模拟电路实验.doc

实实 验验 说说 明明 模拟电子技术实验的思想 方法技术和装置常常是电子科学研究和电子工程技术发展 的生长点 也是电子技术基础教学的一个重要组成部分 是电子科学实验基本训练的重 要基础 模拟电子技术实验课程内涵丰富 所覆盖的知识面及包含的信息量广 目前针对 我校商业自动化类的特点 我们选择了 ELA II 模拟电路实验箱 DGJ3 实验平台 辅助测试 仪器的模拟实验系统 这是一套专业教学实验仪器系统 其中很多仪器曾先后与台湾 日 本 美国等同类企 商业进行过合作和交流 做到了研发一代 设计一代 生产一代 确 保实验仪器性能的先进性 其实验箱主要由分立元件组成 通过连线的方式来完成传统的 组建电路 可完成目前我高等商业院校模拟电子电路教学的所有内容 其 DGJ3 实验平台 和可编程模拟器件 为我校师生提供了一个完整的 先进的模拟电子技术系统学习实验平 台 由于时间等的原因 其中有些技术性的主要内容 书中没有提出 还望大家在实验课 堂上认识与理解 实验箱是分立元件组成的 实验电路虽然连接非常灵活 可以自由搭建电路 但连线 时存在有误操作损坏元器件的可能 故应严格按照每节实验要求及相关注意事项来做实验 仔细阅读实验内容 培养严谨的实验室工作作风显得尤其的重要 实验不仅仅是去做实验 还是对一个小组全部成员相互团结 配合默契的素质培养 因此对于擅自误操作损坏仪器 的实验小组 按学校教务处规定 其实验小组的全部成员平均分摊赔偿 电子技术实验室刘鸿国 实验一 模拟电子实验课程概述及注意事项实验一 模拟电子实验课程概述及注意事项 实验目的实验目的 1 了解模拟电子技术实验课程特点 规则 2 拟电子技术实验注意事项及实验要求 实验原理及内容实验原理及内容 注意事项及实验要求 1 实验前必须充分预习 完成预习任务 预习要求如下 1 熟悉实验箱简介及相关注意事项 2 认真阅读本实验指导书 分析 掌握实验电路的工作原理 并 进行必要的估算 3 复习与实验相关的课本内容 4 了解实验目的 5 了解实验中所用各仪器的使用方法及注意事项 2 实验时接线要认真 在仔细检查 确定无误后应经由实验教师审查同意后才能接通电 源 请用质地柔软的布擦拭仪器和探头外部的浮尘 清洁液晶显示屏时 注意不要 划伤透明的LCD 保护屏 用潮湿但不滴水的软布擦试仪器 请注意断开电源 可使 用柔和的清洁剂或清水擦洗 请勿使用任何磨蚀性的化学清洗剂 以免损坏仪器或 探头 警告警告 在重新通电使用前 请确认仪器已经干透 避免因水分造成电气短路甚至人身 伤害 3 必须了解下列安全性预防措施 以避免受伤 并防止损坏实验教学仪器或与本实验教 学仪器连接的任何实验教学仪器 为避免可能的危险 请务必严格按照规定使用实 验教学仪器 用仪器和实验箱前必须牢记其性能 操作方法及注意事项 a 避免起火和人身伤害 b 使用正确的电源线 只有使用所在国家认可的产品专用电源线 c 为避免电击 接地导体必须与地相连 在连接实验教学仪器的输入或输出端之 前 请务必将实验教学仪器正确接地 d 正确连接探头 探头地线与地电势相同 请勿将地线连接高电压 e 查看所有终端额定值 为避免起火和过大电流的冲击 请查看实验教学仪器上 所有的额定值和标记说明 请在连接实验教学仪器前了解额定值的详细信息 f 使用合适的保险丝 只使用实验教学仪器指定的保险丝类型和额定指标 g 请勿把仪器储存或放置在液晶显示器会长时间受到直接日照的地方 小心 请勿让喷雾剂 液体和溶剂沾到仪器或探头上 以免损坏仪器或探头 4 电路实验中应注意 a 在进行小信号放大实验时 由于所用信号发生器及连接线的缘故 往往在进入放 大器前就出现噪声或不稳定 易受外界干扰 且一般的简易信号源调不到 50 毫伏 以下 实验时可采用在放大器输入端加衰减的方法加以改进 在定性分析实验时 可以用实验箱的信号源 但定量分析实验时建议最好用外置信号源 特别是测量 频率特性实验时要求很高 只能用外置信号源 为了实验效果更好 我们采用外 置信号源做实验 b 三极管 hFE与 hfe是不同的物理定义量 实际上万用表所测出的直流放大倍数 hFE与 交流放大倍数 hfe是不相同的 c 在做实验内容时所有信号都是定量分析 为了克服干扰应相应提高输入信号 为此 在做实验时发现信号输入不当时 自己可适当调节 满足实验要求为主 d 由于各个三极管参数的分散特性 在定量分析同一实验电路用到不同的三极管时可 能所测的数据不一致 实验结果不一致 甚至出现自激等情况使实验电路做不出 实验的现象 这样需要自己适当调节电路参数 另外搭建电路时连线要最少 节 点要最少 防止连线干扰 电路自激等影响实验结果 5 请勿开盖操作 外盖或面板打开时请勿运行实验教学仪器 怀疑实验教学仪器出故 障时 请勿进行操作 如果您怀疑本实验教学仪器已经出故障 可请老师进行检查 和维修 实验时应注意观察 若发现有破坏性异常现象 例如有元件冒烟 发烫或 有异味 应立即关断电源 保持现场 报告实验教师 找到原因 排除故障 经实 验教师同意再继续实验 只有合格人员才能执行维修程序 6 正确插拔所有连接线 探头或测试导线连接到电压源时请勿插拔 实验过程中需 要改接线时 应关断电源后才能拆 接线 连线时在保证接触良好的前提下应尽 量轻插轻拔 检查电路正确无误后方可通电实验 拆线时若遇到连线与孔连接过 紧的情况 应用手捏住连线插头的塑料线端 左右摇晃 