東南大學(xué)模電試驗(yàn)報(bào)告_試驗(yàn)一_運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用

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：模擬電子電路實(shí)驗(yàn)第一次實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱：運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用院（系）：自動(dòng)化學(xué)院專業(yè)：自動(dòng)化姓 名：某某學(xué) 號(hào)：08015實(shí)驗(yàn)室：101實(shí)驗(yàn)組別：同組人員：無(wú)一實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2017年3月29日評(píng)定成績(jī)：審閱教師：實(shí)驗(yàn)一運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、熟練掌握反相比例、同相比例、加法、減法、積分、微分等電路的設(shè)計(jì)方法；2、熟練掌握運(yùn)算放大電路的故障檢查和排除方法；3、 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

2、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；4、熟練掌握運(yùn)算放大電路的增益、幅頻特性傳輸曲線測(cè)量方法。二、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。參數(shù)名稱參數(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UioTYPImV;MAX6mV在輸入電壓為0時(shí)，存在一定的輸出電 壓。輸入偏置電流IIBTYP80nA;MAX500nAA級(jí)放大器輸入晶體管的基極直流 電流。這個(gè)電流保證放大器工作在線性 圍，為放大器提供直流工作點(diǎn)輸入失調(diào)電流I IOTYP20nA;MAX200nA輸入端的不對(duì)稱特性意味著兩

3、個(gè)偏置 電流幾乎總是不相等的失調(diào)電壓溫漂aU io20 w V/ C溫度變化帶來(lái)的失調(diào)電壓變化的比例共模抑制比KcmrMIN70dB;TYP90dB輸入端口短路線中點(diǎn)對(duì)地加電壓和輸 入端口兩點(diǎn)之間的電壓的比開(kāi)壞差模電壓增益AvdMIN20V/mV;TYP200V/mV輸出端無(wú)反饋情況下，輸出彳言號(hào)與輸入差模信號(hào)的比值輸出電壓擺幅UomMIN12V;TYP14V正負(fù)輸出電壓的擺動(dòng)幅度極限差模輸入電阻RidMIN0.3M Q ；TYP2MQ輸入差模信號(hào)同相端與反相端之間的 近似電阻值輸出電阻Ro75 a即運(yùn)放輸出電阻交流增益帶寬積G.BW0.7-1.6MHZ有源器件或電路的增益與規(guī)定帶寬的乘積參數(shù)

4、轉(zhuǎn)換速率SrTYP0.5V/ 小該參數(shù)指輸出電壓的變化量與發(fā)生這個(gè)變化所需的時(shí)間之比極 限 參 數(shù)取人2k模輸入電壓U IOR30V反向和向相輸入端能承受的最大電壓值。超過(guò)這個(gè)電壓值運(yùn)放的功能會(huì)受到影響。最大共模輸入電壓U ICRTYP 土13VNIN 土 12V向相端與反相輸入端承受的最大共模信號(hào)電壓值。超過(guò)這個(gè)值運(yùn)放的共模抑 制比會(huì)顯著卜降，放大功能會(huì)受到影 響。最大輸出電流I OSTYP30mA;MA世 40 mA運(yùn)放所能輸出的電流峰值。取大電源電壓 Usr22V運(yùn)放最大電源電壓。設(shè)計(jì)一個(gè)反相比例放大器，要求：|Av|=10, Ri10K Q, Rl=100 KQ,并用Multisim

5、仿直.仿真原理圖參數(shù)選擇計(jì)算因?yàn)橐髚Av|=10,即|Vo/Vi|= |-Rf/Ri|=10，故取 Rf=10Ri,輸入電阻盡量大些, ?。篟i=15kQ, Rf=150 kQ, Rl=100 kQ仿真結(jié)果KFMfFW伐同圖T3-T11ms Chcnnsl dhumifidg口穌ra詞1施)彳901aMi IDS-417.083 IPV鼻苜3 VO43OSCM V4. EM-Eg 常 ruggierMgn:叵國(guó)回：|E-|UMi： L I v19nge torral 3o) |NdmT肝dseOiaftnel ACharms Bsc： |ionn/Dw | 31K 卜 WPw | J wow

