(整理)集成運放電路的設(shè)計

精品文檔一設(shè)計目的1.集成運算放大電路當(dāng)外部接入不同的線性或非線性元器件組成輸入和負(fù)反饋電路時，可以靈活地實現(xiàn)各種特定的函數(shù)關(guān)系，在線性應(yīng)用方面，可組成比例、加法、減法、積分、微分等模擬運算電路。2.本課程設(shè)計通過Mulitisim編寫程序幾種運算放大電路仿真程序，通過輸入不同類型與幅度的波形信號，測量輸出波形信號對電路進(jìn)行驗證，并利用并最終實現(xiàn)PCB版圖形式。Protel軟件對實現(xiàn)對積累運算放大電路的設(shè)計，二設(shè)計工具：計算機，Mulitisim，Protel軟件三設(shè)計任務(wù)及步驟要求1)通過Mulitisim編寫程序運算放大電路仿真程序，通過輸入不同類型與幅度的波形信號，測量輸出波形信號對電路進(jìn)行驗證。輸入電壓波形可以任意選取，并且可對輸入波形的運算進(jìn)行實時顯，示并進(jìn)行比較；2)對設(shè)計完成的運算放大電路功能驗證無誤后，通過Protel軟件對首先對電路進(jìn)行原理圖SCH設(shè)計，要求：所有運算放大電路在一張原理圖上；輸入輸出信號需預(yù)留接口；3)設(shè)計完成原理圖SCH后，利用Protel軟件設(shè)計完成印制板圖PCB，要求：至少為雙層PCB板；四設(shè)計內(nèi)容1集成運算放大器放大電路概述精品文檔精品文檔集成電路是一種將“管”和“路”緊密結(jié)合的器件，它以半導(dǎo)體單晶硅為芯片，采用專門的制造工藝，把晶體管、場效應(yīng)管、二極管、電阻和電容等元件及它們之間的連線所組成的完整電路制作在一起，使之具有特定的功能。集成放大電路最初多用于各種模擬信號的運算（如比例、求和、求差、積分、微分……）上，故被稱為運算放大電路，簡稱集成運放。集成運放廣泛用于模擬信號的處理和產(chǎn)生電路之中，因其高性價能地價位，在大多數(shù)情況下，已經(jīng)取代了分立元件放大電路。2集成運放芯片的選取和介紹由于LM324具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，而本次電子設(shè)計實驗對精度要求不是非常高,LM324完全滿足要求,因此我們這里選用LM324作為運放元件LM324是四運放集成電路,它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如圖。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可如圖所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負(fù)電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖。3運放電路基本原理及其Mulitisim仿真3.1．同相比例運放電路同向比例運放電路組成如圖1所示，將輸入電阻R1接地，并且將輸入信號加載精品文檔精品文檔道+輸入端。RfR1-+uou+i圖1電壓在通過由反饋電阻R和輸入電阻R1組成的分壓電路的時候產(chǎn)生壓降，中間f位置的電壓V為：-V(R/(RR))Vout(8)11f根據(jù)理想運放的性質(zhì)1，運放的輸入電壓△V為零，因此Vin=V-。重新排列公式V(1R/R)Vin(9)outf1通用運放的閉環(huán)增益為G=1+Rf/R1，并且不會改變輸入信號的符號。從中可以看出電路的輸入阻抗Z很大。iZZ(R/(RR))A(10)iin11f式中，Z為實際運放的輸入阻抗(大約為20m，且由于電路的開環(huán)增益A很大，in輸出阻抗Z趨緊于零，因此，同向比例運放電路能夠以有限的增益有效地對輸0入電路進(jìn)行緩沖。同相比例運放電路仿真電路圖精品文檔精品文檔輸入電壓輸出電壓：V(1310/28=11R=所以輸出放大倍數(shù))V2Roi電壓輸入輸出波形圖如下1精品文檔精品文檔3.2．反比例運放電路圖2中所示的電路是最常見的運放電路，它顯示出了如何在犧牲增益的條件下獲得穩(wěn)定，線性的放大器。標(biāo)號為Rf的反饋電阻用于將輸出信號反饋作用于輸入端，反饋電阻連接到負(fù)輸入端表示電路為負(fù)反饋連接。輸入電壓V通過輸入電1阻R1產(chǎn)生了一個輸入電路i。