2016東南大學(xué)模電實(shí)驗(yàn)1運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用

1、LimsEER電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)定成績(jī):審閱教師: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:模擬電子電路實(shí)驗(yàn)第1次實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱:運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用（系）:吳健雄學(xué)院專 業(yè)：電類強(qiáng)化班名:學(xué) 號(hào)： 610142實(shí)驗(yàn)組別:同組人員:實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2016年4月10日1.2.3.4.5.實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖炀氄莆辗聪啾壤⑼啾壤?、加法、減法等電路的設(shè)計(jì)方法；熟練掌握運(yùn)算放大電路的故障檢查和排除方法；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)（大差模輸入電壓、大共模輸入電壓、

2、大輸出電流、 大電源電壓等）的基本概念；熟練掌握運(yùn)算放大電路的增益、幅頻特性、傳輸特性曲線的測(cè)量方法；掌握搭接放大器的方法及使用示波器測(cè)量輸出波形。預(yù)習(xí)思考1.查閱LM324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。LM324參數(shù)值單位含義直流參數(shù)輸入失調(diào)電壓(Vos)(Offset Voltage )3mV一個(gè)理想的運(yùn)放，當(dāng)輸入電壓為0時(shí)，輸出電壓也應(yīng)為0。 但實(shí)際上它的差分輸入級(jí)很難做到完全對(duì)稱。通常在輸入 電壓為0時(shí)，存在一定的輸出電壓。輸入偏置電流(Inputbias curre nt)-20nA輸入偏置電流保證放大器工作在線性范圍，為放大器提供

3、直流工作點(diǎn)。輸入失調(diào)電流(Input offset curre nt)50nA在電流反饋運(yùn)放中，輸入端的不對(duì)稱特性意味著兩個(gè)偏置 電流幾乎總疋不相等的。這兩個(gè)偏置電流之差為輸入失調(diào) 電流。溫度漂移(Offset Drift)7uV/ C由溫度變化所引起的半導(dǎo)體器件參數(shù)的變化是產(chǎn)生零點(diǎn)漂 移現(xiàn)象的主要原因，因此也稱零點(diǎn)漂移為溫度漂移，簡(jiǎn)稱 滬灑溫漂。共模抑制比（CMRR）80dB放大器對(duì)差模信號(hào)的電壓放大倍數(shù)Aud與對(duì)共模信號(hào)的電壓放大倍數(shù) Auc之比，稱為共模抑制比。開環(huán)差模電壓增益指不帶反饋網(wǎng)絡(luò)時(shí)的狀態(tài)下在輸入功率相等的條件時(shí)，實(shí) 際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的 功率密度

4、之比。差模輸入電阻差模輸入電阻是指輸入差模信號(hào)時(shí)，運(yùn)放的輸入電阻。 為運(yùn)放開環(huán)條件下，從兩個(gè)差動(dòng)輸入端看進(jìn)去的動(dòng)態(tài)電阻。差模輸出電阻負(fù)載開路時(shí)，從輸入端向放大電路看進(jìn)去的交流等效阻抗。交流參數(shù)增益帶寬積（GBW）1.2MHz增益帶寬積是用來(lái)簡(jiǎn)單衡量放大器的性能的一個(gè)參數(shù)。這 個(gè)參數(shù)表示增益和帶寬的乘積。轉(zhuǎn)換速率(SlewRate)0.5V/us運(yùn)放接成閉環(huán)條件下，將一個(gè)大信號(hào)（含階躍信號(hào)）輸入 到運(yùn)放的輸入端，從運(yùn)放的輸出端測(cè)得運(yùn)放的輸出上升速 率。2.設(shè)計(jì)一個(gè)反相比例放大器，要求: 真。|AV|=10 , Ri10K?, RF=100 k?,并用 multisim 仿極限參數(shù)最大差模輸入電壓

5、32V差模輸入電壓的最大值最大共模輸入電壓28V共模輸入電壓的最大值最大輸出電流60mA輸出電流的最大值最大電源電壓30V電源電壓的最大值VCC16VRFlookaR1Wv佃kO丄】LM ?24N0PRL lODkflVEE其中分壓電路由100k?的電位器提供，與之串聯(lián)的 510?電阻起限流的作用。3.設(shè)計(jì)一個(gè)同相比例放大器，要求：真。|AV|=11 , Ri10K?, RF=100 k?,并用 multisim 仿vet ： 1 II5 Vrwz:：1：00lfi；:nrAaK-10OkQR2-AMr:UlBR1I:dfi實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 基本要求內(nèi)容一：反相輸入比例運(yùn)算電路各項(xiàng)參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)（預(yù)