6、xpM.(nv：(|o r 2(pw)c p當(dāng)輸入電壓為427.083mV時(shí)，輸出電壓為 4.263V,放大倍數(shù)為9.982,與理論值10接近。設(shè)計(jì)一個(gè)同相比例放大器，要求： |Av|=11, Ri10K Q, Rl=100 KQ,并用 Multisim 仿(2)參數(shù)選擇計(jì)算因?yàn)橐髚Av|=11,即|V0/Vi|=1 + |-RF/R1|=11，故取 Rf=10Ri,輸入電阻盡量大些，取:R1=15k Q, Rf=150 kQ Rl=100 kQ；(3)仿真結(jié)果OEillcEcape-XSCjT1 * *V |一 +Tlnw i1.370 E 解33 W E mV MM VCbflrir_B

7、i 34LD.0| AC| * |dc|* 版 1 ll1 -當(dāng)輸入電壓為 30.640mV時(shí)，輸出電壓為 341.094mV ,放大倍數(shù)為11.132,與理論值11 接近。三、實(shí)驗(yàn)容:1、容一：反相輸入比例運(yùn)算電路各項(xiàng)參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)(1)下圖圖 1.1 中電源電壓=d5V, R1=10k Q, Rf=100 k Q Rl=100 k 烏 Rp= 10k/100k 。按圖連接電路，輸入直流信號(hào)Ui分別為2V、 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，歹U表計(jì)算 Au并和理論值相比較。其中Ui通過(guò)電阻分壓電路產(chǎn)生。Ui/VUo/VAu測(cè)量值理論值-1.99514.04-7.0

8、38-10-0.5044.997-9.875-100.505-4.967-9.836-101.992-12.67-6.354-10圖11 反相蒯人I匕例匕甲電躇實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：由運(yùn)放的基本性質(zhì)可知，當(dāng)輸出電壓 UoUom時(shí)，輸出電壓為 Uom ,由數(shù)據(jù)手冊(cè)， Vcc=15V 時(shí)，輸出電壓擺幅 Uom= 12V14V。故當(dāng) |Ui|1.5V 時(shí)，|Uo|=1214V; |Ui|1 r-.SE4.Ya aomwif0.00 mVIjO.inaSDDWdh23隹PLH-llfpiiin m 博-5C鉆fW】恪-i.dHz全都則呈2.50M3afLirr rk;1s2 4h-5M C|ps匚C1VB.實(shí)

9、驗(yàn)結(jié)果分析：RL=100k Q,由于Vcc=12V,運(yùn)算放大器的輸出電壓擺幅相應(yīng)降低，故最大不 失真輸出電壓峰值也降低為9.2V,與理論結(jié)果符合；(b)電路的傳輸特性曲線A.傳輸特性曲線圖:B.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：由上圖，可知兩轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別為 (0.970,9.00)和(1.04,-10.80), x =2.01V, Y=-19.80V, 放大倍數(shù)為 Y / x=9.85，與理論值10接近。(6)重加負(fù)載(減小負(fù)載電阻Rl),使Rl=220Q,測(cè)量最大不失真輸出電 壓，并和Rl=100 k徽據(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)(a)實(shí)驗(yàn)過(guò)程以及波形記錄：不斷增大輸入電

10、壓值， 直到輸出信號(hào)出現(xiàn)失真， 此時(shí)，輸入電壓峰峰值為1.01V, 輸入輸出波形如下：(b)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析:負(fù)載RL=100KQRl=220 Q電源電壓(V)1515最大不失真輸出電壓峰值(V)12.24.64當(dāng)RL=100KQ時(shí)，最大不失真輸出電壓峰值為12.20V位于12V14V之間符合理論值。而當(dāng)RL=220時(shí)，則最大不失真輸出電壓為4.64V,考慮運(yùn)放的最大輸出電流為西0mA,負(fù)載上的最大電壓為 6.6V,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值相符合。1、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,(由于從實(shí)驗(yàn)中心下錯(cuò)實(shí)驗(yàn)講義，我下的16年的講義要求放大倍數(shù)為21,后來(lái)做完實(shí)驗(yàn)才得知 17年的講

