東南大學模電實驗七-運算放大器及應用電路(共24頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上實驗七運算放大器及應用電路實驗目的：1. 認識運算放大器的基本特性，通過仿真和測試了解運放基本參數(shù)，學會根據(jù)實際需求選擇運放；2. 了解由運放構(gòu)成的基本電路，并掌握分析方法；實驗內(nèi)容：一、 實驗預習1. 運放的理想化條件；2. 運放的各種基本電路結(jié)構(gòu)；3. 熟悉運放LM358P的性能參數(shù)及管腳布局，管腳布局如圖1所示，并根據(jù)圖2所示的內(nèi)部原理圖理解電路結(jié)構(gòu)和工作原理。圖1. LM358P管腳 LM358P為單片集成的雙運放，采用DIP-8封裝，1IN-為第一個運放的負端輸入，1IN+為正端輸入，1OUT為輸出，第二個運放命名原則相同。Vcc為正電源輸入端，GND可以接

2、地，也可以接負電壓。圖2. LM358P內(nèi)部原理圖 LM358P主要由輸入差分對放大器，單端放大器，推挽輸出級以及偏置電路構(gòu)成。二、 仿真實驗1. 運放基本參數(shù)電壓傳輸特性根據(jù)圖3所示電路，采用正負電源供電，運放負端接地，正端接直流電壓源V3，在-50V50V范圍內(nèi)掃描V3電壓，步進1V，得到運放輸出電壓（節(jié)點3）隨輸入電壓V3的變化曲線，即運放電壓傳輸特性，根據(jù)仿真結(jié)果給出LM358P線性工作區(qū)輸入電壓范圍，根據(jù)線性區(qū)特性估算該運放的直流電壓增益Avd0。圖3. 電壓傳輸特性仿真電路仿真設(shè)置：Simulate Analyses DC Sweep, 設(shè)置需要輸出的電壓。思考：a. 當輸入差模電

3、壓為0時，輸出電壓等于多少？若要求輸出電壓等于0，應如何施加輸入信號？為什么？b. 觀察運放輸出電壓的最高和最低電壓，結(jié)合圖2所示電路分析該仿真結(jié)果的合理性。解：運放輸出電壓（節(jié)點3）隨輸入電壓V3的變化曲線，即運放電壓傳輸特性：根據(jù)上圖仿真可得，直流電壓增益Avd0=99.5993k為了尋找線性工作區(qū)，擴大掃描范圍-500V500V，可得運放電壓傳輸特性：根據(jù)圖線得出其線性工作區(qū)范圍：-118.6557V168.0384V思考:（1）當輸入差模電壓為0時，輸出電壓=-3.3536V；若要求輸出電壓等于0，應使輸入信號V+=33.6709V原因：在運放的線性工作區(qū)內(nèi)，此題中可認為差模電壓與輸出

4、電壓成正相關(guān)，設(shè)輸出電壓為Y，輸入電壓（即輸入差模電壓）為X，線性比例系數(shù)K。因此可認為滿足以下關(guān)系：Y=K*X+B當X=0時，Y=-3.3536V，故B=-3.3536V令Y=0，則X=-B/K=3.3536/9.5993k=33.6709V與仿真結(jié)果一致（2）運放輸出的最高電壓為13.3160V，最低電壓為-14.8574V。最高正電壓的絕對值小于最低負電壓的絕對值：V+可對OUT下邊的PNP管射極電流造成影響。V+在很小的正電位時，輸出為0，這導致了最低電壓的絕對值大于最高電壓的絕對值輸入失調(diào)電壓根據(jù)圖4所示電路，仿真得到運放LM358P的輸入失調(diào)電壓VIO。VIO既可以先測量輸出電壓V

5、O(圖4中節(jié)點3電壓)，再根據(jù)VIO=-VO/(-R1/R2)計算得到；也可以直接測量運放正負端電壓差得到。前者適合VIO比較小的情況，后者適合VIO比較大的情況。當R1=1 k, R2=10 , 進行直流工作點仿真，并完成表7-1。當R1=10k, R2=100 , 進行直流工作點仿真，并完成表7-2。當R1=100 k, R2=1 k,進行直流工作點仿真，并完成表7-3。圖4. 輸入失調(diào)電壓仿真電路表7-1：R1=1 k, R2=10 V3（V）V4（V）V5（V）V5- V4（V）-V3/(-R1/R2)（V）-3416.69-33.631220.0000033.63122-34.166

