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运算放大器的设计与仿真

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

图1

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

理论输出值

仿真输出值

电路功能

-5V

-5V

反相比例运算电路

 

其中

2.2电路如图3所示

图3

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,,节点N的电流方程为

所以

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

-3V

2.999V

反相求和放大电路

其中

2.3电路如图5所示

图5

此电路为电压跟随器电路,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,故输出电压与输入电压的关系为

图6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

100mV

1000.008mV

电压跟随器

2.4电路如图7所示

图7

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。

,,

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

1V

1V

加减运算电路

2.5电路如图9所示

图9

此电路为积分运算电路,利用积分运算电路可以实现方波—三角波的波形变换和正弦—余弦的移相功能。

其中,电路输入为100Hz/2V的方波,输出为Vopp=100mV

图10仿真结果图输入方波,输出三角波

2.6电路如图11所示

图11

此电路为微分运算电路,根据“虚短”和“虚断”的原则,,为“虚地”,电容,因而

输出电压为,输出电压与输入电压的变化率成比例。

图12仿真结果图

输入方波(RC<

2.7如图13所示,此电路为二阶低通滤波电路

图13

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。

使的频率为通带截止频率fp。

图14

图15仿真结果图

所以截止频率fp

2.8如图16所示,此电路为二阶高通滤波电路

图16

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。

使的频率为通带截止频率fp。

图17

图18仿真结果图

所以截止频率fp

2.9电路如图19所示,此电路为二阶带通滤波电路

图19

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。

图20

图21

所以

所以带宽

2.10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。

图23

图24

阻带宽度为

2.11电路如图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。

图25

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,当通过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

图26

去掉二极管时波形如图27所示

图27

当去掉二极管时,输出波形幅度增大。

2.12电路如图28所示,此电路为滞回比较电路

图28

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Uo产生跃变的阈值电压UT1,不等于从大变小过程中使输出电压Uo产生跃变的阈值电压UT2,电路具有滞回特性。

图29仿真结果图

计算电路的两个阈值

从集成运放输出端的限幅电路可以看出,,。

集成运放反相输入端电位,同相输入端电位,令,求出的就是阈值电压,因此得出,

由仿真图29知,输入为2Vp,输出为6.5Vp,所以,对比输入输出波形,也基本符合理论计算值。

2.13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。

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1.1Vpp。

(4)

图32

图32为输入100Hz,0.71V的信号,RP2在50%位置不变,RP1在0%

图31为输入100Hz,0.71V的信号,RP2在50%位置不变,RP1在50%

图33为输入100Hz,0.71V的信号,RP2在50%位置不变,RP1在100%

图33

如图所示,当RP1在0%,Vpp约为0.4Vpp,当RP1在50%,Vpp约为1.1Vpp,当RP1在100%,Vpp约为2.4Vpp,所以随着RP1的增大,低音提升越大。

(5)

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%

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。

图37

(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,

(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

(1)设R2=100,R1=10

(2)信号输入一个100Hz/100mV的信号,输入与输出波形如图39所示

图39

2.15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。

图40

(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

图41

(1)增大电阻R6,波形往上攀升。

如图42

图42

2.16:

电路如图43

(1)推导输入与输出的关系,说明电路的功能。

(2)用泰克虚拟数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。

图43

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Vo1,运放U1A的输入信号为V2,输出为Vo2,运放U2A输出为Uo,

所以得到

且,根据此公式可得输出输入关系

(2)仿真图如图44所示

图44

黄色为输出Vo,蓝色为输入V2,红色为输入V1

 

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