測控電路課程設計--運算放大器自穩(wěn)零電路設計

1、<p>　　課 程 設 計 說 明 書</p><p>　　題目：運算放大器自穩(wěn)零電路設計</p><p>　　學院（系）： </p><p>　　年級專業(yè)： </p><p>　　學 號： </p><p>　　學生姓名：

2、 </p><p>　　指導教師： </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自動調(diào)零和載波穩(wěn)定8</p><p>　　第三

4、章 參數(shù)設計及運算9</p><p><b>　　3.1結構設計9</b></p><p>　　3.2 運算放大器自動校零電路的設計9</p><p>　　3.2.1結構設計9</p><p>　　3.2.2器件選擇11</p><p>　　3.2.3仿真結果11</p>

5、<p>　　第四章 誤差分析14</p><p><b>　　第五章 結論15</b></p><p>　　第六章 心得體會15</p><p><b>　　文獻17</b></p><p>　　課程設計（論文）任務書</p><p>　　院（系）：電氣工

6、程學院 基層教學單位： 儀器科學與工程系 </p><p>　　說明：此表一式四份，學生、指導教師、基層教學單位、系部各一份。</p><p>　　2010年6月18日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本課程設計主要任務是設計能夠

7、消除運算放大器輸入失調(diào)電壓的電路，使運算放大器實現(xiàn)自穩(wěn)零。完成題目的理論設計模型，并且完成電路的multisim仿真。</p><p>　　關鍵字:運算放大器 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)象中獲得的電信號基本都是模擬信號。而隨著電子技術的進步，對模擬技術的要求也

8、越來越高。運算放大器的應用技術的重要自然是不言而喻的。</p><p>　　在使用運算放大器進行實驗或電路組裝調(diào)試過程中，經(jīng)常由于運算放大器本身存在的“非理想”特性，出現(xiàn)實驗結果與理論計算值出入較大或調(diào)試結果與理論設計目標發(fā)生較大偏差。其主要原因之一是由于運算放大器本身的結構和參數(shù)不能完全達到“理想”對稱，而產(chǎn)生失調(diào)電壓和失調(diào)電流。如果采用的失調(diào)補償措施不當，那么采用運算放大器設計電路的諸多優(yōu)點就不能得到充分體現(xiàn)

9、。因此使用運算放大器前必須對其進行零點調(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，為此本課程設計采用零點自動調(diào)節(jié)的方法以消除運算放大器輸入失調(diào)電壓，使運算放大器實現(xiàn)自穩(wěn)零。</p><p>　　運算放大器自動完成零點調(diào)節(jié)，有如下的幾個特點。

10、從制作方面講，通過連接多個可變電位器對運算放大器進行零點調(diào)節(jié)，所需的人工增多造成運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)定相對差一些，風吹、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)。對此，自動零點調(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運算放大器簡述</p><p&

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

12、互相匹配的晶體管組成，構成差分放大電路和電流鏡像電路。</p><p>　　中間級：提供足夠的電壓放大增益和更寬的信號擺幅。同時有較高的輸入電阻，以減小對前級的影響。</p><p>　　輸出級：一般由射級跟隨器構成，與負載相接，用來提供較低的輸出阻抗并對第二級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>　　對理想運算放大器，輸出電壓為零，輸出電壓也必然為零。然而，實際運算放大器中前置的差動放大器并不一定完全對稱，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)電壓的運算放大器的一個輸出端上串接一個微小的電壓源，這樣就可以模仿一個實際運算放大器。</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，可用溫度系數(shù)</p><p><b>　　式2-4</b></p&g

16、t;<p>　　來表征這個特征。式中是絕度溫度，以開爾文計算，以微伏每攝氏度計。普通放大器的值一般在5uV/℃的數(shù)量級。熱漂移是由固有的失配以及輸入級兩部分之間的溫度梯度引起的。由于在輸入級采用了很好的匹配和熱跟蹤技術，可以使運算放大器具有更低的熱漂移。</p><p>　　利用式2-5可以預估運放的值</p><p>　　式中是25℃是的值。</p><

