增益可調(diào)差動(dòng)放大器的設(shè)計(jì)與仿真

增益可調(diào)差動(dòng)放大器的設(shè)計(jì)學(xué)號(hào)：01姓名：何暢班級(jí)：2011級(jí)電科二班摘要：本課題設(shè)計(jì)利用增益可調(diào)放大器UA709芯片為設(shè)計(jì)核心(也可以利用LM709CN芯片等)，根據(jù)UA709的放大原理，利用公式計(jì)算出放大倍數(shù)，然后利用專業(yè)軟件(如 ORCAD或者M(jìn)ultisim)模擬和仿真增益可調(diào)放大器電路，并測(cè)出其電壓及電壓增益的實(shí)際值！關(guān)鍵字:UA709LM709CNORCADMultisim一、課題背景而且能有效的減小電源波動(dòng)和晶體管隨溫度變化多引起的零點(diǎn)漂移,因而獲得廣泛的應(yīng)用。特別是大量的應(yīng)用于集成差動(dòng)放大電路又叫差分電路， 他不僅能有效的放大直流信號(hào),運(yùn)放電路，他常被用作多級(jí)放大器的前置級(jí)。而且能有效的減小電源波動(dòng)和晶體管隨溫度變化多引起的零點(diǎn)漂移,因而獲得廣泛的應(yīng)用。特別是大量的應(yīng)用于集成基本差動(dòng)放大電路由兩個(gè)完全對(duì)稱的共發(fā)射極單管放大電路組成，該電路的輸入端是兩個(gè)信號(hào)的輸入，這兩個(gè)信號(hào)的差值，為電路有效輸入信號(hào)，電路的輸出是對(duì)這兩個(gè)輸入信號(hào)之差的放大。設(shè)想這樣一種情景，如果存在干擾信號(hào)，會(huì)對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)產(chǎn)生相同的干擾，通過二者之差，干擾信號(hào)的有效輸入為零，這就達(dá)到了抗共模干擾的目的。差動(dòng)放大電路的基本形式對(duì)電路的要求是： 兩個(gè)電路的參數(shù)完全對(duì)稱兩個(gè)管子的溫度特性也完全對(duì)稱。 它的工作原理是：當(dāng)輸入信號(hào)Ui=O時(shí)，則兩管的電流相等，兩管的集點(diǎn)極電位也相等，所以輸出電壓Uo=UC1-UC2=0。溫度上升時(shí)，兩管電流均增加，則集電極電位均下降，由于它們處于同一溫度環(huán)境，因此兩管的電流和電壓變化量均相等，其輸出電壓仍然為零。I960年代晚期，仙童半導(dǎo)體(FairchildSemiconductor)推出了第一個(gè)被廣泛使用的集成電路運(yùn)算放大器，型號(hào)為UA709，設(shè)計(jì)者則是鮑伯？韋勒(BobWidlar)。但是709很快地被隨后而來的新產(chǎn)品UA741取代，UA741有著更好的性能，更為穩(wěn)定，也更容易使用。UA741運(yùn)算放大器成了微電子工業(yè)發(fā)展歷史上一個(gè)獨(dú)一無二的象征， 歷經(jīng)了數(shù)十年的演進(jìn)仍然沒有被取代，很多集成電路的制造商至今仍然在生產(chǎn) UA741。直到今天UA741仍然是各大學(xué)電子工程系中講解運(yùn)放原理的典型教材。運(yùn)算放大器LM709系列是一個(gè)單片機(jī)的運(yùn)算放大器在-通用的應(yīng)用往往。操作completely指定范圍內(nèi)的電壓的普遍使用對(duì)于這些設(shè)備。設(shè)計(jì),除了提供高偏移電壓增益、消除都和偏置電流。毛皮聲，B類輸出級(jí)給大輸出能力用最小的功率消耗。外部元件用于頻率補(bǔ)償放大器。雖然單位增益補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)無條件地指定將使放大器。 穩(wěn)定反饋配置、補(bǔ)償可以量身定做，以適合高頻性能優(yōu)化為任何增益設(shè)定。

