1、南京师范大学中北学院南京师范大学中北学院南京师范大学中北学院毕毕毕 业业业 设设设 计（论计（论计（论 文）文）文）（ 2013 届）届）届）题 目： 小信号放大电路的探究 专 业： 电子信息工程 姓 名： XXXX 学 号： XXXX 指导教师： 王兴和 职 称： 教授 填写日期： 2013-04-30 南京师范大学中北学院教务处 制第 1 页摘 要目前，小信号放大电路的应用极其广泛，小到音箱、收音机等民用行业，大到卫星、火箭等军用行业。它不仅使我们的日常生活更加丰富多彩，而且对经济、国防等做出了不可磨灭的贡献。然而小信号有它自身的缺陷，由于它本身的能量较小，容易被噪声淹没或受到外界的干扰，
2、而且对小信号放大电路设计的难处主要在高性能运算放大器。运算放大器性能的优劣决定该电路的性能。与国外相比国内对运算放大器的研究比较落后，导致对小信号放大电路的研究处于落后状态。基于 OPA842ID，本设计介绍了小信号放大电路的探究与设计。该电路由五个OPA842ID 组成的输入级差分放大电路、中间级电压放大电路和输出级功率放大电路完成对小信号的采集、电压放大和功率放大。同时有效的抑制或消除电路的温漂和共模信号，使放大后的信号失真度较小。设计好后的电路，使用 Multisim 电路仿真软件对其进行仿真。通过施加正弦小电压信号，从电路的静态工作点分析，交流分析等方面仿真，得出电路的电压增益、带宽等
3、仿真结果，进一步验证了电路理论设计的正确性和可行性。关键词：小信号 放大电路 OPA842ID Multisim第 2 页AbstractCurrently, the application of the small signal circuit is extremely wide, small to speakers, radios and other civilian industry, large to satellites, rockets and other military industry. It not only makes our daily life more colorf
4、ul, but also made an indelible contribution to the economic, defense and others. However, the small-signal has its own flaws, because of itself smaller energy, it is easy to drown by the noise or interference by outside. And the main difficulty of small signal amplification circuit design is high-pe
5、rformance operational amplifier. The pros and cons of the operational amplifier performance determine the performance of the circuit. Compared with foreign countries, the domestic operational amplifier is relatively backward, lead to the study of the small-signal amplifier circuit in a backward stat
6、e.Based on OPA842ID，this design introduces a small signal amplification circuit of inquiry and design. The circuit is composed by five OPA842ID input level differential amplifier circuit, the intermediate stage voltage amplifying circuit and the output stage power amplifying circuit to complete the
