模電-寬帶放大器

1、本科學(xué)生綜合性實(shí)驗(yàn)報(bào)告（模電部分） 項(xiàng)目組長 學(xué)號(hào) 成 員 諶笛、柯澤浚、張祺、黃文慶、劉林、顏良鵬 專 業(yè) 物聯(lián)網(wǎng)工程 班級(jí) 軟通153 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱 高增益寬帶放大器 指導(dǎo)教師及職稱 陳濱 開課學(xué)期 2016 至 2017 學(xué)年第 3 學(xué)期 上課時(shí)間 2017 年 7 月 1 日學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 同組人： 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目高增益寬帶放大器必修 選修 演示性實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn) 操作性實(shí)驗(yàn) 綜合性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)W103實(shí)驗(yàn)儀器臺(tái)號(hào)指導(dǎo)教師 實(shí)驗(yàn)日期及節(jié)次2017.06.29-2016.07.03一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案實(shí)驗(yàn)名稱：寬帶放大器實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2016.07.01-2016.07.05小組合作： 是

2、 否小組成員： 1、實(shí)驗(yàn)要求：1、用集成運(yùn)放（注意選擇的集成運(yùn)放高端截止頻率要高于500KHz。）及阻容元件設(shè)計(jì)一個(gè)高增益寬帶放大器，要求下限截止頻率低于10KHz，上限截止頻率高于200KHz，放大增益不小于60dB，帶內(nèi)增益較平坦。2、要求輸出波形不能出現(xiàn)明顯失真。3、擴(kuò)展功能：在上述要求的基礎(chǔ)上，將增益做得更大。4、先進(jìn)行原理分析與方案選擇，可以采用仿真軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。功能實(shí)現(xiàn)后，在萬能板或印制板上搭建實(shí)際電路并進(jìn)行調(diào)試，完成一份設(shè)計(jì)報(bào)告。2、實(shí)驗(yàn)場地及儀器、設(shè)備和材料：實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：江西財(cái)經(jīng)大學(xué)楓林園校區(qū)物華樓實(shí)驗(yàn)設(shè)備：模擬電路實(shí)驗(yàn)箱、數(shù)字萬用表、示波器、信號(hào)發(fā)生器、自制電路等3、實(shí)驗(yàn)思路（

3、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、數(shù)據(jù)處理方法及實(shí)驗(yàn)步驟等）：一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：高增益寬帶放大器設(shè)計(jì)要求：1、用集成運(yùn)放（注意選擇的集成運(yùn)放高端截止頻率要高于500KHz。）及阻容元件設(shè)計(jì)一個(gè)高增益寬帶放大器，要求下限截止頻率低于10KHz，上限截止頻率高于200KHz，放大增益不小于60dB，帶內(nèi)增益較平坦。2、要求輸出波形不能出現(xiàn)明顯失真。3、擴(kuò)展功能：在上述要求的基礎(chǔ)上，將增益做得更大。4、先進(jìn)行原理分析與方案選擇，可以采用仿真軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。功能實(shí)現(xiàn)后，在萬能板或印制板上搭建實(shí)際電路并進(jìn)行調(diào)試，完成一份設(shè)計(jì)報(bào)告。二、實(shí)驗(yàn)電路及原理集成運(yùn)算放大器是具有高電壓放大倍數(shù)的直接耦合多級(jí)放大電路。當(dāng)外部接入不同的線性或非線性

4、元件組成輸入和負(fù)反饋電路時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)各種特定的函數(shù)關(guān)系。放大倍數(shù)為60dB即1000倍，可以用級(jí)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)。我們用的是同相比例放大器，原理圖如下：輸出端電壓 ，所以可以改變和的值來改變放大倍數(shù)。根據(jù)所學(xué)的知識(shí)，以及這次實(shí)訓(xùn)的要求，我們先進(jìn)行了原理圖的設(shè)計(jì)圖:三、 元器件以及方案的選擇方案的選擇： 本制作是采用集成運(yùn)放設(shè)計(jì)一個(gè)寬帶放大器，要求增益不小于40dB，下限截頻率低于10KHz，上限截止頻率高于1MHz，帶內(nèi)增益平坦。所以我們選用的核心芯片為LM6172IN。 LM6172IN是一款雙高速電壓反饋放大器。它具有增益穩(wěn)定以及提供良好的DC和AC性能，且擁有100MHz的單位增益帶寬，3000

