模电课程设计报告资料

合肥工业大学模拟电路课程设计

指导教师：胡良梅许良凤

设计内容：

一．数据放大器（差分放大+数据滤波）二．集成直流稳压电源

一．数据放大器

1.指标要求

总体要求如下：

Ω≥M R id 10 kHz f d H 13= dB K CMR 60≥

带外衰减速率大于等于-30dB/10倍频

差分放大器指标要求： dB A vf 54≥ Ω≥M R id 10 dB K CMR 60≥ RC 有源滤波器指标要求： k H z f d H 13=

带外衰减速率大于等于-30dB/10倍频

2.设计方案

对于差分放大器，利用3个运放和7个电阻组成两级差分放大电路来实现。 电路原理图如下：

第一级放大倍数计算公式： )21(0

1

1R R A v +

= 第二级放大倍数计算公式： 3

5

2R R A v =

总的差分电路放大倍数： 3

5

01)21(R R R R A v ?+

= 对于滤波器，选用2个电容、4个电阻和一个运放组成二阶低通有源滤波器，电路原理图如下：

总的电路流程图如下：

3.电路原理及估算结果（仿真或近似计算）

（1）两级差分放大电路电阻值的选取： 该部分如下图：

由于指标要求差分放大器放大倍数大于等于54dB ，也就是500倍。差分放大器有两级放大，为了避免第二级放大出现失真，将第一级放大设置为5倍，第二级放大设置为100倍。电路中的运放使用LM324N 芯片中的运放。

根据公式 )21(01

1R R A v +

=及3

52R R A v = 取R0=1k Ω R1=R2=2k Ω 则51=v A

取R3=R4=150Ω R5=R6=15k Ω 则1002=v A 所以500=v A

将参数输入电路原理图进行仿真测试：

仿真结果如下（输入差模信号为振幅1mV，频率500Hz的正弦信号）：

由上图看出差分放大电路输出信号幅度为499.777mV，将原来的1mV信号放大了499.777倍（理论上为500倍），在误差范围内可认为电路达到了放大倍数要求。

（2）二阶有源滤波器电阻及电容选取：

该部分如下图：

电压增益计算公式为： 9

10

31R R A v +

= 使R9=10k Ω R10=15k Ω 则增益5.23=v A

令R7=R8 C1=C2

则3dB 截止频率计算公式为： 1

7321

C R f dB π=

使R7=R8=15k Ω C1=C2=0.01uF 则kHz C R f dB 121

1

73≈=

π

所以满足要求。

将上面计算出来的电阻及电容值代入原理图中进行仿真：

仿真结果如下：

（1）（输入信号为正弦波，振幅1V，频率500Hz）

（2）（输入信号为正弦波，振幅1V，频率1000Hz）

满足3dB截止频率。

将以上差分放大电路和滤波电路连接起来就组成了数据放大器。

4.硬件调试过程及测试指标

实验中运放采用LCM324N芯片，1块LCM324芯片里面含有个运放。实验中，我们先搭好差分放大电路和滤波电路，但是两个电路不连接在一起，我们先检测差分放大电路，经检测差分放大电路的放大倍数达到了500倍放大的要求。于是，我们接着检测滤波电路的滤波效果，检测结果为滤波电路的放大倍数为3倍，3dB截止频率为1kHz，带外衰减速率为-59.4dB/10倍频，指标符合要求。

硬件连接电路如下：

①前置级：

利用信号发生器输入500Hz,40m 的正弦交流信号，通过设计好的电桥，mV V i 5.51=，

mV V i 1.62=mV V V V i i id 6.021=-=?，用万用表测得mV V mV V o o 2.4,4.721==，前置

级放大倍数4.56

.02

.44.721=-=-=

id o o V V V A ②电压放大级：

在①的基础上，继续测量差分放大器的输出，用万用表测得mV V o 3122=，所以差分放大器的电压放大倍数5206.03122===

mV

mV

V Vo A id ③在①、②的基础上，继续测量滤波器的输出，用万用表测得，整个数据放大器的输出电压

V V o 043.1=，电压放大倍数17386.0043.1===

mV

V V V A id o vf ，符合指标要求。

滤波器实验中部分检测图如下：

④二阶有源低通滤波器：测得输出信号随输入信号频率变化如下： 频率f /Hz 100 200 500 800 1k 10k 幅度o V /Vop-p 1.30

1.34

1.40

1.72

0.99

0.06

由上述表格知：

通带截止频率kHz f d H 13≈

带外衰减速率：dB 4.59)1006.01099.0lg(203

3-≈?-?-/10倍频 满足指标要求。

⑤输入阻抗：测量输入阻抗的电路如下：

Ω=M R 10 实际测得数据放大器两端的电压约等于串联接入电阻两端的电压，根据分压原理易知数据放大器的输入阻抗Ω≈M R id 10。 ⑥共模抑制比CMR K ：

撤去电桥，输入频率为100Hz,幅度为50mV 的信号，测得输出电压信号幅度为48mV

所以：96.05048==mV

mV

A vc

dB A A K vc vd CMR 15.6596

.01738

lg 20lg 20≈==

5.工作总结及心得体会：

6.参考文献：

[1] 谢自美. 电子线路设计.实验.测试[M]. 武昌:华中理工大学出版社

[2] 康华光. 电子技术基础模拟部分（第五版）[M]. 北京:高等教育出版社 [3] 王毓银. 数字电路逻辑设计（第二版）[M].北京:高等教育出版社

附录：元件明细表以及所使用实验仪器：

名称

数量

数据放大器 输 入

LM324 4 0.01uF 电容 2 1k 电阻

1

2k 电阻 2 150?电阻 2 15k 电阻 5 10k 电阻

1

实验仪器：

信号发生器，直流稳压电源，示波器，万用表，面包板

1.指标要求

利用集成稳压器CW317设计一个小功率直流稳压电源，性能指标要求为： （1）输出电压能同时提供正、负电压；输出幅度V V V o 9~3++=连续可调 （2）输出电流mA I o 800max = （3）纹波电压有效值mV V 5p -op ≤? （4）稳压系数003.0≤Sv

