集成运算放大器

1、模拟电子电路实验资料重庆邮电大学实验报告实验课程： 电工电子（2）模电 实验名称： 集成运算放大器 实验时间： 第十三周 实验地点： S213 学 院： 自动化 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 学 号： 姓 名： 指导老师： （集成运算放大器的线性运用之运算电路）一、实验目的1悉集成运算放大器的构成，掌握集成运算放大器的正确使用方法；2深刻理解集成运算放大器“虚地”、“虚短”、“虚断”的基本概念；3掌握由集成运算放大器组成的基本运算电路，并验证电路的运算功能；4掌握由集成运算放大器组成的基本运算电路的设计方法。二、实验仪表及器材1数字存储示波器；2双路直流稳压电源；3函数信号发生器；4

2、数字万用表。三、实验电路图如图1.3、图1.4、图1.5、图1.6、图1.7所示。四、知识准备1熟悉集成运算放大器的相关理论知识；2查阅相关资料，了解集成运放µA741的性能参数、管脚排列及使用要求；3运用理论知识对实验电路所完成的运算功能进行理论设计及计算。五、实验原理(一) 集成运算放大器集成运算放大器（简称运放）是一种高增益的直接耦合放大器，具有体积小、可靠性高、功耗低、成本低、使用方便等特点。在众多的模拟集成电路中，它是最基本、用途最广泛的一种放大器件。以运放为核心的放大电路，可以在外部负反馈网络的配合下，构成诸如比例、加法、减法、积分、微分、对数等各种运算电路；也可以在开环

3、或引入正反馈网络的配合下，构成诸如电压比较器等电路。前者使运放工作在线性区，后者使运放工作在非线性区。在分析由运放构成的电路时，通常都将运放的性能指标理想化，即将运放看成为理想运放。1理想运放的性能指标(1) 开环差模电压增益：Aod=；(2) 差模输入电阻：rid=；(3) 差模输出电阻：rod=0；(4) 共模抑制比：KCMR=；(5) 上限截止频率：fH=；(6)输入失调电压UIO、失调电流IIO以及它们的温漂均为零且无任何内部噪声。当然，实际的集成运放的性能指标都为有限值，理想化后肯定会造成分析误差。但在一般的工程估算中，这些误差都是允许的，而这些误差会随着性能越来越接近理想的新型运放

4、的出现而减小。因此，只有在进行误差分析时，才考虑实际运放的性能指标有限值所带来的影响。2理想运放工作在线性区的特点(1) 理想运放的差模输入电压等于零，即运放的同相输入端与反相输入端的电压相等，如同将这两点短路一样。但这两点并非真正被短路，故称之为“虚短”；(2) 理想运放的差模输入电流等于零，即运放的同相输入端与反相输入端的电流都等于零，如同这两点被断开一样。但这两点又不是真正断路，故称之为“虚断”。“虚短”和“虚断”是分析运放工作在线性区的应用电路的两个基本出发点，是非常重要的概念。集成运放在线性工作区的重要应用就是组成模拟信号的运算电路。而在分析运算电路时，运用“虚短”和“虚断”这两个特

5、点，就可以简化分析过程，直接得到结论。3理想运放工作在非线性区的特点(1) 理想运放的输入电流等于零；(2) 理想运放的输出电压只有两种可能：当u+>u-时，uo=UoH；当u+<u-时，uo=UoL；电压比较器就是集成运算放大器在非线性工作区的应用电路。它是一种模拟信号处理电路，其作用是将输入端的模拟信号的电平进行比较，然后将结果反映在输出端。多数情况下，运放的一个输入端接固定不变的参考电压，另一个输入端接变化的电压信号。比较器只有两种输出状态：高电平或低电平。而分析这种电路时，其虚断的概念依然有用。(二)通用集成运算放大µA741集成运算放大器分为通用型和专用型。本次

6、实验选用的是通用型集成运算放大器µA741；它是一种具有内部频率补偿、输出短路保护等特点的高性能集成运算放大器。其封装为八管脚双列直插。图1.1所示为其管脚排列图，图1.2所示为其电路符号图。图1.1µA741管脚排列图图1.2µA741电路符号图器图1.1中，1脚和5脚接偏置（调零端）；2脚和3脚构成差分输入对，2脚为反相输入端，3脚为同相输入端；4脚接负电源，7脚接正电源，6脚为输出端，8脚为空脚。本实验为集成运算放大器µA741的线性应用。集成运算放大器在线性应用时，均构成深度负反馈工作状态。由于集成运算放大器参数接近理想值，所以输入输出关系由外部

