實(shí)驗(yàn)一運(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： 電子電路實(shí)踐 第 一 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)： 61014 實(shí) 驗(yàn) 室: 實(shí)驗(yàn)組別： 同組人員： 無(wú) 實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2011 年 4 月 7 日 評(píng)定成績(jī)： 審閱教師： 實(shí)驗(yàn)一 運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用一、實(shí)驗(yàn)?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(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，以及增益、幅頻特性、傳輸特性曲線、帶寬的測(cè)量方法；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

2、模抑制比，開(kāi)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)（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、 了解運(yùn)放調(diào)零和相位補(bǔ)償?shù)幕靖拍睿?、 掌握利用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)各種運(yùn)算功能電路的方法及實(shí)驗(yàn)測(cè)量技能。二、預(yù)習(xí)思考：1、 查閱741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。參數(shù)名稱參數(shù)值參數(shù)意義及設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該如何考慮直流參數(shù)輸入失調(diào)電壓UIO1-5mV(Rs<=10K)當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，其輸出端仍然有一個(gè)偏離零的直流電壓，這是由于運(yùn)放參數(shù)不對(duì)稱引起的。輸入偏置電流IIB1

3、0-100nA指運(yùn)放輸入級(jí)差分對(duì)管的基極電流的IB1,IB2。輸入偏置電流的大小，在外電阻確定之后，主要決定于輸入級(jí)差分的性能。偏置電流越小，信號(hào)源內(nèi)阻變化引起的輸出電壓的變化也就越小。輸入失調(diào)電流IIO220nA輸出電壓為零時(shí)，輸入端電流之差。由于信號(hào)源有內(nèi)阻，所以導(dǎo)致輸入電壓不為零，從而輸出電壓不為零。失調(diào)電流越小越好。失調(diào)電壓溫漂UIO這是指在規(guī)定溫度范圍內(nèi)Vio的溫度系數(shù)共模抑制比KCMR7090dB(Rs<=10K)差模電壓增益與共模增益之比開(kāi)環(huán)差模電壓增益AVD106運(yùn)放工作在線性區(qū)，在無(wú)反饋的情況下，差模電壓增益。輸出電壓擺幅UOM1214V（RL=10K）1013（RL=

4、2K）正負(fù)輸出電壓的擺動(dòng)幅度極限差模輸入電阻RID0.3-2M輸出電阻RO75歐交流參數(shù)增益帶寬積G.BW0.7-1.6MHz運(yùn)放的增益是隨信號(hào)的頻率而變化的，輸出電壓隨著信號(hào)頻率的增加而下降到最大值的0.707倍的時(shí)候的頻率范圍，稱為帶寬。帶寬與增益的乘積為一常數(shù)。轉(zhuǎn)換速率SR0.25-0.5V/us(RL>=2K)表示運(yùn)放在閉環(huán)狀態(tài)下，1us內(nèi)電壓變化的最大值。極限參數(shù)最大差模輸入電壓UIOR+30V、-30V同相端和反相端所能夠承受的最大電壓。若超過(guò)，則發(fā)射極會(huì)反向擊穿。最大共模輸入電壓UICR+13V，-13V運(yùn)放所能承受的最大的共模輸入電壓，若超過(guò)此值，共模抑制比會(huì)明顯變小。一

5、般指在運(yùn)放做跟隨器的時(shí)候，輸出電壓產(chǎn)生1%的跟隨誤差的時(shí)候跟隨輸入電壓。最大輸出電流IOS1040mA最大電源電壓USR+22V/ -22V三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)：內(nèi)容一：反相輸入比例運(yùn)算電路（1） 圖1.3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(wàn)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(guò)電阻分壓電路產(chǎn)生。Ui/VUO/VAu測(cè)量值理論值2.010-12.78-6.358-10-2.02314.02-6.930-10-0.494

6、4.853-9.82-100.491-4.832-9.84-10實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ui為2V時(shí)，電壓增益為6至7之間，比理想增益小得多。而當(dāng)Ui為0.5時(shí)，增益近似等于10。.可能有兩方面的原因：1）由于Ui是電阻分壓產(chǎn)生的，所以當(dāng)接入電路中時(shí)，所分得的電壓肯定比原來(lái)小，即實(shí)際的輸入電壓變小了，則所測(cè)增益自然小于10；2）雖說(shuō)運(yùn)算放大器的輸入電阻很大，但是畢竟不是無(wú)窮，所以運(yùn)放同向端會(huì)有電流I+?？赡墚?dāng)輸入電壓Ui增大時(shí)，I+也變大了，導(dǎo)致流向Rf的電流變小了，則電壓增益變小了。3）輸出電壓最大不能超過(guò)電源電壓，即15V，所以在接近電源電壓時(shí)就會(huì)不再上升。（2） Ui輸入0.2V、

7、 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。（a）雙蹤顯示輸入輸出波形圖（b）交流反相放大電路實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)輸入信號(hào)（Vpp）輸出信號(hào)（Vpp）信號(hào)頻率電壓增益測(cè)量值理論值592mV6.48V1kHz10.910交流反相放大電路實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：理論值和測(cè)量值相當(dāng),相位相反。（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)量最大不失真輸出電壓值。由圖可知，最大不失真輸出電壓為14.0V和-13.2V。（4） 用示波器X-Y方式，測(cè)量電路的傳輸特性曲線，計(jì)算傳輸特性

