集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

1、 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用實(shí)驗(yàn) 佘新平編寫一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解運(yùn)算放大器的特性和基本運(yùn)算電路的組成；2 掌握運(yùn)算電路的參數(shù)計(jì)算和性能測(cè)試方法。二、 實(shí)驗(yàn)儀器及器件 1雙蹤示波器；2直流穩(wěn)壓電源；3函數(shù)信號(hào)發(fā)生器；4數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)電路板；5數(shù)字萬(wàn)用表；6集成電路芯片uA741 2塊、電容0.01uF2個(gè)、電阻10k 10個(gè)、20k 5個(gè)、30k 2個(gè)、50k 2個(gè)、100k 2個(gè)、5.1k 1個(gè)、3.3k 1個(gè)、680k 1個(gè)，10k電位器3個(gè)。三、 預(yù)習(xí)要求1熟悉集成電路芯片uA741的引腳圖及功能；2掌握集成運(yùn)放的工作特點(diǎn)；3掌握構(gòu)各種運(yùn)算電路的形式及工作原理。四、實(shí)驗(yàn)原理（1）集成運(yùn)

2、放簡(jiǎn)介12345678調(diào)零V-V+-Vcc調(diào)零+VccNCVO集成電路運(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放或運(yùn)放）是一個(gè)集成的高增益直接耦合放大器，通過(guò)外接反饋網(wǎng)絡(luò)可構(gòu)成各種運(yùn)算放大電路和其它應(yīng)用電路。集成運(yùn)放uA741的電路符號(hào)及引腳圖如圖1所示。 圖1 uA741電路符號(hào)及引腳圖任何一個(gè)集成運(yùn)放都有兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端以及正、負(fù)電源端，有的品種還有補(bǔ)償端和調(diào)零端等。（a）電源端：通常由正、負(fù)雙電源供電，典型電源電壓為±15V、 ±12V等。如：uA741的7腳和4腳。（b）輸出端：只有一個(gè)輸出端。在輸出端和地（正、負(fù)電源公共端）之間獲得輸出電壓。如：uA741的6腳。最大輸出電壓

3、受運(yùn)放所接電源的電壓大小限制，一般比電源電壓低12V；輸出電壓的正負(fù)也受電源極性的限制；在允許輸出電流條件下，負(fù)載變化時(shí)輸出電壓幾乎不變。這表明集成運(yùn)放的輸出電阻很小，帶負(fù)載能力較強(qiáng)。（c）輸入端：分別為同相輸入端和反相輸入端。如：uA741的3腳和2腳。輸入端有兩個(gè)參數(shù)需要注意：最大差模輸入電壓Vid max和最大共模輸入電壓Vic max 。兩輸入端電位差稱為“差模輸入電壓”Vid ： 。兩輸入端電位的平均值，稱為“共模輸入電壓”Vic ：任何一個(gè)集成運(yùn)放，允許承受的Vid max和Vic max都有一定限制。兩輸入端的輸入電流 i+ 和 i- 很小，通常小于1mA ，所以集成運(yùn)放的輸入電

4、阻很大。（2）理想集成運(yùn)放的特點(diǎn)在各種應(yīng)用電路中，集成運(yùn)放可能工作在線性區(qū)或非線性區(qū)：一般情況下，當(dāng)集成運(yùn)放外接負(fù)反饋時(shí)，工作在線性區(qū)；當(dāng)集成運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)或外接正反饋時(shí)，工作在非線性區(qū)。在分析各種應(yīng)用電路時(shí)，往往認(rèn)為集成運(yùn)放是理想的，即具有以下的理想?yún)?shù)：輸入電阻為無(wú)窮大、輸出電阻為0、共模抑制比為無(wú)窮大及開(kāi)環(huán)電壓放大倍數(shù)為無(wú)窮大。理想集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)為：分別稱為“虛短”和“虛斷” 。它們是分析理想集成運(yùn)放線性應(yīng)用電路的兩個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)。當(dāng)理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)，“虛短”不再成立，但“虛斷”仍然成立。此時(shí)當(dāng) （3）集成運(yùn)放的單電源供電問(wèn)題在集成運(yùn)放的部分應(yīng)用電路中，出于某種需要，有

