東南大學(xué)模電實(shí)驗(yàn)1運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用

1、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： 模擬電子電路實(shí)驗(yàn) 第 1 次實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱： 運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用 院 （系）： 吳健雄學(xué)院 專 業(yè)： 電類強(qiáng)化班 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 610142 實(shí) 驗(yàn) 室: 實(shí)驗(yàn)組別： 同組人員： 實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2016年 4月10 日 評(píng)定成績： 審閱教師： 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 熟練掌握反相比例、同相比例、加法、減法等電路的設(shè)計(jì)方法；2. 熟練掌握運(yùn)算放大電路的故障檢查和排除方法；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）

2、和極限參數(shù)（大差模輸入電壓、大共模輸入電壓、大輸出電流、 大電源電壓等）的基本概念；4. 熟練掌握運(yùn)算放大電路的增益、幅頻特性、傳輸特性曲線的測(cè)量方法；5. 掌握搭接放大器的方法及使用示波器測(cè)量輸出波形。二、 預(yù)習(xí)思考1. 查閱 LM324 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)、交流參數(shù)和極限參數(shù)，解釋參數(shù)含義。LM324參數(shù)值單位含義直流參數(shù)輸入失調(diào)電壓(Vos) (Offset Voltage )3mV一個(gè)理想的運(yùn)放，當(dāng)輸入電壓為0時(shí)，輸出電壓也應(yīng)為0。但實(shí)際上它的差分輸入級(jí)很難做到完全對(duì)稱。通常在輸入電壓為0時(shí)，存在一定的輸出電壓。輸入偏置電流(Input bias current

3、)-20nA輸入偏置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(diǎn)。輸入失調(diào)電流(Input offset current)50nA在電流反饋運(yùn)放中，輸入端的不對(duì)稱特性意味著兩個(gè)偏置電流幾乎總是不相等的。這兩個(gè)偏置電流之差為輸入失調(diào)電流。溫度漂移(Offset Drift)7uV/°C由溫度變化所引起的半導(dǎo)體器件參數(shù)的變化是產(chǎn)生零點(diǎn)漂移現(xiàn)象的主要原因，因此也稱零點(diǎn)漂移為溫度漂移，簡稱溫漂。共模抑制比(CMRR)80dB放大器對(duì)差模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)Aud與對(duì)共模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)Auc之比，稱為共模抑制比。開環(huán)差模電壓增益指不帶反饋網(wǎng)絡(luò)時(shí)的狀態(tài)下在輸入功率相等的條件時(shí)，實(shí)際天線

4、與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。差模輸入電阻差模輸入電阻是指輸入差模信號(hào)時(shí)，運(yùn)放的輸入電阻。 為運(yùn)放開環(huán)條件下，從兩個(gè)差動(dòng)輸入端看進(jìn)去的動(dòng)態(tài)電阻。差模輸出電阻負(fù)載開路時(shí)，從輸入端向放大電路看進(jìn)去的交流等效阻抗。交流參數(shù)增益帶寬積(GBW)1.2MHz增益帶寬積是用來簡單衡量放大器的性能的一個(gè)參數(shù)。這個(gè)參數(shù)表示增益和帶寬的乘積。轉(zhuǎn)換速率(Slew Rate)0.5V/us運(yùn)放接成閉環(huán)條件下，將一個(gè)大信號(hào)（含階躍信號(hào)）輸入到運(yùn)放的輸入端，從運(yùn)放的輸出端測(cè)得運(yùn)放的輸出上升速率。極限參數(shù)最大差模輸入電壓32V差模輸入電壓的最大值最大共模輸入電壓28V共模輸入電壓的最大值最大輸

