高精度線性放大器設(shè)計(jì)

1、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)(論文) 高精度線性放大器 院（系）名稱電子與信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)物聯(lián)網(wǎng)141 學(xué)號(hào)140408030 學(xué)生姓名滕憲宇 指導(dǎo)教師起 止 時(shí) 間： 2015.7.42015.7.15課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)院（系）：電子與信息工程學(xué)院 教研室：電子信息工程 學(xué) 號(hào)140408030學(xué)生姓名滕憲宇專業(yè)班級(jí)物聯(lián)網(wǎng)141課程設(shè)計(jì)（論文）題目高精度線性放大器課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)任務(wù)要求：高精度線性放大器是一個(gè)可以將微小的、變化緩慢的直流或交流信號(hào)精確放大的線性放大器，需要采用高精度的運(yùn)放。高精度運(yùn)放主要是指失調(diào)和噪音非常低，增益和共模抑制比非常高的運(yùn)算放大器，以達(dá)到高精度的目

2、的。由運(yùn)放、直流穩(wěn)壓電源等部分電路組成。技術(shù)要求：1、線性失真度不大于0.5%。2、放大倍數(shù)2000。3、輸入電阻2M。4、輸出電阻100。5、利用Multisim（或EWB）進(jìn)行電路仿真與調(diào)試。指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)平時(shí)成績(jī)： 答辯成績(jī)： 論文成績(jī)： 作品成績(jī)： 總成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日注：平時(shí)成績(jī)占20%，答辯成績(jī)占20%，論文成績(jī)占40%，作品成績(jī)20%。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）摘 要隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)線性放大器的要求越來(lái)越高，這些要求在航天、航空及軍事、精密儀器等需要高速數(shù)據(jù)的采集，瞬時(shí)波形記錄其他需高速高精度放大器的尖端科技領(lǐng)域中表現(xiàn)尤為突出。高精度放大器可用于量測(cè)儀器、控

3、制系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)試設(shè)備等。在醫(yī)療領(lǐng)域中也有超音波、氣體分析、血壓計(jì)、診斷器等，此外汽車中的引擎管理、傳動(dòng)系統(tǒng)管理等，也要用到高精度的運(yùn)放。因此高精度線性放大器具有廣泛的應(yīng)用意義。高精度線性放大器是為了解決一些需要精確擴(kuò)大輸出信號(hào)的系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)是采用集成運(yùn)放LF411ACN作為核心元件，在此設(shè)計(jì)中共接入四個(gè)LF411ACN集成運(yùn)放。本設(shè)計(jì)利用儀用放大電路作前置放大電路，帶通濾波電路作為濾波和放大電路，本文詳細(xì)的介紹高精度線性放大器的設(shè)計(jì)過(guò)程。由于LF411ACN的集成度高，功能強(qiáng)，通用性好，特別是它具有體積小，能耗低，線性度高，抗干擾能力強(qiáng)等方面的獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)一個(gè)可以將微小的、變化緩慢的直

4、流或交流信號(hào)精確地放大的線性放大器，具有溫漂小、精度高、線性好等特點(diǎn)。與調(diào)制型直流放大器相比其線路簡(jiǎn)單、調(diào)試容易、通用性好。關(guān)鍵詞：放大器; 高精度; 通用性; 線性度 目 錄第1章 緒論11.1高精度線性放大器的發(fā)展概況11.2本文研究?jī)?nèi)容1第2章 高精度線性放大器總體設(shè)計(jì)方案12.1 高精度線性放大器設(shè)計(jì)方案論證12.2總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析1第3章 高精度線性放大器單元電路設(shè)計(jì)23.1高精度線性放大器具體電路設(shè)計(jì)23.1.1 儀用放大器的設(shè)計(jì)23.1.2濾波電路設(shè)計(jì)23.2 元器件型號(hào)選擇33.3 參數(shù)計(jì)算33.4 高精度線性放大器總體電路圖4第4章 高精度線性放大器電路仿真與調(diào)試54.

