彭小峰，萬(wàn)文略

(重慶理工大學(xué)　電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，重慶　400054)

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基于運(yùn)放的多組態(tài)模擬放大電路設(shè)計(jì)

彭小峰，萬(wàn)文略

(重慶理工大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，重慶400054)

摘要針對(duì)學(xué)生在進(jìn)行模擬放大電路實(shí)驗(yàn)、參加學(xué)科競(jìng)賽及課外科技活動(dòng)時(shí)，搭建模擬放大電路的成功率和效率的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于運(yùn)放的多組態(tài)放大電路。該電路是數(shù)十種模擬放大及濾波電路的結(jié)合。利用該電路構(gòu)成的通用模擬放大電路實(shí)驗(yàn)PCB板，直接焊接元件即可完成實(shí)驗(yàn)電路搭建，無(wú)須再制版。測(cè)試結(jié)果表明，給出的電路具有較好的實(shí)用性，使學(xué)生進(jìn)行模擬放大電路實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效率及成功率顯著提高。

關(guān)鍵詞多組態(tài)；放大電路；濾波電路；實(shí)驗(yàn)PCB板

本文以實(shí)驗(yàn)中常用的雙運(yùn)放為例設(shè)計(jì)PCB板，在PCB板設(shè)計(jì)中，充分考慮了電路的通用性及可擴(kuò)充性，所設(shè)計(jì)的PCB板支持DIP8封裝及SOIC8封裝形式，支持多板層疊以進(jìn)行更復(fù)雜的模擬電路實(shí)驗(yàn)。在PCB設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到了元件的布局及走線(xiàn)方式，避免電路自身的干擾。使用本電路板可以縮短電路設(shè)計(jì)時(shí)間。

利用本文提出的設(shè)計(jì)方法，在進(jìn)行常用模擬放大電路實(shí)驗(yàn)時(shí)能夠快速、可靠地完成放大電路的硬件制作。在學(xué)生進(jìn)行電子電路實(shí)驗(yàn)，參加課外科技活動(dòng)和電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽等有廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)也可以嵌入到各種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模擬放大電路單元設(shè)計(jì)中。

1電路原理

如圖1所示為一個(gè)運(yùn)放的多組態(tài)模擬放大電路原理圖，圖中的放大電路有4個(gè)輸入端(2個(gè)反相輸入端IN1-，IN1-_1，2個(gè)同相輸入端IN1+，IN1+_1)，2個(gè)輸出端OUT1，OUT1_1。擴(kuò)展多個(gè)輸入端的目的以實(shí)現(xiàn)加法或減法運(yùn)算組態(tài)。輸出端中OUT1是直接的運(yùn)放輸出端，OUT1_1可以實(shí)現(xiàn)多種常用輸出組態(tài)，并同時(shí)具備正、負(fù)反饋通道。圖中用電阻的原理圖符號(hào)表示任意雙引腳器件，如電阻、電容、電感和二極管等。多組態(tài)模擬放大電路原理是多種單元放大、濾波電路組態(tài)綜合在一起構(gòu)成的，兼容反相放大電路、同相放大電路、差動(dòng)放大電路、加法電路、減法電路、積分電路、微分電路、一階濾波電路和二階濾波電路，可實(shí)現(xiàn)貝塞爾、高斯、切比雪夫、巴特沃茲低通、高通，帶通濾波器結(jié)構(gòu)及T型網(wǎng)絡(luò)帶阻濾波電路結(jié)構(gòu)。支持單端反相輸入的濾波電路，單端同相輸入濾波電路及差動(dòng)輸入的濾波電路結(jié)構(gòu)形式[4-5]。在設(shè)計(jì)上充分考慮了通用電路設(shè)計(jì)的方便性及實(shí)用性，在實(shí)際應(yīng)用中，不符合電路功能要求的元件可以不焊接但不影響電路功能。本電路在制版后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)無(wú)須搭飛線(xiàn)，無(wú)須改動(dòng)已有布線(xiàn)，直接在板上焊元件就能支持幾十種模擬放大電路實(shí)驗(yàn)。

圖1　多組態(tài)模擬放大電路原理圖

2放大電路組態(tài)舉例

2.1反相放大電路組態(tài)

如圖2所示為圖1的電路中使用IN1-為反相輸入，選擇焊接R1，R5，R9和R7，構(gòu)成的反相放大電路。其輸入輸出電壓關(guān)系為：

(1)

實(shí)際上R5可以接零歐姆電阻。當(dāng)R9的位置換成電容時(shí)，該電路可以構(gòu)成積分電路；當(dāng)R1的位置換成電容時(shí)構(gòu)成微分電路；當(dāng)R9的位置換成二極管時(shí)可以構(gòu)成對(duì)數(shù)電路；當(dāng)R1的位置換成二極管時(shí)可以構(gòu)成指數(shù)電路。

