東南大學模電試驗報告_試驗一_運算放大器的基本應(yīng)用

1、東南大學電工電子實驗中心實驗報告課程名稱：模擬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）：自動化學院專業(yè)：自動化姓 名：某某學 號：08015實驗室：101實驗組別：同組人員：無一實驗時間：2017年3月29日評定成績：審閱教師：實驗一運算放大器的基本應(yīng)用、實驗?zāi)康?1、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；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

2、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、熟練掌握運算放大電路的增益、幅頻特性傳輸曲線測量方法。二、預習思考：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UioTYPImV;MAX6mV在輸入電壓為0時，存在一定的輸出電 壓。輸入偏置電流IIBTYP80nA;MAX500nAA級放大器輸入晶體管的基極直流 電流。這個電流保證放大器工作在線性 圍，為放大器提供直流工作點輸入失調(diào)電流I IOTYP20nA;MAX200nA輸入端的不對稱特性意味著兩

3、個偏置 電流幾乎總是不相等的失調(diào)電壓溫漂aU io20 w V/ 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壞差模電壓增益AvdMIN20V/mV;TYP200V/mV輸出端無反饋情況下，輸出彳言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 Q ；TYP2MQ輸入差模信號同相端與反相端之間的 近似電阻值輸出電阻Ro75 a即運放輸出電阻交流增益帶寬積G.BW0.7-1.6MHZ有源器件或電路的增益與規(guī)定帶寬的乘積參數(shù)

4、轉(zhuǎn)換速率SrTYP0.5V/ 小該參數(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極 限 參 數(shù)取人2k模輸入電壓U IOR30V反向和向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U ICRTYP 土13VNIN 土 12V向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 制比會顯著卜降，放大功能會受到影 響。最大輸出電流I OSTYP30mA;MA世 40 mA運放所能輸出的電流峰值。取大電源電壓 Usr22V運放最大電源電壓。設(shè)計一個反相比例放大器，要求：|Av|=10, Ri10K Q, Rl=100 KQ,并用Multisim

5、仿直.仿真原理圖參數(shù)選擇計算因為要求|Av|=10,即|Vo/Vi|= |-Rf/Ri|=10，故取 Rf=10Ri,輸入電阻盡量大些, 取：Ri=15kQ, Rf=150 kQ, Rl=100 kQ仿真結(jié)果KFMfFW伐同圖T3-T11ms Chcnnsl dhumifidg口穌ra詞1施)彳901aMi IDS-417.083 IPV鼻苜3 VO43OSCM V4. EM-Eg 常 ruggierMgn:叵國回：|E-|UMi： L I v19nge torral 3o) |NdmT肝dseOiaftnel ACharms Bsc： |ionn/Dw | 31K 卜 WPw | J wow

6、xpM.(nv：(|o r 2(pw)c p當輸入電壓為427.083mV時，輸出電壓為 4.263V,放大倍數(shù)為9.982,與理論值10接近。設(shè)計一個同相比例放大器，要求： |Av|=11, Ri10K Q, Rl=100 KQ,并用 Multisim 仿(2)參數(shù)選擇計算因為要求|Av|=11,即|V0/Vi|=1 + |-RF/R1|=11，故取 Rf=10Ri,輸入電阻盡量大些，取:R1=15k Q, Rf=150 kQ Rl=100 kQ；(3)仿真結(jié)果OEillcEcape-XSCjT1 * *V |一 +Tlnw i1.370 E 解33 W E mV MM VCbflrir_B

7、i 34LD.0| AC| * |dc|* 版 1 ll1 -當輸入電壓為 30.640mV時，輸出電壓為 341.094mV ,放大倍數(shù)為11.132,與理論值11 接近。三、實驗容:1、容一：反相輸入比例運算電路各項參數(shù)測量數(shù)據(jù)(1)下圖圖 1.1 中電源電壓=d5V, R1=10k Q, Rf=100 k Q Rl=100 k 烏 Rp= 10k/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，歹U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測量值理論值-1.99514.04-7.0

