測控電路課程設(shè)計(jì)--運(yùn)算放大器自穩(wěn)零電路設(shè)計(jì)_第1頁
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文檔簡介

1、<p>  課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書</p><p>  題目:運(yùn)算放大器自穩(wěn)零電路設(shè)計(jì)</p><p>  學(xué)院(系): </p><p>  年級(jí)專業(yè): </p><p>  學(xué) 號(hào): </p><p>  學(xué)生姓名:

2、 </p><p>  指導(dǎo)教師: </p><p>  教師職稱: </p><p><b>  目錄</b></p><p><b>  摘要4</b></p><p><b>  第一

3、章 引言4</b></p><p>  第二章 基本原理概述5</p><p>  2.1運(yùn)算放大器簡述5</p><p>  2.2輸入電壓失調(diào)6</p><p>  2.3輸入失調(diào)電壓的熱漂移7</p><p>  2.4自動(dòng)調(diào)零和載波穩(wěn)定8</p><p>  第三

4、章 參數(shù)設(shè)計(jì)及運(yùn)算9</p><p><b>  3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9</b></p><p>  3.2 運(yùn)算放大器自動(dòng)校零電路的設(shè)計(jì)9</p><p>  3.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9</p><p>  3.2.2器件選擇11</p><p>  3.2.3仿真結(jié)果11</p>

5、<p>  第四章 誤差分析14</p><p><b>  第五章 結(jié)論15</b></p><p>  第六章 心得體會(huì)15</p><p><b>  文獻(xiàn)17</b></p><p>  課程設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書</p><p>  院(系):電氣工

6、程學(xué)院 基層教學(xué)單位: 儀器科學(xué)與工程系 </p><p>  說明:此表一式四份,學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位、系部各一份。</p><p>  2010年6月18日</p><p><b>  摘要</b></p><p>  本課程設(shè)計(jì)主要任務(wù)是設(shè)計(jì)能夠

7、消除運(yùn)算放大器輸入失調(diào)電壓的電路,使運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)零。完成題目的理論設(shè)計(jì)模型,并且完成電路的multisim仿真。</p><p>  關(guān)鍵字:運(yùn)算放大器 輸入失調(diào) 自穩(wěn)零電路</p><p><b>  第一章 引言</b></p><p>  我們知道從自然現(xiàn)象中獲得的電信號(hào)基本都是模擬信號(hào)。而隨著電子技術(shù)的進(jìn)步,對(duì)模擬技術(shù)的要求也

8、越來越高。運(yùn)算放大器的應(yīng)用技術(shù)的重要自然是不言而喻的。</p><p>  在使用運(yùn)算放大器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或電路組裝調(diào)試過程中,經(jīng)常由于運(yùn)算放大器本身存在的“非理想”特性,出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值出入較大或調(diào)試結(jié)果與理論設(shè)計(jì)目標(biāo)發(fā)生較大偏差。其主要原因之一是由于運(yùn)算放大器本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全達(dá)到“理想”對(duì)稱,而產(chǎn)生失調(diào)電壓和失調(diào)電流。如果采用的失調(diào)補(bǔ)償措施不當(dāng),那么采用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)電路的諸多優(yōu)點(diǎn)就不能得到充分體現(xiàn)

9、。因此使用運(yùn)算放大器前必須對(duì)其進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)節(jié),消除輸入失調(diào)電壓電流的影響,以滿足電路性能要求。</p><p>  為了確保零位輸出, 常用的方法是通過在器件的調(diào)零端端外接電位器來實(shí)現(xiàn),但通過人工調(diào)節(jié)外接電位器而調(diào)零的方法存在許多弊病,為此本課程設(shè)計(jì)采用零點(diǎn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的方法以消除運(yùn)算放大器輸入失調(diào)電壓,使運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)零。</p><p>  運(yùn)算放大器自動(dòng)完成零點(diǎn)調(diào)節(jié),有如下的幾個(gè)特點(diǎn)。

