1、課程設計任務書學生姓名： 侯俊杰 專業班級：電信101指導教師： 孟哲工作單位：信息工程學院題 目：高輸入阻抗放大電路的設計仿真與實現初始條件:可選元件：運算放大器，三極管，電阻、電位器、電容、二極管若干，直流電源 Vcc=+12V,Vee= -12V,或自選元器件。可用儀器：示波器，萬用表，直流穩壓源，毫伏表等。要求完成的主要任務：(1)設計任務根據要求，完成對高輸入阻抗放大電路的設計、裝配與調試，鼓勵自制穩壓電源。(2)設計要求錯誤！未找到引用源。電壓增益=100,輸入信號頻率100HZ,共模抑制比60dB; 選擇電路方案，完成對確定方案電路的設計；利用Proteus或Multisim仿真

2、設計電路原理圖，確定電路元件參數、掌握電路工作原理 并仿真實現系統功能；安裝調試并按規范要求格式完成課程設計報告書；選做：利用仿真軟件的 PCB設計功能進行PCB設計。時間安排：1、前半周，完成仿真設計調試；并制作實物。2、后半周，硬件調試，撰寫、提交課程設計報告，進行驗收和答辯。指導教師簽名: 系主任(或責任教師)簽名:摘要本課設是基于模擬電子技術基礎課程的高輸入阻抗放大器的設計，本設計主要由三個部分組成，輸入級由場效應管等組成的差分放大電路 ，中間級由共射極 的偏置電路形成放大電路，鏡像電流源來提供輸入穩定的電流。首先主要就集成 放大器及其組成、反相比例運算電路、電壓串聯負反饋、鏡像電流源

3、和差分放大 電路作了簡要的分析，重點介紹了高輸入阻抗放大器電路的設計、 理論分析、仿 真與電路的安裝調試。本實驗設計的高輸入阻抗放大電路，能夠接很高輸入負載，在10k歐姆到1M 歐姆之間變化也能達到電壓放大約為 100倍的效果。而且利用場效應管組成的差 分放大電路達到共模抑制比=60DB的要求。關鍵詞：集成放大器 反相比例放大器 鏡像電流源 差分放大電路 高輸 入阻抗放大電路仿真目錄摘要21、集成運算放大器及其組成42、高輸入阻抗的原理51.1.1 零點漂移51.1.2 差模信號與共模信號 51.1.3 共模抑制比61.1.4 差分放大電路的分析62.2 鏡像恒流源82.2.1 電路特點92.

4、2.2 電路分析92.3 反向比例電路92.4 電壓串聯負反饋 103、高輸入阻抗放大器的設計 113.1 方案選擇及分析 113.2 電路設計123.3 仿真143.4 PCB的制作1824.4、實物安裝和調試5、設計總結26參考文獻27附錄128附錄229附錄3301、集成運算放大器及其組成集成運算放大器簡稱集成運放，是一種模擬集成電路。集成運放是一種高放 大倍數、高輸入電阻、低輸出電阻的直接耦合放大電路， 一般由輸入級、中間 級、輸出級、偏置電路四部分組成。輸入級常常采用三極管和場效應管組成的差分放大電路，具有高差模放大倍數和高輸入電阻， 同時獲得盡可能低的零點漂 移和盡可能高的共模抑制

5、比，其性能的好壞直接影響集成運算放大器的整體性 能。中間級由多極共射極或共源放大器組成，為集成運算放大器提供高電壓放 大倍數。為了提高電壓放大倍數，經常采用復合管結構，使用恒流源作為集電極 負載。輸出級一股由電壓跟隨器或者互補對稱電壓跟隨器構成，具有較低的輸 出電阻和較強的帶負載能力，同時需要一個較寬的線性輸出范圍。 輸出級往往還 具備有保護電路的功能 偏置電路為各級電路設置合適和穩定的靜態工作點，往 往采用恒流源電路為三極管或場效應管的各電極提供合適的偏置電流。2、高輸入阻抗放大電路的原理2.1 差分放大電路2.1.1. 點漂移實驗研究發現，直接耦合放大器即使將輸入端短路， 輸出電壓并不為零

