运算放大器及其信号处理电路的分析

运算放大器及其信号处理电路的分析

      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Ad、共模抑制比CMRR、输入阻抗ri与上截止频率fH均为∞,输出阻抗ro与下截止频率fL均为0。

实际运算放大器的开环差模电压增益Ad与共模抑制比CMRR一般为100dB以上,输入阻抗ri一般为10-1~100数量级,输出阻抗ro一般为10-2~10-1数量级,-3dB带宽(上截止频率)fH与单位增益带宽fC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Ad和-3dB带宽fH,计算单位增益带宽fC

      信号源为扫频电压源VAC(0Vdc,1Vac)。

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

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

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=0VVAMPL=1VFREQ=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=0VV2=1VTD=0usTR=0usTF=0usPW=5usPER=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=0VVAMPL=10VFREQ=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Vopp

(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Vi1Vi2均采用直流电压源VDC,将Vi1Vi2分别设置为0.5Vdc、0.25Vdc

  仿真设置为DC SweepAnalysis type(DC Sweep),Option(Primary Sweep),Sweep Variable/Voltage source Name(Vi1),Sweep type(Linear),Start(-2V),End(1.5V),Increment(0.5V)。

根据Vi1Vo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=-0.5VV2=0.5VTD=0usTR=0usTF=0usPW=1msPER=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100R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510ΩR1分别为100、10、1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560ΩR分别为11、5.1时,微分电路稳态输出峰峰值的大小。观察当R为11R1分别为560Ω、2、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fc、10fc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/NoiseLogarithmic(Decade),Start(1Hz),End(100MegHz),Point/Decade(100)。

分析变量表达式为V[R4:2]/V[Vi:+],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fc、10fc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fc、10fc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fc=10kHz。通过交流扫描分析验证设计的正确性。

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