二、可選萬案設(shè)計(jì)：方案一:選用UA709芯片用ORCAD軟件模擬仿和真增益可調(diào)差動(dòng)放大器電路。（一）電路原理連接圖如下：利用直流電源作為增益可調(diào)差動(dòng)放大器的輸入端（下圖為可調(diào)增益放大器實(shí)際電路圖，其中電壓源 U5=U6=4V）Ri123.MmAWOJV*V5T_V?14.33KAUo-13.44Vr-1.12OV10.00VV3R2123.44mA112OuA直流分析具體參數(shù)設(shè)置如下:AnalyEistype：DCSweepOptionsPrimarySweep□Seccnda-ySweepIAnalyEistype：DCSweepOptionsPrimarySweep□Seccnda-ySweepIiMonteCarlo/Worst=I|farametricSweep□Tenuper卷toreCSweepIiSaveBi缸宜PointTemperaturs! Parameter EvalSweeptyp&tu Start 0*Lin電arEnd 200kLogarithmiDecadeliterem*nt： 2kValueli①下圖為交流源U5=U6=4V時(shí)，（直流掃描）輸出電壓Uo的結(jié)果圖（從圖可以觀察到輸出電壓越來越趨于穩(wěn)定，其穩(wěn)定值在 0.8uV附近,可見輸出電壓是非常小的，幾乎接近零）②下圖為交流源U5=U6=4V時(shí)，（直流掃描）輸出電壓增益Ao的結(jié)果圖（從圖可以觀察到電壓增益先直線上升，由負(fù)的電壓增大到正的電壓，由于輸入電壓U5=U6，那么理論值中電壓輸出增益應(yīng)該是無窮大的。30而實(shí)驗(yàn)也顯示是1*10V，這個(gè)值已是非常大了，可以視為無窮大可見理論值與實(shí)際值是十分相符的）(V|V6'+J-V(7S!!+>|i(V|V6'+J-V(7S!!+>|i-{JQOKh0-3OE3-CF沁-bgg-irmessdLf-1D.{JOOKP2.D3CIE5D瞬態(tài)分析具體參數(shù)設(shè)置如下:SimulatioOptionsGeneralAikaLysisD&taCollftetionIncludeFilesProbeWindowLibrariesStimuLusAn&lysistype：Runto1OOOOOiiesecondsQptimeStartsavingsecondsGeneriLSettingsTr&n￡iftntoptio.nsQlllonteCarl&/WorstCa*nPiaram<atrieSweepTamperatur&(Sweep)QSavaBiasPoint(LeadBiasPointMaximumstepsecondsSkiptheiikitialtransientbiaspointcalculs.tputFileOptions.③下圖為交流源U5=U6=4V時(shí)，（瞬態(tài)掃描）輸出電壓Uo的結(jié)果圖④下圖為交流源U5=U6=4V時(shí)，（瞬態(tài)掃描）輸出電壓增益Ao的結(jié)果圖（二）電路原理連接圖如下：U1=U2=4V)U1=U2=4V)RJ■1376V--12tErr'.'AId147VI[QR213.73mALT1.25TmA14.a￡KARP{Rvsl}13TBV^25.4mVR：\w-

