Mul基础电路及其仿真 11

第2章集成运算放大器集成运算放大器（简称集成运放）是一种高电压增益放大电路，以集成运放作为基本放大电路，再配以反馈网络，便可构成各种拓扑结构的负反馈放大电路，以适用于各种不同应用的需求。Multisim仿真分析方法：瞬态分析、参数扫描、交流分析本章知识结构双电源供电反相电路电路、仿真和实验双电源供电同相电路电路和仿真双电源供电差分电路电路和仿真应用电路电路和仿真单电源供电直接耦合方式电路、仿真和实验单电源供电交流耦合方式电路和仿真2.1双电源供电反相电路集成运放作为一个完整器件，在双电源供电下，输入信号作用于反相输入端，通过引入负反馈，即可构成反相电路。本节内容：2.1.1电路2.1.2仿真2.1.3实验2.1.1电路本小节介绍五种双电源供电反相电路：反相互阻放大电路反相比例运算电路T形网络反相电路反相积分电路反相微分电路1.反相互阻放大电路

引入的是电压并联负反馈是一个单端输入的反相互阻放大电路可实现电流-电压的转换转换关系：图2-1反相互阻放大电路

2.反相比例运算电路

图2-2反相比例运算电路

3.T形网络反相电路应用背景：设计一个比例系数为-100、输入电阻为50kΩ的反相比例运算电路，为避免使用大阻值电阻，采用T形网络反相比例运算电路。优点：

使用阻值较小的电阻达到数值较大的比例系数具有较高的输入电阻输入与输出电压的关系：图2-3T形网络反相电路

4.反相积分电路

图2-4反相积分电路

5.反相微分电路将反相积分电路中的电阻R和电容C的位置互换，可得到反相微分电路。输入与输出电压的关系：图2-5反相微分电路

2.1.2仿真本小节对以下电路进行Multisim仿真分析：电流-电压转换电路反相放大器T形网络反相电路反相微分电路1.电流-电压转换电路（仿真概述）

输出电压理论值：-2V探针测得输出电压：-1.99997V，与理论值基本吻合图2-6电流-电压转换电路仿真图

结论：随着驱动电流源内阻不断增大，输出电压也在增大，并趋向于理论值，电路才能保证较高的转换精度。

输出电压/V0.0012M-1.989920.01200k-1.998980.120k-1.9998812k-1.9999810200-1.99998

2.反相放大器（设计与仿真）设计要求：采用运放OP07，设计一个闭环电压增益为-10的反相放大器。已知条件：

设计结果：

(a)仿真图2.反相放大器（仿真结果）

(b)输入（细线）和输出（粗线）波形图2-7闭环电压增益为-10的反相放大器的仿真图3.T形网络反相电路（仿真）仿真参数：输入信号：峰值0.01V，频率1kHz的正弦波；电路增益：100(a)T形网络反相电路的仿真图(b)输出电压（粗线）与输入电压（细线）图2-8T形网络反相电路的仿真图仿真结果：实测输出电压峰值为988mV，输出电压波形（粗线）与输入电压波形（细线）之间呈180°相位关系。4.反相微分电路（仿真电路）反相微分电路为实用微分运算电路，图中：

图2-9反相微分电路的仿真图4.反相微分电路（仿真结果一：矩形波输入）

(a)输入方波时的输出波形4.反相微分电路（仿真结果二：正弦波输入）

(b)输入正弦波时的输出波形图2-10反相微分电路输出波形2.1.3实验本小节进行两个实验：1.T形网络反相电路2.反相积分电路1.T形网络反相电路（实验）面包板上的T形网络反相电路实验步骤：设置雨珠S的电源，+5V和-5V电压点击信号源，选择正弦波（幅值20mV，频率1kHz）打开示波器，观察输出波形调节微调，改变电路的电压放大倍数，使输出波形幅度满足设计要求（幅值2V）图2-11面包板上的T形网络反相电路图2-12输出波形幅值2V2.反相积分电路（实验说明）面包板上的反相积分电路实验步骤：设置雨珠S的电源，+5V和-5V电压点击信号源，选择方波（幅值1V，频率1kHz）打开示波器，观察输入信号方波和输出信号三角波频率对输出的影响：

图2-13面包板上的反相积分电路2.反相积分电路（实验波形）(a)方波频率1kHz(b)方波频率500Hz(c)方波频率2kHz(d)输入正弦波图2-14输入和输出波形2.2双电源供电同相电路对换反相电路的信号输入端和接地端：

本节内容：2.2.1电路2.2.2仿真2.2.1电路同相比例运算电路

图2-15双电源供电的同相电路电压跟随器

输入电阻高输出电阻低输出电压跟随输入电压广泛应用场合：

放大电路的输入级放大电路的缓冲级（隔离级）放大电路的输出级图2-16电压跟随器2.2.2仿真本小节对以下电路进行仿真：1.级联放大器2.电压跟随器1.级联放大器（仿真）利用一个同相电路与一个反相电路组成级联放大电路。总电压放大倍数：

