精选优质文档-倾情为你奉上课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 电信1101班 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目: 高输入阻抗放大电路的设计仿真与实现 初始条件： 可选元件：运算放大器，三极管，电阻、电位器、电容、二极管若干，直流电源Vcc= +12V，VEE= -12V，或自选元器件。可用仪器：示波器，万用表，直流稳压源，毫伏表等。要求完成的主要任务: （1）设计任务根据要求，完成对高输入阻抗放大电路的设计、装配与调试，鼓励自制稳压电源。（2）设计要求 电压增益=100，输入信号频率=60dB的要求。关键词：高输入阻抗；放大；Proteus仿真；差分放大电路；镜像电流源1电路方案选择方案一：用晶体三极管组成多级放大器来实现。一个多级放大器总的电压放大倍数等于各单级放大器的乘积。本实验可以考虑用二级放大器来实现放大倍数大于100的要求，第一级电路实现放大倍数15倍，第二级实现10倍的放大倍数，总放大倍数达到150，符合要求。而输入阻抗等于第一级放大的输入阻抗，为了实现高输入阻抗的要求，可以选择输入阻抗高的射极偏置共射极放大电路作为第一级放大电路。理论上这种方案很容易实现，但是由于晶体三极管正常工作放大时候对静态工作点的要求较高，静态工作点设置不好就会引起失真，所以这种方案不用。方案二:用集成运算放大器实现。集成运算放大器简称集成运放，是一种模拟集成电路。集成运放是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路，一般由输入级、中间级、输出级、偏置电路四部分组成。输入级常常采用三极管和场效应管组成的差分放大电路，具有高差模放大倍数和高输入电阻，同时获得尽可能低的零点漂移和尽可能高的共模抑制比，其性能的好坏直接影响集成运算放大器的整体性能。中间级由多极共射极或共源放大器组成，为集成运算放大器提供高电压放大倍数。为了提高电压放大倍数，经常采用复合管结构，使用恒流源作为集电极负载。输出级一般由电压跟随器或者互补对称电压跟随器构成，具有较低的输出电阻和较强的带负载能力，同时需要一个较宽的线性输出范围。输出级往往还具备有保护电路的功能偏置电路为各级电路设置合适和稳定的静态工作点，往往采用恒流源电路为三极管或场效应管的各电极提供合适的偏置电流。根据高输入阻抗放大器的高输入阻抗要求，我们选取型号为CA3130E的放大器，此放大器的输入阻抗高达1.5x1012欧姆，远远可以满足高输入阻抗的要求，且CA3130E放大器的共模抑制比为90dB，也大于所要求的60dB。设计要求是放大倍数A100倍，输入频率f100HZ，而根据芯片CA3130的特点，芯片输出电压的值受到直流偏置电压的影响，最大只能达到直流偏置电压的值，所以在这里直流偏置电压设计的是正负15V。由于放大器本身的电压放大倍数达到了105，而设计要求电压放大倍数为100，可以引用电压串联负反馈，来调节电压放大倍数。2高输入阻抗放大电路设计 集成运放是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电路，一般由输入级、中间级、输出级、偏置电路四部分组成。输入级常常采用三极管和场效应管组成的差分放大电路，具有高差模放大倍数和高输入电阻，同时获得尽可能低的零点漂移和尽可能高的共模抑制比，其性能的好坏直接影响集成运算放大器的整体性能。中间级由多极共射极或共源放大器组成，为集成运算放大器提供高电压放大倍数。为了提高电压放大倍数，经常采用复合管结构，使用恒流源作为集电极负载。输出级一般由电压跟随器或者互补对称电压跟随器构成，具有较低的输出电阻和较强的带负载能力，同时需要一个较宽的线性输出范围。下面就每部分电路做原理分析。2.1.差分放大电路2.1.1零点漂移实验研究发现，直接耦合放大器即使将输入端短路，输出电压并不为零。而且这个不为零的电压会随时间作缓慢的、无规则的、持续的变动，这种现象称为零点漂移，简称零漂。产生这种现象的原因在于直接耦合，当外界因素变化时输出电压随之变化。其中温度的影响最大，所以有时把零漂也叫温漂。第一级的零漂经第二级放大，再传给第三级，依次传递的结果使外界参数的微小变化，在输出端产生了较大的零漂电压。