實驗七 運算放大器及應用電路

實驗七運算放大器及應用電路實驗目的認識運算放大器的基本特征，通過仿真和測試了解運放基本參數，學會根據實際需求選擇運放；了解由運放構成的基本電路，并掌握分析方法；實驗內容：一.仿真實驗1.運放基本參數1）電壓傳輸特性實驗所得掃描曲線如下所示:根據上圖仿真可以看出其直流電壓增益約為99.5987k。為尋找線性工作區(qū)，擴大掃描范圍，可得曲線如下：根據圖線得出其線性工作區(qū)范圍為：-115.0160u~159.7444u

Design7-1-1DCTransferCharacteristicdxdyDesign7-1-1DCTransferCharacteristicdxdydy/dxxk-115.01-60P-14.5294-274.7604p-27.086298.5811k當輸入差模電壓為0時，輸出電壓等于多少？若要求輸出電壓等于0,應如何施加輸入信號？為什么？當輸入差模電壓為0時，輸出電壓等于-3.35359V.若要輸出電壓為0，輸入的信號應當為-3.35359V除以增益值。這樣可以大致抵消輸入電壓為0時產生的輸出信號。觀察運放輸出電壓的最高和最低電壓分析仿真結果的合理性。最高電壓約為13.3V，最低電壓約為-14.8V。最大正電壓的絕對值小于最小負電壓的絕對值。由電路圖可知，當IN+為很小的正電壓時，輸出電壓可以為0，所以結果是合理的。2）輸入失調電壓R1=1k,R2=10

R1=10k,R2=100R1=100k,R2=1k表7-1：R1=1k,R2=10R1=1k,R2=10V（3）/uVV（4）/uVV（5）/uVV（5）-V（4）/uVV（3）/（-R1/R2）uV-3416.69-33.63122033.63122-34.1669表7-2：R1=10k,R2=100V（3）/uVV（4）/uVV（5）/uVV（5）-V（4）/uVV（3）/（-R1/R2）uV-3596.22-33.63251033.63251-35.9622表7-3：R1=100k,R2=1kV（3）/uVV（4）/uVV（5）/uVV（5）-V（4）/uVV（3）/（-R1/R2）uV-5388.47-33.61482033.61482-53.8847思考：什么原因導致了不同反饋電阻條件下計算得到的一「二存在較大差異？在實際測量中，若輸入失調電壓小，需要通過測量輸出電壓并計算得到丁二時，在電阻上的選取需要注意什么問題？答：因為運放的輸出電阻并非無窮大，當外接電阻阻值很大，分壓會變大，所以應該盡量選取阻值較小的電阻，使得運放工作在理想狀態(tài)。

3）增益帶寬積GBP根據下圖電路進行頻率掃描仿真，得到放大器的幅頻特性曲線和相頻特性曲線。計算運放的增益帶寬積，在相頻曲線中分別標記出主極點和次主極點頻率。主極點標記如下:Design7-1-3ACAnalvsisV(3)Design7-1-3ACAnalvsisV(3)如11.0000V199.8986x29.8509k尖70.9024dx9.S499kCursor叵V(3)血1.00QQyi179.9942x29.8509k134.9424dx9.8499kdy-45.0518dy/dx-4.5738ml/dx101.524211所以GBP=9.8509k*99.8986=984.09k主極點與次極點標記如下：

Design7-1-3ACAnalysisV(3)1.7833Myi394.0052nix29.8509k70.9024dx-1.7734MdyDesign7-1-3ACAnalysisV(3)1.7833Myi394.0052nix29.8509k70.9024dx-1.7734Mdy70.5084dy/dx-39.7578pl/dx-563.8742nxl1.7833M7145.4414x29.8509kys134.9424dx-1.7734Mdy89.5010dy/dx-50.4673p|l/dx-5-63.8742n4）轉換速率（壓擺率）Sra.電路圖如下所示，輸入為階躍信號。通過瞬態(tài)分析得到輸出電壓，并采用標尺標記出輸出電壓變化的斜率，即轉換速率。瞬態(tài)分析所得的圖線如下所示:A25pDesignl

TransientAnalysis珈Time(s)Xlyix25.1118p-7.368636.1022p8.0348￥2dXdydy/dx1/dx3Q.9904p15.4034497.0373k32.2680k100pA25pDesignl

TransientAnalysis珈Time(s)Xlyix25.1118p-7.368636.1022p8.0348￥2dXdydy/dx1/dx3Q.9904p15.4034497.0373k32.2680k100p電路圖如下：XSC1XSC1輸入信號頻率為1kHz的輸入輸出波形圖:輸入信號頻率為10kHz的輸入輸出波形圖:觀察波形可以看出10V的波形有明顯的失真思考：若輸入為正弦信號，振幅為10V，直流電壓呀為0。根據結論:〕f?MSr.,則允許的最大輸入信號頻率為多少？二蕓三/\“=49.70kHz2.運放構成的應用電路1）反相放大器下圖所示為運放構成的反相放大器，按照圖中參數進行瞬態(tài)仿真，采用Tektronix示波器觀察各個節(jié)點波形。提交頻率為10Hz、100Hz、1kHz下的節(jié)點3、節(jié)點4、節(jié)點5的波形截圖，測量輸出電壓的峰峰值。10Hz輸出波形:100Hz輸出波形:1kHz輸出波形:頻率為10Hz和100Hz時的輸出電壓為9.99V,1kHz時輸出電壓為9.94V。運放的單位增益帶寬積是一定的，當輸入頻率增大時，增益會減小一些。所以相對來說1kHz時的輸出電壓較小。思考：在不同輸入信號頻率情況下，負載電壓（節(jié)點4）幅度一樣嗎？為什么？不一樣，因為運放內部有電容，容抗受頻率影響，故輸出電壓幅度不一樣。輸入信號頻率為1kHz時，運放負端電壓的相位和輸出信號相位相差大約多少度？為什么？相位差小于180°，此運放并非理想運放。2）電壓轉換電路

