實(shí)驗(yàn)一;運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用;吳健雄學(xué)院

1、東南大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)中心實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告課程名稱(chēng)： 電子電路實(shí)驗(yàn) 第一次實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)： 運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用 院 （系）： 吳健雄學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)：電類(lèi)強(qiáng)化 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 610111 實(shí) 驗(yàn) 室: 101 實(shí)驗(yàn)組別： 同組人員： 實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2013年03月26日 評(píng)定成績(jī)： 審閱教師： 實(shí)驗(yàn)一 運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、 熟練掌握反相比例、同相比例、加法、減法、積分、微分等電路的設(shè)計(jì)方法；2、 熟練掌握運(yùn)算放大電路的故障檢查和排除方法，以及增益、幅頻特性、傳輸特性曲線、帶寬的測(cè)量方法；3、 了解運(yùn)算放大器的主要直流參數(shù)（輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流、溫度漂移、共模抑制

2、比，開(kāi)環(huán)差模電壓增益、差模輸入電阻、輸出電阻等）、交流參數(shù)（增益帶寬積、轉(zhuǎn)換速率等）和極限參數(shù)（最大差模輸入電壓、最大共模輸入電壓、最大輸出電流、最大電源電壓等）的基本概念；4、 了解運(yùn)放調(diào)零和相位補(bǔ)償?shù)幕靖拍睿?、 掌握利用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)各種運(yùn)算功能電路的方法及實(shí)驗(yàn)測(cè)量技能。二、預(yù)習(xí)思考：1、 查閱741運(yùn)放的數(shù)據(jù)手冊(cè)，自擬表格記錄相關(guān)的直流參數(shù)、交流參數(shù)和極限參數(shù)，解釋參數(shù)含義。參數(shù)名稱(chēng)參數(shù)值參數(shù)意義及設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該如何考慮直流參數(shù)輸入失調(diào)電壓UIOTYP1mV;MAX6mV在輸入信號(hào)為0時(shí)需要提供的額外輸入電壓輸入偏置電流IIBTYP80nA;MAX500nA偏置電流就是第一級(jí)放大器輸入晶

3、體管的基極直流電流。這個(gè)電流保證放大器工作在線性范圍，為放大器提供直流工作點(diǎn)。輸入失調(diào)電流IIOTYP20nA;MAX200nA兩個(gè)差分輸入端偏置電流的誤差。其值過(guò)大會(huì)破壞放大器的平衡，使放大器輸出電壓不為零，所以其值越小越好。失調(diào)電壓溫漂UIO20V/°C溫度變化帶來(lái)的失調(diào)電壓變化的比例共模抑制比KCMRMIN70dB;TYP90dB輸入端口短路線中點(diǎn)對(duì)地加電壓和輸入端口兩點(diǎn)之間的電壓的比開(kāi)環(huán)差模電壓增益AVD輸出端無(wú)反饋情況下，輸出信號(hào)與輸入差模信號(hào)的比值輸出電壓擺幅UOMMIN±12V;TYP±14V正負(fù)輸出電壓的擺動(dòng)幅度極限差模輸入電阻RIDMIN0.3M

4、;TYP2M輸入差模信號(hào)同相端與反相端之間的近似電阻值輸出電阻RO75輸出端的等效電阻交流參數(shù)增益帶寬積G.BW0.7-1.6MHZ有源器件或電路的增益與規(guī)定帶寬的乘積轉(zhuǎn)換速率SR0.25-0.5V/S該參數(shù)指輸出電壓的變化量與發(fā)生這個(gè)變化所需的時(shí)間之比的最大值。極限參數(shù)最大差模輸入電壓UIOR±30V反向和同相輸入端能承受的最大電壓值。超過(guò)這個(gè)電壓值運(yùn)放的功能會(huì)受到影響。最大共模輸入電壓UICR±13V同相端與反相輸入端承受的最大共模信號(hào)電壓值。超過(guò)這個(gè)值運(yùn)放的共模抑制比會(huì)顯著下降，放大功能會(huì)受到影響。最大輸出電流IOSTYP±25mA;MAX±40m

