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 南京师范大学中北学院 南京师范大学中北学院 南京师范大学中北学院 毕 业 设 计(论 文) 毕 业 设 计(论 文) 毕 业 设 计(论 文) ( 2013 届) ( 2013 届) ( 2013 届) 题 目: 小信号放大电路的探究 专 业: 电子信息工程 姓 名: XXXX 学 号: XXXX 指导教师: 王兴和 职 称: 教授 填写日期: 2013-04-30 南京师范大学中北学院教务处 制 摘 要 目前，小信号放大电路的应用极其广泛，小到音箱、收音机等民用行业，大到卫星、火箭等军用行业。它不仅使我们的日常生活更加丰富多彩，而且对经济、国防等做出了不可磨灭的贡献。然而小信号有它自身的缺陷，由于它本身的能量较小，容易被噪声淹没或受到外界的干扰，而且对小信号放大电路设计的难处主要在高性能运算放大器。运算放大器性能的优劣决定该电路的性能。与国外相比国内对运算放大器的研究比较落后，导致对小信号放大电路的研究处于落后状态。 基于OPA842ID，本设计介绍了小信号放大电路的探究与设计。该电路由五个OPA842ID组成的输入级差分放大电路、中间级电压放大电路和输出级功率放大电路完成对小信号的采集、电压放大和功率放大。同时有效的抑制或消除电路的温漂和共模信号，使放大后的信号失真度较小。设计好后的电路，使用Multisim电路仿真软件对其进行仿真。通过施加正弦小电压信号，从电路的静态工作点分析，交流分析等方面仿真，得出电路的电压增益、带宽等仿真结果，进一步验证了电路理论设计的正确性和可行性。 关键词:小信号 放大电路 OPA842ID Multisim 第1页 Abstract Currently, the application of the small signal circuit is extremely wide, small to speakers, radios and other civilian industry, large to satellites, rockets and other military industry. It not only makes our daily life more colorful, but also made an indelible contribution to the economic, defense and others. However, the small-signal has its own flaws, because of itself smaller energy, it is easy to drown by the noise or interference by outside. And the main difficulty of small signal amplification circuit design is high-performance operational amplifier. The pros and cons of the operational amplifier performance determine the performance of the circuit. Compared with foreign countries, the domestic operational amplifier is relatively backward, lead to the study of the small-signal amplifier circuit in a backward state. Based on OPA842ID，this design introduces a small signal amplification circuit of inquiry and design. The circuit is composed by five OPA842ID input level differential amplifier circuit, the intermediate stage voltage amplifying circuit and the output stage power amplifying circuit to complete the acquisition of the small signal, the voltage amplification and power amplification. At the same time, it effectively suppresses or eliminates the temperature drift of the circuit and the common-mode signal, making the amplified signal distortion smaller. After completed the circuit design, using Multisim circuit simulation software to simulate. By applying a sinusoidal voltage signal，from