集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

1、2 集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用實(shí)驗(yàn) 余新平編寫 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1了解集成運(yùn)放的使用方法； 2 熟悉集成運(yùn)放的雙電源和單電源供電方法； 3 掌握集成運(yùn)放構(gòu)成各種運(yùn)算電路的原理和測試方法。 二、實(shí)驗(yàn)儀器及器件 1 雙蹤示波器； 2 直流穩(wěn)壓電源； 3 函數(shù)信號發(fā)生器； 4 .數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)電路板； 5.數(shù)字萬用表； 6 集成電路芯片 UA7412塊、瓷片電容 0.01UF2個、電阻10k 10個、20k 5個、30k 2 個、50k 2 個、100k 2 個、5.1k 1 個、3.3k 1 個、680k 1 個，10k 電位器 3 個。 三、預(yù)習(xí)要求 1 熟悉集成電路芯片 uA741的引腳圖及

2、功能； 2 .掌握集成運(yùn)放的工作特點(diǎn)； 3 掌握構(gòu)各種運(yùn)算電路的形式及工作原理。 四、實(shí)驗(yàn)原理 (1) 集成運(yùn)放簡介 集成電路運(yùn)算放大器(簡稱集成運(yùn)放或運(yùn)放)是一個集成的高增益直接耦合放大器， 通過外接反饋網(wǎng)絡(luò)可構(gòu)成各種運(yùn)算放大電路和其它應(yīng)用電路。集成運(yùn)放UA741的電路符號 及引腳圖如圖1所示。 NC +V cc Vo調(diào)零 1234 調(diào)零 V- V+ -Vcc 圖1UA741電路符號及引腳圖 任何一個集成運(yùn)放都有兩個輸入端，一個輸出端以及正、負(fù)電源端，有的品種還有補(bǔ)償 端和調(diào)零端等。 (a) 電源端：通常由正、負(fù)雙電源供電，典型電源電壓為土15V、 12V等。如：uA741 的7腳和4腳。

3、(b) 輸出端：只有一個輸出端。在輸出端和地(正、負(fù)電源公共端)之間獲得輸出電壓。 如：UA741的6腳。最大輸出電壓受運(yùn)放所接電源的電壓大小限制，一般比電源電壓低1 2V ;輸出電壓的正負(fù)也受電源極性的限制；在允許輸出電流條件下，負(fù)載變化時輸出電壓 幾乎不變。這表明集成運(yùn)放的輸出電阻很小，帶負(fù)載能力較強(qiáng)。 （c）輸入端：分別為同相輸入端和反相輸入端。如: UA741的3腳和2腳。輸入端有兩個 參數(shù)需要注意：最大差模輸入電壓vid max和最大共模輸入電壓vic max 兩輸入端電位差稱為“差模輸入電壓 兩輸入端電位的平均值，稱為共模輸入電壓”Vic : Vic 任何一個集成運(yùn)放，允許承受的V

4、id max和Vic max都有一定限制。 兩輸入端的輸入電流 i+和i-很小，通常小于1A，所以集成運(yùn)放的輸入電阻很大。 （2）理想集成運(yùn)放的特點(diǎn) 在各種應(yīng)用電路中，集成運(yùn)放可能工作在線性區(qū)或非線性區(qū)：一般情況下，當(dāng)集成運(yùn)放 外接負(fù)反饋時，工作在線性區(qū)；當(dāng)集成運(yùn)放處于開環(huán)或外接正反饋時，工作在非線性區(qū)。 在分析各種應(yīng)用電路時，往往認(rèn)為集成運(yùn)放是理想的，即具有以下的理想?yún)?shù)：輸入電 阻為無窮大、輸出電阻為 0、共模抑制比為無窮大及開環(huán)電壓放大倍數(shù)為無窮大。 理想集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時的特點(diǎn)為： VV 分別稱為 虛短”和虛斷”。它們是分析理想集成運(yùn)放線性應(yīng)用電路的兩個基本出發(fā)點(diǎn)。 當(dāng)理想運(yùn)放工作

