基于运放的多组态模拟放大电路设计

彭小峰，万文略

(重庆理工大学　电子信息与自动化学院，重庆　400054)



基于运放的多组态模拟放大电路设计

彭小峰，万文略

(重庆理工大学电子信息与自动化学院，重庆400054)

摘要针对学生在进行模拟放大电路实验、参加学科竞赛及课外科技活动时，搭建模拟放大电路的成功率和效率的问题，设计了一种基于运放的多组态放大电路。该电路是数十种模拟放大及滤波电路的结合。利用该电路构成的通用模拟放大电路实验PCB板，直接焊接元件即可完成实验电路搭建，无须再制版。测试结果表明，给出的电路具有较好的实用性，使学生进行模拟放大电路实验的实验效率及成功率显著提高。

关键词多组态；放大电路；滤波电路；实验PCB板

本文以实验中常用的双运放为例设计PCB板，在PCB板设计中，充分考虑了电路的通用性及可扩充性，所设计的PCB板支持DIP8封装及SOIC8封装形式，支持多板层叠以进行更复杂的模拟电路实验。在PCB设计时充分考虑到了元件的布局及走线方式，避免电路自身的干扰。使用本电路板可以缩短电路设计时间。

利用本文提出的设计方法，在进行常用模拟放大电路实验时能够快速、可靠地完成放大电路的硬件制作。在学生进行电子电路实验，参加课外科技活动和电子设计竞赛等有广泛的应用。本设计也可以嵌入到各种实验系统的模拟放大电路单元设计中。

1电路原理

如图1所示为一个运放的多组态模拟放大电路原理图，图中的放大电路有4个输入端(2个反相输入端IN1-，IN1-_1，2个同相输入端IN1+，IN1+_1)，2个输出端OUT1，OUT1_1。扩展多个输入端的目的以实现加法或减法运算组态。输出端中OUT1是直接的运放输出端，OUT1_1可以实现多种常用输出组态，并同时具备正、负反馈通道。图中用电阻的原理图符号表示任意双引脚器件，如电阻、电容、电感和二极管等。多组态模拟放大电路原理是多种单元放大、滤波电路组态综合在一起构成的，兼容反相放大电路、同相放大电路、差动放大电路、加法电路、减法电路、积分电路、微分电路、一阶滤波电路和二阶滤波电路，可实现贝塞尔、高斯、切比雪夫、巴特沃兹低通、高通，带通滤波器结构及T型网络带阻滤波电路结构。支持单端反相输入的滤波电路，单端同相输入滤波电路及差动输入的滤波电路结构形式[4-5]。在设计上充分考虑了通用电路设计的方便性及实用性，在实际应用中，不符合电路功能要求的元件可以不焊接但不影响电路功能。本电路在制版后进行实验时无须搭飞线，无须改动已有布线，直接在板上焊元件就能支持几十种模拟放大电路实验。

图1　多组态模拟放大电路原理图

2放大电路组态举例

2.1反相放大电路组态

如图2所示为图1的电路中使用IN1-为反相输入，选择焊接R1，R5，R9和R7，构成的反相放大电路。其输入输出电压关系为：

(1)

实际上R5可以接零欧姆电阻。当R9的位置换成电容时，该电路可以构成积分电路；当R1的位置换成电容时构成微分电路；当R9的位置换成二极管时可以构成对数电路；当R1的位置换成二极管时可以构成指数电路。

图2　反相放大电路

2.2同相放大电路组态

如图3所示，使用IN1+为同相输入，选择焊接R2，R3，R6，R8，R5接零欧姆电阻，构成的同相放大电路。其输入输出电压关系为：

(2)

图3　同相放大电路

2.3差动放大电路组态

如图4所示，使用IN1+为同相输入，IN1-为反相输入，选择焊接R1，R5，R9，R2，R6和R7，构成的同相放大电路。其输入输出电压关系为：

(3)

式中，R5和R6接零欧姆电阻。

图4　差动放大电路

3滤波电路组态举例

进行滤波电路设计时通常的做法是使用滤波器设计软件设定滤波器的参数。由软件给出电路的结构及参数，本文设计的多组态模拟放大电路可以实现TI公司的滤波器软件FilterPro 3.1.0版输出的全部滤波电路结构。下面以低通滤波电路为例说明多组态模拟放大电路可实现的滤波电路组态。

3.1单端反相输入低通滤波电路

图5(a)为TI滤波器设计软件输出的低通滤波器电路原理图；图5(b)为单端反相输入低通滤波实现图。使用IN1-为反相输入，图5(b)中R3的位置焊图5(a)的C2；R9的位置焊图5(a)电路的C1；R7接零欧姆电阻；R1，R5，R8的位置分别对应图5(a)中的R1，R3，R2，其余元件不焊接。这时构成反相输入低通滤波电路。根据滤波器设计软件的输出结果，改变电路参数就可以改变滤波器的频率特性。

(a)　电路原理图

(b)　电路实现图图5　单端反相输入低通滤波电路

3.2单端同相输入低通滤波电路

图6(a)为TI滤波器设计软件输出的单端同相输入低通滤波器电路原理图；图6(b)为单端同相输入低通滤波电路的具体实现。使用IN1+为同相输入，图6(b)中R7的位置焊接图6(a)的C1；R20的位置焊接图6(a)电路的C2；R5接零欧姆电阻；R2，R3，R8，R6的位置分别对应图6(a)中的R1，R3，R4，R2，其余元件不焊接。这时构成同相输入低通滤波电路。根据滤波器设计软件的输出结果，改变电路参数就可以改变滤波器的频率特性。

