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1、模拟电路综合专题实验 讲义电光学院 电子信息实验中心 王艳芳 1目 录实验一 基于TI-FilterPro的滤波器设计3一、实验目的3二、实验原理3三、实验仪器4四、实验内容及步骤4五、思考题11实验二 运算放大器输出稳定性研究12一、实验目的12二、实验原理12三、实验仪器15四、实验内容及步骤15五、思考题15实验三 差模小信号放大器设计16一、实验目的16二、实验原理16三、实验仪器18四、实验内容及步骤18五、思考题18实验四 D类功率放大器设计19一、实验目的19二、实验原理19三、实验仪器23四、实验内容及步骤23五、思考题23实验一 基于TI-FilterPro的滤波器设计一、
2、实验目的1. 掌握FilterPro的使用方法，能够利用该软件设计RC有源滤波器。2. 掌握TINA-TI的使用方法，能够利用该软件优化设计常用的模拟电路，并对该电路进行时域和频域的仿真。二、 实验原理1. 滤波器介绍在介绍FilterPro之前，我们先简要介绍一下滤波器。按处理的信号不同，分为数字滤波器和模拟滤波器，我们重点研究模拟滤波器。按选通信号的频率范围不同，分为低通、高通、带通、带阻。按硬件结构的不同，分为有源滤波器和无源滤波器。无源滤波器：RLC，RC滤波器电路简单，抗干扰性强，有较好的低频性能，并且选用标准的阻容元件，无需直流电源供电，能够输出高电压和大电流，但是带负载能力差，并
3、且不能对信号进行放大。有源滤波器，电路中含有运算放大器或晶体管等，优点是不需要电感，因而体积小、重量轻，也不存在电感带来的损耗和非线性，运放增益大，输入阻抗高，输出阻抗低，因而兼有放大和缓冲的作用，且不需要考虑电路级联时匹配的问题，缺点是工作频率受运放带宽的限制，且要有电源，滤波效果容易受到电源的影响。按归一化函数分为巴特沃兹、切比雪夫、贝塞尔、椭圆。低通、高通、带通及带阻都可以有低通变换得到，不同的归一化低通函数可以分为：巴特沃兹、切比雪夫、贝塞尔、椭圆。巴特沃斯滤波器通带最平坦，阻带下降慢。切比雪夫滤波器通带等纹波，阻带下降较快。贝塞尔滤波器通带等纹波，阻带下降慢。也就是说幅频特性的选频特
4、性最差。但是，贝塞尔滤波器具有最佳的线性相位特性。此外，还有椭圆滤波器，椭圆滤波器在通带等纹波（阻带平坦或等纹波），阻带下降最快。按照阶数：一阶、二阶等等。滤波器电压增益在过渡带的下降速率为20db/十倍频，则为1阶，40db/十倍频则为2阶，若下降速率为N*20db/十倍频则为N阶H（S）分数线下S的最高次方数。在实际的模拟电路当中，RC有源滤波器，应用最为广泛，在设计RC有源滤波器时，我们要考虑的因素比较多，如：截止频率、带宽、纹波幅度等因素，如果纯通过手动计算，将是一个特别复杂的过程，因而我们一般先用现成的滤波器设计软件进行前期设计，得到初始的电路参数，然后在实际设计、验证。在众多的滤波
5、器设计软件当中，经过实际比较，我们选择TI公司的FilterPro。下面对FilterPro软件介绍。2. FilterPro简介FilterPro是TI公司推出的一款滤波器设计软件，该软件可以从TI的官方网站上免费获得，该软件功能强大，可以对滤波器的各种详细参数进设计，输入参数后，就可以得到滤波的幅频特性、相频特性曲线，并且可以得到能够具体的电路，包括R、C等元件的值，有了这个软件我们就可以根据需要快速的得到我们想要的电路图。3. TINA-TI简介TINA-TI是TI公司和DesignSoft公司联合推出的专门为TI器件进行SPICE仿真的软件，它基于SPICE模型，是一款科学而且功能强大
