1、 辽 宁 工 业 大 学模拟电子技术基础课程设计（论文）题目：高精度线性放大器院（系）： 电子与信息工程学院 专业班级： 电子121 学 号： 1204040* 学生姓名： # 指导教师： （签字）起止时间： 2014.6.30-2014.7.11本科生课程设计（论文）I课程设计（论文）任务及评语院（系）：电子与信息工程学院 教研室： 电子信息工程注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算学 号 1204040* 学生姓名 # 专业班级 电子121课程设计（论文）题目高精度线性放大器课程设计（论文）任务设计参数：（1）设计并制作一台高精度线性放大器。（2）线性失真度不大于
2、0.5%。（3）放大倍数 2000，输入电阻 2M，输出电阻 100。设计要求：1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4 .组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。进度计划 第 1 天：集中学习；第 2 天：收集资料；第 3
3、 天：方案论证；第 4 天：选择器件进行单元电路设计；第 5 天：单元电路设计及仿真；第 6 天：整体电路设计并仿真；第 7 天：电路焊接制板；第 8 天：焊接调试；第 9 天：完善设计；第10 天：答辩。指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日本科生课程设计（论文）II摘 要高精度线性放大器应用十分广泛，可以经常在在电子行业中如精密测量、微数据采集、微小信号传输等领域见到，甚至高科技尖端领域也不乏其身影。设计内容：设计制作一个高精度线性放大器。设计方案共包括一级放大电路、二级放大电路、输出电路以及直流偏置供电电路四个部分，前 3 个电路以LM741
4、为核心元件，直流偏置电路直接用实验室电源。一级放大电路是基本的同相放大电路，由 LM741 和一个反馈电阻、一个接地电阻构成，放大的倍数是 50 倍；二级放大电路也是同相放大电路，增益可以用电位器调节，由 LM741、反馈电阻、接地电阻和一个电位器构成，放大倍数是 20到 60 倍，可以输出要求的 40 倍；输出电路设计为携带一个 100 欧电阻作为输出电阻的电压跟随器，能够输出稳定的信号；直流电源由实验室电压正负 12 伏提供，作为设计的直流偏置电路。通过 Mulisim 仿真之后，一级放大、二级放大和输出电路都能正确的模拟出来，能够符合要求，实现基本功能，克服原有缺点。本文比较详细描述其设
5、计过程、工作原理、各部分变量参数设置、Mulisim 仿真和实际应用等。特点：LM741 有较大的输入阻抗，可以满足 2 兆欧的输入电阻，信号 Vi 直接输进一级放大电路，放大后，Vo1 输出接二级放大电路，再次放大后，Vo2 输出接电压跟随器，输出信号 Vo.连接负载，总体电路增益大，输出比较稳定，误差在允许范围之内。关键词：LM741；运算放大器；Multisim 仿真；放大电路本科生课程设计（论文）III目录第 1 章 绪论 .11.1 高精度线性放大器概况 .11.2 本文研究内容 .1第 2 章 总体电路设计 .32.1 高精度线性放大器总体设计方案 .32.1.1 方案论证及选择
6、.32.1.2 总体设计框图及分析 .52.2 具体电路设计 .52.2.1 一级放大电路设计 .52.2.2 二级放大电路设计 .62.2.3 输出电路设计 .72.2.4 整体电路设计 .82.3 元器件型号选择 .92.4 Multisim 仿真、数据分析 92.5 实物展示 12第 3 章 课程设计总结 .13参考文献 .14元器件清单 .15本科生课程设计（论文）0第 1 章 绪论1.1 高精度线性放大器概况运算放大器（简称“运放” ）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”
7、。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。第一个使用真空管设计的放大器大约在 1930 年前后完成，这个放大器可以执行加与减的工作。1960 年代晚期，仙童半导体（Fairchild Semiconductor）推出了第一个被广泛使用的集成电路运算放大器，型号为 A709，但是 709 很快地被随后而来的新产品 A741 取代，741 有着更好的性能，更为稳定，也更容易使用。741 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 741。直到今天 A741 仍然是各大学电