6、87表7-2：R1=10 k, R2=100 V3（V）V4（V）V5（V）V5- V4（V）-V3/(-R1/R2)（V）-3596.22-33.632510.0000033.63251-35.9622表7-3：R1=100 k, R2=1 kV3（V）V4（V）V5（V）V5- V4（V）-V3/(-R1/R2)（V）-5388.47-33.614820.0000033.61482-53.88466根據(jù)上述仿真結(jié)果，給出運放的的輸入失調(diào)電壓VIO。嘗試設(shè)置V3電壓等于VIO，觀察輸出電壓V3的變化。仿真設(shè)置：Simulate Analyses DC Operating Point，設(shè)置需要

7、輸出的電壓。思考：什么原因?qū)е铝瞬煌答侂娮钘l件下計算得到的VIO存在較大的差異？在實際測量中，若輸入失調(diào)電壓小，需要通過測量輸出電壓并計算得到VIO時，在電阻的選取上需要注意什么問題？解：由上表可得，VIO= V5- V4=33.63V當V3 = VIO =33.63V，得三種情況輸出電壓如下R1=1k，R2=10R1=10k，R2=100R1=100k，R2=1k-24.03518V-203.25713V-1.99547mV可見輸出電壓很小，可視為滿足VIO條件（輸出電壓為0時在輸入端所加的補償電壓）。思考：失調(diào)電壓是輸入電壓為0時，將輸出電壓除以電壓增益，再加上負號，即為在折算到輸入端的

8、失調(diào)電壓，同時也為使輸出電壓為0時在輸入端所加的補償電壓。實際運放的輸出電阻并非無限大，當外電阻R1和R2增大到一定數(shù)值時，其上的分壓不能被忽略，因此會導致VIO的變化。應盡量選取比較小的電阻R1和R2，確保運放工作在較理想狀態(tài)。增益帶寬積（單位增益帶寬）GBP根據(jù)圖5所示電路進行頻率掃描仿真（AC仿真），得到反饋放大器的幅頻特性曲線和相頻特性曲線。在幅頻特性曲線中采用標尺（cursor）標出增益下降到最大增益值的0.707倍時對應的頻率，并計算運放的增益帶寬積GBP，即單位增益帶寬。在相頻特性曲線中根據(jù)相位特征采用標尺分別標記出主極點和次主極點的頻率。（提交的仿真結(jié)果截圖需帶有標記信息）。圖

9、5. 增益帶寬積仿真電路仿真設(shè)置：Simulate Analyses AC Analysis，設(shè)置需要輸出的電壓，頻率掃描范圍，掃描類型和掃描點數(shù)等，仿真參數(shù)設(shè)置參考圖6。輸入交流信號源在V3中設(shè)置，直流為0，交流輸入信號幅度為1。圖6. AC仿真參數(shù)設(shè)置思考：若輸入信號頻率為100kHz，則采用LM358P能實現(xiàn)的最高增益是多少？解：幅頻特性和相頻特性曲線：GBP=99.8986*9.9520k994.1909k思考：最高增益為GBP/100k994.1909k /100k9.94轉(zhuǎn)換速率(壓擺率)SRa. 當輸入為大信號時，運放由于內(nèi)部電容的充放電速度限制，輸出信號可能不能完全跟隨輸入信號

10、，而出現(xiàn)失真。運放輸出電壓能達到的最大變化速度定義為轉(zhuǎn)換速率SR，也稱壓擺率。根據(jù)圖7所示電路通過仿真得到運放的轉(zhuǎn)換速率。運放接成電壓跟隨器，輸入信號為階躍信號，階躍信號初始電壓-10V，階躍后穩(wěn)定電壓10V，階躍時間1ns，階躍持續(xù)時間>1 ms。通過瞬態(tài)分析得到輸出電壓，并采用標尺標記出輸出電壓變化的斜率，即轉(zhuǎn)換速率。圖7. 轉(zhuǎn)換速率仿真電路b. 將圖7中的信號源V3改為正弦信號（在電壓源中選擇AC Voltage），振幅為10V（峰峰值20V），直流電壓0V，當頻率分別為1kHz和10kHz時，得到相應的輸入輸出波形對照圖（在一張圖中同時顯示輸入和輸出波形），觀察波形的變化并提交截

