【运算放大器】反相放大电路仿真应用

简介: 【运算放大器】反相放大电路仿真应用

仅作为学习笔记参考

一、反相放大电路原理(简化电路)

运算放大器  实现电压放大电路

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  • 实现交流信号电压放大
  • 只有三个器件
  • 不需要像三极管场效应管调静态工作点
  • 但是运放芯片更贵,做实验选它

输出电压/输入电压   Uo/Ui 叫做 闭环电压放大倍数

二、反相放大电路电路原理(实际特性)

2.1原理图

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  • 同相输入端与反向输入端的差,运算放大器件的输入电阻 rid, 阻值非常大
  • ro是电压源内阻 几十欧姆
  • 剩下的一个是电压控制电压源
  • Aod 运算放大器件本身放大倍数

这些都是运算放大器本身的性质,自己有的性质

2.2实际电路

搞清楚几个概念

  1. A(Ad):开环电压放大倍数   器件本身的放大倍数
  2. Au(AFo):闭环电压放大倍数   Uo/Ui,上电后器件加上外围电路的实际放大倍数
  3. Ud:运放净输入电压:     运放两端的输入电压Ui’
  4. Rd(rid):运放两输入端间电阻   中间的电阻

实际电路如下:

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R3是平衡电阻,大小是R1R2的并联

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------R3 = R1 // R2 可减小输出直流噪声。摘自《电子系统设计与实践》贾立新、王涌等编著


再简化一下电路,利用节点电压法求解(真是学过去就忘了呀,惭愧惭愧)

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由上面的推导才得出结论闭环电压放大倍数 = -R2/R1


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运算放大电路输入电阻就是 R1

运算放大电路输出电阻是几十欧姆 ≈ 0


三、虚短 虚断

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虚短

U+ U- 电压差(0.0几V~~~0.00几V)非常小,电位非常接近,计算时候,认为电位相同

虚断

Rd非常大,假设U-是1V ,1V/10M欧姆 电流非常小 接近0,还有一点电流,没有真正断路

UR3 = I * R3 = ***uV非常小

3.1 虚短

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虚短 ---> U+与U-电位相同

虚断 ---> U+接地 ---> U-也接地 ---> U+与U-电位都是0

根据虚短虚断可以求UR1 UR2

3.2 虚断

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∵下面那条分支电流很小,忽略不计了

∴R1 R2电流相等

参考文献

  • [1] 华成英,童诗白.模拟电子技术基础[M].第四版.北京:高等教育出版社,2007:325-330.
  • [2] 段尚枢.运算放大器应用基础.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2005:39-42.
  • [3]  赛尔吉欧·佛朗哥 著,刘树林,朱茂林,荣玫 译.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].西安:西安交通大学出版社,2004:2-35.

四、作业

        问题与重点

1.本课重点:放大电路设计

  • 画出电路原理图和实际器件连接图
  • 写出电路工作原理
  • 计算相应数据和选择器件(数值、功率、允许误差、额定工作电压、电源电压、工作电流等)  

2. 编写报告

4.1 (反相)放大电路设计

  1. 设计一个放大电路。将幅值100mV、频率ƒ=1kHz的正弦交流电压信号放大到要求的倍数Au=100,输入信号与输出信号相位相反(差180o),放大倍数误差要求±10%(110-90之间)。
  2. 求出电压放大倍数的分贝值Au(dB)。
  3. 若放大幅值10mV、频率1MHz的正弦交流电压信号ui,求输出电压uo。(仿真)
  4. 放大幅值10mV、频率10MHz正弦交流电压信号,同上。(仿真)
  5. 放大直流1V电压,测量全电路工作电流。注意,正负双电源供电需用两个电流表,同时求输出电压uo 。(仿真)
  6. 放大50V直流电压,测量全电路工作电流,求输出电压uo 。(仿真)
  7. 要求利用LM741集成运算放大器实现设计(双电源供电)。

老师的一些要求:

反向放大电路

找标准系列的电阻阻值,减小误差,只能选电阻误差+-1%的

求dB

不用三极管,场效应管,用运算放大器

电源3 6 9 12 15…… 自己选

R3是R1R2的选并联

元器件选型选最接近的,还要选电阻的功率(用表测出功率)

画实际连接图?

实际测试 等开学!


4.2 LM741芯片

电源引脚后加两个滤波电容,下图的C1 C2 C3 C4

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  • 旁路电解电容:50uF以上,如220uF
  • 旁路无极性电容: 0.1uF、 0.01uF

LM741调零电位器(调Rw),使输出电压为0 (用LM741预留出来的1和5引脚带电测试,如果不是0,就调Rw)

总结:电路设计的时候,器件的电源端接两个电容,一个有极性一个无极性,尽量靠近电源端子

LM741引脚

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8 NC 不连接,空脚


五、标准电阻电容选型

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六、作业仿真记录

6.1 任务要求1

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为啥没有放大呢?

为啥是同相位呢?

……

哦原来是芯片没有供电呀!


+-5V双电源供电测试

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输出波形反相 √

输出波形失真 ×

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双电源给+-9V试试

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输出波形还是有一些失真

双电源给+-15V测试

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电路优化:电源附近加两个电容

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输入波形(红色) 100mV

输出波形(蓝色) 10V

放大倍数Au = 10V / 100mV = 100


6.2 任务要求2

求电压放大倍数的分贝值

LogAu = Log100 = 2DB

6.3 任务要求3

若放大幅值10mV、频率1MHz的正弦交流电压信号ui,求输出电压uo。(仿真)

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输出电压uo 略小于10mV

6.4 任务要求4

放大幅值10mV、频率10MHz正弦交流电压信号,同上。(仿真)

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输出电压uo ≈ 240uV

6.5 任务要求5

放大直流1V电压,测量全电路工作电流。注意,正负双电源供电需用两个电流表,同时求输出电压uo 。(仿真)

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  • XMM1 = 1.547mA, XMM2 = 1.696mA
  • 输入电压1V,输出电压-14V (读通道数值), 最大到电源提供的电压

6.6 任务要求6

放大50V直流电压,测量全电路工作电流,求输出电压uo 。(仿真)

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输出电压14.189V

电源供电改为50V

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输出电压-49.938V

但是有问题!

电源电压和输入电压不应该那么大,看LM741的数据手册

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  • 电源电压最大±22V
  • 输入电压最大±15V

所以任务6有问题

6.7 任务要求7

要求利用LM741集成运算放大器实现设计(双电源供电)。

???

……

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下次讲同相放大器……


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