增益可调差动放大器的设计与仿真.docx

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增益可调差动放大器的设计与仿真

增益可调差动放大器的设计与仿真

摘要：

本课题设计利用增益可调放大器uA709芯片为设计核心，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Protues等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：

uA709；Protues；放大器；增益可调

一﹑课题背景

近年来随着计算机和互联网的迅速发展和普及，多媒体信息的高速传输呈现迅速增长的趋势。

放大器作为集成电路的一种重要的组成部分是国内外研究的热点。

目前集成放大器的研究主要集中在多级运放的补偿、宽带高速运放、满足专用放大器的特殊结构和提高通用放大器指标的方法等这几个方向。

但是可调增益放大器的研究国外开展较多，国内目前已有少量关于可调增益放大器的研究，主要是基于CMOS工艺的可调增益放大器的设计放大。

宽带放大器在光纤通信、电子战设备及微波仪表等方面应用越来越广泛。

这些系统一般要求放大器具有增益可调、宽频带、低噪音、工艺稳定等特点。

可调增益放大器是一种通过改变电路某一参对量对放大器增益进行调节的放大器，广泛应用于无线通讯、医疗设备、助听器、磁盘驱动等领域。

二、电路介绍

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uA709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。

三、方案设计

选用uA709芯片用protues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

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1*1030V，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，且其输出电压增益零

是由于输入电压U5=U6,U0=（m+n+

（U6-U5）

那么Uo就为零，于是有电压增益Ao为零。

）

四、公式的推导

设流过R1、R2、R4、R5、R6、R7、R8分别为I2、I1、I5、I3、I4、I6、I7。

理想条件下：

有I1=I3,

且I2=I4,

联立以上式子和U3=U4，可得：

UA-UB=m（U2-U1）又I3=I5+I6且

又I7=I4+I5且

联立以上式子,可得：

U0=（m+n+

）（U2-U1）

通常选m=n,则上式变为

因此，当m,n的值选定后，只需调节（PR）一个电位器即可调节差动放大器的增益，但是在此电路中，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,BG709CP,TD709CN,7F709CDE等代替uA709。

五、实验分析与总结

通过此次课题设计，我懂得了原来理想与现实总存在一定差距，很多看似简单的东西做起来并没有那么简单，再简单的事只有通过做才能够真正的掌握和理解。

有时候可能一开始你对要做的东西不是很了解，这就需要我在设计的过程中不断的发现自己不懂得问题，并通过查阅一些东西去解决这些问题，本次设计，让我自己真正用心的去学习了一些东西，比如一开始我不知道protues是个什么东西，到底怎样用，而且在这次的设计中仿真是个让我很头疼的事，一开始总是找不着器件，找到器件了仿真又总出现错误，让我很是心烦，最后请教同学解决了。

通过这次设计，虽然谈不上对这个软件了如指掌，但至少在今后的过程中碰到还是会用了。

我承认在这次的设计中对这个软件的运用不够熟练，但是我进步了，我相信每一个小小的进步最终都会成就一大步，而且这次我也懂得了课题与论文设计的步骤，规范及设计流程，对我将来的学习将带来帮助。

总的来说，虽然本次实验设计花费了我不少的课余时间，但是它让我学到了很多东西，觉得这是一件蛮有趣的事情，有时候把每一个小问题都解决掉后心里都会有一点点小愉悦，因为我知道离成功不远了，也让我明白了实践永远是检验真理的唯一标准，只有真正的去做了才能够做到真正的了解！

六、参考资料

集成电路原理与应用（第三版）谭博学苗汇静编著电子工业出版版2011.6

七﹑部分原文英译汉

Gainadjustabledifferentialamplifiersdesignandsimulation

Abstract：

ProjectdesignwithadjustablegainofthisamplifierdesignforuA709chipcore,aco-rdingtotheuA709principletoenlarge,useformulastocalculatemagnification,andthenusespecia-lizedsoftware（suchasProtuesandsoon）simulationsandsimulationofadjustablegainaamplifiercircuit,andmeasurethevoltageandthevoltagegainoftheactualvalue!

Keywords:

UA709；Protues；amplifier；Gainadjustable

Projectbackground:

Inrecentyears,withtherapiddevelopmentandpopularizationofcomputerandInternet,mulit-imediainformationofhigh-speedtransmissionshowedatrendofrapidgrowth.Amplifierasaninte-gratedcircuitisanimportantpartofthedomesticandforeignresearchhotspot.Currentlyintegratedamplifierresearchmainlyconcentratedinthemultistageop-ampcompensation,broadbandhighspeedop-amp,satisfythespecialstructureofspecialamplifierandthemethodsofenhancinggeneralampli-fierandthedirection.Butadjustablegainamplifierresearchconductedabroad,domesticthereareafewstudiesontheadjustablegainamplifier,mainlybasedonCMOSprocessdesignofadjustablega-inamplifieramplification.Broadbandamplifierinopticalfibercommunicationandelectronicwarfa-reequipmentandmicrowaveinstrumentisfindingwiderandwiderapplication.Thesesystemsaregenerallyadjustableamplifierwithgain,wideband,lownoise,stableprocess,etc.Adjustablegaina-mplifierisakindofaginsengbychangingthecircuittoadjustthevolumeontheamplifiergainam-plifier,widelyusedinwirelesscommunication,medicalequipment,hearingAIDS,diskdrives,etc

Circuitisintroduced：

Alsocalleddifferentialcircuitofdifferentialamplifiercircuit,henotonlycaneffectivelyen-largeDCsignal,andcaneffectivelyreducethepowerfluctuationsandtransistorswithzerosh-iftcausedbytemperaturechanges,andaccesstoawiderangeofapplications.Inparticularalargenumberofapplicationsintheoperationaldischargeroad,heoftenwasusedasamultis-tageamplifierfrontlevel.

Basicdifferentialamplifiercircuitconsistsoftwosymmetrictotalemitterofsingle-tubea-mplifiercircuit,thecircuit'sinputsaretwosignalinputs,differenceofthesetwosignals,circuitvalidinputsignals,outputofthecircuitisenlargedtothedifferencebetweenthetwoinputsig-snals.Imagineascenario,ifthereisinterferencesignalinterferencethatmaycausethesametotwoinputsignals,bythedifferencebetweenthetwo,interferewithvalidinputsignaliszero,thiswillachievethepurposeofsuppressingcommonmodeinterference.

Differentialamplifiercircuitisthebasiccircuitrequiredintheformof:

twocircuitparame-tersoffullysymmetrictemperaturecharacteristicsofthetwotubesarecompletelysymmetric-al.Itsworkingprincipleis:

whentheinputsignalwhenUi=0,equivalenttothecurrenttwotub-es,twotubessetpointofpotentialisequal,sotheoutputvoltageUo=UC1-UC2=0.temperatu-rerise,thetwotubecurrentisincreased,thecollectingelectrodepotentialsaredropped,beca-usetheyareinthesametemperatureenvironment,sothetubesareequaltotheamountofcurrentandvoltagechange,itsoutputvoltageiszero.

Thelate1960,FAIRCHILDsemiconductor（FairchildSemiconductor）launchedthefirstwidely-usedintegratedcircuitoperationalamplifier,modeluA709,thedesignerswereBobwidlar（BobWidlar）.But709quicklybeenreplacedthenthenewproductuA741,uA741hasbetterperformance,morestable,easiertouse.

附：

UA709数据手册部分资料