集成运算放大器电路的Proteus仿真

 产品系列     |      2021-11-01 11:59

运算放大器是由晶体管构成,最早用作模仿计较机的根基构建单位,完成加、减、乘、除等运算,所以称为运算放大器,简称“运放”。此刻常用的运算放大器都是集成电路,集成运放已有40多年的汗青,是型号最多也是最常利用的一类模仿集成电路,应用遍及。
一、根基运算电路:
运算是运算放大器最根基的成果,包罗比例、加、减、微分、积分、指数、对数等根基运算。
1. 阻挡比例放大器(Inverting amplifier):
反相放大器是运放最常见的应用电路,其放大倍数由反馈电阻RF与输入电阻R1之比抉择。

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运放用最早得到普遍应用的uA741,仿真时利用直流鼓励源(设为1V),可以看到输出端的直流电压表显示为-9.99V,与抱负状态下反相放大器公式的功效根基一致,精度超2%。这里没有利用失调调解端,利用后精度会更高。
可以用DC SWEEP(直流扫描)阐明输出与输入变革之间的干系,可以看出根基为直线。
为了减小输入级偏置电流引起的误差,在同相输入端应接入均衡电阻R3:

2. 同对比例放大器(Noninverting amplifier):
反相放大器固然简朴,但输出与输入之间为反相,假如需要输出与输入同相,就要用同相放大器。

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仿真时,输入电压设为1V,输出直流电压表上显示为11V,准确度很是高。同样,可以用DC SWEEP(直流扫描)阐明输出随输入而变革的曲线,也根基是一条曲线。
假如上述电路没有R1,就构成电压跟从器,一般反馈电阻用10k,同相输入电阻便是RF,这样可以减小漂移并起掩护浸染,也不会影响跟从性。
3. 反相加法电路:
信号相加,也是常用的电路,用反相放大器构成的加法器较量简朴实用。

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4. 减法电路:
两个信号别离从正反相输入端输入,可以构成减法电路。当R1=R2及R3=RF时:

5. 微分电路:
微分,在信号调动中也会碰着,好比对三角波举办微分会发生方波,正弦波微分发生余弦波。

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简朴的微分电路,只需要把反相放大器的输入电阻改为电容即可,但往往会串入限流电阻以改进机能,反馈电阻也会并联一个小电容抑制高频噪声,提高电路不变性。

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6. 积分电路:
简朴的积分电路,只要把反相放大器的反馈电阻改为电容即可,但会造成直流电位的漂移,一般要并联一个电阻,这个电阻要较量大以免影响电容充电进程从而影响积分机能。
积分与微分是逆运算,对一个方波积分可以发生三角波,对余弦波积分则发生正弦波。积分电路也常用于信号调动中,好比发生三角波或锯齿波等。
7. 对数放大器:
PN结的伏安特性近似对数,所以可以操作PN结可构成对数放大器。

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上述电路要求输入电压必需为正;若输入电压为负,二极管则要反接;也可以用反向并联的两只二极管对正负输入电压举办对数放大。由于二极管体电阻造成的压降会影响对数运算,所以要利用体电阻小的二极管作为调动元件。
也可以利用三极管构成对数放大器,如图:

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当输入电压为正时用NPN三极管,为负则利用PNP三极管。图中的二极管为掩护二极管,防备三极管反偏时因输出电压过大而造成击穿。对数放大器常用于压缩信号的动态范畴。
8. 指数放大器:
指数与对数是逆运算,所以只要把对数放大器的电阻与二极管交流就是简朴的指数放大器。

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从DC扫描曲线中可以看出,能获得指数输出特性的输入信号范畴很是窄,只有在二极管靠近导通的很小一段电压范畴内才有这种特性。同样,也可以用三极管构成指数放大器:

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二、有源滤波器:
滤波器是信号调动常用的电路形式。低频电路中常用RC滤波器,但这种滤波电路城市造成信号的衰减,假如把RC电路与运放组合形成滤波器,在滤波的同时尚有信号放大的浸染,至少可以赔偿衰减,同时还能改进一些电路特性,这就是有源滤波器。滤波器有低通、高通、带通、带阻等多种频率特性,每种尚有巴特沃兹、切比雪夫、椭圆曲线等多种形式,还可分为一阶、二阶及更高阶的滤波器。滤波器有很系统的阐明要领,尚有大量图表和履历公式,这里只对最简朴最常见的几种滤波器举办仿真。滤波器一般用频率特性曲线举办仿真。
1. 有源低通滤波器:
一阶有源低通滤波器,就是一级RC低通滤波器再加上同相放大器,其电路及特性曲线为:

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个中绿色的曲线为幅频特性,宝马线上娱乐,赤色的为相频特性。从幅频特性曲线可以看出,电路的增益会跟着频率的增加而减小,当增益减小到比通带增益小3dB时所对应的频率称为截至频率。一阶有源低通滤波器的截至频率与RC低通滤波器的根基一致,为1/2πRC。
虽然,也有人利用电压跟从器与RC低通网络构成低通滤波器,但利用同相放大器可以利便地调解增益,并且不会影响截至频率,利用更利便。
一阶有源滤波器的增益在频率高出截至频率后衰减不足快,是以-6dB/倍频程(或-20dB/十倍频程)下降,选择性欠好,许多场所需要的衰减特性更快,就要用到更高阶的滤波器。
二阶有源低通滤波器也可以用两级RC低通滤波器加电压跟从器构成,但一般更多回收其他形式,常见的有压控电压源型和多路反馈型等。

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压控电压源型有源低通滤波器可以有必然增益,但一般要小于2,否则很容易发生自激。当R2=R3=R,C2=C3=C时,二阶有源低通滤波器的截至频率和Q值别离为:

二阶低通滤波器阻带特性有改进,是以-12dB/倍频程(或-40dB/十倍频程)下降。
2. 有源高通滤波器:
高通滤波器是低频为阻带而高频为通带,与低通滤波器有对偶干系,可以通过对应的低通滤波器调动获得,一般是将RC低通滤波器选频网络中的R与C互换位置,调动后截至频率沟通。

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因为运放的增益带宽积的限制,有源高通滤波器会在超出必然频率后特性变差。
3. 有源带通滤波器:
带通滤波器,最低阶就是二阶,可以看作是一阶低通与一阶高通的组合。一般选C1=C2=C,这时带通滤波器的中心频率、带宽及品质因数别离为:

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4. 有源带阻滤波器:

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带阻滤波器有多种形式,有源滤波器中最常见的是用RC双T网络构成的二阶带阻滤波器。当C1=C2=C3/2,R1=R2=2R3时,中心频率为1/2πRC,Q值为1/2(2-A),带宽为2(2-A)/RC。个中A为增益,A=1+Rb/Ra,一般放大倍数应小于2。
三、电压较量器:
电压较量器是运算放大器的非线性应用,常用于脉冲数字电路中。

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上图是用传输特性阐明的电压较量器机能。运放正相输入端接参考电平Vr,当反相输入端的电压Vin低于Vr时,输出被稳压管嵌位在5.7V;当反相器输入端的电压Vin高于Vr时,输出端被稳压管嵌位在-5.7V。曲线很是陡峭,只有极窄的过渡带。
1. 过零较量器:
以零电位为门限值,判定输入信号是否高于零电位。

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当输入一个正弦波信号后,过零较量器输出为方波信号,方波的跳变处在正弦波零值点上。
2. 迟滞较量器:
普通过零较量器,在零电位四周还会有很窄的过渡区,当输入信号在此范畴时,输出就不是正负的嵌位电平,而会是一其中间值。固然此范畴很小,但易受温度及外部滋扰的影响,对后续的逻辑判定造成影响,需要消除。迟滞较量器也称施密特触发器,是在开环较量器的基本上引入正反馈而组成,正反馈可以加速输入电压的反转速度,并且会发生回差。

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从仿真曲线可以明明看到方波的上升/下降沿已不在正弦波的零点上,而呈现了一个偏移。
从输出端增加一个正反馈支路到同相输入端,当输出为正/负时,同相输入端的参考电位会发生一个偏移值,不再是零电位,而别离是:

即,输出为正时,参考点电位比零电位略高,当输入电压高于此值时才气使输出反转为负;而此时参考点电位又变得比零电位略低,要使输出再转为正,就要使输入电压低于此负值才可以。这样,参考点电位呈现一个回差,在回差范畴内的微小输入变革不会对输生发生影响,这是一种迟滞特性,所以称为迟滞较量器。通过调解R2的巨细,可以改变这个回差值。
3. 双限较量器:

