集成运放同相放大器的带宽测量设计与仿真实验报告.docx

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集成运放同相放大器的带宽测量设计与仿真实验报告

集成运放同相放大器的带宽测量（设计与仿真）实验报告

一、实验目的

1、熟悉放大器幅频特性的测量方法。

2、掌握集成运算放大器的带宽与电压放大倍数的关系。

3、了解掌握Proteus软件的基本操作与应用。

二、实验线路及原理

1、实验原理

（1）同相放大器

同相放大器又称同相比例运算放大器，其基本形式如图2.1所示。

输入信号Ui经R2加至集成运放的同相端。

Rf为反馈电阻，输出电压经Rf及R1组成的分压电路，取R1上的分压作为反馈信号加至运放的反相输入端，形成了深度的电压串联负反馈。

R2为平衡电阻，其值为R2=R1//Rf。

电压放大倍数为

。

输出电压与输入电压相位相同，大小成比例关系。

比例系数（即电压放大倍数）等于1+Rf/R1,与运放本身的参数无关。

图2.1同相放大器图2.2某放大电路的幅频特性

（2）基本概念

1）带宽

运放的带宽是表示运放能够处理交流小信号的能力。

运放的带宽简单来说就是用来衡量一个放大器能处理的信号的频率范围，带宽越高，能处理的信号频率越高，高频特性就越好，否则信号就容易失真。

图2.2所示为某放大电路的幅频响应，中间一段是平坦的，即增益保持不变，称为中频区（也称通带区）。

在fL和fH两点增益分别下降3dB，而在低于fL和高于fH的两个区域，增益随频率远离这两点而下降。

在输入信号幅值保持不变的条件下，增益下降3dB的频率点，其输出功率约等于中频区输出功率的一半，通常称为半功率点。

一般把幅频响应的高、低两个半功率点间的频率定义为放大电路的带宽或通频带，即BW=fH-fL。

式中fH是频率响应的高端半功率点，也称为上限频率，而fL则称为下限频率。

通常有fL<

2）单位增益带宽

运放的闭环增益为1倍条件下，将一个频率可变恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，随着输入信号频率不断变大，输出信号增益将不断减小，当从运放的输出端测得闭环电压增益下降3db（或是相当于运放输入信号的0.707）时，所对应的信号频率乘以闭环放大倍数1所得的增益带宽积。

单位增益带宽是一个很重要的指标，对于正弦小信号放大时，单位增益带宽等于输入信号频率与该频率下的最大增益的乘积。

3）电压增益G

电压增益表示的是放大电路对输入信号的放大能力，使用的表示方法是分贝表示法，其定义为：

Gu=20lg（Uo/Ui）=20lgAu，单位是分贝，用符号dB表示。

4）放大器的幅频特性

放大电路输出信号的幅度和相位，会随着信号频率的变化发生变化，一般来说，在放大电路的低频段与高频段和中频段相比，信号的幅度会下降，也会产生一定的相移。

这就是放大电路的频率特性，它分为幅频特性和相频特性两方面。

幅频特性是描绘输入信号幅度固定，输出信号的幅度随频率变化而变化的规律。

5）带宽增益积

这是衡量放大器性能的一个参数，表示增益和带宽的乘积，这个乘积是一定的。

6）本实验选用集成运放芯片UA741，引脚图如下图所示。

图2.3UA741引脚图

引脚作用为：

1、5脚为调零端；2脚为反相输入端；3脚为同向输入端；4较为负电源V-；

6脚为输出OUT；7脚为正电源V+；8脚空。

2、实验线路

图2.4实验线路

三、实验内容及步骤

1、检查实验设备是否齐全，包括直流稳压电源、数字信号发生器、双踪示波器、万用表以及相应的电源线、输出线等，领取镊子、剪刀各一把，面包板一块，导线若干。

2、根据老师所发的集成运放芯片TL082CN查阅芯片引脚图如下图所示。

图3.1TL082CN引脚图

芯片引脚功能如下表所示。

表1TL082CN引脚功能

3、确定测试放大倍数Auf为2、3、4时的三组实验数据，选择R1=R2=10k，Rf分别为10k，20k，30k，根据原理图以及芯片引脚图搭接电路，同时注意走线平整、美观。

4、开始搭接电路，首先在面包板上搭接同相放大电路。

（1）将芯片TL082CN插在面包板上，注意引脚编号。

（2）在引脚8引出+12V电源线，引脚4引出-12V电源线，引脚1通过30k电阻（即Rf）接引脚2，同时引脚1引出一根信号线接示波器，引脚2经10k电阻接地，地线引出，引脚3经10k电阻引出一根信号线接信号发生器。