7、反馈网络决定。在深度负反馈工作状态下，在某些频率可能产生附加相移，使电路工作不稳定，因而需要考虑频率补偿问题。而当放大含有直流分量的信号时，为了补偿输入失调电压的影响，保证零输入时零输出，就必须考虑调零问题。(三)集成运算放大器的线性运用之运算电路1反相比例运算电路图1.3反相比例运算电路(1) 结构形式图1.3所示电路为以集成运放µA741为核心组成的具有深度电压并联负反馈的反相比例运算电路。图1.3中，D1、D2为保护二极管；利用其单向导电性对运放的电源输入端进行保护，防止电源极性接反。输入电压通过R1作用于运放的反相输入端，故输出电压与输入电压反相。Rf为反馈电阻；它与R1共同

8、构成电压并联负反馈。在设计电路时应根据对输入阻抗的要求，适当选择R1和Rf的大小；一般阻值不能选取过大，以免引起较大的失调温漂；同时输入端信号源的内阻应包括在R1中。Rp为直流平衡电阻（也称补偿电阻），用以消除输入差放级直流不平衡引起的失调，保证集成运放输入级差分放大电路的对称性；根据电路结构有Rp=R1Rf。(2) 运算关系在运放理想时，根据运放“虚短”、“虚断”和“虚地”的特点，可推导出电路的输入ui与输出uo的运算关系及电压放大系数Au为：uo=-uiRf/R1（1.1）Au=uo/ui=-Rf/R1（1.2）电压放大系数Au数值可以是大于、等于或小于1的任何数值。2同相比例运算电路图1

9、.4同相比例运算电路(1) 结构形式图1.4所示电路为以集成运算放大器µA741为核心组成的具有深度电压串联负反馈的同相比例运算电路。图1.4中，D1、D2为保护二极管；利用其单向导电性对运放的电源输入端进行保护，防止电源极性接反。输入电压通过R2作用于运放的同相输入端，故输出电压与输入电压同相。Rf为反馈电阻，它与R1共同构成电压串联负反馈。在设计电路时应根据对运算关系的要求，适当选择Rf和R1的大小；同时输入端信号源的内阻应包括在R2中。R2为直流平衡电阻（也称补偿电阻），用以消除输入差放级直流不平衡引起的失调，保证集成运放输入级差分放大电路的对称性；根据电路结构有R2=R1Rf

10、。(2) 运算关系在运放理想时，根据运放“虚短”、“虚断”的特点，可推导出电路的输入ui与输出uo的运算关系及电压放大系数Au为：uo=(1+Rf/R1) ui（1.3）Au=uo/ui=1+Rf/R1（1.4）电压放大系数Au数值可以是大于、等于1的任何数值。3反相比例加法运算电路图1.5反相比例加法运算电路(1) 结构形式图1-5所示电路为以集成运算放大器µA741为核心组成的具有深度电压并联负反馈的反相比例加法运算电路。图1-5中，D1、D2为保护二极管；利用其单向导电性对运放的电源输入端进行保护，防止电源极性接反。输入电压ui1和ui2分别通过R1和R2作用于运放的反相输入端

11、式。Rf为反馈电阻，它与R1和R2共同构成电压并联负反馈。在设计电路时应根据对运算关系的要求，适当选择R1、R2和Rf的大小；同时输入端信号源的内阻应包括在R1和R2中。Rp为直流平衡电阻（也称补偿电阻），用以消除输入差放级直流不平衡引起的失调，保证集成运放输入级差分放大电路的对称性；根据电路结构有Rp=R1R2Rf。(2) 运算关系在运放理想时，根据运放“虚短”、“虚断”和“虚地”的特点，可推导出电路的输入ui1和ui2与输出uo的运算关系为：uo=-(ui1Rf/R1+ui2Rf/R2)（1.5）从式（1.5）可以看出，当两输入信号同相时，电路做反相加法运算；当两输入信号反相时，电路做反相

12、减法运算；而输出信号与两输入信号的相位关系就需视两输入信号的相对相位和相对大小来决定。4差分比例运算电路图1.6差分比例运算电路(1) 结构形式图1-6所示电路为以集成运算放大器µA741为核心组成的差分比例运算电路。图1-6中，D1、D2为保护二极管；利用其单向导电性对运放的电源输入端进行保护，防止电源极性接反。输入电压ui1通过R1作用于运放的反相输入端，输入电压ui2通过R2作用于运放的同相输入端，故输出电压与输入电压的相位关系应视两个输入的相位关系及大小而定。Rf为反馈电阻，Rp为直流平衡电阻（也称补偿电阻）。在设计电路时应根据对运算关系的要求，适当选择R1、R2、Rp和Rf

13、的大小；同时输入端信号源的内阻应包括在R1和R2中。一般要求该电路满足Rp=Rf，R1=R2。(2) 运算关系在运放理想时，根据运放“虚短”、“虚断”和“虚地”的特点，可推导出电路的输入ui1和ui2与输出uo的运算关系为：（1.6）当Rp=Rf，R1=R2时，电路为差分放大器，其运算关系为：（1.7）当Rp=Rf=R1=R2时，电路为差分减法器，其运算关系为：（1.8）从式（1.7）可以看出，当两输入信号同相时，电路做差动减法运算；当两输入信号反相时，电路做差动加法运算；而输出信号与两输入信号的相位关系就需视两输入信号的相对相位和相对大小来决定。5反相积分运算电路图1.7反相积分运算电路(1