5、V/S的擺率，50mA的通道輸出。LM6172提供高性能的雙放大器，但它每個(gè)通道僅消耗2.3毫安電源電流。可工作在正負(fù)5/15V的電壓下。詳細(xì)介紹如下圖：LM6172IN圖 4、 設(shè)計(jì)電路根據(jù)題目我們用Multisim設(shè)計(jì)了如下電路：分析過程：此次的電路要求是電壓放大的增益為60dB即100倍。故在電路的設(shè)計(jì)中，我們?cè)O(shè)計(jì)了如上圖的電路，其中第一級(jí)電壓的增益Av1=1+1K/100=11；第二級(jí)電壓增益Av2為：Av2=1+2.2K/100=23;第三級(jí)電壓增益Av3=1+2.2K/100=23:系統(tǒng)增益Av為：Av=Av1*0.5*Av2*Av3*0.5=1455>1000滿足實(shí)驗(yàn)的要求

6、。其中第一級(jí)的輸出信號(hào)減少一半再到第二級(jí)的輸入再到第三級(jí)的輸出信號(hào)減少一半。但是由于這種方法輸出電壓不能超過4微伏（超過則實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)失真），而實(shí)驗(yàn)室的電源電阻最小要12微伏，所以我們?cè)陔娐返那岸思尤肓藘蓚€(gè)電阻用以分壓，使得結(jié)果沒有失真。仿真結(jié)果如下圖:分析：在10K和1M的時(shí)候從通道A和通道B可以看出增益超過1000倍以上，且由波特測試儀可以看出在10Hz到200MHz內(nèi)增益平緩，為67.873dB,故仿真成功。5、 元器件及材料清單型號(hào)功能單價(jià)數(shù)量LM6172放大器1322k電阻構(gòu)成負(fù)反饋電路電阻0.012047電阻分壓0.0120100電阻構(gòu)成負(fù)反饋電路電阻0.01201K電阻構(gòu)成負(fù)反

7、饋電路電阻0.012010uF電容使電源供電穩(wěn)定0.34六、根據(jù)題目我們?cè)O(shè)計(jì)的實(shí)物圖：反面圖如下：正面圖如下：指導(dǎo)老師對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的意見： 指導(dǎo)老師簽名： 年 月 日二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、場地及儀器、設(shè)備和材料、實(shí)驗(yàn)思路等見實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案2、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)及結(jié)果、測試方法按照電路原理圖，正確連接電路電源線，接通電源。用示波器測輸入信號(hào)的波峰值記為，測輸出信號(hào)的波峰值記為，則放大倍數(shù)為 ;不斷改變信號(hào)源的頻率，重復(fù)之前對(duì)示波器的操作，記錄數(shù)據(jù)。、測試結(jié)果（1）當(dāng)頻率時(shí)，黃色為輸出，如下圖可看出放大1000倍左右。（2） 當(dāng)頻率為時(shí)，黃色為輸出，如下圖可看出放大1000倍左右。（3） 當(dāng)

8、頻率為500KHz時(shí)，黃色為輸出，如下圖可看出放大1000倍左右（4） 當(dāng)頻率為1MHz時(shí)，黃色為輸出，如下圖可看出放大51 倍左右3、對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)及觀察結(jié)果的分析與討論：此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)我們所采用的是LM6172IN，從仿真結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)室的示波器得到的數(shù)據(jù)及波形上可以看出基本滿足了題目的要求。由于芯片內(nèi)部實(shí)際性能與理論的性能存在明顯的差距，所以經(jīng)過幾次修改電路板，及重新焊接，其在滿足40dB的增益下，其帶寬為10Hz到200KHz（沒有到達(dá)500MHz）。4、 本次實(shí)驗(yàn)遇到的問題及解決方法 （1）一開始本來打算用Protues8.0來做防真電路圖，但是每次改變輸入信號(hào)的頻率到達(dá)1MHz時(shí)，P

