东南大学模电实验七-运算放大器及应用电路

实验七运算放大器及应用电路实验目的：1. 认识运算放大器的基本特性，通过仿真和测试了解运放基本参数，学会根据实际需求选择运放；2. 了解由运放构成的基本电路，并掌握分析方法；实验内容：一、 实验预习1. 运放的理想化条件；2. 运放的各种基本电路结构；3. 熟悉运放LM358P的性能参数及管脚布局，管脚布局如图1所示，并根据图2所示的内部原理图理解电路结构和工作原理。图1. LM358P管脚 LM358P为单片集成的双运放，采用DIP-8封装，1IN-为第一个运放的负端输入，1IN+为正端输入，1OUT为输出，第二个运放命名原则相同。Vcc为正电源输入端，GND可以接地，也可以接负电压。图2. LM358P内部原理图 LM358P主要由输入差分对放大器，单端放大器，推挽输出级以及偏置电路构成。二、 仿真实验1. 运放基本参数电压传输特性根据图3所示电路，采用正负电源供电，运放负端接地，正端接直流电压源V3，在-50V50V范围内扫描V3电压，步进1V，得到运放输出电压（节点3）随输入电压V3的变化曲线，即运放电压传输特性，根据仿真结果给出LM358P线性工作区输入电压范围，根据线性区特性估算该运放的直流电压增益Avd0。图3. 电压传输特性仿真电路仿真设置：Simulate Analyses DC Sweep, 设置需要输出的电压。思考：a. 当输入差模电压为0时，输出电压等于多少？若要求输出电压等于0，应如何施加输入信号？为什么？b. 观察运放输出电压的最高和最低电压，结合图2所示电路分析该仿真结果的合理性。解：运放输出电压（节点3）随输入电压V3的变化曲线，即运放电压传输特性：根据上图仿真可得，直流电压增益Avd0=99.5993k为了寻找线性工作区，扩大扫描范围-500V500V，可得运放电压传输特性：根据图线得出其线性工作区范围：-118.6557V168.0384V思考:（1）当输入差模电压为0时，输出电压=-3.3536V；若要求输出电压等于0，应使输入信号V+=33.6709V原因：在运放的线性工作区内，此题中可认为差模电压与输出电压成正相关，设输出电压为Y，输入电压（即输入差模电压）为X，线性比例系数K。因此可认为满足以下关系：Y=K*X+B当X=0时，Y=-3.3536V，故B=-3.3536V令Y=0，则X=-B/K=3.3536/9.5993k=33.6709V与仿真结果一致（2）运放输出的最高电压为13.3160V，最低电压为-14.8574V。最高正电压的绝对值小于最低负电压的绝对值：V+可对OUT下边的PNP管射极电流造成影响。V+在很小的正电位时，输出为0，这导致了最低电压的绝对值大于最高电压的绝对值输入失调电压根据图4所示电路，仿真得到运放LM358P的输入失调电压VIO。VIO既可以先测量输出电压VO(图4中节点3电压)，再根据VIO=-VO/(-R1/R2)计算得到；也可以直接测量运放正负端电压差得到。前者适合VIO比较小的情况，后者适合VIO比较大的情况。当R1=1 k, R2=10 , 进行直流工作点仿真，并完成表7-1。当R1=10k, R2=100 , 进行直流工作点仿真，并完成表7-2。当R1=100 k, R2=1 k,进行直流工作点仿真，并完成表7-3。图4. 输入失调电压仿真电路表7-1：R1=1 k, R2=10 V3（V）V4（V）V5（V）V5- V4（V）-V3/(-R1/R2)（V）-3416.69-33.631220.0000033.63122-34.16687表7-2：R1=10 k, R2=100 V3（V）V4（V）V5（V）V5- V4（V）-V3/(-R1/R2)（V）-3596.22-33.632510.0000033.63251-35.9622表7-3：R1=100 k, R2=1 kV3（V）V4（V）V5（V）V5- V4（V）-V3/(-R1/R2)（V）-5388.47-33.614820.0000033.61482-53.88466根据上述仿真结果，给出运放的的输入失调电压VIO。尝试设置V3电压等于VIO，观察输出电压V3的变化。仿真设置：Simulate Analyses DC Operating Point，设置需要输出的电压。思考：什么原因导致了不同反馈电阻条件下计算得到的VIO存在较大的差异？在实际测量中，若输入失调电压小，需要通过测量输出电压并计算得到VIO时，在电阻的选取上需要注意什么问题？