模電實驗報告

1、信息與通信工程學院 姓名：李想 學號：10210379 2011-2012學年第二學期電子電路綜合設計實驗實驗四 指數(shù)運算電路的設計與實現(xiàn)實驗報告學 院：信息與通信工程學院專 業(yè)： 通信工程 班 級： 2010211113 班內(nèi)序號： 7 學 號： 10210379 姓 名： 李 想 任課教師： 崔巖松 北京郵電大學時間：2012年3月28日- 15 -實驗四 指數(shù)運算電路的設計與實現(xiàn)李想（北京郵電大學 信息與通信工程學院 北京100876）摘 要 指數(shù)運算電路是一種重要的電路組成部分。利用二極管的伏安特性實現(xiàn)的對數(shù)運算及指數(shù)運算，加以整合可以實現(xiàn)乘方運算。該電路可應用于乘法、除法、開方、調(diào)制

2、、解調(diào)、放大等功能的電路中。從而在模擬運算、通信、測控、電氣測量等電子技術領域，具有較高的研究價值。Abstract: Exponentiation circuit is a sort of significant component in analog circuit. Volt-ampere characteristic of the diode can realize logarithm and exponentiation, which can be integrated for involution. Exponentiation circuit is applied to mult

3、iplication, division, evolution, modulation demodulation and amplification. Therefore, exponentiation circuit has high research value in many field of electronic technique such as analogue operation, communication and measuring and control technology.關鍵詞 指數(shù)運算 乘方 溫度補償Keywords: Exponentiation, Exponen

4、tiation, Temperature compensation一、 實驗目的1、 了解對數(shù)放大器和反對數(shù)放大器的應用。2、 掌握如何補償溫度對一些參數(shù)的影響的方法。3、 進一步熟練掌握運算放大器的工作原理和基本特性以及二極管的指數(shù)特性。4、 提高獨立設計電路和驗證實驗的能力。二、 實驗任務1、基本要求：設計并實現(xiàn)一個指數(shù)運算電路，要求電路的輸出輸入滿足指數(shù)運算關系uo=uiK，K的大小由電路中元器件參數(shù)決定，本實驗要求K=2或K=3，設計指標以及給定條件為：1） 電路的輸入阻抗Ri 100K。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

5、完整的電路原理圖（SCH）及印刷電路板圖（PCB）。、2、提高要求：自擬三、 實驗所用儀器1、 函數(shù)信號發(fā)生器2、 示波器3、 晶體管毫伏表4、 萬用表5、 直流穩(wěn)壓電源四、 實驗可選元件及介紹12344.1 集成運算放大器OP071Op07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。Op07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。引腳如（圖4-1）。圖4-1 Op07運算放大器管腳圖4.2 三極管805028050是非常常見的NPN型晶體三極管，在各種放大電路中經(jīng)?？吹剿?，應用范圍很廣，主要用于高頻放大。（圖4-2）圖4-2 三極管8050（TO-92封裝）管腳圖

6、4.3 電阻電容若干額外提供的精密電阻分別為：電阻精2K（2個）、電阻精15.7K（1個）、電阻精4.55K（1個）電阻精1K（2個）。五、 實驗原理55.1 對數(shù)放大器和反對數(shù)放大器及溫度補償電路原理框圖如（圖5-1）所示。3對數(shù)放大電路反對數(shù)放大電路溫度補償電路溫度補償電路uiuo1uo圖5-1 原理框圖基本數(shù)學推導：uo=klnuiuo=Beuo=Beklnuieklnui=uoB兩邊取對數(shù)：klnui=lnuoBuoB=uik調(diào)整相關參數(shù)使B = 1，即uo=uik。下面分別對對數(shù)放大器和反對數(shù)放大器及由其構成的指數(shù)運算電路加以詳細闡述。5.2 對數(shù)放大器利用二極管的PN結的指數(shù)型伏安

