实验1运算放大器的基本应用.docx

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实验1运算放大器的基本应用

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）：

   专  业：

姓  名：

    学  号：

实验室:

 104    实验组别：

  \      

同组人员：

 \     实验时间：

2011年3月31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，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UIO

1-5mV

在室温25℃及标准电源电压下，输入电压为0时，为使输出电压为0，在输入端加的补偿电压；

实际设计时应将测量值减去补偿电压才是实际值，但一般可忽略。

输入

偏置电流IIB

10-100nA

为使运放输入级放大器工作在线性区所必须输入的一个直流电流，是两输入端电流的平均值；

设计时加适当的偏置电压产生相应的偏置电流；

输入

失调电流IIO

2-20nA

在室温25℃及标准电源电压下，输入电压为0时，为使输出电压为0，在输入端加的补偿电流；

失调电压温漂αUIO

±20uV/℃

在给定的温度范围内平均成每度引起的电压变化；故设计时尽量在恒温的地方

共模抑制比KCMR

70-90dB

输入端口短路线中点对地加电压和输入端口两点之间电压的比。

开环差模

电压增益AVD

运放放大倍数，为输出电压/输入电压；

设计时使之满足放大的需求

输出

电压摆幅UOM

±（12-14）V

（RL=10kΩ）

所能输出电压的最大值与最小值之差；应使输出电压在此范围内

差模输入电阻RID

0.3-2MΩ

从放大器两输入端看进去所呈现的视在电阻；设计时越大越好

输出电阻RO

75Ω

从放大器输出端看进去所呈现的电阻值；设计时越小越好

交流参数

增益带宽积G.BW

0.7-1.6MHz

增益和带宽的乘积；用来衡量放大器的性能

转换速率SR

0.25-0.5V/us

运放接成闭环条件下，将一个大信号（含阶跃信号）输入到运放的输入端，从运放的输出端测得运放的输出上升速率。

该指标越高，对信号的细节成分还原能力越强，否则会损失部分解析力。

极限参数

最大差模

输入电压UIOR

±30V

运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。

最大共模

输入电压UICR

±13V

一般定义为当共模抑制比下降6dB是所对应的共模输入电压作为最大共模输入电压。

最大输出电流IOS

±（10-40）mA

能输出的峰值电流；

关系到负载能力

最大电源电压USR

±22V

所允许加的最大电源电压；设计时要根据要输出的电压和运放的最大承受电源电压综合权衡，超过此值会损坏运放。

2、设计一个反相比例放大器，要求：

|AV|=10，Ri>10KΩ，将设计过程记录在预习报告上；

（1）原理图

（2）参数选择计算

电源电压为±15V，R1=10kΩ，RF=100kΩ，RL=100kΩ,RP=10k//100kΩ。

运放的理论放大倍数为

（3）仿真结果

A）0.5V直流电压

如图，输入为0.2V，输出-2.001V，反相放大了10倍，符合理论值。

B）2V直流电压

如图，输入为2V直流电压，输出为13.005V直流电压，由于输出电压超过电源电压，故只能输出13V的电压。

C）0.5V，1kHz的正弦交流信号

如图，CH1为输入信号，为200mV；CH2为输出信号，为2V，放大10倍，且两者反相

D）2V，1kHz的正弦交流信号

如图，输入电压为2V，输出为10V，由于输出正弦信号中包含了超过电源电压部分的波形，故最大电压为10V，出现失真现象。

E）最大不失真输出电压

（i）RL=100kΩ

RL=100kΩ时，最大不失真输出电压为13V

（ii）RL=220Ω

可见，RL=220Ω时，最大不失真输出电压为5.62V

F）电路传输特性曲线

如下图：

为电路的传输特性曲线，斜率为

，

转折点值为（-1.15,13）（1.15，-13）;

G）电源电压改为12V:

