模电实验及课程设计

集成运算放大器的综合设计与应用

2014-12-13

集成运算放大器的综合设计与应用

一、实验要求：

使用一片通用四运放芯片LM324 组成电路框图见图1，实现下述功能：

图1

1. 使用低频信号源产生Ui1p?

p? 0.5V，f0? 200Hz的正弦波信号，加至加法器输入端。

2. 自制三角波产生器产生T?0.5ms（?5%），Vp?p?1V的类似三角波信号uo1，并加至加法器的另一输入端。

3. 自制加法器，使其输出电压Ui2? 6Ui1?Uo1。

4. 自制选频滤波器，滤除uo1频率分量，得到峰峰值等于6V 的正弦信号uo2，uo2用示波器观察无明显失真。

5. 将uo1和uo2送入自制比较器，其输出在1K?负载上得到峰峰值为1V 的输出电压uo3。

二、电路设计及参数计算：

1) 类三角波发生器

由于运放数量的限制，无法构造双运放的常规三角波发生器，这里采用一阶积分电路，当时间常数足够大时，积分曲线可近似为直线积分。根据这样的思路，可以采用单运放的方波产生器，带动积分电路方式产生类三角波。

单运放的方波产生器即一个正反馈的双门限滞回比较器。反向端输入，输入信号也为一个简单积分电路，输出信号即为充电电压， 1

周期为T?2R1C1ln(1?

2R2

)；取C1?10nF;R1?25k?(R1为50k?的滑动变阻器) R3

2R21

)=?0.5?10?3 R3f

周期要求为T?0.5?10?3s，令T?2?25?103?10?10-9?ln(1?

得

R2R

?0.859，不妨取2?1；R2=R3=10k?； R3R3

R1为50k?的滑动变阻器，可以根据实际情况调节三角波频率。

对于无源积分电路，以充电时为例uc2(t)?Uc2(?)???Uc2(0)?Uc2(?)??e

?

?t

?

??R4C2

其中??R4C2；实际运放输出电压达不到电源电压，仿真发现Uc2(?)?4V 根据峰峰值要求，Uc2(0?)??0.5V

uc2(t)?4???0.5?4?e

?

t

?

；由uc

2()?0.5V得??R4C2?0.002

T

2

故取C2?100nF；R4?50k?(滑变)；则?max?R4maxC2?0.005

R4为50k?的滑动变阻器，因充电时间一定，故可以根据实际情况调节三角波幅值。

可以发现，U?电压波形也近似为三角波，但考虑到该发生器将为后续电路提供信号，存在阻抗匹配问题，影响该运放的输入，故采取从输出端取信号再进过无源积分的方式产生三角波。 2) 加法器

反相求和电路可十分方便地改变某一电路的输入电阻，来改变电路的比例关系，而不影响其它路的比例关系。

2

由Ui2??R4RUi1?4Uo1??6Ui1?Uo1 R2R3

故R4RR3?R4?6k? =64=1，取R2?1k?；R2R3

3) 选频滤波器 因题目要求较为简单，只需分辨200和2000一个10倍频的信号，并滤除高频，为避免给上一级电路带来容抗，且下一级为反向输入的比较器，输入电阻大，故此出采取简单的无源低通滤波，滤波前由负反馈运放进行信号的放大

RL?AR?RLup?Au??，由下一级比较器的虚断RL?Ri?? f1?j?(R//RL)C1?jfp

fp?11 ?2?(R//RL)C2?RC

取C?10nF则R?1 2?fp?10?10?9

RL?11；?7.96k?R??79.6k? H?9?92?fpH?10?102?fpL?10?10

此处选取R?R3?R1?43k??20k?(滑变)

f?200Hz；1111????j?105 3?9j?Cj2?fCj2??2?10?10?104?

??Uo21j?C11?R3?2j?C??Uo?j20?1031?43?103?j?1024?

3 1?106???79.6jU? Uo53?79.6jo6

79.62

Uo2?2Uo?0.69Uo；由Uo2p?p?6V，则Uop?p?6V?8.69V 253?79.6

Ui2含Up?p? 3V，f? 200Hz的正弦波信号和Up?p? 1V，f? 2kHz的三角波信号

三角波将被电容导地，要得到Up?p?8.69V的正弦信号，Up?p? 3V，f? 200Hz的原信号需要放大三倍，即

R?3R5?30k?；R4=92k? R5

4) 比较器

反相输入迟滞比较器

由仿真知Uop?p?9.15V；电压正反馈即R1上几乎无电流

故Uo3p?p?

