运算放大器的设计与仿真

1、集成运算放大器放大电路仿真设计1集成运算放大器放大电路概述集成电路是一种将“管”和“路”紧密结合的器件，它以半导体单晶硅为芯片，采用专门的制造工艺，把晶体管、场效应管、二极管、电阻和电容等元件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起，使之具有特定的功能。 集成放大电路最初多用于各种模拟信号的运算（如比例、求和、求差、积分、微分）上，故被称为运算放大电路，简称集成运放。集成运放广泛用于模拟信号的处理和产生电路之中，因其高性价能地价位，在大多数情况下，已经取代了分立元件放大电路。2电路原理分析2.1电路如图1所示此电路为反向比例运算电路，这是电压并联负反馈电路。输入电压V1通过电阻R1作用于集成

2、运放的反相输入端，故输出电压V0与V1反相。图2仿真结果图输入输出关系理论输仿真输出值电路功能出值V0 = -RFV1R1-5V-5V反相比例运算电路其中R2 = RF / R1此电路为反相求和运算电路，其电路的多个输入信号均作用于集成运放的反相输入端,根据“虚短"和“虚断”的原则，uN=up=0,节点n的电流方程为i1+i3 = iF所以 U0 = -RF(Ui1 UL2)R3 R123图4仿真结果图输入输出关系理论输出值仿真输出值电路功能U0 = -RF( +)R3 R1-3V2.999V反相求和放大电路其中 R2 = R1 R3/ RF2.3电路如图5所示1此电路为电压跟随器电

3、路，此电路输出电压的全部反馈到反相输入端，电路引入电压串联负反馈，且反馈系数为1,由于u0 =up =uN ,故输出电压与输入电压的关系为7uo = ui输入输出关系理论输出值仿真输出值电路功能uo = ui100mV1000.008mV电压跟随器图6仿真结果图从对比例运算电路和求和运算电路的分析可知，输出电压与同相输入端信号电压极性相同，与反相输入端信号电压极性相反，因而如果多个信号同时作用于两个输入端时,就可以实现加减运算。 RFUO=UO1 -2' UOL询Ui1U O2RFR3i2万用表-XMM1*图8仿真结果图输入输出关系理论输出值仿真输出值电路功能, c-Ui2 UilU

4、o RF（一 ）R3 R11V1V加减运算电路2.5电路如图9所示此电路为积分运算电路，利用积分运算电路可以实现方波一三角波的波形变换和正弦一 余弦的移相功能。其中，电路输入为 100Hz/2V的方波，输出为 Vopp=100mV2.6电路如图11所示图10仿真结果图输入方波，输出三角波11此电路为微分运算电路，根据“虚短”和“虚断”的原则,Up =Un = 0 ,为“虚地”，电容U c 1du, u I ，因而 iR2=ic1=C 出输出电压为Uodu,=Mr2R2 = -R2C1-L,输出电压与输入电压的变化率成比例。 dt输入方波（RC<<T/2）,输出为尖顶波示波器-XEC

5、112仿真结果图1.7 如图13所示，此电路为二阶低通滤波电路设截止频率为fp,频率低于fp的信号能够通过，高于 fp的信号被衰减的滤波电路称之为低通滤波器。使 Au定0.707Aup的频率为通带截止频率 fp。15仿真结果图所以截止频率fp : 260.175Hz1.8 如图16所示，此电路为二阶高通滤波电路设截止频率为fp,频率高于fp的信号能够通过，低于fp的信号被衰减的滤波电路称之为高通滤波器。使 Au|定0.707 Aup的频率为通带截止频率 fp。:E图17液痔图示仪出日P1Fpn-» 3T.：3 KHI图18仿真结果图所以截止频率fp 4.514kHz1.9 电路如图1

6、9所示，此电路为二阶带通滤波电路设低频段的截止频率为fp1 ,高频段的截止频率为fp2 ,频率为fp1到fp2之间的信号能够通过，低于fp1和高于fp2的信号被衰减的滤波电路称之为带通滤波器。所以 fL = 244.264Hz, 3 = 3.322kHz所以带宽 fbW ufH - fL u 3077.736Hz1.10 如图22所示，此电路为二阶带阻滤波电路图22频率低于fp1和高于fp2的信号能够通过，而频率在两者之间的信号被衰减的滤波电路称为带阻滤波器。fL = 3.211kHz, fH =88.444kHz阻带宽度为 BW = fp2 - fp1 =85,233kHz1.11 电路如图

7、25,信号源输入 2V/100Hz的正弦波，观察输入和输出的波形，说明电路的 功能。如果把二极管去掉，输出波形有什么变化 。XSC1此电路为过零比较电路， 电路只有一个阈值电压， 输入电压逐渐增大或减小过程中，通过UT时，输出电压产生跃变， 从高电平跃变为低电平， 或者从低电平跃变为高电平。没去掉二极管时波形如图 26所示去掉二极管时波形如图27所示图26示液器XSC1图27当去掉二极管时，输出波形幅度增大。1.12 电路如图28所示，此电路为滞回比较电路Uo产生跃变的阈值电压UT2,电路具有滞回特电路有两个阈值电压，输入电压Ui从小变大过程中使输出电压UT1,不等于从大变小过程中使输出电压U

