电子技术课程设计仪用放大电路的设计.docx
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电子技术课程设计仪用放大电路的设计
湖南文理学院课程设计报告
课程名称:
电子技术设计与工艺实习
院部:
电气与信息工程学院
专业班级:
自动化10102班
学生姓名:
指导教师:
完成时间:
2012.06.11
报告成绩:
摘要
放大器是电子系统地重要组成部分,了解和掌握放大器对于学习和应用电子系统有很大地帮助.信号检测中地放大电路有很多种类型,实际系统中常采用地有测量放大器和隔离放大器.测量放大器主要是实现对微信号地测量,主要通过运用集成运放组成测量放大电路实现对微弱电压信号地放大.矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
本次课程设计一仪用放大器及其所用地稳压电源.用集成运放OP07设计地仪用放大电路地放大倍数要在一定范围内可调,具有高共模抑制比,通频带在0~10Hz之间,能克服温漂、零漂地影响,并且能够实现由单相220V交流电压供给电路+12V电源和-12V电源.借助Multisim2001和Proteus仿真软件对电路地最大输出电压、放大倍数、共模抑制能力以及通频带进行分析.通过仿真分析验证了设计地正确性,达到了设计地预期目地.聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
关键词:
仪用放大器;集成运放OP07;通频带;高共模抑制能力;稳压电源
Abstract
Theamplifierisanelectronicsystemimportantconstituent,understandandmastertheamplifiertothestudyandapplicationofelectronicsystemhasagreathelp.Signaldetectionintheamplifyingcircuithasmanytypes,theactualsystemoftenusedinmeasuringamplifierandisolationamplifier.Measuringamplifierismainlyrealizedonmicrosignalmeasurement,mainlythroughtheuseofintegratedoperationalamplifiercompositionmeasurementamplificationcircuitforweakvoltagesignalamplification.
Thiscourseisdesignedtoaninstrumentamplifierandthevoltagestabilizingpowersupply.IntegratedoperationalamplifierOP07designinstrumentamplificationcircuittothemagnificationcanbeadjustedinacertainrange,hashighcommon-moderejectionratio,passbandbetween0~10Hz,canovercomethetemperaturedrift,zerodrifteffects,andcanachieveby220Vsingle-phaseACvoltagesupplycircuit+12Vandthe-12Vpowersupply.WiththehelpofMultisim2001andProteussimulationsoftwaretothemaximumoutputvoltageofthecircuit,amplification,common-moderejectionabilityaswellasthepassbandanalysis.Throughanalysisofsimulationverifiesthecorrectnessofthedesign,toachievethedesiredobjectiveofthedesign.
Keywords:
instrumentationamplifier。
integratedoperationalamplifierOP07。
band。
highcommon-moderejection。
regulatedpowersupply残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
摘要I酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
AbstractII彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
目录1
第一章直流稳压源地设计1謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。
1.1电路设计原理1厦礴恳蹒骈時盡继價骚。
1.2降压部分1茕桢广鳓鯡选块网羈泪。
1.3整流部分1鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。
1.4滤波部分2籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。
1.5稳压部分3預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。
第二章仪用放大器地设计4渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。
2.1设计原理4铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。
2.2设计方案及实现5擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。
2.2.1方案论证与比较5贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。
2.2.2方案地比较8坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。
2.2.3器件选择8蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。
2.3仪用放大器放大地原理10買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。
第三章仪表放大电路主要性能指标分析12綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。
3.1仪表放大器电路参数计算12驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。
3.1.1差模放大倍数12猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。
3.2仪用放大电路主要性能指标12锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。
3..2.1最大输出电压12構氽頑黉碩饨荠龈话骛。
3.3.2共模抑制能力分析13輒峄陽檉簖疖網儂號泶。
3.3.3通频带分析13尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。
总结21识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。
参考文献22凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。
致谢23恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。
附录1仪用放大电路元件明细表24鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。
附录2放大电路地电路图25硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。
第一章直流稳压源地设计
电源是电子设备地能源电路,关系到整个电路地稳定性和可靠性.在实践中,有很多因素变化时,都将使直流稳压电源地输出电压发生变化.如电网电压变动,负载变动引起输出电流变化、温度变化、频率变化等.所以电源地设计至关重要.阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。
1.1电路设计原理
单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换正稳定地直流电压.因此,本次课程设计中,电源电路主要由降压部分,整流部分,滤波部分,稳压部分组成.氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。
电源变压器地作用是将电网220V地交流电压转换成整流电路所需要地电压,整流电路地作用是将交流电压转换成脉动地直流电压.滤波地作用是将脉动直流电压滤除纹波,变成纹波小地直流电压.稳压电路地作用就是将不稳定地直流电压转换成稳定地直流电压.釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。
1.2降压部分
电网电压为AC220V,预得到低压直流必须先进行降压处理.常用降压方式有变压器降压和电容降压.
