基于Multisim的集成運(yùn)放分析與仿真

1、課程設(shè)計(jì)基于Multisim的集成運(yùn)放分析與仿真（第二章）實(shí)習(xí)內(nèi)容： 認(rèn)識實(shí)習(xí) R課程設(shè)計(jì)專業(yè)實(shí)習(xí) 教育實(shí)習(xí) 生產(chǎn)實(shí)習(xí) 教學(xué)實(shí)習(xí) 畢業(yè)實(shí)習(xí) 實(shí)習(xí)形式： 集中 R 分散學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 學(xué)院名稱： 信息工程學(xué)院 專業(yè)班級： 電氣工程及其自動化132班 實(shí)習(xí)單位： 南昌大學(xué)信息工程學(xué)院 實(shí)習(xí)時(shí)間： 年 月 日目錄1 緒論 12 運(yùn)算放大器的基本運(yùn)用 22.1 同相放大器 22.2 反相放大器 42.3 同相輸入和反相輸入放大電路的其他應(yīng)用 62.3.1 求差電路 62.3.2 儀用放大器 92.3.3 求和電路 102.4 積分電路和微分電路 112.4.1 積分電路 112.4.2 微分電路

2、 133 運(yùn)算放大器的綜合運(yùn)用 143.1 課本例2.3.2 143.2 課本習(xí)題2.4.3 173.3 課本例SPICE 2.5.2 194 心得體會 21I1 緒論本課程設(shè)計(jì)的課題是對電子技術(shù)基礎(chǔ) 模擬部分 (第五版)的第二章進(jìn)行Multisim仿真。要求為：需要做10個(gè)仿真算例，其中3個(gè)復(fù)雜的，按各章節(jié)內(nèi)容知識，做到內(nèi)容飽滿。第二章運(yùn)算放大器首先介紹了集成運(yùn)放內(nèi)部的主要結(jié)構(gòu)、理想運(yùn)算放大器和電路模型。然后用線性電路理論分析由理想運(yùn)放和電阻、電容等元件構(gòu)成的簡單應(yīng)用電路，包括基本的同相放大電路，反相放大電路和由他組成的求差（減法）、求和（加法）、積分、微分電路及儀用放大器。較早學(xué)習(xí)這些應(yīng)用

3、電路，有利于啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，打破對電子技術(shù)的神秘感。232 運(yùn)算放大器的基本運(yùn)用2.1 同相放大器反比例電路如圖2.1.1所示，輸入交流電壓有效值為10mV，R1=10k，R2= 20k。理論計(jì)算：Av=VoVi=R1R1+ R2=1+R2R1vo=Avvi 圖2.1.1 同相放大電路 帶入數(shù)據(jù)，得： Av=3 vo=30mV 仿真結(jié)果與理論分析一致，輸出信號與輸入信號同相位，電壓增益為3。 圖2.1.2 輸入輸出波形 對該電路進(jìn)行直流掃描，得到該電路的傳輸特性曲線vo=f(vi) ，由傳輸特性曲線可知輸出電壓vo不可能超越正、負(fù)電壓的極限值±15V。 圖2.1.3 傳輸特性曲線對

4、該電路進(jìn)行交流小信號分析，得到幅頻響應(yīng)曲線和相頻響應(yīng)曲線，如圖2.1.4所示 圖2.1.4 幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)2.2 反相放大器反相放大器電路如圖2.1.1.1所示，R1=10k，R2=20k歐姆，R3=R1|R2=6.67k。由虛短和虛斷可得：vi-vnR1=vn-voR2Av=VoVi=-R2R1 圖2.2.1 反相放大器代入數(shù)據(jù)，得：Av=-2 vo=-20mV 仿真結(jié)果與理論計(jì)算一致，輸出信號與輸入信號相位相反，電壓增益為-2。 圖2.2.2 反相放大器仿真結(jié)果平衡電阻R3的作用：(1) 為芯片內(nèi)部的晶體管提供一個(gè)合適的靜態(tài)偏置。 芯片內(nèi)部的電路通常都是直接耦合的，

