運(yùn)算放大器應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)與制作

1、運(yùn)算放大器應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)與制作一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握運(yùn)算放大器和濾波電路的基本工作原理；2. 掌握運(yùn)用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)濾波電路的原理方法；3. 會(huì)用Multisim10對(duì)電路進(jìn)行仿真分析；二 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 講解運(yùn)算放大器和濾波電路的基本工作原理；2. 講解用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)濾波電路的原理方法；3. 用Multisim10對(duì)二階有源低通濾波電路進(jìn)行仿真分析；三 實(shí)驗(yàn)儀器1. 支持Win2000/2003/Me/XP/vista的PC機(jī)；2. Multisim10軟件;四 實(shí)驗(yàn)原理(一） 運(yùn)算放大器1.原理運(yùn)算放大器是目前應(yīng)用最廣泛的一種器件,當(dāng)外部接入不同的線性或非線性元器件組成輸入和負(fù)反饋電路時(shí)，

2、可以靈活地實(shí)現(xiàn)各種特定的函數(shù)關(guān)系。在線性應(yīng)用方面，可組成比例、加法、減法、積分、微分、對(duì)數(shù)等模擬運(yùn)算電路。運(yùn)算放大器一般由4個(gè)部分組成，偏置電路，輸入級(jí)，中間級(jí)，輸出級(jí)。 圖1運(yùn)算放大器的特性曲線 圖2運(yùn)算放大器輸入輸出端圖示 圖1是運(yùn)算放大器的特性曲線，一般用到的只是曲線中的線性部分。如圖2所示。U-對(duì)應(yīng)的端子為“-”，當(dāng)輸入U(xiǎn)-單獨(dú)加于該端子時(shí)，輸出電壓與輸入電壓U-反相，故稱它為反相輸入端。U+對(duì)應(yīng)的端子為“”，當(dāng)輸入U(xiǎn)+單獨(dú)由該端加入時(shí)，輸出電壓與U+同相，故稱它為同相輸入端。 輸出：U0= A(U+-U-) ； A稱為運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益（開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)）。在實(shí)際運(yùn)用經(jīng)常將運(yùn)放理想

3、化，這是由于一般說(shuō)來(lái)，運(yùn)放的輸入電阻很大，開(kāi)環(huán)增益也很大，輸出電阻很小，可以將之視為理想化的，這樣就能得到:開(kāi)環(huán)電壓增益Aud=；輸入阻抗ri=；輸出阻抗ro=0；帶寬fBW=；失調(diào)與漂移均為零等理想化參數(shù)。2.理想運(yùn)放在線性應(yīng)用時(shí)的兩個(gè)重要特性輸出電壓UO與輸入電壓之間滿足關(guān)系式：UOAud（U+U）,由于Aud=，而UO為有限值，因此，U+U0。即U+U，稱為“虛短”。由于ri=，故流進(jìn)運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電流可視為零，即IIB0，稱為“虛斷”,這說(shuō)明運(yùn)放對(duì)其前級(jí)吸取電流極小。上述兩個(gè)特性是分析理想運(yùn)放應(yīng)用電路的基本原則，可簡(jiǎn)化運(yùn)放電路的計(jì)算。3. 運(yùn)算放大器的應(yīng)用 (1)比例電路所謂的比例電

4、路就是將輸入信號(hào)按比例放大的電路，比例電路又分為反向比例電路、同相比例電路、差動(dòng)比例電路。(a) 反向比例電路 反向比例電路如圖3所示，輸入信號(hào)加入反相輸入端: 圖3反向比例電路電路圖 對(duì)于理想運(yùn)放，該電路的輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為：為了減小輸入級(jí)偏置電流引起的運(yùn)算誤差，在同相輸入端應(yīng)接入平衡電阻RR1 / RF 。輸出電壓U0與輸入電壓Ui稱比例關(guān)系，方向相反，改變比例系數(shù)，即改變兩個(gè)電阻的阻值就可以改變輸出電壓的值。反向比例電路對(duì)于輸入信號(hào)的負(fù)載能力有一定的要求。 (b) 同向比例電路 同向比例電路如圖4所示，跟反向比例電路本質(zhì)上差不多，除了同向接地的一段是反向輸入端:圖4 同相比例

5、電路電路圖 它的輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系為： ； RR1 / RF只要改變比例系數(shù)就能改變輸出電壓，且Ui與U0的方向相同，同向比例電路對(duì)集成運(yùn)放的共模抑制比要求高。(c) 差動(dòng)比例電路 差動(dòng)比例電路如圖5所示，輸入信號(hào)分別加在反相輸入端和同相輸入端: 圖5 差動(dòng)比例電路電路圖 其輸入和輸出的關(guān)系為：可以看出它實(shí)際完成的是：對(duì)輸入兩信號(hào)的差運(yùn)算。(2)和/差電路(a)反相求和電路其電路圖如圖6所示（輸入端的個(gè)數(shù)可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整）: 圖6 反相求和電路圖其中電阻R滿足：它的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為： 它的特點(diǎn)與反相比例電路相同，可以十分方便的通過(guò)改變某一電路的輸入電阻，來(lái)改變電路的比例關(guān)

