模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)

模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)主編李林副主編沈明霞劉德營(yíng)陸靜霞參編黃桂林楊紅兵鄒修國(guó)徐友鄒春富主審尹文慶第7章模擬電子技術(shù)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)7-1單級(jí)阻容耦合晶體管放大電路的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)7-2多級(jí)負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)7-3模擬運(yùn)算電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)7-4有源濾波器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)7-5直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)7-1單級(jí)阻容耦合晶體管放大電路的設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)掌握單級(jí)阻容耦合晶體管放大電路的設(shè)計(jì)方法。(2)掌握晶體管放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置與調(diào)整方法。(3)熟悉測(cè)量放大電路的方法，了解共射極電路的特性及放大電路動(dòng)態(tài)性能對(duì)電路的影響。(4)學(xué)習(xí)放大電路的安裝與調(diào)試技術(shù)。實(shí)驗(yàn)7-1單級(jí)阻容耦合晶體管放大電路的設(shè)計(jì)二、預(yù)習(xí)要求(1)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和已知條件，確定電路方案。(2)按設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)電路圖。(3)對(duì)設(shè)計(jì)電路中的有關(guān)元器件進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和選擇。實(shí)驗(yàn)7-1單級(jí)阻容耦合晶體管放大電路的設(shè)計(jì)三、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1．設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)能夠穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的單級(jí)阻容耦合晶體管放大電路。已知以下條件。(1)電壓放大倍數(shù)：A≥30。(2)工作頻率范圍：20Hz～200kHz。(3)電源電壓：VCC=+12V。(4)負(fù)載電阻：RL=2k。(5)輸入信號(hào)：Ui=10mV(有效值)。實(shí)驗(yàn)7-1單級(jí)阻容耦合晶體管放大電路的設(shè)計(jì)2．設(shè)計(jì)要求(1)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和已知條件，確定電路方案，計(jì)算并選取電路各元件參數(shù)。(2)靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置合理，電路不失真。(3)電壓增益Au等主要性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。(4)電路穩(wěn)定，無故障。實(shí)驗(yàn)7-1單級(jí)阻容耦合晶體管放大電路的設(shè)計(jì)四、設(shè)計(jì)原理與參考電路1．放大電路的組成原則(1)放大電路的核心元件是有源元件，即晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管。(2)正確的直流電源電壓數(shù)值、極性與其他電路參數(shù)應(yīng)保證晶體管工作在放大區(qū)、場(chǎng)效應(yīng)管工作在恒流區(qū)，即建立起合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，保證電路不失真。實(shí)驗(yàn)7-1單級(jí)阻容耦合晶體管放大電路的設(shè)計(jì)(3)輸入信號(hào)應(yīng)能夠有效地作用于有源元件的輸入回路，即晶體管的b-e回路，場(chǎng)效應(yīng)管的g-s回路；輸出信號(hào)能夠作用于負(fù)載之上。設(shè)計(jì)電路可參考圖7.1。圖7.1單級(jí)阻容耦合晶體管放大電路實(shí)驗(yàn)7-1單級(jí)阻容耦合晶體管放大電路的設(shè)計(jì)2．晶體管放大電路的設(shè)計(jì)方法1)選擇電路形式(1)單管放大電路有三種可能的接法：共射、共基、共集。其中以共發(fā)射極放大電路應(yīng)用最廣。(2)根據(jù)穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性的要求，最常用的是工作點(diǎn)穩(wěn)定的電路，即分壓式偏置電路。(3)采用什么反饋方式，主要根據(jù)負(fù)載的要求及信號(hào)內(nèi)阻的情況來考慮。如果輸入電阻較小，可采用串聯(lián)反饋方式，以增加輸入電阻。對(duì)于單管放大電路常采用電流反饋，這樣電路比較簡(jiǎn)單。實(shí)驗(yàn)7-1單級(jí)阻容耦合晶體管放大電路的設(shè)計(jì)2)選擇靜態(tài)工作點(diǎn)晶體管正常工作狀態(tài)的確定，應(yīng)綜合以下因素加以考慮。(1)晶體管工作在放大區(qū)。(2)為節(jié)省電源耗電，Q點(diǎn)應(yīng)選在小電流、低電壓處。(3)IC和UCE不宜太小，以免失真。各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)一般選擇在下列范圍：IC

=1～3mA，UCE

=2～5V。實(shí)驗(yàn)7-1單級(jí)阻容耦合晶體管放大電路的設(shè)計(jì)3)元件參數(shù)的選擇一般工程設(shè)計(jì)時(shí)，硅管取I1=(5～10)IB，UB=(3～5)V；鍺管取I1=(10～20)IB，UB=(1～3)V；IC=(1～3)mA。(1)確定電阻Re。電阻Re