5、出電流60mA輸出電流的最大值最大電源電壓30V電源電壓的最大值2. 設(shè)計(jì)一個(gè)反相比例放大器，要求：|AV|=10，Ri>10K，RF=100 k，并用 multisim 仿真。其中分壓電路由100k的電位器提供，與之串聯(lián)的510電阻起限流的作用。3. 設(shè)計(jì)一個(gè)同相比例放大器，要求：|AV|=11，Ri>10K，RF=100 k，并用 multisim 仿真。三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 基本要求內(nèi)容一：反相輸入比例運(yùn)算電路各項(xiàng)參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)（預(yù)習(xí)時(shí)，查閱 LM324 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)、交流參數(shù)和極限參數(shù)，解釋參數(shù)含義）。 圖 1.1 反相輸入比例運(yùn)算電路 LM324

6、 管腳圖1) 圖 1.1 中電源電壓±15V，R1=10k，RF=100 k，RL100 k，RP10k/100k。按圖連接電路，輸入直流信號(hào) Ui 分別為2V、0.5V、0.5V、2V，用萬用表測(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 通過電阻分壓電路產(chǎn)生。 Ui/VUo/VAu測(cè)量值理論值-213.365-6.6825-0.55.06-10.12-100.5-4.92-9.84-102-13.964-6.982分析：根據(jù)數(shù)據(jù)表格可知，當(dāng)Ui小于1.5V時(shí)，放大倍數(shù)與理論值10倍基本一致；當(dāng)超過1.5V時(shí)，如表格中的2V，其放大后的理論值Uo

7、應(yīng)為-20V，但是由于電源電壓為+15V和-15V，根據(jù)放大器的性質(zhì)，不能提供比電源電壓更高的電壓，所以最大也只能在13-14V，比電源電壓略小1-2V。2) Ui 輸入 0.2V（有效值）、 1kHz 的正弦交流信號(hào)，在雙蹤示波器上觀察并記錄輸入輸出波形，在輸出不失真的情況下測(cè)量交流電壓增益，并和理論值相比較。注意此時(shí)不需要接電阻分壓電路。 可以看到，此時(shí)輸入電壓有效值為215mV，輸出電壓有效值為2.01V，放大倍數(shù)基本上與理論值10倍相符，而且可以看到，此時(shí)輸出與輸入波形相位相反，符合反向放大比例電路的作用。3) 輸入信號(hào)頻率為 1kHz 的正弦交流信號(hào)，增加輸入信號(hào)的幅度，測(cè)量最大不失

8、真輸出電壓值。 此時(shí)輸入電壓的有效值為1.01V，輸出電壓的有效值為10.0V，仍滿足10倍的放大倍數(shù)。但可以看到，輸出電壓的波峰部分已開始變形，變得較平，說明已經(jīng)達(dá)到了最大不失真的電壓值，而隨后增大輸入電壓，觀察到輸出電壓的放大倍數(shù)也漸漸小于10倍，說明輸出電壓有效值為10V時(shí)為最大不失真電壓。4) 用示波器 X-Y 方式，測(cè)量電路電壓的傳輸特性曲線（教師當(dāng)堂驗(yàn)收），計(jì)算傳輸特性的斜率和轉(zhuǎn)折點(diǎn)值。 注：由于拍攝時(shí)使用的是1kHz，所以圖像右下角有重影的部分，事實(shí)是當(dāng)調(diào)整為100-500Hz時(shí)，圖像會(huì)很清晰，但數(shù)據(jù)仍然不變，特此說明。由圖可知，輸出電壓當(dāng)達(dá)到轉(zhuǎn)折點(diǎn)上限13.30V和下限-13.

9、80V時(shí)，電壓便不再變化，呈現(xiàn)出水平的直線，這表明了最大輸出電壓需滿足低于電源電壓1-2V的條件。同時(shí)可以觀察到在當(dāng)輸入電壓在-1.270V到1.510V之間時(shí)，X-Y圖像呈現(xiàn)為斜線，通過計(jì)算得到斜率為-9.748，這與理論的放大倍數(shù)-10十分接近。5) 電源電壓改為±12V，重復(fù)(3)、(4)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較。 當(dāng)電源電壓改為正負(fù)12V時(shí)，理論上最大不失真電壓將相應(yīng)的減小，而X-Y圖像中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)上下限電壓也會(huì)相應(yīng)減小，斜率將會(huì)不變，而事實(shí)也的確是這樣。此時(shí)輸入電壓的有效值為821mV，輸出電壓的有效值為8.08V，略微小于10倍的放大倍數(shù)。但可以看到，輸出電壓的波峰部分已

