運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用

運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)報(bào)告

課程名稱(chēng)：

第一次試驗(yàn)

試驗(yàn)名稱(chēng)：運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用院（系）：吳健雄學(xué)院專(zhuān)業(yè)：電類(lèi)強(qiáng)化姓名：號(hào)：

實(shí)驗(yàn)室:同組人員：無(wú)試驗(yàn)時(shí)間：2024年03月23日評(píng)定成果：批閱老師：

試驗(yàn)一運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用

一、試驗(yàn)?zāi)康模?/p>

1、嫻熟把握反相比例、同相比例、加法、減法、積分、微分等電路的設(shè)計(jì)方法；

2、嫻熟把握運(yùn)算放大電路的故障檢查和排解方法，以及增益、幅頻特性、傳輸特性曲線、

帶寬的測(cè)量方法；

3、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(kāi)環(huán)差模電壓增益、差模輸入電阻、輸出電阻等）、溝通參數(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(yùn)放調(diào)零和相位補(bǔ)償?shù)幕靖拍睿?/p>

5、把握利用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)各種運(yùn)算功能電路的方法及試驗(yàn)測(cè)量技能。二、預(yù)習(xí)思索：

1、查閱741運(yùn)放的數(shù)據(jù)手冊(cè)，自擬表格記錄相關(guān)的直流參數(shù)、溝通參數(shù)和極限參數(shù)，解釋

參數(shù)含義。

2、設(shè)計(jì)一個(gè)反相比例放大器，要求：|AV|=10，Ri10K，將設(shè)計(jì)過(guò)程記錄在預(yù)習(xí)報(bào)告上；（1）仿真原理***

（2）參數(shù)選擇計(jì)算

由于要求|Av|=10，即|V0/Vi|=|-Rf/R1|=10,故取Rf=10R1,.又電阻應(yīng)盡量大些，故?。篟1=10k，Rk=100k,RL=10k（3）仿真結(jié)果

***中紅色波形表示輸入，另一波形為輸出，通過(guò)仿真可知|V0/Vi|=9.7710，仿真正確。3、設(shè)計(jì)一個(gè)電路滿意運(yùn)算關(guān)系UO=-2Ui1+3Ui2

（1）仿真原理***

（2）參數(shù)選擇計(jì)算

利用反向求和構(gòu)成減法電路，故可取R1=10k，RF1=30k，R3=10k，R2=RF2=20k（3）仿真結(jié)果

輸入U(xiǎn)i2為振幅等于2V的方波，Ui1為振幅等于1V的方波，由于輸出為振幅等于4V的方波，故可知仿真正確。三、試驗(yàn)內(nèi)容：1、基本要求：

內(nèi)容一：反相輸入比例運(yùn)算電路

(I)***1.3中電源電壓15V，R1=10k，RF=100k，RL＝100k，RP＝10k//100k。按***

連接電路，輸入直流信號(hào)Ui分別為－2V、－0.5V、0.5V、2V，用萬(wàn)用表測(cè)量對(duì)應(yīng)不同Ui時(shí)的Uo值，列表計(jì)算Au并和理論值相比較。其中Ui通過(guò)電阻分壓電路產(chǎn)生。

試驗(yàn)結(jié)果分析：

由于運(yùn)算放大器的輸出會(huì)受到器件特性的限制，故當(dāng)輸入直流信號(hào)較大時(shí)，經(jīng)過(guò)運(yùn)放放大后的輸出電壓假如超過(guò)UOM，則只能輸出UOM，依據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)可以看出，VCC=15V時(shí)，輸出電壓擺幅UOM13V~14V。這就是為什么輸入電壓較低時(shí)測(cè)得的增益與理論值相近，而輸入電壓較大時(shí)，則與理論值相差較大。

(II)Ui輸入0.2V、1kHz的正弦溝通信號(hào)，在雙蹤示波器上觀看并記錄輸入輸出波形，

在輸出不失真的狀況下測(cè)量溝通電壓增益，并和理論值相比較。留意此時(shí)不需要接電阻分壓電路。

（a）雙蹤顯示輸入輸出波形***

（b）溝通反相放大電路試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

溝通反相放大電路試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果分析：

從***中可以看出輸入輸出信號(hào)的相位相差180，這符合反相放大器的特性，又輸入與輸出信號(hào)的有效值之比為10.3，與理論值相近，故可知該電路是一個(gè)反向比例放大電路。

(III)輸入信號(hào)頻率為1kHz的正弦溝通信號(hào)，增加輸入信號(hào)的幅度，測(cè)量最大不失真輸

出電壓值。重加負(fù)載（減小負(fù)載電阻RL），使RL＝220，測(cè)量最大不失真輸出電壓，并和RL＝100k數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析數(shù)據(jù)不同的緣由。（提示：考慮運(yùn)算放大器的最大輸出電流）

試驗(yàn)結(jié)果分析：

（1）當(dāng)電源電壓為15V時(shí)，運(yùn)放的最大輸出擺幅范圍為13V到14V。

（2）當(dāng)RL=100K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)；而當(dāng)RL=220時(shí)，則最大不失真輸出電壓小了許多，由數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，741運(yùn)放的最大輸出電流IOS為25mA，故當(dāng)負(fù)載為220時(shí)，負(fù)載上最大的電壓為5.5V，明顯試驗(yàn)結(jié)果與理論值相近。

