杭州电子科技大学

电子系统设计综合实验

设计报告

实验名称:      集成运算放大器的应用    

        实验序号:         1         

        小 组 号:        4A         

        姓名学号:      黄涛13084220    

        指导教师:       杨宇翔              

2014 年10月25日        

作品名称：集成运算放大器的应用（20##年，国一）

作者：黄涛

赛前辅导教师：杨宇翔       文稿整理辅导老师：杨宇翔

摘要

集成运放是一种高增益直流放大、直流放大器既能放大变化极其缓慢的直流信号，下限频率可到零；又能放大交流信号，上限频率与普通放大器一样，受限于电路中的电容或电感等电抗性元器件。集成运放和外部反馈网络相配置后，能够在它的输出和输入之间建立起种种特定的函数关系，故而称它为“运算”放大器。

关键字：运算放大器TL084CN  三角波发生器 运放加法运算 带通滤波器  比较器

一、设计任务

使用一片通用四运放芯片TL084组成电路框图，实现下述功能: 使用低频信号源产生ui1=0.1sin2πf0t(V)，f0=500Hz的正弦波信号，加至加法器的输入端，加法器的另一输入端加入由自制振荡器产生的信号uo1，uo1如图1(b)所示，T1=0.5ms，允许T1有±5%的误差。加法器要求输出电压ui2=10ui1+uo1。ui2经过选频滤波器滤除uo1频率分量，选出f0信号为uo2,uo2为峰峰值9V的正弦信号，用示波器观察无明显失真。uo2信号再经过比较器后在1k?电阻负载上得到峰峰值为2V的输出电压uo3。电源要求只能选择+12V、+5V两种单电源，由稳压电源供给。不得用额外电源和其他型号的运算放大器。要求预留ui1、ui2、uo1、uo2和uo3的测试端子。

                                                                                                    

二、设计方案

1.单双电源转换电路：

2.三角波发生器：

该电路图实现输出三角波频率为2kHz，幅值为2V。

3.加法器：

使用反相比例放大器构成反相相加器，加法器输出ui2=10ui1+uo1。

4.滤波器：

5.比较器：

三、 理论分析与设计

1.总电路图：

2.三角波发生器：

3.加法器：

ui2=10ui1+uo1

计算得：R10=10kΩ  R7=1kΩ  R6=10kΩ

4.低通滤波器：

5.比较器：

R15=R19=10kΩ   R16=1kΩ

uo2信号经比较器后在1kΩ负载上得到峰峰值为2V 的输出电压uo3。

四、电路仿真结果

1.三角波：

2.三角波与正弦波相加：

3.经过带通滤波器后的正弦波：

4.经过比较器后：

五、测试方案与测试结果

1测试仪器

数字示波器（TDS 1002B）  直流电源（MPS-3005L-3）  函数信号发生器

2.三角波：

3.加法器：

   

4.滤波器：

5.比较器：

6.测试结果分析：

在电路测试的过程中发现，仿真结果与实际结果有一定的偏差，在设计电路时要充分考虑这一点，根据测试结果对设计电路进行一定修改，使实际结果更加符合电路设计要求。

六、设计总结

通过集成运算放大器综合实验，该系统完成了基本要求，达到主要功能和指标。将三角波发生器，加法器，低通滤波器，比较器运用到实际制作中。加深对知识的了解以及锻炼了实际动手操作能力。