直至连线与孔松脱 切 勿用蛮力强行拔出 7 打开电源开关时指示灯必亮 若指示灯异常如不亮或闪烁说明电源未接入或实验 电路接错致使电源短路 一旦发现指示灯闪烁应立即关断电源开关 检查实验电 路 找到原因 排除故障 经指导教师同意再继续实验 8 转动电位器时 切勿用力过猛 以免造成元件损坏 避免电路外露 电源接通后 请勿接触外露的接头和元件 请勿直接用手触摸芯片 电解电容等元件 更不可用 蛮力推 拉 摇 压元器件 以免造成损坏 9 实验过程中应仔细观察实验现象 认真记录实验结果 数据 波形 现象 所 记录的实验结果经实验教师审阅后再拆除实验线路 10 实验结束后 必须关断电源 并将仪器 设备 工具 导线等按规定整理好 保 持适当的通风 请勿在潮湿环境下操作 请勿在易燃易爆的环境下操作 请保持 表面的清洁和干燥 11 实验后每个同学必须按要求独立完成老师要求完成的实验报告 作业作业 通过查各种资料写一篇 模拟电子技术与商业领域的关联 实验二 实验二 ELA IIELA II 电路实验箱电路实验箱 实验目的实验目的 了解模拟电子技术 ELA II 模拟电路实验箱等的主要技术指标及正确使用方法 实验所用仪器实验所用仪器 ELA II 模拟电路实验箱 实验原理及内容实验原理及内容 本实验箱主要由分立元件组成 通过连线的方式来组成电路 可完成模拟电子电路教 学内容 主要包括以下模块 稳压源系列部分 晶阐管整流电路部分 直流信号源部分 电源部分 集成信号发生器部分 集成运放系列部分 功率放大部分 低频功放部分 RC LC 部分 V F 部分 电位器部分 晶体管系列部分 差动放大部分 各部分的具体分 布图请参考实验箱实图 一 稳压源系列部分 1 变压器输出 可提供交流电压 7 5V 和 15V 两种 AC 为公共端 请勿短接任意两请勿短接任意两 端端 2 整流二级管 四个二极管 BD1 BD2 BD3 BD4 由四个二极管可组成整流电路 BD1 和 BD2 连在一起 BD3 和 BD4 连在一起 可作为分立元件用于组成电路中 3 滤波电容 二个 1000uF 的电容 可单独用 主要用于滤波电路中 电容有正负 极之分 接线时务必接对极性接线时务必接对极性 4 二极管稳压电路 由一个 120 2W 的电阻和 9 1V 稳压管组成 注意 120 的 限流电阻是最小值 做实验时要串入适当的电阻 5 晶体管稳压电路 电路已接好 只须输入整流后的电压 注意极性不要接错 输 出幅值可由 1K 电位器调节 6 固定稳压电路 由 L7905 组成的负稳压电路 电路固定 只须输入滤波后的电压 即可 由于是负稳压电路 注意输入极性 不可接反注意输入极性 不可接反 7 变压器开关和指示灯 控制变压器交流输入 8 可调稳压电路 由 LM317 组成电路已固定 只须输入滤波后的电压 注意极性不 可接错 可由 5K 电位器调节稳压幅值 二 晶阐管整流电路部分 整个电路需要连线 注意整流后的电压输入时极性不要接错 需连线接入 100K 的电位器 单晶管和晶阐管 三 直流信号源部分 如图所示两组直流信号源 实际上是引入电源部分的电压通过电位器分压 为实 验电路提供各种直流源和可以连续调节的电压 连接方法 1 IN1 IN3 输入 5V IN2 IN4 输入 5V 则 OUT1 OUT2 输出提供直流电压 4 2V 4 2V 2 IN1 IN3 输 入 5V IN2 IN4 输入地 则 OUT1 OUT2 输出提供直流电压 0 5V 4 5V 3 IN1 IN3 输入 5V IN2 IN4 输入地 则 OUT1 OUT2 输出提供直流电压 4 5V 0 5V 同样 12 与 12V 的接法也是这样 到时按实验要求调节所需直流电源 图 1 直流信号源插孔图 四 电源部分 整个实验箱的供电部分 提供 5V 12V GND 电源 通过插孔连线连接到实 验中 切勿将直流电源之间短接 五 集成信号发生器 ICL8038 此电路已完成连线 只须连接 12V 电源即可进行实验 为定性分析实验提供信 号源 切勿将 12V 电源接反 有时信号源没有波形主要是频率调节与幅度调节 的电位器调节不当的缘故 由于此信号源上限频率和所调小信号幅度有限 只能 定性的分析实验现象 在做实验时最好自备信号源 由于模拟电子技术实验是对 低频小信号的研究 信号源最好用音频信号源 故在定量分析实验时用外置信号 源 函数信号发生器作为信号源 注意它的输出端不允许短路 以后做实验时只说 明输入信号 不再说明如何调节 六 运放系列部分 此部分几乎都是分立元件 连线非常灵活 它和晶体管系列部分类似 组成电 路图时可用其它部分的分立元件 可完成所有运放的实验 在使用运放时要注意 不能超过其性能参数的极限值 如电源电压范围 最大输入电压范围等 为防止 超过极限值或使用疏忽等原因损坏运算放大器 可以采取保护措施 如运放电源 接入已固定为 12V 电压 另外在测量共模输入电压 差模输入电压等运放性能 参数时有些运放还会出现 自锁 现象以及永久性的损坏 且共模与差模过载保 护电路不同 不能同时加保护 鉴于这种情况 实验中不做相关运放性能参数测 试实验 以免烧坏芯片 另外由于 uA741 失调电压很小 在运放的应用实验时影 响不大 可以不调零 但注意调零端不可接地或正电源 以免损坏运放 过载保护措施如下 图 2 运放过载保护示意图 七 功率放大部分 1 