實驗集成運算放大器及應用

實驗集成運算放大器及應用第一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用一、實驗目的

1、掌握用集成運算放大器組成比例、求和電路的特點及性能。

2、學會上述電路的測試和分析方法。

3、學會用運算放大器組成積分微分電路；

4、掌握積分微分電路的特點及性能。二、實驗儀器

1、數字萬用表

2、直流穩(wěn)壓電源

3、信號發(fā)生器

4、低頻實驗箱三、實驗原理

1、運算放大器的分類和基本特性（1）運算放大器的分類—通用性運放、高輸入阻抗運放、低失調低漂移運放、斬波穩(wěn)零集成運放。第二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用三、實驗原理

1、運算放大器的分類和基本特性（2）運算放大器的基本特性

盡管運算放大器的種類很多，用途各異，但它們都是由差動直接耦合的多級大器構成的，它們都有兩個輸入端和一個輸出端。從本質上看，集成運放是一種高性能的直接耦合放大電路。運算放大器的電路符號如圖12-1所示，其中U+為同相輸入信號，U－為反相輸入信號，U0為輸出信號。圖12-1運算放大器的符號第三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用三、實驗原理

1、運算放大器的分類和基本特性（2）運算放大器的基本特性在線性工作時，應滿足下列關系：

uo=Aod

（u＋-u-）式中Aod

為運算放大器的開環(huán)差模電壓放大倍數，通常都大于

80db(104)。正常工作時，輸出電壓Uo為有限值，這樣就有：

U+－U－＝Uo/Aod≈0 (12—1)

由于U+-U-趨于零，而放大器輸入電阻很大，所以流進運算放大器的電流i亦必趨于零，即

ii≈0 (12—2)

（12－１）和（12－２）式是分析集成運算放大器應用電路的基本出發(fā)點。第四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用三、實驗原理

1、運算放大器的分類和基本特性（2）運算放大器的基本特性運算放大器另一個特點是在靜態(tài)時，輸出電壓Uo為零，這給電路的設計帶來了很大的方便。由于運算放大器具有以上特點，如配有不同的外接電路，就可以完成不同的功能，以達到不同的目的。

2、運算放大器的使用注意事項在使用運算放大器之前，必須了解應注意的事項，否則非但達不到預期的效果，而且還會損壞器件。

(1)在使用之前，必須認真閱讀產品說明書，了解運算放大器的使用極限參數，幾何尺寸和管腳分布情況。

(2)運算放大器在使用之前必須調零。第五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用三、實驗原理

2、運算放大器的使用注意事項

(3)為了減小和避免輸入端基極電流在外電路上的壓降不對稱而引起輸出偏離零值，在設計外電路時要盡量保證兩個輸入端的外接電路的直流電阻相等。

(4)為了運算放大器的應用范圍，往往采取外接可調偏流的方法。如果改變組件中某一級的偏置狀態(tài)，可以使它具有不同特性。

(5)注意布線問題。

(6)運算放大器的開環(huán)增益都很高，而在實際應用中又都加很深的反饋，這樣就很容易引起自激振蕩，所以在使用時，必須閱讀產品說明書，按給定的數值和接法接上電容，進行頻率補償。第六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用三、實驗原理

2、運算放大器的使用注意事項

(7)在使用時，為避免因雙端輸入信號的幅度過大而損壞運放的輸入級，可在輸入端加二極管雙向限幅保護電路，如圖12-2所示。限幅二極管采用小功率硅開關管(2CK型)。避免因輸出端瞬時短路而損壞輸出級，往往在輸出端與反饋引出點之間串人一電阻R3，如圖12-3所示。R3值越大，保護效果越好，輸出電阻和電壓增益指標越差，使用時要綜合考慮。圖12-2輸入級保護圖12-3輸出短路保護第七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用三、實驗原理

3、運算放大器參數測試的基本原理運算放大器的參數即技術指標共14項，其中最重要的有四個，即輸入失調電壓UIO，輸入失調電流IIO，開環(huán)差模電壓增益AOd，共模抑制比CMRR。下面將這四個參數的測試原理和方法分別加以介紹。（1）輸入失調電壓UIO的測試在理想情況下，運算放大器的輸入為零時，其輸出也為零。但在實際制造過程中，很難保證運放內部管子的特性完全一致和輸入級的完全對稱，這樣就造成輸入為零而輸出不為零的現象。為了使輸出為零，必須在輸入端加一補償電壓，這個補償電壓就稱為輸入失調電壓UIO

。UIO

越大，說明電路對稱性越差。UIO

的測試原理圖如圖12-4所示。第八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用三、實驗原理

3、運算放大器參數測試的基本原理（1）輸入失調電壓UIO的測試由圖12-4可得

UIO＝UO/(1+)

