模电大作业

模电大作业一、集成运算放大器基本应用选定集成运算放大器型号，例如：选择高速、高精度的差分放大器INA133（也可以选择其它类似器件），如图1所示为INA133内部电路。

要求：1．利用该器件构成多种功能电路，例如图2所示为应用INA133组成反相比例放大器，图3为应用INA133组成相减器。

2.在该器件基础上，引入少量元器件（电阻、电容、晶体管、场效应管、运放），设计实现更多的应用电路，例如仪表放大器、相加器等。

1.单独利用该器件构成多种功能电路1.1同相比例运算放大器将运放1、3端相连引出输入端，5、6端相连反相端接地，构成负反馈电路，由运放的虚短和虚断VUU0==+-可得：ioUU2=。

仿真电路如图：图1 图2 图3当输入为)100sin(5t U i π=时，由输出波形可得)100sin(10t U o π=，故结果正确。

1.2电压跟随器将运放2、6端相连构成负反馈电路，并将3端接信号源，则由运放的虚短和虚断可得电路组成一个电压跟随器，即i o U U =。

仿真电路如图：由输入、输出结果可见，所设电路符合要求。

1.3过零比较器将运放3端接地，2端输入信号，运放开环构成一过零比较器。

仿真电路及结果如图：由上图输入输出波形可得当输入信号大于零时，输出DD U ,当输入信号小于零时，输出EE U ，实现了过零比较功能。

1.4反相迟滞比较器将运放3端接地，1、6端相连构成正反馈，2、5端并联输入。

由INA133内部电阻可算出正F =0.5.，即当输入信号i U ≥DD U 5.0时，输出信号从高电平变为低电平，当输入信号i U ≤EE U 5.0时，输出信号从低电平变为高电平。

仿真电路及结果如图：由输入输出波形可以看出设计电路符合要求。

2.在该器件基础上，引入电阻、电容、晶体管等设计实现更多的应用电路2.1反相相加器将运放2、4端串入一电阻4R 构成负反馈，3端串联一个直流平衡5R 并接地，电源与运放反相端之间并联3个电阻构成输入端，故由基本反相放大器“虚地”性质可得输出信号)3(322114R U R U R U R U i i i o ++-=。

）（1 仿真电路如图所示：由上图可见当输入都为1V 时，输出为-7V ，与公式）（1计算结果相符，故此电路可用。

2.2差动积分器运放2、6端之间接电容1C 构成基本积分器元件，电容2C 起隔直流通交流作用，运放2、3端引出并接电阻，作为积分器差动输入端，其输出电压dt U URCt U i i o )(1)(21⎰-=。

电路仿真如图：当输入信号)120(2t Sin U i π=，由下可得输出信号为)120(1202t Cos U o ππ-=，与理论计算相符，故电路正确。

2.3仪表放大器该电路由三个运算放大器）（31~A A 组成，1A 、2A 组成同相比例放大器，输入电阻大，且电路完全对称，3A 组成相减电路。

由下图可见，输出电压o U 为： )(2123o o o U U R R U -=利用“虚短路”和“虚断路”概念，求得总电压增益为：)21(52321.Gi i o R R R R U U U ufA +=-=（2）当输入电压为)100(23t Sin U i π=时，输出电压为)100(29t Sin U o π=，放大了三倍，与由公式（2）算得的结果相同，故电路可行。

2.4 取样/保持电路两个集成运放INA133U都构成跟随器，起传递电压隔离电流作用。

XFG2产生的取样脉冲控制AQ2闭合，对电容充电，Q2开关的状态。

取样脉冲到来时，A当取样脉冲过去时，AQ2打开，电容电压保持不变，则输出电压保持不变，等待下一个取样脉冲到来。

对比输入输出波形发现电路正确。

二、设计心电信号放大电路要求：电路总增益60-80dB可调，输入阻抗≥1MΩ，共模抑制比K CMR≥80dB,带宽：0.1Hz-100Hz；电路具有50Hz陷波功能，陷波器中心衰减大于15dB。

提示：1.输入级采用3运放构成的仪表放大器，可以保证输入阻抗和共模抑制比足够高。

2. 陷波器可以采用带通滤波器和相加器组成的带阻滤波器或双T 带阻滤波器；一.问题分析：1、心电信号的特点及检测心电信号十分微弱，一般人体心电信号的幅值约20μV~5mV，频带宽度为0.05Hz~100Hz，由于心电信号取自于活体，所以信号源内阻较高，且存在着较强的背景噪声和干扰，主要有电极极化电压引起基线漂移，电源工频干扰(50Hz)，肌电干扰(几百Hz以上)，临床上还存在高频电刀的干扰。

电源工频干扰主要是以共模形式存在，幅值可达几V甚至几十V，所以心电放大器必须具有很高的共模抑制比。

由于信号源内阻可达几十KΩ、乃至几百KΩ，所以，心电放大器的输入阻抗必须在几MΩ以上，而且KCMR也要在80dB以上。

2、心电信号放大器设计要求及组成根据心电信号的特点，对心电信号放大器的要求是高输入阻抗、高增益、高共模抑制比、低噪声、低漂移、合适的通频带宽度和输出较大的动态范围等。

