反相比例运算电路仿真分析

1 反相比例运算电路
1.1 综述
反相比例运算电路实际上是深度的电压并联负反馈电路。

在理想情况下，反相输入端的电位等于零，称为“虚地”。

因此加在集成运放输入端的共模电压很小。

输出电压与输入电压的幅值成正比，但相位相反，因此，电路实现了反相比例运算。

比例系数的数值决定于电阻RF与R1之比，而与集成运放内部各项参数无关。

只要RF 和R1的阻值比较准确和稳定，即可得到准确额比例运算关系。

比例系数的数值可以大于或等于1，也可以小于1。

由于引入了深度电压并联负反馈，因此电路的输入电阻不高，而输出电阻很低。

1.2 工作原理
1.2.1 原理图说明
图1.2.1.1 反相比例运算电路
如图所示，输入电压V1经电阻R1接到集成运放的反相输入端，运放的同相输入端经电阻R2接地。

输出电压经反馈电阻RF引回到反相输入端。

集成运放的反相输入端和同相输入端，实际上是运放内部输入级两个差分对管的基极。

为使差分放大电路的参数保持对称，应使两个差分对管基极对地的电阻尽量一致，以免静态基流流过这两个电阻时，在运放输入端产生附加的偏差电压。

因此，通常选择R2的阻值为R2=R1∥RF
经过分析可知，反相比例运算电路中反馈的组态是电压并联负反馈。

由于集成运放
的开环差模增益很高，因此容易满足深度负反馈的条件，故可以认为集成运放工作在线性区。

所以，可以利用理想运放工作在线性区时“虚短”和“虚断”的特点来分析反相比例运算电路的输出输入关系。

由于“虚断”，U+=0 又因“虚短”，可得 U-=U+=0
由于 I-=0 , 则由图可见 I I=I F
即（U I-U-）/R1=(U—U0)/RF
上式中U-=0,由此可求得反相比例运算电路的输出电压与输入电压的关系为
U0=-RF·U I/R1
1.2.2 元件表
1.3 仿真结果分析
图1.3.1 仿真分析结果图
由于输入电压为1V，所以根据公式可得输出电压为-1.997，符合理论。

2 音频功率放大器
2.1 综述
功率放大器，简称“功放”。

很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。

音频放大电路是典型应用电路，由一块TDA 2030和较少元件组成的音频放大电路、装置调整方便、性能指标好等突出的优点。

特别是集成块内部设计有完整的保护电路，能自我保护。

TDA2030是一块性能十分优良的功率放大集成电路，其主要特点是上升速率高、瞬态互调失真小，在目前流行的数十种功率放大集成电路中，规定瞬态互调失真指标的仅有包括TDA2030在内的几种。

我们知道，瞬态互调失真是决定放大器品质的重要因素，该集成功放的一个重要优点。

2.2 工作原理
2.2.1 原理图说明
图2.2.1.1 原理图
此电路图中，利用了TDA2030的反相输出来稳定输出，同时正反馈中来进行放大，并且利用了二极管VD1、VD2来单向导电，然后在输出端口利用一个电阻和电容的并联关系来选择输出。

另外元件数目也不是很多，操作实际可行。

在总体网络中，我使用的是桥式振荡电路的原理电路，这个电路由两部分构成，即放大电路和选频网络电路。

其中放大电路是有输入阻抗高和输出阻抗低的特点。

而选频网络同时兼作正反馈网络。

四臂电桥中，对角线顶点接到放大电路的两个输入端，桥式振荡电路的名称由此得来。

图2.1.1.2 桥式振荡电路
图2.3中所表示的RC 串并联选频网络具有选频作用，它的频率响应特征曲线具有明显的峰值。

由图2.3有：
1211*1Z R sC R sC Z R sC
=+
=
+
反馈网络的反馈系数为
212
()()()
f V i V s Z F s V s Z Z =
=
+
2
13()
sCR
sCR sCR =
++
就实际的频率而言，可用s j =ω替换，则得
2
2
2
(1)3V j RC
F R C j RC
ω=
-ω+ω
故当01R C
ω=
，则上式变为
00
13(
)
V F j =
ωω+-ωω
这就是说，当时，输出电压的幅值最大（当输入电压的幅值一定，而频率可调时），并且输出电压是输入电压的，同时输出电压与输入电压同相。

