1、 模擬電路課程設計報告設計課題：程控放大器設計班 級：15級電子科學與技術姓 名： 學 號： 指導老師： 設計時間：2017年6月12日14日學 院：物理與信息工程學院程控放大器的設計與實現摘要本文介紹了一種可數字程序控制增益的放大器。該電路由兩片OP07CP芯片組成兩級反相放大器，采用CD4051芯片作為增益切換開關，通過控制開關改變反饋電阻來達到改變電路的增益的目的，可適應大范圍變化的模擬信號電平。文章首先對兩種系統方案進行詳細介紹與優劣對比， 接著概述了電路的設計過程及思路，然后又介紹了系統的調試過程與過程中遇到的問題的解決。該系統可以很好的完成目標要求，即增益范圍為10DB6

2、0DB，在40DB處有40KHZ的帶寬。關鍵詞程控放大器；運算器放大器；增益The Design and Realization of Program-controlled AmplifierAbstractThis paper presents an amplifier with digitally controlled gain. The circuit consists of two OP07CP chip level two inverting amplifier using CD4051 chip as the gain switch, change the feedback res

3、istance by controlling the switch to change the gain of the circuit to adapt to changes in the scope of the analog signal level. This paper first introduces the two system schemes in detail, and compares the advantages and disadvantages, then summarizes the design process and ideas of the circuit, a

4、nd then introduces the debugging process of the system and the solutions to the problems encountered in the process. The system can achieve the target requirements very well, that is, the gain range is 10DB - 60DB, and there is 40KHZ bandwidth at 40DB. Key wordsProgram-controlled amplifier; operatio

5、nal Amplifier; gain目錄1 前言42.指標要求63 總體方案設計63.1 方案一63.2 方案二83.3方案選擇9方案1具有如下優缺點：9方案2具有如下優缺點：94單元模塊設計114.1單元模塊功能介紹114.1.1 兩級放大114.2電路參數計算144.2.1放大參數計算144.2.2 第二級放大參數計算144.2.3元器件的選擇144.3各單元模塊連接155.1硬件調試165.1.1 調試內容165.2.2 調試方法166. 系統功能和指標參數176.1 功能176.2 指標參數測試176.2.1測試方法176.3 實測結果與設計要求的對比176.4波形記錄187設計總結

6、22【參考文獻】231 前言在這個數字電路高速發展的時代，許多模擬電路已被數字化，似乎數字將完全取代模擬，當然，這是不可能實現的，因為事物的本源是數字的，自然界的信息也是連續的模擬的，因此研究模擬電路也是十分有必要的。而本文介紹的程控增益放大器則巧妙的結合了數字電路和模擬電路，用數字控制模擬對信號進行放大，這大大方便了對該電路的使用，而這也將成為一種趨勢。本文介紹的放大器可以對信號進行大范圍放大，而且在中頻段的線性性吻合的特別好。該電路最大限度的利用了OP07的優點。在這個越來越重視數據的時代，程控增益放大器在數據采集系統、自動測控系統和各種智能儀器儀表中得到越來越多的應用。2.指標要求設計和

7、實現一程控放大器，增益在1060dB之間，以10dB步進可調；當增益為40dB時，3dB帶寬40kHz.電壓增益誤差10，最大輸出電壓10V。3 總體方案設計3.1 方案一圖3.1 儀表放大器框圖該方案是通過將信號輸入由三運放構成的儀表放大器（如圖3.2）中，該電路的增益公式為 。第一級為由兩對稱同相放大器構成的差分放大器，通過調整兩運放間公用的反饋網絡電阻Rg的大小，從而達到改變第一級的增益，而第二級用的是一個減法電路。對加到放大器輸入端的共模電壓在RG兩端具有相同的電位，從而不會在RG上產生電流。由于沒有電流流過RG（也就無電流流過R1和R2），因此對于公模信號來說放大器A1 和A2 將作

8、為單位增益跟隨器而工作。因此，共模信號將以單位增益通過輸入緩沖器，而差分電壓將按1（2 RF/RG）的增益系數被放大。這也就意味著該電路的第一級共模抑制比是1（2 RF/RG）。第二級普通減法電路，如果能做到R4=R6,R3=R5那么也可以引入極高的CMRR但是由于電阻阻值存在誤差，而這一電路要求電阻對R4 /R6和R3 /R5的比值匹配得非常精密，否則，每個輸入端的增益會有差異，直接影響共模抑制。例如，當增益等于 1 時，所有電阻值必須相等，在這些電阻器中只要有一只電 阻 值 有 0.1% 失 配 ， 其CMRR便 下 降 到 66 dB（2000:1）。同樣，如果源阻抗有 100 的不平衡

9、將使CMRR下降 6 dB。 因此靠這一級提高CMRR明顯是靠不住的。 圖3.23.2 方案二圖3.3 兩級反相放大器框圖該方案將交流信號經過兩級反相放大，可通過改變反饋電阻的阻值來調節放大倍數，其原理圖以及增益公式如圖3.4所示。該電路較為簡單，其增益公式也比較簡單，他的共模抑制必須依靠運放的內部差分放大器，由于經過兩次反向，因此其輸出的信號將與輸入的同相位。 圖3.4 3.3方案選擇方案1具有如下優缺點：優點：具有極高的CMRR，通過調節RG也足以完成10DB-60DB的增益范圍。缺點：該電路第一級為同相放大器，放大倍數必須是1以上，而課程設計的放大倍數必須是3.1到1000倍，因此第二級

