高精度线性放大器(lnut)最终版本

PAGEV辽宁工业大学模拟电子技术基础课程设计（论文）题目：高精度线性放大器院（系）：专业班级：学号：学生姓名：指导教师：（签字）起止时间：2013.7.1—2013.7.13本科生课程设计（论文）

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：电子信息教研室学号学生姓名专业班级课程设计题目高精度线性放大器课程设计（论文）任务设计参数：1.设计并制作一台高精度线性放大器。2.线性失真度不大于0.5%3.放大倍数2000，输入电阻2M，输出电阻100设计要求：1.分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2.确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3.设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。进度计划1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（1天）2、确定分析放大器方式，各参数及应用。（2天）3、各种方案中进行比较，确立合理的总体方案。（2天）4、设计各单元电路及总电路。（2天）5、对系统进行仿真，确定PID控制参数，分析系统性能。（2天）6、撰写、打印设计说明书（1天）指导教师评语及成绩平时：论文质量：答辩：总成绩：指导教师签字：年月日注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要本文介绍一个将微小的、变化缓慢的直流或交流信号精确地放大10~5～10~6倍的线性放大器,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。该设计为人们的生活、生产带来了极大的方便。而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。此次设计主要论述了放大器的输入级，中间级，输出级的电路设计及其具体计算。输入级将输入信号送人中间放大级。中间放大级将输入信号放大并传递到输出级。输出电路将放大信号提供给负载。以仪用放大器组成放大电路，基本满足设计要求。关键词：放大器;温漂;高精度;通用性;线性度目录TOC\o"1-3"\f\h\z第1章绪论 11.1高精度放大器概况 11.2运放注意事项 11.3相关问题论述 2第2章高精度线性放大器方案设计 42.1设计参数及要求 42.2设计方案论证 42.3总体设计方案框图及分析 5第3章各单元电路设计 63.1输入电路设计及分析 63.2中间级放大电路设计及分析 73.3输出级电路设计及分析 8第4章整体电路设计及仿真 94.1系统原理图 94.2电路仿真及分析 11第5章课程设计总结 13附录Ⅰ参考文献 14附录Ⅱ电路总图 15附录Ⅲ元器件清单 16PAGE16绪论高精度放大器概况近年来，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基本重要模块。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。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。而且运用范畴很广，其中高精度放大器可用于量测仪器、控制系统、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。运放注意事项差动输入级：使运放具有尽可能高的输入电阻及共模抑制比。中间放大级：由多级直接耦合放大器组成，以获得足够高的电压增益。输出级：可使运放具有一定幅度的输出电压、输出电流和尽可能小的输出电阻。在输出过载时有自动保护作用以免损坏集成块。输出级一般为互补对称推挽电路。偏置电路：为各级电路提供合适的静态工作点。为使工作点稳定，一般采用恒流源偏置电路。需要注意的问题（也有误差产生的原因）：1)输入信号选用交、直流量均可，但在选取信号的频率和幅度时，应考虑运放的频响特性和输出幅度的限制。2)调零。