the quiescent operating point of the circuit analysis, AC analysis and so on to simulation, to draw the simulation results of the voltage gain, bandwidth, etc, further validate the correctness and feasibility of the circuit theory design. Key words:Small Signal Amplifier circuit OPA842ID Multisim 第2页 目 录 第一章 绪论 ................................................ 5 1.1本课题的背景及意义 ................................................ 5 1.2本课题的主要研究内容 .............................................. 5 第二章 小信号放大电路的系统方案 ............................. 6 2.1系统方案介绍 ...................................................... 6 2.2系统框图 .......................................................... 6 2.3相关子模块的方案论证 .............................................. 6 2.3.1输入级差分放大电路 ........................................... 6 2.3.2中间级电压放大电路 ........................................... 7 2.3.3输出级功率放大电路 ........................................... 8 第三章 常见的问题及解决 ................................. 9 3.1电源电压波动 ...................................................... 9 3.1.1电源电压波动对电路的影响 ..................................... 9 3.1.2解决方法 .................................................... 10 3.2温度变化对电路中各元器件的影响及解决方法 ......................... 10 3.2.1温度对电阻阻值的影响及解决方法 .............................. 10 3.2.2温度对运放参数及特性的影响及解决方法 ........................ 12 3.3运放输入偏置电流对电路的影响及解决方法 ........................... 13 3.4电路负载特性及解决方法 ........................................... 14 第四章 小信号放大电路的设计 ................................ 16 4.1信号的采集 ....................................................... 16 4.1.1电压放大倍数A ............................................. 16 v1 4.1.2带宽分析 .................................................... 17 4.2信号的放大 ....................................................... 18 4.2.1电压放大倍数A ............................................. 18 v2 4.2.2带宽分析 .................................................... 18 4.3信号的功率放大 ................................................... 19 4.3.1电压放大倍数A ............................................. 19 v3 4.3.2带宽分析 .................................................... 20 4.4系统相关参数的计算 ............................................... 21 4.4.1电压放大倍数A .............................................. 21 v 4.4.2带宽分析 .................................................... 