8、的斜率和轉(zhuǎn)折點(diǎn)值。（a） 傳輸特性曲線圖（請(qǐng)?jiān)趫D中標(biāo)出斜率和轉(zhuǎn)折點(diǎn)值）BX（b） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：如圖所示A(-1.12,12.8)，B(1.19,-13.1)。可見(jiàn)當(dāng)輸入電壓在-1.121.19V時(shí)，輸出不失真。超過(guò)此范圍時(shí)，則輸出電壓不能夠繼續(xù)增大。12.8V應(yīng)當(dāng)是由運(yùn)算放大器的電源電壓15V決定的。斜率 理論上此斜率應(yīng)當(dāng)為-10，由于讀數(shù)不準(zhǔn)造成了誤差。 （5） 電源電壓改為±12V，重復(fù)(III)、(IV)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)果進(jìn)行分析比較。（a）自擬表格記錄數(shù)據(jù)由圖可知，最大不失真輸出電壓為10.4V和-10.0V。（b) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：當(dāng)電源電壓改為12V時(shí)，正負(fù)最大不失真電壓

9、均有所減小，很明顯可以知道，電源電壓直接限制了VOPP （最大輸出電壓）的大小。比較兩者 的傳輸特性曲線，X坐標(biāo)都減小了，斜率，理論上講后者應(yīng)當(dāng)做為前者的一部分。（6） 重加負(fù)載（減小負(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）（a） 實(shí)驗(yàn)波形（b） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：最大不失真電壓減小為5.2V和2.08V，原因是由于輸出電阻減小，所以同樣大小的電壓會(huì)使輸出電流變大，導(dǎo)致更容易達(dá)到放大器所能承受的最大輸出電流。所以為了保證不超過(guò)這個(gè)額定電流，最大不失真電壓也會(huì)相應(yīng)減小。內(nèi)容二：（1） 設(shè)計(jì)一個(gè)同相

10、輸入比例電路，放大倍數(shù)為21，且Rf=100k。保持Ui0.1V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?jī)烧叩南辔徊?，并做?jiǎn)單分析。（a） 雙蹤顯示輸入輸出波形圖當(dāng)輸出電壓為最大值的0.707時(shí)，輸入信號(hào)的頻率為39.21kHz，即截止頻率fH（b）上限頻率fH(KHz)相位差t(s)T(s)=t/T×360 o 39.213.625.551（C）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析： 當(dāng)Ui為0.1V時(shí)，隨著頻率的增加，輸出電壓的頻率和輸入頻率一樣。但是相位差會(huì)變大，放大倍數(shù)的變小。（2） 輸入信號(hào)為占空比為50%的雙極性方波信號(hào)，調(diào)整信號(hào)頻率和幅度，

11、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。（a）雙蹤顯示輸入輸出波形圖 （b）頻率輸入信號(hào)UiPP輸出信號(hào)UOPPdUO/dt15kHz1V15.5V0.55V/us（c）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：本實(shí)驗(yàn)中，頻率是15kHz，輸入信號(hào)為1Vpp。所測(cè)得的轉(zhuǎn)移速率分別為0.55V/us.可見(jiàn)，對(duì)于同一運(yùn)放，電壓隨時(shí)間的最大變化速率是固定的，不隨信號(hào)的變化而變化。同時(shí)可以看出，輸入信號(hào)頻率越大，所允許的Vpp也就越小。（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(kāi)始變形（看起來(lái)不象正弦波了），記錄該點(diǎn)的輸入

12、、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。（a）雙蹤顯示輸入輸出波形圖 （b）頻率輸入信號(hào)UiPP輸出信號(hào)UOPPdUO/dt38.76kHz1V5.36V0.42V/us（b） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：手冊(cè)上的轉(zhuǎn)換速率為0.25-0.5V/us。SR =0.42V/us。 這和手冊(cè)上的值相當(dāng)。影響轉(zhuǎn)換速率的因素主要是運(yùn)放內(nèi)部的寄生電容和相位補(bǔ)償電容。（4） RF改為10 k，自己計(jì)算RP的阻值，重復(fù)（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(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

13、響。 重復(fù)（1）： 保持Vi0.2V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?jī)烧叩南辔徊?，并做?jiǎn)單分析。（a） 雙蹤顯示輸入輸出波形圖（b）此時(shí)Rp= 5K ，上限頻率fH(KHz)相位差t(s)T(s)=t/T×360 o 3540.270.6772.5（c）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：比較可以看出，增益變小后，上限頻率明顯增大。相位差則沒(méi)有明顯變化。重復(fù)（2）：（a） 雙蹤顯示輸入輸出波形圖（b）頻率輸入信號(hào)ViPP輸出信號(hào)VOPPdUO/dt160.2kHz1V1.66V0.539V/us（b） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：截止頻率增大，轉(zhuǎn)換速率并無(wú)明

14、顯變化。（c）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：當(dāng)增益為10時(shí)，帶寬100kHz，增益帶寬積為1MHz;當(dāng)增益為1時(shí)，帶寬750KHz,增益帶寬積為0.75MHz，之所以不等是由于測(cè)量誤差所致，都在理論值之內(nèi)。對(duì)于增益一定的電路，高頻應(yīng)用中就必須考慮其最高工作頻率。對(duì)比又可看出轉(zhuǎn)換速率與增益大小變化無(wú)關(guān)，在高頻應(yīng)用中，頻率越高，輸出的信號(hào)峰峰值變小了。內(nèi)容三：設(shè)計(jì)電路滿足運(yùn)算關(guān)系Uo=-2Ui1+3Ui2，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Ui1為1KHz、1V的方波信號(hào)，數(shù)字示波器Ui1為1KHz、5V的方波信號(hào)），Ui2接入5kHz，0.1V的正弦信號(hào)，用示波器觀察輸出電壓Uo的波形，畫(huà)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。（a）雙蹤顯示輸入輸出波形圖注：輸入U(xiǎn)1為1kHz的TTL信號(hào)，U2為5kHz的0.1Vpp的正弦波信號(hào)（b) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析： 實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的峰峰值為10.8V，理論上為10.3V，測(cè)量結(jié)果還是比較理想的