东南大学模电试验报告试验一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：模拟电子电路实验第一次实验实验名称： 运算放大器的基本应用院（系）： 自动化学院专 业：自动化姓 名：某某学 号：08015实验室：101实验组别：同组人员：无 实验时间：2017年3月29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；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

2、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、 熟练掌握运算放大电路的增益、幅频特性传输曲线测量方法。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输入TYPImV;在输入电压为0时，存在一定的输出电J失调电压U ioMAX6mV压。输入偏置电流IIBTYP80 nA;MAX500nA第一级放大器输入晶体管的基极直流 电流。这个电流保证放大器工作在线性 围，为放大器提供直流工作点输入TYP20 nA;输入端的不对称特性意味着两个偏置失调电流I IOM

3、AX200nA电流几乎总是不相等的直流参数失调电压温漂OJ io20 卩 V/ °C温度变化带来的失调电压变化的比例共模抑制比KcmrMIN70dB;TYP90dB输入端口短路线中点对地加电压和输入端口两点之间的电压的比输出端无反馈情况下，输出信号与输入开环差模MIN20V/mV;电压增益AvdTYP200V/mV差模信号的比值输出电压摆幅U OMMIN±12V;TYP±14V正负输出电压的摆动幅度极限差模输入电阻RidMIN0.3M Q；TYP2MQ输入差模信号同相端与反相端之间的 近似电阻值输出电阻Ro75 Q即运放输出电阻交流增益带宽积G.BW0.7-1.6

4、MHZ有源器件或电路的增益与规定带宽的乘积参数转换速率SrTYP0.5V/ (1S该参数指输出电压的变化量与发生这个变化所需的时间之比极 限参数取大差模输入电压U IOR± 30V反向和冋相输入端能承受的最大电压值。超过这个电压值运放的功能会受到 影响。最大共模输入电压U ICRTYP ±13VNIN ± 12V冋相端与反相输入端承受的最大共模信号电压值。超过这个值运放的共模抑 制比会显著下降，放大功能会受到影 响。最大输出电流1 OSTYP±30mA;MA>± 40 mA运放所能输出的电流峰值。最大电源电压 Usr± 22V运

5、放最大电源电压。2、设计一个反相比例放大器，要求：|Av|=10, Ri>10K Q, Rl=100 K Q,并用Multisim 仿真；(2) 参数选择计算因为要求|Av|=10，即|Vo/Vi|= |-Rf/Ri|=10,故取 Rf=10Ri,输入电阻尽量大些， 取：Ri=15k Q,Rf=150 k Q, Rl=100 kQ(3) 仿真结果XTIlk>T】+|*75 *1*Im*therirwl A.dhannftl i-4J7.0KWMM9C om ms-4门 053 eVT2-T1M0«S価VTrr也乐Chattel ACharme BTnqw痪匸do：册加gl

6、H Td叶Scala: 5 MEEdga:_LAWrl 日XpUS.CDMii1）：¥叶肚O| r|oLewd：* I"Bj'A| AB应 D DCScfiglefjjrr al 卢ue Nene当输入电压为427.083mV时，输出电压为 4.263V，放大倍数为9.982，与理论值10接近。3、设计一个同相比例放大器，要求： |Av|=11, Ri>10K Q, Rl=100 K Q,并用 Multisim 仿 真。(2)参数选择计算因为要求|Av|=11，即|Vo/Vi|=1 + |-RF/R1|=11,故取 Rf=10R1,输入电阻尽量大些，取:R1=

7、15k Q, Rf=150 k Q Rl=100 kQ;(3 )仿真结果Ci&cillcisccipe-XSrCjT1 * *TE1Tlnwi1-370 Em.Qtxr agmne" 3D卯 3UJMS eVADM VCbflnr_Bi 34LD<HrrV 341-OM. rrVMVTitf；Stole: 3-D ftie/DW9卜咖FD| Yp&s.fDhjL |nH7T Md| 盼 |>.0| AC| <0* |pc|M II oc I -Tttfl科 EjcLSS0 =说Edge:Lewd.rrtrrri3l| .-.xg Nome当输入电压为