5、它能夠自動調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)，但是，如果某個(gè)輸入引腳被直接接到了電源或者地，它的自動調(diào)節(jié)功能就不正常了，因?yàn)樾酒瑑?nèi)部的晶體管無法抬高地線的電壓，也無法拉低電源的電壓，這就導(dǎo)致芯片不能滿足虛短、虛斷的條件，電路需要另外分析。(2)消除靜態(tài)基極電流對輸出電壓的影響，大小應(yīng)與兩輸入端外界直流通路的等效電阻值平衡。對該電路進(jìn)行直流掃描，得到該電路的傳輸特性曲線vo=f(vi)。從圖中可以看出在到達(dá)正、負(fù)極限值之前，斜率為-2，即電壓增益為Av=-2。圖2.2.3 傳輸特性曲線 對該電路進(jìn)行交流掃描，得到幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)曲線，如圖2.1.1.4。從圖中科看出電壓增益為-2。圖2.2.4 幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)

6、2.3 同相輸入和反相輸入放大電路的其他應(yīng)用2.3.1 求差電路 求差電路如圖所示，i1、i2、i3、i4分別表示流過R1、R2、R3、R4的電流，電阻阻值如圖2.3.1.1所示，輸入信號vid=vi2-vi1=10mV。接下來計(jì)算該電路的增益： 圖2.3.1.1 求差電路由 i1=i4，即 vi1-vnR1=vn-voR4 及 i2=i3，即 vi2-vpR2=vpR3 再由虛短 vn=vp 代入上式，可得 vo=R1+R4R1R3R2+R3vi2-R4R1vi1 =1+R4R1R3R21+R3R2vi2-R4R1vi1 當(dāng) R4R1=R3R2時(shí)，輸出電壓可簡化為 vo=R4R1(vi2-v

7、i1) 輸入電阻 Ri=vi2-vi1i=2R1 代入數(shù)據(jù)，得 vo=20k10k *10mV=20mV Ri=2R1=20k 輸入輸出波形如圖2.3.1.2所示，輸出電壓和vi2-vi1同相，電壓增益為2圖2.3.1.2 輸入輸出波形對該電路進(jìn)行直流掃描，得到該電路的傳輸特性曲線vo=f(vi1-vi2)圖2.3.1.3 傳輸特性曲線 對該電路進(jìn)行交流掃描，得到幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)曲線。圖2.3.1.4 幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng) 為研究該電路的輸入電阻，以vid為橫坐標(biāo)，Ri=vidip為縱坐標(biāo)，進(jìn)行直流掃描分析，得到輸入電阻隨輸入電壓變化的關(guān)系曲線，如圖2.1.3.5。圖2.1.3.5 輸入電阻與

8、輸入電壓的關(guān)系 從圖中可以看出在正常工作狀態(tài)下該電路的輸入電阻為20k，與理論計(jì)算一致。2.3.2 儀用放大器 儀用放大器電路如圖， vid=vi1-vi2 =20mV-10mV =10mV , R1=1k，R2=2k,R3=3k,R4=4k圖2.3.2.1 儀用放大器理論計(jì)算如下： 左側(cè)兩個(gè)運(yùn)放形成虛短和虛斷，因而有vR1=v1-v2和vR1R1=(v3-v4)(2R2+R1)，故得 v3-v4=2R2+R1R1vR1=(1+2R2R1)(v1-v2) 所以 vo=-R4R3v3-v4=-R4R3(1+2R2R1) (v1-v2) Av=vov1-v2=-R4R3(1+2R2R1)代入數(shù)據(jù)，

