增益可调差动放大器的设计(修正版)

物理信息学院08电科二班张衡伏

2008103013

摘要：

本课题设计利用增益可调放大器uA709芯片为设计核心，根据uA709的放大原理，利用公式计算出放大倍数，然后利用专业软件（如orCAD）模拟和仿真增益可调放大器电路，并测出其电压及电压增益的实际值！

关键字：UA709放大器增益可调课题背景：近年来随着计算机和互联网的迅速发展和普及，多媒体信息的高速传输呈现飞速增长的趋势。放大器作为集成电路的一种重要的组成部分是国内外研究的热点。目前集成放大器的研究主要集中在多级运放的补偿、宽带高速运放、满足专用放大器的特殊结构和提高通用放大器指标的方法等这几个方向。但是可调增益放大器的研究国外开展较多，国内目前已有少量关于可调增益放大器的研究，主要是基于CMOS工艺的可调增益放大器的设计放大。宽带放大器在光纤通信、电子战设备及微波仪表等方面应用越来越广泛。这些系统一般要求放大器具有增益可调、宽频带、低噪音、工艺稳定等特点。可调增益放大器是一种通过改变电路某一参对量对放大器增益进行调节的放大器，广泛应用于无线通讯、医疗设备、助听器、磁盘驱动等领域。第一个使用真空管设计的放大器大约在1930年前后完成，这个放大器可以执行加与减的工作。运算放大器最早被设计出来的目的是将电压类比成数字，用来进行加、减、乘、除的运算，同时也成为实现模拟计算机（analogcomputer）的基本建构方块。然而，理想运算放大器的在电路系统设计上的用途却远超过加减乘除的计算。今日的运算放大器，无论是使用晶体管（transistor）或真空管（vacuumtube）、分立式（discrete）元件或集成电路（integratedcircuits）元件，运算放大器的效能都已经逐渐接近理想运算放大器的要求。早期的运算放大器是使用真空管设计，现在则多半是集成电路式的元件。但是如果系统对于放大器的需求超出集成电路放大器的需求时，常常会利用分立式元件来实现这些特殊规格的运算放大器。1960年代晚期，仙童半导体（FairchildSemiconductor）推出了第一个被广泛使用的集成电路运算放大器，型号为μA709，设计者则是鲍伯·韦勒（BobWidlar）。但是709很快地被随后而来的新产品μA741取代，741有着更好的性能，更为稳定，也更容易使用。741运算放大器成了微电子工业发展历史上一个独一无二的象征，历经了数十年的演进仍然没有被取代，很多集成电路的制造商至今仍然在生产741。直到今天μA741仍然是各大学电子工程系中讲解运放原理的典型教材。第1页共15页

第2页（共15页）方案设计：

（一）交流电路连接图如下：

<1>利用交流电源作为增益可调差动放大器的输入端（如右图①可调增益放大器实际电路图）

<2>上图为交流源U1=U2=5V时，（交流线性扫描）输出电压Uo的结果图<3>下图为交流源U1=U2=5V时，（交流对数扫描）输出电压Uo的结果图

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第3页（共15页）<4>上图为交流源U1=U2=5V时，（交流线性扫描）电压增益Ao的结果图<5>下图为交流源U1=U2=5V时，（交流对数扫描）电压增益Ao的结果图

<6>下图为交流源U1=5V,U2=10V时，（交流线性扫描）输出电压Uo的结果图

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第4页（共15页）<7>下图为交流源U1=5V,U2=10V时，（交流对数扫描）输出电压Uo的结果图

<8>上图②为交流源U1=5V,U2=10V时，（交流线性扫描）电压增益Ao的结果图<9>下图③为交流源U1=5V,U2=10V时，（交流对数扫描）电压增益Ao的结果图

