評(píng)估能力測(cè)試訓(xùn)練(模電部分)

1、評(píng)估能力測(cè)試訓(xùn)練（模電部分）一、運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用1、比例運(yùn)算電路在理想條件下，反相比例運(yùn)算與同相比例運(yùn)算的特性如下表1：表1比例運(yùn)算電路閉環(huán)特性反相比例運(yùn)算同相比例運(yùn)算原理電路閉環(huán)電壓增益輸入電阻輸出電阻00平衡電阻RP2、加法運(yùn)算電路反相加法器電路如圖1：圖1反相加法電路在理想的條件下，反相加法電路的輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系式（1）平衡電阻： (2）同相加法電路如圖2：圖2同相加法電路在理想的條件下，圖2所示同相加法電路的輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系式 (3)3、減法運(yùn)算電路單運(yùn)放減法運(yùn)算電路如圖3：圖3單運(yùn)放減法電路在理想的條件下，圖3所示減法電路的輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系式為

2、 (5)當(dāng)R1=R2，R3=R4時(shí) (6)電阻R1的確定這種電路的輸入電阻Rid不夠高。因?yàn)橛岣逺id，則必須加大R1，而R1大時(shí)，會(huì)使失調(diào)誤差和漂移誤差增大。另外，這種電路的閉環(huán)增益也不可能很高，因?yàn)橛休^高的閉環(huán)增益，則要減小R1和R2，但這樣勢(shì)必會(huì)降低輸入電阻Rid；或者是增大Rf，但Rf若過大（如大于1M），選配精度和穩(wěn)定性又難以保證，而且寄生電容影響大，頻帶變窄。因此R1的確定以滿足設(shè)計(jì)要求中的輸入阻抗Rid條件即可。電阻R2、R3、R4的確定由(6)式求出R3。電阻R2、R4由平衡條件R1=R2，R3=R4確定。雙運(yùn)放減法運(yùn)算電路如圖4（利用反相信號(hào)求和實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算）：圖4雙運(yùn)放

3、減法電路在理想條件下，圖4所示電路的輸出電壓與輸入電壓之間的關(guān)系式為 (7)當(dāng)R2=R3時(shí) (8) 當(dāng)Rf1=R1時(shí) (9)平衡電阻 (10) (11) 電阻R1、R3的確定根據(jù)設(shè)計(jì)要求中的輸入阻抗Rid條件來確定R1、R3的值。電阻Rf1、Rf2、R2的確定根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合(7)(8)(9)式來確定電阻Rf1、Rf2、R2的值。電阻Rp1、Rp2的確定根據(jù)式平衡電阻的計(jì)算公式(10)(11)確定電阻Rp1、Rp2的值。二、運(yùn)算放大器的非線性應(yīng)用1、雙向限幅器如圖5。圖5雙向限幅器電路和輸入特性當(dāng)輸入信號(hào)Ui較小，Uo未達(dá)到穩(wěn)壓管的擊穿電壓時(shí)，其傳輸系數(shù)為：當(dāng)Ui正向增大，Uo達(dá)到VZ1的擊

4、穿電壓時(shí)，VZ2正向?qū)?，此時(shí)，輸出電壓為: 與UOL對(duì)應(yīng)的輸入電壓UTH為： UiUTH后，輸出電壓始終為UOL值，故圖5(b)中UiUTH以后的范圍稱為上限幅區(qū)。上限幅區(qū)內(nèi)的傳輸系數(shù)為Auf+，即 當(dāng)Ui負(fù)向增大，Uo達(dá)到VZ2的擊穿電壓時(shí)，VZ2反向擊穿， VZ1正向?qū)?，此時(shí)，輸出電壓為: 與UOH對(duì)應(yīng)的輸入電壓UTL為： UTL為下限幅門限電壓。傳輸系數(shù)Auf-為： 2、電壓比較器如圖6。圖6電壓比較器電路及傳輸特性圖6(a)是一種具有滯后特性的電壓比較器，Rf與R2組成正反饋電路，VDZ為雙向穩(wěn)壓管，用于限定輸出電壓幅度。在輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出電壓或?yàn)楦唠娢籙OH，或?yàn)榈碗娢籙OL