"Ok1113mAUdYA-10k|竝.55uA瞬態(tài)分析具體參數(shù)設(shè)置如下:OptionsGeneral AnalysisOptionsGeneral AnalysisDataCftllecticnIncludeFilesProleNiikdowLibraries Stimulus11anteCarlc/VfurstCa;□Pirametric歸噸□Temperature(Sweep)||SaveBiazPointHLsadBiasFeintRuntoIQOOOQ^ssecondsSt^rtsavingd!&ta0secoiidsTransioptionsMaximmstepsecondisSkipth?initi?1trwsi?ntbiaspointcalcul；.tputfileOptians.⑤下圖為交流源U仁U2=4V時(shí)，（瞬態(tài)掃描）輸出電壓Uo的結(jié)果圖下圖為交流源U仁U2=4V時(shí)，（瞬態(tài)掃描）輸出電壓增益Ao的結(jié)果圖Tl?交流分析具體參數(shù)設(shè)置如下:OptiOptionsGeneralAiL&lysiEB^taCollectionIncludeFilesProbeWindowStinnlusAnalysistype:ACSw?epTypeAJCSweap/NoiOptiartsZGentrslSetting*LinearLigarithmiDec&deStartEndTotallOOOOOOkne100□MonteCarlo/WorstCu_ParametricSwetpTemperiture(SwtepJ□SaveEiFoixitr~lLo<dEiasPointNoiseAnalysisEnabled下圖為交流源U仁U2=4V時(shí)，（交流掃描）輸出電壓Uo的結(jié)果圖（從圖可以觀察到：輸出電壓首先直線下降，接著趨于其穩(wěn)定值，在92pV附近，可見輸出電壓是非常小的，幾乎接近零）下圖為交流源U仁U2=4V時(shí)，（交流掃描）輸出電壓增益Ao的結(jié)果圖（從圖可以觀察到：電壓增益是一條直線，且其輸出電壓增益為零。是由于輸入電壓U5=U6，而Uo=（m+n+-2mn）（U6-U5），1+p那么Uo就為零，于是有電壓增益Ao為零。）此電路實(shí)際輸入電阻不高，差動(dòng)放大器的增益與電位器的阻值呈非線性關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，此電路的運(yùn)放可選 UA709,在UA709的1腳和8腳之間要接R1和C1組成的串聯(lián)相位補(bǔ)償電路；為了防止電路的振蕩，在 5腳和6腳之間要加補(bǔ)償電容C2也可以用UA709TC,MC709C,BG709CP,TD709CN,7F709CD等代替uA709。

方案二：選用LM709CN芯片用Multisim軟件模擬仿和真增益可調(diào)差動(dòng)放大器電路。（一）電路原理連接圖如下：利用交流電源作為增益可調(diào)差動(dòng)放大器的輸入端（下圖為可調(diào)增益放大器實(shí)際電路圖，其中電壓源 U5=U6=12V）AW

lOkOVA1kQ：■-r-Dn^1""-i_i?nrrBLrTJ-:;Q；廠i(y3:CW14下圖為直流源U5=U6=12V時(shí)，（直流掃描）輸出電壓Uo的結(jié)果圖jna.xm^nx口yp&xy匚± kfeftaec￥4M.3I39D09.J242B，?:1/±K.1/dyjna.xm^nx口yp&xy匚± kfeftaec￥4M.3I39D09.J242B，?:1/±K.1/dyJulqXVililDCTraiiisferCharacteristicLD27Ssufi27o.oooai.Qoao9.242ft9,2125D-ooao0,0000H.7BQE2K2i—-JWn.245260m494.429m下圖為直流源U5=U6=12V時(shí)，（直流掃描）輸出電壓增益 Ao的結(jié)果圖（從圖可以觀察到：輸出電壓增益是一條直線，且其輸出電壓增益為零。是由于輸入電壓3=U2，而Uo=（m+n+2^）（U2-U1）,1+p那么Uo就為零，于是有電壓增益Ao為零。）s1/dM1/drDCTransferCharacteristic0.0D-3Dl.OtKlDOaOMDO.OM&0.0000Q.ClMCis1/dM1/drDCTransferCharacteristic0.0D-3Dl.OtKlDOaOMDO.OM&0.0000Q.ClMCi4■&旳&-34t.3>7MiQ.CHKH?