可以選取為(7-1)實(shí)驗(yàn)7-1單級(jí)阻容耦合晶體管放大電路的設(shè)計(jì)(2)確定偏置電阻Rb2、Rb1。電阻Rb1、Rb2可由下面關(guān)系式得到(7-2)(7-3)實(shí)驗(yàn)7-1單級(jí)阻容耦合晶體管放大電路的設(shè)計(jì)(3)選擇集電極電阻Rc。選擇集電極電阻Rc應(yīng)考慮兩方面的問題，一是要滿足Au的要求，即(7-4)式中，二要避免產(chǎn)生非線性失真。實(shí)驗(yàn)7-1單級(jí)阻容耦合晶體管放大電路的設(shè)計(jì)為此，在滿足式的條件下(，UCES飽和壓降一般可取1V)先確定晶體管壓降UCE，再由電路求出RC。

(7-5)實(shí)驗(yàn)7-1單級(jí)阻容耦合晶體管放大電路的設(shè)計(jì)(4)耦合電容C1、C2和射極旁路電容Ce的選擇。耦合電容C1、C2和射極旁路電容Ce決定放大電路的下限頻率fL，如果放大器的下限頻率f

L已知，可按下列表達(dá)式估算耦合電容C1、C2和射極旁路電容CeRs為信號(hào)源內(nèi)阻，電容C1、C2和Ce均為電解電容，一般C1、C2選用4.7～10F，Ce選用33～200F。(7-6)(7-7)(7-8)實(shí)驗(yàn)7-1單級(jí)阻容耦合晶體管放大電路的設(shè)計(jì)五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟(1)按設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)具體電路。(2)根據(jù)已知條件及性能指標(biāo)要求，確定元器件(晶體管可以選擇硅管或鍺管)型號(hào)，設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)，計(jì)算電路元件參數(shù)(以上兩步要求在實(shí)驗(yàn)前完成)。(3)在實(shí)驗(yàn)板上安裝電路。檢查實(shí)驗(yàn)電路接線無誤之后接通電源。實(shí)驗(yàn)7-1單級(jí)阻容耦合晶體管放大電路的設(shè)計(jì)(4)測(cè)量直流工作點(diǎn)。測(cè)試并記錄UBEQ、ICQ和UCEQ的值，將實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值進(jìn)行比較分析。(5)調(diào)整元件參數(shù)，使其滿足設(shè)計(jì)要求，將修改后的元件參數(shù)值標(biāo)在設(shè)計(jì)的電路圖上。(6)測(cè)量放大電路的電壓放大倍數(shù)。接入f=1kHz，Ui=10mV(有效值)的輸入信號(hào)，用示波器觀察輸入電壓波形和負(fù)載電阻上的輸出電壓波形，在波形不發(fā)生失真的條件下，用毫伏表測(cè)出電壓的有效值Uo，計(jì)算出電壓放大倍數(shù)。實(shí)驗(yàn)7-1單級(jí)阻容耦合晶體管放大電路的設(shè)計(jì)(7)觀察負(fù)載電阻對(duì)放大倍數(shù)的影響。將負(fù)載電阻更換，重新測(cè)量放大電路的電壓放大倍數(shù)，記錄數(shù)據(jù)(自擬表格)。(8)測(cè)量最大不失真輸出電壓幅值。調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器，逐漸增大輸入信號(hào)，同時(shí)觀察輸出電壓波形變化，然后測(cè)出波形無明顯失真的最大允許輸入電壓和輸出電壓的有效值，最后計(jì)算出最大輸出電壓幅值。實(shí)驗(yàn)7-1單級(jí)阻容耦合晶體管放大電路的設(shè)計(jì)六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告(1)寫出設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)步驟及計(jì)算公式，畫出電路圖，并標(biāo)注元件參數(shù)值。(2)整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果，畫出波形。(3)進(jìn)行誤差分析。(4)總結(jié)提高電壓放大倍數(shù)采取的措施。(5)分析輸出波形失真的原因及性質(zhì)，并提出消除失真的方法。實(shí)驗(yàn)7-1單級(jí)阻容耦合晶體管放大電路的設(shè)計(jì)七、思考題(1)放大電路在小信號(hào)下工作時(shí)，電壓放大倍數(shù)決定于哪些因素？為什么加上負(fù)載后放大倍數(shù)會(huì)變化并與什么有關(guān)？(2)為什么必須設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)？(3)如何調(diào)整交流放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)？它在哪一點(diǎn)為好(即應(yīng)是多大才合適)？(4)盡管靜態(tài)工作點(diǎn)合適，但輸入信號(hào)過大，放大電路將產(chǎn)生何種失真？(5)電路中電容的作用是什么？電容的極性應(yīng)怎樣正確連接？實(shí)驗(yàn)7-2多級(jí)負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)學(xué)習(xí)多級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)方法。(2)掌握多級(jí)放大電路的安裝、調(diào)試與測(cè)量。(3)研究負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響。