高精度線性放大器課件

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué) 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 課程設(shè)計（論文）課程設(shè)計（論文）題目：題目：高精度線性放大器高精度線性放大器院（系）：院（系）： 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 學(xué)學(xué) 號：號： 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： （簽字）起止時間：起止時間：2013.7.12013.7.12013.7.122013.7.12本科生課程設(shè)計（論文）II課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）： 教研室：注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算學(xué) 號學(xué)生姓名專業(yè)班級課程設(shè)計題目高精度線性放大器課程設(shè)計（論文）任務(wù)設(shè)計參數(shù)：1設(shè)計并制作一

2、臺高精度線性放大器。2線性失真度不大于 0.5%3放大倍數(shù) 2000，輸入電阻 2M，輸出電阻 100設(shè)計要求：1 .分析設(shè)計要求，明確性能指標。必須仔細分析課題要求、性能、指標及應(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。對各種方案進行比較，以電路的先進性、結(jié)構(gòu)的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。3 .設(shè)計各單元電路?？傮w方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個設(shè)計。4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號的流向，采用左進右出的規(guī)律擺放各電路，并標出必要的說明。指導(dǎo)教師評語及成績平時： 論文

3、質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日本科生課程設(shè)計（論文）III摘 要高精度線性放大器是為了解決一些需要精確擴大輸出信號的系統(tǒng)。本設(shè)計是采用集成運放 LF411ACN 作為核心元件， ，在此設(shè)計中共接入四個 LF411ACN 集成運放。本設(shè)計利用儀用放大電路作前置放大電路，帶通濾波電路作為濾波和放大電路，本設(shè)計具有增益高，線性度好，頻率范圍廣，可以滿足各種需要精確擴大信號的系統(tǒng)，本文詳細的介紹高精度線性放大器的設(shè)計過程。由于 LF411ACN的集成度高，功能強，通用性好，特別是它具有體積小，能耗低，線性度高，抗干擾能力強等方面的獨特的優(yōu)點，關(guān)鍵詞：LF411ACN 集成運放；高

4、精度線性；儀用放大器；精度本科生課程設(shè)計（論文）IV目 錄第一章 高精度線性放大器的方案論證 .11.1 高精度線性放大器的應(yīng)用意義 .11.2 高精度線性放大器的設(shè)計要求及技術(shù)指標 .11.3 設(shè)計方案論證 .21.4 總體設(shè)計方案框圖及分析 .2第二章 高精度線性放大器各單元電路的設(shè)計 .42.1 儀用放大器的設(shè)計.42.2 濾波電路的設(shè)計.5第三章 系統(tǒng)設(shè)計與分析 .73.1 整體工作圖及原理.73.2 電路參數(shù)的計算.83.3 整體電路性能分析.8第四章 課程設(shè)計總結(jié) .10參考文獻 .11附錄 I 總體電路圖.12附錄 II 元器件清單.13本科生課程設(shè)計（論文）1第一章 高精度線性

5、放大器的方案論證1.1 高精度線性放大器的應(yīng)用意義隨著科技的發(fā)展，人們對線性放大器的要求越來越高，這些要求在航天、航空及軍事、精密儀器等需要高速數(shù)據(jù)的采集，瞬時波形記錄其他需高速高精度放大器的尖端科技領(lǐng)域中表現(xiàn)尤為突出。 再者近年來，隨著模擬集成電路的發(fā)展，高精度線性運算放大器作為集成電路的一個重要分支，越來越受到人們的重視，在一些精密測量和精密數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，要求所使用的運算放大器具有較高的增益、高共模抑制比、低失調(diào)電壓以及低溫度漂移。通用的運算放大器吸顯然不能滿足這些要求。 微電子技術(shù)是國家重點發(fā)展的高科技行業(yè)，線性放大器是各種電子產(chǎn)品不可缺少的部分，如何設(shè)計出高質(zhì)量的電子產(chǎn)品，除了要求總體

