高输入阻抗放大电路的设计仿真与实现

1、课程设计任务书学生姓名： 侯俊杰 专业班级：电信101指导教师： 孟哲工作单位：信息工程学院题 目：高输入阻抗放大电路的设计仿真与实现初始条件:可选元件：运算放大器，三极管，电阻、电位器、电容、二极管若干，直流电源 Vcc=+12V,Vee= -12V,或自选元器件。可用仪器：示波器，万用表，直流稳压源，毫伏表等。要求完成的主要任务：(1)设计任务根据要求，完成对高输入阻抗放大电路的设计、装配与调试，鼓励自制稳压电源。(2)设计要求错误！未找到引用源。电压增益=100,输入信号频率100HZ,共模抑制比60dB; 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计；利用Proteus或Multisim仿真

2、设计电路原理图，确定电路元件参数、掌握电路工作原理 并仿真实现系统功能；安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书；选做：利用仿真软件的 PCB设计功能进行PCB设计。时间安排：1、前半周，完成仿真设计调试；并制作实物。2、后半周，硬件调试，撰写、提交课程设计报告，进行验收和答辩。指导教师签名: 系主任(或责任教师)签名:摘要本课设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，本设计主要由三个部分组成，输入级由场效应管等组成的差分放大电路 ，中间级由共射极 的偏置电路形成放大电路，镜像电流源来提供输入稳定的电流。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

3、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10k欧姆到1M 欧姆之间变化也能达到电压放大约为 100倍的效果。而且利用场效应管组成的差 分放大电路达到共模抑制比=60DB的要求。关键词：集成放大器 反相比例放大器 镜像电流源 差分放大电路 高输 入阻抗放大电路仿真目录摘要21、集成运算放大器及其组成42、高输入阻抗的原理51.1.1 零点漂移51.1.2 差模信号与共模信号 51.1.3 共模抑制比61.1.4 差分放大电路的分析62.2 镜像恒流源82.2.1 电路特点92.

4、2.2 电路分析92.3 反向比例电路92.4 电压串联负反馈 103、高输入阻抗放大器的设计 113.1 方案选择及分析 113.2 电路设计123.3 仿真143.4 PCB的制作1824.4、实物安装和调试5、设计总结26参考文献27附录128附录229附录3301、集成运算放大器及其组成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

5、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。输出级一股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、高输入阻抗放大电路的原理2.1 差分放大电路2.1.1. 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

6、。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。抑制零点漂移可以采用下列方法：1 .利用直流负反馈 稳定电路的静态工作点。2 .采用温度特性较好的高性能器件。3 .采用温度补偿方法利用热敏器件的参数随温度变化而变化的特性抵消电路随温度

7、变化产生的影响。4 .采用差分放大电路利用特性相同的对管，使他们的温度漂移互相抵消，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。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。2.1.2. 差模信号与共模信号差模信号：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。2.1.3. 共模抑制比共模抑制比CMRK是衡量差分放大器抑

8、制共模信号能力的一项技术指标。我们通常定义为:AGr =1 黄#vc有时用分贝数表示:电路的AVD越大，Avc越小，KCMR®大，电路性能越好。2.1.4. 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。(1)对差模输入信号的放大作用当输入差模信号Vid时，差放两输入端信号大小相等、极性

9、相反， Vi1=-Vi2=Vid/2。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=2Vod1=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Vic时，差放两输入端信号大小相等、极性相同，即 Vi1=Vi2=Vic,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=Q可见，差放对共模输入信号具有很强的抑制能力。止匕外，在电路对称的条件下，差放

10、具有很强的抑制零点漂移及抑制噪声与干扰的能力。2.2 镜像恒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所小。图2镜像恒流源原理图2.2.1. 电路特点1、T0 与 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共同构成Ti的偏置电路；3、T0管的c-b相连，使UCbo=0,这是一个临界饱和状态，Ic= B I B的关系仍然 存在。2.2.2. 电路分析即二者之间如同“镜像”般的关系这样，Ici的大小即可由Ic1

11、=I R=(Vcc-Ube) /R来决定。这个电路有一个基准电流IR,由电路参数和管参数很容 易确定，当找出IC1与基准电流IR的“镜像”关系后，很容易知道该电路提供出 的偏流大小。2.3 反向比例电路r2图3所示为反向比例电路，从图中可以得:A=Uo/Ui=-R2/R1R3=R1R22.4 电压串联负反馈Vf R1X GND图4电压串联负反馈电路图如图4为运放所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：Vd = 0, i i=0则"= =Ri*Vo/ (Ri+R)闭环电压增益为：AvF=Vo/Vi =Vo/Vf = (R+R) /Ri=1+R/Ri3、高输入阻抗放大器

12、的设计3.1方案选择及分析方案一：用晶体三极管组成多级放大器来实现。 一个多级放大器总的电压放 大倍数等于各单级放大器的乘积，本实验可以考虑用二级放大器来实现放大倍 数>100的要求，第一级实现放大倍数15倍，第二级实现10倍的放大倍数，总 放大倍数达到150,符合要求。而输入阻抗等于第一级放大的输入阻抗，为了实 现高输入阻抗的要求，可以选择输入阻抗高的射极偏置共射极放大电路作为第一 级放大电路。理论上这种方案很容易实现，但是由于晶体三极管放大时候对静态 工作点的要求较高，静态工作点设置不好就会引起失真，所以这种方案不用。方案二：用运算放大器实现。集成运算放大器简称集成运放，是一种模拟集

