前置放大器的设计与应用共10页文档.docx

前置放大器的设计与应用一、实验目的1 •理解前置放大器的相关概念，理解差模信号与共模信号，了解当前最新的一些前置放大器IC的类别及主要指标和特性，学习前置放大器的设计技巧2 •实际进行差分信号产生、测试；用单运放构成仪表放大器，并进行性能测试；3•利用前置放大器IC进行设计、测试与应用4•了解阻抗匹配、偏置电路设计及共模信号抑制的常用方法二、实验仪器及器件1•实验所需设备序号名称型号/规格数量1数字式万用表1块220MHz双通道数字示波器1台3函数信号发生器1台4双通道稳压电源1台2•实验所需元器件序号名称型号数量1运算放大器LM3241片2运算放大器OP07或UA7413片3电阻5014电阻1K15电阻5.1K26电阻10K37电阻20K48电阻1M29电位器1K110电位器2K111电位器10K1序号名称型号数量1运算放大器LM3241片2运算放大器OP07或UA7413片3电阻5014电阻1K15电阻5.1K26电阻10K37电阻20K48电阻1M29电位器1K110电位器2K111电位器10K1预习要求1•根据提供的附件材料理解与刖置放大器基础实验部分所需器件序号名称型号数量1仪表放大器AD6231片2电阻1K13电阻100K14电位器10K25瓷片电容0.1uF26电解电容10uF27小喇叭1扩展实验部分所需器件的一些概念，复习函数信号发生器、数字示波器等仪器的使用方法。

理解文氏电桥振荡电路原理2•学会阅读IC的英文数据手册，理解运放各主要指标特性的含义3•复习运放进行线性放大的相关理论知识，能对输入电阻、输出电阻、共模抑制比CMRR及增益进行计算主要相关概念及公式如下：差模信号是两个输入电压之差：Ud=U1-U2共模信号是两个输入电压的算术平均值：Uc=（U1+U2）/2差模电压增益：AVD=ud/Ud=uod/(U1-U2)共模电压增益：AVc=uoc/dc=2*uc/(ui1+U2)根据线性放大电路叠加原理求出总的输出电压：o=AVDUd+AVcUc共模抑制比：KCMR=|AVD/AVc|共模抑制比用分贝数（dB）表示：KCMR=20lg|AVD/AVc|dB四、实验原理通过传感器输入的信号，一般信号幅度很小（毫伏甚至微伏量级），且常常伴随有较大的噪声对于这样的信号，第一步通常是采用仪表放大器先将小信号放大这个放大的最主要目的不是增益，而是提高电路的信噪比，将需要的信号从噪声中分离出来；同时仪表放大器电路能够分辨的输入信号越小越好，动态范围越宽越好仪表放大器电路性能的优劣直接影响到智能仪表仪器能够检测的输入信号范围图1典型三运放仪表放大器电路仪表放大器电路的典型结构如图1所示。

它主要由两级差分放大器电路构成其中，运放A1、A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高这样在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR要求不变情况下，可明显降低对电阻R1和R3，R2和R4的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力在R5=R6，R仁R3，R2=R4的条件下，图1电路的增益为：G=(1+2R5/Rg)(R2/R1)由公式可见，电路增益的调节可以通过改变Rg阻值实现运放作为模拟电路的主要器件之一，能处理双极性或单极性信号：双极性就是信号在变化的过程中要经过“零”点，单极性不过“零”点，只在一边变化在供电方式上有单电源和双电源两种，双电源供电运放的输入可以是在正负电源之间的双极性信号，而单电源供电的运放的输入信号只能是0~供电电压之内的单极性信号，其输出亦然双电源供电的运放电路，可以有较大的动态范围；单电源供电的运放，可以节约一路电源单电源供电的运放的输出是不能达到0V的，对接近0V的信号放大时误差很大，且容易引入干扰；而双电源供电的稳定性比单电源的要好。

单电源供电对运放的指标要求要高一些，般需要用轨对轨(R-R)，运放的价格一般会贵点单电源用V+,GND，一般还需生成一个与GND不同的模拟地AGND，因此放大电路的构成形式上有所不同，往往用单电源的电路较用双电源的要稍复杂一些，以达到同样的目的随着器件水平的提高，有越来越多的用单电源供电代替双电源供电的应用，这是一个趋势差分信号就是幅度相同、相位相差180的两信号运放处理的是这对信号的差值，它们的共模信号则被抑制掉这信号的共模电压可以处于运放输入信号范围内的任何电压差分信号会具有两倍单端信号的摆幅伪差分信号与差分信号类似，伪差分信号也是一对信号，但它的参考端或负端是一个直流电平，用来去除正端信号中的直流成分伪差分信号与差分信号在减小地环流和噪声方面是非常相似的，不同的是差分输入模式下，负端输入是随时间变化的，而在伪差分模式下，负端输入是一个不变的直流参考差分信号的主要好处是：能够很容易地识别小信号；一个干扰源几乎相同程度地影响差分信号对的每一端，而有用的只是差值信号，因此对外部电磁干扰(EMI)是高度免疫的；在一个单电源系统，能够比较好的精确地处理双极性信号五、基础实验内容前置放大器基础实验内容有有两个方面内容:个内容是以三运放构成的典型的仪表放大器为例，悉信号采用单端输入、双端输入的形式。