5、，若初始狀態(tài)UO=UOH，則其同相輸入端電壓為： 當(dāng)輸入信號(hào)UiU+時(shí)，輸出電壓立即由UOH翻轉(zhuǎn)為UOL，隨之同相輸入端的電壓變?yōu)椋?此翻轉(zhuǎn)時(shí)刻的輸入電壓稱為上門限電壓UTH，且 當(dāng)輸入信號(hào)Ui時(shí)，輸出電壓立即由UOL翻轉(zhuǎn)為UOH，隨之同相輸入端的電壓變?yōu)閁+,此翻轉(zhuǎn)時(shí)刻的輸入電壓稱為下門限電壓UTL，且 其傳輸特性如圖6(b)所示。輸出電壓為：U0HUVDZ（1R2/Rf）； U0L-UVDZ（1R2/Rf）電壓比較器變換波形圖如圖7所示。圖7電壓比較器變換波形 3、正弦信號(hào)發(fā)生器如圖8。圖8文氏橋振蕩器電路中R1、R2、C1、C2組成正反饋，決定電路的振蕩頻率： R4、RW、R3組成負(fù)反饋

6、網(wǎng)絡(luò)，控制放大器的增益。為使電路容易起振，在負(fù)反饋支路中串有一電位器RW，如圖8所示。圖中的兩只二極管VD1、VD2具有穩(wěn)定輸出信號(hào)幅度的作用，當(dāng)輸出信號(hào)幅度變大時(shí)，二極管正向動(dòng)態(tài)電阻變小，使負(fù)反饋增大，迫使輸出信號(hào)電壓降低，反之亦然。這樣，輸出信號(hào)電壓可穩(wěn)定在某一定值上。4、方波發(fā)生器如圖9。圖9中R1和R2組成正反饋電路，R和C構(gòu)成積分器，R3為限流電阻，VZ為輸出限幅二極管。 圖9方波發(fā)生器及波形圖方波發(fā)生器的振蕩頻率由下式?jīng)Q定： 由于方波發(fā)生器工作于大信號(hào)狀態(tài)，方波的上升速度受運(yùn)算放大器電壓轉(zhuǎn)換速率和最大輸出電流的限制，實(shí)測(cè)到的頻率比理論計(jì)算值要低。方波的輸出幅度為±UVZ。

7、5、方波和三角波發(fā)生器如圖10。圖10方波和三角波發(fā)生器及波形圖在方波發(fā)生器的基礎(chǔ)上加積分器就組成三角波發(fā)生器，其中UR為參考電壓，為電位器RW動(dòng)頭對(duì)地電阻與RW總電阻之比。當(dāng)UR=0時(shí)，方波和三角波為上下對(duì)稱的波形, 而當(dāng)UR0時(shí)，加上正負(fù)電壓將使三角波上下平移，對(duì)方波沒有影響。 當(dāng)UR=0時(shí)，uo1的高電平UoH=UVZ+UVD，低電平UoL=-(UVZ+UVD)，所以其峰峰值為： uo2的峰峰值為： 時(shí)間間隔T1、T2為： 振蕩頻率f0為： 綜上所述，該方波三角波發(fā)生器的方波幅值由穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值決定，三角波的幅值由方波幅值和R1/R2的比值決定，若R1R2，三角波的幅值可以超過方波的幅值

8、。振蕩頻率與穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值無關(guān)，改變可改變振蕩頻率而不影響輸出波形的幅度。三、集成運(yùn)放的使用及注意事項(xiàng)電源電壓:集成運(yùn)放的電源有雙電源和單電源之分。雙電源大都是對(duì)稱型的（即正、負(fù)電源電壓絕對(duì)值相同）。電源參數(shù)一般都是一個(gè)范圍值，如LM324可根據(jù)需要在±3V±16V之間選取適用的對(duì)稱電源電壓值。一般選用標(biāo)稱電壓值，如3V、6V、7.5V、9V、12V、15V等。單電源供電時(shí)LM324可在+6V32V之間選用電源電壓，此時(shí)集成運(yùn)放必須設(shè)置直流偏置電路，一般采用同相端為中點(diǎn)電位的偏置方法。雙電源時(shí)運(yùn)放的中點(diǎn)電位為0V，單電源時(shí)其中點(diǎn)應(yīng)為單電源電壓的二分之一，具體電路如圖11所示

