集成运算放大器放大电路仿真设计1集成运算放大器放大电路概述集成电路是一种将“管”和“路”紧密结合的器件，它以半导体单晶硅为芯片，采用专门的制造工艺，把晶体管、场效应管、二极管、电阻和电容等元件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起，使之具有特定的功能。

集成放大电路最初多用于各种模拟信号的运算（如比例、求和、求差、积分、微分……）上，故被称为运算放大电路，简称集成运放。

集成运放广泛用于模拟信号的处理和产生电路之中，因其高性价能地价位，在大多数情况下，已经取代了分立元件放大电路。

2 电路原理分析2.1 电路如图1所示R110kΩV1500mVU1ATL082CD32481R29.1kΩRF100kΩV212 VV312 VXMM11此电路为反向比例运算电路，这是电压并联负反馈电路。

输入电压V1通过电阻R1作用于集成运放的反相输入端，故输出电压V0与V1反相。

图2 仿真结果图输入输出关系理论输仿真输出值电路功能其中1//2R RF R =2.2电路如图3所示R110kΩUi2200mVU1ATL082CD32481R24.7kΩRF 100kΩV212 VV312 VXMM1Ui1100mV R310kΩ3此电路为反相求和运算电路，其电路的多个输入信号均作用于集成运放的反相输入端，根据“虚短”和“虚断”的原则，0==p N u u ，节点N 的电流方程为F i i i =+31 所以)1231(0R Ui R Ui RF U +-= 输入输出关系理论输出值 仿真输出值电路功能 )1231(0R Ui R Ui RF U +-=-3V 2.999V反相求和放大电路其中RF R R R //3//12= 2.3电路如图5所示出值110V R RFV -=-5V-5V反相比例运算电路U1ATL082CD32481R210kΩRF 10kΩV212 VV312 VXMM1Ui1100mV5此电路为电压跟随器电路，此电路输出电压的全部反馈到反相输入端，电路引入电压串联负反馈，且反馈系数为1，由于N P u u u ==0，故输出电压与输入电压的关系为I O u u =图6 仿真结果图输入输出关系理论输出值 仿真输出值 电路功能 I O u u =100mV1000.008mV电压跟随器2.4 电路如图7所示R110kΩUi1100mVU1ATL082CD32481R2100kΩRF 100kΩV212 VV312 VXMM1Ui2200mVR310kΩ7从对比例运算电路和求和运算电路的分析可知，输出电压与同相输入端信号电压极性相同，与反相输入端信号电压极性相反，因而如果多个信号同时作用于两个输入端时，就可以实现加减运算。

21O O O U U U +=，111i O U R RF U -=，223i O U R RFU = 图8 仿真结果图输入输出关系理论输出值 仿真输出值电路功能 )1132(R Ui R Ui RF U O -= 1V1V加减运算电路2.5 电路如图9所示R110kΩU1ATL082CD32481V212 VV312 VR350kΩXFG1XSC1ABExt Trig++__+_C110uF图9此电路为积分运算电路，利用积分运算电路可以实现方波—三角波的波形变换和正弦—余弦的移相功能。

其中，电路输入为100Hz/2V 的方波，输出为Vopp=100mV图10仿真结果图 输入方波，输出三角波2.6电路如图11所示R11kΩU1ATL082CD32481V212 VV312 VXFG1XSC1ABExt Trig++__+_C122nFC222nFR215kΩ图11此电路为微分运算电路，根据“虚短”和“虚断”的原则，0==N P u u ，为“虚地”，电容IC u u =1，因而dtdu Ci i IC R ==12 输出电压为dtdu C R R i u IR O 1222-=-=，输出电压与输入电压的变化率成比例。

图12 仿真结果图输入方波（RC<<T/2），输出为尖顶波 2.7 如图13所示，此电路为二阶低通滤波电路R110kΩU1ATL082CD32481V212 VV312 VC147nF C247nFR210kΩR327.4kΩR447.5kΩV1120 Vrms 60 Hz 0°XBP1IN OUT13设截止频率为fp ，频率低于fp 的信号能够通过，高于fp 的信号被衰减的滤波电路称之为低通滤波器。

使up u A A 707.0≈的频率为通带截止频率fp 。

图14图15 仿真结果图所以截止频率fp Hz 175.260≈2.8 如图16所示，此电路为二阶高通滤波电路R110k¦¸U1ATL082CD32481V212 VV312 VC14.7nF C24.7nFR210k¦¸R327.4k¦¸R447.5k¦¸V1120 Vrms 60 Hz 0¡ãXBP1IN OUT图16设截止频率为fp ，频率高于fp 的信号能够通过，低于fp 的信号被衰减的滤波电路称之为高通滤波器。