11、義要求放大倍數(shù)為11,姑且為21)且RF=100 k Qo輸入信號(hào)保持 Ui =0.1V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。(a)同相輸入比例運(yùn)算電路設(shè)計(jì)上圖中電源電壓土 15V, R1=10kQ, RF=200 k Q , RL= 100 kQ, RP= 10k/200k Qo(b)上限頻率的測(cè)量逐漸增加輸入信號(hào)的頻率，當(dāng)輸入信號(hào)頻率為30.44KHZ時(shí)，達(dá)到上限頻率，波形如下如:整理數(shù)據(jù)到如下表格中:上限頻率fH(KHz)相位差t( s s)T(科 s)=t/T X 36030.304.4033.004

12、8(C)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：輸入電壓為0.2V,取輸出電壓為 0.2*21/，2=2.97V左右時(shí)作為失真的臨界值。增益帶寬積為 0.71.6MHz,實(shí)驗(yàn)值 G.BW=(21/v/2)*0.030MHz=0.45MHZ ,與理論值有差距，可能的原因是實(shí)際放大電路的放大倍數(shù)不是21 ,或者是輸入電壓的取值不當(dāng)。當(dāng)頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，輸入輸出信號(hào)的相位差也發(fā)生了變化，這是由于當(dāng)達(dá)到上 限頻率運(yùn)放中的阻抗元件濾除了部分高次諧波。(2)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)

13、量轉(zhuǎn)換速率的方法)。(a)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲?。寒?dāng)輸入的雙極性方波信號(hào)的頻率為12.9KHZ ,電壓值為1VPP時(shí)，輸出波形剛好是三角波，此時(shí)的輸入輸出波形如下：(b)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：由上圖將數(shù)據(jù)整理如下:頻率輸入r勺u(yù) iPP輸出信UoppdUo/dt12.9kHz1 V17.4V0.445(c)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：由于輸出信號(hào)近似為三角波，所以dUO/dt的計(jì)算就近似用電壓差值處以半周期(38.4 s)的時(shí)間。理論值為0.25-0.5V/科S,計(jì)算結(jié)果為 0.445 S,在理論的圍，符合理論值。(3)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，觀察輸出波形，直到輸出波形開(kāi)始變形(看起來(lái)

14、不象正弦波了)，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。(a)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲?。寒?dāng)輸入的頻率為 30.44KHZ的正弦信號(hào)時(shí)，逐漸增加信號(hào)幅度，當(dāng)峰峰值為1.1V時(shí)，輸出的波形開(kāi)始變形，此時(shí)的輸入輸出波形如下：(b)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理:由上圖將數(shù)據(jù)整理如下:頻率輸入r uu ipp輸出彳口&UoppdUo/dt30.3kHz1 .1 V6.84 V0.409(c)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：由于輸出信號(hào)近似為三角波，所以dUO/dt的計(jì)算就近似用電壓差值處以半周期(16.6Ws)的時(shí)間。理論值為0.25-0.5V/ s S,計(jì)算Z果為 0.409科S,在理論的

15、圍，符合理論。(4) Rf改為10 k Q自己計(jì)算Rp的阻值，重復(fù)容二(1) (2)。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。1重復(fù)(1):保持Vi=0.2V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。(a)上限頻率的測(cè)量415KHZ時(shí)，達(dá)到上限頻率，波形逐漸增加輸入信號(hào)的頻率，當(dāng)輸入信號(hào)頻率為 如下如：口r.|Tsp ?T3a LhiV：F：?FWChphi =-1.口tiriVTCrm =5T.1

16、&nVPFFE Tf-Zdlh 1 2il黛卻2%me 一所kHsri生通Ldkn甘RUS *55 的 eMRO7 - ： OfeM啕pWidTit/TffiM ilBTMtXFifl| ：4Lb統(tǒng)計(jì)SIGLST 饌“ w-OD-i： 口聞 口 嘰:至至源修 開(kāi)白 4砧口0*11S9肘二喉小Cipr 3-ihpfS6aq rn胃dN aoa mW清除出三 rrn MrEfiie= -144 LhlVCdd= 3E.T3mVFFRE+SR加wwm電Freq曲MgiHl1Ml= 72OOni7皿taw rl o oar - r；nvH(b)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理Rf取值(kQ )上限頻率fH(KHz)相位差

