波形轉換電路設計11頁

1、電子課程設計 波形轉換電路設計 學院： 專業(yè)、班級： 姓名： 學號： 指導老師： 2013年12月27 日目 錄設計任務與要求1總體框圖1選擇器件2741運算放大器3741運算放大器詳細介紹4功能模塊6總體設計電路圖7設計心得8波形轉換電路設計一、 設計任務與要求 通過積分運算電路將方波轉換為三角波。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仿真并在試驗箱上實現(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算放大器采用CF741 。積分時間均為T/2。 如果所用運放的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： （實際電路用0.047uF代替，電容標號：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。而取補償運算放大器偏置電流失調的平衡電阻三、選擇器件集成運算放大器采用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，經放大后由輸出端輸出。放大器作動時的最大特點為需要一對同樣大小的正負電源，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，經放大后由輸出端輸出。放大器作動時的最大特點為需要一對同樣大小的正負電源，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，以紅色虛線標示的區(qū)域為741運算放大器的偏置電路及其電流鏡。741運算放大器內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?。荷鲜街蠽be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經由Q11/Q10/R2組成的韋勒電流源復制后，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，晶體管不會因為輸入共模電壓的改變而離開應有的工作區(qū)間。假設當輸入級晶體管Q1/Q2的偏置電流開始下降時，供應電流給Q1/Q2的電流源Q8會偵測到這個改變，進而改變從Q9流向Q10的電流。此時因為Q9與Q10的集

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

6、Q1/Q2各是一個射極跟隨器接至共基極組態(tài)的PNP晶體管Q3/Q4。Q3與Q4的用途是電壓位準移位器，將輸入級的電壓位準調整至適當?shù)奈恢?，用以驅動增益級的NPN晶體管Q16。Q3/Q4的另外一個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放大器的有源式負載。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電流鏡復制電流的精準度。同時，這個電流鏡構成的有源式負載也以下列的過程將差動輸入信號轉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）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Q5，經由電流鏡復制到Q6，因此Q3與Q4的信號電流在此被相加。3. 對于差動信號而言，Q3和Q4的信號電流大小相等、方向相反。因此相加的結果會等于原本信號電流的兩倍。至此，差動輸入轉換至單端輸出的程序已經完成。差動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運算放大器的輸入端電流并不等于零，實際上741運算放大器的等效輸入電阻約為2M，這個非理想現(xiàn)象導致741運算放大器兩個輸入端之間的直流電壓準位會有些微的差

8、異，這個差異稱為輸入端偏移電壓。在Q5和Q6的發(fā)射極有兩個用來消除輸入端直流電壓偏移的端點，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示的區(qū)域是741運算放大器的增益級。此增益級電路使用一個達靈頓晶體管Q15與Q19，作為741運算放大器增益的主要來源。Q13與Q16是達靈頓晶體管的有源負載，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計中相當常見，稱為米勒補償。米勒補償會在放大器的信號路徑上置入一個主極點，降低其他極點對于信號穩(wěn)定度的影響。通常741運算放大器主極點的位置只有10Hz，也就是當741運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，放大器的增益下降3dB，即原本增益的一半）。米勒補償電容能減少高增益放大器的穩(wěn)定度問題，特別是如果運算放大器有內部的頻率補償機制，能夠讓使用者更簡易地使用。輸出級741運算放大器的輸出級由圖中綠色及淺藍色虛線包圍的區(qū)域構成。綠色區(qū)域包括NPN晶體管Q16以及兩個電阻R7與R8，主要的功能是電壓位準移位器，或是Vbe的倍增器。由于基極端的偏置已經固定，因此Q16集電極至發(fā)射極端的壓降恒為一定值。假設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1V跨壓會對741運算放大器的輸出信號造成輕微的交越失真，有時候在某些用分立式元件實現(xiàn)的741運算放大器會改用兩個二極管取代Q16的功能。淺藍色虛線包圍的區(qū)域，包括晶體管Q14、Q17，以及Q20，構成741運算放大器的輸出級。加上Q16所設定的偏置，這個輸出級基本上是一個AB類（class AB）推挽式發(fā)射極追隨器（Q14與Q20），推動輸出級的晶體管是Q13與Q19。741運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成，而后來的741運算放大器對于限流功能有更多改良的設計。雖然741運算放大器的輸出阻抗不如理想運算放大器所要求的等于零，不過在連接成負反饋組態(tài)應用時，其輸出阻抗確實非常接近零。注：雖然早期741運算放大器在音響設備或是儀器上被廣泛使用，但是今日已經有很多性能更好的運算放大器取代了741的功能，例如抗噪聲的表現(xiàn)更好。對于741與其他早期的運算放大器而言，它們的共模抑制比遜于現(xiàn)代的運算放大器，在實際應用時容易造成干擾或是噪音。四、 功能模塊Multisim仿真結果經M

12、ultisim軟件仿真，驗證了此設計的正確。五、 總體設計電路圖運放輸入輸出關系曲線在運放的輸入端分別同時加上輸入電壓和（即差動輸入電壓為）時，則其輸出電壓uo為 圖5-3 運放輸入輸出關系曲線實際上，運放是一種單向器件，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。由其輸入輸出關系可以看出，運放的線性放大部分很窄，當輸入電壓很小時，運放的工作狀態(tài)就已經進入了飽和區(qū)，輸出值開始保持不變。六、設計心得 課程設計是將我們在課本上所學的理論知識加以實踐的過程，這次設計的過程，不論是上網還是在圖書館查資料，使我明白了在未做過設計之前，我并沒有真正的掌握到我們在課本上所學得的知識，比如說一些芯片的功能、管腳的連接我并不是很清楚，但通過這次設計我明白了，要