模擬運(yùn)算電路(三)

1、東南大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)中心實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告課程名稱(chēng)：電子線(xiàn)路實(shí)驗(yàn)第 五次實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：模擬運(yùn)算電路（三）院 （系）：專(zhuān)業(yè)：姓名：學(xué)號(hào)：實(shí) 驗(yàn) 室: 實(shí)驗(yàn)組別：同組人員：實(shí)驗(yàn)時(shí)間：10 年 5 月 6 日評(píng)定成績(jī)：審閱教師：實(shí)驗(yàn)五模擬運(yùn)算電路（三）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 了解運(yùn)算放大器的主要直流參數(shù)（輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流、 輸入失調(diào)電流、 溫度漂移、共模抑制比，開(kāi)環(huán)差模電壓增益、差模輸入電阻、輸出電阻等）、交流參數(shù)（增益帶寬積、轉(zhuǎn)換速率等）和極限參數(shù)（最大差模輸入電壓、最大共模輸入電壓、最大輸出電流、最大電源電壓等）的基本概念。2、 熟練掌握運(yùn)算放大電路的故障檢查和排除方法，以及輸入阻抗、輸出阻抗、

2、增益、 幅頻特性、傳輸特性曲線(xiàn)的測(cè)量方法。二、實(shí)驗(yàn)原理三、預(yù)習(xí)思考1、 查閱 741 運(yùn)放的數(shù)據(jù)手冊(cè)，自擬表格記錄相關(guān)的直流參數(shù)、交流參數(shù)和極限參數(shù)，解釋參數(shù)含義。t:tip 參數(shù)名稱(chēng)參數(shù)值參數(shù)意義及設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該如何考慮直流參數(shù)輸入失調(diào)電壓vio1(t) 6mv 該參數(shù)表示使輸出電壓為零時(shí)需要在輸入端作用的電壓差。理想運(yùn)放當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，其輸出電壓也為零，但實(shí)際運(yùn)放當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，其輸出端仍有一個(gè)偏離零的直流電壓，這是由于運(yùn)放電路參數(shù)不對(duì)稱(chēng)所引起的。輸入偏置電流iib80(t)500na 該參數(shù)指運(yùn)算放大器工作在線(xiàn)性區(qū)時(shí)流入輸入端的平均電流。指運(yùn)放輸入級(jí)差分對(duì)管的基極電流12,bbii,通常

3、由于晶體管參數(shù)的分散性，12bbii。輸入偏置電流的大小，在電路外接電阻確定之后，主要取決于運(yùn)放差分輸入級(jí)的性能，當(dāng)他的值太小時(shí)， 將引起偏置電流增加。從使用角度看， 偏置電流愈小，由信號(hào)源內(nèi)阻變化引起的輸出電壓變化也愈小。輸入失調(diào)電流iio20(t)200na 該參數(shù)是指流入兩個(gè)輸入端的電流之差。輸出電壓為零時(shí)，兩輸入端靜態(tài)電流的差值，即12iobbiii。其典型值為幾十至幾百 na .由于信號(hào)源內(nèi)阻的存在，ioi會(huì)引起一輸入電壓，破壞放大器的平衡，使放大器輸出電壓不為零。ioi越小越好，他反映了輸入級(jí)有效差分對(duì)管的不對(duì)稱(chēng)程度。失調(diào)電壓溫漂vio20/uvc該 參 數(shù) 指 溫 度 變 化 引

4、 起 的 輸 入 失 調(diào) 電 壓 的 變 化 ， 通 常 以/uvc為單位表示 . 指在規(guī)定范圍內(nèi)iov的溫度系數(shù)。共模抑制比kcmr70(t)2k) 該參數(shù)是指輸出電壓的變化量與發(fā)生這個(gè)變化所需時(shí)間之比的最大值。 sr 通常以 v/s 為單位表示，有時(shí)也分別表示成正向變化和負(fù)向變化。當(dāng)運(yùn)放在閉環(huán)情況下， 其輸入端加上大信號(hào)（通常為階躍信號(hào)時(shí)） ，其輸出電壓波形將呈現(xiàn)一定的延時(shí)，其主要原因是運(yùn)放內(nèi)部電率中的電容充放電需要一定的時(shí)間。sr表示運(yùn)放在閉環(huán)狀態(tài)下，每1us 時(shí)間內(nèi)輸出電壓變化的最大值。極限參數(shù)最大差模輸入電壓vior30v反相和同相輸入端所能承受的最大電壓值。超過(guò)這個(gè)電壓值，運(yùn)放輸入

