低频小信号放大器的设计

1. 设计任务及要求

1.1 设计任务：

运用放大器原理等知识，设计一个低频小信号放大器。

1.2 设计要求：

1）放大倍数≥1000（60db）；

2）共模抑制比K

CMR

≥60db；

3）输入阻抗R

i

≥10M；

4）频带范围0～100HZ；

5）信噪比SNR≥40db；

2. 方案设计

2.1.1同相放大电路

输入电压u i接至同相输入端，输出电压u o通过电阻R F仍接到反相输入端。

R 2的阻值应为R

2

=R

1

//R

F

.

根据虚短和虚断的特点，可知I

-

=I

+

=0,

则有

o

F

u

R

R

R

u⋅

+

=

-

1

1

且 u

-

=u

+

=u

i

，可得：

i

o

F

u

u

R

R

R

=

⋅

+

1

1

1

F

i

o

uf R

R

1

u

u

A+

=

=

同相比例运算电路输入电阻为：∞

=

=

i

i

if i

u

R

输出电阻： R

of

=0

因此选择同相放大电路满足输入阻抗足够大

2.1.2 差分放大电路

差动输入比例运算（即减法运算）

在差动放大电路中，有两个输入端，当在这两个端子上分别输入大小相等、相位相反的信号，（这是有用的信号）放大器能产生很大的放大倍数，我们把这种信号叫做差模信号，这时的放大倍数叫做差模放大倍数。如果在两个输入端分别输入大小相等，相位相同的信号，（这实际是上一级由于温度变化而产生的信号，是一种有害的东西），我们把这种信号叫做共模信号，这时的放大倍数叫做共模放大倍数。

由差模放大倍数和共模放大倍数可求差模增益A

vd 和共模增益A

cd

，共模抑制

比K

CMR =20log(A

vd

/A

cd

)

2.1.3 仪表放大器

图5是仪用放大器的结构，是分离和集成仪表放大器最常选的结构。整个增益的传输函数很复杂，当R1=R2=R3=R4时，传输函数可以简化为

R5和R6设置为相同值（通常在10～50kΩ）。简单地调节RG的值，电路的整个增益可由单位值调至任意高的值。因此选择三运放仪用放大器满足电路的增益要求。

2.2 方案确定

2.2.1 主要器件选择

芯片：OP07

供电电压：＋12Ｖ直流稳压电源供电

滤波电路：0.1uF,10u电容

反馈电路电阻：10K,1K

调节增益电阻：1M滑动变阻器

安捷伦示波器

数字万用表

信号发生器

2.2.1 最终电路选择

使用两个运放同相输入组成第一级差分放大电路，使用第三个运放组成第

二级差分放大电路，即两级共同构成了仪用放大器，在第二级接入滑动变阻器改变电路总增益。

3. 工作原理

3.1 工作原理简介

OP07高精度运算放大器具有极低的输入失调电压，极低的失调电压温漂，非常低的输入噪声电压幅度及长期稳定等特点。可广泛应用于稳定积分、精密绝对值电路、比较器及微弱信号的精确放大。 3.2 系统框图

从工作原理，设计出来的电路框图如图3.1所示。直流稳压电源提供电路工作电压，经过发光二极管可知电路是否通路；OP07作为一个主控芯片，实现输入信号放大功能；输入信号经过芯片会被放大，第一级差放电路的反馈网络形成了虚断，使输入阻抗R i →∞；输入信号进入第二级差分电路，调节滑动变阻器可改变整个电路的增益；信号输出到示波器。

系统框图如图3.1所示：

图3.1 小信号放大器系统框

4．硬件设计

4．1 直流电源输入端设计

直流电源输入三个OP07芯片使芯片正常工作，在输入前先通过二极管可直观显示电路是否通路。直流源输入端设计如下图：

4．2 第一级差分放大电路设计

前已提及，输入信号分别从两个OP07同相输入，电路出现虚断现象，因而

→∞。具体电路见下图：

输入电路等于0，所以输入阻抗R

i

图4.2第一级差分放大电路设计

4.2 第二级差分放大电路设计

采用的是改变滑动变阻器阻值改变电路增益，电路图如图4.3所示：

图4.3 第二级差分放大电路

4.3电流输出端率杂波电路设计

OP07输入电源接地部分加入电容可滤去杂波，电路设计图见图4.4。

图4.4 电源接地滤波电路

5．调试方法与步骤

1.连接好电路

2.双端输入+12V电压，信号源输入10mv，1000HZ的小信号

3.调节电阻R6改变输出电压大小，即可改变输出电压放大倍数

4.测量输出不失真电压U

o ,则差模增益A

vd

=20lg(U

o

/10)

5.输入输出信号端共地测输出电压大小v

o ,则共模增益A

vc

=20lg(v

o

/10),共模

抑制比K

CMR =20log(A

vd

/A

cd

)

6.差模信号输入下，保持输入信号电压幅度不变，改变输入频率，测量输出电压等于0.707U

o

时不失真频率范围，可得频带

7．输入端对地短路，测出输出噪声电压u

n

8．差模信号输入下，改变输入信号电压幅度到最大不失真，测量输出电压U

n

,

则信噪比S/N=20lg(U

n /u

n

)

9.断开输入电源，用万用表测输入阻抗6,结论

1.数据记录

U

o

=12.2V

v o =12mv，A

vd

=U

o

/10=1.2

u n =14mv,U

n

=20.2V

2.数据处理

总增益A

vc =v

o

/10=1220

K CMR =A

vd

/A

cd

=1220/1.2=1000

频带范围 0.23HZ～9557HZ

S/N=20lg(U

n /u

n

)=63.2db

输入阻抗R

i

→∞