波形轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)11頁

1、電子課程設(shè)計(jì) 波形轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 學(xué)院： 專業(yè)、班級： 姓名： 學(xué)號： 指導(dǎo)老師： 2013年12月27 日目 錄設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1總體框圖1選擇器件2741運(yùn)算放大器3741運(yùn)算放大器詳細(xì)介紹4功能模塊6總體設(shè)計(jì)電路圖7設(shè)計(jì)心得8波形轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)一、 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 通過積分運(yùn)算電路將方波轉(zhuǎn)換為三角波。輸入方波幅值為2V，周期為1ms。定量分析放大器對輸出電壓的影響。用Multisim仿真并在試驗(yàn)箱上實(shí)現(xiàn)硬件電路。二、 總體框圖方波信號發(fā)生器 積分電路三角波輸出集成運(yùn)算放大器采用CF741 。積分時(shí)間均為T/2。 如果所用運(yùn)放的Uomax=10V，確定元件參數(shù) 為滿足輸入電阻Rf10k，取電阻R

2、=10k，則積分電容為： （實(shí)際電路用0.047uF代替，電容標(biāo)號：473 473 = 47103。通常，使用pF作為基本單位，那么 47103pF = 47nF = 0.047F ）為了盡量減小Rf所引入的誤差， 取Rf10R，則Rf=100k。而取補(bǔ)償運(yùn)算放大器偏置電流失調(diào)的平衡電阻三、選擇器件集成運(yùn)算放大器采用741 110 k 電阻 2 100k 電阻 1直流電源12v 225nf電容 1地線 3 741放大器為運(yùn)算放大器中最常被使用的一種，擁有反相向與非反相兩輸入端，由輸入端輸入欲被放大的電流或電壓信號，經(jīng)放大后由輸出端輸出。放大器作動(dòng)時(shí)的最大特點(diǎn)為需要一對同樣大小的正負(fù)電源，其值由

3、12Vdc至18Vdc不等，而一般使用15Vdc的電壓。邏輯符號741邏輯框圖741放大器為運(yùn)算放大器中最常被使用的一種，擁有反相向與非反相兩輸入端，由輸入端輸入欲被放大的電流或電壓信號，經(jīng)放大后由輸出端輸出。放大器作動(dòng)時(shí)的最大特點(diǎn)為需要一對同樣大小的正負(fù)電源，其值由12Vdc至18Vdc不等，而一般使用15Vdc的電壓。電流鏡與偏置電路編輯上圖中，以紅色虛線標(biāo)示的區(qū)域?yàn)?41運(yùn)算放大器的偏置電路及其電流鏡。741運(yùn)算放大器內(nèi)部各級所使用的偏置電流均來自此區(qū)，而這些偏置電流的源頭是39K的電阻R1、NPN晶體管Q11以及PNP晶體管Q12。正負(fù)電源的差值扣掉Q11與Q12的基極-發(fā)射極電壓后，

4、再依照歐姆定律除R1的值，即可得到參考電流源的大小：上式中Vbe是雙載流子晶體管的基極-發(fā)射極電壓，對于操作在放大區(qū)的雙載流子晶體管而言，Vbe通常在0.7V左右。參考電流Iref經(jīng)由Q11/Q10/R2組成的韋勒電流源復(fù)制后，再由Q8/Q9組成的電流鏡決定輸入級的偏置電流，從而決定輸入級的直流狀態(tài)。這個(gè)偏置電路的重要功能在于提供十分穩(wěn)定的定電流給放大器的輸入級，可讓輸入的共模范圍更大，晶體管不會因?yàn)檩斎牍材ｋ妷旱母淖兌x開應(yīng)有的工作區(qū)間。假設(shè)當(dāng)輸入級晶體管Q1/Q2的偏置電流開始下降時(shí)，供應(yīng)電流給Q1/Q2的電流源Q8會偵測到這個(gè)改變，進(jìn)而改變從Q9流向Q10的電流。此時(shí)因?yàn)镼9與Q10的集