晶体管组成功放 两个电位器需要连接 另外 LTP4 LTP5 LTP6 实际上没 有连在一起 需要我们连接 图 1 实验箱元件分布图 2 集成块组成的功率放大电路 仅输入输出端和电源需要连接 八 电位器部分 实验箱上有三端可调电位器插孔的电位器 分别为 1K 22K 47K 100K 等 分布了 四个 在所有实验中 电位器起改变阻值作用 如图 4 a 所示 连接如图 4 b 所示任何一种都可以 只要知道改变阻值情况即可 在以后实验中要连接电位 器时不再说明接法 九 晶体管系列部分 此部分几乎都是分立元件 连线非常灵活 它和运放系列部分类似 组成电 路图时可用其它部分的分立元件 可完成所有晶体管的实验 此处实验连线很多 认真连线 确保电路正确再通电实验 在模拟电子电路实验中 经常使用电子仪器完成对模拟电子电路的静态和 动态工作的测试 实验中要对各种电子仪器进行综合使用 以连线简捷 调节 顺手 观察与读数方便等原则进行合理布局 各仪器与被测实验装置之间的布 局与连接如图 4 所示 接线时应注意 为防止外界干扰 各仪器的公共接地端 应连接在一起 称共地 信号源的引线通常用屏蔽线或专用电缆线 a 电位器插孔图 b 电位器连接方法 图 3 电位器插孔图与连接方法 在实验中我们可以利用数字式频率计测频率 目前常采用数字式频率计 通用计数器测频率 其测频原理是以比较法为基础 将 fx 与标准信号频率 进行比较 两个频率相比的结果以数字形式显示出来 用通用计数器测频率的 原理是 石英晶体振荡器的输出经分频器后作为闸门时间 T 被测信号经放大 整形后 在闸门时间 T 内通过主门送给计数器计数 当计数器计数为 N 时 被 测信号的频率为 fx N T 用通用计数器测频率有两种误差 一是闸门时间 T 不 准 二是计数器计数不准 其原因是因为存在标准频率误差和量化误差 1 标准频率误差 或时基误差 标准频率误差由晶振的频率稳定度所决定 2 量化误差 量化误差是数字化仪器特有的误差 十一 当您用实验教学仪器时 请务必按以下步骤对仪器进行检查 1 检查是否存在因上一节课使用不当造成的损坏 如果发现严重破损 请先保 留 通知老师 2 检查全部实验教学仪器附件 如有缺损 请通知老师 3 检查整机 如果发现仪器外观破损 仪器工作不正常 或未能通过性能测试 请通知老师 实验课开始实验课开始 3030 分钟后 实验教学仪器和附件有损坏和缺失的 请及时通知实验课老分钟后 实验教学仪器和附件有损坏和缺失的 请及时通知实验课老 师 师 实验三实验三 晶体管共射极单管放大器实验晶体管共射极单管放大器实验 实验目的实验目的 1 学会放大器静态工作点的测量方法 2 掌握放大器电压放大倍数 输出电阻的测试方法 3 了解分析静态工作点对放大器性能的影响 分析幅频 特性 4 熟悉常用电子仪器及模拟电路实验设备的使用 实验所用仪器实验所用仪器 示波器 DS3062 交流毫伏表 频率计 ELA II 模拟电路实验箱 DDS1052 信号 发生器 万用表 三路直流电源 实验原理及内容实验原理及内容 放大电路是模拟电路中最常用 最基本的一种典型电路 可以说 凡是需要将 微弱的模拟信号加以放大的场合 都离不开放大电路 例如 我们生活中接触比较 多的一些商业电子产品 电视机 收录机等 工作中可能用到的精密测量仪表 复 杂的自动控制系统等 其中都是各种各样的不同类型 不同要求的放大电路 如模 拟信号运算电路 波形发生电路 直流电源等 从它们的工作原理来说 都与放大 电路有关 或者说 这些电路是在放大电路的基础上发展 演变而得到的 所以说 放大电路是最基本的模拟电路 所谓放大 从表而看是将信号的幅度由小增大 但放大的实质是能量控制 即 用能量比较小的输人信号控制另一个能源 从而使输出端的负载得到能量比较大的 信号 负载上信号的变化规律是由输入信号决定的 而负载上得到的较大的能量是 由另一个能源提供的 这种小能量对大能量的控制作用就是放大作用 当然放大作 用是针对变化量而言的 对子放大电路的要求有两个方面 一方面放大倍数要大 因为在总的放大倍数 一定的情况下 每一级的放大倍数越大 电子设备的级数就可以越少 设备就可以 做得体积小 重量轻 耗电量小 另一方面是失真要小 放大电路的首要任务是把 信号放大 但在放大信号的同时 还必须尽可能地保持原来信号的波形不变 即输 出波形应和输入波形尽可能地保持一致 若放大电路的输出波形与输入波形有差异 这种差异就叫放大电路的失真 失真使收音机的声奋难听 电视机图像走样 自动 控制系统发生误动作 这样就失去了放大的意义 单管放大电路又是放大电路的基 础 当然 实际使用的放大电路几乎都由多个放大级构成 而基本上见不到实用的 单管放大器 但正如建造高楼大厦必须先打地基一样 本实验首先从最简单的单管 放大电路入手 分析和掌握放大的基本原理和基本方法 由一个放大元件组成的简单放大电路叫单管放大电路 也叫基本放大电路 单管放 大电路可以有多种不同的接法 下面实验将以应用最广泛的共发射极放大电路 简称 共射放大电路 为例 了解它的元件作用 组成原则及基本工作情况 图 3 1 所示为一个三极管组成的单管共射放大电路 图 3 1 共射极单管放大器实验电路 Ui 为其输入端 外接待放大的信号 Us Rs 是信号源的内阻 Uo 是放大电路的 输出端 外接负载 RL 三极管 9013 采用的是 NPN 型硅管 