运算放大器应用电路的设计与制作.docx
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运算放大器应用电路的设计与制作
运算放大器应用电路的设计与制作
一.实验目的
1.掌握运算放大器和滤波电路的基本工作原理;
2.掌握运用运算放大器实现滤波电路的原理方法;
3.会用Multisim10对电路进行仿真分析;
二.实验内容
1.讲解运算放大器和滤波电路的基本工作原理;
2.讲解用运算放大器实现滤波电路的原理方法;
3.用Multisim10对二阶有源低通滤波电路进行仿真分析;
三.实验仪器
1.支持Win2000/2003/Me/XP/vista的PC机;
2.Multisim10软件;
四.实验原理
(一)运算放大器
1.原理
运算放大器是目前应用最广泛的一种器件,当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时,可以灵活地实现各种特定的函数关系。
在线性应用方面,可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。
运算放大器一般由4个部分组成,偏置电路,输入级,中间级,输出级。
图1运算放大器的特性曲线图2运算放大器输入输出端图示
图1是运算放大器的特性曲线,一般用到的只是曲线中的线性部分。
如图2所示。
U-对应的端子为“-”,当输入U-单独加于该端子时,输出电压与输入电压U-反相,故称它为反相输入端。
U+对应的端子为“+”,当输入U+单独由该端加入时,输出电压与U+同相,故称它为同相输入端。
输出:
U0=A(U+-U-);A称为运算放大器的开环增益(开环电压放大倍数)。
在实际运用经常将运放理想化,这是由于一般说来,运放的输入电阻很大,开环增益也很大,输出电阻很小,可以将之视为理想化的,这样就能得到:
开环电压增益Aud=∞;输入阻抗ri=∞;输出阻抗ro=0;带宽fBW=∞;失调与漂移均为零等理想化参数。
2.理想运放在线性应用时的两个重要特性
输出电压UO与输入电压之间满足关系式:
UO=Aud(U+-U-),由于Aud=∞,而UO为有限值,因此,U+-U-≈0。
即U+≈U-,称为“虚短”。
由于ri=∞,故流进运放两个输入端的电流可视为零,即IIB=0,称为“虚断”,这说明运放对其前级吸取电流极小。
上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则,可简化运放电路的计算。
3.运算放大器的应用
(1)比例电路
所谓的比例电路就是将输入信号按比例放大的电路,比例电路又分为反向比例电路、同相比例电路、差动比例电路。
(a)反向比例电路
反向比例电路如图3所示,输入信号加入反相输入端:
图3反向比例电路电路图
对于理想运放,该电路的输出电压与输入电压之间的关系为:
为了减小输入级偏置电流引起的运算误差,在同相输入端应接入平衡电阻R’=R1//RF。
输出电压U0与输入电压Ui称比例关系,方向相反,改变比例系数,即改变两个电阻的阻值就可以改变输出电压的值。
反向比例电路对于输入信号的负载能力有一定的要求。
(b)同向比例电路
同向比例电路如图4所示,跟反向比例电路本质上差不多,除了同向接地的一段是反向输入端:
图4同相比例电路电路图
它的输出电压与输入电压之间的关系为:
;R’=R1//RF
只要改变比例系数就能改变输出电压,且Ui与U0的方向相同,同向比例电路对集成运放的共模抑制比要求高。
(c)差动比例电路
差动比例电路如图5所示,输入信号分别加在反相输入端和同相输入端:
图5差动比例电路电路图
其输入和输出的关系为:
可以看出它实际完成的是:
对输入两信号的差运算。
(2)和/差电路
(a)反相求和电路
其电路图如图6所示(输入端的个数可根据需要进行调整):
图6反相求和电路图
其中电阻R'满足:
它的输出电压与输入电压的关系为:
它的特点与反相比例电路相同,可以十分方便的通过改变某一电路的输入电阻,来改变电路的比例关系,而不影响其它支路的比例关系。
(b)同相求和电路
其电路如图7所示(输入端的个数可根据需要进行调整):
图7同向求和电路图
它的输出电压与输入电压的关系为:
它的调节不如反相求和电路,而且它的共模输入信号大,因此它的应用不很广泛。
(c)和差电路
其电路图如图8所示,此电路的功能是对Ui1、Ui2进行反相求和,对Ui3、Ui4进行同相求和,然后进行的叠加即得和差结果。
图8和差电路图
它的输入输出电压的关系是:
由于该电路用一只集成运放,它的电阻计算和电路调整均不方便,因此我们常用二级集成运放组成和差电路。
它的电路图如图9所示:
图9二级集成和差电路图
它的输入输出电压的关系是:
它的后级对前级没有影响(采用理想的集成运放),它的计算十分方便。
(3)积分电路和微分电路
(a)积分电路
其电路图如图10所示:
它是利用电容的充放电来实现积分运算,可实现积分运算及产生三角波形等。
图10积分电路图
它的输入、输出电压的关系为:
其中:
表示电容两端的初始电压值.如果电路输入的电压波形是方形,则产生三角波形输出。
(b)微分电路
微分是积分的逆运算,它的输出电压与输入电压呈微分关系。
电路如图11所示:
图11微分电路图
它的输入、输出电压的关系为:
(4)对数和指数运算电路
(a)对数运算电路
对数运算电路就是是输出电压与输入电压呈对数函数。
我们把反相比例电路中Rf用二极管或三级管代替级组成了对数运算电路。
电路图如图12所示:
图12对数运算电路
它的输入、输出电压的关系为(也可以用三级管代替二极管):
(b)指数运算电路
