运算放大器的基本应用 模电实验

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 1 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： 电气 姓 名： 学 号： 实 验 室: 105 实验组别： 31 同组人员： 无 实验时间：2011 年 4 月 7 日 评定成绩： 审阅教师： 1 / 22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

2、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(Rs<=10K)当输入电压为零时，其输出端仍然有一个偏离零的直流电压，这是由于运放参数不对称引起的。输入偏置电

3、流IIB10-100nA指运放输入级差分对管的基极电流的IB1,IB2。输入偏置电流的大小，在外电阻确定之后，主要决定于输入级差分的性能。偏置电流越小，信号源内阻变化引起的输出电压的变化也就越小。输入失调电流IIO220nA输出电压为零时，输入端电流之差。由于信号源有内阻，所以导致输入电压不为零，从而输出电压不为零。失调电流越小越好。失调电压温漂UIO共模抑制比K7090dB差模电压增益与共模增益之比CMR(Rs<=10K)开环差模电压增益AVD106运放工作在线性区，在无反馈的情况下，差模电压增益。输出电压摆幅UOM1214V（RL=10K）1013（RL=2K）正负输出电压的摆动幅度

4、极限差模输入电阻RID0.3-2M输出电阻RO75欧交流参数增益带宽积G.BW0.7-1.6MHz运放的增益是随信号的频率而变化的，输出电压随着信号频率的增加而下降到最大值的0.707倍的时候的频率范围，称为带宽。带宽与增益的乘积为一常数。转换速率SR0.25-0.5V/us(RL>=2K)表示运放在闭环状态下，1us内电压变化的最大值。极限参数最大差模输入电压UIOR+30V、-30V同相端和反相端所能够承受的最大电压。若超过，则发射极会反向击穿。最大共模+13V，-13V运放所能承受的最大的共模输入电压，若超过此值，共模抑制比会明显变小。一般指在运放做跟随器的时候，输出电压产生1%的

5、跟随误差的时候跟随输入电压。输入电压UICR最大输出电流IOS1040mA最大电源电压USR+22V/ -22V2、 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） 原理图（2） 参数选择计算741的正负极接+15和-15V，输入电阻R1为13千欧，R2为130千欧，运算放大器正极接13K/130K。输入方波的峰峰值取2V（3） 仿真结果3、 设计一个电路满足运算关系UO= -2Ui1 + 3Ui2（1）原理图（2）参数选择计算 Ui2峰峰值为5V,Ui1峰峰值为0.4V。R1=10k，R2=20K，R3=10K（3）仿真结果三、实验内容：

6、1、基础实验：（1）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2.010-12.786.358-10-2.02314.026.930-10-0.4944.8539.82-100.491-4.8329.84-10实验结果分析：对比可以发现，当Ui为2V时，电压增益为6至7之间，比理想增益小得多。而当Ui为0.5

7、时，增益近似等于10。.可能有两方面的原因：1）由于Ui是电阻分压产生的，所以当接入电路中时，所分得的电压肯定比原来小，即实际的输入电压变小了，则所测增益自然小于10；2）虽说运算放大器的输入电阻很大，但是毕竟不是无穷，所以运放同向端会有电流I+。可能当输入电压Ui增大时，I+也变大了，导致流向Rf的电流变小了，则电压增益变小了。(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

8、有效值（V）信号频率电压增益测量值理论值70.4mv723mv1khz10.310交流反相放大电路实验测量数据实验结果分析：理论值和测量值相当。说明在信号频率为1KHz时，输出不失真 的情况下，运算放大器的方向比例放大性能还是非常好的，只是相位相反而已。(III) 输入信号频率为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）1515正最大不失真输出电压（V）2.85vp

9、p1.06vpp负电源电压（V）-15-15负最大不失真输出电压（V）2.62vpp1.04vpp实验结果分析：由表中很容易看出，当RL变小时，最大不失真点变小了。运算放大器的输出电阻比较小，当与100 K串接时，负载电压近似等于开路时输出电压；当串接一个较小的电阻的时候，分压作用较为明显，输出电压变小了。Y(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）BAX（b） 实验结果分析：如图所示A(-1.2,14)，B(1.3,-14)。可见当输入电压在-1.21.3V时，输出不失真。超过此范围时，则输出电压不

