信号放大滤波电路课程设计说明书

中北大学课程设计说明书2011/2012学年第2学期学院：电子与计算机科学技术学院专业：微电子学学生姓名：学号：课程设计题目:信号放大滤波电路设计起迄日期：2012年5月28日~2012年6月22日课程设计地点：电子科学与技术专业实验室指导教师：系主任：-2-目录一、设计目的…………………………………………………………………3二、设计内容和要求…………………………………………………………3三、设计内容…………………………………………………………………31、任务分析………………………………………………………………32、三级放大模块…………………………………………………………33、滤波模块………………………………………………………………64、各电路模块连接………………………………………………………125、PCB版图………………………………………………………………15四、心得体会…………………………………………………………………16五、参考文献…………………………………………………………………16-3-一、设计目的1、掌握电子系统的一般设计方法和设计流程；2、学习使用PROTEL软件绘制电路原理图及印刷版图；3、掌握应用Protues等软件对所设计的电路进行仿真，通过仿真结果验证设计的正确性。二、设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）1、查阅熟悉相关芯片资料；2、选择合适的运算放大器，实现信号的3级放大，总放大倍数为12；3、并通过高通、低通滤波电路滤波；4、利用PROTEL绘制电路原理图和印刷版图，并利用Protues软件仿真。三、设计内容1、任务分析设计要求为三级放大电路，所以第一级为输入级，第二级为中间级，第三级为输出级。由于输入的正弦信号相当于电压源，则要求必须有较高的输入阻抗，以减少信号在自身内阻上的损失。同时第一级还须抑制零点漂移。因为第一级产生的零漂会在中间级被放大，影响输出。中间级的主要作用为放大。输出级的作用是推动负载，因此要求较小的输出阻抗。三级电路之间采用直接耦合，因为直接耦合可传输缓慢变化的信号，而阻容耦合和变压器耦合做不到这一点。滤波电路采用有源滤波电路，即由集成运放和电阻电容组成的滤波电路。不采用无源滤波电路的原因是该电路带负载能力差、无放大倍数及过渡带宽。但是由于集成运放带宽有限，所以在工作频率不是很高的情况下可以使用。原理设计完成后，运用Multisim进行电路仿真，运用Protel99SE绘制PCB版图。2、三级放大模块第一级和第二级采用差分测量放大电路，如图1所示。有两个高阻型集成运放A1，A2和低失调集成运放A3组成。由于A1，A2各自组成同相输入的电压串联负反馈电路，故具有较高输入阻抗。A3组成后级差分放大电路。图1由于A1，A2组成了对称的差分式放大电路，因此可把RG的中点看成零电位，相当-4-于虚地。这样，A1，A2各自构成了同相比例放大电路。故其输出为1132/1VRRVG，2162/1VRRVG第二级A3组成的差分放大电路，则有)(2121163VVRRRRVVRRVGFFo同相比例运算电路有输入电阻高的特点，但输入共模信号电压高，对集成运放的共模抑制比要求也高。当icVVV21时，由于icVVV54，0GI，icVVV63，输出电压0oV。可见，电路放大了差模信号，抑制了共模信号。达到了对共模抑制比的要求。第三级输出级采用同相的电压跟随器，如图2所示。此时，电压放大倍数Auf=1。图2电压跟随器反馈系数F=1，反馈深度深，输入电阻高，输出电阻低。在芯片选取方面，由于第一级要求高阻型集成运放，综合考虑后选用OP07，芯片参数如下：输入失调电压：10mV输入失调电压温度系数：0.2µV/℃偏执电流：0.7nA增益带宽积GB：0.6MHz转换速率：0.3V/µs消耗电流:2.5mA电源电压:±22V可否单电源：否差模输入电阻：80MΩ第二级要求低失调集成运放，综合考虑后选择UA741，芯片参数如下：输入失调电压：1mV输入失调电压温度系数：10µV/℃偏置电流：80nA增益带宽积GB：1MHz转换速率：0.5V/µs-5-消耗电流:1.4mA电源电压:±22V可否单电源：否差模输入电阻：2MΩ第三级电压跟随器同样选用UA741，因其综合性能优良，且易于软件仿真。用Multisim仿真软件对电路进行仿真，电路图如图3所示图3仿真波形如下图4所示图4-6-幅频特性及相频特性如图5所示图5由图5可见，该电路的增益dBAu5.21log20，即Au=12，达到了三级放大，总放大倍数12的要求。