17、p>　　2.4自動調(diào)零和載波穩(wěn)定</p><p>　　在一個特定的環(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。為滿足高精密應用中的嚴格要求，可采用特別的技術以進一步有效地降低輸入失調(diào)。兩種常見的方法為自動調(diào)零(AZ)技術和斬波穩(wěn)定(CS)技術。</p><p>　　AZ技術是一種采樣技術，對失調(diào)信號進行采樣，然后從含有噪聲的信號中減去這些采樣值，可得無失調(diào)的信號。 CS

18、技術是一種調(diào)制技術，它將輸入信號調(diào)制到一個更高的頻率，這里沒有失調(diào)或噪聲，然后將放大后的信號解調(diào)到基帶，從而去除了失調(diào)和低頻噪聲。將這兩種技術應用到輸入失調(diào)電壓的調(diào)零方面，可收到很好的效果。</p><p>　　自動調(diào)零（或自動穩(wěn)零）是一種動態(tài)地抵消失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移的技術，它可以周期性地對輸入失調(diào)電壓進行自動補償，特別適合于CMOS工藝實現(xiàn)，制造成的CMOS集成運放，可以將校零前mV量級的輸入失調(diào)電壓下降到

19、uV量級，將失調(diào)電壓漂移降低到nV/℃級。動態(tài)抵消失調(diào)的另一優(yōu)點是可降低低頻噪聲。</p><p>　　自動穩(wěn)零運算放大器的基本指導思想是：如果能將運放兩個輸入端短路時或加共模輸入信號時的輸出電壓( 誤差電壓)先用電容器寄存起來( 簡稱采樣) ，再與運放正常工作時的輸出電壓相減(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所引起的漂移，也可有效地抑制共模信號。</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)設計及運算</p><p><b>　　3.1結構設計</b></p><p>　　本課程設計主要目的為設計能夠消除運算放大器輸入失調(diào)電壓的電路，使運算放大器實現(xiàn)自穩(wěn)零。其電路結構框圖如圖3-1所示：&

21、lt;/p><p>　　圖3-1自動校零電路結構圖</p><p>　　電路的主體部分為兩個放大器，二者互相配合從而達到對主放大器(即被校正放大器)的調(diào)零目的。</p><p>　　3.2 運算放大器自動校零電路的設計</p><p><b>　　3.2.1結構設計</b></p><p>　　圖3-

22、2是一個具有動態(tài)校零功能的斬波器，圖中A、B為聯(lián)動開關（A位于位置“1”時則開關B位于位置“3”），通常是由電子開關或相應的驅(qū)動電路完成開關動作。當開關A位于位置“1”時，電路處于工作狀態(tài)，信號由輸入端V1加上，并經(jīng)A1放大（A1為反相比例運算電路）輸出。此時A2的輸入端因為開關B接至“3”而斷開，所有A2不引入反饋。當開關A、B分別置于“2”和“4”時，電路為自動校零狀態(tài)。此時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適當分壓后實現(xiàn)自動調(diào)零。其工作過程簡述如下： </p><p>　　圖3-2 自動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適當分壓后在A1的同相輸入端引入一個正電壓，用以抵消Vi1從而實現(xiàn)自動調(diào)零。</p>

24、<p>　　實現(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檢測與存儲、自動校零與放大兩個過程交替進行。</p><p>　　在自動檢測與存儲過程中，電路處于采樣階段，電路接好之后，開關A接至“2”開關B接至“4”的瞬間，C和R3R4構成的分壓器上電壓為0，A1的輸出電壓為-Avd*Vio。這個電壓會通過反饋電阻R5向C

