模擬電路指數運算電路的設計與實現畢業(yè)設計

1、模 電 綜 合 實 驗 報 告 指數運算電路的設計與實現摘要：指數放大電路由對數放大電路和反對數放大電路及溫度補償電路構成。實驗基于二極管PN節(jié)的指數伏安特性實現對數反對數運算，用三極管替代PN節(jié)以增加集電極電流動態(tài)運用范圍。同時引入運放放大器，把PN節(jié)上的電壓電流關系轉化為電路的輸入輸出電壓關系。由于晶體管的相關參數 ，是溫度函數，其運算精度受溫度影響較大，故加上溫度補償電路關鍵詞：對數放大電路、反對數放大電路、溫度補償電路，調試一設計任務要求：1. 基本要求：設計實現一個指數運算電路，要求電路的輸入輸出滿足指數運算關系,本實驗中設計的k=3.2. 此外要滿足：【1】電路的輸入阻抗100K。

2、【2】.輸入信號大小為015V【3】設計該電路的電源電路（不要求實際搭建），用PROTEL軟件繪制完整的電路原理圖（SCH）及印制電路板圖（PCB）。二設計思路及總體結構框圖【1】.設計思路：利用二極管的PN結的指數型伏安特性，實現對數運算。通過電阻與晶體管位置的互換實現反對數運算電路。加入溫度補償電路，消除溫度對三極管參數的影響。利用運算放大器反向端的虛地特性，通過確定電路圖中R5的值，使之滿足100k 【2】.原理框圖如下：（1）由對數放大器和反對數放大器及溫度補償電路溫度補償電路反對數放大電路對數放大電路溫度補償電路基本數學推導: 兩邊取對數: 調整相關參數使B=1 即，本實驗設置K=3

3、三分塊電路和總體電路的設計（1）基本對數運算電路如圖所示：利用虛地特性三極管Q2工作在=0的臨界放大狀態(tài) 則： = = 但該電路存在兩個問題：必須為正則為負，以使晶體管處于放大導通狀態(tài)；，都是溫度的函數，其運算結果受溫度影響很大，如何改善對數放大器的溫度穩(wěn)定性是實際應用中要解決的一個重要問題。一般改善方法是：用對管消除的影響；用熱敏電阻補償的溫度影響。（2）加溫度補償的對數放大器 圖中:A1 ,TI 組成基本運算電路.A2 ,T2組成溫度補償電路TI, T2兩管的集電極電流分別為: T2的基極電位為: 忽略T2的基極電流, 則選擇TI, T2兩管參數對稱,則這樣,利用TI, T2兩管特性的一致

4、性,可將的影響消除。（3）加溫度補償的反對數放大器由二極管特性可知：同對數運算電路一樣,為了消除溫度對運算精度的影響,也要進行溫度補償有關方面的物理解釋是相似的,無需重復。值得指出的是, 對數放大器和反對數放大器的二極管,必須工作在正向偏壓下,因此輸入信號只能是單極性的。完整的電路圖如下： 圖中：A1，T1，A4，T4組成基本運算電路。A2，T2，A3,T3組成溫度補償電路。同樣，T3、T4選用特性一致的三極管，則：忽略T3基極電流，則：要實現，取，則R12=R15=100K，R6=R9=1.5M。所以，。其中，K=，取R1=R4=1K，R2=4.55K，R3=15.7K。則K=3.009，。

5、4. PROTEL繪制最終電路圖：四所實現功能說明及測試實現的功能： 1.對應基本實驗任務要求Ri100K. 理論值Ri=R5=100K，在運放虛地特性良好的情況下 。輸入阻抗的要求肯定滿足的。 2.輸入信號大小為0-2V的三角波 。 輸入信號為1V時，輸出信號為1V.輸入信號為2V時，輸出信號為8V。最后的輸入輸出的李薩如圖為標準的指數上升曲線。達到實驗基本要求。 3.主要測試數據：Ui=1V Uo=1V；Ui=1.1V Uo=1.3V；Ui=1.2V Uo=1.7V；Ui=1.5V Uo=3.4V；Ui=2V Uo=8V。4.測試及調試過程：必要的測試方法:在輸入端接入的是函數信號發(fā)生器，

