言歸正傳，今天給大家介紹的是一款基于OP07芯片的程控放大器。聽起來很高大上，但是它的原理并不是很復(fù)雜，開關(guān)輸入不同的控制信號，利用CD4051芯片選通不同的電阻接入到運(yùn)放當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)對放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)。

一、概述

本文介紹了一種可數(shù)字程序控制增益的放大器。該電路由兩片OP07CP芯片組成兩級反相放大器，采用CD4051芯片作為增益切換開關(guān)，通過控制開關(guān)改變反饋電阻來達(dá)到改變電路的增益的目的，可適應(yīng)大范圍變化的模擬信號電平。文章首先對兩種系統(tǒng)方案進(jìn)行詳細(xì)介紹與優(yōu)劣對比， 接著概述了電路的設(shè)計(jì)過程及思路，然后又介紹了系統(tǒng)的調(diào)試過程與過程中遇到的問題的解決。該系統(tǒng)可以很好的完成目標(biāo)要求，即增益范圍為10DB—60DB，在40dB處有40KHZ的帶寬。

二、指標(biāo)要求

設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一程控放大器，增益在10～60dB之間，以10dB步進(jìn)可調(diào)；當(dāng)增益為40dB時(shí)，－3dB帶寬≥40kHz.電壓增益誤差≤10％，最大輸出電壓≤10V。

三、總體方案設(shè)計(jì)

方案一：

圖3.1

圖3.2

該方案是通過將信號輸入由三運(yùn)放構(gòu)成的儀表放大器（如圖3.2）中，該電路的增益公式為

。

第一級為由兩對稱同相放大器構(gòu)成的差分放大器，通過調(diào)整兩運(yùn)放間公用的反饋網(wǎng)絡(luò)電阻Rg的大小，從而達(dá)到改變第一級的增益，而第二級用的是一個(gè)減法電路。對加到放大器輸入端的共模電壓在RG兩端具有相同的電位，從而不會在RG上產(chǎn)生電流。由于沒有電流流過RG（也就無電流流過R1和R2），因此對于公模信號來說放大器A1 和A2 將作為單位增益跟隨器而工作。因此，共模信號將以單位增益通過輸入緩沖器，而差分電壓將按〔1＋（2 RF/RG）〕的增益系數(shù)被放大。這也就意味著該電路的第一級共模抑制比是〔1＋（2 RF/RG）〕。第二級普通減法電路，如果能做到R4=R6,R3=R5那么也可以引入極高的CMRR.但是由于電阻阻值存在誤差，而這一電路要求電阻對R4 /R6和R3 /R5的比值匹配得非常精密，否則，每個(gè)輸入端的增益會有差異，直接影響共模抑制。

方案二

圖3.3 兩級反相放大器框圖

圖3.4

方案選擇

方案1具有如下優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：具有極高的共模抑制比，這樣可以很好的消除環(huán)境噪聲，得到更加穩(wěn)定的波形。通過調(diào)節(jié)RG也足以完成10DB---60DB的增益范圍。電路圖也比較清晰整齊。

缺點(diǎn)：在放大倍數(shù)很大的時(shí)候，帶寬可能會達(dá)不到要求。

方案2具有如下優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)較為簡單，兩個(gè)輸入端電壓相等并等于零，故沒有共模輸入信號，從而對運(yùn)放的共模抑制沒有要求；且該形式的電路增益調(diào)節(jié)十分方便，增益可以在0以下，這是同相放大做不到的。而該系統(tǒng)可以完成所有指標(biāo)要求，甚至超過。

缺點(diǎn)：深度負(fù)反饋條件下，輸入電阻為R1，輸入電阻不能達(dá)到理想情況。該電路在調(diào)試時(shí)容易產(chǎn)生很大的噪聲，影響觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所以必須加上電路來消除噪聲，從而導(dǎo)致電路結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。

在本文中，將會選擇電路結(jié)構(gòu)更加簡單，噪聲更小的方案一。

單元模塊設(shè)計(jì)

總體電路圖

電路使用了三片OP07芯片構(gòu)成兩級放大，前一級為差分放大器，可以有很高的共模抑制比，能夠有效的抑制噪聲，后面一級為普通減法電路，對第一級放大后的信號進(jìn)行第二次放大。該電路第一級為同相放大器，放大倍數(shù)必須是1以上，而課程設(shè)計(jì)的放大倍數(shù)必須是3.1到1000倍，因此第二級放大倍數(shù)不可能超過3.1，實(shí)驗(yàn)中第二級放大倍數(shù)選擇為2倍。通過調(diào)節(jié)電阻值的大小，就可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，電路結(jié)構(gòu)比較簡單。