它担负着放大作用 是 放大电路的核心 基极直流电源为发射结提供正向偏置所需要的电压 基极偏置电 阻又称偏流电阻 它和电源一起 给基极提供一个合适的基极电流 通常称为偏置 电流 集电极直流电源它为集电结提供反向偏置电压 集电极负载电阻 Rc 耦合电 容 C1 和 C2 也称隔直电容 其作用是隔离直流 通过交流 我们知道 电容的容抗 与频率有关 对于直流 容抗等于无穷大 相当于把电容支路断 从而避免了信号 源与放大电路之间 放大电路与负载之间直流电流的互相影响 对于交流 由于电 容的容量选得足够大 在输入信号的频率范围内容抗很小 使交流信号无损地通过 注意 电解电容有正 负极性 连接时不可接错 为了保证放大电路的正常工作 必须在没有外加信号时 使三极管处于放大状态 1 静态工作点的测量 在输入信号 Ui 0 的情况下进行 应避免断开集电极 选用量程合适的数字万 用表 分别测量晶体管的集电极电流 IC以及各电极对地的电位 UB UC和 UE E E EC R U II 打开直流开关 调节 RW 使 IC 2 0mA 即 UE 2 4V 记入下表 测 量 值计 算 值 UB V UE V UC V RB2 K UBE V UCE V IC mA 2 电压放大倍数 AV的测量 调整放大器到合适的静态工作点 然后加入输入电压 ui 在输出 电压 uo不失真的情况下 用交流毫伏表测出 ui和 uo的有效值 Ui和 Uo 则 AV i O U U 3 输出电阻 RO的测量 按图 3 1 电路 在放大器正常工作条件下 测出输出端不接负载 RL的输出电压 UO和接入负载后输出电压 UL 根据 U LO LO L U RR R 即可求出 RO RO R 1 L O U U L 在测试中应注意 必须保持 RL接入前后输入信号的大小不变 图 3 3 幅频特性曲线 场效应管出现于 20 世纪 60 年代初 它是一种电压控制型半导体器件 通过改变电 场强弱来控制固体材料的导电能力 场效应管的突出优点是输入电阻高 能满足高内 阻的信号源对放大电路的要求 因此它是较理想的前置输入级放大器件 此外 场效 应管还具有功耗低 制造工艺简单 便于集成化 噪声低 热稳定性好和抗辐射能力 强等优点 得到了广泛的应用 结型场效应管的特性曲线可以用晶体管特性图示仪测 出 常用的特性曲线有转移特性和输出特性曲线见下 图 3 4 场效应管 3DJ6F 的输出特性和转移特性曲线 4 请根据课堂所学的知识 写出幅频特性曲线的测试过程与算式 实验四 实验四 负反馈放大器实验负反馈放大器实验 实验目的实验目的 1 了解负反馈放大器工作原理 加深理解放大电路中引入负反馈的方法 2 了解负反馈放大器技术指标的测试方法 学会建立合理模型 定量研究电子变化 规律 实验所用仪器实验所用仪器 示波器 DS3062 交流毫伏表 频率计 ELA II 模拟电路实验箱 信号发生器 万用表 三路直流电源 实验原理及内容实验原理及内容 随着我们电子技术实验深入 实验中对放大电路的各项技术指标提出了越来越高 的要求 在各种实用的电子设备和仪器的放大电路中 几乎都引入了各种形式的反 馈 在放大电路中引入各种不同的负反馈 可以有效地改善电路的指标 提高放大 电路的质量 本实验以工作点稳定电路为例 引入反馈 本实验着从物理概念上分 析研究了负反馈如何提高放大倍数的稳定性 改善非线性失真和抑制干扰及噪声 展宽频带以及改变输入 输出电阻等等 请大家与课堂理论紧密结合 分析计算负 反馈放大电路的各项指标 如图 5 1 所示电路中 恰当地选则 Rb 使基极电压基本不变 然后通过射极电 阻两端的电压来反映输出回路中电流的大小变化 去调节输入 从而达到稳定静态工 作点的目的 一般来说 放大电路中的反馈 通常是指放大电路的输出信号 输出电压或输 出电流 的全部或一部分 通过反馈网络反送到放大电路的输入回路中 从而构成一 个闭环系统 使放大电路的净输入信号不仅受到输入信号的控制 而且受到放大电路 输出信号的影响 这种连接方式就叫反馈 把连接输出回路与输入回路的中间环节叫 反馈网络 把具有反馈的放大电路叫做反馈放大电路 也叫闭环放大电路 而末引入 反馈的放大电路称为开环放大电路 实验中根据反馈极性的不同 有正反馈和负反馈之分 放大电路引入反馈后 若反 馈信号增强了外加输入信号的作用 使放大倍数比原来有所提高 称为正反馈 若反 馈信号削弱了外加输入信号的作用 使放大倍数降低 则称为负反馈 引入负反馈可稳定输出电压或输出电流 并能改善放大电路其他性能指标 然而 正反馈被用于提高放大倍数 当放大电路中正反馈太强时容易引起自激振荡 使电路 不能稳定工作 根据反馈信号采样方式的不同 分电压反馈和电流反馈 如果反馈信号取自输出 电压 并与输出电压成正比 称为电压反馈 如果反馈信号取自输出电流 并与输出 电流成正比 则称为电流反馈 根据反馈信号与输入信号在放大电路输入端的连接方式不同 有串联反馈和并联 反馈之分 如果在放大电路的输入回路中 反馈信号与外加输入信号以电压形式相加 减 也就是说 反馈信号与外加输入信号二者相串联 则称为串联反馈 如果二者以 电流形式相加减 或者说 两种信号在输入回路中并联 则称为并联反馈 最后还要注意一个问题 不论采用什么组态的负反馈 反馈效果都要受信号源内 阻 Rs 的制约 当采用串联负反馈时 为能充分发挥负反馈的作用 应采用 Rs 小的 信号源 