指数运算电路的设计与实现

摘要：指数放大电路由对数放大电路和反对数放大电路及温度补偿电路构成。实验基于二极管PN节的指数伏安特性实现对数反对数运算，用三极管替代PN节以增加集电极电流动态运用范围。同时引入运放放大器，把PN节上的电压电流关系转化为电路的输入输出电压关系。由于晶体管的相关参数TU，ESI是温度函数，其运算精度受温度影响较大，故加上温度补偿电路关键词：对数放大电路、反对数放大电路、温度补偿电路，调试一．设计任务要求：1.基本要求：设计实现一个指数运算电路，要求电路的输入输出满足指数运算关系uukio,本实验中设计的k=3.2.此外要满足：3.1电路的输入阻抗Ri≥100KΩ。2输入信号大小为0～15V3设计该电路的电源电路（不要求实际搭建），用PROTEL软件绘制完整的电路原理图（SCH）及印制电路板图（PCB）。二．设计思路及总体结构框图1设计思路：利用二极管的PN结的指数型伏安特性，实现对数运算。通过电阻与晶体管位置的互换实现反对数运算电路。加入温度补偿电路，消除温度对三极管参数的影响。利用运算放大器反向端的虚地特性，通过确定电路图中R5的值，使之满足iR100k2原理框图如下：（1）由对数放大器和反对数放大器及温度补偿电路基本数学推导:ioukuln'ioukuoBeBeuln'Bueoukiln温度补偿电路反对数放大电路对数放大电路温度补偿电路01uiuou两边取对数:BuukoilnlnkoiuBu调整相关参数使B=1即kiouu，本实验设置K=3三．分块电路和总体电路的设计（1）基本对数运算电路如图所示：利用虚地特性三极管Q2工作在UUbc=0的临界放大状态则：eIiUuTEScic=iRuUoRui=eIUuTESRIuUESiToUln但该电路存在两个问题：①iu必须为正则Uo为负，以使晶体管处于放大导通状态；②IES，TU都是温度的函数，其运算结果受温度影响很大，如何改善对数放大器的温度稳定性是实际应用中要解决的一个重要问题。一般改善方法是：用对管消除IES的影响；用热敏电阻补偿TU的温度影响。（2）加温度补偿的对数放大器图中:A1,TI组成基本运算电路.A2,T2组成温度补偿电路TI,T2两管的集电极电流分别为:1111RueIiiUuEScTBE111lnEScTbeIiUu2222RVeIiRUuEScTBE222lnEScTbeIiUuT2的基极电位为:221121lnlnEScEScTBEBEBIiIiUuuU忽略T2的基极电流,,434oBuRRRU则1221ln431431ESESccTBoIIiiURRURRu选择TI,T2两管参数对称,21ESESII,则RiTBoVuRRURRURRu12ln431431这样,利用TI,T2两管特性的一致性,可将ESI的影响消除。（3）加温度补偿的反对数放大器由二极管特性可知：同对数运算电路一样,为了消除温度对运算精度的影响,也要进行温度补偿有关方面的物理解释是相似的,无需重复。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,因此输入信号只能是单极性的。图中：A1，T1，A4，T4组成基本运算电路。A2，T2，A3,T3组成温度补偿电路。RiTBoVuRRURRURRu12ln431431134BEBEAUUUTBEUUESReIRVi3393TBEUUESeIRUoi44124)34ln(34iIIiUUESESTA同样，T3、T4选用特性一致的三极管，则：)129ln()34ln(RRVUoUiiUURTTA忽略T3基极电流，则：1)211(UoRRRUAeIiuuiieIiUuRRRUuTiTiESEooFEESE)56ln()431(01RTVUiRRURRU)56ln()431(211RTAVUiRRURRRRRU)56ln()431(211)129ln(RTRTVUiRRURRRRRRRVUoU要实现kiUUo，取1129RVRR，VVR15则R12=R15=100K，R6=R9=1.5M。