電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)程控增益放大器

1、 遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué)電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)（論文）題目：程控增益放大器院（系）：電子與信息工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)： 電氣09 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 教師職稱： 起止時(shí)間： 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) 090303051學(xué)生姓名昂宸旭 專業(yè)班級(jí)電氣092 課程設(shè)計(jì)（論文）題目程控增益放大器課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù)：1. 設(shè)計(jì)并制作放大倍數(shù)由數(shù)碼控制程控增益放大器。2. 電壓放大倍數(shù)n由撥碼開關(guān)控制，1。3. vo電壓絕對(duì)值在110v范圍，輸入電阻，輸出電阻 設(shè)計(jì)要求：1 .分析設(shè)計(jì)要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、

2、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等，廣開思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。2 .確定合理的總體方案。對(duì)各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡(jiǎn)、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來(lái)源，敲定可行方案。3 .設(shè)計(jì)各單元電路?？傮w方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個(gè)設(shè)計(jì)。4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號(hào)的流向，采用左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說(shuō)明。指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日目 錄第一章 程增益放大器設(shè)計(jì)方案論證11.1程控增益放大器的應(yīng)用意義11.2程控增益放大器設(shè)計(jì)的要求及技術(shù)指標(biāo)11.3 設(shè)計(jì)方案論證11.4 總體設(shè)計(jì)

3、方案框圖及分析2第二章 程控增益放大器各單元電路設(shè)計(jì)22.1 撥碼開關(guān)的設(shè)計(jì)22.2 集成電路運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)52.3增益調(diào)整電路設(shè)計(jì)8第三章 程控增益放大器整體電路設(shè)計(jì)83.1 整體電路圖及工作原理83.2 電路參數(shù)計(jì)算93.3 整機(jī)電路性能分析9第四章 設(shè)計(jì)總結(jié)9參考文獻(xiàn)10附錄：器件清單11第一章 程控增益放大器設(shè)計(jì)方案論證1.1程控增益放大器的應(yīng)用意義程控增益放大器是一種放大倍數(shù)由程序控制的放大器符號(hào)pga，在多通道多參數(shù)空間一個(gè)測(cè)量放大器，多通道放大器的信號(hào)的大小并不相同，都是放大至a/d交換器輸入要求的標(biāo)準(zhǔn)是電壓，因此對(duì)各個(gè)通路要求測(cè)量放大器的增益也不同。放大器的交流是由數(shù)字信號(hào)控

4、制的反反饋電阻完成的，這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低使其幅度程控增益放大器(pga)主要用于對(duì)幅度較小信號(hào)進(jìn)行增益控制，達(dá)到adc轉(zhuǎn)化器所工作的要求。利用撥碼開關(guān)的數(shù)碼代替電位器刻度，具有線性度好、精度高、直觀，可直接或間接取代一般線性電位器或多圈線性電位器。在電子儀器儀表設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化控制，穩(wěn)壓、恒流、供電、機(jī)電保護(hù)、電動(dòng)機(jī)保護(hù)、溫控、濕度、壓力、重量等自動(dòng)控制中達(dá)到數(shù)字設(shè)定的目的。放大器的增益的變化是由數(shù)字信號(hào)控制其反饋電阻完成的。1.2程控增益放大器設(shè)計(jì)的要求及技術(shù)指標(biāo)1.2.1設(shè)計(jì)要求：1 .分析設(shè)計(jì)要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等，廣開思路，構(gòu)思出各種總體方

5、案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。2 .確定合理的總體方案。對(duì)各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡(jiǎn)、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來(lái)源，敲定可行方案。3 .設(shè)計(jì)各單元電路?？傮w方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個(gè)設(shè)計(jì)。4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號(hào)的流向，采用左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說(shuō)明。1.2.2技術(shù)指標(biāo)1.電壓放大倍數(shù)n由撥碼開關(guān)控制，1。2.輸出電壓絕對(duì)值在110v范圍。3.輸入電阻。3.輸出電阻1.3設(shè)計(jì)方案論證程控增益放大器并不多見，需要采用其它方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常有兩種方法：1）運(yùn)放+模擬開關(guān)+電阻網(wǎng)絡(luò)2）運(yùn)放+數(shù)字電位器。

