1、模擬電子技術基礎課程設計(論文) 高精度線性放大器 院（系）名稱電子與信息工程學院 專業班級物聯網141 學號140408030 學生姓名滕憲宇 指導教師起 止 時 間： 2015.7.42015.7.15課程設計（論文）任務及評語院（系）：電子與信息工程學院 教研室：電子信息工程 學 號140408030學生姓名滕憲宇專業班級物聯網141課程設計（論文）題目高精度線性放大器課程設計（論文）任務任務要求：高精度線性放大器是一個可以將微小的、變化緩慢的直流或交流信號精確放大的線性放大器，需要采用高精度的運放。高精度運放主要是指失調和噪音非常低，增益和共模抑制比非常高的運算放大器，以達到高精度的目

2、的。由運放、直流穩壓電源等部分電路組成。技術要求：1、線性失真度不大于0.5%。2、放大倍數2000。3、輸入電阻2M。4、輸出電阻100。5、利用Multisim（或EWB）進行電路仿真與調試。指導教師評語及成績平時成績： 答辯成績： 論文成績： 作品成績： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日注：平時成績占20%，答辯成績占20%，論文成績占40%，作品成績20%。本科生課程設計（論文）摘 要隨著科技的發展，人們對線性放大器的要求越來越高，這些要求在航天、航空及軍事、精密儀器等需要高速數據的采集，瞬時波形記錄其他需高速高精度放大器的尖端科技領域中表現尤為突出。高精度放大器可用于量測儀器、控

3、制系統、自動測試設備等。在醫療領域中也有超音波、氣體分析、血壓計、診斷器等，此外汽車中的引擎管理、傳動系統管理等，也要用到高精度的運放。因此高精度線性放大器具有廣泛的應用意義。高精度線性放大器是為了解決一些需要精確擴大輸出信號的系統，本設計是采用集成運放LF411ACN作為核心元件，在此設計中共接入四個LF411ACN集成運放。本設計利用儀用放大電路作前置放大電路，帶通濾波電路作為濾波和放大電路，本文詳細的介紹高精度線性放大器的設計過程。由于LF411ACN的集成度高，功能強，通用性好，特別是它具有體積小，能耗低，線性度高，抗干擾能力強等方面的獨特的優點。本文設計一個可以將微小的、變化緩慢的直

4、流或交流信號精確地放大的線性放大器，具有溫漂小、精度高、線性好等特點。與調制型直流放大器相比其線路簡單、調試容易、通用性好。關鍵詞：放大器; 高精度; 通用性; 線性度 目 錄第1章 緒論11.1高精度線性放大器的發展概況11.2本文研究內容1第2章 高精度線性放大器總體設計方案12.1 高精度線性放大器設計方案論證12.2總體設計方案框圖及分析1第3章 高精度線性放大器單元電路設計23.1高精度線性放大器具體電路設計23.1.1 儀用放大器的設計23.1.2濾波電路設計23.2 元器件型號選擇33.3 參數計算33.4 高精度線性放大器總體電路圖4第4章 高精度線性放大器電路仿真與調試54.

5、1 Multisim仿真與調試54.2 仿真結果分析6第5章 高精度線性放大器實物制作75.1 高精度線性放大器電路焊接75.2高精度線性放大器電路作品7第6章 總結9參考文獻10附 錄 I11附 錄 II12II第1章 緒論1.1高精度線性放大器的發展概況近年來，各種電子產品的迅速發展，高精度放大器越來越受到人們的重視。高精度線性放大器是模擬電路中的一個重要模塊。其性能直接影響到電路及系統的整體性能。同時，現代集成電路特征尺寸越來越小，也導致集成電路產品的工作電壓及功耗越來越低，這樣待處理的信號越來越弱，這就要求有更高精度的放大器。而通用放大器顯然不能滿足這些要求。微電子技術是國家重點發展的

6、高科技行業，線性放大器是各種電子產品不可缺少的部分，如何設計出高質量的電子產品，除了要求總體方案最佳外，放大器設計得是否合理可靠直接影響整個電子產品的系統性能。高精度運放主要是指失調和噪音非常低，增益和共模抑制比非常高的運算放大器，因為只有這樣，才能使放大器的等效輸入誤差的綜合值減小，達到高精度的目的。為人們的生活、生產帶來了極大的方便。高精度線性放大器具有增益高，線性度好，頻率范圍廣等優點，可以滿足各種需要精確擴大信號的系統。1.2本文研究內容本文研究內容為設計一款可精確擴大輸出信號的高精度線性放大電路。利用儀用放大電路，作為前置放大電路，第二級利用帶通濾波器進行二次放大和消除雜波的影響，實

