电子技术课程设计：仪用放大电路的设计(编辑修改稿)

电子技术课程设计：仪用放大电路的设计(编辑修改稿)内容摘要：

100 KR9100 KR310KR410KR691K 12 V 12 V12V12V 12 V图 方案二电路图 图 方案一电路 R410 0 K2347 1 86U1O P 07 C PX F G 1R310K2347 1 86U2O P 07 C PR120 0 KR590KR220 0 KR610K12VX S C 112V仪用放大电路的设计 8 方案 的比较 方案一中 电路的特点是 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的零 漂及共模信号产生。 而方案二的 电路 不仅 简单，易于实现，所用元器件少，节约成本 还可以消除零漂的影响。 通过以上两种方案的比较选择方案二。 器件选择 元器件的选择是高性能放大的保证，电路 中运放 U U2 和 U3 均选用集成运放 OP07。 U1 和 U2 的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、共模输入电阻大的特点外，两运放的共模增益、失调及漂移产生的误差也相互抵消。 同时，为提高共模抑制比，对称的电阻必须精密 配置，通过调试电路，及在电路中用电位器代替电阻的方式，满足本课程 设计要求的基本原则下，最终确定 RW 的电阻值及 R 的电阻值。 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、强驱动能力的产品； BiFET 型运放采用双极型管和单级型管混合搭 配的生产工艺，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的多种产品。 对于本次设计中的前级运放 U 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的差分放 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）要大的场效应管，而 OP07 则满足以上要求。 （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 + 仪用放大电路的设计 9 （二 ） OP07 作为常用运放的功能 特点 OP07 芯片是一种低噪声，非斩波稳零的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 具有非常低的输入失调电压（对于 OP07A最大为 25μV），所以 OP07 在很多应用场合不需要额外的调零措施。 OP07 同时具有输入偏置电流低（ OP07A 为 177。 2nA）和开环增益高（对于 OP07A 为 300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得 OP07 特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。 有如下特点： （ 1）低的输入噪声电压幅度 （ ） （ 2）极低的输入失调电压 10uv （ 3）极低的输入失调电压温漂 （ 4）具有长期的稳定性 （ 5）低的输入偏置电流 +1na～ 1na （ 6）高的共模抑制比 126db （ 7）宽的共模输入电压范围 +14v～ 14v （ 8）宽的电源电压范围 177。 3v～ 177。 22v （ 9）可替代 725， 108A， 741， AD510 等电路 仪用放大器放大的原理 现所设计的仪用放大器是三运放结构，如图 它是由运放 1A , 2A 按通向输入接法组成第一级查分放大电路，运放 3A 组成第二级差分放大电路。 在第一级电路中， i1V , i2V 分别加到 1A 和 2A 的同向端， gR 和 5R , 6R 组成的反馈网络，引入了负反馈。 由 1A , 2A 虚短可得 i1 2 i2 3V =V。 V =V……………………… () 又由 1A , 2A 虚断可得 表 OP07 最大额定值 符号 参数 数值 单位 VCC 电源电压 177。 22 V Vid 差分输入电压 177。 30 V Vi 输入电压 177。 22 V Toper 工作温度 － 40～＋ 105 ℃ Tstg 贮藏温度 － 65～＋ 150 ℃ 图 OP07 管脚图 1234 5678O f f s e t N ul l 1I nv e r t i ng I np u tN o n I nv e r t i ng I np u tV c c O f f s e t N ul l 2V c c +O u t pu tN .C .仪用放大电路的设计 10 图 简单放大器结构图 O P 07 C PO P 07 C PO P 07 C PR5R3RgR4R1R6R2I N I N +V o utV r e f g 5 61 4 2 3gR + R + RV V = ( V V )R ……………… () ref 6 46 4 3V V R=V V R 整理得 3 46 4 re f3 4 3R RV = ( V + V )R + R R……………… .