運(yùn)算放大器基本應(yīng)用

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： 電子電路實(shí)驗(yàn) 第一次實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱： 運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用 院 （系）： 吳健雄學(xué)院 專 業(yè)：電類強(qiáng)化 姓 名： 周曉慧 學(xué) 號(hào)： 61010212 實(shí) 驗(yàn) 室: 105 實(shí)驗(yàn)組別： 同組人員： 無(wú) 實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2012年03月23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

2、度漂移、共模抑制比，開環(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UIO1-5mV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IIB80-500nA偏置電流就是第一級(jí)放大器輸入晶體管的基極直

3、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IIO20-200nA兩個(gè)差分輸入端偏置電流的誤差失調(diào)電壓溫漂UIO20V/溫度變化帶來(lái)的失調(diào)電壓變化的比例共模抑制比KCMR70-90dB輸入端口短路線中點(diǎn)對(duì)地加電壓和輸入端口兩點(diǎn)之間電壓的比開環(huán)差模電壓增益AVD106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UOM12-14V輸出電壓的最大極限值范圍差模輸入電阻RID0.3-2M輸入差模信號(hào)，電壓與電流的比值輸出電阻RO75輸出電壓與輸出電流的比值交流參數(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

4、.25-0.5V/s指輸出電壓量變化與其所需要的時(shí)間的比值極限參數(shù)最大差模輸入電壓UIOR15V同相、反相端所能承受的最大的差模輸入電壓。最大共模輸入電壓UICR13V同相、反相端所能輸入的最大的共模信號(hào)，超過(guò)這個(gè)值，會(huì)有一定的共模放大作用影響。最大輸出電流IOS25-40mA運(yùn)放所能輸出的電流峰值。最大電源電壓USR18V運(yùn)放所加電源的最大值。2、 設(shè)計(jì)一個(gè)反相比例放大器，要求：|AV|=10，Ri10K，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)橐髚Av|=10，即|V0/Vi|= |-Rf/R1|=10,故取Rf=10R1,.又電阻應(yīng)盡量大些，故?。篟1=1

5、0k，Rk=100 k, RL=10 k（3） 仿真結(jié)果圖中紅色波形表示輸入，另一波形為輸出，通過(guò)仿真可知|V0/Vi|=9.7710，仿真正確。3、 設(shè)計(jì)一個(gè)電路滿足運(yùn)算關(guān)系UO= -2Ui1 + 3Ui2（1）仿真原理圖（2）參數(shù)選擇計(jì)算利用反向求和構(gòu)成減法電路，故可取R1=10k，RF1=30k，R3=10k，R2=RF2=20k（3）仿真結(jié)果輸入U(xiǎn)i2為振幅等于2V的方波，Ui1為振幅等于1V的方波，因?yàn)檩敵鰹檎穹扔?V的方波，故可知仿真正確。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(I) 圖1.3中電源電壓15V，R1=10k，RF=100 k，RL100 k，RP

6、10k/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，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)量值理論值2.001-12.85-6.42-100.498-5.000-10.04-10-0.5085.061-9.96-10-1.98814.17-7.13-10實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：由于運(yùn)算放大器的輸出會(huì)受到器件特性的限制，故當(dāng)輸入直流信號(hào)較大時(shí)，經(jīng)過(guò)運(yùn)放 放 大后的輸出電壓如果超過(guò)UOM，則只能輸出UOM，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)可以看出，VCC=15V時(shí)，輸出電壓擺幅UOM13V14V。這就是為什么輸入電

7、壓較低時(shí)測(cè)得的增益與理論值相近，而輸入電壓較大時(shí)，則與理論值相差較大。(II) 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0.22.061kHz10.310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：從圖中可以看出輸入輸出信號(hào)的相位相差1800，這符合反相放大器的特性，又輸入與輸出信號(hào)的有效值之比為10.3，與理論值相近，故可知該電路是一個(gè)反向

8、比例放大電路。(III) 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正電源電壓（V）1515正最大不失真輸出電壓（V）14.574.78負(fù)電源電壓（V）-15-15負(fù)最大不失真輸出電壓（V）-13.15-4.92實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：（1）當(dāng)電源電壓為15V時(shí)，運(yùn)放的最大輸出擺幅范圍為13V到14V。（2）當(dāng)RL=100K時(shí)，最大不失真輸出電壓在運(yùn)算放大器的最大輸出擺幅范圍內(nèi)

9、；而當(dāng)RL=220 時(shí)，則最大不失真輸出電壓小了很多，由數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，741運(yùn)放的最大輸出電流IOS 為25mA，故當(dāng)負(fù)載為220時(shí)，負(fù)載上最大的電壓為5.5V，顯然實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值相近。(IV) 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）斜率K=(14.1+13.8)/(-1.4-1.4)=-10.2（1.4，-13.8）（-1.4，14.1）（b）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：傳輸特性的斜率為-10.2，這與運(yùn)放的增益相近，故可知斜率即為運(yùn)放的增益，而轉(zhuǎn)折點(diǎn)的值14.1以及13.8則為當(dāng)VCC=15V時(shí)，運(yùn)放的輸出電壓擺幅。

10、(V) 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)重復(fù)試驗(yàn)內(nèi)容（3）負(fù)載RL=100KRL=220正電源電壓（V）1212正最大不失真輸出電壓（V）11.44.5負(fù)電源電壓（V）-12-12負(fù)最大不失真輸出電壓（V）10.3-4.6重復(fù)內(nèi)容（4）斜率K=(12+10)/(-1.2+1.0)=-10（1.0，-10）（-1.2，12） （b) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：重復(fù)內(nèi)容（3）：當(dāng)R=100k時(shí)，最大不失真輸出電壓與運(yùn)算放大器的輸出電壓擺幅相近（注：此時(shí)輸出電壓擺幅由于運(yùn)放的VCC變小，故其也變?。?；而當(dāng)R=220時(shí)，由于受到最大輸出電流的影響，故最