13、 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。输出级一股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

14、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。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 CA3130的放大器，此放大器的输入阻抗高达 1.5x1012欧姆，远远可以满足高输 入阻抗的要求，且CA313嵌大器的共,g抑制比为90dB,也大于所要求的60dB。 设计要求是放大倍数A>100倍，输入频率f<100HZ,而根据芯片CA3130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

15、设计要求电压放大倍数为 100,所以我们引用了电压串联负反馈，来调节电压放大倍数（令 A=105，由于1+AF>>1此反馈为深度负反馈）利用虚短 和虚断的概念可以得知：Vi=Vf=R1*Vo/ (R1+R2+RV1 则 Avf=1+ (R2+RV1 /R1放大倍数的范围为121到131,基本满足要求。如图5所示即为原理图，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CA3130的放大器，此放大器的输入阻抗高达 12105.1 X,远远可以满 足高输入阻抗的要求，且 CA313嵌大器的共,g抑制比为90dB,也大于所要求的 60dB。图中R2为设计的信号源内阻，因为设计要求我

16、们信号源开路电压为50mv到100mv,而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15V。由于放大器本身的电压放压的值，所以在这里直流偏置电压设计的是正负大倍数达到了 510,而设计要求电压放大倍数为100,所以我们引用了电压串联负反馈，来调节电压放大倍数（令 A=510，由于1+AF>>1此反馈为深度负反馈）3.3仿真3.3.1 输入信号频率f=5HZ,输入电压V=50m昉真图从图中可以看出输入端接示波器的 A端，输出端接示波器的B端。输入信号 的频率为f=5HZ,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5

17、0ms/Div,将Channel A栏中的scale的参数设置 为50mV/Div,将Channel B栏中的参数设置为1V/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Av=(1*6)/(0.05*1)=120Digital OsitilloscopeChani>elCClbciinel BChciniirel DLevelP&ytionInwrlGN口 OFFpMrtwanI-I AwDCF 1 &MDSwjm BCD图6 50mv,5hz仿真图图中Timebase选项的Scale中20ms/Div表示图中每格表示 20ms,算出图中曲线的一个周期所

18、占的格子数，用格子数乘以20ms就可以得出输出波与输入波的周期与频率，如图T=10*20ms=0.2sf=1/T=50hz3.3.2 输入信号频率f=100HZ,输入电压V=50m昉真图从图中可以看出输入端接示波器的 A端，输出端接示波器的B端。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Channel A栏中的scale的参数设置为 50mV/Div,将Channel B栏中的参数设置为1V/Div。将T1时刻的坐标定在波峰 出，将T2时刻的坐标定在波谷处 从图中T1和T2位置读出的数据可以计算

19、出电压的放大倍数Av=(1*5)/(0.05)=100一11_ _ClMHIlfll 口Digital Oscilloscope图7 50mV 100hz仿真图图中Timebase选项的Scale中2ms/Div表示图中每格表示 2ms,算出图中 曲线的一个周期所占的格子数，用格子数乘以2ms就可以得出输出波与输入波的 周期与频率，如图T=2*5ms=0.01sf=1/T=100hz3.3.3 输入信号频率f=5HZ,输入电压V=100m昉真图从图中可以看出输入端接示波器的 A端，输出端接示波器的B端。输入信号 的频率为f=5HZ,输入电压为V=100mV运行程序得到一波形图，将Timebas

20、e栏里面的scale的参数设置为20ms/Div ,将Channel A栏中的scale的参数设置为 0.1V/Div,将Channel B栏中的参数设置为2V/Div。将T1时刻的坐标定在波峰 出，将T2时刻的坐标定在波谷处 从图中T1和T2位置读出的数据可以计算出电 压的放大倍数Av=(2*6)/(0.1*1)=120Digital OscilloscopeOm-srwt-J Cursors jChannel B Channel DBCD.I皿IIChaniiiel C图8 100mV 5hz仿真图图中Timebase选项的Scale中20ms/Div表示图中每格表示 20m6算出图 中曲

21、线的一个周期所占的格子数，用格子数乘以20ms就可以得出输出波与输入波的周期与频率，如图T=20*10ms=0.2sf=1/T=5hz3.3.4 输入信号频率f=100HZ,输入电压V=100mW真图从图中可以看出输入端接示波器的 A端，输出端接示波器的B端。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20ms/Div,将Channel A栏中的scale的参数设置 为0.1V/Div,将Channel B栏中的参数设置为2V/Div。将T1时刻的坐标定在波 峰出，将T2时刻的坐标定在波谷处 从图中T1和T2