a.在下圖參數條件下，掃描直流電壓V1,提交輸出電壓V4隨電壓源電壓V2的變化曲線，并根據仿真結果確定電壓源電壓V2的最低電壓。Design7-2-2DCTransferCharacteristic3253.00-2752502252.001.75A&&Ar2.998S5.6653dy/dx1/dx.3218ra53.Q1Q5IH176.5125m3253.00-2752502252.001.75A&&Ar2.998S5.6653dy/dx1/dx.3218ra53.Q1Q5IH176.5125m10.56452.55.07.510.0w1lVoltage(V)b.掃描負載電阻R3，提交輸出電阻V4隨電源電壓V2的變化曲線。

Design7-2-2DeviceParameterSweep:29992252.999220->2999215-^2999210-"o>29992052.999200-A29991951!■■i■i-i■0.0000200.0000400.0000600.0000800.00001.0000kresistance—V(4),vv1dc=15onrr3Design7-2-2

DeviceParameterSweep29987202998715」>)&Blo>2.99871029987052.998700-29986950.0000200.0000>)&Blo>2.99871029987052.998700-29986950.0000200.0000400.0000600.0000800.000010000kresistance2.85001Design7-2-2DeviceParameterSweep:IVoltage(V)2222221111111III1IA4一—A—l&一A1■0.0000—V(4),vv1dc=5onrr3i■200.00001,1400.0000600.0000resistance1800.0000■1.0叩0k由仿真結果可以看出電源電壓越大，仿真出來的結果越接近于3V.可能是因為電源電壓較小時限制了運放的工作區(qū)，使得輸出的電壓達不到運放進行電壓轉換時所需的電壓。

思考：上圖所示電路如何改造后就能實現恒定電流輸出？在R3下面接一個比例式電流鏡。3）整流電路如圖所示為運放組成的整流電路，請寫出輸出電壓表達式，并畫出傳輸特性。振幅分別為100mV、10mV、1mV時，請通過瞬態(tài)仿真得到輸出電壓波形，與輸入信號同時顯示。V3=0，D1,D2截止，Vo=0V3>0,D1導通，D2截止，Vo=V3V3<0,D1截止，D2導通，Vo=-V3100MvDesign7-2-3TransientAnalysis150m'1OTm-50m-y\/\/\/\0-)￡-50m--100m--15Dm1■■■I0.0500.Qm1.01.520Time⑸V(7)

10mVDesign7-2-3TransientAnalysis15m10.0500.0m2.0Time(s)1mV1.5000m1.0000m」500.0000[1-21684e-019-5W).OOOD[1-Design7-2-3TransientAnalysisX0.0500.0m2.0Time(s)1mV1.5000m1.0000m」500.0000[1-21684e-019-5W).OOOD[1-Design7-2-3TransientAnalysisXXA—、\/\/\/\\XhX\A-1.0000m」-1.5000m0.0500.0m2.00.0500.0m2.0Time(s)思考：在小信號輸入時，如振幅1mV,輸出波形會嚴重失真，主要是什么原因導致這種失真？如何更改參數來減小這種失真？運放的非理想性輸入信號較小時，失調電壓對電路的影響比較大?？梢猿杀壤杀稊档販p小電阻，比如將電阻都減小10倍。二.硬件實驗如圖所示為脈沖寬度調制電路。

實驗任務:若二極管1N3064的導通電壓為己-,請寫出U2A輸出的三角波電壓正峰值和負峰值電壓的表達式。oh=，二:-*R6/R1ol=上*R6/R1寫出U2A輸出的三角波信號的周期表達式。T=4*R2*R6*C1/R1在面包板上實驗，提交節(jié)點8和節(jié)點10的示波器截圖，并測量頻率和峰峰值。經計算得：R2=8k，R6=180k

4.按照圖中所示，施加調制信號V3,提交節(jié)點13和節(jié)點11的波形。5.將調制信號V3的交流幅度設置為0，通過連續(xù)改變調制信號的直流電壓，觀察并記錄LED1和LED2的亮度隨該直流電壓的變化情況，并給出合理解釋。輸入直流電壓為負值且小于大約-2000mV時只有LED1亮。當電壓從-2000mV逐漸增大時，LED2慢慢變亮，LED1慢慢變暗。直到輸入直流電壓大約為2000mV時只有LED2亮。此時U3A為電壓比