6、用以輸入三角波。運算放大器加入的是正負15V的直流電壓。輸入和輸出端用示波器進行檢測。輸入信號源的三角波含直流成分（0-2V），輸出結果的正確與否是通過用示波器對輸入輸出波形的李薩如圖進行觀測和分析來進行測試的。對對數電路和反對數電路要分級測試。五故障及問題分析基本常見故障的避免，有效地調試準備：檢查電路連線是否正確，包括錯線、少線和多線。按照電路圖檢查安裝的線路；準備測試設備：要準備好測量儀器和測試設備，檢查是否處于良好的工作狀態(tài)，檢查測量儀器和測試設備的功能選擇開關、量程擋位是否處于正確的位置，尤其要注意測量儀器和測試設備的精度是否符合技術文件規(guī)定的要求，能否滿足測試精度的需要；檢查導線及

7、電阻等相關器件的正常特性 使用萬用表；電源供電（包括極性）、信號源連線是否正確檢查直流極性是否正確，信號線是否連接正確。并且用電壓表測試保證直流電源輸出符合要求； 檢查元、器件引腳之間有無短路，連接處有無接觸不良，二極管、三極管、集成電路和電解電容極性等是否連接有誤。 主要通過合理布線，避免面包板上相鄰元器件的管腳短接。經過上述的檢測，仍然出現了如下的問題：1.連接好電路并加上直流電源和交流電源之后輸出端沒有波形的輸出：直流電源的負電壓接反了，應該紅夾子接地，黑夾子接負電源端，導致運放沒有進入工作狀態(tài)，屬于斷路狀態(tài)；運算放大器被燒毀，這通過通過儀器檢測和元件更換得到解決。在以上問題都排查檢驗確

8、實無誤后，又出現下列情況：【1】對數放大電路的波形基本符合理想情況,且按照教材所列出的電容加上后，第一級輸出沒有干擾，濾波很好。這是在沒有考慮倍數的前提條件下。而在第二級的測試中，輸出波形雖然大體滿足指數函數的形狀，但干擾很大。這時通過不斷的嘗試在第四個運放的1，2腳加了151pf的電容后（課本上沒有），波形穩(wěn)定且無干擾。【2】 最初 據輸入輸出的里薩如圖顯示知放大倍數差得很遠，2V的輸入信號經指數放大電路后輸出電壓只在1V附近。這時檢查電路后發(fā)現四個三極管8050的型號不同，更換后波形稍有改善?！?】雖有改善，但倍數還差的很遠，考慮到倍數的K跟R1,R2,R3,R4.的比值有關，而且電阻的組

9、織存在誤差，面包板的情況也不一樣。通過給R1串電阻，R2并電阻，輸出的幅值有很大改善，基本達到實驗要求。【4】但1V的輸入的對應不到1V的輸出，也就是b的值不等于1.這主要是和R9,R12,R5,R6 有關。通過并上大電阻給阻值稍作修正。【5】電源電壓15V跟電路的準確值也很有關系，可以對其稍加調整； 最后，經過多次調整，出來的波形無論數值還是波形上都達到了實驗要求，效果很好。六、總結和結論 1.這次實驗主要是提高我們對綜合實驗的認知和學會靈活的運用上學期做實驗所學會的技能；2.提高了獨立學習能力，實驗仿真所用的PROTEL DXP，Pspice，均是通過查閱相關書籍，才學會了相關操作，但感覺

10、這兩個軟件在元件的查找上都有一定的困難，同時仿真過程出現問題極多，至今仍未獲得完整電路的仿真圖，仿真錯誤在相關位置均有提及；3.更為深刻的理解到模電實驗所需要的嚴謹性，譬如布線的規(guī)范性如達不到也會產生影響，尤其在此次實驗，由于考慮到電容充放電效應帶來的影響，電容取值較小以消除高頻，但這樣，線間的電容電感效應就足以對實驗產生影響；4. 通過實驗對對數放大器和反對數放大器的有了比較深刻的理解，同時也更好理解了溫度補償對運算精度的影響?？偟膩碚f，這次綜合實驗確實相對以前需要更多的知識，更強的能力，因此也使在實驗的過程中學到了更多，提高了自己動手設計實驗及單獨完成實驗的能力，也學會了思考，將所學的知識用到電路實際應用中。六、PROTEL繪制的原理圖及PCB制板圖七、所用儀器及器件清單1所用元器件： 集成運算放大器OP07（4個）三極管8050（4個）電阻：1.5M(4個),100K(4個),