基于LF411型运算放大器的微弱信号放大器的仿真

——基于LF411型运算放大器的微弱信号放大器的仿真

摘要：基于电路理论的课内学习内容，为了将理论知识与实践相结合、拓展我们的课外学习，我们小组选择了用仿真工具分析复杂电路，研究其频率响应规律作为我们电路理论课外课题研究的方向。经过讨论，我们最终决定从明确主题及研究目的、进行电路仿真及特性研究、分工完成研究报告这三个方面来进行我们的研究。本报告主要介绍了研究背景，实际仿真过程以及针对仿真结果的分析与得到的结论，并总结了本小组研究与学习的心得。

关键字：电路仿真;LF411;Multism;微弱信号放大器

Abstract: In-class learning content based on circuit theory. In order to combine theoretical knowledge with practice and expand our extra-curricular learning, our group chose to use simulation tools to analyze complex circuits and study their frequency response laws as an extra-curricular research topic for our circuit theory direction. After discussion, we finally decided to carry out our research from three aspects: clarifying the theme and research purpose, conducting circuit simulation and characteristic research, and completing the research report. This report mainly introduces the research background, the actual simulation process, the analysis and

conclusions based on the simulation results, and summarizes the research and learning experience of this group.

Keywords: circuit simulation; LF411; Multism; weak signal amplifier

一、主题及研究目的

（一）研究主题

利用电路仿真软件 Multisim ，基于经典器件集成运算放大器 LF411 进行仿真，设计一个微弱信号放大器，分析其相关频率响应特性，从电路原理、输出特性等方面深刻理解集成电路。

（二）研究目的

1、了解电路仿真软件、熟悉 Multisim 软件的基本使用方法以及高阶拓展，学习掌握电路仿真这一电气学科重要的实验方法。

2、学会分析基于集成运算放大器 LF411以放大微弱信号的组合电路。 3、观察 LF411的实际工作指标，与参考指标进行比较并分析误差原因。 4、在实验过程中提高实践操作能力、学习体会分析电路的方法，培养兴趣并激发对集成电路实际应用问题的深入思考。

二、背景

（一）微弱信号放大电路的设计要求及性能指标 1) 设计要求：

放大器应具有较高电压增益 信号的频率较低，频带不是很宽

为减弱微弱信号源的负载，放大器必须有很高的输入阻抗 放大器应具有较高的共模抑制比 具有低噪声和低漂移特性

2) 基于其设计要求，可确定其性能指标：

差模电压增益：1000 误差：±2%

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差模输入阻抗：大于10^7Ω 共模抑制比：大于80dB 通频带：0.05-200Hz

（二）LF411 1) 器件概述

该器件是一款低成本，高速，JFET输入运算放大器，具有极低的输入失调电压和最大输入失调电压漂移。它需要低电源电流，同时保持较大的增益带宽积和较快的压摆率。此外，匹配的高压JFET输入提供非常低的输入偏置和偏移电流。

LF411可用于高速积分器，数模转换器，采样保持电路和许多其他电路等应用。

LF411C的特点是在0°C至70°C的温度范围内工作。 LF411I的工作温度范围为-40°C至85°C。

2) 特性：

低输入偏置电流，典型值50 pA 低输入噪声电流，0.01 pA /b Hz \\ Typ 低电源电流，2 mA典型值 高输入阻抗，10 12 Typ 低总谐波失真

低1 /f噪声角，50 Hz典型

封装选项包括塑料小外形（D）和标准（P）DIP

（三）差分放大电路 1) 简介：

差分放大电路具有电路对称性的特点，此特点可以起到稳定工作点的作用，被广泛用于直接耦合电路和测量电路的输入级。但是差分放大电路结构复杂、分析繁琐，特别是其对差模输入和共模输入信号有不同的分析方法，难以理解，易于混淆，是模拟电子技术基础课程的难点与重点。

差分放大电路有差模和共模两种基本输入信号，由于其电路的对称性，当两输入端所接信号大小相等、极性相反时，称为差模输入信号；当两输入端所接信号大小相等、极性相同时，称为共模信号。通常我们将要放大的信号作为

