【东南大学模电实验】实验七运算放大器及应用电路解读

1、实验七运算放大器及应用电路实验目的：1认识运放的基本特性，通过仿真测试了解运放的基本参数，学会根据实际情况选择运放2了解由运放构成的基本电路，并掌握分析方法。实验内容：一、仿真实验。1.运放基本参数电压传输特性如图，用DC Sweep给出LM358P线性工作区输入电压范围，根据线性区特性估算该运放的 将扫描电压范围设为-500凶500凶，当斜率为99.5987k时，测得线性工作区输入电压范围 为-14.369V12.9402V。DC Sweep仿真结果:Grapher Fili& Edrt Vim Graph Traer Cursor Legend ToolskSiDC Sweep K Swe

2、epirDesigrDC Trarfer Cl-K1-50. OOOOii-0.333&k2-11.S260u-501538.74Ou3-2320-sdy/ds1/dx2:5 9916kV(3)|O Z&-50p-30m-HOti30l50p) _000 Hw3 Voltage (V)Grapher ViewR 3CursorAV(s)xlr p c匸 c e 气-yi-1436911x21 fij% S4Si212.9402x274 1935udy27.3D93dy/dx99.55S6k1/dx36471kweep | DC 沁ep DC Sweep巧10gend Tools HelpDes

3、ign2ansfer Characteristic,-5CXJH-250n025dp500 口w3 Voltage (V)Selected Trace:V(3) | Selected Cursor: 1思考：A.当输入差模电压为0时，输出电压为多少？若要求输出电压为0，如何施加输入信号？为什么？Grapher View 输入差模电压为0时，输出电压为-3.3536V。File Edh Vifffer Characteristic-3,346999 + 59S71c-29.7535ky2 dxdy/dx1/dK-测30|l-IDp10|dw3 Voltage (V)Selected Trace:

4、V(3)Selected Cursor: 1若要求输出电压为 0,应将输入电压 V3置为33.604训。B.观察运放输出电压的最高和最低电压，结合LM358P内部原理图所示电路分析该仿真结果的合理性。最低电压：-14.369V，最高电压：12.9402V。最低电压的绝对值大于最高电压的绝对值。IN+可对OUT下边的PNP管射级电流造成影响。IN+在很小的正电位时，输出为0，这导致了最低电压的绝对值大于最高电压的绝对值。输入失调电压根据下图所示电路，仿真得到LM358P的输入失调电压 Vio。R1=1k Q , R2=10 Q ,进行直流工作点仿真，并完成表1R1=10k Q , R2=100

5、Q ,进行直流工作点仿真，并完成表2R1=100k Q , R2=1k Q ,进行直流工作点仿真，并完成表3表1V3( mV4( N)V5( VV5-V4( N)-V3/(-R1/R2)( pV)-3416.60-33.6312033.6312-34.16687表2V3( MV4( MV5( VV5-V4( V-V3/(-R1/R2)( pV)-3596.2-33.6325033.6325-35.962表3V3( p/)V4( p/)V5( p/)V5-V4( p-V3/(-R1/R2)( p/)-5388.47-33.6148033.6148-53.8847根据上述仿真结果，给出运放的输入失

6、调电压Vio。尝试设置V3=Vq，观察输出电压 V(3)的变化。由上表可得，Vq=V+-V-=V5-V4=33.63 凶当V3=33.63V时，得三种情况的输出电压如下：R仁 1k Q , R2=10 QR1=10kQ , R2=100 QR仁 100k Q , R2=1k Q-24.0352 凶-203.2571 凶-1.9955mV可见输出电压很小，可视为满足Vi。条件（输出电压为零时在输入端所加的补偿电压）。思考：什么原因导致了不同反馈电阻条件下计算得到的 Vi。存在较大的差异？实际测量中， 若输入失调电压过小，需要通过测量输出电压并计算得到Vi。时，电阻的选取上要注意什么？失调电压是输