9、rotues就會(huì)停止工作，就算在輸入信號(hào)為低頻時(shí)，仿真的示波器無論怎么調(diào)，都只顯示輸入波形，而無輸出波形，后來果斷換了仿真軟件Multisim12，一邊學(xué)習(xí)怎么使用這個(gè)軟件的功能，一邊做該實(shí)驗(yàn)的仿真電路設(shè)計(jì)。 （2）看到題目的時(shí)候，給了一個(gè)上限截止頻率和下限截止頻率，還以為是要使用到低通濾波器和高通濾波器，看了幾天的書，然而之后才發(fā)現(xiàn)并不需要使用到這些電路設(shè)計(jì)來做本次的寬帶放大器實(shí)驗(yàn)，只需要選擇具有合適的寬帶增益積的芯片即可。 （3）這個(gè)運(yùn)算放大器芯片的寬帶增益積是固定的，即寬帶*放大倍數(shù)=寬帶增益積（為一常數(shù)），到具體計(jì)算這個(gè)寬帶增益積時(shí)，搞不清楚這個(gè)放大倍數(shù)指的是每一級(jí)運(yùn)放的放大倍數(shù)中的最

10、大的放大倍數(shù)還是整個(gè)系統(tǒng)的放大倍數(shù)，所以就選了一個(gè)寬帶增益積較大（100MHz）的芯片。 （4）因?yàn)橛袃杉?jí)電路放大電路，覺得要做防自激的電路部分，并不知道我們自己選用的芯片內(nèi)部的電容是怎樣的，所以不能使用環(huán)內(nèi)補(bǔ)償方法來防自激。自己就使用環(huán)外補(bǔ)償法（即在運(yùn)放的輸出端串上一個(gè)小電阻，在連到后級(jí)，十幾歐到幾十歐之間即可，具體值與后級(jí)電路的輸入電容有關(guān)），所以在第一級(jí)運(yùn)放后，加了一個(gè)47的電阻。 （5）由于選的芯片的原因在做電路仿真時(shí)，就輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間在指定的寬帶范圍內(nèi)并沒有產(chǎn)生前后反饋信號(hào)相位差為2，覺得并沒有必要做防自激部分。 （6）LM6172IN芯片的實(shí)際性能與理論的存在明顯的差距，導(dǎo)

11、致在頻率大于200KHz時(shí)，不滿增益為60dB，雖然修改了3次電路板，依然沒有得到理想的帶寬，可能是芯片內(nèi)部的內(nèi)阻較大的原因。（7）由于實(shí)驗(yàn)室電壓的限制，使得我們必須加兩個(gè)電阻來使輸入電壓衰減。5、 設(shè)計(jì)總結(jié)體會(huì) 這一次模擬電路的設(shè)計(jì)和制作都是自己來完成的，并不是像以前一樣基本都是老師畫好電路圖，自己來焊電路板這么簡單，這次考驗(yàn)的不僅僅是焊板子的能力，還有設(shè)計(jì)分析能力，元器件的選定與購買、團(tuán)隊(duì)的合作等。這次的實(shí)踐我們有以下幾點(diǎn)體會(huì)： （1）我們已經(jīng)有一年沒有非常具體的使用模電分析問題，所以開始的幾天都在看書，由于學(xué)了信號(hào)與系統(tǒng)之后，以前不是很明白的一些知識(shí)點(diǎn)也在那幾天弄清楚了。比如自激部分的根本原因還是對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)函數(shù)而言，在極點(diǎn)位置處。 （2）芯片的選擇。做一個(gè)高增益寬帶放大器，要想達(dá)到目的要求，選擇芯片是其中一個(gè)很重要的步驟。選擇的芯片要滿足實(shí)際要求就要學(xué)會(huì)查看一些較好的芯片網(wǎng)站，然后從中查看選中的芯片的相關(guān)文件，找到需要的參數(shù)，并進(jìn)行選擇。 （3）電路板的制作：由于焊的電阻和電容都是貼片的，所以要非常小心和細(xì)致。而且一個(gè)頻率比較高的放大電路，就不能像制作低頻電路一樣任意連線，必須考慮線的布局等方面的問題，因?yàn)槿?/p>