圖2　反相放大電路

2.2同相放大電路組態(tài)

如圖3所示，使用IN1+為同相輸入，選擇焊接R2，R3，R6，R8，R5接零歐姆電阻，構(gòu)成的同相放大電路。其輸入輸出電壓關(guān)系為：

(2)

圖3　同相放大電路

2.3差動(dòng)放大電路組態(tài)

如圖4所示，使用IN1+為同相輸入，IN1-為反相輸入，選擇焊接R1，R5，R9，R2，R6和R7，構(gòu)成的同相放大電路。其輸入輸出電壓關(guān)系為：

(3)

式中，R5和R6接零歐姆電阻。

圖4　差動(dòng)放大電路

3濾波電路組態(tài)舉例

進(jìn)行濾波電路設(shè)計(jì)時(shí)通常的做法是使用濾波器設(shè)計(jì)軟件設(shè)定濾波器的參數(shù)。由軟件給出電路的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，本文設(shè)計(jì)的多組態(tài)模擬放大電路可以實(shí)現(xiàn)TI公司的濾波器軟件FilterPro 3.1.0版輸出的全部濾波電路結(jié)構(gòu)。下面以低通濾波電路為例說(shuō)明多組態(tài)模擬放大電路可實(shí)現(xiàn)的濾波電路組態(tài)。

3.1單端反相輸入低通濾波電路

圖5(a)為T(mén)I濾波器設(shè)計(jì)軟件輸出的低通濾波器電路原理圖；圖5(b)為單端反相輸入低通濾波實(shí)現(xiàn)圖。使用IN1-為反相輸入，圖5(b)中R3的位置焊圖5(a)的C2；R9的位置焊圖5(a)電路的C1；R7接零歐姆電阻；R1，R5，R8的位置分別對(duì)應(yīng)圖5(a)中的R1，R3，R2，其余元件不焊接。這時(shí)構(gòu)成反相輸入低通濾波電路。根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)軟件的輸出結(jié)果，改變電路參數(shù)就可以改變?yōu)V波器的頻率特性。

(a)　電路原理圖

(b)　電路實(shí)現(xiàn)圖圖5　單端反相輸入低通濾波電路

3.2單端同相輸入低通濾波電路

圖6(a)為T(mén)I濾波器設(shè)計(jì)軟件輸出的單端同相輸入低通濾波器電路原理圖；圖6(b)為單端同相輸入低通濾波電路的具體實(shí)現(xiàn)。使用IN1+為同相輸入，圖6(b)中R7的位置焊接圖6(a)的C1；R20的位置焊接圖6(a)電路的C2；R5接零歐姆電阻；R2，R3，R8，R6的位置分別對(duì)應(yīng)圖6(a)中的R1，R3，R4，R2，其余元件不焊接。這時(shí)構(gòu)成同相輸入低通濾波電路。根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)軟件的輸出結(jié)果，改變電路參數(shù)就可以改變?yōu)V波器的頻率特性。

(a)　電路原理圖

(b)　電路實(shí)現(xiàn)圖圖6　單端同相輸入低通濾波電路

3.3差動(dòng)輸入低通濾波電路

圖7(a)為T(mén)I濾波器設(shè)計(jì)軟件輸出的差動(dòng)輸入低通濾波器電路原理圖，圖7(b)為差動(dòng)輸入濾波電路的具體實(shí)現(xiàn)。使用IN1-為反相輸入，IN1+為同相輸入，圖7(b)中R4的位置焊接圖7(a)的C2；R9的位置焊接圖7(a)電路的C1；R19的位置焊圖7(a)電路的C1；R1，R5，R8的位置分別對(duì)應(yīng)圖7(a)的R1，R3，R2；R2，R6，R20的位置分別對(duì)應(yīng)圖7(a)的R1，R3，R2，其余元件不焊接。這時(shí)構(gòu)成差動(dòng)輸入低通濾波電路。根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)軟件的輸出結(jié)果，改變電路參數(shù)就可以改變?yōu)V波器的頻率特性。

