增益可调差动放大器的设计与仿真特别版.docx

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增益可调差动放大器的设计与仿真特别版

增益可调差动放大器的设计

学号：

01姓名：

何畅班级：

2011级电科二班

摘要：

本课题设计利用增益可调放大器uA709芯片为设计核心（也可以利用LM709CN芯片等），根据uA709的放大原理，利用公式计算出放大倍数，然后利用专业软件（如ORCAD或者Multisim）模拟和仿真增益可调放大器电路，并测出其电压及电压增益的实际值！

关键字：

UA709LM709CNORCADMultisim

一﹑课题背景：

差动放大电路又叫差分电路，他不仅能有效的放大直流信号，而且能有效的减小电源波动和晶体管随温度变化多引起的零点漂移，因而获得广泛的应用。

特别是大量的应用于集成运放电路，他常被用作多级放大器的前置级。

基本差动放大电路由两个完全对称的共发射极单管放大电路组成，该电路的输入端是两个信号的输入，这两个信号的差值，为电路有效输入信号，电路的输出是对这两个输入信号之差的放大。

设想这样一种情景，如果存在干扰信号，会对两个输入信号产生相同的干扰，通过二者之差，干扰信号的有效输入为零，这就达到了抗共模干扰的目的。

差动放大电路的基本形式对电路的要求是：

两个电路的参数完全对称两个管子的温度特性也完全对称。

它的工作原理是：

当输入信号Ui=0时，则两管的电流相等，两管的集点极电位也相等，所以输出电压Uo=UC1-UC2=0。

温度上升时，两管电流均增加，则集电极电位均下降，由于它们处于同一温度环境，因此两管的电流和电压变化量均相等，其输出电压仍然为零。

1960年代晚期，仙童半导体（FairchildSemiconductor）推出了第一个被广泛使用的集成电路运算放大器，型号为uA709，设计者则是鲍伯•韦勒（BobWidlar）。