10、能够继续增大。14V应当是由运算放大器的电源电压15V决定的。斜率K=-28/2.5=-11.2 理论上此斜率应当为-10，由于读数不准造成了误差。 (V) 电源电压改为±12V，重复(III)、(IV)，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）1212正最大不失真输出电压（V）2.2vpp1.05vpp负电源电压（V）-12-12负最大不失真输出电压（V）1.95vpp1.5vpp(1,-10)（-1,12）（b) 实验结果分析：当电源电压改为12V时，正负最大不失真电压均有所减小，很明显可以知道，电源电压直接限制了VOPP

11、 （最大输出电压）的大小。比较两者 的传输特性曲线，X坐标都减小了，斜率K=-22/2=-11.理论上讲后者应当做为前者的一部分。(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注：本实验中，是以放大倍数缩小为7,作为截止频率的（b）上限频率fH(KHz)相位差t(s)T(s)=t/T×360 o 100410144（C）实验结果分析： 当Ui为0.1V时，随着频率的增加，输出电压的频率和输入频率一样。但是相位差会变大，放大倍数的变小。(VII) 将输入正

12、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/dt100khz0.552.80.56（b） 实验结果分析：手册上的转换速率为0.25-0.5V/us。SR =2.8V/5us=0.56V/us。 这和手册上的值相当。影响转换速率的因素主要是运放内部的寄生电容和相位补偿电容。(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

13、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 频率为40KHz（b）频率输入信号UiPP输出信号UOPPdUO/dt130khz/ 40khz0.5V/1V2.5V/8V0.65V/us/0.64V/us（c）实验结果分析：本实验中，我测量了两组数据，频率分别是130khz和 40khz，输入信号分别为0.5V和1V。所测得的转移速率分别为0.65V/us和0.64V/us.可见，对于同一运放，电压随时间的最大变化速率是固定的，不随信号的变化而变化。同时可以看出，输入信号频率越大，所允许

14、的Vpp也就越小。(IX) RF改为10 k，自己计算RP的阻值，重复（VI）（VII）。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（VI）： 保持Vi0.2V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 7500.270.67145（c）实验结果分析：比较可以看出，增益变

15、小后，上限频率明显增大。相位差则没有明显变化。重复（VII）：（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/dt900KHz0.5V0.3V0.54（b） 实验结果分析：截止频率增大，转换速率并无明显变化。（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：当增益为10时，带宽100kHz，增益带宽积为1MHz;当增益为1时，带宽750KHz,增益带宽积为0.75MHz，之所以不等是由于测量误差所致，都在理论值之内。对于增益一定的电路，高频应用中就必须考虑其最高工作频率。对比又可看出转换速率与增益大小变化无关，在高频应用中，频率越高，输出

16、的信号峰峰值变小了。（2）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的方波信号，数字示波器Ui1为1KHz、5V的方波信号），Ui2接入5kHz，0.1V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。（a）双踪显示输入输出波形图（b) 实验结果分析： 实验所测得的峰峰值为11V，理论上为10.3V，测量结果还是比较理想的。另外，正弦波频率为方波的5倍从图中也可以看的出来。2、提高实验： 设计一个比例-积分-微分运算，。图1.4为比例积分微分（PID）电路。对于基本积分电路，用Z1和Zf代替电阻和电容。在复频域中，应用拉氏变换，将Z1和Zf写成运算阻抗的形式Z1(s)、Zf(s)，其中s为复频率变量，输出电压的表达式可以写成改变Z1(s)和Zf(s)的形式，可以实现各种不同的数学运算。对于图1.4所示的电路，其传递函数为上式括号内第一、二两项表示比例运算；第三项表示积分运算，因表示积分；第四项表示微分运算，因 。图1.4 比例积分微分电路输入为Uipp=1V、f=10KHz的方波（占空比为50%）。设计不同的R、C值、测量PID电路输出电压波形。此电路什么时候是比例积分电路？而什么时候是比例微分