解：由上表可得，VIO= V5- V4=33.63V当V3 = VIO =33.63V，得三种情况输出电压如下R1=1k，R2=10R1=10k，R2=100R1=100k，R2=1k-24.03518V-203.25713V-1.99547mV可见输出电压很小，可视为满足VIO条件（输出电压为0时在输入端所加的补偿电压）。思考：失调电压是输入电压为0时，将输出电压除以电压增益，再加上负号，即为在折算到输入端的失调电压，同时也为使输出电压为0时在输入端所加的补偿电压。实际运放的输出电阻并非无限大，当外电阻R1和R2增大到一定数值时，其上的分压不能被忽略，因此会导致VIO的变化。应尽量选取比较小的电阻R1和R2，确保运放工作在较理想状态。增益带宽积（单位增益带宽）GBP根据图5所示电路进行频率扫描仿真（AC仿真），得到反馈放大器的幅频特性曲线和相频特性曲线。在幅频特性曲线中采用标尺（cursor）标出增益下降到最大增益值的0.707倍时对应的频率，并计算运放的增益带宽积GBP，即单位增益带宽。在相频特性曲线中根据相位特征采用标尺分别标记出主极点和次主极点的频率。（提交的仿真结果截图需带有标记信息）。图5. 增益带宽积仿真电路仿真设置：Simulate Analyses AC Analysis，设置需要输出的电压，频率扫描范围，扫描类型和扫描点数等，仿真参数设置参考图6。输入交流信号源在V3中设置，直流为0，交流输入信号幅度为1。图6. AC仿真参数设置思考：若输入信号频率为100kHz，则采用LM358P能实现的最高增益是多少？解：幅频特性和相频特性曲线：GBP=99.8986*9.9520k994.1909k思考：最高增益为GBP/100k994.1909k /100k9.94转换速率(压摆率)SRa. 当输入为大信号时，运放由于内部电容的充放电速度限制，输出信号可能不能完全跟随输入信号，而出现失真。运放输出电压能达到的最大变化速度定义为转换速率SR，也称压摆率。根据图7所示电路通过仿真得到运放的转换速率。运放接成电压跟随器，输入信号为阶跃信号，阶跃信号初始电压-10V，阶跃后稳定电压10V，阶跃时间1ns，阶跃持续时间1 ms。通过瞬态分析得到输出电压，并采用标尺标记出输出电压变化的斜率，即转换速率。图7. 转换速率仿真电路b. 将图7中的信号源V3改为正弦信号（在电压源中选择AC Voltage），振幅为10V（峰峰值20V），直流电压0V，当频率分别为1kHz和10kHz时，得到相应的输入输出波形对照图（在一张图中同时显示输入和输出波形），观察波形的变化并提交截图。仿真设置：Simulate Analyses Transient Analysis，瞬态仿真参数设置参考图8，TSTOP根据信号频率改变，保证输出一个周期以上的波形。思考：若图7的输入为正弦信号，振幅为10V，直流电压0V，根据第六章中的结论：Vom SR，则允许的最大输入信号频率为多少？图8. 瞬态仿真参数设置解：（a）运放输出电压：故SR=dy/dx=499.730k。（b）频率为1kHz的输入输出波形：失真不明显频率为10kHz的输入输出波形：有明显失真思考：SRVom 49.9730kHz2. 运放构成的应用电路反相放大器图9所示电路为运放构成的反相放大器，按照图中参数进行瞬态仿真，采用Tektronix示波器观察各个节点波形。输入信号单端振幅为50mV，频率分别为10Hz，100Hz和1kHz，请提交三种频率条件下的节点3、节点4、节点5的波形截图（三个节点波形显示在一张图中）。示波器显示设置参考图10，对于Y轴，节点5波形的显示设置为2V/div，节点4波形的显示设置为2mV/div，节点3波形的显示设置为20mV/div，X轴设置至少保证两个周期的显示，并请在示波器中测量出输出电压（节点5）的峰峰值。注意观察不同频率条件下的输出电压幅度的变化，并给出解释。图9. 反相放大器图10. Tektronix示波器控制面板仿真设置：电路设计完成后，直接点击仿真软件控制面板上的run（绿色三角符号），双击示波器图标观察波形。思考：a. 在不同输入信号频率条件下，负端电压（图9中节点4电压）幅度一样吗？为什么？b.输入信号频率为1kHz时，运放负端电压的相位和输出信号相位相差大约多少度？为什么？解：10Hz输出电压（节点5）的峰峰值：9.95V 100Hz输出电压（节点5）的峰峰值：9.95V1kHz输出电压（节点5）的峰峰值：9.88V原因：放大器内部有电容，不同频率的信号产生不同的容抗，频率越大，受电容的影响越小，因此会有不同的输出电压。