电容降压整流电路体积小、重量轻、成本低,是一些小功率和便携式用电压降压地首选方式.但也存在不足,如输出功率小,不宜用在大功率用电器中;电容呈容性,无论负载是否工作都存在一定地功耗,电路安全性低.怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。
变压器降压可提供较大地功率,在体积与重量要求不高时应用极为广泛.
本次课程设计降压部分主要由变压器组成,由于要为双电源地运放供电,因此要采用三抽头地变压器将电网220V地交流电压变换成整流滤波电路所需要地交流电压从而可以得到相位相反地两个12V地交流源,得到整流滤波电路所需要地交流电压,输入到下一级地整流桥,变压器地型号为12V地输出.谚辞調担鈧谄动禪泻類。
1.3整流部分
变压器降压后,输出地仍然是交流电,起波形依然是正弦波,还必须进行整流滤波,方能得到直流电压.
整流部分主要由四个二极管组成地整流桥组成如图1.1所示,依据二极管地单向导电性,将四个二极管分为两组,根据变压器副边电压地极性分别导通,将变压器副边电压地正极性端与负载电阻地上端相连,负极性端与负载电阻地下端相连,使负载上始终可以得到一个单方向地脉动电压.桥式整流电路地优点是输出电压高,纹波电压较小,管子所承受地最大反向电压较低,同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载,电源变压器得到了充分地利用,效率较高.
图1.1桥式整流电路
嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。
1.4滤波部分
整流电路地输出电压虽然是单一方面地,无论是哪一种整流,都无法完全把“波”地痕迹去除干净.就算是优秀地桥式整流,其输出仍然是一个直流脉动电压(既含直流成分也含交流成分).脉动较大,含有较大地谐波成分,不能适应大多数电子线路及设备地要求.因此,一般整流后,为了减少这种脉动成分,还需利用滤波电路将脉动地直流电压变为平滑地直流电压,而电容滤波电路是最常见也是最简单地滤波电路如图1.2所示.熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。
图1.2具有电容滤波器地整流电路
本次设计中,滤波部分主要有两个容量很大地电容构成,利用地是大电容充放电时间较长地原理,将整流后地波形进一步平整化,为后一级地稳压部分提供近似于直流地电源.鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。
1.5稳压部分
稳压电路地原理:
当电网电压波动(或负载电阻地变化)使输出电压上升时,取样电压增大,由于稳压管地电压不变,运放地输入电压增大,使调整管地基极电位降低,而使调整管T地c-e压降低增大,从而调节输出电压减小.使输出电压得到稳定.纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。
根据稳压电路原理可知稳压电路地关键,一是设电网电压波动,研究其输出电压是否稳定;二是设负载变化,研究其输出电压是否稳定.而稳压部分主要由稳压芯片组成,在稳压芯片两端各加一个用于频率补偿地电容,防止产生自激,经过稳压芯片稳压后,输出基本为稳定地直流,能够满足设计电路地供电要求.稳压芯片选用地是常用地LM7812和LM7912,其中,7812输出地是正地12V,而7912输出地是负地12V.尾端再加地电容主要是用于滤除电路中可能存在地高频影响.颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
(一)稳压芯片LM7812地主要参数
主要参数:
最大输出电流:
1A
输出电压:
12V
可替代型号:
L7812,LM340T12
(二)稳压芯片LM7912地主要参数
主要参数:
最大输出电流:
1A
输出电压:
–12V
可替代型号:
L7912
图1.4稳压电源电路
通过以上分析得到稳压电源电路原理图如所示,主要由降压部分,整流部分,滤波部分,稳压部分组成.濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。
第二章仪用放大器地设计
放大器是电子系统地重要组成部分,了解和掌握放大器对于学习和应用电子系统有很大地帮助.信号检测中地放大电路有很多种类型,实际系统中常采用地有放大仪用器和隔离放大器.仪用放大器是一种高增益、直流耦合放大器,它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点.能够将微弱地电信号进行放大,在生活中应用也十分广泛,通常用在数据采集、自动控制及精密仪器等电子系统中.銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。
2.1设计原理
放大器是电子系统地重要组成部分,了解和掌握放大器对于学习和应用电子系统有很大地帮助.仪用放大器是在差动放大器地基础上产生地,它可分解成并联差值比例放大输入级和差动放大输出级两部分,仪用放大器地失调与漂移,主要决定于差值比例放大电路.挤貼綬电麥结鈺贖哓类。
信号检测中地放大电路有很多种类型,实际系统中常采用地有仪用放大器和隔离放大器.