（i）RL=100kΩ，最大输出电压为10V，相比于电源电压为±15V，最大输出电压变小，如下图：

（ii）RL=220Ω,最大输出电压为5.62V，相比于电源电压为±15V，最大输出电压变小，如下图：

（iii）传输特性曲线：

斜率

，转折点（-0.6,5.6）（0.6，-5.6）相比于电源电压为±15V，放大区域变小，如下图：

H）改变频率，测量上限频率

当调节频率为40kHz时，输出放大倍数变为7.07倍，即

相位差为

I）保持fH，增大幅度至正弦波失真

此时，输入0.6V，输出3.01V，可得转换速率

，与理论值0.5V/us非常接近。

J）输入方波，调整频率和幅度，至方波变为三角波

输入10kHz，输入1.2V，输出11.9V，可得转换速率为

，与理论值0.5V/us非常接近。

K）RF改为10kΩ

如上图，测得截止频率为700kHz

如上图，相位差为

保持fH，增大幅度，至正弦信号变形，此时，输入为0.6V，输出为0.18V

计算转化速率

，非常接近于理论值。

3、设计一个电路满足运算关系UO=-2Ui1+3Ui2

（1）原理图

参照《电子电路基础》P65图2.4.6，设计电路图如下：

（2）参数选择计算

选取R1=10kΩ，R2=10kΩ,R3=20kΩ

则

（2）仿真结果

三、实验内容：

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=10kΩ，RF=100kΩ，RL＝100kΩ，RP＝10k//100kΩ。

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/V

UO/V

Au

测量值

理论值

-2.002

12.85

-6.42

>-10

-0.506

5.20

-10.28

-10

0.506

-5.22

-10.32

-10

2.003

-12.87

-6.43

>-10

实验结果分析：

当输入±0.5V时，输出约±5V，增益约为-10，误差为

，说明此时满足反相增大10倍的设计要求。

而当输入为±2V时，运放不在线性区，无法实现增大10倍到±20V，结果为12.85V和-12.87V，在合理范围内。

（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）

输出信号有效值（V）

信号频率

电压增益

测量值

理论值

0.2

2.12

1kHz

10.6

10

交流反相放大电路实验测量数据

实验结果分析：

输出不失真的条件下，交流电压增益测量值为10.6V，与理论值相比的误差为

，考虑到模拟电路的不稳定性，该结果在误差允许范围内。

（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RL＝220Ω，测量最大不失真输出电压，并和RL＝100kΩ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=100KΩ

RL=220Ω

正电源电压（V）

15.00

15.00

正最大不失真输出电压（V）

14.6

5.36

负电源电压（V）

-15.13

-15.13

负最大不失真输出电压（V）

-13.2

-9.00

实验结果分析：

如结果所示，当负载减小时，最大不失真输出电压会变小。

这是因为，负载变小时，运放的输出电流会变大，由于运放有输出电阻，故在输出电阻上的压降变大，导致负载上的电压降低，即输出电压降低。

运放输出电阻数量级在几十到几百，故当负载为100kΩ时，负载几乎能得到全部的输出电压，而负载为220Ω时，与输出电阻相差不大，故电压被输出电阻分走了不少，导致输出电压大大降低。

正负最大不失真电压不对称，可能是漏电流或阻抗不平衡造成的。

（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）

斜率=

（b）实验结果分析：

从传输特性曲线可以看出，斜率为-11.67，最大失真输出电压为±14V，与前面的测量值相差不大，且符合理论分析。

（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=100KΩ

RL=220Ω

正电源电压（V）

12.10

12.10

正最大不失真输出电压（V）

11.6

5.40

负电源电压（V）

-12.07

-12.07

负最大不失真输出电压（V）

-10.2

-7.4

（b） 实验结果分析：

1.如结果所示，当负载减小时，最大不失真输出电压会变小。

原因同电源电压为正负15V的情况。

2.与电源电压为±15V相比，负载较大时，正负最大不失真输出电压在仍然在电源电压附近徘徊，但不超过电源电压。

3.正负最大不失真电压不对称，可能是漏电流或阻抗不平衡造成的。

（VI）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）双踪显示输入输出波形图

（b）

上限频率fH

（KHz）

相位差

t（μs）

T（μs）

Φ=t/T×360o

75

8.4

13.3

227.4

（C）实验结果分析：

uA741的增益带宽积为0.7-1.6