当采用并联负反馈时 Rs 愈大 并联负反馈的效果愈显著 所以应采用 Rs 大的信号源 放大电路中引入负反馈后 它的放大倍数虽然有所下降 但是可以提高放大倍数 的稳定性 如果引入不同组态的反馈 还将改变放大电路的输入电阻和输出电阻 不 但如此 引入负反馈还可以减小非线性失真 抑制干扰 扩展频带 而这些性能改善 的程度均与反馈深度有关 放大电路的非线性失真是放大元件特性曲线的非线性造成的 当输入信号幅度过 大时 失真现象更为明显 假设输入信号是正负半周完全对称的正弦波形 因为非线 性失真 使放大后得到输出波形成为正半周大 负半周小 产生了非线性失真 而引 入负反馈可以改善输出波形的非线性失真 这是因为引入负反馈后 若反馈系数 F 为 常数 则反馈信号与输出信号成正比 反馈信号的波形也将是正半周较大 负半周较 小 但是 放大电路的净输入信号的波形将变成正半周较小 负半周较大的波形 这 样的信号输入到放大网络经放大 将使输出波形正负半周的不对称程度得到改善 从 而减小了非线性失真 我们也可以把非线性失真看成是在输出波形中除了输入正弦波 的基波成分以外 所增加的若干谐波成分 引入负反馈后 保持输出信号中基波成分 不变的情况下 此时需增大输入信号 抑制谐波成分 结果改善了非线性失真 对于 放大电路的内部元器件中载流子的不规则热运动产生的噪声以及直流电源波动等等 也可以看作是放大电路的内部产生的谐波信号 最后我们就实验中的二级放大电路作一说明 首先他们都是由基本放大电路组成 的 这里以阻容耦合放大器电路实验为例 了解多级放大电路性能的分析方法 集成 化是电子技术发展的一个重要方面 因此 集成运算放大器的原理和应用是模拟电子 技术实验课程的重要内容之一 运算放大器 简称运放 实质上是高放大倍数的直接耦 合放大电路 在工程上 往往需要将一个微弱的信号放大到足够大的幅度 以推动仪表或执行 机构动作 单级放大电路的放大倍数一般不大 很难满足要求 这就必须采用多级放 大电路对信号进行连续放大 以获得满足要求的信号幅度 多级放大电路首先必须解 决级间连接方式 耦合方式的问题 一般对稠合电路的要求是 将前级输出信号尽 可能多地 不失真地传输给后级 常见的耦合方式有阻容耦合 变压器耦合 直接耦 合三种 作为实验图中两级阻容耦合放大电路 信号源与放大电路之间 放大电路的 前级与后级之间 放大电路与负载之间由耦合电容相连接 耦合电容的取值较大 一 般为数微法至数十微法 交流信号能很顺畅地通过耦合电容传递给后级 对直流来说 耦合电容相当于开路 从而使放大电路前后级的静态工作点彼此独立 给分析 设计 和调试放大电路带来很大方便 阻容耦合电路的优点是 各级放大电路工作点相互独 立 互不牵制 其缺点是 随着信号频率的降低 容抗增大 导致信号在传递过程中 发生衰减而使放大倍数下降 对直流信号甚至根本无法通过 因此 对频率较低的交 流传号和直流信号不能采用阻容耦合电路进行放大 图 5 1 负反馈的两级阻容耦合放大器 负反馈使放大器的放大倍数降低 AVf的表达式为 AVf VV V FA A 1 从式中可见 加上负反馈后 AVf比 AV降低了 1 AVFV 倍 并且 1 AVFV 愈大 放 大倍数降低愈多 深度反馈时 V Vf F A 1 反馈系数 FV 1 1 Ff F RR R 先断开即反馈网络 Rf Cf 先不接入 1 测量静态工作点 打开直流开关 使 US 0 第一级静态工作点已固定 可以直接测量 调节 100K 电位器使第二级的 IC2 1 0mA 即 UE2 0 43V 用万用表分别测量第一级 第二级的 静态工作点 记入下表 UB V UE V UC V IC mA 第一级 第二级 2 技术指标的测试 在接入负反馈支路 调节 Rf 2K Ui 0 的情况下 测量负反馈放大器的 Av Fv Avf 值 并将其值填入下表中 实验五实验五 集成运算放大器指标测试集成运算放大器指标测试 实验目的实验目的 1 输入失调电压 UOS 2 通过对运算放大器 A741 指标的测试 掌握集成运算放大器的主要指标的测试方 法 3 输入失调电流 Ios 的测定 了解共摸 CMRR 参数定义和表示方法 进一步了解集成 运放工作原理 学会深入细致的观察电子参量变化现象 4 了解集成运放工作原理 学会深入细致的观察电子参量变化现象 实验所用仪器实验所用仪器 示波器 DS3062 交流毫伏表 频率计 ELA II 模拟电路实验箱 信号发生器 万 用表 三路直流电源 实验原理及内容实验原理及内容 所谓集成电路 IC 实际是采用半导体制造工艺将二极管 三极管 电阻 电容 等元件 以及它们之间的连线集成在一块半导体芯片上 构成一个具有特定功能的 完整电路 与传统的分立元件电路相比 集成电路中元件密集度高 因而体积小 重量轻 同时集成电路具有耗电量小 成本低廉等优点 而且 由于外部焊点和连 线数目大大减少 有效地提高了电路的可靠性 集成电路可分为模拟集成电路和数 字集成电路两大类 数字集成电路是对数字信号进行处理的集成电路 而模拟集成 电路则是对连续变化的模拟量进行放大 转换和处理的集成电路 模拟集成电路技 制作工艺不同可分为半导体集成电路 厚膜集成电路和混合集成电路三种 按输出 信号与输入信号之间的关系又可分为线性集成电路和非线性集成电路两种 例如 各种集成运算放大器与集成音频功率放大器 集成稳压器等属于线性集成电路 各 