通过本实验，了解运算放大器参数及特性，掌握信号处理电路原理及其设计方法。

一、实验原理

      运算放大器是应用广泛的线性集成器件，具备很高的开环差模电压增益与共模抑制比、高输入阻抗及低输出阻抗、低至0Hz的下截止频率以及较高的单位增益带宽。外接适当的反馈网络可组成各种类型的信号处理电路。

（一）运算放大器特性

      理想运算放大器的开环差模电压增益A_d、共模抑制比CMRR、输入阻抗r_i与上截止频率f_H均为∞，输出阻抗r_o与下截止频率f_L均为0。

实际运算放大器的开环差模电压增益A_d与共模抑制比CMRR一般为100dB以上，输入阻抗r_i一般为10^-1～10⁰MΩ数量级，输出阻抗r_o一般为10^-2～10^-1kΩ数量级，-3dB带宽(上截止频率)f_H与单位增益带宽f_C一般分别为10¹～10³Hz与10⁰～10³MHz。

（二）信号处理电路

      信号处理电路主要有比例运算电路、加减运算电路、积分运算电路、微分运算电路、有源滤波器等。

      设计滤波器必须确定其系统函数H(s)或幅度频率特性函数|H(jּω)|，一个物理可实现的滤波系统函数必为N阶有理s多项式分式。Butterworth滤波函数具有最大平坦特征，其阶数N越高，则过渡带越窄，阻带衰减斜率越大，即阻带内信号衰减越显著。N阶低通或高通滤波函数可以分解为一阶和二阶系统函数的连乘，相应的滤波器电路则可由一阶和二阶电路的级联构成。偶数阶系统由若干个二阶欠阻尼系统级联构成，奇数阶系统则由一个一阶系统与若干个二阶欠阻尼系统级联构成。

      滤波函数的实现可用无源线性器件(电容、电感等)组成的T型网络方式，而以有源器件(晶体管、运算放大器等)组成的电路形式更具优越性。有源器件的作用首先是各级电路之间的隔离，其次是以电容替代电感。有源滤波电路的不足之处在于受有源器件的有限单位增益带宽限制，工作频率不能太高。N阶系统函数可以通过分别设计一阶或二阶有源电路来实现。

二、实验内容

（一）运算放大器特性分析

1、运算放大器开环增益与带宽测量

      通过对测量电路进行交流扫描分析，测量运算放大器低频开环电压增益A_d和-3dB带宽f_H，计算单位增益带宽f_C。

      信号源为扫频电压源VAC(0Vdc，1Vac)。

      仿真设置为AC Sweep/Noise：Logarithmic(Decade)，Start(0.001Hz)，End(100kHz)，Point/Decade(100)。

      分析变量表达式为V[R_f:2]/V[R_f:1]，即千分之一开环电压增益。可测得低频开环电压增益A_d和-3dB带宽f_H，由此计算单位增益带宽f_C。

2、运算放大器共模抑制比测量

      通过对测量电路进行瞬态仿真分析，测量运算放大器共模抑制比CMRR。

      信号源为正弦电压源VSIN(VOFF=0V，VAMPL=1V，FREQ=100Hz)。

      仿真设置为Time Domain(Transient)：Run to(50ms)，Start saving data(0ms)，Maximun step(0.05ms)。

3、运算放大器转移速率

      通过对反相单位增益比例放大器进行瞬态仿真分析，分析其阶跃响应。

      信号源为矩形波电压源VPULSE(V1=0V，V2=1V，TD=0us，TR=0us，TF=0us，PW=5us，PER=10us)。

      仿真设置为Time Domain(Transient)：Run to(100us)，Start saving data(0us)，Maximun step(0.1us)。

      观察放大器输出波形的上升或下降情况，测量运算放大器转移速率SR。

      将信号源改为正弦电压源VSIN(VOFF=0V，VAMPL=10V，FREQ=20kHz)，逐步减小信号幅度，用瞬态仿真方法测量当输入信号频率f为20kHz时，输出不失真最大峰峰值V_opp。

（二）加运算电路分析

      以直流电压源为输入信号，对加运算电路进行直流扫描仿真，分析验证加运算规律。

      输入信号用V_i1、V_i2均采用直流电压源VDC，将V_i1、V_i2分别设置为0.5Vdc、0.25Vdc。

  仿真设置为DC Sweep：Analysis type(DC Sweep)，Option(Primary Sweep)，Sweep Variable/Voltage source Name(V_i1)，Sweep type(Linear)，Start(-2V)，End(1.5V)，Increment(0.5V)。

根据V_i1与V_o直流扫描仿真结果，验证加运算式的正确性。

（三）积分与微分运算电路分析

      通过对积分运算电路、微分运算电路进行瞬态仿真分析，分析验证其运算规律。

      积分电路输入信号源为矩形波电压源VPULSE(V1=-0.5V，V2=0.5V，TD=0us，TR=0us，TF=0us，PW=1ms，PER=2ms)。微分电路输入信号源为积分电路输出信号。

      仿真设置为Time Domain(Transient)：Run to(10ms)，Start saving data(0ms)，Maximun step(0.01ms)。

      对于积分电路，测量当R₁为100kΩ，R分别为510Ω、110Ω时，积分电路稳态输出峰峰值的大小。观察当R为510Ω，R₁分别为100kΩ、10kΩ、1GΩ时，积分电路稳态输出三角波波形的变化情况。

      对于微分电路，测量当R₁为560Ω，R分别为11kΩ、5.1kΩ时，微分电路稳态输出峰峰值的大小。观察当R为11kΩ，R₁分别为560Ω、2kΩ、0.001Ω时，微分电路稳态输出方波波形的变化情况。

（四）有源滤波器电路分析

      通过对一阶与二阶有源高低通滤波电路进行交流扫描分析，测量滤波电路增益A、-3dB截止频率f_c、10f_c频率处滤波电路的衰减。

信号源为扫频电压源VAC(0Vdc，1Vac)。

      仿真设置为AC Sweep/Noise：Logarithmic(Decade)，Start(1Hz)，End(100MegHz)，Point/Decade(100)。

分析变量表达式为V[R₄:2]/V[V_i:+]，即滤波电路电压增益频率特性。使用标尺可测得电路电压增益A和-3dB截止频率f_c、10f_c频率处滤波电路的衰减。

      将设计举例结果组成电路图，通过交流扫描分析，测量该5阶低通滤波电路增益A、-3dB截止频率f_c、10f_c频率处滤波电路的衰减。

自行设计一个4阶低通滤波电路，增益A=1，截止频率f_c=10kHz。通过交流扫描分析验证设计的正确性。