参考文献

[1] LC滤波器设计与制作 . 科学出版社

第二篇：第七章集成运算放大器的应用

第七章 集成运算放大器的应用

本章是本课程的重点章节之一，应着重掌握以下内容：

（1）集成运放工作在线性区和非线性区的条件和特点

（2）比例运算电路的结构、特点，U_o与U_i的特点

（3）求和运算电路的结构特点，分析方法

（4）积分运算电路的结构，输出输入关系

（5）简单电压比较强的分析方法，会计算UT，花电压传输特性，画U_O波形

本章内容

（1）集成运放应用基础

（2）运算电路

（3）有源滤波电路

（4）电压比较器

电子课件五.     集成运算放大器的应用

课时授课教案

一  授课计划

批准人：                                         批准日期：

课  序  19           授课日期                     授课班次

课  题：  第 7章   第7.1节  集成运放的应用基础

第 7.2节  运算电路

目的要求：1.深刻理解集成运放工作在线性区的条件和特点

2. 掌握反相比例运算电路的结构、工作原理及特点

3.掌握同相比例运算电路的结构、工作原理及特点

4.掌握电压跟随器的电路结构、工作原理

重点难点：  重点　反相和同相比例运算电路的结构特点及Ｕo与Ｕ_i的关系

难点　 理解集成运算工作在线性区的条件和特点

教学方法

手    段:  电子课件、课堂提问、课堂讨论、启发式

教    具： 电子课件

复习提问   1.知集成运放的Ａo，据电压传输特性估算出集成运放的线性输入范围

2.集成运放开环应用能否使运放工作在线性区？

课堂讨论   同相比例和反相比例电路分别作为一、二级组成两级放大电路

讨论其输出电压与输入电压之间的关系

布置作业　本章思考题与习题３、４、７、８

课时分配

二 授课内容

7.1集成运放的应用基础

复习：上一章介绍了集成运放的符号及集成运放的电压传输特性如图示由电压传输特性曲线知，集成运放有线性工作区和非线性工作区集成运放的最大输出电压则最大线性输入电压为，即只有时运放才工作在线性区。

可见集成运放开环应用不能工作在线性区，要使集成运放工作在线性区，必需在集成运放外部电路引入负反馈。

7.1.1 理想运放的条件

理想条件：等

用理想运放代替实际运放所产生的误差工程上是允许的

7.1.2 理想运放工作在线性区的特点

在线性区

               虚短路

                  虚开路

虚短路、虚开路是分析集成运放线性应用电路的出发点。

7.2 运算电路

7.2.1 比例运算

1.  反相比例运算电路

（1）电路结构：从输出端到反相输入端引入负反馈，信号加到反相输入端

（2）U₀与U_i关系      据图示电路及其参考方向

             虚开

        /       \

     虚路    虚开

有 

       

若  则  , 称为反相器或反号器

平衡电阻

（3）特点

①电路引入了电压并联负反馈，输入电阻低输出电阻

②存在虚地

③共模输入信号，对于集成运放的共模抑制比要求不高

2. 同相比例运算电路

（1）电路结构：从输出端到反相输入端引入负反馈，信号加到同相输入端

（2）U₀与U_i关系

由图示参考方向：

             虚开

       /      \

  虚路   虚开

有 

整理后 

（3）特点

① 电路引入了电压串联负反馈，输入电阻很大，输出电阻很小，可以认为 

② 共模输入信号，对于集成运放的共模抑制比要求较高。

若同相比例运算电路中，

  称为电压跟随器

电压跟随器可以看成是同相比例运算电路的特例

此电路、电压跟随效果非常好

小结：

1.分析集成运放线性应用电路的出发点

  2.对反相比例和同相比例运算电路进行全面比较

课时授课教案

一  授课计划

批准人：                                批准日期：

课序： 20         授课日期：            授课班次：     

课题：  第 7章  第 2节  运算电路

目的要求： 1.掌握差动比例运算电路的结构，分析方法及特点。

           2.掌握求和电路及和差电路的电路结构，u_o与u_i的关系。

重点难点：  重点：差动比例运算电路，反相求和电路

            难点：同相求和电路

教学方法

手    段:  电子课件，课堂提问，课堂讨论，启发式

教具：     电子课件

复习提问：  在同向比例运算电路的同相输入端接一电阻到地，u_o与u_i关系如何？

         

课堂讨论：   1.两级运放构成的电路： （1）各构成何种运算电路

                                    （2）分析u_o与u_i关系

                                    （3）指出虚短路、虚地

           

布置作业：  本章思考题与习题：10  （1） （3） 12  （a）  （b）  （d）

课时分配：

二  授课内容

复习：

在同相比例运算电路的同相输入端，接一个电阻到地，分析此电路的Uo与Ui关系。

7.2.2   差动比例运算

（1）  电路结构.从输出端到反向输入端引入负反馈。两路输入信号分别加到反相输入端和同相输入端。

（2）  U_o和U_i的关系

应用叠加定理：

U_i1单独作用，输出电压U_o1ˊ=-(R₂/R₁)U_i1

U_i2单独作用，输出电压U₀₂ˊ=(1+R₂/R₁)R₄/(R₃+R₄)U_i2

U_i1和 U_i2共同作用

U_O= U_o1ˊ +U₀₂ˊ=（1+R₂/R₁）R₄/R₃+R₄ U_i2-R₂/R₁ U_i1

若R₁=R₃ R₂=R₄ 则有U_O=R₂/R₁ (U_i2-U_i1)

