课程设计小信号放大教材.docx
《课程设计小信号放大教材.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《课程设计小信号放大教材.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
课程设计小信号放大教材
课程设计论文
题目：
小信号放大器设计
院（系）：
电子工程与自动化学院
专业：
学生姓名：
学号：
指导教师：
职称：
讲师
2012年1月12日
摘要
小信号放大分为低频小信号放大和高频小信号放大。
。
高频率放大器一般用于各种信号接收器，例如手机，电视机，收音机，遥控器等等。
凡是无线电通讯都要用的。
低频小信号放大器主要用在音频放大，例如听音乐的各种功率放大器的前置部分。
低频小信号放大电路的用途非常广泛，它能够把微弱电信号增强到所要求的值。
电路由线性元件电阻、电容和非线性元件，即半导体晶体管组成。
在进行低频小信号放大时，电路中既有直流信号，又有交流信号，因此在分析和设计电路时问题错综复杂，利用叠加定理和低频小信号因素，可使问题变得容易。
本次设计我采用了仪用放大器进行放大，低通滤波器的知识，利用NE5532芯片来实现运放。
关键字：
小信号放大，仪用放大器，低通滤波器，NE5532，
目录
引言·························································································3
1设计任务及要求································································3
2、设计方案及元器件及其对应实现功能介绍·······················3
2.1.同相放大电路···································································3
2.2差分放大电路···································································4
2.3仪表放大器·····································································4
2.4.方案确定···········································································5
2.4.1主要器件选择·································································5
2.4.3工作原理······································································5
3.滤波部分················································································7
3.1滤波器的介绍··········································································7
4．调试方法与步骤···································································9
5结论记录·················································································9
6课程设计总结········································································10
7谢辞·······················································································10
参考文献··················································································10
附录··························································································11
附录一：
设计原理图·····································································11
附录二：
PCB图·············································································、12
附录二：
元件清单········································································13
引言
课程设计是理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次综合性专业设计训练。
本次课程设计主要注重的是电子电路的设计、仿真、安装、调试、印制电路板等综合于一体的一门课程，意在培养学生正确的设计思想方法以及思路，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度,培养学生综合运用所学知识与生产实践经验，分析和解决工程技术问题的能力。
作为一名大学生不仅需要扎实的理论知识，还需要过硬的动手能力，所以认真做好课程设计，对提高我们的动手能力有很大的帮助做到。
本次设计是小信号放大，采用仪用放大器的原理及低通滤波原理，仪用放大器实用性很强，通过本次课程设计，让我们根据平时所学知识，设计及制作，提高了我们分析问题解决问题的能力，也培养了我们的动手能力。
