基于Multisim的集成运放分析与仿真

1、课程设计基于Multisim的集成运放分析与仿真（第二章）实习内容： 认识实习 R课程设计专业实习 教育实习 生产实习 教学实习 毕业实习 实习形式： 集中 R 分散学生姓名： 学 号： 学院名称： 信息工程学院 专业班级： 电气工程及其自动化132班 实习单位： 南昌大学信息工程学院 实习时间： 年 月 日目录1 绪论 12 运算放大器的基本运用 22.1 同相放大器 22.2 反相放大器 42.3 同相输入和反相输入放大电路的其他应用 62.3.1 求差电路 62.3.2 仪用放大器 92.3.3 求和电路 102.4 积分电路和微分电路 112.4.1 积分电路 112.4.2 微分电路

2、 133 运算放大器的综合运用 143.1 课本例2.3.2 143.2 课本习题2.4.3 173.3 课本例SPICE 2.5.2 194 心得体会 21I1 绪论本课程设计的课题是对电子技术基础 模拟部分 (第五版)的第二章进行Multisim仿真。要求为：需要做10个仿真算例，其中3个复杂的，按各章节内容知识，做到内容饱满。第二章运算放大器首先介绍了集成运放内部的主要结构、理想运算放大器和电路模型。然后用线性电路理论分析由理想运放和电阻、电容等元件构成的简单应用电路，包括基本的同相放大电路，反相放大电路和由他组成的求差（减法）、求和（加法）、积分、微分电路及仪用放大器。较早学习这些应用

3、电路，有利于启发学生创新思维，打破对电子技术的神秘感。232 运算放大器的基本运用2.1 同相放大器反比例电路如图2.1.1所示，输入交流电压有效值为10mV，R1=10k，R2= 20k。理论计算：Av=VoVi=R1R1+ R2=1+R2R1vo=Avvi 图2.1.1 同相放大电路 带入数据，得： Av=3 vo=30mV 仿真结果与理论分析一致，输出信号与输入信号同相位，电压增益为3。 图2.1.2 输入输出波形 对该电路进行直流扫描，得到该电路的传输特性曲线vo=f(vi) ，由传输特性曲线可知输出电压vo不可能超越正、负电压的极限值±15V。 图2.1.3 传输特性曲线对

4、该电路进行交流小信号分析，得到幅频响应曲线和相频响应曲线，如图2.1.4所示 图2.1.4 幅频响应和相频响应2.2 反相放大器反相放大器电路如图2.1.1.1所示，R1=10k，R2=20k欧姆，R3=R1|R2=6.67k。由虚短和虚断可得：vi-vnR1=vn-voR2Av=VoVi=-R2R1 图2.2.1 反相放大器代入数据，得：Av=-2 vo=-20mV 仿真结果与理论计算一致，输出信号与输入信号相位相反，电压增益为-2。 图2.2.2 反相放大器仿真结果平衡电阻R3的作用：(1) 为芯片内部的晶体管提供一个合适的静态偏置。 芯片内部的电路通常都是直接耦合的，

5、它能够自动调节静态工作点，但是，如果某个输入引脚被直接接到了电源或者地，它的自动调节功能就不正常了，因为芯片内部的晶体管无法抬高地线的电压，也无法拉低电源的电压，这就导致芯片不能满足虚短、虚断的条件，电路需要另外分析。(2)消除静态基极电流对输出电压的影响，大小应与两输入端外界直流通路的等效电阻值平衡。对该电路进行直流扫描，得到该电路的传输特性曲线vo=f(vi)。从图中可以看出在到达正、负极限值之前，斜率为-2，即电压增益为Av=-2。图2.2.3 传输特性曲线 对该电路进行交流扫描，得到幅频响应和相频响应曲线，如图2.1.1.4。从图中科看出电压增益为-2。图2.2.4 幅频响应和相频响应

6、2.3 同相输入和反相输入放大电路的其他应用2.3.1 求差电路 求差电路如图所示，i1、i2、i3、i4分别表示流过R1、R2、R3、R4的电流，电阻阻值如图2.3.1.1所示，输入信号vid=vi2-vi1=10mV。接下来计算该电路的增益： 图2.3.1.1 求差电路由 i1=i4，即 vi1-vnR1=vn-voR4 及 i2=i3，即 vi2-vpR2=vpR3 再由虚短 vn=vp 代入上式，可得 vo=R1+R4R1R3R2+R3vi2-R4R1vi1 =1+R4R1R3R21+R3R2vi2-R4R1vi1 当 R4R1=R3R2时，输出电压可简化为 vo=R4R1(vi2-v

