实验1运算放大器的基本应用.doc

东南大学电工电子实验中心实 验 报 告课程名称： 电子电路实践 第1次实验实验名称： 运算放大器的基本应用 院 （系）： 专 业： 姓 名： 学 号： 实 验 室: 104 实验组别： 同组人员： 实验时间：2011年 3月31日评定成绩： 审阅教师： 实验一 运算放大器的基本应用一、实验目的：1、 熟练掌握反相比例、同相比例、加法、减法、积分、微分等电路的设计方法；2、 熟练掌握运算放大电路的故障检查和排除方法，以及增益、幅频特性、传输特性曲线、带宽的测量方法；3、 了解运算放大器的主要直流参数（输入失调电压、输入偏置电流、输入失调电流、温度漂移、共模抑制比，开环差模电压增益、差模输入电阻、输出电阻等）、交流参数（增益带宽积、转换速率等）和极限参数（最大差模输入电压、最大共模输入电压、最大输出电流、最大电源电压等）的基本概念；4、 了解运放调零和相位补偿的基本概念；5、 掌握利用运算放大器设计各种运算功能电路的方法及实验测量技能。二、预习思考：1、 查阅741运放的数据手册，自拟表格记录相关的直流参数、交流参数和极限参数，解释参数含义。参数名称参数值参数意义及设计时应该如何考虑直流参数输入失调电压UIO1-5mV在室温25及标准电源电压下，输入电压为0时，为使输出电压为0，在输入端加的补偿电压；实际设计时应将测量值减去补偿电压才是实际值，但一般可忽略。输入偏置电流IIB10-100nA为使运放输入级放大器工作在线性区所必须输入的一个直流电流，是两输入端电流的平均值；设计时加适当的偏置电压产生相应的偏置电流；输入失调电流IIO2-20nA在室温25及标准电源电压下，输入电压为0时，为使输出电压为0，在输入端加的补偿电流；失调电压温漂UIO20uV/在给定的温度范围内平均成每度引起的电压变化；故设计时尽量在恒温的地方共模抑制比KCMR70-90dB输入端口短路线中点对地加电压和输入端口两点之间电压的比。开环差模电压增益AVD运放放大倍数，为输出电压/输入电压；设计时使之满足放大的需求输出电压摆幅UOM（12-14）V（RL=10k）所能输出电压的最大值与最小值之差；应使输出电压在此范围内差模输入电阻RID0.3-2M从放大器两输入端看进去所呈现的视在电阻；设计时越大越好输出电阻RO75从放大器输出端看进去所呈现的电阻值；设计时越小越好交流参数增益带宽积G.BW0.7-1.6MHz增益和带宽的乘积；用来衡量放大器的性能转换速率SR0.25-0.5V/us运放接成闭环条件下，将一个大信号（含阶跃信号）输入到运放的输入端，从运放的输出端测得运放的输出上升速率。该指标越高，对信号的细节成分还原能力越强，否则会损失部分解析力。极限参数最大差模输入电压UIOR30V运放两输入端能承受的最大差模输入电压，超过此电压时,差分管将出现反向击穿现象。最大共模输入电压UICR13V一般定义为当共模抑制比下降6dB 是所对应的共模输入电压作为最大共模输入电压。最大输出电流IOS(10-40)mA能输出的峰值电流；关系到负载能力最大电源电压USR22V所允许加的最大电源电压；设计时要根据要输出的电压和运放的最大承受电源电压综合权衡，超过此值会损坏运放。2、 设计一个反相比例放大器，要求：|AV|=10，Ri10K，将设计过程记录在预习报告上；（1） 原理图（2） 参数选择计算电源电压为15V，R1=10k，RF=100k，RL=100k,RP=10k/100k。运放的理论放大倍数为（3） 仿真结果A）0.5V直流电压如图，输入为0.2V，输出-2.001V，反相放大了10倍，符合理论值。B）2V直流电压如图，输入为2V直流电压，输出为13.005V直流电压，由于输出电压超过电源电压，故只能输出13V的电压。