集成运算放大器的线性应用

实验五 集成运算放大器的线性应用一、 实验目的1．熟悉集成运算放大器的使用方法，进一步了解其主要特性参数的意义。2．通过电路设计与调试，进一步掌握基本运算电路的特性和测量方法。3．学习根据技术指标要求计算并确定电路和元器件参数的方法。二、实验原理集成运算放大器（简称集成运放）具有高增益（103～108）、高输入阻抗（103～1012）、低输出阻抗（几十～几百Ω）的特点。他是理想的直流放大器和低频放大器，也可用于求和、积分、微分、对数等运算，在其输出端和输入端接入不同的反馈网络，就能实现不同的电路功能。本实验只限于讨论线性放大和低频放大。集成运放一般有两个输入端， 同相端（+）和反相端（-），分别表示输入与输出之间的关系。同相端表示输入与输出端相位相同，反相端表示输入与输出端相位相反。1．

反相比例器反相比例器（或称反相放大器）电路形式如图5-1所示。输入信号电压Ui经电阻R1加到集成运放的反相端，Rf是构成电压并连负反馈而接入的反馈电阻，R为直流平衡电阻，其值应满足的平衡条件R=R1//Rf。根据运算放大器的基本原理，在理想的条件下（以下其它电路的分析同此条件），由于有“虚地”、“虚短”和“虚断”现象存在，我们不难得出图5-1所示反相比例器的电压增益为当Rf=R1时，放大器的输出电压等于输入电压的负值，此时该放大器可用作信号的极性转换电路，称为反相器。设计反相比例器时，元器件参数的确定应根据技术指标的要求而定：①根据增益要求确定

Rf与

R1的比值，即

。②根据对放大器输入阻抗的要求确定Rf和R1参数。若对放大器的输入阻抗没有明确的要求，则Rf一般取几十千欧至几百千欧。若Rf过大，则R1也大，就会引起较大的失调温漂；若Rf过小，则R1也小，那么这个放大器的输入阻抗就不可能高，在与前级电路相接时，就可能对前级电路产生不可忽略的影响。若对放大器的输入阻抗已有要求，则可根据 Ri=R1，先定R1，再求 Rf。③平衡电阻 R=R1//Rf,有时也采用两只电阻并联连接的方式，以避免计算误差。图5-1反相比例器电路2.同相比例器同相比例器（或称同相放大器）电路如图4-2所示。输入信号电压Uｉ经电阻R加到集成运放的同相端，Rf为串联反馈电阻，R=R1//Rf。同相比例器的电压增益为图5-2同相相比例器电路同相比例器属电压串联负反馈，具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于放大系统的前置放大级。同相比例器电路元件参数的选取与反相比例器的基本相同。 需要注意的是，由于从同相端输入信号，运算放大器输入端不存在“虚地” ，但两个输入端之间有“虚短”特性，因此运放的两个输入端相当于同时作用着信号幅度相等的共模信号， 这就要求输入信号的大小不能超过运放的共模输入范围。我们把上式和图5-2联系起来看，若Rf≈0或R1开路，则可得UO=Ui,形成电压跟随器。与晶体管电压跟随器（射随器）相比，集成运放的电压跟随器的输入阻抗更高，几乎不从信号源吸取电流；输出阻抗更低，可视作电压源，是较理想的阻抗变换器。3．反相加法器电路如图5-3所示，在深负反馈条件下，采用叠加原理可推出(5-1)当R1=R2=R时为了保正运算精度，应尽量选用高精度的集成运放， 电阻也要选用精度高、稳定性好的电阻，元件值的的选取可参考反相放大器的设计原则。4．减法器电路如图5-4所示，在深负反馈条件下当R1=R2 ，Rf=R3时（5-2）图5-3反相加法器 图5-4减法器此电路除了要求电阻值（R1=R2,Rf=R3）严格匹配外，对运放还要求有较高的共模抑制比，否则将会产生较大的运算误差。5．交流放大器集成运放在进行交流信号的放大时，合式反相运算放大器电路如图 5-5