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双限较量器,也称窗口较量器,它有两个门限值,当输入信号在两个门限之间时输出一个电平,输入信号超出门限之外则输出另一个电平。图中配置上限V+为+5V,下限V-为-5V,输入信号Vin为±8V的三角波,颠末双限较量器后输出为方波,方波的上下沿对应三角波的±5V位置。
四、信号发生器:
运放的输入阻抗高,构成的放大器利用的外围元器件少且增益易调理,很适合建造反馈型的正弦波信号产生器。运放接成较量器形式,并举办波形转换,也可以形成方波、三角波、锯齿波产生器。因为受到运放增益带宽积的限制,其构成的信号产生器只能应用于低频场所。
1. 文氏电桥正弦波振荡器(Wien bridge):
文氏电桥是一种选频网络,接入反馈回路就可以形成对特定频率的正反馈,从而发生正弦波信号。

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文氏电桥振荡器的振荡频率为1/2πRC,起振条件为A>3。仿真软件对信号产生器仿真不是很利便,实际中起振的电路往往仿真时并不能到达结果,一般要在电路中安排一个电位器,假如仿真时示波器没有波形,就点击电位器的触头,经常就能发生波形。信号产生器的阐明照旧要结公道论举办阐明,仿真软件有必然范围性。
2. RC移相网络正弦波振荡器:
用三级RC移相网络可以使特定频率发生180度相移,从而使负反馈变为正反馈,这也是一种常见的正弦波发生方法,一般用于牢靠频率信号产生器。

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RC移相式振荡器的振荡频率为1/4.9πRC,起振条件为A>29。
3. 双T网络正弦波振荡器:
双T网络有优良的选频特性,带阻滤波器中就常常利用,也可以构成正弦波振荡器。

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双T网络振荡器的振荡频率为1/5RC,起振条件为A>1。
4. 方波信号产生器(multivibrator):
方波信号产生器也称多谐振荡器,遍及用于脉冲和数字电路中。用单运放加上RC反馈网络就可构成方波振荡器,振荡频率靠近1/2R1C1。

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但上面的电路,方波的占空比是牢靠的,实际中往往需要差异占空比的方波,这就要通过别离改变电容的充电和放电时间来实现,一般是利用单领导电的二极管分隔充放电回路。

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电位器在20%和80%位置上时,虚拟示波器显示的输出波形如图:

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5. 方波和三角波产生器:
方波积分可以获得三角波,三角波经较量器触发翻转形成方波。双运放就能组成方波和三角波产生器电路。

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调理电位器RV可以调理振荡频率,改变R1/R2的比值可以调理三角波的幅值。
6. 锯齿波产生器:
三角波的充放电时间沟通,假如调解电路使充放电时间差异,就会酿成锯齿波。

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五、信号调动电路:
电子线路中,常常碰着各类信号之间的调动,好比V/I、V/F、调制/解调等,许多也是可以用运放来实现的。
1. 检波电路:
用运算放大器可以构成线性检波电路,它降服了普通二极管检波电路的死区,效率因此也就提高许多。电路利用虚拟的信号产生器和示波器举办仿真,信号产生器的AM端加上100Hz的鼓励源可以使其发生AM信号,示波器同时显示出鼓励源、AM信号及检波输出三个通道的信号。只要加上后级滤波器就可以取出100Hz的调制信号。

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2. 死区电路:
当输入信号Vin进入某个范畴(死区)时,输出电压为0;当离开此范畴时,电路输出电压随输入信号变革。图中为二极管桥式死区电路。

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3. V/I调动电路:
V/I调动是常见的一种电路,用于把电压的变革转变为电流的变革,有负载接地和不接地两种形式。

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上图为负载RL不接地的V/I调动电路,用DC SWEEP(直流扫描)阐明电路特性,可以看出RL上电流的变革与输入电压Vin的变革成比例,是一条直线。

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负载接地的V/I调动电路更常用。因为电流回路为低阻抗,抗滋扰较好,适合长间隔传输,在家产仪表方面有较广应用,家产仪表一般利用0~10mA/4~20mA的电流来传输丈量信号。

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如图的电路是0~5V电压信号转换为4~20mA电流信号的输出级电路,通过调解两个电位器,可以准确调解输出电流。此电路回收外部供电方法。此刻家产仪表用的V/I调动电路多回收专用集成电路,精度好易调解。
4. I/V调动电路:
I/V电路是V/I调动的逆调动,在家产仪表中也常利用,把0~10mA或4~20mA的电流信号规复为电压信号,利便后头的信号采样-保持电路处理惩罚,然后送入计较机阐明。