7、入电压为零时，将输出电压除以电压增益，再加上负号，即为折算到输入端的失调电压。亦即使输出电压为零时在输入端所加的补偿电压。运放的输入电阻不是无穷大， 这导致了失调电压的存在。因此要尽量选择小电阻，减小分压的影响。增益带宽积GBP根据下图进行AC仿真，得到反馈放大器的幅频特性曲线和相频特性曲线。标出增益降到最大增益值0.707倍时对应的频率，计算 GBP。相频特性中标记主极点、次主极点的频率。仿真结果如下:vo)file Ediit View Graph T rac 亡 urw Legend Taafc Hfflp由U|町X唔邑曲邑目兰儿人蛙峙何物题巾 A 憨脈 Q AC AnelM | AC

8、AnelW | AC AnfllM | AC Ansi吟 | AC| AC Anol吟 | AC AnolM | AC Anolyw 噩 Anahsa |K11-0000yi99- 9*96vl2| a-aso-a-kys0-9571血dy-20-915dygX.-2u9383m1/dx101u522LlCursorV(3)134.9463-9S .ggmM：134.6503200-2570_d:-004d.y/lK1/cLkTracer V3)Desig r7-3AC Analjis4G70斗DO 1k 4k 7k 40k IDOk 4QDk IM 4M 10M100MFrequency (

9、Hz4k 7k 40k IDOfc 400kFrequency (Hz)-3dB的频率为9.85kHz。主极点频率9.85kHz，次主极点(相移 180)频率100MHz。GBP=99.8986*9.8509k=984.091kHz思考：若输入信号频率为100kHz，采用LM358P能得到的最高增益？当频率为GBP时，器件的增益下降到单位增益。即此时 A=1。同时说明这个放大器最 高可以以GBP的频率工作而不至于使输入信号失真。因此 Avmax=GBP/100k=9.841dB。转换速率(压摆率)SrA.当输入为大信号时， 运放限于电容充放电速度出现失真，其输出电压能达到的最大变化速率定义为压

10、摆率。根据下图进行瞬时分析(Tran sie nt An alysis )得到的结果得到 Sr。仿真结果如下:DesignlTransient AnalysisG251(s四oCursorxl3.1949Uyi-B.3672g.ieaadx35 3035u.dy17.537 I5011dy/dxI 496.740kTime (1/dx2B.325S1CV(31001可见 SR=dy/dx=496.74kB.将上图V3改为正弦信号，振幅 10V，频率分别为1kHz和10kHz时得到相应的输入输出 波形对照图，观察波形变化。1kHz :DesignlTransient Analysisi&1io士

11、一)8四000BM.Op10m1.5m2.0m亠卫哼（吐鼻10kHz:DesignlTransient Analysis15w-)CDselo/x050|llOOp150|l2001lime (s)其中红线(V(3)为输出电压，绿线(V(4)为输入电压。可见当信号频率越大，输出电压越滞后于输入电压，失真越明显。这是因为mRC因此频率越大,T越大，电容充放电时间越长，输出电压滞后越明显。思考：若本实验中的输入为正弦信号，振幅为10V，直流电压0V, 3 Vom=SR，允许的最大输入信号频率？3 1kQ12N3904R2：:10kOA.在图中参数条件下，扫描直流电压 V1，电压范围4V15V，补偿

12、0.01V，线性扫描。提交 V (4)随V2变化曲线，并根据仿真结果确定电源电压 V2的最低电压(输出电压下降 1% 的电源电压)。CursorV(4|xln.oeasyi2.9988x25.221Bys2.9SDdx-5+S6B-30,S092ndy/dx吕.294iel/ds-lTl,035m2.S0 -曲加小几A國轡i轡Trace Cursor Legend Tools HelpDesign7-7DC Transfer Characteristica6e 02.25 2.00 -175Q5.o5.1)s四o1.7500 J1.&0002.5CW5.MK07500010.0M0125000

