东南大学模电实验运算放大器的基本应用.docx
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东南大学模电实验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：
模拟电子电路实验
第1次实验
实验名称：
运算放大器的基本应用
院（系）：
吴健雄学院专业：
电类强化班
姓名：
学号：
610142
实验室:
实验组别：
同组人员：
实验时间：
2016年4月10日
评定成绩：
审阅教师：
一、实验目的
1.熟练掌握反相比例、同相比例、加法、减法等电路的设计方法；
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（大差模输入电压、大共模输入电压、大输出电流、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、传输特性曲线的测量方法；
5.掌握搭接放大器的方法及使用示波器测量输出波形。
二、预习思考
1.查阅LM324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。
LM324参数
值
单位
含义
直流参数
输入失调电压（Vos）（OffsetVoltage）
3
mV
一个理想的运放，当输入电压为0时，输出电压也应为0。
但实际上它的差分输入级很难做到完全对称。
通常在输入电压为0时，存在一定的输出电压。
输入偏置电流（Inputbiascurrent）
-20
nA
输入偏置电流保证放大器工作在线性范围，为放大器提供直流工作点。
输入失调电流（Inputoffsetcurrent）
50
nA
在电流反馈运放中，输入端的不对称特性意味着两个偏置电流几乎总是不相等的。
这两个偏置电流之差为输入失调电流。
温度漂移（OffsetDrift）
7
uV/°C
由温度变化所引起的半导体器件参数的变化是产生零点漂移现象的主要原因，因此也称零点漂移为温度漂移，简称温漂。
共模抑制比（CMRR）
80
dB
放大器对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数Auc之比，称为共模抑制比。
开环差模电压增益
\
\
指不带反馈网络时的状态下在输入功率相等的条件时，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。
差模输入电阻
\
\
差模输入电阻是指输入差模信号时，运放的输入电阻。
为运放开环条件下，从两个差动输入端看进去的动态电阻。
差模输出电阻
\
\
负载开路时，从输入端向放大电路看进去的交流等效阻抗。
交流参数
增益带宽积（GBW）
1.2
MHz
增益带宽积是用来简单衡量放大器的性能的一个参数。
这个参数表示增益和带宽的乘积。
转换速率（SlewRate）
0.5
V/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。
极限参数
最大差模输入电压
32
V
差模输入电压的最大值
最大共模输入电压
28
V
共模输入电压的最大值
最大输出电流
60
mA
输出电流的最大值
最大电源电压
30
V
电源电压的最大值
2.设计一个反相比例放大器，要求：
|AV|=10，Ri>10K?
，RF=100k?
，并用multisim仿真。
其中分压电路由100k?
的电位器提供，与之串联的510?
电阻起限流的作用。
3.设计一个同相比例放大器，要求：
|AV|=11，Ri>10K?
，RF=100k?
，并用multisim仿真。
三、实验内容
1.基本要求
内容一：
反相输入比例运算电路各项参数测量实验（预习时，查阅LM324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）。
图1.1反相输入比例运算电路LM324管脚图
1）图1.1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
13.365
-6.6825
\
-0.5
5.06
-10.12
-10
0.5
-4.92
-9.84
-10
2
-13.964
-6.982
\
分析：
根据数据表格可知，当Ui小于1.5V时，放大倍数与理论值10倍基本一致；当超过1.5V时，如表格中的2V，其放大后的理论值Uo应为-20V，但是由于电源电压为+15V和-15V，根据放大器的性质，不能提供比电源电压更高的电压，所以最大也只能在13-14V，比电源电压略小1-2V。
2）Ui输入0.2V（有效值）、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。
可以看到，此时输入电压有效值为215mV，输出电压有效值为2.01V，放大倍数基本上与理论值10倍相符，而且可以看到，此时输出与输入波形相位相反，符合反向放大比例电路的作用。
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。
此时输入电压的有效值为1.01V，输出电压的有效值为10.0V，仍满足10倍的放大倍数。
但可以看到，输出电压的波峰部分已开始变形，变得较平，说明已经达到了最大不失真的电压值，而随后增大输入电压，观察到输出电压的放大倍数也渐渐小于10倍，说明输出电压有效值为10V时为最大不失真电压。
4）用示波器X-Y方式，测量电路电压的传输特性曲线（教师当堂验收），计算传输特性的斜率和转折点值。
注：
由于拍摄时使用的是1kHz，所以图像右下角有重影的部分，事实是当调整为100-500Hz时，图像会很清晰，但数据仍然不变，特此说明。
由图可知，输出电压当达到转折点上限13.30V和下限-13.80V时，电压便不再变化，呈现出水平的直线，这表明了最大输出电压需满足低于电源电压1-2V的条件。
同时可以观察到在当输入电压在-1.270V到1.510V之间时，X-Y图像呈现为斜线，通过计算得到斜率为-9.748，这与理论的放大倍数-10十分接近。
5）电源电压改为±12V，重复（3）、（4），并对实验结果进行分析比较。
当电源电压改为正负12V时，理论上最大不失真电压将相应的减小，而X-Y图像中的转折点上下限电压也会相应减小，斜率将会不变，而事实也的确是这样。
此时输入电压的有效值为821mV，输出电压的有效值为8.08V，略微小于10倍的放大倍数。
但可以看到，输出电压的波峰部分已开始变形，变得较平，说明已经达到了最大不失真的电压值，而随后增大输入电压，观察到输出电压的放大倍数也渐渐小于10倍，说明输出电压有效值为8.08V时为最大不失真电压。
注：
此时已调整为100Hz，图像很清晰，而且无重影，与之前1kHz的图像形成鲜明对比。
由图可知，输出电压当达到转折点上限10.90V和下限-11.50V时，电压便不再变化，呈现出水平的直线，这表明了最大输出电压需满足低于电源电压1-2V的条件。
同时可以观察到在当输入电压在-1.030V到1.150V之间时，X-Y图像呈现为斜线，通过计算得到斜率为-10.275，这与理论的放大倍数-10十分接近。
斜率基本不变。
6）重新加负载（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）。
当RL=220?
