高精度线性放大器设计

1、模拟电子技术基础课程设计(论文) 高精度线性放大器 院（系）名称电子与信息工程学院 专业班级物联网141 学号140408030 学生姓名滕宪宇 指导教师起 止 时 间： 2015.7.42015.7.15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 学 号140408030学生姓名滕宪宇专业班级物联网141课程设计（论文）题目高精度线性放大器课程设计（论文）任务任务要求：高精度线性放大器是一个可以将微小的、变化缓慢的直流或交流信号精确放大的线性放大器，需要采用高精度的运放。高精度运放主要是指失调和噪音非常低，增益和共模抑制比非常高的运算放大器，以达到高精度的目

2、的。由运放、直流稳压电源等部分电路组成。技术要求：1、线性失真度不大于0.5%。2、放大倍数2000。3、输入电阻2M。4、输出电阻100。5、利用Multisim（或EWB）进行电路仿真与调试。指导教师评语及成绩平时成绩： 答辩成绩： 论文成绩： 作品成绩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：平时成绩占20%，答辩成绩占20%，论文成绩占40%，作品成绩20%。本科生课程设计（论文）摘 要随着科技的发展，人们对线性放大器的要求越来越高，这些要求在航天、航空及军事、精密仪器等需要高速数据的采集，瞬时波形记录其他需高速高精度放大器的尖端科技领域中表现尤为突出。高精度放大器可用于量测仪器、控

3、制系统、自动测试设备等。在医疗领域中也有超音波、气体分析、血压计、诊断器等，此外汽车中的引擎管理、传动系统管理等，也要用到高精度的运放。因此高精度线性放大器具有广泛的应用意义。高精度线性放大器是为了解决一些需要精确扩大输出信号的系统，本设计是采用集成运放LF411ACN作为核心元件，在此设计中共接入四个LF411ACN集成运放。本设计利用仪用放大电路作前置放大电路，带通滤波电路作为滤波和放大电路，本文详细的介绍高精度线性放大器的设计过程。由于LF411ACN的集成度高，功能强，通用性好，特别是它具有体积小，能耗低，线性度高，抗干扰能力强等方面的独特的优点。本文设计一个可以将微小的、变化缓慢的直

4、流或交流信号精确地放大的线性放大器，具有温漂小、精度高、线性好等特点。与调制型直流放大器相比其线路简单、调试容易、通用性好。关键词：放大器; 高精度; 通用性; 线性度 目 录第1章 绪论11.1高精度线性放大器的发展概况11.2本文研究内容1第2章 高精度线性放大器总体设计方案12.1 高精度线性放大器设计方案论证12.2总体设计方案框图及分析1第3章 高精度线性放大器单元电路设计23.1高精度线性放大器具体电路设计23.1.1 仪用放大器的设计23.1.2滤波电路设计23.2 元器件型号选择33.3 参数计算33.4 高精度线性放大器总体电路图4第4章 高精度线性放大器电路仿真与调试54.

5、1 Multisim仿真与调试54.2 仿真结果分析6第5章 高精度线性放大器实物制作75.1 高精度线性放大器电路焊接75.2高精度线性放大器电路作品7第6章 总结9参考文献10附 录 I11附 录 II12II第1章 绪论1.1高精度线性放大器的发展概况近年来，各种电子产品的迅速发展，高精度放大器越来越受到人们的重视。高精度线性放大器是模拟电路中的一个重要模块。其性能直接影响到电路及系统的整体性能。同时，现代集成电路特征尺寸越来越小，也导致集成电路产品的工作电压及功耗越来越低，这样待处理的信号越来越弱，这就要求有更高精度的放大器。而通用放大器显然不能满足这些要求。微电子技术是国家重点发展的

6、高科技行业，线性放大器是各种电子产品不可缺少的部分，如何设计出高质量的电子产品，除了要求总体方案最佳外，放大器设计得是否合理可靠直接影响整个电子产品的系统性能。高精度运放主要是指失调和噪音非常低，增益和共模抑制比非常高的运算放大器，因为只有这样，才能使放大器的等效输入误差的综合值减小，达到高精度的目的。为人们的生活、生产带来了极大的方便。高精度线性放大器具有增益高，线性度好，频率范围广等优点，可以满足各种需要精确扩大信号的系统。1.2本文研究内容本文研究内容为设计一款可精确扩大输出信号的高精度线性放大电路。利用仪用放大电路，作为前置放大电路，第二级利用带通滤波器进行二次放大和消除杂波的影响，实