25、放電，從而將運放A1的誤差電壓寄存在電容器C和R3R4構成的分壓器上；到穩(wěn)態(tài)時，C和R3R4構成的分壓器上的電壓近似等于Vio，此時運放A1輸出趨向于0。</p><p>　　在自動校零和放大過程中，在A1正相輸入端加入輸入信號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構成的分壓器上的誤差電壓與放大器A1正常工作時所產(chǎn)生的誤差電壓相互抵消，進而消除了失調(diào)及其漂移和共模信號對放大器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低噪聲雙運放芯片，其偏流極低，建立時間極短，噪聲很小，經(jīng)自動調(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)隔離的場效應管（FET）的輸入結構，因而其輸入電阻很高，為此在放大電路的輸入線上應采用屏蔽措施，以減小交流干擾，通常在輸入端的印制板上設置屏蔽環(huán)。</p><p><b>　　3.2.3仿真結果&l

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

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

30、結果圖</p><p><b>　　第四章 誤差分析</b></p><p>　　本實驗過程中難免會有誤差的存在，主要為所運用的元器件的誤差。</p><p>　　實際運用中與理論結果存在一定差距,但在誤差允許范圍內(nèi)。在自動校零與放大過程中，由于自動檢測與存儲過程輸出結果為0，其輸出或者從另一方面來看，由于受到電子開關自動切換知識的限制，及對模

31、擬開關認識不足，仿真時電子開關是手動而不是自動的，這樣即使在自動檢測和存儲過程中有失調(diào)電壓的存在，當開關切換至自動校零和放大過程時，電容C和兩個電阻所構成的分壓器上存儲的電壓初始值即為0，導致即使有輸入失調(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，無法模擬自動檢測與存儲和自動校零與放大兩個過程的綜合模擬。</p><p>

32、<b>　　第五章 結論</b></p><p>　　本課程設計完成了設計能夠消除運算放大器輸入失調(diào)電壓的電路，使運算放大器實現(xiàn)自穩(wěn)零的目的。電路具有方便，輸入阻抗高，可靠性高，抗干擾性能強等優(yōu)點。在工程實踐中可得到了很好的應用。</p><p><b>　　第六章 心得體會</b></p><p>　　兩周的測控電路課程

33、設計到今天已經(jīng)接近尾聲了，回顧這段時間的設計過程收獲很多。 </p><p>　　我們小組有兩個人,這期間我們互相配合，合理安排時間，有步驟的完成課設任務。這不僅是一個學習的過程，更是一次挑戰(zhàn)自我與戰(zhàn)勝自我的旅程。</p><p>　　經(jīng)過本次課程設計我們更好的鞏固并加強了專業(yè)知識的理解與運用.作為一名檢測專業(yè)的學生，基本的設計電路和仿真結果的技能，是必備的。而此次課程設計給我們提供了一次

34、進一步熟悉工具軟件的機會。對于這門課的掌握則從初期的僅僅照著公式算題的水平，上升到運用所學解決一些基本的工程問題上,這是很有成就感的。</p><p>　　通過課程設計中查閱大量的資料,參考文獻了，我們了解了更多實際應用當中用到的放大器型號，而且更加深刻的體會到理論和實際應用的差別，為了讓自己的設計有很好的仿真結果，更加完善，更加符合工程標準，我們一次次翻閱各種電路設計書，反復的更換設計方案。一切都要有據(jù)可依.有

35、理可尋，不切實際的構想永遠只能是構想，永遠無法升級為設計。而且通過用multisim對結果一次次的仿真我發(fā)現(xiàn)有時候結果并不像我們想象中的那樣，只有對電路進行十分準確的分析和理解才能的到要求的結果。</p><p>　　另外，小組成員的團隊配合更顯重要，這是做本次課程設計的另一大收獲。閉門造車的時代一去不復返了,而溝通協(xié)作才是正道.</p><p>　　設計過程中難免會遇到一些問題。在設計過

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，但在運用到實踐的過程中還會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)了我今后努力學習的動力，這將對我以后的學習產(chǎn)生積極地影響。在今后的學習中我會更加耐心和努力的。 </p><p>　　整個設計效果基本上還滿意，由于水平有限，難免會有錯誤，還望老師批評指正。</p><p><b>　　文獻</b>