3、滤波模块⑴一阶有源低通滤波电路在一阶RC无源低通滤波电路的输出端加上一个电压跟随器，即构成简单的一阶有源低通滤波电路，如图6所示图6-7-其通带截止频率RCfH21，故fH=10kHz幅频特性及相频特性如图7、图8所示图7图8由图7、图8可知，当电压增益下降到-3dB时，频率约为10kHz，相位为-45°，符合理论计算结果。⑵二阶有源低通滤波电路将串联的两节RC低通网络直接与电压跟随器相连，图中C2接集成运放的输出端，可构成如图9所示的压控电压源二阶有源低通滤波电路。该电路的等效品质因数5.013131upAQ，-8-令RCf210，电压放大倍数为02011ffQjffAAupu，其中Aup=1当f=fH时，上式分母的模应等于2，故fH=6.5kHz幅频特性及相频特性如图10、图11所示图9图10-9-图11由图10、图11可知当电压增益下降到-3dB时，频率约为65kHz，相位为-45°，符合理论计算结果。⑶一阶有源高通滤波电路一阶有源LPF（低通滤波器）中的R和C位置互换，就变换成如图12所示的一阶有源高通滤波器（HPF）。图12其通带截止频率RCfL21，故fL=100Hz幅频特性及相频特性如图13、图14所示-10-图13图14由图13、图14可知当电压增益下降到-3dB时，频率约为100Hz，相位为-45°，符合理论计算结果。⑷二阶有源高通滤波电路根据高通滤波器和低通滤波器的对偶原则，由二阶压控电压源LPF变换得到二阶压控电压源HPF，如图15所示该电路的等效品质因数5.013131upAQ，令RCf210，电压放大倍数为-11-ffQjffAAupu02011，其中Aup=1，当f=fL时，上式分母的模应等于2，故fL=160Hz幅频特性及相频特性如图16、图17所示图15图16-12-图17由图16、图17可知当电压增益下降到-3dB时，频率约为160Hz，相位为-45°，符合理论计算结果。根据上述理论计算和电路仿真的结果，综合比较之后，可发现：当固定R和C的值相同时，二阶有源LPF比一阶有源LPF的上限截止频率（fH）低、衰减快，二阶有源HPF比一阶有源LPF的下限截止频率高、衰减快。即一阶滤波器存在过渡带较宽，幅频特性的最大衰减斜率仅为-20dB/十倍频程的问题。由此可得出结论，在该放大滤波电路的设计中均采用二阶滤波电路，芯片同样选择性能优良的UA741。4、各电路模块连接三级放大模块、高通滤波模块和低通滤波模块，三个模块连接后的电路如图18所示图18-13-其仿真波形如图19、图20所示图19图20幅频特性及相频特性如图21-图24所示图21-14-图22图23图24-15-由图21、图22可知，电压增益dBAu5.21log20，即Au=12。由图23、图24可知，当Au下降到Aup的0.707倍，即dBAu5.18log20时，上限截止频率fH约为6.5kHz，下限截止频率fL约为160Hz，与设计要求相符。5、PCB版图⑴电路原理图图25⑵元件报告表图26⑶PCB版图-16-图27四、心得体会这是入学以来第二次课程设计了。每次课程设计的过程中，我都获益良多。为了完成本次课程设计，我找出了许久不曾翻过的《模拟电子技术基础》（毕满清主编）这本书。我无法否认，在学习模拟电子技术这门课程的时候，我的知识学得并不踏实。所以在回顾了关于放大和滤波的知识之后，我才对这次设计的内容有了一个具体的认识。正如每个设计过程都是坎坷的一样，在我设计这个信号放大滤波电路的过程中也不免出现了一些问题。在我的不懈努力之下，最终都得以解决。通过本次课程设计，我体会到了理论和实践结合的重要性。在理论计算和软件仿真的过程中，多次出现了结果不一致的情况。查阅参考资料和思考之后，才发现有些是电路设计的问题，有些是需要考虑实际情况用对公式。将书本上的知识和设计方法结合起来，放能更好地运用到实践当中。经过本次课程设计，我已经充分掌握了放大和滤波的相关知识，并能运用所学的知识设计出实用的信号放大滤波电路。五、参考文献1、毕满清．模拟电子技术基础．北京：电子工业出版社，20082、童诗白．模拟电子技术基础．北京：高等教育出版社，20023、张建华．数字电子技术．北京：机械工业出版社，20044、陈汝全．电子技术常用器件应用手册．北京：机械工业出版社，20055、毕满清．电子技术实验与课程设计．北京：机械工业出版社，20056、潘永雄．电子线路CAD实用教程．西安：西安电子科技大学出版社，20027、张亚华．电子电路计算机辅助分析和辅助设计．北京：航空工业出版社，2004