(a)　電路原理圖

(b)　電路實(shí)現(xiàn)圖圖7　差動(dòng)輸入低通濾波電路

3.4T型網(wǎng)絡(luò)帶阻濾波電路

圖8(a)為T(mén)I濾波器設(shè)計(jì)軟件輸出的T型網(wǎng)絡(luò)帶阻濾波器電路原理圖；圖8(b)為T(mén)型網(wǎng)絡(luò)帶阻濾波器電路的具體實(shí)現(xiàn)。使用IN1+為同相輸入，圖8(b)中R20的位置焊接圖8(a)的C3；R23，R25的位置焊接圖8(a)電路的C1，C2；R2，R6，R24的位置分別對(duì)應(yīng)圖8(a)的R1，R2，R3，R3，R9的位置分別對(duì)應(yīng)圖8(a)R4，R5，R5接零歐姆電阻，其余元件不焊接。這時(shí)構(gòu)成差動(dòng)輸入低通濾波電路。根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)軟件的輸出結(jié)果，改變電路參數(shù)就可以改變?yōu)V波器的頻率特性。

(a)　電路原理圖

(b)　電路實(shí)現(xiàn)圖圖8　T型網(wǎng)絡(luò)帶阻濾波電路

3.5其他電路形式

對(duì)于TI濾波器設(shè)計(jì)軟件輸出的高通、帶通等濾波器電路結(jié)構(gòu)，當(dāng)不考慮元件性質(zhì)僅考慮兩端器件的連接方式時(shí)，與本文3.1～3.3節(jié)的電路連接結(jié)構(gòu)相同，本文不再詳述。當(dāng)需要高階濾波器時(shí)常需要更多的運(yùn)放，這時(shí)可以使用PCB板的層疊功能，以實(shí)現(xiàn)有多個(gè)運(yùn)放的高階濾波器[6-7]。

4電路輸出組態(tài)

每個(gè)放大單元的輸出端都接了2個(gè)元件如圖9所示，使得電路的輸出也有多種組態(tài)以方便用戶(hù)使用。

圖9　電路輸出組態(tài)

當(dāng)R33換成穩(wěn)壓二極管時(shí)就構(gòu)成了輸出限幅；當(dāng)R33換成電容時(shí)就構(gòu)成了輸出濾波電路；當(dāng)放大器的輸出接AD轉(zhuǎn)換器時(shí)可以構(gòu)成簡(jiǎn)易的抗混疊濾波器；當(dāng)層疊時(shí)2個(gè)運(yùn)放可級(jí)聯(lián)工作；將R32換成電容時(shí)還能實(shí)現(xiàn)本級(jí)輸出到下級(jí)運(yùn)放的交流耦合[8]。

5電路板設(shè)計(jì)考慮的問(wèn)題

電路板設(shè)計(jì)時(shí)考慮了電磁兼容性和電源線(xiàn)地線(xiàn)的線(xiàn)寬規(guī)范要求，既支持DIP8封裝的運(yùn)放又支持SOIC-8的貼片封裝，使得電路板適合更多的器件?？紤]到一個(gè)具體的電路需要多個(gè)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)，制作了板間層疊以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜得多運(yùn)放電路設(shè)計(jì)。多組態(tài)模擬放大電路PCB實(shí)驗(yàn)板如圖10所示。

圖10　多組態(tài)模擬放大電路PCB實(shí)驗(yàn)板

6結(jié)束語(yǔ)

(a)　采用模擬放大實(shí)驗(yàn)板設(shè)計(jì)

(b)　采用萬(wàn)能板設(shè)計(jì)圖11　一階帶通濾波電路

實(shí)驗(yàn)表明本電路設(shè)計(jì)具有較好的通用性、便利性和實(shí)用性，進(jìn)行放大電路實(shí)驗(yàn)時(shí)無(wú)須制版，為實(shí)驗(yàn)室節(jié)省了大量的制版費(fèi)用。同樣的電路也適合單運(yùn)放及四運(yùn)放。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]高吉祥.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)系列教程——模擬電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2010.

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收稿日期:2015-05-04

基金項(xiàng)目：重慶市高等教育教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目資助(122003)；重慶理工大學(xué)高等教育教學(xué)改革研究資助項(xiàng)目(2013YB12)。

作者簡(jiǎn)介：彭小峰(1980-)，男，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和示范中心建設(shè)工作。

中圖分類(lèi)號(hào)TN72

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.03.008

Multiple Configuration Simulation Based on Operational Amplifier Circuit Design

PENG Xiaofeng，WAN Wenlue

(College of Electronic Information and Automation,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,China)

AbstractAiming at students in analog circuit experiment，in academic competitions and extracurricular activities of science and technology to build analog amplifying circuit when the success rate and the efficiency is not high，this paper designs a multi configuration based on the operational amplifier amplifying circuit，the circuit is the conjunction of dozens of analog amplifier and filter circuit.This paper uses the experiment board PCB based the proposed circuit，direct welding component can finish the experiment circuit construction.No need to produce PCB additional.The circuit introduced in this paper has good practicality，so that efficiency and success rate of students in analog amplifying circuit experiment are improved obviously.

Key wordsmulti-configuration;amplifier circuit;filter circuit;experimental PCB board