差模信号进行输入，而将由温度等环境因素对电路产生的影响作为共模信号进行输入，因此我们最终的目的，是要放大差模信号，抑制共模信号。

模拟电子技术中常使用的模拟量在经过传感器之后转换的电信号都比较微弱，为了能更好的测量这些微弱信号，一般都会对其进行放大处理。但是对于模拟量转换的电量为变化缓慢的非周期性信号时，例如温度、流量、液面等模拟量，对于这种信号一般采取通过直接耦合放大电路放大后再驱动负载，但是直接耦合放大电路会有零点漂移现象（输入电压为零而输出电压的变化不为零），为了抑制零点漂移一般采用特性相同的管子使得它们的温度漂移相互抵消，这样的电路称为差分放大电路。

差分放大电路是直接耦合放大电路的基本组成单元，该电路对于不同的输入信号有不同的作用，对于共模信号起到很强的抑制作用，而对差模信号起到放大作用，并且电路的放大能力与输出方式有关。

2) 作用：

当今世界之所以能称之为智能化的时代，是由于各种智能化的设备得到了普及，而这些智能化设备之所以能够智能化，离不开功能各异的各种传感器，而这些传感器所采集到的电信号一般都很微弱，同时这些微弱的电信号往往不是周期性的，所以对这些信号进行放大处理时，需要采用直接耦合放大电路进行放大，所谓直接耦合即输入信号引入放大电路及放大电路与其负载的连接都是靠导线直接连接，因此直接耦合连接方式有很好的低频特性同时又很容易做成集成电路。

直接耦合放大电路虽然有以上几大优势，但普通的直接耦合放大电路存在零点漂移现象，所谓“零点漂移”，就是当输入信号为零时面输入信号不为零。差分放大电路是一种直接耦合放大电路，差分电路本身具有良好的电气对称性，使其对共模信号有良好的抑制作用，所以能有效地抑制零点漂移现象的发生。

3) 性能衡量指标：

差模电压放大倍数：差模电压放大倍数定义为输出电压与输入差模电压之比。分为双端输出和单端输出。

差模输入电阻：差模输入电阻定义为差模输入电压与差模输入电流的比。 共模抑制特性 共模电压放大倍数

在差动电路中，因温度变化，电源波动引起的两个差动管的等效输入漂移电压，相当于一对共模信号，由于接地电阻的负反馈作用，使得每管的输出端漂移电压大为减少，如果双端输出，则被完全抵消。

共模抑制比

Ad是差模信号放大倍数、Ac共模信号放大倍数。

越大电路的性能也就愈好。因此增大Re是改善共模抑制比的基本

措施。

4) 失调

一个理想的差分放大器，当输入信号等于零时，其输出端电压为零，但在实际电路中，由于电路不可能完全对称，所以输出电压并不为零，这种输入为零输出不为零的现象称为差分放大器的失调。失调是由于管子参数和电路元件参数不对称引起的。

为了减小失调电压应采取以下几项措施： （1）尽量采用对称的晶体管T1，T2管。 （2）采用低偏置，即

（四）带通滤波器 1) 定义：

小的电路。

带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带阻滤波器的概念相对。一个模拟带通滤波器的例子是电阻-电感-电容电路(RLC circuit)。这些滤波器也可以用低通滤波器同高通滤波器组合来产生.

2) 工作原理：

一个理想的带通滤波器应该有一个完全平坦的通带，在通带内没有放大或者衰减，并且在通带之外所有频率都被完全衰减掉，另外，通带外的转换在极小的频率范围完成。

实际上，并不存在理想的带通滤波器。滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。这通常称为滤波器的滚降现象，并且使用每十倍频的衰减幅度的dB数来表示。通常，滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好，这样滤波器的性能就与设计更加接近。然而，随着滚降范围越来越小，通带就变得不再平坦，