可以采用直接耦合式，所示。

也可以采用阻容耦合式。

阻容耦图5-5交流反相放大器电路由于采用阻容耦合式电路，没有零输入、零输出的要求。为了简化电路，放大器可以采用单电源供电，电路如图5-6所示。图5-6单电源交流反相放大器电路为使运放的静态工作点处于线性区的中心， 获得最大的动态范围， 要求输出端的直流电压为电源电压的一半；对直流而言，图5-6所示电路属电压跟随器的形式，输出端的直流电压值与同相端的直流电压值相同。为此，只要在同相输入端设置相同的偏置电压即可达到这一要求。这个电压由电源通过电阻R2,R3分压提供。采用反相交流放大器工作， 在中频段，各项参数计算与确定均与反相运算放大器相同。 值得注意的是，在图 5-6中R2=R3使从同相端输入的直流信号幅度为电源电压的一半；同时还要考虑从同相端输入的直流电流的大小， 如果太小，直流工作状态不稳定， 过大则会使电源能量消耗较大； C3的接入是为了确保同相输入端的交流零电位。三、相关分析与计算⑴基本运算放大器均采用直接耦合式（电容耦合式交流放大器除外）,他的下限频率上限频率fH在小信号工作的条件下，增益与带宽的乘积是一个常熟，并等于集成运算放大器的单位增益带宽BWG,即

fL=0,其BWG=AuBW0·.707

(5-1)单位增益带宽 BWG的意义是放大倍数为方法测定。例如 μA741集成运算放大器的倍，根据（5-1）式，其工作带宽应为

1时的带宽。BWG一般由手册给出，也可用实验BWG=1MHz, 若组成基本放大器的增益 Au=20BW0.707 =BWG/Au=50kHz在大信号工作时，由于集成电路会产生瞬间饱和和截止，电路工作需要一定的恢复时间，从频率的概念来讲是使频率响应范围变窄，所以大信号时的工作带宽要小于小信号时的工作带宽。⑵电容耦合式的交流放大器的上限频率与其它运算放大器的相同，输入电容C1和输出电容C2确定两个极点的频率，分别为

下限频率与耦合电容有关，总下限频率为⑶基本集成运算放大器有一定的线性工作范围，当输入信号电压幅度增大到一定程度时，输出电压将会出现非线性失真。输出电压最大的幅值受电源电压的限制，设计电路时，根据输出的最大幅值，电源电压要留有余量（这一点对图5-6所示的电路尤为重要），即Vcc≈Uom+(1～2V)式中 Uom为放大器输出电压的最大幅值。四、参数设计与实验调试应注意的问题⑴在应用集成运放时，需要注意两个共性问题：①首先是相位补偿。 集成运算放大器是由多级放大器组成， 存在若干分布参数， 若将其构成深度负反馈时，可能会在某些频率上附加相移达到 180°，负反馈变成了正反馈，造成了电路的不稳定，甚至产生自激振荡，使电路无法正常工作。 为了消除自激振荡，必须在运放的规定引脚端引进相位补偿网络（一般为阻容网络） ，以抵消分布参数的影响。但有些运放在内部已进行了相位补偿，使用时无需再进行补偿，如 LM741,μA741，OP07等等。②其次是调零。在需要放大含有直流分量的信号时，必须考虑调零问题。其目的是为了补偿运放本身（主要是差分输入级）失调量的影响，以保证集成运放闭环工作后，输入为零时输出也为零。不同的集成运放，其调零端位置不同，使用前应查阅手册，按规定使用调零电路。普通运放如LM741,uA741,OP07等的调零电路如图5-7所示。uA741和LM741CN都是双列直插式的8引脚单运放的集成电路，他们的电参数规范大致相同，他们的引脚分布则完全相同（参见图5-8）。图5-7

调零电路

图

5-8uA741

和LM741CN

外引脚分布图⑵本实验限定使用μA741或LM741CN通用集成运算放大器，根据技术指标要求，设计出具体电路并计算出电阻数值，在数值的选取上应注意：①在满足电路输入电阻要求的前提下，应尽可能减小输入电阻值越大，偏置电流飘移的影响也就越大。

R1的阻值，因为输入电阻阻②在满足电路电压增益要求的前提下， 反馈电阻不易选择过大，

阻值太大的电阻其精度及稳定性都会降低，从而影响增益的精度和稳定性。④集成运放二输入端的直流总电阻应相等，满足平衡条件。⑶基本运算电路电阻值的选取有两种办法：①按技术指标中的放大器输入阻抗Ri值来确定R1的阻值。然后根据相互关系计算出其它电阻阻值。②如果技术指标中对输入阻抗没有具体要求，则可以通过查表等方法得到集成参数，然后通过公式计算出Rf，再根据相互关系，计算出其它电阻阻值。

