运算放大器反相放大电路仿真应用解析

百科   2024-10-20 11:31   广东  
目录

一、反相放大电路原理(简化电路)

二、反相放大电路电路原理(实际特性)

2.1原理图

2.2实际电路

三、虚短 虚断

3.1 虚短

3.2 虚断

四、作业

4.1 (反相)放大电路设计

4.2 LM741芯片

五、标准电阻电容选型

六、作业仿真记录

6.1 任务要求1

6.2 任务要求2

6.3 任务要求3

6.4 任务要求4

6.5 任务要求5

6.6 任务要求6


仅作为学习笔记参考
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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

  • 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

  • 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: 

 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)

 
由上面的推导才得出结论闭环电压放大倍数 = -R2/R1

运算放大电路的输入电阻就是 R1 
运算放大电路的输出电阻是几十欧姆 ≈ 0

三、虚短 虚断


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

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

∵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

  • 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

8 NC 不连接,空脚

五、标准电阻电容选型


六、作业仿真记录

6.1 任务要求1

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 

输出波形反相 √
输出波形失真 ×

双电源给+-9V试试

输出波形还是有一些失真
双电源给+-15V测试

电路优化:电源附近加两个电容


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)

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)

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)

  • 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)

输出电压14.189V
电源供电改为50V

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

  • 电源电压最大±22V
  • 输入电压最大±15V
 所以任务6有问题
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