5、級(jí)某一側(cè)的bjt將出現(xiàn)發(fā)射結(jié)的反向擊穿，而使運(yùn)放的性能顯著惡化，甚至可能造成永久性損壞。最大共模輸入電壓vicr13v運(yùn)放所能承受的最大共模輸入電壓。超過(guò)icrv值，它的共模抑制比將顯著下降。一般指運(yùn)放在做電壓跟隨器時(shí)，使輸出電壓產(chǎn)生 1%跟隨誤差的共模輸入電壓幅值。最大輸出電流ios+/-2540ma 運(yùn)放最大正向或負(fù)向的峰值電流，通常給出輸出端短路的電流最大電源電壓vsr22v2、 根據(jù)教材 24 頁(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容4 的指標(biāo)要求 （指標(biāo)要求以本節(jié)實(shí)驗(yàn)部分修改的為準(zhǔn)），設(shè)計(jì)電路并確定元件參數(shù)，同時(shí)估算該電路的最大不失真輸出電壓范圍，下限頻率、 上限頻率，并和雙電源供電的比例運(yùn)算電路做一個(gè)簡(jiǎn)單的比較

6、。答：設(shè)計(jì)過(guò)程見(jiàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2 具體。1）最大不失真輸出電壓范圍和運(yùn)放的最大輸出電壓擺幅omv有關(guān)，查詢(xún)數(shù)據(jù)手冊(cè)可得，當(dāng) 電 源 電 壓 為15v時(shí) ，10lrk時(shí) ,12 14omvv；2lrk時(shí) ，1 0 1 3omvv，計(jì)算可得220 28oppomvvv2）下限頻率：由于該電路輸入輸出為直流耦合，因此fl=0h 3）上限頻率：查詢(xún)數(shù)據(jù)手冊(cè)可得741 的單位增益帶寬（增益帶寬積）為0.71.6m,又知電路增益為5，計(jì)算可得fh 在 140320k 左右。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 23 頁(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1，具體內(nèi)容改為：9.09k (i)圖 5-1 電路中電源電壓 15v ，r1=10k ，rf=100 k

7、 ，rl220 ，rp10k/100k =10k。按圖連接電路，測(cè)量最大不失真輸出電壓，并和實(shí)驗(yàn)一數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析數(shù)據(jù)不同的原因。（提示：考慮運(yùn)算放大器的最大輸出電流）負(fù)載rl=100krl=220改為 200無(wú)擴(kuò)流有擴(kuò)流正電源電壓（ v）+15 15 15 正最大不失真輸出電壓（v）14.4 4.4 13.2 負(fù)電源電壓（ v）-15 15 15 負(fù)最大不失真輸出電壓（v）-13.0 -6.8 -13.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：1）電源電壓為+/-15v 時(shí)， 741 的最大輸出擺幅范圍為+/-1314v 2）rl=100k時(shí)，最大不失真輸出電壓在運(yùn)算放大器的最大輸出擺幅范圍內(nèi)。rl=200 ，最

8、大不失真輸出電壓遠(yuǎn)小于運(yùn)算放大器理論的最大輸出擺幅，這是因?yàn)楫?dāng)負(fù)載比較小的時(shí)候，輸出電壓受運(yùn)算放大器的最大輸出電流影響。查手冊(cè)知741 運(yùn)算放大器的最大輸出電流為+/-25 ma,因此當(dāng)負(fù)載為200 時(shí)，負(fù)載上最大可能電壓值是+/-0.025*200=+/-5v, 實(shí)測(cè)結(jié)果和這個(gè)分析基本相符。3）在三極管擴(kuò)流電路中，三極管起到了一個(gè)開(kāi)關(guān)的作用，當(dāng)運(yùn)算放大器輸出為正電壓時(shí)， 9013 飽和導(dǎo)通， 9012 反相截止，因此輸出電壓為vcc-三極管的飽和壓降。當(dāng)運(yùn)算放大器輸出為負(fù)電壓時(shí)，9012 飽和導(dǎo)通， 9013 反相截止，輸出電壓為-vcc-三極管的飽和壓降。無(wú)擴(kuò)流：有擴(kuò)流：(ii) 將電路改

