小信号放大电路的探究设计.docx

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小信号放大电路的探究设计

毕业设计（论文）

题目：

小信号放大电路的探究

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，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OPA842IDMultisim

Abstract

Currently,theapplicationofthesmallsignalcircuitisextremelywide,smalltospeakers,radiosandothercivilianindustry,largetosatellites,rocketsandothermilitaryindustry.Itnotonlymakesourdailylifemorecolorful,butalsomade​​anindeliblecontributiontotheeconomic,defenseandothers.However,thesmall-signalhasitsownflaws,becauseofitselfsmallerenergy,itiseasytodrownbythenoiseorinterferencebyoutside.Andthemaindifficultyofsmallsignalamplificationcircuitdesignishigh-performanceoperationalamplifier.Theprosandconsoftheoperationalamplifierperformancedeterminetheperformanceofthecircuit.Comparedwithforeigncountries,thedomesticoperationalamplifierisrelativelybackward,leadtothestudyofthesmall-signalamplifiercircuitinabackwardstate.

BasedonOPA842ID，thisdesignintroducesasmallsignalamplificationcircuitofinquiryanddesign.ThecircuitiscomposedbyfiveOPA842IDinputleveldifferentialamplifiercircuit,theintermediatestagevoltageamplifyingcircuitandtheoutputstagepoweramplifyingcircuittocompletetheacquisitionofthesmallsignal,thevoltageamplificationandpoweramplification.Atthesametime,iteffectivelysuppressesoreliminatesthetemperaturedriftofthecircuitandthecommon-modesignal,makingtheamplifiedsignaldistortionsmaller.Aftercompletedthecircuitdesign,usingMultisimcircuitsimulationsoftwaretosimulate.Byapplyingasinusoidalvoltagesignal，fromthequiescentoperatingpointofthecircuitanalysis,ACanalysisandsoontosimulation,todrawthesimulationresultsofthevoltagegain,bandwidth,etc,furthervalidatethecorrectnessandfeasibilityofthecircuittheorydesign.

Keywords：

SmallSignalAmplifiercircuitOPA842IDMultisim

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10uV～100uV,带宽为0～2.2MHz，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2-3-1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。

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，如图2-3-3所示。

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50Hz、100Hz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50Hz、100Hz等交流分量,以及它们的相应谐波信号进入放大器的输入端,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。