5、在非線性區(qū)時，虛短”不再成立，但 虛斷”仍然成立。此時當(dāng) V V 一時，Vo = Vom； V：V_時，Vo Vom； （3）集成運(yùn)放的單電源供電問題 在集成運(yùn)放的部分應(yīng)用電路中，出于某種需要，有時要求單電源供電。 雙電源供電與單 電源供電兩者之間有何區(qū)別？ 當(dāng)集成運(yùn)放采取雙電源供電時，輸入、輸出電壓的電位參考點(diǎn)是正、負(fù)電源的公共端 C， 如圖2（ a）所示。如果把負(fù)電源端作為電位參考點(diǎn)，并使C點(diǎn)懸空，則電路成為圖 2（ b）， 這時的供電形式就變?yōu)閱坞娫垂╇??？梢?，雙電源供電與單電源供電的實(shí)質(zhì)是電位參考點(diǎn)的 不同。 由于電位基準(zhǔn)發(fā)生了變化，因此集成運(yùn)放的允許工作條件也將相應(yīng)改變。為了說明方便

6、， 假設(shè)土 12V雙電源供電時集成運(yùn)放的共模輸入電壓范圍為-107V、輸出電壓范圍為-11+ 11V。則當(dāng)24V單電源供電時，共模輸入電壓范圍變?yōu)?219V、輸出電壓范圍變?yōu)?23V。 鑒于這種情況，需要給集成運(yùn)放的同相、 反相輸入端提供合適的直流偏置電壓， 使輸入端的 電位進(jìn)入共模輸入電壓范圍內(nèi)。從而保證集成運(yùn)放的正常工作。 為了獲得最大的動態(tài)范圍，通常將同相、反相輸入端電位設(shè)置為 1 、 Vcc，最簡單的方法 2 3所示。 是通過兩個等值電阻分壓，一個單電源供電的反相交流放大電路如圖 2 圖3 單電源供電的反相交流放大電路 1 靜態(tài)時該電路的輸出電壓為Vcc。當(dāng)輸入交流正弦信號時，電路的交

7、流電壓放大倍數(shù) 2 的表達(dá)式與雙電源供電時的表達(dá)式相同。 (4) 集成運(yùn)放的主要參數(shù) 集成運(yùn)放的主要參數(shù)有：輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)、共模 抑制比、輸入電阻、輸出電阻、增益一帶寬積、轉(zhuǎn)換速率和最大共模輸入電壓。其中最重要 的是增益-帶寬積、轉(zhuǎn)換速率和最大共模輸入電壓三個參數(shù)，在應(yīng)用集成運(yùn)放時應(yīng)特別注意。 (5) 反相比例運(yùn)算電路 電路如圖4所示，圖中R2稱為平衡電阻，取R2= Ri Rf。利用 虛短”和 虛斷”的特點(diǎn) 可求得其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為： AvRf 在上述電路中，外接電阻最好在1k100k范圍內(nèi)選擇，電壓放大倍數(shù)限定在 100內(nèi)，以 保證電壓放大倍數(shù)的穩(wěn)定性。

8、圖4反相比例運(yùn)算電路 (6) 同相比例運(yùn)算電路 電路如圖5所示，取R2= R1/ Rf。利用 虛短”和虛斷”的特點(diǎn)可求得其閉環(huán)電壓放大 倍數(shù)為：Af =1 雖 R1 上述電路中，集成運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端電壓均為輸入電壓，故同相比例運(yùn)算 電路的共模輸入電壓即為輸入電壓。因此要求輸入電壓的大小不能超過集成運(yùn)放的最大共模 輸入電壓范圍。 當(dāng)取Ri為無窮大時，Avf為1,此時稱為“電壓跟隨器”，是同相比例運(yùn)算電路的特例。 圖5 同相比例運(yùn)算電路 （7）反相加法運(yùn)算電路 電路如圖6所示，利用 虛短”和虛斷”的特點(diǎn)可求得其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為: 電路如圖7所示，取R Rf= Ri R2 R3 。利用

9、疊加定理及 虛短”和 虛斷”的特點(diǎn)可求 得其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為: 圖7同相加法運(yùn)算電路 (9)減法運(yùn)算電路 電路如圖8所示，取Ri= R2 =R, R3 = Rf ,利用前面電路的結(jié)論可求得其輸出端電壓為： V。=詈2 -Vi) 此電路的外圍元件在選擇時有一定的要求，為了減少誤差，所用元件必須對稱。 除了要求電 阻值嚴(yán)格匹配外，對運(yùn)放要求有較高的共模抑制比，否則將會產(chǎn)生較大的運(yùn)算誤差。 圖8減法運(yùn)算電路 (10)積分運(yùn)算電路 電路如圖9(a)所示，其輸出端電壓為: t 圖9積分運(yùn)算電路 實(shí)用的積分電路還需考慮非理想運(yùn)放帶來的問題，女口：反相積分器在靜態(tài)時， 運(yùn)放實(shí) 際處于開環(huán)狀態(tài)(電容不通直流