图2-17级联放大器仿真图2.电压跟随器（仿真）

(a)电路仿真图

图2-18电压跟随器仿真2.3双电源供电差分电路前两节的反相电路和同相电路均属于单端输入放大电路，本节介绍三种不同电路结构的差分电路：单运放差分电路两运放仪用放大器三运放仪用放大器本节内容：2.3.1电路2.3.2仿真2.3.1电路1.单运放差分电路电路结构：

该电路称为差分比例运算电路，或称减法运算电路。图2-19单运放差分电路

2.两运放仪用放大器改进背景：单运放差分电路对每路输入信号呈现不同的输入电阻，会导致两路输入信号的不平衡。改进方案：在单运放差分电路基础上，增加一级同相电路，构成两运放仪用放大器。优点：

提高了每一路信号的输入电阻使电路参数的选取更为方便

图2-20两运放仪用放大器

3.三运放仪用放大器电路结构及输出关系：电路特点分析：

图2-21三运放仪用放大器

2.3.2仿真传感器电路的差分电路选择研究背景：带有传感器电阻（R4）的桥式电路，当R4增加1%（由100kΩ变为101kΩ）时，电压表显示12.437mV的输出电压。问题：如何取出这个电压？图2-22带有传感器电阻（R4）的桥式电路2.3.2仿真——单运放差分电路的不足采用单运放差分电路，仿真显示桥式电路输出电压降至6.623mV，说明单运放差分电路的输入电阻太小了。问题所在：单运放差分电路输入电阻过小，导致桥式电路输出电压被严重拉低，无法准确反映传感器的变化量。图2-23单运放差分电路的应用引入电压跟随器的改进引入电压跟随器可提高差分电路的输入电阻，桥式电路输出电压恢复为12.436mV，接近桥式电路原输出电压。不足：电路的电压增益调节不方便。图2-24引入电压跟随器的差分电路应用2.3.2仿真——三运放仪用放大器的典型应用选用三运放仪用放大器的典型应用电路：仿真结果分析：

图2-25三运放仪用放大器的典型应用电路2.4应用电路设计目标：设计一个传感器放大电路。设计要求：

本节内容：2.4.1电路2.4.2仿真2.4.1电路电路结构

图2-26实用传感器放大电路1.基准电压电路设计

2.三运放仪用放大器设计

根据三运放仪用放大器放大倍数公式：

2.4.2仿真

图2-27传感器放大电路的仿真图传输特性

图2-28传输特性2.5单电源供电直接耦合方式在众多电池供电设备中，运放需工作在单电源下，研究单电源供电下的运放电路非常必要。从耦合方式来说，单电源供电的运放电路分为：直接耦合方式本节介绍交流耦合方式下节介绍本节内容：2.5.1电路2.5.2仿真2.5.3实验2.5.1电路设计实例：设计一个直接耦合反相放大器设计要求：

放大器的电路方程：元件参数选择：

2.5.2仿真仿真电路中运放选用OPA735AID（轨对轨运放），V1的偏置电压设置为-0.2V。通过直流分析，得到电压传输特性：仿真结果：

符合设计要求。(a)仿真电路图(b)电压传输特性图2-30直流分析2.5.3实验

图2-31面包板上的单电源直接耦合反相放大器步骤详解步骤1：点击电源，设置+5V，关闭负电源(a)设置5V电压步骤2：点击信号源，选择正弦波，设置幅值100mV，偏置-200mV(b)设置幅值100mV(c)设置偏置-200mV步骤3：点击示波器，观察输出波形，调节微调电阻，使波形处于1～5V之间(d)调节输出波形图2-32单电源直接耦合反相放大器实验2.6单电源供电交流耦合方式适用场景：只希望放大输入信号中的交流分量，而避免其直流分量对电路的影响。实现方法：利用电容"通交隔直"的作用，在放大器的信号输入端串入耦合电容，实现交流耦合方式。本节内容：2.6.1电路2.6.2仿真2.6.1电路设计实例：设计一个交流耦合反相放大器设计要求：

将峰值为0.1V、频率为1kHz、偏置电压为1V的正弦波转换为最小值为0.1V、最大值为5V，频率仍为1kHz的正弦波电路采用5V单电源供电，电阻选用标称值

图2-33交流耦合单电源供电的反相放大器2.6.2仿真瞬态分析利用瞬态分析，得到电路的输入（细线）输出（粗线）波形图，仿真测试结果表明电路符合设计要求。(a)图2-33的仿真图(b)输入（细线）输出（粗线）波形图图2-34交流耦合反相放大器仿真频率特性分析

电路的电压放大倍数