5、A運(yùn)放所能輸出的電流峰值。最大電源電壓USR±22V運(yùn)放最大電源電壓。2、 設(shè)計(jì)一個(gè)反相比例放大器，要求：|AV|=10，Ri>10K，將設(shè)計(jì)過(guò)程記錄在預(yù)習(xí)報(bào)告上；（1） 仿真原理圖（2） 參數(shù)選擇計(jì)算因?yàn)槭且笤O(shè)計(jì)增益為10的反向比例放大器，所以,在圖中即是,又考慮到電阻要大，平衡電阻要為R1，R4的并聯(lián)，所以采用：R1=100K，R2=100K, R3=10K, R4=10K, R5=10K。（3） 仿真結(jié)果如圖所示，輸入1V，1KHZ的方波，輸出為9.999V，1KHZ的方波，增益為-9.99-10，所以可以認(rèn)為仿真是正確的。3、 設(shè)計(jì)一個(gè)電路滿足運(yùn)算關(guān)系UO= -2Ui

6、1 + 3Ui2（1）仿真原理圖200k200k100k（2）參數(shù)選擇計(jì)算與UO= -2Ui1 + 3Ui2對(duì)比可得合適的電阻：R1=100K；RF=200k；R2=200K；R4=0；（3）仿真結(jié)果輸入了5v，1KHZ方波信號(hào)與100mVPP,5kHZ正弦波信號(hào)，輸出圖像為兩者按比例疊加，幅值為10V左右，符合理論預(yù)期。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、基本要求：內(nèi)容一：反相輸入比例運(yùn)算電路(1) 圖1.3中電源電壓±15V，R1=10k，RF=100 k，RL100 k，RP10k/100k。按圖連接電路，輸入直流信號(hào)Ui分別為2V、0.5V、0.5V、2V，用萬(wàn)用表測(cè)量對(duì)應(yīng)不同Ui時(shí)的Uo值，

7、列表計(jì)算Au并和理論值相比較。其中Ui通過(guò)電阻分壓電路產(chǎn)生。Ui/VUO/VAu測(cè)量值（V）理論值（V）2.000-13.050-6.525-10-2.00014.300-7.150-10-0.4974.936-9.932-100.501-4.933-9.846-10實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：之前做實(shí)驗(yàn)的仿真模擬時(shí)時(shí)常會(huì)遇到一個(gè)問(wèn)題：輸出的波形不對(duì)，而且輸出電壓總在13V左右，而且隨著電源電壓變化而變化，當(dāng)時(shí)百思不得其解。通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)了解到了原因：從數(shù)據(jù)手冊(cè)可以看出，VCC=±15V時(shí)，輸出電壓擺幅絕對(duì)值約為13伏到14伏，也就是說(shuō)當(dāng)輸入電壓超過(guò)了工作范圍時(shí)，會(huì)體現(xiàn)出非線性性質(zhì)，測(cè)得的增益會(huì)與理

8、論值相差較大。只有在電壓在工作范圍內(nèi)時(shí)增益才會(huì)與理論值較為接近。(2) Ui輸入0.2V、 1kHz的正弦交流信號(hào)，在雙蹤示波器上觀察并記錄輸入輸出波形，在輸出不失真的情況下測(cè)量交流電壓增益，并和理論值相比較。注意此時(shí)不需要接電阻分壓電路。（a）雙蹤顯示輸入輸出波形圖（b）交流反相放大電路實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)輸入信號(hào)有效值（V）輸出信號(hào)有效值（V）信號(hào)頻率電壓增益測(cè)量值理論值0.22.041kHz10.210交流反相放大電路實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析： 該電路中輸入的是200mV有效值正弦波，其峰峰值約為,此電壓在線性工作區(qū)內(nèi)，所以信號(hào)不失真，增益接近理論值。由于使用的電阻會(huì)對(duì)電路的放大特性產(chǎn)生一些影響