9、成下圖所示，這樣可以通過(guò)三極管實(shí)現(xiàn)擴(kuò)流，將輸出電流由運(yùn)放的25ma增加到500ma，重復(fù)（ i）的實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析（本內(nèi)容可以選做）10k100k10k/100k+vcc-vee1456723220vi9013+vcc-vee+(iii) 保持 vi0.2v 不變，改變輸入信號(hào)的頻率，在輸出不失真的情況下，測(cè)出上限頻率fh并記錄此時(shí)的輸入輸出波形，測(cè)量?jī)烧叩南辔徊?，并做?jiǎn)單分析。1） 輸入輸出波形圖2）上限頻率fh(khz) 相位差t( s)t( s) =t/t 360 o71 6.6+3.2=9.8 14.08 滯后 250 2） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：放大電路的上限頻率和增益的乘積

10、為固定值，ua741 的理論值為0.71.6mhz，放大倍數(shù)為10，理論上限頻率應(yīng)為70160khz,測(cè)量結(jié)果與之相符合。在上限頻率處，增益變?yōu)橹蓄l區(qū)的1/2，滯后 -180-45=-225，誤差為10%，主要來(lái)自手動(dòng)測(cè)量時(shí)光標(biāo)的位置不好把握。(iv) 將輸入正弦交流信號(hào)頻率調(diào)到前面測(cè)得的fh，逐步增加輸入信號(hào)幅度，觀(guān)察輸出波形，直到輸出波形開(kāi)始變形（看起來(lái)不象正弦波了），三角波記錄該點(diǎn)的輸入、輸出電壓值，根據(jù)轉(zhuǎn)換速率的定義對(duì)此進(jìn)行計(jì)算和分析，并和手冊(cè)上的轉(zhuǎn)換速率值進(jìn)行比較。1） 輸入輸出波形圖2）頻率輸入信號(hào)vipp輸出信號(hào)voppdvo/dt 71khz 0.68v 3.12v 0.443

11、v/us 2） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：輸出信號(hào)電壓對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，可得電壓變換率，也就是轉(zhuǎn)換速率。手冊(cè)中給出的轉(zhuǎn)換速率為0.250.5v/us，實(shí)測(cè)值在該范圍內(nèi)。運(yùn)算放大器應(yīng)用中，當(dāng)信號(hào)頻率較高，輸出信號(hào)幅度較大時(shí)必須考慮轉(zhuǎn)換速率的影響。(v) 輸入信號(hào)改為占空比為50%的雙極性方波信號(hào)，調(diào)整信號(hào)頻率和幅度，直至輸出波形正好變成三角波，記錄該點(diǎn)輸出電壓和頻率值，根據(jù)轉(zhuǎn)換速率的定義對(duì)此進(jìn)行計(jì)算和分析（這是較常用的測(cè)量轉(zhuǎn)換速率的方法，此項(xiàng)內(nèi)容選做）1） 輸入輸出波形圖2）頻率輸入信號(hào)vipp輸出信號(hào)voppdvo/dt 22k 3.08v 11v 0.484v/us 2） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：改用此法測(cè)量后，測(cè)得轉(zhuǎn)