3.1.2解决方法

对于电源电压中混有50Hz、100Hz等交流分量的这种情况，我们一般在电源和地线之间串联一个容值较大的电容（一般为100nF）来解决电源电压波动问题。

如图3-1-4所示。

因为电容有隔直流通交流的作用，当电源电压中有交流分量时，电容器就会把交流成分滤掉，只剩下稳定的直流分量。

而对于输出直流电压不稳定的这种现象，可以换一个稳压性较好,带负载能力较高的直流稳压电源来解决这一问题。

3.2温度变化对电路中各元器件的影响及解决方法

随着电路工作产生的热量和环境温度的变化，电路中的各元器件参数和特性会发生变化（如电阻、运放等）。

下面将具体说明温度变化对其参数的影响。

3.2.1温度对电阻阻值的影响及解决方法

首先，将了解一下电阻的温度系数（

），它表示表示电阻当温度改变1度时，电阻值的相对变化，单位为ppm/℃（ppm-百万分之一）。

普通电阻的温度系数为100~200ppm，而精密电阻的温度系数小于20ppm。

让我们看看电阻阻值变化对电路的影响。

对于多级放大电路来说，电阻阻值的变化对前级放大电路的影响比较大，而对后级放大电路的影响比较小。

因为若前级放大电路的输出电压误差为△V，经过多级放大后误差变为Av△V（其中Av为多级放大电路的电压增益）。

如图3-2-1所示，由运放的虚短、虚断特性可得：

（3.2.1）

由式（3.2.1）可知

（3.2.2）

（3.2.3）

再由式（3.2.2）、（3.2.3）式可知

（3.2.4）

由于温度变化会使得R1、R2、R3的阻值发生变化，即式（3.2.4）中会产生误差为△V（其中△V为温度变化前后

之差）的输出电压。

即使△V很小，但经过多级放大后会有一个较大的误差。

因此，要根据不同的电路选择不同的电阻及正确的焊接方式，这样可以减少温度对电路的影响。

一般来说，选择散热性能较好且阻值精度较高的电阻（如金属膜电阻）作为前级放大电路的电阻，还要选择正确的焊接方式，如图3-2-2所示两种焊接方式。

显然电阻因温度差产生的热电动势，对于精密放大电路，需要考虑温度场的影响。

3.2.2温度对运放参数及特性的影响及解决方法

由于温度变化引起输出电压产生△Vo（或电流△Io）的漂移，通常把温度升高1℃输出漂移折合到输入端的等效漂移电压

（或电流

）作为温漂指标。

集成运放的温度漂移是漂移的主要来源，而它又是由输入失调电压和输入失调电流随温度的漂移所引起的，故常用下面方式表示：

【1】输入失调电压温漂

这是指在规定温度范围内VIO的温度系数，也是衡量电路温漂的重要指标。

不能用外接调零装置的办法来补偿。

高质量的放大器常选用低温漂的器件来组成，一般约为±（10～20）uV/℃。

其值小于2uV/℃为低温漂运放。

【2】输入失调电流温漂

这是指在规定温度范围内IIO的温度系数，也是对放大电路电流漂移的度量。

同样不能用外接调零装置来补偿。

高质量的运放每度几个pA。

以上参数均是在标称电源电压、室温、零共模输入电压条件下定义的。

对于高精度运放来说这些误差可忽略不计，但对于前级放大电路来说这些误差经过多级放大后会很大，严重时会导致输出信号无法使用。

下面将引入一种差分电路即两个参数完全相同的运放组成的对称电路和一个双端输入单端输出的差分放大电路，如图3-2-3所示。

下面将分析一下电路的工作原理

【1】静态分析

当没有输入信号电压，即V+=V-=0时，由于电路完全对称，V1+=V1-=0得到Vo=0。

由此可知，输入信号为零时，输出信号Vo也为零。

【2】动态分析

（1）输入信号为差模信号Vid

当在电路的两个输入端各加一个大小相等，极性相反的信号电压，即

时，V1+上升V1-下降，所以差模输出信号电压

，即可知

，

这就是差模信号。

这种输入方式称为差模输入。

（2）输入信号为共模信号Vic

在差分式放大电路中，无论是温度变化，还是电源电压的波动都会引起运放的输出电压相同的变化（因为运放参数相同），其效果相当于在两个输入端加入了共模信号Vic。

两个输出端的共模电压相同，即V1+=V1-。

又因为

，所以输出电压Vo=0。

（3）输入信号为差模信号Vid和共模信号Vic的叠加

当输入信号电压

时,可知输出电压为：

（3.2.5）

即双端输入单端输出差分电路只放大差模信号，而抑制共模信号。

通过对图3-2-3所示的放大电路的工作原理的探究和分析，现在可以理解它是怎样解决温漂的问题了。

该电路用共模放大倍数Avc（

）来衡量差分放大电路抑制漂移或者干扰信号的能力。

Avc越小，表示电路抑制漂移或者干扰信号（主要是温漂）的能力越强。

因为温度变化时，运放的输入失调电流和输入失调电压会发生变化，对电路产生一定的影响。

而现在采用图3-2-3所示的放大电路，由电路的对称性可知Voc≈0（理想情况下Voc=0），也可得到Avc≈0（理想情况下Avc=0）。

温度的变化对电路的输出几乎没有影响，有效的抑制了电路的温漂。

根据这一原理，该电路可以用来抑制温度等外界因素的变化对电路性能的影响。

由于这个缘故。

该电路常用来作为放大电路的输入级，它对共模信号有很强的抑制能力。

较好的改善了整个电路性能。

3.3运放输入偏置电流对电路的影响及解决方法

BJT集成运放的两个输入端是差分对管的基极，因此两个输入端总需要一定的输入偏置电流IBN和IBP。

输入偏置电流是指集成运放两个输入端静态电流的平均值，如图3-3-1所示。

偏置电流为

，输入偏置电流的大小，在电路外接电阻确定之后，主要取决于运放差分输入级BJT的性能，当它的β值太小时，将引起偏置电流的增加。

从使用角度来看，偏置电流愈小，由于信号源内阻变化引起的输出电压变化也愈小，故它是是重要的技术指标，以BJT为输入级运放一般为10nA～1uA;采用MOSFET输入级的运放IIB在pA数量级。