6、系，而不影響其它支路的比例關(guān)系。(b)同相求和電路 其電路如圖7所示（輸入端的個(gè)數(shù)可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整）:圖7 同向求和電路圖它的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為：它的調(diào)節(jié)不如反相求和電路，而且它的共模輸入信號(hào)大，因此它的應(yīng)用不很廣泛。(c)和差電路其電路圖如圖8所示,此電路的功能是對(duì)Ui1、Ui2進(jìn)行反相求和，對(duì)Ui3、Ui4進(jìn)行同相求和，然后進(jìn)行的疊加即得和差結(jié)果。圖8 和差電路圖它的輸入輸出電壓的關(guān)系是：由于該電路用一只集成運(yùn)放，它的電阻計(jì)算和電路調(diào)整均不方便，因此我們常用二級(jí)集成運(yùn)放組成和差電路。它的電路圖如圖9所示:圖9 二級(jí)集成和差電路圖它的輸入輸出電壓的關(guān)系是： 它的后級(jí)對(duì)前級(jí)沒(méi)有影響（

7、采用理想的集成運(yùn)放），它的計(jì)算十分方便。(3) 積分電路和微分電路(a)積分電路其電路圖如圖10所示：它是利用電容的充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)積分運(yùn)算，可實(shí)現(xiàn)積分運(yùn)算及產(chǎn)生三角波形等。 圖10 積分電路圖它的輸入、輸出電壓的關(guān)系為：其中: 表示電容兩端的初始電壓值.如果電路輸入的電壓波形是方形，則產(chǎn)生三角波形輸出。(b)微分電路微分是積分的逆運(yùn)算，它的輸出電壓與輸入電壓呈微分關(guān)系。電路如圖11所示:圖11 微分電路圖它的輸入、輸出電壓的關(guān)系為：(4) 對(duì)數(shù)和指數(shù)運(yùn)算電路(a)對(duì)數(shù)運(yùn)算電路對(duì)數(shù)運(yùn)算電路就是是輸出電壓與輸入電壓呈對(duì)數(shù)函數(shù)。我們把反相比例電路中Rf用二極管或三級(jí)管代替級(jí)組成了對(duì)數(shù)運(yùn)算電路。電路圖如

8、圖12所示：圖12 對(duì)數(shù)運(yùn)算電路它的輸入、輸出電壓的關(guān)系為（也可以用三級(jí)管代替二極管）:(b)指數(shù)運(yùn)算電路指數(shù)運(yùn)算電路是對(duì)數(shù)運(yùn)算的逆運(yùn)算,將指數(shù)運(yùn)算電路的二極管(三級(jí)管)與電阻R對(duì)換即可。電路圖如13所示:圖13 指數(shù)運(yùn)算電路它的輸入、輸出電壓的關(guān)系為：利用對(duì)數(shù)和指數(shù)運(yùn)算以及比例，和差運(yùn)算電路，可組成乘法或除法運(yùn)算電路和其它非線性運(yùn)算電路。(二)無(wú)源濾波電路濾波電路的作用：允許規(guī)定范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)；而使規(guī)定范圍之外的信號(hào)不能通過(guò)。濾波電路的分類：*低通濾波器：允許低頻率的信號(hào)通過(guò)，將高頻信號(hào)衰減；*高通濾波器：允許高頻信號(hào)通過(guò)，將低頻信號(hào)衰減；*帶通濾波器：允許一定頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，將此頻

9、帶外的信號(hào)衰減；*帶阻濾波器：阻止某一頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，允許此頻帶以外的信號(hào)衰減； 僅由無(wú)源元件（電阻、電容、電感）組成的濾波電路，為無(wú)源濾波電路。它有很大的缺陷如：電路增益小，驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力差等。為此我們要學(xué)習(xí)有源濾波電路。（三）有源濾波電路有源濾波器是指利用放大器、電阻和電容組成的濾波電路，可用在信息處理、數(shù)據(jù)傳輸、抑制干擾等方面。但因受運(yùn)算放大器頻帶限制，這種濾波器主要用于低頻范圍。(1)一階有源低通濾波器其電路如圖14-a所示，它是由一級(jí)RC低通電路的輸出再接上一個(gè)同相輸入比例放大器構(gòu)成, 幅頻特性如圖14-b所示, 通帶以外以/十倍頻衰減:圖14-a 一階有源低通濾波電路 圖14-