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上图的I/V调动电路可以把4~20mA的电流变为-1~-5V的电压信号,再经一级反相放大器就可以变为1~5V的电压或0~5V的电压。但因为元器件的误差,往往输出会发生毛病,一般需加电位器举办仔细调解。
5. V/F调动电路:
V/F电路把输入的电压信号调动成相应的频率信号,也称为压控振荡器(VCO)。V/F调动电路有多种形式,用运放也可以构成一种简朴的电路。

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当输入为锯齿波,可以明明看出脉冲频率的低落。
6. 移相电路:
电子线路中往往需要对正弦波信号的相位举办变革,好比移相。操作运放与RC网络就可以构建出移相范畴0~180度的移相电路。相位超前的移相电路如图:

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通过调解R3,可以改变移相的巨细,而根基不会影响输出电压的幅度。而相位滞后的移相电路则为:

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这里,调解R6,可以改变相移的巨细。因为电阻的调解范畴受限,并且电路有必然误差,实际中并不能到达0~180度移相。
六、阻抗调动器:
实际的电阻都是正值,要耗损能量,而操作运算放大器的特性,可以构成负阻调动器,在输入端口处看上去阻抗为负值。集成电路中很难建造电感,并且低频电感体积很大而未便利用,大电容同样也很占体积,也可以用运放加电容来等效电感,或用小电容形成大电容,使许多电路成果可以利便实现。
1. 负阻抗调动器:
同相放大器中接入一个电阻,就可以构成负阻抗调动器电路。

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当输入一个100Hz的交换信号时,图中的电流表会变为负值。这个等效负阻为:

图中的Z不只可以利用电阻,假如换成电容,则电路等效为一个电感:

不外此等效电感并非定值,而是随频率而变革。可能是电路模子并不完善,仿真此负阻调动器时显示值往往并不不变。
2. 电容倍增器:

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在一些低频、低阻抗应用中,往往需要容量很大的电容,可回收电容倍增器来实现。由反相器组成的电容倍增器如图,此电路的输入阻抗为电阻R1和等效电容并联,等效电容为:

3. 阻抗调动器:

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如图的阻抗调动器中,U1是起断绝放大浸染的同相放大器,U2为阻抗调动电路。电路的等效输入阻抗为:

当选择差异性质的元件时,可以组成差异性质的阻抗调动电路。如图为等效电感器电路:

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七、几个实用电路阐明:
1. 音调节制电路:
音调节制,是指工钱调理输入信号的低频、中频、高频身分的比例,改变音响系统的频率响应特性,以赔偿音响系统各环节的频率失真,或用于到达差异的音色结果。反馈式音调节制电路只改变电路频率响应特性曲线的转折频率,而不改变其斜率。

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当RV1和RV2都放在中间位置时的频率特性曲线如上图。图中,R1、R2、C3、C4和RV1构成低音反馈网络,R6、C1和RV2构成高音反馈网络。RV2 处于中间位置,而RV1别离处于20%和80%时的频率曲线为:

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可见,100Hz四周的低频特性有明明的不同。当输入同样为1V/100Hz信号时,输出信号幅度也就跟着RV1电位器位置的差异而差异:

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当RV1处于中间位置,而RV2别离处于20%和80%时的频率特性曲线为:

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可见,1k~20kHz的高频曲线部门有较明明的不同。假如输入1kHz/1V的正弦波信号,输入信号幅度及相位就会随RV2的位置差异而有明明差别:

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当输入10kHz/1V正弦波信号时,输出的幅度差别表示的更明明:

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2. 仪表放大器:
丈量系统中,常需要放大传感器输出的微弱信号。传感器输出的信号较弱并且输出阻抗也较高,往往陪伴很大的共模信号,这就需要用输入阻抗高的同相放大器并利用差动输入方法,以得到较高的共模抑制比,加强电路的抗滋扰本领。
一般丈量放大器利用三只运放构成,个中机能一致的两只事情于同相放大方法,组成均衡对称的差动放大输入级,用于抑制共模信号。这种电路也常称为仪表放大器。

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(以上为dwenzhao 参考资料在Proteus上仿真并整理,将逐渐增加及完善,QQ1608288659)