模电 运算电路设计
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课程设计任务书
学生班级：学生姓名：学号：
设计名称：运算电路设计
起止日期：2011/5/22—5/29指导教师：
摘要
目前随着电子技术的发展,集成运放作为一个高性能的直接耦合多级放大电路,多运用于各种模拟信号的运算的集成放大电路中而出名。
它能构成各种运算电路上，是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他们之间的连线所组成的完整电路制作在一起，形成具有一定电路功能的器件。
与分立元件组成的放大电路相比，具有体积小、质量轻、功耗低、工作可靠、安装方便而又价格便宜等特点。
集成运放作为一个放大器，它可以非常方便的完成信号放大、信号运算（加、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方等）、信号的处理（滤波、调制）以及波形的产生和变换。
而在运算电路中，以输入电压为自变量，以输出电压作为函数；当输入电压变化时，输出电压也将按一定的数学规律变化，即输出电压反映输入电压的运算结果。
因此，对于为了实现一个运算关系式，我们可以利用集成运放组成一个放大电路来实现相应的功能。
目录
一．前言 (4)
二．运算电路整体设计概述 (4)
三．主要运算电路设计分析 (6)
3.1．积分运算电路 (6)
3.2 . 差分比例运算电路 (9)
四．总结 (10)
五．参考文献 (11)
一．前言
为了实现一个运算关系式，我往往利用集成运放来组合成一个运算电路。
本设计就是为了解决u u u dt 1211010100+-=⎰运算关系式，利用一个加减运算电路（即差分比例运算电路）和一个积分运算电路来完成。
集成运放其输出电压与输入电压的某种运算关系，运算电路中的集成运放工作在线性区，因而电路中必须引入负反馈，且为了稳定输出电压，均引入电压正反馈。
由此可见，运算电路是从集成运放的输出端到其反相输出端存在反馈通路。
因此，深入了解集成运放对我们解决各种运算关系有很大的意义。
二．运算电路整体设计概述
由u u u dt 1211010100+-=⎰运算关系式知：为了设计出满足条件的运算电路。
则需要一个加减运算电路（即差分比例运算电路）和一个积分运算电路。
设计的电路图1—1如下：
图1—1
由于 u u u dt 1211010100+-=⎰ , 令u I ,1=10⎰dt u I 1 则
u 0
=—10u I ,
1+10u I 2 故有 u 0=—10u I ,1+10u I 2=—1
R Rf
u I ,
1+
u I R Rf
2
2
dt RC dt u u u I I I ⎰⎰=
=1
1,
11
10 即 101=R Rf ，102=R Rf ，101
=RC
而又 R3//R2=Rf//R1
若令 Rf=100K 有R1=R2=10K ， R3=100K 若令 C=2uF 有R=50 K
因此为了满足运算关系式u u u dt 1211010100+-=⎰，则相应的电阻、电容、集成运放取值如下表所示：
此运算电路能实现当输入u I 1、u I 2两个信号进入电路中，能实现正确的运算关系式。
三．主要运算电路设计分析
3.1．积分运算电路
1.工作原理
积分运算：输出电压与输入电压呈积分关系。
它是利用电容的充放电来实现积分运算的，他的输入输出电压关系是⎰-=u u I
RC 1
0。
如图3.1-1所示:
图3.1-1
2.定性分析
（1）．确定时间常数τ=RC
τ的大小决定了积分速度的快慢。
由于运算放大器的最大输出电压 Uomax 为有限值（通
⎰-=I
O 1
u RC u ⎰
-=-=R u C u u I
C O 1R u i i R C I
=
=
常Uomax=±10V 左右），因此，若τ的值太小，则还未达到预定的积分时间t 之前，运放已经饱和，输出电压波形会严重失真。
所以τ的值必须满足：
当 ui为阶跃信号时，τ的值必须满足：
另外，选择τ值时，还应考虑信号频率的高低，对于正弦波信号
ui=Uimsinωt，积分电路的输出电压为：
因此，当输入信号为正弦波时，τ的值不仅受运算放大器最大输出电压的限制，而且与输入信号的频率有关，对于一定幅度的正弦信号，频率越低τ的值应该越大。
（2）．选择电路元件
①当时间常数τ=RC 确定后，就可以选择 R 和 C 的值，由于反相积分电路的输入电阻Ri=R，因此往往希望 R 的值大一些。
在 R 的值满足输入电阻要求的条件下，一般选择较大的C 值，而且 C 的值不能大于 1μF。
②确定R,
R,为静态平衡电阻，用来补偿偏置电流所产生的失调，一般取R,
=R。
③确定 Rf
在实际电路中，通常在积分电容的两端并联一个电阻 Rf。
Rf 是积分漂移泄漏电阻，用来防止积分漂移所造成的饱和或截止现象。
为了减小误差要求 Rf ≥10R。
（3）．选择运算放大器
为了减小运放参数对积分电路输出电压的影响，应选择：输入失调参数（UIO、IIO、IB）小，开环增益（Auo）和增益带宽积大，输入电阻高的集成运算放大器。
对于图2.1- 1 所示的基本积分电路，主要是调整积分漂移。
一般情况下，是调整运放的外接调零电位器，以补偿输入失调电压与输入失调电流的影响。
调整方法如下：先将积分电路的输入端接地，在积分电容的两端接入短路线，将积分电容短路，使积分电路复零。
然后去掉短路线，用数字电压表（取直流档）监测积分电路的输出电压，调整调零电位器，同时观察积分电路输出端积分漂移的变化情况，当调零电位器的值向某一方向变化时，输出漂移加快，而反方向调节时，输出漂移变慢。
反复仔细调节调零电位器，直到积分电路的输出漂移最小为止。
（4）电路改进
在实用电路中，为了防止低频信号增益过大，常在电容上并联一个电阻加以限制。
3.2 . 差分比例运算电路
1.工作原理
差分比例运算：若电路只有两个输入，且参数对称，则
)_(1
20u u u I I R Rf
电路实现了对输入差模信号的比例运算。
如图2.2-1所示：
图2.2-1
2.定性分析 (1)．确定Rf
在实际电路中，电阻 Rf 为补偿电阻，应该取值合理。
其目的是保证输入级差分比例电路的对称性。
(2)．电路改进
在使用单个集成运放构成加减运算电路时存在两个缺点，一是电阻的选取和调整不方便，二是对于每个信号源的输入电阻均较小。
因此，必要时可采取两级电路。
四．总结
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.回顾起此次模拟电子技术课程设计，至今我仍感慨颇多。
的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整一个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说如何合理的取值来满足运算关系式、如何设计出相关的电路……最终在老师和同学们的帮助下我顺利完成了这次课程设计。
通过一个星期的设计，我觉得自己有很大的收获：
①对模拟电子技术电子有了更深的的了解。
我了解到集成运放虽然作为基本元器件，但是却有很大的实际运用。
很多复杂的运算关系
式都是需要这些基本的器件才能完成的。
对我们学习生涯和实际生活也有很大的意义。
②对自己的动手能力有很大的锻炼。
在整个课程设计中，电路图自己设计、相关资料自己查找、相关取值合理性自己分析……虽然任何难题自己解决，但是我也得到了很大的动手操作能力。
同时也培养了一种积极向上的态度，更有利于以后的专业学习。
五．参考文献
1.潘永雄.电子线路CAD实用教程.西安电子科技大学出版社.2003
2.童诗白.模拟电子技术基础.第四版.北京.高等教育出版社.2006
3. 杨素行. 模拟电子技术简明教程. 北京.高等教育出版社.2000。