7、acquisition of the small signal, the voltage amplification and power amplification. At the same time, it effectively suppresses or eliminates the temperature drift of the circuit and the common-mode signal, making the amplified signal distortion smaller. After completed the circuit design, using Mul
8、tisim circuit simulation software to simulate. By applying a sinusoidal voltage signal，from the quiescent operating point of the circuit analysis, AC analysis and so on to simulation, to draw the simulation results of the voltage gain, bandwidth, etc, further validate the correctness and feasibility
9、 of the circuit theory design.Key words：Small Signal Amplifier circuit OPA842ID Multisim第 3 页目 录第一章 绪论 .51.1 本课题的背景及意义 .51.2 本课题的主要研究内容 .5第二章 小信号放大电路的系统方案 .62.1 系统方案介绍 .62.2 系统框图 .62.3 相关子模块的方案论证 .62.3.1 输入级差分放大电路.62.3.2 中间级电压放大电路.72.3.3 输出级功率放大电路.8第三章 常见的问题及解决方法 .93.1 电源电压波动 .93.1.1 电源电压波动对电路的影响.93
10、.1.2 解决方法.103.2 温度变化对电路中各元器件的影响及解决方法 .103.2.1 温度对电阻阻值的影响及解决方法.103.2.2 温度对运放参数及特性的影响及解决方法.123.3 运放输入偏置电流对电路的影响及解决方法 .133.4 电路负载特性及解决方法 .14第四章 小信号放大电路的设计 .164.1 信号的采集 .164.1.1 电压放大倍数 Av1.164.1.2 带宽分析.174.2 信号的放大 .184.2.1 电压放大倍数 Av2.184.2.2 带宽分析.184.3 信号的功率放大 .194.3.1 电压放大倍数 Av3.194.3.2 带宽分析.204.4 系统相关
11、参数的计算 .214.4.1 电压放大倍数 Av .214.4.2 带宽分析.21第五章 电路元器件的排布及电源线和地线的处理 .225.1 制作成品可能遇到问题 .225.2 电路元器件的排布 .225.3 电源线和地线的处理 .22第 4 页结束语 .23参考文献 .24致谢 .25附录 .26附录一 系统电路图.26附录二 系统带宽测量图.27附录三 OPA842ID 相关参数 .28附录四 系统 PCB 印刷板.29附录五 系统焊接电路元器件清单.30第 5 页第一章 绪论1.1 本课题的背景及意义近年来，随着高性能集成运算放大器技术的迅猛发展，使得放大电路的应用非常广泛，尤其是小信号
12、放大电路的应用。它涉及的行业很广泛，小到音箱、收音机等民用行业，大到卫星、火箭等军用行业。小信号放大电路在实际应用中意义十分重大，通常我们需要对小信号的波形、频率等参数进行分析。然而现有的设备很难观测这些小信号的参数，这要求我们必须对小信号的幅值进行放大以便于我们对其进行研究。1.2 本课题的主要研究内容本课题主要研究小信号放大电路的带宽、信噪比、增益、输入输出阻抗等参数。其中，小信号的幅值为 10uV100uV, 带宽为 02.2MHz，增益在 90db 左右,性噪比为 9:1，输入电阻趋于无穷，输出电阻趋于零。根据研究内容，本文介绍了基于 OPA842ID 高单位增益带宽芯片的小信号放大电
13、路的设计与制作。该电路在实际应用中还会遇到如下几个问题：(1)环境温度的变化、电源电压波动等对电路的影响。 （2）要求输出信号有个较大的幅值及电路有个较大的带宽。 （3）要求负载功率的变化对电路的输出几乎没有影响。通过相应的技术处理，设计出符合要求的小信号放大电路。第 6 页第二章 小信号放大电路的系统方案2.1 系统方案介绍整个电路组要有三个部分组成：(1)输入级采用差分放大电路来抑制电路的零漂和温漂，同时也提高了电路的共模抑制比。 （2）中间级采用电压放大电路来确保电路输出电压幅值足够大。 （3）输出级采用电压跟随器（功率放大电路）来确保电路输出功率足够大。整个电路的工作流程是：（1）输入
