利用Matlab分析運(yùn)算放大器電路

1、 能力拓展訓(xùn)練任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 利用Matlab分析運(yùn)算放大器電路初始條件： 1 Matlab軟件6.3以上版本 2運(yùn)算放大器等效電路要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1. 題目內(nèi)容：2. 課程設(shè)計(jì)說明書應(yīng)包括：a）設(shè)計(jì)任務(wù)及要求b）方案比較及認(rèn)證c）程序設(shè)計(jì)基本思想，程序流程圖，部分源程序及注解d）調(diào)試記錄及結(jié)果分析e）參考資料f）附錄：全部源程序清單g）總結(jié)時(shí)間安排：2013年 選題、查閱資料和方案設(shè)計(jì)2013年 編程2013年 調(diào)試程序，改進(jìn)與提高2013年 撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告（有調(diào)試過程及結(jié)果的截屏

2、）2013年 答辯和交課程設(shè)計(jì)報(bào)告指導(dǎo)教師簽名： 2013 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄1前言2系統(tǒng)分析2.1任務(wù)及要求2.2分析與計(jì)算2.2.1電路頻率響應(yīng)分析2.2.2自激分析3編程和仿真4仿真結(jié)果與分析5小結(jié)6心得體會(huì)參考文獻(xiàn)附錄1前言 matlab是一種科學(xué)計(jì)算軟件，在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首 屈一指。它可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連 接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、 圖像處理、信號(hào)檢測、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。而且 的應(yīng)用范圍非常廣，包括 信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測試

3、和測量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾 多應(yīng)用領(lǐng)域。由于它使用方便，輸入簡捷，運(yùn)算高效，內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，并且很 容易由用戶自行擴(kuò)展，因此，matlab現(xiàn)已成為國外發(fā)達(dá)國家大學(xué)教學(xué)和科學(xué)研 究中必不可少的工具。 集成電路運(yùn)算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸出電阻的多級直接耦合放大電路。不管用什么方法求解電壓增益和頻率響應(yīng)都是一個(gè)棘手的事，尤其對自激現(xiàn)象的調(diào)整更為困難。但是，有了MATLAB 強(qiáng)大的工具，使運(yùn)算放大電路的相關(guān)問題處理中變得相當(dāng)直觀、容易了。本文用拉氏變換法通過 matlab 的編程和函數(shù)調(diào)用求出電路的增益、頻率響 應(yīng)和自激現(xiàn)象的模擬，通過響應(yīng)曲線的比較，可方便的實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放

4、大器的輸出參 數(shù)的調(diào)試。對運(yùn)算放大電路的求解，采用拉普拉斯變換的方法，利用matlab 提 供的poly、ployval、gtext 語句及semilogx 函數(shù)對運(yùn)算放大器進(jìn)行處理，繪出相應(yīng)曲線。2系統(tǒng)分析2.1任務(wù)及要求 利用Matlab工具分析運(yùn)算放大器開環(huán)增益和頻率響應(yīng)對整個(gè)電路閉環(huán)頻率響應(yīng)的影響，繪出閉環(huán)頻率響應(yīng)圖，通過試驗(yàn)分析運(yùn)算放大器的自激現(xiàn)象。運(yùn)算放大器等效電路如圖2-1。 +Z2Z1+U1U2UiUoA(U1U2)圖2-1 運(yùn)算放大器等效電路 2.2分析與計(jì)算2.2.1電路頻率響應(yīng)分析設(shè)運(yùn)算放大器的開環(huán)增益為A,它是頻率的函數(shù),則在圖示的連接方法下,閉環(huán)輸出與輸入電壓之比為：

