基于EWB的運算放大器仿真教學及應用

在模擬電子技術基礎這門課中，運算放大器及其線性應用內容是教學中的一個重要內容，如何在教學中使學生熟練掌握這些內容是教學中必須解決的問題。運用EWB仿真輔助教學，對這些內容進行仿真分析，并將其應用到相關的內容教學中，有助于學生對這些內容的理解與掌握。

EWB(Electronic Workbench)軟件是InterActive Image Technologies Ltd在20世紀90年代初推出的電路仿真軟件。目前普遍使用的是EWB5.2，相對于其它EDA軟件，它是較小巧的軟件(只有16 M)。但它對模數電路的混合仿真功能卻十分強大，幾乎100%地仿真出真實電路的結果，并且它在桌面上提供了萬用表、示波器、信號發生器、掃頻儀、邏輯分析儀、數字信號發生器、邏輯轉換器和電壓表、電流表等儀器儀表。它的界面直觀，易學易用。

1 基于EWB的運算放大器及其線性應用電路仿真教學

通過仿真可以生動具體的將電路及結論展示給學生，一方面加深了學生對理論的理解，另一方面學生通過仿真軟件了解了電路的結構和使用方法。

1.1 同相比例放大電路

電壓增益Av

根據虛短和虛斷的概念有：

(此處設問，讓學生計算出該仿真電路的電壓放大倍數)

根據仿真電路圖得到，計算出同相比例放大電路的理論電壓放大倍數為：

仿真結論：

通過仿真，觀察圖2示波器：藍色為輸入信號(上面)，紅色為輸出信號(下面)，兩波形的幅度讀數相等，但輸入信號波形每格對應的是200 mV，輸出波形的每格對應的是2 V，相位相同，因此輸出信號與輸入信號波形電壓比為10，該結論與理論值相符合。

1.2 電壓跟隨器

特性分析：

根據虛擬短路和根據虛擬斷路：vo=vn≈vp=vi

仿真結論：

通過仿真，觀察圖4示波器：兩波形的幅度讀數相等，相位相同，因此輸出信號與輸入信號波形電壓比為1，該結論與理論值相符合。

1.3 反相比例放大電路

電壓增益AV

提問：“-”是什么意思? (可作為公式直接使用)

根據仿真電路圖得到，反相比例放大器，理論電壓放大倍數為-1(此處設問，讓學生計算出該仿真電路的電壓放大倍數)

仿真結論：

通過仿真，觀察圖6示波器：水平軸上面為輸入信號波形，水平軸下面為輸出信號，兩波形的幅度讀數相等，但輸入信號波形每格對應的是2 V，輸出波形的每格對應的是2 V，但相位是相反的，因此輸出信號與輸入信號電壓比為-1，該結論與理論值相符合。

1. 4 運算放大器應用實例解答及其仿真輔助教學

例圖7直流毫伏表電路，當R2>>R3時，

1)試證明Vs=(R3R1/R2)Im;

2)R1=R2=150 kW，R3=1 kW，輸入信號電壓

Vs=100 mV時，通過毫伏表的最大電流Im(max)=?

解：(1)根據虛斷有Ii=0

所以I2=Is=Vs/R1

又根據虛短有Vp=Vn=0

R2和R3相當于并聯，

所以-I2R2=R3(I2-Im)

所以，當R2>>R3時，Vs=(R3R1/R2)Im

(2)代入數據計算即可得Im=100μA。

仿真結論：

通過仿真，觀察虛擬示波器圖9可以讀出輸入信號為100.00 mV，輸出信號為-100.665μV，由于示波器不能直接測電流，因此只有通過將電流轉換為電壓來測量，所以仿真電路中用了一個電流控制電壓源，控制系數為1 Ω，因此，將示波器讀出來的電壓-100.665μV，轉換為電流就是-100.665μA，符號表示電流的方向從負載流出，同電路圖中標示的方向是一致的，誤差為0.665μA，這個誤差非常小，在工程上完全可以忽略。

2 結束語

綜上所述，通過EWB對運算放大器及其線性應用電路的仿真教學，可以將比較枯燥的理論講解和仿真實驗巧妙的結合起來，充分利用仿真技術對相應的電路進行仿真，可以使一些結論等內容得到驗證，從而加深學生對理論的理解，提高了學生學習積極性、興趣愛好及提高課堂效率;另外生動的仿真也加深了學生對理論的理解記憶，從而實現了理論與實際的結合，并且在還可以充分利用仿真這個虛擬實驗平臺，學生只需要掌握這些仿真軟件使用方法，就可解決學校辦學設備不足，可以克服實驗室試驗箱只能做固定的一些實驗的缺點，學生可以自主的任意設置實驗內容，從而大大豐富拓展了實驗教學的內容與手段，有利于培養學生綜合和設計性實驗的能力及提高學生創新實踐能力。