() 又由 3A 虚断可 得 out 5 25 1 1V V R=V V R 整理得 125 1 o u t1 2 1RR V = ( V + V )R + R R……………… .() 由 3A 虚短可得 56V=V ……………… () 则由 式、 式和 式可得 3 1 2 42o u t 4 r e f 11 3 4 3 1R ( R + R ) RRV = ( V + V ) VR ( R + R ) R R 整理后可得 out4432 2 24 1 r e f441 1 133RRRR R RR3V = ( + 1 ) ( ) V V + ( + 1 ) ( ) VRRR R R+ 1 + 1 在上式中，如果我们选取电阻满足 2413RR= 的关系，则输出电压可化简为 22o u t 4 1 re f11RRV = (V V )+ V… …………… ( 根据式 和 我们可以得到 g 5 622o u t 2 3 r e f1 g 1R + R + RRRV = [ ( V V ) ] + VR R R 仪用放大电路的设计 11 第三章 仪表放大电路主要性能指标 分析 仪表放大器电路参数计算 差模放大倍数 仪用放大 电路用 Multisim 2020 软件进行仿真。 在实际仿真中，调节滑动变阻器，通过仿真可得表 ： 表 数据记录表 编号 输入（ V） 输出 (V) 放大倍数 1 910 2 1153 3 1610 4 1674 5 2674 0iUA=U （放大倍数公式） 仪用放大电路主要性能指标 3.. 最大输出电压 如图 所示，通过对电路仿真及对滑动变阻器的粗调和细调，在方案二的电路中再加入了 R7，其中 R7=15KΩ，再调节滑动变阻器 R5，通过一次次的仿真及参数对比，当图 仿真波形图 仪用放大电路的设计 12 R5=2KΩ 时 ,最终实现了最大输出电压为 10V 的伏值。 满足设计要求。 如图 ，通过仿真，可得出：最大输出电压为 177。 10V 共模抑制能力分析 如图 所示，当双端输入时，对 u1 及 u2 输入共模信号即两信号大小相等，极性相同，由仿真波形可看出，电路对输入的共模信号有抑制作用，基本满足本次课程设计要求。 通频带分析 通频带用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力，由于放大电路中电容、电感及半导体器件结电容等电抗元件存在，在输入信号频率较低或较高时，放大倍数的数值会下降并产生相移。 一般情况下，放大电路只适用于放大某一个特定频率范围内的信号。 在本次课程设计中，需满足通频带为 0～ 10Hz。 图 最大输出电压 图 共模信号波形 仪用放大电路的设计 13 当为 0Hz 时，仿真图如下： 当为 10Hz 时，仿真图如下： 图 通频带 0Hz 仿真图 图 通频带 10Hz 仿真图 仪用放大电路的设计 14 第四章 仪用放大电路印制电路板设计制作 印制板设计要求 一、正确 这是印制板设计最基本、最重要的要求，准确实现电原理图的连接关系，避免出现 “短路 ”和 “断 路 ”这两个简单而致命的错误。 这一基本要求在手工设计和用简单 CAD 软件设计的 PCB 中并不容易做到，一般的产品都要经过两轮以上试制修改，功能较强的 CAD 软件则有检验功能，可以保证电气连接的正确性。 二、可靠 这是 PCB 设计中较高一层的要求。 连接正确的 电路板不一定可靠性好，例如板材选择不合理，板厚及安装固定不正确，元器件布局布线不当等都可能导致 PCB 不能可靠地工 作，早期失效甚至根本不能正确工作。 再如多层板和单、双面板相比，设计时要容易得多，但就可靠而言却不如单、双面板。 从可靠性的角度讲，结构越简单，使用面越小，板子层数越少，可靠性越高。 三、合理 这是 PCB 设计中更深一层，更不容易达到的要求。 一个印制板组件，从印制板的制造、检验、装配、调试到整机装配、调试，直到使用维修，无不与印制板的合理与否息息相关，例如板子形状选得不好加工困难，引线孔太小装配困难 ，没留试点高度困难，板外连接选择不当维修困难等等。 每一个困难都可能导致成本增加，工时延长。 而 每一个造成困难的原因都源于设计者的失误。 没有绝对合理的设计，只有不断合理化的过程。 它需要设计者的责任心和严谨的作风，以及实践中为断总结、提高的经验。 四、经济 这是一个不难达到、又不易达到，但必须达到的目标。 说 “不难 ”，板材选低价，板子尺寸尽量小，连接用直焊导线，表面涂覆用最便宜的，选择价格最低的加工厂等等，印制板制造价格就会下降。 但是不要忘记，这些廉价的选择可能造成工艺性，可靠性变 差，使制造费用、维修费用上升， 总体经济性不一定分理处，因此说 “不易 ”。 “必须 ”则是市场竞争的原则。 竞争是无情的，一个原理先进，技术高新的产品可能 因为经济性原因夭折。 五、体会 要有合理的走向：如输入 /输出，交流 /直流，强 /弱信号，高频 /低频，高压 /低压等，它 们的走向应该是呈线形的 (或分离 )，不得相互交融。 其目的是防止相互干扰。 最好的走向是仪用放大电路的设计 15 按直线，但一般不易实现，最不利的走向是环形，所幸的是可以设隔离 带来改善。 对于是直流，小信号，低电压 PCB 设计的要求可以低些。 所以 “合理 ”是相对的。 选择好接地点：小小的接地点不知有多少工程 技术人员对它做过多少论述，足见其重要性。 一般情况下要求共点地，如：。