运放相关⑷图5-5和5-6中电容器的选取，可以根据其容量值与频率的关系通过计算确定，但实际选取的结果往往远远大于计算值（一般为 1.5～10倍，有的甚至更大）。所以在实际低频放大器中，这样的电容器多数是凭经验选取的， 遵循的原则是，所选电容器容量值在电路响应的特定频率范围的信号作用下， 其容抗值应远远小于同一支路电阻或其并联支路电阻的阻抗值。五、设计举例设计一个能完成的运算电路。要求输出失调电压mV，计算各元件参数值（运放采用通用μA741或LM741）。解：根据设计要求，选定图 5-3所示为设计电路。查手册，得 μA741的输入失调电流 IIO≤200nA,若IIO=100nA,则kΩ（取51kΩ）按式（5-1）计算R1，R2kΩ (取33kΩ)kΩ （取20kΩ）平衡电阻R的计算=R1∥R2∥Rf33∥20∥51≈10KΩ以上所取电阻值均为标称值，填入图 5-3即可。六、实验仪器与设备TDS210型数字实时示波器1台AFG310型任意波形发生器1台DA-16型晶体管毫伏表1台模拟电路实验箱1台数字万用表1块七、设计任务及实验调试任务一：设计一个能完成的运算电路。 要求其输出失调电压 mV。采用LM741集成运放，输入失调电流IIO取150nA.实验要求1．绘制如图 5-3所示的电路。2.计算电路元件的参数（简略写出计算过程，下同） ，并将其结果标注到电路图上。3.安装调试方法和步骤①按电路图搭接好实验电路，并细心检查，确认无误。②将输入端接“地”，接通直流电源，用万用表直流电压档的相应量程测量输出端；此时，如果万用表显示不为零，则需要调整 10kΩ电位器旋钮，使输出端电压为零。在调零过程中，万用表的量程应从2V开始逐步变小，直至在毫伏级的量程下，测量输出为零时，结果最精确。此后的测量应保持电位器滑动端位置不变。③将输入端与“地”断开，并将两输入端分别与直流信号源连接； 按表5-1中所确定的参数，分别调节出各组Ui1和Ui2的值，并测量出对应的输出电压UO的值，并填入表5-1中（测量时注意DCV量程的选用）。将实测值与理论值进行比较分析。表5-1反相加法器的测试Ui1(V)0.50.40.30.2Ui2(V)-1.0-1.2-1.4-1.6实测UO(V)计算UO(V)注：上课之前必须将计算值填入表中。任务二：设计一个如图 5-4所示的减法器，使其能完成的运算功能。已知电阻 R1已确定，R1=10kΩ,采用LM741型集成运放实现。实验要求1．绘制如图 5-4所示的电路图。2．根据式（5-2）计算出Rf的阻值，根据平衡对称关系（R1=R2,Rf=R3）确定R2和R3的阻值，把元件参数标注到电路图上。3．安装调试方法和步骤①按电路图搭接好实验电路，并细心检查，确认无误。②调零（参见任务一）。③将输入端与“地”断开，并将两输入端分别与直流信号源连接； 按表5-2中所确定的参数，分别调节出各组Ui1和Ui2的值，并测量出对应的输出电压UO的值，并填入表5-2中（测量时注意DCV量程的选用）。将实测值与理论值进行比较分析。表5-2减法器的测试Ui1(V)0.10.40.71Ui2(V)0.60.91.21.5实测UO(V)计算UO(V)注：上课之前必须将计算值填入表中。任务三:设计一个双电源供电的交流放大器，电路采用图 5-5所示的形式。其指标为输入信号频率 20Hz～20kHz输入交流电压 Ui=100mV输出电压增益 Au=50输入阻抗 Ri≥5kΩ实验要求1.绘制电路。2.确定元件参数。根据技术指标确定R1=Ri=5kΩ，根据增益关系和平衡关系确定其它电阻阻值。C1,C2的容量值均选取10μF。将所有元件参数标注到电路图上。3．安装调试方法和步骤①按电路图搭接好实验电路，并细心检查，确认无误。②将信号发生器接输入端，在输入端加入幅值为100mV的正弦交流信号,频率为f=1kHz；将示波器接输出端；接通±12V电源，观测输出信号波形、幅度是否是希望的结果，是则进行下一步，否则检查电路、排除故障后再进行下一步。③保持信号源的幅度， 按表5-3所示的频率参数调整信号源的输出频率， 测量对应的输出幅度UO值，并填入表 5-3中（测量幅频特性可以参考实验一中所述方法） 。绘出幅频特性曲线。表5-3交流电放大器幅频特性的测量fi(Hz)20501005001K5K10K15K20KUo(V)任务四（选作内容）

:按任务三的技术指标设计一个单电源供电的交流放大器（确定图

5-6

为设计电路）。测试内容与任务三相同。八、预习要求1． 预习基本运算电路的相关理论知识和讲义中的相关内容。2． 按要求完成预习报告。九、问题思考1．如何对运放组成的电路进行调零？2．如果某些由运放组成的放大器既需要调零， 又需要进行相位补偿， 是先调零还 是先进行相位补偿？3.在集成运放组成的线性电路设计中，如果技术指标没有对输入电阻提出具体要求，那么通常采