开始出现“波纹”。这种现象在通带的边缘处尤其明显，这种效应称为吉布斯现象。

在频带较低的剪切频率f1和较高的剪切频率f2之间是共振频率，这里滤波器的增益最大，滤波器的带宽就是f2和f1之间的差值。

3) 典型应用

许多音响装置的频谱分析器均使用此电路作为带通滤波器，以选出各个不同频段的信号，在显示上利用发光二极管点亮的多少来指示出信号幅度的大小。这种有源带通滤波器的中心频率 ，在中心频率fo处的电压增益Ao=B3/2B1，品质因数 ，3dB带宽B=1/（п*R3*C）也可根据设计确定的Q、fo、Ao值，去求出带通滤波器的各元件参数值。R1=Q/（2пfoAoC），R2=Q/（（2Q2-Ao）*2пfoC），R3=2Q/（2пfoC）。上式中，当fo=1KHz时，C取0.01Uf。此电路亦可用于一般的选频放大。

此电路亦可使用单电源，只需将运放正输入端偏置在1/2V+并将电阻R2下端接到运放正输入端既可。

三、实际仿真与研究

（一）前期准备与方案设计 1) 仿真方法

关于电路的频率响应仿真分析，我们的仿真大概分为以下几个步骤：原理学习，参数确定，电路搭建，仿真设置与结果分析。从多个方面综合分析分离器件与整体电路性质，具体分析频率响应特性，进行对比分析与总结。

其中，波特图仪（Bode Plotter）是用于测量一个电路或系统的幅频特性和相频特性的仪器，类似于实验室的频率特性测试仪。波特图仪的图标有两组接线端，左边接被测电路输入端；右边接输出端。连接时分别对应连接输入、输出端口的正、负端子。由于波特图仪内部无信号源，所以在使用时，必须在电路输入端示意性的接一个交流信号源，但不需进行任何参数设定。

2) 详细方案设计

由于差模电压增益要求为1000，需采用多级放大电路来达到增益的要求。各级放大电路均采用集成运放设计，且增益分配要均衡。输入阻抗、共模抑制比和噪声主要取决于前置级，因此，前置放大电路的设计至关重要。根据高输

入阻抗和低噪声要求，应选用输入级为JFET的运放，这里采用LF411型运放。该运放的A＝4×10^5

采用仪用放大器作为前置级。

第二级要完成的主要任务之一是进一步提高放大电路电压增益使总增益达到1000倍。其次为了消除高、低频噪声，需要设计一个带通滤波器。由于对滤波器没有特殊要求，我们采用较简单的一阶高通滤波器和一阶低通滤波器构成带通滤波器。高通滤波器的下限频率为0.05Hz，低通滤波器的上限频率为200Hz。

前置级电路图

其中，A1、A2、A3及相应电阻构成前置仪用放大器。本级分配的差模电压增益为40，其中A1、A2构的差放分配25倍，A，构成的差放分配1.6倍。为保证仪用放大器有较好的抗共模干扰能力，应选用对称的电阻参数，

即:R2＝R3、R6/R4＝R7/R5。 根据“两虚”的概念和增益分配有：

由于对电路的功耗和分布参数没有特别要求，所以可选取电阻参数R1＝2kΩ、R4＝10kΩ，由上述关系算出:R2＝R3＝24kΩ、R5＝R4＝10kΩ、R6＝R7＝16kΩ，此时前置仪用放大器差模电压增益满足设计要求。

为避免输入端开路时放大器出现饱和状态，在两个输入端到地之间分别串接两个电阻R8、R9。为满足差模输入阻抗大于10^7Ω的要求，选取R8＝R9＝20MΩ.

第二级由A4及电阻电容组成带通滤波器，由于总增益要求为1000倍，前置级已分配40倍，所以本级通带内的差模电压增益应为25倍。

已知带通滤波器通带内的差模电压增益表达式为

取R11＝1kΩ，则R12＝24kΩ。此时，通带内的差模电压总增益为:

Avd＝Avd1×Avd2×Avd3＝25x（-1.6）x25＝-1000

满足增益要求。

C、R10构成高通滤波器，设计要求为f＝0.05Hz。取R10＝1MΩ，则根据

f＝1/（2ΠC1×R10）

可算出C1＝3.18μF取C1＝3.3μF标称值的电容器，则下限频率为

f＝1/（2ΠxC1xR10）＝0.048Hz

C2、R12构成低通滤波器，要求上限频率为200Hz。根据＝1/（2ΠxC2xR12）和R12＝24kΩ可算出C2＝0.03316μF。取C2＝0.033μF标称值的电容器，则上限频率为fH＝1/（2ΠxC2xR12）＝200.95Hz，满足带宽要求。