21 第五章 电路元器件的排布及电源线和地线的处理 ................. 22 5.1制作成品可能遇到问题 ............................................. 22 5.2电路元器件的排布 ................................................. 22 5.3电源线和地线的处理 ............................................... 22 第3页 结束语 .................................................... 23 参考文献 .................................................. 24 致谢...................................................... 25 附录...................................................... 26 附录一 系统电路图 .................................................... 26 附录二 系统带宽测量图 ................................................ 27 附录三 OPA842ID相关参数 ............................................. 28 附录四 系统PCB印刷板 ................................................ 29 附录五 系统焊接电路元器件清单 ........................................ 30 第4页 第一章 绪论 1.1本课题的背景及意义 近年来，随着高性能集成运算放大器技术的迅猛发展，使得放大电路的应用非常广泛，尤其是小信号放大电路的应用。它涉及的行业很广泛，小到音箱、收音机等民用行业，大到卫星、火箭等军用行业。 小信号放大电路在实际应用中意义十分重大，通常我们需要对小信号的波形、频率等参数进行分析。然而现有的设备很难观测这些小信号的参数，这要求我们必须对小信号的幅值进行放大以便于我们对其进行研究。 1.2本课题的主要研究内容 本课题主要研究小信号放大电路的带宽、信噪比、增益、输入输出阻抗等参数。其中，小信号的幅值为10uV,100uV, 带宽为0,2.2MHz，增益在90db左右,性噪比为9:1，输入电阻趋于无穷，输出电阻趋于零。 根据研究内容，本文介绍了基于OPA842ID高单位增益带宽芯片的小信号放大电路的设计与制作。该电路在实际应用中还会遇到如下几个问题:(1)环境温度的变化、电源电压波动等对电路的影响。(2)要求输出信号有个较大的幅值及电路有个较大的带宽。(3)要求负载功率的变化对电路的输出几乎没有影响。通过相应的技术处理，设计出符合要求的小信号放大电路。 第5页 第二章 小信号放大电路的系统方案 2.1系统方案介绍 整个电路组要有三个部分组成:(1)输入级———采用差分放大电路来抑制电路的零漂和温漂，同时也提高了电路的共模抑制比。(2)中间级———采用电压放大电路来确保电路输出电压幅值足够大。(3)输出级———采用电压跟随器(功率放大电路)来确保电路输出功率足够大。 整个电路的是:(1)输入级差分放大电路完成对信号的采集和放大。由于差分放大电路采用了两个相同参数的运算放大器，所以该电路有较强的抑制共模信号、温漂和零漂的能力。(2)中间级电压放大电路实现对前级输出信号的电压进行放大以满足对信号幅度的要求。(3)输出级功率放大电路放大中间级放大电路输出信号的功率来满足不同功率负载的要求。通过这三级电路的串联实现对小信号的采集、放大和提高其带负载能力，来满足实际的需求。 2.2系统框图 系统框图如图2-2-1所示。通过框图，可以清晰的看到系统有前级差分放大、负反馈放大和功率放大三部分构成。 前级差分OPA842IDOPA842ID小信号输入 信号输出 放大 负反馈放大 功率放大 图2-2-1 系统框图 2.3相关子模块的方案论证 2.3.1输入级差分放大电路 方案一:在电子市场上直接买高单位增益带宽的集成运算放大芯片(如OPA842ID)。直接用集成运算放大芯片的优点是省去了焊接和调试电路的过程且该电路具有较强的抑制零漂、温漂和共模信号的能力，电路的带宽也比较大。 方案二:可以自己利用电阻，电容，三极管等分立电子元器件，参照集成运算放大器的工作原理，试着焊接电路，调试，反复尝试，直到能够满足要求为止。该方案的优 第6页 点是相对降低了毕业设计的成本，缺点是自己焊接的电路，性能没有集成运算放大器的性能好，且工作量大、易出错。 综合考虑后，最后采用方案一，来解决差分放大电路，如图2-3-1所示。 V1+V + Vo1 V - V1 - 图2-3-1 差分放大电路 Vo 2.3.2中间级电压放大电路 方案一:用高单位增益带宽的集成运算放大芯片(如OPA842ID)连接一个反相电压放大电路。该电路的优点是易于设计一个符合放大倍数要求的电路且电路的带宽较大、结构简单。 方案二:可以自己利用电阻，电容，三极管等分立电子元器件，参照反相电压放大电路的工作原理，试着焊接电路，调试，反复尝试，直到能够满足要求为止。