10、)，運(yùn)放的失調(diào)和漂移可能造成輸出飽和而無法再對輸入信 號積分。因此在實(shí)用電路中，往往在電容上并聯(lián)一個大電阻Rf,如圖9(b)所示，這樣可以 適當(dāng)降低運(yùn)放的開環(huán)增益，避免運(yùn)放飽和。但該電阻不能破壞原來的積分關(guān)系，為此容抗應(yīng) 該小于電阻Rf，即 故被積分信號的頻率應(yīng)滿足: 五、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求 1. 反相比例運(yùn)算電路 (1)直流反相比例放大 按圖4接好實(shí)驗(yàn)電路，取R1 = 5.1k, R2= 3.3k, RF=10k,根據(jù)表1要求輸入直流信號, 測量相應(yīng)的輸出電壓及電壓放大倍數(shù)，記錄并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 表1 輸入電壓 實(shí)測輸出電壓 實(shí)測電壓放大倍數(shù) 理論電壓放大倍數(shù) 1.4V -1.0V 5V (

11、2)交流反相比例放大 保持上述實(shí)驗(yàn)電路不變， 根據(jù)表2要求輸入不同的正弦交流信號，測量相應(yīng)的輸出電 壓幅度及波形，記錄并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 表2 表 輸入電壓 實(shí)測輸出電壓 實(shí)測電壓放大倍數(shù) 理論電壓放大倍數(shù) 0.5cos2000 n t 4COS2000 n t 2. 反相比例運(yùn)算電路幅頻特性的測試( 選做) 保持上述實(shí)驗(yàn)電路不變，輸入正弦交流信號， 改變信號頻率，測量不同頻率情況下的 輸出電壓，確定上限頻率 fH,(逐步增加信號頻率，電壓放大倍數(shù)下降3dB時的頻率)，并記 錄10組以上數(shù)據(jù)，用坐標(biāo)紙畫出幅頻特性曲線。 3. 同相比例運(yùn)算電路 (1) 按圖5接好實(shí)驗(yàn)電路，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與反相比例運(yùn)算電

12、路完全相同(幅頻特性測試除外)。 (2) 去掉電阻 尺，測量此時電路是否實(shí)現(xiàn)了“電壓跟隨器”的功能。 4. 加法運(yùn)算電路 (1)反相加法運(yùn)算電路 按圖6接好實(shí)驗(yàn)電路，取 只尸只2= 10k, RF=100k , R=10k，根據(jù)表3要求同時加入 兩個輸入信號，用示波器測量相應(yīng)的輸出電壓幅值及輸出波形，記錄并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 表3 輸入電壓V i1 輸入電壓Vi2 實(shí)測輸出電壓 輸出波形 +0.7V -1.0V +0.7V 2COS2000n t (2)同相加法運(yùn)算電路 按圖7接好實(shí)驗(yàn)電路，取 R1= 10k, R2= R3= 20k, R=RF=10k，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與反相加法 運(yùn)算電路完全相同。 5

13、. 減法運(yùn)算電路 按圖8接好實(shí)驗(yàn)電路，取 R1 = R2 = R= 10k, R3= Rf= 20k，完成表4的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。 表4 輸入電壓V i1 輸入電壓Vi2 實(shí)測輸出電壓 輸出波形 +0.7V -1.0V +0.7V 2cos2000n t 6. 積分運(yùn)算電路 按圖9 ( b)接好實(shí)驗(yàn)電路，取 R2 = 30k, Rf = 680k，輸入信號為周期 0.5ms、峰 峰值2V的方波，根據(jù)表5要求測量輸入、輸出波形，定量畫出輸入、輸出波形并分析實(shí)驗(yàn) 結(jié)果。 表5 R1 C 輸出波形 100k 0.01uF 50k 0.01uF 10k 0.01uF 六、擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求 1 將部分實(shí)驗(yàn)電路改為單電源供電后完成規(guī)定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。 2 .采用集成運(yùn)放 LM324和單電源供電，設(shè)計(jì)一音頻放大與混合前置放大電路。將幅度 為10mV左右的音頻信號和 100mV左右的音樂信號進(jìn)行混合實(shí)現(xiàn)卡拉OK功能。畫 出設(shè)計(jì)框圖和電路原理圖，并用Proteus進(jìn)行軟件仿真和實(shí)際電路測試。 七、思考題 1. 通過實(shí)驗(yàn)分析反相放大電路和同相放大電路的異同。 2. 在實(shí)驗(yàn)電路中如何用萬用表粗查集成運(yùn)放的好壞？ 3. 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，