7、现对输入信号的放大处理。通过对调节外围分立元件的参数的调整，实现放大系数可调，精度高，温漂小，线性度高的特点。分立元件的数量相对较少，结构简单、性能稳定。技术要求：1、线性失真度不大于0.5%。2、放大倍数2000。3、输入电阻2M。4、输出电阻100。 5、利用Multisim（或EWB）进行电路仿真与调试。13第2章 高精度线性放大器总体设计方案2.1 高精度线性放大器设计方案论证高精度线性放大器设计有很多种：方案1：利用IC元件为核心器件的多级放大电路，由两级电压放大，一级功率放大。该方案具有放大系数大，精度高，温漂小，线性度高的特点，但是工作的温度范围小；方案2：利用同相放大电路利用多

8、级放大，来达到要求，该方案具有可以利用很多次的运放，但是这样不满多极之间的阻抗匹配问题。方案3；利用仪用放大电路，作为前置放大电路，第二级利用带通滤波器进行二次放大和消除杂波的影响。该方案具有放大系数可调，精度高，温漂小，线性度高的特点。根据多方面的比较，方案三结构更加简单、可靠性更高、制作成本低廉、调试更加方便。本设计采用第三种方案。2.2总体设计方案框图及分析总体设计方案框图如图2.1所示：所需信 号带通滤波电 路仪用放大电路待放大信号 图2.1 总体设计方框图分析：为确定总体设计目标，必须对设计对象有一个较全面的了解，对于高精度放大器而言，只是作为一个整体系统的一部分，是用来放大微弱、不

9、易观察的信号，这就需要较高的增益，信号较小时为了减轻信号源的负载，放大器必须有很高的输入阻抗，放大时系统只要求放大特定频率段的信号，对于干扰信号其中包括工频干扰信号这就要求放大器有较高共模抑制比，另外由于信号的微弱性还要求放大器具有低噪声和低漂移的特性。所以本设计采用两级放大电路来满足要求，其中第二级电路还有滤波的功能。第3章 高精度线性放大器单元电路设计3.1高精度线性放大器具体电路设计3.1.1 仪用放大器的设计前置级的设计三运放的构成的仪用放大器如图3.1所示，由于增益要求为2000，需采用多级放大电路来达到增益的要求。各级放大电路均采用集成运放设计，且增益分配要均衡，输入阻抗，共模抑制

10、比和噪声主要取决于前置级，因此前置放大器的设计尤为重要。根据高输入阻抗的要求，应选用JFET的运放，本设计采用LF411ACN型运放。该运放的Avo=4×105，Rid= 4×1011，KCMR =106dB；图3.1 仪用放大器电路原理图3.1.2滤波电路设计 图3.2 带通滤波电路原理图第二级要完成的主要任务之一是进一步提高放大电路的电压增益，使总增益达到2000倍，其次为了消除高，低频的影响，需要设计一个带通滤波器，由于对滤波器没有特殊的要求，本设计采用较简单的一阶高通滤波器和一阶低通滤波器构成带通滤波器。如图3.2所示。3.2 元器件型号选择在前级放大部分，为了得到

11、放大固定倍数的输出电压。选择3片LF41ACH集成运算器和若干电阻组成简单的仪用放大器。仪用放大器的分配的增益为40，仪用放大器引入了负反馈，为了满足输入阻抗为2M的要求，且提高所设计放大器的共模抑制比，降低噪声。前级个电阻阻值选择如下：R1，2M; R2，2M; R6，1K; R9，1K; R10，24K电位器R2，2K。在第二级带通滤波部分，选择LF41ACH构成核心的滤波电路。进一步提高放大电路的电压增益，使总增益达到2000倍，其次为了消除高，低频的影响，需要设计一个带通滤波器，由于对滤波器没有特殊的要求，本设计采用较简单的一阶高通滤波器和一阶低通滤波器构成带通滤波器，达到滤波作用，电

12、路结构简单，只需要一片LF41ACH芯片，若干电阻以及电容器组成。由于滤波无特殊要求，所以电容选取如下：C1=3.3F,C2=0.033F3.3 参数计算在前置放大电路中因为本设计采用的是仪用放大器，如图3.1，而仪用放大器的分配的增益为40，仪用放大器引入了负反馈，所以U1和U2的两输入端形成虚短和虚断，因而有是R0上的电压VR1为两输入端输入电压之差V11-V12和VR1/R0=（VO1-VO2）/(R0+R8+R9);故得VO1-VO2=R0+R8+R9/R0（V11-V12）；在第二级中根据差分放大电路可得VO= （VO1-VO2）= （V11-V12）；电压增益Av= VO /（V1

13、1-V12）=-R12/R10*(（R0+R8+R9）/R)在本设计中我们采用R1=2K，R8=R9=24 K，R12=16K，R10=10K，所以Av=40;在滤波电路中没有特殊的要求，所以本设计C1=3.3F,C2=0.033F上限频率为200.95HZ,下限频率为0.048HZ。3.4 高精度线性放大器总体电路图高精度线性放大电路的总体电路图如图3.3所示。其工作原理：本设计采用LF4111系列的运算放大器，前级采用仪用放大电路，分配的增益为四十倍，仪用放大器是有运放U1、U2按同相法组成第一级差分放大电路，运放U3组成第二级差分放大电路，在第一级电路中输入信号分别加入到U1和U2的同相