6、習(xí)時(shí)，查閱LM324運(yùn)放的數(shù)據(jù)手冊(cè)，自擬1)圖1OUT1u144OUT1IN-C2134IN-1JN+t3124IN+ccE411Vee5103IN+2IN-693IN-2OUT783OUT(TOP VIEWLM324管腳圖RL= 100 kQ, R吐 10k/100k Q。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）中電源電壓 15V, R1=10kQ, RF=100 kQ,按圖連接電路，輸入直流信號(hào) Ui分別為一2V、一 0.5V、0.5V、2V,用萬(wàn)用表測(cè)量對(duì) 應(yīng)不同Ui時(shí)的Uo值，列表計(jì)算 Au并和理論值相比較。其中 Ui通過電阻分壓電 路產(chǎn)生。Ui/VUo/VAu測(cè)量值

7、理論值-213.365-6.6825-0.55.06-10.12-100.5-4.92-9.84-102-13.964-6.982分析：根據(jù)數(shù)據(jù)表格可知，當(dāng)Ui小于1.5V時(shí)，放大倍數(shù)與理論值10倍基本一致；當(dāng)超過1.5V時(shí)，如表格中的2V，其放大后的理論值 Uo應(yīng)為-20V，但是由于電源電壓為 +15V和- 15V,根據(jù)放大器的性質(zhì)，不能提供比電源電壓更高的電壓，所以最大也只能在13-14V，比電源電壓略小1-2V。2）Ui輸入0.2V （有效值）、1kHz的正弦交流信號(hào)，在雙蹤示波器上觀察并記錄輸入輸 出波形，在輸出不失真的情況下測(cè)量交流電壓增益，并和理論值相比較。注意此時(shí)不 需要接電阻分

8、壓電路。GO1LTTITAvhTdJ=3W4V =47bV二 L4V. -TW.Ou -ZtMT =TO Irf FbU EVi山 SOflgrra =M 0 Kr UM Hhfc* rr-htr=I-IT f 2M. Du. I-w r1-5 *E V =g佔(zhàn)w -E -LhitF=甘75?叮L條釘 =Tfcw =JO M4 Lb=FBYK- Jr 5#*vPT.ArBi= TO.TwVlWl&lk M 禺： 0u3可以看到，此時(shí)輸入電壓有效值為215mV,輸出電壓有效值為 2.01V,放大倍數(shù)基本上與理論值10倍相符，而且可以看到，此時(shí)輸出與輸入波形相位相反，符合反向放大比例電路 的作用。

9、3）輸入信號(hào)頻率為1kHz的正弦交流信號(hào)，增加輸入信號(hào)的幅度，測(cè)量最大不失真輸出電壓值。UGOLH 3MDinD n OPu =l.n YI 2.T1 *iwPt -DutfOwr rcM Hhiif=f.?E V I 01 r I 血4 =缶 EV T 4 439 V dawHi1 5D BD stmFtf ini. -VLdlk -Lffi f 軋還*tefil Am r迅1三 caV* ODM:1. QOOtc =4 Oul=Z7B. DWt時(shí)=勿 IS 1 * d 4. Ba4 =3.DDC3U(z -SI.2D 1Hut Fr RiT4 -嘰人黃阿 -HO Wc耳 50 W M.3(

10、 S丹-s *t L2 Q W =IB 3 V=1 *7*=Ow fruq +Butr和- Ki 19 -IhitT如MSFhplTllHi lla -11. VEB瞬缶FP*r iit*-+ m .ouB =Me OflT7啊 CHmtFf DM,三THW IS. W * I OMUb* SO 2D 1All*1=-T. fn =i.a.a / =5.館 V 【.DBOtia 5ie. Due7 ar 27S %P*r Afl=* 04. ftii原因分析：由于輸出電壓是通過運(yùn)放的輸出電流乘以負(fù)載得到的，但運(yùn)放是有最大輸出電 流的限制，這也就意味著當(dāng)負(fù)載很小的時(shí)候，運(yùn)放輸出電流達(dá)到最大值后，