5、1 Multisim仿真與調(diào)試54.2 仿真結(jié)果分析6第5章 高精度線性放大器實(shí)物制作75.1 高精度線性放大器電路焊接75.2高精度線性放大器電路作品7第6章 總結(jié)9參考文獻(xiàn)10附 錄 I11附 錄 II12II第1章 緒論1.1高精度線性放大器的發(fā)展概況近年來(lái)，各種電子產(chǎn)品的迅速發(fā)展，高精度放大器越來(lái)越受到人們的重視。高精度線性放大器是模擬電路中的一個(gè)重要模塊。其性能直接影響到電路及系統(tǒng)的整體性能。同時(shí)，現(xiàn)代集成電路特征尺寸越來(lái)越小，也導(dǎo)致集成電路產(chǎn)品的工作電壓及功耗越來(lái)越低，這樣待處理的信號(hào)越來(lái)越弱，這就要求有更高精度的放大器。而通用放大器顯然不能滿足這些要求。微電子技術(shù)是國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的

6、高科技行業(yè)，線性放大器是各種電子產(chǎn)品不可缺少的部分，如何設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的電子產(chǎn)品，除了要求總體方案最佳外，放大器設(shè)計(jì)得是否合理可靠直接影響整個(gè)電子產(chǎn)品的系統(tǒng)性能。高精度運(yùn)放主要是指失調(diào)和噪音非常低，增益和共模抑制比非常高的運(yùn)算放大器，因?yàn)橹挥羞@樣，才能使放大器的等效輸入誤差的綜合值減小，達(dá)到高精度的目的。為人們的生活、生產(chǎn)帶來(lái)了極大的方便。高精度線性放大器具有增益高，線性度好，頻率范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足各種需要精確擴(kuò)大信號(hào)的系統(tǒng)。1.2本文研究?jī)?nèi)容本文研究?jī)?nèi)容為設(shè)計(jì)一款可精確擴(kuò)大輸出信號(hào)的高精度線性放大電路。利用儀用放大電路，作為前置放大電路，第二級(jí)利用帶通濾波器進(jìn)行二次放大和消除雜波的影響，實(shí)

7、現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的放大處理。通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)外圍分立元件的參數(shù)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)放大系數(shù)可調(diào)，精度高，溫漂小，線性度高的特點(diǎn)。分立元件的數(shù)量相對(duì)較少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定。技術(shù)要求：1、線性失真度不大于0.5%。2、放大倍數(shù)2000。3、輸入電阻2M。4、輸出電阻100。 5、利用Multisim（或EWB）進(jìn)行電路仿真與調(diào)試。13第2章 高精度線性放大器總體設(shè)計(jì)方案2.1 高精度線性放大器設(shè)計(jì)方案論證高精度線性放大器設(shè)計(jì)有很多種：方案1：利用IC元件為核心器件的多級(jí)放大電路，由兩級(jí)電壓放大，一級(jí)功率放大。該方案具有放大系數(shù)大，精度高，溫漂小，線性度高的特點(diǎn)，但是工作的溫度范圍?。环桨?：利用同相放大電路利用多

8、級(jí)放大，來(lái)達(dá)到要求，該方案具有可以利用很多次的運(yùn)放，但是這樣不滿多極之間的阻抗匹配問(wèn)題。方案3；利用儀用放大電路，作為前置放大電路，第二級(jí)利用帶通濾波器進(jìn)行二次放大和消除雜波的影響。該方案具有放大系數(shù)可調(diào)，精度高，溫漂小，線性度高的特點(diǎn)。根據(jù)多方面的比較，方案三結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、可靠性更高、制作成本低廉、調(diào)試更加方便。本設(shè)計(jì)采用第三種方案。2.2總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析總體設(shè)計(jì)方案框圖如圖2.1所示：所需信 號(hào)帶通濾波電 路儀用放大電路待放大信號(hào) 圖2.1 總體設(shè)計(jì)方框圖分析：為確定總體設(shè)計(jì)目標(biāo)，必須對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象有一個(gè)較全面的了解，對(duì)于高精度放大器而言，只是作為一個(gè)整體系統(tǒng)的一部分，是用來(lái)放大微弱、不

