基于OP07的程控放大器的设计

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。

好了，闲话不多说，今天是2019年的第一天，先祝大家在新的一年里心想事成，万事如意，学业进步，财运亨通，春风得意，猪年大吉。那啥勿相忘

言归正传，今天给大家介绍的是一款基于OP07芯片的程控放大器。听起来很高大上，但是它的原理并不是很复杂，开关输入不同的控制信号，利用CD4051芯片选通不同的电阻接入到运放当中，从而实现对放大倍数的调节。

一、概述

本文介绍了一种可数字程序控制增益的放大器。该电路由两片OP07CP芯片组成两级反相放大器，采用CD4051芯片作为增益切换开关，通过控制开关改变反馈电阻来达到改变电路的增益的目的，可适应大范围变化的模拟信号电平。文章首先对两种系统方案进行详细介绍与优劣对比， 接着概述了电路的设计过程及思路，然后又介绍了系统的调试过程与过程中遇到的问题的解决。该系统可以很好的完成目标要求，即增益范围为10DB—60DB，在40dB处有40KHZ的带宽。

二、指标要求

设计和实现一程控放大器，增益在10～60dB之间，以10dB步进可调；当增益为40dB时，－3dB带宽≥40kHz.电压增益误差≤10％，最大输出电压≤10V。

三、总体方案设计

方案一：

图3.1

图3.2

该方案是通过将信号输入由三运放构成的仪表放大器（如图3.2）中，该电路的增益公式为

。

第一级为由两对称同相放大器构成的差分放大器，通过调整两运放间公用的反馈网络电阻Rg的大小，从而达到改变第一级的增益，而第二级用的是一个减法电路。对加到放大器输入端的共模电压在RG两端具有相同的电位，从而不会在RG上产生电流。由于没有电流流过RG（也就无电流流过R1和R2），因此对于公模信号来说放大器A1 和A2 将作为单位增益跟随器而工作。因此，共模信号将以单位增益通过输入缓冲器，而差分电压将按〔1＋（2 RF/RG）〕的增益系数被放大。这也就意味着该电路的第一级共模抑制比是〔1＋（2 RF/RG）〕。第二级普通减法电路，如果能做到R4=R6,R3=R5那么也可以引入极高的CMRR.但是由于电阻阻值存在误差，而这一电路要求电阻对R4 /R6和R3 /R5的比值匹配得非常精密，否则，每个输入端的增益会有差异，直接影响共模抑制。

方案二

图3.3 两级反相放大器框图

图3.4

方案选择

方案1具有如下优缺点：

优点：具有极高的共模抑制比，这样可以很好的消除环境噪声，得到更加稳定的波形。通过调节RG也足以完成10DB---60DB的增益范围。电路图也比较清晰整齐。

缺点：在放大倍数很大的时候，带宽可能会达不到要求。

方案2具有如下优缺点：

优点：电路结构较为简单，两个输入端电压相等并等于零，故没有共模输入信号，从而对运放的共模抑制没有要求；且该形式的电路增益调节十分方便，增益可以在0以下，这是同相放大做不到的。而该系统可以完成所有指标要求，甚至超过。

缺点：深度负反馈条件下，输入电阻为R1，输入电阻不能达到理想情况。该电路在调试时容易产生很大的噪声，影响观察实验结果，所以必须加上电路来消除噪声，从而导致电路结构变得更加复杂。

在本文中，将会选择电路结构更加简单，噪声更小的方案一。

单元模块设计

总体电路图

电路使用了三片OP07芯片构成两级放大，前一级为差分放大器，可以有很高的共模抑制比，能够有效的抑制噪声，后面一级为普通减法电路，对第一级放大后的信号进行第二次放大。该电路第一级为同相放大器，放大倍数必须是1以上，而课程设计的放大倍数必须是3.1到1000倍，因此第二级放大倍数不可能超过3.1，实验中第二级放大倍数选择为2倍。通过调节电阻值的大小，就可以调节放大倍数，电路结构比较简单。

程控部分

图4.1.1 程控部分

通过控制拨码开关输入三位的二进制代码，可以使模拟开关选择不同的档位，来选择不同的电阻连接到电路中

运放部分

图4.1.2 运放部分

4.2电路参数计算

4.2.1放大参数计算

放大倍数计算表达式：，选定R7=R10=150，R9/R8=R12/R11=20/10=2;第二级放大2倍，则根据计算式可得如下表格：

4.2.2元器件的选择

4.3各单元模块连接

图4.3 单元模块连接

第一级放大与程控部分相结合，便为可控增益的差分放大器，其放大倍数可通过程控电阻选择电路，第二级放大倍数定为2倍左右。

4.4电路实物图

5.1硬件调试

5.1.1 调试内容

(1)调节第二级放大倍数为2倍；

(2)调第一级各个档次放大倍数使总的放大倍数达到预期目标。

5.2.2 调试方法

（1）首先对运放部分进行调试，确定运放部分能够正常工作。方法为：将程控部分断开，并且用一个4K（或者其他阻值也行）电阻代替，从差分放大器的两个输入端输入10KHZ,100mv交流小信号，从输出端观察波形，是否能达到预期倍数，如果可以，则继续往下实验，如果不行，说明运放部分电路有问题，需要仔细检查，找出问题。