差动比例运算又是减法运算

7.2.3 求和运算

1.  反相求和运算

（1）  电路结构

在反相比例运算电路基础上，反相输入端多加几路输入信号即构成反相求和运算电路

（2）  Uo和Ui关系

U_i1/R₁+U_i2/R₂=-U_O/R_f

U_O=-R_f/R₁ U_i1-R_f/R₂ U_i2

若R₂=R₁=R_f

则U_O=-(U_i1+U_i2)

2.  同相求和运算

（1）  电路结构

  在同相比例运算电路基础上，在同相输入端多加几路输入信号，即构成同相求和运算电路。

（2）  Uo与Ui的关系

  利用叠加定理可得到图示电路的Uo为

  Uo=（1+Rf/R1）R3/(R2+R3) Ui1+（1+Rf/R1）R2/(R2+R3) Ui2

=（1+Rf/R1）[R3/(R2+R3)Ui1+R2/(R2+R3)Ui2]

平衡电阻应满足R1‖Rf=R2‖R3

3.  代数求和电路

      两级电路构成的和差电路如图所示

      U_o1=-R_f/R₁ U_i1-R_f/R₂ U_i2

      U_o=-R₆/R₄ U_o1-R₆/R₃ U_i3=(R_f/R₁ U_i1+R_f/R₂ U_i2)R₆/R₄-R₆/R₃ U_i3

        =R_f/R₁ R₆/R₄ U_i1+R_f/R₂ R₆/R₄ U_i2-R₆/R₃ U_i3

                         

    小结

1.  反相求和与同相求和运算电路的比较

2.  单个运放构成的和差运算电路与两级运放构成的和差运算电路的比较

课时授课教案

一  授课计划

批准人：                                批准日期：

课序： 21           授课日期：          授课班次：     

课题：     第 7章  第7.2节  运算电路  (7.2.4——7.2.6)

第7.3节  有源滤波电路

目的要求：  1.掌握积分运算电路的电路组成，输入输出关系。

2.了解微分运算电路，对数和指数运算电路。

      3.熟悉模拟乘法器在乘法，除法等运算电路中的应用。

4.了解有源滤波电路。

 

重点难点：  重点  积分运算电路

            难点  有源滤波电路

教学方法

手    段:   电子课件，课堂提问，课堂讨论，启发式

教具：      电子课件

复习提问    两级运放电路分析（第一级反相求和，第二级差动运算）

          

课堂讨论    1.利用模拟乘法器能否实现倍频？

            2.若能实现，画出电路图并分析。

布置作业：  本章思考题与习题 13.（a）（b）（d）26.

课时分配：

二 授课内容

7.2.4 积分和微分运算电路

复习：两级运放电路分析

1.  积分运算电路

（1）  电路结构

 反相比例运算电路中，反馈支路中的电阻换成电容即构成积分运算电路

（2）  Uo与Ui关系

 由图示参考方向

U_o=-U_c=-1/c∫i₁dt=-1/RC∫U_idt

(3)    实用的积分运算电路

在上述积分电路中，反馈电容两端并上一个大电阻即构成实用的积分电路。

2.  微分运算电路

（1）  电路结构

积分和微分互为逆运算，积分电路中的C和R互换位置即构成微分运算电路。

（2）  U_o与U_i关系

U_o=-R i_F=-R i_C=-RC dU_i/dt

（3）  实用微分电路

在输入端与电容C串接一个小电阻，可使微分电路的工作

稳定性提高

7.2.5  对数和指数运算电路

1.对数运算电路

（1）  电路结构

反相积分运算电路中的电容换成二极管则构成基本的对数运算电路

（2）  Uo与Ui关系

i_D=Is(e^UD/UT-1)