圖中為閉環(huán)增益，R1＝100Ω,Rf＝10kΩ,則

UIO≈UO／100

圖12-4UIO

的測試原理圖第九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用三、實驗原理

3、運算放大器參數測試的基本原理（2）輸入失調電流IIO的測試輸入失調電流IIO是指當輸入信號為零時，兩輸入端靜態(tài)基極電流Ib1與Ib2之差，即

IIO＝Ib1－Ib2，如圖12-5所示。

IIO

越小說明差動輸入級對稱性越好。輸入失調電流的測試原理如圖12-6所示。首先。把單刀雙擲開關K合上，此時可測出輸出失調電壓。然后打開開關K，這時輸出電壓除包含因輸出失調電壓而產生的外，還含有由輸入失調電流在上造成的電壓在輸出端上產生的電壓差。圖12-5輸入失調電流第十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用三、實驗原理

3、運算放大器參數測試的基本原理（2）輸入失調電流IIO的測試因此，在Rb＞＞R、

Rf＞＞R的條件下，總的輸出電壓

UO2＝(1+)(UIO+IIORb)

＝UO1＋(1+)IIORb

圖12-6輸入失調電流測試原理圖第十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用三、實驗原理

3、運算放大器參數測試的基本原理（2）輸入失調電流IIO的測試

失調電流為IIO＝×

為了使(U02－U01)足夠大以便于測試，Rb的數值不應太小。（3）開環(huán)差模電壓增益AOd的測試

AOd是指運放無外加反饋情況下的差模電壓增益，它是決定運算精度的重要因素。不同型號的運算放大器的AOd值差異很大，一般在60dB～140dB，常用的F007型運算放大器AOd在100dB

左右。在實際測試參數AOd

時，為了避免由于零點漂移的影響，使輸出端不能長時間保持平衡狀態(tài)，以至影響測量精度，通常采用交流信號測試，只要測試頻率低于該運放的第一極點頻率。第十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用三、實驗原理

3、運算放大器參數測試的基本原理（3）開環(huán)差模電壓增益AOd的測試測試參數AOd

的原理如圖12-7所示。按下式可計算出AOd圖12-7測試Aod的原理圖第十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用三、實驗原理

3、運算放大器參數測試的基本原理（4）共模抑制比CMRR的測試共模抑制比CMRR是衡量差動輸入級對稱程度的重要標志，它是差模放大倍數之比并取分貝數，即

CMRR＝20lg||

一般CMRR的值在70～

100db，高質量的可達100db。

CMRR的測試電路如圖

12-8所示。運算放大器工作在閉環(huán)狀態(tài)，其差模增益AOd＝Rf/R,

其共模增益AOO＝UO／US。所以，只要測出UO和US，就可求出。圖12-8測試CMRR的原理圖

第十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用三、實驗原理

3、運算放大器參數測試的基本原理（4）共模抑制比CMRR的測試

CMRR＝20lg()

為了保證測試精度，必須使R＝R’，Rf＝Rf’否則會產生附加差模輸入電壓，而造成對共模輸入電壓的測量誤差。

4、運算放大器在信號運算方面的應用運算放大器可用于對信號進行比例運算、求和運算、積分運算和微分運算等方面，下面介紹實現這幾種運算的基本原理和基本電路。第十五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用三、實驗原理

4、運算放大器在信號運算方面的應用（1）反相比例加法器圖12-9中輸出和輸入是反相的，所以稱為反相比例加法器。根據運算放大器的基本特性可知，

U+－U－≈0即

U+≈U－。由于U+＝0，所以U-=0，從而有

圖12-9反相比例加法器

第十六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用三、實驗原理

4、運算放大器在信號運算方面的應用（1）反相比例加法器

I1＝Ui1/R1,，I2＝Ui2/R2,，In＝Uin/Rn

因為U-≈0，所以輸入和輸出是比例相加的關系。Rf/Rk是比例系數。如果

R1=R2=……=Rn時，則稱為加法器。這時應有第十七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用三、實驗原理

4、運算放大器在信號運算方面的應用（1）反相比例加法器為了保持直流對稱，在圖12-9中應有如果只有一個輸入信號，如Ui,則U0＝-，此時即為反相比例運算電路。（2）同相比例加法器如果信號電壓由同相輸入端輸入，如圖12-10所示?？蓸嫵赏啾壤臃ㄆ?，根據米爾曼定理，圖中

第十八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用三、實驗原理

4、運算放大器在信號運算方面的應用（2）同相比例加法器

U－＝U＋，所以圖12-10同相比例加法器第十九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用三、實驗原理

4、運算放大器在信號運算方面的應用（2）同相比例加法器

式中Rq為Ri1,Ri2……Rin并聯后的等效電阻。如果Ri1＝Ri2＝……Rin則上式可變?yōu)榇藭r圖12-10的電路是同相加法器。以上運算電路都是代數相加，即輸入端的電壓可正可負實現加減法。第二十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用三、實驗原理

4、運算放大器在信號運算方面的應用（3）差動輸入比例加法器除同相和反相輸入構成的比例加減法運算外，還可以在兩個輸入端同時輸入信號，即所謂差動輸入方式，如圖12-11所示。圖中R＝Rf，R1＝R2

