程控增益放大器

辽宁工业大学模拟电子技术基础课程设计（论文）题目：程控增益放大器院（系）：专业班级：学号：42学生姓名：指导教师：（签字）起止时间：2014.6.30-2014.7.11本科生课程设计（论文）I课程设计（论文）任务及评语院（系）：电子与信息工程学院教研室：电子信息工程注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算学号42学生姓名专业班级课程设计（论文）题目程控增益放大器课程设计（论文）任务设计参数：（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，199N。（3）vo电压绝对值在1—10V范围，输入电阻MRi8，输出电阻20Ro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。进度计划第1天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论证；第4天：方案审查；第5天：选择器件；第6天：单元电路设计；第7天：参数计算；第8天：整体电路设计；第9天：EWB仿真、完善设计；第10天：答辩。指导教师评语及成绩平时：论文质量：答辩：总成绩：指导教师签字：年月日本科生课程设计（论文）II摘要本文设计是程控增益放大器。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，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。程控放大器使用方便、性能好，故可在数据采集系统、自动增益控制、动态范围扩展、远程仪表测试等方面使用尤为适宜，程控增益调整比手工调整更优越。在使用放大器的场合中，往往希望增益能够调整，以使波形显示更完美，数据采集更精确。而程控增益调整比手工调整更优越。关键词：运算放大器；程控；增益放大本科生课程设计（论文）III目录第1章绪论..........................................................11.1程控增益放大器概况...........................................11.2本文研究内容.................................................1第2章程控增益放大器电路设计........................................32.1程控增益放大器总体设计方案...................................32.2具体电路设计.................................................42.2.1集成电路运算放大器电路设计..............................52.2.2反馈电阻网络设计........................................62.2.3增益调整电路设计........................................72.3元器件型号选择...............................................82.4EWB仿真、数据分析...........................................90第3章课程设计总结.................................................10参考文献............................................................11元器件清单..........................................................12本科生课程设计（论文）1第1章绪论1.1程控增益放大器概况程控放大器使用方便，故可在数据采集系统，自动增益控制、动态范围扩展、远程仪表测试等等方面使用尤为适宜，程控增益调整比手工调整更优越。在使用放大器的场合中，往往希望增益能够调整，以使波形显示更完美，数据采集更精确，而程控增益调整比手工调整更优越。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。在自动测控系统和智能仪器中，如果测控信号的范围比较宽，为了保证必要的测量精度，常会采用改变量程的办法。改变量程时，测量放大器的增益也应相应地加以改变；另外，在数据采集系统中，对于输入的模拟信号一般都需要加前置放大器，以使放大器输出的模拟电压适合于模数转换器的电压范围，但被测信号变化的幅度在不同的场合表现不同动态范围，信号电平可以从微伏级到伏级，模数转换器不可能在各种情况下都与之相匹配，如果采用单一的增益放大，往往使A／D转换器的精度不能最大限度地利用，或致使被测信号削顶饱和，造成很大的测量误差，甚至使A／D转换器损坏。使用程控增益放大器就能很好地解决这些问题，实现量程的自动切换，或实现全量程的均一化，从而提高A／D转换的有效精度。因此，程控增益放大器在数据采集系统、自动测控系统和各种智能仪器仪表中得到越来越多的应用。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本文研究内容设计任务：1)设计并制作放大倍数由拨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，199N。3）vo电压绝对值在1—10V范围，输入电阻MRi8，输出电阻20Ro。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、指标及应本科生课程设计（论文）2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。本科生课程设计（论文）3第二章程控增益放大器电路设计2.1程控增益放大器总体设计方案一方案论证根据对已给课题的了解与学习以及同学们的帮助，我在查阅其他课题的同时进行对比分析，得出如下方案，并对各方案进行系统化组合和优缺点的阐述，同时得出最优方案并对其进行细致的实验和合理设计。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+模拟开关+反馈电阻网络。优点：测量精度较高缺点：电路网络复杂、所需元器件多、操作麻烦。2)利用现有的集成芯片PGA102；PGA103；AD621制作。优点：低漂移、低非线性、高共模抑制比和宽频带缺点：增益量程有限3)运放+模拟开关+数字电位器。优点：电路简单、操作容易、容易直接观察测量数据缺点：电位器分辨率有限本设计采用方案1。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。图2.1程控增益放大器框图模拟开关电阻网络运算放大器本科生课程设计（论文）42.2具体电路设计2.2.1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。集成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。本科生课程设计（论文）5图2.2集成电路运算放大器原理图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）÷R5T10、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。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本科生课程设计（论文）6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。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。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