8、子工程系中讲解运放原理的典型教材。作为电子产品重要的基本元器件，运算放大器在电子技术中有着举足轻重的地位，其应用广泛日渐显现，在当今各大工程工业领域活跃着。然而随着微电子技术的发展，常用的普通的运放显然已经无法符合增益扩大与体积缩小的趋势，所以有着失调和噪声非常低，增益和共模抑制比非常高等特点的一类运放高精度线性放大器，开始进入生产生活领域。 如何设计出高质量的电子产品，除了要求总体方案最佳外，放大器设计得是否合理可靠直接影响整个电子产品的系统性能。根据其特点便可以设计出符合要求的高精度线性放大器，因其精度高和增益大一开始就得到很广泛的应用，精密测量、微数据采集、微小信号传输，甚至高科技尖端领
9、域也不乏其身影，国家大力推进的微电子技术，迅猛的发展带来了它的产生，处处见其踪迹；同样，它的出现也时时刻刻造福着人类，方便着人们的生产、生活。1.2 本文研究内容本科生课程设计（论文）1设计参数：（1）设计并制作一台高精度线性放大器。（2）线性失真度不大于 0.5%。（3）放大倍数 2000，输入电阻 2M，输出电阻 100。设计要求：1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可
10、行方案。3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4 .组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。本科生课程设计（论文）2第 2 章 总体电路设计2.1 高精度线性放大器总体设计方案2.1.1 方案论证及选择方案 1:图 2.1 为基本共射放大电路，共射放大电路原理为三极管对电流的放大作用，集电极电流 ic=*基级电流 ib， 为三极管电流放大系数。通过三极管放大作用可以得到有效信号的放大，但 BJT 本身制造工艺远远达不到放大 2000倍的要求，在多级放大电路中或因温度变化情况下导致 Q 点不
11、稳定，信号产生严重失真，误差极大，需舍弃。图 2.1 BJT 共射放大电路方案 2：图 2.2 仪用放大器电路图。A1,A2 接同向端组成第一级放大电路，A3 组成第二级放大电路。仪用放大器由运算放大器构成，但性能却有很大差异，可以有效抑制共模信号，KCMR 很高，有共模信号的情况下也可以对很小的差模信号放大。其输入电阻约等于无穷大，输入电阻大，失调漂移产生误差可以抵消，本科生课程设计（论文）3但实际放大倍数无法满足，可作为输入电路，但无法采用。图 2.2 仪用放大器方案 3：本次设计采用如下具体方案，如图 2.3。多级放大电路，可以满足设计增益要求，一级放大和二级放大总增益是 2000，LM
12、741 输入电阻很大，也可以满足要求，所以此设计原理比较简单，好操作，容易实现。图 2.3 本方案电路图本科生课程设计（论文）42.1.2 总体设计框图及分析2.2 具体电路设计2.2.1 一级放大电路设计如图 2.4：一级放大电路采用同相放大电路，LM741 的输入电阻 Rid 的典型值为 2M 欧，共模抑制比 90dB，由于整体电路的输入电阻取决第一级放大电路，所以其阻值符合输入电阻的要求，电位器用来调零，调整运放本身的偏差，LM741 用正负 12V 供电，交流小信号输入到同向端，电阻 R6 和 R7 是决定放大倍数的电阻，表达式为 Av1=1+R7/R6。二级放大电路 输出电路 一级放
13、大电路偏置电路本科生课程设计（论文）5图 2.4 一级放大电路2.2.2 二级放大电路设计如图 2.5:二级放大电路采用和一级放大相同的同向放大电路，来自一级放大电路的输出信号通过限流电阻输入二级放大电路的同相端，电位器用来调节电路的增益，可以抵消掉一级放大被放大的误差，保证符合放大倍数的要求，一级放大已经完成偏差调节，所以 LM741 的 1 脚和 5 脚不必再连接并依然用正负 12V 供电。LM741 的输出电阻 75 欧。已经比要求 100 欧要小。表达式为 Av2=1+(R5+R6)/R4。本科生课程设计（论文）6图 2.5 二级放大电路2.2.3 输出电路设计如图 2.5：输出端采用
14、电压跟随器，起缓冲、隔离、提高带载能力的作用，对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，输出端接 100 欧的电阻，作为输出电阻，因为其电压增益恒小于但接近于 1，对整体电路增益基本不贡献。运放的 1 角和 5 角不接，正负 12V 供电。来自二级放大的信号通过限流电阻接入跟随器的输入端口，反向端和输出端短接。本科生课程设计（论文）7图 2.6 电压跟随器2.2.4 整体电路设计图 2.6 为整体电路图，正负 12V 直流电源给 LM741 供电，第一级放大电路对小信号固定放大了 50 倍，二级放大电路放大倍数可调，理论上应放大 40 倍，考虑到误差信号也被第一级放大，所以第二级用电位器来调