實(shí)驗(yàn)7-2多級(jí)負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)二、預(yù)習(xí)要求(1)參考教材中有關(guān)集成電路負(fù)反饋放大電路的工作原理，理解集成負(fù)反饋放大電路的基本特點(diǎn)。(2)掌握集成電路負(fù)反饋放大電路的主要性能指標(biāo)及基本分析方法。(3)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，估算電路閉環(huán)時(shí)的性能指標(biāo)，擬訂實(shí)驗(yàn)方案，準(zhǔn)備所需的實(shí)驗(yàn)記錄表格。實(shí)驗(yàn)7-2多級(jí)負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)三、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1．設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)由運(yùn)算放大器構(gòu)成的兩級(jí)負(fù)反饋放大電路。已知以下條件。(1)閉環(huán)時(shí)中頻電壓放大倍數(shù)：AuF=1000。(2)輸入電阻：Ri=20k。(3)負(fù)載電阻：RL=2k。(4)上限頻率：fH≤20kHz。(5)下限頻率：fL≤10kHz。(6)最大不失真輸出電壓：Uomax=5V。實(shí)驗(yàn)7-2多級(jí)負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)2．設(shè)計(jì)要求(1)確定負(fù)反饋放大電路的級(jí)數(shù)。(2)選擇合適的反饋形式。(3)根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇集成運(yùn)算放大器，計(jì)算所用的電阻值、耦合電容值。(4)測(cè)量中頻電壓放大倍數(shù)、下限頻率fL、上限頻率fH。實(shí)驗(yàn)7-2多級(jí)負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)四、設(shè)計(jì)原理與參考電路1．多級(jí)負(fù)反饋放大電路的組成原則(1)如果需要組成具有較寬頻帶的交流放大電路，應(yīng)選擇寬帶集成放大器，并使其處于深度負(fù)反饋。(2)若要得到較高增益的寬帶交流放大電路，可用兩個(gè)或兩個(gè)以上的單級(jí)交流放大電路級(jí)聯(lián)組成。(3)在設(shè)計(jì)小信號(hào)多級(jí)寬帶交流放大電路時(shí)，輸入到前級(jí)運(yùn)算放大電路的信號(hào)幅值較小，為了減小動(dòng)態(tài)誤差，應(yīng)選擇寬帶運(yùn)算放大電路，并使它處于深度負(fù)反饋。實(shí)驗(yàn)7-2多級(jí)負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)(4)加大負(fù)反饋深度，降低電壓放大倍數(shù)，從而達(dá)到擴(kuò)展頻帶寬度的目的。(5)由于輸入到后級(jí)運(yùn)算放大電路的信號(hào)幅度較大，因此，后級(jí)運(yùn)算放大電路在大信號(hào)的條件下工作時(shí)，影響誤差的主要因素是運(yùn)算放大電路的轉(zhuǎn)換速率，運(yùn)算放大電路的轉(zhuǎn)換速率越大，誤差越小。設(shè)計(jì)電路可參考圖7.2所示。圖7.2兩級(jí)交流放大電路參考電路實(shí)驗(yàn)7-2多級(jí)負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)2．多級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)方法1)確定放大電路的級(jí)數(shù)n根據(jù)多級(jí)放大電路的電壓放大倍數(shù)Au和所選用的每級(jí)放大電路的放大倍數(shù)Aui，確定多級(jí)放大電路的級(jí)數(shù)n。一般同相放大電路的電壓放大倍數(shù)在1～100之間，反相放大電路的電壓放大倍數(shù)在0.1～100之間。因此，此放大電路采用兩級(jí)就可以滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)7-2多級(jí)負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)2)選擇電路形式由于同相放大電路的輸入電阻比較高，在不接同相端的平衡電阻時(shí)，同相放大電路的輸入電阻在10～100M之間，接了同相端的平衡電阻后，輸入電阻主要由平衡電阻的值決定。反相放大電路的輸入電阻Ri=R1，R1的取值一般在1k～1M之間。3)最大不失真輸出電流可根據(jù)交流放大電路所要求的最大不失真輸出電壓Uomax計(jì)算。對(duì)于普通運(yùn)算放大器，其輸出電流一般都在十幾毫安左右。實(shí)驗(yàn)7-2多級(jí)負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)4)選擇集成運(yùn)算放大器首先初步選擇一種類型的運(yùn)算放大器，然后根據(jù)所選運(yùn)算放大器的單位增益帶寬BW，計(jì)算出每級(jí)放大器的帶寬fHi。(7-9)按式(7-9)算出(7-10)實(shí)驗(yàn)7-2多級(jí)負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)多級(jí)放大電路的總帶寬fH必須滿足，若不能滿足技術(shù)指標(biāo)提出的帶寬要求，此時(shí)可再選擇增益帶寬積更高的運(yùn)算放大器。當(dāng)所選用的運(yùn)算放大器滿足帶寬要求后，對(duì)末級(jí)放大器所選用的運(yùn)算放大器，其轉(zhuǎn)換速率SR必須滿足(7-11)否則會(huì)使輸出波形嚴(yán)重失真。