10、放大倍數不可能超過3.1，這意味著第一級放大器將承受最大為330倍的增益。而0P07的GBP只有0.6M，說明當放大倍數為100時，第一級將放大33倍，這樣的話其最大3DB帶寬上限頻率只有18.8M，而題目要求達到當增益為40dB時，3dB帶寬40kHz.所以這個電路明顯達不到這個要求。方案2具有如下優缺點：優點：電路結構較為簡單，兩個輸入端電壓相等并等于零，故沒有共模輸入信號，從而對運放的共模抑制沒有要求；且該形式的電路增益調節十分方便，增益可以在0以下，這是同相放大做不到的。而該系統可以完成所有指標要求，甚至超過。        缺點：深度負反饋條件

11、下，輸入電阻為R1，輸入電阻不能達到理想情況。這里選擇優點更多且更方便調節的方案2。4單元模塊設計4.1單元模塊功能介紹4.1.1 兩級放大圖4.1.1 兩級放大放大部分采用了反相放大電路，輸入部分串入耦合電容可以除去直流量，它的抗干擾能力強，在輸入級正是要有這個特點，能夠有效抑制噪聲；通過調節反饋網絡的阻值可方便的改變放大倍數，電路結構也很簡單。4.1.2 程控部分圖 程控部分通過控制撥碼開關輸入三位的二進制代碼，可以使模擬開關選擇不同的檔位，來選擇不同的電阻連接到電路中，如上圖所示，其中A1與A2分別與上個模塊中的對應A1,A2連接。4.1.3 電源退耦部分電源退偶，可將電源上的噪聲電壓引

12、入到地平面，讓電源電壓保持在一個穩定的值，這樣系統才可能穩定工作。用一個大電容并聯一個小電容，并且在布局時盡量將電容放在運放電源引腳旁。4.2電路參數計算4.2.1放大參數計算放大倍數計算表達式：A=Rf1/R1，選定R1為1，第二級放大10倍，則根據計算式可得如下表格：3.1621031.62100316.2100010dB20dB30dB40dB50dB60dBRf10.3162K1K3.162K10K31.62K100K4.2.2 第二級放大參數計算放大倍數計算表達式：A=Rf2/R2，選定R2為1，則Rf2=10。4.2.3元器件的選擇運放OP07CP2個模擬開關CD4051BE1個撥

13、碼開關六腳1個電位器（）2031個2046個電阻1K、10K各5個電容103、104各5個4.3各單元模塊連接圖4.3 單元模塊連接第一級放大與程控部分相結合，便為可控增益的反相放大器，其放大倍數可通過程控電阻選擇電路，第二級放大倍數定為10倍左右。5.1硬件調試5.1.1 調試內容(1) 調節第二級放大倍數為10倍；(2) 調第一級各個檔次放大倍數使總的放大倍數達到預期目標。(3) 調試40DB處的帶寬，如果帶寬不夠適當調整耦合電容的大小。5.2.2 調試方法（1） 將10KHZ,100mv交流小信號（無偏置）直接輸入到二級放大器Vi2處，輸出接到示波器，調整二級放大反饋電阻，使輸出為1v且

14、不失真；（2） 將撥碼開關撥到1檔（=000），輸入10KHZ 10mv正弦信號，輸出接示波器，調整第一級放大反饋電阻，使得輸出VPP約為31.62mv；（3） 將撥碼開關撥到2檔（=001），調整反饋電阻大小，使得輸出VPP為100mv；（4） 將撥碼開關撥到3檔（=010），調整反饋電阻，使得使得輸出VPP為316.2mv；（5） 將撥碼開關撥到4檔（=011），調整第一級放大反饋電阻使得輸出VPP為1v；（6） 將撥碼開關撥到5檔（=100），調整反饋電阻，使得使得輸出VPP為3.16v且不失真；（7） 撥碼關撥到第6檔（=101），調整第一級放大反饋電阻，輸出應為VPP=10v；（8）

15、 在第4檔即100倍處，將頻率上升至50KHZ，輸出VPP應不低于707mv且波形無失真。調試完畢。6. 系統功能和指標參數6.1 功能系統可通過數字信號輸入控制放大器的增益大小，實現從10dB到60dB的增益,以10dB步進可調，總共六檔切換，且在40DB的增益處有40KHZ以上的帶寬。6.2 指標參數測試6.2.1測試方法將10mv交流小信號輸入到放大器第一級的反相輸入端，然后將輸出接到示波器，撥動微動開關調到對應檔位（15檔，即=000101），觀察示波器的波形峰峰值。6.3 實測結果與設計要求的對比輸入正弦信號：10mv 10KHZ檔位123456輸出31.6mv96.8mv312mv

16、1.07V3.16V9.92V實際增益3.169.6831.210731699210dB19.72DB29.88DB40.55DB49.99DB59.93DB放大倍數 3.1621031.62100316.21000增益10dB20dB30dB40dB50dB60dB增益誤差01.4%0.4%1.37%0.02%0.11%輸入正弦信號：10mv 50KHZ輸出 728mv放大倍數72.8增益 37.24DB分析該級放大應為40DB，40HZ帶寬下最小不能低于37DB即下降范圍在3DB以內 6.4波形記錄10DB增益 10mv 10KHZ輸入 20DB增益 10mv 10KHZ輸入30DB增益 10mv 10KHZ輸入 40DB增益 10mv 10KHZ輸入 40DB增益 10mv 30KHZ輸入 40DB增益 10mv 50KHZ輸入50DB增益 10mv 10KHZ輸入60DB增益 10mv 10KHZ輸入7設計總結 通過此次課程設計學習，我收獲良多。首先是學會了查看芯片手冊，了解了OP07和CD4017的各種參數，并懂得了在調試的時候應時刻注意那些相關的參數，做到心中有數，不至于調試的時候盲目不知所措。在查看完芯片手冊之后，再來看課題要求，并根據要求確定方案，設計出符合條件的電路。 而調試運放也有許多技巧，例如當電路設計完