实验运放基本运用141115

1、及工具一、实验目的一、实验目的1. 掌握集成运算放大器的正确使用方法掌握集成运算放大器的正确使用方法同相输入同相输入/反相输入。反相输入。2. 掌握用集成运算放大器构成各种基本运掌握用集成运算放大器构成各种基本运算电路的方法。算电路的方法。3. 进一步熟练使用示波器进一步熟练使用示波器DC、AC输入方输入方式观察波形的方法。式观察波形的方法。*重点掌握积分器重点掌握积分器输入、输出波形的测量和描绘方法。输入、输出波形的测量和描绘方法。上次讲解的操作上次讲解的操作入门入门要点要点1.1. 自检自检2.2. 触发触发同源周期，同源周期，触发信源，触发电平触发信源，触发电平3.3. 读懂读懂零电平指

2、示，通道设置零电平指示，通道设置，直流电平直流电平还记得么？还记得么？正正方波方波运放电路分析基本方法运放电路分析基本方法摘自理论课程摘自理论课程以同相放大器电路为例：以同相放大器电路为例： 图中输出通过负反馈的作用，图中输出通过负反馈的作用，使使vn自动地跟踪自动地跟踪vp，即即vpvn，或或vidvpvn0 0。这种现象称为虚假短路，简称这种现象称为虚假短路，简称虚短虚短。 由于运放的输入电阻由于运放的输入电阻ri很大，很大， 所以，运放两输入端之间的所以，运放两输入端之间的 ip = -in = (vpvn) / ri 0，这种现象称为，这种现象称为虚断虚断。 由运放引入负反馈而得到的由

3、运放引入负反馈而得到的虚短虚短和和虚断虚断两个重要概念，是两个重要概念，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。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。 Rf R1 RL Av + Rp=Rf / R1 vI vO 集成运算放大器的基本应用集成运算放大器的基本应用1. 反相比例运算反相比例运算(放大器放大器) 设运放为设运放为理想器件理想器件，则右图电路的，则右图电路的f1RR-vA (2) 为减小偏置电流不良影响，增加直流平衡电阻为减小偏置电流不良影响，增加直流平衡电阻Rp=RfR1。(1) 原理上简单，原理上简单，RfR1 Av ；但电阻选择还有实际情况限制，

4、如：；但电阻选择还有实际情况限制，如：R1 大则引起较大的失调温漂；若大则引起较大的失调温漂；若RfRi Av 大到大到MW W级别，低档级别，低档电阻本身都不太稳定。故电阻本身都不太稳定。故通常限定通常限定Rf为几十千欧为几十千欧 几百千欧几百千欧。在。在此限定下，若此限定下，若Ri 和和Av设计要求相矛盾则应改电路！设计要求相矛盾则应改电路！ 工程实践中的非原理问题工程实践中的非原理问题：设计要求一般是规定设计要求一般是规定Ri 和和Av （如教材（如教材P80的提法）的提法）属于电压并联负反馈，有：属于电压并联负反馈，有：输出电阻输出电阻 Ro0 (很好很好)输入电阻输入电阻 RiR1

5、(！？不够大！？不够大)闭环电压增益闭环电压增益信号从反信号从反相端输入相端输入 Rf R1 RL Av + Rp=Rf / R1 vi vO 集成运算放大器的基本应用集成运算放大器的基本应用2. 同相放大器同相放大器f1R1RvA 闭环电压增益闭环电压增益信号从同信号从同相端输入相端输入直流平衡电阻直流平衡电阻 Rp=R1/RF 若若Rf 0，R1 = （开路），则为（开路），则为电压跟随器电压跟随器。电压相等但阻抗不同，常做缓冲级及隔离级，电压相等但阻抗不同，常做缓冲级及隔离级，是级联电路中常用的一种单元电路。是级联电路中常用的一种单元电路。 同相放大器采用电压串联负同相放大器采用电压串联

6、负反馈，所以反馈，所以输入阻抗非常高输入阻抗非常高（理想状态是无穷大），同时（理想状态是无穷大），同时电路电路输出阻抗很低输出阻抗很低（接近（接近0）。）。因此广泛用于前置放大级因此广泛用于前置放大级。集成运算放大器的基本应用集成运算放大器的基本应用3. 反相比例加法运算反相比例加法运算由分析可得：由分析可得：2i231 i13o-vRRvRRv 1111-Rvv3on-Rvv 0pn vv2ni2-Rvv 3oi1i2()RvvvR 当当R1R2R时，则有时，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

