課程設(shè)計小信號放大

1、課程設(shè)計論文題 目： 小信號放大器設(shè)計 院 （系）： 電子工程與自動化學(xué)院 專 業(yè)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 講 師 2012年 1 月 12 日摘 要小信號放大分為低頻小信號放大和高頻小信號放大。高頻率放大器一般用于各種信號接收器，例如手機，電視機，收音機，遙控器等等。凡是無線電通訊都要用的。低頻小信號放大器主要用在音頻放大，例如聽音樂的各種功率放大器的前置部分。低頻小信號放大電路的用途非常廣泛，它能夠把微弱電信號增強到所要求的值。電路由線性元件電阻、電容和非線性元件，即半導(dǎo)體晶體管組成。在進行低頻小信號放大時，電路中既有直流信號，又有交流信號，因此在分析和設(shè)計電路時問題

2、錯綜復(fù)雜，利用疊加定理和低頻小信號因素，可使問題變得容易。本次設(shè)計我采用了儀用放大器進行放大，低通濾波器的知識，利用NE5532芯片來實現(xiàn)運放。 關(guān)鍵字：小信號放大，儀用放大器，低通濾波器，NE5532，目 錄引言································&

3、#183;·················································&

4、#183;······31 設(shè)計任務(wù)及要求·········································

5、83;······················32、設(shè)計方案及元器件及其對應(yīng)實現(xiàn)功能介紹·······················32.1.同

6、相放大電路·················································&

7、#183;·················32.2 差分放大電路······························&#

8、183;····································42. 3 儀表放大器···········

9、83;·················································

10、83;·······42.4.方案確定·········································

11、··································52.4.1 主要器件選擇··············

12、;··················································

13、;·52.4.3 工作原理···············································

14、·······················53.濾波部分··························

15、;··················································

16、;····73.1濾波器的介紹············································&

17、#183;·····························74調(diào)試方法與步驟··················

18、3;················································95結(jié)論記錄

19、3;·················································

20、3;······························96課程設(shè)計總結(jié)··················&#

21、183;·················································&#

22、183;···107謝辭·············································

23、83;·········································10參考文獻·······

24、83;·················································

25、83;························10附錄·························

26、;··················································

27、;···············11 附錄一：設(shè)計原理圖·································

28、;····································11附錄二：PCB圖············&

29、#183;·················································&

30、#183;··············、12 附錄二：元件清單·································&

31、#183;······································13引言課程設(shè)計是理論聯(lián)系實際的重要實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是對學(xué)生進行的一次綜合性專業(yè)設(shè)計訓(xùn)練。本次課程設(shè)計主要注重的是電子電路的設(shè)計、仿真、

32、安裝、調(diào)試、印制電路板等綜合于一體的一門課程，意在培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計思想方法以及思路，理論聯(lián)系實際的工作作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真、實事求是的科學(xué)態(tài)度,培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識與生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，分析和解決工程技術(shù)問題的能力。作為一名大學(xué)生不僅需要扎實的理論知識，還需要過硬的動手能力，所以認(rèn)真做好課程設(shè)計，對提高我們的動手能力有很大的幫助做到。 本次設(shè)計是小信號放大，采用儀用放大器的原理及低通濾波原理，儀用放大器實用性很強，通過本次課程設(shè)計，讓我們根據(jù)平時所學(xué)知識，設(shè)計及制作，提高了我們分析問題解決問題的能力，也培養(yǎng)了我們的動手能力。1、設(shè)計任務(wù)及要求：設(shè)計任務(wù)：小信號放大器設(shè)計設(shè)計要求：建議采用測量放大器組

33、成具體指標(biāo)如下：1、總增益Ad60dB；(1000)2、輸入阻抗Ri10M；3、共模抑制比CMRR60dB；4、頻帶范圍為0100Hz；5、信噪比S/N>40dB。2、設(shè)計方案及元器件及其對應(yīng)實現(xiàn)功能介紹2.1.同相放大電路 輸入電壓ui 接至同相輸入端，輸出電壓uo 通過電阻RF仍接到反相輸入端。R2的阻值應(yīng)為R2=R1/RF. 根據(jù)虛短和虛斷的特點，可知I-=I+=0,則有 且 u-=u+=ui，可得： 同相比例運算電路輸入電阻為： 輸出電阻： Rof=0因此選擇同相放大電路滿足輸入阻抗足夠大2.2 差分放大電路差動輸入比例運算（即減法運算）在差動放大電路中，有兩個輸入端，當(dāng)在這兩個

