小信号放大电路的探究_毕业设计论文

小信号放大电路的探究_毕业设计论文内容摘要：

根据这一原理， 该 电路可以用来抑制温度等外界因素的变化对电路性能的影响。 由于这个缘故。 该电路常用来作 为 放大电路 的输入级，它对共模信号有很强的抑制能力。 较好的 改善 了 整个电路性能。 BJT 集成运放的两 个输入端是差分对管的基极，因此两个输入端总需要一定的输入偏置电流 IBN 和 IBP。 输入偏置电流是指集成运放两个输入端静态电流的平均值，如图 第 14 页 331 所示。 偏置电流为2 BPBNIB III ，输入偏置电流的大小，在电路外接电阻确定之后，主要取决于运放差分输入级 BJT 的性能，当它的 β 值太小时，将引起偏置电流的增加。 从使用角度来看，偏置电流愈小，由于信号源内阻变化引起的输出电压变化也愈小，故它是 是重要的技术指标，以 BJT 为输入级运放一般为 10nA～ 1uA。 采用 MOSFET输入级的运放 IIB在 pA 数量级。 一般来说，在接地端加一个偏置电阻 （ R3=R1//R2） ，如图 332（ b） 所示。 该电阻的作用是消除输入偏置电流 IIB引起的输入误差电压。 因为若不接偏置电阻 ，如 （ a） 图。 当 Vi=0 时，输入偏置电流 IIB存在 ，所以 Vn≠0、 Vp=0， 即 Vid=VpVn≠0 可得到 Vo≠0。 而 （ b） 图接偏置电阻 R3， 当 Vi=0 时 ,即使 输入偏置电流 IIB存在 使得 Vn≠0、 Vp≠0，但由于 Vp=Vn，即 Vid=VpVn=0 可得到 Vo=0。 电路负 载 特性 及解决方法 电路 的负载特性是电路的一个重要的参数，从负载特性曲线图中可以 知道 电路的性图 331 输入偏置电流 (b)接偏置电阻 (a)未接偏置电阻 图 332 Vi Vi Vn Vn Vp Vp Vo Vo 第 15 页 能及用途。 电路 的 带载是指 确定 某一输出（某 个元件看作负载），能够满足此元件工作要求的能力 （ 如电压、电流 ） 称为带载能力。 普通的放大电路的带负载能力有限，这严重阻碍其通用性。 一般来说，解决这一问题的方法是在输出端接一个功率放大电路（电压跟随器）。 下面让我们来看看它是怎样解决通用性这一问题的。 首先， 让我们了解一下其基本电路，如 图 313 所示。 它的基本电路 很 简单， 理想情况 是 输入电阻 Ri→ ∞、 输出电阻 Ro→0 、 电压放大倍数Av=1。 但实际情况是 输入电阻 Ri 一般为兆欧级别、 输出电阻 Ro 一般只有几个欧姆甚至更小、 电压放大倍数 Av 略小于 1。 由戴维南定理可知 ， 该电路可等效为 一个电压源和电阻串联的单口网络 ,如图 341 所示。 下面 不妨 设 R0分别为 10Ω 、 20Ω 画出该电路的负载特性曲线，如图 342所示。 从图 342 中可以看到，当 R0=10Ω 时获得的功率较大。 因为该等效电路的内阻较小，在串联的情况下消耗的功率较小，从而使得负载获得更多的功率。 正是因为这些特性，可以将电压跟随器看做是一个理想电压源 和一个阻值较小的电阻的串联。 由于内阻很小决定其负载可获 得更多的功率 ，这样有效的解 决了电路带负载能力不足 的问题。 同时，又因为电压跟随器的输入电阻较 大， 所以 对前级影响很小 ，起到隔离的作用。 图 341 戴维南等效电路 （ a） R0=10Ω （ b） R0=20Ω 图 342 不同内阻的负载特性曲线 第 16 页 第四章 小信号放大电路的设计 信号的采集是整个电路的一个重要环节，采集到的信号的好坏决定其 是否 可 用。 下面将看看信号的采集电路（输入级差分放大电路），如图 411 所示。 该电路是 用两级差分放大电路构成，第一级为双端输入双端输出差分放大电路，第二级为双端输入单端输出差分放大电路，两者构成双端输入单端输出差分放大电路。 该电路通过两级差分 放大电路有效的抑制了共模信号（具有较高的共模抑制比）和温漂给电路点来的影响 ，可以采集到质量较好的差模信号。 