10、b 一階有源低通幅頻特性 該電路的傳遞函數(shù)為:式中稱為截止角頻率，傳遞函數(shù)的模為幅角為。(2)二階有源濾波電路為了使輸出電壓以更快的速率下降，以改善濾波效果，再加一節(jié)RC低通濾波環(huán)節(jié)，稱為二階有源濾波電路。它比一階低通濾波器的濾波效果更好。二階有源濾波器的典型結(jié)構(gòu)如圖15所示： 圖15 二階有源濾波器典型結(jié)構(gòu)圖中，Y1Y5為導(dǎo)納，考慮到UPUN，可列出相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)方程式為：在節(jié)點(diǎn)A 有： 在節(jié)點(diǎn)B有： 聯(lián)立以上二等式得： 考慮到：則：A(S)即是二階壓控電壓源濾波器傳遞函數(shù)的一般表達(dá)式。只要適當(dāng)選擇Yi （i15），就可以構(gòu)成低通、高通、帶通等有源濾波器。五 . 實(shí)驗(yàn)步驟1. 設(shè)Y11/R1，

11、Y2sC1， Y30， Y41/R2，Y5sC2，將它們代入A(S)中，可得到二階壓控電壓源低通濾波器的傳遞函數(shù)如下:令 則有：上式為二階低通濾波器傳遞函數(shù)的典型表達(dá)式。其中n為特征角頻率，而Q則稱為等效品質(zhì)因數(shù)。2. 啟動(dòng)Multisim10，按圖16在工作區(qū)搭建二階有源低通濾波器。 圖16二階有源低通濾波器電路3. 啟動(dòng)仿真，點(diǎn)擊波特圖儀，可以看見(jiàn)二階有源低通濾波器的幅頻特性如圖17所示。圖17二階有源低通濾波器的幅頻特性4. 利用AC Analysis（交流分析）分析二階有源低通濾波器電路的頻率特性。分析步驟如下： 點(diǎn)擊OptionsPreferencesShow node names使

12、圖16電路顯示節(jié)點(diǎn)編號(hào)，在本電路中輸出節(jié)點(diǎn)編號(hào)為2。 點(diǎn)擊SimulateAnalysisAC Analysis，將彈出AC Analysis對(duì)話框，進(jìn)入交流分析狀態(tài)。在圖18所示Frequency Parameters參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中，確定分析的起始頻率、終點(diǎn)頻率、掃描形式、分析采樣點(diǎn)數(shù)和縱向坐標(biāo)（Vertical scale）等參數(shù)。其中：在Start frequency窗口中，設(shè)置分析的起始頻率，默認(rèn)設(shè)置為1Hz，在本例中設(shè)置為1Hz。圖18 Frequency Parameters參數(shù)設(shè)置對(duì)話框在Stop frequency（FSTOP）窗口中，設(shè)置掃描終點(diǎn)頻率，默認(rèn)設(shè)置為10GHz，

13、在本例中設(shè)置為10KHz。在Sweep type窗口中，設(shè)置分析的掃描方式，包括 Decade（十倍程掃描）和 Octave（八倍程掃描）及Linear（線性掃描）。默認(rèn)設(shè)置為十倍程掃描（Decade選項(xiàng)），以對(duì)數(shù)方式展現(xiàn)，在本例中選擇默認(rèn)設(shè)置。在Number of points per decade窗口中，設(shè)置每十倍頻率的分析采樣數(shù)，默認(rèn)為10，在本例中選擇默認(rèn)設(shè)置。在Vertical Scale窗口中，選擇縱坐標(biāo)刻度形式：坐標(biāo)刻度形式有Decibel（分貝）、Octave（八倍）、Linear（線性）及Logarithmic（對(duì)數(shù)）形式。默認(rèn)設(shè)置為對(duì)數(shù)形式，在本例中選擇默認(rèn)設(shè)置。 在圖19

14、所示Output對(duì)話框中，可以用來(lái)選擇需要分析的節(jié)點(diǎn)和變量。在Variables in Circuit欄中列出的是電路中可用于分析的節(jié)點(diǎn)和變量。點(diǎn)擊 Variables in circuit窗口中的下箭頭按鈕，可以給出變量類型選擇表。在變量類型選擇表中：點(diǎn)擊Voltage and current選擇電壓和電流變量。點(diǎn)擊Voltage選擇電壓變量。點(diǎn)擊 Current選擇電流變量。 點(diǎn)擊DeviceModel Parameters 選擇元件模型參數(shù)變量。點(diǎn)擊All variables選擇電路中的全部變量。在本例中選擇All variables。首先從 Variables in circuit欄中選取輸出節(jié)點(diǎn)2，再點(diǎn)擊 Add按鈕，則輸出節(jié)點(diǎn)2出現(xiàn)在 Selected variables