1、设计任务及要求：
设计任务：
小信号放大器设计
设计要求：
建议采用测量放大器组成
具体指标如下：
1、总增益Ad≥60dB；（1000）
2、输入阻抗Ri≥10M；
3、共模抑制比CMRR≥60dB；
4、频带范围为0~100Hz；
5、信噪比S/N>40dB。
2、设计方案及元器件及其对应实现功能介绍
2.1.同相放大电路
输入电压ui接至同相输入端，输出电压uo通过电阻RF仍接到反相输入端。
R2的阻值应为R2=R1//RF.
根据虚短和虚断的特点，可知I-=I+=0,
则有
且u-=u+=ui，可得：
同相比例运算电路输入电阻为：
输出电阻：
Rof=0
因此选择同相放大电路满足输入阻抗足够大
2.2差分放大电路
差动输入比例运算（即减法运算）
在差动放大电路中，有两个输入端，当在这两个端子上分别输入大小相等、相位相反的信号，（这是有用的信号）放大器能产生很大的放大倍数，我们把这种信号叫做差模信号，这时的放大倍数叫做差模放大倍数。
如果在两个输入端分别输入大小相等，相位相同的信号，（这实际是上一级由于温度变化而产生的信号，是一种有害的东西），我们把这种信号叫做共模信号，这时的放大倍数叫做共模放大倍数。
由差模放大倍数和共模放大倍数可求差模增益Avd和共模增益Acd，共模抑制比KCMR=20log（Avd/Acd）
2.3仪表放大器
2.3.1仪用放大器的介绍：
仪用放大器由运放A1,A2按同相输入法组成第一级差分放大电路。
运放A3组成第二级差分放大电路。
在第一级电路中，v1v2分别加到A1和A2的同相端，R1和两个R2组成的反馈网络，引入了负反馈，两运放A1A2的两输入端形成虚短和虚断，通过计算可得电路的电压增益，适当的选择电阻阻值可实现放大倍数的改变，并且可以将R1用适当的电位器代替，做到使放大倍数可调的功能。
仪用放大器电路优点：
电路简单，原件较少，A1和A2两放大器组成差分放大器，可以有效地抑制共模信号，并且为双端输出，其共模放大倍数理论为0，因而可以大大地提高共模抑制比。
并且由于输入信号V1V2都是A1A2的同相输入端，根据虚断和虚短，输入阻抗趋于无穷大，满足部分要求。
图1仪用放大器电路结构：
图1、仪用放大器电路图
图1是仪用放大器的结构，是分离和集成仪表放大器最常选的结构。
整个增益的传输函数很复杂，当R1=R2=R3=R4时，传输函数可以简化为
R5和R6设置为相同值（通常在10～50kΩ）。
简单地调节RG的值，电路的整个增益可由单位值调至任意高的值。
因此选择三运放仪用放大器满足电路的增益要求。
2.4.方案确定：
由于差模增益要求为1000，需采用多级放大器电路来达到增益要求。
各级放大电路均采用集成运放设计，且增益分配要均匀，本次设计采用仪用放大器，其次采用四阶低通滤波器进行滤波，使频带范围在0~100Hz。
2.4.1主要器件选择
芯片NE5532
供电电压：
＋12Ｖ直流稳压电源供电
滤波电路,反馈电路电阻,滑动变阻器（调节增益电阻）
安捷伦示波器
数字万用表
函数信号发生器
2.4.2最终电路选择
使用两个运放同相输入组成第一级差分放大电路，使用第三个运放组成第二级差分放大电路，即两级共同构成了仪用放大器，在第二级接入滑动变阻器改变电路总增益。
2.4.3工作原理
芯片选择：
为了减少运放对滤波电路的负载效益，同时便于调节，我选用NE5532.NE5532是高性能低噪声双运算放大器集成电路。
与很多标准运放相似，但它具有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。
因此很适合应用在高品质和专业音响设备、仪器、控制电路及电话通道放大器。
NE5532芯片的主要特性如下图2：
参数
数值
通道数
2
推荐电源电压（V）
±5-15
增益带宽（MHz）
10
功率带宽（KHz）
140
转换速率（V/us）
9
输入失调电压（mV）
5（Max）
输入噪声电压（nV/Hz）
5
共模抑制比（dB）
70（Min）
静态电流（mA）
8
图2、NE5532芯片的主要特性表
系统框图：
从工作原理看，设计出来的电路框图如图3所示。
直流稳压电源提供电路工作电压，经过发光二极管可知电路是否通路；OP07作为一个主控芯片，实现输入信号放大功能；输入信号经过芯片会被放大，第一级差放电路的反馈网络形成了虚断，使输入阻抗Ri→∞；输入信号进入第二级差分电路，调节滑动变阻器可改变整个电路的增益；信号输出到示波器。
系统框图如图3所示：
图3、测量放大系统框图
3.滤波部分
3.1滤波器的介绍：
滤波器是一种能使有用信号通过，滤除信号中的无用频率，即抑制无用信号的电子装置。
有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。
低通滤波器是一个通过低频信号而衰减或抑制高频信号的部件。
理想滤波器电路的频响在通带内应具有一定幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零。
但实际滤波器不能达到理想要求。
为了寻找最佳的近似理想特性，可主要考虑幅频特性。
一般来说，滤波器的幅频特性越好，其相频特性越差，反之亦然。
滤波器的阶数越高，幅频特性衰减的速率越快，但RC网络节数越多，元件参数计算越繁琐，电路的调试越困难。
任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而成。
对于n为偶数的高阶滤波器，可以由n/2节二阶滤波器级联而成；而n为奇数的高阶滤波器可以由（n-1）/2节二阶滤波器和一节一阶滤波器级联而成，因此一阶滤波器和二阶滤波器是高阶滤波器的基础。
根据设计要求，我选择巴特沃斯滤波器。
巴特沃斯滤波器的幅频响应在通带中具有最平幅度特性，但是通带到阻带衰减较慢。
我选择了四阶有源低通滤波器电路，即n=4.
有源4阶低通滤波器电路如图4所示，由两个二阶低通滤波器级联而成，压控电压源二阶滤波器电路的特点是：
运算放大器为同相接法，滤波器的输入阻抗很高，输出的阻抗很低，滤波器相当于一个电压源，其优点是电路性能稳定，增益容易调整。