11、圖。仿真設(shè)置：Simulate Analyses Transient Analysis，瞬態(tài)仿真參數(shù)設(shè)置參考圖8，TSTOP根據(jù)信號頻率改變，保證輸出一個周期以上的波形。思考：若圖7的輸入為正弦信號，振幅為10V，直流電壓0V，根據(jù)第六章中的結(jié)論：Vom SR，則允許的最大輸入信號頻率為多少？圖8. 瞬態(tài)仿真參數(shù)設(shè)置解：（a）運放輸出電壓：故SR=dy/dx=499.730k。（b）頻率為1kHz的輸入輸出波形：失真不明顯頻率為10kHz的輸入輸出波形：有明顯失真思考：SRVom 49.9730kHz2. 運放構(gòu)成的應用電路反相放大器圖9所示電路為運放構(gòu)成的反相放大器，按照圖中參數(shù)進行瞬態(tài)仿真

12、，采用Tektronix示波器觀察各個節(jié)點波形。輸入信號單端振幅為50mV，頻率分別為10Hz，100Hz和1kHz，請?zhí)峤蝗N頻率條件下的節(jié)點3、節(jié)點4、節(jié)點5的波形截圖（三個節(jié)點波形顯示在一張圖中）。示波器顯示設(shè)置參考圖10，對于Y軸，節(jié)點5波形的顯示設(shè)置為2V/div，節(jié)點4波形的顯示設(shè)置為2mV/div，節(jié)點3波形的顯示設(shè)置為20mV/div，X軸設(shè)置至少保證兩個周期的顯示，并請在示波器中測量出輸出電壓（節(jié)點5）的峰峰值。注意觀察不同頻率條件下的輸出電壓幅度的變化，并給出解釋。圖9. 反相放大器圖10. Tektronix示波器控制面板仿真設(shè)置：電路設(shè)計完成后，直接點擊仿真軟件控制面板

13、上的run（綠色三角符號），雙擊示波器圖標觀察波形。思考：a. 在不同輸入信號頻率條件下，負端電壓（圖9中節(jié)點4電壓）幅度一樣嗎？為什么？b.輸入信號頻率為1kHz時，運放負端電壓的相位和輸出信號相位相差大約多少度？為什么？解：10Hz輸出電壓（節(jié)點5）的峰峰值：9.95V 100Hz輸出電壓（節(jié)點5）的峰峰值：9.95V1kHz輸出電壓（節(jié)點5）的峰峰值：9.88V原因：放大器內(nèi)部有電容，不同頻率的信號產(chǎn)生不同的容抗，頻率越大，受電容的影響越小，因此會有不同的輸出電壓。思考：a. 不一樣。因為放大器內(nèi)部有電容，不同頻率的信號產(chǎn)生不同的容抗，頻率越大，受電容的影響越小，因此會有不同的輸出電壓。

14、b. 相差小于，因為運放是非理想運放，不能達到完全的反相器的效果電壓轉(zhuǎn)換電路由運放和三極管可以構(gòu)成電壓轉(zhuǎn)換電路，如圖11所示。該電路可以將某種直流電壓轉(zhuǎn)換為另一種直流電壓，如圖中電路在1V參考電壓（V3）作用下，可以將±15V直流電壓轉(zhuǎn)換為3V左右的直流電壓供負載使用，負載電阻為R3。仿真任務：a. 在圖中參數(shù)條件下，掃描直流電壓V1，電壓范圍4V15V，掃描步長0.01V，掃描類型為線性掃描。提交輸出電壓V4隨電源電壓V2的變化曲線，并根據(jù)仿真結(jié)果確定電源電壓V2的最低電壓（輸出電壓下降1%時的電源電壓）;b. 掃描負載電阻R3，掃描范圍為101k，步長10，提交輸出電壓V4隨電源