C）0.5V，1kHz的正弦交流信号如图，CH1为输入信号，为200mV；CH2为输出信号，为2V，放大10倍，且两者反相D）2V，1kHz的正弦交流信号如图，输入电压为2V，输出为10V，由于输出正弦信号中包含了超过电源电压部分的波形，故最大电压为10V，出现失真现象。E）最大不失真输出电压 (i) RL=100kRL=100k时，最大不失真输出电压为13V(ii) RL=220可见，RL=220时，最大不失真输出电压为5.62VF）电路传输特性曲线如下图：为电路的传输特性曲线，斜率为，转折点值为（-1.15,13）(1.15，-13）;G）电源电压改为12V: (i) RL=100k，最大输出电压为10V，相比于电源电压为15V，最大输出电压变小，如下图： (ii)RL=220,最大输出电压为5.62V，相比于电源电压为15V，最大输出电压变小，如下图： (iii) 传输特性曲线：斜率，转折点（-0.6,5.6）（0.6，-5.6）相比于电源电压为15V，放大区域变小，如下图：H）改变频率，测量上限频率当调节频率为40kHz时，输出放大倍数变为7.07倍，即相位差为 I） 保持fH，增大幅度至正弦波失真此时，输入0.6V，输出3.01V，可得转换速率，与理论值0.5V/us非常接近。J）输入方波，调整频率和幅度，至方波变为三角波输入10kHz，输入1.2V，输出11.9V，可得转换速率为，与理论值0.5V/us非常接近。K）RF改为10k如上图，测得截止频率为700kHz如上图，相位差为保持fH，增大幅度，至正弦信号变形，此时，输入为0.6V，输出为0.18V计算转化速率，非常接近于理论值。3、 设计一个电路满足运算关系UO= -2Ui1 + 3Ui2（1） 原理图参照电子电路基础P65图2.4.6，设计电路图如下：（2）参数选择计算选取R1=10k，R2=10k,R3=20k则（2） 仿真结果三、实验内容：1、基础实验：（1）反相输入比例运算电路(I) 图1.3中电源电压15V，R1=10k，RF=100 k，RL100 k，RP10k/100k。按图连接电路，输入直流信号Ui分别为2V、0.5V、0.5V、2V，用万用表测量对应不同Ui时的Uo值，列表计算Au并和理论值相比较。其中Ui通过电阻分压电路产生。Ui/VUO/VAu测量值理论值-2.00212.85-6.42-10-0.5065.20-10.28-100.506-5.22-10.32-102.003-12.87-6.43-10实验结果分析：当输入0.5V时，输出约5V，增益约为-10，误差为，说明此时满足反相增大10倍的设计要求。而当输入为2V时，运放不在线性区，无法实现增大10倍到20V，结果为12.85V和-12.87V，在合理范围内。(II) Ui输入0.2V、 1kHz的正弦交流信号，在双踪示波器上观察并记录输入输出波形，在输出不失真的情况下测量交流电压增益，并和理论值相比较。注意此时不需要接电阻分压电路。（a）双踪显示输入输出波形图（b）交流反相放大电路实验测量数据输入信号有效值（V）输出信号有效值（V）信号频率电压增益测量值理论值0.22.121kHz10.610交流反相放大电路实验测量数据实验结果分析：输出不失真的条件下，交流电压增益测量值为10.6V，与理论值相比的误差为，考虑到模拟电路的不稳定性，该结果在误差允许范围内。(III) 输入信号频率为1kHz的正弦交流信号，增加输入信号的幅度，测量最大不失真输出电压值。重加负载（减小负载电阻RL），使RL220，测量最大不失真输出电压，并和RL100 k数据进行比较，分析数据不同的原因。（提示：考虑运算放大器的最大输出电流）负载RL=100KRL=220正电源电压（V）15.0015.00正最大不失真输出电压（V）14.65.36负电源电压（V）-15.13-15.13负最大不失真输出电压（V）-13.2-9.00实验结果分析：如结果所示，当负载减小时，最大不失真输出电压会变小。