用疊加原理，分別算出Ui1和Ui2產生的輸入電壓，然后再相加，可得出輸出與輸入的關系。圖12-11差動輸入比例加法器第二十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用三、實驗原理

4、運算放大器在信號運算方面的應用（3）差動輸入比例加法器

令Ui2＝0,

令Ui1＝0,

所以

利用R＝Rf、R1＝R2的條件可簡化為第二十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用三、實驗原理

4、運算放大器在信號運算方面的應用（4）積分運算在圖12-12中，因為

U＋＝0，所以U－＝0，并有

I1＝Ui1／R1,I2＝Ui2／R2

……,In＝Uin／RnI＝I1＋I2＋……＋In

圖12-12積分運算電路第二十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用三、實驗原理

4、運算放大器在信號運算方面的應用（4）積分運算為了直流平衡，圖12-12中Rp應為R1,R2,Rn的并聯值，

Cp=C。在進行積分運算前，為了減少UIO和IIO對輸出的影響，首先應調零，為此接入Rf，在調零時，合上開關K，C積累的電荷釋放掉。此時運放接成比例電路，調零使輸出基本為零。在開始積分時，打開K。（5）微分運算在圖12-13中，U－＝U＋＝0，即U0與Ui的微分成正比。

第二十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用三、實驗原理

4、運算放大器在信號運算方面的應用（5）微分運算圖12-12電路存在下列缺點：①由于輸出電壓正比于輸入電壓的變化率，因此對后者的噪聲成分非常敏感，使輸出端的信噪比嚴重下降。②由于反饋電路構成RC

滯后環(huán)，運放容易產生自激。③輸入電壓的突變有可能使運放輸入超過組件允許的共模電壓，致使組件阻塞造成“自鎖”。圖12-13基本微分運算電路

第二十五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用三、實驗原理

4、運算放大器在信號運算方面的應用（5）微分運算解決的辦法是如圖

12-14所示的微分電路：①輸入端引入小電阻R1與C串聯，以限制噪聲和輸入突變電壓。②在反饋電路中加入C1與Rf并聯，使C1Rf≈R1C，用以進行相應補償防止自激。圖12-14微分運算電路

第二十六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用三、實驗原理

4、運算放大器在信號運算方面的應用（5）微分運算③在反饋回路中加反向串聯的兩個穩(wěn)壓管，以限制輸出電壓幅度。④在R’兩端并聯C’＝C+C1以進一步進行相位補償。

5、運算放大器在信號處理方面的應用（選做）在自動控制系統(tǒng)中，運算放大器經常用在信號幅度比較、信號幅度的選擇、信號的采樣和保持，信號的有源濾波等方面?，F就利用運算放大器組成有源濾波器作一簡單介紹。濾波器是一種電子電路，它能使某一范圍內的頻率信號順利通過，而對在此范圍外的頻率信號則產生很大衰減。它常用在信息的傳遞和處理，干擾的抑制等方面。濾波器分為由R、L、C等無源元件第二十七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用三、實驗原理

5、運算放大器在信號處理方面的應用（選做）組成的“無源濾波器”和由運算放大器及RC網絡組成的“有源濾波器”兩種。后者具有重量輕、體積小、增益可以調節(jié)等優(yōu)點，因而被廣泛采用。濾波器以它工作的頻率范圍分為：低通濾波器（即低頻容易通過而高頻不易通過），高通濾波器（和低通相反），帶通濾波器（能順利通過某一頻率范圍的信號，而在此范圍之外的將受到很大抑制），帶阻濾波器（和帶通相反）。

6、運算放大器在波形產生與變換方面的應用（選做）運算放大器加上一些電阻、電容和其他一些半導體器件，就可構成正弦波，矩形波（方波）和鋸齒波等波形發(fā)生器。第二十八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用四、實驗內容：

1、電壓跟隨器：實驗電路如圖12-15所示。按表12-1內容實驗并記錄。圖12-15電壓跟隨器Vi（V）－2－０.５０＋０.５１VO（V）RL=∞RL=5K1表12-1第二十九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用四、實驗內容：

2、反相比例放大器實驗電路如圖12-16所示。按表12-２內容實驗并測量記錄。圖12-16反相比例放大器

直流輸入電壓U1(mV)30100300500輸出電壓U0理論估算(mV)實測值(mV)誤差表12-２

第三十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用四、實驗內容：

3、同相比例放大器電路如圖12-17所示按表12-3實驗測量并記錄。圖12-25同相比例放大器直流輸入電壓UI（mV）30100300500輸出電壓U0理論估算(mV)實測值(mV)誤差表12-3第三十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二集成運算放大器及應用四、實驗內容：

4、反相求和放大電路實驗電路如圖12-18所示。按表12-4內容進行實驗測量并記錄。圖18-18反相求和放大電路

Vi1(V)0.3-0.3Vi2(V)0.20.2V0(V)表12-4第三十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期二