此設(shè)計(jì)電路的第一級(jí)可選用A741，第二級(jí)可選用LF347。實(shí)驗(yàn)7-2多級(jí)負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)5)選擇供電方式在交流放大器中的運(yùn)算放大器可以采用單電源供電或正負(fù)雙電源供電方式。單電源供電與正負(fù)雙電源供電的區(qū)別是：?jiǎn)坞娫垂╇姷碾娢粎⒖键c(diǎn)為負(fù)電源端(此時(shí)負(fù)電源端接地)；而正負(fù)雙電源供電的參考電位是總電源的中間值(當(dāng)正負(fù)電源的電壓值相等時(shí)，參考電位為零)。實(shí)驗(yàn)7-2多級(jí)負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)6)計(jì)算各電阻值根據(jù)性能指標(biāo)要求，輸入電阻Ri為已知，因此第一級(jí)放大電路的輸入電阻既是平衡電阻，也是放大電路的輸入電阻。因此取RP1=Ri，由RP1=Rf1//R1和AuF1=1+Rf1/R1可得R1、Rf1值。對(duì)于第二級(jí)放大電路，可先確定R2，根據(jù)AuF2=-Rf2/R2求出Rf2。Rp2=R2//Rf2，Ri2=R2。實(shí)驗(yàn)7-2多級(jí)負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)7)計(jì)算耦合電容交流同相放大器耦合電容(7-12)第一級(jí)放大器與第二級(jí)放大器之間的耦合電容(7-13)第二級(jí)放大器輸出的耦合電容(7-14)實(shí)驗(yàn)7-2多級(jí)負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟(1)按設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)具體多級(jí)負(fù)反饋放大電路。(2)根據(jù)已知條件及性能指標(biāo)要求，計(jì)算出有關(guān)參數(shù)，確定所用的運(yùn)算放大器、電阻和電容(以上兩步要求在實(shí)驗(yàn)前完成)。(3)將設(shè)計(jì)電路在實(shí)驗(yàn)板上進(jìn)行連接，確定連接無誤后接上電源。實(shí)驗(yàn)7-2多級(jí)負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)(4)調(diào)整第一級(jí)放大電路。從第一級(jí)放大電路的輸入端輸入頻率為1kHz，幅度Uim為5mV的交流信號(hào)，用示波器在第一級(jí)放大電路的輸出端測(cè)出輸出電壓的幅值Uom1，根據(jù)Uim和Uom1算出該級(jí)的電壓放大倍數(shù)Au。實(shí)驗(yàn)7-2多級(jí)負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)將輸入信號(hào)的頻率改為20Hz，輸入信號(hào)的幅度保持5mV不變，測(cè)出對(duì)應(yīng)的輸出電壓，若，說明已達(dá)到指標(biāo)要求，若，說明C1、C2的值取得太小，應(yīng)加大C1的值。同時(shí)觀察對(duì)應(yīng)的輸出電壓，然后再改變C2的值，一直調(diào)到為止；若，說明C1、C2的值取得太大，應(yīng)減小C1的值，同時(shí)觀察對(duì)應(yīng)的輸出電壓，然后再改變C2的值，一直調(diào)到為止。實(shí)驗(yàn)7-2多級(jí)負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)(5)調(diào)整第二級(jí)放大電路。從第二級(jí)放大電路的輸入端輸入頻率為1kHz，幅度Uim為50mV的交流信號(hào)，用示波器在第二級(jí)放大器的輸出端測(cè)出輸出電壓的幅值Uom2，根據(jù)Uim和Uom2算出該級(jí)的電壓放大倍數(shù)AVF2。實(shí)驗(yàn)7-2多級(jí)負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)將輸入信號(hào)的頻率改為20Hz，輸入信號(hào)的幅度保持50mV不變，測(cè)出對(duì)應(yīng)的輸出電壓，若，說明已達(dá)到指標(biāo)要求，若，說明C2、C3的值取得太小，應(yīng)加大C2的值，同時(shí)觀察對(duì)應(yīng)的輸出電壓，然后再改變C3的值，一直調(diào)到為止；若，說明C2、C3的值取得太大，應(yīng)減小C2的值，同時(shí)觀察對(duì)應(yīng)的輸出電壓，然后再改變C3的值，一直調(diào)到為止。實(shí)驗(yàn)7-2多級(jí)負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)(6)兩級(jí)聯(lián)調(diào)。在以上兩級(jí)分別調(diào)試好的情況下，就可以將兩級(jí)放大電路連接起來調(diào)試。從放大電路的輸入端輸入頻率為1kHz，幅度Uim為5mV的交流信號(hào)，用示波器在放大電路的輸出端測(cè)出輸出電壓的幅值Uom，根據(jù)Uim和Uom算出該級(jí)的電壓放大倍數(shù)AVΣ實(shí)驗(yàn)7-2多級(jí)負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)然后將輸入信號(hào)的頻率改為20Hz，保持輸入信號(hào)的幅度5mV不變，測(cè)出對(duì)應(yīng)的輸出電壓，若，說明已達(dá)到指標(biāo)要求，若，可適當(dāng)加大C1的值，同時(shí)觀察對(duì)應(yīng)的輸出電壓，然后再改變C2與C3的值，一直調(diào)到為止；若，可適當(dāng)減小C1的值，同時(shí)觀察對(duì)應(yīng)的輸出電壓，然后再改變C2與C3的值，一直調(diào)到為止。