指数运算电路是对数运算的逆运算,将指数运算电路的二极管(三级管)与电阻R对换即可。
电路图如13所示:
图13指数运算电路
它的输入、输出电压的关系为:
利用对数和指数运算以及比例,和差运算电路,可组成乘法或除法运算电路和其它非线性运算电路。
(二)无源滤波电路
滤波电路的作用:
允许规定范围内的信号通过;而使规定范围之外的信号不能通过。
滤波电路的分类:
*低通滤波器:
允许低频率的信号通过,将高频信号衰减;
*高通滤波器:
允许高频信号通过,将低频信号衰减;
*带通滤波器:
允许一定频带范围内的信号通过,将此频带外的信号衰减;
*带阻滤波器:
阻止某一频带范围内的信号通过,允许此频带以外的信号衰减;
仅由无源元件(电阻、电容、电感)组成的滤波电路,为无源滤波电路。
它有很大的缺陷如:
电路增益小,驱动负载能力差等。
为此我们要学习有源滤波电路。
(三)有源滤波电路
有源滤波器是指利用放大器、电阻和电容组成的滤波电路,可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面。
但因受运算放大器频带限制,这种滤波器主要用于低频范围。
(1)一阶有源低通滤波器
其电路如图14-a所示,它是由一级RC低通电路的输出再接上一个同相输入比例放大器构成,幅频特性如图14-b所示,通带以外以
/十倍频衰减:
图14-a一阶有源低通滤波电路图14-b一阶有源低通幅频特性
该电路的传递函数为:
式中
称为截止角频率,传递函数的模为
幅角为
。
(2)二阶有源滤波电路
为了使输出电压以更快的速率下降,以改善滤波效果,再加一节RC低通滤波环节,称为二阶有源滤波电路。
它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。
二阶有源滤波器的典型结构如图15所示:
图15二阶有源滤波器典型结构
图中,Y1~Y5为导纳,考虑到UP=UN,可列出相应的节点方程式为:
在节点A有:
在节点B有:
联立以上二等式得:
考虑到:
则:
A(S)即是二阶压控电压源滤波器传递函数的一般表达式。
只要适当选择Yi(i=1~5),就可以构成低通、高通、带通等有源滤波器。
五.实验步骤
1.设Y1=1/R1,Y2=sC1,Y3=0,Y4=1/R2,Y5=sC2,将它们代入A(S)中,可得到二阶压控电压源低通滤波器的传递函数如下:
令
则有:
上式为二阶低通滤波器传递函数的典型表达式。
其中ωn为特征角频率,而Q则称为等效品质因数。
2.启动Multisim10,按图16在工作区搭建二阶有源低通滤波器。
图16二阶有源低通滤波器电路
3.启动仿真,点击波特图仪,可以看见二阶有源低通滤波器的幅频特性如图17所示。
图17二阶有源低通滤波器的幅频特性
4.利用ACAnalysis(交流分析)分析二阶有源低通滤波器电路的频率特性。
分析步骤如下:
①点击Options→Preferences→Shownodenames使图16电路显示节点编号,在本电路中输出节点编号为2。
②点击Simulate→Analysis→ACAnalysis,将弹出ACAnalysis对话框,进入交流分析状态。
在图18所示FrequencyParameters参数设置对话框中,确定分析的起始频率、终点频率、扫描形式、分析采样点数和纵向坐标(Verticalscale)等参数。
其中:
在Startfrequency窗口中,设置分析的起始频率,默认设置为1Hz,在本例中设置为1Hz。
图18FrequencyParameters参数设置对话框
在Stopfrequency(FSTOP)窗口中,设置扫描终点频率,默认设置为10GHz,在本例中设置为10KHz。
在Sweeptype窗口中,设置分析的扫描方式,包括Decade(十倍程扫描)和Octave(八倍程扫描)及Linear(线性扫描)。
默认设置为十倍程扫描(Decade选项),以对数方式展现,在本例中选择默认设置。
在Numberofpointsperdecade窗口中,设置每十倍频率的分析采样数,默认为10,在本例中选择默认设置。
在VerticalScale窗口中,选择纵坐标刻度形式:
坐标刻度形式有Decibel(分贝)、Octave(八倍)、Linear(线性)及Logarithmic(对数)形式。
默认设置为对数形式,在本例中选择默认设置。
③在图19所示Output对话框中,可以用来选择需要分析的节点和变量。
在VariablesinCircuit栏中列出的是电路中可用于分析的节点和变量。
点击Variablesincircuit窗口中的下箭头按钮,可以给出变量类型选择表。
在变量类型选择表中:
点击Voltageandcurrent选择电压和电流变量。
点击Voltage选择电压变量。
点击Current选择电流变量。
点击Device/ModelParameters选择元件/模型参数变量。
点击Allvariables选择电路中的全部变量。
在本例中选择Allvariables。
首先从Variablesincircuit栏中选取输出节点2,再点击Add按钮,则输出节点2出现在Selectedvariablesforanalysis栏中如图19所示:
图19Output对话框
④点击Simulate按钮即可进行仿真分析,仿真分析结果例如图20所示。
图20二阶有源低通滤波电路仿真分析结果
六.实验报告要求
1.根据图15提供的滤波器模型,设计二阶有源压控电压源高通滤波器,并做仿真分析,要求:
(1)计算二阶压控电压源高通滤波器的传递函数;
(2)设计出其电路图;
(3)在Multisim10中,进行电路的幅频特性和ACAnalysis仿真分析;