(a)　电路原理图

(b)　电路实现图图6　单端同相输入低通滤波电路

3.3差动输入低通滤波电路

图7(a)为TI滤波器设计软件输出的差动输入低通滤波器电路原理图，图7(b)为差动输入滤波电路的具体实现。使用IN1-为反相输入，IN1+为同相输入，图7(b)中R4的位置焊接图7(a)的C2；R9的位置焊接图7(a)电路的C1；R19的位置焊图7(a)电路的C1；R1，R5，R8的位置分别对应图7(a)的R1，R3，R2；R2，R6，R20的位置分别对应图7(a)的R1，R3，R2，其余元件不焊接。这时构成差动输入低通滤波电路。根据滤波器设计软件的输出结果，改变电路参数就可以改变滤波器的频率特性。

(a)　电路原理图

(b)　电路实现图图7　差动输入低通滤波电路

3.4T型网络带阻滤波电路

图8(a)为TI滤波器设计软件输出的T型网络带阻滤波器电路原理图；图8(b)为T型网络带阻滤波器电路的具体实现。使用IN1+为同相输入，图8(b)中R20的位置焊接图8(a)的C3；R23，R25的位置焊接图8(a)电路的C1，C2；R2，R6，R24的位置分别对应图8(a)的R1，R2，R3，R3，R9的位置分别对应图8(a)R4，R5，R5接零欧姆电阻，其余元件不焊接。这时构成差动输入低通滤波电路。根据滤波器设计软件的输出结果，改变电路参数就可以改变滤波器的频率特性。

(a)　电路原理图

(b)　电路实现图图8　T型网络带阻滤波电路

3.5其他电路形式

对于TI滤波器设计软件输出的高通、带通等滤波器电路结构，当不考虑元件性质仅考虑两端器件的连接方式时，与本文3.1～3.3节的电路连接结构相同，本文不再详述。当需要高阶滤波器时常需要更多的运放，这时可以使用PCB板的层叠功能，以实现有多个运放的高阶滤波器[6-7]。

4电路输出组态

每个放大单元的输出端都接了2个元件如图9所示，使得电路的输出也有多种组态以方便用户使用。

图9　电路输出组态

当R33换成稳压二极管时就构成了输出限幅；当R33换成电容时就构成了输出滤波电路；当放大器的输出接AD转换器时可以构成简易的抗混叠滤波器；当层叠时2个运放可级联工作；将R32换成电容时还能实现本级输出到下级运放的交流耦合[8]。

5电路板设计考虑的问题

电路板设计时考虑了电磁兼容性和电源线地线的线宽规范要求，既支持DIP8封装的运放又支持SOIC-8的贴片封装，使得电路板适合更多的器件。考虑到一个具体的电路需要多个运放实现，制作了板间层叠以实现更复杂得多运放电路设计。多组态模拟放大电路PCB实验板如图10所示。

图10　多组态模拟放大电路PCB实验板

6结束语

(a)　采用模拟放大实验板设计

(b)　采用万能板设计图11　一阶带通滤波电路

实验表明本电路设计具有较好的通用性、便利性和实用性，进行放大电路实验时无须制版，为实验室节省了大量的制版费用。同样的电路也适合单运放及四运放。

参 考 文 献

[1]高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程——模拟电子线路设计[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2]郭宗莲，李其全，王陈军.高职院校学生放大电路学习方法研究[J].广东轻工职业技术学院学报，2015(4):47-50.

[3]姚高华，廖秋香，邹木春.模拟电子技术课程教学方法探讨——以基本放大电路为例[J].科教导刊(上旬刊)，2015(12):144-145.

[4]龚晶，孙梯全，卢娟，等.差分放大电路实验教学研究[J].中国电子教育,2015(4):33-38.

[5]刘昕，马虎山，刘健，等.基于Multisim的运算放大器及滤波电路仿真[J].电子世界，2016(8):52.

[6]喻勇，姚志成，庄信武，等.一种新结构差分低通滤波电路设计[J].电子技术应用，2014(11):50-52.

[7]何建莹，屠华.有源滤波电路的研究[J].大学物理实验,2014(5):16-18.

[8]牛泽茜，潘俊陶，李晓文.RC无源带通电路特性及滤波误差分析方法[J].大学物理，2015(11):53-56.

收稿日期:2015-05-04

基金项目：重庆市高等教育教学改革研究重点项目资助(122003)；重庆理工大学高等教育教学改革研究资助项目(2013YB12)。

作者简介：彭小峰(1980-)，男，硕士，实验师，主要从事计算机控制技术、嵌入式系统实验教学和示范中心建设工作。

中图分类号TN72

文献标志码A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.03.008

Multiple Configuration Simulation Based on Operational Amplifier Circuit Design

PENG Xiaofeng，WAN Wenlue

(College of Electronic Information and Automation,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,China)

AbstractAiming at students in analog circuit experiment，in academic competitions and extracurricular activities of science and technology to build analog amplifying circuit when the success rate and the efficiency is not high，this paper designs a multi configuration based on the operational amplifier amplifying circuit，the circuit is the conjunction of dozens of analog amplifier and filter circuit.This paper uses the experiment board PCB based the proposed circuit，direct welding component can finish the experiment circuit construction.No need to produce PCB additional.The circuit introduced in this paper has good practicality，so that efficiency and success rate of students in analog amplifying circuit experiment are improved obviously.

Key wordsmulti-configuration;amplifier circuit;filter circuit;experimental PCB board