种混频电路 振荡电路 对数放大电路 整流 检波和函数变换电路均属非线性集 成电路 模拟集成电路 几乎可以运用到所有模拟信号处理的领域 集成运放实质 上就是一个高放大倍数的直流放大电路 由于集成电路制作工艺的原因 在电路结 构上与分立元件直流放大电路相比 具以下几个显著特点 1 用集成电路工艺制作的元件 器件参数的精度并不高 但是相同元件 器件的制 作工艺相同 当它们的结构和几何尺寸相同时 它们的参数和特性就比较一致 因此 往往用于结构对称的电路形式 利用参数补偿的原理来提高电路的性能 2 用有源器件代替无源器件 由于集成化三极管占用的片面积小且制作工艺简单 因此电路中常常用场效应管等有源器件代替电阻 电容等无源器件 3 难以集成或不宜集成的元器件采用外接方式 目前集成电路工艺还难以制作电感 和大容量电容 阻值较大的电阻因占用芯片面积大也不宜制作 在集成运放中对 这类元件多采用外接的方式加以解决 虽然集成运放尽管种类繁多 电路结构各不相同 但它们的基本组成部分却 十分相似 可以看成是由输入级 中间级 输出级和偏置电路四部分所组成 而 集成运放的技术指标是评价集成运放性能优劣的依据 集成运放的性能指标分为 极限参数和电气参数 极限参数是器件生产厂家规定的最大允许使用条件 在使 用过程中 如果超过极限参数 会导致器件性能劣化甚至烧毁 电气参数是器件 在规定条件下的性能指标 集成运放的主要技术指标如下 1 极限参数 1 功耗 PD 集成运放在规定的温度范围内工作时 可以安全耗散的功率称为功 耗 功耗除了与集成运放设计有关外 还与封装形式有关 通用型集成运放 的空载静态功耗一般在 60 180mW 2 供电电压范围 集成运放允许施加的最小和最大安全工作电源电压称为供电 电压范围 采用双电源供电时 正 负电源电压通常是对称的 标准设计值为 15v 但大多数集成运放可以在较宽的电源电压范围内工作 低的在 lv 以下 高的可达 40v 3 最大差模输入电压 Uidm 能安全地加在集成运放两输入端之间最大的差模电压 称为最大差模输入电压 如果输入的差模电压太大 会导致集成运放输入级差 动管的发射结击穿 该参数的大小取决于集成运放输入级的结构 不同的集成 起放差别较大 有的在 0 5V 以下 有的高达 30V 4 最大共模输入电压 Vicm 在正常工作状态下 允许施加在集成运放两输入端之 间最大的共模电压称为最大共模输入电压 输入共模电压太大 会使管子饱和 或截止 从而破坏正常工作状态 有时也把共模抑制比下降 6dB 时对应的输入 共模电压定义为最大共模输入电压 这种定义更严格些 但不方便测量 2 电气参数 1 开环差模电压放大倍数 Aod 集成运放在开环状态下 输入差模信号时的电 压放大倍数称为开环差模电压放大倍数 用分贝值表示则为 20lg Aod 数值 越大越好 理想运放的 Aod 为无穷大 一般集成运放的 Aod 在 100dB 左右 目 前高档的运放可达 140dB 2 共模抑制比 Kcmr 该参数前已经定义过 即 Kcmr Aod Aoc 或 Kcmr 20lg Aod Aoc 理想运放为 Kcmr 无穷大 3 输入失调电压 UOS 为了使输出电压等于零而在输入端加的补偿电压称为输 入失调电压 对理想运放来说 在 ui 0 时 必有 uo 0 但就实际运放来说 这是很难实现的 为了使输出为零 我们在运放输入端施加一输入电压 不 难想像 通过改变输入电压的极性和大小 一定能使 uo 0 这一输入电压就 称为补偿电压 UOS主要是由输入级差动对管 Ube 或 Ucs 的不匹配所引起的 UOS越小 表明电路匹配越好 理想运放的 UOS 0 4 输入失调电流 IOS 运放两输入端静态电流之差称为输入失调电流 IOS Ib1 Ib2 IOS 反映了差放对管输入电流的不对称程度 此值越小越好 理想值为零 下面我们就主要几个参数在实验中做一分析 图 5 1 1 观察运放管脚排列及电源极性 本实验采用的集成运放型号为 A741 脚和脚为反相和同相输入端 脚为输出端 脚和分别 2 3 6 7 4 为正 UCC 负 UEE 电源端 脚和脚为失调调零端 脚为空脚 1 5 8 见下表为 A741 的典型参数参考规范 仅供参考 T 25 UCC UEE 15V 参数名称 参数值参数名称参数值 输入失调电压 1 5mV输出电阻75 输入失调电流 10 20nA转换速率0 5V s 输入偏置电流 80nA 输出电压峰值 13V 输入电阻 2M 输出电流峰值 20mA 输入电容 1 5pF 共模输入电压 13V 开环差动电压增益 100dB 差模输入电压 30V 共模抑制比90dB 应用频率 10KHz 2 输入失调电压 UOS 输入失调电压 UOS是指输入信号为零时 输出端出现的电压折算到同相输入端的数 值 失调电压测试电路如上图所示 测量此时的输出电压 UO即为输出失调电压 则输 入失调电压为 1 1 1 O F OS U RR R U 实际输出的 UO1可能为正 也可能为负 高质量的运放 UOS一般在 1mV 以下 测试中 应注意 将运放调零端开路将运放调零端开路 为防正负电源接反损坏集成块 运放系列实验中为防正负电源接反损坏集成块 运放系列实验中 A741 A741 的电源已接上 另外输出端切忌不可短路 否则将会损坏集成块 的电源已接上 另外输出端切忌不可短路 否则将会损坏集成块 3 