6、。而 且這個不為零的電壓會隨時間作緩慢的、 無規則的、持續的變動，這種現象稱為 零點漂移，簡稱零漂。產生這種現象的原因在于直接耦合， 當外界因素變化時輸 出電壓隨之變化。其中溫度的影響最大，所以有時把零漂也叫溫漂。第一級的零 漂經第二級放大，再傳給第三級，依次傳遞的結果使外界參數的微小變化， 在輸 出端產生了較大的零漂電壓。這個變化的電壓與有用的輸出信號混在一起， 嚴重 時甚至會淹沒有用信號，使放大器無法工作。抑制零點漂移可以采用下列方法：1 .利用直流負反饋 穩定電路的靜態工作點。2 .采用溫度特性較好的高性能器件。3 .采用溫度補償方法利用熱敏器件的參數隨溫度變化而變化的特性抵消電路隨溫度

7、變化產生的影響。4 .采用差分放大電路利用特性相同的對管，使他們的溫度漂移互相抵消，由于在 差分式電路中，溫度的變化、電源的波動會使兩管的集電極電流、 集電極電壓產 生相同方向的變化，相當于在差分管的兩輸入端加入共模信號。由于差分放大器有很強的抑制共模信號的能力，零點漂移很小，特別適合作多級直接耦合放大器 的輸入級。2.1.2. 差模信號與共模信號差模信號：把一對大小相等，極性相反的信號叫做差模信號。電路中所加的 有用信號就是差模信號。共模信號：把一對大小相等，極性相同的信號叫做共模信號。電路中的干擾信號、零點漂移等都可視為共模信號。2.1.3. 共模抑制比共模抑制比CMRK是衡量差分放大器抑

8、制共模信號能力的一項技術指標。我們通常定義為:AGr =1 黃#vc有時用分貝數表示:電路的AVD越大，Avc越小，KCMR®大，電路性能越好。2.1.4. 差分放大電路的分析如圖1中，電阻Re是T1和T2兩管的公共射極電阻，或稱射極耦合電阻， 它實際上就是在工作點穩定電路中的射極電阻， 只是此處將兩個電阻的射極電阻 合并成一個Re,所以經它的作用是穩定靜態工作點，對零漂做進一步的仰制。 電阻Re常用等效內阻極大的恒流源Io來代替，以便更有效地提高抑制零漂的作 用。動態時分差模輸入和共模輸入兩種狀態。(1)對差模輸入信號的放大作用當輸入差模信號Vid時，差放兩輸入端信號大小相等、極性

9、相反， Vi1=-Vi2=Vid/2。因此差動對管電流增量的大小相等、 極性相反，導致兩輸出端 對地的電壓增量，即差模輸出電壓Vod1=-Vod2。此時雙端輸出電壓 Vo=Vod1-Vod2=2Vod1=Vod可見，差放能有效地放大差模輸入信號。(2)對共模輸入信號的抑制作用當輸入共模信號Vic時，差放兩輸入端信號大小相等、極性相同，即 Vi1=Vi2=Vic,因此差動對管電流增量的大小相等、 極性相同，導致兩輸出端對地 的電壓增量， 即差模輸出電壓Voc1=Voc2,此時雙端輸出的電壓為 Vo=Voc1-Voc2=Q可見，差放對共模輸入信號具有很強的抑制能力。止匕外，在電路對稱的條件下，差放