6、方案最佳外，放大器設(shè)計得是否合理可靠直接影響整個電子產(chǎn)品的系統(tǒng)性能 高精度線性放大器一般是指失調(diào)電壓低于 1mv 的運放并同時強調(diào)失調(diào)電壓隨溫度的變化漂移值要小于 100mv。對于直流輸入信號，VOS 和它的溫漂足夠小就行了，但對于交流輸入信號，我們還必須考慮運放的輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲，在很多應(yīng)用情況下輸入電壓噪聲和輸入電流噪聲顯得更為重要一些。1.2 高精度線性放大器的設(shè)計要求及技術(shù)指標1 、設(shè)計并制作一臺高精度線性放大器。2 、線性失真度不大于 0.5%3 、放大倍數(shù) 2000，輸入電阻 2M，輸出電阻 100設(shè)計要求：1 、分析設(shè)計要求，明確性能指標。必須仔細分析課題要求、性能、指

7、標及應(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。對各種方案進行比較，以電路的先進性、結(jié)構(gòu)的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。3 、.設(shè)計各單元電路。總體方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，本科生課程設(shè)計（論文）2逐個設(shè)計。4 、.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號的流向，采用左進右出的規(guī)律擺放各電路，并標出必要的說明。1.3 設(shè)計方案論證高精度線性放大器設(shè)計有很多種：方案 1：利用 IC 元件為核心器件的多級放大電路，由兩級電壓放大，一級功率放大。該方案具有放大系數(shù)大，精度高，溫漂小，線性度

8、高的特點，但是工作的溫度范圍??；方案 2：利用同相放大電路利用多級放大，來達到要求，該方案具有可以利用很多次的運放，但是這樣不滿多極之間的阻抗匹配問題。方案 3；利用儀用放大電路，作為前置放大電路，第二級利用帶通濾波器進行二次放大和消除雜波的影響。該方案具有放大系數(shù)可調(diào)，精度高，溫漂小，線性度高的特點。根據(jù)多方面的比較，本設(shè)計采用第三種方案1.4 總體設(shè)計方案框圖及分析 圖 1.1 總體設(shè)計方案框圖 分析：為確定總體設(shè)計目標，必須對設(shè)計對象有一個較全面的了解，對于高精度放大器而言，只是作為一個整體系統(tǒng)的一部分，是用來放大微弱、不易觀察的信號，這就需要較高的增益，信號較小時為了減輕信號源的負載，

9、放大器必須有很高的輸入阻抗，放大時系統(tǒng)只要求放大特定頻率段的信號，對于干擾信號其中包括工頻干擾信號這就要求放大器有較高共模抑制比，另外由于信號的微弱帶 通 濾 波 器前 置 放 大 電 路待放大信號所所需信號本科生課程設(shè)計（論文）3性還要求放大器具有低噪聲和低漂移的特性。所以本設(shè)計采用兩級放大電路來滿足要求，其中第二級電路還有濾波的功能。本科生課程設(shè)計（論文）4第二章 高精度線性放大器各單元電路的設(shè)計2.1 儀用放大器的設(shè)計由于增益要求為 2000，需采用多級放大電路來達到增益的要求。各級放大電路均采用集成運放設(shè)計，且增益分配要均衡，輸入阻抗，共模抑制比和噪聲主要取決于前置級，因此前置放大器的

10、設(shè)計尤為重要。根據(jù)高輸入阻抗的要求，應(yīng)選用 JFET 的運放，本設(shè)計采用 LF411ACN 型運放。該運放的 Avo=4105，Rid= 41011，KCMR =106dB；前置級的設(shè)計有兩種方案可供選擇，一種是有一個運放構(gòu)成的較簡單的同相比例放大器，如下圖 3.1圖 2.1 同相比例放大電路另一種是三運放的構(gòu)成的儀用放大器如圖 2.2本科生課程設(shè)計（論文）5圖 2.2 儀用放大器兩者最大的區(qū)別就是共模抑制比不同，若前級分配的增益為 40 倍，則：同相比例放大器：KCMR=26dB；儀用放大電路：KCMR=134dB；所以本設(shè)計采用儀用放大器作為前置級2.2 濾波電路的設(shè)計第二級要完成的主要任

11、務(wù)之一是進一步提高放大電路的電壓增益，使總增益達到 2000 倍，其次為了消除高，低頻的影響，需要設(shè)計一個帶通濾波器，由于對濾波器沒有特殊的要求，本設(shè)計采用較簡單的一階高通濾波器和一階低通濾波器構(gòu)成帶通濾波器。如圖 2.3圖 2.3 帶通濾波電路本科生課程設(shè)計（論文）6本科生課程設(shè)計（論文）7第三章 系統(tǒng)設(shè)計與分析3.1 整體工作圖及原理工作原理：本設(shè)計采用 LF4111 系列的運算放大器，前級采用儀用放大電路，分配的增益為四十倍，儀用放大器是有運放 U1、U2 按同相法組成第一級差分放大電路，運放 U3 組成第二級差分放大電路，在第一級電路中輸入信號分別加入到 U1 和 U2的同相段 R1和