10、從制作方面講,通過連接多個(gè)可變電位器對(duì)運(yùn)算放大器進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)節(jié),所需的人工增多造成運(yùn)算放大器制作使用的成本增高。從使用方面看,人工調(diào)節(jié)的電路的可靠性穩(wěn)定相對(duì)差一些,風(fēng)吹、氣溫上升、輸出增加、裝置旋轉(zhuǎn)等外界條件的變化都將引起電路失調(diào)。對(duì)此,自動(dòng)零點(diǎn)調(diào)節(jié)的方法有十分重要的意義。</p><p>  第二章 基本原理概述</p><p>  2.1運(yùn)算放大器簡述</p><p&

11、gt;  集成運(yùn)算放大電路( 簡稱集成運(yùn)放) 是一種基本的實(shí)用電路。 它被廣泛地運(yùn)用于儀器、儀表、控制設(shè)備等電子線路中。盡管運(yùn)算放大器的型號(hào)各異,但各種不同型號(hào)的放大器的基本組成可分為三部分:輸入級(jí),第二級(jí),輸出級(jí)。如圖2-1所示</p><p>  圖2-1運(yùn)算放大器基本組成框圖</p><p>  輸入級(jí):要求輸入電阻高,差模放大倍數(shù)高抑制零點(diǎn)漂移和共模干擾信號(hào)的能力強(qiáng)。輸入級(jí)是由兩對(duì)

12、互相匹配的晶體管組成,構(gòu)成差分放大電路和電流鏡像電路。</p><p>  中間級(jí):提供足夠的電壓放大增益和更寬的信號(hào)擺幅。同時(shí)有較高的輸入電阻,以減小對(duì)前級(jí)的影響。</p><p>  輸出級(jí):一般由射級(jí)跟隨器構(gòu)成,與負(fù)載相接,用來提供較低的輸出阻抗并對(duì)第二級(jí)提供功率放大器的作用。</p><p><b>  2.2輸入電壓失調(diào)</b><

13、;/p><p>  對(duì)理想運(yùn)算放大器,輸出電壓為零,輸出電壓也必然為零。然而,實(shí)際運(yùn)算放大器中前置的差動(dòng)放大器并不一定完全對(duì)稱,必須在輸入端加上某一直流電壓后才能使輸出為零,這一直流電壓便稱為輸入失調(diào)電壓。</p><p>  如圖2-2所示,在理想或無失調(diào)電壓的運(yùn)算放大器的一個(gè)輸出端上串接一個(gè)微小的電壓源,這樣就可以模仿一個(gè)實(shí)際運(yùn)算放大器。</p><p><b

14、>  式2-1</b></p><p>  為了使輸出為零,需使</p><p><b>  式2-2</b></p><p>  即 式2-3</p><p><b>  (a)</b><

15、/p><p><b>  (b)</b></p><p>  圖2-2具有輸入失調(diào)電壓的放大器的VTC和電路模型</p><p>  2.3輸入失調(diào)電壓的熱漂移</p><p>  輸入失調(diào)電壓與溫度有關(guān),可用溫度系數(shù)</p><p><b>  式2-4</b></p&g

16、t;<p>  來表征這個(gè)特征。式中是絕度溫度,以開爾文計(jì)算,以微伏每攝氏度計(jì)。普通放大器的值一般在5uV/℃的數(shù)量級(jí)。熱漂移是由固有的失配以及輸入級(jí)兩部分之間的溫度梯度引起的。由于在輸入級(jí)采用了很好的匹配和熱跟蹤技術(shù),可以使運(yùn)算放大器具有更低的熱漂移。</p><p>  利用式2-5可以預(yù)估運(yùn)放的值</p><p>  式中是25℃是的值。</p><

17、p>  2.4自動(dòng)調(diào)零和載波穩(wěn)定</p><p>  在一個(gè)特定的環(huán)境和工作條件下,片上微調(diào)課將置零,如條件改變也隨之改變。為滿足高精密應(yīng)用中的嚴(yán)格要求,可采用特別的技術(shù)以進(jìn)一步有效地降低輸入失調(diào)。兩種常見的方法為自動(dòng)調(diào)零(AZ)技術(shù)和斬波穩(wěn)定(CS)技術(shù)。</p><p>  AZ技術(shù)是一種采樣技術(shù),對(duì)失調(diào)信號(hào)進(jìn)行采樣,然后從含有噪聲的信號(hào)中減去這些采樣值,可得無失調(diào)的信號(hào)。 CS

