增益可调差动放大器的设计与仿真

增益可调差动放大器的设计与仿真
摘 要：本课题设计利用增益可调放大器 uA709 芯片为设计核心，根据uA709 的放大原理，利用公式计算出放大倍数，然后利用专业软件 Protues 等模拟和仿真增益可调放大器电路，并测出其电压及电压增益的实际值！
关键字：uA709；Protues ；放大器；增益可调
一﹑课题背景
近年来随着计算机和互联网的迅速发展和普及，多媒体信息的高速传输呈现迅速增长的趋势。

放大器作为集成电路的一种重要的组成部分是国内外研究的热点。

目前集成放大器的研究主要集中在多级运放的补偿、宽带高速运放、满足专用放大器的特殊结构和提高通用放大器指标的方法等这几个方向。

但是可调增益放大器的研究国外开展较多，国内目前已有少量关于可调增益放大器的研究，主要是基于CMOS 工艺的可调增益放大器的设计放大。

宽带放大器在光纤通信、电子战设备及微波仪表等方面应用越来越广泛。

这些系统一般要求放大器具有增益可调、宽频带、低噪音、工艺稳定等特点。

可调增益放大器是一种通过改变电路某一参对量对放大器增益进行调节的放大器，广泛应用于无线通讯、医疗设备、助听器、磁盘驱动等领域。

二、电路介绍
差动放大电路又叫差分电路，他不仅能有效的放大直流信号，而且能有效的减小电源 波动和晶体管随温度变化多引起的零点漂移，因而获得广泛的应用。

特别是大量的应用于 集成运放电路，他常被用作多级放大器的前置级。

基本
差动放大电路由两个完全对称的共发射极单管
放大电路组成，该电路的输入端是两个信号的输入，这
两个信号的差值，为电路有效输入信号，电路的输出是
对这 两个输入信号之差的放大。

设想这样一种情景，如
果存在干扰信号，会对两个输入信号产生相同的干扰，
通过二者之差，干扰信号的有效输入为零，这就达到了
抗共模干扰 的目的。

差动放大电路的基本形式对电路的要求是：两个电路的参数完全对
称两个管子的温度特性也完全对称。

它的工作原理是：当输入信号 Ui=0
时 ，则 两管 的电 流相 等， 两管 的集点 极电 位也 相等 ，所 以输出
电压 Uo=UC1-UC2=0。

温度上升时，两管电流均增加，则集电极电位均下
降， 由于它们处于同一温度环境，因此两管的电流和电压变化量均相
等，其输出电压仍然为零。

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 uA709，设计者则是鲍伯•韦勒（Bob Widlar ）。

但是 uA709 很快地被随后而来的新产品 uA741 取代，uA741 有着更好的性能，更为稳定，也
更容易使用。

三、方案设计
选用 uA709芯片用 protue s软件模拟仿和真增益可调差动放大器电路。

（一）电路原理连接图如下：利用直流电源作为增益端
（下图为可调增益放大器实际电路图，其中电压源 U5=U6=4V）
直流分析，具体参数
①下图为交流源 U5=U6=4V时，（直流扫描）输出电压 Uo 的结果图
（从图可以观察到输出电压越来越趋于稳定，其稳定值在 0.8uV附近，可见输出电压是非常小的，几乎接近零）
②下图为交流源 U5=U6=4V时，（直流扫描）输出电压增益 Ao的结果图（从图可以观察到电压增益先直线上升，由负的电压增大到正的电压，由于输入电压 U5=U6，那么理论值中电压输出增益应该是无穷大的。

而实验也显示是1*1030
V，这个值已是非常大了，可以视为无穷大
可见理论值与实际值是十分相符的）
瞬态分析具体参数设置如下：
③下图为交流源 U5=U6=4V 时，（瞬态扫描）输出电压 Uo的结果图
④下图为交流源 U5=U6=4V时，（瞬态扫描）输出电压增益 Ao的结果图
（二）电路原理连接图如下：利用交流电源作为增益
可调差动放大器的输入端
（下图为可调增益放大器实际电路图，其中电压源 U1=U2=4V）
瞬态分析具体参数设置如下：
⑤下图为交流源 U1=U2=4V时，（瞬态扫描）输出电压 Uo的结果图
⑥下图为交流源 U1=U2=4V时，（瞬态扫描）输出电压增益 Ao的结果图
交流分析具体参数设置如下：
⑦下图为交流源 U1=U2=4V 时，（交流扫描）输出电压 Uo的结果图（从图可以观察到：输出
电压首先直线下降，
接着趋于其稳定值，在 92pV 附近，可见输出电压是非常小的，几乎接近零）
⑧下图为交流源 U1=U2=4V 时，（交流扫描）输出电压增益 Ao 的结果图
( 从图可以观察到：电压增益是一条直线，且其输出电压增益零
是由于输入电压 U5=U6,U0=(m+n+)12p
m n +(U6-U5) 那么 Uo 就为零，于是有电压增益 Ao 为零。