11、輸出電壓將會(huì) 受限。由LM324的數(shù)據(jù)表知最大輸出電流為 60mA，通過計(jì)算可知V= 60mA X 220 Q = 13.2V理論上的最大值為13.2V,小于100k?時(shí)的最大值15V （電源電壓），所以實(shí)際上也會(huì)小于100k?時(shí)的 10.0V。注：實(shí)際使用220?的電阻作為負(fù)載時(shí)，電路工作一段時(shí)間后，此電阻產(chǎn)熱很大，消耗的 功率也很大，比較直觀的表示為燙手。內(nèi)容二：1）設(shè)計(jì)一個(gè)同相輸入比例運(yùn)算電路，放大倍數(shù)為21,且 RF=100 kQ。輸入信號(hào)保持 Ui=0.1Vpp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 記錄此時(shí)的輸入輸出波形，測(cè)量?jī)烧叩南辔徊睿⒆龊?jiǎn)單分析。fH并

12、TDuAh*IJkrFtU垃 taji fcr n rXLVCC15VR3-Wv-ICOhQ:：R2WV- 芝 Ic 口 :H iOOOjs=&a OnV=6&. S.V=X. MXi.=21E.O1 1 flR1IWV1A匡 FLM4ts謔歸fir一 JlT l. B3 HtiWi 504.血MLh=1.12 V=53.EbVF智 Ar*4 4J .9aV5l6 Otls+WiRF-AAA-lOOkOU1B亠 LM324NRL：:IDOkqVEEdsv7*-.Ef恤 msPviodUSP*ri oi-Width=MA* s M TbV=i.ooati 4K. Ou=2 32 V =iy=1

13、OC4I=46日.gf叩 Ow fr*tTop Qvw Fth斗 +TiDly=53 * =fl.11 t-l.WOtdU40 t=1.01 rH 10 芾 I-906 0 Mi=51 sa ttrt 亦.-JMtfEuFr*KitS L r1-LyB4.14 g Ml -Dhf=Fi a.-龜 i 3.紳 V =mtte1JWL=&4D7 =I.so E碎審fliii =-leofcv4lBIE Ff詁 Viith-lW T =S3&1Va 4L=I.mOxllTflff Onr恤I酬ST =殛AE ntiCh1；CuraonIL.33j Ctnci ctrsflFar.Art* Q.-ff

14、l Vi HilUl ruKUh析（這是較常用的測(cè)量轉(zhuǎn)換速率的方法）O調(diào)整時(shí)基旋鈕使波形盡可能展開便于測(cè)量，通過光標(biāo)讀數(shù)和計(jì)算可知，相位差為滯后相位,=2220?360?= 59.3214.08?由掃頻儀的相頻曲線仿真可知:LogIILinLog1 Lin 1F1GHzF 7ZDggI|1f：kHzJ -720Deg理論值為58.921 ,與實(shí)際測(cè)量的結(jié)果59.32。非常接近。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2）輸入信號(hào)為占空比為好變成三角波，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DLlupCurS i/AXzzBoaont S.lMtjS1 S

15、i .5kHz liTELArt*,Till-00 (ur =LIXUV H LTftV w W*,ik =F斬，jhrifaE=-W.QfcV ft. aChT U.SaVs S.觸Ml3MS tkrloA -Tidths lOBnVM Sa.SaV(a,0Dtd1 * nouT 畑 (Nz Ft嘴 4ibtr5G WJ eas 1 100 AMU ia m ItBut Ft* Rii50 9.J. 40網(wǎng)ginuiv呂f r_ fcriaS-TKi.T41. 3ra&5i5.救2伽 as Ptritd -liJth=1 64 y=T4V=IG OOtu，4 BMXuOwr-Ltyooui

16、C#B loaoreAMb13J0UB 2)地ITrI”FtU=1W 1二 a xaos甑郴MiTiT 301mf= XOnVmr MZ H. OOvu rriith ” t TODu 1舅y# BBIriVi-S 0BDulift二At*1+WLdt =_3e V 1血買 OrtVi a麗p i 2 A4 3NS I Tfly rwtiflil H. i(h -T|Jlk t 2Dhi5tBwtrTs Ow T5 dfri UiiD怦rD 5=I ST V 匸 H 3U V=7C * t Tl 4Wh:R. 1 t-1W*J-此時(shí)頻率為上限截止頻率 71k Hz,輸出波形波峰部分較尖，已經(jīng)不

