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1、摘要：指数放大电路由对数放大电路和反对数放大电路及温度补偿电路构成。实 验基于二极管PN节的指数伏安特性实现对数反对数运算，用三极管替代PN节以 增加集电极电流动态运用范围。同时引入运放放大器，把PN节上的电压电流关 系转化为电路的输入输出电压关系。由于晶体管的相关参数U ，I是温度函T ES数，其运算精度受温度影响较大，故加上温度补偿电路 关键词：对数放大电路、反对数放大电路、温度补偿电路，调试 一设计任务要求：1. 基本要求：设计实现一个指数运算电路，要求电路的输入输出满足指数运算 关系u = Uk,本实验中设计的k=3.oi2. 此外要满足：3. 1电路的输入阻抗R 2100KQ。i2输
2、入信号大小为015V3 设计该电路的电源电路(不要求实际搭建)，用 PROTEL 软件绘制完整的电 路原理图(SCH)及印制电路板图(PCB)。二设计思路及总体结构框图1 设计思路：利用二极管的 PN 结的指数型伏安特性，实现对数运算。通过电阻 与晶体管位置的互换实现反对数运算电路。加入温度补偿电路，消除温度对三极 管参数的影响。利用运算放大器反向端的虚地特性，通过确定电路图中R5的值， 使之满足R 100kQi2 原理框图如下：(1) 由对数放大器和反对数放大器及温度补偿电路基本数学推导:u = k lnuoiu = Beuo = Bek ln ui ouek lnu，i = o- iB两边
3、取对数： k In u = In oiB u-o U kBi调整相关参数使B=1即u uk，本实验设置K=3oi三分块电路和总体电路的设计1）基本对数运算电路ua741R5U1RllI-m 気 100kQ2IM2222I、100k7o + 15v如图所示：利用虚地特性三极管Q2工作在U U =0的临界放大状态cbu则：i I eucESTUUi=I euR ES Ti =icRU -UouU ln t I RES但该电路存在两个问题：U.必须为正则U为负，以使晶体管处于放大导通状态；I , u都是温度的函数，其运算结果受温度影响很大，如何改善对 ES T数放大器的温度稳定性是实际应用中要解决的
4、一个重要问题。一般改善方法是 用对管消除I的影响；用热敏电阻补偿u的温度影响。EST（2）加温度补偿的对数放大器TI, T2 两管的集电极电流分别为:UBETuiu I eUTU i-clESlR1uBE 2Vic2uI eES2UTU RR 2T2 的基极电位为:ube1ube2lniclrES1ic 2rES2( 、=u+ u u Uln 漳lnBETBE 2T1 IIUBESlES 2忽略T2的基极电流，Ub 样Uo，则(R3)(R3)(iI )uUU U U ln-eT X ES 2o1 R 4丿B1 R4丿T丿c 2ESl选择TI, T2两管参数对称，I = I ，则ESl ES 2
5、仁 R3)仁 R3)(R 2 u )uU1 +U U 1 +U lno1 R4丿B1 R4丿T1R1 V 丿这样，利用TI, T2两管特性的一致性，可将I的影响消除。ES（3）加温度补偿的反对数放大器由二极管特性可知：i =uIe U 1EESTui =i =oEFRu =-Ri:=RoE同对数运算电 路一样 , 为了消除 温度对运算精度的u_e U ES T影响,也要进行温度补偿有关方面的物理解释是相似的,无需重复。值得指出的是, 对数放大器和反对数放大器的二极管,必须工作在正向偏压下,因此输入信号只能是单极性的。图中：Al, Tl, A4, T4组成基本运算电路。A2, T2, A3,T3
6、组成温度补偿电路。R3R3lnR 2u )uq1 +Uq1 +UXo1VR 4 JBVR 4 JTV riVR丿U =-U + UA BE 4BE3i 3 = q I e utR9ES 3i4 二 R12 IES4e UTi4IU =-U ln( X ES3)ATIi 3ES4同样, T3、T4 选用特性一致的三极管,则=-U严石)= -UTUoXln( xVR忽略T3基极电流，则:R1UA =(E)Uo1UR3 R6 Uiu(1 +)U ln( x )R 4 t R5 vRR1R3R6 Ui(1 + )U ln(x一) R 4 t R5 VRUAR1 + R 2R 4Uo R9-U ln(
