利用Matlab分析運(yùn)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(wù)與要求33.2分析與計(jì)算33.2.1電路頻率響應(yīng)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(huì)9參考文獻(xiàn)10附錄11.1題目來源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X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)、測試和測量、財(cái)務(wù)建模和分析以與計(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。結(jié)合我們所學(xué)的模擬電子技術(shù),對其中的集成電路運(yùn)算放大器求解電壓增益和頻率響應(yīng)都不是一件容易的事情。但是運(yùn)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(yīng)以與自激現(xiàn)象的模擬更為簡便。2研究意義集成電路運(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(jí)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語句與semilogx函數(shù)對運(yùn)算放大器進(jìn)行處理,繪出相應(yīng)曲線。3系統(tǒng)分析3.1任務(wù)與要求利用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+－U1U2··UiUoA<U1－U2>圖2-1運(yùn)算放大器等效電路3.2分析與計(jì)算3.2.1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：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<ω>對H<ω>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。3.2.2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±π,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。4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)。現(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(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)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(yīng)semilogx<w,abs<H<i,:>>>,holdon%畫出頻率-增益曲線endv=axis;axis<v>;%保持w坐標(biāo)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(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??；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?越大,越容易造成運(yùn)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。6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。7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。總之,這是一次意義與其深刻的基礎(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(xué)運(yùn)算語言MATLAB5.3程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用》,：清華大學(xué),2000.[3]X志涌,《精通MatlabR2011a》：航空航天大學(xué),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(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)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(yīng)semilogx<w,ab