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第5页（共15页）（二）交流电路连接图如下：

<1>利用交流电源作为增益可调差动放大器的输入端其中人RP为全局变量。（如右图可调增益放大器实际电路图）

<2>上图为交流源U1=U2=10V时，（交流线性扫描）输出电压Uo的结果图<3>下图为交流源U1=U2=10V时，（交流线性扫描）电压增益Ao的结果图

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第6页（共15页）<2>瞬态分析

<2>上图为交流源U1=U2=10V时，（交流线性扫描）输出电压Uo的结果图<3>下图为交流源U1=U2=10V时，（交流线性扫描）电压增益Ao的结果图

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第7页（共15页）<3>交流参数扫描

<2>上图为交流源U1=U2=10V时，（交流线性扫描）输出电压Uo的结果图<3>下图为交流源U1=U2=10V时，（交流线性扫描）电压增益Ao的结果图

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第8页（共15页）（三）直流电路连接图如下：<1>利用直流电源作为增益可调差动放大器的输入端（如右图①可调增益放大器实际电路图）

<2>下图为直流源U1=U2=5V时，（瞬态扫描）输出电压Uo的结果图

<3>下图为直流源U1=U2=5V时，（瞬态扫描）电压增益Ao的结果图

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第9页（共15页）<4>下图为直流源U1=U2=5V时，（瞬态扫描）输出电压Uo的结果图

<5>下图为直流源U1=5V,U2=10V时，（瞬态扫描）电压增益Ao的结果图

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第10页（共15页）<2>瞬态分析

<1>利用直流电源作为增益可调差动放大器的输入端，其中人RP为全局变量。（如下图为可调增益放大器实际电路图）

瞬态分析参数设计如下图：

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第11页（共15页）<1>下图为直流源U5=U6=10V时，（瞬态扫描）输出电压Uo的结果图

<2>下图为直流源U5=U6=10V时，（瞬态扫描）电压增益Ao的结果

<3>直流扫描分析

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第12页（共15页）<1>下图为直流源U5=U6=10V时，（瞬态扫描）输出电压Uo的结果图

<2>下图为直流源U5=U6=10V时，（瞬态扫描）电压增益Ao的结果

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第13页（共15页）（三）公式的推导

由以上电路图可知：设流过R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7分别为I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7。

理想条件下：有I1=I3，

U1−UnUn−UaU2−UpUp−Ub=且I2=I4，=R1R3R2R5

联立以上式子和Un=Up，可得：

Ua-Ub=10(U1-U2)

又I3=I5+I6且

Un−UaUa−UbUa−Uo=+

R3R+RpR7Up−UbUa−UbUb+=

R5R+RpR8

又I7=I4+I5且

联立以上式子,且R1=R2=R4=R6=1K,R3=R5=R7=R8=Rp=10k

可得：

Uo=

420

(U2-U1)11

而U1=U2=5V,那么Uo应该为零。可实际情况，由实验测得的数据：<1>交流分析中,Uo=87.113pv<2>瞬态分析中,Uo=396.475nv这些数据非常接近零，却不等于零。而当U1=5V，U2=10V时

<1>交流分析中,电压增益Ao不为零（是变化的，最终趋向于零）；<2>瞬态分析中,电压增益Ao不为零（是变化的，最终趋向于零）。

此电路，输入电阻不高，差动放大器的增益与电位器的阻值呈非线性关系。在实际应用中，此电路的运放可选uA709,在uA709的1脚和8脚之间要接R1和C1组成的串联相位补偿电路；为了防止电路的振荡，在5脚和6脚之间要加补偿电容C2。也可以用uA709TC,MC709C,BG709CP,TD709CN,7F709CDE等代替uA709。

（四）实验分析与总结

此次设计电路说明：实际和理想还是有差距的，理想必须和实际相结合才有意义，即

实践是检验真理的唯一标准！！！通过本次实验，不仅仅让我有效地将课本所学的知识应用于实践，达到了学以致用的目的，而且在设计的过程中，使自己在学习新知识﹑发现问题﹑解决问题等方面得到了很好的锻炼，为以后的学习和工作打下了良好的基础。

总而言之，虽然本次实验设计耗费了我大量的课余时间，但是确实给我带来了不少收获，觉得这样的课程设计是挺有意义的，挺能锻炼一个人的。

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第14页（共15页）附：参考资料

集成电路原理与应用（第二版）谭博学苗汇静主编

电子工业出版版2010.11

UA709数据手册部分资料

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第15页（共15页）物理信息学院08电科二班张衡伏

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