搭建的仿真电路图

（二）分立器件分析 1) 差分放大电路幅频响应

将差分电路与其他部分分开，用波特仪单独对差分放大电路进行幅度响应分析。此时电路的环境温度为27摄氏度。

结果如下图：

将横轴单位调成十倍频程，纵坐标单位调为分贝。发现第一级差分的在所需要的频率范围（0.05-200Hz）内能稳定保持约28分贝的放大倍数，和理论计算的差距在误差范围之内，符合设计要求和预期。

2) 带通滤波器幅频响应

将带通滤波器和其他部分断开，添加一个激励源，用波特仪单独对带通滤波器进行幅度响应分析

结果如下图

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将横轴单位调成十倍频程，纵坐标单位调为分贝。发现最后一级滤波器的在所需要的频率范围（0.05-200Hz）内能稳定保持约28分贝的放大倍数，和理论计算的差距在误差范围之内，符合设计要求和预期。

（三）电路整体分析 1) 增益的频率响应分析

首先在27℃下，分别进行两种情况下的频率响应分析：无信号输入和交流小信号输入

结果如下图：

27℃无输入

27℃交流小信号

通过分析可以看出该电路对于小信号确实有1000倍的放大倍数，但是在没有输入的时候输出级还是会有很微弱的信号，但是经过分析发现在对需要放大的信号进行放大后，该影响可以消除，具体分析见下一部分温度对该电路的影响。

除此之外，我们还对电路整体的频响特性进行了分析，结果如下：

27℃差模信号频响特性

通过这次分析可基本确定该电路达到了设计要求的1000倍放大，并且其通带也符合设计要求。

2) 温度对增益的影响分析

为了确定温度对电路特性的影响，我们用温度扫描分析了温度对静态工作点和单频小信号的影响。

由此我们得到我们的仿真结果如下图所示，很容易可以看出电路在0-100℃条件下对单频小信号的增益基本平稳，波动很小，说明该电路在所需要的工作环境中有比较强的温度稳定性。但是另一方面，通过温度对静态工作点的影响可以看出在比较理想的情况下对应的温度是0-60℃，这个温度范围与上述的0-100℃有一定的差距，应该取其交集，即0-60℃。也就是说在可以消除静态时输出的影响时该电路的工作温度范围是0-60℃。

单频小信号温度扫描

温度对静态工作点的影响

四、研究心得与总结

（一）选题

在本次小组研究项目所建议的三个研究方向中，本小组在组建后，基于现阶段自身所学习的相关专业知识和实际情况，在经过讨论后，选择了使用仿真工具分析其频率响应特性作为本小组电路理论课外课题研究的方向。在经过一段时间的资料搜集后，我们具体选择基于LF411型运算放大器的微弱信号放大器的仿真及其特性研究作为本小组的研究课题。

（二）确定研究方案

在选题确定后，小组成员利用电路仿真软件Multisim进行微弱信号放大器的具体电路的绘制，并确定电路相关参数。随后小组成员分别对复杂电路的各个组成部分的功能，分立器件的幅频响应，增益的频率相应以及温度对增益的影响四个方面进行分析，最后进行归纳与总结。

（三）实验实践

在本次小组研究项目中，我们所接触和使用的主要研究工具就是电路仿真软件Multisim，利用电路仿真软件对已经设计出的电路图进行模拟与分析，为我们的研究提供了极大的便利。

在实际的电路仿真过程中，由于我们自身对Multisim使用的熟练程度不高以及电路仿关知识的不完备，在研究的各个阶段都遇到过问题。在电路的搭建过程中，由于可变电阻和相关参数的原因，导致电路的增益与结果有大幅度的偏差，前期多次结果都远远小于目标增益。以及在分析的过程中对扫描的使用的不熟悉，导致分析结果与理论值出现严重误差。在遇到问题后，小组成员通过资料查询，咨询老师等方法，对问题进行解决。

（四）团队合作

小组在组建后快速的确定了研究方向以及选题等各方面的问题，明确了各个成员的具体工作安排，电路搭建，仿真分析，搜集资料，撰写报告等，所有成员等能参与到研究当中来，又使团队有效率的完成了研究任务。