电压放大 倍数 Av1 因为运放处于线性放大区，由运放的虚短、虚断特性 和 式 （ ） 可知 )(101)()12 100100()()1( 3 2111   VVVVK KKVVR RRVV () )(1010)(10 111   VVVVV o () 所以 101 011   VV VoAv。 V+ V V1+ V1 Vo1 图 411 双端输入单端输出放大电路 Vo 第 17 页 带宽 分析 所谓 的带宽就是能使电路正常工作的频率范围 ，它是影响电路通用性的重要因数之一。 一个带宽较大的电路通用性就越强，反之则越弱。 一般定义 ,增益下降到 3dB（增益约为原来放大倍数的 倍） 处对应的上下限截止频率 fH、 fL 之差，即 BW=fHfL。 又因为 fH》 fL，所以 BW≈fH。 下面将通过 Multisim 这个 仿真 软件 的波特 测试仪 测量 图411 所示 电路的 幅频响应曲线来确定该电路的 带宽。 电路带宽 测量 的连接 方式如图412 所示， 测量数据如 图 413 所示。 可知该电路的带宽约为。 图 413 前级放大 电路的幅频响应曲线 图 412 电路 带宽测量图 第 18 页 该 电路的作用主要是 完成高倍的 电压 信号放大作用 ， 由于前级电路输出信号达不到幅值要求，需要采用一级 电压 放大电路以满足对信号的幅值要求。 下面将看看信号的放大电路（中间级电压放大电路），如图 421 所示。 该电路是用 运放组成的反相放大电路 ，可有效的解决信号幅值达不到要求的问题。 电压放大倍数 Av2 因为运放处于线性放大区，由运放的虚短、虚断特性可知 Vo2=30Vo1,所以30122  oov VVA。 带宽 分析 由于 第一 节对带宽进行了 说明这里将不重复叙述。 下面将通过 Multisim 这个仿真软件 的波特 测试仪测量 图 421 所示 电路的 幅频响应曲线来确定该电路的 带宽。 电路带宽测量的连接方式如图 422 所示， 测量数据如 图 423 所示。 可知该电路的带宽约为。 Vo1 Vo2 图 421 中间级电压放大电路 图 422 电路 带宽测量图 第 19 页 由于电路的输出电阻较大， 只能驱动小负载 ,而对于大负载无能为力。 一般来说，要在电路输出端加一个功率放大电路（电压跟随器）以提高电路的输出功率，如图 431所示。 该电路是用运放组成的 同 相放大电路，可有效的解决 输出 信号 功率 不足的 问题。 电压放大倍数 Av3 因为运放处于线性放大区，由运放的虚短、虚断特性可知 32 oo VV  ,所以1133  oov VVA。 图 423 中间级电压放大电路的幅频响应曲线 Vo2 Vo3 图 431 输出级功率放大电路 Vo2 第 20 页 带宽 分析 由于 第一 节对带宽进行了说明这里将不重复叙述。 下面将通过 Multisim 这个仿真软件的波特测试仪测量 图 431 所示 电路的 幅频响应曲线来确定该电路的 带宽。 电路带宽测量的连接方式如图 432 所示， 测量数据如 图 433 所示。 可知该电路的带宽约为330MHz。 图 433 输出级功率放大电路的幅频响应曲线 图 432 电路 带宽测量图 第 21 页 相 关参数的计算 以上各节已对电路各个模块进行了设计和相关的计算。 现在要对其进行连接 和 计算， 连接图 见附录一 所示。 该电路可实现对低频小电压信号 (幅值为 10uV～ 100uV)进行放大，带宽为 0～ ，增益在 90db 左右。 下面将对这些参数进行计算可测量。 电压放大倍数 Av 前 几 节 已 对 各 个 模 块 的 参 数 进 行 了 计 算 可 直 接 利 用 计 算 结 果。 303001)30()1010(321  vvvv AAAViVoA （约为 90dB）。 带宽 分析 由于第一节对带宽进行了说明这里将不重复叙述。 下面将通过 Multisim 这个仿真软件的波特测试仪测量 系统 电路 （见附录一） 的 幅频响应曲线来确定该电路的 带宽。 电路带宽测量的连接方式见附录二所示， 测量数据如 图 441 所示。 可知该电路的带宽约为。 