为提高运算精度，在运算前，应首先对直流输出电位进行调零，即保证输入为零时，输出也为零。当运放有外接调零端子时，可按组件要求接入调零电位器RW，调零时，将输入端接地，调零端接入电位器RW，用直流电压表测量输出电压U0，细心调节RW，使U0为零（即失调电压为零）。相关问题论述容性负载：在大多数情况下，负载电容并非人为地所加电容。它常常是人们不希望的一种客观存在，例如一段同轴电缆所表现出的电容效应。但是在有些情况下，要求对运算放大器的输出端的直流电压进行去耦。例如，当运放被用作基准电压的倒相或驱动一个动态负载时。在这种情况下，你也许在运放的输出端直接连接旁路电容。不论哪种情况，容性负载都要对运放的性能有影响。补偿措施：提高噪声增益法环路外补偿法环路内补偿供电电压影响：双电源供电固然很好，但现实中许多时候希望是单电源供电，这就遇到问题了。常规的解决方法是给输入信号一个偏置电压，这样信号高于0V，正负周都能被放大。如果遇到一双电源供电的电路，IN+,IN-都有相应的设计，(不是简单一信号输入，一接地，比如IN+)，这时候要改成单电源供电，怎么加偏置电压？直接加一偏置电压？输入信号的动态电压范围、系统整体供电电压大小以及输出要求才可决定，但不同电源的不同电源抑制比(PSRR)会影响运算放大器的准确性，其中以采用电池供电的系统所受影响最大。此外，功耗大小也与内部电路的静态电流及供电电压有直接的关系。零漂问题：零漂：零漂，是零点漂移（Zerodrift）的简称，是指在直接耦合放大电路中，当输入端无信号时，输出端的电压偏离初始值而上下漂动的现象。零漂是由于温度的变化、电源电压的不稳定等原因造成的。差分放大电路要有良好的电压放大倍数。跟共模抑制比。即可以有效抑制零漂，满足电路要求，故本设计采用差分放大电路。带宽问题：运放的带宽简单来说就是用来衡量一个放大器能处理的信号的频率范围，带宽越高，能处理的信号频率越高，高频特性就越好，否则信号就容易失真，不过这是针对小信号来说的，在大信号时一般用压摆率（或者叫转换速率）来衡量。比如说一个放大器的放大倍数为n倍，但并不是说对所有输入信号的放大能力都是n倍，当信号频率增大时，放大能力就会下降，当输出信号下降到原来输出的0.707倍时，也就是根号2分之一，或者叫减小了3dB，这时候信号的频率就叫做运放的带宽。当输出信号幅度很小在0.1VP-P以下时，主要考虑单位带宽积的影响。当输出信号幅度很大时，主要考虑转速速率Sr的影响。在这种情况下要算功率带宽，FPBW=Sr/2πVp-p。也就是在设计电路时要同时满足增益带宽和功率带宽。高精度线性放大器方案设计设计参数及要求设计参数：1．设计并制作一台高精度线性放大器。2．线性失真度不大于0.5%3．放大倍数2000，输入电阻2M，输出电阻100设计要求：1.分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2.确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3.设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。设计方案论证1.采用高精度OP07放大器组成电桥差动放大器利用一个放大器将双端输入信号转变成单端输出然后通过电阻与下一级反相比例放大器进行耦合放大主要通过后以级的比例放大器获得，此电路的的特点是实现起来对结构要求不高，但是其输出阻抗低，共模抑制比，失调电压和失调电流等参数亦受到放大器本身性能限制不易进一步提高，且无法抑制放大器本身的零漂及共模信号产生，虽然电路简单，元器件少，但未能完成设计，故舍弃。2.采用比较通用的仪用放大器，它是由运放A1，A2按组成第一级差分放大器。运放A3组成第二级差分放大器。在第一级中V1，V2分别加到A1，A2的同相端R1和两个R2组成的反馈网络，引用了负反馈，两运放A1，A2的两输入端形成虚短和虚断，可以得到电路的电压增益，适当的选择电阻既可以实现放大倍数的改变，并且可以将R1用一个适当的电位器代替，通过调节电位器即可实现对放大倍数的控制综上：高精度线性放大器设计有很多种，我选择的是第二种方案的合理改造，仍然采用差分式输入的方式，能有效的提高抑制比，电路零漂的影响主要来自第一级放大，因而第一级采用了差分式输入的方式，就能有效地提高整个电路的共模抑制比，可以达到减小线性失真、增大精度的目的。