时，此时电源电压为正负15V，测量出来的最大不失真电压有效值为5.58V，比RL=100k?
的最大不失真电压值10.0V小了将近5V。
原因分析：
由于输出电压是通过运放的输出电流乘以负载得到的，但运放是有最大输出电流的限制，这也就意味着当负载很小的时候，运放输出电流达到最大值后，输出电压将会受限。
由LM324的数据表知最大输出电流为60mA，通过计算可知
理论上的最大值为13.2V，小于100k?
时的最大值15V（电源电压），所以实际上也会小于100k?
时的10.0V。
注：
实际使用220?
的电阻作为负载时，电路工作一段时间后，此电阻产热很大，消耗的功率也很大，比较直观的表示为烫手。
内容二：
1）设计一个同相输入比例运算电路，放大倍数为21，且RF=100kΩ。
输入信号保持Ui＝0.1Vpp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。
此时的输入电压峰峰值为112mV，输出电压峰峰值为2.32V，放大倍数为20.71，与要求的21倍基本一致。
此时的频率为1kHz，下面开始提高频率，测量上限截止频率。
可以看到，当频率提高到71kHz时，输入电压峰峰值为106mV，基本不变；输出电压峰峰值为1.64V，放大倍数为15.5倍，与上限截止频率要求的放大倍数
基本一致，而利用multisim仿真中扫频仪可得，
上限截止频率大约为50kHz，考虑到理论与实际的误差，结果基本相符。
调整时基旋钮使波形尽可能展开便于测量，通过光标读数和计算可知，相位差为滞后相位
由扫频仪的相频曲线仿真可知：
理论值为58.921°，与实际测量的结果59.32°非常接近。
2）输入信号为占空比为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）。
由转换速率的计算公式得：
与数据表上的0.5基本一致。
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。
此时频率为上限截止频率71kHz，输出波形波峰部分较尖，已经不太像正弦波了
由转换速率的计算公式得：
与数据表上的0.5基本一致。
4）RF改为10kΩ，注意调整RP的阻值，重复内容二
（1）
（2）。
列表比较前后两组数据的差别，从同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。
由计算可知此时放大倍数为3倍。
同上，可以计算出此时的相位差为滞后137.8°。
由转换速率的计算公式得：
与数据表上的0.5基本一致。
列表比较
电阻RF
上限截止频率fH
相位差（滞后）
转换速率
100k?
71kHz
59.32°
0.328V/us
10k?
602.4kHz
137.8°
0.454V/us
可以看出，当电阻为10k?
时，上限截止频率、相位差和转换速率都比电阻为100k?
时大。
由于LM324的增益带宽积为1.2MHz，这也就意味着增益和带宽的乘积的最大值为1.2MHz，放大倍数越小，增益带宽越大。
如果超过该数值，增益的倍数就会相应减小。
通过计算
得到的增益带宽积基本与1.2MHz一致。
内容三：
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）：
Ui1接入方波信号，方波信号从示波器的校准信号获取（模拟示波器的校准信号为1KHz、1V（峰峰值）的方波信号，数字示波器的校准信号为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。
通过仿真可得：
通过示波器显示为：
通过比较，数据基本一致，并且符合题意。
2.提高要求
设计一个运算电路，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？
考虑到PID各波形幅度对整体波形的影响，此处调整了PID的系数，调整为
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，各算式系数对波形的影响。
比例-积分（PI）
比例-微分（PD）
积分-微分（ID）
比例-积分-微分（PID）
PID各部分影响：
比例：
使波形呈现双极性方波形态
积分：
使波形呈现三角波形态
微分：
使波形呈现上下振荡衰减且频率高的三角波形态
四、实验总结
1.模电第一个实验，从着手设计到现在完成报告，前前后后花了两周时间，也从这里面学到不少。
2.以上所有内容均为原创，包括设计的模板，照着老师的PDF实验要求，依葫芦画瓢，一条一条排版，从这里面也自学到了不少word方面排版的知识。
3.第一次调试硬件时以为电阻两边的电压会相等，停留在数电高低电平的思维上，还没缓过神来，结果从上午九点调试到十二点，卡在最简单的反相比例放大电路上。
后来参看教材，恍然大悟。
在这个过程中也收获了不少调试的经验。
4.预习思考中的参数是从官网的LM324的DATASHEET上一个一个找的，也了解了不少参数的英文表示方法。
WINTSONYE
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