6、 其中，前一種方法利用模擬開關(guān)切換電阻反饋網(wǎng)絡(luò)，從而改變放大電路的閉環(huán)增益。此種方法所需元器件較多，電路龐大，而且精度受到限制。第二種方案采用固態(tài)數(shù)字電位器來(lái)控制放大電路的增益，線路較為簡(jiǎn)單。但現(xiàn)有的數(shù)字電位器分辨率有限，常見的有32、64抽頭，少數(shù)可達(dá)1024抽頭，因而構(gòu)成的放大器精度有限，無(wú)法滿足10位甚至12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。本節(jié)采用第二種加以論證1.4總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析根據(jù)放大倍數(shù)以步距1在1100范圍內(nèi)變化的要求，可用3位撥碼開關(guān)對(duì)d/a置數(shù)來(lái)設(shè)置放大倍數(shù)，并用撥碼開關(guān)控制增益。該方案電路簡(jiǎn)單，但置的是十六進(jìn)制數(shù)，使用者必須根據(jù)增益在哪一擋來(lái)?yè)Q算放大倍數(shù)，且只能實(shí)現(xiàn)預(yù)置數(shù)功能

7、 圖1 程控增益放大器框圖第二章 程控增益放大器各單元電路設(shè)計(jì)2.1撥碼開關(guān)的設(shè)計(jì)2.1.1所示的電路中，輸入3位10進(jìn)制數(shù)1999時(shí)，輸出為20，實(shí)際上是3個(gè)位上的電阻器并聯(lián)，相當(dāng)于1個(gè)560k的電位器，共有101010=1000種組合的阻值，在一般情況下，完全可以取代在模擬電路中廣泛使用的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的電位器。按圖上所標(biāo)的阻值，輸入的3位數(shù)字越大，等效的并聯(lián)電阻越小。圖2 3位8421撥碼開關(guān)組成的電位器電路所謂8421碼，也是一種二進(jìn)制碼，是一種數(shù)字字符編碼，每四位分為一段，該段內(nèi)的四個(gè)二進(jìn)制位分別對(duì)應(yīng)2的3次方(8)，2的2次方(4)，2的1次方(2)，和2的0次方(1)。而3、2、1、0

8、是2的冪指數(shù)，稱為對(duì)應(yīng)為的權(quán)。它對(duì)應(yīng)只有09十個(gè)數(shù)字，還有一種是二進(jìn)制碼，有09加上af共16個(gè)數(shù)字。以下是8421bcd碼，二進(jìn)制碼和十進(jìn)制數(shù)的對(duì)應(yīng)8421碼二進(jìn)制碼對(duì)應(yīng)數(shù)字0000000000001000110010001020011001130100010040101010150110011060111011171000100081001100191010a1011b1100c1101d1110e1111f而向上所列，大于9以后，8421bcd碼就沒(méi)有了。以91為例：轉(zhuǎn)換為8421bcd碼很簡(jiǎn)單，看表對(duì)應(yīng)9的8421bcd碼為1001，1的8421bcd碼為0001，所以十進(jìn)制數(shù)91的8

9、421bcd碼為10010001。反過(guò)來(lái)也可以。如bcd碼01110101的對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為75。但十進(jìn)制91轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)則不同了，整數(shù)部分采取除2取余數(shù)法，而且最后的余數(shù)為二進(jìn)制數(shù)的高位。91轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)為01011011，也可以去掉高位0后得到1011011。2.1.2 10進(jìn)制編碼開關(guān)在圖3所示的電路中，輸入3位10進(jìn)制數(shù)0999時(shí)，若電阻器r1r9取1k 電阻器r10r18取100，電阻器r19r27取10，則輸出為010k的等效電阻，實(shí)際上是3個(gè)位上的電阻器串聯(lián)，相當(dāng)于1個(gè)10k的電位器，也有101010=1000種組合的阻值，在一般情況下，也可以取代在模擬電路中廣泛使用的無(wú)級(jí)調(diào)