RL1

Uop?p??9.15V?1V；得R4?8.15k?，故取R4?8.2k?

R4?RLR4?1

R1为三角波发生器的输出电阻，故取大电阻R1?92k?

三、测试结果记录

uo1(三角波)

4

ui2(加法器)

uo2(滤波器)

uo3(比较器)

5

四、电路原理图

五、心得体会

这次的电子实验课比较注重理论的应用能力，对刚刚学完模电的我们是很好的锻炼和实践机会，在设计中体会知识的运用，加深了知识的理解。动手能力也得到了提高，再次巩固了焊接技术，也学到了不少器件规划和线路布局的技巧，期间遇到不懂的问题，向老师和学长请教的过程中，思维得到了很大的启发。

实践的过程中反映出不少问题，理论功底不够扎实，设计电路依赖于书本现有电路图和仿真软件，没能做到创新和严谨的理论分析计算，参数的设置存在一定的盲目性。依赖仿真完成的电路设计，在后来的理论分析中发现不少不合理的参数设置，如滤波时放大倍数设置较大，引起一定程度的非线性失真等。

总的来说，这次的实验对个人的理论和实践能力都是很好的提升，为以后的电子设计培养了制作兴趣，也奠定了理论基础。

6

第二篇：模电实验--集成运算放大器的基本应用

2.7集成运算放大器的基本应用

   一.实验目的

（1）了解并掌握由集成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应用。

二.实验原理及电路

集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大器件。当外部接入由不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活的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。

  在大多数情况下，将运放视为理想的，即在一般地讨论中，以下三条基本结论是普遍适用的：

（1）开环电压增益。

（2）运算放大器的两个输入端电压近似相等，即，称为“虚短。

（3） 运算放大器同相和反相两个输入端的电流可视为零，即=0，称为“虚断”。

应用上述理想运算放大器三条基本原则，可简化运算放大器电路的计算，得出本次实验的结论。

1.       基本运算电路

（1）       反相比例运算电路。电路如图2.7-1所示。对于理想运算放大器，该电路的输出电压与输入电压之间的关系为

为了减小输入级偏执电流引起的运算误差，在同相输入端应接入平衡电阻。

   2.7-1反响比例运算电路

（2）       同相比例运算电路。图2.7-2（a）是同相比例运算电路，它的输出电压与输入电压之间的关系为，

当时，，即得到如图2.7-2（b）所示的电压跟随器。图中，用以减小漂移和起保护作用。一般取10k,太小起不到保护作用，太大影响跟随性。

                                图2.7-2

           （a）同相比例运算电路   （b）电压跟随器

（3）       反相加法电路。电路如图2.7-3所示，输出电压与输入电压之间的关系为,      当时，。

图2.7-3  反相加法运算器

（4）       差动放大电路（减法器）。减法器实际上是反相放大器和同相放大器的组合。对于图2.7-4所示的电路，有  当,时，有如下关系式：

       

     图2.7-4 减法运算电路图                  图2.7-5  积分运算电路

（5）       积分运算电路。反向积分电路如图2.7-5所示。在理想条件下，输出电压等于  式中是t=0时刻电容C两端的电压值，即初始值。

如果是幅值为E的阶跃电压，并设=0，则，即输出电压和时间成正比。显然RC的数值越大，达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、实验内容及步骤

运算放大器选取741，采用12V双电源供电。

1.       基本运算电路

（1）       加法电路。在图2.7-3中：的阻值分别取为10,20,6.2,100。

①   =1V, =1V，和均为频率为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。在图2.7-5中：，，的阻值分别取为10，30，0.01。

①   输入为方波,频率为1KHZ,幅度为=100mV，观察输出波形幅度，与理论值进行比较。

四、实验报告及要求

（1）完成仿真实验部分的内容。

（2）根据实验内容和实验电路，写出输入输出的关系式。

（3）整理实验数据，画出输入输出波形图。

（4）将理论计算结果和实测数据相比较，分析产生误差的原因。

（5）分析讨论实验中出现的现象和问题。

五、实验思考与讨论

（1）       在积分电路中，如果输入三角波，输出会得到何种波形？试做相应的分析。

答：

（2）       在反相相加电路中两种输入均为正弦波，输出为何种波形？是否会得到正弦波？如可得到，则在何种情况下可得到？

答：

（3）       为了不损坏集成块，实验中应注意什么问题？

答：