11、大不失真輸出比R=100k時(shí)的最大不失真輸出電壓小了很多，顯然這與內(nèi)容（3）的結(jié)果一致。重復(fù)內(nèi)容（4）：當(dāng)電源電壓改為12V時(shí)，傳輸特性曲線基本與內(nèi)容（4）一致，斜率仍舊表示電壓增益，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為輸出電壓擺幅。(VI) 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Vpp=2.2VVpp=300mv （b）上限頻率fH(KHz)相位差t(s)T(s)=t/T360 o 90.016.111.10197.840滯后（C）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：（1）查閱手冊(cè)可知放大電路上限頻率和增益的乘積為

12、0.71.6MHz，顯然測(cè)量結(jié)果與理論情況相符合。（2）通過(guò)觀察波形可知，當(dāng)頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，此時(shí)增益相比于理論值有所下降，且輸入輸出信號(hào)的相位差也發(fā)生了變化(VII) 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。Vpp=0.632V（a）雙蹤顯示輸入輸出波形圖Vpp=3.1V （b）頻率輸入信號(hào)UiPP輸出信號(hào)UOPPdUO/dt90.01kHz0.632V3.1V0.558 V/s（c）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：由于輸出信號(hào)近

13、似為三角波，因此只需要計(jì)算輸出波形斜率就可得到轉(zhuǎn)換速率。計(jì)算結(jié)果為0.558 V/s與手冊(cè)提供的理論值0.5 V/s相近，故實(shí)驗(yàn)正確。(VIII) 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）。Vpp=2.24V（a）雙蹤顯示輸入輸出波形圖Vpp=19.2V （b）頻率輸入信號(hào)UiPP輸出信號(hào)UOPPdUO/dt18.0kHz2.24V19.2V0.691 V/s （c）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：由于輸出波形為三角波，故只需計(jì)算三角波的斜率便可知轉(zhuǎn)換速率，計(jì)算結(jié)果

14、為0.691V/us；同時(shí)運(yùn)算放大器應(yīng)用中，當(dāng)頻率較高，輸出信號(hào)幅度較大時(shí)必須考慮轉(zhuǎn)換速率的影響。(IX) 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Vpp=0.44VVpp=0.592V （b）此時(shí)Rp= 5k ，上限頻率fH(KHz)相位差t(

15、s)T(s)=t/T360 o 549.5kHz1.21.8202400滯后（c）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：（1）相比于內(nèi)容（6）因?yàn)樵鲆鎺挿e為一常數(shù)，而現(xiàn)在增益減小了（由于RF 變小）故帶寬應(yīng)變大即上限頻率變大，顯然與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符符合。（2）通過(guò)觀察波形可知，當(dāng)頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，此時(shí)增益相比于理論值有所下降，且輸入輸出信號(hào)的相位差也發(fā)生了變化。重復(fù)（7）：（a） 雙蹤顯示輸入輸出波形圖Vpp=0.52VVpp=1.00V （b）頻率輸入信號(hào)ViPP輸出信號(hào)VOPPdUO/dt551.0kHz1.00V0.52V0.573 V/s（c）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：輸出信號(hào)電壓對(duì)時(shí)間求導(dǎo)可得到電壓變化率（即為轉(zhuǎn)換速率

16、）。由于輸出信號(hào)為近似三角波，因此只需要計(jì)算輸出波形斜率即可。同時(shí)由于轉(zhuǎn)換速率一定，故相比于內(nèi)容（7）由于上限頻率增大了，故輸出信號(hào)幅值應(yīng)下降。（d）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：首先根據(jù)設(shè)計(jì)中的增益和上限頻率的計(jì)算出增益帶寬積， 然后根據(jù)輸出電壓的幅度和上限頻率計(jì)算轉(zhuǎn)換速率。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?。M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

17、電壓Uo的波形，畫出波形圖并與理論值比較。實(shí)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仿真波形：實(shí)驗(yàn)波形： （b) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：通過(guò)觀察輸出波形可知，雖然輸出波形與理論波形有一定誤差，但是所得波形基本滿足關(guān)系Uo=-2Ui1+3Ui2且與仿真波形一致，故設(shè)計(jì)合理。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 寫出具體的設(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)過(guò)程：由于課本中只是分別介紹比例、積分、微分電路，倘若采用分別得到比例，積分，微分的結(jié)果后在相加，則所需器件較多，顯然不合實(shí)際，故采用一個(gè)運(yùn)放

18、，將比例、積分、微分融合在一個(gè)電路中（如下仿真電路圖）在復(fù)頻域中，應(yīng)用拉氏變換可得傳遞函數(shù)為其中為比例系數(shù)，為積分系數(shù)；為微分系數(shù)經(jīng)多次仿真過(guò)后最終選擇Rf=R1=100k，Cf=100nf，C1=1nf（2）仿真電路圖為：（3）仿真波形：（4）實(shí)驗(yàn)波形：（5） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：通過(guò)觀察波形可知實(shí)驗(yàn)波形與仿真波形基本一致，圖中振蕩部分正是由于積分與微分共同作用的結(jié)果，故實(shí)驗(yàn)正確。3、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)：運(yùn)用放大器的線性特性自行設(shè)計(jì)一個(gè)有意義的電路。運(yùn)用放大器設(shè)計(jì)一個(gè)求解二元一次方程組的電路：首先運(yùn)用兩個(gè)運(yùn)放，采用加法電路長(zhǎng)生，接著通過(guò)一個(gè)減法電路判斷兩個(gè)y值是否相等，若相等則輸入的電壓Ui即為所求的x值。具體