5、時(shí)要求單電源供電。雙電源供電與單電源供電兩者之間有何區(qū)別？當(dāng)集成運(yùn)放采取雙電源供電時(shí)，輸入、輸出電壓的電位參考點(diǎn)是正、負(fù)電源的公共端C，如圖2（a）所示。如果把負(fù)電源端作為電位參考點(diǎn)，并使C點(diǎn)懸空，則電路成為圖2（b），這時(shí)的供電形式就變?yōu)閱坞娫垂╇??？梢?jiàn)，雙電源供電與單電源供電的實(shí)質(zhì)是電位參考點(diǎn)的不同。 （a） （b）圖2 單電源供電與雙電源供電比較由于電位基準(zhǔn)發(fā)生了變化，因此集成運(yùn)放的允許工作條件也將相應(yīng)改變。為了說(shuō)明方便，假設(shè)±12V雙電源供電時(shí)集成運(yùn)放的共模輸入電壓范圍為-107V、輸出電壓范圍為-1111V。則當(dāng)24V單電源供電時(shí)，共模輸入電壓范圍變?yōu)?19V、輸出電壓范圍

6、變?yōu)?23V。鑒于這種情況，需要給集成運(yùn)放的同相、反相輸入端提供合適的直流偏置電壓，使輸入端的電位進(jìn)入共模輸入電壓范圍內(nèi)。從而保證集成運(yùn)放的正常工作。為了獲得最大的動(dòng)態(tài)范圍，通常將同相、反相輸入端電位設(shè)置為，最簡(jiǎn)單的方法是通過(guò)兩個(gè)等值電阻分壓，一個(gè)單電源供電的反相交流放大電路如圖3所示。圖3 單電源供電的反相交流放大電路靜態(tài)時(shí)該電路的輸出電壓為。當(dāng)輸入交流正弦信號(hào)時(shí)，電路的交流電壓放大倍數(shù)的表達(dá)式與雙電源供電時(shí)的表達(dá)式相同。（4）集成運(yùn)放的主要參數(shù)集成運(yùn)放的主要參數(shù)有：輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)、共模抑制比、輸入電阻、輸出電阻、增益帶寬積、轉(zhuǎn)換速率和最大共模輸入電壓。其中

7、最重要的是增益帶寬積、轉(zhuǎn)換速率和最大共模輸入電壓三個(gè)參數(shù)，在應(yīng)用集成運(yùn)放時(shí)應(yīng)特別注意。（5）反相比例運(yùn)算電路電路如圖4所示，圖中R2稱為平衡電阻，取R2R1/ RF 。利用“虛短”和“虛斷” 的特點(diǎn)可求得其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：在上述電路中，外接電阻最好在1k100k范圍內(nèi)選擇，電壓放大倍數(shù)限定在100內(nèi)，以保證電壓放大倍數(shù)的穩(wěn)定性。圖4 反相比例運(yùn)算電路（6）同相比例運(yùn)算電路電路如圖5所示，取R2R1/ RF 。利用“虛短”和“虛斷” 的特點(diǎn)可求得其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：上述電路中，集成運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端電壓均為輸入電壓，故同相比例運(yùn)算電路的共模輸入電壓即為輸入電壓。因此要求輸入電壓的

8、大小不能超過(guò)集成運(yùn)放的最大共模輸入電壓范圍。 當(dāng)取R1為無(wú)窮大時(shí)，Avf 為1，此時(shí)稱為“電壓跟隨器”，是同相比例運(yùn)算電路的特例。圖5 同相比例運(yùn)算電路（7）反相加法運(yùn)算電路電路如圖6所示，利用“虛短”和“虛斷” 的特點(diǎn)可求得其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：圖6 反相加法運(yùn)算電路（8）同相加法運(yùn)算電路電路如圖7所示，取R/ RFR1/ R2/ R3 。利用疊加定理及“虛短”和“虛斷” 的特點(diǎn)可求得其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：圖7 同相加法運(yùn)算電路（9）減法運(yùn)算電路電路如圖8所示，取R1R2 =R， R3RF ，利用前面電路的結(jié)論可求得其輸出端電壓為：此電路的外圍元件在選擇時(shí)有一定的要求，為了減少誤差，所用元件

