利用Matlab分析運算放大器電路

./目錄TOC\o"1-3"\u摘要11題目來源１2研究意義23系統(tǒng)分析33.1任務與要求33.2分析與計算33.2.1電路頻率響應分析33.2.2自激分析44編程和仿真55仿真結(jié)果與分析6、76小結(jié)87心得體會9參考文獻10附錄11.1題目來源matlab是一種科學計算軟件,在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。它可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等,主要應用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。而且的應用X圍非常廣,包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計、測試和測量、財務建模和分析以與計算生物學等眾多應用領(lǐng)域。由于它使用方便,輸入簡捷,運算高效,內(nèi)容豐富等特點,并且很容易由用戶自行擴展,因此,matlab現(xiàn)已成為國外發(fā)達國家大學教學和科學研究中必不可少的工具。結(jié)合我們所學的模擬電子技術(shù),對其中的集成電路運算放大器求解電壓增益和頻率響應都不是一件容易的事情。但是運用matlab函數(shù)對其處理求解便變得容易,而且形象直觀。讓我們對電路的增益、頻率響應以與自激現(xiàn)象的模擬更為簡便。2研究意義集成電路運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都是一個棘手的事,尤其對自激現(xiàn)象的調(diào)整更為困難。但是,有了MATLAB強大的工具,使運算放大電路的相關(guān)問題處理中變得相當直觀、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、頻率響應和自激現(xiàn)象的模擬,通過響應曲線的比較,可方便的實現(xiàn)運算放大器的輸出參數(shù)的調(diào)試。對運算放大電路的求解,采用拉普拉斯變換的方法,利用matlab提供的poly、ployval、gtext語句與semilogx函數(shù)對運算放大器進行處理,繪出相應曲線。3系統(tǒng)分析3.1任務與要求利用Matlab工具分析運算放大器開環(huán)增益和頻率響應對整個電路閉環(huán)頻率響應的影響,繪出閉環(huán)頻率響應圖,通過試驗分析運算放大器的自激現(xiàn)象。運算放大器等效電路如圖2-1?！?++—————Z2Z1+－U1U2··UiUoA<U1－U2>圖2-1運算放大器等效電路3.2分析與計算3.2.1電路頻率響應分析設(shè)運算放大器的開環(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：如果增益A很大,上式分母可近似等于1,進而得到理想運放的閉環(huán)傳遞函數(shù)：根據(jù)題意,要考慮A=A<ω>對H<ω>的影響,計算將十分復雜,利用MATLAB可以方便快速地解決這個問題,但必須給出具體數(shù)據(jù)。通常,運算放大器的開環(huán)傳遞函數(shù)中包括3個實極點,即其中,,為直流增益。3.2.2自激分析自激現(xiàn)象：輸入信號為零時,輸出有一定幅值、一定頻率的信號,稱電路產(chǎn)生了自激振蕩。自激原因：負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,若存在一個頻率,且當時附加相移為±π,則對于的信號,凈輸入量是輸入量與反饋量之和。在電擾動下,如合閘通電,必含有頻率為的信號,對于的信號,產(chǎn)生正反饋過程。輸出量逐漸增大,直至達到動態(tài)平衡,電路產(chǎn)生了自激振蕩。4編程和仿真考慮到運算放大器的性質(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算放大器的性質(zhì)?，F(xiàn)用Matlab分析一個運算放大器電路的開環(huán)增益和頻率響應對整個電路閉環(huán)頻率響應的影響。由于用Matlab仿真時必須給出具體數(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*w3;a=poly<[-w1,-w2,-w3]>;%列出運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fori=1:3Z12<i>=Z2<i>/Z1;H<i,:>=-Z12<i>./<1+<1+Z12<i>>./A>;%求放大器閉環(huán)響應semilogx<w,abs<H<i,:>>>,holdon%畫出頻率-增益曲線endv=axis;axis<v>;%保持w坐標semilogx<w,abs<A>>holdoffgtext<'Z2=20k'>gtext<'Z2=100k'>gtext<'Z2=500k'>gtext<'開環(huán)增益'>gtext<'角頻率'>gtext<'增益abs<H>'>5仿真結(jié)果與分析運行程序得到圖4-1。圖4-1由圖3-1可以看出,運放在低頻區(qū)較寬的一個頻帶里具有平坦的增益；在高頻區(qū)里出現(xiàn)了諧振峰,這容易造成運算放大器的自激現(xiàn)象?？梢圆扇∪缦路椒ㄟM行消除：減小,或增加和,而和由運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,運行后可得到以下結(jié)果：時的響應曲線如圖3-2。時的響應曲線如圖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??；同時,從響應曲線還可以得出不同阻抗下開環(huán)增益的變化規(guī)律?？傊?越大,越容易造成運算放大器的自激現(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。6小結(jié)運用matlab或simulink解決問題,首先應建立模型,然后才能將模型輸入軟件進行仿真兒得到結(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)理論知識建立數(shù)學模型,再將數(shù)學模型轉(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)學模型的基礎(chǔ)上才能完成的。在輸入程序的過程中應耐心自習,以避免出現(xiàn)錯誤檢查起來更麻煩。最后,對仿真結(jié)果的分析是,需要結(jié)合理論知識,進行對比和補充,這樣得到的結(jié)果才更有說服力。7心得體會這次的基礎(chǔ)強化訓練,我們組一共四人,共同探討研究了用Matlab來對運算放大器電路進行分析這一課題。運算放大器是電子電路中經(jīng)常用到的一個重要元件,它在很多電路中都起到了重要作用因此,對其工作時的現(xiàn)象進行分析是很有必要的。在初看這題很簡單的情況下,我們以為會很輕松地完成任務但事實并非如此。一者,對于運算放大器的基本知識,我們并不如想象中那么熟悉,也許是在當初學習的時候就沒有完全掌握；二者對于Matlab這款功能強大的軟件,我們雖然經(jīng)常聽說,但實際上自己學到和用到的非常之少,以至于初用時就顯得捉襟見肘了。這次基礎(chǔ)訓練讓我認識到學好平時老師教的每一點內(nèi)容都是很重要的,我不應該在學習上馬虎敷衍,那是在欺騙自己而已。所以,今后我一定要認真聽講,對老師講的知識加以重視,還要認真對待自己的學習,為之后打下堅實的基礎(chǔ)。另外學習軟件也是一個非常艱難的過程,需要一邊學習一邊操作,于是只能整天的呆在電腦前,想盡辦法學會這個軟件。最難的就是寫程序這一部分了,對于一個陌生的軟件,還有它獨有的語言,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?這是一次意義與其深刻的基礎(chǔ)強化訓練。通過這次訓練,我認識到自己的缺點與不足,還學習了一個非常強大實用的軟件,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?？朔щy,戰(zhàn)勝逆境,這之后就是令人暢懷的愉悅了。參考文獻[1]康華光,《電子技術(shù)基礎(chǔ)：模擬部分》,：高等教育,2001.[2]薛定宇,《科學運算語言MATLAB5.3程序設(shè)計與應用》,：清華大學,2000.[3]X志涌,《精通MatlabR2011a》：航空航天大學,2011[4]邱關(guān)源,《電路》,：高等教育,2000.[5]BruceCarterRonMancini,OpAmpsForEveryone,Elsevier<Singapore>PteLtd,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fori=1:3Z12<i>=Z2<i>/Z1;H<i,:>=-Z12<i>./<1+<1+Z12<i>>./A>;%求放大器閉環(huán)響應semilogx<w,ab