图4有源四阶低通滤波器电路图
（1）选择电容器的容量，计算电阻器的阻值
电容C的容量宜在微法数量级以下，电阻的阻值一般应在几百千欧以内。
现选择C1=C2=C3=C4=0.33uF，
可算出R8=R9=R10=R12=1/（2πfcC）=1/（2*π*100*0.33uF）≈4.8kΩ。
现选择标准电阻R=4.7kΩ，这与计算值有一点误差，会导致截止频率比额定值稍有升高。
由表5可知，四阶巴特沃兹滤波器总的增益由两部分组成，即Av1=1.153和Av2=2.235，因此总的带通增益Ao=1.152×2.235≈2.575.选择R13,R14，R15,R16，R17时，为了减少偏置电流的影响，应尽可能使加到运放同相端对地的直流电阻与加到反相端对地直流电阻基本相等。
现选R14=68kΩ，R17=20kΩ，根据已知增益可算出
R13=（1.152-1）*R14=10.336kΩ，取10kΩ电阻代替
R15=（2.235-1）*R17=24.7kΩ，选用20kΩ和4.7kΩ电阻串联形成。
阶数n
2
4
6
8
增益G
一级
1.586
1.152
1.068
1.038
二级
2.235
1.586
1.337
三级
2.483
1．889
四级
2.610
表5巴特沃兹低通、高通电路阶数n与增益G之关系
3（3）multisim辅助设计及修正
通过multisim仿真软件对上述电路进行仿真，仿真结果如图6
图6multisim仿真电路图
其频域仿真结果为图7
图7multisim仿真得到的频域图
由上述仿真图可知，该滤波设计满足条件。
滤波部分系统框图如图8所示
图8、滤波部分系统框图
4．调试方法与步骤
1.连接好电路；
2.双端输入+12V电压，信号源输入20mv，60HZ的小信号；
3.调节电位器Rv1改变输出电压大小，即可改变输出电压放大倍数；
4.测量输出不失真电压Uo,则差模增益Avd=20lg（Uo/20mv）；
5.输入输出信号端共地测输出电压大小Vo,则共模增益Avc=20lg（Vo/20mv）,共模抑制比Kcmr=20lg（Avd/Acd）；
6.差模信号输入下，保持输入信号电压幅度不变，改变输入频率，测量输出电压等于0.707Uo时不失真频率范围，可得频带
7．输入端对地短路，测出输出噪声电压Un1；
8．差模信号输入下，改变输入信号电压幅度到最大不失真，测量输出电压Un2,则信噪比S/N=20lg（Un2/Un1）
9.断开输入电源，用万用表测输入阻抗
5结论记录
1、数据记录
差模：
输入Vi=20mv，Uo=21.8v
共模：
输入Vi=20mv，最大不失真输出为Vo=16.4mv
噪声电压Un1=0.4mv，最大不失真幅值Un2=22.2v
2、数据处理：
总增益Avd=20×lg（21.8×1000/20）=20×lg1090=60.75dB；
共模电压增益Avc=20lg（Vo/20mv）=20×lg0.82=-1.72dB；
Kcmr=Avd/Avc=1090/0.82=1329=62.47dB；
频带范围：
4Hz—108Hz
信噪比S/N=20lg（Un2/Un1）=20lg（22.2/0.8）=88.8dB;
输入阻抗Ri→∞
6课程设计总结
本次课程设计我认识到理论知识的重要性，理论知识决定了设计的方法，设计电路的成败，所以在设计之前，我通过互联网及书本获取了不少相关知识才最终决定设计方案，本次课程设计主要应用了仪用放大电路设计和低通滤波，应用了NE5532芯片的放大信号功能，在制作设计工程中不断地修改了电路图，最初时采用仪用放大器与三阶滤波器，由于滤波的电容和电阻没有匹配好，导致滤波效果不好，还出现了极大的衰减，之后进行修改，将R1与一个10k的电位器串联，实现了放大倍数可调的功能。
再加入了滤波电容，采用大容量电解电容并接在电路正负级之间，把电路中无用的交流电流去掉，使得输出波形更加稳定。
电路板调试过程中也出现了不少问题，首先检查是否出现虚焊的情况，然后排错，在出现错误时，从输入一部分一部分测试排错，分析出错原因，考虑是否电路原理错误。
在第二次做板时，我对PCB布局进行了修改，做到尽量按照原理图的排布来布局，以免出现不必要的干扰信号，然后在仪用放大器后面加入了输出，这样就可以进行分块测试了。
课程设计这门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，两周的课程设计，我感受最大的就是要有耐心，与其说是做设计，不如说是在锻炼我们的意志，使我们受益匪浅。
想要完成这项任务，要是没有顽强的毅力，是不可能达到理想的结果的，尤其是此次设计需要熟练了解很多模电方面的知识，在调试和测量的时候更需要细心，不要接错正负电源，以免造成芯片毁坏。
遇到不懂请教老师和同学，在大家的热心帮助下，我完成了这次课程设计。
7谢辞
这次课程设计的能够顺利地完成，感谢在课设期间每位帮助过我的同学，他们和我分享了很多自己总结的经验，让我少走很多弯路，同时教会我怎样合理地进行电路板的布局和布线。
同时更要感谢所有传授我知识的老师，是他们的悉心教导使我有了一定的专业课知识，这也是课设能够得以完成的基础。
在论文写作过程中，我还参考了有关的书籍和论文，在这里一并向有关的作者表示谢意。
对于大家的帮助，我表示衷心的感谢。
参考文献：
电子技术基础模拟部分（第五版）康华光主编高等教育出版社出版
模拟电子电路（实验·设计·仿真）李淑明主编电子科技大学出版社
附录
附录一、电路原理图
附录二、电路PCB
附录三：
元件清单
《课程设计Ⅰ》元器件清单示例
学号：
09008姓名：
课题：
小信号放大器的设计
序号
名称
数量
单价
备注
1
运放NE5532+底座
3
2
发光二极管
1
3
10k精密电位器
1
4
电阻（4.7k）
5
5
电阻（1k）
3
6
电阻（5.1k）
1
7
电阻（20k）
4
8
电阻（68k）
3
9
电阻（10k）
1
10
电解电容（470uF）
2
11
电容（0.33uF）
4
12
电容104
2
13
电源插针
1排
14
合计
29
升级会员 