2016東南大學(xué)模電試驗1運算放大器的基本應(yīng)用

1、電子實驗報告東南大學(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1次實驗實驗名稱：運算放大器的基本應(yīng)用院（系）：吳健雄學(xué)院專業(yè)：電類強化班姓名：學(xué)號：610142實驗室：實驗組別：同組人員：實驗時間：2016年4月10日評定成績：審閱教師：一、實驗?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）、交流參數(shù)（增益帶寬積、轉(zhuǎn)換速率等）和極限參數(shù)（大差模輸入電壓、大共模輸入電壓、大輸出電

2、流、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、傳輸特性曲線的測量方法;5.掌握搭接放大器的方法及使用示波器測量輸出波形。預(yù)習(xí)思考1 .查閱LM324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。LM324參數(shù)值單位含義直流參數(shù)輸入失調(diào)電壓(Vos)(OffsetVoltage)3mV一個理想的運放，當(dāng)輸入電壓為0時，輸出電壓也應(yīng)為0。 但實際上它的差分輸入級很難做到完全對稱。 通常在輸入電壓為0時， 存在一定的輸出電壓。輸入偏置電流(Inputbiascurrent)-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

3、點。輸入失調(diào)電流(Inputoffsetcurrent)50nA在電流反饋運放中， 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。這兩個偏置電流之差為輸入失調(diào)電流。溫度漂移(OffsetDrift)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)生零點漂移現(xiàn)象的主要原因， 因此也稱零點漂移為溫度漂移，簡稱溫漂。共模抑制比(CMRR)80dB放大器對差模信號的電壓放大倍數(shù)Aud與對共模信號的電壓放大倍數(shù)Auc之比，稱為共模抑制比。開劃、差模電壓增益指不帶反饋網(wǎng)絡(luò)時的狀態(tài)卜在輸入功率相等的條件時， 實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比。差模輸入電阻差模輸入電

4、阻是指輸入差模信號時， 運放的輸入電阻。 為運放開環(huán)條件下， 從兩個差動輸入端看進去的動態(tài)電阻。差模輸出電阻負(fù)載開路時， 從輸入端向放大電路看進去的交流等效阻抗。交流參數(shù)增益帶寬積1.MHz增益帶寬積是用來簡單衡量放大器的性能的一個參數(shù)。這個參數(shù)表示增益和帶寬的乘(GBW)2積。轉(zhuǎn)換速率(SlewRate)0.5V/us運放接成閉環(huán)條件下， 將一個大信號 （含階躍信號）輸入到運放的輸入端， 從運放的輸出端測得運放的輸出上升速率。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 .

5、設(shè)計一個反相比例放大器，要求：|AV|=10,Ri10K?,RF=100k?,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)計一個同相比例放大器，要求：|AV|=11,Ri10K?,RF=100k?,并用multisim仿真。三、實驗內(nèi)容1.基本要求內(nèi)容一：反相輸入比例運算電路各項參數(shù)測量實驗（預(yù)習(xí)時，查閱LM324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）。圖1.1反相輸入比例運算電路LM324管腳圖1）圖1.1中電源電壓士15V,R1=10kQ,RF=100kQ,RL=100kQ,R之10k/10

6、0kQo按圖連接電路，輸入直流信號Ui分別為2V、0.5V、0.5V、2V,用萬用表測量對應(yīng)不同Ui時的Uo值，列表計算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測量值理論值-213.365-6.68251OUT1141440JT1網(wǎng)-1213134IN-3124IN+VCC41111VVEEEE2IN+510103IN+2IN-69 93IN-2OUT782OJT(TOPVIEW)(TOPVIEW)-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，放大倍數(shù)與理論值10倍基本

7、一致；當(dāng)超過1.5V時，如表格中的2V,其放大后的理論值Uo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，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量交流電壓增益，并和理論值相比較。注意此時不需要接電阻分壓電路?？梢钥吹?，此時輸入電壓有效值為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）輸入信號頻率為1kHz的正弦交

8、流信號，增加輸入信號的幅度，測量最大不失真輸出電壓值。此時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時為最大不失真電壓。4）用示波器X-Y方式，測量電路電壓的傳輸特性曲線（教師當(dāng)堂驗收）計算傳輸特性的斜率和轉(zhuǎn)折點值。注：由于拍攝時使用的是1kHz,所以圖像右下角有重影的部分，事實是當(dāng)調(diào)整為100-500HZ時，圖像會很清晰，但數(shù)據(jù)仍然不變，特此說明。由圖可知，輸出電壓當(dāng)達到轉(zhuǎn)折點上

9、限13.30V和下限-13.80V時，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。同時可以觀察到在當(dāng)輸入電壓在-1.270V到1.510V之間時，X-Y圖像呈現(xiàn)為斜線，通過計算得到斜率為-9.748,這與理論的放大倍數(shù)-10十分接近。5）電源電壓改為士12V,重復(fù)（3）、（4）,并對實驗結(jié)果進行分析比較。當(dāng)電源電壓改為正負(fù)12V時，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)折點上下限電壓也會相應(yīng)減小，斜率將會不變，而事實也的確是這樣。此時輸入電壓的有效值為821mV輸出電壓白有效值為8.08V,略微小于10倍的放大倍數(shù)。但可以看到，輸出電壓

