3.集成放大器的基本应用

集成运算放大器基本应用,一、实验目的二、实验原理三、实验内容四、报告要求五、预习要求六、思考题,一、实验目的,1、验证由集成运算放大器组成的反相放大器、同相放大器、电压跟随器、加法器、减法器和积分器等基本运算电路的功能，加深对运算放大器基本应用电路结构和性能特点的理解。2、通过对运算放大器基本应用电路的设计与实验，掌握其设计方法。3、了解运算放大器构成的基本运算电路在实际应用时一些局限性、和应考虑的问题。,二、实验原理,1、集成运算放大器概述集成运算放大器是一种具有高电压增益、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合多级放大集成电路。在该集成电路的输入与输出之间接上不同的反馈网络,可实现不同用途的电路，例如利用集成运算放大器可方便地完成信号放大、信号运算（加、减、乘、除、对数、反对数、平方、开方等）、信号处理（滤波、调制）以及波形的产生和变换。集成运算放大器的种类非常多,可适用于不同的场合。在分析或设计集成运放构成的电路时，通常可认为它是“理想的”，即其主要技术指标如表4-1所列的理想值。为了进行比较、该表也列出了实际运算放大器的相应参数范围，可以看出，实际集成运放绝大部分参数接近理想，这可以使分析和设计过程大大简化、而且造成的误差很小。,表4-1,理想运算放大器在线性应用时有两个重要特性，这两个特性是分析理想运放线性应用电路的基本原则，可简化电路的计算。（1）。线性放大时，由于，而为有限值，因此，即“虚短”。（2）。由于Ri=，因此流进运算放大器两个输入端的电流为零。本实验采用的集成运算放大器是A741，其开环电压增益典型值为，在直流及较低频率时为常数。,潮过某一频率后以20dB/dec的速度下降，就像低通滤波器一样。在频率高到某一值时，开环增益将降为1，由于该放大器是直流耦合的、因此这频率值就是单位增益带宽。A741的详细参数说明可从数据手册上找到、或从网上下载。下面给出与本实验相关的部分使用说明：图4-1(a)是A741集成块外接引脚排列顶视图，这里给出的是八脚双列直插式封装。管脚失调调零端管脚反相输入端管脚同相输入端,管脚负电源端管脚失调调零端管脚输出端管脚正电源端管脚空脚,图4-1(b)给出的是开环增益的频率响应图，图4-1(c)是A741运算放大器失调电压调零接线图。,(a),（b）,(c),图4-1,2、集成运放基本应用电路集成运放的开环差模电压增益Avd很大，但受温度影响明显、很不稳定，而且开环运用时运算放大器的频带很窄，如A741只有7Hz左右，显然难以满足交流信号的放大要求。要使集成运放实现信号的稳定放大，加反馈网络构成深度负反馈电路是必要条件。采用负反馈构成闭环电路虽然会降低电压增益，但可以提高电压增益的稳定性，可将频带扩展到倍，这里是反馈网络的反馈系数。另外深度负反馈还可以改善输入电阻、输出电阻等，使它们接近理想。,（1）反相放大器电路如图4-2所示，输入电压经R1加到反相输入端，Rf为反馈电阻、把输出电压vo反馈到反相端，构成深度电压并联负反馈。对于理想运放，该电路的电压增益为，输入电阻为，输出电阻为、是一理想电压源。,图4-2反相比例运算电路,电压增益式表明：理想运放构成的反相比例运算电路中，输出电压与输入电压相位相反，大小成比例关系、比例系数为。比例系数与运算放大器开环增益无关，完全由外接固定电阻决定。当时，即此电路成为了反相器。同相端外接电阻称为平衡电阻，取可减小输入失调电流引起的运算误差。注意，此时的应包括信号源内阻或前级电路的输出电阻。,（2）反相加法器图4-3所示电路为二输入加法器，输出电压与输入电压之间的关系为,图4-3反相加法运算电路,对多输入端情况可以此类推。的作用与反相比列运算电路中的相同、为平衡电阻，取。（3）同相放大器图4-4(a)是同相比例运算电路，属于电压串联负反馈电路。运放理想时该电路的电压增益为，输入电阻为，输出电阻为。的作用与反相比列运算电路中的相同，取。确定时应减去信号源内阻或前级电路的输出电阻。,当时，即得到如图4-4(b)所示的电压跟随器。通常保留，以减小漂移和起保护作用。一般取10k，太小起不到保护作用、太大则影响跟随性。仍这样取。,a)同相比例运算电路图(b)电压跟随器,4-4同相比例运算电路,（4）差动放大器当时，图4-5为减法运算电路，有如下关系式图4-5减法运算电路由于差动放大器具有双端输入-单端输出、共模抑制比高的特点，常被用作传感器或测量仪器的前端放大器。,（5）反相积分器反相积分电路如图4-6所示。在理想情况下，输出电压为式中是时刻电容两端的电压值，即积分初始值。为积分时间常数。图4-6积分运算电路如果是幅值为的正阶跃电压，并设，则,即输出电压随时间增长而线性下降。显然时间常数值越大，输出电压达到给定值所需的时间就越长。积分输出电压所能达到的最大值受集成运算放大器最大输出电压范围限制。当输入信号为直流电压时，电容开路、即无反馈，因此运算放大器相当于开环。