5、 如果增益A很大，上式分母可近似等于1，進(jìn)而得到理想運(yùn)放的閉環(huán)傳遞函數(shù)：根據(jù)題意,要考慮A =A() 對H() 的影響,計(jì)算將十分復(fù)雜,利用MATLAB可以方便快速地解決這個(gè)問題，但必須給出具體數(shù)據(jù)。通常,運(yùn)算放大器的開環(huán)傳遞函數(shù)中包括3個(gè)實(shí)極點(diǎn),即其中，為直流增益。2.2.2自激分析自激現(xiàn)象：輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出有一定幅值、一定頻率的信號(hào)，稱電路產(chǎn)生了自激振蕩。自激原因：負(fù)反饋放大電路自激振蕩的頻率在低頻段或高頻段。在低頻段或高頻段，若存在一個(gè)頻率，且當(dāng) 時(shí)附加相移為，則對于的信號(hào)，凈輸入量是輸入量與反饋量之和。在電擾動(dòng)下，如合閘通電，必含有頻率為的信號(hào)，對于 的信號(hào)，產(chǎn)生正反饋過程。輸出量

6、逐漸增大，直至達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，電路產(chǎn)生了自激振蕩。3編程和仿真 考慮到運(yùn)算放大器的性質(zhì)可由圖形清楚地表示出來，可試用圖形來表示結(jié)果。如果產(chǎn)生自激現(xiàn)象，將在圖像上清楚地反映出來，這樣便能從整體上把握運(yùn)算放大器的性質(zhì)。現(xiàn)用Matlab分析一個(gè)運(yùn)算放大器電路的開環(huán)增益和頻率響應(yīng)對整個(gè)電路閉環(huán)頻率響應(yīng)的影響。由于用Matlab仿真時(shí)必須給出具體數(shù)據(jù)?，F(xiàn)設(shè)，；并設(shè)，取3種值：，求其并繪出曲線。則其程序如下：Z1=2000; Z2=20,100,500*1000; %設(shè)置元件參數(shù)A0=2e6;w1=1000;w2=3e6;w3=5e7;w=logspace(2,8); %設(shè)定頻率數(shù)組b=A0*w1*w2*w

7、3;a=poly(-w1,-w2,-w3); %列出運(yùn)算放大器分子分母系數(shù)向量A=polyval(b,j*w)./polyval(a,j*w); %求放大器開環(huán)頻率響應(yīng)for i=1:3Z12(i)=Z2(i)/Z1;H(i,:)=-Z12(i)./(1+(1+Z12(i)./A); %求放大器閉環(huán)響應(yīng)semilogx(w,abs(H(i,:),hold on %畫出頻率-增益曲線endv=axis;axis(v); %保持w坐標(biāo)semilogx(w,abs(A)hold offgtext(Z2=20k)gtext(Z2=100k)gtext(Z2=500k)gtext(開環(huán)增益)gtext(

8、角頻率)gtext(增益abs(H)4仿真結(jié)果與分析運(yùn)行程序得到圖4-1。圖4-1由圖3-1可以看出，運(yùn)放在低頻區(qū)較寬的一個(gè)頻帶里具有平坦的增益；在高頻區(qū)里出現(xiàn)了諧振峰，這容易造成運(yùn)算放大器的自激現(xiàn)象?？梢圆扇∪缦路椒ㄟM(jìn)行消除：減小，或增加 和，而和由運(yùn)算放大器本身性能決定，因此，在放大器已選定的情況下，通常只能用加消振電容的方法減小。在試著改變的值并修改程序，運(yùn)行后可得到以下結(jié)果： 時(shí)的響應(yīng)曲線如圖3-2。 時(shí)的響應(yīng)曲線如圖3-3。圖4-2圖4-3由以上兩圖可看出，隨著的減小，自激現(xiàn)象出現(xiàn)的幾率和幅度也越來越小；同時(shí)，從響應(yīng)曲線還可以得出不同阻抗下開環(huán)增益的變化規(guī)律?？傊酱?，越容易造成運(yùn)