该方案的优点是相对降低了毕业设计的成本，缺点是自己搭的电路，性能没有集成运算放大器搭成的反相电压放大电路的性能好，且工作量大、易出错。 综合考虑后，最后采用方案一，来解决中间级电压放大电路，如图2-3-2所示。 V o1 V o2 图2-3-2 中间级电压放大电路 第7页 2.3.3输出级功率放大电路 方案一:用高单位增益带宽的集成运算放大芯片(如OPA842ID)连接一个电压跟随器。该电路的优点是易于设计一个符合输出功率要求的电路且电路的带宽较大、结构简单。 方案二:可以自己利用电阻，电容，三极管等分立电子元器件，参照射极电压跟随电路的工作原理，试着焊接电路，调试，反复尝试，直到能够满足要求为止。该方案的优点是相对降低了毕业设计的成本，缺点是自己搭的电路，性能没有集成运算放大器焊接成电压跟随电路的性能好，且工作量大、易出错。 综合考虑后，最后采用方案一，来解决输出级功率放大电路，如图2-3-3所示。 V o2 V o3 图2-3-3 输出级功率放大电路 V o2 第8页 第三章 常见的问题及解决方法 3.1电源电压波动 3.1.1电源电压波动对电路的影响 理想直流电压源的电压为一个恒定的值，但在实际这种情况是不存在的。它们或多或少受环境的温度、各元器件间的相互干扰等因素影响。在对电源电压要求较高的电路中会造成重大影响。 电源电压波动主要有两个方面:一方面，稳压电源中混有50 Hz、100 Hz 等交流分量。因为多数直流电压源是利用50Hz 的交流电源经整流滤波后获得的,若直流电压源中的滤波器滤波不良, 则将会有50 Hz、100 Hz 等交流分量, 以及它们的相应谐波信号进入放大器的输入端, 这些信号经放大器放大后, 混杂在正常信号的输出中, 会使放大器产生所谓“交流噪声”干扰，如图3-1-1所示。 图3-1-1 受干扰的波形 另一方面，直流电压源的稳压性较差, 带负载能力不高, 导致输出直流电压不稳定的现象。假设某一时刻电源的VCC=5.5V、VDD=-4.5V，如图3-1-2所示。该电路的VCC和VDD都有0.5V的波动(理想情况VCC、VDD为5V、-5V)，一般情况下，它会把(5.5-4.5)/2=0.5V看做自己的地，也就是说实际出来的波形会和对称电源出来的波形相差0.5V左右(即波形会上移)。若每一级放大电路都产生了0.5V左右的误差，则对于多级放大电路来说就产生了很大的误差。这样容易导致运放输出达到饱和而产生失真，如图3-1-3所示。可见电源电压的稳定对电路的重要性。 输入 输出 图3-1-2 电源电压波动 图3-1-3 失真波形 第9页 3.1.2解决方法 对于电源电压中混有50 Hz、100 Hz 等交流分量的这种情况，我们一般在电源和地线之间串联一个容值较大的电容(一般为100nF)来解决电源电压波动问题。如图3-1-4所示。因为电容有隔直流通交流的作用，当电源电压中有交流分量时，电容器就会把交流成分滤掉，只剩下稳定的直流分量。而对于输出直流电压不稳定的这种现象，可以换一个稳压性较好, 带负载能力较高的直流稳压电源来解决这一问题。 输入 输出 图3-1-4 加滤波电容的电路 3.2温度变化对电路中各元器件的影响及解决方法 随着电路工作产生的热量和环境温度的变化，电路中的各元器件参数和特性会发生 下面将具体说明温度变化对其参数的影响。 变化(如电阻、运放等)。 3.2.1温度对电阻阻值的影响及解决方法 R-R21TCR,首先，将了解一下电阻的温度系数()，它表示表示电阻当温度改变R,,T1 1度时，电阻值的相对变化，单位为ppm/?(ppm-百万分之一)。普通电阻的温度系数为100~200ppm，而精密电阻的温度系数小于20ppm。 让我们看看电阻阻值变化对电路的影响。对于多级放大电路来说，电阻阻值的变化对前级放大电路的影响比较大，而对后级放大电路的影响比较小。因为若前级放大电路的输出电压误差为?V，经过多级放大后误差变为Av?V(其中Av为多级放大电路的电压增益)。如图3-2-1所示，由运放的虚短、虚断特性可得: V1,VV,VV,V，，，,,,1,, (3.2.1) RRR132 RR11V,(，1)V,V由式(3.2.1)可知 (3.2.2) 1，，,RR33 第10页 RR22 (3.2.3) ,V,V,(，1)V 1,，,RR33 R，R12再由式(3.2.2)、(3.2.3)式可知 (3.2.4) V,V,(，1)，(V,V)1，1,，,R3 V+ V1 + V1 - V - 图3-2-1 前级差分放大电路 由于温度变化会使得R、R、R的阻值发生变化，即式(3.2.4)中会产生误差为?V123 (其中?V为温度变化前后之差)的输出电压。即使?V很小，但经过多级放V,V1，1, 大后会有一个较大的误差。 因此，要根据不同的电路选择不同的电阻及正确的焊接方式，这样可以减少温度对电路的影响。一般来说，选择散热性能较好且阻值精度较高的电阻(如金属膜电阻)作为前级放大电路的电阻，还要选择正确的焊接方式，如图3-2-2所示两种焊接方式。显然电阻因温度差产生的热电动势，对于精密放大电路，需要考虑温度场的影响。 错误 正确 图3-2-2 电阻焊接方式 第11页 3.2.2温度对运放参数及特性的影响及解决方法 由于温度变化引起输出电压产生?Vo(或电流?Io)的漂移，通常把温度升高1? ,Vo,Io输出漂移折合到输入端的等效漂移电压(或电流)作为温漂指标。