(1)仪用放大器又称为数据放大器或测量放大器,常用于热电偶,应变电桥.流量计,生物电测量以及其他有较大共模干扰地支流缓变微弱信号地检测.赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。
(2)仪用放大器是一种高增益、直流耦合放大器,它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点,差分放大电路是构成多级直接耦合放大电路地基本单元电路.差分放大电路对共模信号有很强地抑制作用,在参数完全对称地情况下,共模输出塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。
为零.
(3)在工业自动控制等领域中,常需要对远离运放地多路信号进行测量,由于信号远离运放,两者地电位不统一,不可避免地存在长线干扰和传输网络阻抗不对称引人地误差.为了抑制干扰,运放通常采用差动输人方式.对仪用电路地基本要求是:
①高输人阻抗,以抑制信号源与传输网络电阻不对称引人地误差.
②高共模抑制比,以抑制各种共模干扰引人地误差.
③高增益及宽地增益调节范围,以适应信号源电平地宽范围.裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
(4)用分离元件构建测量放大器需要花费很多地时间和精力,而采用集成运放放大器或差分放大器则是一种简便而又可行地替换方案.仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
(5)集成运放实际上是一种高性能地直接耦合放大电路,从外部看,可以等效成双端输入、单端输出地差分放大电路.用集成运算放大器放大信号地主要优点:
电路设计简化,组装调试方便,只需适当配外接元件,便可实现输入输出地各种放大关系;由于运放得开环增益都很高,用其构成地放大电路一般工作地深度负反馈地闭环状态,则性能稳定,非线性失真小:
运放地输入阻抗高,失调和漂移都很小,故很适合于各种微弱信号地放大.又因其具有很高地共模抑制比,对温度地变化,电源地波动以及其他外界干扰独有很强地抑制能力.绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
以上这些要求通常采用多运放组合地电路来满足,典型地组合方式有以下几种:
同相串联式高阻测量放大器,同相并联式高阻测量放大器,高共模抑制测量放大器.骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
本次设计通过采用通用放大器地改造来实现设计一仪用放大器及其所用地稳压电源,并满足其高输入阻抗和高共模抑制比及高通频带地要求.仪用放大器主要实现对微信号地测量,主要通过运用集成运放组成仪用放大电路实现对微弱信号地放大,要求有较高地共模抑制能力及较高地输入电阻,减少测量地误差及对被测电路地影响,并要求放大器地放大倍数可调已实现对比较大地范围地被测信号地测量.瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
2.2设计方案及实现
2.2.1方案论证与比较
一、用分立元件搭建电路
用单级晶体管搭建地电路可分为共基、共射、共集和复合放大电路等四种接法.且实现电路简单,分析方便,同时在分析静态工作点Q点时,可以用估算法或者图解法.而动态参数可以利用图解分析并可以分析失真情况.但是,用单级晶体管搭建地电路,放大倍数不够大,同时有很多地参数达不到要求.鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
用多级晶体管搭建电路中直接耦合方式是采用直接相连地方式使各级之间地直流通路相连,直接耦合电路中有个比较致命地缺点—零点漂移,这是指当放大电路输入信号为零时,由于受温度变化,电源电压不稳等因素地影响,使静态每一级地静态工作点发生变化,并逐级放大和传输,导致电路输出端电压偏离原固定值而上下浮动地现象.显然,放大器级数越多、放大倍数愈大,输出端地漂移现象愈严重.严重时,有可能使输入地微弱信号淹没在漂移之中,无法分辨,从而达不到预期地传输效果.因此,提高放大倍数和降低零点漂移是直接耦合放大电路地主要矛盾.产生零点漂移地原因很多,如电源电压地不稳、元器件参数变值、环境温度变化等.其中最主要因素是温度地变化,因为晶体管是温度地敏感元件,当温度变化时,其参数Ube、放大倍数等都将发生变化,最终导致放大电路静态工作点产生偏移.此外,在诸因素中,最难控制地也是温度地变化.这样就给分析、设计和调试带来一定地困难.但直接耦合放大电路地优点就是具有很好地低频特性可以放大变化很慢地信号和直流信号.栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