图 441 小信号放大电路的幅频响应曲线 第 22 页 第五章 电路元器件的排布及 电源线和 地线的处理 完成对电路的相关设计只是一个基础，要想制作出成品还有很多现实的问题要考虑， 例如元器件的排布 （干扰、散热等） 、电源线、信号线、地线等。 下面 两节 将具体探究其相关问题 并提出相关的解决方法。 因为小电压信号本身的能量较小容易被 噪声所 淹没 ，所以 小 电压 信号最容易受到干扰， 常见的干扰有： 来 自 空间 的 干扰（辐射）多由电磁感应引起，电磁感应的结果是电压。 对于线路的干扰（传导），由于电压信号的内阻 较 小，易叠加 ； 一些线路自身的干扰（热电势、接触电势）多以电压形式出现。 因此，合理的元器件排布对制作一个合格的成品至关重要。 下面我们将探讨一下常见的元器件排布。 我们一般 以运算放大器等集成器件为中心向四周排布，将产生相互干扰的器件隔离或加大它们之间的距离以减小或消除干扰；变压器、功耗管等器件放在电路板的边缘 ，因为这些器件 在工作期间所消耗的电 能，除了有用功外，大部分转化成热量散发。 这些器件 产生的热量， 会 使 设备 内部温度迅速上升，如果不及时将该热量散发，设备会继续升温，器件就会因过热失效， 从而导致 设备的可靠性将下降。 以上是对常用元器件的排布做了简要的探究，探究 出 了 一般的排布规律 ， 这样排布不仅可以减小或消除干扰，而且还有利于电路的美观。 地线的处理 在 制作成品 布线 的过程 中，电源线和地线的处理是十分重要的， 因为 在整个 过程中 既使 其它 布线完成 的都 很好，但 是 由于电 源 线 、 地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品的成功率 ， 所以对电 源线 、 地线的布线要认真对待，把电 源线 、地线所产生的噪音干扰降到最低限度 ，以保证产品的质量。 电源线和地线的布线规则如下： 在电源、地线之间加上去耦电容； 尽量加宽电源线、地线宽度，最好是地线比电源线宽。 一般来说， 它们的关系是：地线＞电源线＞信号线，通常信号线宽为： ～ ， 最 细宽度可达 ～ ,电源线为 ～ mm。 对于关键的信号线要采取最佳措施，如尽量减小它的长度 ，输入线 与输出线 之间 要 明显地分开 ；模拟电路 与 数字 电路之间 地线 的处理 ，一般将模拟电路 、数字电路分别共接一个地，这样可有效的减少或消除二者之间的相互干扰 ，同时也可以 简化、美化电路。 以上是对常规电路的电源线、地线的排布做了简要的探究，探究出了一般的排布规律，这样排布有利于减小或消除 排线不当而造成的 干扰。 第 23 页 结束语 为期一个月的毕业设计即将结束，在这期间我经历了从 选题、相关知识的学习、相关 资料 的查找 、分析课题 、电路的设计 到学习软件、总结经验教训及书写毕业论文的过程。 从一开始课题的选定、整体方案的确定，到最终电路功能的实现 ，中间经历了很多困难，在王老师指导下和自己努力专研下，终于有所收获。 在前期的理论学习中，我在图书馆查阅相关书籍，认真学习相关知识。 当遇到不懂的问题时，我首先会通过上网查阅的方式努力自己解决。 如果实在无法解决，我会向同学或老师请教。 这样做的主要目的是培养自己的独立思考、解决问题的能力。 当理论学习完毕后，就是进行相关的电路设计了。 我没有一上来就进行电路的设计，而是对在电路设计中可能遇到的相关问题进行了具体的探究，例如怎样减少或消除电路的温漂；怎样解决电路输出功率不足；怎样解决元器件的相互干扰（即元器件的排布） 等问题。 本课题介绍了基于 OPA842ID 的 小信号放大电路 的 探究和设计 ，主要目的是把微弱的电压信号进行无失真的放大传输。 对小信号放大电路的要求有：一、要有足够的增益，才能将小信号放大到容易处理的范围；二、电路本身的噪声要低，这是因为小信号本身比较微弱，容易被噪声所淹没，或者受到外界干扰，而不能辨识，所以要尽量减小噪声干扰；三、 要有合适的输入、输出阻抗，才能最大限度的提取到输入源的信号，并提高带负载的能力。 根据上述的要求， 经过 我 反复对 硬件电路的设计与改。