10、開始變形，變得較平，說明已經(jīng)達(dá)到了最大不失真的電壓值，而隨后增大輸入電壓，觀察到輸出電壓的放大倍數(shù)也漸漸小于10倍，說明輸出電壓有效值為8.08V時(shí)為最大不失真電壓。注：此時(shí)已調(diào)整為100Hz，圖像很清晰，而且無重影，與之前1kHz的圖像形成鮮明對(duì)比。由圖可知，輸出電壓當(dāng)達(dá)到轉(zhuǎn)折點(diǎn)上限10.90V和下限-11.50V時(shí)，電壓便不再變化，呈現(xiàn)出水平的直線，這表明了最大輸出電壓需滿足低于電源電壓1-2V的條件。同時(shí)可以觀察到在當(dāng)輸入電壓在-1.030V到1.150V之間時(shí)，X-Y圖像呈現(xiàn)為斜線，通過計(jì)算得到斜率為-10.275，這與理論的放大倍數(shù)-10十分接近。斜率基本不變。6) 重新加負(fù)載（減小

11、負(fù)載電阻 RL），使 RL220，測(cè)量最大不失真輸出電壓，并和RL100 k 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）。 當(dāng)RL=220時(shí)，此時(shí)電源電壓為正負(fù)15V，測(cè)量出來的最大不失真電壓有效值為5.58V，比RL=100k的最大不失真電壓值10.0V小了將近5V。原因分析：由于輸出電壓是通過運(yùn)放的輸出電流乘以負(fù)載得到的，但運(yùn)放是有最大輸出電流的限制，這也就意味著當(dāng)負(fù)載很小的時(shí)候，運(yùn)放輸出電流達(dá)到最大值后，輸出電壓將會(huì)受限。由LM324的數(shù)據(jù)表知最大輸出電流為60mA，通過計(jì)算可知V=60mA×220=13.2V理論上的最大值為13.2V，小于100

12、k時(shí)的最大值15V（電源電壓），所以實(shí)際上也會(huì)小于100k時(shí)的10.0V。注：實(shí)際使用220的電阻作為負(fù)載時(shí)，電路工作一段時(shí)間后，此電阻產(chǎn)熱很大，消耗的功率也很大，比較直觀的表示為燙手。內(nèi)容二：1) 設(shè)計(jì)一個(gè)同相輸入比例運(yùn)算電路，放大倍數(shù)為 21，且 RF=100 k。輸入信號(hào)保持Ui0.1Vpp 不變，改變輸入信號(hào)的頻率，在輸出不失真的情況下，測(cè)出上限頻率 fH 并記錄此時(shí)的輸入輸出波形，測(cè)量兩者的相位差，并做簡單分析。 此時(shí)的輸入電壓峰峰值為112mV，輸出電壓峰峰值為2.32V，放大倍數(shù)為20.71，與要求的21倍基本一致。此時(shí)的頻率為1kHz，下面開始提高頻率，測(cè)量上限截止頻率?？梢钥?/p>

13、到，當(dāng)頻率提高到71kHz時(shí)，輸入電壓峰峰值為106mV，基本不變；輸出電壓峰峰值為1.64V，放大倍數(shù)為15.5倍，與上限截止頻率要求的放大倍數(shù)21×0.707=14.847基本一致，而利用multisim仿真中掃頻儀可得，上限截止頻率大約為50kHz，考慮到理論與實(shí)際的誤差，結(jié)果基本相符。調(diào)整時(shí)基旋鈕使波形盡可能展開便于測(cè)量，通過光標(biāo)讀數(shù)和計(jì)算可知，相位差為滯后相位=2.320us14.08us×360o=59.32°由掃頻儀的相頻曲線仿真可知：理論值為58.921°，與實(shí)際測(cè)量的結(jié)果59.32°非常接近。2) 輸入信號(hào)為占空比為 50%的