在输出端中放置一个电位器（滑动变阻器），以此来选择信号的输入大小，这样就可以避免在电路中因为信号的过强而导致的饱和失真。

因此在这里放置的一个滑动变阻器需要一个较大的阻值，以达到分压的目的，所以我们这里选择一个最大值为10K 的滑动变阻器。

在集成块TDA2030中正负输入端的两个电阻R1、R2，则是作为一个分压作用，以此对集成块进行电压信号的输入，和反馈中的反馈网络的一部分。

这样来进行工作。

在正负工作电压旁接一个电容来抵消工作电流对于电路中的而影响，体现了电容“隔直流，通交流”的特点。

这是由于它的阻抗是随电压频率变化所致，如其阻抗变化为：
1C Z j C
=
ω
可以看出，其阻抗与频率成反比。

在R3构成的负反馈网络中，由于R3>>R2，故在这里是基本上的原样输出，没有进行缩小，因为在输入端口的那里，就已经进行了分压调试。

我们是做的是音频功率放大，则放大的倍数是我们所关心的，因而在R3与R4组成的负反馈的网络中，放大倍数为：
43
()()()
o V i V s R F s V s R =
=
通常这种音频功率放大中，放大倍数为300-1000倍左右，为了保证音频的带宽，
我就选择较小的300倍，同时结合市面上常见电阻的阻值，故定
3680
R=Ω，422
R k
=Ω。

本图中还有两个为了稳压的稳压二极管D1和D2，因它们在运算放大器的集成块上进行工作，故要求其工作电压在12V上下。

这样来确定他们最终是否能够正常工作。

在信号输入端口中，由一个为了隔离直流噪声的电容C1。

这个电容是工作在信号源旁，直接介入输入端，因而需要一个较高的击穿电压的电容，而且电容的取值不能太大，因而定为1uf
同样，在电容中，在工作电压V1和V2的旁边分别有一个旁置电容，这两个电容都是为了隔离直流电源的电流，为了增加它的效率，因而我的电容的容抗取值较小，都是0.1uf。

最后在输出端并联上一个电阻电容的串联，其中电阻是为了保证输出阻抗比较小，因而取值为，然后电容是为了隔离直流噪声信号，所以不需要太大的容抗，选择了。

还可以防止在输出端的自激振荡，以造成意外结果。

2.2.2元件表
2.3 仿真结果分析
在本电路图的软件仿真上，我使用的是Multisim 10.0的版本，进行了放大模拟分析，以正弦波信号源代替了音源，以一个电阻代替了喇叭。

图2.3.1仿真分析结果曲线
可以看出来，输入是100mV（最大值）的电压，经过功率放大之后得到的是3.2-3.3V（最大值）的输出电压。

300多倍的放大倍数可以满足我们的需求，并且同时也满足理论上的设计。

3 心得体会
这次模拟电子基础课程设计的学习，学到了很多关于模电理论方面和实践方面的知识，受益匪浅。

我对这门课程设计非常感兴趣。

不仅锻炼了自己的动手能力，也从一定程度上巩固了Multisim仿真软件的应用，亦加深了对模电功率放大器方面知识的理解。

期间我发现了很多问题，经过反复思考与分析，发现原来许多理论的功率放大器原理图都与实践有很大的区别，我耐心的一个个对原理图进行分析，最后我们确定了自己的合理的原理图，进行了分析和元件参数的一定程度的修改。

之后我们又对电路图进行了仿真。

完成这次课程设计我觉得收获很多，不但进一步掌握了模电的知识及一门专业仿真软件的基本操作，还提高了自己的设计能力及动手能力。

更多的是让我看清了自己，明白了凡事需要耐心，实践是检验真理的唯一标准。

理论知识的不足在这次实习中表现的很明显。

这将有助于我今后的学习，端正自己的学习态度，从而更加努力的学习。

4 参考文献
[1] 邱关源.电路原理（五版）。

北京:高等教育出版社,2006
[2] 曹丙霞.protel原理图设计。

北京:电子工业出版社,2007
[3] 周开利,邓春晖.MATLAB基础及应用教程。

北京:北京大学出版社，2007
[4] 张威.MATLAB6.0基础与编程与入门。

西安:西安电子科技大学出版社，2007
[5] 张智星.MATLAB程序设计与应用。

北京:清华大学出版社，2002。