5、電極端與Q3/Q4的基極端相連，當(dāng)Q9的電流下降時(shí)，Q3/Q4的基極電流必須增加，以滿足由Q10與R2所設(shè)定的電流值。又因?yàn)镼3/Q4的基極電流增加，迫使Q3/Q4的發(fā)射極電流也必須增加，亦即將整個(gè)輸入級的偏置電流拉回原本的大小。這樣的機(jī)制等同于一個(gè)高增益的負(fù)反饋系統(tǒng)，能夠讓輸入級的直流操作點(diǎn)更加穩(wěn)定，進(jìn)而讓輸入級的整體效能更好。Q12/Q13組成的電流鏡負(fù)責(zé)提供增益級電路的偏置電流，讓增益級的直流操作點(diǎn)不受其輸出電壓的干擾而飄移。差動(dòng)輸入級深藍(lán)色的虛線所圍起來的區(qū)域是741運(yùn)算放大器的輸入級，一共有七顆晶體管Q1至Q7。NPN晶體管Q1與Q2組成的差動(dòng)對是整個(gè)741運(yùn)算放大器的輸入端。此外，

6、Q1/Q2各是一個(gè)射極跟隨器接至共基極組態(tài)的PNP晶體管Q3/Q4。Q3與Q4的用途是電壓位準(zhǔn)移位器，將輸入級的電壓位準(zhǔn)調(diào)整至適當(dāng)?shù)奈恢?，用以?qū)動(dòng)增益級的NPN晶體管Q16。Q3/Q4的另外一個(gè)功用就是作為抑制輸入級偏置電流飄移的控制電路。Q5至Q7組成的電流鏡是輸入級差動(dòng)放大器的有源式負(fù)載。NPN晶體管Q7的作用主要在于利用本身的共射增益增加Q5與Q6電流鏡復(fù)制電流的精準(zhǔn)度。同時(shí)，這個(gè)電流鏡構(gòu)成的有源式負(fù)載也以下列的過程將差動(dòng)輸入信號轉(zhuǎn)為單端輸出信號至下一級：1. 由Q3流出的信號電流（亦即因輸入信號改變而引起的電流成分，與偏置電流無關(guān)）會流入電流鏡的輸入端，也就是Q5的集電極。電流鏡的輸出

7、端則是Q6的集電極，連接至Q4的集電極。2. Q3的信號電流流進(jìn)Q5，經(jīng)由電流鏡復(fù)制到Q6，因此Q3與Q4的信號電流在此被相加。3. 對于差動(dòng)信號而言，Q3和Q4的信號電流大小相等、方向相反。因此相加的結(jié)果會等于原本信號電流的兩倍。至此，差動(dòng)輸入轉(zhuǎn)換至單端輸出的程序已經(jīng)完成。差動(dòng)輸入級送至增益級的電壓等于信號電流與Q4和Q6集電極電阻并聯(lián)的乘積，對于信號電流而言，Q4和Q6集電極電阻的值非常高，因此開回路的增益非常高。特別值得一提的是，741運(yùn)算放大器的輸入端電流并不等于零，實(shí)際上741運(yùn)算放大器的等效輸入電阻約為2M，這個(gè)非理想現(xiàn)象導(dǎo)致741運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入端之間的直流電壓準(zhǔn)位會有些微的差

8、異，這個(gè)差異稱為輸入端偏移電壓。在Q5和Q6的發(fā)射極有兩個(gè)用來消除輸入端直流電壓偏移的端點(diǎn)，可以借由外加直流電壓將輸入端偏移電壓消除。增益級上圖中紫色虛線標(biāo)示的區(qū)域是741運(yùn)算放大器的增益級。此增益級電路使用一個(gè)達(dá)靈頓晶體管Q15與Q19，作為741運(yùn)算放大器增益的主要來源。Q13與Q16是達(dá)靈頓晶體管的有源負(fù)載，而電容C1從增益級的輸出端連接至輸入端，作用是穩(wěn)定輸出信號。這種技巧在放大器電路設(shè)計(jì)中相當(dāng)常見，稱為米勒補(bǔ)償。米勒補(bǔ)償會在放大器的信號路徑上置入一個(gè)主極點(diǎn)，降低其他極點(diǎn)對于信號穩(wěn)定度的影響。通常741運(yùn)算放大器主極點(diǎn)的位置只有10Hz，也就是當(dāng)741運(yùn)算放大器在開回路的情況下，對于頻