14、级差分放大电路完成对信号的采集和放大。由于差分放大电路采用了两个相同参数的运算放大器，所以该电路有较强的抑制共模信号、温漂和零漂的能力。 （2）中间级电压放大电路实现对前级输出信号的电压进行放大以满足对信号幅度的要求。 （3）输出级功率放大电路放大中间级放大电路输出信号的功率来满足不同功率负载的要求。通过这三级电路的串联实现对小信号的采集、放大和提高其带负载能力，来满足实际的需求。2.2 系统框图系统框图如图 2-2-1 所示。通过框图，可以清晰的看到系统有前级差分放大、负反馈放大和功率放大三部分构成。2.3 相关子模块的方案论证2.3.1 输入级差分放大电路方案一：在电子市场上直接买高单位增
15、益带宽的集成运算放大芯片（如OPA842ID） 。直接用集成运算放大芯片的优点是省去了焊接和调试电路的过程且该电路具有较强的抑制零漂、温漂和共模信号的能力，电路的带宽也比较大。方案二：可以自己利用电阻，电容，三极管等分立电子元器件，参照集成运算放大器的工作原理，试着焊接电路，调试，反复尝试，直到能够满足要求为止。该方案前级差分放大OPA842ID负反馈放大OPA842ID功率放大 信号输出图 2-2-1 系统框图小信号输入第 7 页的优点是相对降低了毕业设计的成本，缺点是自己焊接的电路，性能没有集成运算放大器的性能好，且工作量大、易出错。综合考虑后，最后采用方案一，来解决差分放大电路，如图 2
16、-3-1 所示。2.3.2 中间级电压放大电路方案一：用高单位增益带宽的集成运算放大芯片（如 OPA842ID）连接一个反相电压放大电路。该电路的优点是易于设计一个符合放大倍数要求的电路且电路的带宽较大、结构简单。方案二：可以自己利用电阻，电容，三极管等分立电子元器件，参照反相电压放大电路的工作原理，试着焊接电路，调试，反复尝试，直到能够满足要求为止。该方案的优点是相对降低了毕业设计的成本，缺点是自己搭的电路，性能没有集成运算放大器搭成的反相电压放大电路的性能好，且工作量大、易出错。综合考虑后，最后采用方案一，来解决中间级电压放大电路，如图 2-3-2 所示。V+V-V1+V1-Vo1图 2-
17、3-1 差分放大电路VoVo1 Vo2图 2-3-2 中间级电压放大电路第 8 页2.3.3 输出级功率放大电路方案一：用高单位增益带宽的集成运算放大芯片（如 OPA842ID）连接一个电压跟随器。该电路的优点是易于设计一个符合输出功率要求的电路且电路的带宽较大、结构简单。方案二：可以自己利用电阻，电容，三极管等分立电子元器件，参照射极电压跟随电路的工作原理，试着焊接电路，调试，反复尝试，直到能够满足要求为止。该方案的优点是相对降低了毕业设计的成本，缺点是自己搭的电路，性能没有集成运算放大器焊接成电压跟随电路的性能好，且工作量大、易出错。综合考虑后，最后采用方案一，来解决输出级功率放大电路，如
18、图 2-3-3 所示。Vo2Vo3图 2-3-3 输出级功率放大电路Vo2第 9 页第三章 常见的问题及解决方法3.1 电源电压波动3.1.1 电源电压波动对电路的影响理想直流电压源的电压为一个恒定的值，但在实际这种情况是不存在的。它们或多或少受环境的温度、各元器件间的相互干扰等因素影响。在对电源电压要求较高的电路中会造成重大影响。电源电压波动主要有两个方面：一方面，稳压电源中混有 50 Hz、100 Hz 等交流分量。因为多数直流电压源是利用 50Hz 的交流电源经整流滤波后获得的,若直流电压源中的滤波器滤波不良, 则将会有 50 Hz、100 Hz 等交流分量, 以及它们的相应谐波信号进入
19、放大器的输入端, 这些信号经放大器放大后 , 混杂在正常信号的输出中, 会使放大器产生所谓“交流噪声”干扰，如图 3-1-1 所示。另一方面，直流电压源的稳压性较差, 带负载能力不高, 导致输出直流电压不稳定的现象。假设某一时刻电源的 VCC=5.5V、VDD=-4.5V，如图 3-1-2 所示。该电路的 VCC 和 VDD 都有 0.5V 的波动(理想情况 VCC、VDD 为 5V、-5V )，一般情况下，它会把(5.5-4.5)/2=0.5V 看做自己的地，也就是说实际出来的波形会和对称电源出来的波形相差 0.5V 左右（即波形会上移） 。若每一级放大电路都产生了 0.5V 左右的误差，则对于多级放大电路来说就产生了很大的误差。这样容易导致运放输出达到饱和而产生失真，如图 3-1-3 所示。可见电源电压的稳定对电路的重要性。图 3-1-3 失真波形图 3-1-2 电源电压波动输出输入图 3-1-1 受干扰的波形
