运算放大器的基本应用.docx

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运算放大器的基本应用

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

理想运放当输入电压为零时输出电压也是零，而实际上运放工作时输出端会有一个偏离零的直流电压，在输入端加上一个输入失调电压可以使得输出偏离电压为零，因而务必要在输入端加上补偿电压，即失调电压。

输入

偏置电流IIB

80~500nA

放大器输入电路的静态电流。

输入

失调电流IIO

20~200nA

两查分输入端偏置电流的误差。

失调电压温漂αUIO

20uV/℃

在工作温度范围内，失调电压随温度变化的比例。

共模抑制比KCMR

70~90dB

放大器对差模信号的电压放大倍数与对工模信号的电压放大倍数之比。

开环差模

电压增益AVD

10^6

当无反馈时，运放输出电压除以同相端和反相端之间的电压差。

输出

电压摆幅UOM

12~14V

当电压为输出信号，外部量变化引起的输出电压变化。

差模输入电阻RID

0.3~2MΩ

输入差模信号时，运放的输入电阻。

输出电阻RO

75Ω

运放输出电压与输出电流之比，即从输入端看，运放的等效电阻。

交流参数

增益带宽积G.BW

0.7~1.6MHz

增益和带宽之积。

转换速率SR

0.5V/us

运放在闭环条件下，将一个大信号运放输入端，从运放的输出端测得的运放输出上升速率。

极限参数

最大差模

输入电压UIOR

±15V

同相、反相端能承受的最大的差模输入电压。

最大共模

输入电压UICR

±12~±13V

运放能承受的最大共模输入电压范围。

最大输出电流IOS

25~40mA

运放能输出的电流最大值。

最大电源电压USR

±18V

运放所能承受的所加电源电压最大值。

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）仿真原理图

电路图：

（2）参数选择计算

要求Rf/Rl=|Av|=10，且Ri>10kΩ，可取Rl=20kΩ，则对应电路图如上。

（3）仿真结果

A通道输入需要放大的信号，B通道为经过反相比例电路的输出信号，由图中所显示的数值可以知道，放大倍数基本上满足|Av|=10的要求，本次电路设计正确。

3、设计一个电路满足运算关系UO=-2Ui1+3Ui2

（1）仿真原理图

（2）参数选择计算

本次实验只使用了一个运放，利用运放同相端与反相端实现减法。

对于反相端输入的信号，其单独作用时，电路结构为一反相输入比例运算电路，由Uo=-Rf/R1*Ui，根据题目给出的系数，可取Rf（即为图中R4）值为200kΩ，对应的R1=100kΩ；对于反相端输入的信号，其单独作用时，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，选取一个合适阻值的电阻作为平衡电阻即可，取R3=200kΩ。

（3）仿真结果

三、实验内容：

1、基本要求：

内容一：

反相输入比例运算电路

（1）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

-2.0

13.84

6.92

-10

-0.5

5.067

10.134

-10

0.5

-5.058

10.116

-10

2.0

-12.93

6.465

-10

实验结果分析：

当输入信号为±0.5V的电压时，电路能够输出输入信号10倍的电压，能实现放大的功能，但是当输入信号增大到其输出信号理论值超过电源电压时，电路不能实现正常的放大功能，运放的输出电压最大只能达到电源电压（此处为15V），实际上这种情况发生时，输出电压往往比电源电压低1-2V。

如本实验内容中，输入电压为±2V时，理论输出电压为-20V或+20V，超过了电源电压，实际输出为-12.93V与13.84V。

观察数据发现，在输入电压的绝对值一定时，运放输出的正电压高于负电压，在输出电压接近电源电压时表现得尤为明显，由于放大器及电路本身结构具有不对称性，可推断这样的结果是合理的。

（2）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

注：

CH1为输入信号，CH2为输出信号。

（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

0.199

2.03

1kHz

10.20

10

交流反相放大电路实验测量数据

实验结果分析：

如图，从波谷波峰来看，输出信号波峰对应于输入信号波谷，同样的，输出信号波谷对应输入信号波峰，可见，实现了反相的功能；而由信号的峰峰值、均方根值的大小情况来看，实现了|Av|=10的放大功能。

（3）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

电源电压（15V）

14.95

14.94

最大不失真输出电压峰值（V）

12.6

5.44

实验结果分析：

（4）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）

（b）实验结果分析：

左上角点坐标为（-1.3,2.7），右下角点坐标为（1.4，-2.8）。

求得斜率为k=10.19,≈10，在误差允许范围内，符合理论值10，因此可认为实验结果正确。

如果将图放大，可以发现斜线实际上是两条分立的平行线，如下图：

（5）电源电压改为±12V，重复（3）、（4），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

电源电压（12V）

12.06

11.96

最大不失真输出电压峰值（V）

9.20

5.09

（b）实验结果分析：

左上转折点坐标为（-0.5,2），右下转折点坐标为（0.5，-2.3），k=10.75，接近理论值。

这个数值相较于前一内容有较大偏差，接近于11。

产生这一误差的原因可能是图像绘制不合理，转折点的坐标确定有误差，实验中应该将CH1对应每格电压减小，由此提高精确度，减小误差。

（6）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

82.24

8

12.16

236.84°

（C）实验结果分析：

运放uA741的增益带宽积范围为0.7~1.6MHz，由|Av|=10得，BW范围为70~160kHz，实际测得的上限频率值为82.24kHz，在理论值范围内，因此可认为本次实验结果正确。

