实验04-运放基本运用.ppt

对号就座并签到、班干部清点并发放万用表及工具。交上次实验报告，本次预习报告放桌面。,实验4集成运算放大器的基本运用,一、实验目的,1.掌握集成运算放大器的正确使用方法同相输入/反相输入。2.掌握用集成运算放大器构成各种基本运算电路的方法。,3.进一步熟练使用示波器DC、AC输入方式观察波形的方法。*重点掌握积分器输入、输出波形的测量和描绘方法。,检查上节内容自学效果,信号源&示波器的操作调整并显示一个500Hz，幅度1V的正方波后面实验要用到,计时开始,运放电路分析基本方法摘自理论课程,以同相放大器电路为例：,图中输出通过负反馈的作用，使vn自动地跟踪vp，即vpvn，或vidvpvn0。这种现象称为虚假短路，简称虚短。由于运放的输入电阻ri很大，,所以，运放两输入端之间的ip=-in=(vpvn)/ri0，这种现象称为虚断。,由运放引入负反馈而得到的虚短和虚断两个重要概念，是分析由运放组成的各种线性应用电路的利器，必须熟练掌握。,集成运算放大器的基本应用1.反相比例运算(放大器),设运放为理想器件，则右图电路的,(2)为减小偏置电流不良影响，增加直流平衡电阻Rp=RfR1。(3)若Rf=R1，则为倒相器，可作为信号的极性转换电路。,(1)表面上似乎直接有RfR1Av；但电阻选择还有其他条件限制，如：R1大则引起较大的失调温漂；若RfRiAv大到MW级别，低档电阻本身都不太稳定，故通常限定Rf为几十千欧几百千欧。在此限定下，若Ri和Av设计要求相矛盾则应改电路！,设计经验提示：设计要求一般是规定Ri和Av（如教材P80的提法）,属于电压并联负反馈，有：输出电阻Ro0(很好)输入电阻RiR1(！？不够大),闭环电压增益,信号从反相端输入,集成运算放大器的基本应用2.同相放大器,闭环电压增益,信号从同相端输入,直流平衡电阻Rp=R1/RF,若Rf0，R1=（开路），则为电压跟随器。电压相等但阻抗不同，一般做缓冲级及隔离级,同相放大器采用电压串联负反馈，所以输入阻抗非常高（理想状态是无穷大），同时电路输出阻抗很低（接近0）。因此广泛用于前置放大级。,集成运算放大器的基本应用3.反相比例加法运算,由分析可得：,当R1R2R时，则有,从基本比例放大电路可延伸出其他的基本应用，比如加法器,同样，为保持输入端直流静态平衡常在同相输入端加上平衡电阻，RR1/R2/R3。,集成运算放大器的基本应用4.反相比例减法运算,从基本比例放大电路可延伸出其他的基本应用，比如减法器,有,当R1=R2，R3R4时，,在精度要求低的场合，直流平衡电阻影响很小，其阻值不必精确甚至可短路掉；但此处的R3兼有平衡和分压双重作用，故阻值要根据分压来精确计算并正确匹配。,集成运算放大器的基本应用5.积分器,式中，RC为积分时间常数。,若输入频率远低于右式（如直流输入）,则电路稳态近似一个反相器，其低频电压增益最大不过,右图理想化分析结果是,若输入为直流(电压=Vi)，则在C充电过程中有但运放输出受电源电压限制，故输出不可能如实验教材所示无限增加，而是到最大值后恒定。,由于电容C的容抗随输入信号的频率降低而增加,结果是输出电压随频率降低而增加。,实际的积分器如下图(a),增加的直流负反馈电阻RF比较大（RF小就成了一阶低通滤波器）。不过RF对C有分流作用，导致积分误差，为此通常要求RF10R1、C1F。若输入电压为正负对称方波，则输出稳态波形为对称三角波，波形如图(b)所示：,（a）,（b）,集成运算放大器的基本应用4.积分器,集成运算放大器的基本应用6.微分器,由于电容C的容抗随输入信号的频率升高而减小,结果是输出电压随频率升高而增加。为限制电路的高频电压增益，多在输入端与电容C之间接入一小电阻Rs,实际的微分器电路如下图(a)所示。若输入电压为正负对称的三角波，则输出电压为正负对称方波，其波形关系如图(b)所示。,式中，RFC为微分时间常数。,右图理想化分析结果是,集成运放直流供电电源问题,运放常用对称双电源供电，此方式下直流工作电源电压应在3V18V范围内，而电源电压也限定了输出交流信号的峰值电压。例如选定电源电压是12V，则输出信号正峰/负峰的最大值不会超过12V（考虑运放自身约0.7V的片内压降，输出最大值会更低些）。当然也有一些单电源供电电路请自行查阅资料。运放在实际使用中还有一些必须注意的问题，如调零、自激、保护等，在教材p208面有详细讲解。不过由于课堂实验精度要求比较低，涉及不到这些问题，故本课程不作特别讨论。