17、t( s s)T(科 s)=t/T X 36010414.90.482.4171.7 10030.304.4033.0048(c)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：RF=10kQ,理論放大倍數(shù)降為 2,由于增益帶寬積為一定值，故增益倍數(shù)下降 會(huì)使上限頻率增大， 本實(shí)驗(yàn)測(cè)量值414.9KHA ,相比RF=10K的上限頻率30.3KHZ, 明顯增大，符合理論分析；相位差也發(fā)生較大變化，運(yùn)放對(duì)于輸出電壓的相位影響 會(huì)越來(lái)越大。2重復(fù)(2): (a)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲?。寒?dāng)輸入的雙極性方波信號(hào)的頻率為130KHZ ,電壓值為1VPP時(shí)，輸出波形剛好是三角波，此時(shí)的輸入輸出波形如下：.I M I L.唯gj-SECJLInYLle

18、EnJQOnrV700%o.coD.COuggEpe附）ThmV/dke-v uhM y hI n-全卦刑運(yùn)清除測(cè)FiFngpiv-90LHiV（b）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理頻率輸入信號(hào)ViPP輸出信VOPPdUO/dt130KHz1 V1.64V0.428（c）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：由于輸出信號(hào)近似為三角波，所以dUO/dt的計(jì)算就近似用電壓差值處以半周期的時(shí)間。理論值為 0.25-0.5V/ S,但測(cè)量值為 0.428,在理論的變化圍，實(shí)驗(yàn)值 合理。3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： 在一定的轉(zhuǎn)換速率下，頻率越高，對(duì)輸出信號(hào)的影響越明顯，在高頻輸入信號(hào)的情 況下輸出信號(hào)會(huì)嚴(yán)

19、重失真。在高頻下應(yīng)該選用增益帶寬積更高的運(yùn)放，以防止由于高頻帶來(lái)的信號(hào)失真。3.容三：設(shè)計(jì)電路滿足以下加法運(yùn)算關(guān)系（預(yù)習(xí)時(shí)設(shè)計(jì)好電路圖，并用 Multisim軟件仿真）：Uo=-2Ui1+3Ui2Ui1接入方波信號(hào)，方波信號(hào)從示波器的校準(zhǔn)信號(hào)獲?。M示波器Ui1為1KHz、1V （峰峰值）的方波信號(hào)，數(shù)字示波器Ui1為1KHz、5V （峰峰值）的方波信號(hào)），Ui2接入5kHz, 0.1V （峰峰值）的正弦信號(hào)，用示波器觀察輸出電壓Uo的波形，畫(huà)出波形圖并與理論值比較。實(shí)驗(yàn)中如波形不穩(wěn)定，可微調(diào) Ui2的頻率。（1）加法運(yùn)算電路設(shè)計(jì)（a）仿真原理圖(b)參數(shù)選擇計(jì)算本次實(shí)驗(yàn)值使用了一個(gè)運(yùn)放，利用運(yùn)放同向端與反相端實(shí)現(xiàn)減法。 的信號(hào)，其單獨(dú)作用時(shí)，電路結(jié)構(gòu)為一反相輸入比例運(yùn)算電路，由對(duì)于反相端輸入U(xiǎn)O=-RF/R1*Ui據(jù)題目給出的系數(shù)，可取 RF(即為圖中的R4)值為200 kQ ;對(duì)于反相端輸入的信號(hào),單獨(dú)作用時(shí)，電路結(jié)構(gòu)為一同相輸入比例運(yùn)算電路，許多電路用分壓器對(duì)Ui進(jìn)行分壓后輸?shù)椒聪喽?，此處由公式知，不必?duì) Ui進(jìn)行分壓，選取一個(gè)合適的阻值作為平衡電 阻即可，取 R3=200 K 3 .(c)仿真結(jié)果TZ-T1Timediawel_.AdhanneiJ11,DOO m5,DOO V10.011 VIM.DOO ms5.000 V10.011 V0