9、，所以放大的倍數(shù)會(huì)略有誤差。 由圖像可知兩圖線之間有著180°的相位差，這也是符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期的。(3) 輸入信號(hào)頻率為1kHz的正弦交流信號(hào)，增加輸入信號(hào)的幅度，測(cè)量最大不失真輸出電壓值。重加負(fù)載（減小負(fù)載電阻RL），使RL220，測(cè)量最大不失真輸出電壓，并和RL100 k數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析數(shù)據(jù)不同的原因。（提示：考慮運(yùn)算放大器的最大輸出電流）負(fù)載RL=100KRL=220電源電壓（15V）15.0015.00最大不失真輸出電壓峰值（V）14.605.15實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析： 有數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，當(dāng)電源電壓為±15V左右時(shí)，運(yùn)放的最大輸出擺幅電壓絕對(duì)值范圍在13到14V左右，所以RL=

10、100K的時(shí)候最大不失真輸出電壓峰值為14.60V是合理的。而當(dāng)RL換為220時(shí)，最大不失真電壓小了很多，其原因是UA741的最大輸出電流的絕對(duì)值約為25mA,把這個(gè)電流值乘以220歐姆可以得到5.5V，這就是RL為220時(shí)輸出電壓的最大值，所以當(dāng)電阻為220時(shí)測(cè)得的最大不失真輸出電壓峰值為4.98V也是合理的。(4) 用示波器X-Y方式，測(cè)量電路的傳輸特性曲線，計(jì)算傳輸特性的斜率和轉(zhuǎn)折點(diǎn)值。（a）傳輸特性曲線圖（請(qǐng)?jiān)趫D中標(biāo)出斜率和轉(zhuǎn)折點(diǎn)值）（1.38，-2.75）（-1.4, 2.95）注：為了圖像的美觀，所以CH1，CH2每格所代表的電壓值是不同的，分別是1V和5V。所以斜率值應(yīng)當(dāng)為： （

11、b）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析： 轉(zhuǎn)折點(diǎn)的值都在1.4V附近，乘以增益為14V左右，符合電源電壓為15V時(shí)最大輸出電壓擺幅在14V左右。圖像斜率為-10.25， 約為理論值-10，也是合理的。 (5) 電源電壓改為±12V，重復(fù)(3)、(4)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)果進(jìn)行分析比較。（a）自擬表格記錄數(shù)據(jù)負(fù)載RL=100KRL=220電源電壓（12V）1212最大不失真輸出電壓峰值（V）11.64.7（-0.50, 2.10）（0.60,-2.37）（b) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：重復(fù)內(nèi)容（3）：由于電源電壓減小時(shí)，最大輸出電壓擺幅也會(huì)減小，所以RL為100K時(shí)，最大不失真電壓為11.6V是合理的。當(dāng)RL為220時(shí)，

12、考慮最大輸出電流，此電流也會(huì)隨著電源電壓的減小而減小，所以最大不失真電壓為4.7V也是合理的。重復(fù)內(nèi)容（4）：與之前的原理相同，考慮到圖形的美觀，CH1與CH2沒(méi)格電壓值分別為2V與5V，所以斜率的計(jì)算式為： 而傳輸曲線與電源電壓為15V時(shí)基本一致，電壓增益也基本一致，這是由于所測(cè)數(shù)據(jù)的電壓值都在線性工作范圍內(nèi)，是合理的。(6) 保持Ui0.1V不變，改變輸入信號(hào)的頻率，在輸出不失真的情況下，測(cè)出上限頻率fH并記錄此時(shí)的輸入輸出波形，測(cè)量?jī)烧叩南辔徊?，并做?jiǎn)單分析。（a）雙蹤顯示輸入輸出波形圖（b）上限頻率fH(KHz)相位差t(s)T(s)=t/T×360 o 745.013.51