这就会产生严重的问题：输入信号中任何微小的直流分量都会使运算放大器的输出饱和。这个问题可通过在电容C上并联一电阻得到解决，如图4-7所示，直流闭环，使积分器有一有限的直流增益。然而，这样的积分器不再理想，因为将对原来与成正比的电容充电电流产生分流。为减小引入的积分误差，应尽可能大。,3、集成运放基本应用电路设计（1）反相放大器设计通常的设计指标有：电压增益、输入电阻，隐含的输出电压范围。由可确定的比例关系。当对有要求时，可根据，先确定，再确定。,图4-7,若对没有明确要求，则先依据经验选取。选取原则：流过的电流要小于集成运放的最大输出电流（一般小于10mA），同时又要远大于集成运放的输入偏置电流IB。通常的取值在数千k到数百k之间，一般不要超过1M，因为1M以上的大电阻稳定性差、精度低、噪声大。在以上要求都能满足的情况下，之一可取中等阻值，如10k。（2）同相放大器电路的设计及元件参数的选取原则与反相放大器相同。,（3）反相积分器的设计首先根据输入信号特征、运算放大器最大输出电压峰峰值、以及设计指标对输出信号大小的要求确定积分时间常数。当输入信号周期给定后，值取得太大、积分太慢，会使得输出信号幅度达不到设计指标要求。值取得过小，会增大运算误差。然后考虑的取值。值取得太小，不利于积分输出的温漂。值取得过大，会造成体积过大和漏电等问题。精密积分器电路中常选用小于1F的电容。为减小积分误差，应使，因此取值不能太小，一般在20k到1M之间。,三、实验内容,1.基本连接及调零如图4-1(c)连接电路，打开电源，用数字万用表观测运算放大器的输出电压，调节电位器、直到输出电压尽可能地接近0。输出可能在+10和-10之间来回跳动而不是呆在0附近，此时可认为运放失调已被校零，即差模输入为零时有零输出。后面的实验步骤中应保持调零电位器不变。2.电压跟随器（1）搭建如图4-4(b)的电压跟随器电路。（2）调节信号发生器使输出频率约10kHz、幅度约1.0V的正弦波。（3）连接信号发生器的输出到电压跟随器的输入端、和示波器的通道1。（4）连接示波器的通道2电压跟随器的输出端。,（5）验证输出信号与输入信号的幅度是否相等。（6）逐渐提高输入信号的幅度，记录相应输出电压值。注意观测放大器饱和时的输出电压幅度，此时增益将偏离1。（7）将输入电压恢复为1.0V，用实验三的方法测量跟随器的传递函数（增益和相移随频率的变化），并画成Bode图。测量频率范围：10Hz2MHz，频率较低时每10倍为一个测量点，当幅度和相位变化明显时、每逢1-2-5为一个测量点。,3、反相放大器（1）设计反相放大器使闭环增益为-10。（2）挑选所需要的电阻，并用数字万用表测量和记录其阻值。（3）连接电路，包括电源端和调零端。（4）确保输出电压低于饱和值的情况下，测量并记录该电路的传递函数，并画成Bode图。测量频率范围：10Hz2MHz。（5）使闭环增益为-100，重复上述测量。4、同相放大器设计同相放大器使闭环增益为+10。重复实验内容3(2)3(4)5、反相加法器,（1）设计一个二输入端反相加法器，增益为-1。要求输入电阻值不太小，请思考输入电阻值的“大”、“小”如何衡量。（2）挑选所需电阻，用数字万用表测量和记录其阻值，并搭建电路。（3）只在其中一个输入端接入频率为200Hz、峰峰值为6V的方波，观测并记录电路的输出。（4）只在其中一个输入端接入频率为10kHz、峰峰值为0.5V的正弦波，观测并记录电路的输出。（5）把上述两信号分别接入加法器的两输入端，观测并记录电路的输出，该输出信号是否就是上述两独立信号之和？6、反相积分器,（1）设计一个反相积分器电路，将方波变换成三角波。方波峰峰值为1V，周期为1ms，要求输出三角波峰峰值为5V。确定，并选择一恰当的值。（2）测量并记录所选的电阻、电容值。然后搭建如图4-8电路，别忘了失调调零电路。,图4-8,步骤（3）（7）保持开关处于打开状态。（3）合上开关，仔细调节失调补偿电阻，使输出电压准确为零。（4）使信号发生器输出方波，频率约为1kHz、幅度约为0.5V，并尽可能使其直流偏置减小到零。（5）连接信号发生器的输出到积分器的输入端、和示波器的通道1。（6）连接积分器的输出到示波器的通道2。（7）打开开关，观测并描绘下输入信号波形和相应的输出信号波形，要求读取具体参数。前面提到，即使非常小的输入信号直流分量、或运算放大器的直流失调，都会使输出交流信号下的直流电平慢慢地（或非常慢地）向运放饱和值漂移。如果前面的失调补偿做得很好，应该有足够时间完成本步骤操作。若需重测，可先合上开关对电容放电，在打开开关重做本步骤操作。（8）合上开关，重做步骤（3）（7）。,四、报告要求,1、整理实验数据，画出波形图（注意波形间的相位关系）。2、将理论计算结果和实测数据相比较，分析产生误差的原因。3、分析讨论实验中出现的现象和问题。,五、预习要求,1、复习集成运放线性应用部分内容，并根据实验内容要求设计电路、计算各电路输出电压的理论值，编写测试步骤、设计测试数据记录表格。2、在反相加法器中，如vi1和vi2均采用直流信号，并选定