程控部分

圖4.1.1 程控部分

通過控制撥碼開關(guān)輸入三位的二進(jìn)制代碼，可以使模擬開關(guān)選擇不同的檔位，來選擇不同的電阻連接到電路中

運(yùn)放部分

圖4.1.2 運(yùn)放部分

4.2電路參數(shù)計(jì)算

4.2.1放大參數(shù)計(jì)算

放大倍數(shù)計(jì)算表達(dá)式：，選定R7=R10=150，R9/R8=R12/R11=20/10=2;第二級放大2倍，則根據(jù)計(jì)算式可得如下表格：

4.2.2元器件的選擇

4.3各單元模塊連接

圖4.3 單元模塊連接

第一級放大與程控部分相結(jié)合，便為可控增益的差分放大器，其放大倍數(shù)可通過程控電阻選擇電路，第二級放大倍數(shù)定為2倍左右。

4.4電路實(shí)物圖

5.1硬件調(diào)試

5.1.1 調(diào)試內(nèi)容

(1)調(diào)節(jié)第二級放大倍數(shù)為2倍；

(2)調(diào)第一級各個(gè)檔次放大倍數(shù)使總的放大倍數(shù)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5.2.2 調(diào)試方法

（1）首先對運(yùn)放部分進(jìn)行調(diào)試，確定運(yùn)放部分能夠正常工作。方法為：將程控部分?jǐn)嚅_，并且用一個(gè)4K（或者其他阻值也行）電阻代替，從差分放大器的兩個(gè)輸入端輸入10KHZ,100mv交流小信號，從輸出端觀察波形，是否能達(dá)到預(yù)期倍數(shù)，如果可以，則繼續(xù)往下實(shí)驗(yàn)，如果不行，說明運(yùn)放部分電路有問題，需要仔細(xì)檢查，找出問題。

當(dāng)運(yùn)放沒有問題后，去掉剛剛調(diào)試的電阻，連上原來的程控部分。

（1）將撥碼開關(guān)撥到2檔（=001），輸入10KHZ 400mv正弦信號調(diào)整選通電阻大小，使得輸出VPP為4000mv；//10倍

（2）將撥碼開關(guān)撥到3檔（=010），輸入10KHZ 400mv正弦信號調(diào)整選通電阻，使得使得輸出VPP為12.64v；//31.6倍

（3）將撥碼開關(guān)撥到4檔（=011），輸入10KHZ 50mv正弦信號調(diào)整第一級選通電阻使得輸出VPP為5v；//100倍

（4）將撥碼開關(guān)撥到5檔（=100），輸入10KHZ 10mv正弦信號調(diào)整選通電阻，使得使得輸出VPP為3.16v且不失真；//316倍

（5）撥碼關(guān)撥到第6檔（=110），輸入10KHZ 2mv正弦信號調(diào)整第一級放大選通電阻，輸出應(yīng)為VPP=2v；//1000倍

調(diào)試完畢。

備注：第一檔（000）放大3倍的時(shí)候由于接入電阻值不夠，導(dǎo)致調(diào)不出來。第六檔為110，因?yàn)榻与娢黄鲿r(shí)為了減少跳線所以跳了一檔。

每次的輸入信號有所不同，因?yàn)楫?dāng)放大倍數(shù)過大時(shí)容易導(dǎo)致失真，不得不將輸入信號減小一些。

6.系統(tǒng)功能和指標(biāo)參數(shù)

6.1 功能

系統(tǒng)可通過數(shù)字信號輸入控制放大器的增益大小，實(shí)現(xiàn)從20dB到60dB的增益,以10dB步進(jìn)可調(diào)，總共五檔切換（預(yù)期目標(biāo)為六檔），且在40DB的增益處有40KHZ以上的帶寬。

6.2 指標(biāo)參數(shù)測試

6.2.1測試方法

將交流小信號輸入到放大器第一級的兩個(gè)輸入端，然后將輸出接到示波器，撥動微動開關(guān)調(diào)到對應(yīng)檔位（15檔，即=000101），觀察示波器的波形峰峰值。

