東南大學(xué)模電實驗報告實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

2、阻等）、交流參數(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、 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)該如何考慮直流參數(shù)輸入失調(diào)電壓UIOTYP1mV;MAX6mV在輸入電壓為0時，存在一定的輸出電壓。輸入偏置電流IIBTYP80nA;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失調(diào)電流IIOTY

3、P20nA;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UOMMIN±12V;TYP±14V正負輸出電壓的擺動幅度極限差模輸入電阻RIDMIN0.3M;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G.B

4、W有源器件或電路的增益與規(guī)定帶寬的乘積轉(zhuǎn)換速率SRTYP0.5V/S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UIOR±30V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UICRTYP±13VNIN±12V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IOSTYP±30mA;MAX±40 mA運放所能輸出的電流峰值。最大電源電壓USR±22V運放最大電源電壓。2、 設(shè)計一個反相比例放大

5、器，要求：|AV|=10，Ri>10K，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|Av|=10，即|V0/Vi|= |-RF/R1|=10,故取RF=10R1,輸入電阻盡量大些，?。篟1=15k，RF=150 k, RL=100 k（3） 仿真結(jié)果當(dāng)輸入電壓為427.083mV時，輸出電壓為4.263V，放大倍數(shù)為9.982，與理論值10接近。3、 設(shè)計一個同相比例放大器，要求：|AV|=11，Ri>10K，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|Av|=11，即|V0/Vi|=1+|

6、-RF/R1|=11,故取RF=10R1,輸入電阻盡量大些，?。篟1=15k，RF=150 k, RL=100 k；（3）仿真結(jié)果當(dāng)輸入電壓為30.640mV時，輸出電壓為341.094mV，放大倍數(shù)為11.132，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

7、量值理論值-1.99514.04-7.038-10-0.5044.997-9.875-100.505-4.967-9.836-101.992-12.67-6.354-10實驗結(jié)果分析： 由運放的基本性質(zhì)可知，當(dāng)輸出電壓Uo>Uom時，輸出電壓為Uom，由數(shù)據(jù)手冊，VCC=±15V時，輸出電壓擺幅UOM±12V±14V。故當(dāng)|Ui|>1.5V時，|Uo|=1214V; |Ui|<1.5V時，|Uo|=10|Ui|，實驗結(jié)果與理論相符。觀察數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在輸入電壓的絕對值一定時，運放輸出的正電壓高于負電壓，在輸出電壓接近電源電壓時尤為明顯，由于放大器及電

8、路本身結(jié)構(gòu)具有不對稱性，可推斷這樣的結(jié)果是合理的。（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。（a）雙蹤顯示輸入輸出波形圖CH1輸入信號數(shù)據(jù)顯示：CH2輸出信號數(shù)據(jù)顯示：（b）交流反相放大電路實驗測量數(shù)據(jù)輸入信號有效值（V）輸出信號有效值（V）信號頻率電壓增益測量值理論值0.141.331kHz9.50-10交流反相放大電路實驗測量數(shù)據(jù)實驗結(jié)果分析：由于本人的失誤，將輸入的0.2V有效值看成峰值，是的真正的輸入有效值為0.14V,通過對有效值為0.14V的

9、輸入的輸入輸出波形的分析不難發(fā)現(xiàn)，放大倍數(shù)9.5在10倍左右，而輸入輸出的波形相位差為180°，構(gòu)成一個反向比例放大器，與理論結(jié)果符合；（3）輸入信號頻率為1kHz的正弦交流信號，增加輸入信號的幅度，測量最大不失真輸出電壓值。 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2.6V，輸入輸出波形如下：實驗結(jié)果分析：通過查閱數(shù)據(jù)手冊可知，當(dāng)電源電壓為±15V時，運放的最大輸出擺幅范圍為±12V到±14V。實驗結(jié)果表明，RL=100K時，最大不失真輸出電壓峰值為12.20V位于12V14V之間符合理論值。 （4）用示波

