運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用

1、運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用東南大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱(chēng)：第一次實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用院 （系）： 吳健雄學(xué)院專(zhuān)業(yè)：電類(lèi)強(qiáng)化姓 名： 號(hào)：實(shí) 驗(yàn) 室: 同組人員： 無(wú) 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： xx 年 03 月 23 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(xiàn)、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、共模抑制比，開(kāi)環(huán)差模電壓增益、差模輸入電阻

2、、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。2 、 設(shè)計(jì)一個(gè)反相比例放大器，要求： |AV|=10 ，Ri>10K，將設(shè)計(jì)過(guò)程記錄在預(yù)習(xí)報(bào)告上； （1） 仿真原理圖（2） 參數(shù)選擇計(jì)算因?yàn)橐?|Av|=10 ，即 |V0/Vi|= |-Rf/R1|=10,故取 Rf=10R

3、1,. 又電阻應(yīng)盡量大些， 故?。?R1=10k，Rk=100 k, RL=10k （3） 仿真結(jié)果圖中紅色波形表示輸入，另一波形為輸出，通過(guò)仿真可知|V0/Vi|=9.7710，仿真正確。 3 、 設(shè)計(jì)一個(gè)電路滿(mǎn)足運(yùn)算關(guān)系UO=-2Ui1 + 3Ui2（1）仿真原理圖（2）參數(shù)選擇計(jì)算利用反向求和構(gòu)成減法電路， 故可取 R1=10k，RF1=30k，R3=10k， R2=RF2=20k （3）仿真結(jié)果輸入 Ui2 為振幅等于 2V 的方波， Ui1 為振幅等于 1V 的方波，因?yàn)檩敵鰹檎穹扔?4V 的方波，故可知仿真正確。 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(I)

4、 圖 1.3 中電源電壓± 15V，R1=10k，RF=100k，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。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：由于運(yùn)算放大器的輸出會(huì)受到器件特性的限制，故當(dāng)輸入直流信號(hào)較大時(shí)，經(jīng)過(guò)運(yùn)放放 大后的輸出電壓如果超過(guò)UOM，則只能輸出UOM，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)可以看出， VCC=±15V 時(shí)，輸出電壓擺幅 UOM±13V±14V。這就是為什么輸入電壓較低時(shí)測(cè)得的增益與理論值相近

5、，而輸入電壓較大時(shí)，則與理論值相差較大。(II) Ui 輸入 0.2V、 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)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：從圖中可以看出輸入輸出信號(hào)的相位相差 180，這符合反相放大器的特性，又輸入與輸出信號(hào)的有效值之比為 10.3 ，與理論值相近，故可知該電路是一個(gè)反向比例放大電路。(III) 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。重加負(fù)載

6、（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）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：（1）當(dāng)電源電壓為± 15V時(shí)，運(yùn)放的最大輸出擺幅范圍為± 13V到± 14V。（2）當(dāng) RL=100K時(shí)，最大不失真輸出電壓在運(yùn)算放大器的最大輸出擺幅范圍內(nèi)；而當(dāng) RL=220 時(shí)，則最大不失真輸出電壓小了很多，由數(shù)據(jù)手冊(cè)可知， 741 運(yùn)放的最大輸出電流 IOS 為± 25mA，故當(dāng)負(fù)載為 220時(shí)，負(fù)載上最大的電壓為± 5.5V ，顯然實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值相近。(IV)用示