i₁=i_D≈I_S e^UD/UT

U_O=-U_D

考虑上述各式得

U_O=-U_T㏑

2.  指数运算电路

(1)  电路结构

对数电路中的二极管D与电阻R互换位置则构成指数电路

（2）U_o与U_i关系

U_D=U_i-U_-=U_i

i_D=Is e^Ui/UT

U_o=-i_FR=-i_DR=-I_sR e^Ui/UT

7.2.6  乘法运算电路

模拟乘法器的符号如图，它有两个输入端，一个输出端，两个输入端分别加上输入信号Ux和Uy，则输出

              Uo=kUxUy

式中k为运算系数，由生产厂家定。

若两个输入端联在一起，加上输入信号U_I,可实现平方运算

即                     Uo=kU_I²

乘法器和集成运放配合可构成除法，开方，开立方等运算。除法电路如图：

                       U_x1/R₁=U₂/R₂

                       U₂=kU_oU_x2

所以                   U_o=-R₂/(kR₁) U_x1/U_x2

若选R₂/R₁=k 则有       U_o=-U_x1/U_x2

注意，此电路要求U_x2为正极

7.3 有源滤波电路

7.3.1低通滤波电路

图（a）的通带电压放大倍数为

A_up=(1+R_f/R₁)

截止角频率

ω_O=1/RC

图（b）通带电压放大倍数

A_up=-R_f/R₁

截止角频率

ω_O=1/R_fC

低通滤波电路的幅频特性如图示

7.3.2 高通滤波电路

图(a)为同相输入的高通滤波电路

通带电压放大倍数   A_up=1+R_f/R

截止角频率         ω_O=1/RC

图(b)为反相输入高通滤波电路

通带电压放大倍数   A_up=-R_f/R₁

截止角频率         ω_O=1/R_fC

高通滤波电路的幅频特性如图示:

                             小  结

1.  积分运算电路能起到波形变换作用

2.  模拟乘法器与集成运放配合可构成多种运算电路

3.  有源滤波器按工作频率分类及对应的频率特性

课时授课教案

一  授课计划

批准人：                                批准日期：

                        

课序：22           授课日期：           授课班次：     

课题：      第 7章  第 4节  电压比较器

目的要求：  1.掌握集成运放工作在非线性状态的分析方法。

2.掌握简单电路比较器的分析方法。

      3.熟悉滞回比较器和窗口比较器电路。

重点难点：  重点 简单电压比较器

            难点 滞回比较器

教学方法

手    段:   电子课件  课堂提问  课堂讨论  启发式

教具：      电子课件

复习提问：  1.集成运放在什么情况下工作在非线性状态？

            2.集成运放工作在非线性状态U_O与U_I的关系如何？

课堂讨论：   简单电压比较器电路求U_TH,画出电压传输特性和U_O波形

              

布置作业：    本章思考题与习题   36  37  38 （a）（b）（c）（d）（e）.

课时分配：

二、授课内容

7.4 电压比较器

复习：集成运放非线性应用的条件及特点

集成运放开环或集成运放外部电路连成正反馈，则集成运放工作在非线性区

集成运放工作在非线性区，输出只有两种状态。

 

 

  是输出状态发生跳变得时刻

集成运放非线性应用时，虚开路仍然适用

7.4.1  简单电压比较器

1. 同相输入简单比较器

由图知U_i加到运放的同相端，参考电压U_R加到反相输入端，集成运放开环应用。

阀值电压，设U_R为正，电压传输特性如图示

知U_i为正弦波对应画出U₀波形如图示

2. 输入有保护输出有限幅的反相输入简单比较器

电路如图，由图知，

时

时

设U_R为负，电压传输特性如图示

7.4.2  滞回比较器

简单比较器灵敏度高，但稳定性差，滞回比较器可解决稳定性差的问题，反相输入滞回比较器电路如图所示，电路引入正反馈，

经分析可得两个阀值电压分别为

若设，则电压传输特性如图示

7.4.3  窗口比较器

简单比较器和滞回比较器，当输入信号单方向变化时，只跳变一次，因此只能与一个电平进行比较。如果要判断U_i是否在某两个电平之间，可采用窗口比较器。

一种窗口比较器电路如图示，两个参考与要求：〉

当时，为高电平，为低电平：导通截至，

==

当时，为低电平，为高电平： 截至导通，

==

当时，同样分析知===

电压传输特性如图示

小结

1.分析集成运放工作在非线性状态的条件与特点

  2.分析电压比较器应抓住哪些要点

  3.电压比较器可将输入的模拟信号转换成输出具有高低电平特点的数字信号