如下图所示。

图3.2面包板接线图

5、连接示波器、直流稳压电源、信号发生器和面包板上的电路，将面包板上引出的+12V、-12V电源线及地线与直流稳压电源相连，将示波器、信号发生器与引出的相应信号线连接，并将示波器、信号发生器与直流稳压电源共地，如下图所示。

图3.3整体接线图

6、搭接电路完毕，检查电路搭接是否正确，检查完毕后接通示波器、信号发生器与直流稳压电源的供电电源，开始调试。

7、调试直流稳压电源，使其输出+12V、-12V电源，如下图所示。

图3.4直流稳压电源

8、调试信号发生器，使其峰峰值为2V，即输出幅值为1V的正弦信号，初始频率100Hz，调节频率开始测试其带宽。

9、调试过程

（1）刚开始调试时，出现了波形失真现象，经检查，发现芯片未插紧，地线连接时夹在了绝缘层上导致未能得出精确波形，经过调整得出了理想波形。

（2）调试时，通过保持输入信号的幅值不变，在输出不失真的情况下，逐渐增大输入信号的频率，到输出信号为运放输入信号的0.707倍时所对应的输入信号频率即为fL，根据BW≈fL，既得带宽。

以Auf=4为例，输出波形图和带宽显示如下图所示。

图3.5波形输出（Auf=4）

图3.6带宽显示（Auf=4）

当Auf=1时，测得带宽为3.86MHz，如下图所示。

图3.7带宽显示（Auf=1）

10、记录实验数据。

更换电阻Rf为10k，Auf=2；Rf为20k，Auf=3分别调试测量带宽并记录数据。

11、在面包板上测试完成后，领取洞洞板、插脚等元件，根据原理图焊接电路，如下图所示（取Auf=3，Rf为20k）。

图3.8焊接完成的电路

12、焊接完成后，使用四路万用表测试焊点是否牢固，防止虚焊。

将万用表调至蜂鸣档，用两个探针接触引脚8与正电源插脚，发出蜂鸣声说明焊点牢固，其余焊点之间也同样测试。

测试完成后连接电路，验证效果，连接好的电路如下图所示。

图3.9连接好的电路

13、通电后，示波器显示波形如下图所示。

电压峰值为3V，放大了3倍，验证了电路焊接的正确性。

图3.10示波器波形

14、调试时，保持输入信号的幅值不变，在输出不失真的情况下，逐渐增大输入信号的频率，到输出信号为运放输入信号的0.707倍时所对应的输入信号频率为fL=1.45MHz，带宽增益积为4.35MHz，如下图所示。

