利用运算放大器搭建回转器电路仿真报告

1、利用运算放大器构成回转器电路的研究电 22 王明轩 2012010905 电 22 李自帅 2012010916摘要 ：回转器是基本的电路元件之一， 它在电力处理和信号处理电路中具有广泛的应用。 本文以采用运算放大器实现回转器的电路为例， 讨论了回转器的端口特性及其性质， 并运用 Multisim 对分析结果进行了仿真验证 。关键词：回转器 运算放大器 仿真、背景介绍回转器 (Gyrator) 的是现代网络理论中使用的一种双口电阻元件，其元件符号如图所示：回转器 (gyrator) 是一种具有电阻倒换或电感与电容倒换 性质的二端口元件，由特勒根提出并加 以命名的基本电路元件。目前，回转器已做成

2、IC 模块供用户使用，是无电感滤波器中的重要元件。它 在信号处理和元件转换中具有独特的作用。课上学习回转器过程中，对其“回转”功能 (尤其是可以将电容转变为电感应用在集成电路 中)产生浓厚兴趣。因此选取课本上所给的由运 算放大器构成的回转器电路结合仿真进行研究， 电路如右图所示。、原始电路分析1.理论分析1)回转器的实现电路如下：由电阻的串联可知：由运放的“虚短”和“虚断”可得：类似的，可以求出：故：满足回转器的参数矩阵，及实现了回转器的要求。2）利用回转器实现电容到电感的回转。在电路的又端口接一个电容原件 C，此时有：由回转器的特性方程可得：可以令 C 便实现了电容到电感的回转。2.仿真验证

3、仿真过程中，令所有 R=1k，电源内阻 rr=500 。（1）直流特性令负载 RL=1k，连接仿真电路如图：RL1.0k R7进行直流扫描分析其回转功能，输出值即为U2/I1 、 U1/I2, 结果如图：可见当电压绝对值在一定范围内时，这两个比值绝对值都恒定在1k 附近，符合理论分析的回转器回转特性。 如果输入电压绝对值过大或过小， 运放不再工作在线性工作区， 回 转特性无法实现。（2）交流特性及将电容“回转”为电感的功能。 输入换为交流电源，并将负载换为 10F 电容，仿真电路如图：R7C110F进行交流分析，输出量为输入电压和电流，结果如图由其相频特性曲线可看出在中频段时，电流领先电压约为

4、90，即实现了由电容回转为电感的功能。该功能常用于集成电路中的电感，使得小体积大感值的电感成为可能。三、对回转器中电路参数对其性能影响的探究1.理论分析回转器功能实现的探索电路图如下：由节点电流方程结合理想运放的“续断”和“虚短” ，可得：在输出端有节点电流方程可得：类似分析可得若要满足回转器条件应有若要满足回转器应有： 可得： ，并且有：，并且有：因此要实现回转器应有： ，为了简化计划，令级间电阻 ，此时可以得到实现回转器的电路参数要求为：级间电阻 R4、R5的值对电路功能影响不是很大。因此将R3、R6、R7和 R1、R2作为两组参数，可改变其值探究对回转器功能的影响。2.仿真验证（1）在直

5、流输入下验证。（I）首先改变 R1、R2 值为 50，同样进行直流扫描，输出U2/I1 、 U1/I2 。（所加负号是由于仿真电路与实际二端口的回转器参考方向选取不同） 。结果如图：可见电源电压在 0.5V1.5V 间时，放大器工作在线性工作区， U2/I1 约为 -1k，U1/I2 约 为 1k ，能够实现回转器功能。但是也可以看出其对输入电压幅值有很大要求，能正常工作 的幅值范围相比修改 R1、R2 前小了很多。但如果 R1、R2 值太大，运放很难工作在线性工作区，电路无法正常工作。因此应根据 实际情况选择合适的电阻。（II）改变 R3、R6、R7 为 10k，同样进行直流扫描，输出 U2

6、/I1 、 U1/I2 。（所加负号 是由于仿真电路与实际二端口的回转器参考方向选取不同） 。结果如图：可见回转器参数 r 变为 10k左右， r 与 R3（R6、 R7）值相等，符合理论分析。同时可以看出，随着 r 的增大，其正常工作的电压幅度范围也增大了。四、结论1. 运用运算放大器搭建的该电路可以实现回转器的功能。2. 该电路实现回转器功能的条件为：其中，为了简化计划，将级间过度电阻设定为：3. 改变的值会影响使电路正常工作的电压范围， 越大，电路的工作电压范围越大，电路的适用性也越好。4.改变的值会改变二端口网络的r 的值，且始终有 r= 。5.增大的值时，电路正常工作的电压范围变大。，这对集成电6.运用回转器可以实现电容到电感的“回转”或者电感到电容的“回转”路的发展有重要意义。五、总结收获通过这次仿真， 初步了解了回转器具体电路实现方法，对回转器的功能实现有了深一步的理解，复习了电路原理课堂所学知识。同时，又一次熟悉了Multisim12 仿真环境下电路的一些分析方法。对我们所感兴趣的回转器 “回转”功能，尽管没有机会通过实际实验进行体会，但是此 次已经通过仿真对其有了一定的了解， 相信会对以后学习甚至工作中此原件的应用有一定的 帮助。附：小组分工情况李自帅负责理论计算与分析， 王明轩负责仿真电路与结果分析。 整合后二人共