程控放大器设计报告

《电子线路》课程设计

设

计

报

告

题目：程控放大器的设计

班级: 电子工程

姓名: XXXXXXXXXXXXXXXX 指导教师: XXXXXX

2012年6月

摘要

本次课程设计的目的是通过设计与实验，了解实现程控放大器的方法，进一步理解设计方案与设计理念，扩展设计思路与视野。

对微弱信号的程控放大，传统的方法是采用可软件设置增益的放大器如AD8321芯片，但该类放大器价格较高且选择档位较少。采用数字电位器或者模拟开关和AD 组成的多档位、低成本的程控放大器可克服以上缺点，但是模拟开关具有较大的噪声且存在偏置电阻，精度不高使用D/A 内部电阻实现可变电阻也是较为常用的方法，利用DAC 内部精密电阻网络作为运放的反馈电阻提高了放大精度，但这种方案难以实现连续调节。

关键字：程控放大模拟开关DAC

目录

一、内容提要 (4)

二、设计任务和要求 (4)

三、总体方案选择的论证 (4)

四、单元电路的设计、元器件选择和参数计算 (8)

五、绘出总体电路图，并说明电路的工作原理 (10)

六、组装与调试，内容含： (12)

七、所用元器件的编号列表。 (15)

八、设计总结： (18)

九、列出参考文献 (18)

程控放大器设计

一、内容提要

随着计算机的应用，为了减少硬件设备，可以使用可编程增益放大器（PGA:Pmgrammable Gain Amplifier)。它是一种通用性很强的放大器，其放大倍数可以根据需要用程序进行控制。采用这种放大器，可通过程序调节放大倍数，使A/D转换器满量程信号达到均一化，因而大大提高测量精度。所谓量程自动转换就是根据需要对所处理的信号利用可编程增益放大器进行倍数的自动调节，以满足后续电路和系统的要求。可编程增益放大器有两种——组合PGA和集成PGA。

二、设计任务和要求

设计和实现一程控放大器，指标要求：

1、增益在10～60dB之间，以10dB步进可调；

2、当增益为40dB时，－3dB带宽≥40kHz.

3、电压增益误差≤10％；

4、最大输出电压≤10V。

注：不可用专用集成块！

三、总体方案选择的论证

实现程控放大器的方案有多种，如：

（1）用继电器改变运算放大器的反馈网络；

（2）用模拟开关来控制运算放大器的反馈网络；

（3）用数模转换器（D/A）的电阻网络来改变增益。

方案对比：

方案一：采用模拟开关控制运算放大器的反馈网络

具体电路图如下：

简要原理：通过开关的闭合和断开开来获得6种不同的增益。

优点：电路简单，易于焊接

缺点：频率稳定度不高

本方案参考文献：[1]

方案二：通过数字选择反馈网络对输入信号进行放大，电路原理图如下：

●简要原理：

用模拟开关来控制运算放大器的反馈网络来设计程控放大器。通过对微动开关的闭合和断开，由CC4051模拟开关控制输出的电阻，作为三运放构成的数据放大器的电阻Rg，构成程控放大器，改变Rg的值可以对输入的信号进行相应的放大。

●优缺点：

优点：该种方案的电路相对于其他两种方案的电路来说，电路结构较为简单，原理容易理解，使用器件较少，而且使用起来也十分方便。

缺点：如果电路器件选择不当，可能造成电路无法达到设计的要求，即增益无法达到60dB或者当增益为40dB时，－3dB带宽≥40kHz。

本方案参考文献：[2]

方案三：用数模转换器（D/A）的电阻网络来改变增益。

MAX502 D/A转换器利用R-2R梯形解码网络实现数字量到模拟量的变化输入不同的数字量D，就可以在1~4096间设定放大器的电压增益。图1中的两个外接电位器W1、W2分别用于对放大器的失调和增益误差进行微调，可进一步提高放大器的精度，要求不太高时也可以省去。

优点：电路使用元器件种类较少

缺点：过分依赖于集成芯片，且芯片购买成本高

对比得出的结论：

本次设计考虑到使实验器材尽量可以在市场上及时的买到以及节省不必要的实验器材，最终考虑使用方案二模拟开关来控制运算放大器的反馈网络来实现实现程控放大器。

该种设计电路简单，使用器件少，可在实验室内操作，焊接起来较为方便，调试较为简单，符合课程设计的原则。

四、单元电路的设计、元器件选择和参数计算

1、单元电路的设计

（1）通过CC4051模拟开关对输出电阻进行控制选择

CC4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。C、B、A为二进制控制输入端 (9、10、11端)改变C、B、A的数值，可以译出8种状态，并选中其中之一，使输入输出接通。（CC4051管

脚见元器件附表）

该单元电路的设计依

据主要是根据CC4051模拟

开关能对输出电阻进行控

制和选择，从而实现接入

电路的电阻阻值的改变，

以实现相应的功能。

（2）利用三运放构成的数

据放大器（仪表放大器）

对信号进行放大

仪表放大器主要由两级差分放大器电路构成。其中，运放A1，A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。这样在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR要求不变情况下，可明显降低对电阻R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的条件下，图1电路的增益为：G=(1+2R1/Rg)(Rf/R3)。由公式可见，电路增益的调节可以通过改变Rg阻值实现。其电路图如下：

结合设计要求指标给出：

2、元器件选择

（1）电阻类：

100kΩ电阻（4个）； 30kΩ电阻（2 个）； 22kΩ电阻（3个）；