10、器X-Y方式，測量電路的傳輸特性曲線，計算傳輸特性的斜率和轉(zhuǎn)折點值。（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（-1.24,12.10）和（1.38，-13.50），Dx =2.62V,DY=-25.60V,放大倍數(shù)為DY /Dx=9.77,與理論值10接近。 （5）電源電壓改為±12V，重復(fù)(3)、(4)，并對實驗結(jié)果結(jié)果進行分析比較。（a）最大不失真輸出電壓值A(chǔ).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1.96V，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

11、應(yīng)降低，故最大不失真輸出電壓峰值也降低為9.2V，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（0.970,9.00）和（1.04，-10.80），Dx =2.01V,DY=-19.80V,放大倍數(shù)為DY /Dx=9.85,與理論值10接近。（6）重加負載（減小負載電阻RL），使RL220，測量最大不失真輸出電 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1.01V，輸入輸出波形如下：（b）實

12、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）12.24.64當(dāng)RL=100K時，最大不失真輸出電壓峰值為12.20V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4.64V，考慮運放的最大輸出電流為±30mA，負載上的最大電壓為6.6V,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21，（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Ui0.1V 不變

13、，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)計上圖中電源電壓±15V，R1=10k，RF=200 k，RL100 k，RP10k/200k。（b）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30.44KHZ時，達到上限頻率，波形如下如：整理數(shù)據(jù)到如下表格中：上限頻率fH(KHz)相位差t(s)T(s)=t/T×360 o 30.304.4033.0048°（C）實驗結(jié)果分析：輸入電壓為0.2V，取輸出電壓為0.2*21/2=2.97V左右時作為失真的臨

14、界值。增益帶寬積為0.71.6MHz，實驗值G.BW=(21/2)*0.030MHz=0.45MHZ，與理論值有差距，可能的原因是實際放大電路的放大倍數(shù)不是21，或者是輸入電壓的取值不當(dāng)。當(dāng)頻率達到上限頻率時，輸入輸出信號的相位差也發(fā)生了變化，這是由于當(dāng)達到上限頻率運放中的阻抗元件濾除了部分高次諧波。（2）輸入信號改為占空比為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)換速率的定義對此進行計算和分析（這是較常用的測量轉(zhuǎn)換速率的方法）。（a）實驗數(shù)據(jù)獲?。寒?dāng)輸入的雙極性方波信號的頻率為12.9KHZ，電壓值為 1VPP時，輸出波形剛好是

15、三角波，此時的輸入輸出波形如下：（b）實驗數(shù)據(jù)處理：由上圖將數(shù)據(jù)整理如下：頻率輸入信號UiPP輸出信號UOPPdUO/dt12.9kHz1 V17.4V0.445（c）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（38.4S，計算結(jié)果為0.445S，在理論的范圍內(nèi)，符合理論值。（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。 （a）實驗數(shù)據(jù)獲取： 當(dāng)輸入的頻率為30.44K

16、HZ的正弦信號時，逐漸增加信號幅度，當(dāng)峰峰值為1.1V時，輸出的波形開始變形，此時的輸入輸出波形如下： （b）實驗數(shù)據(jù)處理： 由上圖將數(shù)據(jù)整理如下：頻率輸入信號UiPP輸出信號UOPPdUO/dt30.3kHz1 .1 V6.84V0.409 （c）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（16.6S，計算結(jié)果為0.409S，在理論的范圍內(nèi)，符合理論。（4）RF改為10 k，自己計算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，從反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

17、轉(zhuǎn)換速率對電路性能的影響。1 重復(fù)（1）： 保持Vi0.2V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） 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，波形如下如： （b）實驗數(shù)據(jù)整理RF取值（k）上限頻率fH(KHz)相位差t(s)T(s)=t/T×360 o 10414.90.482.4171.7°10030.304.4033.0048°（c）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

18、率增大，本實驗測量值414.9KHA，相比RF=10K的上限頻率30.3KHZ,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)獲取： 當(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/dt130KHz1 V1.64V0.428（c）實驗結(jié)果分析：S，但測量值為0.428，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

19、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。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Multisim 軟件仿真) ：Uo=-2Ui1+3Ui2Ui1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Ui1為1KHz、1V（峰峰值）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，0.1V（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)