10、具有很強的抑制零點漂移及抑制噪聲與干擾的能力。2.2 鏡像恒流源電流源電路就是集成運放中最常用的偏置電路，它不僅可以為放大器提供穩定的偏置電流，還可以作為放大器的有源負載。這里就鏡像電流源做一下介紹。 基本鏡像電流源如圖2所小。圖2鏡像恒流源原理圖2.2.1. 電路特點1、T0 與 T1特性相同；即 UBE0= UBE仁UBE0 1=00=0 I c仁 I c0 IB仁IB0=IB2、R和T0共同構成Ti的偏置電路；3、T0管的c-b相連，使UCbo=0,這是一個臨界飽和狀態，Ic= B I B的關系仍然 存在。2.2.2. 電路分析即二者之間如同“鏡像”般的關系這樣，Ici的大小即可由Ic1

11、=I R=(Vcc-Ube) /R來決定。這個電路有一個基準電流IR,由電路參數和管參數很容 易確定，當找出IC1與基準電流IR的“鏡像”關系后，很容易知道該電路提供出 的偏流大小。2.3 反向比例電路r2圖3所示為反向比例電路，從圖中可以得:A=Uo/Ui=-R2/R1R3=R1R22.4 電壓串聯負反饋Vf R1X GND圖4電壓串聯負反饋電路圖如圖4為運放所組成的電壓串聯負反饋電路，利用虛短和虛斷的概念可以得知：Vd = 0, i i=0則"= =Ri*Vo/ (Ri+R)閉環電壓增益為：AvF=Vo/Vi =Vo/Vf = (R+R) /Ri=1+R/Ri3、高輸入阻抗放大器

12、的設計3.1方案選擇及分析方案一：用晶體三極管組成多級放大器來實現。 一個多級放大器總的電壓放 大倍數等于各單級放大器的乘積，本實驗可以考慮用二級放大器來實現放大倍 數>100的要求，第一級實現放大倍數15倍，第二級實現10倍的放大倍數，總 放大倍數達到150,符合要求。而輸入阻抗等于第一級放大的輸入阻抗，為了實 現高輸入阻抗的要求，可以選擇輸入阻抗高的射極偏置共射極放大電路作為第一 級放大電路。理論上這種方案很容易實現，但是由于晶體三極管放大時候對靜態 工作點的要求較高，靜態工作點設置不好就會引起失真，所以這種方案不用。方案二：用運算放大器實現。集成運算放大器簡稱集成運放，是一種模擬集

13、 成電路。集成運放是一種高放大倍數、高輸入電阻、低輸出電阻的直接耦合放大電路，一般由輸入級、中間級、輸出級、偏置電路四部分組成。輸入級常常采用三極管和場效應管組成的差分放大電路，具有高差模放大倍數和高輸入電 阻，同時獲得盡可能低的零點漂移和盡可能高的共模抑制比，其性能的好壞直接影響集成運算放大器的整體性能。中間級由多極共射極或共源放大器組成，為集成運算放大器提供高電壓放大倍數。為了提高電壓放大倍數，經常采用復合管結構，使用恒流源作為集電極負載。輸出級一股由電壓跟隨器或者互補對稱電壓跟隨器構成，具有較低的輸出電阻和較強的帶負載能力，同時需要一個較寬的線性輸出范圍。輸出級往往還具備有保護電路的功能

14、偏置電路為各級電路設置合適和穩定的靜態工作點，往往采用恒流源電路為三極管或場效應管的各電極提 供合適的偏置電流。根據高輸入阻抗放大器的高輸入阻抗要求，我們選取型號為 CA3130的放大器，此放大器的輸入阻抗高達 1.5x1012歐姆，遠遠可以滿足高輸 入阻抗的要求，且CA313嵌大器的共,g抑制比為90dB,也大于所要求的60dB。 設計要求是放大倍數A>100倍，輸入頻率f<100HZ,而根據芯片CA3130的特點, 芯片輸出電壓的值受到直流偏置電壓的影響，最大只能達到直流偏置電壓的值， 所以在這里直流偏置電壓設計的是正負 15V。由于放大器本身的電壓放大倍數達 到了 105,而

