集成运放电路的设计

一设计目的

1.集成运算放大电路当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反

馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系，在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分等模拟运算电路。

2.本课程设计通过Mulitisim编写程序几种运算放大电路仿真程序，通过输入

不同类型与幅度的波形信号，测量输出波形信号对电路进行验证，并利用Protel软件对实现对积累运算放大电路的设计，并最终实现PCB版图形式。二设计工具：计算机，Mulitisim，Protel软件

三设计任务及步骤要求

1)通过Mulitisim编写程序运算放大电路仿真程序，通过输入不同类型与

幅度的波形信号，测量输出波形信号对电路进行验证。输入电压波形可以任意选取，并且可对输入波形的运算进行实时显示，并进行比较；

2)对设计完成的运算放大电路功能验证无误后，通过Protel软件对首先对电

路进行原理图SCH设计，要求：所有运算放大电路在一张原理图上；

输入输出信号需预留接口；

3)设计完成原理图SCH后，利用Protel软件设计完成印制板图PCB，要求：至

少为双层PCB板；

四设计内容

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集成运放芯片的选取和介绍

由于LM324具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，而本次电子设计实验对精度要求不是非常高,LM324完全满足要求,因此我们这里选用LM 324作为运放元件

LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可如图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图。

3运放电路基本原理及其Mulitisim仿真

3.1．同相比例运放电路

同向比例运放电路组成如图1所示 ，将输入电阻R 1接地，并且将输入信号加载道+输入端。

u o

u i

+

-+

R f

R 1

图1

电压在通过由反馈电阻R f 和输入电阻R 1组成的分压电路的时候产生压降，中间位置的电压V -为：

out f V R R R V ))/((11+=- (8)

根据理想运放的性质1，运放的输入电压△V 为零，因此V in =V -。重新排列公式

in f out V R R V )/1(1+= (9)

通用运放的闭环增益为G=1+R f /R 1，并且不会改变输入信号的符号。从中可以看出电路的输入阻抗Z i 很大。

A R R R Z Z f in i ))/((11+= (10)

式中，Z in 为实际运放的输入阻抗(大约为20m Ω，且由于电路的开环增益A 很大，输出阻抗Z 0趋紧于零，因此，同向比例运放电路能够以有限的增益有效地对输入电路进行缓冲。

同相比例运放电路仿真电路图

输入电压输出电压

所以输出放大倍数： 310/28= 11 = 电压输入输出波形图如下

i o

V

R

R V)

1(

1

2

+

=

3.2．反比例运放电路

图2中所示的电路是最常见的运放电路，它显示出了如何在牺牲增益的条件下获得稳定，线性的放大器。标号为R

f

的反馈电阻用于将输出信号反馈作用于输入

端，反馈电阻连接到负输入端表示电路为负反馈连接。输入电压V

1

通过输入电

阻R

1产生了一个输入电路i

1

。电压差△V加载在+、—输入端之间，放大器的正

输入端接地。

图2

利用回路公式计算传输特性：

输入回路：

V

R

i

V∆

+

=

1

1

1

(2)反馈回路：

V R i V f f out ∆+-= (3)

求和节点

in f i i i +-=1 (4)

增益公式：

V A V out ƥ-= (5)

由以上4个式子可以得到输出：

Z R V Z i V in out /)/(/11-= (6)

式中，闭环阻抗Z=1/R f +1/AR f +1/R f 。

反馈电阻和输入电阻通常都较大)(Ωk 级，并且A 很大(大于100000)，因此Z=1/R f 。更进一步，△V 通常很小(几微伏)且放大器的输入阻抗Z in 很大(大约ΩM 10),那么输入输入电流(I in =△V/Z in )非常小，可以认为为零。则传输曲线变为：

111)()/(V G V R R V f out -=-= (7)

式中，R f /R 1的比值称为闭环增益G ，负号表示输出反向。闭环增益可以通过选择两个电阻R f 和R 1来设定。

反比例运算仿真电路图