图3.11带宽显示

四、仿真

仿真电路如下图所示。

搭接电路时，根据实验线路，在Protues中选择通用集成运放UA741、电阻可变电阻、正弦信号发生器、电压探针、示波器、频域分析图表等元件。

将放大器7和1脚分别接正、负12V电源，同相输入端（3脚）通过R2接正弦信号，反相输入端（2脚）通过R1接地，在通过RV1接输出端（6脚）。

完成电路搭接后，添加示波器，并将放大器输入端、输出端（6脚）分别接入示波器的A、B两端。

添加频域分析图表，并在放大器6脚处添加一电压探针，然后将此测量探针拖入频域分析图表中。

仿真所需元器件清单如下表所示。

图4.1仿真图

表2仿真电路元器件清单

序号

元件

数量

1

运算放大器UA741

1

2

10k电阻

2

3

100k可变电阻

1

4

地线

1

5

±12V电源

2

6

正弦信号发生器

1

7

电压测量探针

2

8

示波器

1

9

频域分析图表

1

仿真步骤如下：

1、实验采用通用集成运放UA741。

调节可变电阻RV1=10K，正弦信号发生器频率为20Hz，电阻R1=R2=10k。

图4.2示波器波形

由公式

可算出Auf=2。

2、设置频域分析图表属性如下图所示。

图4.3属性设置

3、点击频域分析图表上框，展开图表。

再点击运行，图表显示如下图。

图4.4频域分析图表

中频区约为6dB，我们找出增益下降3dB（约3dB）的频率点，显示此点处频率约为505kHz，即带宽

505KHz。

4、保持信号发生器频率不变，分别设置可变电阻为20K、30K、40K、50K，再重复上述1、2步骤，可得到相对应的电压增益与带宽。

补充：

根据老师提供的芯片TL082重新进行仿真，仿真图如下图所示：

图4.5TL082仿真图

仿真结果：

（1）Rf=10k时

图4.6Auf=2示波器波形

上图中黄色波形表示输入电压Vi其幅值为1V，蓝色波形表示输出电压Vo其幅值为2V。

可以得到其放大倍数Auf=2。

带宽显示如下图所示。

图4.7Auf=2时的幅频特性曲线（带宽为2.24M）

（2）Rf=20k时

图4.8Auf=3示波器波形

上图中黄色波形表示输入电压Vi其幅值为1V，蓝色波形表示输出电压Vo其幅值为3V。

可以得到其放大倍数Auf=3。

带宽显示如下图所示。

图4.9Auf=3时的幅频特性曲线（带宽为1.40M）

（3）Rf=30k时

图4.10Auf=4示波器波形

上图中黄色波形表示输入电压Vi其幅值为1v，蓝色波形表示输出电压Vo其幅值为4v。

可以得到其放大倍数Auf=4。

带宽显示如下图所示。

图4.11Auf=4时的幅频特性曲线（带宽为1.00M）

（4）Rf=0时

图4.12Auf=1示波器波形

上图中黄色波形表示输入电压Vi其幅值为1v，蓝色波形表示输出电压Vo其幅值为1v。

可以得到其放大倍数Auf=1。

带宽显示如下图所示。

图4.13Auf=1时的幅频特性曲线（带宽为4.75M）

五、实验设备

实验时所用的仪器设备如下表所示。

表3实验设备

序号

设备及元器件

数量

1

直流稳压电源

1

2

F20A型数字合成函数信号发生器/计数器

1

3

数字双踪示波器

1

4

镊子

1

5

剪刀

1

6

面包板

1

7

数字万用表

1

8

导线

若干

9

洞洞板

1

10

电烙铁

1

11

焊锡丝

若干

六、元器件清单

表4元器件清单

序号

设备及元器件

数量

1

10k电阻

3

2

20k电阻

1

3

30k电阻

1

4

运算放大器TL082

1

七、实验数据及分析

1、仿真数据记录分析如下：

1）采用UA741芯片仿真数据如下表所示：

表5放大器的增益和带宽（UA741）

次数

Auf

带宽BW（kHz）

Auf*BW（kHz）

1

2

505

1010

2

3

335

1005

3

4

252

1008

4

5

199

995

5

6

166

996

2）分析

分析表格中数据可以得到，电压增益越大，带宽越小，并且是非线性减小，带宽增益积基本不变，为一定值。

补充：

当采用TL082重新仿真时，记录数据如下表所示：

表6放大器的增益和带宽（TL082）

次数

Auf

带宽BW（MHz）

Auf*BW（MHz）

1

1

4.75

4.75

2

2

2.24

4.48

3

3

1.40

4.20

4

4

1.00

4.00

2、实验数据记录及分析

表7放大器的增益和带宽测量结果（TL082面包板测试记录）

次数

Auf

带宽BW（MHz）

Auf*BW（MHz）

1

1

3.86

3.86

2

2

2.00

4.00

3

3

1.35

4.05

4

4

1.05

4.20

分析实验结果可知，电压增益越大，带宽越小，并且是非线性减小，带宽增益积基本不变，为一定值，验证了仿真结果的正确性。

取Auf=3，当焊接好电路后，测得带宽BW=1.45MHz，则带宽增益积Auf*BW=4.35MHz，与前面测试结果相近，在忽略误差的情况下验证了实验电路的准确性。

附表输出电压与相应频率记录（TL082面包板测试）

Auf=2

Auf=3

Auf=4

f（Hz）

U0（V）

f（Hz）

U0（V）

f（Hz）

U0（V）

10K

2.06

10K

3.08

10K

4.00

100K

2.12

100K

3.20

100K

4.24

200K

2.16

200K

3.28

200K

4.32

300K

2.16

300K

3.32

300K

4.36

400K

2.20

400K

3.36

400K

4.40

500K

2.24

500K

3.40

500K

4.32

600K

2.36

600K

3.52

600K

4.32

700K

2.44

700K

3.56

700K

4.12

800K

2.52

800K

3.52

800K

3.76

900K

2.56

900K

3.52

900K

3.36

1M

2.68

1M

3.04

1M

3.04

1.5M

2.04

1.35M

2.12

1.05M

2.82

2M

1.42

2M

1.64

2M

1.12