9、得 Av=-431+2*21=-6.67 vo=Avv1-v2=-6.6720mV-10mV=-66.7mV 仿真結(jié)果和理論計(jì)算一致。2.3.3 求和電路圖2.3.3.1 求和電路 利用虛短、虛斷和虛地的概念，即vp-vn=0，ii=0和vn=0，寫出輸入端的節(jié)點(diǎn)電流方程為 i1+i2+i3=i4 或 vs1R1+vs2R2+vs3R3=-voR4 由此得 vo=-(R4R1vs1+R4R2vs2+R4R3vs3) =Av1vs1+Av2vs2+Av3vs3 帶入數(shù)據(jù)，得 vo=4*10+2*10+43*10 =73.3mV 仿真結(jié)果為73.9mV，與理論計(jì)算的誤差只有0.82%，忽略誤差，則

10、仿真結(jié)果與理論計(jì)算一致。2.4 積分電路和微分電路2.4.1 積分電路圖2.4.1.1 積分電路 積分電路如圖2.4.1.1所示，vn-vo=1Cidt=1CvIRdt vo=-1RCvIdt 帶入數(shù)據(jù)R=10k，C=1nF，得 vo=-1×105vIdt V當(dāng)輸入為方波時(shí)，輸出為三角波，如圖2.4.1.2所示圖2.4.1.2 積分電路的輸入輸出波形 2.4.2 微分電路 圖2.4.2 微分電路 設(shè)t=0時(shí)，電容器C的初始電壓vc(0)=0，當(dāng)信號vi接入后，便有 ii=Cdvidt vn-vo=i1R=RCdvidt vo=-RCdvidt 上式表明，輸出電壓vo正比于輸入電壓vi

11、對時(shí)間的微商，負(fù)號表示他們的相位相反。圖2.4.2為輸入三角波時(shí)的微分電路輸入輸出波形。 圖2.4.2 微分電路輸入輸出波形 3 運(yùn)算放大器的相關(guān)計(jì)算3.1 課本例2.3.2 將圖3.1.1所示電路的電阻R2用T形網(wǎng)絡(luò)代替，如圖3.1.2所示。（1）求電路的電壓增益表達(dá)式Av=VoVi；（2）該電路作為話筒的前置放大電路，若選R1=51k，R2=R3=390k，當(dāng)vo=-100vi 時(shí)，計(jì)算R4的值；（3）直接用R2代替T型網(wǎng)絡(luò)的電阻時(shí)，當(dāng)R1=51k，Av=-100時(shí)，求R2的值。 圖3.1.1 圖3.1.2 解：(1) 利用虛地vn=0和虛斷in=ip=0的概念，列出節(jié)點(diǎn)n和M的電流方程為

12、 i1=i2，即vi-0R1=0-v4R2 及 i2+i4=i3 ，即0-v4R2+0-v4R4=v4-v0R3 解上述方程組得 v41R2+1R4+1R3=v0R3 -viR1R21R2+1R4+1R3=v0R3 因此閉環(huán)增益為 Av=vovi=-R2+R3+(R2R3/R4)R1 (2) 當(dāng)R1=51k，R2=R3=390k，Av=-100時(shí)，有 Av=-390+390+(390*390)/R451=-100 R4=35.2k R4可用50k電位器代替，然后設(shè)置R4=35.2k，使Av=-100。即可利用調(diào)節(jié)R4的值來改變電壓增益的大小。 (3) 若Av=-100，用R2代替T型網(wǎng)絡(luò)時(shí)，R

13、2為 R2=-(AvR1) = 100*51 k=5100k 由上述分析可看出，用T型網(wǎng)絡(luò)代替反饋電阻R2時(shí)，可用低阻值電阻（R2 、R3、R4）的網(wǎng)絡(luò)得到高增益的放大電路。 對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行仿真，得到圖3.1.3和圖3.1.4 圖3.1.3 圖3.1.4 由仿真可看出，當(dāng)R1=51k，R2=R3=390k，R4=35.2k時(shí)，電壓增益的絕對值為110；當(dāng)用R2=5100k代替T型網(wǎng)絡(luò)時(shí)，電壓增益的絕對值為110。 用雙蹤示波器觀察輸入輸出波形，圖3.1.3電路和圖3.1.4電路的輸入輸出波形分別如圖3.1.5和圖3.1.6所示。從圖中可知輸出信號與輸入信號相位相反。所以圖3.1.3電路和圖3.