9、算放大器的自激現(xiàn)象。消除自激可以通過減小，或增大、來實(shí)現(xiàn)，在放大器已選定的情況下通常只能用加消振電容的方法減小。5小結(jié) 運(yùn)用matlab或simulink解決問題，首先應(yīng)建立模型，然后才能將模型輸入軟件進(jìn)行仿真兒得到結(jié)果。所以，建立正確的模型是很重要的。就如本題中理清題意后，需利用相關(guān)理論知識(shí)建立數(shù)學(xué)模型，再將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為能輸入該軟件的程序，即編程。所以編程也是需要在建好數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上才能完成的。在輸入程序的過程中應(yīng)耐心自習(xí)，以避免出現(xiàn)錯(cuò)誤檢查起來更麻煩。最后，對仿真結(jié)果的分析是，需要結(jié)合理論知識(shí)，進(jìn)行對比和補(bǔ)充，這樣得到的結(jié)果才更有說服力。6心得體會(huì)這次的基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練，我們組一共四人，共

10、同探討研究了用Matlab來對運(yùn)算放大器電路進(jìn)行分析這一課題。運(yùn)算放大器是電子電路中經(jīng)常用到的一個(gè)重要元件，它在很多電路中都起到了重要作用因此，對其工作時(shí)的現(xiàn)象進(jìn)行分析是很有必要的。在初看這題很簡單的情況下，我們以為會(huì)很輕松地完成任務(wù)但事實(shí)并非如此。一者，對于運(yùn)算放大器的基本知識(shí)，我們并不如想象中那么熟悉，也許是在當(dāng)初學(xué)習(xí)的時(shí)候就沒有完全掌握；二者對于Matlab這款功能強(qiáng)大的軟件，我們雖然經(jīng)常聽說，但實(shí)際上自己學(xué)到和用到的非常之少，以至于初用時(shí)就顯得捉襟見肘了。這次基礎(chǔ)訓(xùn)練讓我認(rèn)識(shí)到學(xué)好平時(shí)老師教的每一點(diǎn)內(nèi)容都是很重要的，我不應(yīng)該在學(xué)習(xí)上馬虎敷衍，那是在欺騙自己而已。所以，今后我一定要認(rèn)真聽

11、講，對老師講的知識(shí)加以重視，還要認(rèn)真對待自己的學(xué)習(xí)，為之后打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。另外學(xué)習(xí)軟件也是一個(gè)非常艱難的過程，需要一邊學(xué)習(xí)一邊操作，于是只能整天的呆在電腦前，想盡辦法學(xué)會(huì)這個(gè)軟件。最難的就是寫程序這一部分了，對于一個(gè)陌生的軟件，還有它獨(dú)有的語言，這就是一道很大的坎。但最終，經(jīng)過不斷地摸索借鑒，基本完成了這次訓(xùn)練所需要的程序部分，結(jié)果還是挺令人欣慰的?？傊?，這是一次意義及其深刻的基礎(chǔ)強(qiáng)化訓(xùn)練。通過這次訓(xùn)練，我認(rèn)識(shí)到自己的缺點(diǎn)與不足，還學(xué)習(xí)了一個(gè)非常強(qiáng)大實(shí)用的軟件，這是很令人興奮的。雖然在過程中遇到了種種困難，但這也就是人生的一部分吧。克服困難，戰(zhàn)勝逆境，這之后就是令人暢懷的愉悅了。參考文獻(xiàn)1 康

12、華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)：模擬部分，北京：高等教育出版社，2001. 2 薛定宇，科學(xué)運(yùn)算語言MATLAB5.3程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用，北京：清華大學(xué)出版社，2000. 3張志涌，精通MatlabR2011a北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20114 邱關(guān)源，電路，北京：高等教育出版社，2000.5Bruce Carter Ron Mancini,Op Amps For Everyone,Elsevier (Singapore) Pte Ltd,2010.附錄Z1=2000; Z2=20,100,500*1000; %設(shè)置元件參數(shù)A0=2e6;w1=1000;w2=3e6;w3=5e7;w=logspace(2,8); %設(shè)定頻率數(shù)組b=A0*w1*w2*w3;a=poly(-w1,-w2,-w3); %列出運(yùn)算放大器分子分母系數(shù)向量A=polyval(b,j*w)./polyval(a,j*w); %求放大器開環(huán)頻率響應(yīng)for i=1:3Z12(i)=Z2(i)/Z1;H(i,:)=-Z12(