12、 R6、R7組成的反饋網(wǎng)絡(luò)引入負反饋。在帶通濾波的電路中，本設(shè)計采用較簡單的一階高通濾波器和一階低通濾波器構(gòu)成帶通濾波器，來限制放大頻率的范圍。圖 3.1 整體電路圖本科生課程設(shè)計（論文）83.2 電路參數(shù)的計算在前置放大電路中因為本設(shè)計采用的是儀用放大器，如圖 2.2，而儀用放大器的分配的增益為 40，儀用放大器引入了負反饋，所以 U1和 U2的兩輸入端形成虛短和虛斷，因而有是 R0上的電壓 VR1為兩輸入端輸入電壓之差 V11-V12和VR1/R0=（VO1-VO2）/(R0+R8+R9);故得VO1-VO2=R0+R8+R9/R0（V11-V12） ；在第二級中根據(jù)差分放大電路可得VO=

13、 1210RR（VO1-VO2）= 1210RR0890RRRR（V11-V12） ；電壓增益 AV=V0/（V11-V12）=-R12/R10*（R0+R8+R9）/R)在本設(shè)計中我們采用 R1=2K，R8=R9=24K，R12=16K，R10=10K，所以的 AV=40;在濾波電路中沒有特殊的要求，所以本設(shè)計 C1=3.3F,C2=0.033F的：上限頻率為 200.95HZ,下限頻率為 0.048HZ.3.3 整體電路性能分析通過對放大器進行 Time Domain（時域）分析，得到圖 3.2 所示的的輸入和輸出波形幅值經(jīng)過比例縮小后幅值相同，由圖中的通道 A 和通道 B 的比例可知放大

14、器可以完成正常的放大功能。放大倍數(shù)為 2000 倍。本科生課程設(shè)計（論文）9圖 3.2 仿真結(jié)果關(guān)于指標的分析，由小信號直流增益分析（Calculate small-signal DC gain）得到差模輸入電阻為 8M，共模輸入電阻為 2M，輸出電阻為 100 滿足設(shè)計要求。本科生課程設(shè)計（論文）10第四章 課程設(shè)計總結(jié)本設(shè)計通過各個方案的層層篩選和比較選出如下的方案，前級采用儀用放大電路既提高增益有滿足高輸入阻抗的要求，第二級采用的是一個簡單的帶通濾波電路可以放大固定頻率的電路，本設(shè)計采用的運放型號是 LF411ACN 有前端輸入帶放大的信號，在輸出端利用示波器進行顯示放大以后的波形。通過

15、 Multisim 仿真軟件進行電路仿真，結(jié)果滿足題目的要求。本科生課程設(shè)計（論文）11參考文獻1康華光 主編電子與技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版） 高等教育出版社 2006.12Willy M.C.Sansen 著 陳瑩梅 譯模擬集成電路設(shè)計精粹 清華大學(xué)出版社 20083美Paul Scherz 著 夏建生 王仲亦 等譯 實用電子元器件與電路基礎(chǔ)（第二版）電子工業(yè)出版社 20094孔有林 著集成運算放大器及其應(yīng)用北京：人民郵電出版社，19885 高平 主編電子設(shè)計制作完全指導(dǎo) 化學(xué)工業(yè)出版社 20096黃智偉 編著全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽電路設(shè)計（第二版）北京航空航天大學(xué)出版社 2011.17胡斌 編著電子線路基礎(chǔ)輕松入門（第二版）人民郵電出版社 2006.6本科生課程設(shè)計（論文）12附錄 I 總體電路圖本科生課程設(shè)計（論文）13附錄 II 元器件清單元件清單：標稱標稱名稱和參量名稱和參量數(shù)量數(shù)量R8R8，R9R9，R10R10，R12R12電位器，電位器，1K1K4 4R1R1電位器，電位器，5K5K1 1R14R14電位器，電位器，