7、波器 X-Y 方式，測(cè)量電路的傳輸特性曲線(xiàn)， 計(jì)算傳輸特性的斜率和轉(zhuǎn)折點(diǎn)值。（a）傳輸特性曲線(xiàn)圖（請(qǐng)?jiān)趫D中標(biāo)出斜率和轉(zhuǎn)折點(diǎn)值）（ -1.4 ，14.1 ）斜率 K=(14.1+13.8)/(-1.4-1.4)=-10.2（ 1.4 ，-13.8 ）（b）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：傳輸特性的斜率為 -10.2 ，這與運(yùn)放的增益相近， 故可知斜率即為運(yùn)放的增益，而轉(zhuǎn)折點(diǎn)的值 14.1 以及 13.8 則為當(dāng) VCC=15V時(shí)，運(yùn)放的輸出電壓擺幅。 (V) 電源電壓改為± 12V，重復(fù) (3) 、(4) ，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)果進(jìn)行分析比較。 （a）大學(xué)網(wǎng) 自擬表格記錄數(shù)據(jù)重復(fù)試驗(yàn)內(nèi)容（ 3）（ -1.2

8、，12）斜率 K=(12+10)/(-1.2+1.0)=-10（ 1.0 ，-10 ）（ b) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：重復(fù)內(nèi)容（ 3）：當(dāng) R=100k時(shí)，最大不失真輸出電壓與運(yùn)算放大器的輸出電壓擺幅相近 （注：此時(shí)輸出電壓擺幅由于運(yùn)放的VCC變小，故其也變?。欢?dāng) R=220時(shí)，由于受到最大輸出電流的影響，故最大不失真輸出比 R=100k時(shí)的最大不失真輸出電壓小了很多，顯然這與內(nèi)容（3）的結(jié)果一致。重復(fù)內(nèi)容（ 4）：當(dāng)電源電壓改為± 12V 時(shí)，傳輸特性曲線(xiàn)基本與內(nèi)容（ 4）一致，斜率仍舊表示電壓增益，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為輸出電壓擺幅。(VI)保持 Ui 0.1V 不變，改變輸入信號(hào)的頻率，在輸出不

9、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Vpp=300mvVpp=2.2V（b（C）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：（1）查閱手冊(cè)可知放大電路上限頻率和增益的乘積為 0.71.6MHz，顯然測(cè)量結(jié)果與理論情況相符合。（2）通過(guò)觀察波形可知，當(dāng)頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，此時(shí)增益相比于理論值有所下降，且輸入輸出信號(hào)的相位差也發(fā)生了變化(VII)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、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

10、速率值進(jìn)行比較。（a）雙蹤顯示輸入輸出波形圖Vpp=0.632VVpp=3.1V（b）（c）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：由于輸出信號(hào)近似為三角波，因此只需要計(jì)算輸出波形斜率就可得到轉(zhuǎn)換速率。計(jì)算結(jié)果為0.558 V/ s 與手冊(cè)提供的理論值0.5 V/s 相近，故實(shí)驗(yàn)正確。(VIII)輸入信號(hào)改為占空比為50%的雙極性方波信號(hào)，調(diào)整信號(hào)頻率和幅度，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）。（a）雙蹤顯示輸入輸出波形圖Vpp=2.24VVpp=19.2V（b）由于輸出波形為三角波，故只需計(jì)算三角波的斜率便可知轉(zhuǎn)換速率，計(jì)算結(jié)果

11、為0.691V/us ；同時(shí)運(yùn)算放大器應(yīng)用中，當(dāng)頻率較高，輸出信號(hào)幅度較大時(shí)必須考慮轉(zhuǎn)換速率的影響。(IX)RF改為 10 k，自己計(jì)算 RP的阻值，重復(fù)（ 6）（ 7）。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)電路性能的影響。重復(fù)（ 6）： 保持 Vi 0.2V 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)烧叩南辔徊睿⒆龊?jiǎn)單分析。（a）雙蹤顯示輸入輸出波形圖Vpp=0.592VVpp=0.44V（b）（c）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：（1）相比于內(nèi)容（