15、設計要求電壓放大倍數為 100,所以我們引用了電壓串聯負反饋，來調節電壓放大倍數（令 A=105，由于1+AF>>1此反饋為深度負反饋）利用虛短 和虛斷的概念可以得知：Vi=Vf=R1*Vo/ (R1+R2+RV1 則 Avf=1+ (R2+RV1 /R1放大倍數的范圍為121到131,基本滿足要求。如圖5所示即為原理圖，根據高輸入阻抗放大器的高輸入阻抗要求，我們選取型號為CA3130的放大器，此放大器的輸入阻抗高達 12105.1 X,遠遠可以滿 足高輸入阻抗的要求，且 CA313嵌大器的共,g抑制比為90dB,也大于所要求的 60dB。圖中R2為設計的信號源內阻，因為設計要求我

16、們信號源開路電壓為50mv到100mv,而輸出電壓的值受到直流偏置電壓的影響，最大只能達到直流偏置電15V。由于放大器本身的電壓放壓的值，所以在這里直流偏置電壓設計的是正負大倍數達到了 510,而設計要求電壓放大倍數為100,所以我們引用了電壓串聯負反饋，來調節電壓放大倍數（令 A=510，由于1+AF>>1此反饋為深度負反饋）3.3仿真3.3.1 輸入信號頻率f=5HZ,輸入電壓V=50m昉真圖從圖中可以看出輸入端接示波器的 A端，輸出端接示波器的B端。輸入信號 的頻率為f=5HZ,輸入電壓為V=50mV運行程序得到一波形圖，將 Timebase欄 里面的scale的參數設置為5

17、0ms/Div,將Channel A欄中的scale的參數設置 為50mV/Div,將Channel B欄中的參數設置為1V/Div。將T1時刻的坐標定在波 谷處將T2時刻的坐標定在波峰處Av=(1*6)/(0.05*1)=120Digital OsitilloscopeChani>elCClbciinel BChciniirel DLevelP&ytionInwrlGN口 OFFpMrtwanI-I AwDCF 1 &MDSwjm BCD圖6 50mv,5hz仿真圖圖中Timebase選項的Scale中20ms/Div表示圖中每格表示 20ms,算出圖中曲線的一個周期所

18、占的格子數，用格子數乘以20ms就可以得出輸出波與輸入波的周期與頻率，如圖T=10*20ms=0.2sf=1/T=50hz3.3.2 輸入信號頻率f=100HZ,輸入電壓V=50m昉真圖從圖中可以看出輸入端接示波器的 A端，輸出端接示波器的B端。輸入信號的頻率為f=100HZ,輸入電壓為V=50mV運行程序得到一波形圖，將Timebase欄里面的scale的參數設置為2ms/Div,將Channel A欄中的scale的參數設置為 50mV/Div,將Channel B欄中的參數設置為1V/Div。將T1時刻的坐標定在波峰 出，將T2時刻的坐標定在波谷處 從圖中T1和T2位置讀出的數據可以計算

19、出電壓的放大倍數Av=(1*5)/(0.05)=100一11_ _ClMHIlfll 口Digital Oscilloscope圖7 50mV 100hz仿真圖圖中Timebase選項的Scale中2ms/Div表示圖中每格表示 2ms,算出圖中 曲線的一個周期所占的格子數，用格子數乘以2ms就可以得出輸出波與輸入波的 周期與頻率，如圖T=2*5ms=0.01sf=1/T=100hz3.3.3 輸入信號頻率f=5HZ,輸入電壓V=100m昉真圖從圖中可以看出輸入端接示波器的 A端，輸出端接示波器的B端。輸入信號 的頻率為f=5HZ,輸入電壓為V=100mV運行程序得到一波形圖，將Timebas

