文档介绍：电子电路综合设计
实验报告
实验名称:
指数运算电路的设计与实现
姓名:
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班内序号:
院系:信息与通信工程学院
专业: 通信工程
指数运算电路的设计与实现
摘要:指数运算电路由对数放大电路、反对数放大电路和温度补偿电路组成。利用二极管的PN结的指数型伏安特性可实现对数运算。引入运算放大器,利用运算放大器反向端的虚地特性,把PN结上的电压电流关系转化为电路的输入输出电压关系
,分别形成对数放大器和反对数放大器。由于晶体管相关参数UT 、IES都是温度的函数,运算精度受温度影响大,故加上温度补偿电路。
关键词:对数放大器、反对数放大器、温度补偿电路、指数特性
设计任务要求
:设计并实现一个指数运算电路,要求电路的输出输入满足指数运算关系uo=uik,k的大小由电路中元器件参数决定,本实验中K=3。
:
(1)电路的输入阻抗Ri >100KΩ。
(2)输入信号大小为0~15V。
(3)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、设计思路和总体结构框图
:
利用二极管PN结的指数型伏安特性实现对数运算。引入运算放大器,利用运算放大器反向端的虚地特性,把PN结上的电压电流关系转化为电路的输入输出电压关系,形成对数放大器。通过将电阻R与晶体管位置互换实现基本的反对数运算电路。加入温度补偿电路以消除温度对运算精度的影响。
:原理框图如下图所示:
图1 原理框图
基本数学推导:
u01= klnui
u0 = Beu01=Beklnui
eklnui=u0/B
两边取对数:
klnui=ln uo/B
uo/B=uik
调整相关参数使B=1,即uo=uik(本实验k=3)。
三、分块电路和总体电路的设计
图2对数放大器原理图
如图2所示:由运算放大器反向输入端虚地特性,晶体管的基极与集电极短路,接成二极管形式,增加了集电极电流动态运用范围。此时,两管脚
电压相等为0,工作在临界放大状态,则:
其中IES为发射结反向饱和电流。
,且 ui >0以以保证晶体管处于放大导通状态。式中,UT 、IES都是温度的函数,其运算精度受温度影响较大,故需加温度补偿电路。
实际运用中要改善其温度稳定性。一般改善方法是:用对称参数的晶体管消除IES的影响;用热敏电阻补偿温度对UT 的影响。
图3 温度补偿电路
图3中A1,T1组成基本运算电路,A2,T2组成温度补偿电路。T1,T2两管的集电极电流分别为:
T2的基极电位为:
忽略T2的基极电流,,则
选择T1,T2两管参数对称,IES1=IES2,则
这样,利用T1,T2两管特性的一致性,可将IES的影响消除,选用具有正的温度系数的热敏电阻R4,可补偿温度对UT的影响。
将电阻R与晶体管的位置互换就构成了基本的反对数运算电路。如下图所示:
图4 反对数运算电路
由二极管的特性可知:
同对数运算电路一样,为了消除温度对运算精度的影响,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。
指的指出的是,对数放大器和反对数放大电路的二极管,必需工作在正向偏压下,因此输入信号只能是单极性的。
如下图所示:
图5 指数运算电路
A1、A2、T1、T4构成具有温度补偿的对数运算电路,其运算关系前面已详细推导。可知:
,
A3、A4、T3、T4构成具有温度补偿的反对数运算电路,其运算关系如下:
同样,T3、T4选用特性一致的三极管,则:
忽略T3基极电流,则
要实现, 取, ,VR=15V,则R12=R15=100K,R6=R9=。所以。
其中,取R1=R4=1K,R2=,R3=。则k=≈3,u0=ui3。
为了滤除高频成分,需加一些电容,最终完整的电路如下图:
图6 完整电路图
附:集成运算放大器OP07资料
OP07的功能介绍: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。由于OP07具有非常低的输入失调电压(对于OP07A最大为25μV),所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。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