18、技術(shù)是一種調(diào)制技術(shù),它將輸入信號(hào)調(diào)制到一個(gè)更高的頻率,這里沒有失調(diào)或噪聲,然后將放大后的信號(hào)解調(diào)到基帶,從而去除了失調(diào)和低頻噪聲。將這兩種技術(shù)應(yīng)用到輸入失調(diào)電壓的調(diào)零方面,可收到很好的效果。</p><p>  自動(dòng)調(diào)零(或自動(dòng)穩(wěn)零)是一種動(dòng)態(tài)地抵消失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移的技術(shù),它可以周期性地對(duì)輸入失調(diào)電壓進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償,特別適合于CMOS工藝實(shí)現(xiàn),制造成的CMOS集成運(yùn)放,可以將校零前mV量級(jí)的輸入失調(diào)電壓下降到

19、uV量級(jí),將失調(diào)電壓漂移降低到nV/℃級(jí)。動(dòng)態(tài)抵消失調(diào)的另一優(yōu)點(diǎn)是可降低低頻噪聲。</p><p>  自動(dòng)穩(wěn)零運(yùn)算放大器的基本指導(dǎo)思想是:如果能將運(yùn)放兩個(gè)輸入端短路時(shí)或加共模輸入信號(hào)時(shí)的輸出電壓( 誤差電壓)先用電容器寄存起來( 簡稱采樣) ,再與運(yùn)放正常工作時(shí)的輸出電壓相減(簡稱校零),則可有效地減小失調(diào)電壓、失調(diào)電流及溫度變化和電源電壓波動(dòng)所引起的漂移,也可有效地抑制共模信號(hào)。</p><

20、;p>  在精密儀表電路中,常要求有高精度、低噪聲、低偏流、低失調(diào)電壓、低漂移和高共模抑制比的放大電路。</p><p>  第三章 參數(shù)設(shè)計(jì)及運(yùn)算</p><p><b>  3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p>  本課程設(shè)計(jì)主要目的為設(shè)計(jì)能夠消除運(yùn)算放大器輸入失調(diào)電壓的電路,使運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)零。其電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示:&

21、lt;/p><p>  圖3-1自動(dòng)校零電路結(jié)構(gòu)圖</p><p>  電路的主體部分為兩個(gè)放大器,二者互相配合從而達(dá)到對(duì)主放大器(即被校正放大器)的調(diào)零目的。</p><p>  3.2 運(yùn)算放大器自動(dòng)校零電路的設(shè)計(jì)</p><p><b>  3.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p>  圖3-

22、2是一個(gè)具有動(dòng)態(tài)校零功能的斬波器,圖中A、B為聯(lián)動(dòng)開關(guān)(A位于位置“1”時(shí)則開關(guān)B位于位置“3”),通常是由電子開關(guān)或相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路完成開關(guān)動(dòng)作。當(dāng)開關(guān)A位于位置“1”時(shí),電路處于工作狀態(tài),信號(hào)由輸入端V1加上,并經(jīng)A1放大(A1為反相比例運(yùn)算電路)輸出。此時(shí)A2的輸入端因?yàn)殚_關(guān)B接至“3”而斷開,所有A2不引入反饋。當(dāng)開關(guān)A、B分別置于“2”和“4”時(shí),電路為自動(dòng)校零狀態(tài)。此時(shí)A1的輸入端接地,若存在失調(diào)電壓,則VOUT1不為0,即V

23、OUT1為A2的輸入電壓,經(jīng)A2反相積分和R3、R4適當(dāng)分壓后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)零。其工作過程簡述如下: </p><p>  圖3-2 自動(dòng)校零放大電路仿真圖</p><p>  若A1的反相輸入端的失調(diào)電壓為正值Vi1,則VOUT1必為負(fù)值,經(jīng)A2反相積分后,其輸出電壓Vo2必為正值,經(jīng)R3、R4適當(dāng)分壓后在A1的同相輸入端引入一個(gè)正電壓,用以抵消Vi1從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)零。</p>