17、太像正弦波了由轉(zhuǎn)換速率的計(jì)算公式得:? =2.64?品=0.374?/?與數(shù)據(jù)表上的0.5基本一致。RP的阻值，重復(fù)內(nèi)容二（1）（ 2）。列表比較前后兩組數(shù)4）RF改為10 k Q,注意調(diào)整據(jù)的差別，從同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。由計(jì)算可知此時(shí)放大倍數(shù)為3倍。RJGOLrO ftCHAbAX.1 411* 巧)niw 449(lh1 如 W4fwTAtF411nt DbaHR-fw-Jri=- t-lWi 皿 D込j iDQir M hV=E VTEh1 EHA.Bu1*JIhrty0-9=M 0f

18、 MW IM &.- IZ二 ZZ 七！* 4&ipVi :Wl. CUkTop=軸laWSTLg-LhVi fiT】理 =L Wu TDD.Cutk - -fle* 2 貼* T 3*rffllii 上 SiD. 7=科ja J.2JT i ? 53 Pl. 0 fci-;-ir 同上，可以計(jì)算出此時(shí)的相位差為滯后137.8 。rc H 3.0EKut 誓當(dāng)I/:丄山.叫怩 m okkioeoiv l .SS l .SS 47 54 V10 Uu fl揺血1TW 葉w 聆四 t-flutrfrt Ji沖 -ikirfw 3 dd -粗 dll-打伽V -aZOnVttTqp Dtwt Fr*

19、qBkiaim -touIS-MbIFtU-iel?3aVE 竄 IKIhil0 OMIft =3fi m 2 T73 =St OUfaajT S S as-15* 2 K =團(tuán)烏-* = Pw Af tf Hi (til 3CtA=呂80“ l.BBDu* I 山 - .L I Mjj4hPB|H|Phb-_.:liRLgleNormal Auto None 通過示波器顯示為:IGOL:PH 200. QuaD ojoaocoastsTin=3. 2 M V 1 3lVi E. ODOqiKlm=AtCaTb Jb4 +Tii1k =2VV IK V I tOhVt SCO (hiiTpff

20、AGF vd TU訳h拓 u 3取V = JT J Ai OvQ啊rhrq-SI=g 14B 1 w n Ki* P* KLh htrn-r =B. 3 tirkuTJt. z刁,Tt T =-T 性14 CMXk=-5 .5T UtT*PPM3P*5ri nJ=IBSftT 士 a 4T HT J acxufi -5C aj tn & M r J.B VK I COht = -i.imv -E, r V -J. bAiYi Sffl.khis通過比較，數(shù)據(jù)基本一致，并且符合題意。2. 提高要求設(shè)計(jì)一個(gè)運(yùn)算電路，滿足運(yùn)算公式?101 1?=而？?？+ 100 /?)?而00 ?1）寫出具體的設(shè)

21、計(jì)過程，比例、積分、微分的系數(shù)可以有所不同，請(qǐng)考慮不同的系數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)輸出有何影響?Rfi-Wi-flii即IiCrokUHDLMJ-hBp-Wf卄UiRL汨HIISFUJI-Wi-1時(shí)口-vW-VH I2T卜IM-II LJiaajH考慮到PID各波形幅度對(duì)整體波形的影響，此處調(diào)整了PID的系數(shù)，調(diào)整為101 6 ? ?= ?+ 10000 / ? 106100?2）分別觀察比例-積分，比例-微分，積分-微分，比例-積分-微分運(yùn)算電路的波形，并進(jìn)行分析比較，各算式系數(shù)對(duì)波形的影響。比例-積分（PI）O 3.CW Hur H MFmi-tuuUvil -VKU*gT =1.14 r feSDfki

22、w STTaf ES iO Hh 窩血込H、 J ttrTt rti4u14(=HAtf nchriCl.-MOu 1和 =翳hv iix Oil i ti.UUlS仙 ew fe herS*1Tlia細(xì)1- KB*F.加轉(zhuǎn)M i.wm棺1如 10 !MDU=91.00 got TO H需呀UK Oh B. DOu.fl 019 I t m t?ri11 B 慢-II*H 0F t j5ahuX I比例-微分（PD） Mwr BMhV It I* I vBa YW U AI.SO +4*k K. ogussrtH4 1 I* T I w r 15內(nèi) din I H V丘M Wfw.站-li t訶1 +nik i.ooair)riu I IC If mcu jH. oouT*rgr*叭 nsvV -BOTT W laOMU 10 .00 V* trt liJB hirt VSTBnVMl 00K OOviT*fo- L. L4 V VT9 9kK Jn fiThKt* J 33 4仙0* a T 1 some =護(hù)積分-微分（ID）r* I JI