10、節(jié)的電位器。顯然，輸入的3位數(shù)字越大，等效的串聯(lián)電阻也越大。圖3 3位10進(jìn)制編碼開關(guān)組成的電位器電路2.2集成電路運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)集成電路運(yùn)算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級(jí)直接耦合放大電路輸入級(jí)：通常由雙輸入差分放大電路構(gòu)成。主要作用是提高抑制共模信號(hào)能力，提高輸入電阻。中間級(jí)：帶恒流源負(fù)載和復(fù)合管的差放和共射電路組成的高增益的電壓放大級(jí)，主要作用是提高電壓增益。輸出級(jí)：采用互補(bǔ)對(duì)稱功放或射極輸出器組成，主要是降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。2.2.1集成電路運(yùn)算放大器中的電流源1基本電流源分壓式射極偏置電路為基本電流源電路。當(dāng)三級(jí)管工作在放大區(qū)，由于射極電流僅由兩分壓電阻

11、決定，因此當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化（也即集電極電阻發(fā)生變化），輸出電流（即集電極電流）保持不變，體現(xiàn)了恒流特性。2有源負(fù)載由于電流源具有直流電阻小而交流電阻大的特點(diǎn)，因此在模擬集成電路中，常把它作為負(fù)載使用，稱為有源負(fù)載。3電流源的應(yīng)用（1）為集成運(yùn)放各級(jí)提供穩(wěn)定的偏置電流；（2）作為各放大級(jí)的有源負(fù)載，提高電壓增益。圖4集成電路運(yùn)算放大器原理圖2.2.2偏置電路 偏置電路的作用是向各級(jí)放大電路提供合適的偏置電流，決定各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)。f007的偏置電路由t8t13組成?；鶞?zhǔn)電流由t12、r5、t11，和電源ec（15v）、ee（- 15v）決定：t10、t11和r4組成微電流源電路，提供輸入級(jí)所要求的

12、微小而又十分穩(wěn)定的偏置電流，并提供t9所需的集電極電流，即ic10ic9 2ib3；t8與t9 組成鏡像恒流源電路，提供t1、t2的集電極電流，即ic1ic2ic9，t12與t13組成鏡像恒流源電路，提供中間級(jí)t16、t17的靜態(tài)工作電流，并充當(dāng)其有源負(fù)載。2.2.3輸入級(jí) 輸入級(jí)對(duì)集成運(yùn)放的多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)起著決定性的作用。它的電路形式幾乎都采用各種各樣的差動(dòng)放大電路，以發(fā)揮集成電路制造工藝上的優(yōu)勢(shì)。f007的輸入級(jí)電路是由t1t7組成的帶有恒流源及有源負(fù)載的差動(dòng)放大電路。有源負(fù)載是由t5，t6、t7及r1、r2、r3組成的改進(jìn)型鏡象恒流源電路。用它作差動(dòng)放大電路的有源負(fù)載，不僅可以提高電壓放大

13、倍數(shù)，還能在保持電壓放大倍數(shù)不變的條件下，將雙端輸出轉(zhuǎn)化為單端輸出。 t1t4組成共集一共基型差動(dòng)放大電路。其中，t1、t2接成共集電極形式，可以提高電路的輸入阻抗，同時(shí)由于uc1uc2 = ec - ube8，因而共模信號(hào)正向界限接近ec，即提高了共模信號(hào)的輸入范圍；t3、t4，組成共基極電路，具有較好的頻率特性，同時(shí) 圖5集成電路符號(hào)輸還能完成電位移動(dòng)功能，使輸入級(jí)出的直流電位低于輸入直流電位，這樣后級(jí)就可直接接npn型管；由于pnp型管的發(fā)射結(jié)擊穿電壓很高，這種差動(dòng)放大電路的差模輸入電壓也很高，可達(dá)30v以上，此外，共基極電路輸入電阻較小，而輸出電阻較大，有利于接有源負(fù)載，并起到將負(fù)載與