7、i1) 输入电阻 Ri=vi2-vi1i=2R1 代入数据，得 vo=20k10k *10mV=20mV Ri=2R1=20k 输入输出波形如图2.3.1.2所示，输出电压和vi2-vi1同相，电压增益为2图2.3.1.2 输入输出波形对该电路进行直流扫描，得到该电路的传输特性曲线vo=f(vi1-vi2)图2.3.1.3 传输特性曲线 对该电路进行交流扫描，得到幅频响应和相频响应曲线。图2.3.1.4 幅频响应和相频响应 为研究该电路的输入电阻，以vid为横坐标，Ri=vidip为纵坐标，进行直流扫描分析，得到输入电阻随输入电压变化的关系曲线，如图2.1.3.5。图2.1.3.5 输入电阻与

8、输入电压的关系 从图中可以看出在正常工作状态下该电路的输入电阻为20k，与理论计算一致。2.3.2 仪用放大器 仪用放大器电路如图， vid=vi1-vi2 =20mV-10mV =10mV , R1=1k，R2=2k,R3=3k,R4=4k图2.3.2.1 仪用放大器理论计算如下： 左侧两个运放形成虚短和虚断，因而有vR1=v1-v2和vR1R1=(v3-v4)(2R2+R1)，故得 v3-v4=2R2+R1R1vR1=(1+2R2R1)(v1-v2) 所以 vo=-R4R3v3-v4=-R4R3(1+2R2R1) (v1-v2) Av=vov1-v2=-R4R3(1+2R2R1)代入数据，

9、得 Av=-431+2*21=-6.67 vo=Avv1-v2=-6.6720mV-10mV=-66.7mV 仿真结果和理论计算一致。2.3.3 求和电路图2.3.3.1 求和电路 利用虚短、虚断和虚地的概念，即vp-vn=0，ii=0和vn=0，写出输入端的节点电流方程为 i1+i2+i3=i4 或 vs1R1+vs2R2+vs3R3=-voR4 由此得 vo=-(R4R1vs1+R4R2vs2+R4R3vs3) =Av1vs1+Av2vs2+Av3vs3 带入数据，得 vo=4*10+2*10+43*10 =73.3mV 仿真结果为73.9mV，与理论计算的误差只有0.82%，忽略误差，则

10、仿真结果与理论计算一致。2.4 积分电路和微分电路2.4.1 积分电路图2.4.1.1 积分电路 积分电路如图2.4.1.1所示，vn-vo=1Cidt=1CvIRdt vo=-1RCvIdt 带入数据R=10k，C=1nF，得 vo=-1×105vIdt V当输入为方波时，输出为三角波，如图2.4.1.2所示图2.4.1.2 积分电路的输入输出波形 2.4.2 微分电路 图2.4.2 微分电路 设t=0时，电容器C的初始电压vc(0)=0，当信号vi接入后，便有 ii=Cdvidt vn-vo=i1R=RCdvidt vo=-RCdvidt 上式表明，输出电压vo正比于输入电压vi

11、对时间的微商，负号表示他们的相位相反。图2.4.2为输入三角波时的微分电路输入输出波形。 图2.4.2 微分电路输入输出波形 3 运算放大器的相关计算3.1 课本例2.3.2 将图3.1.1所示电路的电阻R2用T形网络代替，如图3.1.2所示。（1）求电路的电压增益表达式Av=VoVi；（2）该电路作为话筒的前置放大电路，若选R1=51k，R2=R3=390k，当vo=-100vi 时，计算R4的值；（3）直接用R2代替T型网络的电阻时，当R1=51k，Av=-100时，求R2的值。 图3.1.1 图3.1.2 解：(1) 利用虚地vn=0和虚断in=ip=0的概念，列出节点n和M的电流方程为