,本课程后面的实验中还有很多电路要用到集成运算放大器，如：有源滤波器，波形发生器所以关于集成运放的基础知识和电路分析方法必须扎实地掌握。实际上本课程的模拟实验部分最核心的器件就是两种：集成运放和三极管。相对于三极管难以控制的离散性能，集成运放更适合设计电路以达到性能指标要求，而且电路也相对更简单稳定。,集成运算放大器的基本应用无限延伸,考试中的电路设计题，如果不明确说必须用三极管，请优先考虑集成运放电路。总之，本课程考试涉及到的基本知识点不限于实验教材，要以原理课内容为标准。比如：如何实现一个输入电阻为20k欧姆，负载阻抗为10k欧姆，放大倍数为300倍的同相放大电路？若输入信号无直流分量，峰峰值不大于100mv，则工作电源电压选为多少?,集成运算放大器的基本应用无限延伸,集成运算放大器的基本应用无限延伸,综合运放基本应用知识可知：由于输入信号v2经过一级反相放大，再与v1进入加法器，故其输出是：反过来：可用上面的电路实现运算voav1bv2且ab（只要两级的比例合适，相比用单级减法电路匹配电阻要容易些）。又比如：单电源自举式交流放大器请自行延伸！,比如：可以用加法器来实现减法运算，不过是多级，,二、实验注意事项,本实验采用LM324集成运算放大器和外接电阻、电容等构成基本运算电路。LM324的引脚图如教材p80面所示。实验时应注意下列事项：,1.组装电路前须对所用电阻逐一测量，作好记录。2.集成运算放大器的各个管脚不要接错，尤其是正、负电源不能接反，否则极易损坏芯片。,集成芯片在面包板上的放置,1,7,8,14,集成运放LM324正、负电源的接法,稳压电源,12V,12V,12V,+12V,+GND+,调好双12V后关电源，接线路，检查接线是否确实极性正确，再开电源（千万别接反，否则烧芯片）,电路地,共地线！,三、硬件实验内容,1、反相比例运算（图4.4.1）输入正弦波（1kHz），幅值自选测量计算电压增益（测两组，再求平均）2、反相比例积分（图4.4.4）输入f=500Hz，幅值为1V的正电压方波画出vi,vo波形，标出其幅值和周期3、加、减法电路（图4.4.8）,具体实验要求：,(1)参考图4.4.1所示电路，设计并安装反相比例运算电路，要求输入阻抗Ri=10k，闭环电压增益Af=10。,(2)在电路输入端加1kHz正弦电压，用示波器测量电路的输入和输出峰峰值；改变i的大小，再测一次。研究i和的反相比例关系，填表。计算平均值得出实际Avf，与理论值比较。,1.反相比例运算,1000mV,2000mV,2.比例积分运算,此电路和反相比例运算基本相同，不过加了电容以及输入信号是正方波全为正电压的方波！所以如果有较好的布局布线习惯，硬件操作就非常简单！,比例积分器的输入、出信号,实验要求输入f=500Hz，幅值1V的正方波，务必设置示波器通道直流耦合来观测vi和vo，画出其波形，测量出其幅值、周期和平均值（检查点）。,而直流分量反相比例放大,纯交流方波积分为三角波,注意：虽然本次实验课堂操作中的输入信号都是交流，但不表示这些运算电路只处理交流信号，显然直流信号也能进行运算（除非加了隔直电容）。,比例积分器的输入、出信号,图4.4.8反相比例加法和减法运算电路,3.反相比例加、减运算,在图4.4.8中，vi为=1kHz正弦波。S-A相接为加法运算R=5.1k=RfR1R2S-B相接为减法运算R=100k=Rf。调节电位器RP，用示波器测量一组vi1、vi2和vo峰峰值；然后改变vi1，测量改变后的vi2和vo峰峰值；自行完成拟定表格。,加法运算实验记录表(减法表式样相同),vi2不要太接近vi1,10K,四、实验报告要求,1.在绘制的电路图加上实际操作时用的芯片管脚号。2.整理实验数据，填入拟定的记录表格中。3.记录和描绘积分器vi和vO的波形(注意规范)。*特别注意vO是非对称波形，要标明峰谷两个值。4.（81面）思考题1，2，3。5.记录实验过程中出现的故障或不正常现象，分析原因，说明解决的办法和过程。,下次实验请完成预习报告,步骤2常见故障，请务必自行排除！输入正压方波通道直流耦合电源4-11电源地电阻,2积分：加C并改vi正电压方波；3加法：还原vi，S-A，R也用9K4减法：S-B，R=100K；考验布局和布线水平！,10K,vi2不要太接近vi1,连接示波器和信号发生器，检查两仪器基本功能正常否；开电源，调双路12V，连出3根线（V、V、地！），关电源；插好反相比例电路；连通电源芯片（4脚连V、11脚连V），检查接反否；连通电