24、<p>  實(shí)現(xiàn)的辦法主要有交替校零和斬波校零。下面以交替校零為例:</p><p>  交替校零的工作過程分成自動(dòng)檢測與存儲(chǔ)、自動(dòng)校零與放大兩個(gè)過程交替進(jìn)行。</p><p>  在自動(dòng)檢測與存儲(chǔ)過程中,電路處于采樣階段,電路接好之后,開關(guān)A接至“2”開關(guān)B接至“4”的瞬間,C和R3R4構(gòu)成的分壓器上電壓為0,A1的輸出電壓為-Avd*Vio。這個(gè)電壓會(huì)通過反饋電阻R5向C

25、放電,從而將運(yùn)放A1的誤差電壓寄存在電容器C和R3R4構(gòu)成的分壓器上;到穩(wěn)態(tài)時(shí),C和R3R4構(gòu)成的分壓器上的電壓近似等于Vio,此時(shí)運(yùn)放A1輸出趨向于0。</p><p>  在自動(dòng)校零和放大過程中,在A1正相輸入端加入輸入信號(hào)V1,則</p><p><b>  式3-1</b></p><p>  而Vc基本等于Vio,所以Vo=Avd*V

26、1。即將采樣階段寄存在電容器CR3R4構(gòu)成的分壓器上的誤差電壓與放大器A1正常工作時(shí)所產(chǎn)生的誤差電壓相互抵消,進(jìn)而消除了失調(diào)及其漂移和共模信號(hào)對(duì)放大器A1輸出的影響,</p><p><b>  3.2.2器件選擇</b></p><p>  圖中所示電路采用了OPA2111低噪聲雙運(yùn)放芯片,其偏流極低,建立時(shí)間極短,噪聲很小,經(jīng)自動(dòng)調(diào)零可使失調(diào)電壓低于5uV,零漂小

27、于等于0.028uV/℃,折算到輸入端其零電位調(diào)節(jié)速率為小于等于2uV/s,若適當(dāng)減小積分電容C,還可提高零電位調(diào)節(jié)速度。</p><p>  電路中采用的集成芯片OPA2111為介質(zhì)隔離的場效應(yīng)管(FET)的輸入結(jié)構(gòu),因而其輸入電阻很高,為此在放大電路的輸入線上應(yīng)采用屏蔽措施,以減小交流干擾,通常在輸入端的印制板上設(shè)置屏蔽環(huán)。</p><p><b>  3.2.3仿真結(jié)果&l

28、t;/b></p><p>  第一階段為自動(dòng)檢測與存儲(chǔ)過程,電路處于采樣階段,電路接好之后,將開關(guān)A接至“2”開關(guān)B接至“4”由上述分析過程可知,到穩(wěn)態(tài)時(shí),C和R3R4構(gòu)成的分壓器上的電壓近似等于Vio,此時(shí)運(yùn)放A1輸出趨向于0。仿真電路如圖所示:</p><p>  圖3-3 自動(dòng)檢測與存儲(chǔ)過程仿真電路圖</p><p>  仿真結(jié)果如下圖所示:<

29、/p><p>  圖3-4 自動(dòng)檢測與存儲(chǔ)過程仿真結(jié)果圖</p><p>  第二階段為自動(dòng)校零和放大過程,在A1正相輸入端加入輸入信號(hào)V1,得仿真電路圖如下: </p><p>  圖3-5 自動(dòng)校零和放大過程仿真電路圖</p><p>  仿真結(jié)果如下圖所示:</p><p>  圖3-6 自動(dòng)校零和放大過程仿真

30、結(jié)果圖</p><p><b>  第四章 誤差分析</b></p><p>  本實(shí)驗(yàn)過程中難免會(huì)有誤差的存在,主要為所運(yùn)用的元器件的誤差。</p><p>  實(shí)際運(yùn)用中與理論結(jié)果存在一定差距,但在誤差允許范圍內(nèi)。在自動(dòng)校零與放大過程中,由于自動(dòng)檢測與存儲(chǔ)過程輸出結(jié)果為0,其輸出或者從另一方面來看,由于受到電子開關(guān)自動(dòng)切換知識(shí)的限制,及對(duì)模