7、平衡常在同相输入端加上平同样，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，衡电阻，RR1/R2/R3 。集成运算放大器的基本应用集成运算放大器的基本应用4. 反相比例减法运算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4on1ni1RvvRvv 3p2pi20RvRvv i114i2323141ovRRvRRRRRRv )(pnvv 有有)(i1i214ovvRRv 当当R1=R2，R3R4时，时，图中的图中的R3兼有兼有直流平直流平衡电阻衡电阻和和分压分压双重作双重作用，故阻值要根据分用，故阻值要根据分压来计

8、算，而不是按压来计算，而不是按平衡电阻来。平衡电阻来。集成运算放大器的基本应用集成运算放大器的基本应用5. 积分器积分器 vo vi R C 式中，式中，RC为积分时间常数。为积分时间常数。 右图理想化分析结果是右图理想化分析结果是 若输入为直流若输入为直流(电压电压=Vi)，则，则在在C充电过程中有充电过程中有但但运放输出受电源电压限制运放输出受电源电压限制，故，故输出不可能如实验教材所示无限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。增加，而是到最大值后恒定。 ( )ioVv ttRC 01( )( )(0)toiCv tv t dtvRC 为限制电路的低频电压增益，可将反馈电容

9、反馈电容C与一电阻与一电阻RF并联并联。当输入频率大于大于 012FfR C 时, 电路起积分积分作用；由于电容由于电容C的容抗随输的容抗随输入信号的频率降低而增入信号的频率降低而增加加, 结果是结果是 输出电压随输出电压随频率降低而增加。频率降低而增加。 若频率低（包括直流）,则电路仅起反相反相放大作用。 实际的积分器如下图实际的积分器如下图(a),(a),增加的直流负反馈电阻增加的直流负反馈电阻RF比较大比较大（RF小就成了一阶低通滤波器）小就成了一阶低通滤波器）。不过。不过RF对对C有分流作用，有分流作用，导致导致积分误差积分误差，为此，为此通常要求通常要求 RF10R1、C1 F。 若

10、输入电压为正负对称方波，则输出稳态波形为对称三角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，波形如图波，波形如图(b)(b)所示：所示： （a）（b）voviRF100kW C0.022FA741R110kW236Rp=R1 RF10kWvi(t)Vmo Vmt1t2ttvo(t)oVmt1R1CVmt1R1C集成运算放大器的基本应用集成运算放大器的基本应用4. 积分器积分器voviRFRs6CA741100W0.01F200kW23集成运算放大器的基本应用集成运算放大器的基本应用6. 微分器微分器由于电容由于电容C的容抗随输入信号的频率升高而减小的容抗随输入信号的频率升高而减小,

11、结果是结果是 输出电压随频率升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之间接入一小之间接入一小电阻电阻Rs, 实际的微分器电路如下图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，其波形关系如图波，则输出电压为正负对称方波，其波形关系如图(b)所示。所示。dvidt VO= RFC式中，式中，RFC为微分时间常数。为微分时间常数。 voviRFC右图理想化分析结果是右图理想化分析结果是vi(t)VmoVmt1t2ttvo(t)o2RFCVm

12、t12RFCVmt1集成运放集成运放直流供电直流供电电源问题电源问题 运放常用运放常用对称双电源对称双电源供电，此方式下直流供电，此方式下直流工作电源电压应在工作电源电压应在3V18V范围内，而电范围内，而电源电压源电压限定了输出交流信号的峰值限定了输出交流信号的峰值电压。电压。 例如选定电源电压是例如选定电源电压是12V，则输出信号正，则输出信号正峰峰/负峰的最大值不会超过负峰的最大值不会超过11.3V（运放自身还（运放自身还有约有约0.7V的片内压降）。的片内压降）。 运放还有一些必须注意的问题，如运放还有一些必须注意的问题，如调零调零、自激、保护、自激、保护、单电源供电等，在教材单电源供

13、电等，在教材p208p208面面以及其他资料中有详细讲解，以及其他资料中有详细讲解，大家自己阅读，了解一下。本课程不作详细讨论。大家自己阅读，了解一下。本课程不作详细讨论。 本课程涉及的知识点不限于实验教材，要是以本课程涉及的知识点不限于实验教材，要是以原理课内容为标准，所以关于集成运放电路的原理课内容为标准，所以关于集成运放电路的基本基本分析方法分析方法和和常用单元电路常用单元电路必须扎实地掌握！而用常必须扎实地掌握！而用常用单元电路组合搭建电路是最常用的用单元电路组合搭建电路是最常用的设计设计方法。方法。 本课程的模拟实验部分最核心的器件就两种：本课程的模拟实验部分最核心的器件就两种：集成