这个变化的电压与有用的输出信号混在一起，严重时甚至会淹没有用信号，使放大器无法工作。 抑制零点漂移可以采用下列方法：利用直流负反馈，稳定电路的静态工作点。采用温度特性较好的高性能器件。采用温度补偿方法，利用热敏器件的参数随温度变化而变化的特性，抵消电路随温度变化产生的影响。采用差分放大电路，利用特性相同的对管，使它们的温度漂移互相抵消。本设计就是用差分放大电路达到效果，原理在于差分式电路中，温度的变化、电源的波动会使两管的集电极电流、集电极电压产生相同方向的变化，相当于在差分管的两输入端加入共模信号。由于差分放大器有很强的抑制共模信号的能力，零点漂移很小，特别适合作多级直接耦合放大器的输入级。2.1.2差模信号与共模信号 差模信号：把一对大小相等，极性相反的信号叫做差模信号。电路中所加的有用信号就是差模信号。 共模信号：把一对大小相等，极性相同的信号叫做共模信号。电路中的干扰信号、零点漂移等都可视为共模信号2.1.3.共模抑制比共模抑制比KCMR是衡量差分放大器抑制共模信号能力的一项技术指标。我们通常定义为：有时用分贝数表示：电路的AVD越大， AVC越小， KCMR越大，电路性能越好。2.1.4差分放大电路的分析如图1中，电阻Re是T1和T2两管的公共射极电阻，或称射极耦合电阻，它实际上就是在工作点稳定电路中的射极电阻，只是此处将两个电阻的射极电阻合并成一个Re，所以经它的作用是稳定静态工作点，对零漂做进一步的仰制。电阻Re常用等效内阻极大的恒流源Io来代替，以便更有效地提高抑制零漂的作用。 图 1 差分放大原理图动态时分差模输入和共模输入两种状态。 (1)对差模输入信号的放大作用 当输入差模信号Vid时，差放两输入端信号大小相等、极性相反，Vi1=-Vi2=Vid/2。因此差动对管电流增量的大小相等、极性相反，导致两输出端对地的电压增量，即差模输出电压Vod1=-Vod2。此时双端输出电压Vo=Vod1-Vod2=2Vod1=Vod。可见，差放能有效地放大差模输入信号。 (2)对共模输入信号的抑制作用 当输入共模信号Vic时，差放两输入端信号大小相等、极性相同，即Vi1=Vi2=Vic,因此差动对管电流增量的大小相等、极性相同，导致两输出端对地的电压增量， 即差模输出电压Voc1=Voc2，此时双端输出的电压为Vo=Voc1-Voc2=0。可见，差放对共模输入信号具有很强的抑制能力。 此外，在电路对称的条件下，差放具有很强的抑制零点漂移及抑制噪声与干扰的能力。 2.2.镜像恒流源 电流源电路就是集成运放中最常用的偏置电路，它不仅可以为放大器提供稳定的偏置电流，还可以作为放大器的有源负载。这里就镜像电流源做一下介绍。基本镜像电流源如图2所示。 图2 镜像恒流源原理图2.2.1镜像电流源电路特点（1）T0与T1特性相同；即 UBE0= UBE1= UBE 1=0= Ic1= Ic0 IB1= IB0= IB （2）R和T0共同构成T1的偏置电路； （3）T0管的c-b相连，使Ucb0=0，这是一个临界饱和状态，Ic=I的关系仍然存在。 2.2.2.电路分析 可以看出二者之间如同“镜像”般的关系这样， Ic1的大小即可由Ic1=IR=（Vcc-Ube）/R 来决定。这个电路有一个基准电流，由电路参数和管参数很容易确定，当找出IC1与基准电流的“镜像”关系后，很容易知道该电路提供出的偏流大小。2.3同向比例放大电路图3 同向比例原理图图3所示为同向比例电路，从图中可以得： A=V0/Vi=1+R2/R1 2.4电压串联负反馈 图4 电压串联负反馈电路图如图4为运放所组成的电压串联负反馈电路，利用虚短和虚断的概念可以得知： Vd0，ii0则Vi=Vf =R1*Vo/（R1+Rf）闭环电压增益为：AVF=Vo/Vi=Vo/Vf=（R1+Rf）/R1=1+Rf/R12.5电路原理设计图 图5 电路原理图3直流稳压电源的设计3.1 理论分析 CA3130芯片的直流偏置电压是+15v和-15v，按照课程设计的要求，自制一个稳压电源。直流稳压电源有电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分构成。输入 220V、50Hz 的交流电通过电源变压器变为我们需要的电压，在经过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。因为次脉动的直流电压含有较大的纹波成分， 必须经过滤