7、現對輸入信號的放大處理。通過對調節外圍分立元件的參數的調整，實現放大系數可調，精度高，溫漂小，線性度高的特點。分立元件的數量相對較少，結構簡單、性能穩定。技術要求：1、線性失真度不大于0.5%。2、放大倍數2000。3、輸入電阻2M。4、輸出電阻100。 5、利用Multisim（或EWB）進行電路仿真與調試。13第2章 高精度線性放大器總體設計方案2.1 高精度線性放大器設計方案論證高精度線性放大器設計有很多種：方案1：利用IC元件為核心器件的多級放大電路，由兩級電壓放大，一級功率放大。該方案具有放大系數大，精度高，溫漂小，線性度高的特點，但是工作的溫度范圍小；方案2：利用同相放大電路利用多

8、級放大，來達到要求，該方案具有可以利用很多次的運放，但是這樣不滿多極之間的阻抗匹配問題。方案3；利用儀用放大電路，作為前置放大電路，第二級利用帶通濾波器進行二次放大和消除雜波的影響。該方案具有放大系數可調，精度高，溫漂小，線性度高的特點。根據多方面的比較，方案三結構更加簡單、可靠性更高、制作成本低廉、調試更加方便。本設計采用第三種方案。2.2總體設計方案框圖及分析總體設計方案框圖如圖2.1所示：所需信 號帶通濾波電 路儀用放大電路待放大信號 圖2.1 總體設計方框圖分析：為確定總體設計目標，必須對設計對象有一個較全面的了解，對于高精度放大器而言，只是作為一個整體系統的一部分，是用來放大微弱、不

9、易觀察的信號，這就需要較高的增益，信號較小時為了減輕信號源的負載，放大器必須有很高的輸入阻抗，放大時系統只要求放大特定頻率段的信號，對于干擾信號其中包括工頻干擾信號這就要求放大器有較高共模抑制比，另外由于信號的微弱性還要求放大器具有低噪聲和低漂移的特性。所以本設計采用兩級放大電路來滿足要求，其中第二級電路還有濾波的功能。第3章 高精度線性放大器單元電路設計3.1高精度線性放大器具體電路設計3.1.1 儀用放大器的設計前置級的設計三運放的構成的儀用放大器如圖3.1所示，由于增益要求為2000，需采用多級放大電路來達到增益的要求。各級放大電路均采用集成運放設計，且增益分配要均衡，輸入阻抗，共模抑制

10、比和噪聲主要取決于前置級，因此前置放大器的設計尤為重要。根據高輸入阻抗的要求，應選用JFET的運放，本設計采用LF411ACN型運放。該運放的Avo=4×105，Rid= 4×1011，KCMR =106dB；圖3.1 儀用放大器電路原理圖3.1.2濾波電路設計 圖3.2 帶通濾波電路原理圖第二級要完成的主要任務之一是進一步提高放大電路的電壓增益，使總增益達到2000倍，其次為了消除高，低頻的影響，需要設計一個帶通濾波器，由于對濾波器沒有特殊的要求，本設計采用較簡單的一階高通濾波器和一階低通濾波器構成帶通濾波器。如圖3.2所示。3.2 元器件型號選擇在前級放大部分，為了得到

11、放大固定倍數的輸出電壓。選擇3片LF41ACH集成運算器和若干電阻組成簡單的儀用放大器。儀用放大器的分配的增益為40，儀用放大器引入了負反饋，為了滿足輸入阻抗為2M的要求，且提高所設計放大器的共模抑制比，降低噪聲。前級個電阻阻值選擇如下：R1，2M; R2，2M; R6，1K; R9，1K; R10，24K電位器R2，2K。在第二級帶通濾波部分，選擇LF41ACH構成核心的濾波電路。進一步提高放大電路的電壓增益，使總增益達到2000倍，其次為了消除高，低頻的影響，需要設計一個帶通濾波器，由于對濾波器沒有特殊的要求，本設計采用較簡單的一階高通濾波器和一階低通濾波器構成帶通濾波器，達到濾波作用，電

12、路結構簡單，只需要一片LF41ACH芯片，若干電阻以及電容器組成。由于濾波無特殊要求，所以電容選取如下：C1=3.3F,C2=0.033F3.3 參數計算在前置放大電路中因為本設計采用的是儀用放大器，如圖3.1，而儀用放大器的分配的增益為40，儀用放大器引入了負反饋，所以U1和U2的兩輸入端形成虛短和虛斷，因而有是R0上的電壓VR1為兩輸入端輸入電壓之差V11-V12和VR1/R0=（VO1-VO2）/(R0+R8+R9);故得VO1-VO2=R0+R8+R9/R0（V11-V12）；在第二級中根據差分放大電路可得VO= （VO1-VO2）= （V11-V12）；電壓增益Av= VO /（V1

13、1-V12）=-R12/R10*(（R0+R8+R9）/R)在本設計中我們采用R1=2K，R8=R9=24 K，R12=16K，R10=10K，所以Av=40;在濾波電路中沒有特殊的要求，所以本設計C1=3.3F,C2=0.033F上限頻率為200.95HZ,下限頻率為0.048HZ。3.4 高精度線性放大器總體電路圖高精度線性放大電路的總體電路圖如圖3.3所示。其工作原理：本設計采用LF4111系列的運算放大器，前級采用儀用放大電路，分配的增益為四十倍，儀用放大器是有運放U1、U2按同相法組成第一級差分放大電路，運放U3組成第二級差分放大電路，在第一級電路中輸入信號分別加入到U1和U2的同相