8、 30.640mV时，输出电压为341.094mV，放大倍数为11.132，与理论值11接近。三、实验容：1、容一：反相输入比例运算电路各项参数测量数据(1) 下图图 1.1 中电源电压 ±15V , R1=10k Q, Rf=100 k Q Rl = 100 k Q Rp= 10k/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。岡11 反HI偷人比倒込畀电路Ui/VUo/VAu测量值理论值-1.99514.04-7.038-10-0.5044.997-

9、9.875-100.505-4.967-9.836-101.992-12.67-6.354-10实验结果分析:由运放的基本性质可知，当输出电压Uo>Uom时，输出电压为 Uom，由数据手册，Vcc=±15V 时，输出电压摆幅 Uom±2V±14V。故当 |Ui|>1.5V 时，|Uo|=1214V; |Ui|<1.5V 时，|Uo|=10|Ui|，实验结果与理论相符。观察数据发现，在输入电压的绝对值一定时， 运放输出的正电压高于负电压， 在输出 电压接近电源电压时尤为明显， 由于放大器及电路本身结构具有不对称性，可推断这样的结果是合理的。(2)

10、Ui输入0.2V (有效值)、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CH1输入信号数据显示：CH2输出信号数据显示:(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0.141.331kHz9.50-10交流反相放大电路实验测量数据实验结果分析：由于本人的失误，将输入的0.2V有效值看成峰值，是的真正的输入有效值为 0.14V, 通过对有效值为0.14V的输入的输入输出波形的分析不难发现，放大倍数9.5

11、在10倍左右，而输入输出的波形相位差为 180 °,构成一个反向比例放大器， 与理论结果符合；(3 )输入信号频率为 电压值。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实验过程以及波形记录：不断增大输入电压值，直到输出信号出现失真，此时，输入电压峰峰值为2.6V，输入输出波形如下：IUU_TLGiil -咖-=1F ocO.OCmv500 TnWdND OD rrAJUiH'33-?43DVrnpsltZLCVEsse-=JODjyri%1Cnem=B.ewCi ms=iJB-fr10R<?VFFRE.缈曲idFteq：W师鎚毋应pifdl二帥耳巾二

12、估OhhTubT(M=M 201 ijl I iQuyI illg实验结果分析：通过查阅数据手册可知，当电源电压为±15V时，运放的最大输出摆幅围为 ±12V到土 14V。实验结果表明，RL=100KQ时，最大不失真输出电压峰值为 12.20V位于12V14V 之间符合理论值。(4) 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11 I I JJ开©3 2 EZVM2 -133MJ JXMtuqe卜贝7kPjjc V2騎2丹则购熄 Curr rkfilg5 on vrdkiU UU liiVREMS500 mV闭

13、和 o dd iwjF DC L 0.00W(b) 实验结果分析:由上图，可知两转折点分别为 (-1.24,12.10)和(1.38,-13.50), x =2.62V, Y=-25.60V ,放大倍数为 Y / x=9.77，与理论值10接近。IlUikHa aomwpLH.iirP"4IH COnit门阻疣计全部测呈 汙启£00 rflWtk0.00 mVEDDWdif5-j 2別囲 Clirr "们£1心汀"|上>1 lEeJut 盘” T1也m-L - w(5)电源电压改为±12V，重复(3)、(4)，并对实验结果结果进

14、行分析比较。(a)最大不失真输出电压值A.实验过程以及波形记录：不断增大输入电压值，直到输出信号出现失真，此时，输入电压峰峰值为1.96V，输入输出波形如下：rvPkMik*3 MWin吕哗 明rwlapa bov旧me».7Q£iJ>n»-OLiLIrTfVIdru二曰那CslU-S47Y删£Crnu =舟 4TVFOV= i.m.FPRE=vmtEX= 1,11%FFfiE = l.ttfiXecornvSR=5D 85n¥V7|j&=?Bhd-i.iiOm ：10如神J dh-SCH Qpit-WliJti - 4甜Dps鯛

15、希鸟(Ml-2532US灿丫 -50-Duly船044-IlILlfiSM Jljjj. idjy J In ucB.实验结果分析：RL=100k Q,由于Vcc=12V，运算放大器的输出电压摆幅相应降低，故最大不 失真输出电压峰值也降低为9.2V，与理论结果符合；(b) 电路的传输特性曲线A.传输特性曲线图:a aomwTr也M JLJjjl idjy Jn u£gj J.SOMSafsC-UlT 7k; is心¥ J凸崑 4 FA Ungk- * E7* *F£i JS = 19£00 fflVlk0-00 mVE-DDWdh nnn nn mV色忖

