东南大学模电实验报告实验一运算放大器的基本应用.docx

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东南大学模电实验报告实验一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

第一次实验

实验名称：

运算放大器的基本应用

院（系）：

自动化学院专业：

自动化

姓名：

某某学号：

08015

实验室:

101实验组别：

同组人员：

无实验时间：

2017年3月29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；

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、熟练掌握运算放大电路的增益、幅频特性传输曲线测量方法。

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

TYP1mV;

MAX6mV

在输入电压为0时，存在一定的输出电压。

输入

偏置电流IIB

TYP80nA;

MAX500nA

第一级放大器输入晶体管的基极直流电流。

这个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IIO

TYP20nA;

MAX200nA

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

失调电压温漂αUIO

20μV/°C

温度变化带来的失调电压变化的比例

共模抑制比KCMR

MIN70dB;

TYP90dB

输入端口短路线中点对地加电压和输入端口两点之间的电压的比

开环差模

电压增益AVD

MIN20V/mV;

TYP200V/mV

输出端无反馈情况下，输出信号与输入差模信号的比值

输出

电压摆幅UOM

MIN±12V;

TYP±14V

正负输出电压的摆动幅度极限

差模输入电阻RID

Ω;

TYP2MΩ

输入差模信号同相端与反相端之间的近似电阻值

输出电阻RO

75Ω

即运放输出电阻

交流参数

增益带宽积

有源器件或电路的增益与规定带宽的乘积

转换速率SR

μS

该参数指输出电压的变化量与发生这个变化所需的时间之比

极限参数

最大差模

输入电压UIOR

±30V

反向和同相输入端能承受的最大电压值。

超过这个电压值运放的功能会受到影响。

最大共模

输入电压UICR

TYP±13V

NIN±12V

同相端与反相输入端承受的最大共模信号电压值。

超过这个值运放的共模抑制比会显著下降，放大功能会受到影响。

最大输出电流IOS

TYP±30mA;