22、位置读出的数据可以计算出 电压的放大倍数Av=(2*5)/(0.1*1)=100图9 100mV 100hz仿真图图中Timebase选项的Scale中1ms/Div表示图中每格表示1ms算出图中 曲线的一个周期所占的格子数，用格子数乘以1ms就可以得出输出波与输入波的 周期与频率，如图T=1*10ms=0.01sf=1/T=100hz3.3.4输入信号频率f=100HZ,输入电压V=150mW真图从图中可以看出输入端接示波器的 A端，输出端接示波器的B端。输入信号的 频率为f=100HZ,输入电压为 V=150mV图10 150mV 100hz仿真图波形产生明显失真。3.4 PCB板的制作打

23、开protel 99 SE ,用菜单File/New新建一设计，命名，选择文件路径，然后进入Protel 99 SE的标准界面，进入Documents目录，用File/New 命令，系统弹 出文件类型的对话框，我们选择SCH图标，即进入SCH设计系统，同时系统界 面变为SCH的设计界面，如图10所示：图11新建sch文件的界面绘制好原理图之后，选择 TOOLS菜单下的ERC选项，弹出对话框，直接 点击ok即可，如果有问题就会坐标标注元件的位置，返回电路原理图，改正错误的元件属性，在进行 ERC检查，直至完全正确为止，如下图 11:模电果设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图12常规电气检查表创建网络表，在确认网络表如图12没有错误之后，生成Pcb文件图13网络表的错误检查生成网络表之后，就进入了 PCB板绘制的阶段。选择File/New/PCB生成一个后 缀为 Pcb的文件。PCB板分为很多层，主要有 Top-Layer、Bottom-Layer、 Mechanical、Top Overlay、Keep-Out-layer和 Multi-Layer。按步骤设置PCB板的Mec

25、hanical物理边界以及Keep-Out Layer电气边界。 先执行Design/Board Sharp/Redefine Board Shar命令，此时光变变成十字形。 然 后在Mechanical层面上划定PCB板的物理边界，最后在禁止布线层(Keep-Out Layer)上面划定电器边界。加载网络表后，使用系统的Cluster模式进行自动布局后，得到启示，然后 按照原理图自己重新布局。网络表加载完成之后，PCB艮据网络表产生预拉线，在屏幕上会出现排列整齐的所有元件以及设置过的PCEK,然后PCB艮据预拉线一条一条变为铜膜走线。选定所有的元件拖至PCB板上，执行 Tools/AutoP

26、lacement/Auto Placer/Cluster Placer 命令，Protel 开始自动排版。布局好之后，选中ALL Route-all 选项，弹出对话框，点击 Aoute all,便开始自动布 线，完成后点击ok即可，布线完成后，得到如图13所示的PCB图14 PCB图生成PCB®后，执行菜单命令【REPORT/ BILL OF MATERIAL出现新的 对话框选择“project ”点击下一步，其他默认直到倒数第二步将 Protel Format、 CSV Format、Client Spreadsheet 全部选中点击下一步和 Finish 就生成了材料 清单。表1

27、元件清单模电型设FCB ddb | Documents侯俊杰,sch侯俊杰,Feb倒像假农09 RWA B C D ET封装 元件值元件标号2 AXIALO310KR13 ASiALOjflbQR24 AXI/XLL3- i2KR35 DIPBCA3l-3dUI6 SIP216VBT17 SIP2-15V0T28 SIP2' O-lpF Ci9 VR5IK 再还”io 11121315生成电路板信息报表打开PCB设计文件，选择Report/Board Information命令弹出对话框，一直 单击默认值到如图所示的界面后单击全部，如图 22,最后形成的电路板信息报表 如图23所示。表

28、2电路板信息报表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、实物安装和调试4.1 按照电路原理图先在草稿纸上画好元器件焊接布局图，要做到布局合理科 学，不交叉，检查无误后，按照布局图进行焊接和布线。4.2 调试方法7号管脚加15V直

30、流偏置电压，4号管脚加-15V直流偏置电压，连 接好地线，开始电路板调试。输入正弦交流电压，第一次输入电压50mv,频率为5HZ的交流电压，在示波器上观察输出波形，看波形有没有失真，并记录下输出 电压的大小。输入 Vi=0.1v,频率 f=5HZ, Vo=12v,放大倍数 A= Vo/Vi=120。输入 Vi=5v,频率 f=100HZ, Vo=0.05v,放大倍数 A= Vo/Vi=100输入 Vi=l2v,频率 f=5HZ, Vo=0.1v,放大倍数 A= Vo/Vi=120。输入 Vi=10v,频率 f=100HZ, Vo=0.1v,放大倍数 A= Vo/Vi=100.输入Vi=150mv,频率f=100HZ,波形产生明显失真。4.3 测试结果分析测试时波形稳定，测试结果和仿真结果相差不大，满足了设计 要求，在输入信号不大（有效电压100mU ,输入信号频率小于100Hz都能实现 超过100倍的放大，并且输入信号越小，输入频率越低，放大效果越好。4.4实物展示图15布局图图16电焊图图17成品图5、设计总结本次模电设计主要是考虑到综合能力，不能仅仅通过模电某一章的内容做出来， 就差分放大而言，在书本的第六章，包流源在第六章，电压串联负反馈在第七章，