14、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，根據(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）。 由轉(zhuǎn)換速率的計(jì)算公式得：SR=1.64V5us=0.328V/us與數(shù)據(jù)表上的0.5基本一致。3) 將輸入正弦交流信號(hào)頻率調(diào)到前面測(cè)得的 fH，逐步增加輸入信號(hào)幅度，觀察輸出波形，直到輸出波形開始變形（看起來不象正弦波了），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(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。此時(shí)頻率為上限截止頻率71kHz，輸出波形波峰部分較尖，已經(jīng)不太像正弦波了由轉(zhuǎn)換速率的計(jì)算公式得：SR=2.64V

15、7.05us=0.374V/us與數(shù)據(jù)表上的0.5基本一致。4) RF 改為 10 k，注意調(diào)整 RP 的阻值，重復(fù)內(nèi)容二（1）（2）。列表比較前后兩組數(shù)據(jù)的差別，從同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。 由計(jì)算可知此時(shí)放大倍數(shù)為3倍。同上，可以計(jì)算出此時(shí)的相位差為滯后137.8°。由轉(zhuǎn)換速率的計(jì)算公式得：SR=1.58V3.480us=0.454V/us與數(shù)據(jù)表上的0.5基本一致。列表比較電阻RF上限截止頻率fH相位差（滯后）轉(zhuǎn)換速率100k71kHz59.32°0.328V/us10k

16、602.4kHz137.8°0.454V/us可以看出，當(dāng)電阻為10k時(shí)，上限截止頻率、相位差和轉(zhuǎn)換速率都比電阻為100 k時(shí)大。由于LM324的增益帶寬積為1.2MHz，這也就意味著增益和帶寬的乘積的最大值為1.2MHz，放大倍數(shù)越小，增益帶寬越大。如果超過該數(shù)值，增益的倍數(shù)就會(huì)相應(yīng)減小。通過計(jì)算21×0.707×71kHz=1.05MHz3×0.707×602.4kHz=1.28MHz得到的增益帶寬積基本與1.2MHz一致。內(nèi)容三：設(shè)計(jì)電路滿足以下加法運(yùn)算關(guān)系（預(yù)習(xí)時(shí)設(shè)計(jì)好電路圖，并用Multisim軟件仿真) ：UO=-2Ui1+5Ui2

17、Ui1接入方波信號(hào)，方波信號(hào)從示波器的校準(zhǔn)信號(hào)獲?。M示波器的校準(zhǔn)信號(hào)為1KHz、1V（峰峰值）的方波信號(hào)，數(shù)字示波器的校準(zhǔn)信號(hào)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)，用示波器觀察輸出電壓Uo的波形，畫出波形圖并與理論值比較。實(shí)驗(yàn)中如波形不穩(wěn)定，可微調(diào)Ui2的頻率。通過仿真可得：通過示波器顯示為：通過比較，數(shù)據(jù)基本一致，并且符合題意。2. 提高要求設(shè)計(jì)一個(gè)運(yùn)算電路，滿足運(yùn)算公式uot=101100uit+100uitdt+110000duitdt1) 寫出具體的設(shè)計(jì)過程，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？ 考慮到PID各波形幅度對(duì)整體波形的影響，此處調(diào)整了PID的系數(shù)，調(diào)整為uot=101100uit+10000uitdt+10-6duitdt2) 分別觀察比例-積分，比例-微分，積分-微分，比例-積分-微分運(yùn)算電路的波形，并進(jìn)行分析比較，各算式系數(shù)對(duì)波形的影響。 比例-積分（PI）比例-微分（PD）積分-微分（ID）比例-積分-微分（PID）PID各部分影響：比例：使波形呈現(xiàn)雙極性方波形態(tài)積分：使波形呈現(xiàn)三角波形態(tài)微分：使波形呈現(xiàn)上下振蕩衰減且頻率高的三角波形態(tài)四、 實(shí)驗(yàn)總結(jié)1. 模電