9、易觀察的信號(hào)，這就需要較高的增益，信號(hào)較小時(shí)為了減輕信號(hào)源的負(fù)載，放大器必須有很高的輸入阻抗，放大時(shí)系統(tǒng)只要求放大特定頻率段的信號(hào)，對(duì)于干擾信號(hào)其中包括工頻干擾信號(hào)這就要求放大器有較高共模抑制比，另外由于信號(hào)的微弱性還要求放大器具有低噪聲和低漂移的特性。所以本設(shè)計(jì)采用兩級(jí)放大電路來(lái)滿足要求，其中第二級(jí)電路還有濾波的功能。第3章 高精度線性放大器單元電路設(shè)計(jì)3.1高精度線性放大器具體電路設(shè)計(jì)3.1.1 儀用放大器的設(shè)計(jì)前置級(jí)的設(shè)計(jì)三運(yùn)放的構(gòu)成的儀用放大器如圖3.1所示，由于增益要求為2000，需采用多級(jí)放大電路來(lái)達(dá)到增益的要求。各級(jí)放大電路均采用集成運(yùn)放設(shè)計(jì)，且增益分配要均衡，輸入阻抗，共模抑制

10、比和噪聲主要取決于前置級(jí)，因此前置放大器的設(shè)計(jì)尤為重要。根據(jù)高輸入阻抗的要求，應(yīng)選用JFET的運(yùn)放，本設(shè)計(jì)采用LF411ACN型運(yùn)放。該運(yùn)放的Avo=4×105，Rid= 4×1011，KCMR =106dB；圖3.1 儀用放大器電路原理圖3.1.2濾波電路設(shè)計(jì) 圖3.2 帶通濾波電路原理圖第二級(jí)要完成的主要任務(wù)之一是進(jìn)一步提高放大電路的電壓增益，使總增益達(dá)到2000倍，其次為了消除高，低頻的影響，需要設(shè)計(jì)一個(gè)帶通濾波器，由于對(duì)濾波器沒有特殊的要求，本設(shè)計(jì)采用較簡(jiǎn)單的一階高通濾波器和一階低通濾波器構(gòu)成帶通濾波器。如圖3.2所示。3.2 元器件型號(hào)選擇在前級(jí)放大部分，為了得到

11、放大固定倍數(shù)的輸出電壓。選擇3片LF41ACH集成運(yùn)算器和若干電阻組成簡(jiǎn)單的儀用放大器。儀用放大器的分配的增益為40，儀用放大器引入了負(fù)反饋，為了滿足輸入阻抗為2M的要求，且提高所設(shè)計(jì)放大器的共模抑制比，降低噪聲。前級(jí)個(gè)電阻阻值選擇如下：R1，2M; R2，2M; R6，1K; R9，1K; R10，24K電位器R2，2K。在第二級(jí)帶通濾波部分，選擇LF41ACH構(gòu)成核心的濾波電路。進(jìn)一步提高放大電路的電壓增益，使總增益達(dá)到2000倍，其次為了消除高，低頻的影響，需要設(shè)計(jì)一個(gè)帶通濾波器，由于對(duì)濾波器沒有特殊的要求，本設(shè)計(jì)采用較簡(jiǎn)單的一階高通濾波器和一階低通濾波器構(gòu)成帶通濾波器，達(dá)到濾波作用，電

12、路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要一片LF41ACH芯片，若干電阻以及電容器組成。由于濾波無(wú)特殊要求，所以電容選取如下：C1=3.3F,C2=0.033F3.3 參數(shù)計(jì)算在前置放大電路中因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)采用的是儀用放大器，如圖3.1，而儀用放大器的分配的增益為40，儀用放大器引入了負(fù)反饋，所以U1和U2的兩輸入端形成虛短和虛斷，因而有是R0上的電壓VR1為兩輸入端輸入電壓之差V11-V12和VR1/R0=（VO1-VO2）/(R0+R8+R9);故得VO1-VO2=R0+R8+R9/R0（V11-V12）；在第二級(jí)中根據(jù)差分放大電路可得VO= （VO1-VO2）= （V11-V12）；電壓增益Av= VO /（V1

