实验7集成运算放大器及应用.ppt

电工学实验7,集成运算放大器及应用,集成运算放大器及应用,一、实验目的1、掌握用集成运算放大器组成比例、求和电路的特点及性能。2、学会上述电路的测试和分析方法。3、学会用运算放大器组成积分微分电路；4、掌握积分微分电路的特点及性能。二、实验仪器1、数字万用表2、直流稳压电源3、信号发生器4、低频实验箱三、实验原理1、运算放大器的分类和基本特性（1）运算放大器的分类通用性运放、高输入阻抗运放、低失调低漂移运放、斩波稳零集成运放。,集成运算放大器及应用,三、实验原理1、运算放大器的分类和基本特性（2）运算放大器的基本特性尽管运算放大器的种类很多，用途各异，但它们都是由差动直接耦合的多级大器构成的，它们都有两个输入端和一个输出端。从本质上看，集成运放是一种高性能的直接耦合放大电路。运算放大器的电路符号如图12-1所示，其中U+为同相输入信号，U为反相输入信号，U0为输出信号。,图12-1运算放大器的符号,集成运算放大器及应用,三、实验原理1、运算放大器的分类和基本特性（2）运算放大器的基本特性在线性工作时，应满足下列关系：uo=Aod（u-u-）式中Aod为运算放大器的开环差模电压放大倍数，通常都大于80db(104)。正常工作时，输出电压Uo为有限值，这样就有：U+UUo/Aod0(121)由于U+-U-趋于零，而放大器输入电阻很大，所以流进运算放大器的电流i亦必趋于零，即ii0(122)（12）和（12）式是分析集成运算放大器应用电路的基本出发点。,集成运算放大器及应用,三、实验原理1、运算放大器的分类和基本特性（2）运算放大器的基本特性运算放大器另一个特点是在静态时，输出电压Uo为零，这给电路的设计带来了很大的方便。由于运算放大器具有以上特点，如配有不同的外接电路，就可以完成不同的功能，以达到不同的目的。2、运算放大器的使用注意事项在使用运算放大器之前，必须了解应注意的事项，否则非但达不到预期的效果，而且还会损坏器件。(1)在使用之前，必须认真阅读产品说明书，了解运算放大器的使用极限参数，几何尺寸和管脚分布情况。(2)运算放大器在使用之前必须调零。,集成运算放大器及应用,三、实验原理2、运算放大器的使用注意事项(3)为了减小和避免输入端基极电流在外电路上的压降不对称而引起输出偏离零值，在设计外电路时要尽量保证两个输入端的外接电路的直流电阻相等。(4)为了运算放大器的应用范围，往往采取外接可调偏流的方法。如果改变组件中某一级的偏置状态，可以使它具有不同特性。(5)注意布线问题。(6)运算放大器的开环增益都很高，而在实际应用中又都加很深的反馈，这样就很容易引起自激振荡，所以在使用时，必须阅读产品说明书，按给定的数值和接法接上电容，进行频率补偿。,集成运算放大器及应用,三、实验原理2、运算放大器的使用注意事项(7)在使用时，为避免因双端输入信号的幅度过大而损坏运放的输入级，可在输入端加二极管双向限幅保护电路，如图12-2所示。限幅二极管采用小功率硅开关管(2CK型)。避免因输出端瞬时短路而损坏输出级，往往在输出端与反馈引出点之间串人一电阻R3，如图12-3所示。R3值越大，保护效果越好，输出电阻和电压增益指标越差，使用时要综合考虑。,图12-2输入级保护,图12-3输出短路保护,集成运算放大器及应用,三、实验原理3、运算放大器参数测试的基本原理运算放大器的参数即技术指标共14项，其中最重要的有四个，即输入失调电压UIO，输入失调电流IIO，开环差模电压增益AOd，共模抑制比CMRR。下面将这四个参数的测试原理和方法分别加以介绍。（1）输入失调电压UIO的测试在理想情况下，运算放大器的输入为零时，其输出也为零。但在实际制造过程中，很难保证运放内部管子的特性完全一致和输入级的完全对称，这样就造成输入为零而输出不为零的现象。为了使输出为零，必须在输入端加一补偿电压，这个补偿电压就称为输入失调电压UIO。UIO越大，说明电路对称性越差。UIO的测试原理图如图12-4所示。,集成运算放大器及应用,三、实验原理3、运算放大器参数测试的基本原理（1）输入失调电压UIO的测试由图12-4可得UIOUO/(1+)图中为闭环增益，R1100,Rf10k,则UIOUO100,图12-4UIO的测试原理图,集成运算放大器及应用,三、实验原理3、运算放大器参数测试的基本原理（2）输入失调电流IIO的测试输入失调电流IIO是指当输入信号为零时，两输入端静态基极电流Ib1与Ib2之差，即IIOIb1Ib2，如图12-5所示。