6、的电路仿真软件。它拥有内置信号源，频谱仪，示波器等模块，能分析所设计电路的时域和频域响应。TI公司在其网上免费提供这个软件，并专门为几乎所有的TI运算放大器，部分特殊功能放大器和一些开关电源芯片制作了TINA的器件模型，这样用户将不再需要自己从SPICE模型转换为TINA模型，节约了大量的时间。同时，TINA-TI中还内建了大量的例子，包括TI大部分运放的测试电路及一些常用的模拟电路。在我们模拟电路综合设计及应用这门课中，我们首先利用TINA-TI对电路进行仿真，得到初始的设计参数，然后再在面包板上进行实际的验证。在以下几章的实验内容中我们将就具体实例介绍TINA-TI的使用方法。三、 实验仪
7、器台式计算机，示波器，信号发生器，直流稳压电源，万用表，面包板等。四、 实验内容及步骤1. 利用FilterPro设计高性能语音信号滤波器在模拟电路所处理的信号当中，语音信号是特别常见的信号。语音信号频段范围一般为20到20Khz，所以一般采用20Khz的低通滤波器对其进行滤波处理。下面我们以语音信号低通滤波为例，介绍一下利用FilterRro设计RC有源滤波器的方法。设计要求：低通，-3db截止频率20khz，-45db截止截止频率100khz，通带增益0db，通带纹波1db。下面是FilterPro的设计步骤：图1 低通滤波器图2 具体参数设置u -3db（vo/vi=）截止频率20khz
8、u -45db（20lg（vo/vi）=-45，vo/vi=1/178） 频率100khzu 纹波增益1dbu 通带增益0db图3 归一化函数，切比雪夫 1db图4 反馈类型Sallen-key反馈类型主要包括MFB和Sallen-key两种，其中MFB：对元件变化不敏感；vo，vi反相；Sallen-key：vo，vi同相，输入阻抗高；增益精度高；单位增益用的器件少；在高Q，高频应用里MFB的C1小，误差大。如果输入电容大于C1/400，就要调整C1，filterpro要重新计算元件值。图5 生成的电路及设计报告最终设计结果：3阶低通，切比雪夫 1db滤波器2. 利用TINA-TI优化设计高
9、性能语音信号滤波器通过上述内容我们利用FilterPro得到了滤波器的电路图，但其中的元件为理想值，下面我们将这些元件替换成实际的元件，然后利用TINA-TI对该的路进行时域和频域的仿真。我们利用16k代替16.1k的电阻，2k代替1.98k的电阻，15nf的电容代替16.28nf的电容。运放的选择：（1）运放的闭环带宽至少比滤波器通带频率fc 大100 倍。首先确定滤波器的通带频率fc，然后选择运放的增益带宽积。若是SallenKey 电路，滤波器增益为1 V/V，则放大器的增益带宽积应该比fc 大100 倍；若是闭环增益大于1 V/V，则增益带宽积应该大于100同相放大倍数fc。对于MFB
10、（Multiple Feedback） 电路，则增益带宽积应该大于100（反相放大倍数1）fc。（2） 为使信号不发生畸变，应该选择运放的压摆率大于（VOUTppfc，单位为V/s），这里Voutpp 是小于fc 频率的放大器输出摆幅。我们选择TI的通用运算放大器TL081代替理想运放，该放大器的带宽3MHZ，压摆率13v/us。下面是TINA-TI的设计步骤：图6 3阶低通，切比雪夫 1db滤波器电路图图7 频域仿真图8 频域特性仿真设置图9 -3db截止频率仿真结果图10 -45db截止频率仿真结果图11 时域仿真图12 时域特性仿真设置图13 时域仿真结果3. 实验验证在面包板上，对图6