MAX±40mA

运放所能输出的电流峰值。

最大电源电压USR

±22V

运放最大电源电压。

2、设计一个反相比例放大器，要求：

|AV|=10，Ri>10KΩ，RL=100KΩ，并用Multisim仿真；

（1）仿真原理图

（2）参数选择计算

因为要求|Av|=10，即|V0/Vi|=|-RF/R1|=10,故取RF=10R1,输入电阻尽量大些，取：

R1=15kΩ，RF=150kΩ,RL=100kΩ

（3）仿真结果

当输入电压为时，输出电压为，放大倍数为，与理论值10接近。

3、设计一个同相比例放大器，要求：

|AV|=11，Ri>10KΩ，RL=100KΩ，并用Multisim仿真。

（1）仿真原理图

（2）参数选择计算

因为要求|Av|=11，即|V0/Vi|=1+|-RF/R1|=11,故取RF=10R1,输入电阻尽量大些，取：

R1=15kΩ，RF=150kΩ,RL=100kΩ；

（3）仿真结果

当输入电压为时，输出电压为，放大倍数为，与理论值11接近。

三、实验内容：

1、内容一：

反相输入比例运算电路各项参数测量数据

（1）下图图中电源电压±15V，R1=10kΩ，RF=100kΩ，RL＝100kΩ，RP＝10k

验过程以及波形记录：

不断增大输入电压值，直到输出信号出现失真，此时，输入电压峰峰值为，输入输出波形如下：

B.实验结果分析：

RL=100kΩ，由于Vcc=12V，运算放大器的输出电压摆幅相应降低，故最大不失真输出电压峰值也降低为，与理论结果符合；

（b）电路的传输特性曲线

A.传输特性曲线图：

B.实验结果分析：

由上图，可知两转折点分别为（,）和（，），x=,Y=,放大倍数为Y/x=,与理论值10接近。

（6）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）

（a）实验过程以及波形记录：

不断增大输入电压值，直到输出信号出现失真，此时，输入电压峰峰值为，输入输出波形如下：

（b）实验结果分析：

负载

RL=100KΩ

RL=220Ω

电源电压（V）

15

15

最大不失真输出电压峰值（V）

当RL=100KΩ时，最大不失真输出电压峰值为位于12V~14V之间符合理论值。

而当RL=220Ω时，则最大不失真输出电压为，考虑运放的最大输出电流为±30mA，负载上的最大电压为,实验结果与理论值相符合。

1、内容二：

（1）设计一个同相输入比例运算电路，放大倍数为21，（由于从实验中心网站下错实验讲义，我下的16年的讲义要求放大倍数为21，后来做完实验才得知17年的讲义要求放大倍数为11，姑且为21）且RF=100kΩ。

输入信号保持Ui＝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）同相输入比例运算电路设计

上图中电源电压±15V，R1=10kΩ，RF=200kΩ，RL＝100kΩ，RP＝10k

V

（c）实验结果分析：

由于输出信号近似为三角波，所以dUO/dt的计算就近似用电压差值处以半周期（μs）的时间。

理论值为，计算结果为μS，在理论的范围内，符合理论。

（4）RF改为10kΩ，自己计算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。

[1]重复

（1）：

保持Vi＝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）上限频率的测量

逐渐增加输入信号的频率，当输入信号频率为415KHZ时，达到上限频率，波形如下如：

（b）实验数据整理

RF取值

（kΩ）

上限频率fH

（KHz）

相位差

t（μs）

T（μs）

Φ=t/T×360o

10

°

100

48°

（c）实验结果分析：

RF=10kΩ,理论放大倍数降为2，由于增益带宽积为一定值，故增益倍数下降会使上限频率增大，本实验测量值，相比RF=10Kω的上限频率,明显增大，符合理论分析；相位差也发生较大变化，运放对于输出电压的相位影响会越来越大。

[2]重复

（2）：

（a）实验数据获取：

当输入的双极性方波信号的频率为130KHZ，电压值为1VPP时，输出波形刚好是三角波，此时的输入输出波形如下:

（b）实验数据处理

频率

输入信号ViPP

输出信号VOPP

dUO/dt

130KHz

1V

（c）实验结果分析：

由于输出信号近似为三角波，所以dUO/dt的计算就近似用电压差值处以半周期的时间。

理论值为，但测量值为，在理论的变化范围内，实验值合理。

[3]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：

在一定的转换速率下，频率越高，对输出信号的影响越明显，在高频输入信号的情况下输出信号会严重失真。

在高频下应该选用增益带宽积更高的运放，以防止由于高频带来的信号失真。

3.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）：

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，（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。

（1）加法运算电路设计

（a）仿真原理图

（b）参数选择计算

本次实验值使用了一个运放，利用运放同向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（即为图中的R4）值为200kΩ;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，选取一个合适的阻值作为平衡电阻即可，取R3=200Kω.

（c）仿真结果

（d）实验结果分析：

本实验电路实际上为一个加法电路，运用两个运放实现，由于正弦波的频率为5kHz，方波输出电压为1kHz在一个方波周期内应该出现五个周期的正弦波形，从实验所得波形可知波形正确，由于方波被反相放大，从图像上也可读得输出波形的相位与输入的方波相位相差180°，与理论相符。

四、实验体会：

本次实验，由于实验室的设备大部分都更新了，新的设备不仅使实验的操作更加数字化，实验的数据更加准确，最欣喜的一点使新的数字示波器能够将波形图截屏自动存到U盘中，准确又方便地保存实验结果。

本次实验电路比较简单，搭界起来非常容易。

但是前期由于不知我们整个班的运放都有问题，前期测试的时候由于实验结果不对我检查了电路很久，所以耽误了很多时间。

对实验的结果的理论预测也是非常重要的，进过理论预测，我们可以在做实验时有所参照，并比对数据的合理性。

在搭试电路时，需要耐心和仔细，按照层次依次搭试，在测试电路时最好是先搭好电路再接上电源以防烧片。

在电路出现问题，按照一定的次序排查问题：

电路连线，共地与否，电源电压，实验仪器；一般经过这四步就可排除问题。