7、特性，可實現(xiàn)對數(shù)運算。其解析式表示法：i=IseuUT-1其中：Is反向飽和電流，與外加電壓無關，硅管Is遠小于鍺管Is UT熱電壓，UT=kTq，室溫下，UT=26mv當加到PN結上的電壓大于100mv是，euUT1，伏安特性可簡化為：i=IseuUT u=UTlniis實用時，常把晶體管的基極與集電極短路，接成二極管形式，則可增加集電極電流動態(tài)運用范圍。引入運算放大器，利用運算放大器反向端的虛地特性，則可把PN結上的電壓電流關系轉化為電路的輸入輸出電壓關系，分別形成對數(shù)放大器和飯對數(shù)放大器。對數(shù)放大器如下（圖5-2）所示：晶體管集電極電流為：icIESeuUT ic=iR uo=-u ui

8、R=-IESeuoUT u=-UTlnuiRIES圖5-2 對數(shù)放大原理圖其中，IES發(fā)射結反向飽和電流輸出電壓幅度不能超過0.7V，且ui0，保證晶體管處于導通狀態(tài)從式中可以看出輸入輸出呈對數(shù)關系，其中UT，IES都是溫度的函數(shù)，其運算精度受溫度影響大，故需加溫度補償電路。如（圖5-3）所示：圖5-3 溫度補償電路圖中：A1，T1組成基本運算電路。A2，T2組成溫度補償電路。T1，T2兩管的集電極電流分別為：ic1IES1euBE1UTuiR5 ube1UTlnic1IES1ic2IES2euBE2UTVRR8 ube2UTlnic2IES2T2的基極電位為：UB=-uBE1+uBE2-UT

9、lnic1IES1-lnic2IES2忽略T2的基極電流，UB=R4R3+R4uo，則uo1+R3R4UB-1+R3R4UTlnic1ic2IES2IES1選擇T1，T2兩管參數(shù)對稱，IES1=IES2，則uo1+R3R4UB-1+R3R4UTlnR8R5uiVR這樣，利用T1，T2兩管特性的一致性，可將IES的影響消除R4選用具有正的溫度系數(shù)的熱敏電阻，可補償溫度對UT的影響。5.3 反對數(shù)放大器將電阻R與晶體管位置互換，就構成了基本的反對數(shù)運算電路，如（圖5-4）所示：圖5-4反對數(shù)運算電路由二極管的特性可知： iE=IESeuiUTiE=iF=-uoRuo=-RiE=-RIESeuiUT

10、即實現(xiàn)了反對數(shù)運算同對數(shù)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。值得指出的是，對數(shù)放大器和反對數(shù)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。5.4 指數(shù)運算電路如（圖5-5）所示。A1、A2、T1、T2構成具有溫度補償?shù)膶?shù)運算電路，其運算關系已經(jīng)進行了詳細推導?？芍簎o1-1+R3R4UTlnR8R5uiVR圖5-5 指數(shù)運算電路A3、A4、T3、T4構成具有溫度補償?shù)姆磳?shù)運算電路，其運算關系如下：UA=-uBE4+uBE3i3=VRR9IES3euBE3UTi4=VRR12IES4euBE4UTUA=-UTlni4IES4IES3i3同樣，T

11、3、T4選用特性一致的三極管，則：UA=-UTlni4i3=-UTlnuoVRR9R12忽略T3基極電流，則：UA=-R1R1+R21+R3R4UTlnR8R5uiVR要實現(xiàn)uo=uiK，取R9R12VR=1，R6R5VR=1，VR=15VR12=R15=100K，R6=R9=1.5M。所以，uo=uiK其中，K=R1R1+R2R3+R4R4，取R1=R4=1K，R2=4.55K，R3=15.7K。則K=3.0093，uo=ui3。為了濾去高頻成分，最終電路圖如（圖5-5）所示。六、 PCB版圖圖6-1 PCB版圖七、 調(diào)試及故障分析677.1 靜態(tài)檢查圖7-1 電路連接完成連接電路過程中檢查