(7)將修改后的元件參數(shù)值標(biāo)在設(shè)計(jì)的電路圖上，并對(duì)照計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)7-2多級(jí)負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告(1)根據(jù)已知條件及性能指標(biāo)要求，計(jì)算電路元件參數(shù)。(2)畫出電路圖。(3)列出設(shè)計(jì)步驟和電路中各參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。(4)詳細(xì)說明性能指標(biāo)的測(cè)試過程。(5)整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將實(shí)驗(yàn)值與理論值比較，分析產(chǎn)生誤差的原因。實(shí)驗(yàn)7-2多級(jí)負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)七、思考題(1)如何確定放大電路的級(jí)數(shù)？(2)如何選擇集成運(yùn)算放大器？(3)單電源供電與雙電源供電有什么區(qū)別？(4)多級(jí)放大電路的總帶寬必須滿足什么條件？(5)為什么要單獨(dú)對(duì)兩級(jí)放大電路分別進(jìn)行調(diào)試？實(shí)驗(yàn)7-3模擬運(yùn)算電路設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)掌握反相比例運(yùn)算、同相比例運(yùn)算、加法和減法運(yùn)算電路的原理，設(shè)計(jì)方法及測(cè)量方法。(2)能正確分析運(yùn)算精度與運(yùn)算電路中各元件參數(shù)之間的關(guān)系，能正確理解“虛斷”、“虛短”的概念。實(shí)驗(yàn)7-3模擬運(yùn)算電路設(shè)計(jì)二、預(yù)習(xí)要求(1)預(yù)習(xí)集成運(yùn)算放大器基本運(yùn)算電路的工作原理。(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，自擬實(shí)驗(yàn)方法和調(diào)試步驟。實(shí)驗(yàn)7-3模擬運(yùn)算電路設(shè)計(jì)三、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1．設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)能實(shí)現(xiàn)下列運(yùn)算關(guān)系的運(yùn)算電路：技術(shù)要求：輸出失調(diào)電壓Uo≤±5mV。2．設(shè)計(jì)要求(1)確定電路方案，計(jì)算并選取電路的元件參數(shù)。(2)電路穩(wěn)定，無自激振蕩。實(shí)驗(yàn)7-3模擬運(yùn)算電路設(shè)計(jì)四、設(shè)計(jì)原理與參考電路在應(yīng)用集成運(yùn)算放大器時(shí)，必須注意以下問題：集成運(yùn)算放大器是由多級(jí)放大電路組成的，將其閉環(huán)構(gòu)成深度負(fù)反饋時(shí)，可能會(huì)在某些頻率上產(chǎn)生附加相移，造成電路工作不穩(wěn)定，甚至產(chǎn)生自激振蕩，使運(yùn)算放大器無法正常工作，所以必須在相應(yīng)運(yùn)算放大器規(guī)定的引腳端接上相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。在需要放大含直流分量信號(hào)的應(yīng)用場(chǎng)合，為了補(bǔ)償運(yùn)算放大器本身失調(diào)的影響，保證在集成運(yùn)算放大器閉環(huán)工作后，輸入為零時(shí)輸出為零，必須考慮調(diào)零問題。為了消除輸入偏置電流的影響，通常讓集成運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入端對(duì)地直流電阻相等，以確保其處于平衡對(duì)稱的工作狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)7-3模擬運(yùn)算電路設(shè)計(jì)1．反相比例運(yùn)算電路電路如圖7.3所示。信號(hào)由反相端輸入，輸出與相位相反。輸出電壓經(jīng)反饋到反相輸入端，構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，應(yīng)注意，也是集成運(yùn)算放大器的一個(gè)負(fù)載，為保證電路正常工作，應(yīng)滿足，另外應(yīng)選擇，其中為閉環(huán)輸入電阻，為輸入平衡電阻，由“虛短”、“虛斷”原理可知，該電路的閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為，輸入電阻為。實(shí)驗(yàn)7-3模擬運(yùn)算電路設(shè)計(jì)圖7.3反相比例運(yùn)算電路實(shí)驗(yàn)7-3模擬運(yùn)算電路設(shè)計(jì)2．同相比例運(yùn)算電路電路如圖7.4所示。它屬電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，其輸入阻抗高，輸出阻抗低，具有放大及阻抗變換作用，通常用于隔離或緩沖級(jí)。其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為