14、运放和三极管。相对于三极管难以控制的离散集成运放和三极管。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。所以电路设计题，求，而且电路也相对更简单稳定。所以电路设计题，如果不明确说必须用三极管，请如果不明确说必须用三极管，请优先考虑集成运放优先考虑集成运放电路电路。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二、实验注意事项二、实验注意事项 本实验采用本实验采用LM324集成运算放大器和外集成运算放大器和外接电阻、电容等构成基本运算电路。接电阻、电容等构成基本运算电路。 LM32

15、4的引脚图如教材的引脚图如教材p80面所示。实验时应注意下面所示。实验时应注意下列事项：列事项： 1. 组装电路前须对所用电阻逐一测量，作组装电路前须对所用电阻逐一测量，作好记录。好记录。 2. 集成运算放大器的各个管脚不要接错，集成运算放大器的各个管脚不要接错，尤其是尤其是正、负电源不能接反正、负电源不能接反，否则极易损坏，否则极易损坏芯片。芯片。LM 324 17814LM324稳压电源稳压电源12V12V 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） V 14 13 12 11 10 9 8 1 2 3 4 5

16、6 7 + + + + V+ LM324 引 脚 排 列 图 电路地电路地共共地地线！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：具体实验要求：(1)参考图参考图4.4.1所示电路，设计所示电路，设计并安装反相比例运算电路，要并安装反相比例运算电路，要求输入阻抗求输入阻抗Ri=10 kW W，闭环电，闭环电压增益压增益 A f =10。(2) 在电路输入端加在电路输

17、入端加1kHz正弦电压，用正弦电压，用示波器示波器测量电路的输入和测量电路的输入和输出峰峰值；改变输出峰峰值；改变 i的大小，再测一次。研究的大小，再测一次。研究 i和和 的反相比例的反相比例关系，填表。计算关系，填表。计算平均值得出实际平均值得出实际Avf ，与理论值比较。与理论值比较。 vi voVopp理Vopp测vipp=100mVvipp=200mV1. 反相比例运算反相比例运算 Rf R1 RL 10kW Av + R=Rf / R1 = 9kW 100kW vI vO 10kW 4.4.1 反相比例运算电路反相比例运算电路 1000mV2000mV2. 比例积分运算比例积分运算

18、此电路和反相比例运算基本相同，不过加了此电路和反相比例运算基本相同，不过加了电容电容以及以及 输入信号输入信号是正方波全为正电压的方波！所以如果有是正方波全为正电压的方波！所以如果有较好的较好的布局布线习惯布局布线习惯，硬件操作就非常简单！，硬件操作就非常简单！比例积分运算电路比例积分运算电路 R1 10kW Av + R= Rf / R1 = 9kW vO 10kW RL v1 iR + 0.01F 100 kW Rf iC C 实验要求输入实验要求输入f=500Hz，幅值，幅值1V的的正正方波方波，务必设置示波器务必设置示波器通道通道直流直流耦合耦合来观测来观测vi和和vo，（，（现场检查

19、点现场检查点）。实验报告中要）。实验报告中要画其波形，标明频率和最大值、最小值。画其波形，标明频率和最大值、最小值。Vi正电压正电压方波方波1V12示波器屏幕上示波器屏幕上显示的小箭头显示的小箭头是是0V的位置的位置Vo负电压负电压三角波三角波而而直流分量直流分量反相比例放大反相比例放大纯交流方波纯交流方波积分积分为三角波为三角波注意：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，但不表示这些这些运算电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）。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）。图图4.

20、4.8 反相比例加法和减法运算电路反相比例加法和减法运算电路3. 反相比例加、减运算反相比例加、减运算 在图在图4.4.8中，中，vi为为 =1kHz 正弦波正弦波。S-A相接为相接为加加法运算法运算 R =5.1k=RfR1R2 S-B相接为相接为减减法运算法运算 R =100k=Rf。调节电位器调节电位器RP，用，用示示波器测量波器测量一组一组vi1、vi2和和vo峰峰值；然后改峰峰值；然后改变变vi1 ，测量改变后的，测量改变后的vi2和和vo峰峰值；自行峰峰值；自行完成拟定表格。完成拟定表格。加法运算实验记录表加法运算实验记录表(减法表式样相同减法表式样相同)vi vovo理vo测vi1=100mVvi2=自调vi1=200mVvi2=自动vi2 不要太接近不要太接近vi110K四、实验报告要求四、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在绘制的电路图加上实际操作时用的芯片管脚号。脚号。2. 整理实验数据，填入拟定的记录表格中。整理实验数据，填入拟定的记录表格中。3. 记录和描绘记录和描绘积分器积分器vi和和vO的波形的