實驗一運算放大器的基本應(yīng)用吳健雄學(xué)院

1、東南大學(xué)電工電子實驗中心實 驗 報 告課程名稱： 電子電路實驗 第一次實驗實驗名稱： 運算放大器的基本應(yīng)用 院 （系）： 吳健雄學(xué)院 專 業(yè)：電類強化 姓 名： 學(xué) 號： 610111 實 驗 室: 101 實驗組別： 同組人員： 實驗時間：2013年03月26日 評定成績： 審閱教師： 實驗一 運算放大器的基本應(yīng)用一、實驗?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)計方法；2、 熟練掌握運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、帶寬的測量方法；3、 了解運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、 了解運放調(diào)零和相位補償?shù)幕靖拍睿?、 掌握利用運算放大器設(shè)計各種運算功能電路的方法及實驗測量技能。二、預(yù)習(xí)思考：1、 查閱741運放的數(shù)據(jù)手冊，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)計時應(yīng)該如何考慮直流參數(shù)輸入失調(diào)電壓UIOTYP1mV;MAX6mV在輸入信號為0時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放大器輸入晶

3、體管的基極直流電流。這個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。輸入失調(diào)電流IIOTYP20nA;MAX200nA兩個差分輸入端偏置電流的誤差。其值過大會破壞放大器的平衡，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對地加電壓和輸入端口兩點之間的電壓的比開環(huán)差模電壓增益AVD輸出端無反饋情況下，輸出信號與輸入差模信號的比值輸出電壓擺幅UOMMIN12V;TYP14V正負輸出電壓的擺動幅度極限差模輸入電阻RIDMIN0.3M;TYP2M輸入差模信號同相端與反相

4、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.BW有源器件或電路的增益與規(guī)定帶寬的乘積轉(zhuǎn)換速率SRS該參數(shù)指輸出電壓的變化量與發(fā)生這個變化所需的時間之比的最大值。極限參數(shù)最大差模輸入電壓UIOR30V反向和同相輸入端能承受的最大電壓值。超過這個電壓值運放的功能會受到影響。最大共模輸入電壓UICR13V同相端與反相輸入端承受的最大共模信號電壓值。超過這個值運放的共模抑制比會顯著下降，放大功能會受到影響。最大輸出電流IOSTYP25mA;MAX40mA運放所能輸出的電流峰值。最大電源電壓USR22V運放最大電源電壓。2、 設(shè)計一個反相比例放大器，要求：|AV|=10，Ri

5、10K，將設(shè)計過程記錄在預(yù)習(xí)報告上；（1） 仿真原理圖（2） 參數(shù)選擇計算因為是要求設(shè)計增益為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，所以可以認為仿真是正確的。3、 設(shè)計一個電路滿足運算關(guān)系UO= -2Ui1 + 3Ui2（1）仿真原理圖200k200k100k（2）參數(shù)選擇計算與UO= -2Ui1 + 3Ui2對比可得合適的電阻：R1=100K；

6、RF=200k；R2=200K；R4=0；（3）仿真結(jié)果輸入了5v，1KHZ方波信號與100mVPP,5kHZ正弦波信號，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、實驗內(nèi)容：1、基本要求：內(nèi)容一：反相輸入比例運算電路(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Ui分別為2V、0.5V、0.5V、2V，用萬用表測量對應(yīng)不同Ui時的Uo值，列表計算Au并和理論值相比較。其中Ui通過電阻分壓電路產(chǎn)生。Ui/VUO/VAu測量值（V）理論值（V）2.000-13.050-6.525-10-2.00

7、014.300-7.150-10-0.4974.936-9.932-100.501-4.933-9.846-10實驗結(jié)果分析：之前做實驗的仿真模擬時時常會遇到一個問題：輸出的波形不對，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)時百思不得其解。通過這個實驗了解到了原因：從數(shù)據(jù)手冊可以看出，VCC=15V時，輸出電壓擺幅絕對值約為13伏到14伏，也就是說當(dāng)輸入電壓超過了工作范圍時，會體現(xiàn)出非線性性質(zhì)，測得的增益會與理論值相差較大。只有在電壓在工作范圍內(nèi)時增益才會與理論值較為接近。(2) Ui輸入0.2V、 1kHz的正弦交流信號，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