6.3波形記錄

6.4調(diào)試中的問題及解決辦法

①電路跳線過多，導(dǎo)致接觸不良。

解決辦法：優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，將同一種電位的連接在一起。

②在草稿紙上畫電路圖時(shí)沒有注意芯片管腳，導(dǎo)致外圍電路與芯片管腳沒辦法對應(yīng)。

解決辦法：修正錯(cuò)誤，重新畫電路圖，重新焊電路板。

③用萬用表檢測發(fā)現(xiàn)電路有短路的地方

解決辦法：用電烙鐵將短路的地方斷開。

④不小心將4051芯片的15腳當(dāng)作了16腳。

解決辦法：15腳與16腳斷開。

⑤波形不太穩(wěn)定，有噪聲

解決辦法：VEE應(yīng)該要接負(fù)電壓，并且盡量使用電壓穩(wěn)定的電源。電路板下面不要與金屬接觸，最好用一張紙墊起來。

7．設(shè)計(jì)總結(jié)和心得體會

通過本次模電課程設(shè)計(jì)，也讓我有了很多的收獲。

第一，是我查找文獻(xiàn)資料尋找設(shè)計(jì)思路，包括芯片的使用手冊，功能表等有了很大的提高。最開始的時(shí)候?qū)Τ炭胤糯笃魇墙z毫沒有概念的，雖然老師講過一個(gè)大概的思路，但是在腦海中的概念依然很模糊，不知道從哪里下手。于是我先從老師發(fā)給我們的元件入手。我上網(wǎng)仔細(xì)查找了每一個(gè)元件的作用，重點(diǎn)是查找CD4051和OP07這兩塊芯片的使用手冊。看完手冊后，我對設(shè)計(jì)思路已經(jīng)有了一個(gè)大概的把握。

第二，就是我的排查問題的能力有了一個(gè)巨大的提升。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，我一共焊了4塊板子。每次都是因?yàn)橐恍┘?xì)節(jié)等問題導(dǎo)致調(diào)試不出來，然后在不好對原電路修改的時(shí)候就不得不重新焊一塊電路。在調(diào)試過程中一定要一部分一部分調(diào)試，找出問題究竟是出在了哪里。比如在本實(shí)驗(yàn)中，程控部分和運(yùn)放部分就一定要分開來調(diào)試，否則如果出不來波形你將不知道問題是出在哪一部分。在排查完運(yùn)放確實(shí)沒有問題之后，就可以不用去管他了。如果有問題，需要仔細(xì)去檢查以下幾個(gè)方面：電路原理是否有誤，是否嚴(yán)格按照畫的的電路圖來連線，焊接時(shí)有沒有虛焊或者短路（重點(diǎn)用萬用表去檢查），每一個(gè)元件包括電阻阻值、電位器阻值、開關(guān)等是否有誤，最后還可以對芯片進(jìn)行檢查，比如OP07芯片可以做一個(gè)電壓跟隨器來檢查是否燒掉。每一處都仔細(xì)排查沒問題之后就可以調(diào)出理想波形了。

第三，是學(xué)會了對電路設(shè)計(jì)的優(yōu)化。同樣的電路原理，通過電路優(yōu)化可以減少跳線，因?yàn)檎{(diào)線越多，越容易導(dǎo)致接觸不良。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量將所有VCC放在一起，所有GND放在一起，所有VEE放在一起，這樣可以減少排針使用。

第四，是整個(gè)調(diào)試過程要有耐心，也要多與同學(xué)交流，吸取他人的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

附一: 0P07芯片介紹功能概述:

Op07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低(OP07A為+2nA)和開環(huán)增益高(對于OP07A為300V/mV)的特點(diǎn),這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。

特點(diǎn)：

超低偏移: 150μ V最大。低輸入偏置 電流: 1. 8nA。低失調(diào)電壓漂移: 0.5μ V/C。超穩(wěn)定，時(shí)間: 2μ V/month最大高電源電壓范圍:±3V至±22V。

附二: CC4051 芯片介紹功能概述

CD4051是單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，有三個(gè)二進(jìn)控制輸入端A、B、C和INH輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.5~20V的數(shù)字信號可控制峰值至20V的模擬信號。例如，若VDD=+5V, VSS=0，VEE=-13.5V，則0~5V的數(shù)字信號可控制-13.5~4.5V的模擬信號。這些開關(guān)電路在整個(gè)VDD-VSS和VDD-VEE電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號的邏輯狀態(tài)無關(guān)。當(dāng)INH 輸入端=“1”;時(shí)，所有的通道截止。三位二進(jìn)制信號選通8通道中的一通道，可連接該輸入端至輸出。

CD4051管腳圖