東南大學(xué)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(xué)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(xué)院 專 業(yè)： 自動化姓 名： 某 某 學(xué) 號： 08015實 驗 室:101實驗組別：同組人員：無實驗時間： 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；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

2、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、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(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)該如何考慮輸入TYP1mV;在輸入電壓為 0 時，存在一定的輸出電直 流 參 數(shù)失調(diào)電壓 UIOMAX6mV壓。輸入 偏置電流 I IBTYP80nA;MAX500nA第一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 范圍，為放大器提供直流工作點輸入

3、 失調(diào)電流 I IOTYP20nA;MAX200nA輸入端的不對稱特性意味著兩個偏置電流幾乎總是不相等的失調(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 AVDMIN20V/mV;TYP200V/mV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 RID;TYP2M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即運放輸出電阻交 流 參 數(shù)增益帶寬積有源器件

4、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 UICRTYP13VNIN12V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 I OSTYP 30mA;MAX40 mA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 ， Ri10K， RL=100 K

5、，并用 Multisim 仿 真；1) 仿真原理圖因為要求 |A v|=10 ，即 |V0/Vi|= |-R F/R1|=10, 故取 RF=10R1,輸入電阻盡量大些，取：R1=15k， RF=150 k , R L=100 k 3) 仿真結(jié)果當(dāng)輸入電壓為時，輸出電壓為，放大倍數(shù)為，與理論值10 接近。3、設(shè)計一個同相比例放大器，要求： |A V|=11 ， Ri10K， RL=100 K ，并用 Multisim 仿真。1）仿真原理圖2）參數(shù)選擇計算因為要求 |A v|=11 ，即 |V 0/V i |=1+|-R F/R1|=11, 故取 RF=10R1, 輸入電阻盡量大些，?。篟1=1

6、5k， RF=150 k , R L=100 k ；3）仿真結(jié)果當(dāng)輸入電壓為時，輸出電壓為，放大倍數(shù)為，與理論值 11 接近。三、實驗內(nèi)容：1、內(nèi)容一 ： 反相輸入比例運算電路各項參數(shù)測量數(shù)據(jù)1）下圖圖中電源電壓 15V， R1=10k， RF=100 k， RL100 k， RP10kSIGLENT ESI M200jjS DelayOOOpsNSa 2 50MS Cuir 7Kpl31 DO VldKU 00 mVEage QQ 生 DCL O OOmvIOC mV/dh ooo mVn-Fr3叭MO*-1)34VMm伸VAnp- 3 6V0-1J CWVIU?hdFteq-WCIIIj、

7、CONWdth 4如 2psRiwsQMOyifeWdlhs 1.5CM1KCiiv 5 500%Duty*40誡g御522z t(2UWOnsXJISPL.|1|：03e CtnV AaiM CttruM 200Delay 0 00iuiccmEgPLFk|1|2.52VR3 49 6%50C mWdk ooo mVEHZ swvrdiv UUUmVf DC OOOmv知“ -24 2OV Cmecn i-20OflmV Gms =jG/Ff60曲Wd* 心Ops ntv叫12C0VBase =-12 2DV仇Id YggrFWE -0X0%SK -6/2JmvFteq IDCb-trI s

8、2646ys 9r6uUm -12 2W gm =-20oitvM 為&W3!hs 15CWisTQM WOM驗過程以及波形記錄：不斷增大輸入電壓值，直到輸出信號出現(xiàn)失真，此時，輸入電壓峰峰值為， 輸入輸出波形如下：B.實驗結(jié)果分析：RL=100k，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，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（ , ）和（，）， x =, Y=,放大倍數(shù)為 Y / x=,與理論值 10 接近。6）重加負載（減小負載電阻RL），使 RL 220，測量最大不失真輸出電