當(dāng)Rf

=0(或R1

=∞)，AuF

=1，即輸出電壓與輸入電壓大小相等相位相同，這種電路稱為電壓跟隨器。它具有很大的輸入電阻和很小的輸出電阻，其作用與晶體管射極跟隨器相似。實(shí)驗(yàn)7-3模擬運(yùn)算電路設(shè)計(jì)同相輸入比例電路必須考慮共模信號(hào)問題。對(duì)于實(shí)際運(yùn)算放大器來說，加于兩個(gè)輸入端上的共模電壓接近于信號(hào)電壓Ui，差模放大倍數(shù)AuD不是無窮大，共模放大倍數(shù)AuC也不是零，共模抑制比KCMR為有限值，那么共模輸入信號(hào)將產(chǎn)生一個(gè)輸出電壓，這必然引起運(yùn)算誤差。另外，同相輸入必然在集成運(yùn)算放大器輸入端引入共模電壓，而集成運(yùn)算放大器的共模輸入電壓范圍是有限的，所以同相輸入時(shí)運(yùn)算放大器輸入電壓的幅度受到限制。圖7.4同相比例運(yùn)算電路實(shí)驗(yàn)7-3模擬運(yùn)算電路設(shè)計(jì)3．加法運(yùn)算電路加法運(yùn)算電路根據(jù)輸入信號(hào)是從反相端輸入還是從同相端輸入，分為反相加法電路與同相加法電路兩種，分別如圖7.5和圖7.6所示。圖7.5反相加法運(yùn)算電路實(shí)驗(yàn)7-3模擬運(yùn)算電路設(shè)計(jì)圖7.6同相加法運(yùn)算電路實(shí)驗(yàn)7-3模擬運(yùn)算電路設(shè)計(jì)在理想條件下，圖7.5所示反相加法電路的輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系為(7-15)同理，在理想條件下，圖7.6所示同相加法電路的輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系為(7-16)由式(7-16)可知，Rb與每個(gè)回路的電阻有關(guān)，因此要滿足一定比例系數(shù)時(shí)，電阻的選配比較困難，調(diào)節(jié)不大方便。一般都用反相加法運(yùn)算電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)7-3模擬運(yùn)算電路設(shè)計(jì)4．減法運(yùn)算電路電路如圖7.7所示，當(dāng)R1=R3，R2=R4時(shí)，該電路實(shí)際上是一個(gè)差動(dòng)放大電路，可根據(jù)疊加原理得(7-17)式(7-17)是在滿足R1

=R3，R2

=R4

的條件下得到的，所以實(shí)驗(yàn)中必須嚴(yán)格地選配電阻R1、R3、R2、R4的值。而表示的是這個(gè)電路的差模電壓放大倍數(shù)，即

(7-18)實(shí)驗(yàn)7-3模擬運(yùn)算電路設(shè)計(jì)當(dāng)輸入共模信號(hào)時(shí)，有ui1=ui2，所以這個(gè)電路的共模電壓放大倍數(shù)為0。利用虛短的概念，可以得到這個(gè)差動(dòng)放大器的輸入電阻。另外，在實(shí)際電路中，要提高電路運(yùn)算精度，必須選用高KCMR的運(yùn)算放大器。設(shè)計(jì)過程中的元件參數(shù)的選擇，可利用上述公式確定。圖7.7減法運(yùn)算電路實(shí)驗(yàn)7-3模擬運(yùn)算電路設(shè)計(jì)五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟(1)根據(jù)已知條件和設(shè)計(jì)要求，選定設(shè)計(jì)電路方案。(2)畫出設(shè)計(jì)原理圖，并計(jì)算已選定各元器件參數(shù)。(3)在實(shí)驗(yàn)電路板上安裝所設(shè)計(jì)的電路，檢查實(shí)驗(yàn)電路接線無誤之后接通電源。(4)調(diào)整元件參數(shù)，使其滿足設(shè)計(jì)計(jì)算值要求，并將修改后的元件參數(shù)值標(biāo)在設(shè)計(jì)的電路圖上。(5)按表7-1所示的輸入數(shù)據(jù)測(cè)量輸出電壓值，并與理論值比較。實(shí)驗(yàn)7-3模擬運(yùn)算電路設(shè)計(jì)輸入信號(hào)Ui1-0.5V-0.3V0V0.3V0.5V0.7V1V1.2V輸入信號(hào)Ui2-0.2V0V0.3V0.2V0.3V0.4V0.5V0.6V輸入信號(hào)Ui31.2V-0.2V0.5V0V0.1V0V0.2V0.3V實(shí)際測(cè)量Uo理論計(jì)算Uo表7-1輸出電壓測(cè)量實(shí)驗(yàn)7-3模擬運(yùn)算電路設(shè)計(jì)六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告(1)畫出設(shè)計(jì)方案的原理圖(2)計(jì)算主要元器件參數(shù)。(3)元器件選擇。(4)記錄、整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫出輸入與輸出電壓的波形，分析結(jié)果。(5)定性分析產(chǎn)生運(yùn)算誤差的原因。(6)回答思考題。(7)寫出心得體會(huì)。實(shí)驗(yàn)7-3模擬運(yùn)算電路設(shè)計(jì)七、思考題(1)理想運(yùn)算放大器具有哪些特點(diǎn)？(2)運(yùn)算放大器用作模擬運(yùn)算電路時(shí)，“虛短”、“虛斷”能永遠(yuǎn)滿足嗎？試問：在什么條件下“虛短”、“虛斷”將不再存在？實(shí)驗(yàn)7-4有源濾波器設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)學(xué)習(xí)有源濾波器的設(shè)計(jì)方法。(2)熟悉用運(yùn)算放大器和電阻、電容構(gòu)成的有源濾波器。(3)了解電阻、電容和Q值對(duì)濾波器性能的影響。(4)掌握有源濾波器的調(diào)試方法。實(shí)驗(yàn)7-4有源濾波器設(shè)計(jì)二、預(yù)習(xí)要求(1)復(fù)習(xí)教材中有關(guān)有源濾波器的工作原理。(2)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，選用濾波器電路，計(jì)算電路中各元件的數(shù)值，設(shè)計(jì)出滿足技術(shù)指標(biāo)的濾波器。(3)根據(jù)設(shè)計(jì)與計(jì)算的結(jié)果，寫出預(yù)習(xí)報(bào)告。(4)擬訂出實(shí)驗(yàn)步驟與實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)7-4有源濾波器設(shè)計(jì)三、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1．設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)巴特沃斯二階有源低通濾波器。具體要求如下。(1)截止頻率：=200Hz。(2)通帶電壓放大倍數(shù)：AuF