20、e欄里面的scale的參數設置為20ms/Div ,將Channel A欄中的scale的參數設置為 0.1V/Div,將Channel B欄中的參數設置為2V/Div。將T1時刻的坐標定在波峰 出，將T2時刻的坐標定在波谷處 從圖中T1和T2位置讀出的數據可以計算出電 壓的放大倍數Av=(2*6)/(0.1*1)=120Digital OscilloscopeOm-srwt-J Cursors jChannel B Channel DBCD.I皿IIChaniiiel C圖8 100mV 5hz仿真圖圖中Timebase選項的Scale中20ms/Div表示圖中每格表示 20m6算出圖 中曲

21、線的一個周期所占的格子數，用格子數乘以20ms就可以得出輸出波與輸入波的周期與頻率，如圖T=20*10ms=0.2sf=1/T=5hz3.3.4 輸入信號頻率f=100HZ,輸入電壓V=100mW真圖從圖中可以看出輸入端接示波器的 A端，輸出端接示波器的B端。輸入信號 的頻率為f=100HZ,輸入電壓為 V=100mV運行程序得到一波形圖，將Timebase欄里面的scale的參數設置為20ms/Div,將Channel A欄中的scale的參數設置 為0.1V/Div,將Channel B欄中的參數設置為2V/Div。將T1時刻的坐標定在波 峰出，將T2時刻的坐標定在波谷處 從圖中T1和T2

22、位置讀出的數據可以計算出 電壓的放大倍數Av=(2*5)/(0.1*1)=100圖9 100mV 100hz仿真圖圖中Timebase選項的Scale中1ms/Div表示圖中每格表示1ms算出圖中 曲線的一個周期所占的格子數，用格子數乘以1ms就可以得出輸出波與輸入波的 周期與頻率，如圖T=1*10ms=0.01sf=1/T=100hz3.3.4輸入信號頻率f=100HZ,輸入電壓V=150mW真圖從圖中可以看出輸入端接示波器的 A端，輸出端接示波器的B端。輸入信號的 頻率為f=100HZ,輸入電壓為 V=150mV圖10 150mV 100hz仿真圖波形產生明顯失真。3.4 PCB板的制作打

23、開protel 99 SE ,用菜單File/New新建一設計，命名，選擇文件路徑，然后進入Protel 99 SE的標準界面，進入Documents目錄，用File/New 命令，系統彈 出文件類型的對話框，我們選擇SCH圖標，即進入SCH設計系統，同時系統界 面變為SCH的設計界面，如圖10所示：圖11新建sch文件的界面繪制好原理圖之后，選擇 TOOLS菜單下的ERC選項，彈出對話框，直接 點擊ok即可，如果有問題就會坐標標注元件的位置，返回電路原理圖，改正錯誤的元件屬性，在進行 ERC檢查，直至完全正確為止，如下圖 11:模電果設FCB. ddb | DouMent孱候俊杰，“h ：候

24、傻冬Feb :侯俊杰Bom侯俊杰/比|Error Heport For"": Document. sch 17-Jan-2013 10:40: 46End Report圖12常規電氣檢查表創建網絡表，在確認網絡表如圖12沒有錯誤之后，生成Pcb文件圖13網絡表的錯誤檢查生成網絡表之后，就進入了 PCB板繪制的階段。選擇File/New/PCB生成一個后 綴為 Pcb的文件。PCB板分為很多層，主要有 Top-Layer、Bottom-Layer、 Mechanical、Top Overlay、Keep-Out-layer和 Multi-Layer。按步驟設置PCB板的Mec

25、hanical物理邊界以及Keep-Out Layer電氣邊界。 先執行Design/Board Sharp/Redefine Board Shar命令，此時光變變成十字形。 然 后在Mechanical層面上劃定PCB板的物理邊界，最后在禁止布線層(Keep-Out Layer)上面劃定電器邊界。加載網絡表后，使用系統的Cluster模式進行自動布局后，得到啟示，然后 按照原理圖自己重新布局。網絡表加載完成之后，PCB艮據網絡表產生預拉線，在屏幕上會出現排列整齊的所有元件以及設置過的PCEK,然后PCB艮據預拉線一條一條變為銅膜走線。選定所有的元件拖至PCB板上，執行 Tools/AutoP

