1、中北大学课程设计说明书2011/2012 学年第 2 学期学 院 ： 电子与计算机科学技术学院 专 业 ： 微电子学学 生 姓 名 ： 学 号：课 程 设 计 题 目 : 信号放大滤波电路设计起 迄 日 期 ： 2012 年 5 月 28 日 2012 年 6 月 22 日课 程 设 计 地 点 ： 电子科学与技术专业实验室指 导 教 师 ：系 主 任 ：- 2 -目 录1、设计目的 32、设计内容和要求 33、设计内容 31、任务分析 32、三级放大模块 33、滤波模块 64、各电路模块连接 125、PCB 版图 15四、心得体会 16五、参考文献 16- 3 -一、设计目的1、掌握电子系统
2、的一般设计方法和设计流程；2、学习使用 PROTEL 软件绘制电路原理图及印刷版图；3、掌握应用 Protues 等软件对所设计的电路进行仿真，通过仿真结果验证设计的正确性。2、设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）1、查阅熟悉相关芯片资料；2、选择合适的运算放大器，实现信号的 3 级放大，总放大倍数为 12；3、并通过高通、低通滤波电路滤波；4、利用 PROTEL 绘制电路原理图和印刷版图，并利用 Protues 软件仿真。3、设计内容1、任务分析设计要求为三级放大电路，所以第一级为输入级，第二级为中间级，第三级为输出级。由于输入的正弦信号相当于电压源，则要求必须有较高的
3、输入阻抗，以减少信号在自身内阻上的损失。同时第一级还须抑制零点漂移。因为第一级产生的零漂会在中间级被放大，影响输出。中间级的主要作用为放大。输出级的作用是推动负载，因此要求较小的输出阻抗。三级电路之间采用直接耦合，因为直接耦合可传输缓慢变化的信号，而阻容耦合和变压器耦合做不到这一点。滤波电路采用有源滤波电路，即由集成运放和电阻电容组成的滤波电路。不采用无源滤波电路的原因是该电路带负载能力差、无放大倍数及过渡带宽。但是由于集成运放带宽有限，所以在工作频率不是很高的情况下可以使用。原理设计完成后，运用 Multisim 进行电路仿真，运用 Protel 99 SE 绘制 PCB 版图。2、三级放大
4、模块第一级和第二级采用差分测量放大电路，如图 1 所示。有两个高阻型集成运放A1，A 2 和低失调集成运放 A3 组成。由于 A1，A 2 各自组成同相输入的电压串联负反馈电路，故具有较高输入阻抗。A 3 组成后级差分放大电路。- 4 -图 1由于 A1，A 2 组成了对称的差分式放大电路，因此可把 RG 的中点看成零电位，相当于虚地。这样，A 1，A 2 各自构成了同相比例放大电路。故其输出为，3/VRG216/VRG第二级 A3 组成的差分放大电路，则有)(216FFo 同相比例运算电路有输入电阻高的特点，但输入共模信号电压高，对集成运放的共模抑制比要求也高。当 时，由于 ， ， ，输出电
5、压 。可见，icV21 icV540GIicV63 0o电路放大了差模信号，抑制了共模信号。达到了对共模抑制比的要求。第三级输出级采用同相的电压跟随器，如图 2 所示。此时，电压放大倍数 Auf = 1。图 2电压跟随器反馈系数 F = 1，反馈深度深，输入电阻高，输出电阻低。在芯片选取方面，由于第一级要求高阻型集成运放，综合考虑后选用 OP07，芯片参数如下：输入失调电压：10mV输入失调电压温度系数：0.2V/偏执电流：0.7nA- 5 -增益带宽积 GB：0.6MHz转换速率：0.3V/s消耗电流:2.5mA电源电压:22V可否单电源：否差模输入电阻：80M第二级要求低失调集成运放，综合
6、考虑后选择 UA741，芯片参数如下：输入失调电压：1mV 输入失调电压温度系数：10V/偏置电流：80nA增益带宽积 GB：1MHz转换速率：0.5V/s消耗电流:1.4mA电源电压:22V可否单电源：否差模输入电阻：2M第三级电压跟随器同样选用 UA741，因其综合性能优良，且易于软件仿真。用 Multisim 仿真软件对电路进行仿真，电路图如图 3 所示图 3仿真波形如下图 4 所示- 6 -图 4幅频特性及相频特性如图 5 所示图 5由图 5 可见，该电路的增益 ，即 Au = 12，达到了三级放大，总放dBAu.21log0大倍数 12 的要求。3、滤波模块 一阶有源低通滤波电路在一