这是因为，负载变小时，运放的输出电流会变大，由于运放有输出电阻，故在输出电阻上的压降变大，导致负载上的电压降低，即输出电压降低。运放输出电阻数量级在几十到几百，故当负载为100k时，负载几乎能得到全部的输出电压，而负载为220时， 与输出电阻相差不大，故电压被输出电阻分走了不少，导致输出电压大大降低。正负最大不失真电压不对称，可能是漏电流或阻抗不平衡造成的。(IV) 用示波器X-Y方式，测量电路的传输特性曲线，计算传输特性的斜率和转折点值。（a） 传输特性曲线图（请在图中标出斜率和转折点值）斜率=（b） 实验结果分析：从传输特性曲线可以看出，斜率为-11.67，最大失真输出电压为14V，与前面的测量值相差不大，且符合理论分析。(V) 电源电压改为12V，重复(III)、(IV)，并对实验结果结果进行分析比较。（a）自拟表格记录数据负载RL=100KRL=220正电源电压（V）12.1012.10正最大不失真输出电压（V）11.65.40负电源电压（V）-12.07-12.07负最大不失真输出电压（V）-10.2-7.4（b) 实验结果分析：1.如结果所示，当负载减小时，最大不失真输出电压会变小。原因同电源电压为正负15V的情况。2.与电源电压为15V相比，负载较大时， 正负最大不失真输出电压在仍然在电源电压附近徘徊，但不超过电源电压。3.正负最大不失真电压不对称，可能是漏电流或阻抗不平衡造成的。(VI) 保持Ui0.1V不变，改变输入信号的频率，在输出不失真的情况下，测出上限频率fH并记录此时的输入输出波形，测量两者的相位差，并做简单分析。（a）双踪显示输入输出波形图 （b）上限频率fH(KHz)相位差t(s)T(s)=t/T360 o 758.413.3227.4（C）实验结果分析： uA741的增益带宽积为0.7-1.6MHz，增益为10，故带宽为70-160kHz，符合理论。由于运放中存在电容等器件，当频率加高特别是接近截止频率时，必然造成附加相位差，使得输出与输入并不是恰好反相（相差180度）。(VII) 将输入正弦交流信号频率调到前面测得的fH，逐步增加输入信号幅度，观察输出波形，直到输出波形开始变形（看起来不象正弦波了），记录该点的输入、输出电压值，根据转换速率的定义对此进行计算和分析，并和手册上的转换速率值进行比较。（a）双踪显示输入输出波形图（b）频率输入信号UiPP输出信号UOPPdUO/dt75kHz0.72V3.84V0.576V/us（c）实验结果分析：可得转换速率的误差为15.2%。由于正弦恰好失真的时刻很难把握，造成较大的误差。不过在允许的范围之内。说明在幅度加大时，高频信号需要考虑转换速率的影响。(VIII) 输入信号改为占空比为50%的双极性方波信号，调整信号频率和幅度，直至输出波形正好变成三角波，记录该点输出电压和频率值，根据转换速率的定义对此进行计算和分析（这是较常用的测量转换速率的方法）。（a）双踪显示输入输出波形图（b）频率输入信号UiPP输出信号UOPPdUO/dt47kHz0.85V6.43V0.60V/us（c）实验结果分析：主要原因还是波形恰好变为三角波的时刻很难把握。单纯用肉眼观察此临界点很容易造成较大误差。同样说明说明在幅度加大时，高频信号需要考虑转换速率的影响。(IX) RF改为10 k，自己计算RP的阻值，重复（VI）（VII）。列表比较前后两组数据的差别，从反相比例放大器增益计算、增益带宽积等角度对之进行分析。并总结在高频应用中该如何综合考虑增益带宽积和转换速率对电路性能的影响。 重复（VI）： 保持Vi0.2V不变，改变输入信号的频率，在输出不失真的情况下，测出上限频率fH并记录此时的输入输出波形，测量两者的相位差，并做简单分析。