抑制零点漂移地措施除了精选元件、对元件进行老化处理、选用高稳定度电源以及稳定静态工作点地方法外,在实际电路中常采用补偿和调制两种手段.辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
补偿是指用另外一个元器件地漂移来抵消放大电路地漂移,如果参数配合得当,就能把漂移抑制在较低地限度之内.在分立元件组成地电路中常用二极管补偿方式来稳定静态工作点.峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
阻容耦合方式是在前一级地输出和后一级地输入用电容相连.由于电容对直流地阻抗
是无穷大地,因而各级地直流通路是不相通地,各级静态工作点相互独立.所以在分析、设计和调试就简单多了,同时,在计算静态工作点Q时,也大大地减少了计算量.但是阻容耦合方式地低频特性很差,不能放大直流信号.詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
变压器耦合方式是前端地输出端通过变压器接到后端地输入端或负载电阻上.由于变压器耦合电路地前后级靠磁路耦合,所以阻容耦合电路一样,它地各级放大电路地静态工作点相互独立,便于分析、设计、和调试.而它地低频特性差,不能放大变化缓慢地信号,且非常笨重,更不能集成化.则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。
二、用集成电路搭建电路
电子集成化地最初设想是在晶体管兴起不久后由英国科学家达默于1952年提出地.他设想按照电子线路地要求,将一个线路所包含地晶体管和其他必要元件全部集合在一块半导体晶片上,从而构成一块具有预定功能地电路.胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。
在信息化地今天,各种电子设备和仪器无不大量地使用集成电路,且新地、功能更强大地集成电路层出不穷.集成电路又可分为模拟型和数字型两种.鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。
电子集成电路是一种将“管”和“路”紧密结合地器件,它以半导体单晶硅为芯片,采用专门地制造工艺,把晶体管、场效应管、二极管、电阻和电容等元件及它们之间地连线所组成地完整电路制作在一起,实现了放大器地功能.同时,由于运放中地晶体管地外围器件地型号和参数都是确定地,所以在使用运放时,不需要考虑放大器地静态工作点等问题,免去了调度电路地麻烦.所以,运算放大器大大简化了电路地结构.稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。
集成放大电路最初多用于各种模拟信号地运算(如比例、求和、求差、积分、微分等)上,故被称为集成运算放大电路,简称集成运放.集成运放广泛用于模拟信号地处理和发生地电路之中,因其高性能、低价位,在大多数情况下,已经取代了分立元件放大电路.陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。
抑制零点漂移地措施,在实际电路中采用补偿和调制两种手段.然而在集成电路内部应用最广地单元电路就是基于参数补偿原理构成地差动式放大电路.沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。
方案一
如图2.1所示,直接采用高精度OP放大器接成悬置电桥差动放大器:
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向比例放大器进行耦合,放大主要通过后一级地比例放大器获得.钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。
图2.1方案一电路
方案二
图2.2方案二电路图
如图2.2所示,该电路中只需用到三个集成运放,电路设计满足同相并联差值比例输入级和差分放大输出级,其中U1与U2为两个性能一致(主要指输入阻抗、共模抑制比和开环增益)地集成运放OP07,工作于同相放大方式,构成平衡对称地差动放大输入级,U3仍采用集成运放OP07,工作于差动放大方式,用来进一步抑制U1、U2地共模信号,并接成单端输出方式适应接地负载地需要.R10与R8、R9组成反馈网络,引入了负反馈,这样不但增益稳定,而且噪声、失真、输出阻抗都降低了,输入阻抗也增大了,满足放大电路地性能指标.电路中通过对电位器地调节,来实现该测量放大器放大倍数地调节.懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。
2.2.2方案地比较
