运放进阶篇-多种波形可调信号发生器-产生方波-三角波-正弦波

引言：前几节我们已经说到硬件相关基础的电路，以及对于运放也讲到了初步的理解，特别是比较器的部分，但是放大器的部分我们对此并没有阐述，在这里通过实例进行理论结合实践的学习。而运放真正的核心，其实就是位于 “狭窄” 区域，也就是线性区，但是这个区间实在是太狭窄了，为了能够运用到，需要引入一个概念，即叫做负反馈，可以这么说，有了负反馈，运算放大器才能被称为运算放大器。

本章进阶篇补充基础篇没有的理论以及实践，具体内容如下：

1.运放的放大器基础概念

2.虚断和虚短的知识补充

3.常规运放电路分析

4.Multisim设计输出产生方波-三角波-正弦波的信号发生器（范围 20Hz - 20kHz，连续可调）

5.针对 4点 的仿真设计，EDA设计出原理图以及PCB还有3D预览图

目录

放大器负反馈的概念

运放的负反馈电路

理解运放的虚断和虚短

运放通过自激振荡产生正弦波

运放产生方波信号

运放产生三角波信号

Multisim设计产生方波-三角波-正弦波的信号发生器

1.硬件选型-UA741芯片

2.桥式RC正弦波振荡产生电路

2.1.正弦波振荡器组成

2.2.起振条件

3.正弦波方波转换电路

4.方波三角波转换电路

5.图值参数计算

5.1.正弦波方波转换电路数值分析

5.2.方波三角波转换电路数值分析

6.Multisim整体电图分析

EDA设计信号发生器原理图以及PCB

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放大器负反馈的概念

把运放的输出跟Un接在一起，Un = 2.9999x V（无限接近 进行修正）
推理过程：假设Un > Up,那么Uout = 0 V。然后因为Un和Uout短接，所以Un = 0 V，然后Uout又变为5V，不断的不停的修正，直到Un ≈ 3V，也就是 Un ≈ Up。
综上所述，当运放存在负反馈时，Up ≈ Un。但是由于相差几十微伏，因此我们认为 Up = Un。

运放的负反馈电路

下述为我们常用的运放负反馈电路的结构图可以参考，分别为比例，假发，积分的运算。

所谓运算放大器，真的可以用来做运算的，并且对于上述三种图例，针对用的最多的来说就是同向比例运算电路图了。

由于左边Rs这一端会产生10mV的电压，不好测量，因此可以通过此电路图来放大反推电压值。

理解运放的虚断和虚短

虚断：好似运放的内部是断开的一样，本质，理想运放的输入阻抗无穷大。

下述为运放内部电路，也就是输入施加一个电压，这边几乎没有电流流入。

虚短：也就是我们上文有探讨过的，本质，当给运放引入负反馈时，Un = Up。

（内部的线是便于理解，不存在）

但是大多数情况还是负反馈也就是虚短在实际运用是占大多数的，下面我们开始分析上文提到的电路图，同向比例运算放大电路图进行分析：
1.运放输入阻抗无穷大，因此输入端无电流，I3 = 0A ，即U3 = R3 * I3 = 0V，Up = Uin - U3 = Uin
2.因负反馈，则Un = Up = Uin ，I2 = ( Un - 0 ) / R2 （GND = 0）且I1 = I2,得I1 = (Uout - Un/R1)
因此，得到

综上总结一下同向比例运算放大电路图

• 输入端位于 + 号处，放大倍数为 Au = 1 + Rf / R1
• 平衡电阻 R2 = R1 // Rf
• 同相比例运算放大电路输入电阻非常大，输出电阻小，非常适合做电路后级的信号调理
• 输入与输出相位相同
• 放大倍数只能大于1
• 没有虚地，有较大的共模电压，抗干扰能力差，输入信号范围受输入共模电压限制