14、) 结构形式图1-7所示电路为以集成运算放大器µA741为核心组成的反相积分运算电路。图1-7中，D1、D2为保护二极管；利用其单向导电性对运放的电源输入端进行保护，防止电源极性接反。输入电压ui通过R1作用于运放的反相输入端；C为反馈元件，Rf为分流电阻。一般取Rf10R1；Rf是给直流提供反馈通路，避免失调电压在输出端产生积累而使积分器产生饱和，甚至不能工作，同时防止低频信号增益过大。Rf取大些可改善积分的线性度。Rp是直流平衡电阻，根据电路结构有Rp=R1Rf。(2) 运算关系在运放理想时，根据运放“虚短”、“虚断”和“虚地”的特点，可推导出电路的输入ui与输出uo的运算关系为

15、：（1.9）由式（1.9）可以看出，输出是输入对时间的积分。在设计电路时应根据对运算关系的要求，适当选择R1、C1、Rp和Rf的大小；同时输入端信号源的内阻应包括在R1中。从式（1.9）可知，当输入信号为正弦信号时，可实现正弦-余弦的移相功能；当输入信号为周期性方波时，可实现方波-三角波的波形变换功能。本实验即为实现方波向三角波的变换功能。如果输入方波信号的幅度A、周期为T，则输出三角波信号的幅度为：（1.10）从式（1.10）可计算出输出信号的峰峰值为：（1.11）特别是当电路的时间常数=R1C1=T（T为输入方波信号的周期）时，其输出三角波的峰峰值等于输入方波的峰峰值的四分之一，即：（1.

16、12）六、实验内容及步骤(一)反相比例运算电路1搭接实验电路按图1.3所示正确搭接实验电路，检查无误后方可通电实验。注意正、负工作电源的正确接法。2输入正弦信号（频率选择在中频段，幅度以输出波形不失真为准）并保持不变；用示波器观察输入信号ui与输出信号uo的波形；在输出波形不失真的情况下，测量输入信号ui与输出信号uo的幅度，计算电压放大倍数Au，将相关数据记录于表1.1中；观察并记录输入信号与输出信号的相位关系，绘制相应波形。表1.1 反相比例运算电路测试数据计算数据输入输出相位关系信号类型f(kHz)ui(mV)uo(mV)理论Au测试Au正弦信号-10反相(二)同相比例运算电路1搭接实验

17、电路按图1.4所示正确搭接实验电路，检查无误后方可通电实验。注意正、负工作电源的正确接法。2输入正弦信号（频率选择在中频段，幅度以输出波形不失真为准）并保持不变；用示波器观察输入信号ui与输出信号uo的波形；在输出波形不失真的情况下，测量输入信号ui与输出信号uo的幅度，计算电压放大倍数Au，将相关数据记录于表1.2中；观察并记录输入信号与输出信号的相位关系，绘制相应波形。表1.2 同相比例运算电路测试数据计算数据输入输出相位关系信号类型f(kHz)ui(mV)uo(mV)理论Au测试Au正弦信号11同相(三)反相比例加法运算电路1搭接实验电路按图1.5所示正确搭接实验电路，检查无误后方可通电

18、实验。注意正、负工作电源的正确接法。2按以下要求输入正弦信号（频率选择在中频段，幅度以输出波形不失真为准）并保持不变；用示波器观察输入信号ui1（或ui2）与输出信号uo的波形；在输出波形不失真的情况下，测量输入信号ui1（或ui2）与输出信号uo的幅度，将相关数据记录于表1.3中；观察并记录输入信号与输出信号的相位关系，绘制相应波形。要求一：输入信号ui1与ui2同相，且二者的幅度不相等；要求二：输入信号ui1与ui2反相，且二者的幅度的绝对值不相等。表1.3 反相比例加法运算电路测试数据计算数据输入输出相位关系信号类型f(kHz)ui1(mV)ui2(mV)uo(mV)理论uo(mV)正弦信号1030同相50反相正弦信号1030同相-50反相(四)差分比例运算电路1搭接实验电路按图1.6所示正确搭接实验电路，检查无误后方可通电实验。注意正、负工作电源的正确接法。2按以下要求输入正弦信号（频率选择在中频段，幅度以输出波形不失真为准）并保持不变；用示波器观察输入信号ui1（或ui2）与输出信号uo的波形；在输出波形不失真的情况下，测量输入信号ui1（或ui2）与输出信号uo的幅度，将相关数据记录于表1.4中；观察并记录输入信号与输出信号的相位关系，绘制相应波形。要求一：输入信号ui1与ui2同相，且二者的幅度不相等；要求二：按要求一完成测试