总体设计方案框图及分析分析：变压器将市电变为整流所需电压，把电压降低。整流将交流电变成为直流电。滤波电路将带有纹波的直流电压变为平滑的直流电压。图2.1方案框图总体方案分为四部分，输入级、中间放大级、输出级、偏置电路。输入级将输入信号送人中间放大级。中间放大级将输入信号放大并传递到输出级。输出电路将放大信号提供给负载。电源为电路提供稳定直流偏置，确保电路稳定工作。如图。各单元电路设计输入电路设计及分析放大器输入电路图及其分析：图3.1输入级电路分析：由电路图可知，输入级电路采用差分式放大电路。差分放大电路利用电路参数的对称性和负反馈作用，有效地稳定静态工作点，以放大差模信号抑制共模信号为显著特征。此外，在电路对称的条件下，差放具有很强的抑制零点漂移及抑制噪声与干扰的能力。又由于电路完全对称，故原件参数对称。T1，T2参数相同；R7=R8；R1=R6。中间级放大电路设计及分析放大器中间级电路图及其分析：图3.2中间级电路图分析：电路图可知，中间级放大电路采用二级放大电路，其中采用典型的同相比例放大接法，反馈方式是电压串联负反馈。其优点是提高增益的稳定性，维持输出信号的恒定；减小非线性失真；抑制反馈环内噪声，扩展频带。输出级电路设计及分析放大器输出级电路图及其分析：图3.3输出级电路分析：由电路图可知，输出及电路采用射极跟随器。其特点为输入阻抗高，输出阻抗低，因而从信号源索取的电流小而且带负载能力强，所以常用于多级放大电路的输入级和输出级。射极跟随器虽然没有电压放大能力，但由于电路深度负反馈的作用，具有工作稳定、频响宽、输入电阻大和输出电阻小等突出优点。且射极跟随器的电压放大倍数小于近于1，且为正值,输入信号与输出信号相位相同,这是深度电压负反馈的结果。它的射极电流仍比基流大(1＋β)倍，所以它还具有一定的电流和功率放大作用。并且与该电路直接与负载连接，能减少负载对输出信号的影响，保证输出信号额稳定性和精度。整体电路设计及仿真系统原理图高精度线性放大器原理图:图4.1整体电路图输入级为差分放大电路，将输入信号送入中间级放大电路中极具放大电路采用集成运放二级放大，将放大信号送入输出级，有输出级将放大信号送入到负载。系统原理综述及分析：输入级电路：输入级的差分电路是单端输入单端输出，它的电压增益与双端输入、单端输出的情形完全相同。该级电路对信号的放大增益为1，整个电路的输入电阻达到2MΩ。该级电路的输入电阻参数计算如下：β1=100Ri=2*[rbe1+(1+β1)*R1]≈2*R1*β1=2MΩ中间级电路：中放级采用集成运放二次放大，电路运放均采用电压串联负反馈连接组态。R12＝100kΩ,R5=10Ω,R13=R14=100Ω,放大增益计算如下：Av1=1+R12/R5≈R12/R5=10k/10=1000Av2=1+R14/R13=1+100/100=2Av=Av1*Av2=1000*2=2000输出级电路：输出级采用BJT共射极电路输出，该电路对输入信号的放大增益近似为1。该级电路主要调整其参数满足输出电阻等于100Ω的设计指标，该电路的具体参数计算如下：Rc’=Rs//R15Ro=Re//[(Rc’+rbe)/(1+β)]由于中放级放大电路采用电压串联负反馈，所以中放级电路输出电阻较小，若中放级输出电阻Rs＝5kΩ，R15＝500kΩ，β＝50，rbe＝1k则：Rc’=Rs//R15=Rs*R15/(Rs+R15)=5kΩRo≈(rbe+Rc’)/β=120Ω误差分析：原因之一是：放大电路中的三极管是非线性元件，当其工作电流变化时，其放大倍数、输入电阻等都会发生变化，对同频率的正弦信号，当输入信号幅度不同时，放大倍数会不同；原因之二是：放大电路中的电感元件（包括变压器）、电容元件对不同频率的信号会产生不同的阻抗和相移，当输入信号是非正弦波时，该输入信号可以分解成若干个不同频率的正弦信号，而这些信号通过含有电感、电容的电路时，电路对分解出的这些频率的反映是不同的，通过放大电路后，它们再合成起来后，与原来信号的波形会产生很大的变化。只有这样，才能使放大器的等效输入误差的综合值减小，达到高精度目的。电路仿真及分析图4.2输入信号图4.3输出信号信号增益的计算：Av=19.944kv/10v≈2000.基