运算放大器的基本应用

1、东南大学电工电子实验中心实 验 报 告课程名称： 电子电路实践 第一次实验实验名称： 运算放大器的基本应用 院 （系）： 吴健雄学院 专 业： 电一 姓 名： 杨阳 学 号： 61011108 实 验 室: 101 实验组别： 同组人员： 实验时间：2013年3月26日 评定成绩： 审阅教师： 实验一 运算放大器的基本应用一、实验目的：1、 熟练掌握反相比例、同相比例、加法、减法、积分、微分等电路的设计方法；2、 熟练掌握运算放大电路的故障检查和排除方法，以及增益、幅频特性、传输特性曲线、带宽的测量方法；3、 了解运算放大器的主要直流参数（输入失调电压、输入偏置电流、输入失调电流、温度漂移、共

2、模抑制比，开环差模电压增益、差模输入电阻、输出电阻等）、交流参数（增益带宽积、转换速率等）和极限参数（最大差模输入电压、最大共模输入电压、最大输出电流、最大电源电压等）的基本概念；4、 了解运放调零和相位补偿的基本概念；5、 掌握利用运算放大器设计各种运算功能电路的方法及实验测量技能。二、预习思考：1、 查阅741运放的数据手册，自拟表格记录相关的直流参数、交流参数和极限参数，解释参数含义。参数名称参数值参数意义及设计时应该如何考虑直流参数输入失调电压UIO1-5mV在室温25及标准电源电压下，输入电压为0时，为使输出电压为0，在输入端加的补偿电压；输入偏置电流IIB10-100nA为使运放输

3、入级放大器工作在线性区所必须输入的一个直流电流，是两输入端电流的平均值；输入失调电流IIO20-200nA在室温25及标准电源电压下，输入电压为0时，为使输出电压为0，在输入端加的补偿电流；失调电压温漂UIO±20uV/在给定的温度范围内平均成每度引起的电压变化；设计时应尽量在恒温的地方共模抑制比KCMR70-90dB输入端口短路线中点对地加电压和输入端口两点之间电压的比。开环差模电压增益AVD运放放大倍数，为输出电压/输入电压；设计时使之满足放大的需求输出电压摆幅UOM±（12-14）V（RL=10k）所能输出电压的最大值与最小值之差；应使输出电压在此范围内差模输入电阻R

4、ID0.3-2M从放大器两输入端看进去所呈现的视在电阻；设计时越大越好输出电阻RO75从放大器输出端看进去所呈现的电阻值；设计时越小越好交流参数增益带宽积G.BW0.7-1.6MHz增益和带宽的乘积；用来衡量放大器的性能转换速率SR0.25-0.5V/us运放接成闭环条件下，将一个大信号（含阶跃信号）输入到运放的输入端，从运放的输出端测得运放的输出上升速率。该指标越高，对信号的细节成分还原能力越强，否则会损失部分解析力。极限参数最大差模输入电压UIOR±15V运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。最大共模输入电压UICR±13V一般定

5、义为当共模抑制比下降6dB 是所对应的共模输入电压作为最大共模输入电压。最大输出电流IOS±(25-40)mA运放所能输出地电流峰值最大电源电压USR±18V所允许加的最大电源电压；设计时要根据要输出的电压和运放的最大承受电源电压综合权衡，超过此值会损坏运放。2、 设计一个反相比例放大器，要求：|AV|=10，Ri>10K，将设计过程记录在预习报告上；（1） 仿真原理图（2） 参数选择计算要求|AV|=10且为反向比例放大电路，即，又因为Ri>10K，则选择R1=20k，RF=200k，RL=200k,RP=20k/200k。信号源输入频率为1kHz，峰峰值为1

6、0V的方波信号。A通道为输出信号，B通道为输入信号。（3） 仿真结果由波形图可知，输入Ui=10V，输出Uo=-100V，Au=Uo/Ui=-10，满足设计要求。3、 设计一个电路满足运算关系UO= -2Ui1 + 3Ui2（1）仿真原理图（2）参数选择计算根据题目要求UO= -2Ui1 + 3Ui2 ，参数选择如上图所示，则有（3）仿真结果三、实验内容：1、基本要求：内容一：反相输入比例运算电路(I) 图1.3中电源电压±15V，R1=10k，RF=100 k，RL100 k，RP10k/100k。按图连接电路，输入直流信号Ui分别为2V、0.5V、0.5V、2V，用万用表测量对应

7、不同Ui时的Uo值，列表计算Au并和理论值相比较。其中Ui通过电阻分压电路产生。Ui/VUO/VAu测量值理论值-2.0914.18-6.78-10-0.505.03-10.06-100.50-5.04-10.08-102-12.9-6.45-10实验结果分析： 由实验数据可以看出，当输入±0.5V时，输出在±5V左右，增益约为-10，与理论值相差不大；而当输入±2V时，电压増益的测量值与理论值相差较大。查询数据手册可以知道，Vcc=±15V时，输出最大电压摆幅在±13V±14V之间。当输入为±2V时，运放不在线性区，无法实