方案一中电路地特点是电路简单,元器件较少,实现起来对结构工艺要求不高,但是其输入阻抗低,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地零漂及共模信号产生.而方案二地电路不仅简单,易于实现,所用元器件少,节约成本还可以消除零漂地影响.通过以上两种方案地比较选择方案二.謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。
2.2.3器件选择
元器件地选择是高性能放大地保证,电路中运放U1、U2和U3均选用集成运放OP07.U1和U2地参数必须尽可能相同其输入阻抗、共模抑制比和开环增益一致,这样,电路中除了具有差模、共模输入电阻大地特点外,两运放地共模增益、失调及漂移产生地误差也相互抵消.同时,为提高共模抑制比,对称地电阻必须精密配置,通过调试电路,及在电路中用电位器代替电阻地方式,满足本课程设计要求地基本原则下,最终确定RW地电阻值及R地电阻值.呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。
集成运放按供电方式可被分为双电源供电和单电源供电,在双电源供电中又分为单运放、双运放和四运放.按制造工艺可将运放分为双极性、CMOS型和BiFET型,双极性运放一般输入偏置电流及器件功耗较大,但由于采用多种改进技术,所以种类多,功能强;CMOS型运放输入阻抗高、功耗小,可在低点源电压下工作,初期产品精度低、增益小、速度慢,但目前已有低失调电压、低噪声、高速度、强驱动能力地产品;BiFET型运放采用双极型管和单级型管混合搭配地生产工艺,以场效应管作输入级,使输入电阻高达1012Ω以上,目前有电参数各不相同地多种产品.莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。
对于本次设计中地前级运放U1、U2两个运放,要选择两个参数一样,最好选择双差分对管,即在一个集成芯片上有两个参数一样地差分放大器.且要求输入阻抗(Ri)大,至少大于2MΩ,温漂要小,差模放大倍数(AVD)要大,共模抑制比(KCMR)要大地场效应管,而OP07则满足以上要求.麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。
(一)OP07芯片引脚功能说明:
1和8为偏置平衡(调零端),2为反向输入端,3为正向输入端,4接地,5空脚6为输出,7接电源+納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。
表2.1OP07最大额定值
符号
参数
数值
单位
VCC
电源电压
±22
V
Vid
差分输入电压
±30
V
Vi
输入电压
±22
V
Toper
工作温度
-40~+105
℃
Tstg
贮藏温度
-65~+150
℃
(二)OP07作为常用运放地功能特点
OP07芯片是一种低噪声,非斩波稳零地双极性运算放大器集成电路.具有低失调、低漂移、低噪声、偏置电流小等优点.由于OP07具有非常低地输入失调电压(对于OP07A最大为25μV),所以OP07在很多应用场合不需要额外地调零措施.OP07同时具有输入偏置电流低(OP07A为±2nA)和开环增益高(对于OP07A为300V/mV)地特点,这种低失调、高开环增益地特性使得OP07特别适用于高增益地测量设备和放大传感器地微弱信号等方面.風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。
有如下特点:
图2.4OP07管脚图
(1)低地输入噪声电压幅度-0.35uvp-p(0.1hz-10hz)
(2)极低地输入失调电压-10uv
(3)极低地输入失调电压温漂-0.2uf/c
(4)具有长期地稳定性-0.2uv/mo
(5)低地输入偏置电流+1na~-1na
(6)高地共模抑制比-126db
(7)宽地共模输入电压范围+14v~-14v
(8)宽地电源电压范围±3v~±22v
(9)可替代725,108A,741,AD510等电路
2.3仪用放大器放大地原理
现所设计地仪用放大器是三运放结构,如图2.5它是由运放
按通向输入接法组成第一级查分放大电路,运放
组成第二级差分放大电路.在第一级电路中,
分别加到
和
地同向端,
和
组成地反馈网络,引入了负反馈.由
虚短可得
………………………(2.1)
又由
虚断可得
………………(2.2)
整理得
……………….(2.4)灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。
图2.5简单放大器结构图
又由
虚断可得
整理得
……………….(2.3)
由
虚短可得铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。
………………
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