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：无一实验时间：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、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）和极限参数（最大

2、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直 流参 数输入失调电压UioTYPImV;MAX6mV在输入电压为0时，存在一定的输出电 压。输入偏置电流IIBTYP80nA;MAX500nAA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失调电流I IOTYP20nA;MAX200nA输入端的不对称特性意味着两

3、个偏置 电流几乎总是不相等的失调电压温漂aU io20 w 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开坏差模电压增益AvdMIN20V/mV;TYP200V/mV输出端无反馈情况下，输出彳言号与输入差模信号的比值输出电压摆幅UomMIN12V;TYP14V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 a即运放输出电阻交流增益带宽积G.BW0.7-1.6MHZ有源器件或电路的增益与规定带宽的乘积参数

4、转换速率SrTYP0.5V/ 小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 数取人2k模输入电压U IOR30V反向和向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 土13VNIN 土 12V向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 制比会显著卜降，放大功能会受到影 响。最大输出电流I OSTYP30mA;MA世 40 mA运放所能输出的电流峰值。取大电源电压 Usr22V运放最大电源电压。设计一个反相比例放大器，要求：|Av|=10, Ri10K Q, Rl=100 KQ,并用Multisim

5、仿直.仿真原理图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=15kQ, Rf=150 kQ, Rl=100 kQ仿真结果KFMfFW伐同图T3-T11ms Chcnnsl dhumifidg口稣ra词1施)彳901aMi IDS-417.083 IPV鼻苜3 VO43OSCM V4. EM-Eg 常 ruggierMgn:叵国回：|E-|UMi： L I v19nge torral 3o) |NdmT肝dseOiaftnel ACharms Bsc： |ionn/Dw | 31K 卜 WPw | J wow

6、xpM.(nv：(|o r 2(pw)c p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。设计一个同相比例放大器，要求： |Av|=11, Ri10K Q, Rl=100 KQ,并用 Multisim 仿(2)参数选择计算因为要求|Av|=11,即|V0/Vi|=1 + |-RF/R1|=11，故取 Rf=10Ri,输入电阻尽量大些，取:R1=15k Q, Rf=150 kQ Rl=100 kQ；(3)仿真结果OEillcEcape-XSCjT1 * *V |一 +Tlnw i1.370 E 解33 W E mV MM VCbflrir_B

7、i 34LD.0| AC| * |dc|* 版 1 ll1 -当输入电压为 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=d5V, R1=10k Q, Rf=100 k Q Rl=100 k 乌 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，歹U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-1.99514.04-7.0

8、38-10-0.5044.997-9.875-100.505-4.967-9.836-101.992-12.67-6.354-10图11 反相蒯人I匕例匕甲电躇实验结果分析：由运放的基本性质可知，当输出电压 UoUom时，输出电压为 Uom ,由数据手册， Vcc=15V 时，输出电压摆幅 Uom= 12V14V。故当 |Ui|1.5V 时，|Uo|=1214V; |Ui|1 r-.SE4.Ya aomwif0.00 mVIjO.inaSDDWdh23隹PLH-llfpiiin m 博-5C钻fW】恪-i.dHz全都则呈2.50M3afLirr rk;1s2 4h-5M C|ps匚C1VB.实

9、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:B.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=220Q,测量最大不失真输出电 压，并和Rl=100 k徽据进行比较，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

10、压值， 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：(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为12.20V位于12V14V之间符合理论值。而当RL=220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西0mA,负载上的最大电压为 6.6V,实验结果与理论值相符合。1、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

11、义要求放大倍数为11,姑且为21)且RF=100 k Qo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)同相输入比例运算电路设计上图中电源电压土 15V, R1=10kQ, RF=200 k Q , RL= 100 kQ, RP= 10k/200k Qo(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( s s)T(科 s)=t/T X 36030.304.4033.004

12、8(C)实验结果分析：输入电压为0.2V,取输出电压为 0.2*21/，2=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/v/2)*0.030MHz=0.45MHZ ,与理论值有差距，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

13、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r勺u iPP输出信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/科S,计算结果为 0.445 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

14、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1.1V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r uu ipp输出彳口&UoppdUo/dt30.3kHz1 .1 V6.84 V0.409(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(16.6Ws)的时间。理论值为0.25-0.5V/ s S,计算Z果为 0.409科S,在理论的

15、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415KHZ时，达到上限频率，波形逐渐增加输入信号的频率，当输入信号频率为 如下如：口r.|Tsp ?T3a LhiV：F：?FWChphi =-1.口tiriVTCrm =5T.1

16、&nVPFFE Tf-Zdlh 1 2il黛却2%me 一所kHsri生通Ldkn甘RUS *55 的 eMRO7 - ： OfeM啕pWidTit/TffiM ilBTMtXFifl| ：4Lb统计SIGLST 馔“ w-OD-i： 口闻 口 叽:至至源修 开白 4砧口0*11S9肘二喉小Cipr 3-ihpfS6aq rn胃dN aoa mW清除出三 rrn MrEfiie= -144 LhlVCdd= 3E.T3mVFFRE+SR加wwm电Freq曲MgiHl1Ml= 72OOni7皿taw rl o oar - r；nvH(b)实验数据整理Rf取值(kQ )上限频率fH(KHz)相位差

17、t( s s)T(科 s)=t/T X 36010414.90.482.4171.7 10030.304.4033.0048(c)实验结果分析：RF=10kQ,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如下：.I M I L.唯gj-SECJLInYLle

18、EnJQOnrV700%o.coD.COuggEpe附）ThmV/dke-v uhM y hI n-全卦刑运清除测FiFngpiv-90LHiV（b）实验数据处理频率输入信号ViPP输出信VOPPdUO/dt130KHz1 V1.64V0.428（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/ 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 况下输出信号会严

19、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(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。 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，由对于反相端输入UO=-RF/R1*Ui据题目给出的系数，可取 RF(即为图中的R4)值为200 kQ ;对于反相端输入的信号,单独作用时，电路结构为一同相输入比例运算电路，许多电路用分压器对Ui进行分压后输到反相端，此处由公式知，不必对 Ui进行分压，选取一个合适的阻值作为平衡电 阻即可，取 R3=200 K 3 .(c)仿真结果TZ-T1Timediawel_.AdhanneiJ11,DOO m5,DOO V10.011 VIM.DOO ms5.000 V10.011 V0