東南大學(xué)模電實(shí)驗(yàn)報(bào)告模擬運(yùn)算電路

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：模擬電路實(shí)驗(yàn)第五次實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱： 模擬運(yùn)算電路（三）院（系）： 專業(yè)：姓名：學(xué)號：實(shí)驗(yàn)室：實(shí)驗(yàn)組別：同組人員：實(shí)驗(yàn)時(shí)間：評定成績：審閱教師：實(shí)驗(yàn)五模擬運(yùn)算電路（三）一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 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。2、 熟練掌握運(yùn)算放大電路的故障檢查和排除方法，以及輸入阻抗、輸出阻抗、增益、幅頻特性、傳輸特性曲線的測量方法。二、 實(shí)驗(yàn)原理適放“留毒L是希運(yùn)成作直而放大器用時(shí).由于軸入失調(diào)電用和失'國電吏的影響,當(dāng)運(yùn)放的誼入為零肘.愉出不為零，這不紋㈱響運(yùn)放的精度，"重時(shí)還:會造成運(yùn)放不能正常T.作。謂喜?般是在迄放的輸人端外加-個(gè)補(bǔ)曜電用.抵消運(yùn)放本身的失調(diào)電達(dá)到調(diào)琴的目的。石的運(yùn)成有調(diào)零姬端如本實(shí)袈用到的叫L耳調(diào).零電幫如圖］所辦.調(diào)節(jié)屯位器電「可使運(yùn)放輸出屯K為.零。也有的運(yùn)放無渭零引出端.需要在同相端或反相端接-冷的補(bǔ)借屯小來實(shí)現(xiàn)。三、預(yù)習(xí)思考1、查閱741運(yùn)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。T:TIP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VIO1(T)<6mV該參數(shù)表示使輸出電壓為零時(shí)需要在輸入端作用的電壓差。理想運(yùn)放當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，其輸出電壓也為零，但實(shí)際運(yùn)放當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，其輸出端仍有一個(gè)偏離零的直流電壓，這是由于運(yùn)放電路參數(shù)不對稱所引起的。輸入偏置電流LIB80(T)<500nA該參數(shù)指運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)流入輸入端的平均電流。指運(yùn)放輸入級差分對管的基極電流、,Ib2，通常由于晶體管參數(shù)的分散性，IBIB2。輸入偏置電流的大小，在電路外接電