使up u A A 707.0≈的频率为通带截止频率fp 。

图17图18 仿真结果图所以截止频率fp kHz 514.4≈2.9 电路如图19所示，此电路为二阶带通滤波电路R110kΩU1ATL082CD32481V212 VV312 VC110nFC247nFR210kΩR327.4kΩR447.5kΩV1120 Vrms 60 Hz 0°XBP1IN OUTR520kΩ19设低频段的截止频率为fp1，高频段的截止频率为fp2，频率为fp1到fp2之间的信号能够通过，低于fp1和高于fp2的信号被衰减的滤波电路称之为带通滤波器。

图20图21所以kHz f Hz f H L 322.3,264.244== 所以带宽Hz f f f L H bW 736.3077=-= 2.10 如图22所示，此电路为二阶带阻滤波电路R110kΩU1ATL082CD32481V212 VV312 VC11nF C22nFR210kΩR3210kΩR449.9kΩV1120 Vrms 60 Hz 0°XBP1IN OUTR55.1kΩC31nF图22频率低于fp1和高于fp2的信号能够通过，而频率在两者之间的信号被衰减的滤波电路称为带阻滤波器。

图23图24kHz f kHz f H L 444.88,211.3==阻带宽度为kHz fp fp BW 233,8512=-=2.11电路如图25，信号源输入2V/100Hz 的正弦波，观察输入和输出的波形，说明电路的功能。

如果把二极管去掉，输出波形有什么变化。

R110kΩU1ATL082CD32481V212 VV312 V XFG1XSC1ABExt Trig++__+_R25.1kΩD1RD5.6D2RD5.6图25此电路为过零比较电路，电路只有一个阈值电压，输入电压逐渐增大或减小过程中，当通过UT 时，输出电压产生跃变，从高电平跃变为低电平，或者从低电平跃变为高电平。

没去掉二极管时波形如图26所示图26去掉二极管时波形如图27所示图27当去掉二极管时，输出波形幅度增大。

2.12电路如图28所示，此电路为滞回比较电路R110kΩU1ATL082CD32481V212 V V312 V XFG1ABExt Trig++__+_R25.1kΩD1RD5.6D2RD5.6R310kΩR4100kΩ28电路有两个阈值电压，输入电压Ui 从小变大过程中使输出电压Uo 产生跃变的阈值电压UT1，不等于从大变小过程中使输出电压Uo 产生跃变的阈值电压UT2，电路具有滞回特性。

图29 仿真结果图计算电路的两个阈值从集成运放输出端的限幅电路可以看出，，z O U u ±=。

集成运放反相输入端电位I N u u =，同相输入端电位z P U R R R u *343+=，令P n u u =，求出的I u 就是阈值电压，因此得出z T U R R R U *433+±=±，由仿真图29知，输入为2Vp ，输出为6.5Vp ，所以V V U R R R U z T 6.05.6111*433±≈±=+±=±，对比输入输出波形，也基本符合理论计算值。

2.13下图30为音响的音调控制电路，（1）低音反馈网络由哪些元件组成（2）高音反馈环节由哪些元件组成。

(3)输入100Hz,0.71V 的信号，将RP1、RP2分别调到50％的位置，观察输入输出波形的幅度，并记录。

(4) 输入100Hz,0.71V 的信号,RP2在50％位置不变，RP1从0%变到100％，观察输入输出波形的变化情况，并记录。

（5）输入2000Hz/0.7V 信号，RP1在50％位置不变，RP2从0％变到100％，观察输入输出波形的变化，并记录。

R143.5kΩU1ATL082CD32481V212 VV312 VC1240pFV10.71 Vrms 100 Hz 0°R251kΩC210nFC36.2nFR3510kΩR433kΩ500kΩKey=A 60%RP2500kΩKey=A50%C46.2nF XSC1ABExt Trig++__+_图30此电路为音响的音调控制电路，该电路调试方便，信噪比高，图30中C3和C4的容量大于C1，对于低音信号C3和C4可视为开路，而对于高音信号C1可视为短路。

问题（1）答：低音反馈网络由R2、RP1和R3组成，（2）高音反馈网络由R4、RP2和C1组成。

（3）波形如图31所示图31输入约为2Vpp ，输出约为1.1Vpp 。

（4）图32图32为输入100Hz,0.71V的信号,RP2在50％位置不变，RP1在0%图31为输入100Hz,0.71V的信号,RP2在50％位置不变，RP1在50%图33为输入100Hz,0.71V的信号,RP2在50％位置不变，RP1在100%图33如图所示，当RP1在0%，Vpp约为0.4Vpp，当RP1在50%，Vpp约为1.1Vpp，当RP1在100%，Vpp约为2.4Vpp，所以随着RP1的增大，低音提升越大。

（5）图34图34为输入200Hz,0.71V的信号,RP1在50％位置不变，RP2在0%图35图35为输入200Hz,0.71V的信号,RP1在50％位置不变，RP2在50%图36图36为输入200Hz,0.71V 的信号,RP1在50％位置不变，RP2在50%如图所示，当RP2在0%，Vpp 约为1.4Vpp ，当RP2在50%，Vpp 约为1.3Vpp ，当RP2在100%，Vpp 约为1.2Vpp ，所以随着RP2的增大，高音提升越大。