9、：圖11集成運(yùn)放電源應(yīng)用自激振蕩的消除：集成運(yùn)放的內(nèi)部是直接耦合的多級(jí)放大器，其電壓放大倍數(shù)極大。當(dāng)集成運(yùn)放在線性區(qū)域應(yīng)用時(shí)，通常都處于深度負(fù)反饋的閉環(huán)狀態(tài)。由于輸出對(duì)輸入的影響，尤其是在頻率較高時(shí)的附加相移，可能使負(fù)反饋就正反饋而產(chǎn)生自激振蕩，破壞了運(yùn)放電路的正常工作。只有消除了自激振蕩，才能保證電路工作正常。運(yùn)放是否產(chǎn)生自激振蕩，可通過數(shù)字電壓表或示波器來觀察。用數(shù)字電壓表監(jiān)視輸出，電壓表數(shù)字顯示發(fā)生跳動(dòng)，這就說明產(chǎn)生了自激振蕩；用示波器監(jiān)視在無信號(hào)輸入情況下，屏幕上顯示為一條粗帶，在有信號(hào)情況下，則在信號(hào)波形上疊加了振蕩波。自激振蕩可以采取適當(dāng)?shù)南辔恍Ｕ胧┑姆椒右韵?。校正電路及元?/p>

10、參數(shù)，既與特定的集成運(yùn)放有關(guān)，也與負(fù)反饋深度有關(guān)。在集成運(yùn)放使用手冊(cè)或說明書中，一般都列出校正方法和選用元件參數(shù)值，結(jié)合實(shí)際電路采用相應(yīng)的校正方法。電源的對(duì)稱性：如果運(yùn)放采用雙電源，則應(yīng)注意其對(duì)稱性的要求。所謂對(duì)稱性是指極性相反，電壓的絕對(duì)值相同。如果電源電壓絕對(duì)值一高一低，運(yùn)放輸入為零時(shí)，輸出不為零，當(dāng)處理的信號(hào)含有直流分量時(shí)，由電源不對(duì)稱造成的靜態(tài)輸出偏移將引入誤差。輸入端必須有直流通路：運(yùn)放的輸入級(jí)為一對(duì)差動(dòng)放大電路，為保證它的正常工作，輸入差動(dòng)管必須有基極電流。直流通路電阻的選配是否合理將直接影響輸入基極電流產(chǎn)生的運(yùn)算誤差。為減小這種誤差，一般要求同相輸入端和反相輸入端對(duì)地的直流電阻相

11、等，甚至要求等效阻抗相等。電源保護(hù)電源常見故障主要是電源極性接反，一旦電源極性接反，集成運(yùn)放將被燒毀。常用保護(hù)電路如圖12所示。如果電源接反，二極管將反向偏置，電源電壓大都降在二極管上，從而保護(hù)集成運(yùn)放不被燒壞。 圖12運(yùn)放電源保護(hù)電路輸入端保護(hù)如果運(yùn)放的輸入信號(hào)過大，超過了最大輸入差模電壓，則容易將輸入級(jí)擊穿，造成永久性損壞。為了防止大信號(hào)加到輸入端，可以在運(yùn)放的同相端和反相端之間加兩個(gè)二極管或穩(wěn)壓二極管，如圖13所示。圖13運(yùn)放輸入端保護(hù)電路輸出保護(hù)輸出不正常對(duì)運(yùn)放的損壞通常有以下幾種情況：過載、短路或者短接到高壓時(shí)使輸出級(jí)擊穿以及外殼碰地等。為了不使運(yùn)放過載而損壞，一般運(yùn)算放大器輸出電流