14、npn管隔離開的作用。2.2.4中間級(jí) 中間級(jí)電路的主要任務(wù)是提供足夠大的電壓放大倍數(shù)，并向輸出級(jí)提供較大的推動(dòng)電流，有時(shí)還要完成雙端輸出變單端輸出，電位移動(dòng)等功能。f007的中間級(jí)是由復(fù)合管t16、t17和電阻r6組成的共發(fā)射極放大電路，t12、t13組成的鏡象恒流源作為它的有源負(fù)載，因而可以獲得很高的電壓放大倍數(shù)。r6起電流負(fù)反饋?zhàn)饔每梢愿纳品糯筇匦浴?.2.5輸出級(jí) 輸出級(jí)的作用是向負(fù)載輸出足夠大的電流，要求它的輸出電阻要小，并應(yīng)有過(guò)載保護(hù)措施。輸出級(jí)大都采用互補(bǔ)對(duì)稱輸出級(jí)，兩管輪流工作，且每個(gè)管于導(dǎo)電時(shí)均使電路工作在射極輸出狀態(tài)，故帶負(fù)載能力較強(qiáng)。f007輸出級(jí)采用的就是由t14和復(fù)合

15、管t18、t19組成的互補(bǔ)對(duì)稱電路。r7、r8和t15組成電壓并聯(lián)負(fù)反饋偏置電路，使t15的c、e兩端具有恒壓特性，為互補(bǔ)管提供合適而穩(wěn)定的偏壓，以消除文越失真。 d1、d2和r9、r10組成過(guò)載保護(hù)電路，正常工作時(shí)，r9、r10上的壓降較小，d1、d2均處于截止?fàn)顟B(tài)，即保護(hù)電路處于斷開狀態(tài)，一旦因某種原因而過(guò)載，t14及復(fù)合管的電流超過(guò)了額定值，則r9、r10上的壓降明顯增大，d1、d2將導(dǎo)通，從而對(duì)t14和t15的基極電流進(jìn)行分流，限制了輸出電流的增加，保護(hù)了輸出管。 集成運(yùn)放的新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，它們的性能更加優(yōu)越，除通用型集成運(yùn)放外，還出現(xiàn)了一些專用集成運(yùn)放。 集成運(yùn)放作為一個(gè)有源放大器件

16、應(yīng)用于實(shí)際電路時(shí)，常用圖z0608所示符號(hào)表示。它有兩個(gè)輸入端、一個(gè)輸出端。大箭頭表示信號(hào)傳輸方向。當(dāng)信號(hào)從反相端輸入時(shí)，輸出電壓與輸入電壓成反相關(guān)系，當(dāng)信號(hào)從同相端輸入時(shí)，輸出電壓與輸入電壓同相。2.3增益調(diào)整電路設(shè)計(jì)利用撥碼開關(guān)接通通道改變一個(gè)狀態(tài)，從而反饋電阻改變一次，相應(yīng)的電壓增益改變一次數(shù)值。 第三章 程控增益放大器整體電路設(shè)計(jì)返回 3.1整體電路圖及工作原理電源電路為了保證足夠的電源供應(yīng)，我們制作了一個(gè)有5v、12v、15v、030v可調(diào)的電壓源。圖6程控增益放大器整體電路撥碼開關(guān)輸入3位10進(jìn)制數(shù)1999時(shí)，輸出為20，實(shí)際上是3個(gè)位上的電阻器并聯(lián)，相當(dāng)于1個(gè)560k的電位器，共

17、有101010=1000種組合的阻值，在一般情況下，完全可以取代在模擬電路中廣泛使用的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的電位器。這種用法不需任何外部調(diào)整元件件就能可靠地工作。但為了保證效果更好，應(yīng)該在正、負(fù)電源供電端連接一個(gè)1f的旁路鉭電容到模擬地，且應(yīng)盡可能靠近放大器的電源引腳，并按圖中所示點(diǎn)接地。使輸入級(jí)輸出的直流電位低于輸入直流電位，這樣后級(jí)就可直接接npn型管；由于pnp型管的發(fā)射結(jié)擊穿電壓很高，這種差動(dòng)放大電路的差模輸入電壓也很高，可達(dá)30v以上，此外，共基極電路輸入電阻較小，而輸出電阻較大，有利于接有源負(fù)載，并起到將負(fù)載與npn管隔離開的作用。集成電路運(yùn)算放大器偏置電路的作用是向各級(jí)放大電路提供合適的偏置