当运放没有问题后，去掉刚刚调试的电阻，连上原来的程控部分。

（1）将拨码开关拨到2档（=001），输入10KHZ 400mv正弦信号调整选通电阻大小，使得输出VPP为4000mv；//10倍

（2）将拨码开关拨到3档（=010），输入10KHZ 400mv正弦信号调整选通电阻，使得使得输出VPP为12.64v；//31.6倍

（3）将拨码开关拨到4档（=011），输入10KHZ 50mv正弦信号调整第一级选通电阻使得输出VPP为5v；//100倍

（4）将拨码开关拨到5档（=100），输入10KHZ 10mv正弦信号调整选通电阻，使得使得输出VPP为3.16v且不失真；//316倍

（5）拨码关拨到第6档（=110），输入10KHZ 2mv正弦信号调整第一级放大选通电阻，输出应为VPP=2v；//1000倍

调试完毕。

备注：第一档（000）放大3倍的时候由于接入电阻值不够，导致调不出来。第六档为110，因为接电位器时为了减少跳线所以跳了一档。

每次的输入信号有所不同，因为当放大倍数过大时容易导致失真，不得不将输入信号减小一些。

6.系统功能和指标参数

6.1 功能

系统可通过数字信号输入控制放大器的增益大小，实现从20dB到60dB的增益,以10dB步进可调，总共五档切换（预期目标为六档），且在40DB的增益处有40KHZ以上的带宽。

6.2 指标参数测试

6.2.1测试方法

将交流小信号输入到放大器第一级的两个输入端，然后将输出接到示波器，拨动微动开关调到对应档位（1~5档，即=000~101），观察示波器的波形峰峰值。

6.3波形记录

6.4调试中的问题及解决办法

①电路跳线过多，导致接触不良。

解决办法：优化电路结构，将同一种电位的连接在一起。

②在草稿纸上画电路图时没有注意芯片管脚，导致外围电路与芯片管脚没办法对应。

解决办法：修正错误，重新画电路图，重新焊电路板。

③用万用表检测发现电路有短路的地方

解决办法：用电烙铁将短路的地方断开。

④不小心将4051芯片的15脚当作了16脚。

解决办法：15脚与16脚断开。

⑤波形不太稳定，有噪声

解决办法：VEE应该要接负电压，并且尽量使用电压稳定的电源。电路板下面不要与金属接触，最好用一张纸垫起来。

7．设计总结和心得体会

通过本次模电课程设计，也让我有了很多的收获。

第一，是我查找文献资料寻找设计思路，包括芯片的使用手册，功能表等有了很大的提高。最开始的时候对程控放大器是丝毫没有概念的，虽然老师讲过一个大概的思路，但是在脑海中的概念依然很模糊，不知道从哪里下手。于是我先从老师发给我们的元件入手。我上网仔细查找了每一个元件的作用，重点是查找CD4051和OP07这两块芯片的使用手册。看完手册后，我对设计思路已经有了一个大概的把握。

第二，就是我的排查问题的能力有了一个巨大的提升。在整个实验过程中，我一共焊了4块板子。每次都是因为一些细节等问题导致调试不出来，然后在不好对原电路修改的时候就不得不重新焊一块电路。在调试过程中一定要一部分一部分调试，找出问题究竟是出在了哪里。比如在本实验中，程控部分和运放部分就一定要分开来调试，否则如果出不来波形你将不知道问题是出在哪一部分。在排查完运放确实没有问题之后，就可以不用去管他了。如果有问题，需要仔细去检查以下几个方面：电路原理是否有误，是否严格按照画的的电路图来连线，焊接时有没有虚焊或者短路（重点用万用表去检查），每一个元件包括电阻阻值、电位器阻值、开关等是否有误，最后还可以对芯片进行检查，比如OP07芯片可以做一个电压跟随器来检查是否烧掉。每一处都仔细排查没问题之后就可以调出理想波形了。

第三，是学会了对电路设计的优化。同样的电路原理，通过电路优化可以减少跳线，因为调线越多，越容易导致接触不良。所以，在设计时应尽量将所有VCC放在一起，所有GND放在一起，所有VEE放在一起，这样可以减少排针使用。

第四，是整个调试过程要有耐心，也要多与同学交流，吸取他人的经验教训。

附一: 0P07芯片介绍功能概述:

Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。OP07同时具有输入偏置电流低(OP07A为+2nA)和开环增益高(对于OP07A为300V/mV)的特点,这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

特点：

超低偏移: 150μ V最大。低输入偏置 电流: 1. 8nA。低失调电压漂移: 0.5μ V/C。超稳定，时间: 2μ V/month最大高电源电压范围:±3V至±22V。

附二: CC4051 芯片介绍功能概述

CD4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有三个二进控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.5~20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。例如，若VDD=+5V, VSS=0，VEE=-13.5V，则0~5V的数字信号可控制-13.5~4.5V的模拟信号。这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当INH 输入端=“1”;时，所有的通道截止。三位二进制信号选通8通道中的一通道，可连接该输入端至输出。

CD4051管脚图

好了，本期的分享就到这里了，文章内容有点长，需要一点点耐心哦！

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