故本文所设计的心电信号放大器的组成如图所示，主要有高通滤波器、低通滤波器、三运放仪表放大器、50Hz陷波器、电压放大器等电路。

输入信号高通滤波器低通滤波器三运放仪表放大器双T带阻滤波器电压放大器输出信号其中高通滤波器、低通滤波器保证了信号带宽为0.1HZ-100HZ 之间；三运放仪表放大器保证了输入阻抗≥1M Ω，共模抑制比K CMR ≥80dB ；双T 带阻滤波器消除了50HZ 工频干扰；最后的电压放大器则保证了电路总增益在60-80dB 之间可调。

二．电路组成1.高通滤波器高通滤波器选择典型的压控电压源二阶滤波器，电路结构如图。

该电路的典型参数为：截止频率RCf π210=，通带放大倍数101R R A f += 。

现要求滤波器的截止频率等于0.1Hz ，取电容等于40μF ，则电阻k Ω8.391.0103914.3216≈⨯⨯⨯⨯=-R ，选用电阻Ωk 8.39。

通带电压放大倍数A 0=1.2，取Ω=k R 103，Ω=k R 24，。

集成运算放大器选用高精度、低漂移运算放大器OP07。

波特图：2.低通滤波器低通滤波器电路如图 。

该滤波器的参数指标为：截止频率RCf π210=，通带放大倍数10=A 。

在该电路选择参数情况下，二阶低通滤波器的截止频率Hz 52.99101000106.114.321211260≈⨯⨯⨯⨯⨯==-RCf π。

波特图：3.三运放仪表放大器本题所用三运放仪表放大器采用2.3所示电路，然后在前面加两个INA133运放1A 、2A ，构成电压跟随器，这样增加了电路的输入阻抗，使所设仪表放大器更符合要求。

4.双T 带阻滤波器（50Hz 陷波器）50Hz 工频信号陷波器可以采用应用广泛的双T 型有源带阻滤波器，图示是自举式双T 桥二阶有源带阻滤波器电路。

在图中双T 网络参数选择下，带阻滤波器的中心频率Hz 50101320014.3212160≈⨯⨯⨯⨯==-RCf π，电压增益为201055.1-∙=A .陷波器波特图：5.电压放大器对于末级电压放大器的要求是应该具有低噪声、低漂移，且具有足够大的电压放大能力和一定的频带宽度，同时输出具有比较大的动态范围。

由于心电信号放大器总的电压放大倍数要求1000-10000倍，高通滤波器通频带电压放大倍数分别为1.2，所以电压放大器的电压放大倍数为63即可满足要求。

采用低噪声、宽频带集成运算放大器NE5532构成的电压放大器如图 。

U1ANE5532AI 32481R11kΩR2300kΩR32.8MΩKey=A0%三．电路系统总体图把电路的高通滤波器、低通滤波器、三运放仪表放大器、50Hz 陷波器、电压放大器等依次组合在一起构成一个完整的心电信号放大器，仿真电路图如下：C140µFC240µFR139.8kΩR239.8kΩU1OP07H 3247681R310kΩR42kΩU2INA133U3247651U3INA133U3247651U4INA133U 3247651R725kΩR525kΩR625kΩR825kΩR925kΩR1025kΩR1125kΩKey=A 0%VDD15V VDD15VVDD15V VEE-15VVEE-15VU5INA133U 3247651U6INA133U3247651R123200ΩR133200ΩR141600ΩR151.6kΩR16220ΩU7OP07H 3247681U8OP07H 3247681C31µFC41µF C52µF U9ANE5532AI 32481R171kΩR18300kΩR192.8MΩKey=A0%C61000pFR201.6MΩR211.6MΩU10OP07H3247681VDD15VVEE-15VVDD 15VVEE -15VVDD15VVEE-15V VDD 15VVDD15V VEE-15V电路总体波特图：电路输入输出波形变化：四．电路参数测量1.滤波电路经过测试发现，高通滤波器能实现阻止小于0.1HZ 频率信号的作用，低通滤波器能实现阻止大于100HZ 频率信号的作用，故可实现题目要求带宽0.1HZ-100HZ 的作用。

2.三运放仪表放大器1.1 差模增益测量方法：差动输入端，一端接信号源信号，另一端接地，输入信号为10mV ，测量INA133的输出端对地的电压，其值为30.001mV 。

所以，差模增益为3=D A 。

1.2 共模增益测量方法：两输入端输入50Hz 共模信号，测量输出端对地电压。

输入3V 输出47.901uV 。

所以，共模增益为5-106.1∙=C A 。

1.3共模抑制比共模抑制比为：dB A A KCMR C D 46.105)lg(20≈=，符合题目共模抑制比dB KCMR 80≥的要求。

3. 双T50HZ 陷波电路3.1 陷波中心频率测量方法：不断调节信号发生器信号的频率，寻找输出信号幅度最低的频率。

测得中心频率为50.703HZ 。

故能满足滤除工频50HZ 的作用。

3.2陷波器中心衰减由上波特图可看出中心衰减为dB 944.23,满足题目中心衰减大于dB 15的要求。

4.输入阻抗测量方法：接好电源，将输出接地，用万用表测量两输入端之间的阻抗，即输入阻抗。

测得输入阻抗为ΩM 249.106，远远大于题目输入阻抗Ω≥M 1的要求。

5.电路总增益测量方法：输入信号选用50HZ 有效值为34.81mv 的正弦波，当电压放大器的可变电阻为0%时输出35.356v,电压增益为1016；当电压放大器的可变电阻为100%时，输出354.17v,电压增益为10174。

故电路基本实现了60-80dB 即电路总增益1000-10000范围内可调的要求。