7、阶 RC 无源低通滤波电路的输出端加上一个电压跟随器，即构成简单的一阶有源低通滤波电路，如图 6 所示- 7 -图 6其通带截止频率 ，故 fH = 10kHzRCfH21幅频特性及相频特性如图 7、图 8 所示图 7- 8 -图 8由图 7、图 8 可知，当电压增益下降到-3dB 时，频率约为 10kHz，相位为-45 ，符合理论计算结果。 二阶有源低通滤波电路将串联的两节 RC 低通网络直接与电压跟随器相连，图中 C2 接集成运放的输出端，可构成如图 9 所示的压控电压源二阶有源低通滤波电路。该电路的等效品质因数，5.013upAQ令 ，电压放大倍数为RCf20，其中 Aup = 1001
8、1fQjfupu当 f = fH 时，上式分母的模应等于 ，故 fH = 6.5kHz2幅频特性及相频特性如图 10、图 11 所示- 9 -图 9图 10- 10 -图 11由图 10、图 11 可知当电压增益下降到-3dB 时，频率约为 65kHz，相位为-45 ，符合理论计算结果。 一阶有源高通滤波电路一阶有源 LPF（低通滤波器）中的 R 和 C 位置互换，就变换成如图 12 所示的一阶有源高通滤波器（HPF） 。图 12其通带截止频率 ，故 fL = 100HzRCfL21幅频特性及相频特性如图 13、图 14 所示- 11 -图 13图 14由图 13、图 14 可知当电压增益下降
9、到-3dB 时，频率约为 100Hz，相位为-45 ，符合理论计算结果。 二阶有源高通滤波电路根据高通滤波器和低通滤波器的对偶原则，由二阶压控电压源 LPF 变换得到二阶压控电压源 HPF，如图 15 所示该电路的等效品质因数，5.013upAQ令 ，电压放大倍数为RCf20- 12 -，其中 Aup = 1，fQjfAupu02011当 f = fL 时，上式分母的模应等于 ，故 fL = 160Hz2幅频特性及相频特性如图 16、图 17 所示图 15图 16- 13 -图 17由图 16、图 17 可知当电压增益下降到-3dB 时，频率约为 160Hz，相位为-45 ，符合理论计算结果。
10、根据上述理论计算和电路仿真的结果，综合比较之后，可发现：当固定 R 和 C 的值相同时，二阶有源 LPF 比一阶有源 LPF 的上限截止频率（ fH）低、衰减快，二阶有源HPF 比一阶有源 LPF 的下限截止频率高、衰减快。即一阶滤波器存在过渡带较宽，幅频特性的最大衰减斜率仅为-20dB/十倍频程的问题。由此可得出结论，在该放大滤波电路的设计中均采用二阶滤波电路，芯片同样选择性能优良的 UA741。4、各电路模块连接三级放大模块、高通滤波模块和低通滤波模块，三个模块连接后的电路如图 18 所示图 18- 14 -其仿真波形如图 19、图 20 所示图 19图 20幅频特性及相频特性如图 21-
11、图 24 所示图 21- 15 -图 22图 23图 24- 16 -由图 21、图 22 可知，电压增益 ，即 Au = 12。由图 23、图 24 可dBAu5.21log0知，当 Au 下降到 Aup 的 0.707 倍，即 时，上限截止频率 fH 约为86.5kHz，下限截止频率 fL 约为 160Hz，与设计要求相符。5、PCB 版图 电路原理图图 25 元件报告表图 26 PCB 版图- 17 -图 274、心得体会这是入学以来第二次课程设计了。每次课程设计的过程中，我都获益良多。为了完成本次课程设计，我找出了许久不曾翻过的模拟电子技术基础 （毕满清主编）这本书。我无法否认，在学习
12、模拟电子技术这门课程的时候，我的知识学得并不踏实。所以在回顾了关于放大和滤波的知识之后，我才对这次设计的内容有了一个具体的认识。正如每个设计过程都是坎坷的一样，在我设计这个信号放大滤波电路的过程中也不免出现了一些问题。在我的不懈努力之下，最终都得以解决。通过本次课程设计，我体会到了理论和实践结合的重要性。在理论计算和软件仿真的过程中，多次出现了结果不一致的情况。查阅参考资料和思考之后，才发现有些是电路设计的问题，有些是需要考虑实际情况用对公式。将书本上的知识和设计方法结合起来，放能更好地运用到实践当中。经过本次课程设计，我已经充分掌握了放大和滤波的相关知识，并能运用所学的知识设计出实用的信号放大滤波电路。5、参考文献1、毕满清模拟电子技术基础北京：电子工业出版社，20082、童诗白模拟电子技术基础北京：高等教育出版社，20023、张建华数字电子技术北京：机械工业出版社，20044、陈汝全电子技术常用器件应用手册北京：机械工业出版社，20055、毕满清电子技术实验与课程设计北京：机械工业出版社，20056、潘永雄电子线路 CAD 实用教程西安：西安电子科技大学出版社，20027、张亚华电子电路计算机辅助分析和辅助设计北京：航空工业出版社，2004