共模抑制比 KCMR KCMR 的测试电路如图所示 图 5 2 CMRR Ad Ac 闭环状态下差摸电压放大倍数 Ad Rf R1 Ac Uo Uic 注意 a 消振 调零 b R1 R2 R3 Rf 应严格对称 c Uic 的 AM 小于 Uicm 12 d 理想运放对输入的共模信号其输出为零 但在实际的集成运放中 其输 出不可能没有共模信号的成分 输出端共模信号愈小 说明电路对称性 愈好 也就是说运放对共模干扰信号的抑制能力愈强 e 为防正负电源接反损坏集成块 运放系列实验中 A741 电源应慎重接上 另外输出端切忌不可短路 否则将会损坏集成块 f 调零时必须小心 不要使电位器的接线端与地线或正电源线相碰 否则会 损坏运算放大器 5 建立表格 并填写相应计算参数 分析结论 实验六 实验六 集成运算放大器的基本应用集成运算放大器的基本应用 实验目的实验目的 1 了解如何用运放 电阻和电容等组成有源低通滤波器 2 进一步掌握集成运算放大器的基本应用 3 培养和提高学生独立开展科学研究工作的素质和能力 实验所用仪器实验所用仪器 示波器 DS3062 交流毫伏表 频率计 ELA II 模拟电路实验箱 信号发生器 万用表 三路直流电源 实验原理及内容实验原理及内容 本实验主要分析了集成运放在信号处理方面的应用 首先请了解集成运放和无源元 件构成的具有各种性能的有源滤波器 例如 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器等 这些滤波器与无源滤波器相比 具有轻便 经济 增益高等优点 一 有源滤波器是具有选频特性的网络 在整流滤波电路中 滤波电路可将脉动直流电压 中的交流成分滤去 从而得到平滑的直流电压 滤波器的功能是让指定频率范围内的 信号顺利通过 而使其余频率的信号受到较大的衰减 它可以只用一些无源元件组成 如电阻 电容 电感等 也可以用无源元件和有源器件组成 前者称为无源滤波 器 后者称为有源滤波器 滤波电路常在自动测量 控制系统和无线电通讯中用于信 号的处理 如数据传送 选频以及干扰的抑制等等 有源滤波器大多是由运放作为一 个有源单元和无源元件 R C 组成的具有各种性能的滤波器 它与无源滤波器相 比 具有许多优点 首先它不用电感元件 可减少损耗 避免体积和重量过大 其次 由于运算放大器的增益和输入阻抗很高 输出阻抗很低 它不仅可保持无源滤波的一 些特性 而且还能提供 定的信号增益 具合隔离缓冲的作用 二 滤波器技其作用可分为 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器等 根据传递函数的形式又可分为一阶滤波器 二阶滤波器和多阶滤波器 如图 6 1 所示 电路为有源低通滤波器 也是压控电压源低通滤波电路 由图可见 它是由两节 RC 滤波电路和同相比例放大电路组成 其中同相比例放大电路实际上就是所谓的压控电 压源 其特点是 输入阻抗高 输出阻抗低 二阶比一阶低通滤波电路的滤波效果好 得多 当进一步增加滤波电路阶数 其幅频响应就更接近理想特性 采用集成运算放大 器的有源滤波电路中 集成运算放大器都是工作在负反馈状态 图 6 1 二阶低通滤波器 其中 式中 为二阶低通滤波器的通带增益 1 1 R R A f 为截止频率 它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率 RC 1 0 A Q 3 1 为品质因数 它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状 实验电 路如图 正确连接电路图 打开直流开关 取 Ui 1V 峰峰值 的正弦波 改变其频率 在接近理论上的截止频率附近改变 并维持 Ui 1V 峰峰值 不变 用示波器监视输出波形 用频率计测量输入频率 用毫伏表测量输出 电压 U0 记入下表 输入方波 调节频率 在接近理论上的截止频率附近调节 取 Ui 1V 峰峰值 观察输出波形 越接近截止频率得到的正弦波越好 频率 远小于截止频率时波形几乎不变仍为方波 有兴趣的同学可以考虑滤波器也可用 方波作为输入 因为方波频谱分量丰富 可以用示波器更好的观察滤波器的效果 f Hz U0 V 实验七 实验七 低频功率放大器设计实验低频功率放大器设计实验 实验目的实验目的 1 掌握功率放大集成块的应用 2 了解低频功率放大器工作原理 进一步了解集成功率放大器基本技术指标的测试 实验所用仪器实验所用仪器 示波器 DS3062 交流毫伏表 频率计 低频信号发生器 ELA II 模拟电路实验箱 信号发生器 万用表 三路直流电源 实验原理及内容实验原理及内容 在一些商业电子设备的电子线路中 常常要求其输出级能带动一定的负载 如 使扬声器发出声音 推动电动机旋转 使继电器 记录仪表动作等 这就要求放大电 路能输出一定的信号功率 因而放大电路的输出级多为功率放大电路 它能高效率地 把直流电能转化为按输入信号变化的交流电能 一 通常功率放大电路有以下特点 1 输出功率要尽可能大 为了向负载提供尽可能大的信号功率 要求功放管不但 要输出大的信号电流 输出大的信号电压 以驱动负载能够正常工作 2 效率要高 由于负载上所得到的信号功率实质上是由直流电源通过放大器件转换 而来的 当输出功率大时 直流电源消耗的功率也大 这就存在一个效率的问题 