模拟电子电路实验报告 组号：20

组员：吴隆喆 2014302057 08041402 陈首亮 2014301458 08041402 时间：每周六18.00-21.00

实验四：集成运算放大器的基本应用

一、实验目的

（1）了解并掌握由运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算电路的功能。

（2）掌握集成运算放大器的基本应用，为综合应用奠定基础。

（3）进一步熟悉仿真软件的使用。

二、实验原理

集成运放是一种具有高电压放大倍数的直接耦合器件。当外部接入有不同的线性或非线性元器件组成的输入负反馈电路时，可以灵活的实现各种函数关系，在线性应用方面，可组成加法、减法、比例。积分、微分、对数等模拟运算电路。

在大多数情况下，将运放视为理想的，即在一般讨论中，以下三条基本结论是普遍使用的：1）开环电压增益

2）运放的两个输入端电压近似相等，即，称为“虚短”。

3）运放的同相和反相两个输入端的电流可视为零，即，称为“虚断”。 应用理想运放的三条基本原则，可简化运放电路计算，得出本次实验结论。

（1）反相加法电路。电路如下图所示，输出电压和输入电压的关系是

当时，。

（2）差动放大电路（减法器）。减法器实际上是反相加法器和同相加法器的组合。如图所示的电路中，有

当，时，有如下关系：

(3)积分运算电路。反相积分电路如图所示。在理想条件下，有

式中是t=0时刻电容两端的电压值，即初始值。

如果输入幅值未E得阶跃电压，并设，则

即输出电压和时间成正比。显然RC的数值越大，打到给定的值所需的时间就越长。积分输出电压所能达到的最大值受集成运算放大器最大输出范围的限制。

三、实验内容

（一）计算机仿真部分

（1）加法电路。Vi1 = 100 mV，Vi2 = 200 mV（峰峰值），Vi1和Vi2

均为频率为

1kHz的正弦信号，使输出波形不失真，观察并记录结果。

（2）积分电路。输入为方波，频率为1kHz，幅度为100 mV（峰峰值），观察并记录输出波形。

（3）减法电路。输入Vi1 = 200 mV，Vi2 = 500 mV（峰峰值），Vi1和Vi2均为频率为1kHz的正弦信号，使输出波形不失真，观察并记录结果。

四、实验结果

加法电路输出波形

积分电路输出波形

减法电路输出波形

第二篇：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A_ud=∞；输入阻抗r_i=∞；输出阻抗r_o=0；带宽f_BW=∞；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U_O与输入电压之间满足关系式：U_O＝A_ud（U₊－U_－）,由于A_ud=∞，而U_O为有限值，因此，U₊－U_－≈0。即U₊≈U_－，称为“虚短”。

由于r_i=∞，故流进运放两个输入端的电流可视为零，即I_IB＝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 // R_F 。

输出电压U₀与输入电压U_i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 // R_F

只要改变比例系数就能改变输出电压，且U_i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U_i1、U_i2进行反相求和，对U_i3、U_i4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

(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U_P＝U_N，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Y_i （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AC Analysis（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→Show node names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→AC Analysis，将弹出AC Analysis对话框，进入交流分析状态。

在图18所示Frequency Parameters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（Vertical scale）等参数。其中：

在Start frequency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18 Frequency Parameters参数设置对话框

在Stop frequency（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Sweep type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Number of points per decade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Vertical Scale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Variables in Circuit栏中列出的是电路中可用于分析的节点和变量。点击 Variables in circuit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Voltage and current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／Model Parameters 选择元件／模型参数变量。

点击All variables选择电路中的全部变量。

在本例中选择All variables。首先从 Variables in circuit栏中选取输出节点2，再点击 Add按钮，则输出节点2出现在 Selected variables for analysis栏中如图19所示：

 

图19 Output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AC Analysis仿真分析；