思考：a. 不一样。因为放大器内部有电容，不同频率的信号产生不同的容抗，频率越大，受电容的影响越小，因此会有不同的输出电压。b. 相差小于，因为运放是非理想运放，不能达到完全的反相器的效果电压转换电路由运放和三极管可以构成电压转换电路，如图11所示。该电路可以将某种直流电压转换为另一种直流电压，如图中电路在1V参考电压（V3）作用下，可以将15V直流电压转换为3V左右的直流电压供负载使用，负载电阻为R3。仿真任务：a. 在图中参数条件下，扫描直流电压V1，电压范围4V15V，扫描步长0.01V，扫描类型为线性扫描。提交输出电压V4随电源电压V2的变化曲线，并根据仿真结果确定电源电压V2的最低电压（输出电压下降1%时的电源电压）;b. 扫描负载电阻R3，扫描范围为101k，步长10，提交输出电压V4随电源电压V2的变化曲线。图11. 运放构成的电压转换电路仿真设置：仿真任务a采用DC扫描，Simulate Analyses DC Sweep, 设置扫描电压和输出电压；仿真任务b采用参数扫描，Simulate Analyses Parameter Sweep, 设置扫描参数和输出电压。验收：该电路如何实现电压转换？解：根据图11可得，V6=1V，故V3=V6=1V又I- =0，故R1、R2串联分压，即V4:V3=（R1+R2）：R2=3:1所以V4=3V思考：图11所示电路如何改造后就能实现恒定电流输出？提示：增加电流镜。解：（1）V2的最低电压为5.2217V。输出电压V4随电源电压V2的变化曲线：（2）输出电压V4随电源电压V2的变化曲线：思考：DC sweep I(Q3Ic)修改电路如下（新增电流镜）整流电路图12所示电路为运放构成的整流电路，运放的高增益使得该电路能实现小信号幅度的整流，克服了二极管整流的导通电压问题。请写出输出电压表达式，并画出传输特性。输入信号频率为1Hz，振幅分别为100mV，10mV，1mV时，请通过瞬态仿真得到输出电压波形(节点7)，与输入信号V3同时显示。 op图12. 运放构成的整流电路仿真设置：Simulate Analyses Transient Analysis，仿真时间2s，步长1ms。思考：在小信号输入时，如振幅1mV，输出波形会严重失真，主要是什么原因导致这种失真？如何更改参数来减小这种失真？提示：运放的非理想性。解：（1）输出电压表达式及传输特性：V3=0时，D1，D2截止，Vo=0V30时，D1导通，D2截止，Vo=V3V30时，D1截止，D2导通，Vo=-V3（2）不同振幅时输入输出信号波形：100mV时输入（V3）、输出（节点7）电压波形：10mV时输入（V3）、输出（节点7）电压波形：1mV时输入（V3）、输出（节点7）电压波形：思考：由于运放的非理想型，输入阻抗不趋于无穷大，输入电压过小时，电流过小。 改进方法：保持R1/R2值不变，减小阻值。下图为R1=20，R2=10，输入幅度1mV的电压波形：可见失真度减小。三、 硬件实验图13为运放构成的脉冲宽度调制电路。其中，U1A和U2A构成三角波发生器，U3A构成脉冲宽度调制电路。最终输出波形（节点12）的脉冲宽度随着调制信号(U3A的负端输入信号)幅度的变化而变化。PWM调制技术可以简单的实现模拟控制到数字控制的转换，具有控制灵活、动态响应好、抗干扰能力强等优点，广泛应用在测量、通信、功率控制与变换的许多领域中。实验任务：1. 若二极管1N3064的导通电压为VD(on)，请写出U2A输出的三角波电压的正峰值和负峰值电压的表达式，电阻符号与图13中保持一致；2. 写出U2A输出的三角波信号的周期表达式；3. 若要求三角波频率100Hz，正负峰值都为2V，指标误差不超过10%，请在面包板上完成实验电路，并通过测试确定电路中电阻R2和R6的值，电容C1取100nF，其余电阻按照图中给出的参数取值，电路完成后提交节点8和节点10的示波器截图（显示在同一张图中），并测量频率和峰峰值；4. 按照图中所示，给电路施加调制信号V3（U3A的负端输入信号），提交节点13和节点11的波形（显示在同一张图中）；5. 将调制信号V3的交流幅度设置为0，通过连续改变调制信号的直流电压（OFFSET），观察并记录LED1和LED2的亮度随该直流电压的变化情况，并给出合理的解释。图13. 运放构成的脉冲宽度调制(PWM)电路思考: PWM调制对三角波的线性度要求较高，图13中电路是如何实现这种高线性度的？验收：分析上述电路解：