(IV)用示波器X-Y方式，測(cè)量電路的傳輸特性曲線，計(jì)算傳輸特性的斜率和轉(zhuǎn)折點(diǎn)值。

（a）傳輸特性曲線***（請(qǐng)?jiān)?**中標(biāo)出斜率和轉(zhuǎn)折點(diǎn)值）

（-1.4，14.1）

斜率K=(14.1+13.8)/(-1.4-1.4)=-10.2

（1.4，-13.8）

（b）試驗(yàn)結(jié)果分析：

傳輸特性的斜率為-10.2，這與運(yùn)放的增益相近，故可知斜率即為運(yùn)放的增益，而轉(zhuǎn)折點(diǎn)的值14.1以及13.8則為當(dāng)VCC=15V時(shí)，運(yùn)放的輸出電壓擺幅。(V)電源電壓改為12V，重復(fù)(3)、(4)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果結(jié)果進(jìn)行分析比較。（a）高校網(wǎng)自擬表格記錄數(shù)據(jù)

重復(fù)試驗(yàn)內(nèi)容（3）

（-1.2，12）

斜率K=(12+10)/(-1.2+1.0)=-10

（1.0，-10）

（b)試驗(yàn)結(jié)果分析：

重復(fù)內(nèi)容（3）：當(dāng)R=100k時(shí)，最大不失真輸出電壓與運(yùn)算放大器的輸出電壓擺幅相近（注：此時(shí)輸出電壓擺幅由于運(yùn)放的VCC變小，故其也變小）；

而當(dāng)R=220時(shí)，由于受到最大輸出電流的影響，故最大不失真輸出比R=100k時(shí)的最大不失真輸出電壓小了許多，明顯這與內(nèi)容（3）的結(jié)果全都。

重復(fù)內(nèi)容（4）：當(dāng)電源電壓改為12V時(shí)，傳輸特性曲線基本與內(nèi)容（4）全都，斜率照舊表示電壓增益，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為輸出電壓擺幅。

(VI)保持Ui＝0.1V不變，轉(zhuǎn)變輸入信號(hào)的頻率，在輸出不失真的狀況下，測(cè)出上限頻率

fH并記錄此時(shí)的輸入輸出波形，測(cè)量?jī)烧叩南辔徊?，并做?jiǎn)潔分析。（a）雙蹤顯示輸入輸出波形***

Vpp=300mv

Vpp=2.2V

（b

（C）試驗(yàn)結(jié)果分析：（1）查閱手冊(cè)可知放大電路上限頻率和增益的乘積為0.7~1.6MHz，明顯測(cè)量結(jié)果與

理論狀況相符合。

（2）通過(guò)觀看波形可知，當(dāng)頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，此時(shí)增益相比于理論值有所下降，且輸入輸出信號(hào)的相位差也發(fā)生了變化(VII)將輸入正弦溝通信號(hào)頻率調(diào)到前面測(cè)得的fH，逐步增加輸入信號(hào)幅度，觀看輸出波

形，直到輸出波形開(kāi)頭變形（看起來(lái)不象正弦波了），記錄該點(diǎn)的輸入、輸出電壓

值，依據(jù)轉(zhuǎn)換速率的定義對(duì)此進(jìn)行計(jì)算和分析，并和手冊(cè)上的轉(zhuǎn)換速率值進(jìn)行比較。（a）雙蹤顯示輸入輸出波形***

Vpp=0.632V

Vpp=3.1V

（b）

（c）試驗(yàn)結(jié)果分析：

由于輸出信號(hào)近似為三角波，因此只需要計(jì)算輸出波形斜率就可得到轉(zhuǎn)換速率。計(jì)算結(jié)果為0.558V/s與手冊(cè)供應(yīng)的理論值0.5V/s相近，故試驗(yàn)正確。

(VIII)輸入信號(hào)改為占空比為50%的雙極性方波信號(hào)，調(diào)整信號(hào)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，依據(jù)轉(zhuǎn)換速率的定義對(duì)此進(jìn)行計(jì)

算和分析（這是較常用的測(cè)量轉(zhuǎn)換速率的方法）。（a）雙蹤顯示輸入輸出波形***

Vpp=2.24V

Vpp=19.2V

（b）

由于輸出波形為三角波，故只需計(jì)算三角波的斜率便可知轉(zhuǎn)換速率，計(jì)算結(jié)果為0.691V/us；同時(shí)運(yùn)算放大器應(yīng)用中，當(dāng)頻率較高，輸出信號(hào)幅度較大時(shí)必需考慮轉(zhuǎn)換速率的影響。

(IX)RF改為10k，自己計(jì)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(jì)算、增益帶寬積等角度對(duì)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(duì)電路性能的影響。重復(fù)（6）：保持Vi＝0.2V不變，轉(zhuǎn)變輸入信號(hào)的頻率，在輸出不失真的狀況下，測(cè)出上限頻率fH并記錄此時(shí)的輸入輸出波形，測(cè)量?jī)烧叩腵相位差，并做簡(jiǎn)潔分析。