34、端子上分別輸入大小相等、相位相反的信號，（這是有用的信號）放大器能產(chǎn)生很大的放大倍數(shù)，我們把這種信號叫做差模信號，這時的放大倍數(shù)叫做差模放大倍數(shù)。如果在兩個輸入端分別輸入大小相等，相位相同的信號，（這實際是上一級由于溫度變化而產(chǎn)生的信號 ，是一種有害的東西），我們把這種信號叫做共模信號，這時的放大倍數(shù)叫做共模放大倍數(shù)。由差模放大倍數(shù)和共模放大倍數(shù)可求差模增益Avd和共模增益Acd，共模抑制比 KCMR =20log(Avd/Acd)2. 3 儀表放大器2.3.1儀用放大器的介紹：儀用放大器由運放A1,A2按同相輸入法組成第一級差分放大電路。運放A3組成第二級差分放大電路。在第一級電路中，v1v

35、2分別加到A1和A2的同相端，R1和兩個R2組成的反饋網(wǎng)絡(luò)，引入了負(fù)反饋，兩運放A1A2的兩輸入端形成虛短和虛斷，通過計算可得電路的電壓增益，適當(dāng)?shù)倪x擇電阻阻值可實現(xiàn)放大倍數(shù)的改變，并且可以將R1用適當(dāng)?shù)碾娢黄鞔妫龅绞狗糯蟊稊?shù)可調(diào)的功能。 儀用放大器電路優(yōu)點：電路簡單，原件較少，A1和A2兩放大器組成差分放大器，可以有效地抑制共模信號，并且為雙端輸出，其共模放大倍數(shù)理論為0，因而可以大大地提高共模抑制比。并且由于輸入信號V1V2都是A1A2的同相輸入端，根據(jù)虛斷和虛短，輸入阻抗趨于無窮大，滿足部分要求。圖1儀用放大器電路結(jié)構(gòu)： 圖1、儀用放大器電路圖圖1是儀用放大器的結(jié)構(gòu)，是分離和集成儀表

36、放大器最常選的結(jié)構(gòu)。整個增益的傳輸函數(shù)很復(fù)雜，當(dāng)R1=R2=R3=R4時，傳輸函數(shù)可以簡化為 R5和R6設(shè)置為相同值（通常在1050k）。簡單地調(diào)節(jié)RG的值，電路的整個增益可由單位值調(diào)至任意高的值。因此選擇三運放儀用放大器滿足電路的增益要求。 2.4.方案確定：由于差模增益要求為1000，需采用多級放大器電路來達(dá)到增益要求。各級放大電路均采用集成運放設(shè)計，且增益分配要均勻，本次設(shè)計采用儀用放大器，其次采用四階低通濾波器進行濾波，使頻帶范圍在0100Hz。2.4.1 主要器件選擇芯片NE5532供電電壓：12直流穩(wěn)壓電源供電濾波電路,反饋電路電阻,滑動變阻器(調(diào)節(jié)增益電阻)安捷倫示波器

37、數(shù)字萬用表函數(shù)信號發(fā)生器2.4.2 最終電路選擇使用兩個運放同相輸入組成第一級差分放大電路，使用第三個運放組成第二級差分放大電路，即兩級共同構(gòu)成了儀用放大器，在第二級接入滑動變阻器改變電路總增益。2.4.3 工作原理芯片選擇：為了減少運放對濾波電路的負(fù)載效益，同時便于調(diào)節(jié)，我選用NE5532. NE5532是高性能低噪聲雙運算放大器集成電路。與很多標(biāo)準(zhǔn)運放相似，但它具有更好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動能力及相當(dāng)高的小信號帶寬，電源電壓范圍大等特點。因此很適合應(yīng)用在高品質(zhì)和專業(yè)音響設(shè)備、儀器、控制電路及電話通道放大器。NE5532芯片的主要特性如下圖2： 參數(shù)數(shù)值通道數(shù)2推薦電源電壓 (V)

38、77;5-15增益帶寬(MHz)10功率帶寬(KHz)140轉(zhuǎn)換速率(V/us)9輸入失調(diào)電壓(mV)5 (Max)輸入噪聲電壓(nV/Hz)5共模抑制比(dB)70 (Min)靜態(tài)電流(mA)8 圖2、NE5532芯片的主要特性表系統(tǒng)框圖：從工作原理看，設(shè)計出來的電路框圖如圖3所示。直流穩(wěn)壓電源提供電路工作電壓，經(jīng)過發(fā)光二極管可知電路是否通路；OP07作為一個主控芯片，實現(xiàn)輸入信號放大功能；輸入信號經(jīng)過芯片會被放大，第一級差放電路的反饋網(wǎng)絡(luò)形成了虛斷，使輸入阻抗Ri；輸入信號進入第二級差分電路，調(diào)節(jié)滑動變阻器可改變整個電路的增益；信號輸出到示波器。系統(tǒng)框圖如圖3所示：NE5532輸入小信 號