13、33.3（C）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析： 放大電路的上限頻率與增益的乘積為固定值，由UA741的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知此值為0.7-1.6MHZ，在此電路中上限頻率為74KHZ,放大增益的絕對(duì)值約為10，所以測(cè)量結(jié)果是合理的。而且在數(shù)據(jù)中可以看到，當(dāng)頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，電路的放大效果會(huì)有一定程度的失準(zhǔn)，不僅僅是增益有所變小，相位差也較理論值180°有所偏差。(7) 將輸入正弦交流信號(hào)頻率調(diào)到前面測(cè)得的fH，逐步增加輸入信號(hào)幅度，觀察輸出波形，直到輸出波形開(kāi)始變形（看起來(lái)不象正弦波了），記錄該點(diǎn)的輸入、輸出電壓值，根據(jù)轉(zhuǎn)換速率的定義對(duì)此進(jìn)行計(jì)算和分析，并和手冊(cè)上的轉(zhuǎn)換速率值進(jìn)行比較。（a）雙蹤顯示輸入輸出波

14、形圖（b）頻率輸入信號(hào)UiPP輸出信號(hào)UOPPdUO/dt74kHZ0.58V3.76V0.489v/s（c）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析： 由于輸出信號(hào)近似為三角波，所以dUO/dt的計(jì)算就近似用電壓差值處以半周期的時(shí)間。理論值為0.25-0.5V/S，所以0.489v/s的測(cè)量值是合理的。(8) 輸入信號(hào)改為占空比為50%的雙極性方波信號(hào)，調(diào)整信號(hào)頻率和幅度，直至輸出波形正好變成三角波，記錄該點(diǎn)輸出電壓和頻率值，根據(jù)轉(zhuǎn)換速率的定義對(duì)此進(jìn)行計(jì)算和分析（這是較常用的測(cè)量轉(zhuǎn)換速率的方法）。（a）雙蹤顯示輸入輸出波形圖（b）頻率輸入信號(hào)UiPP輸出信號(hào)UOPPdUO/dt20KHZ1.72V16.2V0579v/

15、s（c）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：由于輸出信號(hào)近似為三角波，所以dUO/dt的計(jì)算就近似用電壓差值處以半周期（25s）的時(shí)間。理論值為0.25-0.5V/S，所以0.579v/s的測(cè)量值是合理的，略有偏高是跟電路的電阻值的選擇有關(guān)，難免會(huì)有誤差。有實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)可以看出，當(dāng)頻率較高時(shí)，需要考慮轉(zhuǎn)換速率的影響。(9) RF改為10 k，自己計(jì)算RP的阻值，重復(fù)（6）（7）。列表比較前后兩組數(shù)據(jù)的差別，從反相比例放大器增益計(jì)算、增益帶寬積等角度對(duì)之進(jìn)行分析。并總結(jié)在高頻應(yīng)用中該如何綜合考慮增益帶寬積和轉(zhuǎn)換速率對(duì)電路性能的影響。 重復(fù)（6）： 保持Vi0.2V不變，改變輸入信號(hào)的頻率，在輸出不失真的情況下，測(cè)出上

16、限頻率fH并記錄此時(shí)的輸入輸出波形，測(cè)量?jī)烧叩南辔徊?，并做?jiǎn)單分析。（a） 雙蹤顯示輸入輸出波形圖（b）此時(shí)Rp= 5k ，上限頻率fH(KHz)相位差t(s)T(s)=t/T×360 o 7000.41.430100.7（b） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：此時(shí)由于電阻的變化輸入輸出的增益變?yōu)?左右，而此時(shí)的上限頻率700HZ，所以兩者的乘積還是在0.7-1.6MHZ范圍中的，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果是合理的。而相位差，周期等的變化都與電路中電阻的變化有著直接的關(guān)系，是合理的。 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)頻率為上限頻率時(shí)，增益會(huì)比理論值有所下降，而相位差受到高頻的影響更大，此時(shí)的相位差比74KHZ時(shí)的133°

17、;還要小，達(dá)到了100.7°，比180°差了不少，所以高頻對(duì)于電路的影響還是非常大的。重復(fù)（7）：（a） 雙蹤顯示輸入輸出波形圖（b）頻率輸入信號(hào)ViPP輸出信號(hào)VOPPdUO/dt700k0.730.40.462V/s（b） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：dUO/dt的計(jì)算嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是求導(dǎo)運(yùn)算，但由于輸出信號(hào)近似為三角波，所以dUO/dt的計(jì)算就近似用電壓差值處以半周期（0.715s）的時(shí)間。理論值為0.25-0.5V/S，所以0.462v/s的測(cè)量值是合理的。由此可知頻率的升高帶來(lái)的是信號(hào)幅值的減小。有實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)可以看出，當(dāng)頻率較高時(shí)，需要考慮轉(zhuǎn)換速率的影響。（d）總結(jié)在高頻應(yīng)用中該如