18、電流，決定各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)輸出級(jí)的作用是向負(fù)載輸出足夠大的電流，要求它的輸出電阻要小，并應(yīng)有過(guò)載保護(hù)措施。輸出級(jí)大都采用互補(bǔ)對(duì)稱輸出級(jí)，兩管輪流工作，且每個(gè)管于導(dǎo)電時(shí)均使電路工作在射極輸出狀態(tài)，故帶負(fù)載能力較強(qiáng)。該電路是利用接通通道改變一個(gè)狀態(tài)，從而反饋電阻改變一次，相應(yīng)的電壓增益改變一次數(shù)值。3.2電路參數(shù)計(jì)算電路增益au=1+rf/rx只要算出相應(yīng)的即可，如數(shù)據(jù)0011，rx等于20m與25m的并聯(lián)，即rx=11.1.相應(yīng)的au=1+100/11.1=10.01.在輸出電壓為110v之間求出相應(yīng)的相應(yīng)的放大倍數(shù)在199之間，根據(jù)相應(yīng)的撥碼開關(guān)計(jì)算出輸入電阻與輸出電阻的適當(dāng)值即ri8m,ro

19、20.所以，增益公式g=20au得到所要調(diào)整的范圍。3.3整機(jī)電路性能分析本電路滿足微小信號(hào)在各種狀態(tài)下的放大調(diào)節(jié)，同時(shí)能夠有效地抑制干擾信號(hào)，可靠地檢測(cè)出缺隱信號(hào)，常常需要高精度的測(cè)量放大器和合適的濾波器。因事先不知道被測(cè)信號(hào)的大小，用微控制器來(lái)檢測(cè)，從而控制放大器的放大倍數(shù)，能將信號(hào)調(diào)到最佳，獲得最佳測(cè)量數(shù)據(jù)。又因?yàn)椴恢刂葡到y(tǒng)中激勵(lì)信號(hào)的頻率以及在不同的環(huán)境條件下的干擾情況，因此，為了實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍、多干擾因素的檢測(cè)系統(tǒng)的智能化，程控放大與程控濾波是必然的選擇，以實(shí)現(xiàn)軟件與硬件有機(jī)地結(jié)合。這是目前比較新穎、實(shí)用的電路設(shè)計(jì)按照上述方法設(shè)計(jì)的可編程增益放大電路，克服了傳統(tǒng)可編程放大器增益范圍

20、小的缺點(diǎn)，擴(kuò)大了增益范圍、提高了增益精度?；就瓿闪讼到y(tǒng)基本及發(fā)揮部分的要求，在某些方面性能有極大的提高，大大超過(guò)了要求。但由于時(shí)間緊張等原因，整個(gè)系統(tǒng)還存在著設(shè)計(jì)簡(jiǎn)陋，測(cè)量精度不是很高等問(wèn)題。由于系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)還有很大的升級(jí)擴(kuò)展空間。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的完善，完全可以應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量中。第四章 設(shè)計(jì)總結(jié) 通過(guò)本次課設(shè)，我懂得了課設(shè)的過(guò)程是艱辛的，但是最終我的收獲是非常巨大的。首先，我們?cè)僖淮蔚募由铎柟塘藢?duì)學(xué)過(guò)知識(shí)的理解及認(rèn)識(shí)；其次，我們第一次將課本知識(shí)運(yùn)用到了實(shí)際設(shè)計(jì)上，使得所學(xué)的知識(shí)在更深層次上得到了加深。再次，因?yàn)檫@次課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中有一定難度，這對(duì)我們來(lái)說(shuō)不為是一種鍛煉，培養(yǎng)了我們自學(xué)、查閱搜集資料等等的能力；再有，計(jì)算操作過(guò)程中，我曾經(jīng)面臨過(guò)很多的失敗、品味過(guò)了茫然，但是最后我們還是堅(jiān)持了下來(lái)，另一方面對(duì)于課外的相關(guān)知識(shí)也有了許多理解。也給了我們這一代生活在幸福中的大學(xué)生上了一堂艱苦樸素的教育課。通過(guò)本次課設(shè)還有就是能夠掌握ewb軟件的基本使用方法。為我