12、換速率更接近0.5 了，更準(zhǔn)確。實(shí)際測(cè)得轉(zhuǎn)換速率因輸出剛好為三角波，故其斜率即轉(zhuǎn)換速率。(vi) rf改為 10 k ，自 己計(jì)算 rp的阻值，重復(fù)（iii） （iv） 。列表比較前后兩組數(shù)據(jù)的差別，從反相比例放大器增益計(jì)算、增益帶寬積等角度對(duì)之進(jìn)行分析。并總結(jié)在高頻應(yīng)用中該如何綜合考慮增益帶寬積和轉(zhuǎn)換速率對(duì)電路性能的影響。重復(fù)（ iii） ：1）輸入輸出波形圖此時(shí)1|10|105pfrrrkkk上限頻率fh(khz) 相位差t( s)t( s) =t/t 360 o370k 2.12-0.32=1.8 2.7 240 滯后3） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：1rf改為 10 k 后，增益變?yōu)?，因?yàn)樵鲆鎺?/p>

13、積為一常數(shù)，所以帶寬應(yīng)變大，上限頻率變大，符合。2.相位同前分析，這次相位測(cè)量較之前準(zhǔn)確。重復(fù)（ iv） ：1） 輸入輸出波形圖2）頻率輸入信號(hào)vipp輸出信號(hào)voppdvo/dt 370khz 2.48v 0.72v 0.5328v/us 3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：在高頻應(yīng)用時(shí)，首先要根據(jù)設(shè)計(jì)中的增益和上限頻率的要求計(jì)算出增益帶寬積要求，然后根據(jù)輸出電壓的幅度和上限頻率的要求計(jì)算轉(zhuǎn)換速率。2、 24 頁(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容4，具體內(nèi)容改為：(i)設(shè)計(jì)一個(gè) 單電源交流放大器，輸入電壓 1v ， avf = 5， fl 10hz ，fh 100khz ，輸入電阻大于 100k，輸出電阻小于100。 （帶寬設(shè)計(jì)時(shí)可參

14、考單級(jí)放大器實(shí)驗(yàn)）1） 設(shè)計(jì)圖2） 設(shè)計(jì)過(guò)程11fvfrar取1r=10k , fr=40k輸入電阻要求大于100k ，分壓值要等于1/2vcc,取4r=100k, 2310rrk可滿(mǎn)足要求。fl 10hz對(duì)于 c1構(gòu)成的高通回路，114231110,0.152 (|)lcfcufrrr c對(duì)于 c2構(gòu)成的高通回路，2212110,1.592lcfcufr c對(duì)于 c3構(gòu)成的高通回路，333110,1 ,15.92lcllfrk cufr c考慮余量和反相端的平衡，取1210ccuf,347cuf(ii) 測(cè)量并記錄v+、v-、vo 的值；v+ v- vo 7.332 7.406 7.408

15、(iii) 在輸入端加入0.1v、 1khz 的正弦交流信號(hào)，觀(guān)察并記錄輸入輸出波形，測(cè)量vo值，計(jì)算 avf；1） 輸入輸出波形圖2）vivoavf0.101v 0.506v 5.00v (iv) 用示波器觀(guān)察c3兩端波形（示波器輸入耦合方式置于“dc ” 檔） ，分析直流分量；1） c3之前波形2） c3之后波形3） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：雙蹤顯示：可以看出，在經(jīng)過(guò)c3電容隔直之前，波形中有一個(gè)7.5v 的直流分量，經(jīng)過(guò)電容之后就只有交流分量了。(i)自擬方案測(cè)量輸入、輸出電阻值、上限頻率、下限頻率。下限頻率上限頻率帶寬2.5h 140k 140k 實(shí)際測(cè)量中，當(dāng)頻率很小，降到零時(shí)，示波器已無(wú)法顯示輸出電壓值，最小能測(cè)得頻率為 2,5h,但此時(shí)輸出電壓并不是中頻區(qū)的1/2，因此下限頻率應(yīng)是小于2.5h 的。測(cè)輸入電阻 ：串接電阻rs=100k 實(shí)測(cè)得 vs=7.278 v ;vi=7.182v, 所以7.182*1007.57.2787.182iissivrrkmvv測(cè)輸出電阻 ：負(fù)載 rl=3k 實(shí)測(cè)得 v0=0.50v ， v0=0.51v ，所以0.51(1)*(1)*3600.50oolovrrkv因?yàn)槭峭喾糯螅?所以輸入電阻理論上是無(wú)窮大，輸出電阻理論上時(shí)零，