18、何綜合考慮增益帶寬積和轉(zhuǎn)換速率對(duì)電路性能的影響： 在一定的轉(zhuǎn)換速率下，頻率越高，即周期越小，轉(zhuǎn)換速率帶來(lái)的影響就越明顯，信號(hào)會(huì)嚴(yán)重失真。所以在高頻下要充分考慮轉(zhuǎn)換速率的影響，根據(jù)增益與上限頻率計(jì)算出轉(zhuǎn)換速率，保證電路工作在正常的狀態(tài)，從而保證輸出的信號(hào)不會(huì)有太嚴(yán)重的失真。內(nèi)容二：設(shè)計(jì)電路滿足運(yùn)算關(guān)系Uo=-2Ui1+3Ui2，Ui1接入方波信號(hào)，方波信號(hào)從示波器的校準(zhǔn)信號(hào)獲取（模擬示波器Ui1為1KHz、1V（峰峰值）的方波信號(hào)，數(shù)字示波器Ui1為1KHz、5V（峰峰值）的方波信號(hào)），Ui2接入5kHz，0.1V（峰峰值）的正弦信號(hào)，用示波器觀察輸出電壓Uo的波形，畫(huà)出波形圖并與理論值比較。實(shí)

19、驗(yàn)中如波形不穩(wěn)定，可微調(diào)Ui2的頻率。（a）雙蹤顯示輸入輸出波形圖(b) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 在實(shí)驗(yàn)中，一開(kāi)始在電路圖中使用的電阻全部都是10K量級(jí)的，雖然得到的形狀是符合預(yù)期的，但是我們輸入的的幅值為5V，所以按照題目中的公式輸出信號(hào)的幅值應(yīng)當(dāng)在10V左右，但是實(shí)際的幅值卻為8.8V，這顯然是有很大誤差的，但是電路又沒(méi)有問(wèn)題，所以只能是電阻選擇問(wèn)題了。所以把所有電阻值都擴(kuò)大了10倍，隨后輸出信號(hào)的幅值變?yōu)榱?0.3V，這樣結(jié)果就正確了。其中正弦波由于是只有0.1V的幅值，而且是關(guān)于0點(diǎn)正負(fù)對(duì)稱(chēng)，所以對(duì)于最終的幅值影響不大。兩者的疊加效果可以在圖中明顯的看出，周期對(duì)應(yīng)的也完全正確。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是符合要求

20、的。2、提高要求： 設(shè)計(jì)一個(gè)比例-積分-微分運(yùn)算電路。滿足運(yùn)算公式（1） 寫(xiě)出具體的設(shè)計(jì)過(guò)程，比例、積分、微分的系數(shù)可以有所不同，請(qǐng)考慮不同的系數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)輸出有何影響？1. 設(shè)計(jì)的過(guò)程：首先看到題目中的表達(dá)式的時(shí)候，馬上就聯(lián)想到模電教科書(shū)上的關(guān)于反向比例電路、積分電路、微分電路的三個(gè)電路模型，只要將三者用一個(gè)求和電路進(jìn)行疊加，那么就很容易實(shí)現(xiàn)題目中的表達(dá)式了。由于這個(gè)方法搭出的電路清晰明了，所以沒(méi)有考慮化簡(jiǎn)，便于參數(shù)的調(diào)整。一開(kāi)始設(shè)計(jì)電路時(shí)沒(méi)有考慮到電阻的大小，電容的大小對(duì)于電路的影響是十分巨大的，所以只考慮了比例的計(jì)算，用的電阻也都在百歐姆量級(jí)，造成了仿真結(jié)果誤差非常大。后來(lái)經(jīng)過(guò)老師的點(diǎn)播，了解到在運(yùn)放電路中無(wú)論是平衡電阻，還