）
四、公式的推导
设流过R1、R2、R4、R5、R6、R7、R8分别为I2、I1、I5、I3、I4、I6、I7。

理想条件下：有I1=I3,mR UA U R U U -=-331 且I2=I4,mR
UB U R U U -=-442
联立以上式子和U3=U4，可得：UA-UB=m(U2-U1) 又I3=I5+I6 且
nR U UA pR R UB UA mR UA U 03-++-=-又I7=I4+I5 且 nR
UB pR R UB UA mR Ub U =+-+-4 联立以上式子,可得：U0=(m+n+p
m n +12)(U2-U1) 通常选m=n,则上式变为)12)(11(20U U P m m U -++
= 因此，当m,n 的值选定后，只需调节（PR ）一个电位器即可调节差动放大器的增益，但是在此电路中，输入电阻不高，差动放大器的增益与电位器的阻值呈非线性关系。

在实际应用中，此电路的运放可选 uA709 ,在uA709的1脚和8脚之间要接,R1和C1组成的串联相位补偿电路；为了防止电路的振荡，在5脚和6脚之间要加补偿电容C2。

也可以用
uA709TC,BG709CP,TD709CN,7F709CDE 等代替uA709 。

五、实验分析与总结
通过此次课题设计，我懂得了原来理想与现实总存在一定差距，很多看似简单的东西做起来并没有那么简单，再简单的事只有通过做才能够真正的掌握和理解。

有时候可能一开始你对要做的东西不是很了解，这就需要我在设计的过程中不断的发现自己不懂得问题，并通过查阅一些东西去解决这些问题，本次设计，让我自己真正用心的去学习了一些东西，比如一开始我不知道protues 是个什么东西，到底怎样用，而且在这次的设计中仿真是个让我很头疼的事，一开始总是找不着器件，找到器件了仿真又总出现错误，让我很是心烦，最后请教同学解决了。

通过这次设计，虽然谈不上对这个软件了如指掌，但至少在今后的过程中碰到还是会用了。

我承认在这次的设计中对这个软件的运用不够熟练，但是我进步了，我相信每一个小小的进步最终都会成就一大步，而且这次我也懂得了课题与论文设计的步骤，规范及设计流程，对我将来的学习将带来帮助。

总的来说，虽然本次实验设计花费了我不少的课余时间，但是它让我学到了很多东西，觉得这是一件蛮有趣的事情，有时候把每一个小问题都解决掉后心里都会有一点点小愉悦，因为我知道离成功不远了，也让我明白了实践永远是检验真理的唯一标准，只有真正的去做了才能够做到真正的了解！
六、参考资料
集成电路原理与应用（第三版） 谭博学 苗汇静 编著 电子工业出版版 2011.6
七﹑部分原文英译汉
Gain adjustable differential amplifiers design and simulation
Abstract：Project design with adjustable gain of this amplifier design for uA709 chip core, aco-rding to the uA709 principle to enlarge, use formulas to calculate magnification, and then use specia-lized software (such as Protues and so on) simulations and simulation of adjustable gain a amplifier circuit, and measure the voltage and the voltage gain of the actual value!
Keywords:UA709； Protues；amplifier；Gain adjustable
Project background:
In recent years, with the rapid development and popularization of computer and Internet, mulit-imedia information of high-speed transmission showed a trend of rapid growth. Amplifier as an inte-grated circuit is an important part of the domestic and foreign research hot spot. Currently integrated amplifier research mainly concentrated in the multistage op-amp compensation, broadband highspeed op-amp, satisfy the special structure of special amplifier and the methods of enhancing general ampli-fier and the direction. But adjustable gain amplifier research conducted abroad, domestic there are a few studies on the adjustable gain amplifier, mainly based on CMOS process design of adjustable ga-in amplifier amplification. Broadband amplifier in optical fiber communication and electronic warfa-re equipment and microwave instrument is finding wider and wider application. These systems are generally adjustable amplifier with gain, wide band, low noise, stable process, etc. Adjustable gain a-mplifier is a kind of a ginseng by changing the circuit to adjust the volume on the amplifier gain am-plifier, widely used in wireless communication, medical equipment, hearing AIDS, disk drives, etc Circuit is introduced：
Also called differential circuit of differential amplifier circuit, he not only can effectively en- large DC signal, and can effectively reduce the power fluctuations and transistors with zero sh- ift caused by temperature changes, and access to a wide range of applications. In particular a large number of applications in the operational discharge road, he often was used as a multis- tage amplifier front level.
Basic differential amplifier circuit consists of two symmetric total emitter of single-tube a- mplifier circuit, the circuit's inputs are two signal inputs, difference of these two signals, circuit valid input signals, output of the circuit is enlarged to the difference between the two input sig- snals. Imagine a scenario, if there is interference signal interference that may cause the same
to two input signals, by the difference between the two, interfere with valid input signal is zero, this will achieve the purpose of suppressing common mode interference.
Differential amplifier circuit is the basic circuit required in the form of: two circuit parame- ters of fully symmetric temperature characteristics of the two tubes are completely symmetric- al. Its working principle is: when the input signal when Ui=0, equivalent to the current two tub- es, two tubes set point of potential is equal, so the output voltage Uo=UC1-UC2=0. temperatu- re rise, the two tube current is increased, the collecting electrode potentials are dropped, beca-
use they are in the same temperature environment, so the tubes are equal to the amount of current and voltage change, its output voltage is zero.
The late 1960, FAIRCHILD semiconductor (Fairchild Semiconductor) launched the first widely-used integrated circuit operational amplifier, model uA709, the designers were Bob widlar (Bob Widlar). But 709 quickly been replaced then the new product uA741, uA741 has better performance, more stable, easier to use.
附：UA709数据手册部分资料
11。