（a） 双踪显示输入输出波形图（b）此时Rp= 5k ，上限频率fH(KHz)相位差t(s)T(s)=t/T360 o 5001.452261（c）实验结果分析：1. RF变为10k，增益变为1，上限频率加大。这是因为当增益增大的时候，相应的带宽就会因为运放的内部影响而减小；同时，带宽增大的时候，其相应的增益就会减小，但是他们的积却是一个常数。2. 截止频率加高，相位差变大。重复（VII）：（a） 双踪显示输入输出波形图（b）频率输入信号ViPP输出信号VOPPdUO/dt30kHz8.488.480.51（c） 实验结果分析：1非常接近理论值0.5V/us2幅度加大，高频信号需考虑转换速率的影响。（d）总结在高频应用中该如何综合考虑增益带宽积和转换速率对电路性能的影响：1. 增益带宽积主要是对小信号而言，它与信号的频率和整个电路的增益有关系，（频率跟增益的乘积是常数，信号频率越高，能得到的增益越小）。在设计时需要根据自己的设计需求合理设计增益大小已获得合适的带宽。2转换速率主要与大信号有关系，反应运放的瞬时响应速率。该值越大，能够工作的频率点越高，即带宽会加大，与公式相符。3. 高频应用中，需要根据增益和带宽计算对运放的增益带宽积的要求，然后根据信号的幅度和截止频率计算转换速率的要求。（2）设计电路满足运算关系Uo=-2Ui1+3Ui2，Ui1接入方波信号，方波信号从示波器的校准信号获取（模拟示波器Ui1为1KHz、1V的方波信号，数字示波器Ui1为1KHz、5V的方波信号），Ui2接入5kHz，0.1V的正弦信号，用示波器观察输出电压Uo的波形，画出波形图并与理论值比较。实验中如波形不稳定，可微调Ui2的频率。（a）双踪显示输入输出波形图 （b) 实验结果分析：1由于方波从运放负相输入，故从输出波形中可以看出波形反相。2. 从输出波形可以看出明显看出方波与正弦波的比例叠加，实现Uo=-2Ui1+3Ui2的设计要求；3. 从输出波形的波纹状部分可以看出两者的频率比为1:52、提高实验： 设计一个比例-积分-微分运算，。图1.4为比例积分微分（PID）电路。对于基本积分电路，用Z1和Zf代替电阻和电容。在复频域中，应用拉氏变换，将Z1和Zf写成运算阻抗的形式Z1(s)、Zf(s)，其中s为复频率变量，输出电压的表达式可以写成改变Z1(s)和Zf(s)的形式，可以实现各种不同的数学运算。对于图1.4所示的电路，其传递函数为上式括号内第一、二两项表示比例运算；第三项表示积分运算，因表示积分；第四项表示微分运算，因 。图1.4 比例积分微分电路输入为Uipp=1V、f=10KHz的方波（占空比为50%）。设计不同的R、C值、测量PID电路输出电压波形。此电路什么时候是比例积分电路？而什么时候是比例微分电路？有没有其他实现比例积分微分运算的电路形式？ 答：（1）此电路什么时候是比例积分电路？而什么时候是比例微分电路？有没有其他实现比例积分微分运算的电路形式？1) 实验分析根据，2) 参数调试及波形记录(1) 选取参数R1=10k,RF=240,C1=100nF,CF=100uF,在频率加到200Hz时得到如下微分输出波形：(2) 调节参数为R1=240,RF=10k,C1=100uF,CF=100nF,在频率加到20kHz时得到如下积分输出波形：(3) 调节参数为R1=10k,RF=1k,C1=100uF,CF=100nF, 并在RF及CF支路上加入滑动变阻器调节，在频率加到200Hz时得到如下PID输出波形：3) 遇到的问题及解决办法(1) 调节积分波形时花了很长时间没出结果，后来把频率从几百赫兹调节到数千赫兹时，便成功地调节出了积分波形（三角波）。总结原因：(2) 调节PID积分微分波形时，输出波形总是位于基线的上部分，在堵老师的帮助下，发现这是由漏电流造成的，需要在RFCF支路并联一个大电阻。具体原因如下：实际电路中，运放的反相端是存在