15、電壓V2的變化曲線。圖11. 運放構(gòu)成的電壓轉(zhuǎn)換電路仿真設(shè)置：仿真任務a 采用DC掃描，Simulate Analyses DC Sweep, 設(shè)置掃描電壓和輸出電壓；仿真任務b 采用參數(shù)掃描，Simulate Analyses Parameter Sweep, 設(shè)置掃描參數(shù)和輸出電壓。驗收：該電路如何實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換？解：根據(jù)圖11可得，V6=1V，故V3=V6=1V又I- =0，故R1、R2串聯(lián)分壓，即V4:V3=（R1+R2）：R2=3:1所以V4=3V思考：圖11所示電路如何改造后就能實現(xiàn)恒定電流輸出？提示：增加電流鏡。解：（1）V2的最低電壓為5.2217V。輸出電壓

16、V4隨電源電壓V2的變化曲線：（2）輸出電壓V4隨電源電壓V2的變化曲線：思考：DC sweep I(Q3Ic)修改電路如下（新增電流鏡）整流電路圖12所示電路為運放構(gòu)成的整流電路，運放的高增益使得該電路能實現(xiàn)小信號幅度的整流，克服了二極管整流的導通電壓問題。請寫出輸出電壓表達式，并畫出傳輸特性。輸入信號頻率為1Hz，振幅分別為100mV，10mV，1mV時，請通過瞬態(tài)仿真得到輸出電壓波形(節(jié)點7)，與輸入信號V3同時顯示。 op圖12. 運放構(gòu)成的整流電路仿真設(shè)置：Simulate Analyses Transient Analysis，仿真時間2s，步長1ms。思考：在小信號輸入時，如振幅

17、1mV，輸出波形會嚴重失真，主要是什么原因?qū)е逻@種失真？如何更改參數(shù)來減小這種失真？提示：運放的非理想性。解：（1）輸出電壓表達式及傳輸特性：V3=0時，D1，D2截止，Vo=0V3>0時，D1導通，D2截止，Vo=V3V3<0時，D1截止，D2導通，Vo=-V3（2）不同振幅時輸入輸出信號波形：100mV時輸入（V3）、輸出（節(jié)點7）電壓波形：10mV時輸入（V3）、輸出（節(jié)點7）電壓波形：1mV時輸入（V3）、輸出（節(jié)點7）電壓波形：思考：由于運放的非理想型，輸入阻抗不趨于無窮大，輸入電壓過小時，電流過小。 改進方法：保持R1/R2值不變，減小阻值。下圖為R1=20，R2=10

18、，輸入幅度1mV的電壓波形：可見失真度減小。三、 硬件實驗圖13為運放構(gòu)成的脈沖寬度調(diào)制電路。其中，U1A和U2A構(gòu)成三角波發(fā)生器，U3A構(gòu)成脈沖寬度調(diào)制電路。最終輸出波形（節(jié)點12）的脈沖寬度隨著調(diào)制信號(U3A的負端輸入信號)幅度的變化而變化。PWM調(diào)制技術(shù)可以簡單的實現(xiàn)模擬控制到數(shù)字控制的轉(zhuǎn)換，具有控制靈活、動態(tài)響應好、抗干擾能力強等優(yōu)點，廣泛應用在測量、通信、功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。實驗任務：1. 若二極管1N3064的導通電壓為VD(on)，請寫出U2A輸出的三角波電壓的正峰值和負峰值電壓的表達式，電阻符號與圖13中保持一致；2. 寫出U2A輸出的三角波信號的周期表達式；3. 若

19、要求三角波頻率100Hz，正負峰值都為2V，指標誤差不超過±10%，請在面包板上完成實驗電路，并通過測試確定電路中電阻R2和R6的值，電容C1取100nF，其余電阻按照圖中給出的參數(shù)取值，電路完成后提交節(jié)點8和節(jié)點10的示波器截圖（顯示在同一張圖中），并測量頻率和峰峰值；4. 按照圖中所示，給電路施加調(diào)制信號V3（U3A的負端輸入信號），提交節(jié)點13和節(jié)點11的波形（顯示在同一張圖中）；5. 將調(diào)制信號V3的交流幅度設(shè)置為0，通過連續(xù)改變調(diào)制信號的直流電壓（OFFSET），觀察并記錄LED1和LED2的亮度隨該直流電壓的變化情況，并給出合理的解釋。圖13. 運放構(gòu)成的脈沖寬度調(diào)制(PWM)電路思考: PWM調(diào)制對三角波的線性度要求較高，圖13中電路是如何實現(xiàn)這種高線性度的？驗收：分析上述電路解：由圖1