集Av,,TAi,,T 成运放的温度漂移是漂移的主要来源，而它又是由输入失调电压和输入失调电流随温度的漂移所引起的，故常用下面方式表示: ,VIO【1】 输入失调电压温漂 ,T 这是指在规定温度范围内V的温度系数，也是衡量电路温漂的重要指标。IO ,VIO不能用外接调零装置的办法来补偿。高质量的放大器常选用低温漂的器件来,T 组成，一般约为?(10,20)uV/?。其值小于2uV/?为低温漂运放。 ,VIO【2】输入失调电流温漂 ,T 这是指在规定温度范围内I的温度系数，也是对放大电路电流漂移的度量。同样IO 不能用外接调零装置来补偿。高质量的运放每度几个pA。 以上参数均是在标称电源电压、室温、零共模输入电压条件下定义的。 对于高精度运放来说这些误差可忽略不计，但对于前级放大电路来说这些误差经过多级放大后会很大，严重时会导致输出信号无法使用。下面将引入一种差分电路即两个参数完全相同的运放组成的对称电路和一个双端输入单端输出的差分放大电路，如图3-2-3所示。 V1+V + Vo V - V1 - 图3-2-3 三运放仪表放大电路 Vo 第12页 下面将分析一下电路的工作原理 【1】 静态分析 当没有输入信号电压，即V=V=0时，由于电路完全对称，V=V=0得到V=0。+-1+1-o由此可知，输入信号为零时，输出信号V也为零。 o 【2】动态分析 (1)输入信号为差模信号V id Vid当在电路的两个输入端各加一个大小相等，极性相反的信号电压，即V,,V,，,2时，V上升V下降，所以差模输出信号电压，即可知V,V,V,01+1-1o1，1, ，这就是差模信号。这种输入方式称为V,,10(V,V),,1010(V,V)V,V,Vo1，1,，,id，, 差模输入。 (2)输入信号为共模信号V ic 在差分式放大电路中，无论是温度变化，还是电源电压的波动都会引起运放的输出电压相同的变化(因为运放参数相同)，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号V。ic两个输出端的共模电压相同，即V=V。又因为，所以输出电压V,,10(V,V)1+1-o1，1, V=0。 o )输入信号为差模信号V和共模信号V的叠加 (3idic VVididV,V，V,V,当输入信号电压,时,可知输出电压为: ，ic,ic22 (3.2.5) V,,10(V,V),,1010(V,V),,1010，Vo1，1,，,id 即双端输入单端输出差分电路只放大差模信号，而抑制共模信号。 通过对图3-2-3所示的放大电路的工作原理的探究和分析，现在可以理解它是怎样 VocA,解决温漂的问题了。该电路用共模放大倍数Avc()来衡量差分放大电路抑制vcVic 漂移或者干扰信号的能力。Avc越小，表示电路抑制漂移或者干扰信号(主要是温漂)的能力越强。因为温度变化时，运放的输入失调电流和输入失调电压会发生变化，对电路产生一定的影响。而现在采用图3-2-3所示的放大电路，由电路的对称性可知Voc?0(理想情况下Voc=0)，也可得到Avc?0(理想情况下Avc=0)。温度的变化对电路的输出几乎没有影响，有效的抑制了电路的温漂。 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。 3.3运放输入偏置电流对电路的影响及解决方法 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I和I。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BNBP 第13页 I，IBNBP3-3-1所示。偏置电流为I,，输入偏置电流的大小，在电路外接电阻确定之IB2 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I在pA数量级。 IB 图3-3-1 输入偏置电流 一般来说，在接地端加一个偏置电阻(R=R//R)，如图3-3-2(b)所示。该电阻312 的作用是消除输入偏置电流I引起的输入误差电压。因为若不接偏置电阻，如(a)图。IB 当V=0时，输入偏置电流I存在，所以Vn?0、Vp=0，即V=Vp-Vn?0可得到V?0。iIBido而(b)图接偏置电阻R，当Vi=0时,即使输入偏置电流I存在使得Vn?0、Vp?0，但3IB 由于Vp=Vn，即V=Vp-Vn=0可得到Vo=0。 id Vn Vn Vi Vi Vo Vo Vp Vp (a)未接偏置电阻 (b)接偏置电阻 图3-3-2 3.4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 第14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3-1-3所示。它的基本电路很简单，理想情况是输入电阻R??、输出电阻R?0、电压放大倍数io Av=1。但实际情况是输入电阻R一般为兆欧级别、输出i 电阻R一般只有几个欧姆甚至更小、电压放大倍数Av略o 小于1。由戴维南可知，该电路可等效为一个电压源 和电阻串联的单口网络,如图3-4-1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3-4-2 图3-4-1 戴维南等效电路 所示。 (a)R0=10Ω (b)R0=20Ω 图3-4-2 不同内阻的负载特性曲线 从图3-4-2中可以看到，当R=10Ω时获得的功率较大。因为该等效电路的内阻较0 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。 第15页 第四章 小信号放大电路的设计 4.1信号的采集 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4-1-1所示。该电路是用两级 V V1 ++ Vo1 V - V1 - 图4-1-1 双端输入单端输出放大电路 Vo 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。 4.1.1电压放大倍数A v1 因为运放处于线性放大区，由运放的虚短、虚断特性和式(3.2.4)可知 R，R100K，100K12V,V,(，1)，(V,V),(，1)，(V,V),101(V,V) (4.1.1) 1，1,，,，,，,R2K3 V,,10(V,V),,1010(V,V) (4.1.2) o11，1,，, Vo1A,,,1010所以。 v1VV,，, 第16页 4.1.2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0.707倍)处对应的上下限截止频率fH、fL之差，即BW=fH-fL。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4-1-1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4-1-2所示，测量数据如图4-1-3所示。可知该电路的带宽约为2.93MHz。 图4-1-2 电路带宽测量图 图4-1-3 前级放大电路的幅频响应曲线 第17页 4.2信号的放大 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4-2-1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。 V o1 V o2 图4-2-1 中间级电压放大电路 4.2.1电压放大倍数A v2 因为运放处于线性放大区，由运放的虚短、虚断特性可知V=-30V,所以o2o1 Vo2A,,,30。 v2Vo1 4.2.2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4-2-1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4-2-2所示，测量数据如图4-2-3所示。可知该电路的带宽约为4.88MHz。 图4-2-2 电路带宽测量图 第18页 图4-2-3 中间级电压放大电路的幅频响应曲线 4.3信号的功率放大 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4-3-1 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 V o2题。 V o3 图4-3-1 输出级功率放大电路 V o2 4.3.1电压放大倍数A v3 V,V因为运放处于线性放大区，由运放的虚短、虚断特性可知,所以o2o3 Vo3A,,1。 v3Vo1 第19页 4.3.2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4-3-1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4-3-2所示，测量数据如图4-3-3所示。可知该电路的带宽约为330MHz。 图4-3-2 电路带宽测量图 图4-3-3 输出级功率放大电路的幅频响应曲线 第20页 4.4系统相关参数的计算 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0,2.2MHz，增益在90db左右。下面将对这些参数进行计算可测量。 4.4.1电压放大倍数A v 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。 Vo(约为90dB)。 A,,A,A,A,(,1010)，(,30)，1,30300vv1v2v3Vi 4.4.2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4-4-1所示。可知该电路的带宽约为2.2M。 图4-4-1 小信号放大电路的幅频响应曲线 第21页 第五章 电路元器件的排布及电源线和地线的处理 5.1制作成品可能遇到问题 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。 5.2电路元器件的排布 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 常见的干扰有:1、干扰，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。