8、情況下測量交流電壓增益，并和理論值相比較。注意此時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驗測量數(shù)據(jù)輸入信號有效值（V）輸出信號有效值（V）信號頻率電壓增益測量值理論值0.22.041kHz10.210交流反相放大電路實驗測量數(shù)據(jù)實驗結(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)，所以信號不失真，增益接近理論值。由于使用的電阻會對電路的放大特性產(chǎn)生一些影響，所以放大的倍數(shù)會略有誤差。 由圖像可知兩圖線之間有著180的相位差，這也是符合實驗預(yù)期的。(3) 輸入信號頻率為1kHz的正弦交流信號，增加輸入信號的幅度，測量最大不

9、失真輸出電壓值。重加負載（減小負載電阻RL），使RL220，測量最大不失真輸出電壓，并和RL100 k數(shù)據(jù)進行比較，分析數(shù)據(jù)不同的原因。（提示：考慮運算放大器的最大輸出電流）負載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實驗結(jié)果分析： 有數(shù)據(jù)手冊可知，當(dāng)電源電壓為15V左右時，運放的最大輸出擺幅電壓絕對值范圍在13到14V左右，所以RL=100K的時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，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值約為25mA,把這個電流值乘以220歐姆可以得

10、到5.5V，這就是RL為220時輸出電壓的最大值，所以當(dāng)電阻為220時測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，測量電路的傳輸特性曲線，計算傳輸特性的斜率和轉(zhuǎn)折點值。（a）傳輸特性曲線圖（請在圖中標(biāo)出斜率和轉(zhuǎn)折點值）（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： （b）實驗結(jié)果分析： 轉(zhuǎn)折點的值都在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

11、電壓改為12V，重復(fù)(3)、(4)，并對實驗結(jié)果結(jié)果進行分析比較。（a）自擬表格記錄數(shù)據(jù)負載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) 實驗結(jié)果分析：重復(fù)內(nèi)容（3）：由于電源電壓減小時，最大輸出電壓擺幅也會減小，所以RL為100K時，最大不失真電壓為11.6V是合理的。當(dāng)RL為220時，考慮最大輸出電流，此電流也會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沒格電壓值分別為2V與5V，所以斜率的計算式

12、為： 而傳輸曲線與電源電壓為15V時基本一致，電壓增益也基本一致，這是由于所測數(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，改變輸入信號的頻率，在輸出不失真的情況下，測出上限頻率fH并記錄此時的輸入輸出波形，測量兩者的相位差，并做簡單分析。（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/T360 o 745.013.5133.3（C）實驗結(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,放大增益的絕對值約為10，所以測量結(jié)果是合理的。而且在數(shù)據(jù)中

13、可以看到，當(dāng)頻率達到上限頻率時，電路的放大效果會有一定程度的失準，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頻率調(diào)到前面測得的fH，逐步增加輸入信號幅度，觀察輸出波形，直到輸出波形開始變形（看起來不象正弦波了），記錄該點的輸入、輸出電壓值，根據(jù)轉(zhuǎn)換速率的定義對此進行計算和分析，并和手冊上的轉(zhuǎn)換速率值進行比較。（a）雙蹤顯示輸入輸出波形圖（b）頻率輸入信號UiPP輸出信號UOPPdUO/dt74kHZ0.58V3.76V0.489v/s（c）實驗結(jié)果分析： 由于輸出信號近似為三角波，所以dUO/dt的計算就近似用電壓差值處以半周期的時間。理論值為0.25-0

14、.5V/S，所以0.489v/s的測量值是合理的。(8) 輸入信號改為占空比為50%的雙極性方波信號，調(diào)整信號頻率和幅度，直至輸出波形正好變成三角波，記錄該點輸出電壓和頻率值，根據(jù)轉(zhuǎn)換速率的定義對此進行計算和分析（這是較常用的測量轉(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UiPP輸出信號UOPPdUO/dt20KHZ1.72V16.2V0579v/s（c）實驗結(jié)果分析：由于輸出信號近似為三角波，所以dUO/dt的計算就近似用電壓差值處以半周期（25s）的時間。理論值為0.25-0.5V/S，所以0.579v/s的測量值是合理的，略有偏高是跟電路的電阻值的選擇有關(guān)，難免會有

