利用运算放大器搭建回转器电路仿真报告.doc

利用运算放大器构成回转器电路的研究 电22 王明轩 2012010905 电22 李自帅 2012010916 摘要：回转器是基本的电路元件之一，它在电力处理和信号处理电路中具有广泛的应用。本文以采用运算放大器实现回转器的电路为例，讨论了回转器的端口特性及其性质，并运用对分析结果进行了仿真验证。 一、背景介绍 回转器(Gyrator)的是现代网络理论中使用的一种双口电阻元件，其元件符号如图所示： 回转器(gyrator)是一种具有电阻倒换或电感与电容倒换性质的二端口元件，由特勒根提出并加以命名的基本电路元件。目前，回转器已做成IC模块供用户使用，是无电感滤波器中的重要元件。它在信号处理和元件转换中具有独特的作用。 二、原始电路分析 1.理论分析 （1）回转器的实现 电路如下： 由运放的“虚短”和“虚断”可得：由电阻的串联可知：故：，故 类似的，可以求出： 故：满足回转器的参数矩阵，及实现了回转器的要求。 （2）利用回转器实现电容到电感的回转。 在电路的又端口接一个电容原件C，此时有：由回转器的特性方程可得： 可以令C便实现了电容到电感的回转。 2.仿真验证 仿真过程中，令所有R=1kΩ，电源内阻rr=500Ω。 （1）直流特性 令负载RL=1kΩ，连接仿真电路如图： 进行直流扫描分析其回转功能，输出值即为U2/I1、 U1/I2,结果如图： 可见当电压绝对值在一定范围内时，这两个比值绝对值都恒定在1kΩ附近，符合理论分析的回转器回转特性。如果输入电压绝对值过大或过小，运放不再工作在线性工作区，回转特性无法实现。 （2）交流特性及将电容“回转”为电感的功能。 输入换为交流电源，并将负载换为10μF电容，仿真电路如图： 进行交流分析，输出量为输入电压和电流，结果如图 由其相频特性曲线可看出在中频段时，电流领先电压约为90°，即实现了由电容回转为电感的功能。该功能常用于集成电路中的电感，使得小体积大感值的电感成为可能。 三、对回转器中电路参数对其性能影响的探究 1.理论分析 回转器功能实现的探索 电路图如下： 由节点电流方程结合理想运放的“续断”和“虚短”，可得： 若要满足回转器应有：可得：，并且有： 在输出端有节点电流方程可得： 类似分析可得若要满足回转器条件应有，并且有： 因此要实现回转器应有：，为了简化计划，令级间电阻，此时可以得到实现回转器的电路参数要求为： 级间电阻R4、R5的值对电路功能影响不是很大。因此将R3、R6、R7和R1、R2作为两组参数，可改变其值探究对回转器功能的影响。 2.仿真验证 （1）在直流输入下验证。 （I）首先改变R1、R2值为50Ω，同样进行直流扫描，输出U2/I1、 U1/I2。（所加负号是由于仿真电路与实际二端口的回转器参考方向选取不同）。结果如图： 可见电源电压在0.5V~1.5V间时，放大器工作在线性工作区，U2/I1约为-1kΩ，U1/I2约为1kΩ，能够实现回转器功能。但是也可以看出其对输入电压幅值有很大要求，能正常工作的幅值范围相比修改R1、R2前小了很多。 但如果R1、R2值太大，运放很难工作在线性工作区，电路无法正常工作。因此应根据实际情况选择合适的电阻。 （II）改变R3、R6、R7为10kΩ，同样进行直流扫描，输出U2/I1、 U1/I2。（所加负号是由于仿真电路与实际二端口的回转器参考方向选取不同）。结果如图： 可见回转器参数r变为10kΩ左右，r与R3（R6、R7）值相等，符合理论分析。同时可以看出，随着r的增大，其正常工作的电压幅度范围也增大了。 四、结论 1.运用运算放大器搭建的该电路可以实现回转器的功能。 2.该电路实现回转器功能的条件为： 其中，为了简化计划，将级间过度电阻设定为： 3.改变的值会影响使电路正常工作的电压范围，越大，电路的工作电压范围越大，电路的适用性也越好。 4.改变的值会改变二端口网络的r的值，且始终有r=。 5.增大的值时，电路正常工作的电压范围变大。 6.运用回转器可以实现电容到电感的“回转”或者电感到电容的“回转”，这对集成电路的发展有重要意义。 五、总结收获 通过这次仿真，初步了解了回转器具体电路实现方法，对回转器的功能实现有了深一步的理解，复习了电路原理课堂所学知识。同时，又一次熟悉了Multisim12 仿真环境下电路的一些分析方法。 对我们所感兴趣的回转器“回转”功能，尽管没有机会通过实际实验进行体会，但是此次已经通过仿真对其有了一定的了解，相信会对以后学习甚至工作中此原件的应用有一定的帮助。 附：小组分工情况 李自帅负责理论计算与分析，王明轩负责仿真电路与结果分析。整合后二人共同商量写成报告。 参考文献： [1] 江缉光、刘秀成，电路原理（第二版），北京：清华大学出版社，2006 [2] 田社平陈洪亮，利用运算放大器