2、对于线路的干扰(传导)，由于电压信号的内阻较小，易叠加;3、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。 5.3电源线和地线的处理 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: 1、在电源、地线之间加上去耦电容; 2、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:0.2,0.3mm，最细宽度可达0.05,0.07mm,电源线为1.2,2.5 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22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进，终于设计出满足要求的电路。 通过毕业设计，让我明白做出一个符合要求的设计不仅要学习相关知识，而且更要有信心和耐心。只有具备了这些素质才能高质量、高的完成毕业论文。 第23页 参考文献 [1]康华光主编. 电子技术基础.模拟部分.第五版. 北京:高等教育出版社， 2005 [2]谢嘉奎主编. 电子线路.线性部分.第四版. 北京:高等教育出版社， 1999 [3]王远主编. 模拟电子技术.第二版, 北京:机械工业出版社，1994 [4]农承斌,刘京主编. 模拟集成电子技术基础. 南京:东南大学出版社， 1994 [5]李哲英主编. 电子技术及其应用基础(模拟部分). 北京:高等教育出版社, 2003 [6]谢沅清，解月珍主编. 电子电路基础. 北京:人民邮电出版社， 1998 [7]吴运昌主编. 模拟电子线路基础. 广州:华南理工大学出版社， 1998 [8]陈大钦主编. 模拟电子技术基础.第二版. 北京:高等教育出版社， 2000 [9]周淑阁主编. 模拟电子技术基础. 北京:高等教育出版社， 2004 [10]李瀚荪编. 电路分析基础.第三版.上、中、下册。 北京:高等教育出版社， 1993 [11]何峥嵘 运算放大器电路的噪声分析和设计 微电子学 2006.4 [12]樊锡德 具有强干扰性和低噪声的前置放大器 仪表技术 1997 [13]Donald A. Neamen 电子电路分析与设计——模拟电子技术[M] 第三版 清华大学出版社 2009 [14]黄天禄，张滢，董军 功率放大器两种实现方法的比较 现代电子技术 2003 [15]何敏，孙峥，闵锐等 模拟电子电路中差分放大电路的分析 电子高等教育学2008年学术年会论文集 2008 第24页 致谢 本毕业设计是在我的指导老师王老师的亲切关怀与细心指导下完成的。从最初的选题、资料收集、相关知识的学习，到课题的探究、设计、修改，再到论文定稿，王老师始终给了我耐心的指导和无私的帮助。在此过程中，我遇到了很多的问题。每当我向他请教时，他都会在第一时间给我解答，王老师宅心仁厚，不谋荣利，对学生认真负责，在他的身上，我们可以感受到一个学者的严谨和务实，这些都让我们受益匪浅，并且将终生受用无穷。毕竟“经师易得，人师难求”，这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，希望借此机会向王老师表示最衷心的感谢～ 与此同时，我也要感谢所有任课老师和所有同学在这四年来给予我的指导和帮助，是他们教会了我许多专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示由衷的谢意，并祝愿所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下～ 通过这一阶段的努力，我的毕业论文终于完成了，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力、各位老师、同学、朋友的关心、支持和鼓励外，还与母校给予我良好的学习环境是分不开的。在此，感谢母校给予了我良好的学习环境，让我顺利的完成学业，使我成长为一名合格的大学生。 第25页 附录 附录一 系统电路图 Vi Vo i 第26页 附录二 系统带宽测量图 第27页 附录三 OPA842ID相关参数 制造商: Texas Instruments 产品种类: 高速 Op 放大器 RoHS: 是 通道数量: 1 Channel 电压增益 dB: 110 dB 输入补偿电压: 1.2 mV 转换速度: 400 V/us 工作电源电压: 12 V 电源电流: 20.8 mA 安装风格: SMD/SMT 封装 / 箱体: SOIC-8 封装: Tube 共模抑制比(最小值): 85 dB 增益带宽生成: 200 MHz 输入偏流(最大值): 35 uA 最大工作温度: + 85 C 最小工作温度: - 40 C 输出电流(典型值): 100 mA 产品: Voltage Feedback Amplifier 稳定时间: 15 ns 第28页 附录四 系统PCB印刷板 第29页 附录五 系统焊接电路元器件清单 电子元器件 型号 数量 R3 2K 1 R10 9.7K 1 R4,R6,R8 10K 3 R1,R2,R5,R7 100K 4 R9 300K 1 C1~C9 100uF 9 OPA842ID 5 导线 若干 通用板 1 内部资料 仅供参考 内部资料 仅供参考 第30页 第31页