7、x )=-t V R12RR1R3 R6 Ui(1 +)U ln( x )R1 + R 2R 4t R5 VR要实现Uo = UkR9VR = 15V则 R12=R15=100K ， R6=R9=1.5M 。所以，Uo = Uki。R1R3 + R 4其中，K=x,取 R1二R4=1K, R2=4.55K, R3=15.7K。则 K=3.009,R1 + R 2R 4Uo=U3。 oi4. DXP 绘制最终电路图四所实现功能说明及测试 实现的功能：1. 对应基本实验任务要求RilOOKQ.理论值Ri=R5=100K。2输入信号大小为0-2V的三角波。输入信号为IV时，输出信号为IV. 输入信号
8、为2V时，输出信号为8V。最后的输入输出的李萨如图为标准的指数上 升曲线。3.主要测试数据： U=1VU=1V；io U=2VU=8V。实验结果如下：4.测试及调试过程：测试方法: 在输入端接入的是函数信号发生器，输入正弦波。运算放大器加入的是正 负 15V 的直流电压。输入和输出端用示波器进行检测。输入信号源的正弦波含直 流成分（0-2V）,输出结果的正确与否是通过用示波器对输入输出波形的李萨如 图进行观测和分析来进行测试的。对对数电路和反对数电路要分级测试。五 故障及问题分析1. 电路连接问题。之前连好电路之后测试并无结果，多次对照电路图检查电路连 接之后改正多个问题，而且精简了电路板的连
9、线后，测试方出现结果。2. 准备测试设备：测量前检验好仪器，我曾多次测量无结果后来发现是示波器坏掉了。3. 检查导线及电阻等相关器件的正常特性 使用万用表；为防止连接电路时，阻 值的选择有误，最好用万用表加以检测。4. 电源供电（包括极性）、信号源连线是否正确检查直流极性是否正确，信号线 是否连接正确。并且用电压表测试保证直流电源输出符合要求；5. 检查元、器件引脚之间有无短路，电路的接触问题，接触不良则将导致没有输 出。基本检测好了电路和实验仪器后，仍出现了一些问题： 连接好电路并加上直流电源和交流电源之后输出端没有波形的输出： 因：不太会使用电源，输出按钮没有开启改正后又出现了问题：1 输
10、出的基本符合指数曲线，但是线条特别粗，想到是噪声，于是考虑使用电容 滤掉噪声。最开始在输入端加了电容，发现没有效果，后来又改为在输出端加电 容，尝试了一些电容后发现依然没有结果.利用理论知识分析后才得知，串联电 容只能滤掉低频，而噪声信号大多为高频，所以要并联电容，于是我在输出端并 联了一个20皮法的电容，输出曲线瞬间变得很细，达到了滤除噪声的效果。2、电源电压 15V 跟电路的准确值也很有关系，可以对其稍加调整；有时输出电 压的实际值与显示值不同。3、输入是1v的时候输出不是lv。调整时发现，调整输入信号的频率和幅度以 及直流电平的大小都可以改变输出曲线的形态，于是多次细心调整，终于调出效
11、果较好的曲线。如图：六、总结和结论1. 通过本次试验，我体会到了实际动手操作，自己解决困难并取得成功时的 喜悦，学会了理论实际相结合，提高了能力。2.PROTEL DXP 这一软件从安装到使用的过程中，出现了各种问题，室友们 共同讨论，互相帮助，终于画出了试验原理图及 PCB 板。3. 深刻的理解了电容的作用，以前模电学习的时候只是单纯的背了结论，小 电容可以滤除高频的噪音，知道做实验的时候才深有体会。4. 通过实验对对数放大器和反对数放大器的有了比较深刻的理解，同时也更好 理解了温度补偿对运算精度的影响。5. 面包板上的布线很重要。合理的布线可以减少空间，更重要的是可以减少互 感带来的影响。
12、减少噪音。总的来说，这次综合实验确实相对以前需要更多的知识，更强的能力，因此 也使在实验的过程中学到了更多，提高了自己动手设计实验及单独完成实验的能 力，也学会了思考，将所学的知识用到电路实际应用中。六、PROTEL绘制的原理图及PCB制板图1悶七、所用仪器及器件清单1所用元器件：集成运算放大器 OP07（4 个）三极管8050（4 个）电阻：1.5MQ （4 个）,100KQ （4 个）,2KQ （2 个）,1KQ （2 个）,4.55KQ（1 个）,15.7KQ （1 个）电容：200pF（2 个），151pF（2 个），20pF（2 个）导线若干2. 仪器列表：直流稳压电源 示波器 函数信号发生器 万用表（测量电阻及输出电 压） 毫伏表 交流电流表器件列表15VVSFiC15VVSRC冋200HzVS IN200HzAR1Op 07ARIAR 2p AmpAR2AR 3Op 07AR3AR 4p07AFI4口匚apCl匚2CapC2C3CapC3匚4CapC4C5CapC5R1Res2R1R2Res2R2R3Res2R3R4Res2R4R5Res2R5R6Res2R6R7Res2R7R8Res2R8R9Res2R9RIORes2R10R11Res2R11