9、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）a）實驗過程以及波形記錄：不斷增大輸入電壓值， 直到輸出信號出現(xiàn)失真， 此時， 輸入電壓峰峰值為，輸入輸出波形如下：b）實驗結(jié)果分析：負載RL=100KRL=220電源電壓（ V）1515最大不失真輸出電壓峰值（ V）當(dāng) RL=100K 時，最大不失真輸出電壓峰值為位于 12V14V 之間符合理論值。 而 當(dāng) RL=220 時，則最大不失真輸出電壓為，考慮運放的最大輸出電流為30mA，負載上的最大電壓為 , 實驗結(jié)果與理論值相符合。1、 內(nèi)容二 ：（1）設(shè)計一個同相輸入比例運算電路，放大倍數(shù)為2

10、1，（由于從實驗中心網(wǎng)站下錯實驗講義，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 年的講義要求放大倍 數(shù)為 11，姑且為 21）且 RF=100 k。輸入信號保持 Ui 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SIGC叟 ITEeFs d 呂月為s.= *l=bgRimnl-mE3Hn K?R伙趙占YE MictK6 33 sew S0J51 Um?-5-RFFE 二 6&護1 蘭豈EkHrv-YrJlcY-1Vc）實驗結(jié)果分析：由于輸出信號近似為三角

11、波，所以dUO/dt周期（ s）的時間。理論值為，計算結(jié)果為4）RF改為 10 k，自己計算 RP的阻值，重復(fù)內(nèi)容二（的差別， 從反相比例放大器增益計算、的計算就近似用電壓差值處以半S，在理論的范圍內(nèi)，符合理論。1）（ 2）。列表比較前后兩組數(shù)據(jù)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(fù)（ 1）： 保持 Vi 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 f H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） 上限頻率的測量逐漸增加輸入信號的頻率，當(dāng)輸入信號頻率為415KHZ時，達到上限頻率，波

12、形如下如：b）實驗數(shù)據(jù)整理RF取值 （k）上限頻率 f H（KHz）相位差t( s)T(s)=t/T 360 o1010048c）實驗結(jié)果分析：RF=10k, 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，相比RF=10K的上限頻率 , 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(fù)（ 2）：（a）實驗數(shù)據(jù)獲?。寒?dāng)輸入的雙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 :b）實驗數(shù)據(jù)處理頻率輸入信號 ViPP輸出信號 VOPPdUO/dt130K

13、Hz1 Vc）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，但測量值為， 在理論的變化范圍內(nèi)，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(yán)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。Multisim 軟件仿真 )Ui1 為 1KHz、1V(峰3. 內(nèi)容三：設(shè)計電路滿足以下加法運算關(guān)系（預(yù)習(xí)時設(shè)計好電路圖，并用Uo=-2Ui1+3Ui2Ui1 接入方波信號，方波信號從示波器

14、的校準(zhǔn)信號獲?。M示波器峰值）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， （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。 對于反相端輸入 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UO=-RF/R1*Ui，根據(jù)題目給出的系數(shù)，可取 RF（即為圖中的 R4）值為 200 k; 對于反相端輸入的信號，其 單獨作用時，電路結(jié)構(gòu)為一同相輸入

15、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.c）仿真結(jié)果（ d）實驗結(jié)果分析：本實驗電路實際上為一個加法電路， 運用兩個運放實現(xiàn)， 由于正弦波的頻率為 5kHz， 方波輸出電壓為 1kHz 在一個方波周期內(nèi)應(yīng)該出現(xiàn)五個周期的正弦波形，從實驗所得波 形可知波形正確， 由于方波被反相放大， 從圖像上也可讀得輸出波形的相位與輸入的方 波相位相差 180，與理論相符。四、實驗體會：本次實驗， 由于實驗室的設(shè)備大部分都更新了， 新的設(shè)備不僅使實驗的操作更加數(shù)字化， 實驗的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，最欣喜的一點使新的數(shù)字示波器能夠?qū)⒉ㄐ螆D截屏自動存到U 盤中，準(zhǔn)確又方便地保存實驗結(jié)果。本次實驗電