15、节增益，保证符合2000 倍的要求。多级放大电路中，总的增益等于各级放大之积，多级放大电路的输入电阻就是输入级的输入电阻;输出电阻就是输出级的输出电阻，电位器应调至中间，即阻值为总阻值的一半。本科生课程设计（论文）8图 2.7 整体电路图2.3 元器件型号选择本设计所用的运算放大器为 LM741，共需要 3 个。电位器用到两个，总量程分别是 20K 和 40K.电阻，1 个 100 欧、2 个 1K 欧、1 个 19K 欧、1 个 49K 欧和 1 个 100K 欧。2.4 Multisim 仿真、数据分析1、如图 2.7 为第一级放大电路的仿真结果，量程选择一格代表 50V 和 1V，波形重
16、合，所以一级放大 50 倍。本科生课程设计（论文）9图 2.8 一级放大仿真2、如图 2.8 为二级放大电路仿真结果，量程选择 200V 和 5V,波形重合，放大约40 倍。图 2.9 二级放大仿真本科生课程设计（论文）103 、如图 2.9 为整体电路仿真结果，图中出现了误差，量程选择分别为 20V 和10mv,波形基本重合，放大了 2000 倍。图 2.10 整体电路仿真3、数据分析在一级放大电路中，增益 Av1=1+R7/R6=1+49/1=50。第二级放大电路中，电位器处中间位置，增益 Av2=1+(R5+R3)/R4=1+34/1=40。第三级放大电路中，电压跟随器的增益 Av3=1
17、。总的增益 Av=Av1*Av2*Av3=50*40*1=2000。本科生课程设计（论文）112.5 实物展示%图 2.11 实物展示本科生课程设计（论文）12第 3 章 课程设计总结本次的设计方案以 LM741 为核心元件，主要包括一级放大电路、二级放大电路、输出电路以及直流偏置电路供电。一级放大电路和二级放大电路都采用同向放大电路，输出电路则采用带载能力较强的电压跟随器，既可以稳定电路，又可以降低输出电阻，LM741 的直流偏置则由实验室直流电源供给。一级放大电路放大倍数 50 倍，二级可调增益放大电路放大 40 倍，输出电路设计为携带一个 100欧电阻作为输出电阻的电压跟随器，直流电压正
18、负 12 伏供电。LM741 有较大的输入阻抗，可以满足 2 兆欧的输入电阻，信号 Vi 直接输进一级放大电路，放大后，Vo1 输出接二级放大电路，再次放大后，Vo2 输出接电压跟随器，输出信号 Vo.连接负载，第一二级放大倍数由反馈电阻和接地电阻决定通过 Multism 软件对该电路进行仿真，能满足任务书的设计要求。运算放大器（简称“运放” ）是具有很高放大倍数的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。有着很好的性能，更为稳定，也更容易使用的 741 成为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，今天 A741 仍然是各大学电子工程系中讲解
19、运放原理的典型教材。高精度线性放大器可以由741设计而成，应用十分广泛，特点良多，如失调和噪声非常低，增益和共模抑制比非常高，输入电阻极高，通常为兆欧级别，输出电阻非常低甚至可以达到几欧，带载能力极强，十分有适用性。在电子行业中如精密测量、微数据采集、微小信号传输，应用极广，甚至高科技尖端领域也不乏其身影。本科生课程设计（论文）13参考文献1 康华光主编 .电子技术基础（模拟部分）.第五版.北京：高等教育出版社,2005.2 华成英主编 .模拟电子技术基本教程. 北京：清华大学出版社，2009.8.3 Bruce Carter, Ron Mancin.姚剑清译. 运算放大器权威指南 .第三版.
20、 北京：人民邮电出版社，2010.9.4 郑家龙主编 .集成电子技术基础教程. 北京：高等教育出版社,2002.5 许晓华、何春华等 著 . Multisim 10 计算机仿真及应用. 北京：清华大学出版社，2011.6君兰工作室.电子技术一点通. 北京：科学出版社，2008.本科生课程设计（论文）14元器件清单元器件名称 参数 数量 备注运算放大器 LM741EH 3 A1,A2,A3电阻 1 千欧姆 2 R4,R6电阻 100 千欧姆 1 R1电阻 100 欧姆 1 R2电阻 19 千欧姆 1 R5电阻 49 千欧姆 1 R7电位器 40 千欧姆 1 R3电位器 10 千欧姆 1 R8直流电源 12 伏特 1 V1直流电源 负 12 伏特 1 V2导线 若干 连接电路交流信号源 50Hz，10mv 1 信号输入
