运算放大器设计

电子竞赛初赛设计方案 姓名:刘俊贤 学号: 班级: 2013301951 08031301

实验一:用集成运放设计一个能实现V0=-(4Vi1+3Vi2+2Vi3)

的加法电路

一.实验要求

用集成运放设计一个能实现V0=-(4Vi1+3Vi2+2Vi3)的加法电路。设计步骤:

(1)根据已知条件,确定电路方案,计算并选取各电路元件参数;

(2)在输出波形不失真的情况下,测量输入、输出波形的幅度,使之满足设计要求

二.实验原理

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。当外界接入线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时,可以灵活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,将运放看成是理想的,有以下三条基本结论: (1)开环电压增益Av=∞。

(2)运算放大器的两个输入端电压近似相等,即V+ = V-,成为虚短。 (3)运算放大器同相和反相两个输入端电流可视为0,成为虚断。

三.实验分析设计

题目要求设计能实现

V0=-(4Vi1+3Vi2+2Vi3)

U0Ui

..

的加法电路,分析得:

(1)输出与输入反相,则采用反相加法运算电路。 (2)由基本反相比例放大器的增益公式Auf=

=-

RfR1

可进一步推出反相加法

运算公式u=-(Rfu+Rfu+Rfu),则Rf=4 Rf=3 Rf=2,所以设计

0i1i2i3

R1R2R3R1R2R3

Rf=120kΩ,R1=30kΩ,R2=40kΩ,R3=60kΩ

(3)Vi1=100mV,Vi2=200mV,Vi3=300mV,三者频率都为1kHz的正弦信号,使输出波形不失真,观察并记录结果。 反相加法运算电路如下图所示:

四、仿真结果

理论计算(峰值):

u0=-(4*100+3*200+2*300)=1600mV

实验测得(峰值):

'

u0=1.590V

'

u0≈u0

所以该设计较合理。

实验二 RC文氏桥振荡器输出正弦波

一、实验要求

根据文氏电桥振荡电路原理,设计一个正弦波发生器电路。设计任务: (1) 输出正弦波的振荡频率为1KHZ;

(2) 振荡频率的测量值与理论值的相对误差

二、实验原理

文氏电桥振荡电路又称RC串并联网络正弦波振荡电路,它是一种较好的正弦波产生电路,适用于频率小于1MHz,频率范围宽,波形较好的低频振荡信号。

从结构上看,正弦波振荡器是没有输入信号的,为了产生正弦波,必须在放大电路中加入正反馈,因此放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要部分。但是,这样两部分构成的振荡器通常是得不到正弦波的,这是由于正反馈量很难控制,故还需要加入一些其它电路。

如图所示,是用运算放大器组成的文氏电桥RC正弦波震荡电路:

图中R1,R2,R5构成负反馈支路,R3,R4,C1,C2的串并联选频网络构成正反馈支路并兼做选频网络,二极管构成稳幅电路。调节电位器R5可以改变负反馈的深度,以满足振荡电路的振幅条件和改善波形。二极管D1,D2要求温度稳定性好且特性匹配,这样才能保证输出波形正负半周对称,同时接入R2以消除二极管的非线性影响。

若R3=R4,C1=C2,则振荡频率为f0=1/2πRC,正反馈的电压与输出电压同相位(此为电路振荡的相位平衡条件),且正反馈的系数为1/3。为满足电路的起振条件,放大器的电压放大倍数AV>3,其中AV=1+RP/R1,RP=R5+R2。由此可得出当RP>2R1时,可满足自激振荡的振幅起振条件。在实际应用中RP略大于R1,这样既可以满足起振条件,又不会因为过大而引起波形严重失真。

此外,若对所有的频率成分不加选择的反馈放大,则无法输出正弦信号。为了输出单一的正弦波,还必须进行选频,仅仅使某一频率的正弦信号被放大和反馈形成震荡,而使其它的频率成分被抑制。由于振荡的频率为f0=1/2πRC,故在电路中可变换电容来进行振荡的频率的粗调,可用电位器代替R3,R4来进行频率的细调。

电路起振后,由于元件参数的不稳定性,如果电路增益增大,输出幅度将越来越大,最后由于二极管的非线性限幅,这必然产生非线性失真。反之,如果增益不足,则输出幅度减小,可能停振,为此振荡电路要有一个稳幅电路。图中负反馈支路的两个二极管即为自动限幅元件,主要利用二极管的正向电阻随所加电压而改变的特性,来自动调节负反馈深度。

三、实验步骤

(1)按照实验电路图连接好仿真电路。

(2)结合上图,启动仿真按钮,用示波器观察有无正弦波的输出。若无输出,可调节R5使得VO波形为无明显失真的正弦波,并观察V O的值是否稳定。用示波器测量V O的幅值,并测出频率。如果不满足实验要求,则可调节两电容大小(保持大小相等)或电阻R1和R2来改变频率,合理改变R3、RP、R4阻值来改变输出电压幅值,直到满足要求为止。 (3)分析计算电压误差、频率误差。

四、仿真结果

幅值满足要求,且频率误差小于5%。


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