=2。(3)在f=10時(shí)，要求幅度衰減大于30dB。實(shí)驗(yàn)7-4有源濾波器設(shè)計(jì)2．設(shè)計(jì)要求(1)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和已知條件，選定設(shè)計(jì)電路方案，計(jì)算并選取電路中的各元器件參數(shù)。(2)測(cè)試二階有源低通濾波器的幅頻響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)7-4有源濾波器設(shè)計(jì)四、設(shè)計(jì)原理與參考電路在實(shí)際的電子系統(tǒng)中，輸入信號(hào)往往包含一些不需要的信號(hào)成分，必須設(shè)法將它衰減到足夠小的程度，或者采用濾波器把有用的信號(hào)挑選出來。濾波器是一種選頻電路，它是一種能使有用信號(hào)通過，而同時(shí)抑制無用頻率信號(hào)的電子裝置。這里設(shè)計(jì)的是由運(yùn)算放大器和R、C等組成的有源模擬濾波器，由于集成運(yùn)算放大器的帶寬有限，目前有源濾波器的最高工作頻率只能達(dá)到1MHz(參考電路略)。實(shí)驗(yàn)7-4有源濾波器設(shè)計(jì)有源濾波器的形式有幾種，下面對(duì)巴特沃斯二階有源低通濾波器的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。(1)求傳遞函數(shù)。可以證明巴特沃斯二階有源低通濾波器的幅頻特性為(7-19)式中，實(shí)驗(yàn)7-4有源濾波器設(shè)計(jì)特征角頻率就是3dB截止角頻率。因此，上限截止頻率為(7-20)當(dāng)Q=0.707時(shí)，這種濾波器稱為巴特沃斯濾波器。實(shí)驗(yàn)7-4有源濾波器設(shè)計(jì)(2)根據(jù)阻帶衰減速率要求，確定濾波器的階數(shù)n。任何高階濾波器都可由一階和二階濾波器級(jí)聯(lián)而成。對(duì)于n為偶數(shù)的高階濾波器，可以由n/2節(jié)二階濾波器級(jí)聯(lián)而成，而n為奇數(shù)的高階濾波器可以由(n-1)/2節(jié)二階濾波器和一節(jié)一階濾波器級(jí)聯(lián)而成，因此一階濾波器和二階濾波器是高階濾波器的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)7-4有源濾波器設(shè)計(jì)當(dāng)<o時(shí)，二階有源低通濾波器的幅頻特性為兩邊取對(duì)數(shù)，得(7-21)(7-22)此時(shí)阻帶衰減速率為：-20ndB/十倍頻或-6ndB/倍頻，該式稱為衰減估算式實(shí)驗(yàn)7-4有源濾波器設(shè)計(jì)(3)選擇電容C。①當(dāng)AuF=1時(shí)，先取R1=R2=R，然后再計(jì)算C1和C2。②當(dāng)AuF≠1時(shí)，取R1=R2=R，C1=C2=C。(7-23)實(shí)驗(yàn)7-4有源濾波器設(shè)計(jì)(4)計(jì)算電阻R1、R2的阻值。由于當(dāng)AuF≠1時(shí)，可取R1=R2=R，C1=C2=C。因?yàn)樗詫?shí)驗(yàn)7-4有源濾波器設(shè)計(jì)(5)計(jì)算R3、Rf。(7-24)(7-25)實(shí)驗(yàn)7-4有源濾波器設(shè)計(jì)五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟(1)按設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)、安裝電路。(2)仔細(xì)檢查安裝好的電路，確定元器件與導(dǎo)線連接無誤后，接通電源。(3)在電路的輸入端加入U(xiǎn)i=1V的正弦信號(hào)，用毫伏表觀察輸出電壓的變化，在濾波器的截止頻率附近，觀察電路是否具有濾波特性。若沒有濾波特性，應(yīng)檢查電路，找出故障原因并排除。實(shí)驗(yàn)7-4有源濾波器設(shè)計(jì)(4)若電路具有濾波特性，觀察其截止頻率是否滿足設(shè)計(jì)要求，若不滿足設(shè)計(jì)要求，根據(jù)有關(guān)公式，確定調(diào)整哪一個(gè)元器件才能使截止頻率既能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，又不會(huì)對(duì)其他的指標(biāo)參數(shù)產(chǎn)生影響。然后觀測(cè)電壓放大倍數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求，若達(dá)不到要求，根據(jù)相關(guān)的公式調(diào)整有關(guān)元器件，使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)7-4有源濾波器設(shè)計(jì)(5)當(dāng)各項(xiàng)指標(biāo)都滿足設(shè)計(jì)要求后，保持Ui=1V不變，改變輸入信號(hào)的頻率，分別測(cè)量濾波器的輸出電壓，根據(jù)測(cè)量結(jié)果畫出幅頻特性曲線，并將測(cè)量的截止頻率fH、通帶電壓放大倍數(shù)AuF與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)7-4有源濾波器設(shè)計(jì)六、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求(1)根據(jù)給定的指標(biāo)要求，計(jì)算出元器件參數(shù)。(2)繪出所設(shè)計(jì)的電路圖，并標(biāo)明元器件的參數(shù)。(3)用表格形式列出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。以頻率的對(duì)數(shù)為橫坐標(biāo)，電壓增益的分貝數(shù)為縱坐標(biāo)，繪出低通濾波器的幅頻特性。(4)簡(jiǎn)要說明測(cè)試結(jié)果與理論值有一定差異的主要原因。實(shí)驗(yàn)7-4有源濾波器設(shè)計(jì)七、思考題(1)若截止頻率不滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)該調(diào)整哪一個(gè)元器件才能使截止頻率達(dá)到要求？(2)若AuF=3，當(dāng)=