（a）雙蹤顯示輸入輸出波形***

Vpp=0.592V

Vpp=0.44V

（b）

（c）試驗(yàn)結(jié)果分析：

（1）相比于內(nèi)容（6）由于增益帶寬積為一常數(shù)，而現(xiàn)在增益減小了（由于RF變?。┕蕩拺?yīng)變大即上限頻率變大，明顯與試驗(yàn)結(jié)果相符符合。

（2）通過(guò)觀看波形可知，當(dāng)頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，此時(shí)增益相比于理論值有所下降，且輸入輸出信號(hào)的相位差也發(fā)生了變化。

重復(fù)（7）：

（a）雙蹤顯示輸入輸出波形***

Vpp=1.00V

Vpp=0.52V

（b）

（c）試驗(yàn)結(jié)果分析：

輸出信號(hào)電壓對(duì)時(shí)間求導(dǎo)可得到電壓變化率（即為轉(zhuǎn)換速率）。由于輸出信號(hào)為近似

三角波，因此只需要計(jì)算輸出波形斜率即可。同時(shí)由于轉(zhuǎn)換速率肯定，故相比于內(nèi)容（7

）由于上限頻率增大了，故輸出信號(hào)幅值應(yīng)下降。

（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(duì)電路性能的影響：首先依據(jù)設(shè)計(jì)中的增益和上限頻率的計(jì)算出增益帶寬積，然后依據(jù)輸出電壓的幅度和上限頻率計(jì)算轉(zhuǎn)換速率。內(nèi)容二：

設(shè)計(jì)電路滿意運(yùn)算關(guān)系Uo=-2Ui1+3Ui2，Ui1接入方波信號(hào)，方波信號(hào)從示波器的校準(zhǔn)信號(hào)獵?。M示波器Ui1為1KHz、1V（峰峰值）的方波信號(hào)，數(shù)字示波器Ui1為1KHz、5V（峰峰值）的方波信號(hào)），Ui2接入5kHz，0.1V（峰峰值）的正弦信號(hào)，用示波器觀看輸出電壓Uo的波形，畫(huà)出波形***并與理論值比較。試驗(yàn)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***仿真波形：

試驗(yàn)波形：

（b)試驗(yàn)結(jié)果分析：通過(guò)觀看輸出波形可知，雖然輸出波形與理論波形有肯定誤差，但是所得波形基本滿意關(guān)系Uo=-2Ui1+3Ui2且與仿真波形全都，故設(shè)計(jì)合理。

2、提高要求：

設(shè)計(jì)一個(gè)比例-積分-微分運(yùn)算電路。滿意運(yùn)算公式

uo(t)??(1

1100

?100?ui(t)dt?

110000

dui(t)dt

）

寫(xiě)出詳細(xì)的設(shè)計(jì)過(guò)程，比例、積分、微分的系數(shù)可以有所不同，請(qǐng)考慮不同的系數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)輸出有何影響？

（1）設(shè)計(jì)過(guò)程：由于課本中只是分別介紹比例、積分、微分電路，如果采納分別得到

比例，積分，微分的結(jié)果后在相加，則所需器件較多，明顯不合實(shí)際，故采納一個(gè)運(yùn)放，將比例、積分、微分融合在一個(gè)電路中（如下仿真電路***）在復(fù)頻域中，應(yīng)用拉氏變換可得傳

Rf?

??

R1SC1

1SC

f

遞函數(shù)為A(S)?

UO(S)Ui(S)

/(R1?

1SC1

??()

RfR1

?

C1C

f

?

1SR1C

f

?SRfC1)

其中

RfR1

?

C1Cf

為比例系數(shù)，

1R1C

f

為積分系數(shù)；RfC1為微分系數(shù)

經(jīng)多次仿真過(guò)后最終選擇Rf=R1=100k，Cf=100nf，C1=1nf

（2）仿真電路***為：

（3）仿真波形：

（4）試驗(yàn)波形：

（5）試驗(yàn)結(jié)果分析：

通過(guò)觀看波形可知試驗(yàn)波形與仿真波形基本全都，***中振蕩部分正是由于積分與微分共同作用的結(jié)果，故試驗(yàn)正確。3、創(chuàng)新試驗(yàn)：

運(yùn)用放大器的線性特性自行設(shè)計(jì)一個(gè)有意義的電路。

運(yùn)用放大器設(shè)計(jì)一個(gè)求解二元一次方程組?

?y??(2x?10)?y??(10x?2)

的電路：

首先運(yùn)用兩個(gè)運(yùn)放，采納加法電路長(zhǎng)生y??(2x?10)和y??(10x?2)，接著通過(guò)一個(gè)減法電路推斷兩個(gè)y值是否相等，若相等則輸入的電壓Ui即為所求的x值。

詳細(xì)電路如下：

由于時(shí)間關(guān)系，并未在試驗(yàn)中親自搭出電路以檢驗(yàn)是否正