12、6）因?yàn)樵鲆鎺挿e為一常數(shù)，而現(xiàn)在增益減小了（由于 RF 變?。┕蕩拺?yīng)變大即上限頻率變大，顯然與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符符合。（2）通過(guò)觀察波形可知，當(dāng)頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，此時(shí)增益相比于理論值有所下降，且輸入輸出信號(hào)的相位差也發(fā)生了變化。重復(fù)（ 7）：（a）雙蹤顯示輸入輸出波形圖Vpp=1.00VVpp=0.52V（b）（c）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：輸出信號(hào)電壓對(duì)時(shí)間求導(dǎo)可得到電壓變化率（即為轉(zhuǎn)換速率）。由于輸出信號(hào)為近似三角波，因此只需要計(jì)算輸出波形斜率即可。同時(shí)由于轉(zhuǎn)換速率一定，故相比于內(nèi)容（7）由于上限頻率增大了，故輸出信號(hào)幅值應(yīng)下降。（d）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

13、：首先根據(jù)設(shè)計(jì)中的增益和上限頻率的計(jì)算出增益帶寬積， 然后根據(jù)輸出電壓的幅度和上限頻率計(jì)算轉(zhuǎn)換速率。內(nèi)容二：設(shè)計(jì)電路滿(mǎn)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)獲取（模擬示波器Ui1 為 1KHz、1V（峰峰值）的方波信號(hào)，數(shù)字示波器Ui1 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(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仿真波形：實(shí)驗(yàn)波形：（ b) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析： 通過(guò)觀察輸出波形可知，雖然輸出波形與

14、理論波形有一定誤差， 但是所得波形基本滿(mǎn)足關(guān)系 Uo=-2Ui1+3Ui2 且與仿真波形一致，故設(shè)計(jì)合理。2 、提高要求：設(shè)計(jì)一個(gè)比例 - 積分 - 微分運(yùn)算電路。滿(mǎn)足運(yùn)算公式uo(t)?(11100?100?ui(t)dt?110000dui(t)dt）寫(xiě)出具體的設(shè)計(jì)過(guò)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？（1）設(shè)計(jì)過(guò)程：由于課本中只是分別介紹比例、 積分、微分電路，倘若采用分別得到比例，積分，微分的結(jié)果后在相加，則所需器件較多，顯然不合實(shí)際，故采用一個(gè)運(yùn)放，將比例、積分、微分融合在一個(gè)電路中（如下仿真電路圖）在復(fù)頻域中，應(yīng)用拉氏變換可得傳Rf?R1SC

15、11SCf遞函數(shù)為 A(S)?UO(S)Ui(S)/(R1?1SC1?()RfR1?C1Cf?1SR1Cf?SRfC1)其中RfR1?C1Cf為比例系數(shù)，1R1Cf為積分系數(shù)； RfC1 為微分系數(shù)經(jīng)多次仿真過(guò)后最終選擇Rf=R1=100k， Cf=100nf ，C1=1nf（2）仿真電路圖為：（3）仿真波形：（4）實(shí)驗(yàn)波形：（5） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：通過(guò)觀察波形可知實(shí)驗(yàn)波形與仿真波形基本一致，圖中振蕩部分正是由于積分與微分共同作用的結(jié)果，故實(shí)驗(yàn)正確。3 、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)：運(yùn)用放大器的線(xiàn)性特性自行設(shè)計(jì)一個(gè)有意義的電路。運(yùn)用放大器設(shè)計(jì)一個(gè)求解二元一次方程組?y?(2x?10)?y?(10x?2)的電路：首先運(yùn)用兩個(gè)運(yùn)放， 采用加法電路長(zhǎng)生y?(2x?10) 和 y?(10x?2) ，接著通過(guò)一個(gè)減法電路判斷兩個(gè)y 值是否相等，若相等則輸入的電壓Ui 即為所求的 x 值。具體電路如下：由于時(shí)間關(guān)系，并未在實(shí)驗(yàn)中親自搭出電路以檢驗(yàn)是否正確。 四、實(shí)驗(yàn)體會(huì)：實(shí)驗(yàn)前總以為此次運(yùn)放的