一般来说，在接地端加一个偏置电阻（R3=R1//R2），如图3-3-2（b）所示。

该电阻的作用是消除输入偏置电流IIB引起的输入误差电压。

因为若不接偏置电阻，如（a）图。

当Vi=0时，输入偏置电流IIB存在，所以Vn≠0、Vp=0，即Vid=Vp-Vn≠0可得到Vo≠0。

而（b）图接偏置电阻R3，当Vi=0时,即使输入偏置电流IIB存在使得Vn≠0、Vp≠0，但由于Vp=Vn，即Vid=Vp-Vn=0可得到Vo=0。

3.4电路负载特性及解决方法

电路的负载特性是电路的一个重要的参数，从负载特性曲线图中可以知道电路的性能及用途。

电路的带载是指确定某一输出（某个元件看作负载），能够满足此元件工作要求的能力（如电压、电流）称为带载能力。

普通的放大电路的带负载能力有限，这严重阻碍其通用性。

一般来说，解决这一问题的方法是在输出端接一个功率放大电路（电压跟随器）。

下面让我们来看看它是怎样解决通用性这一问题的。

首先，让我们了解一下其基本电路，如图3-1-3所示。

它的基本电路很简单，理想情况是输入电阻Ri→∞、输出电阻Ro→0、电压放大倍数Av=1。

但实际情况是输入电阻Ri一般为兆欧级别、输出电阻Ro一般只有几个欧姆甚至更小、电压放大倍数Av略小于1。

由戴维南定理可知，该电路可等效为一个电压源和电阻串联的单口网络,如图3-4-1所示。

下面不妨设R0分别为10Ω、20Ω画出该电路的负载特性曲线，如图3-4-2所示。

从图3-4-2中可以看到，当R0=10Ω时获得的功率较大。

因为该等效电路的内阻较小，在串联的情况下消耗的功率较小，从而使得负载获得更多的功率。

正是因为这些特性，可以将电压跟随器看做是一个理想电压源和一个阻值较小的电阻的串联。

由于内阻很小决定其负载可获得更多的功率，这样有效的解决了电路带负载能力不足的问题。

同时，又因为电压跟随器的输入电阻较大，所以对前级影响很小，起到隔离的作用。

第四章小信号放大电路的设计

4.1信号的采集

信号的采集是整个电路的一个重要环节，采集到的信号的好坏决定其是否可用。

下面将看看信号的采集电路（输入级差分放大电路），如图4-1-1所示。

该电路是用两级差分放大电路构成，第一级为双端输入双端输出差分放大电路，第二级为双端输入单端输出差分放大电路，两者构成双端输入单端输出差分放大电路。

该电路通过两级差分放大电路有效的抑制了共模信号（具有较高的共模抑制比）和温漂给电路点来的影响，可以采集到质量较好的差模信号。

4.1.1电压放大倍数Av1

因为运放处于线性放大区，由运放的虚短、虚断特性和式（3.2.4）可知

（4.1.1）

（4.1.2）

所以

。

4.1.2带宽分析

所谓的带宽就是能使电路正常工作的频率范围，它是影响电路通用性的重要因数之一。

一个带宽较大的电路通用性就越强，反之则越弱。

一般定义,增益下降到3dB（增益约为原来放大倍数的0.707倍）处对应的上下限截止频率fH、fL之差，即BW=fH-fL。

又因为fH》fL，所以BW≈fH。

下面将通过Multisim这个仿真软件的波特测试仪测量图4-1-1所示电路的幅频响应曲线来确定该电路的带宽。