39、+12V直流電源NE5532滑動變阻器10K+12V直流電源發(fā)光二極管數(shù)字示波器NE5532 圖3、測量放大系統(tǒng)框圖3.濾波部分3.1濾波器的介紹：濾波器是一種能使有用信號通過，濾除信號中的無用頻率，即抑制無用信號的電子裝置。有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。低通濾波器是一個通過低頻信號而衰減或抑制高頻信號的部件。理想濾波器電路的頻響在通帶內(nèi)應(yīng)具有一定幅值和線性相移，而在阻帶內(nèi)其幅值應(yīng)為零。但實際濾波器不能達(dá)到理想要求。為了尋找最佳的近似理想特性，可主要考慮幅頻特性。一般來說，濾波器的幅頻特性越好，其相頻特性越差，反之亦然。濾波器的階數(shù)越高，幅頻特性衰減的速率越快，但RC網(wǎng)絡(luò)節(jié)數(shù)

40、越多，元件參數(shù)計算越繁瑣，電路的調(diào)試越困難。任何高階濾波器都可由一階和二階濾波器級聯(lián)而成。對于n為偶數(shù)的高階濾波器，可以由n/2節(jié)二階濾波器級聯(lián)而成；而n為奇數(shù)的高階濾波器可以由(n-1)/2節(jié)二階濾波器和一節(jié)一階濾波器級聯(lián)而成，因此一階濾波器和二階濾波器是高階濾波器的基礎(chǔ)。根據(jù)設(shè)計要求，我選擇巴特沃斯濾波器。巴特沃斯濾波器的幅頻響應(yīng)在通帶中具有最平幅度特性，但是通帶到阻帶衰減較慢。我選擇了四階有源低通濾波器電路，即n=4.有源4階低通濾波器電路如圖4所示，由兩個二階低通濾波器級聯(lián)而成，壓控電壓源二階濾波器電路的特點是：運算放大器為同相接法，濾波器的輸入阻抗很高，輸出的阻抗很低，濾波器相當(dāng)于一

41、個電壓源，其優(yōu)點是電路性能穩(wěn)定，增益容易調(diào)整。圖4 有源四階低通濾波器電路圖 （1） 選擇電容器的容量，計算電阻器的阻值電容C的容量宜在微法數(shù)量級以下，電阻的阻值一般應(yīng)在幾百千歐以內(nèi)。現(xiàn)選擇C1=C2=C3=C4=0.33uF，可算出R8=R9=R10=R12=1/(2fcC)=1/（2*100*0.33uF）4.8k。現(xiàn)選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻R=4.7 k，這與計算值有一點誤差，會導(dǎo)致截止頻率比額定值稍有升高。 由表5可知，四階巴特沃茲濾波器總的增益由兩部分組成，即Av1=1.153和Av2=2.235，因此總的帶通增益Ao=1.152×2.2352.575.選擇R13,R14，R15,R1

42、6，R17時，為了減少偏置電流的影響，應(yīng)盡可能使加到運放同相端對地的直流電阻與加到反相端對地直流電阻基本相等。現(xiàn)選R14=68 k，R17=20 k，根據(jù)已知增益可算出 R13=（1.152-1）*R14=10.336 k，取10 k電阻代替 R15=（2.235-1）*R17=24.7 k，選用20 k和4.7 k電阻串聯(lián)形成。階數(shù)n2468增益G一級1.5861.1521.0681.038二級2.2351.5861.337三級2.4831889四級2.610表5 巴特沃茲低通、高通電路階數(shù)n與增益G之關(guān)系3 （3）multisim輔助設(shè)計及修正通過multisim仿真軟件對上述電路進行仿真

43、，仿真結(jié)果如圖6圖6 multisim仿真電路圖其頻域仿真結(jié)果為圖7圖7 multisim仿真得到的頻域圖由上述仿真圖可知，該濾波設(shè)計滿足條件。濾波部分系統(tǒng)框圖如圖8所示NE5532輸入信號+12V直流電源數(shù)字示波器NE5532-12V直流電源圖8、濾波部分系統(tǒng)框圖4調(diào)試方法與步驟1.連接好電路；2.雙端輸入+12V電壓，信號源輸入20mv，60HZ的小信號；3.調(diào)節(jié)電位器Rv1改變輸出電壓大小，即可改變輸出電壓放大倍數(shù)；4.測量輸出不失真電壓Uo,則差模增益Avd =20lg(Uo /20mv)；5.輸入輸出信號端共地測輸出電壓大小Vo ,則共模增益Avc =20lg(Vo/20mv),共模抑制比Kcmr=20lg（Avd/Acd） ； 6.差模信號輸入下，保持輸入信號電壓幅度不變，改變輸入頻率，測量輸出電壓等于0.707Uo 時不失真頻率范圍，可得頻帶7輸入端對地短路，測出輸出噪聲電壓Un1；8差模信號輸入下，改變輸入信號電壓幅度到最大不失真，測量輸出電壓Un2 ,則信噪比S/N=20lg(Un2 /Un1)9