11、中的电路进行实际验证，输入p-p值为2v的sin波，频率10-1Mhz，记录输出信号的波形及峰峰值，画出幅频特性曲线，描出-3db和-45db的截止频率。五、 思考题更高性能的滤波器设计，如-45db截止频率缩小至50Khz。实验二 运算放大器输出稳定性研究一、 实验目的1. 分析运算放大器输出不稳定的原因2. 利用TINA-TI研究如何提高运算放大器输出稳定性的方法。二、 实验原理在运算放大器的很多应用场合，要驱动较大的容性负载，对于理想运放来说，其输出阻抗为0，所以不会输出不会出现震荡的现象，但是实际运放器存在输出阻抗，该电阻与容性负载耦合，往往会在运放的单位增益带宽内产生新的极点，这将导
12、致运放输出的不稳定。下面我们利用TINA-TI来研究运放的容性负载驱动，及提高稳定性的方法。如图1所示，为了直观的观察运放的输出稳定性，我们用一个远小于运放带宽的小信号方波作为输入来激励运放，通过观察输出的过冲大小，稳定时间长短或振荡与否来方便的判断运放电路的稳定性。我们设置Vin为1khz，峰峰值200mv的方波，然后分析运放的时域输出特性。图1 运放接重容性负载图2 带1uf容性负载的时域仿真结果图3 不带容性负载的时域仿真结果从图2，图3可以看出，运放带1uf容性负载，输出会出现很大的震荡，而不加容性负载时，输出比较平稳，这是由于ua741存在75欧姆的输出阻抗，该电阻会和电容作用，产生
13、一个极点，该极点的频率：；这个极点远小于运放的带宽，主极点和它带来的附加相移极容易引起运放的不稳定。基于上述分析，我们采用增大闭环增益和添加Cf的方法，提高稳定性：图4 提高闭环增益和加入Cf图5 提高增益，加入Cf后的时域仿真效果从图5中我们可以看出提高闭环增益，并且加入Cf后，运放输出的时域响应不再有震荡，只是在跳变处有小的过冲，而且稳定时间也很短，说明电路工作稳定。原因是由于R2和C2的引入，我们在原来不稳定极点处又引入了一个新的零点和极点，所以电路工作趋于稳定。三、 实验仪器台式计算机，示波器，信号发生器，直流稳压电源，万用表，面包板等。四、 实验内容及步骤1） 按照图1，在面包板上连
14、接电路，记录输出波形，及过冲幅度，稳定时间。2） 在图1基础上去掉C1，重新连接电路，记录记录输出波形，及过冲幅度，稳定时间。3） 按照图4，在面包板上连接电路，观察输出结果，记录输出波形，及过冲幅度，稳定时间。从而验证使运放输出稳定的方法。五、 思考题1. 减小图4中的R2，观察能使运放输出稳定的R2最小值。2. 研究其他能够使运放输出稳定的方法。实验三 差模小信号放大器设计一、 实验目的1. 测量高共模信号中的小差摸信号2. 掌握提高运放输入阻抗的方法二、 实验原理现实生活中的物理信号，转换成电信号后，往往有用信号比较微弱，并且经常耦合在高共模信号当中。我们下面以压力计的前端模拟电路为例，
15、研究如何在内阻大的信号源中提取耦合在高共模电压中的小差摸信号。图1是常见的压力计的模拟前端处理电路。压力计一般采用惠更斯电桥将压-阻传感器的阻值变化变换成电压的变化。P1是电阻式压力传感器，该传感器的满量程为100Kg，并按-0.15欧姆/Kg变化，当施加在P1上的重量发生变化时，P1的电阻也发生变化，则VBA两点间的差摸电压同时也发生变化，当重量从0变化到100kg时，差摸电压的变化范围是0-20mv，而BA两点间的共模电压接近2.5v，对我们来说，有用的是差摸电压，要把这个差摸电压提取出来，要解决的主要问题：u 对这个差摸电压放大50倍u 对共模电压进行抑制u 差摸放大器的输入阻抗要高，因为电桥的等效内阻高u 对放大的差摸电压进行低通滤波处理基于上述分析，我们首先利用TINA-TI进行仿真设计，利用可变电阻P1来代替电阻式