12、連線與面包板的接觸，以及元器件的好壞。連接完畢按照書中電路圖檢查是否有連接錯誤。（圖7-1）線路規(guī)則：黑線接地，藍線-15V，黃線+15V，橙色與白色線為電路間連線。紅色線為輸出。7.2 連線檢查待確認儀器良好后，連通電路檢查輸入輸出波形，發(fā)現(xiàn)存在很大失真（圖7-2）。檢查電路并無連接錯誤。=圖7-2 嚴重失真的波形于是，在逐級檢查后，發(fā)現(xiàn)第四級有比較嚴重的高頻自激震蕩（頻率在幾十kHz左右）。將放大器第三腳通過小電容接地，有明顯改善。但是還是有高頻分量難以去除。在將第二腳以小電容接地后，高頻分量消除，得到正常的指數(shù)波形。（原理圖中Ca1與Ca2）7.3 指數(shù)放大檢查電路連通后，檢查指數(shù)放大次

13、數(shù)，發(fā)現(xiàn)只有2次左右。檢查電路無故障之后，分析故障原因應為晶體管品質(zhì)差異。在更換了T3晶體管后，放大波形穩(wěn)定在三次范圍內(nèi)。7.4 溫度影響由于T3對指數(shù)次數(shù)的敏感。測試T3的溫度特性。發(fā)現(xiàn)在T3被冷卻之后，輸出波形次數(shù)明顯降低。在T3恢復室溫后，輸出波形次數(shù)恢復三次。八、 實際輸出波形與測試488.1 指數(shù)測試測試條件：995.36kHz 鋸齒波 輸入峰峰值2V 直流分量1V輸出電壓8V如（圖8-1）所示 uo=ui3圖8-1 指數(shù)測試8.2 李薩如圖測試條件：173.17Hz 正弦波 輸入峰峰值2V 直流分量1V李薩如圖是標準的三次函數(shù) 與輸入直線交于(1,1)點如（圖8-2）所示，uo=u

14、i3圖8-2 李薩如圖8.3 輸入信號頻率范圍經(jīng)過測試，在250Hz以下，指數(shù)運算準確，李薩如圖中圖像吻合。250-1000Hz范圍內(nèi)，指數(shù)運算準確，李薩如圖中圖像上行下行有相移。九、 課程收獲在本次課程中，我學習按照電子系統(tǒng)的設計方法與流程設計與安裝我的電子系統(tǒng)指數(shù)運算電路。在設計安裝之前，我首先查閱資料學習有關指數(shù)運算電路的設計方法與功能，在進行了詳細的公式推導、元件選擇過程之后，我開始安裝我的電子系統(tǒng)。在安裝的過程中，我一邊安裝一邊用筆標記安裝過的線路，以保證線路連接不重復，也沒有遺漏，設計上方兩排為+15V與-15V，下放兩排為GND與輸入輸出端。在使用連線的時候，我使用黑線接地，藍線

15、-15V，黃線+15V，橙色與白色線為電路間連線。紅色線為輸出。盡量將相近功能使用一種顏色的連線，主要是為了便于調(diào)試。在安裝電阻電容的時候，我事先進行了比較好的電路設計，以保證電阻電容安裝位置的精確。最終安裝完成的面包板整齊明了，便于使用與檢查。在連接元件的時候，首先使用萬能表檢查元件是否能正常工作，以保證元件的完好。在進行測試的時候，首先要熟練掌握原理圖以及電路原理，再出現(xiàn)故障的時候能夠冷靜分析出故障的原因，并進行正確的調(diào)試。比如A4出現(xiàn)較大的自激震蕩時，將A4單獨隔離出來發(fā)現(xiàn)與前三級沒有關系，并且前幾級的輸入波形并無問題，從而確定是A4與T4的問題導致震蕩，根據(jù)自激震蕩的頻率選擇合適的電容進行濾波，最后得到了穩(wěn)定、合理的波形。在測試的時候，對每個元件的作用都要掌握，在固定位置增加或減少電容、電阻會對電路造成什么影響都有了了