阻確定之后，主要取決于運(yùn)放差分輸入級的性能，當(dāng)他的P值太小時(shí)，將引起偏置電流增加。從使用角度看，偏置電流愈小，由信號源內(nèi)阻變化引起的輸出電壓變化也愈小。輸入失調(diào)電流IIO20(T)<200nA該參數(shù)是指流入兩個(gè)輸入端的電流之差。輸出電壓為零時(shí)，兩輸入端靜態(tài)電流的差值，即1廣、-IB2。其典型值為幾十至幾百Na.由于信號源內(nèi)阻的存在，*會引起一輸入電壓，破壞放大器的平衡，使放大器輸出電壓不為零。I。越小越好，他反映了輸入級有效差分對管的不對稱程度。失調(diào)電壓溫漂aV±20uV/°C該參數(shù)指溫度變化引起的輸入失調(diào)電壓的變化，通常以uV/°C為單位表示.指在規(guī)定范圍內(nèi)V的溫度系數(shù)。共模抑制比kcmr70(T)<90dB1o差模電壓增益△『與共模電壓增益A_之比開環(huán)差模電壓增益avd106VD VC集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，接入規(guī)定的負(fù)載，無負(fù)反饋情況下的直流差模電壓增益。Avd與輸出電壓匕的大小有關(guān)。通常是在規(guī)定的輸出電壓幅度（如匕二±10V）測得的值。Avd又是頻率的函數(shù)，頻率高于某一數(shù)值后，A的數(shù)值開始下降。輸出電壓擺幅vom+/-10~14 VD 正負(fù)輸出電壓的擺動(dòng)幅度極限差模輸入電阻rid0.3~2Mq輸出電阻RO75q交流參數(shù)增益帶寬積G.BW0.7~1.6MHZ增益帶寬積4OL*是一個(gè)常量，定義在開環(huán)增益隨頻率變化的特性曲線中以-20dB/十倍頻程滾降的區(qū)域。運(yùn)放的增益是隨信號的頻率而變化的，輸出電壓隨信號頻率增大而使其下降到最大值的0.707倍的頻率范圍，稱為帶寬。轉(zhuǎn)換速率SrR0.25~0.5V/us(RL>2K)該參數(shù)是指輸出電壓的變化量與發(fā)生這個(gè)變化所需時(shí)間之比的最大值。SR通常以V/Ms為單位表示，有時(shí)也分別表示成正向變化和負(fù)向變化。當(dāng)運(yùn)放在閉環(huán)情況下，其輸入端加上大信號（通常為階躍信號時(shí)），其輸出電壓波形將呈現(xiàn)一定的延時(shí)，其主要原因是運(yùn)放內(nèi)部電率中的電容充放電需要一定的時(shí)間。SR表示運(yùn)放在閉環(huán)狀態(tài)下，每1us時(shí)間內(nèi)輸出電壓變化的最大值。極限參數(shù)最大差模輸入電壓V|ORIOR±30V反相和同相輸入端所能承受的最大電壓值。超過這個(gè)電壓值，運(yùn)放輸入級某一側(cè)的BJT將出現(xiàn)發(fā)射結(jié)的反向擊穿，而使運(yùn)放的性能顯著惡化，甚至可能造成永久性損壞。最大共模輸入電壓V|rRICR±13V運(yùn)放所能承受的最大共模輸入電壓。超過VCR值，它的共模抑制比將顯著下降。一般指運(yùn)放在做電壓跟隨器時(shí)，使輸出電壓產(chǎn)生1%跟隨誤差的共模輸入電壓幅值。最大輸出電流IOS+/-25~40mA運(yùn)放最大正向或負(fù)向的峰值電流，通常給出輸出端短路的電流最大電源電壓VRSK±22V2、根據(jù)教材24頁實(shí)驗(yàn)內(nèi)容4的指標(biāo)要求（指標(biāo)要求以本節(jié)實(shí)驗(yàn)部分修改的為準(zhǔn)），設(shè)計(jì)電路并確定元件參數(shù)，同時(shí)估算該電路的最大不失真輸出電壓范圍，下限頻率、上限頻率，并和雙電源供電的比例運(yùn)算電路做一個(gè)簡單的比較。答：設(shè)計(jì)過程見實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2具體。1）最大不失真輸出電壓范圍和運(yùn)放的最大輸出電壓擺幅'。肱有關(guān)，查詢數(shù)據(jù)手冊可得，當(dāng)電源電壓為土15V時(shí)，%>10KQ時(shí),V^=12~14V；R^>2KQ時(shí)，V^=10~1V3，計(jì)算可得Vop=2Vom=20~28V2） 下限頻率：由于該電路輸入輸出為直流耦合，因此Fl=0h3） 上限頻率：查詢數(shù)據(jù)手冊可得741的單位增益帶寬（增益帶寬積）為0.7~1.6M,又知電路增益為5，計(jì)算可得fH在140~320k左右。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、23頁實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1，具體內(nèi)容改為：9.09K（I）圖5-1電路中電源電壓±15V，R1=10kQ，Rf=100kQ，Rl=220Q，Rp=10k//100kQ=10K。按圖連接電路，測量最大不失真輸出電壓，并和實(shí)驗(yàn)一數(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=100KQRl=220Q正電源電壓（V）+1515正最大不失真輸出電壓（V）14.95.6負(fù)電源電壓（V）-1515負(fù)最大不失真輸出電壓（V）-13.1-7.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：1） 電源電壓為+/-15V時(shí)，741的最大輸出擺幅范圍為+/-13~14V2） Rl=100KQ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)。Rl=220Q，最大不失真輸出電壓遠(yuǎn)小于運(yùn)算放大器理論的最大輸出擺幅，這是因?yàn)楫?dāng)負(fù)載比較小的時(shí)候，輸出電壓受運(yùn)算放大器的最大輸出電流影響。查手冊知741運(yùn)算放大器的最大輸出電流為+/-25mA,因此當(dāng)負(fù)載為220Q時(shí)，負(fù)載上最大可能電壓值是+/-0.025*200=+/-5.5~8.8V,實(shí)測結(jié)果和這個(gè)分析基本相符。（II）將電路改成下圖所示，這樣可以通過三極管實(shí)現(xiàn)擴(kuò)流，將輸出電流由運(yùn)放的25mA增加到500mA，重復(fù)（I）的實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析（本內(nèi)容可以選做）

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

%并記錄此時(shí)的輸入輸出波形，測量兩者的相位差，并做簡單分析。輸入輸出波形圖2)上限頻率LH(KHz)相位差t(3)T(|is)O=t/Tx360o876.611.5滯后207實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：放大電路的上限頻率和增益的乘積為固定值，UA741的理論值為0.7~1.6MHZ，放大倍數(shù)為10，理論上限頻率應(yīng)為70~160KHZ，測量結(jié)果與之相符合。在上限頻率處，增益變?yōu)橹蓄l區(qū)的1/<2，滯后-180-45=-225,誤差為8%，主

