高输入阻抗放大器课程设计

武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计课程设计任务书学生姓名：叶文岚专业班级：电信1406指导教师：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：具备模拟电子电路的理论知识；具备模拟电路基本电路的设计能力；具备模拟电路的基本调试手段；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、输入电压和输出电压函数关系为：100oivv2、输入信号频率不大于100HZ3、在室温下，若信号源内阻在100KΩ至1MΩ变化时，信号源开路电压为50mv～100mv时，放大器误差不大于1％4、要求共模抑制比≥60dB5、设计电源；6、焊接：采用实验板完成，不得使用面包板。4、安装调试并完成符合学校要求的设计说明书时间安排：十九周一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计目录一、摘要1二、相关理论知识21、集成运算放大器22、差分放大电路23、镜像电流源54、反向比例运算电路55、电压串联负反馈6三、高输入阻抗放大器电路设计81、基本方案的确定82、电路图9四、高输入阻抗放大电路仿真结果10五、直流稳压电源的设计14六、直流稳压电源电路仿真结果15七、实物焊接与调试16八、心得体会17九、参考文献18武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计1一、摘要本次课程设计是基于模拟电子技术基础课程的高输入阻抗放大器的设计，首先主要就集成放大器及其组成、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的分析，重点介绍了高输入阻抗放大器电路的设计、理论分析、仿真与电路的安装调试。本实验设计的高输入阻抗放大电路，能够接很高输入负载，在输入信号频率小于100HZ的情况下，能实现电压放大倍数为100倍的效果。且共模抑制比也可以达到=60dB的要求对于直流稳压电源的设计，通过变压、整流、滤波、稳压这四个步骤，按照要求，选取合适的元器件设计电路、仿真与电路安装调试。本实验设计的直流稳压电源，输出为正负电压，分别为+15V、-15V。武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计2二、相关理论知识1、集成运算放大器集成运算放大器简称集成运放，是一种模拟集成电路。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。2、差分放大电路2.1零点漂移实验研究发现，直接耦合放大器即使将输入端短路，输出电压并不为零。而且这个不为零的电压会随时间作缓慢的、无规则的、持续的变动，这种现象称为零点漂移，简称零漂。产生这种现象的原因在于直接耦合，当外界因素变化时输出电压随之变化。其中温度的影响最大，所以有时把零漂也叫温漂。第一级的零漂经第二级放大，再传武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计3给第三级，依次传递的结果使外界参数的微小变化，在输出端产生了较大的零漂电压。这个变化的电压与有用的输出信号混在一起，严重时甚至会淹没有用信号，使放大器无法工作。由于在差分式电路中，温度的变化、电源的波动会使两管的集电极电流、集电极电压产生相同方向的变化，相当于在差分管的两输入端加入共模信号。在理想情况下，不会使得电路输出发生变化，从而达到抑制温漂、稳定电路性能的目的。由于差分放大器有很强的抑制共模信号的能力，零点漂移很小，特别适合作多级直接耦合放大器的输入级。2.2差模信号和共模信号差模信号：把一对大小相等，极性相反的信号叫做差模信号。电路中所加的有用信号就是差模信号。共模信号：把一对大小相等，极性相同的信号叫做共模信号。电路中的干扰信号、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的优劣，检验电路抑制共模信号的能力和放大差模信号的能力，提出了共模抑制比KCMR。共模抑制比定义为：有时用分贝数表示：VCVDCMRAAKdBAAKVCVDCMRlg20武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计4电路中AVD越大，AVC越小，KCMR越大，电路性能越好。2.4差分放大电路的分析如图1中，电阻Re是T1和T2两管的公共射极电阻，或称射极耦合电阻，它实际上就是在工作点稳定电路中的射极电阻，只是此处将两个电阻的射极电阻合并成一个Re，所以经它的作用是稳定静态工作点，对零漂做进一步的仰制。电阻Re常用等效内阻极大的恒流源Io来代替，以便更有效地提高抑制零漂的作用。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)对差模输入信号的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，因此差动对管电流增量的大小相等、极性相反，导致两输出端对地的电压增量，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)对共模输入信号的抑制作用当输入共模信号时，差放两输入端信号大小相等、极性相同，武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计5因此差动对管电流增量的大小相等、极性相同，导致两输出端对地的电压增量，即差模输出电压Voc1=Voc2，此时双端输出的电压为Vo=Voc1-Voc2=0。可见，差放对共模输入信号具有很强的抑制能力。此外，在电路对称的条件下，差放具有很强的抑制零点漂移及抑制噪声与干扰的能力。3、镜像电流源电流源电路就是集成运放中最常用的偏置电路，它不仅可以为放大器提供稳定的偏置电流，还可以作为放大器的有源负载。这里就镜像电流源做一下介绍。基本镜像电流源如图2所示。图2基本镜像电流源T0与T1特性相同，即UBE0=UBE1=UBE，β1=β0=β，Ic1=Ic0IB1=IB0=IB；R和T0共同构成T1的偏置电路；T0管的c-b相连，使Ucb0=0，这是一个临界饱和状态，Ic=βIc的关系仍然存在。