31、擬開關(guān)認(rèn)識(shí)不足,仿真時(shí)電子開關(guān)是手動(dòng)而不是自動(dòng)的,這樣即使在自動(dòng)檢測和存儲(chǔ)過程中有失調(diào)電壓的存在,當(dāng)開關(guān)切換至自動(dòng)校零和放大過程時(shí),電容C和兩個(gè)電阻所構(gòu)成的分壓器上存儲(chǔ)的電壓初始值即為0,導(dǎo)致即使有輸入失調(diào)電壓也無法用軟件模擬。</p><p>  綜上所述,由于仿真時(shí)放大器的影響,輸入失調(diào)電壓不存在;受軟件限制,無法模擬自動(dòng)檢測與存儲(chǔ)和自動(dòng)校零與放大兩個(gè)過程的綜合模擬。</p><p>

32、<b>  第五章 結(jié)論</b></p><p>  本課程設(shè)計(jì)完成了設(shè)計(jì)能夠消除運(yùn)算放大器輸入失調(diào)電壓的電路,使運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)零的目的。電路具有方便,輸入阻抗高,可靠性高,抗干擾性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在工程實(shí)踐中可得到了很好的應(yīng)用。</p><p><b>  第六章 心得體會(huì)</b></p><p>  兩周的測控電路課程

33、設(shè)計(jì)到今天已經(jīng)接近尾聲了,回顧這段時(shí)間的設(shè)計(jì)過程收獲很多。 </p><p>  我們小組有兩個(gè)人,這期間我們互相配合,合理安排時(shí)間,有步驟的完成課設(shè)任務(wù)。這不僅是一個(gè)學(xué)習(xí)的過程,更是一次挑戰(zhàn)自我與戰(zhàn)勝自我的旅程。</p><p>  經(jīng)過本次課程設(shè)計(jì)我們更好的鞏固并加強(qiáng)了專業(yè)知識(shí)的理解與運(yùn)用.作為一名檢測專業(yè)的學(xué)生,基本的設(shè)計(jì)電路和仿真結(jié)果的技能,是必備的。而此次課程設(shè)計(jì)給我們提供了一次

34、進(jìn)一步熟悉工具軟件的機(jī)會(huì)。對(duì)于這門課的掌握則從初期的僅僅照著公式算題的水平,上升到運(yùn)用所學(xué)解決一些基本的工程問題上,這是很有成就感的。</p><p>  通過課程設(shè)計(jì)中查閱大量的資料,參考文獻(xiàn)了,我們了解了更多實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中用到的放大器型號(hào),而且更加深刻的體會(huì)到理論和實(shí)際應(yīng)用的差別,為了讓自己的設(shè)計(jì)有很好的仿真結(jié)果,更加完善,更加符合工程標(biāo)準(zhǔn),我們一次次翻閱各種電路設(shè)計(jì)書,反復(fù)的更換設(shè)計(jì)方案。一切都要有據(jù)可依.有

35、理可尋,不切實(shí)際的構(gòu)想永遠(yuǎn)只能是構(gòu)想,永遠(yuǎn)無法升級(jí)為設(shè)計(jì)。而且通過用multisim對(duì)結(jié)果一次次的仿真我發(fā)現(xiàn)有時(shí)候結(jié)果并不像我們想象中的那樣,只有對(duì)電路進(jìn)行十分準(zhǔn)確的分析和理解才能的到要求的結(jié)果。</p><p>  另外,小組成員的團(tuán)隊(duì)配合更顯重要,這是做本次課程設(shè)計(jì)的另一大收獲。閉門造車的時(shí)代一去不復(fù)返了,而溝通協(xié)作才是正道.</p><p>  設(shè)計(jì)過程中難免會(huì)遇到一些問題。在設(shè)計(jì)過

36、程中也看到了自己的一些不足之處,雖然感覺理論上已經(jīng)掌握,但在運(yùn)用到實(shí)踐的過程中還會(huì)遇到一些意想不到的困惑,經(jīng)過一番努力才得以解決。這也激發(fā)了我今后努力學(xué)習(xí)的動(dòng)力,這將對(duì)我以后的學(xué)習(xí)產(chǎn)生積極地影響。在今后的學(xué)習(xí)中我會(huì)更加耐心和努力的。 </p><p>  整個(gè)設(shè)計(jì)效果基本上還滿意,由于水平有限,難免會(huì)有錯(cuò)誤,還望老師批評(píng)指正。</p><p><b>  文獻(xiàn)</b>

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