9、率高于10Hz的交流輸入信號，增益只有原來的一半（在主極點(diǎn)，放大器的增益下降3dB，即原本增益的一半）。米勒補(bǔ)償電容能減少高增益放大器的穩(wěn)定度問題，特別是如果運(yùn)算放大器有內(nèi)部的頻率補(bǔ)償機(jī)制，能夠讓使用者更簡易地使用。輸出級741運(yùn)算放大器的輸出級由圖中綠色及淺藍(lán)色虛線包圍的區(qū)域構(gòu)成。綠色區(qū)域包括NPN晶體管Q16以及兩個(gè)電阻R7與R8，主要的功能是電壓位準(zhǔn)移位器，或是Vbe的倍增器。由于基極端的偏置已經(jīng)固定，因此Q16集電極至發(fā)射極端的壓降恒為一定值。假設(shè)Q16的基極電流為零，則其基極至發(fā)射極間的跨壓約為0.625V（亦為R8的跨壓），故R7與R8的電流相等，跨過R7的電壓約為0.375V。因

10、此Q16集電極至發(fā)射極間的跨壓約為0.625V+0.375V=1V。這個(gè)1V跨壓會對741運(yùn)算放大器的輸出信號造成輕微的交越失真，有時(shí)候在某些用分立式元件實(shí)現(xiàn)的741運(yùn)算放大器會改用兩個(gè)二極管取代Q16的功能。淺藍(lán)色虛線包圍的區(qū)域，包括晶體管Q14、Q17，以及Q20，構(gòu)成741運(yùn)算放大器的輸出級。加上Q16所設(shè)定的偏置，這個(gè)輸出級基本上是一個(gè)AB類（class AB）推挽式發(fā)射極追隨器（Q14與Q20），推動(dòng)輸出級的晶體管是Q13與Q19。741運(yùn)算放大器的輸出級電壓擺幅最高約可比正電源低1V，由晶體管的集電極-發(fā)射極飽和電壓（Vce(sat)）所決定。25電阻R9的功能是限制通過Q14的電

11、流，最大值不超過25mA。對于Q20而言，限流的功能則借由偵測流過Q19發(fā)射極電阻R11的電流，再以此控制Q15的基極偏置電流來達(dá)成，而后來的741運(yùn)算放大器對于限流功能有更多改良的設(shè)計(jì)。雖然741運(yùn)算放大器的輸出阻抗不如理想運(yùn)算放大器所要求的等于零，不過在連接成負(fù)反饋組態(tài)應(yīng)用時(shí)，其輸出阻抗確實(shí)非常接近零。注：雖然早期741運(yùn)算放大器在音響設(shè)備或是儀器上被廣泛使用，但是今日已經(jīng)有很多性能更好的運(yùn)算放大器取代了741的功能，例如抗噪聲的表現(xiàn)更好。對于741與其他早期的運(yùn)算放大器而言，它們的共模抑制比遜于現(xiàn)代的運(yùn)算放大器，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)容易造成干擾或是噪音。四、 功能模塊Multisim仿真結(jié)果經(jīng)M

12、ultisim軟件仿真，驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)的正確。五、 總體設(shè)計(jì)電路圖運(yùn)放輸入輸出關(guān)系曲線在運(yùn)放的輸入端分別同時(shí)加上輸入電壓和（即差動(dòng)輸入電壓為）時(shí)，則其輸出電壓uo為 圖5-3 運(yùn)放輸入輸出關(guān)系曲線實(shí)際上，運(yùn)放是一種單向器件，即輸出電壓受輸入電壓的控制，而輸入電壓并不受輸出電壓的控制。由其輸入輸出關(guān)系可以看出，運(yùn)放的線性放大部分很窄，當(dāng)輸入電壓很小時(shí)，運(yùn)放的工作狀態(tài)就已經(jīng)進(jìn)入了飽和區(qū)，輸出值開始保持不變。六、設(shè)計(jì)心得 課程設(shè)計(jì)是將我們在課本上所學(xué)的理論知識加以實(shí)踐的過程，這次設(shè)計(jì)的過程，不論是上網(wǎng)還是在圖書館查資料，使我明白了在未做過設(shè)計(jì)之前，我并沒有真正的掌握到我們在課本上所學(xué)得的知識，比如說一些芯片的功能、管腳的連接我并不是很清楚，但通過這次設(shè)計(jì)我明白了，要