o時(shí)電路將出現(xiàn)怎樣的情況？實(shí)驗(yàn)7-5直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步掌握整流與穩(wěn)壓電路的工作原理。(2)學(xué)會(huì)電源電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試方法。(3)熟悉集成穩(wěn)壓器的特點(diǎn)，學(xué)會(huì)合理選擇使用。實(shí)驗(yàn)7-5直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)二、預(yù)習(xí)要求(1)復(fù)習(xí)穩(wěn)壓電源工作原理。(2)按設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)出電路圖。實(shí)驗(yàn)7-5直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)三、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1．設(shè)計(jì)任務(wù)(1)設(shè)計(jì)一個(gè)直流穩(wěn)壓電源。具體技術(shù)指標(biāo)如下。①輸出直流電壓：+9V。②最大輸出電流：Iomax

=500mA。③紋波電壓≤5mV。(2)擴(kuò)大輸出電壓調(diào)節(jié)范圍為+9～+12V，提高最大輸出電流值，要求在實(shí)驗(yàn)儀上完成。實(shí)驗(yàn)7-5直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)2．設(shè)計(jì)要求(1)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和已知條件，確定電路方案，計(jì)算并選取放大電路的各元器件參數(shù)。(2)制定出實(shí)驗(yàn)方案，選擇實(shí)驗(yàn)用的儀器、儀表。(3)測(cè)量出各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)7-5直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)四、設(shè)計(jì)原理與參考電路集成穩(wěn)壓器在各種電子設(shè)備中應(yīng)用十分普遍，它的種類很多，應(yīng)根據(jù)設(shè)備對(duì)直流電源的要求來進(jìn)行選擇。對(duì)于大多數(shù)電子儀器、設(shè)備和電子電路來說，三端式穩(wěn)壓器應(yīng)用非常廣泛，它僅有三個(gè)引出端：輸入端、輸出端和公共端。目前常用的有最大輸出電流Io

max=100mA的W78L××(W79L××)系列，Io

max=500mA的W78M××(W79M××)系列和Iomax