电路带宽测量的连接方式如图4-1-2所示，测量数据如图4-1-3所示。

可知该电路的带宽约为2.93MHz。

4.2信号的放大

该电路的作用主要是完成高倍的电压信号放大作用，由于前级电路输出信号达不到幅值要求，需要采用一级电压放大电路以满足对信号的幅值要求。

下面将看看信号的放大电路（中间级电压放大电路），如图4-2-1所示。

该电路是用运放组成的反相放大电路，可有效的解决信号幅值达不到要求的问题。

4.2.1电压放大倍数Av2

因为运放处于线性放大区，由运放的虚短、虚断特性可知Vo2=-30Vo1,所以

。

4.2.2带宽分析

由于第一节对带宽进行了说明这里将不重复叙述。

下面将通过Multisim这个仿真软件的波特测试仪测量图4-2-1所示电路的幅频响应曲线来确定该电路的带宽。

电路带宽测量的连接方式如图4-2-2所示，测量数据如图4-2-3所示。

可知该电路的带宽约为4.88MHz。

4.3信号的功率放大

由于电路的输出电阻较大，只能驱动小负载,而对于大负载无能为力。

一般来说，要在电路输出端加一个功率放大电路（电压跟随器）以提高电路的输出功率，如图4-3-1所示。

该电路是用运放组成的同相放大电路，可有效的解决输出信号功率不足的问题。

4.3.1电压放大倍数Av3

因为运放处于线性放大区，由运放的虚短、虚断特性可知

所以

。

4.3.2带宽分析

由于第一节对带宽进行了说明这里将不重复叙述。

下面将通过Multisim这个仿真软件的波特测试仪测量图4-3-1所示电路的幅频响应曲线来确定该电路的带宽。

电路带宽测量的连接方式如图4-3-2所示，测量数据如图4-3-3所示。

可知该电路的带宽约为330MHz。

4.4系统相关参数的计算

以上各节已对电路各个模块进行了设计和相关的计算。

现在要对其进行连接和计算，连接图见附录一所示。

该电路可实现对低频小电压信号（幅值为10uV～100uV）进行放大，带宽为0～2.2MHz，增益在90db左右。

下面将对这些参数进行计算可测量。

4.4.1电压放大倍数Av

前几节已对各个模块的参数进行了计算可直接利用计算结果。

（约为90dB）。

4.4.2带宽分析

由于第一节对带宽进行了说明这里将不重复叙述。

下面将通过Multisim这个仿真软件的波特测试仪测量系统电路（见附录一）的幅频响应曲线来确定该电路的带宽。

电路带宽测量的连接方式见附录二所示，测量数据如图4-4-1所示。

可知该电路的带宽约为2.2M。

第五章电路元器件的排布及电源线和地线的处理

5.1制作成品可能遇到问题

完成对电路的相关设计只是一个基础，要想制作出成品还有很多现实的问题要考虑，例如元器件的排布（干扰、散热等）、电源线、信号线、地线等。

下面两节将具体探究其相关问题并提出相关的解决方法。

5.2电路元器件的排布

因为小电压信号本身的能量较小容易被噪声所淹没，所以小电压信号最容易受到干扰，常见的干扰有：

1、来自空间的干扰（辐射）多由电磁感应引起，电磁感应的结果是电压。

2、对于线路的干扰（传导），由于电压信号的内阻较小，易叠加；3、一些线路自身的干