16、 2 tnv X2 =. I J&4V 剤=-BTOJtW&V-19WVY2 - Wfinv ¥1 g 込X2*XIX¥101CH? *EmB.实验结果分析：由上图，可知两转折点分别为 (0.970,9.00)和(1.04,-10.80), x =2.01V, Y=-19.80V, 放大倍数为 Y / x=9.85,与理论值10接近。(6)重加负载(减小负载电阻 Rl ),使Rl= 220 Q,测量最大不失真输出电压，并和Rl = 100 k购据进行比较，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)(a) 实验过程以及波形记录：不断增大输入电压

17、值， 直到输出信号出现失真， 此时，输入电压峰峰值为1.01V , 输入输出波形如下：aicijkHz祁O-OOmRFPE1.0清徐jJ!启2t.Enmwue-lJlLtMl全岂去屋 开©200 nV/drv >00 IWFk|i|=no tfflV如叫2 VfdN OU mVi I' "；CH2-f*:、atm 讥炖M 20DjjgDQDjiCmran =-3fl £Ue”DC1hr(b )实验结果分析:负载RL=100KQRl=220 Q电源电压(V)1515最大不失真输出电压峰值(V)12.24.64当RL=100KQ时，最大不失真输出电压峰值

18、为12.20V位于12V14V之间符合理论值。而当RL=220Q时，则最大不失真输出电压为4.64V，考虑运放的最大输出电流为±30mA，负载上的最大电压为6.6V,实验结果与理论值相符合。I、容二：(1) 设计一个同相输入比例运算电路，放大倍数为21,(由于从实验中心下错实验讲义，我下的16年的讲义要求放大倍数为21,后来做完实验才得知17年的讲义要求放大倍数为II, 姑且为21 )且RF=100 k Q。输入信号保持 Ui = 0.1V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)同相输入比例运算

19、电路设计上图中电源电压土 15V, R1=10k Q, RF=200 k Q, RL = 100 k Q, RP= 10k/200k Q。(b )上限频率的测量逐渐增加输入信号的频率，当输入信号频率为30.44KHZ时，达到上限频率，波形如下如:整理数据到如下表格中:上限频率fH(KHz)相位差t（卩 s）T（卩 s）=t/T X 36030.304.4033.0048 °(C)实验结果分析：输入电压为0.2V，取输出电压为 0.2*21/V2=2.97V左右时作为失真的临界值。增益带宽积为 0.71.6MHz，实验值 G.BW=(21/ V2)*0.030MHz=0.45MHZ，与

20、理论值有 差距，可能的原因是实际放大电路的放大倍数不是21 ,或者是输入电压的取值不当。当频率达到上限频率时，输入输出信号的相位差也发生了变化，这是由于当达到上 限频率运放中的阻抗元件滤除了部分高次谐波。(2) 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) 实验数据获取：当输入的双极性方波信号的频率为12.9KHZ，电压值为1VPP时，输出波形刚好是三角波，此时的输入输出波形如下：(b)实验数据处理：由上图将数据整理如下:频率输入信号UiP

21、P输出信号UoppdUO/dt12.9kHz1 V17.4V0.445(c) 实验结果分析：由于输出信号近似为三角波，所以dUO/dt的计算就近似用电压差值处以半周期(38.4 S)的时间。理论值为0.25-0.5V/卩S,计算结果为 0.445卩S,在理论的围，符合理论值。（3）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）实验数据获取：当输入的频率为 30.44KHZ的正弦信号时，逐渐增加信号幅度，当峰峰值为1.