IIO越小说明差动输入级对称性越好。输入失调电流的测试原理如图12-6所示。首先。把单刀双掷开关K合上，此时可测出输出失调电压。然后打开开关K，这时输出电压除包含因输出失调电压而产生的外，还含有由输入失调电流在上造成的电压在输出端上产生的电压差。,图12-5输入失调电流,集成运算放大器及应用,三、实验原理3、运算放大器参数测试的基本原理（2）输入失调电流IIO的测试因此，在RbR、RfR的条件下，总的输出电压UO2(1+)(UIO+IIORb)UO1(1+)IIORb,图12-6输入失调电流测试原理图,集成运算放大器及应用,三、实验原理3、运算放大器参数测试的基本原理（2）输入失调电流IIO的测试失调电流为IIO为了使(U02U01)足够大以便于测试，Rb的数值不应太小。（3）开环差模电压增益AOd的测试AOd是指运放无外加反馈情况下的差模电压增益，它是决定运算精度的重要因素。不同型号的运算放大器的AOd值差异很大，一般在60dB140dB，常用的F007型运算放大器AOd在100dB左右。在实际测试参数AOd时，为了避免由于零点漂移的影响，使输出端不能长时间保持平衡状态，以至影响测量精度，通常采用交流信号测试，只要测试频率低于该运放的第一极点频率。,集成运算放大器及应用,三、实验原理3、运算放大器参数测试的基本原理（3）开环差模电压增益AOd的测试测试参数AOd的原理如图12-7所示。按下式可计算出AOd,图12-7测试Aod的原理图,集成运算放大器及应用,三、实验原理3、运算放大器参数测试的基本原理（4）共模抑制比CMRR的测试共模抑制比CMRR是衡量差动输入级对称程度的重要标志，它是差模放大倍数之比并取分贝数，即CMRR20lg|一般CMRR的值在70100db，高质量的可达100db。CMRR的测试电路如图12-8所示。运算放大器工作在闭环状态，其差模增益AOdRf/R,其共模增益AOOUOUS。所以，只要测出UO和US，就可求出。,图12-8测试CMRR的原理图,集成运算放大器及应用,三、实验原理3、运算放大器参数测试的基本原理（4）共模抑制比CMRR的测试CMRR20lg()为了保证测试精度，必须使RR，RfRf否则会产生附加差模输入电压，而造成对共模输入电压的测量误差。4、运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器可用于对信号进行比例运算、求和运算、积分运算和微分运算等方面，下面介绍实现这几种运算的基本原理和基本电路。,集成运算放大器及应用,三、实验原理4、运算放大器在信号运算方面的应用（1）反相比例加法器图12-9中输出和输入是反相的，所以称为反相比例加法器。根据运算放大器的基本特性可知，U+U0即U+U。由于U+0，所以U-=0，从而有,图12-9反相比例加法器,集成运算放大器及应用,三、实验原理4、运算放大器在信号运算方面的应用（1）反相比例加法器I1Ui1/R1,，I2Ui2/R2,，InUin/Rn因为U-0，所以输入和输出是比例相加的关系。Rf/Rk是比例系数。如果R1=R2=Rn时，则称为加法器。这时应有,集成运算放大器及应用,三、实验原理4、运算放大器在信号运算方面的应用（1）反相比例加法器为了保持直流对称，在图12-9中应有如果只有一个输入信号，如Ui,则U0-，此时即为反相比例运算电路。（2）同相比例加法器如果信号电压由同相输入端输入，如图12-10所示。可构成同相比例加法器，根据米尔曼定理，图中,集成运算放大器及应用,三、实验原理4、运算放大器在信号运算方面的应用（2）同相比例加法器UU，所以,图12-10同相比例加法器,集成运算放大器及应用,三、实验原理4、运算放大器在信号运算方面的应用（2）同相比例加法器式中Rq为Ri1,Ri2Rin并联后的等效电阻。如果Ri1Ri2Rin则上式可变为此时图12-10的电路是同相加法器。以上运算电路都是代数相加，即输入端的电压可正可负实现加减法。,集成运算放大器及应用,三、实验原理4、运算放大器在信号运算方面的应用（3）差动输入比例加法器除同相和反相输入构成的比例加减法运算外，还可以在两个输入端同时输入信号，即所谓差动输入方式，如图12-11所示。图中RRf，R1R2用叠加原理，分别算出Ui1和Ui2产生的输入电压，然后再相加，可得出输出与输入的关系。