-4.010Qaffi?EX下圖為直流源U5=U6=12V時(shí)，（瞬態(tài)掃描）輸出電壓Uo的結(jié)果圖（從圖可以觀察到：輸出電壓增益是一條直線。其輸出電壓為 9.2425V）TransientAnalysisTransientAnalysisTransientAnalvsis盼XSflWlAO.flODD0..OOGOTransientAnalvsis盼XSflWlAO.flODD0..OOGODi^lOQD2i9.37￡￡ii0.0000-4_aiODteO.HODDl.frDOCa??.J3C<O..43O&04oaooO.HODD下圖為直流源U5=U6=12V時(shí)，（瞬態(tài)掃描）輸出電壓增益 Ao的結(jié)果圖（從圖可以觀察到：輸出電壓增益是一條直線，且其輸出電壓增益為零。是由于輸入電壓U5=U6，而Uo=（m+n+2^）（U6-U5）,1+p那么Uo就為零，于是有電壓增益Ao為零。）1/dxi/drmisxL^jehmiziyBU.XY?W（二）電路原理連接圖如下:利用交流電源作為增益可調(diào)差動(dòng)放大器的輸入端（下圖為可調(diào)增益放大器實(shí)際電路圖，其中電壓源U1=U2=12V):::R3：—Wv::：1kO:::R1：：―Wv-:?W（二）電路原理連接圖如下:利用交流電源作為增益可調(diào)差動(dòng)放大器的輸入端（下圖為可調(diào)增益放大器實(shí)際電路圖，其中電壓源U1=U2=12V):::R3：—Wv::：1kO:::R1：：―Wv-::10kO:13 |v;k:C1XV3lei--Rn-nL<?RYlkcIoUVnns：:砂H工：：下圖為交流源U仁U2=12V時(shí)，（交流掃描）輸出電壓（從圖可以觀察到：輸出電壓是一條不為零的直線。）Uo的結(jié)果圖EG儀1j-1pffS*CX□□1.-?^3B1.gutl-I.94Ei￡bli-MDO3g.O?IDEatz.flioEcEB3J1下圖為交流源U仁U2=12V時(shí)，（交流掃描）輸出電壓（從圖可以觀察到：輸出電壓是一條不為零的直線。）Uo的結(jié)果圖EG儀1j-1pffS*CX□□1.-?^3B1.gutl-I.94Ei￡bli-MDO3g.O?IDEatz.flioEcEB3J1.aTQ&nn.mD□.oaaaIIr1hilu- ji■rrid■■F—!■■t-H'i+fHr—卜■■n & ■?r-_ui-"T-r■Trxr ■K|i??qi■■ ■■h??fi4--i-i-ilii-H—hi.A”■a-r?"r?"i4—■fa斗UF+1”■■ ■ ■r■■ ■ ■ ■ ■ ■■r■■ra■I i I nbflr? i i i i t?tu?ii ■ i -ir-ir?i i ■ ii?-iraii i i ii■Hr■i ■ i im?tin?i——卜“十+-H卜用卜 P ?1/dH!/!#￥BLLZ.KruKxqlkiyToffsetmE-rf■■T.vrQaDOQCl.^goc-7,BB23e-aH-9^.2040-7.96234-014白-!>白自En-13r&4fi>JT1.fiOOCldrQDQOG?1」斛粋0,0004P-PPM下圖為交流源5=U2=12V時(shí)，（交流掃描）輸出電壓增益 Ao的結(jié)果圖（從圖可以觀察到：輸出電壓增益是一條直線，且其輸出電壓增益為零。是由于輸入電壓3=U2，而Uo=（m+n+-2mn）（U2-U1）,1+p那么Uo就為零，于是有電壓增益Ao為零。）ACAnalysis45n'--爭(zhēng)2〔詈：■wl￡?Mii2.1^4,J-dPH-Hii-■M0.WHri-i-i”鼻■ ■奮.■、I噸，耳”;l-±(a/^TftinxUKXHini'45n'--爭(zhēng)2〔詈：■wl￡?Mii2.1^4,J-dPH-Hii-■M0.WHri-i-i”鼻■ ■奮.