22、1V时，输出的波形开始变形，此时的输入输出波形如下：（b）实验数据处理：由上图将数据整理如下:频率输入信号UiPP输出信号UoppdUO/dt30.3kHz1 .1 V6.84V0.409（c）实验结果分析：由于输出信号近似为三角波，所以dUO/dt的计算就近似用电压差值处以半周期（16.6卩s）的时间。理论值为 0.25-0.5V/卩S,计算结果为 0.409卩S,在理 论的围，符合理论。（4）Rf改为10 k Q自己计算Rp的阻值，重复容二（1） （2）。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

23、率对电路性能的影响。1重复（1）：保持Vi = 0.2V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）上限频率的测量逐渐增加输入信号的频率，当输入信号频率为415KHZ时，达到上限频率，波形如下如：g PT尸竈imvFap 誰 T33 5 甘f.can 二Q£inrCiis = 5T.1&nVFFFE -O.?-r>=>Z仙B1 2环fldt'i/M -ae 2%Mm 阿 enr lllf-En OdfnVRUS * E5jg3mvROV -： COfepWidTis-

24、/hbm內 iTI| 241L«.疣忡清粽if!丘I M :DOnsOdas- i 10|全岂*區 开总HDClhrf =416 DIKII卜QI LI Lki£Y 1-TflfflV89 50l*ISaJgCiri 3-ih|*ISW.Q rnV/div iCQ IWsc o TivrdN O0 mVM倨 »llfl脚yEase =-144 EhiCdd =gE.T9mVFFRE *0.00%0 *2Bi*uV<heFnq -A14 hHiFmi -720Oni瑚雷厂了1和用intLT-2.C0yHT 亍二如山i占(b) 实验数据整理Rf取值（kQ ）上限

25、频率fH(KHz)相位差t（卩 s）T（卩 s）=t/T X 36010414.90.482.4171.7 °10030.304.4033.0048 °(c) 实验结果分析:RF=10k Q，理论放大倍数降为 2，由于增益带宽积为一定值，故增益倍数下降 会使上限频率增大， 本实验测量值414.9KHA，相比RF=10K 3的上限频率30.3KHZ, 明显增大，符合理论分析；相位差也发生较大变化，运放对于输出电压的相位影响 会越来越大。2重复(2):(a)实验数据获取:当输入的双极性方波信号的频率为130KHZ ,电压值为1VPP时，输出波形刚好是三 角波，此时的输入输出波形

26、如下（b）实验数据处理频率输入信号ViPP输出信号VOPPdUO/dt130KHz1 V1.64V0.4281S源 CH?污臨洌£SI" mu/dk-NJ.UU EV全邹捌崟 开启GHD2« niWdv a qo nrtvkAT-257 7kXZ 耳斗OH -Ora xi =.mps / 色阳细y vrswivCD UkHSa| CUR血阳F5i|Jh£*6Fngwtvmn占旳o刑1Rn¥>iTap-S6CBnVBax?IJleEn => -ICJOBnWCmeja-i=.aODrriV入3=4SO.-3mVF 翳CrnwravFP

27、=jz甌 *0.00FFFE= 523启严LaiMUZ0-5N4巒0啊丿口&IprifIII - J| /,-W-SThRiws 'JBWdihi/ 'THr«-N,TffiU巧3押M 2 00声 D日即 0 OCps（c）实验结果分析：由于输出信号近似为三角波，所以dUO/dt的计算就近似用电压差值处以半周期的时间。理论值为0.25-0.5V/卩S,但测量值为 0.428 ,在理论的变化围，实验值合理。3 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： 在一定的转换速率下，频率越高，对输出信号的影响越明显，在高频输入信号的情 况下输出信

28、号会严重失真。在高频下应该选用增益带宽积更高的运放，以防止由于高频带来的信号失真。3.容三：设计电路满足以下加法运算关系（预习时设计好电路图，并用Multisim软件仿真）：Uo=-2Ui1+3Ui2Ui1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、5V （峰峰值）的方波信号），Ui2接入5kHz, 0.1V （峰峰值）的正弦信号，用示波器观察输出电压Uo的波形，画出波形图并与理论值比较。实验中如波形不稳定，可微调Ui2的频率。（1）加法运算电路设计（a）仿真原理图 a 1 - r i e n r b r r n ibis n r i i i n k (b) 参数选择计算本次实验值使用了一个运放，利用运放同向端与反相端实现减法。对于反相端输入的信号，其单独作用时，电路结构为一反相输入比例运算电路，由U0=-RF/R1*Ui，根据题目给出的系数，可取 RF(即为图中的R4)