14、段R1和R6、R7組成的反饋網絡引入負反饋。在帶通濾波的電路中，本設計采用較簡單的一階高通濾波器和一階低通濾波器構成帶通濾波器，來限制放大頻率的范圍。 圖3.3 高精度線性放大器總體電路圖第4章 高精度線性放大器電路仿真與調試4.1 Multisim仿真與調試利用仿真軟件對輸入端和輸出端進行仿真。通過對放大器進行Time Domain（時域）分析，得到圖4.1所示的的輸入和輸出波形幅值經過比例縮小后幅值相同，由圖中的通道A和通道B的比例可知放大器可以完成正常的放大功能。放大倍數為1947.3倍。 圖 4.1 仿真結果關于指標的分析，由小信號直流增益分析（Calculate small-sign

15、al DC gain）得到差模輸入電阻為8M，共模輸入電阻為2M，輸出電阻為100滿足設計要求。4.2 仿真結果分析關于指標的分析，由小信號直流增益分析得到差模輸入電阻為8M，共模輸入電阻為2M，輸出電阻為100滿足設計要求。該設計依據設計指標設計，整體上基本符合指標各項要求,如仿真圖所示，輸入電壓13.501V，輸出電壓為22.916KV，放大倍數為1947.3，基本滿足放大2000倍的要求。 輸入電路采用儀用放大電路輸入。輸入級利用了儀用放大電路對共模信號的抑止及對差模信號的放大作用，有利于提高整個電路的精度。第二級采用典型的濾波電路，進一步提高放大電路的電壓增益，使總增益達到2000倍，

16、其次為了消除高，低頻的影響，需要設計一個帶通濾波器，由于對濾波器沒有特殊的要求，本設計采用較簡單的一階高通濾波器和一階低通濾波器構成帶通濾波器，達到濾波作用，便于輸出完整波形。理論上能符合設計指標所要求。第5章 高精度線性放大器實物制作5.1 高精度線性放大器電路焊接為了保證焊接的電路看起來清晰，減少焊接時的出錯幾率，應合理布置各個元件在電路板上的位置，保證元件的連接線盡量不出現交叉接觸，如果交叉接觸過多可能會導致元件參數發生變化，嚴重時毀壞電路，造成浪費。另外，電源接口需要有明確的標注，防止電源反接毀壞芯片。信號輸出接口應予以符號標出。高精度線性放大器實物布線圖如圖5.1所示。 圖5.1高精

17、度線性放大器電路焊接布線圖5.2高精度線性放大器電路作品由于電路板不是很大，元器件較多，所以需要有精確的排布才能保證元件方便的連接，元件應安放在方便調節的地方。相連元件之間的距離要盡可能小一些，為方便測試，應用一些標記標出各測試接口的功能。尤其是正負電源接口，測試過程中一旦反接會導致芯片擊穿燒毀造成安全事故。如圖5.2所示，電路總體結構以LF411ACN作為核心元件，電阻電容分布在周圍，形成了比較清晰的電路結構。正負電源接口分布在線路板的左側，固定接地，避免了其他因素的干擾。波形的輸出位置放置在電路板的右兩側。同樣標以+，-符號方便測試。 圖5.2 高精度線性放大器電路實物圖第6章 總結時間一

18、點點的逼近了，耗時2周的課程設計即將結束，在老師的指導和自己的努力下我的課程設計也完成了。本次課程設計的題目是高精度線性放大器。在設計過程中，老師指導我們將學習的理論知識與實踐結合起來，從任務要求的分析、系統框架的建立、分系統的設計到總體設計，從原理圖設計到軟件仿真、電路板布線焊接到實物測試，這其中遇到許多的問題，有的是設計上考慮的不夠周全，有的是電路實現上的，在解決這些問題的過程中，我深深的領悟到了電子設計、制作、調試的奧妙，也使我對電子技術有了濃厚的興趣。從開始開發高精度線性放大器電路，我就遇到了一些問題，比如運算放大器型號的選擇，比如電阻阻值的選擇，以及仿真軟件的學習，仿真時放大倍數與理論計算的放大倍數有所偏差。經過與老師探討結合現實情況以及焊接不良等原因造成的。這也使我鍛煉了快速學習的能力。開發設計的初級階段，由于對Multisim電路仿真軟件使用不夠熟練，通過圖書館，網路等各種途徑獲取與本設計有關的資料信息，并且在設計過程中也發現了自己在模擬電路知識方面的不足之處。通過本次設計，自己也漸漸地體會到了模擬電子電路設計方面的技巧和方法，使自己的能力有了更近一步提高，為以后的學習打下了更好的基礎。通過這段時間里的學習，我學習到了很多新知識，也對電子設備開發的過程有了更深的了解，并且對電路設計的基本思路有了較深的認識，