8、现增大10倍到±20V。(II) Ui输入0.2V、 1kHz的正弦交流信号，在双踪示波器上观察并记录输入输出波形，在输出不失真的情况下测量交流电压增益，并和理论值相比较。注意此时不需要接电阻分压电路。（a）双踪显示输入输出波形图（b）交流反相放大电路实验测量数据输入信号有效值（V）输出信号有效值（V）信号频率电压增益测量值理论值0.202.021kHz10.110交流反相放大电路实验测量数据实验结果分析：从波形图以及实验数据可以看出，输入输出信号相位相差接近180度，满足反向比例 放大电路的要求，且输出信号有效值和电压増益的测量值都很接近于理论值，误差不大。(III) 输入信号频率

9、为1kHz的正弦交流信号，增加输入信号的幅度，测量最大不失真输出电压值。重加负载（减小负载电阻RL），使RL220，测量最大不失真输出电压，并和RL100 k数据进行比较，分析数据不同的原因。（提示：考虑运算放大器的最大输出电流）负载RL=100KRL=220正电源电压（V）15.015.0正最大不失真输出电压（V） 13.35.0实验结果分析：（1） Vcc=±15V时，若RL=100K，最大不失真输出电压在13V14V之间。与实验741运放数据手册上的记录相符合。（2） 若RL=220，则最大不失真输出电压较小，这是因为负载变小时，运放的输出电流会变大，由于运放有输出电阻，故在输

10、出电阻上的压降变大，导致负载上的电压降低，即输出电压降低。查询数据手册可知，最大输出电流为25mA，所以当RL=220时，负载上的最大电压为5.5V，实验结果与理论值误差不大。(IV) 用示波器X-Y方式，测量电路的传输特性曲线，计算传输特性的斜率和转折点值。（a）传输特性曲线图（请在图中标出斜率和转折点值） A（-1.38，13.90） B（1.20，-12.60） K=-10.27（b）实验结果分析：从传输特性曲线可知，斜率为-10.27，即电压増益，与理论值相近，拐点电压为13.90和-12.60，大致在±13V±14V之间，与运放的最大不失真电压范围相符。 (V)

11、电源电压改为±12V，重复(3)、(4)，并对实验结果结果进行分析比较。（a）自拟表格记录数据负载RL=100KRL=220正电源电压（V）12.012.0正最大不失真输出电压（V） 10.14.9（b) 实验结果分析： 由实验数据记录表格可以看出，当电源电压改为±12V时，运放的最大不失真输出电压略小于电源电压，在±10V±11V之间，当负载较小时，最大不失真输出电压也较小，理由同上。 由传输特性曲线可以看出，斜率表示的电压増益与理论相近，拐点所表示的电压值也在最大不失真电压范围内。(VI) 保持Ui0.1V不变，改变输入信号的频率，在输出不失真的情况

12、下，测出上限频率fH并记录此时的输入输出波形，测量两者的相位差，并做简单分析。（a）双踪显示输入输出波形图（b）上限频率fH(KHz)相位差t(s)T(s)=t/T×360 o 86.007.5011.63232.16滞后（C）实验结果分析：(VII) 将输入正弦交流信号频率调到前面测得的fH，逐步增加输入信号幅度，观察输出波形，直到输出波形开始变形（看起来不象正弦波了），记录该点的输入、输出电压值，根据转换速率的定义对此进行计算和分析，并和手册上的转换速率值进行比较。（a）双踪显示输入输出波形图（b）频率输入信号UiPP输出信号UOPPdUO/dt86kHz0.63v3.44v（c

13、）实验结果分析：(VIII) 输入信号改为占空比为50%的双极性方波信号，调整信号频率和幅度，直至输出波形正好变成三角波，记录该点输出电压和频率值，根据转换速率的定义对此进行计算和分析（这是较常用的测量转换速率的方法）。（a）双踪显示输入输出波形图（b）频率输入信号UiPP输出信号UOPPdUO/dt18kHz2.20v 19.4v（c）实验结果分析：(IX) RF改为10 k，自己计算RP的阻值，重复（6）（7）。列表比较前后两组数据的差别，从反相比例放大器增益计算、增益带宽积等角度对之进行分析。并总结在高频应用中该如何综合考虑增益带宽积和转换速率对电路性能的影响。 重复（6）： 保持Vi0

14、.2V不变，改变输入信号的频率，在输出不失真的情况下，测出上限频率fH并记录此时的输入输出波形，测量两者的相位差，并做简单分析。（a） 双踪显示输入输出波形图（b）此时Rp= 5k ，上限频率fH(KHz)相位差t(s)T(s)=t/T×360 o 540k1.21.8240（c）实验结果分析：重复（7）：（a） 双踪显示输入输出波形图（b）频率输入信号ViPP输出信号VOPPdUO/dt540K1.20.58（c）实验结果分析：（d）总结在高频应用中该如何综合考虑增益带宽积和转换速率对电路性能的影响：内容二：设计电路满足运算关系Uo=-2Ui1+3Ui2，Ui1接入方波信号，方波信号从示波器的校准信号获取（模拟示波器Ui1为1KHz、1V（峰峰值）的方波信号，数字示波器Ui1为1KHz