1•理解差模信号与共模信号的概念，如下图可以使A、B两点的电压改变，测量前置放大器基础实验内容有有两个方面内容:个内容是以三运放构成的典型的仪表放大器为例，悉信号采用单端输入、双端输入的形式1•理解差模信号与共模信号的概念，如下图可以使A、B两点的电压改变，测量一个是对差分信号进行了解、测量，第二了解仪表放大器对差分小信号的放大，熟2(a)为一个电桥，通过改变RW1或RW2A、B两点的共模电压和差模电压表1共模、差模电压测试组数A点电压VaB点电压Vb共模电压Vc=(Va+Vb)/2差模电压Vd=Va-Vb123理解差分信号、伪差分信号、单极性信号、双极性信号的概念，并熟悉每种信号的优缺点图2(b)为将信号源输出信号转化为差分信号的电路，使用双通道示波器的两个探头同时测量A、B点对地波形，再使用一个探头测量AB两点间的波形，记录波形并描述特点(LM324供电电压交V，信号源输出5KHz，3Vpp的正弦信号)图2(a)差模与共模信号测量图2(b)差分信号转换电路2•分立运放构成典型仪表放大器电路的测试，理解共模信号与差模信号，测试共模与差模放大倍数，计算共模抑制比；理解单端输入、双端输入与差分输入方式进行放大电路设计(利用三个常用的运放OP07或UA741组成仪表放大器进行测试)。

1)单端输入(将输入端一个接地，另一端接信号)：如图3所示，将输入端一个接地，另一端接信号(接电桥B点)用万用表测试B点输入信号(调节RW2)及输出信号电压(OUT端对地电压)此种方式可用于作一般单极性信号放大表2单端输入信号测试图3典型仪表放大器单端输入信号电路组数单端输入电压(mv)输出电压(mv)增益123(2) 共模信号双端输入(即同时从两输入端输入一个信号)：如图4所示，将两个输入信号端短接后接到电桥B点，此时为双端输入的一个共模信号，调整RW2，用万用表测试输入信号(B点电压)及输出信号电压计算共模放大增益图4典型仪表放大器双端输入信号电路表3共模输入测试数据组数共模输入电压Uc(mv)输出电压UOC(mv)共模增益AVc=uc/Uc123(3) 差模信号双端输入：如图5所示，将两输入端分别接到A、B两点，调节RW1或RW2会导致电桥不平衡，在A、B两点得到一个差模信号，对仪表放大器而言还有共模输入信号调节RW1或RW2，用万用表测试A、B点的输入电压和输出信号电压(OUT端对地电压)表4差模输入测试根据表3测试的数据计算并分析该仪表放大器的共模与差模放大倍数、共模抑制比组RW1两端RW2两端差模输入输出电压差模增益数电压U1电压U2电压dd=U1-U2udAVD=ud/ud123(4) 分析RW3的作用。

图5典型仪表放大器输入差模信号电路六、扩展实验内容前置放大器扩展实验内容包括两个方面的内容：一个是利用专用的仪表放大器来对交流差分小信号进行放大，另一个是实现语音前置放大的具体实例1.利用专用仪表放大器AD623放大5KHz的差分信号注意VCC+和VSS-之间的电压差不能大于10V理解单电源供电、双电源供电、单极性输出、双极性输出方式、增益改变及输出偏置调整)CMC-+图6专用仪表放大器AD623应用电路图6中的A、B端子指的是图2(b)中差分信号输出端A、B将此信号用100K和1K电阻分压后作为AD623的输入信号1) 双电源供电：VCC+接+5V,VSS-接-5V将图2(b)中产生的差分信号经分压网络后接信号输入端IN+、IN-2) 调节RW1和RW2，记录现象在波形无失真时用示波器测量输入、输出电压，计算增益3) 单电源供电：VCC+接+5V,VSS-接地4) 调节RW1和RW2，记录现象在波形无失真时用示波器测量输入、输出电压，计算增益5) 计算输入、输出电阻，分析如何实现输入阻抗匹配及输出阻抗匹配2. 利用专用仪表放大器AD623作语音前置放大电路图如下图6所示，在AD623的输入端2、3脚接上一个小喇叭或小耳机，对着喇叭说话，用示波器测量6脚OUT的波形。

调节RW1及RW2，记录波形如何变化另外可在OUT端及AGND端接上喇叭，可以听声音效果图7专用仪表放大器AD623作语音前置放大电路3. 对于电容式话筒，比如驻极体话筒，利用AD623设计一个语音前置放大电路七、思考题1. 总结实验过程中的调试过程2. 前置放大器应用总结、分析：3. 主要分析如下内容：单端输入、双端输入、差分输入、双电源工作、单电源工作、输入耦合、阻容元件匹配、提高信噪比及共模抑制比的方法等4. 总结实验的收获、体会及遇到的问题八、实验电路的制作及调试注意事项1•注意供电电源的范围，注意正负电源一定要共地线2.选择5KHz不失真波形送到AD623进行放大3．分立运放构成典型仪表放大器电路中元器件较多，特别要注意各处电阻不要连错要学会多用万用表检测各点的电压来判断故障所在4．示波器测量AD6。