15、誤差。有實驗結(jié)果同時可以看出，當(dāng)頻率較高時，需要考慮轉(zhuǎn)換速率的影響。(9) RF改為10 k，自己計算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算、增益帶寬積等角度對之進行分析。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)換速率對電路性能的影響。 重復(fù)（6）： 保持Vi0.2V不變，改變輸入信號的頻率，在輸出不失真的情況下，測出上限頻率fH并記錄此時的輸入輸出波形，測量兩者的相位差，并做簡單分析。（a） 雙蹤顯示輸入輸出波形圖（b）此時Rp= 5k ，上限頻率fH(KHz)相位差t(s)T(s)=t/T360 o 7000.41.430100.7（b）

16、實驗結(jié)果分析：此時由于電阻的變化輸入輸出的增益變?yōu)?左右，而此時的上限頻率700HZ，所以兩者的乘積還是在范圍中的，所以實驗結(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。 由實驗結(jié)果可知，當(dāng)頻率為上限頻率時，增益會比理論值有所下降，而相位差受到高頻的影響更大，此時的相位差比74KHZ時的133還要小，達到了100.7，比180差了不少，所以高頻對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ViPP輸出信號VOPPdUO/dt700k0.730.40.462V/s（b） 實驗結(jié)果分析：dUO/dt的計算嚴格來說是求導(dǎo)運

17、算，但由于輸出信號近似為三角波，所以dUO/dt的計算就近似用電壓差值處以半周期（0.715s）的時間。理論值為0.25-0.5V/S，所以0.462v/s的測量值是合理的。由此可知頻率的升高帶來的是信號幅值的減小。有實驗結(jié)果同時可以看出，當(dāng)頻率較高時，需要考慮轉(zhuǎn)換速率的影響。（d）總結(jié)在高頻應(yīng)用中該如何綜合考慮增益帶寬積和轉(zhuǎn)換速率對電路性能的影響： 在一定的轉(zhuǎn)換速率下，頻率越高，即周期越小，轉(zhuǎn)換速率帶來的影響就越明顯，信號會嚴重失真。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不會有太嚴重的失真。內(nèi)容二：設(shè)計電路滿足運算

18、關(guān)系Uo=-2Ui1+3Ui2，Ui1接入方波信號，方波信號從示波器的校準信號獲取（模擬示波器Ui1為1KHz、1V（峰峰值）的方波信號，數(shù)字示波器Ui1為1KHz、5V（峰峰值）的方波信號），Ui2接入5kHz，0.1V（峰峰值）的正弦信號，用示波器觀察輸出電壓Uo的波形，畫出波形圖并與理論值比較。實驗中如波形不穩(wěn)定，可微調(diào)Ui2的頻率。（a）雙蹤顯示輸入輸出波形圖(b) 實驗結(jié)果分析 在實驗中，一開始在電路圖中使用的電阻全部都是10K量級的，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的幅值應(yīng)當(dāng)在10V左右，但是實際的幅值卻為8.8V，這顯然是有很大

19、誤差的，但是電路又沒有問題，所以只能是電阻選擇問題了。所以把所有電阻值都擴大了10倍，隨后輸出信號的幅值變?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點正負對稱，所以對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，周期對應(yīng)的也完全正確。實驗結(jié)果是符合要求的。2、提高要求： 設(shè)計一個比例-積分-微分運算電路。滿足運算公式（1） 寫出具體的設(shè)計過程，比例、積分、微分的系數(shù)可以有所不同，請考慮不同的系數(shù)對設(shè)計輸出有何影響？1. 設(shè)計的過程：首先看到題目中的表達式的時候，馬上就聯(lián)想到模電教科書上的關(guān)于反向比例電路、積分電路、微分電路的三個電路模型，只要將三者用一個求和電路進行疊加，那么就很容易實現(xiàn)題目中的表達式了。由于這個方法搭出的電路清晰明了，所以沒有考慮化簡，便于參數(shù)的調(diào)整。一開始設(shè)計電路時沒有考慮到電阻的大小，電容的大小對于電路的影響是十分巨大的，所以只考慮了比例的計算，用的電阻也都在百歐姆量級，造成了仿真結(jié)果誤差非常大。后來經(jīng)過老師的點播，了解到在運放電路中無論是平衡電阻，還是反饋電阻等等都要大一些才能保