9、必須對(duì)稱。除了要求電阻值嚴(yán)格匹配外，對(duì)運(yùn)放要求有較高的共模抑制比，否則將會(huì)產(chǎn)生較大的運(yùn)算誤差。圖8 減法運(yùn)算電路（10）積分運(yùn)算電路電路如圖9(a) 所示，其輸出端電壓為： （a） （b）圖9 積分運(yùn)算電路實(shí)用的積分電路還需考慮非理想運(yùn)放帶來(lái)的問(wèn)題，如：反相積分器在靜態(tài)時(shí)，運(yùn)放實(shí)際處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)（電容不通直流），運(yùn)放的失調(diào)和漂移可能造成輸出飽和而無(wú)法再對(duì)輸入信號(hào)積分。因此在實(shí)用電路中，往往在電容上并聯(lián)一個(gè)大電阻RF，如圖9(b) 所示，這樣可以適當(dāng)降低運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益，避免運(yùn)放飽和。但該電阻不能破壞原來(lái)的積分關(guān)系，為此容抗應(yīng)該小于電阻RF，即 ， 故被積分信號(hào)的頻率應(yīng)滿足： 。五、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要

10、求1. 反相比例運(yùn)算電路（1）直流反相比例放大按圖4接好實(shí)驗(yàn)電路，取R15.1k，R23.3k，RF=10k，根據(jù)表1要求輸入直流信號(hào)，測(cè)量相應(yīng)的輸出電壓及電壓放大倍數(shù)，記錄并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。表1輸入電壓實(shí)測(cè)輸出電壓實(shí)測(cè)電壓放大倍數(shù)理論電壓放大倍數(shù)+1.0V-1.0V+2.0V改變R2的阻值為10k ，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量電阻不平衡對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，說(shuō)明阻值選3.3k的理由。（2）交流反相比例放大保持上述實(shí)驗(yàn)電路不變，根據(jù)表2要求輸入不同的正弦交流信號(hào)，觀察輸出與輸入信號(hào)之間的相位關(guān)系，測(cè)量相應(yīng)的輸出電壓幅度及波形，記錄并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。表2輸入電壓實(shí)測(cè)輸出峰值電壓實(shí)測(cè)電壓放大倍數(shù)理論電壓放大倍數(shù)0.5c

11、os2000t4cos2000t表2. 同相比例運(yùn)算電路（1）按圖5接好實(shí)驗(yàn)電路，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與反相比例運(yùn)算電路完全相同。（2） 去掉電阻R1，測(cè)量此時(shí)電路是否實(shí)現(xiàn)了“電壓跟隨器”的功能。3. 反相加法運(yùn)算電路按圖6接好實(shí)驗(yàn)電路，取R1R210k，RF=100k，R=10k，根據(jù)表3要求同時(shí)加入兩個(gè)輸入信號(hào)，并將示波器輸入方式置于“DC”檔。用示波器測(cè)量相應(yīng)的輸出電壓及輸出波形，記錄并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。表3輸入電壓Vi1輸入電壓Vi2實(shí)測(cè)輸出電壓最大值、最小值和平均值輸出波形+2.0V-1.0V+1.0V2cos2000t 4. 減法運(yùn)算電路按圖8接好實(shí)驗(yàn)電路，取R1R2 R10k， R3RF20k，

12、根據(jù)表4要求同時(shí)加入兩個(gè)輸入信號(hào)，并將示波器輸入方式置于“DC”檔。用示波器測(cè)量相應(yīng)的輸出電壓及輸出波形，記錄并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。表4輸入電壓Vi1輸入電壓Vi2實(shí)測(cè)輸出電壓最大值、最小值和平均值輸出波形+2.0V-1.0V+1.0V2cos2000t六、擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求1. 積分運(yùn)算電路按圖9（b）接好實(shí)驗(yàn)電路，取R2 30k， RF680k，輸入信號(hào)為周期0.5ms、峰峰值2V的方波，根據(jù)表5要求測(cè)量輸入、輸出波形，定量畫出輸入、輸出波形并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。表5R1C輸出波形100k0.01uF50k0.01uF10k0.01uF上述實(shí)驗(yàn)中，如果去掉RF ，觀察該電阻對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，并分析其原因。2. 任選上述一個(gè)實(shí)驗(yàn)電路，將其改為單電源供電后完成規(guī)定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。3. 采用集成運(yùn)放LM324和單電源供電，設(shè)計(jì)一音頻放大與混合