,图12-11差动输入比例加法器,集成运算放大器及应用,三、实验原理4、运算放大器在信号运算方面的应用（3）差动输入比例加法器令Ui20,令Ui10,所以利用RRf、R1R2的条件可简化为,集成运算放大器及应用,三、实验原理4、运算放大器在信号运算方面的应用（4）积分运算在图12-12中，因为U0，所以U0，并有I1Ui1R1,I2Ui2R2,InUinRnII1I2In,图12-12积分运算电路,集成运算放大器及应用,三、实验原理4、运算放大器在信号运算方面的应用（4）积分运算为了直流平衡，图12-12中Rp应为R1,R2,Rn的并联值，Cp=C。在进行积分运算前，为了减少UIO和IIO对输出的影响，首先应调零，为此接入Rf，在调零时，合上开关K，C积累的电荷释放掉。此时运放接成比例电路，调零使输出基本为零。在开始积分时，打开K。（5）微分运算在图12-13中，UU0，即U0与Ui的微分成正比。,集成运算放大器及应用,三、实验原理4、运算放大器在信号运算方面的应用（5）微分运算图12-12电路存在下列缺点：由于输出电压正比于输入电压的变化率，因此对后者的噪声成分非常敏感，使输出端的信噪比严重下降。由于反馈电路构成RC滞后环，运放容易产生自激。输入电压的突变有可能使运放输入超过组件允许的共模电压，致使组件阻塞造成“自锁”。,图12-13基本微分运算电路,集成运算放大器及应用,三、实验原理4、运算放大器在信号运算方面的应用（5）微分运算解决的办法是如图12-14所示的微分电路：输入端引入小电阻R1与C串联，以限制噪声和输入突变电压。在反馈电路中加入C1与Rf并联，使C1RfR1C，用以进行相应补偿防止自激。,图12-14微分运算电路,集成运算放大器及应用,三、实验原理4、运算放大器在信号运算方面的应用（5）微分运算在反馈回路中加反向串联的两个稳压管，以限制输出电压幅度。在R两端并联CC+C1以进一步进行相位补偿。5、运算放大器在信号处理方面的应用（选做）在自动控制系统中，运算放大器经常用在信号幅度比较、信号幅度的选择、信号的采样和保持，信号的有源滤波等方面。现就利用运算放大器组成有源滤波器作一简单介绍。滤波器是一种电子电路，它能使某一范围内的频率信号顺利通过，而对在此范围外的频率信号则产生很大衰减。它常用在信息的传递和处理，干扰的抑制等方面。滤波器分为由R、L、C等无源元件,集成运算放大器及应用,三、实验原理5、运算放大器在信号处理方面的应用（选做）组成的“无源滤波器”和由运算放大器及RC网络组成的“有源滤波器”两种。后者具有重量轻、体积小、增益可以调节等优点，因而被广泛采用。滤波器以它工作的频率范围分为：低通滤波器（即低频容易通过而高频不易通过），高通滤波器（和低通相反），带通滤波器（能顺利通过某一频率范围的信号，而在此范围之外的将受到很大抑制），带阻滤波器（和带通相反）。6、运算放大器在波形产生与变换方面的应用（选做）运算放大器加上一些电阻、电容和其他一些半导体器件，就可构成正弦波，矩形波（方波）和锯齿波等波形发生器。,集成运算放大器及应用,四、实验内容：1、电压跟随器：实验电路如图12-15所示。按表12-1内容实验并记录。,图12-15电压跟随器,表12-1,集成运算放大器及应用,四、实验内容：2、反相比例放大器实验电路如图12-16所示。按表12-内容实验并测量记录。,图12-16反相比例放大器,表12-,集成运算放大器及应用,四、实验内容：3、同相比例放大器电路如图12-17所示按表12-3实验测量并记录。,图12-25同相比例放大器,表12-3,集成运算放大器及应用,四、实验内容：4、反相求和放大电路实验电路如图12-18所示。按表12-4内容进行实验测量并记录。,图18-18反相求和放大电路,表12-4,集成运算放大器及应用,四、实验内容：5、双端输入求和放大实验电路为图12-19所示。按表12-5要求实验并测量记录。,图12-19双端输入求和电路,表12-5,集成运算放大器及应用,四、实验内容：6、积分电路：（选做）实验电路如图12-20所示。（1）取Vi=-1V，断开开关K，用示波器观察V0变化。（2）测量饱和输出电压及有效积分时间。（3）使图12-20中积分电容改为0.1，断开K，Vi分别输入100Hz，幅值为2V的方波和正弦波信号，观察Vi和V0大小及相位关系，并记录波形。（4）改变图12-20电路的频率，观察Vi和V0的相位，幅值关系。,图12-20积分电路,集成运算放大器及应用,四、实验内容：7、微