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实验三 前置放大器的设计与应用
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实验三 前置放大器的设计与应用
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前置放大器的设计与应用实验报告35
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；2．实际进行差分信号产生、测试；用单运放构成仪表；3．实际进行典型前置放大器的设计、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；1．实验所需设备；三、1．根据提供的附件材料理解与前置放大器相关的；字示波器等仪器的使用方法；2．学会阅读IC的英文数据手册，
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．实际进行典型前置放大器的设计、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2三、 1．根据提供的附件材料理解与前置放大器相关的一些概念，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：υid=υi1-υi2共模信号是两个输入电压的算术平均值：υic=(υi1+υi2)/2 差模电压增益：AVD=υod/υid =υod/(υi1-υi2) 共模电压增益：AVc=υoc/υic =2*υoc/(υi1+υi2)根据线性放大电路叠加原理求出总的输出电压：υo= AVDυid+ AVcυic 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；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，R1=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，一般需要用轨对轨(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1．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。构建如下图2差分信号产生电路，同时测量A、B点对地波形、AB两点间的波形，记录波形并描述特点（LM324供电电压±5V）。记录RW1和RW2的作用。（调节使正弦波形失真度最小）图2
差分信号产生电路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；掌握调零、调满度方法；理解单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。电路图如图3，该仪表放大器可以用于电桥、电子秤、温度等缓慢变化信号的前端放大。) （1）输出调零：J1连接2-3；J2连接2-3，调整RW4使输出（OUT端对地电压）为零。 （2）共模信号双端输入：保持J1连接2-3不变；J2连接2-3，U1和U2的同相输入端电压即可通过RW1来调节。调整RW1，用万用表测试多组输入信号（RW1两端电压）及输出信号电压。计算共模放大增益。（3电压即可通过RW1来调节。用万用表测试U1输入信号（RW1两端电压）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。（RW1两端电压，对仪表放大器而言既有共模输入信号，也有差模信号，分别记录多组U1、U2的输入电压和输出信号电压（OUT端对地电压）。（ （6）分析RW3和RW4的作用。图3
分立运放构成典型仪表放大器电路3．利用专用仪表放大器AD623放大10KHz的差分信号。(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。)图4
专用仪表放大器AD623应用电路图4中的A、B端子指的是图1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（1）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。 六、扩展实验内容1．利用专用仪表放大器AD623作语音前置放大。电路图如下图5所示，在AD623的输入端2、3脚接上一个小喇叭或小耳机，其它外围器件如图4应用电路，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5
专用仪表放大器AD623作语音前置放大电路2．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．差分信号产生时要配合调试RW1和RW2，最开始将两电位器调节在中间阻值（5KΩ）时波形容易出来，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。可以只连接U1、U2、U3三个运放进行实验，不连U4这个运放及其外围器件，改为使用U3的输出作为最后的输出来测试。4．示波器测量AD623的输出时是相对AGND进行。包含各类专业文献、幼儿教育、小学教育、各类资格考试、外语学习资料、专业论文、前置放大器的设计与应用实验报告35等内容。
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