13、150000de旧 V(4), trj irtsi5Ein10 onu3 rMUin)8四o-4,&0e-014 -4.75e-014 -T5.DDe-0H -5.25e-014 -5.50e-014 -5.7&e-0142550751GOwl Voltage (V)12.5150可见实现了恒定电流输出。整流电路如图为运放构成的整流电路，运放的高增益使该电路能实现小信号幅度的整流，克服了二极管整流的导通电压问题。写出输出电压表达式， 并画出传输特性。输入信号频率为1Hz,振幅分别为100mV、10mV、1mV时请通过瞬态仿真得到输出电压波形，与V3同时表示。 MN3064:：20kn :Des

14、ign，0Transient Analysis100mVmom f?-5Q ) &EIDA3C -i -LOL Om1 QTirne s）OUesign7-10Transient Analysis10mVCl.DSW.Qm1 071ire（s）2.DDesign7-10Transient Analysis1mV1rGKlr-i -50C .00呱-ErfK OmO.-lJC2FQA00V|7；可见输入幅度越小，失真越严重。思考：小信号输入时，如振幅为 1mV，输出波形会严重失真，什么原因？如何更改参数减 小失真？由于运放的非理想型，输入阻抗不是-8，输入电压过小时，电流过小。改进方法：保持 R

15、1/R2值不变，减小阻值。下图为R仁20 Q , R2=10 Q，输入幅度1mV的Transient Analysis :Design7-10Transient Analysis2.0m500.0m1.0152.0)s四oTime (s)可见失真度较 R1=20k Q , R2=10k Q，输入幅度1mV大大减小。三、硬件实验。实验任务：1若二极管1N3064的导通电压 Vd（on），请写出U2A输出的三角波的正峰值和负峰值电压 表达式。正峰值=V d （on）R6/R1负峰值=-Vd（ on）R6/R1+3kOLED?1MJ0B4X曰JGQkQ15 VpkF匾.g :D4 IiNibei n

16、e4给电路施加调制信号 V3，提交节点13和节点11波形。2写出U2A输出三角波的周期表达式T=4*R2*R6*C1/R13若要求三角波频率 100Hz，正负峰值2V，指标误差不超过10%。在面包板上搭电路，并 通过测试确定 R2、R6值，C1=100nF。提交节点8、节点10的示波器截图，测量频率、峰 峰值。R2=8k QR6=177kQ测试结果如下:CH1-节点 10CH2-节点 8可见 U2A 输出三角波，幅度为 2.032V , T= (4480-2320) *5=10.8sf=1/10.8=92.6HzIR3 : 30 kOLMSSfiP40kOLM3MPR41ikOLMJMPctu

17、z s .VOtLTE/DI VV0LTS/IIV粮吿方式TIME/DIVAt笈植式Lvvvl (naV)-2COD-I-3OMbfB.veTfiMB-申濛幵共肆W | 号3L 野RunSto-pi5l I “Tl EF Cur&or 1 Txe : 220. OGmai CHI : l4mV CH2 :-1W IWOF Cuz-S-OX-2 Tima：4 4,BO. OOma CHI : - 1.亍NWVCHS： CIJehVAlp 丄 CL .Aut-c? Sinf 9-20KJ3U LCcK _ _ 2ei /T、严 SOOui.f JEMua _JF EDDu3.04loite0讥氐覗/lx501V-IT. iv, as? mwt J tk sv 松h-Ji -itI d i la 1i hi.!I1 1 1 rCH2;MirK-Sfi&nV1 VpgxlmVHA TIC示波器波形CH2i Max：1 5O3mV Min1S21mV Vpp；3O24mVCH1-节点 13CH2-节点 115将调制信号 V的交流幅度设为0，连续更改其直流电压记录LED1和LED2的亮度随该直流电压变化情况，并解释。直流偏移为负且绝对