基于Mulitisim的集成运算放大器应用电路仿真教材

电子课程实验报告题目：基于Mulitisim的集成运算放大器应用电路仿真
设计目的
1、集成运算放大电路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、微分等模拟运算电路。

2、本课程设计通过Mulitisim编写程序几种运算放大电路仿真程序，通过输
入不同类型与幅度的波形信号，测量输出波形信号对电路进行验证，并利用Protel软件对实现对积累运算放大电路的设计，并最终实现PC板图形式。

二、电路的理论知识
1．反相放大器
图1中所示的电路是最常见的运放电路，它显示出了如何在牺牲增益的条件下获得稳定，线性的放大器。

标号为R f的反馈电阻用于将输出信号反馈作用于输入端，反馈电阻连接到负输入端表示电路为负反馈连接。

输入电压V1通过输入电阻R1产生了一个输入电路i1。

电压差△V加载在+、—输入端之间，放大器的正输入端接地。

图1
利用回路公式计算传输特性：
输入回路：
V R i V ∆+=111 (2)
反馈回路：
V R i V f f out ∆+-= (3)
求和节点
in f i i i +-=1 (4)
增益公式：
V A V out ƥ-= (5)
由以上4个式子可以得到输出：
Z R V Z i V in out /)/(/11-= (6)
式中，闭环阻抗Z=1/R f +1/AR f +1/R f 。

反馈电阻和输入电阻通常都较大)(Ωk 级，并且A 很大(大于100000)，因此Z=1/R f 。

更进一步，△V 通常很小(几微伏)且放大器的输入阻抗Z in 很大(大约ΩM 10),那么输入输入电流(I in =△V/Z in )非常小，可以认为为零。

则传输曲线变为：
111)()/(V G V R R V f out -=-= (7)
式中，R f /R 1的比值称为闭环增益G ，负号表示输出反向。

闭环增益可以通过选择两个电阻R f 和R 1来设定。

2．同相比例运放电路
同向比例运放电路组成如图2所示 ，将输入电阻R 1接地，并且将输入信号加载道+输入端。

图2
电压在通过由反馈电阻R f 和输入电阻R 1组成的分压电路的时候产生压降，中间位置的电压V -为：
out f V R R R V ))/((11+=- (8)
根据理想运放的性质1，运放的输入电压△V 为零，因此V in =V -。

重新排列公式
in f out V R R V )/1(1+= (9)
通用运放的闭环增益为G=1+R f /R 1，并且不会改变输入信号的符号。

从中可以看出电路的输入阻抗Z i 很大。

A R R R Z Z f in i ))/((11+= (10)
式中，Z in 为实际运放的输入阻抗(大约为20m Ω，且由于电路的开环增益A 很大，输出阻抗Z 0趋紧于零，因此，同向比例运放电路能够以有限的增益有效地对输入电路进行缓冲。

3．运放积分电路
图3
图3为运放积分电路示意图。

在运放积分电路中，用电容器替换反馈电阻。

理想电容器能够存储电荷(Q)，并且没有漏电流。

输入电流通过求和节点对反馈电容器C f 进行充电。

电容器上的电压等于V out ，电容器存储电荷Q=CV ，即Q=C f V out ，并且电流I=dQ/dt ，可以得到
)/(dt dV C i out f f = (11)
将运放看做理想运放，i 1=V in /R 1，且i 1=I f ，则
)/(/1dt dV C R V out f in -= (12)
用积分的形势表达：
⎰-=dt V C R V in f out )/1(1 (13)
输出电压为输入电压的积分乘以一个比例系数(1/R 1C f )。

R 的电位是欧姆，C 的单位是法拉，RC 的单位是秒。

例如，一个1uF 的电容器和一个1M Ω的电阻组成的积分电路的时间常数为1秒。

假设输入电压恒定，那么输入电压项可以从积分号中提出来，公式变为：
常数+-=t C R V V f in out )/(1 (14)
其中常数由初始条件确定，如在t=0时刻，V out =V 0。

输入电压和时间为斜率为—(V in /R 1C f )的直线。

例如，当V in =—1V ，C=1uF 并且R=1M Ω,
则斜率为1vot/sec 。

在运放达到饱和以前，输出电压按这个比例线性地变化。

通过在反馈电容器上加载初始电压，能够得到积分的常数项。

同样可以在积分开始或t=0时，定义初始条件V out (0)=V constant ，输出电压则从初始电压开始增加或减少。

通常情况下，初始电压设定为零。

在反馈电容器上连接一根短接线，并在积分开始时移走，可以实现初始电压为零。

4．运放加法电路
图4
图4为运放加法电路原理图。

运放加法电路是反相比例电路的变形，带有两个或更多的输入信号。

各个输入电压V i 通过各自的输入电阻R i 连接到各自的输入电阻R i 连接到运放的-输入引脚。

运放加法电路满足克希荷夫第二定律，即在任意瞬时，电路中任意节点流入流出的电流和为零。

在V -这一点，01=++in f i i i 。

而且理想运放没有输入电流、没有偏置电流。

在这种连接情况下，-输入端通常称为求和节点(V s )。

这个点的另一个表述为：在求和节点上，所有的电流和为零。

对于输入回路1
111/R V i = (15)
对于输入回路2
222/R V i = (16)
对于反馈回路
)/(f out f R V i -= (17)
根据以上式子可得输出
)()/(2211R V R R V R V f f out --= (18)
如果R 1=R 2=R ，那么电路模拟了一个真实的加法电路。

)()/(21V V R R V f out +•-= (19)
在R f /R=1/2的特殊情况下，输出电压为输入电压的平均值。

三、选用运放的理由：
由于运放在电子中的必不可缺性，因此电子设计课老师针对身为大三的我们开设了这样的一门课程，针对运放做同相比例、反相比例、加法、减法、积分、微分电路，从而培养我们的电子设计技巧，以及对基础电路的理解，将理论知识化作实际技巧，这门课针主要是提升我们对运放的使用技巧，对运放型号的选择，对实际问题的解决能力。

在此次的电子设计电路中我选择的运放型号是：741放大器为运算放大器中最常被使用的一种，拥有反相向与非反相两输入端，由输入端输入欲被放大的电流或电压信号，经放大后由输出端输出。

放大器作动时的最大特点为需要一对同样大小的正负电源，其值由±12Vdc18Vdc不等，而一般使用±15Vdc的电压。

并且具有电压短路保护功能，输入电压范围较广，频带范围较广，完全满足本次课程的要求，因此我使用ua741做为本次课程的主要芯片
四、具体的各部分电路以及仿真结果：
1、反相比例
下图为本电路的仿真图，以及仿真结果：
2、正相比例放大电路
下图为本电路的仿真电路以及仿真结果
3。

加法电路
下图为仿真电路以及仿真结果：
4、减法电路
下图为仿真电路以及仿真结果：
5、微分电路
下图为其仿真电路以及仿真结果：
6、积分电路
下图为其仿真电路以及仿真结果：
五、pcb原理图及pcb
六：心得体会：
通过集成运算放大，器应用电路仿真实验，让我对理论知识的认识有了更深的了解，让我知道理论与实践需要结合起来，否则单纯的理论知识是无用的。

通过仿真实验让我认识到知识的力量。

而且当你将学到的知识付诸实践的那一刻，那种成就感,那种兴奋让人难以忘记。

所以以后我要更刻苦的学习理论知识，为更好的实践打下坚实的基础。