2.设计方案

集成直流稳压电源的工作原理:

直流稳压电源是一种将220V 工频交流电转换成稳压输出的直流电的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如下：

首先输入将电网电压u1通过变压器进行降压处理；再通过整流电路将交流电压转换成直流电压；考虑到此时的输出中其他杂波的成分较多，添加一个滤波电路来滤除杂波；变成由于输入电压u1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压UI 会随着变化。因此，为了维持输出电压UI 稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。

（1）电源变压器：将交流电网电压U1变为合适的交流电压U2。 max min min max )()(o i o i o i o V V V V V V V -+≤≤-+

V V V V V i 40339+≤≤+ V V V i 4312≤≤

副边电压1.1/121.1/min 2=≥i V V ，取V V 112=；

副边电流A I I o 8.0max 2=≥，取A I 12=： 则变压器副边输出功率W V I P 11222=≥，查表可得变压器的效率 7.0=η，则原边输入功率W P P 7.15/21=≥η

（2）桥式整流电路：将交流电压U2变为直流电压U3。桥式整流属于全波整流，它不是利用副边带有中心抽头的变压器,而是用四个二极管接成电桥形式，使在电压V2的正负半周均有电流流过负载，在负载形成单方向的全波脉动电压。

其中：

（3）滤波电路：将脉动直流电压U3转变为平滑的直流电压U4。整流电路输出波形中含有较多的纹波成分，与所要求的波形相去甚远。所以通常在整流电路后接滤波电路以滤去整流输出电压的纹波。滤波电路常有电容滤波，电感滤波和RC 滤波等。本实验中就采用电容滤波电路。

上图分别是桥式整流电容滤波电路和它的部分波形。这里假设0

整流二极管41~L L V V 组成单相桥式整流电路，将交流电压U2变成脉动的直流电压U3。再经滤波电容滤除波纹Ui.Ui 与交流电压U2的关系为：

2)2.1~1.1(U U i =

每支整流二极管的最大反向电压

22U U rm =

通过每支整流二极管的平均电流2

0.45D U I R

=（R 为整流滤波电路的负载电阻）。其中，整流二极管及滤波电容的选取如下：

滤波电容C 可由纹波电压p op V -?和稳压系数v S 确定。已知V V o 15=，V V i 18=，

mA V p op 5=?-，3105-?≤v S 。

由式

i i O O V V V V V S //??=

V S V V V V v o i p op i 2.2)*/()(=*?=?-

uF V t I C i o 3636/)*(max =?= 且C 的耐压应大于V V 4.1522=，故取两只

V uF 25/2200的电容并联。

（4）稳压电路：当电网电压波动及负载变化时，保持输出电压Uo 的稳定。

CW317是可调式三端稳压器,能输出连续可调的直流电压。稳压器内部含有过流、过热保护电路。R1与RP1并联组成滤波电路，以减小输出的纹波电压。二极管D 的作用是防止输出端与地短路时，损坏稳压器。

其特性参数Vo ＝1.2V ～37V ，Io max ＝1.5A ，最小输入、输出压差（Vi －Vo ）min ＝3V ，最大输入、输出压差（Vi －Vo ）max ＝40V 。有Vo ＝1.25（1＋RP1/R1），如设计Vo=+3V ～+9V 的直流稳压电压源，可取R1＝240Ω，则RP1min ＝336Ω，RP1max ＝1.49k Ω，故取RP1为4.7k Ω的精密线绕可调电位器。 结构如下图所示：

3.电路原理及估算结果（仿真或近似计算）

电路原理图如下：

仿真结果如下：

仿真电压稳定。

4.硬件调试过程及测试指标

首先应在变压器的副边接入保险丝，以防电路短路损坏变压器或其他器件，其额定电流要略大于max o I ，选择保险丝的熔断电为1A ，CW317要加适当大小的散热片。先装集成稳压电路，再装整流滤波电路，最后安装变压器。安装一级测试一级。对于稳压电路则主要测试集成稳压器是否能正常工作。其输入端加直流电压V V i 12 ，调节RP1，输出电压Vo 随之变化，说明稳压电路正常工作。整流滤波电路主要是检查整流二极管是否接反，安装前用万用表测量其正反向电阻。接入电源变压器，整流输出电压Vi 应为正。断开交流电源，将整流滤波电路与稳压电路相连接，再接通电源，输出电压Vo 为规定值，说明各级电路均正常工作，可以进行各项性能指标的测试。 硬件电路连接图如下：

实际测试图如下：

调节电位器RP1的过程中，输出的直流电压的范围是V V 9.24~28.1。且纹波电压均满足技术指标，稳压系数mV V S v 51087.13

≤?=-

5.工作总结及心得体会：

6.参考文献：

[1] 谢自美. 电子线路设计.实验.测试[M]. 武昌:华中理工大学出版社 [2]康华光.电子技术基础.北京：高等教育出版社

附录：元件明细表以及所使用实验仪器：

原件序号

型号 数量 T

变压器 1 D1、D2、D3、D4

二极管1N4001 4 D5 二极管1N4148

1 FU 熔断丝 1 C3

电容10uF

1

C1 C2 电容2200uF 1

C0 电容1uF 1

R1 电阻240? 1

Rp1 电位器4.7k? 1

U 三端稳压器LM317 1

自耦变压器 1

实验仪器：

示波器、直流稳压电源、万用表