電壓差△V加載在+、—輸入端之間，放大器的正1輸入端接地。圖2利用回路公式計算傳輸特性：輸入回路：ViRV(2)111反饋回路：精品文檔精品文檔ViRV(3)(4)(5)(6)outff求和節(jié)點iiiin1f增益公式：VAVout由以上4個式子可以得到輸出：Vi/Z(V/R)/Zoutin11式中，閉環(huán)阻抗Z=1/Rf+1/ARf+1/Rf。(k)級，并且反饋電阻和輸入電阻通常都較大A很大(大于100000)，因此Z=1/Rf?！鱒通常很小(幾微伏)且放大器的輸入阻抗Z很大(大約10M),那么in流(I=△V/Zin)非常更進(jìn)一步，輸入輸入電小，可以認(rèn)為為零。則傳輸曲線變?yōu)椋篿nV(R/R)V(G)V1(7)outf11式中，R/R的比值稱為閉環(huán)增益G，負(fù)號表示輸出反向。閉環(huán)增益可以通過選f1擇兩個電阻R和R1來設(shè)定。f反比例運算仿真電路圖精品文檔精品文檔輸入電壓輸出電壓RVV所以輸出放大倍數(shù)-337/28==-122Roi1輸入輸出電壓波形精品文檔精品文檔3.3運放微分電路RfUiCU1oR2dUUdUidtUC1URCfRCfidtRooM(dUidt)o11fmax經(jīng)調(diào)試選取C1=1uf可Rf=2k調(diào)R2=1k運算微分電路圖精品文檔精品文檔輸入輸出電壓波形圖精品文檔精品文檔3.4運放積分電路圖4圖4為運放積分電路示意圖。在運放積分電路中，用電容器替換反饋電阻。理想電容器能夠存儲電荷(Q)，并且沒有漏電器Cf進(jìn)行充電容器上的電壓等于Vout，電流I=dQ/dt，可以得到流。輸入電流通過求和節(jié)點對反饋電容。電容器存儲電荷Q=CV，即Q=CfVout，并且電iC(dV/dt)(11)(12)(13)ffout將運放看做理想運放，i=Vin/R1，且i1=If，則1V/RC(dV/dt)in1fout用積分的形勢表達(dá)：V(1/RC)Vdtout1fin輸出電壓為輸入電壓的積分乘以一個比例系數(shù)(1/R1Cf)。R的電單位是法拉，RC的單位是秒。例如，一個1uF的電容器和一個1M的電阻組1秒。位是歐姆，C的成的積分電路的時間常數(shù)為假設(shè)輸入電壓恒定，那么輸入電壓項可以從積分號中提出來，公式變?yōu)椋篤(V/RC)t常數(shù)(14)outin1f其中常數(shù)由初始條件確定，如在t=0時刻，Vout=V0?！?V/R1Cf)的直線。例如，當(dāng)Vin=—1V，C=1uF并且輸入電壓和時間為斜率為inR=1M,則斜率為1vot/sec。在運放達(dá)到飽和以前，輸出電壓按這個比例線性地變化。通過在反饋電容器上加載初始電壓，能夠得到積分的常數(shù)項。同樣可以在壓開始零。在反饋電容器上連接一根短接線，開始時移走，可以實現(xiàn)初始電零。積分開始或t=0時，定義初始條件Vout(0)=Vconstant，輸出電壓則從初始電增加或減少。通常情況下，初始電壓設(shè)定為并在積分壓為經(jīng)調(diào)試這里選取C=1ufR=100k可調(diào)Rf=100k精品文檔精品文檔運放積分電路圖輸入輸出波形精品文檔精品文檔3.5運放加減法電路圖5圖5為運放加法電路原理圖。運放加法電路是反相比例電路的變形，帶有兩個或V通過各自的輸入電阻R連接到各自的輸入電更多的輸入信號。各個輸入電壓ii阻Ri連接到運放的-輸入引腳。運放加法電路滿足克希荷夫第二定律，即在任意瞬時，電路中任意節(jié)點流入流出的電流和為零。在V這一點，iii0。-1fin而且理想運放沒有輸入電流、沒有偏置電流。在這種連接情況下，-輸入端通常稱為求和節(jié)點(V)。這個點的另一個表述為：在求和節(jié)點上，所有的電流和為零。s對于輸入回路1iV/R1(15)(16)(17)(18)(19)11對于輸入回路2iV/R222對于反饋回路i(V/R)foutf根據(jù)以上式子可得輸出VR(V/R)R(VR)outf11f22如果R1=R2=R，那么電路模擬了一個真實的加法電路。V(R/R)(VV)outf12在Rf/R=1/2的特殊情況下，輸出電壓為輸入電壓的平均值。精品文檔精品文檔加法運放電路精品文檔精品文檔減法運放電路精品文檔精品文檔4.SCH原理圖精品文檔精品文檔5.PCB印制板圖五.六.心得體會在這次實踐課程我復(fù)習(xí)和掌握了六種基本集成運算放大電路的特性,并且熟練了Mulitisim的使用