13、1-V12）=-R12/R10*(（R0+R8+R9）/R)在本設(shè)計(jì)中我們采用R1=2K，R8=R9=24 K，R12=16K，R10=10K，所以Av=40;在濾波電路中沒有特殊的要求，所以本設(shè)計(jì)C1=3.3F,C2=0.033F上限頻率為200.95HZ,下限頻率為0.048HZ。3.4 高精度線性放大器總體電路圖高精度線性放大電路的總體電路圖如圖3.3所示。其工作原理：本設(shè)計(jì)采用LF4111系列的運(yùn)算放大器，前級(jí)采用儀用放大電路，分配的增益為四十倍，儀用放大器是有運(yùn)放U1、U2按同相法組成第一級(jí)差分放大電路，運(yùn)放U3組成第二級(jí)差分放大電路，在第一級(jí)電路中輸入信號(hào)分別加入到U1和U2的同相

14、段R1和R6、R7組成的反饋網(wǎng)絡(luò)引入負(fù)反饋。在帶通濾波的電路中，本設(shè)計(jì)采用較簡(jiǎn)單的一階高通濾波器和一階低通濾波器構(gòu)成帶通濾波器，來(lái)限制放大頻率的范圍。 圖3.3 高精度線性放大器總體電路圖第4章 高精度線性放大器電路仿真與調(diào)試4.1 Multisim仿真與調(diào)試?yán)梅抡孳浖?duì)輸入端和輸出端進(jìn)行仿真。通過(guò)對(duì)放大器進(jìn)行Time Domain（時(shí)域）分析，得到圖4.1所示的的輸入和輸出波形幅值經(jīng)過(guò)比例縮小后幅值相同，由圖中的通道A和通道B的比例可知放大器可以完成正常的放大功能。放大倍數(shù)為1947.3倍。 圖 4.1 仿真結(jié)果關(guān)于指標(biāo)的分析，由小信號(hào)直流增益分析（Calculate small-sign

15、al DC gain）得到差模輸入電阻為8M，共模輸入電阻為2M，輸出電阻為100滿足設(shè)計(jì)要求。4.2 仿真結(jié)果分析關(guān)于指標(biāo)的分析，由小信號(hào)直流增益分析得到差模輸入電阻為8M，共模輸入電阻為2M，輸出電阻為100滿足設(shè)計(jì)要求。該設(shè)計(jì)依據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)，整體上基本符合指標(biāo)各項(xiàng)要求,如仿真圖所示，輸入電壓13.501V，輸出電壓為22.916KV，放大倍數(shù)為1947.3，基本滿足放大2000倍的要求。 輸入電路采用儀用放大電路輸入。輸入級(jí)利用了儀用放大電路對(duì)共模信號(hào)的抑止及對(duì)差模信號(hào)的放大作用，有利于提高整個(gè)電路的精度。第二級(jí)采用典型的濾波電路，進(jìn)一步提高放大電路的電壓增益，使總增益達(dá)到2000倍，

16、其次為了消除高，低頻的影響，需要設(shè)計(jì)一個(gè)帶通濾波器，由于對(duì)濾波器沒有特殊的要求，本設(shè)計(jì)采用較簡(jiǎn)單的一階高通濾波器和一階低通濾波器構(gòu)成帶通濾波器，達(dá)到濾波作用，便于輸出完整波形。理論上能符合設(shè)計(jì)指標(biāo)所要求。第5章 高精度線性放大器實(shí)物制作5.1 高精度線性放大器電路焊接為了保證焊接的電路看起來(lái)清晰，減少焊接時(shí)的出錯(cuò)幾率，應(yīng)合理布置各個(gè)元件在電路板上的位置，保證元件的連接線盡量不出現(xiàn)交叉接觸，如果交叉接觸過(guò)多可能會(huì)導(dǎo)致元件參數(shù)發(fā)生變化，嚴(yán)重時(shí)毀壞電路，造成浪費(fèi)。另外，電源接口需要有明確的標(biāo)注，防止電源反接毀壞芯片。信號(hào)輸出接口應(yīng)予以符號(hào)標(biāo)出。高精度線性放大器實(shí)物布線圖如圖5.1所示。 圖5.1高精

