指数运算电路的设计与实现 实验报告

模电综合实验报告指数运算电路的设计与实现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小，%是温度函数，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本实验中设计的k=

3.

2.此外要满足【1】电路的输入阻抗Ri2100K【2】.输入信号大小为015V〜

[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PCBO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，使之满足为2100k规范性如达不到也会产生影响，尤其在此次实验，由于考虑到电容充放电效应带来的影响，电容取值较小以消除高频，但这样，线间的电容电感效应就足以对实验产生影响；

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、绘制的原理图及制板图PROTEL PCB

七、所用仪器及器件清单

1.所用元器件集成运算放大器0P07（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Logical DesignatorComment SingleChannelSheetl.SchD-15V VSRC-15V0□15V VSRC15V□200Hz VSIN200HzAR1Op07AR1JJ AR2Op AmpAR2□AR3Op07AR3□AR4Op07AR40C1Cap C1□C2Cap C2□C3Cap C3□C4Cap C4□C5Cap C5□R1Re$2R1□R2Re$2R20R3Res2R3R4□Re52R4□R5Re$2R5R6□R6Re$20R7Re$2R7□R8Res2R8□R9Re52R9R10R10d Re$2□R11Re$2R11□R12Re$2R12□R13Re$2R13R14□R14Re$20Ro Re$2Ro□T1NPN T1NPN□T2T2NPNJ T3T3□T4NPN T4

八、参考文献

1.电子电路综合设计实验教程北京邮电大学电路中心2008年3月【2】.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忧%=Bd%=BeklnUiA InUi_c-B两边取对数攵In%=In%B调整相关参数使B=1即练=〃3本实验设置K=3三.分块电路和总体电路的设计1基本对数运算电路+15v如图所示利用虚地特性三极管Q2工作在=的临界放大状态U_则1=i阿a Uo=~UES%-r—eUrIES U0%R但该电路存在两个问题

①知必须为正则U.为负，以使晶体管处于放大导通状态；

②/以，力都是温度的函数，其运算结果受温度影响很大，如何改善对数放大器的温度稳定性是实际应用中要解决的一个重要问题一般改善方法是用对管消除小的影响；用热敏电阻补偿力的温度影响2加温度补偿的对数放大器P词U UiclXIESIT T%el1ESI广°Ur Inube21ES2T2的基极电位为:上一忧+忧In-In—UB=BET BE2-UT1ES2II ESIR4忽略T2的基极电流，uB〜H3+R

4.R31U\n\-1+——T+——I R4l，c21ESIR4选择TI,T2两管参数对称，/附，则ES2〃八鲁尸―一尸孟R尸3”R21+-------X—R4这样,利用TI,T2两管特性的一致性,可将心的影响消除

（3）加温度补偿的反对数放大器由二极管特性可知:E=IES eU r_•__°一彳E=lr=q=—R»E=-R IES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完整的电路图如下:Q2N2222Q2N2222图中AL TLA4,T4组成基本运算电路A2,T2,A3,T3组成温度补偿电路R2U.}R

3、----x—U\nT〔即vjU AU=—UBE4+BE3UBE3UBE4,UoA7z4=---eM2ESAz4U=-U]n--x,ES4A T同样，T

3、T4选用特性一致的三极管，则:了一/

4、、

一、/Uo R9TTln—=-ln—xU——U UAT T「i31V R12A R忽略T3基极电流，则:RI3UolR1+R2（）（）u X-1+-U ln—X—T01R4/R5V/+里）/ln（型x竺）H4AR1+R2丁R5VR一in（丝x幽）二一（1+ln（旦竺）,V R12R1+R2R4T R5VR R要实现，取夫9=i5=15丫R12x%Uo=U R则R12=R15=100K,R6=R9=

1.5M所以，Uo=U°ODI DQDA其中，K=x,取R「R4=1K,R2=

4.55K,R3=

15.7KR1+R2R470十心0则K=

3.009,Uo=U0PROTEL绘制最终电路图:

4.四.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Ri^lOOK Q.理论值Ri=R5=100K,在运放虚地特性良好的情况下输入阻抗的要求肯定满足的

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达到实验基本要求

3.主要测试数据

①unv U=1V；O

②Ui=

1.IV U=l.3V；0L2V U

1.7V；

③口二=@Ui=l.5V U=

3.4V；o

⑤UNV U=8V oo

4.测试及调试过程必要的测试方法在输入端接入的是函数信号发生器，用以输入三角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三角波含直流成分（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.故障及问题分析基本常见故障的避免，有效地调试准备

①检查电路连线是否正确，包括错线、少线和多线按照电路图检查安装的线路；

②准备测试设备要准备好测量仪器和测试设备，检查是否处于良好的工作状态，检查测量仪器和测试设备的功能选择开关、量程挡位是否处于正确的位置，尤其要注意测量仪器和测试设备的精度是否符合技术文件规定的要求，能否满足测试精度的需要;

③检查导线及电阻等相关器件的正常特性使用万用表；

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，连接处有无接触不良，二极管、三极管、集成电路和电解电容极性等是否连接有误主要通过合理布线，避免面包板上相邻元器件的管脚短接经过上述的检测，仍然出现了如下的问题

1.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

①直流电源的负电压接反了，应该红夹子接地，黑夹子接负电源端，导致运放没有进入工作状态，属于断路状态；

②运算放大器被烧毁，这通过通过仪器检测和元件更换得到解决在以上问题都排查检验确实无误后，又出现下列情况

[1]对数放大电路的波形基本符合理想情况,且按照教材所列出的电容加上后，第一级输出没有干扰，滤波很好这是在没有考虑倍数的前提条件下而在第二级的测试中，输出波形虽然大体满足指数函数的形状，但干扰很大这时通过不断的尝试在第四个运放的1,2脚加了151pf的电容后（课本上没有），波形稳定且无干扰

[2]最初据输入输出的里萨如图显示知放大倍数差得很远，2V的输入信号经指数放大电路后输出电压只在IV附近这时检查电路后发现四个三极管8050的型号不同，更换后波形稍有改善【3】虽有改善，但倍数还差的很远，考虑到倍数的K跟RI,R2,R3,R

4.的比值有关，而且电阻的组织存在误差，面包板的情况也不一样通过给R1串电阻，R2并电阻，输出的幅值有很大改善，基本达到实验要求

[4]但IV的输入的对应不到IV的输出，也就是b的值不等于

1.这主要是和R9,R12,R5,R6有关通过并上大电阻给阻值稍作修正

[5]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;最后，经过多次调整，出来的波形无论数值还是波形上都达到了实验要求，效果很好

六、总结和结论

1.这次实验主要是提高我们对综合实验的认知和学会灵活的运用上学期做实验所学会的技能；

2.提高了独立学习能力，实验仿真所用的PROTEL DXP,Pspice,均是通过查阅相关书籍，才学会了相关操作，但感觉这两个软件在元件的查找上都有一定的困难，同时仿真过程出现问题极多，至今仍未获得完整电路的仿真图，仿真错误在相关位置均有提及；

3.更为深刻的理解到模电实验所需要的严谨性，譬如布线的。