（7）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UOPP

dUO/dt

82.37kHz

680mV

3.16V

0.521V/us

（c）实验结果分析：

运算放大器数据手册中，转换速率为0.5V/us左右，实测dUo/dt=0.521V/us，与理论值相差不大。

（8）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（这是较常用的测量转换速率的方法）。

（a）双踪显示输入输出波形图

（b）

频率

输入信号UiPP

输出信号UOPP

dUO/dt

13.50kHz

3.52V

21.6

0.488V/us

（c）实验结果分析：

运算放大器数据手册中，转换速率为0.5V/us左右，实测dUo/dt=0.488V/us，与理论值相比值略小。

此处输入信号频率与（6）中上限频率相差较大，实验中曾尝试过改变频率，但是频率对波形影响不大，反复改变频率但波形总是呈现梯形形状，而改变幅度则能使得波形变成三角波。

（9）RF改为10kΩ，自己计算RP的阻值，重复（6）（7）。

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（6）：

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）双踪显示输入输出波形图

（b）

此时Rp=5kΩ，

上限频率fH

（KHz）

相位差

t（μs）

T（μs）

Φ=t/T×360o

686.8

1.12

1.456

276.9°

（c）实验结果分析：

Rf=10kΩ，Rp=5kΩ，增益|Av|由10变为1，上限频率大幅增大，失真时输出信号与输入信号的相位差增大，输出信号滞后更多。

运算放大器并不是理想器件，实际电路结构会对放大器的输出产生一定的影响。

重复（7）：

（a）双踪显示输入输出波形图

（b）

频率

输入信号ViPP

输出信号VOPP

dUO/dt

684.0kHz

1.06V

400mV

0.903V/us

（b）实验结果分析：

实验测得的转换速率为0.903V/us，远远超过理论值0.5V/us，经过分析，这可能与增益大小以及输出电压的幅值有关。

（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：

增益带宽积这项参数主要是针对运算放大器，它可以让电路设计人员通过指定的器件频率（或频带）来确定其最大增益，反过来也同样适用。

在设计电路时，为达到预期的放大效果，必须选择增益带宽积合适的运放，否则增益将难以达到预期值。

同样的，选择转换速率过低的运放会导致输出波形失真，从而达不到预期效果，造成实验失败。

注：

转换速率的作用：

转换速率指标越高，对信号的细节成分还原能力越强，否则会损失部分解析力。

，对于一般运放转换速率SR<=10V/μs，高速运放的转换速率SR>10V/μs。

高速运放最高转换速率SR可达到6000V/us。

内容二：

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（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。

（a）双踪显示输入输出波形图

电阻选取分别为10k、20k、20k：

电阻选取分别为100k、200k、200k:

（b）实验结果分析：

所得波形与仿真波形相符，峰峰值与理论值十分接近，可认为实验结果正确。

在电路中电阻选取分别为10k、20k、20k时，输出电压峰峰值约为9V，当将电路中电阻增大为100k、200k、200k时，输出电压峰峰值在10.6V左右，更加接近理论值，由此可见电阻的选取对电路性能的影响十分重要。

2、提高要求：

设计一个比例-积分-微分运算电路。

满足运算公式

（1）写出具体的设计过程，比例、积分、微分的系数可以有所不同，请考虑不同的系数对设计输出有何影响？

设计过程如下：

输出信号由三部分组成，可以考虑分别实现三个部分的功能，即比例、积分、微分，最后用一个加法器将三个结果相加，得到最终结果。

电路原理图如下：

仿真输出波形：

其中，微分电路仿真波形为：

实际输出波形：

（2）分别观察比例-积分，比例-微分，积分-微分，比例-积分-微分运算电路的波形，并进行分析比较。

比例-积分

比例-微分，积分-微分，比例-积分-微分

思考与感想

当电路要对同一个信号进行比例运算与微分运算时，可以考虑将两者合并，具体实现方法是，在微分电路的电容两端并上一个一定阻值的电阻，这个电阻将与微分电路中反相端的电阻构成反向比例运算电路，（运放同相端接平衡电阻后接地）。

如果本题中比例运算的系数为100/99即可用这种方法实现，电路图如下。

上图所示电路中，微分电路与比例运算电路合并后与积分电路通过一个加法器相加，最终得到所要求的信号。

本题不能这样做，因为题目要求的增益为101/100而非100/99，两者不能等同。

总之，在实际可行情况下，将微分电路与比例运算电路合并，可以减少所使用的运放个数，也能减少所用电阻的个数，简化电路结构，易于检查。

观察上述电路图，在实际实验时，积分电路电容的两端往往要并联一个大电阻（本次选取电阻阻值为1M）；微分电路电容要串接一个电阻用于保护电路，这个电阻不能过大，否则将影响电路性能的实现，例如实验中，我一开始选取的串接电阻为100kΩ，发现输出波形不正确，改用10kΩ电阻后电路方正常工作。

电路输出波形不正确时，我也尝试过在微分电路运放反相端的电阻两端并联一个电容的作用：

可以防止输出图像的漂移。

问题：

①本实验中内容（8），为什么能够用于测定转换速率？

答：

因为矩形波上升沿十分陡峭，而由此得到的三角波的斜率即为电压转换最快速率，因此可以这样测定转换速率。

②为什么有时候输出波形在上升后会有波动，后而稳定？

答：

实际输入波形也可能有抖动从而导致输出抖动。

3、创新实验：

运用放大器的线性特性自行设计一个有意义的电路。

BySaVy