14、1.4電路的電壓增益都為Av=-110，與理論計(jì)算 “Av=-100” 存在10%的誤差。 圖3.1.5 圖3.1.6 在圖3.1.4電路中，對R4從0歐姆到50k進(jìn)行參數(shù)掃描，如圖3.1.7，輸出電壓增益，選擇電壓增益為100的曲線，得到R434.7k，與理論計(jì)算“R4=35.2k”存在1.7%的誤差。通過各條曲線的對比可知，|Av|隨R4的增大而減小。 圖3.1.7 參數(shù)掃描R43.2 課本習(xí)題2.4.3儀用放大器電路如圖3.2.1所示，設(shè)電路中R4=R3，R1為一固定電阻R1'=1k和一電位器Rp串聯(lián)，若要求電壓增益在5400之間可調(diào)，求所需電阻R2、Rp的阻值范圍。并選取R2、

15、R3、R4和Rp，但電路中每個(gè)電阻值必須小于250k。 圖3.2.1解：由儀用放大器的電壓增益公式可知，Av=vov1-v2=-R4R3(1+2R2R1)，當(dāng)最大增益|Admax|=400時(shí)，設(shè)R1=R1'+Rp，當(dāng)R1=R1'=1k，得400=R4R31+2R2R1'=1(1+2R21k) R2=(400-1)/2k=199.5k，取R2=200k 最小電壓增益|Admin|=5時(shí)，為5=1(1+2*1001+Rp)Rp=400-44k=99k，取Rp=100k 取R3=R4=51k，R2=200k，Rp=100k（電位器）可滿足Av在（5400）之間可調(diào)。 接下來對

16、計(jì)算結(jié)果進(jìn)行Multisim仿真，將計(jì)算結(jié)果代入圖3.2.1中，得圖3.2.2 圖3.2.2在輸出端用萬用表測量輸出電壓有效值，得以下結(jié)果：Rp (k)Av0400567.61037.3152620203013.94010.8607.6805.91005用excel繪制曲線圖，得到Av和Rp的關(guān)系曲線，如圖3.2.3。圖3.2.3 Av和Rp的關(guān)系曲線3.3 課本例SPICE2.5.2電路如圖3.3.1所示。運(yùn)放LF411的電源電壓V+=+15V，V-=-15V，電容器C的初始電壓vc0=0。（1）當(dāng)輸入電壓vi的幅度為1V，頻率為1kHz，占空比為50%的正弦波時(shí)，求輸出電壓vo的波形；（2

17、）去掉電阻R2，重復(fù)（1）的要求。圖3.3.1解：（1）用雙蹤示波器測量輸入信號和輸出信號，輸入、輸出波形如圖3.3.2所示。由圖中看出，電路開始工作后，要經(jīng)一定的時(shí)間，輸出電壓才能穩(wěn)定。等vo穩(wěn)定后vo為三角波。 圖3.3.2 輸入輸出波形（2）去掉電阻R2后，輸出電壓波形如圖3.3.3所示。由圖中看出，由于電容器C沒有放電回路，輸出電壓vo經(jīng)過一段時(shí)間達(dá)到飽和狀態(tài)，vo=-14.188V。此時(shí)電壓值接近V-值，已無三角波電壓輸出。圖3.3.3 去掉電阻R2的輸入輸出波形4 心得體會雖然這次課程設(shè)計(jì)沒有抽到自己感興趣的題目，但我還是決定認(rèn)真地完成。抽到自己擅長的題目固然好，但做自己不擅長的項(xiàng)目更能提高自己的綜合能力。Multisim仿真是我的弱項(xiàng)，平時(shí)除了完成作業(yè)我基本上不用Multisim，這次課程設(shè)計(jì)正好能讓我重新學(xué)習(xí)Multisim，彌補(bǔ)平時(shí)的不足。通