信号放大滤波电路课程设计说明书.docx
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信号放大滤波电路课程设计说明书
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：
目录
1、设计目的…………………………………………………………………3
2、设计内容和要求…………………………………………………………3
3、设计内容…………………………………………………………………3
1、任务分析………………………………………………………………3
2、三级放大模块…………………………………………………………3
3、滤波模块………………………………………………………………6
4、各电路模块连接………………………………………………………12
5、PCB版图………………………………………………………………15
四、心得体会…………………………………………………………………16
五、参考文献…………………………………………………………………16
一、设计目的
1、掌握电子系统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Protel99SE绘制PCB版图。
2、三级放大模块
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，A2和低失调集成运放A3组成。
由于A1，A2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。
A3组成后级差分放大电路。
图1
由于A1，A2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，A1，A2各自构成了同相比例放大电路。
故其输出为
，
第二级A3组成的差分放大电路，则有
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
，
，
，输出电压
。
可见，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：
0.2µV/℃
偏执电流：
0.7nA
增益带宽积GB：
0.6MHz
转换速率：
0.3V/µs
消耗电流:
2.5mA
电源电压:
±22V
可否单电源：
否
差模输入电阻：
80MΩ
第二级要求低失调集成运放，综合考虑后选择UA741，芯片参数如下：
输入失调电压：
1mV
输入失调电压温度系数：
10µV/℃
偏置电流：
80nA
增益带宽积GB：
1MHz
转换速率：
0.5V/µs
消耗电流:
1.4mA
电源电压:
±22V
可否单电源：
否
差模输入电阻：
2MΩ
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
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，总放大倍数12的要求。
3、滤波模块
⑴一阶有源低通滤波电路
在一阶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
图6
其通带截止频率
，故fH=10kHz
幅频特性及相频特性如图7、图8所示
图7
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。
⑵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
，
令
，电压放大倍数为
，其中Aup=1
当f=fH时，上式分母的模应等于
，故fH=6.5kHz
幅频特性及相频特性如图10、图11所示
图9
图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。
⑶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=100Hz
幅频特性及相频特性如图13、图14所示
图13
图14
由图13、图14可知当电压增益下降到-3dB时，频率约为100Hz，相位为-45°，符合理论计算结果。
⑷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
，
令
，电压放大倍数为
，其中Aup=1，
当f=fL时，上式分母的模应等于
，故fL=160Hz
幅频特性及相频特性如图16、图17所示
图15
图16
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。
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
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-图24所示
图21
图22
图23
图24
由图21、图22可知，电压增益
，即Au=12。
由图23、图24可知，当Au下降到Aup的0.707倍，即
时，上限截止频率fH约为6.5kHz，下限截止频率fL约为160Hz，与设计要求相符。
5、PCB版图
⑴电路原理图
图25
⑵元件报告表
图26
⑶PCB版图
图27
4、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，2008
2、童诗白．模拟电子技术基础．北京：
高等教育出版社，2002
3、张建华．数字电子技术．北京：
机械工业出版社，2004
4、陈汝全．电子技术常用器件应用手册．北京：
机械工业出版社，2005
5、毕满清．电子技术实验与课程设计．北京：
机械工业出版社，2005
6、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，2002
7、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
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