8、38-10-0.5044.997-9.875-100.505-4.967-9.836-101.992-12.67-6.354-10圖11 反相蒯人I匕例匕甲電躇實驗結(jié)果分析：由運放的基本性質(zhì)可知，當輸出電壓 UoUom時，輸出電壓為 Uom ,由數(shù)據(jù)手冊， Vcc=15V 時，輸出電壓擺幅 Uom= 12V14V。故當 |Ui|1.5V 時，|Uo|=1214V; |Ui|1 r-.SE4.Ya aomwif0.00 mVIjO.inaSDDWdh23隹PLH-llfpiiin m 博-5C鉆fW】恪-i.dHz全都則呈2.50M3afLirr rk;1s2 4h-5M C|ps匚C1VB.實

9、驗結(jié)果分析：RL=100k Q,由于Vcc=12V,運算放大器的輸出電壓擺幅相應(yīng)降低，故最大不 失真輸出電壓峰值也降低為9.2V,與理論結(jié)果符合；(b)電路的傳輸特性曲線A.傳輸特性曲線圖:B.實驗結(jié)果分析：由上圖，可知兩轉(zhuǎn)折點分別為 (0.970,9.00)和(1.04,-10.80), x =2.01V, Y=-19.80V, 放大倍數(shù)為 Y / x=9.85，與理論值10接近。(6)重加負載(減小負載電阻Rl),使Rl=220Q,測量最大不失真輸出電 壓，并和Rl=100 k徽據(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)(a)實驗過程以及波形記錄：不斷增大輸入電

10、壓值， 直到輸出信號出現(xiàn)失真， 此時，輸入電壓峰峰值為1.01V, 輸入輸出波形如下：(b)實驗結(jié)果分析:負載RL=100KQRl=220 Q電源電壓(V)1515最大不失真輸出電壓峰值(V)12.24.64當RL=100KQ時，最大不失真輸出電壓峰值為12.20V位于12V14V之間符合理論值。而當RL=220時，則最大不失真輸出電壓為4.64V,考慮運放的最大輸出電流為西0mA,負載上的最大電壓為 6.6V,實驗結(jié)果與理論值相符合。1、容二：(1)設(shè)計一個同相輸入比例運算電路，放大倍數(shù)為21,(由于從實驗中心下錯實驗講義，我下的16年的講義要求放大倍數(shù)為21,后來做完實驗才得知 17年的講

11、義要求放大倍數(shù)為11,姑且為21)且RF=100 k Qo輸入信號保持 Ui =0.1V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)同相輸入比例運算電路設(shè)計上圖中電源電壓土 15V, R1=10kQ, RF=200 k Q , RL= 100 kQ, RP= 10k/200k Qo(b)上限頻率的測量逐漸增加輸入信號的頻率，當輸入信號頻率為30.44KHZ時，達到上限頻率，波形如下如:整理數(shù)據(jù)到如下表格中:上限頻率fH(KHz)相位差t( s s)T(科 s)=t/T X 36030.304.4033.004

12、8(C)實驗結(jié)果分析：輸入電壓為0.2V,取輸出電壓為 0.2*21/，2=2.97V左右時作為失真的臨界值。增益帶寬積為 0.71.6MHz,實驗值 G.BW=(21/v/2)*0.030MHz=0.45MHZ ,與理論值有差距，可能的原因是實際放大電路的放大倍數(shù)不是21 ,或者是輸入電壓的取值不當。當頻率達到上限頻率時，輸入輸出信號的相位差也發(fā)生了變化，這是由于當達到上 限頻率運放中的阻抗元件濾除了部分高次諧波。(2)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

13、量轉(zhuǎn)換速率的方法)。(a)實驗數(shù)據(jù)獲?。寒斴斎氲碾p極性方波信號的頻率為12.9KHZ ,電壓值為1VPP時，輸出波形剛好是三角波，此時的輸入輸出波形如下：(b)實驗數(shù)據(jù)處理：由上圖將數(shù)據(jù)整理如下:頻率輸入r勺u iPP輸出信UoppdUo/dt12.9kHz1 V17.4V0.445(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(38.4 s)的時間。理論值為0.25-0.5V/科S,計算結(jié)果為 0.445 S,在理論的圍，符合理論值。(3)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