所谓效率就是负载得到的有用功率和电源供给的直流功率的比值 通常用百分数表 示 这个比值越大 电路的效率就越高 3 非线性失真要小 功率放大电路的输入信号为大电压信号 其输出功率又要大 所以难免会产生非线性失真 且输出功率越大非线件失真越严重 因此 通常所指 功率放大电路输出功率应理解为在规定非线性失真范围内的最大输出功率 4 功率放大管在工作中接近于极限运用状态 由于功率放大管处于大信号工作状态 下 一般功率放大管都工作于接近于极限状态 但由于三极管极限参数的限制 功 率放大管在工作中只能接近于极限工作状态而不得超过这些极限值 否则三极管就 会损坏 其极限参数有集电极最大允 许电流 Icm 集电极最大允许耗散功率 Pcm 和 集电极 发射极反向击穿电压 UCEO 等 此外 我们在实验中分析方法上 由于管子处于大信号下工作 因而已不能采 用微变等效电路法进行电路分析 只能用图解分析法 但本实验推荐用 EDA 的 Pspice 方法分析 二 提高输出功率和效率的主要途径 在功率放大电路中 当供给的直流电源功率 定时 要想获得尽可能大的输 出功率 则必须减少管耗 静态电流是造成管耗的主要因素 如果把静态电流设 置小 些 使信号等于零时 直流电源输出的功率也等于零 或很小 信号增大 时电源供给的功率也随之增大 也就是说 电源供给功率及管耗都随着输出功率 的大小而变 这这样就可以提高电路的效率了 通常低频功率放大电路按其工作状态的不同 可分为甲类功放 乙类功放 甲乙类功放等 在输入信号的整个周期内 三极管都处于导通状态 这种工作方 式称为甲类放大 其效率最高也只能达到 50 左右 功放管只在半个周期内导通 的功放电路 称为乙类功放 其效率最高约为 78 5 而功放管导通时间超过半 个周期 但不是整个周期内导通的功放电路 称为甲乙类功放 其效率介于上述 两者之间 三 如图所示为 OTL 低频功率放大器 其中由晶体三极管 T1 组成推动级 也称前置放 大级 T2 T3 是一对参数对称的 NPN 和 PNP 型晶体三极管 它们组成互补推挽 OTL 功放电路 图 7 1 OTL 低频功率放大器 每个管子都接成射极输出器形式 因此具有输出电阻低 负载能力强等优点 适合于作功率输出级 T1 管工作于甲类状态 它的集电极电流 IC1由电位器 RW 进 行调节 IC1的一部分流经电位器 RW2 及二极管 D 给 T2 T3 提供偏压 调节 RW2 可以使 T2 T3 得到合适的静态电流而工作于甲 乙类状态 以克服交越失 真 静态时要求输出端中点 A 的电位 可以通过调节 RW 来实现 又由 CCA UU 2 1 于 RW 的一端接在 A 点 因此在电路中引入交 直流电压并联负反馈 一方面能够 稳定放大器的静态工作点 同时也改善了非线性失真 当输入正弦交流信号 Ui 时 经 T1 放大 倒相后同时作用于 T2 T3 的基极 Ui 的负半周使 T2 管导通 T3 管截止 有电流通过负载 RL 用嗽叭作为负载 RL 同时向电容 C0 充电 在 Ui 的正半周 T3 导通 T2 截止 则已充好电的 电容器 C0 起着电源的作用 通过负载 RL 放电 这样在 RL上就得到完整的正弦波 C2 和 R 构成自举电路 用于提高输出电压正半周的幅度 以得到大的动态范 围 由于信号源输出阻抗不同 输入信号源受 OTL 功率放大电路的输入阻抗影响而 可能失真 R0 作为失真时的输入匹配电阻 调节电位器 RW2 时影响到静态工作点 A 点的电位 故调节静态工作点采用动态调节方法 为了得到尽可能大的输出功率 晶体管一般工作在接近临界参数的状态 这样 工作时晶体管极易发热 有条件的话晶体管有时还要采用散热措施 由于三极管参 数易受温度影响 在温度变化的情况下三极管的静态工作点也跟随着变化 这样定 量分析电路时所测数据存在一定的误差 我们用动态调节方法来调节静态工作点 受三极管对温度的敏感性影响所测电路电流是个变化量 我们尽量在变化缓慢时读 数作为定量分析的数据来减小误差 1 1 静态工作点的测试 用动态调试法调节静态工作点 先使 RW2 0 Us 接地 打开直流开关 调节电位 器 RW 用万用表测量 点电位 使 再断开 Us 接地线 输入端接入频率为 CCA UU 2 1 f 1KHZ 峰峰值为 50mV 的正弦信号作为 Us 逐渐加大输入信号的幅值 用示波器观 察输出波形 此时 输出波形有可能出现交越失真 注意 没有饱和和截止失真 缓慢增大 RW2 由于 RW2 调节影响 A 点电位 故需调节 RW 使 在 Us 0 的 CCA UU 2 1 情况下测量 从减小交越失真角度而言 应适当加大输出极静态电流 IC2及 IC3 但 该电流过大 会使效率降低 所以应通过调节 RW2 调节 RW 使 在 Us 0 的情况下测量 若观察无交越失真 注意 没有饱没有饱 CCA UU 2 1 和和截止失真和和截止失真 时 停止调节 RW2 和 RW 恢复 Us 0 测量各级静态工作点 记入 下表 IC2 IC3 mA UA 1 2 Ucc T1T2T3 UB V UC V UE V 注意 在调整 RW2 时 一是要注意旋转方向 不要调得过大 更不能开路 以免损 坏输出管 输出管静态电流调好 如无特殊情况 不得随意旋动 RW2 的位置 2 最大输出功率 Pom 输入 1KHz 观察输出波形 并绘出波形 Ui 达最大 不失真