26、lacement/Auto Placer/Cluster Placer 命令，Protel 開始自動排版。布局好之后，選中ALL Route-all 選項，彈出對話框，點擊 Aoute all,便開始自動布 線，完成后點擊ok即可，布線完成后，得到如圖13所示的PCB圖14 PCB圖生成PCB®后，執行菜單命令【REPORT/ BILL OF MATERIAL出現新的 對話框選擇“project ”點擊下一步，其他默認直到倒數第二步將 Protel Format、 CSV Format、Client Spreadsheet 全部選中點擊下一步和 Finish 就生成了材料 清單。表1

27、元件清單模電型設FCB ddb | Documents侯俊杰,sch侯俊杰,Feb倒像假農09 RWA B C D ET封裝 元件值元件標號2 AXIALO310KR13 ASiALOjflbQR24 AXI/XLL3- i2KR35 DIPBCA3l-3dUI6 SIP216VBT17 SIP2-15V0T28 SIP2' O-lpF Ci9 VR5IK 再還”io 11121315生成電路板信息報表打開PCB設計文件，選擇Report/Board Information命令彈出對話框，一直 單擊默認值到如圖所示的界面后單擊全部，如圖 22,最后形成的電路板信息報表 如圖23所示。表

28、2電路板信息報表Speei £ icat ions For 侯俊泰.PubOn 17-Jan-2013 at 10 ： 41 31Size Of beard301 k 3.01 sq inEquivalent 14 pin conponents5.51 sq in/14 pin ccuiponentComponents on boarti8Lay©TRoutePads Tracks FillsArcsTeKtBottcwiLayer03500口TopOverlayD470116KeepOutlayer04000Multilayer230000Total23360116lay

29、er PairViasTotalUNon-Plated Hole SizePadsViasTotal0QPlated Hole SizePadsVias26iiil (0.7112mm)j口32ni 1 (0 .9128nHn)200Total230Top Layer ArLnular Ring SizeCount18ml (0 4572mm)14Omil (0 .762muk)634ifcil (0.8S3fcmm)34、實物安裝和調試4.1 按照電路原理圖先在草稿紙上畫好元器件焊接布局圖，要做到布局合理科 學，不交叉，檢查無誤后，按照布局圖進行焊接和布線。4.2 調試方法7號管腳加15V直

30、流偏置電壓，4號管腳加-15V直流偏置電壓，連 接好地線，開始電路板調試。輸入正弦交流電壓，第一次輸入電壓50mv,頻率為5HZ的交流電壓，在示波器上觀察輸出波形，看波形有沒有失真，并記錄下輸出 電壓的大小。輸入 Vi=0.1v,頻率 f=5HZ, Vo=12v,放大倍數 A= Vo/Vi=120。輸入 Vi=5v,頻率 f=100HZ, Vo=0.05v,放大倍數 A= Vo/Vi=100輸入 Vi=l2v,頻率 f=5HZ, Vo=0.1v,放大倍數 A= Vo/Vi=120。輸入 Vi=10v,頻率 f=100HZ, Vo=0.1v,放大倍數 A= Vo/Vi=100.輸入Vi=150mv,頻率f=100HZ,波形產生明顯失真。4.3 測試結果分析測試時波形穩定，測試結果和仿真結果相差不大，滿足了設計 要求，在輸入信號不大（有效電壓100mU ,輸入信號頻率小于100Hz都能實現 超過100倍的放大，并且輸入信號越小，輸入頻率越低，放大效果越好。4.4實物展示圖15布局圖圖16電焊圖圖17成品圖5、設計總結本次模電設計主要是考慮到綜合能力，不能僅僅通過模電某一章的內容做出來， 就差分放大而言，在書本的第六章，包流源在第六章，電壓串聯負反饋在第七章，