14、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)實驗數(shù)據(jù)獲取：當輸入的頻率為 30.44KHZ的正弦信號時，逐漸增加信號幅度，當峰峰值為1.1V時，輸出的波形開始變形，此時的輸入輸出波形如下：(b)實驗數(shù)據(jù)處理:由上圖將數(shù)據(jù)整理如下:頻率輸入r uu ipp輸出彳口&UoppdUo/dt30.3kHz1 .1 V6.84 V0.409(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(16.6Ws)的時間。理論值為0.25-0.5V/ s S,計算Z果為 0.409科S,在理論的

15、圍，符合理論。(4) Rf改為10 k Q自己計算Rp的阻值，重復容二(1) (2)。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。1重復(1):保持Vi=0.2V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)上限頻率的測量415KHZ時，達到上限頻率，波形逐漸增加輸入信號的頻率，當輸入信號頻率為 如下如：口r.|Tsp ?T3a LhiV：F：?FWChphi =-1.口tiriVTCrm =5T.1

16、&nVPFFE Tf-Zdlh 1 2il黛卻2%me 一所kHsri生通Ldkn甘RUS *55 的 eMRO7 - ： OfeM啕pWidTit/TffiM ilBTMtXFifl| ：4Lb統(tǒng)計SIGLST 饌“ w-OD-i： 口聞 口 嘰:至至源修 開白 4砧口0*11S9肘二喉小Cipr 3-ihpfS6aq rn胃dN aoa mW清除出三 rrn MrEfiie= -144 LhlVCdd= 3E.T3mVFFRE+SR加wwm電Freq曲MgiHl1Ml= 72OOni7皿taw rl o oar - r；nvH(b)實驗數(shù)據(jù)整理Rf取值(kQ )上限頻率fH(KHz)相位差

17、t( s s)T(科 s)=t/T X 36010414.90.482.4171.7 10030.304.4033.0048(c)實驗結(jié)果分析：RF=10kQ,理論放大倍數(shù)降為 2,由于增益帶寬積為一定值，故增益倍數(shù)下降 會使上限頻率增大， 本實驗測量值414.9KHA ,相比RF=10K的上限頻率30.3KHZ, 明顯增大，符合理論分析；相位差也發(fā)生較大變化，運放對于輸出電壓的相位影響 會越來越大。2重復(2): (a)實驗數(shù)據(jù)獲?。寒斴斎氲碾p極性方波信號的頻率為130KHZ ,電壓值為1VPP時，輸出波形剛好是三角波，此時的輸入輸出波形如下：.I M I L.唯gj-SECJLInYLle

18、EnJQOnrV700%o.coD.COuggEpe附）ThmV/dke-v uhM y hI n-全卦刑運清除測FiFngpiv-90LHiV（b）實驗數(shù)據(jù)處理頻率輸入信號ViPP輸出信VOPPdUO/dt130KHz1 V1.64V0.428（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 0.25-0.5V/ S,但測量值為 0.428,在理論的變化圍，實驗值 合理。3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，對輸出信號的影響越明顯，在高頻輸入信號的情 況下輸出信號會嚴

19、重失真。在高頻下應(yīng)該選用增益帶寬積更高的運放，以防止由于高頻帶來的信號失真。3.容三：設(shè)計電路滿足以下加法運算關(guān)系（預習時設(shè)計好電路圖，并用 Multisim軟件仿真）：Uo=-2Ui1+3Ui2Ui1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。（1）加法運算電路設(shè)計（a）仿真原理圖(b)參數(shù)選擇計算本次實驗值使用了一個運放，利用運放同向端與反相端實現(xiàn)減法。 的信號，其單獨作用時，電路結(jié)構(gòu)為一反相輸入比例運算電路，由對于反相端輸入UO=-RF/R1*Ui據(jù)題目給出的系數(shù)，可取 RF(即為圖中的R4)值為200 kQ ;對于反相端輸入的信號,單獨作用時，電路結(jié)構(gòu)為一同相輸入比例運算電路，許多電路用分壓器對Ui進行分壓后輸?shù)椒聪喽?，此處由公式知，不必?Ui進行分壓，選取一個合適的阻值作為平衡電 阻即可，取 R3=200 K 3 .(c)仿真結(jié)果TZ-T1Timediawel_.AdhanneiJ11,DOO m5,DOO V10.011 VIM.DOO ms5.000 V10.011 V0