10、的波峰部分已開始變形，變得較平，說明已經(jīng)達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時為最大不失真電壓。注：此時已調(diào)整為100Hz,圖像很清晰，而且無重影，與之前1kHz的圖像形成鮮明對比。由圖可知，輸出電壓當(dāng)達到轉(zhuǎn)折點上限10.90V和下限-11.50V時，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。同時可以觀察到在當(dāng)輸入電壓在-1.030V到1.150V之間時，X-Y圖像呈現(xiàn)為斜線，通過計算得到斜率為-10.275,這與理論的放大倍數(shù)-10十分接近。斜率基本不6）重新加

11、負(fù)載（減小負(fù)載電阻RL）,使RL=220Q,測量最大不失真輸出電壓，并和RL=100kQ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）。當(dāng)RL=220附， 此時電源電壓為正負(fù)15V,測量出來的最大不失真電壓有效值為5.58V,比RL=100k?勺最大不失真電壓值10.0V小了將近5V原因分析：由于輸出電壓是通過運放的輸出電流乘以負(fù)載得到的，但運放是有最大輸出電流的限制， 這也就意味著當(dāng)負(fù)載很小的時候， 運放輸出電流達到最大值后， 輸出電壓將會受限。 由LM324的數(shù)據(jù)表知最大輸出電流為60mA通過計算可知V=60mAX220Q=13.2V理論上的最大值為13.2V,小

12、于100k?時的最大值15V（電源電壓），所以實際上也會小于100k?時的10.0V。注：實際使用220?的電阻作為負(fù)載時，電路工作一段時間后，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)計一個同相輸入比例運算電路，放大倍數(shù)為21,且RF=100kQo輸入信號保持Ui=0.1Vpp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。此時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。此時的頻率為1kHz,下面開始提高頻率，測量上限截止頻率。可以看

13、到， 當(dāng)頻率提高到71kHz時， 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)21X0.707=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,考慮到理論與實際的誤差，結(jié)果基本相符。調(diào)整時基旋鈕使波形盡可能展開便于測量，通過光標(biāo)讀數(shù)和計算可知，相位差為滯后相位由掃頻儀的相頻曲線仿真可知:理論值為58.921,與實際測量的結(jié)果59.32非常接近2）輸入信號為占空比為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，記錄該點輸出電壓和頻率值，根據(jù)轉(zhuǎn)換速率的定義對

14、此進行計算和分析（這是較常用的測量轉(zhuǎn)換速率的方法）由轉(zhuǎn)換速率的計算公式得：？?？=黯=0.328?與數(shù)據(jù)表上的0.5基本一致。3）將輸入正弦交流信號頻率調(diào)到前面測得的fH,逐步增加輸入信號幅度,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），記錄該點的輸入、輸出電壓值，根據(jù)轉(zhuǎn)換速率的定義對此進行計算和分析，并和手冊上的轉(zhuǎn)換速率值進行比較。此時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)換速率的計算公式得：？?？=看聰=0.374?與數(shù)據(jù)表上的0.5基本一致。2.320?14.08?x360=59.324）RF改為10kQ,注意調(diào)整RP的阻值，重復(fù)內(nèi)容二（

15、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算、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。由計算可知此時放大倍數(shù)為3倍。同上，可以計算出此時的相位差為滯后137.8o由轉(zhuǎn)換速率的計算公式得：？?？=348（8?=0.454?7?.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100k?71kHz59.320.328V/us10k?602.4kHz137.80.454V/us可以看出，當(dāng)電阻為10k?時，上限截止頻率、相位差和轉(zhuǎn)換速率都比電阻為100k?時大。由于LM324的增益帶寬積

16、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)就會相應(yīng)減小。通過計算21X0.707X71kHz=1.05MHz3x0.707x602.4kHz=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Multisim軟件仿真）：?=-2?1+5?2Ui1接入方波信號，方波信號從示波器的校準(zhǔn)信號獲?。M示波器的校準(zhǔn)信號為1KHz1V（峰峰值）的方波信號，數(shù)字示波器的校準(zhǔn)信號為1KHz5V（峰峰值）的方波信號），Ui2接入5kHz,0.1V（峰峰值）的正弦信號

17、，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。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)計一個運算電路，滿足運算公式?（?）=播？?（？?）+100/?（?）?+1?（?）10000?1）寫出具體的設(shè)計過程，比例、積分、微分的系數(shù)可以有所不同，請考慮不同的系數(shù)對設(shè)計輸出有何影響？考慮到PID各波形幅度對整體波形的影響，此處調(diào)整了PID的系數(shù)，調(diào)整為?（?）=黑？?（？）+10000/?（?）?+10-6?2）分別觀察比例-積分，比例-微分，積分-微分，比例-積分-微分運算電路的波形，并進行分析比較，各算式系數(shù)對波形的影響。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、實驗總結(jié)1 .模電第一個實驗，從著手設(shè)計