■、I噸，耳”;l-±(a/^TftinxUKXHini'ruxyoCfaetsiaEfaatjr：???：?：?：??：?：?：：12.￡€aifel.flOOS-12.559-lk-Toisavi-iwiT7■他切i.lJCKK)l&.QDOOS-1.6BC&Ho.icoaO.OGOD0.QCO3VI12IVila：」.J汗廣I刃惆口"5ik-3--?12.8401k0、0gQl.ooonQ.QHD=12.B541tE■mTffiTpl.l3(X)Dio.□ngsO.flQODa.ooona.DccnrirequaicY(Hi)ifCsei:”!J±.OTden1.^004532.0Ttiera"DM-lP5rSI??H1収MICi.OQdOGISZr'OrrgQnS32.07nenUNQK嘰恤GO9.434QtO.fiflMJLDCI強(qiáng)o.aocc-SlrOSOt耽知10.0000Ge.oaooQ-QOPQo.no?-H-!”計(jì)-F-4-r-FFre<ynKy(Hi、下圖為交流源5=U2=12V時(shí)，（瞬態(tài)掃描）輸出電壓Uo的結(jié)果圖（從圖可以觀察到：輸出電壓是一條直斜線，一直在不斷的線性增加。由于輸入電壓U1=U2，那么理論值中電壓輸出增益應(yīng)該是無窮大的。而實(shí)驗(yàn)也顯示是如此，可見理論值與實(shí)際值是十分相符的） 。）AA.TransientAnalysis.IAA.TransientAnalysis.I下圖為交流源5=U2=12V時(shí)，（瞬態(tài)掃描）輸出電壓增益Ao的結(jié)果圖（從圖可以觀察到：輸出電壓增益是一條直線，且其輸出電壓增益為零。是由于輸入電壓3=U2，而Uo=（m+n+）2mn（U2-U1）,1+p那么Uo就為零，于是有電壓增益 Ao為零。）L/dxL/ny33.RX?5e.農(nóng)￥|1和J［刊“-罕匸』ITransientAnalysisO.UOQOO.QODQHOCO.iWOOo.uoao-2-D&&DI三、公式推導(dǎo)由以上電路圖可知：設(shè)流過R1、R2、R3R4、R5R6、R7分別為11、12、13、14、15、16、17。理想條件下：有11=13，(U1-Un)/R仁(Un-Ua)/R3.且12=14.(U2-Up)/R2=(Ub-Up)/R5聯(lián)立以上式子和Un=Up可得：Ua-Ub=10(U1-U2)又13=15+16且(Un-Ua)/R3=(Ua-Ub)/(R+Rp)+(Ua-Uo)/R7又I7+I4+I5且(Up-Ub)/R5+(Ua-Ub)/(R+Rp)=Ub/R8聯(lián)立以上式子，且R仁R2=R4=R6=1K,R3=R5=R7=R8=Rp=10k可得：Uo=420/11*（U2-U1）而5=U2=5V,那么Uo應(yīng)該為零?？蓪?shí)際情況，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù):<1>交流分析中,Uo=87.113pv而當(dāng)U1=5V，U2=10V；而當(dāng)U1=5V，U2=10V；。此電路，輸入電阻<1>交流分析中<1>交流分析中，電壓增益Ao<2>瞬態(tài)分析中，電壓增益Ao不高，差動(dòng)放大器的增益與電位器的阻值呈非線性關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，此電路的運(yùn)放可選UA709,在UA709的1腳和8腳之間要接R1和C1組成的串聯(lián)相位補(bǔ)償電路；為了防止電路的振蕩，在5腳和6腳之間要加補(bǔ)償電容C2。也可以用UA709TC,MC709C,BG709CP,TD709CN,7F709CD等代替uA709。四、實(shí)驗(yàn)分析與總結(jié)：此次課題設(shè)計(jì)讓我明白：理想是美好的，二而實(shí)際往往與理想存在差距，理想必須和實(shí)際相結(jié)合才有意義，即