要來自手動(dòng)測量時(shí)光標(biāo)的位置不好把握。（IV）將輸入正弦交流信號頻率調(diào)到前面測得的f，逐步增加輸入信號幅度，觀察輸出波H形，直到輸出波形開始變形（看起來不象正弦波了），三角波記錄該點(diǎn)的輸入、輸出電壓值，根據(jù)轉(zhuǎn)換速率的定義對此進(jìn)行計(jì)算和分析，并和手冊上的轉(zhuǎn)換速率值進(jìn)行比較。1）輸入輸出波形圖2）頻率輸入信號Vvpp輸出信號VvppdVo/dt87KHZ0.382V2.51V0.436V/us2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：輸出信號電壓對時(shí)間求導(dǎo)，可得電壓變換率，也就是轉(zhuǎn)換速率。手冊中給出的轉(zhuǎn)換速率為0.25~0.5V/us，實(shí)測值在該范圍內(nèi)。運(yùn)算放大器應(yīng)用中，當(dāng)信號頻率較高，輸出信號幅度較大時(shí)必須考慮轉(zhuǎn)換速率的影響。（V）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(diǎn)輸出電壓和頻率值，根據(jù)轉(zhuǎn)換速率的定義對此進(jìn)行計(jì)算和分析（這是較常用的測量轉(zhuǎn)換速率的方法，此項(xiàng)內(nèi)容選做）1）輸入輸出波形圖

2)頻率輸入信號VIPP輸出信號VOPPdVo/dt22k1.1V11.2V0.493V/us2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：改用此法測量后，測得轉(zhuǎn)換速率更接近0.5了，更準(zhǔn)確。實(shí)際測得轉(zhuǎn)換速率因輸出剛好為三角波，故其斜率即轉(zhuǎn)換速率。（VI）Rf改為10kQ，自己計(jì)算Rp的阻值，重復(fù)（III）（IV）。列表比較前后兩組數(shù)據(jù)的差另U，從反相比例放大器增益計(jì)算、增益帶寬積等角度對之進(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)換速率對電路性能的影響。重復(fù)（III）：1）輸入輸出波形圖此時(shí)Rp=R1IIR^=10K1110K=5K上限頻率fHH（KHz）相位差t（3）T(|is)O=t/Tx360o786k0.92.7255滯后3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：1.Rf改為10kQ后，增益變?yōu)?，因?yàn)樵鲆鎺挿e為一常數(shù)，所以帶寬應(yīng)變大，上限頻率變大，符合。重復(fù)（IV）：1）輸入輸出波形圖2)頻率輸入信號VIPP輸出信號voppdVO/dt786kHZ0.49V0.285V0.448V/us3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：在高頻應(yīng)用時(shí)，首先要根據(jù)設(shè)計(jì)中的增益和上限頻率的要求計(jì)算出增益帶寬積要求，然后根據(jù)輸出電壓的幅度和上限頻率的要求計(jì)算轉(zhuǎn)換速率。2、24頁實(shí)驗(yàn)內(nèi)容4，具體內(nèi)容改為：（I）設(shè)計(jì)一個(gè)單電源交流放大器，輸入電壓<1V，Avf=5,/L<10Hz，/H>100kHz，輸入電

阻大于100kQ，輸出電阻小于100Qo（帶寬設(shè)計(jì)時(shí)可參考單級放大器實(shí)驗(yàn)）1）設(shè)計(jì)圖1.5V R2—Ir10kbhmntR4r——1ij.kQhm1.5V R2—Ir10kbhmntR4r——1ij.kQhm2）設(shè)計(jì)過程A=1+R取R=10K,R=40KvfR 1 F1輸入電阻要求大于100kQ，分壓值要等于1/2Vcc,取R4=100K,R2=R3=10K可滿足要求。匕<10Hz對于C1構(gòu)成的高通回路，對于C1構(gòu)成的高通回路，y12兀(R+RIIR)C4 2 3 1<10,C產(chǎn)0.15"F對于C2對于C2構(gòu)成的高通回路fC2=2RC<10,C2>1.59wF12對于C3構(gòu)成的高通回路，對于C3構(gòu)成的高通回路，fLC3YR—<10,Rl=1K,C3>15.9"FL3考慮余量和反相端的平衡，取C廣。2=1°商，C3=47商(II)測量并記錄V+、V-、Vo的值;V+V-Vo7.427.527.427(III)在輸入端加入0.1V、1kHz的正弦交流信號，觀察并記錄輸入輸出波形，測量Vo值，計(jì)算A:vf1)輸入輸出波形圖2)2)ViVoAvf0.101V0.502V5.00V(IV)用示波器觀察C3兩端波形(示波器輸入耦合方式置于“DC檔)，分析直流分量;1)C3之前波形1)C3之前波形C3之后波形可以看出，在經(jīng)過C3電容隔直之前，波形中有一個(gè)7.5V的直流分量，經(jīng)過電容之后就只有交流分量了。(I)自擬方案測