14、段R1和R6、R7组成的反馈网络引入负反馈。在带通滤波的电路中，本设计采用较简单的一阶高通滤波器和一阶低通滤波器构成带通滤波器，来限制放大频率的范围。 图3.3 高精度线性放大器总体电路图第4章 高精度线性放大器电路仿真与调试4.1 Multisim仿真与调试利用仿真软件对输入端和输出端进行仿真。通过对放大器进行Time Domain（时域）分析，得到图4.1所示的的输入和输出波形幅值经过比例缩小后幅值相同，由图中的通道A和通道B的比例可知放大器可以完成正常的放大功能。放大倍数为1947.3倍。 图 4.1 仿真结果关于指标的分析，由小信号直流增益分析（Calculate small-sign

15、al DC gain）得到差模输入电阻为8M，共模输入电阻为2M，输出电阻为100满足设计要求。4.2 仿真结果分析关于指标的分析，由小信号直流增益分析得到差模输入电阻为8M，共模输入电阻为2M，输出电阻为100满足设计要求。该设计依据设计指标设计，整体上基本符合指标各项要求,如仿真图所示，输入电压13.501V，输出电压为22.916KV，放大倍数为1947.3，基本满足放大2000倍的要求。 输入电路采用仪用放大电路输入。输入级利用了仪用放大电路对共模信号的抑止及对差模信号的放大作用，有利于提高整个电路的精度。第二级采用典型的滤波电路，进一步提高放大电路的电压增益，使总增益达到2000倍，

16、其次为了消除高，低频的影响，需要设计一个带通滤波器，由于对滤波器没有特殊的要求，本设计采用较简单的一阶高通滤波器和一阶低通滤波器构成带通滤波器，达到滤波作用，便于输出完整波形。理论上能符合设计指标所要求。第5章 高精度线性放大器实物制作5.1 高精度线性放大器电路焊接为了保证焊接的电路看起来清晰，减少焊接时的出错几率，应合理布置各个元件在电路板上的位置，保证元件的连接线尽量不出现交叉接触，如果交叉接触过多可能会导致元件参数发生变化，严重时毁坏电路，造成浪费。另外，电源接口需要有明确的标注，防止电源反接毁坏芯片。信号输出接口应予以符号标出。高精度线性放大器实物布线图如图5.1所示。 图5.1高精

17、度线性放大器电路焊接布线图5.2高精度线性放大器电路作品由于电路板不是很大，元器件较多，所以需要有精确的排布才能保证元件方便的连接，元件应安放在方便调节的地方。相连元件之间的距离要尽可能小一些，为方便测试，应用一些标记标出各测试接口的功能。尤其是正负电源接口，测试过程中一旦反接会导致芯片击穿烧毁造成安全事故。如图5.2所示，电路总体结构以LF411ACN作为核心元件，电阻电容分布在周围，形成了比较清晰的电路结构。正负电源接口分布在线路板的左侧，固定接地，避免了其他因素的干扰。波形的输出位置放置在电路板的右两侧。同样标以+，-符号方便测试。 图5.2 高精度线性放大器电路实物图第6章 总结时间一

18、点点的逼近了，耗时2周的课程设计即将结束，在老师的指导和自己的努力下我的课程设计也完成了。本次课程设计的题目是高精度线性放大器。在设计过程中，老师指导我们将学习的理论知识与实践结合起来，从任务要求的分析、系统框架的建立、分系统的设计到总体设计，从原理图设计到软件仿真、电路板布线焊接到实物测试，这其中遇到许多的问题，有的是设计上考虑的不够周全，有的是电路实现上的，在解决这些问题的过程中，我深深的领悟到了电子设计、制作、调试的奥妙，也使我对电子技术有了浓厚的兴趣。从开始开发高精度线性放大器电路，我就遇到了一些问题，比如运算放大器型号的选择，比如电阻阻值的选择，以及仿真软件的学习，仿真时放大倍数与理论计算的放大倍数有所偏差。经过与老师探讨结合现实情况以及焊接不良等原因造成的。这也使我锻炼了快速学习的能力。开发设计的初级阶段，由于对Multisim电路仿真软件使用不够熟练，通过图书馆，网路等各种途径获取与本设计有关的资料信息，并且在设计过程中也发现了自己在模拟电路知识方面的不足之处。通过本次设计，自己也渐渐地体会到了模拟电子电路设计方面的技巧和方法，使自己的能力有了更近一步提高，为以后的学习打下了更好的基础。通过这段时间里的学习，我学习到了很多新知识，也对电子设备开发的过程有了更深的了解，并且对电路设计的基本思路有了较深的认识，