12、應(yīng)限制在5mA以下，即所用的負(fù)載電阻不能太小，一般應(yīng)大于2k，最好大于10k。關(guān)于輸出的保護(hù)，有的運(yùn)放內(nèi)部已有保護(hù)電路，如果沒有或者限流不夠，可在輸出端串接低阻值的電阻，如圖14所示。這個(gè)電阻接到反饋環(huán)內(nèi)，除對(duì)輸出電壓有明顯下降外，對(duì)性能并無影響，相反串聯(lián)電阻能隔離容性負(fù)載，增加電路穩(wěn)定性。圖14運(yùn)放輸出端保護(hù)電路集成器件好壞的判斷如果要定性檢測(cè)一個(gè)運(yùn)放器件是否正常，可采用圖15所示的電路。該電路是一個(gè)電壓跟隨器電路，在線性區(qū)內(nèi)輸出電壓應(yīng)該隨著輸入電壓而變化。測(cè)試時(shí)調(diào)節(jié)輸入端的電位器，使輸入電壓在-3V+3V范圍內(nèi)變化（R=1k，UCC=UEE=9V），輸出也應(yīng)該在這個(gè)范圍內(nèi)變化。如果輸出電壓

13、不變化，或者只在正電壓，或者只在負(fù)電壓范圍內(nèi)變化，則說明此運(yùn)放已經(jīng)損壞。圖15運(yùn)放檢測(cè)電路運(yùn)算放大器的故障檢測(cè)理想運(yùn)算放大器具有以下特性：輸出阻抗近似為零。這意味著在電源許可的范圍內(nèi)，可從運(yùn)放輸出端拉出電流而不會(huì)使輸出端電壓顯著下降。通常輸出電流值為10mA以下。運(yùn)放的輸出電壓擺幅是有限的。通常取決于運(yùn)放所采用的正負(fù)電源，輸出電壓不會(huì)高于正電源所提供的電壓值，也不會(huì)低于負(fù)電源提供的電壓值。運(yùn)放輸入端電流為零。這意味著輸入端的阻抗相當(dāng)高。運(yùn)放的電壓增益近似無窮大。根據(jù)以上特點(diǎn)來檢測(cè)運(yùn)放的故障：以一個(gè)反相放大器為例，如圖16：圖16反相放大器由圖可知，該電路的輸出應(yīng)為5V。而實(shí)測(cè)為0V，說明有故障

14、。排除步驟：用萬用表直接測(cè)量運(yùn)放管腳上的電源電壓值。若正常，則做第二步。測(cè)量運(yùn)放反相端的電壓，應(yīng)該為0V。因?yàn)橥喽私拥?，反相端電壓在地附近。測(cè)量表明不在地附近。由于運(yùn)放兩輸入端同電位的特性是由運(yùn)放輸出通過內(nèi)部電路予以保證的，需要對(duì)運(yùn)放的輸出端進(jìn)行測(cè)量。采用隔離技術(shù)將運(yùn)放輸出與負(fù)載斷開如圖17所示。圖17反相放大器輸出斷開因從輸出端到輸入端不存在反饋通路，此時(shí)的輸出電壓應(yīng)為Ucc，或是UEE。若仍是0V，則說明器件壞了。反之，應(yīng)對(duì)器件再作進(jìn)一步的檢查。將0.5V直接接到反相端，輸出接近正電源值，而將0.5V接到反相端，輸出接近負(fù)電源值，這說明器件完好無損。此時(shí)應(yīng)將與輸出端相連的負(fù)反饋電阻直接用

15、導(dǎo)線與之相連。如果正常，則說明故障出現(xiàn)在與運(yùn)放相連的負(fù)載中，可能輸出端誤接地。四、運(yùn)算放大器實(shí)驗(yàn)電路的安裝及測(cè)量 1、安裝步驟：（1）實(shí)驗(yàn)箱外接電源電源電壓的大小根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)來定。一般來講，運(yùn)放的實(shí)驗(yàn)多數(shù)采用雙電源，即正負(fù)電源。正負(fù)電源的接法見圖18所示。穩(wěn)壓電源輸出的電壓值需用萬用表進(jìn)行校準(zhǔn)。注意正負(fù)電源的電壓絕對(duì)值要一樣，不能有偏差，否則會(huì)造成運(yùn)算放大器在靜態(tài)下輸出電壓不為零。在實(shí)驗(yàn)電路連接好前，實(shí)驗(yàn)箱電源不要開。若實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求用單電源供電，則可直接將穩(wěn)壓源的正極接入實(shí)驗(yàn)箱的EC，負(fù)極接實(shí)驗(yàn)箱的地線即可。當(dāng)然，電壓值也需用萬用表校準(zhǔn)。圖18模擬實(shí)驗(yàn)箱電源連接示意圖（2）插入集成芯片，連接電