17、度線性放大器電路焊接布線圖5.2高精度線性放大器電路作品由于電路板不是很大，元器件較多，所以需要有精確的排布才能保證元件方便的連接，元件應(yīng)安放在方便調(diào)節(jié)的地方。相連元件之間的距離要盡可能小一些，為方便測(cè)試，應(yīng)用一些標(biāo)記標(biāo)出各測(cè)試接口的功能。尤其是正負(fù)電源接口，測(cè)試過(guò)程中一旦反接會(huì)導(dǎo)致芯片擊穿燒毀造成安全事故。如圖5.2所示，電路總體結(jié)構(gòu)以LF411ACN作為核心元件，電阻電容分布在周圍，形成了比較清晰的電路結(jié)構(gòu)。正負(fù)電源接口分布在線路板的左側(cè)，固定接地，避免了其他因素的干擾。波形的輸出位置放置在電路板的右兩側(cè)。同樣標(biāo)以+，-符號(hào)方便測(cè)試。 圖5.2 高精度線性放大器電路實(shí)物圖第6章 總結(jié)時(shí)間一

18、點(diǎn)點(diǎn)的逼近了，耗時(shí)2周的課程設(shè)計(jì)即將結(jié)束，在老師的指導(dǎo)和自己的努力下我的課程設(shè)計(jì)也完成了。本次課程設(shè)計(jì)的題目是高精度線性放大器。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，老師指導(dǎo)我們將學(xué)習(xí)的理論知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，從任務(wù)要求的分析、系統(tǒng)框架的建立、分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)到總體設(shè)計(jì)，從原理圖設(shè)計(jì)到軟件仿真、電路板布線焊接到實(shí)物測(cè)試，這其中遇到許多的問(wèn)題，有的是設(shè)計(jì)上考慮的不夠周全，有的是電路實(shí)現(xiàn)上的，在解決這些問(wèn)題的過(guò)程中，我深深的領(lǐng)悟到了電子設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試的奧妙，也使我對(duì)電子技術(shù)有了濃厚的興趣。從開始開發(fā)高精度線性放大器電路，我就遇到了一些問(wèn)題，比如運(yùn)算放大器型號(hào)的選擇，比如電阻阻值的選擇，以及仿真軟件的學(xué)習(xí)，仿真時(shí)放大倍數(shù)與理論計(jì)算的放大倍數(shù)有所偏差。經(jīng)過(guò)與老師探討結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況以及焊接不良等原因造成的。這也使我鍛煉了快速學(xué)習(xí)的能力。開發(fā)設(shè)計(jì)的初級(jí)階段，由于對(duì)Multisim電路仿真軟件使用不夠熟練，通過(guò)圖書館，網(wǎng)路等各種途徑獲取與本設(shè)計(jì)有關(guān)的資料信息，并且在設(shè)計(jì)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了自己在模擬電路知識(shí)方面的不足之處。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，自己也漸漸地體會(huì)到了模擬電子電路設(shè)計(jì)方面的技巧和方法，使自己的能力有了更近一步提高，為以后的學(xué)習(xí)打下了更好的基礎(chǔ)。通過(guò)這段時(shí)間里的學(xué)習(xí)，我學(xué)習(xí)到了很多新知識(shí)，也對(duì)電子設(shè)備開發(fā)的過(guò)程有了更深的了解，并且對(duì)電路設(shè)計(jì)的基本思路有了較深的認(rèn)識(shí)，