所以，kiUUo。其中，K=443211RRRRRR，取R1=R4=1K，R2=4.55K，R3=15.7K。则K=3.009，3iUUo。4.DXP绘制最终电路图：四．所实现功能说明及测试实现的功能：1.对应基本实验任务要求Ri≥100KΩ.理论值Ri=R5=100K。2.输入信号大小为0-2V的三角波。输入信号为1V时，输出信号为1V.输入信号为2V时，输出信号为8V。最后的输入输出的李萨如图为标准的指数上升曲线。3.主要测试数据：①Ui=1VUo=1V；⑤Ui=2VUo=8V。实验结果如下：4.测试及调试过程：测试方法:在输入端接入的是函数信号发生器，输入正弦波。运算放大器加入的是正负15V的直流电压。输入和输出端用示波器进行检测。输入信号源的正弦波含直流成分（0-2V），输出结果的正确与否是通过用示波器对输入输出波形的李萨如图进行观测和分析来进行测试的。对对数电路和反对数电路要分级测试。五．故障及问题分析1.电路连接问题。之前连好电路之后测试并无结果，多次对照电路图检查电路连接之后改正多个问题，而且精简了电路板的连线后，测试方出现结果。2.准备测试设备：测量前检验好仪器，我曾多次测量无结果后来发现是示波器坏掉了。3.检查导线及电阻等相关器件的正常特性使用万用表；为防止连接电路时，阻值的选择有误，最好用万用表加以检测。4.电源供电（包括极性）、信号源连线是否正确检查直流极性是否正确，信号线是否连接正确。并且用电压表测试保证直流电源输出符合要求；5.检查元、器件引脚之间有无短路，电路的接触问题，接触不良则将导致没有输出。基本检测好了电路和实验仪器后，仍出现了一些问题：连接好电路并加上直流电源和交流电源之后输出端没有波形的输出：因：不太会使用电源，输出按钮没有开启改正后又出现了问题：1输出的基本符合指数曲线，但是线条特别粗，想到是噪声，于是考虑使用电容滤掉噪声。最开始在输入端加了电容，发现没有效果，后来又改为在输出端加电容，尝试了一些电容后发现依然没有结果.利用理论知识分析后才得知，串联电容只能滤掉低频，而噪声信号大多为高频，所以要并联电容，于是我在输出端并联了一个20皮法的电容，输出曲线瞬间变得很细，达到了滤除噪声的效果。2、电源电压15V跟电路的准确值也很有关系，可以对其稍加调整；有时输出电压的实际值与显示值不同。3、输入是1v的时候输出不是1v。调整时发现，调整输入信号的频率和幅度以及直流电平的大小都可以改变输出曲线的形态，于是多次细心调整，终于调出效果较好的曲线。如图：六、总结和结论1.通过本次试验，我体会到了实际动手操作，自己解决困难并取得成功时的喜悦，学会了理论实际相结合，提高了能力。2.PROTELDXP这一软件从安装到使用的过程中，出现了各种问题，室友们共同讨论，互相帮助，终于画出了试验原理图及PCB板。3.深刻的理解了电容的作用，以前模电学习的时候只是单纯的背了结论，小电容可以滤除高频的噪音，知道做实验的时候才深有体会。4.通过实验对对数放大器和反对数放大器的有了比较深刻的理解，同时也更好理解了温度补偿对运算精度的影响。5.面包板上的布线很重要。合理的布线可以减少空间，更重要的是可以减少互感带来的影响。减少噪音。总的来说，这次综合实验确实相对以前需要更多的知识，更强的能力，因此也使在实验的过程中学到了更多，提高了自己动手设计实验及单独完成实验的能力，也学会了思考，将所学的知识用到电路实际应用中。六、PROTEL绘制的原理图及PCB制板图七、所用仪器及器件清单1．所用元器件：集成运算放大器OP07（4个）三极管8050（4个）电阻：1.5MΩ(4个),100KΩ(4个),2KΩ(2个),1KΩ(2个),4.55KΩ(1个),15.7KΩ(1个)电容:200pF(2个)，151pF(2个)，20pF(2个)导线若干2.仪器列表：直流稳压电源示波器函数信号发生器万用表（测量电阻及输出电压）毫伏表交流电流表器件列表八、参考文献《电子电路综合设计实验教程》北京邮电大学电路中心