16、路。根據(jù)所給的芯片，將它們插入實(shí)驗(yàn)箱上與芯片管腳相符合的插座上，注意芯片插入的方向，即：缺口向左。根據(jù)實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行搭接。注意有些運(yùn)放的抗電源沖擊的能力較差，所以在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)避免多次開關(guān)電源。如果要撤掉運(yùn)放的電源，正確的做法是不關(guān)斷電源的開關(guān)，而是將接入運(yùn)放的電源連線撤掉。（3）電路調(diào)測(cè)以實(shí)例介紹電路的調(diào)測(cè)方法模擬電路實(shí)驗(yàn)練習(xí)題1、圖1為方波振蕩電路，已知VZ1和VZ2穩(wěn)壓值均為3V, 輸出方波信號(hào)頻率f0 = 1 KHz,電壓為6V（峰峰值）, 要求： 1）在給定的元器件范圍內(nèi)（見元件表）設(shè)計(jì)圖1電路中元件的參數(shù)；2）通過實(shí)驗(yàn),畫出圖1電路輸出信號(hào)uo和電容C1兩端的波形。 （提示：可先設(shè)R

17、1=R2=10K, R3= 1K, C1=0. 1F, 再根據(jù)頻率要求計(jì)算R4值）圖1 方波振蕩電路2、設(shè)計(jì)一個(gè)矩形波發(fā)生器，要求其輸出信號(hào)頻率為f0 = 1 KHz，輸出電壓為6V,占空比可以在一定范圍之內(nèi)調(diào)節(jié)，通過實(shí)驗(yàn)畫出該電路的輸出波形。（提示：以圖1方波振蕩電路為基礎(chǔ)，再設(shè)計(jì)一個(gè)電壓比較器，如圖2所示，從圖1的C1兩端取出三角波，作為電壓比較器輸入信號(hào)，通過電壓比較器將三角波整形為矩形波，當(dāng)調(diào)節(jié)電壓比較器的Rf時(shí)將改變門限電壓UTH和UTL，從而使比較器輸出矩形波的占空比發(fā)生變化，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證UTH和UTL落在電容兩端電壓uc1的范圍內(nèi)，否則，電壓比較器沒有輸出信號(hào)。電位器可用實(shí)驗(yàn)箱上

18、提供的）圖2 電壓比較器3、設(shè)計(jì)一個(gè)方波振蕩器，要求輸出信號(hào)頻率fo在800Hz1. 2KHZ之間可調(diào), 輸出電壓uo在1V5V之間可調(diào)，輸出信號(hào)直流電平在 ±1V之間可調(diào)，通過實(shí)驗(yàn)畫出輸出信號(hào)fo=1KHz ，uo = 2.5V , 輸出信號(hào)最低直流電平為0.5V時(shí)的波形。（設(shè)計(jì)提示：先設(shè)計(jì)圖1方波振蕩電路，為了調(diào)節(jié)頻率，可用電位器Rw 替換圖1中的R4；在方波信號(hào)器輸出端設(shè)置一個(gè)電位器，用于調(diào)節(jié)電壓幅度。為了調(diào)節(jié)直流電平，可以設(shè)計(jì)一個(gè)如圖3所示的加法器或圖4減法器，在加法器或圖4減法器的一個(gè)輸入信號(hào)為方波u1，另一個(gè)信號(hào)為可調(diào)節(jié)的直流信號(hào)U2，加法器或減法器可將方波和直流信號(hào)合為一個(gè)信號(hào)uo，改變輸入端的U2值，便可改變合成信號(hào)的直流電平值,U2可以通過調(diào)節(jié)電位器組成的可變分壓電路得