8、o产生跃变的阈值电压性。察示波器-XS Cl计算电路的两个阈值图29仿真结果图从集成运放输出端的限幅电路可以看出,uO =±Uz。集成运放反相输入端电位 R3 .Un =Ui ,同相输入端电位 Up =*Uz,令Un=Up,求出的Ui就是阈值电压，R4 R3R3因此得出土UT = ±*U z,R3 R4由仿真图 29 知，输入为 2Vp , 输出为 6.5Vp , 所以R31士Ut =±*Uz =± 6.5V定±0.6V ,对比输入输出波形，也基本符合理论R3 R411计算值。1.13 下图30为音响的音调控制电路，（1）低音反馈网络由哪些元件

9、组成（2）高音反馈环节由哪些元件组成。（3）输入100Hz,0.71V的信号，将 RP1、RP2分别调到50%的 位置，观察输入输出波形的幅度，并记录。 （4）输入100Hz,0.71V的信号，RP2在50% 位置不变，RP1从0%变到100%,观察输入输出波形的变化情况，并记录。（5）输入2000HZ/0.7V信号，RP1在50%位置不变，RP2从0%变到100%,观察输入输出波形的 变化，并记录。RP1500kQ 50%Key=A图30此电路为音响的音调控制电路，该电路调试方便，信噪比高，图30中C3和C4的容量大于C1,对于低音信号 C3和C4可视为开路，而对于高音信号C1可视为短路。问

10、题(1)答：低音反馈网络由R2、RP1和R3组成，(2)高音反馈网络由 R4 RP2和C1组成。(3)波形如图31所示图31输入约为2Vpp,输出约为I.IVpp。示陵器学就X*nrn-i3T.il! 7建可国TJ-71氏* 1与寻| a Tnr-则汕 ！ 闻:* I «| j Eg- I r 克： 三寸 曜生!效1局一图32RP1 在 0%RP1 在 50%RP1 在 100%图 32 为输入 100Hz,0.71V图 31 为输入 100Hz,0.71V图 33 为输入 100Hz,0.71V的信号，RP2在50%位置不变,的信号，RP2在50%位置不变,的信号，RP2在50%位

11、置不变,图33RP1如图所示，当 RP1在0%, Vpp约为0.4Vpp,当 RP1在50% Vpp约为1.1Vpp,在100% Vpp约为2.4Vpp,所以随着RP1的增大，低音提升越大。XG示波器-xsu图34图34为输入200Hz,0.71V的信号，RP1在50%位置不变， RP2在0%图35图35为输入200Hz,0.71V的信号，RP1在50%位置不变， RP2在50%示液跨X&C1X图36图36为输入200Hz,0.71V的信号，RP1在50%位置不变， RP2在50%如图所示，当 RP2在0% Vpp约为1.4Vpp,当 RP2在50% Vpp约为1.3Vpp,当RP2在

12、100% Vpp约为1.2Vpp,所以随着RP2的增大，高音提升越大。2.14电路如图37 (1)推导输入与输出电压的关系，分析说明电路功能。(2)信号输入一个100Hz/100mV的信号，观察并记录输入与输出波形。 (3)改变R2与R1的比值，观 察输出波形的变化。(1)此电路为半波整流电路，半波整流是利用二极管的单向导电性进行整流的最常用的电路，半波整流利用二极管单向导通特性，在输入为标准正弦波的情况下，输出获得正弦波的正半部分，负半部分则损失掉。并且此电路为反相比例运算放大电路，所以Uo =R2Ui ,R1(2)信号输入一个100Hz/100mV的信号，输入与输出波形如图38所示图38(

13、1)设 R2=100kQ , R1=10kQ(2)信号输入一个100Hz/100mV的信号，输入与输出波形如图39所示示波客-xsci图392.15电路如图40 (1)推导输入与输出电压的关系，分析说明电路功能。(2)信号输入一个100Hz/100mV的信号，观察并记录输入与输出波形。(3)改变电阻R6,对电路的输出有什么影响。(1)此电路为全波整流电路，全波整流是一种对交流整流的电路。全波整流，就是对交流电的正、负半周电流都加以利用，输出的脉动电流，是将交流电的负半周也变成正半周，即将50Hz的交流电流，变成 100Hz的脉动电流。所以此电路可以使交流信号转换为直流信号。(2)信号输入一个100Hz/100mV的信号，输入与输出波形如图41所示41(1)增大电阻R6,波形往上攀升。如图 42422.16 :电路如图43 (1)推导输入与输出的关系，说明电路的功能。(2)字示波器观测输出与输入关系，根据波形参数验证理论推导。用泰克虚拟数此电路为小信号放大电路(1)设运放U1B的输入信号为V1,输出为Vol,运放U1A的输入信号为V