12、 i1=i2，即vi-0R1=0-v4R2 及 i2+i4=i3 ，即0-v4R2+0-v4R4=v4-v0R3 解上述方程组得 v41R2+1R4+1R3=v0R3 -viR1R21R2+1R4+1R3=v0R3 因此闭环增益为 Av=vovi=-R2+R3+(R2R3/R4)R1 (2) 当R1=51k，R2=R3=390k，Av=-100时，有 Av=-390+390+(390*390)/R451=-100 R4=35.2k R4可用50k电位器代替，然后设置R4=35.2k，使Av=-100。即可利用调节R4的值来改变电压增益的大小。 (3) 若Av=-100，用R2代替T型网络时，R

13、2为 R2=-(AvR1) = 100*51 k=5100k 由上述分析可看出，用T型网络代替反馈电阻R2时，可用低阻值电阻（R2 、R3、R4）的网络得到高增益的放大电路。 对计算结果进行仿真，得到图3.1.3和图3.1.4 图3.1.3 图3.1.4 由仿真可看出，当R1=51k，R2=R3=390k，R4=35.2k时，电压增益的绝对值为110；当用R2=5100k代替T型网络时，电压增益的绝对值为110。 用双踪示波器观察输入输出波形，图3.1.3电路和图3.1.4电路的输入输出波形分别如图3.1.5和图3.1.6所示。从图中可知输出信号与输入信号相位相反。所以图3.1.3电路和图3.

14、1.4电路的电压增益都为Av=-110，与理论计算 “Av=-100” 存在10%的误差。 图3.1.5 图3.1.6 在图3.1.4电路中，对R4从0欧姆到50k进行参数扫描，如图3.1.7，输出电压增益，选择电压增益为100的曲线，得到R434.7k，与理论计算“R4=35.2k”存在1.7%的误差。通过各条曲线的对比可知，|Av|随R4的增大而减小。 图3.1.7 参数扫描R43.2 课本习题2.4.3仪用放大器电路如图3.2.1所示，设电路中R4=R3，R1为一固定电阻R1'=1k和一电位器Rp串联，若要求电压增益在5400之间可调，求所需电阻R2、Rp的阻值范围。并选取R2、

15、R3、R4和Rp，但电路中每个电阻值必须小于250k。 图3.2.1解：由仪用放大器的电压增益公式可知，Av=vov1-v2=-R4R3(1+2R2R1)，当最大增益|Admax|=400时，设R1=R1'+Rp，当R1=R1'=1k，得400=R4R31+2R2R1'=1(1+2R21k) R2=(400-1)/2k=199.5k，取R2=200k 最小电压增益|Admin|=5时，为5=1(1+2*1001+Rp)Rp=400-44k=99k，取Rp=100k 取R3=R4=51k，R2=200k，Rp=100k（电位器）可满足Av在（5400）之间可调。 接下来对

16、计算结果进行Multisim仿真，将计算结果代入图3.2.1中，得图3.2.2 图3.2.2在输出端用万用表测量输出电压有效值，得以下结果：Rp (k)Av0400567.61037.3152620203013.94010.8607.6805.91005用excel绘制曲线图，得到Av和Rp的关系曲线，如图3.2.3。图3.2.3 Av和Rp的关系曲线3.3 课本例SPICE2.5.2电路如图3.3.1所示。运放LF411的电源电压V+=+15V，V-=-15V，电容器C的初始电压vc0=0。（1）当输入电压vi的幅度为1V，频率为1kHz，占空比为50%的正弦波时，求输出电压vo的波形；（2

17、）去掉电阻R2，重复（1）的要求。图3.3.1解：（1）用双踪示波器测量输入信号和输出信号，输入、输出波形如图3.3.2所示。由图中看出，电路开始工作后，要经一定的时间，输出电压才能稳定。等vo稳定后vo为三角波。 图3.3.2 输入输出波形（2）去掉电阻R2后，输出电压波形如图3.3.3所示。由图中看出，由于电容器C没有放电回路，输出电压vo经过一段时间达到饱和状态，vo=-14.188V。此时电压值接近V-值，已无三角波电压输出。图3.3.3 去掉电阻R2的输入输出波形4 心得体会虽然这次课程设计没有抽到自己感兴趣的题目，但我还是决定认真地完成。抽到自己擅长的题目固然好，但做自己不擅长的项目更能提高自己的综合能力。Multisim仿真是我的弱项，平时除了完成作业我基本上不用Multisim，这次课程设计正好能让我重新学习Multisim，弥补平时的不足。通