但是709很快地被随后而来的新产品uA741取代，uA741有着更好的性能，更为稳定，也更容易使用。

uA741运算放大器成了微电子工业发展历史上一个独一无二的象征，历经了数十年的演进仍然没有被取代，很多集成电路的制造商至今仍然在生产uA741。

直到今天uA741仍然是各大学电子工程系中讲解运放原理的典型教材。

运算放大器LM709系列是一个单片机的运算放大器在-通用的应用往往。

操作completely指定范围内的电压的普遍使用对于这些设备。

设计,除了提供高偏移电压增益、消除都和偏置电流。

毛皮声，B类输出级给大输出能力用最小的功率消耗。

外部元件用于频率补偿放大器。

虽然单位增益补偿网络无条件地指定将使放大器。

稳定反馈配置、补偿可以量身定做,以适合高频性能优化为任何增益设定。

二﹑可选方案设计：

方案一：

选用UA709芯片用ORCAD软件模拟仿和真增益可调差动放大器电路。

（一）电路原理连接图如下：

利用直流电源作为增益可调差动放大器的输入端

（下图为可调增益放大器

实际电路图，其中电压源U5=U6=4V）

直流分析

具体参数设置如下：

①下图为交流源U5=U6=4V时，（直流扫描）输出电压Uo的结果图

（从图可以观察到输出电压越来越趋于稳定，其稳定值在0.8uV附近，

可见输出电压是非常小的，几乎接近零）

②下图为交流源U5=U6=4V时，（直流扫描）输出电压增益Ao的结果图

（从图可以观察到电压增益先直线上升，由负的电压增大到正的电压，

由于输入电压U5=U6，那么理论值中电压输出增益应该是无穷大的。

而实验也显示是

V，这个值已是非常大了，可以视为无穷大

可见理论值与实际值是十分相符的）

瞬态分析具体参数设置如下：

③下图为交流源U5=U6=4V时，（瞬态扫描）输出电压Uo的结果图

④下图为交流源U5=U6=4V时，（瞬态扫描）输出电压增益Ao的结果图

（二）电路原理连接图如下：

利用交流电源作为增益可调差动放大器的输入端

（下图为可调增益放大器实际电路图，其中电压源U1=U2=4V）

瞬态分析具体参数设置如下：

⑤下图为交流源U1=U2=4V时，（瞬态扫描）输出电压Uo的结果图

⑥下图为交流源U1=U2=4V时，（瞬态扫描）输出电压增益Ao的结果图

交流分析具体参数设置如下：

⑦下图为交流源U1=U2=4V时，（交流扫描）输出电压Uo的结果图

（从图可以观察到：

输出电压首先直线下降，

接着趋于其稳定值，在92pV附近，

可见输出电压是非常小的，几乎接近零）

⑧下图为交流源U1=U2=4V时，（交流扫描）输出电压增益Ao的结果图

（从图可以观察到：

电压增益是一条直线，且其输出电压增益为零。

是由于输入电压U5=U6，而Uo=（m+n+

）（U6-U5），

那么Uo就为零，于是有电压增益Ao为零。

）

此电路实际输入电阻不高，差动放大器的增益与电位器的阻值呈非线性关系。

在实际应用中，此电路的运放可选uA709,在uA709的1脚和8脚之间要接

R1和C1组成的串联相位补偿电路；为了防止电路的振荡，在5脚和6脚之

间要加补偿电容C2。

也可以用uA709TC,MC709C,BG709CP,TD709CN,7F709CDE等代替uA709。

方案二：

选用LM709CN芯片用Multisim软件模拟仿和真增益可调差动放大器电路。

（一）电路原理连接图如下：

利用交流电源作为增益可调差动放大器的输入端

（下图为可调增益放大器实际电路图，其中电压源U5=U6=12V）

①下图为直流源U5=U6=12V时，（直流扫描）输出电压Uo的结果图

②下图为直流源U5=U6=12V时，（直流扫描）输出电压增益Ao的结果图

（从图可以观察到：

输出电压增益是一条直线，且其输出电压增益为零。

是由于输入电压U1=U2，而Uo=（m+n+

）（U2–U1），

那么Uo就为零，于是有电压增益Ao为零。

）

③下图为直流源U5=U6=12V时，（瞬态扫描）输出电压Uo的结果图

（从图可以观察到：

输出电压增益是一条直线。

其输出电压为9.2425V）

④下图为直流源U5=U6=12V时，（瞬态扫描）输出电压增益Ao的结果图

（从图可以观察到：

输出电压增益是一条直线，且其输出电压增益为零。

是由于输入电压U5=U6，而Uo=（m+n+

）（U6–U5），

那么Uo就为零，于是有电压增益Ao为零。

）

（二）电路原理连接图如下：

利用交流电源作为增益可调差动放大器的输入端

（下图为可调增益放大器实际电路图，其中电压源U1=U2=12V）

⑤下图为交流源U1=U2=12V时，（交流扫描）输出电压Uo的结果图

（从图可以观察到：

输出电压是一条不为零的直线。

）

⑥下图为交流源U1=U2=12V时，（交流扫描）输出电压增益Ao的结果图

（从图可以观察到：

输出电压增益是一条直线，且其输出电压增益为零。

是由于输入电压U1=U2，而Uo=（m+n+

）（U2–U1），

那么Uo就为零，于是有电压增益Ao为零。

）

⑦下图为交流源U1=U2=12V时，（瞬态扫描）输出电压Uo的结果图

（从图可以观察到：

输出电压是一条直斜线，一直在不断的线性增加。

由于输入电压U1=U2，那么理论值中电压输出增益应该是无穷大的。

而实验也显示是如此，可见理论值与实际值是十分相符的）。

）

⑧下图为交流源U1=U2=12V时，（瞬态扫描）输出电压增益Ao的结果图

（从图可以观察到：

输出电压增益是一条直线，且其输出电压增益为零。

是由于输入电压U1=U2，而Uo=（m+n+）

（U2–U1），

那么Uo就为零，于是有电压增益Ao为零。

）

三﹑公式推导：

由以上电路图可知：

设流过R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7分别为I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7。

理想条件下：

有I1=I3，（U1-Un）/R1=（Un-Ua）/R3.且I2=I4.（U2-Up）/R2=（Ub-Up）/R5

联立以上式子和Un=Up，可得：

Ua-Ub=10（U1-U2）

又I3=I5+I6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

联立以上式子,且R1=R2=R4=R6=1K,R3=R5=R7=R8=Rp=10k

可得：

Uo=420/11*（U2-U1）而U1=U2=5V,那么Uo应该为零。

可实际情况，由实验测得的数据：

<1>交流分析中,Uo=87.113pv

<2>瞬态分析中,Uo=396.475nv这些数据非常接近零，却不等于零。

而当U1=5V，U2=10V时

<1>交流分析中,电压增益Ao不为零（是变化的，最终趋向于零）；

<2>瞬态分析中,电压增益Ao不为零（是变化的，最终趋向于零）。

此电路，输入电阻不高，差动放大器的增益与电位器的阻值呈非线性关系。

在实际应用中，此电路的运放可选uA709,在uA709的1脚和8脚之间要接R1和C1组成的串联相位补偿电路；为了防止电路的振荡，在5脚和6脚之间要加补偿电容C2。

也可以用uA709TC,MC709C,BG709CP,TD709CN,7F709CDE等代替uA709。

四﹑实验分析与总结：

此次课题设计让我明白：

理想是美好的，二而实际往往与理想存在差距，理想必须和实际相结合才有意义，即实践是检验真理的唯一标准！

！

！

通过本次实验，不仅仅让我有效地将课本所学的知识应用于实践，达到了学以致用的目的，而且在设计的过程中，使自己在学习新知识﹑发现问题﹑解决问题等方面得到了很好的锻炼，为以后的学习和工作打下了良好的基础。

总而言之，虽然本次实验设计花费了我不少的课余时间，但是确实给我带来了不少收获，觉得这样的课程设计是挺有意义的。

此外，通过本次实验，也进一步地熟悉了利用电路软件ORCAD来画电路图和模拟仿真电路的方法。

巩固了理论知识，激发了我对这个技术领域的学习激情。

同时让我学到了新的知识，比如说：

Multisim这个软件，以前就从未用过，也没听过！

为了把这篇课题设计好，确实发了不少精力和时间去学习新知识，特别是去琢磨Multisim这个软件！

并且也让我懂得了课题与论文设计的步骤，规范及设计流程。

这些现在看来似乎有点硬性和深奥的要求，事实上却是我们以后工作中必须用到和要去做到的。

所以现在的练习和辛苦是很有必要的。

五﹑参考资料：

集成电路原理与应用（第二版）谭博学苗汇静主编电子工业出版版2010.11

仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。

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