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
→∞
3．结论
该电路板主要应用了仪用放大电路设计，应用了OP07芯片的放大信号功能，在制作设计工程中不断地修改了电路图，最初时的电路与现在制成的实际的电路大有不同，第一次采用了串联反馈放大电路，第二次改为差分式放大电路，可使电路具有稳定的偏置和很强的抑制共模信号的能力。

后来改为在步了四块PCB后制成了成板。

调试过程遇到的挫折也不少，电路调试方面与错误排除：从输入一部分一部分测试排错，出错了，观察重复n次，估计是由什么原因引起的，从电路整体来看、分析可能是什么错误，再缩小范围，发现了几个虚焊的节点。

原来设计的输入滤波对电路测量有负面影响，去掉之后稍微有所好转，对照原理图和PCB图之后发现在生成PCB和布线时有几个错误，滑动变阻器接错了，在割了几条线和焊接几条跳线后，经过多次调节滑动电阻器，才使电路板能正常工作了，在验收前太紧张以至于把直流源正负极接反了导致芯片被烧坏，幸好同学借给好的芯片才让我课设验收顺利完成。

课程设计这门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，十天的课程设计，我感受最大的就是耐心，与其说是做设计，不如说是在锻炼我们的意志，使我们受益非浅。

想要完成这项任务，要是没有顽强的毅力，是不可能达到理想的结果的。

7．参考文献
1.电子技术基础数字部分（第五版）华中科技大学电子技术课程组编
康华光主编
2./icstock/528/OP-07.html
附录
附录一电路原理图1.布线生成PCB的原理图
2.修改后实际的原理图
附录二电路PCB
附录三元器件清单
桂林电子科技大学课程设计（论文）专用纸。