的范围。
3.3电路仿真结果
本电路满足微小信号在各种状态下的放大调节，同时能够有效地抑制干扰信号，可靠地检测出缺隐信号，常常需要高精度的测量放大器和合适的滤波器。因事先不知道被测信号的大小，用微控制器来检测，从而控制放大器的放大倍数，能将信号调到最佳，获得最佳测量数据。又因为不知控制系统中激励信号的频率以及在不同的环境条件下的干扰情况，因此，为了实现大动态范围、多干扰因素的检测系统的智能化，程控放大与程控滤波是必然的选择，以实现软件与硬件有机地结合。这是目前比较新颖、实用的电路设计按照上述方法设计的可编程增益放大电路，克服了传统可编程放大器增益范围小的缺点，，扩大了增益范围、提高了增益精度。基本完成了系统基本及发挥部分的要求，在某些方面性能有极大的提高，大大超过了要求。但由于时间紧张等原因，整个系统还存在着设计简陋，测量精度不是很高等问题。由于系统采用了模块化设计，系统还有很大的升级扩展空间。仿真结果如下
图3.2总体仿真图

总体仿真能够完成设计任务。

图3.3仿真结果
仿真得到输入电阻，输出电压满足任务要求。
输出电压在1~10V仿真满足要求

图3.4输入电阻仿真结果 图3.5输出电压仿真结果
第4章 设计总结
本设计通过方案对比选出如下方案：
利用模拟开关切换电阻反馈网络，从而改变放大电路的闭环增益。此种方法所需元器件较多，电路庞大，而且精度受到限制。但是较易实现。
本设计采用uPC227C集成运放来实现放大部分，并采用同向比例放大电路来实现放大，用DSWPK_10拨码开关来实现对反馈网络的控制从而实现对增益的控制。
通过Multisim_10仿真软件对电路仿真后，结果基本满足要求，完成了本设计。

参考文献
[1] 路勇主编 《电子电路实验及仿真》 清华大学出版社 北方交通大学出版社
[2] 张卫平 张英儒编著 《现代电子电路原理与设计》 北京：原子能出版社1997.2.
[3]何希才主著 《新型实用电子电路400例》 北京：电子工业出版社
[4]姚福安主著 《电子电路设计与实践》 山东省科学技术出版社.2001
[5]付家才主编 《电子实验与实践》 北京：高等教育出版社.2004
[6]张大彪主编 《电子技术技能训练》 北京：电子工业出版社.2002
[7]康华光主编 《电子技术基础模拟部分（第五版）》 高等教育出版社2012

附录I 总体电路图

图Ⅰ总体电路图
附录II 元器件清单
序号
编号
名称
参数
个数
1
R5—R13
电阻
100Ω
9
2
R15—R23
电阻
10Ω
9
3
R26—R34
电阻
1Ω
9
4
J1 J2 J3
拨码开关
DSWPK_10
3
5
R1 R3
电阻
50Ω
2
6
U1A
运放
uPC227C
1
7
V1 V2
直流电源
12V
2
8
R4
滑动变阻器
100Ω
1
9
XMM1 XMM2
万用表
____
2
10
____
导线
____
若干