4、反向比例运算电路武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计6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为运放组成的电压串联负反馈电路，利用虚短和虚断的概念可以得知：则：21312//RRRRRUUAiOoiVid,0武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计7闭环电压增益为：offiVRRRVV11111RRRRRVVVVAfffioioVF武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计8三、高输入阻抗放大器电路设计1、基本方案的确定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CA3140E的放大器，此放大器的输入阻抗高达欧姆，远远可以满足高输入阻抗的要求，且CA3140E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A为100倍，输入频率f不大于100HZ，而根据芯片CA3140E的特点，芯片输出电压的值受到直流偏置电压的影响，最大只能达到直流偏置电压的值，所以在这里直流偏置电压设计的是正负15V。由于放大器本身的电压放大倍数达到了105，而设计要求电压放大倍数为100，可以引用电压串联负反馈，来调节电压放大倍数。利用虚短虚断的概念可知：则：闭环电压增益为：基本满足要求。0,013iiVV04333VRRRVVRi100101134343RRRRRVVVVAfoioVF12105.1武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计92、电路图图5高输入阻抗放大器设计电路武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计10四、高输入阻抗放大电路仿真结果从图5中可以看出输入端接示波器的B端，输出端接示波器的A端。维持图5中的电阻R3的阻值100KΩ不变，输入信号的频率为f=100HZ，输入电压为V=50mV。运行程序得到一波形图，将Timebase栏里面的scale的参数设置为2ms/Div，将ChannelA栏中的scale的参数设置为2V/Div,将ChannelB栏中的参数设置为50mV/Div。将T1时刻的坐标定在波谷处，将T2时刻的坐标定在波峰处，即可得到图6中的波形。图6输入输出波形图从图6中T1和T2位置读出的数据可以计算出电压的放大倍数AT1=960.100050000.0048.5武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计11AT2=电压放大倍数误差不超过1%。维持图5中的电阻R3的阻值100KΩ不变，输入信号的频率为f=100HZ，输入电压为V=100mV。运行程序得到一波形图，将Timebase栏里面的scale的参数设置为2ms/Div，将ChannelA栏中的scale的参数设置为5V/Div,将ChannelB栏中的参数设置为100mV/Div。将T1时刻的坐标定在波峰处，将T2时刻的坐标定在波谷处，即可得到图7中的波形。图7输入输出波形图从图7中T1和T2位置读出的数据可以计算出电压的放大倍数AT1=962.100049999.0048.5970.100100000.0097.10武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计12AT2=电压放大倍数误差不超过1%。将图5中的电阻R3的阻值改为1MΩ，输入信号的频率维持f=100HZ，输入电压为V=50mV。运行程序得到一波形图，将Timebase栏里面的scale的参数设置为2ms/Div，将ChannelA栏中的scale的参数设置为2V/Div,将ChannelB栏中的参数设置为50mV/Div。将T1时刻的坐标定在波峰处，将T2时刻的坐标定在波谷处，即可得到图8中的波形。图8输入输出波形图从图8中T1和T2位置读出的数据可以计算出电压的放大倍数AT1=972.100099998.0097.10967.100049640.0012.5武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计13AT2=电压放大倍数误差不超过1%。将图5中的电阻R3的阻值改为1MΩ，输入信号的频率维持f=100HZ，输入电压为V=100mV。运行程序得到一波形图，将Timebase栏里面的scale的参数设置为2ms/Div，将ChannelA栏中的scale的参数设置为5V/Div,将ChannelB栏中的参数设置为100mV/Div。将T1时刻的坐标定在波峰处，将T2时刻的坐标定在波谷处，即可得到图9中的波形。图9输入输出波形图从图9中T1和T2位置读出的数据可以计算出电压的放大倍数AT1=AT2=971.100049658.0014.5966.100099994.0096.10972.100099998.0097.10武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计14电压放大倍数误差不超过1%。武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计15五、直流稳压电源的设计CA3140芯片的直流偏置电压是+15v和-15v，按照课程设计的要求，自制一个稳压电源。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部分构成。输入220V、50Hz的交流电通过电源变压器变为我们需要的电压，在经过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。因为次脉动的直流电压含有较大的纹波成分，必须经过滤波电路加以滤波，从而得到平滑的直流电压。但此电压还是会因为电网电压的波动、负载和温度的变化而变化。因此在经过整流、滤波电路之后，还要接上稳压电路保证输出稳定的直流电压。由于输出地直流电压会随着稳压电路的