以上就是引入虚短虚断以及总结上述文章提到的所有知识点串联到一起了，更深层次的会在后续的篇幅提到。

运放通过自激振荡产生正弦波

最大区别就是引入了同相端引入了RC构成的一个带通滤波器，也就是选频段网络，

其次就是稳幅网络，位于运算放大器的反向端，二极管用来非线性的环节，二极管电流增大时，动态电阻减少，反之就相反。

如下图为实际值图。

幅值扰动，后趋于稳定。

运放产生方波信号

主体电图是滞回比较器，反向端是RC充放电路，具体如下所示。

运放产生三角波信号

方波通过积分电路后就变成三角波，因此左边就是滞回比较器，右边就是积分电路。

Multisim设计产生方波-三角波-正弦波的信号发生器

要求：输出方波-三角波-正弦波；波形频率 范围为 20Hz-20kHz 且连续可调；

1.硬件选型-UA741芯片

如下为内部结构图，以及相关管脚图示。

2.桥式RC正弦波振荡产生电路

2.1.正弦波振荡器组成

正弦波振荡器由四部分组成：放大电路，选频网络，反馈网络和稳幅电路。常用的正弦波振荡器有电容反馈岩兆振荡器和电感反馈振荡器两种。后者输出功率小，频率较低；而前者可以输出大功率，频率也较高。我采用的电路图如 下图左 所示。RC串并联电路作为正反馈回路和选频网络，这是振荡电路必不可少的部分，RC串并联网络同时实现了两个功能。其引入的负反馈超过正反馈，便可以减小工作频率的谐波成分，减少波形失真，改善波形。 

2.2.起振条件

前文在产生正弦波有提到相关起振的公式，忘记了可以回去看看，在起振过程中，刚接通电源时电路中存在各种电扰动，通过频率选择网络，通过反馈产生较大的反馈电压。通过线性放大和反馈的连续循环，振荡电压将不断增加。如 上图右 为 RC正弦波振荡产生电路幅频、相频特性曲线，由上图右 可知当AF＞1时，即当F等于三分之一时，电路起振。

3.正弦波方波转换电路

如下图所示，方波产生电路，该模块由滞回比较器组成，其功能为产生方波。由于集成运放工作处于非线性状态，即输入信号对电路阈值电压起了决定性作用稳压管D1、D2的作用是钳位，将滞回比较器输出电压稳定在正负Uz。那么他的输出就只有以下两种可能：正向饱和电压+U和负向饱和电压-U。当|+U|>|-U|时，输出正饱和电压，反之输出负饱和电压。如此，便形成了方波的信号输出。滞回比较器工作原理当输入信号逐渐增大或减少时，它有两个阈值，其传输特性具有“滞回”曲线的形状。

4.方波三角波转换电路

如下图所示，三角波产生电路，该模块主要功能是将方波通过积分电路转换为三角波输出。积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波,还可将锯齿波转换为抛物波。电路原理是基于电容的充放电原理，其中重要的是电路的时间常数RC，构成积分电路的条件是电路的时间常数必须大于或等于10倍输入波形的宽度。
幅值分析：同相滞回比较器的输出高、低电平分别为Uoh=+Uz,Uol=-Uz即为方波的幅值。滞回比较器的阈值电压±Ut为三角波的峰峰值。

5.图值参数计算

5.1.正弦波方波转换电路数值分析

电路的振荡频率为：，由此易得：

因此！改变电路中的R或者C可以调节起振频率，本电路中采用了调节R的方法。由此选频网络选用800Ω的定值电阻与800kΩ的电位器串联，通过滑动电位器达到频率可调的目的。

RC选频网络对于中心频率f0的放大倍数F=1/3，而回路起振条件为AF＞=1。故放大电路的电压放大倍数A=（R3+R4+R5）/R5＞=3，即（R4+R5）/R3＞=2。为了减小失调电流和漂移的影响，选R3为20kΩ的电位器，R4为10kΩ电阻，R5为10kΩ的电位器。

5.2.方波三角波转换电路数值分析

• 同相滞回比较器的输出高低电平分别为UOH=+UZ，UOL=-UZ

• RC正弦波振荡电路的输出电压UO作为输入电压，A1同相输入端的电位：

 令Up1=Un1=0，并将Uo1=±Uz带入得

并且对具体方波幅值没有需求，有需求另其估算即可。

6.Multisim整体电图分析

如下为整体设计图：

方波仿真结果如下所示：

EDA设计信号发生器原理图以及PCB

原理图如下所示，具体电路图不在分析，上文已经提到；由于UA741在仿真用的是DIP-8的封装格式，所以在此我们也要用此封装，就不再改了。。

PCB如下所示，分别为顶部以及底部。

3D预览图如下所示：